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1、摘要 在中國工業(yè)韌帶發(fā)展中，很多高生產(chǎn)率高精度的機(jī)械加工設(shè)備從國外引進(jìn)，比如數(shù)控車床和銃床等，還有把幾種機(jī)床的功能集中在一起的加工中心等?？傊@類CNC機(jī) 床大大的提高了工作速度，產(chǎn)品的加工精度，降低了工作的勞動強(qiáng)度，所以大受歡迎。但是這類設(shè)備引進(jìn)費(fèi)用也是相當(dāng)?shù)陌嘿F，所以國內(nèi)很多企業(yè)的技術(shù)人員在原先的舊機(jī)床上進(jìn)行改進(jìn)，來達(dá)到提高生產(chǎn)率和降低工人的勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化，這類改進(jìn)同 樣也大受歡迎。 本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要用于搬運(yùn)工件，工件總重不大于10Kg,長150cm,寬 150cm,高150cm的立方體。為了增加本機(jī)械手的通用性，在結(jié)構(gòu)盡可能緊湊的情況下，最大限度的是機(jī)械手具有較

2、大的抓取范圍。 本文主要介紹了搬運(yùn)機(jī)械手的概念、組成和分類，接受的自由度和坐標(biāo)形式、運(yùn)動及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。對于搬運(yùn)接受進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，首先機(jī)械手的驅(qū)動裝置為液壓缸，然后確定了機(jī)械手的坐標(biāo)像是為圓柱坐標(biāo)型，自由度數(shù)為4,接著確定了機(jī)械手的 驅(qū)動裝置為液壓缸，然后確定了機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)。同時，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手部結(jié) 構(gòu)形式為氣缸杠桿式手爪、臂部結(jié)構(gòu)形式采用液壓缸導(dǎo)向連接的雙橫臂結(jié)構(gòu)，底座采用電機(jī)帶動豎臂的旋轉(zhuǎn)。機(jī)身結(jié)構(gòu)形式為升降缸用液壓缸的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算出夾緊工件所需的驅(qū)動力、手爪轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩、手臂的伸縮所需的驅(qū)動力手臂的俯仰所需的驅(qū)動力、手臂的升降所需的驅(qū)動力，和手臂回轉(zhuǎn)所需

3、的驅(qū)動力矩。繼而設(shè)計(jì)了裝箱機(jī)械 手的各部分液壓缸的尺寸和結(jié)構(gòu)及各部分之間連接與支承部件的結(jié)構(gòu)與尺寸。 關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)械手；液壓驅(qū)動；液壓缸；自動化 Abstract InChinaindustrialligamentdevelopment,alotofhighproductivityhighprecisionmachiningequipmentsimportedfromabroad,suchasCNClathesandmillingmachines,andhaveseveralfunctionofmachinetogetherinprocessingcenter,etc..Inthis

4、kindofCNCmachinegreatlyimprovesthespeedofwork,productprocessingprecision,reducesthelaborintensityofwork,sopopular.Butthiskindofequipmentisalsoveryexpensive,somanydomesticenterprisestechnicalpersonnelintheoriginaloldmachineisimproved,toimproveproductivityandreducelaborintensityofworkers,industrialaut

5、omation,thiskindofimprovementisalsoverypopular. Themanipulatorisdesignedinthispaperismainlyusedforhandlingtheworkpiece,theworkpieceweightislessthan10Kg,length150cm,width150cm,high150cmcube.Inordertoincreasetheversatilityofmanipulatorinstructure,asfaraspossiblecompactcase,maximumlimitisthemanipulato

6、rhasalargecapturerange. Thispapermainlyintroducestheconcept,compositionandclassificationofthemanipulator,freedomandcoordinates,movementanddevelopmentathomeandabroadtoaccept.Forthehandlingofacceptancefortheoverallprogramdesign,firstdrivemanipulatorforhydrauliccylinder,andthendeterminethecoordinatema

7、nipulatorlikecylindricalcoordinate,thenumberofdegreesoffreedomis4,thenthedrivemanipulatorforhydrauliccylinder,andthendeterminedthemaintechnicalparametersofthemanipulator.Atthesametime,thestructuredesignofhandmanipulatoriscylinderlevertypehand,armstructureadoptshydrauliccylinderguideconnectingdoublew

8、ishbonestructure,basethemotordrivenverticalarmrotation.Fuselagestructureforliftingcylinderhydrauliccylinderstructure,calculatedclampingtheworkpiecerequireddrivingforce,thegripperrotationrequireddrivingtorque,thetelescopicarmrequireddrivingforcearmpitchingrequireddrivingforce,thearmliftingrequireddri

9、vingforce,drivingtorqueandarmrotationrequired.Thendesignthestructureandsizeandthesupportingpartsoftheconnectionbetweenthepartsofthehydrauliccylinderloadingmanipulatorsizeandstructureandcomponents. Keywords：Manipulator;hydraulicdrive;hydrauliccylinder;automation 目錄 摘要 1緒論1 1.1 前言1… 1.2 簡史1… 1.

10、3 基本型式2.. 1.4 機(jī)械手分類3.. 1.5 應(yīng)用概況5.. 1.6 發(fā)展趨勢9.. 2裝箱機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)12 2.1 機(jī)械手的組成12 3機(jī)械手各部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)20 2.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)20 2.3 橫臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21 2.4 齒輪傳動部分設(shè)計(jì)21 2.5 銷軸設(shè)計(jì)25 2.6 底座26 4傳動系統(tǒng)及其他部分的設(shè)計(jì)28 4.1 氣缸選擇28 4.2 液壓缸選擇28 4.3 電動機(jī)選擇31 4.4 聯(lián)軸器選擇33 4.5 軸承的選擇35 4.6 螺栓螺釘?shù)倪x擇37 結(jié)論39 致詞140 參考文獻(xiàn)40 附錄42 1.1 前言 機(jī)械手是能模仿人

11、手和臂的某種動作功能，用以固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具有自動操作裝置。機(jī)械手勢最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人。也就是最早出現(xiàn)的現(xiàn)在機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害的環(huán)境下操作以保護(hù)人 身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工等部門 機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動機(jī)構(gòu)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(yùn)動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取

12、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(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)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(jī)械手有2?3個自由度。 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動機(jī)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(dú)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(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。 在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取

13、得一定的效果，收到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識：其一、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其二、他能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大地改善工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。其三、它能部分地代替人工操作；因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更加廣泛。 1.2 簡史 機(jī)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(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一

14、回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示 教型的。 1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又研制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運(yùn)動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作存貯裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)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（Unimation）,專 門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Yersatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立往可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、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

15、機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基 礎(chǔ)。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理土學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimltn-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電于計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。 國際工業(yè)機(jī)械手（人）會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機(jī)械手的發(fā)展和應(yīng)用的問題。同時有關(guān)的國家還相應(yīng)召開本國的或歐洲工業(yè)機(jī)械手會議和展覽會，1982年即有12個展覽會，1983年上半年就有6個展覽會。通過國際性、地區(qū)性的年會、學(xué)術(shù)討論會和展覽會交流了機(jī)械手設(shè)計(jì)制造的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。 總之，目前工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一

16、代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則 為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它沒有微型電于計(jì)算機(jī)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，把感覺到得信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。 第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電于計(jì)算機(jī)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（F1exiblsManufacturingsystem）和柔性制造單元FMC（FIexibleManufacturingCell）中重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)械手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分

17、活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī) 械手后，大力從事機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)導(dǎo).1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位達(dá)50多個。1976年各大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究經(jīng)費(fèi)約占總研究費(fèi)用的42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)433億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的兩倍.具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手大概為17億日元，為1978年的6倍。截至1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已

18、占世界首位，約占70%并以每年50?60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。 1.3 基本型式 機(jī)械手型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種基本型式一一直角坐標(biāo)式、 圓柱坐標(biāo)式，球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式，如圖1-1示，簡述如下： 直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械 手.它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個方向的直線進(jìn)行運(yùn)動。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是應(yīng)用最多的一種型式，它適用于搬運(yùn)和測量工件。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X、Z、u三個運(yùn)動組成。它的工作范

19、圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一個直線運(yùn)動.加一個不在直線運(yùn)動所在乎面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；兩個直線運(yùn)動加一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)功。 球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它是由X、8u三個方 面的運(yùn)動組成。 關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作的傳動型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可 實(shí)現(xiàn)多個自由度.動作比較靈活，適于在狹窄空間工作。。 (a)直角坐標(biāo)式(b)圓柱坐標(biāo)式 (c)球坐標(biāo)式 (d)關(guān)節(jié)式 圖1-1機(jī)械手的基本型式 1.4 機(jī)械手分類 機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。他可以根據(jù)任務(wù)的需要編輯程序，已完成

20、各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶只能的三元機(jī)械。第二類是需要工人操作的，成為操作機(jī)。他起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特 定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)械手來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專用機(jī)械手，主要附屬于自動機(jī)床或自動線上，用以 解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國外稱為“MechanicalHand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動；除了少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外,目前主要是摘第一類通用機(jī)械手，國外稱為機(jī)械人（IndustrialRobot）。 1.4.1 按控制型

21、式分類 1.4.1.1 點(diǎn)位控制型機(jī)械手 點(diǎn)位控制型機(jī)械手的運(yùn)動軌跡是空間二個點(diǎn)之間的聯(lián)接?？刂泣c(diǎn)數(shù)愈多，性能愈好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。絕大部分機(jī)械手是點(diǎn)位控制型。 1.4.1.2 連續(xù)軌跡控制型機(jī)械手 這種機(jī)械手的運(yùn)動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復(fù)雜的動 作。工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜。 控制方式分開關(guān)式和伺服式兩種。 1.4.2 按驅(qū)動方式分類 1.4.2.1 液壓傳動機(jī)械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：抓重可達(dá)幾百公斤 以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工

22、作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。 1.4.2.2 氣壓傳動機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：介質(zhì)李源極為 方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下， 在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的 環(huán)境中進(jìn)行工作。 1.4.2.3 機(jī)械傳動機(jī)械手 即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)（如凸輪

23、、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動準(zhǔn)確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。 1.4.2.4 電力傳動機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械 手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動速度快 和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 1.4.3 按用途分類 1.4.3.1 專用機(jī)械手 專用機(jī)械手是專為一定設(shè)備服務(wù)的，簡單、實(shí)用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)用比較廣泛。它一股

24、只能完成一、二種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序.適應(yīng)多種作業(yè)的需要。 1.4.3.2 通用機(jī)械手 通用機(jī)械手是在專用機(jī)械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能對不同物件完成多種動作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨(dú)立工作的自動化裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大都是采用順序控制系統(tǒng)，如插銷板、插件板、穿孔帶、穿孔卡、凸輪轉(zhuǎn)鼓、滋芯和磁鼓等。 通用機(jī)械手又分簡易型、示教再現(xiàn)型和智能機(jī)械手、操縱式機(jī)械于等幾種。 (1)簡易型通用機(jī)械手是目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的一種，固定程序采用凸輪轉(zhuǎn)鼓；可變程序則采用插銷板或插件板進(jìn)行控制。

25、(2)示教再現(xiàn)型通用機(jī)械表先由人操縱機(jī)械手完成必要的動作，由磁帶或磁鼓加以記錄存貯，然后根據(jù)存貯的信息進(jìn)行動作。故又稱之為重復(fù)型機(jī)械手。 (3)智能機(jī)械手具有較高的判斷能力，它以光敏元件模擬人的“眼睛”，以聲敏元件模擬人的“耳朵”，以熱電偶和電阻應(yīng)變儀模擬人的“皮膚”的冷熱感覺和觸覺，以 電子計(jì)算機(jī)模擬人的“大腦”。具有以上“視覺”、“聽覺”、“觸覺”以及能思 考的智能機(jī)械手(機(jī)械人)，目前正處在研究試制階段，部分已達(dá)到實(shí)用的階段。 (4)操縱式機(jī)械手在人的操縱之下完成多種復(fù)雜動作，其內(nèi)容可根據(jù)需要隨時改變。 操縱式機(jī)械手可以近距離直接操縱，也可以遠(yuǎn)距離操縱。其特點(diǎn)是適合于人不宜進(jìn)入

26、的環(huán)境中工作，如海底資源開發(fā)，宇宙空間探免以及危險(xiǎn)的工作地區(qū)。具缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。 1.5 應(yīng)用概況 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化，自動化已成為突出的主題。隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā) 展，機(jī)械手的聯(lián)網(wǎng)操作問題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機(jī)器人是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。它的特點(diǎn)是可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(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其 體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民 經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化

27、的有效辦法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械 是有效地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(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%從這里可看出，裝卸、搬運(yùn)等工序 機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下： （一）可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度。應(yīng)用機(jī)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(jī)器的裝配等的自動化程度，從而

28、可以提高勞動生產(chǎn)率，降 低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。 （二）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(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)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(jī)械手代替人手 進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （三）可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)。 應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)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(jī) 械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)

29、面。因此，在自動化機(jī)床和綜合）JuT 自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便 于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。 機(jī)械手是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然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(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)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。我我國塑料機(jī)械產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展主要

30、有以下兩個大因素：一是對高技術(shù)含量裝備的需求所帶來的設(shè)備更新及陳舊設(shè)備的淘汰；二是海內(nèi)塑料加工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對塑料機(jī)械的需求旺盛。 據(jù)美國和日本的統(tǒng)計(jì)，各工種使用機(jī)械手的比重大致如下： 表1.1美國各工種使用機(jī)械手比例 工種名稱 所占比例 壓鑄 30%  沖床上下料 20% 裝配 15% 加熱爐裝爐、出爐 5% 注塑機(jī)模具和制品搬運(yùn) 5% 注塑機(jī)模具和制品搬運(yùn) 20% 機(jī)床上下料 5% 表1.2日本各工種使用機(jī)械手比例 工種名稱 所占比例 機(jī)床卸工件 62% 機(jī)床上科 58% 運(yùn)輸帶間搬運(yùn) 39% 壓力機(jī)上下料 27% 裝配

31、 27% 包裝 20% 鍛造機(jī)械上下料 15% 噴漆 11% 壓鑄 9% 焊接 8% 圖1-2所示為金屑加工制造業(yè)中機(jī)械手在各種作業(yè)中的比例。同時工業(yè)機(jī)械手的需求量也急劇增加，1980年日本工業(yè)機(jī)械手需求量達(dá)600億日元，1985年將增至2900億 日元，至1990年將達(dá)到4000—4500億日元。 圖1-2金屬加工制造業(yè)中使用機(jī)械手的比例圖 據(jù)美國商業(yè)通訊公司估計(jì)，到1990年，世界機(jī)械手的總銷售額將從目前的2億美元增加到45億美元。其中裝配用機(jī)械于將達(dá)到13億美元，焊接用機(jī)械手將達(dá)到12億 美元，工件裝卸用機(jī)械手將達(dá)到11億美元 表1.3機(jī)械手

32、使用環(huán)境調(diào)查 使用環(huán)境 使用廠數(shù) 所占百分比 危險(xiǎn)作業(yè) 32 42.1 多粉塵 30 39.5 高溫工作 30 39.5 噪音 29 38.1 工作空間狹小 25 32.9 搬運(yùn)重物 25 27.6 臭味 10 13.2 有毒氣氛 8 10.5 高溫度 8 10.5 高空作業(yè) 4 5.2 局壓卜，作 2 2.6 放射性 1 1.3 據(jù)介紹，日本曾就機(jī)械手在什么環(huán)境下使用作了調(diào)查，從76個工廠調(diào)查的工業(yè)機(jī) 械手使用環(huán)境列出表1.1和表1.2。 1.5.1 熱加工方面的應(yīng)用 熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動，

33、很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動化。為了實(shí)現(xiàn)高效率和工作安全，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(jī)械手操作。 近年國內(nèi)進(jìn)口一條12000噸鎮(zhèn)壓機(jī)生產(chǎn)線，配備四臺機(jī)械手用以鍛壓曲軸、車底架等。因此，國內(nèi)首先是采用鍛造操作機(jī)，裝取料機(jī)械手來代替人工操作，以減少勞動強(qiáng)度。后來在精鍛機(jī)上采用機(jī)械手，使精鍛過程自動化，代替人工喂料。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)揮鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累的勞動條件。 1.5.2 冷加工方面 冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部

34、分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。 國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車軸、輪對等大、中批量零部件。并和機(jī)床設(shè)備共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng) 國內(nèi)機(jī)械工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專機(jī)上采用機(jī)械手上下料，減輕工人勞動強(qiáng)度。如在軸類、螺栓、氣閥和螺撐帽坐等零件的加工機(jī)床上配置了機(jī)械手，代替人工上下料。在三通閥體、軸瓦、平斜鐵、柴油機(jī)搖臂加工生產(chǎn)自動線上采用單臂、雙臂圓柱式機(jī)械手，成為聯(lián)接工序、運(yùn)送工件的重要裝備。并在連桿粗加工自動線上采用數(shù)控機(jī)械手，這樣它不僅擔(dān)負(fù)自動線上機(jī)床工件的裝卸、運(yùn)輸，并能發(fā)出指令指揮全線工作。 1.5.3 拆修裝方面 拆

35、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(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前 國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)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(qiáng)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(jī)械手，可用以對容車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高 噴漆的質(zhì)量和效率。 為了改善貨車油漆作業(yè)，日本、美國、蘇聯(lián)、法國等國以貨車、漏斗車、油罐車和TGV電動車組為對象，采用一種帶轉(zhuǎn)向架的貨車涂漆機(jī)械手。英國鐵路工程公司采用機(jī)械手焊接電動車組零件。美國鐵路維修公司采用機(jī)械手進(jìn)行調(diào)車，還利用懸掛行車式機(jī)械手完成有益漏斗車內(nèi)部的清洗工作。 采用機(jī)械

36、手進(jìn)行裝配更是目前研制的重點(diǎn)，國外已研究采用攝象機(jī)和力的傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)聯(lián)接在一起，能確定零件的方位，達(dá)到鑲裝的目的。 1.6 發(fā)展趨勢 專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時代。由于通 用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動等基礎(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(jì)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(xiàng)綜合性較強(qiáng) 的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)~IPtE重視，60年來，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)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

37、擴(kuò)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(jī)械手。50?60 年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱 第二代機(jī)械手。如尤尼曼特（Unimate）機(jī)械手即屬于這種類型。60—70年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和中壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。80—90年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時期，尤其是曰本。90年代機(jī)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(jì) 算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)

38、技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。 目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)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(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī) 械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī) 械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)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(jī)械手。 既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換

39、工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時要提高精度，減少中擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機(jī)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(jī)械手，并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個機(jī)械制造系 統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。 目前主要用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)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(jī)械手本身的損壞。為此，國外機(jī)械 手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機(jī)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)

40、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(diǎn)是研視覺功能和觸覺功能?，F(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔1"4=N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(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 日前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、板手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視，同時也要求供料機(jī)構(gòu)更加靈活、柔性化，以適應(yīng)供送不同的物品，這使得供送料機(jī)械手在自動機(jī)、自動線上得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。 在國內(nèi)

41、主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 在國外

42、機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備有任何傳感反饋能力，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(jī)械手本身的損壞。 為此，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正,并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。 視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型 計(jì)算機(jī)。工作時，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分

43、析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。 2裝箱機(jī)械手的整體設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成，如圖2-1示 圖2-1機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖 1——高架電源；2——燈；3——手腕（視覺裝置）； 4——組合式工業(yè)機(jī)械手立柱；5——控制配電箱；6——動力系統(tǒng)；7——接 地；8驅(qū)動輪 擬采用方案：設(shè)計(jì)成四自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械手。下面就針對這一方案展開設(shè)計(jì)過程 2.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2.1.1.1. 手部 手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔中裝有傳動軸，可

44、把運(yùn)用傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸曲手腕、開閉手指。 機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)3種。手指 的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和大小的夾頭以適應(yīng)操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般都是指 真空吸盤或磁性吸盤。 如圖2-2所示為齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)。其手指夾緊工件是由央緊氣缸1中的齒條活 塞桿8在壓縮空氣作用下右移，經(jīng)齒條推動齒輪7并帶動扇形齒輪5回轉(zhuǎn)，因手指6與扇形齒輪6周結(jié)為一體，所以兩個手指同時回轉(zhuǎn)而夾緊工件。由于采用單向作用氣區(qū)，故靠彈簧3復(fù)位，使手指張開。手部結(jié)構(gòu)小的齒輪齒條屬于傳力機(jī)構(gòu)。

45、 圖2-2齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu) 1——夾緊氣缸2——活塞3——彈簧4——?dú)飧锥松w 5——扇形齒輪6——手指7——齒輪8——齒條活塞桿9——銷軸 圖2-3所示為氣吸式吸盤結(jié)構(gòu)圖。其吸盤吸附工件是由壓縮空氣經(jīng)管道4進(jìn)入噴嘴體3,隨著噴嘴孔道截面積的減小而使氣流速度逐漸增大，當(dāng)氣流到達(dá)最小截面而又突然的增加時，空氣擴(kuò)散的氣流速度最大。因此，在噴嘴出口a處，由于高速氣流噴射面形成低壓空間，致使橡膠皮碗l內(nèi)的空氣被高速噴射氣流不斷地卷帶走，皮碗1內(nèi)形成負(fù)壓將工件吸住.若停止供氣，吸盤則放下工件。 圖2-3氣吸式吸盤結(jié)構(gòu) 「 T： 橡膠皮碗2——通氣螺釘3——噴嘴體4—

46、—?dú)夤? 圖2-4所示為電磁式吸盤結(jié)構(gòu)圖。電磁吸盤吸附工件是內(nèi)線圈6通電后在鐵芯1內(nèi)外激起磁場，使吸盤3磁化，靠近吸盤的工件也同樣被磁化，根據(jù)磁力線的特性，工件將受到電磁吸力的作用而被吸住。如果切斷電源時，吸盤磁力消失即放松工件。其中鐵 芯與吸盤用黃銅焊料焊為一體，并由黃銅焊料構(gòu)成隔磁環(huán)2,它又將鐵芯與吸盤隔開。 吸盤在外力作用下可自由的回轉(zhuǎn)，殼體7與機(jī)械手手臂固連在一起，以完成上下料動作。 由上述可知，手部結(jié)構(gòu)型式并不象人手，它的手指形狀也不象人的手指，它沒有手掌，只有自身的運(yùn)動將物件抱住，而且手指即為傳力機(jī)構(gòu)的構(gòu)件之一。而人手抓物件是 以物件為中心五指合攏將物件抱住，手指與手掌在抓

47、取物件時是處于相對運(yùn)動的狀態(tài)，它可以完成很多的動作，機(jī)械手的手指只能完成人手的部分動作。因此，手部結(jié)構(gòu)及型 式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀（圓料、板料等），尺寸、重量、材質(zhì)（易碎性、導(dǎo)磁性）以及被抓取部位（外圓或內(nèi)孔）等的不同而設(shè)計(jì)各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式、氣吸式、電磁式和其它型式（如托持式.勺式、勾式和氣囊式等）手部。 圖2-4電磁式吸盤結(jié)構(gòu) 1——鐵芯2——隔磁環(huán)3——吸盤4——絕緣墊5——擋環(huán) 6——線圈7——?dú)んw 考慮到所設(shè)計(jì)的裝箱機(jī)械手只是用于小商品生產(chǎn)線上的應(yīng)用場合，所需夾持的工件 多為成品盒裝類商品，重量一般偏向于小件，不超過10KG,同時

48、，為便于定位裝箱，不宜使用吸盤類手部，所以完全可以由二指手爪完成抓取任務(wù)，因此選擇二指手爪。 2.1.1.2. 手臂 手臂是機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的重要部件，它的作用是將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂曲伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降（E 俯仰）運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立往來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動通常由驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如油缸或氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，因此，它不僅僅承受披抓取工件的重量，而且承受手部、手腕和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影響機(jī)械手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械

49、手的抓取重量、運(yùn)動形式、自由度數(shù)、運(yùn)動速度及其定位精度的要求 來設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)型式。 手臂的作用是引導(dǎo)手指推確地抓住工件，并運(yùn)送到所得要的位量上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位。 按手臂的結(jié)構(gòu)型式區(qū)分，手臂由單臂式、雙臂式和懸掛式，如圖2-5示。 圖2-5手臂的結(jié)構(gòu)型式 （a）單臂可旋轉(zhuǎn)式（b）單臂雙頭式（c）雙臂式（d）懸掛式 按手臂的運(yùn)動形式區(qū)分，手臂有直線運(yùn)動的，如手臂的伸縮、升降及橫向（或縱向） 移動；有回轉(zhuǎn)運(yùn)動的，如手臂的左右回轉(zhuǎn)、上下擺動（即俯仰），有復(fù)合運(yùn)動的，如直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合、兩直線運(yùn)動組合、兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合。下

50、面將就不分別予以詳細(xì)介 紹各種結(jié)構(gòu)，只列出各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。 實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動可采用液壓或氣壓驅(qū)動的活塞油（氣）缸。由于活塞油（氣）缸的體 積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。圖2-6所示為雙導(dǎo)向桿手臂的 伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分 別通入壓力油時，則推動活塞桿2（即手臂）作往復(fù)直線移動。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動以防手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動（并兼作手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的仰縮油缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單，傳動手穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。 圖

51、2-6雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu) 1雙作用油缸2活塞桿3導(dǎo)向桿4導(dǎo)向套 5支承座6手腕7手部 其余型式的還有雙層油缸空心活塞桿的手臂結(jié)構(gòu)；采用花鍵軸套導(dǎo)向的手臂升降結(jié)構(gòu)；懸掛式雙活塞伸縮油缸的結(jié)構(gòu)等。 在手臂的伸縮運(yùn)動中，為了使手臂移動的距離和速度有定值的增吁可以采用齒輪齒條傳動的增倍機(jī)構(gòu)，如圖2-7示。 圖2-7齒輪齒條式增倍機(jī)構(gòu)的手臂結(jié)構(gòu) 在要求工作行程大，運(yùn)動速度快的伸縮機(jī)械手上常采用此機(jī)構(gòu)作為手臂伸縮運(yùn)動機(jī)構(gòu)。 還有絲杠螺母式機(jī)構(gòu)，活塞缸和連桿式機(jī)構(gòu)等，可以實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動，并可獲得較大 的升降行程，其特點(diǎn)是不需要增設(shè)導(dǎo)向支承裝置，而使升降方向正確。 本機(jī)械手主要

52、是配合運(yùn)輸帶工作，不需要異地運(yùn)動，所以應(yīng)該是固定底座，所實(shí)現(xiàn) 的作業(yè)范圍主要由手臂部分完成，但同時考慮到成本及復(fù)雜程度，所以決定選擇套筒伸縮式結(jié)構(gòu)橫向手臂，可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)范圍上的控制。同時，裝箱過程中，有上下運(yùn)動的過程（如抓取工件后遠(yuǎn)離運(yùn)輸帶的過程或者將工件放入包裝箱中的過程），橫向手臂不能 完成，所以需加入一個縱向立臂，以完成屈伸運(yùn)動。 2.1.1.3. 軀干 軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。起到連接各部件并且支撐整體的作用。 為完成上述軀干的功能，決定采用鑄造箱體結(jié)構(gòu)。因?yàn)殍T造方法簡單易行，成本也 低?？蓾M足先設(shè)計(jì)箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)后確定整體外形后再確定所需箱體外形機(jī)構(gòu)。

53、 2.1.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。其中以液壓、氣動用的最多，占90%以上；電動、機(jī)械驅(qū)動用的較少。 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動。它利用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，利用擺動油缸、油馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用4?6個大氣壓，個別的達(dá)到8—10個大氣壓。為了減少停機(jī)時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖減震機(jī)構(gòu)。 電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電機(jī)作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動則用電機(jī)帶動絲杠

54、螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動機(jī)。通用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。 由表2.1中各驅(qū)動方式的優(yōu)缺點(diǎn)間的比較，綜合考慮本機(jī)械手的用途，所以決定：手部只要抓取小型慶幸工件，不需要多大的驅(qū)動力，要求較快相應(yīng)，無中間停頓要求，所以采用氣動驅(qū)動方式，由氣缸驅(qū)動手爪的閉合張開。 表2.1各驅(qū)動方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較 驅(qū)動方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 液壓驅(qū)動 壓力高、體積小，出力大，動作平緩，可尢級變速，自鎖方便，并能在中間位置停 止。 密配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜， 成本較局。 電氣驅(qū)動 動力源簡單，維護(hù)、使用方便。驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一型式的動力。 控制響應(yīng)速度比較

55、慢。 氣動驅(qū)動 氣源方便，維護(hù)簡單，成本 低。 出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤滑性較差， 機(jī)械驅(qū)動 動作確實(shí)口」靠，工作速度局， 成本低。 不易于調(diào)整。 其次是手臂的運(yùn)動，采用液壓驅(qū)動。分為橫臂的大小臂間的伸縮運(yùn)動和立臂的屈伸運(yùn)動，為實(shí)現(xiàn)相對精確地裝箱時的工件的矩陣排列放置的定位目的，同時便于調(diào)整。 最后是機(jī)械臂的整體旋轉(zhuǎn)過程，采用機(jī)械驅(qū)動，選擇齒輪傳動，由步進(jìn)電機(jī)提供動力。因?yàn)槭芰Σ淮螅ㄖ握w結(jié)構(gòu)部分的力是由底座箱體提供），同時要求較高速運(yùn)動，大多是機(jī)械式往復(fù)運(yùn)動，但需要配合手臂部分實(shí)現(xiàn)較精確定位目的。 2.1.

56、3 控制系統(tǒng) 機(jī)械手控制的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動作時間、運(yùn)動速度和加減速度等。 機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占90%以上。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求.設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存貯，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 程序的存貯方式分為分離存貯和集中存貯兩種。分離存貯是將各種控制因素的信息分別存貯于兩種以上的存貯裝置中，如順序信息存貯予插銷飯、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi)，位置信息存貯于時間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等。 集少存貯是將各種控制因素的信息全部存貯于一種存貯裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等。這種方式適用于順序、位置、時間、速度等必

57、須同時控制的場合。。 對動作復(fù)雜的機(jī)械手（機(jī)械人），采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手（機(jī)械人）則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。 無知覺的工業(yè)機(jī)器人的控制裝置就是控制機(jī)械手各環(huán)節(jié)移動的程序控制造置以及同生產(chǎn)設(shè)備相聯(lián)系的裝置。圖2-8給出了無知覺的工業(yè)機(jī)器人的一般控制方塊圖。在控制臺上給出所要求的工作狀態(tài)并顯示機(jī)械手和控制裝置的實(shí)際工作狀態(tài)。工作程序存儲 在存儲裝置中?？刂莆恢貌考淖饔檬怯脵C(jī)械手和生產(chǎn)設(shè)備的傳動裝置來實(shí)現(xiàn)給定的坐標(biāo)或軌跡控制轉(zhuǎn)換部件的作用是檢測前一步程序完成的情況,存儲已完成的程序號碼,并給出執(zhí)行下一步程序的信號。時間裝置用來按程序形成一定的時間滯

58、后。記憶裝置、控制轉(zhuǎn)換部件和時間裝置聯(lián)合起來構(gòu)成了程序-時間裝置。對任何序控制裝置它們都是最基本的裝置。 本機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行方便，可根據(jù)使用環(huán)境適用對象及操作者使用習(xí)慣等自行 ?th*t 校第 位置總料 nt?K 購卡電餐量? 一*訴曹時^x —公具驟錄 一一放檸何左. ■十■號 ?— nuvtx 選擇控制方式，在此就不做強(qiáng)制要求了 圖2-8工業(yè)機(jī)器人控制方塊圖 3機(jī)械手各部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由第二章部分分析各機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)后決定本機(jī)械手采用二指結(jié)構(gòu)，利用氣缸提供動力，如圖3-1示。 圖3-1手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 由于所

59、需夾持工件（多為小商品）重量較輕，在10公斤以下，且大多為盒裝，所以可假定一個150cm*150cm*150cm的立方體，最高為10公斤。即得氣缸所需提供的動力（忽略摩擦力，據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可知，摩擦損失很?。Ｓ捎跉飧椎陌惭b形式在一般場合下，多用于固定方式安裝，可選擇后法蘭（MF2式）或尾部耳軸（MP4或MP2式），選擇普通雙作用氣缸QGEW-1系列。 對手爪部分做受力分析得如圖3-2示。 F3 F1 5 10 Sin30 - 0.5 二100N (3-1) (3-2) F0=2*F3*Sin30=21000.5=100N 氣缸內(nèi)徑u25mmft大行程400mm,使用

60、壓力范圍：0.1~1.0Mpa。其所能提供提升最小質(zhì)量為： max 2 0.1 3.14 25 -3 10 -5 -20KG (3 -3)  圖3-2手部受力分析 可以實(shí)現(xiàn)此搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。 3.2 橫臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 橫臂為伸縮式結(jié)構(gòu)，采用液壓缸傳動，如圖3-3示。 白口n 采用起重機(jī)用低合金鋼軌鋼，GB/T3426中的U71Mn材料 圖3-4立臂機(jī)構(gòu)示意圖 立臂部分起到屈伸作用以實(shí)現(xiàn)橫臂的仰俯和升降如圖3-4示。可采用方鋼Q237即 可完成強(qiáng)度要求。 3.3 齒輪傳動部分設(shè)計(jì) 本機(jī)械手設(shè)計(jì)中齒輪部分完成的只是臂圍繞中心

61、線旋轉(zhuǎn)的過程，所做過程為往復(fù)運(yùn) 3-5 動，不需要360°旋轉(zhuǎn)，可設(shè)計(jì)最大為180°,目的是為配合傳送帶工作。所以做如圖示設(shè)計(jì)。 S 連接立臂J 71 rEli_ .、齒輪傳動 圖3-5齒輪傳動 暫定齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)為： 傳遞功率P=1.98(kW) 傳遞轉(zhuǎn)矩T=9.45(N m) 齒輪 1 轉(zhuǎn)速 ni=2000(r/min) 齒輪 2 轉(zhuǎn)速 n2=400.00(r/min) 傳動比i=0.2 原動機(jī)載荷特性SF=^勻平穩(wěn) 工作機(jī)載荷特性亞5=輕微振動 預(yù)定壽命 H=10000(小時) 模數(shù)(法面模數(shù))Mn=2 齒輪1齒數(shù) Z1 =目=58 m 齒輪1變位系數(shù)

62、 (3-4) Xi=0.00 齒輪1齒寬 B1 = d *d1t =4.800(mm) (3-5) 齒輪1齒寬系數(shù) b d1 = — =0.40 「 dL 齒輪2店寬系數(shù) (3-6) d2 —=0.80 d2 (3-7) 端面模數(shù) d. Mt-=2.00000(3-8) Zt 標(biāo)準(zhǔn)中心距 A0=348.00000(mm) 實(shí)際中心距 A=348.00000(mm) 齒數(shù)比 U=5.00000 端面重合度 &巖1.85573 縱向重合度^=1.855737 B=0.00000 總重合度 &=1.85573 齒輪1分度圓直徑 d1

63、=m[=116.00000(mm)(3-9) 齒輪1齒頂圓直徑 da1=mz12=120.00000(mm)(3-10) 齒輪1齒根圓直徑 df1=mz1-2.5=111.00000(mm)(3-11) 齒輪1齒頂高 ha1=m=2.00000(mm)(3-12) 齒輪1齒根高 hf1=1.25m=2.50000(mm)(3-13) 齒輪1全齒高 h1=2.25m=4.50000(mm)(3-14) 齒輪1齒頂壓力角 殉1=24.719004(度)(3-15) 齒輪2分度圓直徑 d2=mz2=580.00000(mm)(3-16) 齒輪2齒頂圓直徑 da2=mz

64、22=584.00000(mm)(3-17) 齒輪2齒根圓直徑 df2=mz2-2.5=575.00000(mm)(3-18) 齒輪2齒頂高 ha2=m=2.00000(mm)(3-19) 齒輪2齒根高 hf2=1.25m=2.50000(mm)(3-20) 齒輪2全齒高 h2=2.25m=4.50000(mm)(3-21) 齒輪2齒頂壓力角 娜=21.051749(度) 圓周力 Ft=J=162.931(N)(3-22) d1 齒輪線速度 V=12.147(m/s) 強(qiáng)度校核數(shù)據(jù) 齒輪1接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 (Hlim1=960.0(MPa) 齒輪1抗彎疲勞

65、基本值 (FE1=480.0(MPa) 齒輪1接觸疲勞強(qiáng)度許用值 K["=T=1008.8(MPa)(3-23) 齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 bF1=KFN；FE1=709.2(MPa)(3-24) 齒輪2接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 (Hlim2=960.0(MPa) 齒輪2抗彎疲勞基本值 (FE2=480.0(MPa) 齒輪2接觸疲勞強(qiáng)度許用值 (3-25) [0h]2=KHN^Lm2i1008.8(MPa) S 齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 (3-26) !;f2=KFNgFE2=709.2(MPa) 接觸強(qiáng)度用安全系數(shù) SHmin=1.20 彎曲強(qiáng)度用安全系數(shù)

66、SFmin=1.40 接觸強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 K HN " Lim =735.8(MPa) (3 -27) 接觸疲勞強(qiáng)度校核 (tHI<[(TH]日 齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 (3 -28) _KFN1、FE1 -F1==464.6(MPa) S 齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 二二KFN2"fe2=410.5(MPa)(3-29) S 齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度校核 (3-30) (3-31) *="；田&[^f"襁足 齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度校核 KFN^FE20[西滿足 S 3.4 銷軸設(shè)計(jì) 在本機(jī)械手中，銷軸分為兩類，一類是用來以連接的，其目的是為完成擺動機(jī)構(gòu);另一類則是為了實(shí)現(xiàn)定位的。 設(shè)計(jì)立臂上下端的銷軸所受剪切力：T<[T] 圖3-6銷軸受力分析 受力分析，其鋼結(jié)構(gòu)由型鋼表簡化算法得其質(zhì)量為： M=1.124*[3.14*(45*10-3)2*600*10-3+3.14*(30*10-3)2*500*10-3]=3.19*10—3KG 由于a=arctan0.09~5° 所以忽略角度差異， Fmax=mg=5.2