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to be in of 996 216of . . . . . . . . 44106a of We as to to of a as to to is by of a to be is a in is is “ of a to to . “on at to a .”2. “of . to a on be In of a In s an : to is to of in is as to of to to be in of 996 216of a of of A of is to in is of of in of to be to a of of an )a of as as a of a of is a of of an on a of is of a of is in of is is to be a of an a as as V An is It to he on to by a to as as a in is a 2 on to by s). of to of in is to at on to of of is of A ) is of to to a of to be a an at a in s by to on of of to of to a it of is by ). to be s to be in of 996 216be of a be be To s as an to : of is to a an be to is a is on of to a a in is to on to to of is is It to at an or to of on in a of of to of of of : to be is If of a no to as a as or a of to on An of is of a an in be by on to is is in a its to it of in s is to of of is of is of be to of is to to a s be to be in of 996 216be to or a of or on of to is to a to be to to is a be to . of In a it be to a of a to in to by a to a A of is If in to be to if it no a or in of A to In to be to at a if a a B to at it is to of to of a is or +8s MV it is + in as a is It to C , a In it of a V : s by a in to ). (s), on a + on BCs V is In a be on by a of on be or a to to be in of 996 216on to be BCs on a of V is to of a to In we of In is O), it a as of O of to to is to an or +to by or by of of s a to of we to in of to A is a or a is to a of So we acti 敏捷制造的轻型作业单元设计机械应用 罗杰 D 奎因，格雷格三考西 机械系和航空航天工程 弗兰克，戴维 M 萨金特，尼古拉答 曼，维尔吉利奥 电机工程学系与应用物理系 安迪 妍乔 . 算机系工程与科学 凯斯西储大学（ 美国俄亥俄州克利夫兰， 44106 摘要 ： 本文介绍了一种灵活的设计用于制造工作单元光机电从类似的产品的装配部件（即作出部分 零件 ）。我们定义了敏捷制造能够实现快速转换，从 装配 一个产品到另一个产品的装配。快速硬件转换成为可能，通过使用 机 器人，灵活的 装配 部分，模块化夹子机模块化装配硬件。依靠灵活的馈线上料皮带和二进制计算机视觉构成估计。这明显的优势超过 碗饲养的饲养计划需要大量的调整从一个转换另一部分。正在快速转换软件促进了一个真正的一次性使用的，面向对象软件环境，模块化的软件，图形为离线模拟软件的开发，以及创新的双控制器结构 线。这些灵活的功能允许将引进新产品最小的停机时间和系统重构。 1 简介 么是敏捷制造？ 敏捷 制造是一个长期见过增加了过去几年中，工业使用。该“敏捷“的定义，但是，目前尚不清楚，也不是一致：“敏捷：一个制造商的措施突然的反应能力，不可预测的变化客户需求的产品和服务，使一利润“ 1。 “今天工厂正在陆续被在裁缝敏捷货物交给客户的要求不停产 . 2 敏捷制造 同化物的柔性生产全系列技术，以吸取的教训以及总质量管理， 只是在时间的生产和 精益 生产“ 3。唯一的共同点之一各种定义是能够制造出多种对什么可迅速为基础的类似产品不断变化的客户需求。在过去，生产专门针对大批量单一生产产品。在今天的市场，然而，重点是对 小批量移动从不断变化的，客户驱动的产品线。 图 1：敏捷作业单元 一个“敏捷“制造的定义已通过适用于光机电装配产品：敏捷制造是有能力完成快速转换之间的不同制造利用基本相同的组件工作单元。快速转换（以小时为单位），此外，被定义为移动能力的一个产品，从大会 另一种产品装配与最低的变化工具和软件。快速转换使生产小批量，让 只是在时间 生产。我们的“敏捷“的定义的中心主题制造业是能够迅速推出（按星期计算）为新的组件和部件系统。 在这个系统中，快速完成转换通过可重复使用的软件的使用，快速变化该机械手夹持器 ，模块化工作表和部分馈线其中有足够的弹性处理，而无需机械零件的几种类型调整。这些馈线使用视觉，在硬地夹具，以确定位置和方向部分。通用，可重复使用的例程允许新的部分视力被添加到具有最低系统的努力。 一个实施一个灵活的测试平台已开发生产工作单元（图 1）。这包括机械机器人，灵活的部分进料器，视觉系统（摄像机，图像采集，并库中的图像处理程序），以及有限传感器和执行器专用所需人数完成一个给定的程序集。这样一个核心特征工作单元是一个控制器控制每一个有能力的上述组件。 该工作单元是中央输送系统，这是博世实现使用标准的硬件 。这是负责转移部分完成组装机器人之间进行成品和单位一卸货机器人的机器人安装在基座附近输送带系统。托盘与专业部件固定装置是用来在整个集会进行系统完成后，该组件将被删除从托盘的装卸机械。最后，安全笼包围整个工作单元，服务保障 运营商以及提供用于安装的结构开销相机。 送系统 输送机系统在 用工作单元是一个模型 博世制造。托盘在两个主要传阅，输送线。这些行是平行的，彼此相反的操作方向。托盘转移这两者之间部分由电梯传热单元（ ）的手段。这些允许各地输送托盘流通系统和重新排序能力的托盘。在系 统托盘的每个都有一个独特的识别号码，使系统跟踪和直接的进展。止损是安装在关键输送机上的点来控制托盘的流量。这方面的一个创新的输送系统使用的是使用短“骨刺线“。一种鞭策（图 2）是一个单纯的延长输送机，垂直为主线（类似于铁路支线）。这允许流主输送线，而要维持一个机器人执行组装在鞭策。托盘进入一个刺激注册在机器人的世界由一个坐标系 臂安装摄像头，允许地方或机器人消除对托盘零件，避免牺牲机械登记 配站 大会的几个车站的布局进行了分析在选择最终布局。在评估了几个每一个布局功能，包括：展示位置相对于机器人输送 机，给料机的影响相对于机器人的位置工作信封，并机器人动作一个通用大会的必要，这是确定，在图 2 最适合的布局需要的工作单元。每一个装配机器人是由两个包围模块化，可移动工作台和两个固定喂养表（图 2）。模块化表很容易交换，允许专门组装硬件放置在机器人的工作信封。表中包含的模块化和气动执行器可连接快速电传感器，允许任何专门工具迅速变化需要一个给定的程序集。通过设计这些表是模块化和易于交换，不同的装配硬件可以快速入住。为了实现快速转换，模块化工作登记表在机器人的世界坐标在同一系统由于托盘的方式（即使用臂安装摄像头）。进 料表是固定的，与水平， 送机安装到他们。 图 2：工作站布局 输送机的一个缺点 /刺激系统，如上所述，必须充分交流的时间托盘为一个空的。在这段时间（约 15 秒）的机器人将可以想象无效。一简单的解决这个问题是一个迷你仓：一夹具是位于交换部分的工作表来保存一些完成组装。在一个托盘互换，装配机器人可以继续运作而传入的工作托盘到达时，放置在迷你仓完成组装。后来电转移到托盘的刺激，视觉系统寄存器的托盘。该机器人将当前的大会（在其爪仍）托盘上，然后所得款项将完成从组件迷你仓的托盘。 料机 柔性件 每个支线组成（图三传送带 3）。第一输送机倾斜，从电梯部件散装料斗。第二输送机是水平的，具有半透明带。它传输到机器人零部件，呈现在附近的机器人 。该第三输送机返回未使用的或不利的导向到大型料斗部分。 正确地运作取决于馈线部分被取消的散装料斗中 式。许多因素影响效益倾斜输送机：对角输送到水平方面，皮带特性（如摩擦系数），对带式（防滑，磁力，真空），以及线速度带，例如。 图 3：灵活浇注系统示意图 当不同的零件，应美联储，散装料斗清空，并与新的 部件填补。如果部分是类似的几何形状，进料没有变化系统通常是必要的。一些地区，如圆形或圆柱的（即那些将回滚下来倾斜）可能需要不同的腰带，如表面，防滑一个或一个不同的角度倾斜。架空相机用于定位部件对水平输送机。一种紧凑型荧光灯阵列灯是安装在每个输送机的水平。用半透明的这些灯一起输送带提供 分可向视觉系统。使用二进制视觉工具（目前上料机由一个熟练的视觉系统提供）部分皮带进行检查。首先，视觉系统会查看是否一部分是抓握（即部分承认的是，稳定姿态（位置和方向）和足够的间隙之间存在的一部分，它的邻国 抓住了它爪）。第二，造成了部分在机器人的世界坐标确定。这个姿势，和动作与收购相关的部分，是检查，以确保他们在机器人的工作信封。 觉系统 视觉系统的一个基本功能是确定灵活的组件构成部分喂养。姿态估计是使用内置该 件功能，而且必须要快够不干预装配周期时间。一对视觉系统的第二功能是登记托盘和模块化的工作表到机器人的世界坐标系统，避免了调整的需要硬件。还有另一种可能是使用错误恢复，其中，该相机可以用来检查临界点在系统中，或在进程内组件。 该视觉系统使用的标准数字 机， 装配件或以上的灵活馈线或在机器人手臂。由于数字相机到 统的投入是有限的四个，一个低成本，自定义视频多路复用器的开发，利用一单片式视频切换器集成电路。这使得多达四台摄像机被连接到每个视频输入法视频硬件。 在与快速转换保持理念，视觉程序设可重复使用，这是一个给定的常规，可用于定位几个不同但相似的部分（即类似计为不对称性，拓扑结构等）。这种方法有很多优势，包括尽量减少软件的数量例程。此外，该软件允许重复使用模块化和“敏捷。“例如，通过参数化特征例行搜查因为，它可以适用于部分有一个类似的个人资 料但属于不同的大小。这意味着，部分与在这些类似的几何形状零件库，可添加到系统中，只需修改检查程序调用这些低层次的，可重复使用的例程， 进的新零件 添加一个新的一部分，该系统涉及数明确任务。 愿景例行这就决定了构成的一部分，开发，利用图书馆可重复使用的视觉例程。如果新的部分似乎没有别的地方特色，在零件图书馆，新的程序可能需要添加到软件库。此外，如果部分没有被设计为使用通用零部件馈线（例如它没有稳定的姿势像，缸），可能需要的馈线变更或腰带改变倾斜角度。引人入胜还必须旨在操纵新的一部分。为了尽量减少避免了专门的硬件和工具的变化大会，手爪设计应进行与其他部件的设计，同时为抓手聚集在一个给定的机器人。举例来说，如果给定操作既需要一个一个小部件和组件是一个 B 在第一个机器人组装，设计人员应手爪考虑到这一点 在一般情况下，最好是设计的部件和相关的硬件同时进行。这将使最大程度地重用的软件，以最小的变化灵活的体制和喂养一个强有力的装配设计序列，将加强无人操作。这方法称为设计制造及 者干脆 3 计算机硬件 /控制器 设计 目前的软件已被完全开发在 程语言和操作系统，在娴熟的 制器。对于大多数工业应用中，这将是编程环境足够的，但它缺乏动力和灵活性需要支持快速的软件开发和转换。这主要是因为 V+缺乏特色这是标准的其他语言和操作系统系统，如用户定义函数，标准数据结构和 执行。 To a 泛的控制器接口的设计工作已发展。这将允许系统来支持 C 和的 C +，并提供一个更友好，更灵活的用户接口。此外，它将允许实时使用操作系统，从而简化软件开发和提高性能。 图 4：系统架构 在这个设计中，系统的能力扩大了使用除第二 4）。这第二个 线房子的 I / O 板和专用 单板计算 机（ ），对其中一个实时操作系统执行 C 和 C+程序对 运行的。负责所有高层次的控制和机器人 运动（例如：输送机控制，气动操作，指定机器人目的地），而采用压控制器专为低级别的机器人运动（如伺服控制和轨迹生成）和一些机视觉例程。在以后的实现，这是视觉处理板，也可以用在第二 线，从而充实了统。两个总线连接电缆或光纤连接。内存所做的更改由一个反射内存网络。这包括两个内存卡，各有一个总线，它可以由连接的 一板会自动反映，另一方面，从而允许指令和数据传送之间两个 塞尔公约秘书处的地点可以使机器人对反射内存网络的构想命令。这些都是宣读了命令组服务器上运行 控制器。 这些服务器执行命令并在适用时，返回相同的结果通过网络。 4 作业单元软件 另一个软件是一个灵活性的关键敏捷制造工作单元，但是，这种灵活性不来而精心设计。尽管软件本质上是比硬件更容易改变，结构一个软件系统可以降低，经过反复修改，导致可靠性差，并增加维修费用。在设计工作单元控制软件方面，我们聘请软件工程方法和工具支持的设计原则改变。特别是，我们最新的设计是面向对象（ ，也就是说，它是根据物体的识别该系统，这是这些实体有一个国家和一个行为。物理设备，抽象数据结构整个子系统建模为对象，提供，明确设定服务时， 其执行封装和隐藏。强调面向对象软件设计减少了工作量需要引入进入新的工作单元产品通过可重用的代码。 能够迅速引入新产品工作单元是至关重要的一个灵活的系统。对象类型或类类构造，其中服务对应 定义使用 C + +电话。新的类派生自现有通过增加的服务或通过覆盖实现现有服务。面向对象便于维护，因为一个实施类是可以改变的，而不会影响客户端代码，使用类的服务，因为派生类可以可用于任何需要它的父类即可。除了满足我们的要求特别是制造业中的应用，我们希望指定 软件设计的组件，可能证明有用 敏捷制造各种应用 。因此，我们试图确定敏捷设计模式制造业。设计模式是一组沟通的对象或类，两者代表一个可重复使用的设计元素，是适用的，经过一番专业化，一 种。到目前为止，我们已经确定用于这种活动的设计模式整个系统的控制，系统之间的通信元器件，零部件和组件的规定，调度系统任务和错误处理。 业系统 该工作单元控制的最初版本 软件实施了与 V+操作系统 和编程语言提供了善于压控制器。虽然为 V +提供了足够的设施许多机器人应用，我们确定一个更先进的操作系统和编程语言将更好地支持我们的软件设计理念和敏捷制造的目标。一般来说，工作单元控制涉及的号码管理实时限制并发任务。因此，一实时操作系统（ 足够和任务调度，通信和可靠的设施同步是可取的。 件体系结构 该工作单元控制软件被设计成一个层次结构的服务器。在最高水平，工作单元控制器的服务请求人的经营人包装箱成品组件。在这样做时，到托盘服务器沿着托盘输送机马刺之间。托盘服务器跟踪运动每个托盘，但工作单元控制器负责知道托盘内容。该工作单元控制器 大会的服务器，这都与要求机器人，以填补部分或全部组件托盘。为了满足这些要求，大会的服务器必须部分下属与服务器进行通信以 及与机器人和专用硬件。的部分反过来服务器必须与零件馈线和通信与视觉系统。一般来说，服务器的设计作为对整体工作单元一些假设如可能的结构，使他们不敏感该结构的变化。在适当情况下，服务器同时运行，例如，同时增加了一个机器人部分集会，该部分服务器尝试设在机器人的未来预期另一部分 错误的处理，也是分层的。如果一台服务器遇到一个错误，它首先试图解决这个问题在当地，例如，通过使更多的要求下属服务器。如果失败，服务器表明它的客户端它无法提供所要求的服务。客户端然后试图解决这个错误条件。作为一个具体例如，考虑一个部分服务器无 法找到一部分在其远景窗口。它会一再提前给料机和拍照。如果没有部分是内发现一一定数量的重复，将报告的部分支线大会未能服务器。如果没有多余馈线部分，它可以调用，服务器将在大会信号发生故障的工作单元控制器。在缺乏冗余服务器的组装问题，钍控制器将问题通知，要求经营者人为干预。鲁棒，容错软件必要的无人值守，操作的工作单元。 以明显看出一个仿真硬件系统预计将是极为有益的。该决定是为了开始发展全面的仿真，将允许工作单元控制代码被开发和测试，而不使用实际硬件。这允许控 制软件来编写和调试没有制止生产功能工作单元。它也非常有用，以显示图形硬件的响应（图 5） 特别是研究各种工作单元布局。 ， 图 5： 拟 输送系统已完全模拟。详细的仿真机器人和远见系统正在开发中。仿真代码模仿的工作单元的输入和输出，使为模拟透明地使用。换句话说，在代码是用来模拟控制的工作单元是相同的代码运行在同一处理器板用于控制物理设备。这是一个功能强大的工具软件设计中不存在任何矛盾控制与仿真代码和实际控制代码。这消除了移动可能移植问题从模拟到实际控制平台 5 结论 本研究成功验证的关键问题 对于一个敏捷制造工作单元的设计。柔性件馈线，机器视觉，模块化硬件，广泛的控制器接口，在线纠错，图形模拟和模块化的软件都一个广泛实施的重要因素。在继续工作，该系统正在扩大模块化的程序，包括视觉，一个实时的使用操作系统，面向对象编程，广泛的错误检测和恢复。产品设计制造和装配也将发挥关键作用在促进摄食，装配，并造成估计。 参考文献 1捷制造的搜索。制造工程， 30:281993。 2活的工厂：个案研究。电机及电子学工程师联合会频谱， 30:281993. 3理，技术和敏捷性：一个新时代的出现制造业。国际科技杂志管理， 8（ 1/ 2）， 1993 4活的工厂：案例研究。电机及电子学工程师联合会频谱，30:281993。 5活的工厂：个案研究。电机及电子学工程师联合会频谱， 30:281993。 6个计算机框架视力敏捷制造。硕士论文，案例西储大学， 1996。 7. 布思罗伊德杜赫斯特公司产品装配设计， 1991 年 3 月 8 +语言参考指南， ， 1993 年 6 月 787月。 9 线系统， 9（ 3）， 1992。 10头盔，河约翰逊和 J. 计模式，可复用面向对象软件。艾迪生韦斯利，读，硕士， 1994。 致谢 这项工作得到了克利夫兰先进制造项目（营地）通过中心自动化和智能系统研究（ 学校的工程案例 毕业设计（论文）外文翻译 题目 4器人结构设计与运动模拟 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 078105226 学 生 姓 名 饶新龙 指 导 教 师 许 瑛 填 表 日 期 2011 年 6 月 1 日 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 摘 要 工业机器人一般可理解为：在工业自动化应用领域中的一种自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机（固定式的或是移动式的），用于搬运材料、工件、操持工具或检测装置，完成各种作业。 近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用于锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。 机械手自 1999 年投入运行 , 工作安全可靠 , 效果良好 ,逐步开发了相关实验、实训教学项目 , 以机械手作为实验 (训 ) 载体 , 逐步形成了以学生为主体、理论与实践相结合的教学模式 , 激发了学生的创造性和动手能力 , 为提高学生的工程素质、全面提高学生的综合素质创造了基础条件。 关键词： 关键词： 结构设计， 机器臂， 关节型 机械手 ，结构分析 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 I be in in of a of of or or of In of a is in in of to of by is of it to of 999 is be as nc in as a a as to 买后包含有 纸和论文 ,咨询 买后包含有 纸和论文 ,咨询 V 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 目 录 摘 要 . I . 一章 概述 . 1 1. 1 机械手的发展历史 . 1 1. 2 机械手的发展意义 . 1 1. 3 机械手在机械制造中的应用 . 2 1. 外应用 . 2 1. 内应用 . 3 第二章 工业机械手 . 4 业机械手的分类 . 4 业机械手的设计方法 . 6 部的设计 . 6 部的设计 . 6 部的设计要求 . 7 第三章机械手方案 总体设计 . 11 3. 1 工业机械手概述 . 11 3. 2 方案设计 . 12 3. 3 总体设计 . 12 第四章 手部 计算与分析 . 15 部 计算与分析 . 15 部设计的基本要求 . 15 部的计算和分析 . 15 部 计算与分析 . 23 部设计的基本要求 . 23 部回转力矩的计算 . 23 部计算与分析 . 33 部设计的基本要求 . 33 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 I 臂的设计计算 . 36 动结构形式的选择 . 36 何参数的计算 . 36 轮波发生器及其薄壁轴承的计算 . 36 轮齿面的接触强度的计算 . 36 轮疲劳强度的计算 . 36 结构尺寸设计 . 41 的受力分析及计算 . 43 身计算与分析 . 36 算输出轴的转矩 . 46 定各轴传动比 . 36 速级齿轮设计与计算 . 48 速级齿轮设计与计算 . 49 入轴的设计与计算 . 50 轴的设计与计算 . 51 出轴的设计与计算 . 52 入轴上轴承寿命计算 . 53 章小结 . 54 结 论 . 56 参考文献 . 63 致 谢 . 64 第一章 概述 1 第一章 概述 1. 1 机械手的发展历史 人类在改造自然的历史进程中，随着对材料、能源和信息这三者的认识和用，不断创造各种工具（机器），满足并推动生产力的发展。 工业社会向信息社会发展，生产的自动化，应变性要求越来越高，原有机器系统就显得庞杂而不灵活，这时人们就仿造自身的集体和功能，把控制机、动力机、传动机、工作机综合集中成一体，创造了“集成化”的机器系统 机器人。从而引起了 生产系统的巨大变革，成为“人 机器人 劳动对象”，或者“人 机器人 动力机 工作机 劳动对象”。 机器人技术从诞生到现在，虽然只有短短三十几年的历史，但是它却显示了旺盛的生命力。近年来，世界上对于发展机器人的呼声更是有增无减，发达国家竞相争先，发展中国家急起直追。许多先进技术国家已先后把发展机器人技术列入国家计划，进行大力研究。我国的机器人学的研究也已经起步，并把“机器人开发研究”和柔性制造技术系统和设备开发研究等与机器人技术有关的研究课题列入国家“七五”、“八五”科技发展计划以及“八六三”高科 技发展计划。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已经成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科 机械手工程。 1. 2 机械手的发展意义 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分地代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置第一章 概述 2 来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各 先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。 近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用于锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。 机床上料机械手是典型的机电一体化设备，它可自动地为机床抓取工件，取代操作人员频繁取料，降低劳动强度，提高工作效率。 总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化 的一个重要手段，国内外都很重视它的应用和发展。 1. 3 机械手在机械制造中的应用 1. 外应用 美国制造 155 毫米的钢弹体洛克福特军械厂，从胚料加工开始到加工完毕直至弹体包装都自动进行，不用人手去接触，达到全自动生产。 工业机械手还能用来代替人工进行打磨、抛光、去毛刺和清理切屑等工作。例如，瑞典一家工厂打磨和抛光不锈钢子弯头时，采用 械手，提高加工效率30%以上，而且产品质量稳定，不伤害工人。又如：瑞典沃尔沃（ 司在机械手上装了三个环形磨轮装置，用来对传动箱外表面去毛刺 ，比手工方法节省工时50%。 第一章 概述 3 1. 内应用 国内在金属切削加工中，用机械手来完成刀具的自动更换。如北京第二机床厂，北京第八机床厂，上海第二机床厂，上海第八机床厂，宁夏大河机床厂等单位研制的自动换刀机床，均用机械手自动更换刀具。在生产自动线上，用机械手完成的传递和上下料，如：沈阳水泵厂深井泵体加工自动线，无锡柴油机厂和甘肃汽车齿轮厂的齿胚的加工自动线都采用了机械手。大连工矿车辆厂的 800架的加工，采用机械手抓取、传递和安放并与一些机床组合成侧架切削加工自动线，提高效率 10 倍。 1. 4 机械手 的 发展趋势 国内应加强机械手基础性能的实验以及基础理论研究，克服和解决制造技术及其它存在的问题。提高机械手运动速度。尤其是应用于冲压行业中的机械手，以适应提高生产率和符合生产节拍的需要。要研究解决机械手的运动速度和缓冲、定位技术。引进国外先进技术，培训专门技术人才，普及机械手有关知识。尽快解决机械手的定型设计、定点、定量生产以及配套件的生产和供应问题，推进机械手设计制造中的现代化（ 标准化、系列化工作，以满足国内外市场的需求。目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能不 断提高，其发展趋势是：扩大机械手在工业上的应用、提高工业机械手的工作性能、发展组合式机械手、研制具有“视觉”和“触觉”的“智能机器人”。 第二章 工业机械手 4 第二章 工业机械手 业机械手的分类 目前对机械手尚无明确的分类标准，全国各她区尚未统一，我们按目前应用比较多的两个方面进行分类 : （一 )按所搬运的工件重量 (或称臂力 )分类 臂力在 1 公斤以下 ; - 臂力在 130 公斤以内、 臂力在 30 公斤以上。 目前大多数下业机械手其搬运的重量为中型的。 (二 )按机能分类 1 简易型通 用机械手 有固定程序和可变程序两种。固定程序由挡块或凸轮转鼓控制；可变程序用插销板来给定程序。这种机械手多为气动或液压驱动，结构简单，成本较低，改变程序较容易。只适用于程序较简单的点位控制，实现重复性操作作为一般单机服务的搬运工作也完全够。目前这种机械手数量最多。 2 示教再现通用机械手 这种机械由人工通过示教装置领动一遍，或者予先操作给定一遍，称为示教。它由磁鼓（或磁带、磁芯 )把程序记录下来，此后机械手就自动按记忆的程序，重复地进行鹅环动作。这种机械手多为电液伺服控制。与前者比较，这种机械手可有较多 的自由度，有可能实现连续轨迹控制，能进行程序较复杂的作业，通用性较大。 3，具有视觉、触觉的通用机械手 这种机械手由电子计算机控制，装备有电视摄像管和传感器等，因而具有视觉、热感 种机械手我网日前还处于研制阶段。 再次按使用范围，驱动方式和控制系统等进行分类。 第二章 工业机械手 5 按使用范围分为专用机械手和通用机械手 专业机械手：一般附属于工作机器设备，动作程序固定，驱动系统和控制系统可以独立，亦可附属于工作机器设备。 通用机械手：独立工作的自动化机械设备。在规格性能的范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在 不同的场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。 按驱动方式分为液压机械手，气压机械手，电动机械手，机械式机械手。 液压机械手：输出力大，传动平稳。如采用电液伺服机构，可实现连续轨迹控制。液压系统的密封要求严格，又问对油的粘度影响大。 气压机械手：气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。但工作不太稳定，冲击大，在同样的抓重条件下它比液压机械手的结构大。 电动机械手直接用直线电机，功率步进电机和具有特殊结构的感应电动机等来驱动，动力源简单，不需要能量装换机构，维护使用方便。目前这种工业机械手尚在发 展之中。 机械式机械手：由工作机构带动机械手运动，工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。但动作固定不可变。 按控制系统可分为点位控制和连续控制 点位控制：只能控制工业机械手运动的几个点的位置，运动轨迹不受控制。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 连续控制：工业机械手按给定的速度沿给定的线路（轨迹）实现平稳准确的运动。特点是设定点时无限的，整个运动过程都要求处在控制之下。这来工业机械手一般采用小型计算机控制。 机械手的手部是用来抓取并握紧工件的，它包括手爪和夹紧装置两部分。夹持工件的迅速、灵活 、准确和牢靠程度，直接影响到机械手的性能，是机械手的关键部件之一。 第二章 工业机械手 6 业机械手的设计方法 机械手的手部是用来抓取并握紧工件的，它包括手爪和夹紧装置两部分。夹持工件的迅速、灵活、准确和牢靠程度，直接影响到机械手的性能，是机械手的关键部件之一。 部的设计 手部的设计要求： 工件的重力外，还要能不使工件在传送过程中松动或脱落 ; 爪的张开角度（手爪张开或闭合时两个极限位置所摆动的角度 )应能适应夹紧较大的直径范围 ; 。既耍求工件在手爪内定位准确，又不夹坏工件表而。一般需根据工件的形状选择相应的手爪结构 :如元住形工件应采用带 V 形槽的手爪来定位，对于工件表面光洁度较高的，应在手爪上镶铜、夹布胶木或其他软质垫片等 ; 活 ; 性好、自重轻、易磨损处应便于更换，在腕部或臂部上安装要方便，更换要迅速。 手部结构 手爪的类型大致分为下列三种 : 据手爪的动作可分为回转型和平移型；根据手指的数量可分为双指和多指式 ;根据夹持工件的方法又可分为外卡式和内胀式两种。 手爪。分为真空吸盘式和电磁吸盘式两种。真空吸盘式又分为真空泵式和气流负压式。 3 带触觉或视觉的手爪 部的设计 1 腕部自由度的选取 在臂部运动的范围内，当可以满足抓取工件和传送工件等要求时，应尽可能不设计腕部的运动。这样，则可使机械乎结构简单、制造方使和成本降低。 第二章 工业机械手 7 根据抓取对象和机械手的坐标形式的需要，可增加腕部的自由度。如腕部的回转运动，这是在手爪夹持工件后，需要翻转角度，或者机械手从一个工位转到另一个工位时，需要工件翻转。若是采用臂部回转则使机械手的稳定性降低，因为，臂部长度大，回转时 稍有偏心 (特别是高速回转时，使机械手的离心力增加，臂部震动加大，影响定位精度。因此，应设计腕部的回转。若机械手是球坐标形式，腕部应设计具有俯仰运动，以保持手爪处于水平位置，不影响手爪的工作。 还要根据加工工艺的要求，设计腕部都在 Y 轴力向的移动运动。如机械手将工件送到某一工位后，需要把工件定位夹紧，为使机床运动简化，而要求腕部沿 Y 抽方向做少量的移位的运动。如用顶尖支承的轴类零件。在用机械手取下工件时，为脱离主轴顶尖 ,而需要有腕部的横移运功。 总之 根据工件的料道位置 、工艺要求、应用范围及制造成本等方面综合分析，以确定最佳的方案，确定出腕部合适的自由度数。 2 腕部的动作要灵活、自重要轻 在设计腕部结构时，应力求结构简单紧凑，减轻结构的重量。机械手配合机器运转，腕部的动作时间往往在几秒钟以内，甚至不超过一秒，所以腕部一定要灵活，在保证构件的强度和刚度的条件下，回转件尽量采用滚动轴承或滚柱，减少阻力，降低摩擦 . 3 腕部运动位置要准确 手腕的回转、俯仰与左右摆动等运动位置都要求准确，除对零部件配合精度严格要求以外，要采取措施消除传动部件之间的间隙，根据需要 可设置位置检测元件，来控制手腕的准确位置。 部的设计要求 (一 )臂部应承受能力大，刚性好，自重轻 根据公式 悬臂梁的挠度公式 33J式中 第二章 工业机械手 8 挠度与载荷、悬臂长成正比，而与弹性模数，惯性矩成反比。在 Q 与 L 值已确定的情况下，只有增大 ，才能 减少梁的弯曲变形，而碳钢和合金钢的 E 值差别不大，在 0 0 之间。所以、为了提高刚度，从材质上考虑意义不大 . 主要应选用惯性矩 大的梁。在载面积和单位重量基本相同的情祝下，钢管，工字钢和槽钢的惯性矩要比元钢大得多，所以，机械于中常用无缝钢管作导向杆，用工字钢或槽钢作支撑板。这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的白重 为增加刚性，还应采取以下 措施 : 件越多，间隙越大，刚性就越低，囚此应尽可能使结构简单。要全而分析各尺寸链，在要求高的部位合理确定调整补偿环节，以减少重要部位的间隙，从而提高刚性。 理分配给手臂的各个部件，避免不利的受力情况出现。 增加导向杆的刚度 导向杆承受部分或大部分自重和抓取重量。 以提高手臂在前伸时的刚性。 （二）臂部运动速度要高，惯性要小 机械手的运动速度一般是根据生产节拍 的要求来决定的。确定了生产节拍和行程范围，就确定了手臂的运行速度或角速度）。在一般情况下，手臂的移动和回转均要求匀速运动 (v 和 为常数，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的。为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前的减速度不能太大，否则引起冲击和振动。 从上述公式可知，减少惯性力矩，可采取下列措施 : 采用铝合金等轻质材料、 手臂结构紧凑小巧， 3 减少回 转半径 ，在安排机械手动作顺序时，一般是先缩回再回转或尽可能在较小前伸位置下进行回转动作。 第二章 工业机械手 9 4，驱动系统中加设缓冲装置。 （三）臂部动作要灵活 要使手臂运动轻快灵活，手臂的结构必须紧凑小巧，或在运动臂上加滚动轴承或采用滚珠导轨。对于悬臂式的机械手手臂上零部件的布置要合理，以减少回转升降支承中心的偏重力矩。不然，会引起手臂振动，严重时会使手臂与立柱卡住别坏。对于双臂同时操作的机械手。应使两臂布置尽量对称以达到平衡。 (四 )位置精度要高 手臂的刚性好、偏重小、惯性力小，则位置精度就容易控制，所以设计手臂时要周密考虑和计算 ;还要合理的选择机械手的坐标形式，一般说来，直角和元柱坐标式机械手位置精度较高；关节式机械手的位置最难控制，精度差 ;在手臂上加设定位装置和自动检测机构，来控制手臂运动的位置精度 ;还要减少或消除各传动，啮合件的间隙。 除了上述几点外，机械手的通用性要好，以适应多种作业的要求，工艺性要好，便于加工和安装 ;用于热加工的机械手，还要考虑热辐射的影响，手臂要长些，使驱动部分远离热源，并装上冷却装置 ;用子作业区粉尘大的机械手，还要设置防尘装置等。 上面这些要求，往往是互相影响和互相制约的，设计时应全面分析各方面因素，综合考虑，以设计出性能良好的机械手。 械手的行程位置检测装置 行程位置检测装置的作用，是控制机械手的运动位置，或者利用检测装置，通过控制系统对机械手的运动位置进行控制。如把运动系统的位置反馈给控制系统，再由控制系统进行调节，使其运动停止在规定位置上，以便保证对机械手运动的定位精度。 第二章 工业机械手 10 图 2测装置把实际位置信号反馈给控制系统进行比较，差值送入放大器，控制电液比例润的流最或 压力，使机械手平稳准确停在一定的位置上。检测装置应用有电位器、编码器和刚性机构等。 机械手的定位精度指的是频繁的往复运功中的重复定位精度。影响保持一定的定位精度的因素是很多的。如手臂的刚性、油液的做度变化 时重复定位精度有严重影响。 由于机械手应用在不同的环境，而且大多数是应用在周围环境比较恶劣的现场中。因此 在机械性能方面。要结构简单、刚性好、体积小，寿命长和维修方便 ; 在使用环境方面，要能在振动、油污等条件下稳定和可靠地工作 ; 在电气性能方面 :要有高抗干扰能力，高精度，长期使用时精度不变。 行程位置检测装置有机械的、模拟的和数字的三种。 （一） 机械式行程位置检测装置主要由机械挡块 可调挡块 限位开关等。 （二）模拟式行程位置检测装置 模拟式行程位置检测装置是用电位器、旋转变压器或者感应同步器等装置，将规定值予先发送给控制系统。在运动过程中，执行元件上的检测器不断地将实际值发送给控制系统与规定值进行比较，根据比较结果，调整运动系统，使运动达到规定的位置。 包括电位器自整角机，旋转变压器和感应同步器组成。 （三） 数字式行程位置检测 装置 包括光电信号转变器，光栅检测器和光电式双码盘编辑器 第三章 车床上下料机械手 11 第三章 车床上下料机械手方案比较 3. 1 工业机械手概述 机械手主要由执行机构、驱动系统以及位置检测装置等所组成。执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。驱动系统是驱动执行机构运动的的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。控制系统由电器控制和射流控制两种。它支配着机械手按规定的程序运动。位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然 后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度到达设定位置。设计机械手时应考虑的因素很多，但从机械手的特点来分析有以下几点： 1）抓重：是机械手所能抓取或搬运的最大重量。一般抓重 1下的定为微型， 1定为小型， 5定为中型， 30上的定为大型。 2）自由度和坐标型式：自由度是机械手的每一个构件相对固定坐标系所具有的独立运动自由度。因手指的夹放动作不能改变工件的位置和方位，故它不不计为自由度数，其它运动均计为自由度数。按机械手的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式分为直角坐 标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。机械手的自由度数和坐标形式应根据机械手现场具体的生产情况和工艺的要求而定。 3）运动速度：它反应了机械手的生产水平，影响机械手动作快慢的主要运动是手臂的伸缩和回转运动。手臂的运动速度大小与机械手的驱动方式、定位方式、抓重大小和行程距离有关。手臂的运动对机械手的速度影响最大，因此，手臂的运动速度应根据生产节拍时间长短、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。 4）行程范围：主要受手臂的伸缩行程影响，其行程范围大多在 500围内。 除上述主要参数外，还应考虑定 位方式和位置检测装置的选用。 机械手由机座、机械臂、手爪、 编程控制器及气源等部分组成。可以完成水平臂的摆动和伸缩、垂直臂的伸缩、手爪的旋转和抓取物料等动作 , 准确地把物料送到指定位置。在机床的送料高度、物料的摆放位置、抓取高度、工件的重量等确定后 , 机械手各部分的空间几何位置以及工作空间、运动状态等即可确定 ,各个动作即可按给定顺序和运动学、动力学要求完成。气动系统考虑了使用载荷、机器第三章 车床上下料机械手 12 人机械本体结构、动态及静态性能等因素 , 水平臂的摆动和伸缩、垂直臂的伸缩、手爪的摆动的运动速度均可调节。 3. 2 总体方案的设计 工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下 3。 (1) 直角坐标机械手结构 直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 2-1(a)由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（ m 级）。但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多。 直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体。直角坐标机械手主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 (2) 圆柱坐标机械手结构 圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1(b)。这种机械手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 (3) 球坐标机械手结构 球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图 2-1(c)。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个 类球形的空间。 (4) 关节型机械手结构 关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2-1(d)。关节型机械手动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机械手。 关节型机械手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 第三章 车床上下料机械手 13 (a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型 图 2四种机械手坐标形式 根据任务书要求和具体实际我们选择的是 (d) 关节型。 具体到本设计，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。 该机械手 手臂运动范围大 ,且有较高的定位准确度 ,要求设计的 机械手 为六个自由度，其中腰部有一个旋转自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度，手腕的俯仰、旋转自由度。在本论文中，要求设计大小臂结构，所以，需要对实现大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋转自由度的机构进行详细设计。 机械手的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，结构较紧凑，能抓取靠近机座的物体 。协作单位根据其 用途和特点提出如下技术参数 原始数据： 1、机构形态：串联机器人； 2、自由度数： 6 自由度； 3、动作范围：关节 1： +/最大负载速度 154o/s；关节 2：+65 最大负载速度 154o/s；关节 3： +158 最大负载速度 228o/s； 关节 4： +/最大负载速度 343o/s；关节 5： +/最大负载速度 228o/s；关节 6： +/最大负载速度 721o/s； 4、本体重量：不超过 150 5、作业范围： 技术要求： (1) 所设计的 工业机器人 本体结构能够满足一次搬运动作周期短、高效、快捷，以及通用性、灵活性等性能要求 ， 同时满足结构工艺性、经济性等方面的要求。 (2) 装配图 、 零件图 的绘制 应严格按照机械制图国家标准进行，尺寸、公差、 形位公差、 技术要求等标注应合理、规范。 (3) 在机器人手臂末端便于实现第三章 车床上下料机械手 14 与各种夹持器的配合联接。 (4) 论文书写要求叙述清楚、符合规范，外文翻译正确。 第四章 手部计算与分析 15 第四章 手部 计算与分析 部 计算与分析 手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的
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