注塑機(jī)取件機(jī)械手的設(shè)計(jì)

1、本科生畢業(yè)論文注塑機(jī)取件機(jī)械手設(shè)計(jì)Design Of Manipulator For Injection學(xué) 生 姓 名徐天專(zhuān) 業(yè)機(jī)械電子工程學(xué) 號(hào)090321218指 導(dǎo) 教 師褚劍峰學(xué) 院機(jī)電工程學(xué)院二一三年六月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)承諾書(shū)1本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）注塑機(jī)取件機(jī)械手設(shè)計(jì)，是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解學(xué)校的長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作條例后，在教師的指導(dǎo)下，保質(zhì)保量獨(dú)立地完成了任務(wù)書(shū)中規(guī)定的內(nèi)容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內(nèi)容。2本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中引用他人的觀點(diǎn)和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對(duì)本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中注明。3

2、在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中對(duì)侵犯任何方面知識(shí)產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。4本人完全了解學(xué)校關(guān)于保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交論文和相關(guān)材料的印刷本和電子版本；同意學(xué)校保留畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的復(fù)印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），可以公布其中的全部或部分內(nèi)容。以上承諾的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)！作 者 簽 名：年 月日摘 要在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反

3、映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)、取件以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)三自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給注塑機(jī)取出成品。關(guān)鍵詞：機(jī)器人氣缸注塑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)AbstractIn order to enhance the efficiency of production and guarantee the quality of products,more attention has been paid to the automation in the process of production in the mo

4、dern manufacturing industry with large scale.Therefore,industrial robots are gradually appproved and adopted by enterprises as an important part in the automation production line.To some extent,the technical level and application of industrial robots have reflected on the automation level in nationa

5、l industries.At present,they mainly undertake such jobs mostly in playback way as welding,spraying,transporting taking and stowing,which are usually done repeatedlywith high work strength.In the thesis,an industrial robot with three DOFS will be designed to remove the finished molding machine.Key wo

6、rds: android;cylinder;injection machine;structural design目錄摘 要IAbstractII第1章 前言11.1 機(jī)器人概述11.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀11.3 機(jī)械手的組成和分類(lèi)31.3.1機(jī)械手的組成31.3.2機(jī)械手的分類(lèi)41.4 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)6第2章 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案82.1 機(jī)械手基本形式的選擇82.1.1 直角坐標(biāo)型機(jī)器人82.1.2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人82.1.3 極坐標(biāo)型機(jī)器人82.1.4 多關(guān)節(jié)機(jī)器人82.2 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇92.2.1 液壓驅(qū)動(dòng)102.2.2 氣壓驅(qū)動(dòng)102.2.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)102.2.4 氣動(dòng)機(jī)械手概述

7、112.2.4 氣動(dòng)機(jī)械手概述12第3章 引拔設(shè)計(jì)133.1 設(shè)計(jì)參數(shù)133.2 方案設(shè)計(jì)133.3 引拔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)133.3.1 引拔氣缸參數(shù)計(jì)算133.3.2 附加導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)14第4章 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)164.1 設(shè)計(jì)參數(shù)164.2 方案設(shè)計(jì)164.3 機(jī)械臂氣缸的選用164.3.1 預(yù)選氣缸的缸徑164.3.2 預(yù)選氣缸行程164.3.3 驗(yàn)算緩沖能力174.3.4 活塞桿長(zhǎng)度的驗(yàn)算174.3.5 計(jì)算氣缸的空氣消費(fèi)量174.3.6 選擇活塞桿端部接頭174.3.7 選擇氣缸的品種和安裝形式17第5章 橫行的設(shè)計(jì)185.1 設(shè)計(jì)參數(shù)185.2 方案設(shè)計(jì)185.3 橫進(jìn)氣缸的選用185.

8、4 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)19第6章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)206.1 夾持器設(shè)計(jì)的基本要求206.2 夾緊裝置設(shè)計(jì)206.2.1 夾緊力計(jì)算206.2.2 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算216.2.3 氣缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算216.2.4 選用夾持器氣缸216.2.5 手爪的夾持誤差及分析226.2.6 楔塊等尺寸的確定246.2.7 材料及連接件選擇27第7章 氣動(dòng)順序動(dòng)作的確定28結(jié) 論29參考文獻(xiàn)30致 謝31第1章 前言1.1 機(jī)器人概述在現(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。專(zhuān)用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)

9、床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)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。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)?！肮I(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱(chēng)作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱(chēng)為專(zhuān)用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱(chēng)為通用機(jī)器人。簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替

10、人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類(lèi)似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1-1所示。圖1-1 機(jī)器人的一般組成1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 機(jī)器人首先是從美國(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)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)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。日本是

11、工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。 目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)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)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、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)到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺(jué)機(jī)能。 第三代機(jī)器人（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過(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(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Fl

12、exible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議ISIR決定每年召開(kāi)一次會(huì)議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問(wèn)題。 目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(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

13、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(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車(chē)間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用控制器，一般

14、采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言作為離線(xiàn)編程工具，采用專(zhuān)用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專(zhuān)用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本辦法是研究和使用具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。我國(guó)雖然開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國(guó)已開(kāi)始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。1.3 機(jī)械手的組成和分類(lèi)1.3.1機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位

15、置檢測(cè)裝置等所組成。(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(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構(gòu)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、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的

16、:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。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)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。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)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)。2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))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)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的

17、作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有四個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱(chēng)為可移式立柱。5、行走機(jī)構(gòu)當(dāng)工業(yè)機(jī)械

18、手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無(wú)軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。6、機(jī)座機(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。(二)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)

19、械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(三)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信

20、號(hào)。(四)位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.1.3.2機(jī)械手的分類(lèi)工業(yè)機(jī)械手的種類(lèi)很多，關(guān)于分類(lèi)的問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類(lèi)。(一)按用途分機(jī)械手可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:1、專(zhuān)用機(jī)械手它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專(zhuān)用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線(xiàn)的上、下料機(jī)械手。2、

21、通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以“開(kāi)一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制；同時(shí)還可分為伺服型和一般型的機(jī)械手，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類(lèi)型。(二)按驅(qū)動(dòng)方式分1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百

22、公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工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(dòng)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(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高。2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。3、機(jī)械

23、傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專(zhuān)用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。4、電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線(xiàn)電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線(xiàn)電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類(lèi)機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分1、點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然

24、增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專(zhuān)用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類(lèi)。2、連續(xù)軌跡控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線(xiàn)，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類(lèi)工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。1.4 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模

25、塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； b)開(kāi)發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類(lèi)型的場(chǎng)合，如開(kāi)發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開(kāi)發(fā)各類(lèi)行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合；c)研制各類(lèi)傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周?chē)耐饨绛h(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國(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

26、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)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。新世紀(jì)，生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(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。然而在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來(lái)，不僅費(fèi)時(shí)而且效率不高。同時(shí)人的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的效率和自動(dòng)化程度。機(jī)械手的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用具有以下意義：可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)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

27、及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)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(dòng)化的步伐?？梢愿纳苿趧?dòng)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(chǎng)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(dòng)條件。同時(shí)，在一些動(dòng)作簡(jiǎn)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。3.可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(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(gè)側(cè)面，同時(shí)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

28、個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)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)。第2章 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案2.1 機(jī)械手基本形式的選擇常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種，如圖2-1所示：（1）直角坐標(biāo)型機(jī)械手；（2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；（3）極坐標(biāo)型機(jī)械手；(4)多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。2.1.1 直角坐標(biāo)型機(jī)器人直角坐標(biāo)型機(jī)器人，它在x,y,z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，3個(gè)關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線(xiàn)相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測(cè)和作業(yè)。這種形式的主要特點(diǎn)是：(1)在三個(gè)直線(xiàn)方向上移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易想象。

29、(2)計(jì)算比較方便。(3)由于可以?xún)啥酥?，?duì)于給定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，其剛性最大。(4)要求保留較大的移動(dòng)空間，占用空間較大。(5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。(6)滑動(dòng)部件表面的密封較困難，容易被污染。2.1.2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人，R、和x為坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)，其中R是手臂的徑向長(zhǎng)度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點(diǎn)是：(1)容易想象和計(jì)算。(2)能夠伸入形腔式機(jī)器內(nèi)部。(3)空間定位比較直觀。(4)直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。(5)手臂端部可以達(dá)到的空間受限制，不能到達(dá)靠近立柱或地面的空間。2.1.3 極坐標(biāo)型機(jī)器人極坐標(biāo)型機(jī)器人又稱(chēng)為球坐標(biāo)

30、機(jī)器人，R，和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角，是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動(dòng)角。這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡表面是半球面。其特點(diǎn)是：(1)在中心支架附近的工作范圍較大。(2)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置容易密封。(3)覆蓋工作空間較大。(4)坐標(biāo)系較復(fù)雜，較難想象和控制。(5)直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封問(wèn)題。(6)存在工作死區(qū)。2.1.4 多關(guān)節(jié)機(jī)器人多關(guān)節(jié)機(jī)器人，它是以其各相鄰運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)角位移作為坐標(biāo)系的。、和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)，其中是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，是過(guò)底座的水平線(xiàn)與第一臂之間的夾角，是第二臂相對(duì)于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機(jī)器人手臂可以達(dá)到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達(dá)到區(qū)域的形狀取決于兩個(gè)

31、臂的長(zhǎng)度比例。其特點(diǎn)是：(1)動(dòng)作較靈活，工作空間大。(2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)處容易密封防塵。(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。(4) 適合于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。(5)運(yùn)動(dòng)難以想象和控制，計(jì)算量較大。(6)不適于液壓驅(qū)動(dòng)。直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 極坐標(biāo)型多關(guān)節(jié)型 圖2-1 工業(yè)機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)形式本課題要求機(jī)械手為直角坐標(biāo)型.2.2 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、和電動(dòng)式。下面將三種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析比較。2.2.1 液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)液壓容易達(dá)到較高的壓力（常用液壓為2.56.3MPa），體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；(2)液壓系統(tǒng)介質(zhì)

32、的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度；(3)液壓傳動(dòng)中，力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；(4)液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤(rùn)滑性能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長(zhǎng)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的不足之處是：(1)油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃爆炸等危險(xiǎn)；(2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價(jià)較高；(3)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則引起故障。液壓驅(qū)動(dòng)方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)，常用于大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。2.2.2 氣壓驅(qū)動(dòng)與液壓驅(qū)動(dòng)相比，氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是：(1)壓縮空氣粘度小，容易達(dá)到高

33、速；(2)利用工廠(chǎng)集中的空氣壓縮站供氣，不必添加動(dòng)力設(shè)備；(3)空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)；(4)氣動(dòng)元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。它的不足之處是：(1)壓縮空氣常用壓力為0.40.6MPa，若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對(duì)增大；(2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難；(3)壓縮空氣的除水問(wèn)題是一個(gè)很重要的問(wèn)題，處理不當(dāng)會(huì)使鋼類(lèi)零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會(huì)造成噪聲污染。氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)多用于點(diǎn)位控制、抓取、開(kāi)關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人。2.2.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可分為普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)

34、動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人。伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)輸出力矩相對(duì)小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。交、直伺服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則主要用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場(chǎng)合。 氣動(dòng)機(jī)械手概述氣動(dòng)機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代

35、起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或

36、操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專(zhuān)用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱(chēng)通用機(jī)械手

37、。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。對(duì)氣動(dòng)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置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)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)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿(mǎn)足系統(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(zhuān)用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)

38、換和編程控制.由于氣壓驅(qū)動(dòng)氣源容易獲得，無(wú)污染，,故本設(shè)計(jì)確定選用氣壓驅(qū)動(dòng)。 氣動(dòng)機(jī)械手概述氣動(dòng)機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工

39、的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代

40、替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專(zhuān)用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱(chēng)通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。對(duì)氣動(dòng)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

41、任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)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)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿(mǎn)足系統(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(zhuān)用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.第3章 引拔設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)（1）伸縮長(zhǎng)度：160mm；（2）單方向伸縮時(shí)間：12S；（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；（4）前端安裝機(jī)械臂連接塊，伸縮終點(diǎn)無(wú)剛性沖擊；3.2 方案設(shè)計(jì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案伸縮原理采用單

42、出桿雙作用氣動(dòng)油缸，手臂縱向移動(dòng)時(shí)采用單向調(diào)速閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，接近終點(diǎn)時(shí)，發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行調(diào)速緩沖，靠氣缸行程極限定位，采用附加導(dǎo)向桿防止轉(zhuǎn)動(dòng)，采用電液換向閥，控制伸縮方向。1、引拔 2、小型導(dǎo)向氣缸 3、機(jī)械臂連接塊 4、附加導(dǎo)向桿圖3-1 引拔示意圖3.3 引拔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.1 引拔氣缸參數(shù)計(jì)算預(yù)選氣缸的缸徑及缸桶壁厚:根據(jù)氣缸的負(fù)載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負(fù)載力F。取=0.2 F=*300=60（N） （3-1）【6】根據(jù)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，預(yù)選氣缸的負(fù)載率。取=50%根據(jù)氣源供氣條件，確定氣缸的使用壓力p。p應(yīng)小于減壓閥進(jìn)口壓力的85%。已知F,和p，對(duì)雙作用氣缸，預(yù)選桿徑與缸徑之比d/D

43、=0.30.4，由式（3-2）至式（3-4），便可選定缸徑D，缸徑D的尺寸應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化. （3-2）【6】 （3-3）【6】 (3-4) 【6】解得D17.66 考慮到氣缸的行程比較長(zhǎng)缸徑D取。缸桶壁厚可根據(jù)薄壁筒的計(jì)算公式計(jì)算： (3-4) 【6】式中D為缸筒內(nèi)徑(cm)，p為缸筒承受的最大氣壓力(MPa)，為缸筒材料的需用應(yīng)力（MPa）。缸筒壁厚的實(shí)際取值，對(duì)于一般用途氣缸約取計(jì)算值的7倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺寸，這里b取10mm。預(yù)選氣缸行程：根據(jù)氣缸的操作距離及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程比預(yù)選氣缸行程為160mm。驗(yàn)算緩沖能力：根據(jù)氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是輸出拉力、負(fù)載率=50%、氣缸的行程L=160mm和氣缸

44、的動(dòng)作時(shí)間t=1.5s,由氣動(dòng)手冊(cè)P293圖9-7可查得氣缸的理論基準(zhǔn)速度=700.由表9-20，可查得氣缸的最大速度與理論基準(zhǔn)速度之比a值為0.9，從而求的氣缸的最大速度=630。查得氣缸的負(fù)載質(zhì)量M和最大速度的交點(diǎn)在預(yù)選氣缸缸徑的緩沖曲線(xiàn)之下，表示負(fù)載運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能小于氣缸允許吸收的最大能量，所以該預(yù)選缸徑的緩沖能力滿(mǎn)足要求?；钊麠U長(zhǎng)度的驗(yàn)算：查氣動(dòng)手冊(cè)CG1系列氣缸活塞桿受軸向壓力而不失去穩(wěn)定性的最大行程為290mm大于要求行程160mm，故滿(mǎn)足要求。計(jì)算氣缸的空氣消費(fèi)量：該氣缸的空氣消費(fèi)量為選擇氣缸的品種和安裝形式：長(zhǎng)沙華德液壓氣動(dòng)有限公司生產(chǎn)的QGCXDH（Q）系列小型導(dǎo)向桿式氣缸QGC

45、XDH20-200能滿(mǎn)足要求。選擇磁性開(kāi)關(guān)：根據(jù)表10-15可查的磁性開(kāi)關(guān)的品種及安裝方式為采用鋼帶固定的有觸點(diǎn)舌簧型D-C73L，采用直接出線(xiàn)式的接線(xiàn)方式，導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)為3m。選擇活塞桿端部聯(lián)結(jié)形式：采用螺釘連接。3.3.2 附加導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)附加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用：附加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是保證氣缸缸活塞桿伸出時(shí)機(jī)械臂連接塊的方向性，提供機(jī)構(gòu)剛度，保證伸縮量的準(zhǔn)確性。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的外形尺寸及材料：導(dǎo)向選擇鋼管導(dǎo)向，鋼管為引拔上的一部分，經(jīng)配合連接而成；機(jī)械臂連接塊則在其上滑動(dòng)且其的引拔端部靠近部分。材料選擇為45號(hào)鋼.，如圖3-2所示：1、導(dǎo)向鋼管 2、端部頂板 3、螺母圖3-2 附加導(dǎo)向桿引拔范圍控制與調(diào)整

46、：引拔伸縮范圍控制靠行程開(kāi)關(guān)，保證把工件精確地取出。行程開(kāi)關(guān)使用LXW4-11型微型開(kāi)關(guān)。圖3-3 LXW4-11型微型開(kāi)關(guān)第4章 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)（1）伸縮長(zhǎng)度：550mm；（2）單方向伸縮時(shí)間：2.53.5S；（3）前端安裝機(jī)械手，伸縮終點(diǎn)無(wú)剛性沖擊；4.2 方案設(shè)計(jì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案伸縮原理：采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時(shí)采用單向調(diào)速閥進(jìn)行調(diào)速，接近終點(diǎn)時(shí)，發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行調(diào)速緩沖，靠氣缸行程極限定位，采用電磁換向閥，控制伸縮方向。4.3 機(jī)械臂氣缸的選用4.3.1 預(yù)選氣缸的缸徑根據(jù)氣缸的負(fù)載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負(fù)載力F。 取=0.8 F=*100=80（N） （4-1）【6

47、】根據(jù)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，預(yù)選氣缸的負(fù)載率。 取=50%根據(jù)氣源供氣條件，確定氣缸的使用壓力p。p應(yīng)小于減壓閥進(jìn)口壓力的85%。已知F,和p，對(duì)雙作用氣缸，預(yù)選桿徑與缸徑之比d/D=0.30.4，由式（4-2）至式（4-4），便可選定缸徑D，缸徑D的尺寸應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化. (4-2) 【6】 （4-3）【6】 (4-4) 【6】解得D17.75 考慮到氣缸的行程比較長(zhǎng)缸徑D取。缸桶壁厚可根據(jù)薄壁筒的計(jì)算公式計(jì)算： (4-5) 【6】式中D為缸筒內(nèi)徑(cm)，p為缸筒承受的最大氣壓力(MPa)，為缸筒材料的需用應(yīng)力（MPa）。缸筒壁厚的實(shí)際取值，對(duì)于一般用途氣缸約取計(jì)算值的7倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺寸，這里b

48、取10mm。4.3.2 預(yù)選氣缸行程根據(jù)氣缸的操作距離及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程比預(yù)選氣缸行程為550mm。4.3.3 驗(yàn)算緩沖能力根據(jù)氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是輸出拉力、負(fù)載率=50%、氣缸的行程L=550mm和氣缸的動(dòng)作時(shí)間t=2s, 由氣動(dòng)手冊(cè)P293圖9-7，可查得氣缸的理論基準(zhǔn)速度=500.由表9-20，可查得氣缸的最大速度與理論基準(zhǔn)速度之比a值為0.95，從而求的氣缸的最大速度=475。查的氣缸的負(fù)載質(zhì)量M和最大速度的交點(diǎn)在預(yù)選氣缸缸徑的緩沖曲線(xiàn)之下，表示負(fù)載運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能小于氣缸允許吸收的最大能量，所以該預(yù)選缸徑的緩沖能力滿(mǎn)足要求。4.3.4 活塞桿長(zhǎng)度的驗(yàn)算查氣動(dòng)手冊(cè)關(guān)于CG1-氣缸活塞桿受軸向壓力而

49、不是去穩(wěn)定性的最大行程為600mm大于要求行程550mm，故滿(mǎn)足要求。4.3.5 計(jì)算氣缸的空氣消費(fèi)量該氣缸的空氣消費(fèi)量為4.3.6 選擇活塞桿端部接頭選擇活塞桿的端部接頭，因需要避免工件與活塞桿的軸向偏心而得出采用法蘭型。4.3.7 選擇氣缸的品種和安裝形式CM系列小型可緩沖氣缸CM40-600F1-SK2 .安裝形式為前端法蘭式圖4-1 CM40-600F1-SK2氣缸第5章 橫行的設(shè)計(jì)5.1 設(shè)計(jì)參數(shù)（1）橫行長(zhǎng)度：1000mm；（2）單方向伸縮時(shí)間：3.54.5S；（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；（4）缸體與引拔連接推動(dòng)引拔左右移動(dòng)，伸縮終點(diǎn)無(wú)剛性沖擊；5.2 方案設(shè)

50、計(jì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案伸縮原理：因?yàn)闄M行長(zhǎng)度達(dá)到了1000mm，故考慮采用采用無(wú)桿氣缸驅(qū)動(dòng)。無(wú)桿氣缸沒(méi)有普通氣缸的剛性活塞桿，它利用活塞直接實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這種氣缸最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省安裝空間，特別適用于小缸徑長(zhǎng)行程的場(chǎng)合。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：基體部分做成肋板形式與基座相連，減少橫行部分的總體質(zhì)量，橫行面上采用導(dǎo)軌形式，進(jìn)行橫向定位并承受機(jī)械手重量，采用三位五通電磁換向閥，控制橫進(jìn)方向。如圖5-11、無(wú)桿氣缸 2、導(dǎo)軌 3、基座圖5-1 橫行基座5.3 橫進(jìn)氣缸的選用本次橫進(jìn)氣缸預(yù)選AMR系列的磁耦式無(wú)桿氣缸根據(jù)導(dǎo)向精度、最大允許負(fù)載和最大允許力矩選用無(wú)桿氣缸的系列和缸徑。最大允許負(fù)載和最大允許力矩與導(dǎo)向型式、受力姿勢(shì)

51、、活塞運(yùn)動(dòng)和缸徑有關(guān)。由于考慮氣缸不能承受大的集中載荷，故在氣缸兩側(cè)設(shè)立2個(gè)導(dǎo)軌代替氣缸承受機(jī)械臂的質(zhì)量，故氣缸的承受載荷不予慮。因?yàn)闄M進(jìn)系統(tǒng)的額定最大行程為1000mm，根據(jù)AMR系列的行程如表1由于氣缸的推力F等于導(dǎo)軌與重物的摩擦力，已知重物的質(zhì)量約為1600N，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)0.002-0.003,所以預(yù)選氣缸缸徑為5-2查的本氣缸的理論輸出力為220N，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。表1 ANR系列行程圖AMRBAMRG101050500mm50500mm161650500mm50700mm20201001500mm1001500mm25251001500mm1001500mm32321002000m

52、m1001500mm40401002000mm1001500mm圖5-2 理論輸出力圖確定該行程的氣缸為AMR25-1000。5.4 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)鋼:一般用尋軌：45鋼、40Cr、T8A、T10A、GCr15、GCr15SiMn等表面淬火或全淬；要求高的導(dǎo)軌，常采用20Ce、20CrMnTi、15鋼等，滲碳淬硬到5662HRC，磨削加工后淬硬深度不低于1.5mm;兩條導(dǎo)軌一條采用矩形截面一條采用三角形截面，在橫向定位的同時(shí)也降低安裝精度。第6章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1 夾持器設(shè)計(jì)的基本要求（1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力；（2）手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍；（3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；（4）要求

53、結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；（5）應(yīng)考慮通用性和特殊要求。設(shè)計(jì)參數(shù)及要求（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動(dòng)作為抓緊放松；（2）所要抓緊的工件直徑為80mm 放松時(shí)的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s；（3）工件的材質(zhì)為2kg；（4）夾持器有足夠的夾持力；（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由氣缸提供動(dòng)力。6.2 夾緊裝置設(shè)計(jì)6.2.1 夾緊力計(jì)算手指夾在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對(duì)其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，夾緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對(duì)工件的夾緊力可按下列公式計(jì)算： （

54、6-1）【4】式中：安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,通常取，取1.5；工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計(jì)算最大加速度，得出工作情況系數(shù),，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度或減速度的絕對(duì)值（m/s）；方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，手指與工件位置：手指垂直放置 工件水平放置；手指與工件形狀：型指端夾持圓柱型工件，為摩擦系數(shù)，為型手指半角，此處粗略計(jì)算,G被抓取工件的重量求得夾緊力，取整為120N。6.2.2 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和夾緊力之間的關(guān)系式：（6-2）【4】式中：c滾子至銷(xiāo)軸之間的距離；b爪至銷(xiāo)軸之間的距離；楔塊的傾斜角可得，得出F為理論計(jì)算值，實(shí)

55、際采取的氣缸驅(qū)動(dòng)力要大于理論計(jì)算值，考慮手爪的機(jī)械效率，一般取0.80.9，此處取0.88，則： ，取6.2.3 氣缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算設(shè)計(jì)方案中壓縮彈簧使爪牙張開(kāi)，故為常開(kāi)式夾緊裝置，氣缸為單作用缸，提供推力：（6-3）【4】式中 活塞直徑活塞桿直徑驅(qū)動(dòng)壓力，,工作壓力P=MPa 據(jù)公式計(jì)算可得氣缸內(nèi)徑：根據(jù)氣動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，圓整后取D=16mm?；钊谐蹋?dāng)抓取80mm工件時(shí)，即手爪從張開(kāi)120mm減小到80mm，楔快向前移動(dòng)大約40mm。取氣缸行程S=40mm。6.2.4 選用夾持器氣缸長(zhǎng)沙華德液壓氣動(dòng)有限公司所生產(chǎn)的QCG薄型氣缸QGD16-40剛好滿(mǎn)足條件，所以選取這個(gè)氣缸。表2 QCG薄型氣缸安裝尺寸圖缸徑行程165mm1610mm1615mm1620mm1630mm1640mm6.2.5 手爪的夾持誤差及分析機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾