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1、*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計引言機械工業(yè)是全國人民的裝備部，是為國家經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提經(jīng)久供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。無論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，各種各樣的機械裝都與機械手備密不可分，機械工業(yè)提供裝備的性能、質(zhì)量及成本，對國民經(jīng)濟各各部門技術(shù)的進步和經(jīng)濟的效益有非常大的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的重要戰(zhàn)略之一。工業(yè)機械手是近數(shù)十年發(fā)展起來的一種含有高科技的自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的基本特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和

2、適應(yīng)性。工業(yè)機械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。以PLC控制為基礎(chǔ)，掌握機械手設(shè)計的基本思路和設(shè)計要點，全面復(fù)習(xí)和鞏固機器人技術(shù)以及相關(guān)課程的

3、基本知識，掌握各種手冊、文獻資料在機械手設(shè)計的運用方法。在設(shè)計過程中，通過機械、控制等系統(tǒng)的設(shè)計，溫習(xí)和鞏固所學(xué)的機械設(shè)計、工程力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)知識，通過PRO/E繪制零件和裝配，提高運用Pro/E進行模型設(shè)計的能力，通過文獻檢索，讓自己了解機械手行業(yè)的前沿知識和行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，訓(xùn)練查詢資料的能力。最終，培養(yǎng)運用所學(xué)知識解決實際設(shè)計問題，提高獨立分析問題、解決問題的能力，提高綜合實力。1課題研究的意義畢業(yè)設(shè)計，作為大學(xué)四年學(xué)習(xí)情況的最好的驗收依據(jù)，不僅包含這四年來所學(xué)到的課本上的理論與平時實踐知識，更考驗了在這四年里逐漸培養(yǎng)的自學(xué)能力和將所學(xué)到知識聯(lián)系起來獨立運用的能力。在這次設(shè)計中，指導(dǎo)老師的幫

4、助下，運用所學(xué)的基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識和自學(xué)能力，學(xué)會并且掌握利用Pro/E軟件進行建模設(shè)計，掌握機械手設(shè)計的基本思路和設(shè)計要點，進行解決工程實際問題的基本訓(xùn)練。這也將是對即將踏入社會的工作能力的很好培養(yǎng)方式。1.1 機電一體化由可編程序控制器-驅(qū)動元件組成的典型的控制系統(tǒng)，它是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制電氣元件，使電動技術(shù)從開關(guān)控制進入到高精度的反饋控制；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。電動機械手、氣動控制越來越離不開PL

5、C，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應(yīng)手。由于近幾年市場需求的強大拉動，中國機械制造業(yè)高速發(fā)展。按產(chǎn)量排名，我國機械產(chǎn)量位居世界前列，一直以每年一定速度快速發(fā)展。從未來的發(fā)展機會來看，我國經(jīng)濟處于高速發(fā)展期，國際上經(jīng)濟全球化發(fā)展趨勢日趨明顯，這就為我國模具行業(yè)提供了良好的條件和機遇。1.2 PLC在設(shè)計中的應(yīng)用機械工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)工業(yè)之一，在各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于世界制造業(yè)的中心正逐漸向中國轉(zhuǎn)移，因此國內(nèi)對機械手的需求也越來越大。在激烈的市場競爭中，產(chǎn)品投人市場的周期往往是成敗的關(guān)鍵，因此客戶對機械手控制要求越來越嚴(yán)格。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了

6、計算機技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)學(xué)技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動化裝置。它面向控制過程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一。PLC控制技術(shù)代表著當(dāng)前程序控制的先進水平，PLC裝置已經(jīng)成為自動化系統(tǒng)的基本裝置。在當(dāng)前機械手的應(yīng)用中，物件搬運就是機械手發(fā)展的主要方向之一，因為一些繁重和重復(fù)性強的工作都可以借助機械手來進行，它可以部分甚至全部代替人類來完成一些工作。本畢業(yè)設(shè)計所要研究的是基于PLC的機械手的控制，是通過控制電動機來操控機械手的手指、手腕、手臂和腰部的旋轉(zhuǎn)來完成對物件的抓取和傳送?？删幊踢壿嬁刂破骶哂幸韵迈r明的特點。a 系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴展容

7、易，以開關(guān)量控制為其特長；也能進行連續(xù)過程的PID回路控制，并能與上位機構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如DDC和DCS等，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自動化。b 使用方便，編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。c 能適應(yīng)各種惡劣的運行環(huán)境，抗干擾能力強，可靠性強，遠高于其他各種機型。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。1)

8、輸入采樣階段在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映像區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映像區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。2) 用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路

9、進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映像區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映像區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使

10、用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。3)輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。圖0.1 普通的機械手Fig.0-1 Ordinary manipulator圖0.2 機械手在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用Fig.0-2Robots the application of industrial production2 機械手概述機械手主要由手部、

11、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成如圖0-1。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有23個自由度。機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它

12、可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上如圖0-2，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為Mechanical Hand，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人。本課題所做的機械手是屬于第三類

13、機械手。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。軸箱傳動設(shè)計，是依據(jù)動力箱驅(qū)動軸位置和轉(zhuǎn)速、各主軸位置及其轉(zhuǎn)速要求，設(shè)計傳動鏈，把驅(qū)動軸與各主軸連接起來，使各主軸獲得預(yù)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的

14、。2.1 簡史1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一

15、種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺

16、、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。2.2 應(yīng)用簡況現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還會有所改變。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用

17、能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。國內(nèi)機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。2.3 發(fā)展趨勢目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移

18、、俯仰等機構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構(gòu)，即可組成不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴大應(yīng)用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一

19、定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展機械手裝配作

20、業(yè)的能力也將進一步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。3 機身的設(shè)計機身是直接支撐并驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動，這些運動的傳動機構(gòu)都安在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，還可以沿地面或架空軌道運動。為實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)一般設(shè)計在機身處。為了設(shè)計出合理的運動機構(gòu)，就要綜合考慮，對機械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位

21、置都能自動定位等特性。設(shè)計機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)及環(huán)境要求，擬定最合理的作業(yè)工序，并滿足不同系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計的機械手是通用PLC控制搬運料的機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。機身承載著手臂，做旋轉(zhuǎn)運動，是機械手的重要組成部分。

22、常用的機身結(jié)構(gòu)有以下幾種：1) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。2) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運動部件較大。3) 活塞缸和齒條齒輪機構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)：齒輪的往復(fù)回轉(zhuǎn)帶動與手臂連接的齒條的往復(fù)運動，從而使作水平運動。經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用三連桿結(jié)構(gòu)。齒輪通過鍵與軸相連接，電動機再通過小齒輪帶大齒輪帶動動軸轉(zhuǎn)動，各個關(guān)節(jié)利用電動機驅(qū)動。3.1 機械手的坐標(biāo)型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標(biāo)

23、型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，據(jù)結(jié)構(gòu)采用圓柱坐標(biāo)型式。相應(yīng)的機械手具有三個自由度，為了彌補末端自由度小的缺點，增加手臂末端手腕機構(gòu)，從而增加一個手臂六個自由度。按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的回轉(zhuǎn)、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和8升降運動是通過電機來實現(xiàn)的。由于電機傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本較低因此本機械手采用機電傳動方式。考慮到機械手的通用性，同時使用點位

24、控制，因此采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當(dāng)機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。3.2 機械手的主要技術(shù)參數(shù)3.2.1 機械手的最大抓重機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用電機方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，確定工件質(zhì)量。3.2.2 基本參數(shù)運動速度基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂回轉(zhuǎn)的速度。所設(shè)計的機械手最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機械手動作時有啟動、停止過程的存在，用

25、速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有回轉(zhuǎn)行程和工作半徑。大部分機械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的回轉(zhuǎn)行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的回轉(zhuǎn)行程定為600mm,最大工作半徑約為1400mm。手臂升降行程定為120mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為mm。3.2.3 設(shè)計技術(shù)參數(shù)1）抓重 5kg2）自由度數(shù) 6個自由度3）座標(biāo)型式 座標(biāo)4）最大工作半徑 700mm5）手

26、臂最大中心高 1203mm6）手臂運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)行程1200mm 回轉(zhuǎn)速度60/s 升降行程120mm 升降速度90/s 回轉(zhuǎn)范圍180-180 回轉(zhuǎn)速度 7）手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 180-180 回轉(zhuǎn)速度8）手爪夾持范圍 棒料 9）定位方式 行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等10）定位精度 11）驅(qū)動方式 電機傳動12）控制方式 點位程序控制(采用PLC)3.3 臂部的設(shè)計手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身

27、運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 要遵循下述原則；1) 應(yīng)盡可能使機械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機械手的控制。2) 機械手手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機械手工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機械手手臂末端工作空間并沒有考慮機械手手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機械手手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。3) 為了提高機械手的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能

28、在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質(zhì)材料，通常選用高強度鋁合金制造機械手手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機械手手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機械手手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機械手手臂的重量。4) 機械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。5) 機械手的手

29、臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小電機負(fù)載和提高機械手手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機械手的手臂時，應(yīng)盡可能利用在機械手上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機械手手臂的不平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。6) 機械手手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。3.3.1 臂部設(shè)計的基本要求機械手手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機械手所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進行機械手手臂設(shè)計時，a 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕1) 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。2)

30、提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。3) 合理布置作用力的位置和方向。4) 注意簡化結(jié)構(gòu)。5) 提高配合精度。b 臂部運動速度要高，慣性要小c 手臂動作應(yīng)該靈活總結(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機械手。3.3.2 手臂的典型運動機構(gòu)常見的手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)有以下幾種：1) 雙導(dǎo)桿手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)。2) 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的回轉(zhuǎn)，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層電機空心結(jié)構(gòu)。3) 雙活塞桿機電崗結(jié)構(gòu)。4) 活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。3.4機械手傳動機構(gòu)設(shè)計3.4.

31、1 機械手常用的傳動機構(gòu)形式A 齒輪傳動機構(gòu)在機械手中常用的齒輪傳動機構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。機械手系統(tǒng)中齒輪傳動設(shè)計的一些問題1) 齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動比應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動機為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則

32、可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2) 各級傳動比的最佳分配原則。當(dāng)計算出傳動比后，為使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿足動態(tài)性能和提高傳動精度的要求，要對各級傳動比進行合理的分配，原則如下：a輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。為了提高齒輪傳動系統(tǒng)的運動精度，各級傳動比應(yīng)按先小后大的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設(shè)齒輪傳動中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為，則 （2-1）式中：-第個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；-第個

33、齒輪的轉(zhuǎn)軸至n級輸出軸的傳動比。則四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（、.、）換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 （2-2）由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動比的大小。因此，在設(shè)計中最末兩級的傳動比應(yīng)取大一些，并盡量提高其加工精度。b等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則。利用該原則設(shè)計的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量最小，各級傳動比也是按照先小后大的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊。具體而言有幾點：1) 對要求運動平穩(wěn)，起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉(zhuǎn)動慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。2) 對于變負(fù)載的傳動齒輪系統(tǒng)的各級傳動比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期嚙合以降低噪音和

34、振動。3) 對于提高傳動精度和減小回程誤差為主的傳動齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則；對于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開始幾級就增速，并且要求每級增速比最好大于1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動誤差。4) 對以比較大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結(jié)合為混合輪系。對于相當(dāng)大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高，傳動平穩(wěn)以及體積小重量輕時?？蛇x用新型的諧波齒輪傳動。B 諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機械手系統(tǒng)中得到廣泛的

35、應(yīng)用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質(zhì)上的差別。C 螺旋傳動螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%98%）

36、，其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機械手中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構(gòu)或制動裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項指標(biāo)：1） 滾珠絲杠的精度等級；2） 滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值；3） 載荷條件（靜、動載荷）以及載荷允許值；4） 滾珠絲杠的工作壽命；5） 滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速；6） 滾珠絲杠的剛度；減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母與絲杠之間有一定的預(yù)加載荷。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛

37、度。但是預(yù)加載荷會使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預(yù)加載荷不應(yīng)超過工作載荷的1/3。D 同步帶傳動同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機械手中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯

38、形齒形和圓弧齒形。E 鋼帶傳動鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。F 鏈傳動在機械手中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機械手末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。G 鋼絲繩輪傳動鋼絲繩輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。機械手是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運動機構(gòu)。除直接驅(qū)動型機械手以外，機械手各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運動都是由驅(qū)動器

39、經(jīng)過各種機械傳動機構(gòu)進行驅(qū)動的。機械手所采用的傳動機構(gòu)與一般機械的傳動機構(gòu)相類似。常用的機械傳動機構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由于傳動部件直接影響著機械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。在設(shè)計機械手的傳動機構(gòu)時要注意以下問題：1) 為了提高機械手的運動速度及控制精度，要求機械手各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機械手的傳動機構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。2) 在傳動鏈及運動副中要采用間隙調(diào)整機構(gòu)

40、，以減小反向空回所造成的運動誤差。3) 系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負(fù)斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)向支承等。4) 縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動機構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)等。5) 選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，盡可能提高加速能力。6) 縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙

41、、減少支承變形等措施。7) 適當(dāng)?shù)淖枘岜?，機械零件產(chǎn)生共振時，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會使系統(tǒng)的失動量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。故在設(shè)計時要使傳動機構(gòu)的阻尼合適。3.4.2 設(shè)計具體采用方案 通過以上，綜合考慮，根據(jù)本設(shè)為轉(zhuǎn)動副的要求，各關(guān)節(jié)選用電機驅(qū)動。臂部采用鋁合金材料，這樣可以減少手臂運動件的重量，可以減少臂部的慣量。臂部通過電機與腕部相連。通過M螺釘將外端板與底座相聯(lián)接。機械手的垂直手臂（大臂）回轉(zhuǎn)運動都為旋轉(zhuǎn)運動。旋轉(zhuǎn)運動的實現(xiàn)一般是齒輪傳動，齒輪傳動以及電動機驅(qū)動來實現(xiàn)?？紤]到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要

42、求。綜合考慮，全臂的驅(qū)動均選擇電機驅(qū)動方式，通過電機的直接驅(qū)動，電機既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設(shè)計另外的執(zhí)行件了；而且電機實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的PLC控制。因為機電系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強度都是比較容易實現(xiàn)的，關(guān)鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。同時，因為控制和具體工作的結(jié)構(gòu)因素要求，機械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大電機的功率來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計時另外增設(shè)了平衡機構(gòu)，盡量增加其剛度；大臂成正四邊形布置為減小質(zhì)量。具體到本設(shè)計，因為選用了電機作為機械手的手臂轉(zhuǎn)動副的驅(qū)動，由于電機實現(xiàn)驅(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，

43、又是動力元件。故不需要中間傳動機構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。而機械手腰部的回轉(zhuǎn)運動也采用電機驅(qū)動，必須采用傳動機構(gòu)來減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動，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轉(zhuǎn)速，以使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。3.5 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。進行了機械手的總體設(shè)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(shè)計

44、。機械手腰座，就是圓柱坐標(biāo)機械手，球坐標(biāo)機械手及關(guān)節(jié)型機械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機械手的運動部分全部安裝在腰座上，它承受了機械手的全部重量。在設(shè)計機械手腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)計原則：1)腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。2)腰座要承受機械手全部的重量和載荷，因此，機械手的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。3.機械手的腰座是機械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機械手末端的運動精度影響最大，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。4.腰部的回轉(zhuǎn)運動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、電機及氣動）及減

45、速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。5.腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機械手手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。6.為了減輕機械手運動部分的慣量，提高機械手的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)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。3.5.1 設(shè)計具體采用方案腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機通過減速齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動電機或機電馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。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)計另外的機電系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機械手的

46、第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。一般電機都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側(cè)間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比，同時為了減小機械手的整體結(jié)構(gòu)，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。腰座結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 腰座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-1 Waist a structure schematic drawing圖2-2 腰座的建模Fig.2-1 Waist a modeling3.6 傳動系統(tǒng)設(shè)計3.6.1 軸

47、的設(shè)計軸是組成機器的主要零件之一,一切作回轉(zhuǎn)運動的傳動零件(例如齒輪,蝸輪等),都必須安裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。因此軸的主要功用是支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞運動和動力。在此次設(shè)計中，選擇45鋼作為軸的材料。因為碳鋼比合金鋼價廉，對應(yīng)力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，所以碳鋼制造軸尤為廣泛。軸的設(shè)計結(jié)構(gòu)見下圖2-3。圖2-3 軸的結(jié)構(gòu)Fig.2-3 Shaft structure另附其數(shù)控加工程序見附錄A。3.6.2 齒輪設(shè)計1) 選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)利用機械手冊查得如圖2-4。圖2-4 齒輪的選擇Fig.2-4 Gear choi

48、ce相關(guān)參數(shù)見附錄A。3.6.3 軸承的選擇滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應(yīng)用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動接觸來支撐轉(zhuǎn)動零件的。與滑動軸承相比，滾動軸承具有摩擦阻力小，功率消耗少，起動容易等優(yōu)點。常用的滾動軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并由專業(yè)工廠大量制造及供應(yīng)各種常用規(guī)格的軸承。因為在此次設(shè)計的裝置中，軸承需要同時承受徑向載荷及軸向載荷，所以選擇圓錐滾子軸承。因為圓錐滾子軸承不但可以同時承受徑向載荷及軸向載荷，而且也可以單獨承受徑向載荷。能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作。由于一個軸承只能承受單向的軸向力。因此，一般成對使用，而且圓錐滾子承受軸向載荷的能力與接觸角a有關(guān)。接觸角大的，承受軸向載荷的能力也高。

49、圖2-5 軸承的選擇Fig.2-5 Bearing choice利用軟件如圖，可選N1021軸承。3.7 機械手平衡機構(gòu)通常，機械手所采用的平衡機構(gòu)主要有以下幾種：1) 配重平衡機構(gòu)這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構(gòu)。2) 彈簧平衡機構(gòu)彈簧平衡機構(gòu)，機構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。3) 活塞推桿平衡機構(gòu)活塞式平衡系統(tǒng)有電機和氣動兩種：電機平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆?/p>

50、專門的電機或氣動裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價高，設(shè)計、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。3.7.1 設(shè)計具體采用的方案在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整個機械手的設(shè)計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達到平衡。在本設(shè)計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂回轉(zhuǎn)電機一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和電機的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。如圖2-6。圖2-6 回轉(zhuǎn)電機側(cè)的平衡裝置Fig.2-6 Rotary

51、motor side of the balance device3.8 腕部的結(jié)構(gòu)機械手的手臂運動，給出了機械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機械手手臂末端的手腕，則給出了機械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機械手手腕是機械手操作機的最末端，它與機械手手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。3.8.1 機械手手腕的自由度數(shù)手腕的自由度手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素

52、有關(guān)。應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。機械手手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運動角度愈大，則機械手腕部的靈活性愈高，機械手對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機械手的控制更困難，成本也會增加。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。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機械手手腕的自由度數(shù)為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機械手手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問題具體分析，考慮機械手的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。3.8.2 手腕末端腕部設(shè)計的基本要求：1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處

53、于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在設(shè)計機械手手腕時，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊，所以腕部機構(gòu)的驅(qū)動器采用嵌入式設(shè)計。2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度，解決好腕部與臂部和手部的連接。要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。3）必須考慮工作條件對于本設(shè)計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的工件，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。機

54、械手手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接裝置，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，以防止超限造成機械損壞。3.8.3設(shè)計具體采用方案考慮到機械手的通用性，又通過對機械手的末端分析，滿足機械手作業(yè)時的各種要求，在系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，3個軸來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，選用回轉(zhuǎn)電機。腕部采用平面式，用三個電機嵌入組成。下面采用兩根支架,支架上面再放一根軸，采用此設(shè)計，可以人工調(diào)整機械手手部的位置來解決此問題。它的結(jié)構(gòu)緊湊，因此，手腕設(shè)

55、計成六自由度結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)。如圖2-7。圖2-7 手腕電機裝配示意圖Fig.2-7 Wrist motor assembly schemes3.9 機械手的設(shè)計機械手即與物件接觸的部件。機械手是安裝在機械手手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。由于與物件接觸的形式不同，機械手末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機械手的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。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械手附加裝置，用來進行相應(yīng)的加工作業(yè)。測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來

56、進行測量及檢驗作業(yè)。3.9.1 機械手夾持器的運動和驅(qū)動方式機械手夾持器及機械手手爪。一般工業(yè)機械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。機械手夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種1） 氣動驅(qū)動方式。這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。2） 電動驅(qū)動方式。電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大

57、的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。3） 機電驅(qū)動方式。機電驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。3.9.2 機械手夾持器的典型結(jié)構(gòu)可分為夾持式和吸附式手，在本設(shè)計中采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的組件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀

58、、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式；按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種；按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影

59、響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。1） 楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。2） 滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。3） 連桿杠桿式手爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。4） 齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。5） 平行杠桿式手爪采用平行四邊形機構(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動

60、，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。3.9.3 設(shè)計時應(yīng)考慮機械手末端執(zhí)行器是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設(shè)計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機械手新的應(yīng)用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機械手末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機械手的應(yīng)用領(lǐng)域。機械手末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機械手容許的負(fù)荷力。因此，要求機械手末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。機械手要具有足夠的強度和剛度，手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在

61、手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。機械手要具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。手指間應(yīng)具有一定的開閉角，兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。保證工件準(zhǔn)確定位，為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶V形面的手指，以便自動定心。機械手末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末

62、端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機械手靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強的機械手末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機械手末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機械手多種作業(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)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價昂貴。通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機械接口，使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。機械手末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執(zhí)行機構(gòu)。因此，工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)的主流是電氣式，其次是機電式和氣壓式（在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。3.9.4 設(shè)計具體采用方案結(jié)合具體的工作情況，為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，本設(shè)計采用連桿四邊形式的手爪。驅(qū)動手爪平行移動，通過電機帶動扇形齒輪通過平行四邊形結(jié)構(gòu)使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件