【正文】 手的腰座、手臂、手爪等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計。學(xué)士學(xué)位論文 1 摘要 在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機(jī)械手作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。通過對機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識進(jìn)行整合，對工業(yè)機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，設(shè)計了一種圓柱坐標(biāo)形式的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手。主要包括三個方面 ： 機(jī)械手腰部，大臂，小臂，手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ；液壓系統(tǒng)設(shè)計 ； PLC 控制部分的設(shè)定 。 design a kind of Cylindrical coordinates manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, make the detailed design about base, arm, and hand claw and the control system etc. There are mainly three aspects in the design: The structure design of base, arm, forearm and hand claw 。The setting of PLC control. Keywords: Manipulator。 Hydraulic system。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化。機(jī)械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)力。 ［ 1］ 目前，機(jī)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。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計是非常有意義的。 目前 ,國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上機(jī)床裝卸工件仍由人工完成 ,勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。 本機(jī)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(chǎn)線 ,實現(xiàn)過程無人自動化。這個設(shè)計可以應(yīng)用到加工廠車間 ,滿足數(shù)控機(jī)床和加工中心加工、安裝和卸載加工要求 ,以降低勞動強(qiáng)度 ,節(jié)省加工輔助時間 ,提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力 。目前，正式投入使用的絕大部分機(jī)械手屬于第一代機(jī)械手，即程序控制機(jī)械手。第二代機(jī)械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎(chǔ)，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對控制程序進(jìn)行校正?，F(xiàn)在，第三代機(jī)械手正在第一、第二代機(jī)械手的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對象物，并具有對復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對自己行為做 出自主決策能力的智能化機(jī)械手。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點，其研究的學(xué)士學(xué)位論文 3 現(xiàn)狀和大體趨勢如下： A．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。 B．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成 度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 D．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)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(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)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。 應(yīng)用領(lǐng)域 工業(yè)制造領(lǐng)域：主要讓機(jī)器手在 機(jī)械制造業(yè) 中代替人完成大批量、高 質(zhì)量要求 的工作，如汽車制造、艦船制造及某些家電產(chǎn)品（電視機(jī)、電冰箱、學(xué)士學(xué)位論文 4 洗衣機(jī)）的制造等。 軍事領(lǐng)域：主要讓機(jī)器人執(zhí)行一些相對較為 危險的任務(wù) ，比如， 無人偵察機(jī) 、 拆除炸彈 等。 醫(yī)療領(lǐng)域：主 要用來輔助護(hù)士進(jìn)行一些日常的工作，以及協(xié)助醫(yī)生完成一些難度較高的手術(shù)，例如， 眼部手術(shù) 、腦部手術(shù)等。其 結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下。由于直線運(yùn)動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μ m級）。因此，為了實現(xiàn)一定的運(yùn)動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖 c。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的 空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)的，如圖 d。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。同時考慮到數(shù)控機(jī)床布局的 具體形式及對機(jī)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(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。機(jī)械手工作布局圖如圖 所示。 /s ： 30KG（可隨液壓系統(tǒng)壓力適當(dāng)增大） ：電液混合驅(qū)動 ：石油基液壓油 ： PLC ： 3 ：圓柱坐標(biāo)型式 ：約 180KG ： 220VAC/24VDC 學(xué)士學(xué)位論文 8 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)設(shè)計 腰座設(shè)計要求 工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人 及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。在設(shè)計機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)計原則： ，以保證機(jī)器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 ，它對機(jī)器人末端的運(yùn)動精度影響最大，因此，在設(shè)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(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計另外輔助元件。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用減速箱進(jìn)行減速和扭矩的放大。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計時，要遵循下述原則： ；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)器人的控制。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。 ，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。 設(shè)計方案 機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動都為直線運(yùn)動。考慮到搬運(yùn)工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量 達(dá) 30KG，屬中型重量，同時考慮到機(jī)械手的動態(tài)性能及運(yùn)動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。 因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。 同時，因為控制和具體工 作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn) 動角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對學(xué)士學(xué)位論文 11 對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。為了減輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。 ，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器 。 末端執(zhí)行器（手爪） 結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計要求 機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)用場所。 ［ 10］ 、被抓取物體的重量及操作力的總和機(jī)器人容許的負(fù)荷力。 夾持器 典型結(jié)構(gòu) 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。通常與彈簧聯(lián)合使用。 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。驅(qū)動活塞往復(fù)移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。本設(shè)計按照工件的直徑為 160mm來設(shè)計。除直接驅(qū)動型機(jī)器人以外， 機(jī)械手 各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動的。常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。 在設(shè)計機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)時要注意以下問題： 機(jī)械手 的運(yùn)動速度及控制精度，要求 機(jī)械手 各運(yùn)動部件的重量要輕，慣量要小。 ，以減小反向空回所造成的運(yùn)動誤差。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向支承部件。 學(xué)士學(xué)位論文 15 圖 減速箱 選用減速器時應(yīng)根據(jù)工作機(jī)的選用條件，技術(shù)參數(shù)，動力機(jī)的性能，經(jīng)濟(jì)性等因素，比較不同類型、品種減速器的外廓尺寸，傳動 效率 ，承載能力，質(zhì)量，價格等，選擇最適合的減速器。 、軸及軸承組合 小齒輪與軸制成 一體，稱齒輪軸，這種結(jié)構(gòu)用于齒輪直徑與軸的直徑相關(guān)不大的情況下，如果軸的直徑為 d，齒輪齒根圓的直徑為 df，則當(dāng) dfd≤ 6～7mn 時，應(yīng)采用這種結(jié)構(gòu)。此時齒輪與軸的周向固定平鍵聯(lián)接，軸上零件利用 軸肩 、 軸套 和 軸承 蓋作軸向固定。這種組合，用于承受徑向載荷和不大的軸向載荷的情況。軸承是利用齒輪旋轉(zhuǎn)時濺起的稀油，進(jìn)行潤滑。當(dāng)浸油齒輪圓周速度υ≤ 2m/s 時，應(yīng)采用 潤滑脂 潤滑軸承，為避免可能濺起的稀油沖掉潤滑脂，可采用擋油環(huán)將其分開。 箱體是減速器的重要組成部件。 箱體通常用灰鑄鐵制造，對于重載或有沖擊載荷的減速器也可以采用鑄鋼箱體。 灰鑄鐵 具有很好的鑄造性能和減振性能。上箱蓋和下箱體用螺栓聯(lián)接成一體。為保證箱體具有足夠的剛度，在軸承孔附近加支撐肋。 為了保證減速器的正常工作，除了對齒輪、軸、軸承組合和箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計給予足夠的重視外，還應(yīng)考慮到為減速 器潤滑油池注油、排油、檢查 油面 高度、加工及拆裝檢修時箱蓋與箱座的精確定位、吊裝等輔助零件和部件的合理選擇和設(shè)計。檢查孔設(shè)在上箱蓋頂部能直接觀察到齒輪嚙合部位處。通氣器減速器工作時，箱體內(nèi)溫度升高，氣體膨脹，壓力增大，為使箱內(nèi)熱脹空氣能自由排出，以保持箱內(nèi)外壓力平衡，不致使?jié)櫥脱胤窒涿婊蜉S伸密封件等其他縫隙滲漏，通常在箱體頂部裝設(shè)通氣器。軸承蓋有凸緣式和嵌入式兩種。凸緣式軸 承蓋的優(yōu)點是拆裝、調(diào)整軸承方便，但和嵌入式軸承蓋相比，零件數(shù)目較多，尺寸較大，外觀不平整。故不需要中間傳動機(jī)構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪箱傳動，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，同時較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以使機(jī)械手的運(yùn)動平穩(wěn)，動態(tài) 性能好。隨著減速箱的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為標(biāo)配，可以直接按型號選擇。本設(shè)計選用三級傳動即可， 見圖 ， 性能特點： ，傳動比等主要均經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，主要零、部件互換性好。 、重量輕、精度高、承載能力大、壽命長、可靠性高、傳動 平穩(wěn)、噪音低。 圖 硬齒面減速箱 學(xué)士學(xué)位論文 18 液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自 1962 年在世界上第一臺機(jī)器人中應(yīng)用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機(jī)器人中獲得了廣泛的應(yīng)用。 液壓系統(tǒng)在機(jī)器人中所起的作用是通過電 液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進(jìn)行功率放大，對液壓動力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、 位置、和速度的控制，進(jìn)而控制機(jī)器人手臂按給定的運(yùn)動規(guī)律動作。在工業(yè)機(jī)器人中，中、小功率的液壓驅(qū)動系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為多，大功率的用容積調(diào)速系統(tǒng)。容積調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。 ［ 4］ 這類機(jī)器人屬非伺服控制的機(jī)器人，在只有簡單搬運(yùn)作業(yè)功能的機(jī)器人中，常常采用簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機(jī)器人實現(xiàn)有限點位的控 制。 （ 2） 定位點的緩沖與制動：因為機(jī)器人手臂的運(yùn)動慣量比較大，在定位點前要加緩沖與制動機(jī)構(gòu)或鎖定裝置。其電 液轉(zhuǎn)換和功率放大元件有電 液伺服閥，電 液比例閥，電 液脈學(xué)士學(xué)位論文 19 沖閥等。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，電 液伺服馬達(dá)和電 液伺服液壓缸可以是分離式，也可以是組合成為一體。 電動驅(qū)動系統(tǒng) 這些年來，針對機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等自動機(jī)械而開發(fā)的各種類型的伺服電動機(jī)及伺 服驅(qū)動器的大量出現(xiàn)，為機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。 ［ 5］ 在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用的電動機(jī)大致可分為如下類型：小慣量永磁直流伺服電動機(jī)，有刷繞組永磁直流伺服電動機(jī)，大慣量永磁直流伺服電動機(jī)（力矩電機(jī)），反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，同步式交流伺服電動機(jī)，異步式交流伺服電動機(jī)。伺服電動機(jī)可與測速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、制動器、減速器相結(jié)合，實現(xiàn)部分組合、由幾種組合或全部組合，形成伺服電動機(jī)驅(qū)動單元。根據(jù)機(jī)器人各運(yùn)動軸所計算的、要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載額定力矩、加減速特性、額定功率、加速功率等參數(shù)選擇電機(jī)型號。 學(xué)士學(xué)位論文 20 名 稱 主要特點及性能 結(jié)構(gòu)特點 用途及使用范圍 驅(qū)動器 小慣量直流永磁伺服電動機(jī) 電機(jī)的慣量小，理論加速度大，低速性好，調(diào)速比可達(dá) 1： 10e4 范圍，但低速輸出力矩不大 轉(zhuǎn)子直徑小，慣量小 適用于對快速性要求嚴(yán)格而負(fù)載力矩不大的場合 直流 PWM 伺服驅(qū)動器 SCR變壓驅(qū)動器 小慣量直流永磁伺服電動機(jī) 電機(jī)的慣量小，理論加速度大，調(diào)速比可達(dá) 1： 10e4范圍，但低速