《機械手課程設(shè)計 銑床上下料機械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《機械手課程設(shè)計 銑床上下料機械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計（51頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、精品Word文檔歡迎下載 《機電系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 課程設(shè)計任務(wù)書 姓名班級學(xué)號 設(shè)計題目簡易型機械手的設(shè)L 設(shè)計任務(wù)： (1)方案論證；在其基礎(chǔ)上進行機械手的總體設(shè)計，并繪制總體布 局圖。 (2)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)機械手的特點，選用舍黨的驅(qū)動方式，根據(jù)總體設(shè)計要求進行電機選型。進行電機選型相關(guān)計算。進行驅(qū)動系 統(tǒng)零部件的選型和設(shè)計。繪制驅(qū)動系統(tǒng)布局圖。 (3)控制系統(tǒng)設(shè)計：確定機械手的控制方式并進行控制系統(tǒng)的控制 與編程。繪制控制系統(tǒng)布局圖。 (4)傳感與測試系統(tǒng)設(shè)計：進行控制與驅(qū)動系統(tǒng)的傳感與測試系統(tǒng) 的設(shè)計。 (5)機械本體設(shè)計：進行機械本體零部件設(shè)計，

2、繪制總體和零件圖。 設(shè)計工作量： (1)設(shè)計說明書一份 (2)CAD圖紙5張 (3)文檔整理排版 指導(dǎo)教師設(shè)計時間2011年1月3日?2011年1月21 日 精品資料 Word歡迎使用 目錄 第1章緒論1 1.1 機械手概述1 1.2 機械手的設(shè)計目的 3 1.3 機械手的設(shè)計內(nèi) 容4 1.4 機械手的分類及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用 5 1.5 機械手的應(yīng)用意 義8 1.6 機械手的技術(shù)發(fā)展方 向9 第2章設(shè)計方案的論證10 2.1 機械手的總體設(shè)計10 2.2 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計12 2.3 機械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計14 2.4 工業(yè)機器人腕部的結(jié)

3、構(gòu)16 2.5 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計18 2.6 .6機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè) 計21 2.7 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計26 2.8 機器人手臂的平衡機構(gòu)設(shè) 計33第3章理論分析和設(shè)計 計算34 3.1 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算34 3.2 電機選型有關(guān)參數(shù)計算43 第4章控制系統(tǒng)的設(shè)計47 1.1 可編程控制器 PLC47 1.2 PLC的選 型51 1.3 機械手的工藝流 程53 1.4 機械手的PLC控制系統(tǒng)程序57 第5章機械手本體設(shè)計59 5 .1機械手零部件設(shè) 計..59 6 .2機械手總成和零件 圖...….,,?61 致謝62

4、 參考文獻63 第1章緒論 1.1 機械手的概述 機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。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2?3個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械

5、手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。 機械手通常常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。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)

6、，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機電一體化的典型代表儀器之一。機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，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(jié)合。 在現(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。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展，自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱，無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如 高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境 不

7、利于人工進行操作。 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與 工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重 要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量 和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標(biāo)志的時代。由于通用機械手的應(yīng)用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣

8、動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴大。 早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機械手。 50?60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械 手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型。 60?70年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機械手這

9、一新技術(shù)進入了應(yīng)用階段。 80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。 90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、 林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。 90年代以后，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。 總之，目前機械手的主要經(jīng)歷分為三代： 第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設(shè)有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具

10、有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一環(huán)。 1.2 機械手的設(shè)計目的 工業(yè)機械手設(shè)計是機械制造、機械設(shè)計和機械電子工程等專業(yè)的一個重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課及有關(guān)專業(yè)課以后的一次專業(yè)課程內(nèi)容得綜合設(shè)計。通過設(shè)計提高學(xué)生的機械分析與綜合能力、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力、機電液一體化系統(tǒng)設(shè)計的能力，掌握實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的設(shè)計方法。通過這一環(huán)節(jié)要求達到： (1)通過設(shè)計，把握有關(guān)課程

11、(機構(gòu)分析與綜合、機械原理、機械設(shè)計、 液壓與氣壓傳動技術(shù)、自動控制理論、測試技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、微型計算機原理及應(yīng)用、自動化機械設(shè)計等)中所獲得的理論知識在實際中綜合地加以運用，是這些知識得到鞏固和發(fā)展，并使理論知識和生產(chǎn)密切的結(jié)合起來。因此，工業(yè)機械 手的設(shè)計是有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課以后的綜合性的專業(yè)課程設(shè)計。 (2)工業(yè)機械手設(shè)計是機械設(shè)計及制造專業(yè)和機械電子工程專業(yè)的學(xué)生一次比較完整的機電一體化的整機設(shè)計。通過設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生獨立的機械整機設(shè)計能力，樹立正確的設(shè)計思路，掌握機電一體化機械產(chǎn)品設(shè)計的基本方法和步驟，為自動化機械設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。 (3)通過設(shè)計，使學(xué)生能熟練地應(yīng)用有關(guān)

12、參考資料、計算圖表、手冊、圖冊及規(guī)范，熟悉有關(guān)國家標(biāo)準和部分標(biāo)準，以完成一個工業(yè)技術(shù)人員在機械整機設(shè)計方面所必須具備的基本技能訓(xùn)練。 (4)由于機械手設(shè)計工作量比較大，為使學(xué)生在短時間內(nèi)得到完整訓(xùn)練，同學(xué)以小組為單位，分工合作共同完成此次機械手設(shè)計任務(wù)，這樣既節(jié)省了時間,有解決了量大，時間緊的矛盾，同時最大限度的培養(yǎng)了學(xué)生分工協(xié)作完成大型設(shè)計的能力。 1.3 機械手的設(shè)計內(nèi)容 1.3.1 機械手的方案論證 根據(jù)國內(nèi)外同類產(chǎn)品現(xiàn)狀，設(shè)計課題方案。 1.3.2 機械手的總體設(shè)計 在方案論證的基礎(chǔ)上進行機械手的總體設(shè)計，并繪制總體布局圖 1.3.3 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 根據(jù)機械手的特點，

13、選用舍黨的驅(qū)動方式，根據(jù)總體設(shè)計要求進行電機選型。 進行電機選型相關(guān)計算。進行驅(qū)動系統(tǒng)零部件的選型和設(shè)計。繪制驅(qū)動系統(tǒng)布局圖。 1.3.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計 確定機械手的控制方式并進行控制系統(tǒng)的控制與編程。繪制控制系統(tǒng)布局圖。 1.3.5 傳感與測試系統(tǒng)的設(shè)計 進行控制與驅(qū)動系統(tǒng)的傳感與測試系統(tǒng)的設(shè)計。 1.3.6 機械本體設(shè)計 進行機械本體零部件設(shè)計，繪制總體和零件圖。 1.4 機械手的分類及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用 1.4.1 機械手的分類 (1)油田鉆柱操作機械手 本產(chǎn)品由山東科技大學(xué)研發(fā)而成，主要用于鉆井時的鉆桿、鉆鋌等的裝、卸工作。操作機械手設(shè)計有兩個，一個坐落在一層臺井

14、口旁邊2米左右處，簡稱 為下手；一個坐落在二層臺上的中心臺上，簡稱為上手。下手的腰部回轉(zhuǎn)角度>1200,最大伸縮距離為5.7米，有5個運動關(guān)節(jié)，在手臂做伸縮運動時，手部保持水平平動。上手的腰部回轉(zhuǎn)角度為310。，最大伸縮距離》2800mm,上 手有9個運動關(guān)節(jié)，手臂做伸縮運動時，手部保持水平平動。機械手采用手動 比例閥控制下的液壓控制方式。機械手可以完成的操作對象參數(shù)為：①鉆柱高 30m;②鉆桿重量為：40Kg/m，總重1200Kg;③鉆鋌(七英寸直徑)重量為：180Kg/m，總重5400Kg。 (2)硬臂式助力機械手 硬臂式助力機械手與氣動平衡吊和軟索式助力機械手一樣都具有全行程

15、 “漂浮”功能，區(qū)別是在有扭矩產(chǎn)生的情況下無法使用氣動平衡吊或是軟索式助力機械手，而必須選用硬臂式助力機械手。比如在工件重心遠離臂懸掛點，或是工件需要翻轉(zhuǎn)或傾斜情況下，必須選用硬臂式助力機械手，還有在廠房高度有限情況下，可以選用硬臂式助力機械手。 硬臂式助力機械手可以實現(xiàn)提升最大500Kg的工件，半徑最大可以達到 3000mm,提升高度最大2500mm。根據(jù)起吊工件重量不同，應(yīng)選擇符合最大工件重量的最小型號的機器，如果我們用最大負載200Kg的機械手來搬運30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感覺很笨重。配有儲氣罐，可在斷氣情況下繼續(xù)使用一個循環(huán)，同時會報警，提醒操作者，在氣壓下降到一定

16、程度，啟動自鎖功能，防止工件下降。并設(shè)有安全系統(tǒng)，在搬運過程中或是工件沒有被放置在 安全表面時，操作者不能釋放工件。上海永乾制造的助力機械手(含硬臂式、 軟索式)還可以在用戶現(xiàn)場氣壓不足的情況下，增加增壓泵，可以使設(shè)備運行更加平穩(wěn)。配合各種非標(biāo)夾具，硬臂式助力機械手可以實現(xiàn)起吊各種形狀的工件。安裝形式可以是地面固定、懸掛固定或是導(dǎo)軌移動。 (3)軟索式機械手 軟索式機械手的功能與氣動平衡吊類似，具有全行程的“漂浮”功能，但是提升位移比氣動平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大負載只有450Kg。配有儲氣罐，可在斷氣情況下繼續(xù)使用一個循環(huán)，同時會報警，提醒操作者。配 合各種非標(biāo)夾具

17、，軟索式助力機械手可以實現(xiàn)起吊各種形狀的工件。安裝形式可以固定地面或懸掛固定使用，不能使用導(dǎo)軌式。 (4) T型助力機械手 區(qū)別于硬臂式助力機械手的是T型助力機械手沒有雙關(guān)節(jié)機械臂，它的前后左右位移靠導(dǎo)軌來實現(xiàn)。由于T型助力機械手沒有機械臂，因而它比硬臂式顯得小巧，更適合于操作空間狹小的場合。 T型助力機械手的最大負載要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根據(jù)客戶要求設(shè)計，而且搬運范圍要比硬臂式大的多。配有儲氣罐，可在斷氣情 況下繼續(xù)使用一個循環(huán)，同時會報警，提醒操作者，在氣壓下降到一定程度，啟動自鎖功能，防止工件下降。并設(shè)有安全系統(tǒng)，在搬運過程中或是工件沒有被放置在安全表面時，

18、操作者不能釋放工件。配合各種非標(biāo)夾具，硬臂式助力機械 手可以實現(xiàn)起吊各種形狀的工件。安裝形式為導(dǎo)軌移動。 1.4.2機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 在現(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。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是 小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從

19、這里可看出，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。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。國內(nèi)外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應(yīng)用于以下幾方面： 1 .熱加工方面的應(yīng)用 熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。 2 .冷加工方面的應(yīng)用 冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制

20、等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。 3 .拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務(wù)段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機械手，可用以對客車內(nèi)部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。 近些年，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機械手中越來越 多的應(yīng)用，工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。機 械手雖然

21、目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如： (1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。 ⑵在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在 機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。 (3)可在勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。 (4)可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。 (5)宇宙及海洋的開發(fā)。 (6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗。 1.5機械手的應(yīng)用意義 在機

22、械工業(yè)中，機械手的應(yīng)用意義可以概括如下： 1 .可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度 應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。 2 .可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。

23、 3 .可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應(yīng)用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。 1.6機械手的技術(shù)發(fā)展方向 目前國內(nèi)工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、 性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，國內(nèi)主要是逐步擴大機械手應(yīng) 精品Word文檔歡迎下載 用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、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)地發(fā)展

24、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式機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型 部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，又便于改換工作，擴大了應(yīng)用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(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、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯(lián)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、模鍛壓力機的上下料，以

25、及點焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。 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）以及衛(wèi)星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即在機械手上安裝有

26、觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后精品資料Word歡迎使用 精品Word文檔歡迎下載 伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機械手裝配?，F(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(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)。 第2章設(shè)計方案的論證 2.1 機械手的總體設(shè)計 2.1.1 機械手總體結(jié)構(gòu)的類型 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式

27、主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)， 關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下。 1 .直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)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a2-1.。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(biāo)機器人有可能達到很高的位置精度（仙m級）。但是，這種直角坐標(biāo)機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機器人有懸臂式，龍門式，天車式

28、三種結(jié)構(gòu)。 2 .圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn) 的，如圖2-1.b。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其 工作空間是一個圓柱狀的空間。 3 .球坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn) 的，如圖2-I.Co這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng) 用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 4 .關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1。關(guān)節(jié)型機 器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種

29、機器人在工業(yè)中應(yīng)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。關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān) 節(jié)型兩種。 6直角坐標(biāo)型3圓柱坐標(biāo)型二球坐標(biāo)型以關(guān)節(jié)型 圖2-1四種機器人坐標(biāo)形式 2.1.2 設(shè)計具體采用方案 已那工 工怦 別械手工作布局圖 圖2-2 具體到本設(shè)計，因為設(shè)計要求搬運的加工工件的質(zhì)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(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。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

30、 手臂的回轉(zhuǎn)運動，綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為 3,坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形 式，即一個轉(zhuǎn)動自由度兩個移動自由度，其特點是 :結(jié)構(gòu)比較簡單，手臂運動范圍 大，且有較高的定位準確度。機械手工作布局圖如圖 2-2所示。 2.2 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計 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。 2.2.1 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機器人，球坐標(biāo)機器人及關(guān)節(jié)型機器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)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。在設(shè)計機器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以

31、下設(shè)計原則： 1 .腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 2 .腰座要承受機器人全部的重量和載荷，因此，機器人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 .機器人的腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機器人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、液壓及氣動）及減速器。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。腰部與機器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要

32、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 .為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，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。 2.2.2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機構(gòu)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。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)計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機器人的第一個回轉(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

33、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（大于100）,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。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示： 步進電機 精品資料 Word歡迎使用 圖2-3腰座結(jié)構(gòu)圖 2.3 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.3.1 機械手手臂的設(shè)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(nèi)的運動。在進行機器人手臂設(shè)計時，要遵循下述原則； 1 .應(yīng)盡可能使機

34、器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 2 .機器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。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 .為了提高機器人的運動速度與控制精度，應(yīng)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(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器人手臂

35、。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ň弑戎叵喈?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器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。 4 .機器人各關(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 .機器人的手臂相對其關(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 載和提高機器人手臂運動的響應(yīng)速

36、度是非常有利的。在設(shè)計機器人的手臂時，應(yīng) 盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，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 .機器人手臂在結(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。 2.3.2 設(shè)計具體采用方案 機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。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(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)。考慮到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達30KG,屬中型重量，同時考慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有

37、較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(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。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。因此手臂液壓缸的設(shè)計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進行強度的較核。同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結(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。因此，在設(shè)計時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角

38、形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。 2.4 機械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機器人的手臂運動（包括腰座的回轉(zhuǎn)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)。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與 機器人手臂配合運動，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。 2.4.1 機器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 1 .機器人手腕

39、的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。機器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業(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，機器人的控制更困難，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。一般的機器人手腕的自由度數(shù)為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，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，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 2 .機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設(shè)計機器人手腕時，

40、應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強度的鋁合金制造。 3 .機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 4 .機器人的手腕機構(gòu)要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 5 .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。 6 .手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機械損壞。 2.4.2 設(shè)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

41、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(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)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。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖2-4o 水平液壓缸支承板 圖2-4手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 2.5 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.5.1 機械手末端執(zhí)行器的設(shè)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。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機器人的不同作業(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

42、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、銃刀等加工工具的機器人附加裝 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，用來進行測量及檢驗作業(yè)。 在設(shè)計機器人末端執(zhí)行器時，應(yīng)注意以下問題； 1 .機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人作業(yè)要求來設(shè)計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應(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)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。 2 .機器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。

43、3 .機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，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、萬能性不強的機器人末端執(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)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價昂貴。 4 .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，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準的機械接口 （如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標(biāo)準化

44、和積木化。 5 .機器人末端執(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)機器人執(zhí)行機構(gòu)的主流是電氣式，具次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。 2.5.2 機器人夾持器的運動和驅(qū)動方式 機器人夾持器及機器人手爪。一般工業(yè)機器人手爪，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。 機器人夾持器（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)

45、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 .液壓驅(qū)動方式液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。 2.5.3 機器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) 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

46、并，產(chǎn)生夾緊動作和火緊力，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，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。 2.5.4 設(shè)計具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動活塞往復(fù)移動，

47、 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。手指的最小開度 由加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計按照工件的直徑為50mm來設(shè)計。手爪的具 體結(jié)構(gòu)形式如圖2-5所示： 2.6 機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計 2.6.1 工業(yè)機器人傳動機構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題 機器人是由多級聯(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 機器人以外，機器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機械傳動機構(gòu)進行驅(qū)動的。機器人所采用的傳動機構(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器人的精度、穩(wěn)定性和快

48、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)計機器人的傳動機構(gòu)時要注意以下問題： 1 .為了提高機器人的運動速度及控制精度，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機器人的傳動機構(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)，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

49、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、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，

50、精度降低。故在設(shè)計時要使傳動機構(gòu)的阻尼合適。 2.6.2工業(yè)機器人常用的傳動機構(gòu)形式 1 .齒輪傳動機構(gòu) 在機器人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。 機器人系統(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

51、，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

52、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max,則 max k / i (kn) (2-1) 式中：k-----第k個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差; (kn)——第k個齒輪的轉(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(1、2、…、8)換算到 末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 (2-2) 1234567 max-~~~~： ii2i3i4i3i4i4 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

53、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 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 2)對于變負載的傳動齒輪系統(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振動。 3 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 應(yīng)在 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， 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 4）對以比較

54、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。 5 .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)機器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(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。 6 .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

55、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%）,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，因此滾珠絲杠在機器人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于

56、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。 7 .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

57、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，故在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。 8 .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

58、，鋼帶無蠕變、傳動效率高。 9 .鏈傳動 在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，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。 10 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。 2.6.3設(shè)計具體采用方案 具體到本設(shè)計，因為選用了液壓缸作為機械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實現(xiàn)直接驅(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，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)運動采用步進電機驅(qū)動，

59、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（大于100）,齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。 2.7 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 2.7.1 機器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點 工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。 1 .液壓驅(qū)動系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣

60、量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 2 .氣動驅(qū)動系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應(yīng)用較多。 3 .電動驅(qū)動系統(tǒng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在

61、機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 2.7.2 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計機器人時，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性能規(guī)范、控制功能、維護的復(fù)雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下： 1 .物料搬運（包括上下

62、料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅(qū)動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機器人多采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。 2 .用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機器人，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。 2.7.3 機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺機器人中應(yīng)用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應(yīng)用。目前，雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采用電機驅(qū)動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟型、重型的工業(yè)機器人和噴涂

63、機器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。 液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電-液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構(gòu)進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達用得很少。在工業(yè)機器人中，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)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性好，但是效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。 1 .程序控制機器人的液壓系統(tǒng) 這類機器人屬非伺服控制的機器人，在只有簡單搬運作業(yè)功能的機器人中，常常采用

64、簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機器人實現(xiàn)有限點位的控制。這類機器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計要重視以下方面： (1)液壓缸設(shè)計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減小摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。 (2)定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運動慣量比較大，在定位點前要加緩沖與制動機構(gòu)或鎖定裝置。 (3)對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側(cè)最好加設(shè)安全保護回路，防止因碰撞過載而損壞機械結(jié)構(gòu)。 (4)液壓源應(yīng)該加蓄能器，以利于多運動軸同時動作或加速運動提供瞬時能量儲備。 2 .伺服控制機器人的液壓系統(tǒng) 具有點位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機器人，需要采用電-液伺服驅(qū)動 系

65、統(tǒng)。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-液脈沖閥等。由以上各類閥件與液壓動力機構(gòu)可組成電-液伺服馬達，電-液伺服液壓缸，電-液步進馬達，電-液步進液壓缸，液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器(RSA-RotoryServeActuator)等各種電-液伺服動力機構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，電-液伺服馬達和電-液伺服液壓缸可以是分離式，也可以是組合成為一體。如果是分離式的連接方式，要盡量縮短連接管路，這樣可以減少伺服閥到液壓機構(gòu)間的管道容積，以 增大液壓固有頻率。 在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電-液伺服動力機構(gòu)是電-液伺服液壓缸和電-液伺服擺動馬達，也可以用電-液步進馬達。液壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是

66、一種由伺服電機，步進電機或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達或連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn)子內(nèi)的一個回轉(zhuǎn)滑閥，通過機械反饋，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的一種電-液伺服機構(gòu)。它可安裝 在機器人手臂和手腕的關(guān)節(jié)上，實現(xiàn)直接驅(qū)動。它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。 2.7.4 機器人氣動驅(qū)動系統(tǒng) 氣動機器人采用壓縮空氣為動力源，一般從工廠的壓縮空氣站引到機器人作業(yè)位置，也可以單獨建立小型氣源系統(tǒng)。由于氣動機器人具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適宜在惡劣環(huán)境下工作等特點，因此它在沖壓加工、注塑及壓鑄等有毒或高溫條件下作業(yè)，機床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動裝配等作業(yè)，食品包裝及 運輸，電子產(chǎn)品輸送、自動插接，彈藥生產(chǎn)自動化等方面獲得大量應(yīng)用。 氣動驅(qū)動系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、小 機器人中的。這類機器人多是圓柱坐標(biāo)型和直角坐標(biāo)型或二者的組合型結(jié)構(gòu)；3-5 個自由度；負荷在200N以下；速度300-1000mm/s;重復(fù)定位精度為+/-0.1-0。5mm。控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器（PLC）。在易燃、易爆的場合下可采用氣