電動機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、 1 緒論 1.1工業(yè)機械手的概述 工業(yè)機器手是一種可以搬運物料、零件、工具或完成多種操作功能的專用機械裝置；由計算機控制，是無人參與的自主自動化控制系統(tǒng)；他是可編程、具有柔性的自動化系統(tǒng)，可以允許進行人機聯(lián)系?？梢酝ㄋ椎睦斫鉃椤皺C器人是技術(shù)系統(tǒng)的一種類別，它能以其動作復(fù)現(xiàn)人的動作和職能；它與傳統(tǒng)的自動機的區(qū)別在于有更大的萬能性和多目的用途，可以反復(fù)調(diào)整以執(zhí)行不同的功能?！? 工業(yè)機械手是人類創(chuàng)造的一種機器,更是人類創(chuàng)造的一項偉大奇跡,其研究、開發(fā)和設(shè)計是從二十世紀(jì)中葉開始的.我國的工業(yè)機械手是從80年代"七五"科技攻關(guān)開始起步,在國家的支持下,通過"七五","八五"科技攻關(guān),目前已

2、經(jīng)基本掌握了機械手操作機的設(shè)計制造技術(shù),控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù),運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù),生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機器人，其中有130多臺噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，孤焊機器人已經(jīng)應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國的工業(yè)機械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定距離。如：可靠性低于國外產(chǎn)品，機械手應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距。影響我國機械手發(fā)展的關(guān)鍵平臺因素就是其軟件，硬件和機械結(jié)構(gòu)。目前工業(yè)機械手仍大量應(yīng)用在制造業(yè)，其中汽車工業(yè)占第一位（占28.9%），電器制造業(yè)第二位

3、（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。發(fā)達國家汽車行業(yè)機械手應(yīng)用占總保有量百分比為23.4%～53%，年產(chǎn)每萬輛汽車所擁有的機械手?jǐn)?shù)為（包括整車和零部件）：日本88.0臺，德國64.0臺，法國32.2臺，英國26.9臺，美國33.8臺，意大利48.0臺。 世界工業(yè)機械手的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀(jì)的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險的勞動環(huán)境都需要用機器人代替人工。隨著機器人應(yīng)用的深化和滲透，工業(yè)機械手在汽車行業(yè)中還在不斷開辟著新用途。機械手的發(fā)展也已經(jīng)由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉(zhuǎn)變，并且隨著電子技術(shù)的發(fā)展和科技的不斷進步，這項技術(shù)將日益

4、完善。 　　上料機械手與卸料機械手相比，其中上料機械手中的移動式搬運上料機械手適用于各種棒料，工件的自動搬運及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型鋁棒料的搬運及高溫材料的自動上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑達180mm，最大抓握重量可達30公斤，最大行走距離為1200mm。根據(jù)作業(yè)要求及載荷情況，機械手各關(guān)節(jié)運動速度可調(diào)。移動式搬運上料機械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)，小車行走機構(gòu)，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及用于安全防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設(shè)置在行走小車上，結(jié)構(gòu)緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的實現(xiàn)可以通過編程實現(xiàn)。

5、 國內(nèi)外實際使用的多是定位控制的機械手，沒有“視覺”和“觸覺”反饋。目前，世界各國正積極研制帶有“視覺”和“觸覺”的工業(yè)機械手，使它能夠?qū)λト〉墓ぜM行分辨，能選取所需要的工件，并正確的夾持工件，進而精確地在機器上定位、定向。 為使機械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零部件，它由視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息，通過計算機進行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工件。 為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來，一般采用兩種方法：一是檢測把握物體手臂的變形，以決定適當(dāng)?shù)奈樟?；另一種是直接檢測指部與物件的滑動位移，來修正握力。 　　因此，這種機械手就具有以下幾個方

6、面的性能： 　　(1）能準(zhǔn)確地抓住方位變化的物體； (2）能判斷對象的重量； (3)能自動避開障礙物； (4)抓空或抓力不足時能檢測出來。 這種具有感知能力并對感知的信息做出反映的工業(yè)機械手稱之為“智能機械手”，它是有發(fā)展前途的。 現(xiàn)在，工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單重復(fù)的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替從事繁重的工作，危險的工作，單調(diào)重復(fù)的工作，惡劣環(huán)境下的工作方面尤其明顯。至于像汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè)部分，機械手的應(yīng)用情況決不能說是好的。雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題尖銳，但采用機械手只限于一小部分工序，其原因是，工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求，適于機械手

7、工作的范圍很狹小，這是主要原因。經(jīng)濟性問題當(dāng)然也很重要，采用機械手來節(jié)約人力從經(jīng)濟上看，不一定總是合算的。然而，利用機械手或類似機械設(shè)備節(jié)省人力和實現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求，今后還會持續(xù)增長，只要技術(shù)方面和價格方面存在的問題得到解決，機械手的應(yīng)用必將會飛躍發(fā)展。 　　上料機械手和卸料機械手相對，其中上料機械手中的移動式搬運上料機械手適用于各種棒料，工件的自動搬運及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型機鋁棒料的搬運及高溫棒料的自動上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑可達180mm，最大抓握重量可達30公斤，最大行走距離為1200mm。根據(jù)作用要求和載荷情況，機械手各關(guān)節(jié)運動速度可調(diào)。移動式搬運上料機械手主要由手爪，

8、小臂，大臂，手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)，小車行走機構(gòu)，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及用于安全防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設(shè)置在行走小車上，結(jié)構(gòu)緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的實現(xiàn)可以通過編程實現(xiàn)。 隨著機電一體化技術(shù)和計算機技術(shù)的應(yīng)用，其研究和開發(fā)水平獲得了迅猛的發(fā)展并涉及到人類社會生產(chǎn)及生活的各個領(lǐng)域，特別是工業(yè)機械手在生產(chǎn)加工中的廣泛應(yīng)用。轎車半軸加工上料機械手設(shè)計在綜合多種機械手的設(shè)計原理和設(shè)計思想，根據(jù)轎車半軸加工的特點提出的，有一定的理論基礎(chǔ)，設(shè)計水平和應(yīng)用價值。 1.2機械手的構(gòu)成與分類 1.2.1機械手的構(gòu)成 機械人

9、主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及人工智能等所組成。 (一)執(zhí)行機構(gòu) 包括末端執(zhí)行器、手腕、手臂、底座等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)，一般視需要而定。 1、末端執(zhí)行器 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部。 夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。 手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被

10、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: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。 而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多，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。 吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。 對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。

11、電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式. 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置. 工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)

12、相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 手臂可能實現(xiàn)的運動如下: 手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝 置，以保證手指按正確方向運動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件 受力狀態(tài)簡單。 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。 4、機座 機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機 座上，故起支撐和連接的作用。 5、行走裝置 當(dāng)工業(yè)機械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安 裝滾輪、軌道等行走機

13、構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾滾輪輪式式布行走機構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。通常一臺機械人只用一種驅(qū)動裝置。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。 控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運

14、動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)人工智能 觸覺、視覺、聽覺、嗅覺、力覺、壓覺、接近覺、滑覺、語言識別、邏輯判斷和學(xué)習(xí)等裝置，根據(jù)機器人的智能程度決定。 1.2.2機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 （一）按機器人的機構(gòu)特征來分 機器人的機械配置形式多種多樣，典型機器人的機構(gòu)運動特征是用其坐標(biāo)特性來描述的。按機構(gòu)運動特征，機器人通常可分為直角坐標(biāo)機器人、柱面坐標(biāo)機器人、球面坐標(biāo)機器

15、人和關(guān)節(jié)型機器人等類型。 1直角坐標(biāo)機器人。 直角坐標(biāo)機器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動軸（見圖7－1），通過直角坐標(biāo)方向的3個獨立自由度確定其手部的空間位置，其動作空間為一長方體。直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動作范圍相對較小，設(shè)備的空間因數(shù)較低，實現(xiàn)相同的動作空間要求時，機體本身的體積較大。主要用于印刷電路基板的元件插入、緊固螺絲等作業(yè)。 2柱面坐標(biāo)機器人。 柱面坐標(biāo)機器人的空間位置機構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)基座、垂直移動和水平移動軸構(gòu)成（見圖7－2），具有一個回轉(zhuǎn)和兩個平移自由度，其動作空間呈圓柱形。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、剛性好，但缺點是在機器人的動作范圍

16、內(nèi)，必須有沿軸線前后方向的移動空間，空間利用率較低。主要用于重物的裝卸、搬運等作業(yè)。著名的Versatran機器人就是一種典型的柱面坐標(biāo)機器人。 3球面坐標(biāo)機器人。 其空間位置分別由旋轉(zhuǎn)、擺動和平移3個自由度確定，動作空間形成球面的一部分。其機械手能夠作前后伸縮移動、在垂直平面上擺動以及繞底座在水平面上轉(zhuǎn)動。著名的Unimate就是這種類型的機器人。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小于直角坐標(biāo)和柱面坐標(biāo)機器人，但仍大于多關(guān)節(jié)型機器人。 4、多關(guān)節(jié)型機器人。由多個旋轉(zhuǎn)和擺動機構(gòu)組合而成。這類機器人結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間大、動作最接近人的動作，對噴漆、裝配、焊接等多種作業(yè)都有良好的適應(yīng)性

17、，應(yīng)用范圍越來越廣。不少著名的機器人都采用了這種型式，其擺動方向主要有鉛垂方向和水平方向兩種，因此這類機器人又可分為垂直多關(guān)節(jié)機器人和水平多關(guān)節(jié)機器人。如美國Unimation公司20世紀(jì)70年代末推出的機器人PUMA（見圖7－4）就是一種垂直多關(guān)節(jié)機器人，而日本山梨大學(xué)研制的機器人SCARA（見圖7－5）則是一種典型的水平多關(guān)節(jié)機器人。 垂直多關(guān)節(jié)機器人模擬了人類的手臂功能，由垂直于地面的腰部旋轉(zhuǎn)軸（相當(dāng)于大臂旋轉(zhuǎn)的肩部旋轉(zhuǎn)軸）帶動小臂旋轉(zhuǎn)的肘部旋轉(zhuǎn)軸以及小臂前端的手腕等構(gòu)成。手腕通常由2～3個自由度構(gòu)成。其動作空間近似一個球體，所以也稱多關(guān)節(jié)球面機器人。其優(yōu)點是可以自由地實現(xiàn)三維空間

18、的各種姿勢，可以生成各種復(fù)雜形狀的軌跡。相對機器人的安裝面積．其動作范圍很寬。缺點是結(jié)構(gòu)剛度較低，動作的絕對位置精度磨較低。它廣泛應(yīng)用于代替人完成裝配作業(yè)、貨物搬運、電弧焊接、噴涂、點焊接等作業(yè)場合．水平多關(guān)節(jié)機器人在結(jié)構(gòu)上具有串聯(lián)配置的二個能夠在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的手臂，其自由度可以根據(jù)用途選擇2～4個，動作空間為一圓柱體。水平多關(guān)節(jié)機器人的優(yōu)點是在垂直方向上的剛性好，能方便地實現(xiàn)二維平面上的動作，在裝配作業(yè)中得到普遍應(yīng)用。 (二)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1、專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一

19、、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)，如自動機床、自動線的上、下料機械手和“加口工中心”附屬的自動換刀機械手。 2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。 通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以 “開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制: 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用

20、機械手屬于數(shù)控類型。 (三)按驅(qū)動方式分 1、 液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、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。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，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。 2、 氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是: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

21、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)境中進行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準(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的上、下料。 4、電力傳動機械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此

22、類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (四)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 1.3 機器人的應(yīng)用與發(fā)展 1.3.1 工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 　　工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛，還可以歸納為以下

23、的一些方面： 建造旋轉(zhuǎn)零件體自動線方面 　　建造旋轉(zhuǎn)零件體（軸類、盤類、環(huán)類零件）自動線，一般都采用機械手在機床之間傳送工件。 在實現(xiàn)單機自動化方面 　　(1)各類半自動車床，有自行夾緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料，裝上機械手，可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。 　　(2)注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動取料，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。 　　(3)沖床有自動上下沖壓循環(huán)，機械手上下料可實現(xiàn)沖壓上產(chǎn)自動化。 鑄、鍛、焊、熱處理等方面 總的來說，由于工業(yè)機械手的特點滿足了社會生產(chǎn)的需要，進而帶來了經(jīng)濟效益。其特點： 　　(1)對環(huán)境的適應(yīng)性強，能代替人從

24、事危險，有害的操作，在長時間對人體有害的場所，機械手不受影響。 　　(2)機械手能持久、耐勞、可以把人從單調(diào)的繁重的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。 　　(3)動作準(zhǔn)確，可保證穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時可避免人為操作的錯誤。 　　(4)通用性靈活性好，特別是通用機械手，能適應(yīng)產(chǎn)品品種迅速變化的要求，滿足柔性生產(chǎn)的需要。 (5)采用機械手能明顯的提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。 1.3.2機器人的發(fā)展與前景 國際上第一臺工業(yè)機器人產(chǎn)品誕生于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時其作業(yè)能力僅限于上、下料這類簡單的工作。此后機器人進人了一個緩慢的發(fā)展期，直到進人20世紀(jì)80年代，機器人產(chǎn)業(yè)才得到了

25、巨大的發(fā)展，成為機器人發(fā)展的一個里程碑，這一時代被稱為“機器人元年”。為了滿足汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展的需要，這個時期開發(fā)出的點焊機器人、弧焊機器人、噴涂機器人以及搬運機器人等四大類型的工業(yè)機器人系列產(chǎn)品已經(jīng)成熟，并形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，有利地推動了制造業(yè)的發(fā)展。為進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭能力，裝配機器人及柔性裝配線又相繼開發(fā)成功。 20世紀(jì)90年代以來，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等快速發(fā)展，工業(yè)機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。現(xiàn)在工業(yè)機器人已發(fā)展成為一個龐大的家族，并與數(shù)控（NC）、可編程、控制器（PLC）一起成為工業(yè)自動化的三大技術(shù)支柱和基本手段，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個領(lǐng)域之中。工業(yè)機器人技

26、術(shù)從機械本體、控制系統(tǒng)、傳感系通行統(tǒng)，到可靠性、網(wǎng)絡(luò)通信功能的拓展等方面都取得了突破性的進展。機械本體方面，通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。控制系統(tǒng)方面，性能進一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。傳感系統(tǒng)方面，激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器

27、人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)通信功能的拓展，日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。另外，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種

28、用于非制造業(yè)的機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的的復(fù)雜性和作業(yè)對象特殊性使得農(nóng)業(yè)機器人研究難度更大，農(nóng)業(yè)機器人的應(yīng)用尚未達到商品化階段，但農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)的研究已經(jīng)在土地耕作、蔬菜嫁接、作物移栽、農(nóng)藥噴灑、作物收獲、果蔬采摘等生產(chǎn)環(huán)節(jié)取得了一些突破性進展。例如，日本的耕作拖拉機自動行走系統(tǒng)、聯(lián)合收割機自動駕駛技術(shù)、無人駕駛農(nóng)藥噴灑機，英國的葡萄枝修剪機器人、蘑菇采摘機器人和ＶＭＳ擠牛奶機器人，我國的農(nóng)業(yè)機器人自動引導(dǎo)行走系統(tǒng)、蔬菜嫁接機器人，法國的水果采摘機器人，以及荷蘭開發(fā)的擠奶機器人等。 機器人技術(shù)用于海洋開發(fā)，特別是深海資源的開發(fā)，一直是的許多國家積極關(guān)注的目標(biāo)。法國、美國、俄羅

29、斯、日本、加拿大等國從20世紀(jì)70年代開始先后研制了幾百臺不同結(jié)構(gòu)形式和性能指標(biāo)的水下機器人。法國的EPAVLARD、美國的AUSS、俄羅斯的MT-88等水下機器人已用于海洋石油開采、海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護、以及大壩檢查等方面。我國在90年代中期研制的“CR-01”水下機器人在太平洋深海試驗成功，海深達 6000m 以上，使我國在深海探測和探索方面躍居世界先進水平。 　　近年來隨著各種智能能機器人的研究與發(fā)展，能在宇宙空間作業(yè)的所謂空間機器人就成為新的研究領(lǐng)域，并已成為空間開發(fā)的重要組成部分。美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人，如美國NASA的空間機器人So

30、janor等。Sojanor是一輛自主移動車，重量為11.5kg，尺寸630~48mm，有6個車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān)注。 　　服務(wù)機器人是近年來發(fā)展很快的一個領(lǐng)域，已成功地應(yīng)用于醫(yī)療、家用、娛樂等人類生活的方方面面。作為服務(wù)機器人的一個重要分支，醫(yī)用機器人的主要運用在護理、康復(fù)、輔助診斷和外科手術(shù)等場合。1998年5月德、法兩國醫(yī)生成功利用機器人完成了一例心臟瓣膜修復(fù)手術(shù)，包括對病人心臟瓣膜的修整和再造。這次手術(shù)中使用的是美國直覺外科研究所研制的醫(yī)用遙控機器人系統(tǒng)。1998年6月，機器人又完成了首例閉胸冠狀動脈搭橋手術(shù)。機器人技術(shù)與外科技術(shù)的結(jié)合，為病人帶來福音。

31、可以預(yù)見，在21世紀(jì)各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。 2 總體設(shè)計方案 2.1結(jié)構(gòu)類型的要求和確定 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，包括對機器整機的設(shè)計要求和對組成零件的設(shè)計要求兩個方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。 (1).對機器整機設(shè)計的基本要求 對機器使用功能方面的要求：實現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機械設(shè)計的最基本的要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計的主要目標(biāo)。另外操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等往往也是機械設(shè)計時所要求的。 對機器經(jīng)濟性的要求：機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中，在設(shè)

32、計機器時要全面綜合的進行考慮。設(shè)計的經(jīng)濟性體現(xiàn)為合理的功能定位、實現(xiàn)使用要求的最簡單的技術(shù)途徑和最簡單合理的結(jié)構(gòu)。 (2).對零件設(shè)計的基本要求 機械零件是組成機器的基本單元，對機器的設(shè)計要求最終都是通過零件的設(shè)計來實現(xiàn)，所以設(shè)計零件時應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計機器的要求中引申出來的，即也應(yīng)從保證滿足機器的使用功能要求和經(jīng)濟性要求兩方面考慮。 要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正?？煽康墓ぷ鳎瑥亩ＷC機器的各種功能的正設(shè)計簡單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級以及認(rèn)真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性等。另外要盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的零部件。 任何一種機器都有動力機、傳動

33、裝置和工作機組成。動力機是機器工作的能量來源，可以直接利用自然資源（也稱為一次能源）或二次能源轉(zhuǎn)換為機械能，如內(nèi)燃機、氣輪機、電動機、電動馬達、水輪機等。工作機是機器的執(zhí)行機構(gòu)，用來實現(xiàn)機器的動力和運動能力，如機器人的末端執(zhí)行器就是工作機。傳動裝置則是一種實現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置。 為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間的位置提供的6個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計成以下3種方案： 1圓柱坐標(biāo)型 這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。 2直角坐

34、標(biāo)型 直角坐標(biāo)型工業(yè)四自由度的工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。 3.球坐標(biāo)型 又稱極坐標(biāo)型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 2.2規(guī)格參數(shù) 手部負(fù)重：10kg（抓取物體的形狀為圓柱體，圓柱體半徑、高度自定，密度）

35、 自由度數(shù)：3個，沿Z軸的上下移動，繞Z軸的轉(zhuǎn)動，沿X軸的伸縮 坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo) 手臂運動參數(shù)： 伸縮行程（X）：450mm 伸縮速度（）： 升降行程（Z）：150mm 升降速度（）： 回轉(zhuǎn)范圍（）： 定位方式：閉環(huán)伺服定位 重復(fù)定位精度： 驅(qū)動方式：電動 控制方式：MGS-51單片微機 2.2總體設(shè)計方案 　使用現(xiàn)在機械設(shè)計方法和電動傳動技術(shù)進行設(shè)計，采用圓柱式坐標(biāo)。各手臂結(jié)構(gòu)選用封閉式空心截面形狀傳動方式，選用同步帶，螺旋傳動和齒輪傳動三種傳動方式，驅(qū)動裝置采用步進電動機，控制系統(tǒng)選用單片機的點位控制方式 2.4工作原理 機的輸出經(jīng)過減速器變速后，通

36、過齒輪傳動使腰部繞垂直軸線旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度為270，大臂固定在腰部從動輪上，并隨著腰部一起轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)手臂的整體旋轉(zhuǎn)。 大臂的升降機構(gòu)由腰部來實現(xiàn)，此結(jié)構(gòu)為步進電動機帶動蝸桿使蝸輪傳動，依靠蝸輪內(nèi)孔的螺紋帶動絲杠升降運動，為防止絲杠轉(zhuǎn)動，采用了由絲杠上端的花鍵與固定箱體的花鍵套組成的導(dǎo)向裝置 小臂通過一旋轉(zhuǎn)軸固定在大臂末端，其驅(qū)動電機固定在大臂的另一端，通過同步帶傳動帶動小臂旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度為300。 小臂內(nèi)部安裝有一個步進電動機，通過扇形齒輪齒條轉(zhuǎn)化為實現(xiàn)手抓的開合 3 機械手部分計算及其分析 3.1手部計算與分析 3.1．1手部設(shè)計的基本要求 (1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊

37、力和驅(qū)動力。 　　(2)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍。 　　(3)應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度。 　　(4)要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。 　　(5)應(yīng)考慮通用性和特殊要求。 3..1.2夾緊力計算 手指加在工件上的夾緊力是設(shè)計手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，加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加緊狀態(tài)。 其工件質(zhì)量G=10kg，V形手指的角度2=，，摩擦系數(shù) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為： 根據(jù)手指加持工件的方位，可得握力計算公式： 所以 實際驅(qū)動力：

38、因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取0.94，并取為1.5 若被抓去工件的最大加速度為時 則： 所以， 所以夾持工件時所需夾緊的驅(qū)動力為1563N。 .3.1.3手爪的夾持誤差及分析 機械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，見圖3-2，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過。手部的最終誤差取決于手部裝置加工精度和控制

39、系統(tǒng)補償能力。 圖3-2 夾持不同工件時的夾持誤差 圖3-2中， 為工件直徑， 工件直徑為60mm，尺寸偏差，則， ， 本設(shè)計為扇形齒條回轉(zhuǎn)型夾持器，屬于兩點回轉(zhuǎn)型手指夾持，如圖3-3所示。 圖3-3扇形齒條回轉(zhuǎn)式鉗爪 若把工件軸心位置C到手爪兩支點連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關(guān)系有： 簡化為： 在設(shè)計中，希望給定的和來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結(jié)構(gòu)增大，另一方面可選取合適的偏轉(zhuǎn)角，使夾持誤差最小，這時的偏轉(zhuǎn)角稱為最佳偏轉(zhuǎn)角。只有當(dāng)工件的平均半徑取為時，夾持誤差最小。此時

40、最佳偏轉(zhuǎn)角的選擇對于兩支點回轉(zhuǎn)型手爪（尤其當(dāng)值較大時），偏轉(zhuǎn)角的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪的和邊平行，抓不著工件。為避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑，以為條件確定兩支點回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角，即下式： 其中， 。V型鉗的夾角 代入得出： 則 則，此時定位誤差為和中的最大值。 分別代入得： 所以，，夾持誤差滿足設(shè)計要求。 3.2 機械手腕部計算及其分析 手腕部件設(shè)置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更

41、靈巧，適應(yīng)性更強。手腕部件具有獨立的自由度，此設(shè)計中要求有繞中軸的回轉(zhuǎn)運動。 機器人手腕自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。機器人手腕自由度數(shù)愈多，各關(guān)節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機器人的控制更困難，成本也會增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此手腕的自由度，應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機器人手腕的自由度為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑手臂和腰部的于東就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體

42、問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設(shè)計機器人手腕時，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強度的鋁合金制造。 機器人手腕要求與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。機器人的手腕機構(gòu)要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。要設(shè)有可靠的間隙調(diào)整機構(gòu)，以減少空回間隙，提高傳動精度。手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)計硬限位，以防止超限造成機械損壞。 因此，應(yīng)基本滿足一下要求

43、： （1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 （2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 （3）必須考慮工作條件 對于本設(shè)計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。 3.3手臂結(jié)

44、構(gòu)設(shè)計 設(shè)計機械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝機械手，完成直線伸縮動作，機械手臂性能要求： 功能性的要求 機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)。 適應(yīng)性的要求 為便于調(diào)整，適應(yīng)工件大小不同的要求，起止位置要方便調(diào)整，要求設(shè)置可調(diào)式定位機構(gòu)。為了控制慣性力，減少運動沖擊，動力的大小要能與負(fù)載大小相適應(yīng)，如步進電機通過程序設(shè)計改變運動速度，力矩電機通過調(diào)整工作電壓，改變堵力矩的大小，達到工作平穩(wěn)、動作快捷、定位準(zhǔn)確的要求。 可靠性的要求 可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下，在預(yù)定使

45、用壽命期內(nèi)能完成規(guī)定功能的概率。 工業(yè)機械手可自動完成預(yù)定工作，廣泛應(yīng)用在自動化生產(chǎn)線上，因此要求機械手工作必須可靠。設(shè)計時要進行可靠性分析。 壽命的要求 產(chǎn)品壽命是產(chǎn)品正常使用時因磨損而使性能下降在允許范圍內(nèi)而且無需大修的連續(xù)工作期限。設(shè)計中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施，如：選擇耐磨材料、采取潤滑措施、合理設(shè)計零件的形面等。因各零部件難以設(shè)計成相等壽命，所以易磨損的零件要便于更換。 經(jīng)濟的要求 機械產(chǎn)品設(shè)備的經(jīng)濟性包括設(shè)計制造的經(jīng)濟性和使用的經(jīng)濟性。機械產(chǎn)品的制造成本構(gòu)成中材料費、加工費占有很大的比重，設(shè)計時必須給予充分注意。將機械設(shè)計課程中學(xué)到的基本設(shè)計思想貫穿到設(shè)計中。 人

46、機工程學(xué)的要求 人機工程學(xué)也稱為技術(shù)美學(xué)，包括操作方便宜人，調(diào)節(jié)省力有效，照明適度，顯示清晰，造型美觀，色彩和諧，維護保養(yǎng)容易等。本設(shè)計中要充分考慮外形設(shè)計，各調(diào)整環(huán)節(jié)的設(shè)計要方便人體接近，方便工具的使用。 安全保護和自動報警的要求 按規(guī)范要求，采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設(shè)計都必須考慮的，是必不可少的。在程序設(shè)計中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機構(gòu)卡死、工件不到位、突然斷電等情況，要設(shè)置報警裝置。 機械手臂的結(jié)構(gòu)要求： 應(yīng)盡可能使機器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 機器人

47、手臂的機構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 為了提高機器人的運動速度與控制精度，應(yīng)保證機器人手臂有足夠的強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質(zhì)材料，通常選用高強度的鋁合金制造機器人的手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強度高，抗震性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于剛的1/4，相當(dāng)于鋁合金

48、的2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及其制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故未能在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在保證所需要強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。 機器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減少機械間隙所造成的運動誤差。因此各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。 機器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸盡可能在重量上平衡，這對減小電機負(fù)載和提高機器人手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機器人的手臂時，應(yīng)盡可能利用機器人在安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡，必要時還要涉及平衡機構(gòu)來平衡手臂參與的不平

49、衡重量 機器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。 3.3.1設(shè)計參數(shù) 伸縮長度：450mm 單方向伸縮時間：1.5～2.5S； 定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于； 前端安裝機械手，伸縮終點無剛性沖擊； 3.3.2手臂伸縮的尺寸設(shè)計與校核 手臂伸縮采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，綜合本設(shè)計的實際要求，尺寸系列初選內(nèi)徑為。 尺寸校核 在校核尺寸時，只需校核內(nèi)徑=63mm，半徑R=31.5mm的尺寸滿足使用要求即可，設(shè)計使用壓強P=0.4MPa。 則驅(qū)動力：

50、 測定手腕質(zhì)量為50kg，設(shè)計加速度 則慣性力為： 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)k=0.2， 所以，總受力 由于，所以標(biāo)準(zhǔn)CTA的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。 導(dǎo)向裝置 電動機驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩的作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，應(yīng)采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。

51、 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計采用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 平衡裝置 在本設(shè)計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力平衡力矩平衡狀態(tài)，減少手爪一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂的伸縮一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。 3.3.3手臂升降的尺寸設(shè)計及校核 尺寸設(shè)計 運行長度設(shè)計為，內(nèi)徑為，半徑，運行速度，加速時間，壓強，則驅(qū)動力為： 尺寸校核 測定手腕質(zhì)量為80kg，則重力：

52、 設(shè)計加速度，則慣性力： 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)k=0.1， 所以，總受力 所以，設(shè)計尺寸符合實際使用要求。 3.3.4手臂的尺寸設(shè)計與校核 尺寸設(shè)計 長度設(shè)計為，內(nèi)徑為，半徑，軸頸，半徑，運行角速度，加速度時間，壓強， 則力矩： 尺寸校核 測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量，分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度分布在一個半徑r=200mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)k=0.2，

53、 M摩 = 總驅(qū)動力矩： M驅(qū) = M摩 + M驅(qū) 所以，設(shè)計尺寸滿足使用要求。 3.4腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 工業(yè)機器人的腰座，就是圓柱坐標(biāo)機器人，球坐標(biāo)機器人及關(guān)節(jié)型機器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機器人的運動部分全部安裝在腰座傷，它承受了機器人的全部重量。在設(shè)計機器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)計原則： 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 腰座要承受機器人全部的重量和載荷

54、，因此機器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。 機器人的腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響最大，因此，在設(shè)計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。 腰部回轉(zhuǎn)運動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣動） 及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。 6. 為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運動部

55、分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或者鑄鋼材料制成。 3.5 齒輪齒條的設(shè)計計算 1．選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù) 1)按照所設(shè)計的傳動方案，選用齒輪齒條傳動。 2）磁吸式機械手為一般工作機器，速度不高，故選用7級精度（GB10095-88） 3）材料選擇。由《機械設(shè)計》表10—1選擇小齒輪為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，齒條材料45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 4）閉式齒輪傳動一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動的平穩(wěn)性，減小沖擊振動，小齒輪的齒數(shù) =20-40,所以選擇小齒輪的齒數(shù) =24。 2.按齒面接觸強

56、度設(shè)計 由《機械設(shè)計》計算公式（10—9a）進行試算，即 定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 試選載荷系數(shù) =1.3 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 由《機械設(shè)計》中表10—7選取齒寬系數(shù)=1 由《機械設(shè)計》中表10—6查得材料得彈性影響系數(shù)=189.8 (5) 由《機械設(shè)計》中圖10—21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限=600MPa；齒條的接觸疲勞強度極限=550MPa； (6) 由《機械設(shè)計》中式10—13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) = (7)由《機械設(shè)計》中圖10—19查得接觸疲勞壽命系數(shù)=0.9; =2.5 (8)計算接觸疲勞許用應(yīng)力

57、 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由《機械設(shè)計》中式（10—12）得 計算 試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小的值 因為齒條的接觸疲勞壽命系數(shù)較大，所以較大，所以小齒輪的較小 所以代入小齒輪的值 mm=65.396mm 計算圓周速度v v==m/s=3.29m/s 計算齒寬b b= .=165.396mm=65.396mm 計算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù) =/=65.396/24 mm=2.725 mm 齒高 h=2.25

58、=2.252.725㎜=6.13mm b/h=65.396/6.13=10.67 計算載荷系數(shù) 根據(jù)v=3.29m/s,7級精度，由圖10—8查得動載系數(shù)=1.12 直齒輪，假設(shè)<100N/mm。由表10—3查得==1.2 ； 由表10—2查得使用系數(shù)=1； 由表10—4查得7級精度，小齒輪相對支撐非對稱布置時， =1.12+0.18(1+0.6)+0.23b 將數(shù)據(jù)代入后得 =1.12+0.18(1+0.6)1+0.2365.396=1.423 由b/h=10.67, =1.423查圖10—13得=1.35；故載荷系數(shù)

59、 K==11.121.21.423=1.913 (6)按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（10—10a）得 ==65.396mm=74.38mm （7）計算模數(shù)m m=/ =74.38/24㎜=3.1㎜ 3. 按齒根彎曲強度設(shè)計 由式（10—5）得彎曲強度的設(shè)計公式為 確定公式內(nèi)的各計算值 由圖10—20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限=500MPa；齒條的彎曲疲勞強度極限=380MPa； 由圖查得彎

60、曲疲勞壽命系數(shù)=0.85; =2.5 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,由式（10—12）得 MPa=303.57MPa MPa=678.57MPa （4）計算載荷系數(shù)K K==11.121.21.35=1.814 (5) 查取齒形系數(shù) 由表10—5查得=2.65; =2.06 (6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表10—5可查得=1.58; =1.97 計算小齒輪，齒條的并加以比較 =0.01379 =0.00598

61、 小齒輪的數(shù)值大。 2)設(shè)計計算 mm=2.052mm 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅于齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù)2.052并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2.5㎜，按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) 這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。 4.幾何尺寸計算 1）計算分度

62、圓直徑 =302.5㎜=75㎜ 2)計算齒輪寬度 b==175㎜=75㎜ 取=75㎜, =80㎜。 5. 驗算 N=2652.8N N/mm =35.37N/mm<100N/mm,合適。 3.6.鍵的設(shè)計計算 鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)零件,通常用來實現(xiàn)軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩,有的還能實現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動的導(dǎo)向。平鍵是其中的一種。平鍵連接具有結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，對中性好的優(yōu)點。而普通圓頭平鍵在鍵槽中軸向固定良好。 選擇齒輪與軸連接所用的鍵。 在此次設(shè)計的裝置

63、中，直齒圓柱齒輪安裝在軸的兩個支承點間，齒輪和軸的材料都是鍛鋼，用鍵構(gòu)成靜聯(lián)接。裝齒輪處的軸徑d=56mm，齒輪輪轂寬度為80㎜，載荷為輕微沖擊。 1.選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 此齒輪有定心精度要求，應(yīng)選用平鍵聯(lián)接。由于齒輪不在軸端，故選用圓頭普通平鍵（A型）。 根據(jù)d=56mm從表6—1中查得鍵的截面尺寸為：寬度b=16㎜，高度h=10㎜。由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長L=70㎜（比輪轂寬度小些）。 2. 校核鍵聯(lián)接的強度 鍵，軸，輪轂的材料都是鋼，由表6—2查得許用擠壓應(yīng)力=100-120MPa，取其平均值，=110MPa。鍵的工作長度l=L-b=70㎜－

64、16㎜=54㎜，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h=0.510㎜=5㎜。 因為電動機的額定功率=11Kw,=0.909，=1500r/min,i=1.5625 所以軸上的輸入功率P==11Kw0.909=10Kw 軸的轉(zhuǎn)速 n=(1500/1.5625)r/min=960r/min 所以軸上的轉(zhuǎn)矩T=9550P/n=(955010960)Nm=99.48Nm 由式(6—1)可得 =(299.481000)(55456)=13.16MPa< =110MPa（合適） 鍵的標(biāo)記為： 鍵1610 GB/T 1096

65、—1979 選擇從動V帶輪與軸連接所用的鍵。 從動V帶輪的材料為鑄鐵，軸的材料是鍛鋼，用鍵構(gòu)成靜聯(lián)接。從動V帶輪的軸徑d=35mm，V帶輪輪轂寬度為100㎜，載荷為輕微沖擊。 1.選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 此從動V帶輪有定心精度要求，應(yīng)選用平鍵聯(lián)接。選用圓頭普通平鍵（A型）。 根據(jù)d=35mm從表6—1中查得鍵的截面尺寸為：寬度b=10㎜，高度h=8㎜。由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長L=90㎜（比輪轂寬度小些）。 2. 校核鍵聯(lián)接的強度 鍵，軸的材料都是鋼，輪轂的材料為鑄鐵，由表6—2查得許用擠壓應(yīng)力=50-60MPa，取其平均值，==55MPa。

66、鍵的工作長度l=L-b=90㎜－10㎜=80㎜，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h=0.58㎜=4㎜。 由式(6—1)可得 =(299.481000)(48035)=17.76MPa< =55MPa（合適） 鍵的標(biāo)記為： 鍵108 GB/T 1096—1979 選擇主動V帶輪與電動機主軸連接所用的鍵。 主動V帶輪的材料為鑄鐵，軸的材料是鍛鋼，用鍵構(gòu)成靜聯(lián)接。主動V帶輪的軸徑d=42mm，V帶輪輪轂寬度為100㎜，載荷為輕微沖擊。 1.選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 此主動V帶輪有定心精度要求，應(yīng)選用平鍵聯(lián)接。選用圓頭普通平鍵（A型）。 根據(jù)d=42mm從表6—1中查得鍵的截面尺寸為：寬度b=12㎜，高度h=8㎜。由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長L=90㎜（比輪轂寬度小些）。 2. 校核鍵聯(lián)接的強度 鍵，軸的材料都是鋼，輪轂的材料為鑄鐵，由表6—2查得許用擠壓應(yīng)力=50-60MPa，取其