【正文】 發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。萬能末端執(zhí)行器在結構上很復雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。因此，要求 機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結構緊湊。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應用領域。 在設計機器人末端執(zhí)行器時，應注意以下問題； 。 加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器 人附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)。末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。 機械手末端執(zhí)行器的設計要求 機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。 水平液壓缸支承板手臂手爪聯(lián)結梁執(zhí)行手爪 圖 24 手爪聯(lián)結結構 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計 178。 設計具體 采用 方案 通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完 全能滿足作業(yè)要求的， 3 個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。 ，以減小空回間隙，提高傳動精度。 蘭，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 ，因此，要有標準的聯(lián)接法178。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構的驅動器采用分離傳動。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。在滿足作業(yè)要求的前提下，應使自由度數(shù)盡可 能的少。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結構更復雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。 機器人手腕結構的設計要求 ，應根據(jù)作業(yè)需要來設計。 機械手 腕部的結構 設計 機器人的手臂運動（包括腰座的回轉運動），給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空 間中的運動姿態(tài)。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。 許的情況下），再進行強度的較核。因此手臂液壓缸的設計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結構允178。綜合考慮，兩手臂的驅動均選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執(zhí)行運動件，不用 再 設計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)。 沖能力的機械限位塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。 ，這對減小電機負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。 ，以減小機械間隙所造成的運動誤差。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結構的優(yōu)化設計。目前，在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機器人手臂。 ，應在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。 178。工作空間的形 狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則； ；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 7178。因為齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于 100） ， 同時為了減小機械手的整體結構，齒輪采用高強度、高硬 度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。考慮到腰座是機器人的第一個回轉關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現(xiàn)腰部的回轉運動。 設計具體 采用 方案 腰座回轉的驅動形式 要么是電機通過減速機構來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。要設有調整機構，用來調整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。 、調整。 ，它包括驅動器（電動、液壓及氣動）及減速器。 ，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。 6178。它是機器人的第一個回轉關節(jié)，機器人的運動部分全部安裝在腰座上，它承受了機器人的全部重量。 機械手腰座結構的設計 進行了機械手的總體設計后，就要針對機械手 的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器 等各個 部分進行詳細設計。該機械手在工作中需要 3 種運動 ,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動 ,另一個為手臂的回轉運動 ,綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為 3，坐標形式選擇圓柱坐標形式，即一個轉動自由度兩個移動自由度，其特點是 :結構比較簡單 ,手臂運動范圍大 ,且有較高的定位準確度。 5178。 關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。 4. 關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空 間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖 。主要應用于搬運作業(yè)。 3. 球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及 搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。 4178。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（ μ m 級）。各結構形式 及其相應的特點，分別介紹如下 。本著科學經(jīng)濟和滿足生產 要求的設計原則，同時也考慮本次設計是畢業(yè)設計的特點，將大學期間所學的知識，如機械設計、機械原理、 液壓、氣動、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（ PLC）、電子技術、自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識 盡可能多的綜合運用到設計中，使得經(jīng)過本次設計對大學階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力 水平 和時間的客觀實際， 充分發(fā)揮個人能動性， 腳踏實地，實事求是的 做 好本次設計。 這次 畢業(yè)設計 的設計原則是：以 任務書所要求的具體設計要求為根本設計目標，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。 生產加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器， 先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與178。 C．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還 應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。本設計能夠應用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產效率和生產力。 本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。 完成，勞動強度大、生產效率低。 目前，在國內很多工廠的生產線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工178。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。當工件變更時，柔性生產系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市場競爭的需要。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC中一個重要組成部分。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。 第 1 章 緒論 選題背景 機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。178。 1178。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸， 特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產水平的提高 ， 從經(jīng)濟上、技術上考慮都是十分必要的。 設計目的 本設計通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。 2178。為了提高生產加工的工作效率 ,降低 成本 ,并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) ,適應現(xiàn)代自動化大生產 ,針對具體生產工藝 ,利用機器人技術，設計用一臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。 國內外研究現(xiàn)狀和趨勢 目前，在國內外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： A．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。 B．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 D．關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； E．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 3178。 設計原則 在設計之前，必須要有一個指導原則。在滿足工藝要求的基礎上，盡可能的使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。 第 2 章 設計方案的論證 機械手的總體設計 機械手總體結構的類型 工 業(yè)機器人的結構形式 主要有 直角坐標結構 ， 圓柱坐標結構 ，球坐標結構 ，關節(jié)型結構 四種 。 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖 a21.。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。 178。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。其工作空間是一個類球形的空間。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。 圖 21 四種機器人坐標形式 設計具體采用方案 178。 圖 22 具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件的質量達 30KG，且長度達 500MM，同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工 藝要求的前提下，盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。 機械手工作布局圖如圖 22 所 示 。 機械手腰座結構的設計要求 工 業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標機器人，球坐標機器人及關節(jié)型機器人的回轉基座。在設計機器人腰座結構時，要注意以下設計原則： 178。 ，以保證機器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 ，它對機器人末端的運動精度 影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈 的精度與剛度的保證。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。腰部與機器人手臂的聯(lián)結要有可靠的定位基準面，以保證各關節(jié)的相互位置精度。 ，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結構緊湊，不用設計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件。一般電機都不能直接驅動，考慮到轉速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。 腰座具體結構如圖 23 所示 ： 178。 圖 23 腰座 結構 圖 機械手 手臂 的結構設計 機械手手臂的設計要求 機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內的運動。 。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間