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1、*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)引言機(jī)械工業(yè)是全國(guó)人民的裝備部，是為國(guó)家經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提經(jīng)久供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。無(wú)論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，各種各樣的機(jī)械裝都與機(jī)械手備密不可分，機(jī)械工業(yè)提供裝備的性能、質(zhì)量及成本，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各各部門(mén)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的效益有非常大的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略之一。工業(yè)機(jī)械手是近數(shù)十年發(fā)展起來(lái)的一種含有高科技的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的基本特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)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

2、適應(yīng)性。工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車(chē)制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、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(dòng)，提高勞動(dòng)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(chē)制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車(chē)與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。以PLC控制為基礎(chǔ)，掌握機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本思路和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，全面復(fù)習(xí)和鞏固機(jī)器人技術(shù)以及相關(guān)課程的

3、基本知識(shí)，掌握各種手冊(cè)、文獻(xiàn)資料在機(jī)械手設(shè)計(jì)的運(yùn)用方法。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)機(jī)械、控制等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，溫習(xí)和鞏固所學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)、工程力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)PRO/E繪制零件和裝配，提高運(yùn)用Pro/E進(jìn)行模型設(shè)計(jì)的能力，通過(guò)文獻(xiàn)檢索，讓自己了解機(jī)械手行業(yè)的前沿知識(shí)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(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題，提高獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，提高綜合實(shí)力。1課題研究的意義畢業(yè)設(shè)計(jì)，作為大學(xué)四年學(xué)習(xí)情況的最好的驗(yàn)收依據(jù)，不僅包含這四年來(lái)所學(xué)到的課本上的理論與平時(shí)實(shí)踐知識(shí)，更考驗(yàn)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(shí)聯(lián)系起來(lái)獨(dú)立運(yùn)用的能力。在這次設(shè)計(jì)中，指導(dǎo)老師的幫

4、助下，運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)和自學(xué)能力，學(xué)會(huì)并且掌握利用Pro/E軟件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，掌握機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本思路和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，進(jìn)行解決工程實(shí)際問(wèn)題的基本訓(xùn)練。這也將是對(duì)即將踏入社會(huì)的工作能力的很好培養(yǎng)方式。1.1 機(jī)電一體化由可編程序控制器-驅(qū)動(dòng)元件組成的典型的控制系統(tǒng)，它是自動(dòng)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(dòng)技術(shù)從開(kāi)關(guān)控制進(jìn)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(jiǎn)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(lái)越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來(lái)越可能。電動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來(lái)越離不開(kāi)PL

5、C，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手。由于近幾年市場(chǎng)需求的強(qiáng)大拉動(dòng)，中國(guó)機(jī)械制造業(yè)高速發(fā)展。按產(chǎn)量排名，我國(guó)機(jī)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(lái)的發(fā)展機(jī)會(huì)來(lái)看，我國(guó)經(jīng)濟(jì)處于高速發(fā)展期，國(guó)際上經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展趨勢(shì)日趨明顯，這就為我國(guó)模具行業(yè)提供了良好的條件和機(jī)遇。1.2 PLC在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用機(jī)械工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)之一，在各個(gè)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(guó)轉(zhuǎn)移，因此國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械手的需求也越來(lái)越大。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，產(chǎn)品投人市場(chǎng)的周期往往是成敗的關(guān)鍵，因此客戶對(duì)機(jī)械手控制要求越來(lái)越嚴(yán)格。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了

6、計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)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(lái)的一種通用工業(yè)自動(dòng)化裝置。它面向控制過(guò)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(jìn)水平，PLC裝置已經(jīng)成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本裝置。在當(dāng)前機(jī)械手的應(yīng)用中，物件搬運(yùn)就是機(jī)械手發(fā)展的主要方向之一，因?yàn)橐恍┓敝睾椭貜?fù)性強(qiáng)的工作都可以借助機(jī)械手來(lái)進(jìn)行，它可以部分甚至全部代替人類(lèi)來(lái)完成一些工作。本畢業(yè)設(shè)計(jì)所要研究的是基于PLC的機(jī)械手的控制，是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)來(lái)操控機(jī)械手的手指、手腕、手臂和腰部的旋轉(zhuǎn)來(lái)完成對(duì)物件的抓取和傳送。可編程邏輯控制器具有以下鮮明的特點(diǎn)。a 系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容

7、易，以開(kāi)關(guān)量控制為其特長(zhǎng)；也能進(jìn)行連續(xù)過(guò)程的PID回路控制，并能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如DDC和DCS等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的綜合自動(dòng)化。b 使用方便，編程簡(jiǎn)單，采用簡(jiǎn)明的梯形圖、邏輯圖或語(yǔ)句表等編程語(yǔ)言，而無(wú)需計(jì)算機(jī)知識(shí)，因此系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動(dòng)硬件。c 能適應(yīng)各種惡劣的運(yùn)行環(huán)境，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性強(qiáng)，遠(yuǎn)高于其他各種機(jī)型。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)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(gè)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(gè)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(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)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(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)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(diǎn)構(gòu)成的控制線路

9、進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)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(duì)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(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映像區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)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(huì)對(duì)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(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過(guò)程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點(diǎn)。即使

10、用I/O指令的話，輸入過(guò)程影像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過(guò)程影像寄存器會(huì)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(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對(duì)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(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。圖0.1 普通的機(jī)械手Fig.0-1 Ordinary manipulator圖0.2 機(jī)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(jī)械手概述機(jī)械手主要由手部、

11、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成如圖0-1。手部是用來(lái)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(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)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(gè)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23個(gè)自由度。機(jī)械手一般分為三類(lèi)：第一類(lèi)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。它

12、可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)來(lái)進(jìn)行探測(cè)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(lèi)是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上如圖0-2，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱為Mechanical Hand，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國(guó)外，目前主要是搞第一類(lèi)通用機(jī)械手，國(guó)外稱為機(jī)器人。本課題所做的機(jī)械手是屬于第三類(lèi)

13、機(jī)械手。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(dòng)機(jī)床或自動(dòng)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(méi)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(mén)操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。軸箱傳動(dòng)設(shè)計(jì)，是依據(jù)動(dòng)力箱驅(qū)動(dòng)軸位置和轉(zhuǎn)速、各主軸位置及其轉(zhuǎn)速要求，設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈，把驅(qū)動(dòng)軸與各主軸連接起來(lái)，使各主軸獲得預(yù)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的

14、。2.1 簡(jiǎn)史1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)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(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司,專門(mén)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國(guó)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(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1毫米。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從1970年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)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(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn)口。目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；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。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)

16、、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(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和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。2.2 應(yīng)用簡(jiǎn)況現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化，自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)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(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(dòng)化而產(chǎn)生的。有資料統(tǒng)計(jì)：美國(guó)偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機(jī)械加工。隨著機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對(duì)象還會(huì)有所改變。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用

17、能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。國(guó)內(nèi)機(jī)械手工業(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，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。國(guó)外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車(chē)軸、輪等大、中批零件。并和機(jī)床共同組成一個(gè)綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。2.3 發(fā)展趨勢(shì)目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無(wú)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(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(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)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移

18、、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類(lèi)型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類(lèi)型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(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(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。在國(guó)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、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。此外，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)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(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。視覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類(lèi)、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺(jué)功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過(guò)安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺(jué)作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過(guò)裝在手指內(nèi)的敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作

20、業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。更重要的是將機(jī)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(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。3 機(jī)身的設(shè)計(jì)機(jī)身是直接支撐并驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)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(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮，對(duì)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)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(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用PLC控制搬運(yùn)料的機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。機(jī)身承載著手臂，做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。

22、常用的機(jī)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(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)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(yùn)動(dòng)部件較大。3) 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)齒條齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)：齒輪的往復(fù)回轉(zhuǎn)帶動(dòng)與手臂連接的齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使作水平運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用三連桿結(jié)構(gòu)。齒輪通過(guò)鍵與軸相連接，電動(dòng)機(jī)再通過(guò)小齒輪帶大齒輪帶動(dòng)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)關(guān)節(jié)利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。3.1 機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)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(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，據(jù)結(jié)構(gòu)采用圓柱坐標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)末端自由度小的缺點(diǎn)，增加手臂末端手腕機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂六個(gè)自由度。按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)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(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的回轉(zhuǎn)、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和8升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)械手采用機(jī)電傳動(dòng)方式?？紤]到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位

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

25、速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c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(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有回轉(zhuǎn)行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過(guò)大的回轉(zhuǎn)行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)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(jī)械手的定位精度為mm。3.2.3 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)1）抓重 5kg2）自由度數(shù) 6個(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(kāi)關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等10）定位精度 11）驅(qū)動(dòng)方式 電機(jī)傳動(dòng)12）控制方式 點(diǎn)位程序控制(采用PLC)3.3 臂部的設(shè)計(jì)手臂部件是機(jī)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(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(dòng)載荷，而且自身

27、運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。 要遵循下述原則；1) 應(yīng)盡可能使機(jī)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(diǎn)，這樣可以使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)械手的控制。2) 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)械手工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)械手手臂末端工作空間并沒(méi)有考慮機(jī)械手手腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì)機(jī)械手手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒(méi)有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。3) 為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)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(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)械手手臂。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)械手手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)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(jià)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(wèn)題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)械手手臂的重量。4) 機(jī)械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)。5) 機(jī)械手的手

29、臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)械手的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)械手上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來(lái)減小機(jī)械手手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡手臂殘余的不平衡重量。6) 機(jī)械手手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開(kāi)關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。3.3.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械手手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)械手所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)時(shí)，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(diǎn)的距離。3) 合理布置作用力的位置和方向。4) 注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。5) 提高配合精度。b 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小c 手臂動(dòng)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(wèn)題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。3.3.2 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常見(jiàn)的手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有以下幾種：1) 雙導(dǎo)桿手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。2) 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的回轉(zhuǎn)，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層電機(jī)空心結(jié)構(gòu)。3) 雙活塞桿機(jī)電崗結(jié)構(gòu)。4) 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。3.4機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.4.

31、1 機(jī)械手常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式A 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在機(jī)械手中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)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(dòng)等。機(jī)械手系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題1) 齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比的最佳匹配選擇。齒輪傳動(dòng)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(gè)力矩變換器。齒輪傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會(huì)造成傳動(dòng)死區(qū)（失動(dòng)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(lái)消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2) 各級(jí)傳動(dòng)比的最佳分配原則。當(dāng)計(jì)算出傳動(dòng)比后，為使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿足動(dòng)態(tài)性能和提高傳動(dòng)精度的要求，要對(duì)各級(jí)傳動(dòng)比進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，各級(jí)傳動(dòng)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(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設(shè)齒輪傳動(dòng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為，則 （2-1）式中：-第個(gè)齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；-第個(gè)

33、齒輪的轉(zhuǎn)軸至n級(jí)輸出軸的傳動(dòng)比。則四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（、.、）換算到末級(jí)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(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動(dòng)比的大小。因此，在設(shè)計(jì)中最末兩級(jí)的傳動(dòng)比應(yīng)取大一些，并盡量提高其加工精度。b等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則。利用該原則設(shè)計(jì)的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，各級(jí)傳動(dòng)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(diǎn)：1) 對(duì)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，起停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來(lái)處理。2) 對(duì)于變負(fù)載的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的各級(jí)傳動(dòng)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(dòng)。3) 對(duì)于提高傳動(dòng)精度和減小回程誤差為主的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則；對(duì)于增速傳動(dòng)，由于增速時(shí)容易破壞傳動(dòng)齒輪系工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開(kāi)始幾級(jí)就增速，并且要求每級(jí)增速比最好大于1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動(dòng)誤差。4) 對(duì)以比較大傳動(dòng)比傳動(dòng)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(duì)于相當(dāng)大大傳動(dòng)比、并且要求傳動(dòng)精度與傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)平穩(wěn)以及體積小重量輕時(shí)?？蛇x用新型的諧波齒輪傳動(dòng)。B 諧波齒輪傳動(dòng)諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕，傳動(dòng)比大（幾十到幾百），傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。故在工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中得到廣泛的

35、應(yīng)用。諧波齒輪傳動(dòng)與少齒差行星齒輪傳動(dòng)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(duì)錯(cuò)齒來(lái)傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的，故諧波齒輪傳動(dòng)與一般的齒輪傳動(dòng)具有本質(zhì)上的差別。C 螺旋傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)及絲杠螺母，它主要是用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。螺旋傳動(dòng)有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)龋挥幸詡鬟f運(yùn)動(dòng)為主的，如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠。絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)分為普通絲杠（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾動(dòng)摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)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(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高（92%98%）

36、，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，靈活度高。通過(guò)預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動(dòng)剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長(zhǎng)；而且同步性好，使用可靠、潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，因此滾珠絲杠在機(jī)械手中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動(dòng)返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制動(dòng)裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項(xiàng)指標(biāo)：1） 滾珠絲杠的精度等級(jí)；2） 滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值；3） 載荷條件（靜、動(dòng)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(dòng)間隙，提高傳動(dòng)精度與剛

37、度。但是預(yù)加載荷會(huì)使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預(yù)加載荷不應(yīng)超過(guò)工作載荷的1/3。D 同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng)和鏈輪鏈條傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過(guò)帶齒與輪齒作嚙合傳動(dòng)。為保證帶和帶輪作無(wú)滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，齒形帶采用了承載后無(wú)彈性變形的高強(qiáng)力材料，無(wú)彈性滑動(dòng)，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高（可達(dá)98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤(rùn)滑；傳動(dòng)平穩(wěn)，能高速傳動(dòng)（可達(dá)40m/s）、傳動(dòng)比可達(dá)10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)械手中使用很多。其主要缺點(diǎn)是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同時(shí)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(dòng)鋼帶傳動(dòng)的特點(diǎn)是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無(wú)間隙傳動(dòng)、摩擦阻力大，無(wú)滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動(dòng)力矩大、壽命長(zhǎng)，鋼帶無(wú)蠕變、傳動(dòng)效率高。F 鏈傳動(dòng)在機(jī)械手中鏈傳動(dòng)多用于腕傳動(dòng)上，為了減輕機(jī)械手末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)距離被傳動(dòng)的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子鏈來(lái)傳動(dòng)。G 鋼絲繩輪傳動(dòng)鋼絲繩輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。機(jī)械手是由多級(jí)聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手以外，機(jī)械手各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是由驅(qū)動(dòng)器

39、經(jīng)過(guò)各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。機(jī)械手所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相類(lèi)似。常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)等。由于傳動(dòng)部件直接影響著機(jī)械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇滿足傳動(dòng)間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能相匹配等要求的傳動(dòng)部件。在設(shè)計(jì)機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下問(wèn)題：1) 為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度，要求機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)部件的重量要輕，慣量要小。因此，機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。2) 在傳動(dòng)鏈及運(yùn)動(dòng)副中要采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)

40、，以減小反向空回所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。3) 系統(tǒng)傳動(dòng)部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動(dòng)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(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支承等。4) 縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機(jī)直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計(jì)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(dòng)比，以達(dá)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(dòng)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(dòng)間隙

41、、減少支承變形等措施。7) 適當(dāng)?shù)淖枘岜龋瑱C(jī)械零件產(chǎn)生共振時(shí)，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(huì)使系統(tǒng)的失動(dòng)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(jì)時(shí)要使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻尼合適。3.4.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 通過(guò)以上，綜合考慮，根據(jù)本設(shè)為轉(zhuǎn)動(dòng)副的要求，各關(guān)節(jié)選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。臂部采用鋁合金材料，這樣可以減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，可以減少臂部的慣量。臂部通過(guò)電機(jī)與腕部相連。通過(guò)M螺釘將外端板與底座相聯(lián)接。機(jī)械手的垂直手臂（大臂）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的要

42、求。綜合考慮，全臂的驅(qū)動(dòng)均選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，不用再設(shè)計(jì)另外的執(zhí)行件了；而且電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的PLC控制。因?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿足。同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的結(jié)構(gòu)因素要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過(guò)增大電機(jī)的功率來(lái)增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了平衡機(jī)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(jì)，因?yàn)檫x用了電機(jī)作為機(jī)械手的手臂轉(zhuǎn)動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)，由于電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，

43、又是動(dòng)力元件。故不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)又提高了精度。而機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動(dòng)，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差；同時(shí)大大增大扭矩，同時(shí)較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能好。這里只采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。3.5 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)

44、。機(jī)械手腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)械手，球坐標(biāo)機(jī)械手及關(guān)節(jié)型機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)械手的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則：1)腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)械手在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。2)腰座要承受機(jī)械手全部的重量和載荷，因此，機(jī)械手的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。3.機(jī)械手的腰座是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。4.腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、電機(jī)及氣動(dòng)）及減

45、速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。5.腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)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(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。6.為了減輕機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)械手的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。3.5.1 設(shè)計(jì)具體采用方案腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過(guò)減速齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是通過(guò)擺動(dòng)電機(jī)或機(jī)電馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者。因?yàn)殡妱?dòng)方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的機(jī)電系統(tǒng)及其輔助元件。考慮到腰座是機(jī)械手的

46、第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。因?yàn)辇X輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比，同時(shí)為了減小機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.6.1 軸

47、的設(shè)計(jì)軸是組成機(jī)器的主要零件之一,一切作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件(例如齒輪,蝸輪等),都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力的傳遞。因此軸的主要功用是支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。在此次設(shè)計(jì)中，選擇45鋼作為軸的材料。因?yàn)樘间摫群辖痄搩r(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)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(qiáng)度，所以碳鋼制造軸尤為廣泛。軸的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jiàn)附錄A。3.6.2 齒輪設(shè)計(jì)1) 選定齒輪類(lèi)型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù)利用機(jī)械手冊(cè)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(jiàn)附錄A。3.6.3 軸承的選擇滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中廣泛應(yīng)用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來(lái)支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小，功率消耗少，起動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。常用的滾動(dòng)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?yàn)樵诖舜卧O(shè)計(jì)的裝置中，軸承需要同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，所以選擇圓錐滾子軸承。因?yàn)閳A錐滾子軸承不但可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，而且也可以單獨(dú)承受徑向載荷。能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作。由于一個(gè)軸承只能承受單向的軸向力。因此，一般成對(duì)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(jī)械手平衡機(jī)構(gòu)通常，機(jī)械手所采用的平衡機(jī)構(gòu)主要有以下幾種：1) 配重平衡機(jī)構(gòu)這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。2) 彈簧平衡機(jī)構(gòu)彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)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(jī)構(gòu)活塞式平衡系統(tǒng)有電機(jī)和氣動(dòng)兩種：電機(jī)平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；氣動(dòng)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(mén)的電機(jī)或氣動(dòng)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價(jià)高，設(shè)計(jì)、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(chǎng)合。3.7.1 設(shè)計(jì)具體采用的方案在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問(wèn)題，通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。在本設(shè)計(jì)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(duì)性能的影響，故在手臂回轉(zhuǎn)電機(jī)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(jī)的運(yùn)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(jī)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(jī)械手的手臂運(yùn)動(dòng)，給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)械手手臂末端的手腕，則給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，它與機(jī)械手手臂配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。3.8.1 機(jī)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(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)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(lái)設(shè)計(jì)。機(jī)械手手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度愈大，則機(jī)械手腕部的靈活性愈高，機(jī)械手對(duì)對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會(huì)使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)械手的控制更困難，成本也會(huì)增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來(lái)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(jī)械手手腕的自由度數(shù)為2至3個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)械手手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問(wèn)題具體分析，考慮機(jī)械手的多種布局，運(yùn)動(dòng)方案，選擇滿足要求的最簡(jiǎn)單的方案。3.8.2 手腕末端腕部設(shè)計(jì)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(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)械手手腕時(shí)，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(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用嵌入式設(shè)計(jì)。2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)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(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。3）必須考慮工作條件對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的工件，因此不太受環(huán)境影響，沒(méi)有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒(méi)有太多不利因素。機(jī)

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(dòng)要有限位開(kāi)關(guān)，以防止超限造成機(jī)械損壞。3.8.3設(shè)計(jì)具體采用方案考慮到機(jī)械手的通用性，又通過(guò)對(duì)機(jī)械手的末端分析，滿足機(jī)械手作業(yè)時(shí)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低控制的難度，3個(gè)軸來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，選用回轉(zhuǎn)電機(jī)。腕部采用平面式，用三個(gè)電機(jī)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(jì)，可以人工調(diào)整機(jī)械手手部的位置來(lái)解決此問(wèn)題。它的結(jié)構(gòu)緊湊，因此，手腕設(shè)

55、計(jì)成六自由度結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。如圖2-7。圖2-7 手腕電機(jī)裝配示意圖Fig.2-7 Wrist motor assembly schemes3.9 機(jī)械手的設(shè)計(jì)機(jī)械手即與物件接觸的部件。機(jī)械手是安裝在機(jī)械手手腕上用來(lái)進(jìn)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(jī)械手末端執(zhí)行器的種類(lèi)很多，以適應(yīng)機(jī)械手的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測(cè)量用等。搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來(lái)抓取或吸附被搬運(yùn)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(jī)械手附加裝置，用來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。測(cè)量用末端執(zhí)行器是裝有測(cè)量頭或傳感器的附加裝置，用來(lái)

56、進(jìn)行測(cè)量及檢驗(yàn)作業(yè)。3.9.1 機(jī)械手夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式機(jī)械手夾持器及機(jī)械手手爪。一般工業(yè)機(jī)械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來(lái)分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。機(jī)械手夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種1） 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來(lái)控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)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(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。2） 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大

57、的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。3） 機(jī)電驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。3.9.2 機(jī)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(jì)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(jī)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(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)，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(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。夾持式是最常見(jiàn)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(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。回轉(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開(kāi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。2） 滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷(xiāo)子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)。這種手爪開(kāi)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(yùn)動(dòng)，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(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作。5） 平行杠桿式手爪采用平行四邊形機(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(dòng)

60、，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多。3.9.3 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮機(jī)械手末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來(lái)設(shè)計(jì)的。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)械手新的應(yīng)用場(chǎng)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(jī)械手末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)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(jī)械手容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)械手末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。機(jī)械手要具有足夠的強(qiáng)度和剛度，手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)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(jiǎn)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(jī)械手要具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角，兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)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(duì)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(dòng)定心。機(jī)械手末端執(zhí)行器的萬(wàn)能性與專用性是矛盾的。萬(wàn)能末

62、端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬(wàn)能機(jī)械手靈巧手，至今尚未實(shí)用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、萬(wàn)能性不強(qiáng)的機(jī)械手末端執(zhí)行器。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開(kāi)發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)械手多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬(wàn)能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因?yàn)檫@種萬(wàn)能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。通用性和萬(wàn)能性是兩個(gè)概念，萬(wàn)能性是指一機(jī)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(jī)械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口，使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。機(jī)械手末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。用計(jì)算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是機(jī)電式和氣壓式（在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。3.9.4 設(shè)計(jì)具體采用方案結(jié)合具體的工作情況，為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用連桿四邊形式的手爪。驅(qū)動(dòng)手爪平行移動(dòng)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)扇形齒輪通過(guò)平行四邊形結(jié)構(gòu)使手指張開(kāi)或閉合。手指的最小開(kāi)度由加工工件的直徑來(lái)調(diào)定。為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件