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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、第一章 概述 2 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. 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 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%。 1. 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。 第一章 概述 3 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 4 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。 工业机械手的驱动 方法，按驱动源分为气压驱动、液压驱动、电力驱动和机械驱功四种。 第二章 工业机械手 4 气压驱动是一种简单、可靠 以压缩空气为动力沉来驱动机械手的执行机构，在机械加工行业中的机械手普遍采用气压驱动，用来完成零件的传送工作。 (一 )气压驱动的特点 气压驱动的优点是 ;容易获得快速运动，机械手可引用一般工厂都有的压缩空气源，因此结构简单，成本低廉，空气不象油那样怕热和易燃 ;维修方使，特别是和射流控制很容易结台起来使用。其缺点是 :气限低，出力小，执行机构体积人 ;压缩性大，阻尼缓冲效果差，较难实现中间 位置的停止，若要求较高的定位精度，必须增设较复杂的缓冲、定位机构。 (二 )气动元件简介 气动元件种类很多，应用范圈也各不相同。目前所谓气动元件，是指气压传动中应用的各种控制阀和执行元件。一般不包括空气压缩机。 分水滤气器 :功用是清除空气中的水、油及灰尘 ; 调压阀、亦称减压阀，能将管道中的空气压力保持在某一定数值 : 油雾器 :为保证气动装置可靠地工作，用压缩空气将油液喷成雾状，随空气一起流入气动装置，进行润滑。 功用是控制空气的压力、流量及 流动方向，保证气动系统按规定的程序、速度进行工作。 主要分为 : （ 1）压力控制阀 :包括压力顺序阀、卸荷阀等。 （ 2）流且控制阀 :包括节流阀、单向节流阀等。 （ 3）方向控制阀。包括电磁换向阀、气动换向阀 ,电磁气阀、单向阀、梭阀、延时阀 （ 4）其他阀 :包括各种手动阀、脚踏操作阀、气动开关、按钮、行程阀、转阀等。 第二章 工业机械手 5 一种重要的元件，一般分为单作用气缸和双作用气缸两种。其结构形式很多，可完成往复直线运动和摆动。 4 气动马达 是实现旋转运动的执行元件。 5气动逻辑元件这是近年 来新发展的一种气动 元 件，带有可动部件，其作用类似继电器，可实现各种逻辑功能，直接对气动装置进行控制。其结构类似小型阀 门。 声器、压力继电器、安个阀 另 外，还有一些气液装置，如气一液泵、气一液缸、气一液增压装置等，一般也属于气动元件的范围。 在机械手中液压驱动是用的最多的方式。利用油缸、 油 马达和齿条齿轮实现直线运动，利用回转油缸、油马达与齿轮齿条或链轮链条实现回转运动。 (一 )液压驱动的特点 (1)压力高，油压可达 10- 厘米 2 的压力。可以获得较大的操作力。 （ 2)液体的压缩比较小，可以认为没有压缩性，因此控制系统的滞后也几乎没有，动作平稳，快速反应性好。 (3)压力、流量容易调节，控制性能好，可以实现中间位置的 停 止，定位精度高。 （ 4)液压操纵装置形体小而且牢固，可耐振动和冲击。 （ 5）可无级变速 （ 6）液压油有良好的润滑性 2 液压驱动的特点 （ 1）需单独配备液压源 （ 2）管线系统比较复杂，成本较高 （ 3）液压系统的泄露会严重 影响其使用性能 （ 4）油的粘度对温度的变化敏感 3液压系统的组成 1动力元件 2执行元件 马达 3控制元件 各种控制阀等 4辅助元件 油器，油管和管接头等 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。 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 ; 第二章 工业机械手 6 要与工件相适应。手爪的张开角度（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 ; 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。 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 . 1 of n of to of of of to of be is is to a s 第二章 工业机械手 7 to 0 of it In is in s in , 863 is in a of an a 1. 2 of he of is of is it it in of a to it to of by to a of to In of a is in in of to of by is of it to of In is to to of at to of 1. 3 . 3.1 二章 工业机械手 8 55 mm to is to be to up a of 0% is in to on 0%. 1. 3.2 n to in as In in s of 00 Kg of 0 1. 4 of of in in to to to of of To of of of As as to of to in of at to of At of of a 第二章 工业机械手 9 of t is no we on at of of (a) to or . kg 2. 30 . 0 of (2) to of or AM to or to is to as a is 2 by or to a It of a or to of to to of he by to in to of to is to be be to of At of of is by be in is 第二章 工业机械手 10 to If be on is so in of of as is do in is to is in by a to be at of a no of to to a to is of in to is to it of is of of in is a is is to of in of to (a) of he of to a be so is of is up is to of if 二章 工业机械手 11 (2) is a of of At it is to to of of of 1. 3 is in in in a to 2. is a is to to (1) (2) (3) (4) of 3. as is a of of a 4 is to 5 is in of a it of of to 6. of a In is to as a a a to of n is of by modulus 自由度机械手设计 引 言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成 各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举 重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普 通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“ ，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的 机械手是属于第三类机械手。 1、简史 机械手首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司 ,专门生产工业机械 手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫 机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于 1毫米。联邦德国机械制造业是从 1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国 司还生产一种 点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。 目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。 第三代机械手则能独立完成工作中过程中的 任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 2、 应用简况 现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产 程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。 有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。 机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善 热、累等劳动条件。 国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。 国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。 采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。 3、 发展趋势 目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。 在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械 手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。 此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑 与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。 此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微 计算机。工作是 电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。 触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。 更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 机械 手的组成 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图： 1、执行机构 ( 如图 示 ) 图 1） 手部 手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。 本课所指的机械手仅需开闭手指。 机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。 课所做的机械手采 用二指形状。 （ 2） 手臂 手臂有无关节和有关节手臂之分 本课所做的机械手的手臂采用无关节臂 手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。 本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。 总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。 躯干是安装手臂、动力源和执行机构的 支架。 2、 驱动机构 驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较少。 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用 4气压，个别的达到 8大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。 电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。 电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机 构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。 机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。 本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方 。采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。 3、 控制系统 机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。 控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。 应用机械手的意义 随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： 一、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 二、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声 、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制 生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。 第二章 总体技术方案及系统组成 始数据 负载重量： 10复定位精度： 1由度： 3（ 轴的转动） ：大臂的升降 R：大臂的伸缩 ： 腰轴 各轴最大运动速度： 200mm/s 轴回转： 30 /s 200mm/s 各轴最大运动范围： 550 轴回转： 90 400作要求： 机械手的工艺流程： 机械手原位机械手前伸机械手上升机械手抓取并夹紧机械手后退机械手前进（小车）小车停止机械手左转 90机械手前伸机械手松开机械手后退（小车）机械手下降机械手右转 90小车后退退至原 位 机构简图 系统组成 本基械手系统由机体，传送机构，动力源和控制装置四部分组成。其中机体由小车及本体等部分组成；传送机构主要由伸缩臂及抓紧机构所组成；动力源由液压驱动和机械驱动两种形式构成控制装置主要由自动控制和手动控制两部分组成。 总体技术方案 毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来，并进行灵活运 。现在的发展趋势是机电一体化，因此，我们的毕业设计是要我们将“机”、“电”、“液”三者合并起来。 “机”即是指机械，机械手的动作过程可以分五部分，即机械手的上升下降、机械手的前伸后缩、机械手的加紧放松、机械手的左转右转、小车的前进后退。这五部分中我们靠机械完成机械手的上升下降动作，即本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦 。丝杆传动是带动滚珠沿螺纹轨道滚动。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运动副相比，有以下特点： 1） 传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达 85%为滑动丝杠副的 3 2） 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，低速时无爬行。 3） 能源预紧 预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。同时增加的摩擦力矩相对不大。 4） 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑 动丝杠副的 4 5） 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸的补偿的膨胀，因此，可以达到较高的定位精度和重复定位精度。 6） 同步性好 用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件。可以得到较好的同步运动。 7） 可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。 8） 不自锁 用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。 9） 经济性差，成本高 由于结构工艺复杂，故制造成本高价格往往以 经过计 算，选择如下： 电动机型号： 率： 杠型号： 7 作分析 工业机械手的机械机构是指它的执行系统，是机械手抓持工件、进行操作及各种运动的机械部件。机械部件主要包括手部，手臂前后伸缩部分，手臂上下升降部分腰 部分以及机座和行走机构。 部 手部：包括杠杆手指，单向作用式握紧油缸等。其工作原理：物体进入手指后，拉杆手油缸作用，通过拉杆带动杠杆手指回转，实现握紧或松开动作。 1) 手臂的前后伸缩部分 手臂的前后伸缩部分由直线油缸带动实现。 当直线 油缸工作时通过活塞杆行程的变化，完成手臂的伸缩运动。 2) 手臂的上下升降部分 手臂的上下升降部分是由电动机、丝杆传动副、立柱等部分组成。 当电动机工作时，通过联轴器转动丝杆，由于丝杆螺母周受到立柱的径向转动限制，使得螺母及手臂架只能作上下运动。 3) 腰转部分 腰转部分主要由转盘和回转油缸组成。 当压力油进入回转油缸时，回转油缸的回转轴回转，通过活塞杆的伸缩带动转盘的转动，从而实现机械手的左右转动， 4) 行走机构 行走机构主要是由电动机、齿轮、带轮等组成。 当电动机工作时，通过齿轮、带轮的传动，带动小车 的轮子转动，从而实现行走。 第三章 机械手的液压部分 “机、电、液”中的“液”即指液压系统。 液压系统相对于机械传动来说，是一门新兴的技术。人类使用水力机械及液压技术虽然已有很长的历史，但是液压技术在机械领域中得以应用并取得迅速发展则是本世纪，特别是第二次世界大战以来的事。由于液压传动具有许多突出的优点，因而目前已广泛的应用在工、农业机械、机床、交通运输、路地行走设备、船舶控制、火炮控制、飞机、导弹等各方面。 液压系统的工作原理 所谓液压系统就是以液体为介质，依靠运动者的液体的压力能来传递力 的。液压系统工作是，液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：油液被输送到液压缸（或液压马达）后，又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式 或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。液压系统必须满足起执行元件在力和速度方面的要求。 液压传动的工作特性 液压系统工作是，外界负载越大（在有效承压面积一定的前提下）所需要的压力也越大，反之亦然。因此液压系统的由压力（简称系统的压力，下同）大小取决于外界负载 。负载大，系统压力大；负载小，系统压力小；负载为零，系统压力为零。另外，活塞或工作台的运动速度（简称系统的速度，下同）取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中油液的体积即流量。流量越大（在有效承压面积一定的前提下）系统的速度越快，反之亦然。流量为零，系统的速度亦为零。液压系统的压力和外在负载，速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性。 液压系统的组成 液压系统由以下五个部分组成： 1）动力元件 它是将原动机输入的机械能转换为液压能的装置。液压泵即为动力元件。 2）执行元件 它是将液体的压 力能转换为机械能的装置，以驱动部件。液压缸和液压马达即为执行元件。 3）控制调节元件 控制调节元件是指各种阀类元件，它们的作用是控制液压系统中油液的压力、流量和方向，以保证执行元件完成预期的工作运动。 4） 辅助元件 辅助元件是指油箱、油管、管接头、滤油器、压力表、流量表等。 5）工作介质 在液压系统中使用液压油（通常为矿物油）。 液压系统的优、缺点 液压系统与机械、电力等传动相比。有以下特点： 1） 能方便的进行无级调速，调速范围大。 2） 体积小，、重量轻、功率大。一 方面，在相同输出功率的前提下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏，这对于液压自动控制系统有重要的意义。另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力（如万吨水压力等）。 3） 控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。 4） 可实现无间隙传动，运动平稳。 5） 因为传动介质为油液，故液体元件有自我润滑作用，使用寿命长。 ） 液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和推广使用。 7）可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而失去了中间的减速装置，使传动简化。 液压传动的主要缺点： 1） 漏 由于作为传动介质的液体是在一定的压力下，有时是在较高的压力下工作的，因此在有相对运动的表面间不可避免要产生泄漏。同时，由于油液并不是不可以压缩的，油管等也回产生弹性变形，所以液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。 2） 震 液压传动中的“液压冲击和空穴现象”会产生很大的震动和噪声。 3） 热 在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失，因而易使油液发热，总效率降低，故液压传动不宜远距离转动。 4） 液压传动性能 对温度比较敏感，故不宜在高温及低温下工作。液压传动装置对油液的污染也较敏感，故要求有良好的过滤设施。 5） 液压元件加工要求高一般情况下又要求有独立的能源（如液压泵站），这些可能使产品成本提高。 6） 液压系统出现鼓故障时不宜追查原因，不宜迅速排除。 综上所述，液压传动由于其优点比较突出，故在工、农业各个部门获得广泛的应用。它的某些缺点随着生产技术的不断发展、提高，正在逐步得到克服。 由于液压传动相对于机械传动有以上几个突出的优点，所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松着三部分动作用液压传动来实现。 四章 回转装置的总体组成及结构设计 回转装置主要由执行件、传递件、驱动件及控制系统四大部分组成。 执行件 本设计选用的是回转台与传递件 链轮共用的一个长平键的心轴。 驱动件驱动传递件 链轮传动，链轮通过共用件将回转运动直接传递给与心轴件联接的回转台，并使之旋转。 递件 本课题中机械手要求作间歇往复回转运动，因此，考虑采用回转曲线传动。 回转传动可分为齿轮传动、带传动和链传动。 齿轮传动虽然效率高，工作可靠，寿命长，结 构紧凑，圆周速度及功率范围广，但制造和安装精度要求较高，不能缓冲，无过载保护，低精度时噪声大。由于本课题中机械手回转精度要求不高，因此，不予考虑。 链传动无弹性滑动和打滑现象，工作可靠，具有准确的平均传动比，传动效率较高，在传动相同功率的情况下，结构较为紧凑，链条张紧力小，作用于链轮轴的力也较小，故链传动能够在低速重载的条件下使用。与齿轮传动相比，链传动制造和安装精度要求较低链传动的主要缺点是不能保持恒定的瞬时传动比，传动平稳性较差，工作时有冲击和噪声，磨损后易发生跳齿，传动中有周期性的重载荷和啮合冲击，不 适合载荷变化很大和急速反向转动的场合。 带传动是一种应用很广的机械传动，虽然结构简单，制作成本低，传动平稳，无需润滑，制造和安装精度要求不高，噪声小，能缓冲吸震，有过载保护作用。 同步带传动是一种啮合型带传动。它具有齿轮传动和摩擦带传动的特点。还具有传递功率大，传动比准确等特点。故多用于要求传动平稳，传动精度较高的场合。 因此回转装置中的运动传递本设计使用同步带传动。 动件 驱动件主要有四种：气动驱动、电气驱动、机械驱动和液压驱动。其中以液压、气动用的最多，占 90%以上；电动、机械驱动用的较 少。 压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用 4别的达到 8大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。 气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑采用同一种形式的动力，出力比 较大；缺点是控制响应速度比较慢。 机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 本课题设计采用液压驱动。利用液压缸带动带动链轮、链条实现回转运 动。设计配有液压总站，与回转装置并排置于小车之上。 控制系统 机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。 控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。 本课题采用电机驱动。利用电动机带动带轮、带轮传动通过齿轮和轴的公用件实现小车的行走运动。 五章 机械传动方案的设计与计算 小车的主要组成部分 1、 驱动系统 采用步进电动机带动同步带与带轮驱动小车沿导轨作径向往复运动 。 2、 执行机构 交换工作台的送出采用液压送出方式，交换工作台应沿相应的轨道送出。 3、 控制部分 采用 其小车示意图如图 图 同步带传动方式优缺点 （一）优点 1、 传动比准确，同步带是啮合传动，工作时无滑动。 2、 传动效率高，效率可达 96%，与 0%以上。 3、 传动平稳，能吸收振动，噪声小。 4、 使用范围广，传动比可达 10，且带轮直径比 V 带小得多，也不需要大的张紧力，结构系统高速大 50m/s ，传递功率 300、 传动比准确，对轴及轴承的压力小，耐油耐磨性好，允许采用较小的带轮直径，较短的中心距和较大是速比。 、 维护保养方便，能在高温，灰尘、水及、腐蚀，介质的恶劣环境中工作，不需润滑。 （二）缺点： 1、 安装要求高。要求二带轮轴线平行。同步在与二带轮轴线垂直的平面内运行。带轮中心距要求较严格。安装不当易发生干涉，爬齿，跳齿等现象。 2、 带与带轮的制造工艺比较复杂，成本受批量影响。 驱动动力源 步进电动机是一种把脉冲信号变换成直线位移或角位移的执行元件，也可以说是一种机 械式的数模转换器，每输入一个脉冲，步进电动机就前进一步，因此称作脉冲电动机 ， 步进电动机的种类繁多，主要分三大类：反应式步进电动机、机床磁式步进电动机以及永磁感应式步进电动机，本是合计采用反应式步进电动机，因为其结构简单，是应用最广泛的一种。 步进电动机能成为现代数字控制系统重要的执行元件。是因为步进电动机本身也在不断发展，性能也在不断完善。其优点如下： 1、 可直接实现数字控制。 2、 控制性能好 3、 无接触式元件，没有电刷和转换器，运行平稳可靠，在步进电动机的负载范围内，步距值不受电源电压的大小，负载大小，波形及周围环境温度变换的影响，抗干扰能力强，能保持运行转速。 4、 误差不长期积累。 5、 反应式步进电动机在一相绕组通电的情况下，具有自锁能力，永磁式步进电动机在不通电的情况下也能保持转矩。 机械传动方案的设计计算 本设计采用一级传动，传动比为 设计计算参照 (下册机械工业出版社出版 )中的第十章链传动和带传动中第五节多楔带和同步带传动中的同步带传动章节。 计数据确定 因为设计车速为 3km/h，考虑到实际车速有 50%的误差，h 折算成米 /秒 应为 s V 车 =s 据实际工作要求取车轮直径为 130因为车速为 s 所以车速也应等于轮子的切向速度 为 V= 0 1000 V 车轮切向速度 V=s d 车轮直径 d=130mm n 车轮转速 所以经计算得 n=60 1000V/ d =60 1000 130=184为车轮转速也等于驱动轴转速 所以 n=184 n 转驱 =184为 T=610 P 驱 /n T 驱动转矩 T=9驱 驱动轴功率 n 驱动轴转速 n=184以经计算得 9 310 =610 184 为 = 驱动轴转速 184 电机轴转速 传动比 所以计算得 驱 184=276 记 276为驱动轴转驱为 所以据实际工作要求选用型号为 130相，步距角为 压为 12/800000步 /S，空载运行频率为 16000步 /因为 610 电机轴转矩 m 电机轴转速 276电 电机功率 所以计算得 610 =310 276/610 =为 总 = 带 联 滚 总 总的传动效率 带 同步带的传动效率 带 = 联 联轴器的传动效率 联 = 滚 滚动轴承的传动效率 滚 =以 总 = 总 =为 总 驱动轴功率 总 总机械传动功率 总 = 电动机实际功率 所以计算得 总 = 为 所以符合工作要求 步带结构的设计计算 1）求出设计功率 因为 m K。 设计功率 名义传递功率也就是电动机功率 P P=。 载荷修正系数 实用机械设计手册（下）表 。所以其附加修正系数为零 所以 ）、选择带的节距 因为 n 电 =276小带轮转速 查实用机械设计手册（下）图 得同步带的节距代号为 H，对应的节距）、确定带轮直径和带节线长 查实用机械设计手册表 H 型带，小带轮转速 76于 9001应为 14 2 因为 =1 传动比 =2 大带轮齿数 小带轮齿数 2 所以 = =22=33 查机电一体化机械系统设计表 3带轮齿数 2 2 小带轮节圆直径 为 1= 同步带节距 1 小带轮齿数 2 所以计算得 22/ 理可得 大带轮节圆直径 择带长 定中心距 a 因为 0.7( a 2(大带轮节圆直径 小带轮节圆直径 以 a 436.6 420 a=420为 (2 (180 定 角 因为 =(a) 所 以 =( 420)=3 所以 a=420 =3 所以 420 (2 3. （ 343 2 =1184线长 184实用机械设计手册（下）表 整后 选用长度代号为 510 齿数 02的同步带 4)、传动中心距 因为 M=(2M 修正系数 同步带节距 b 同步带齿数 02 大带轮齿数 2 小带轮齿数 2 所以计算得 M=(21 102 M=为 a=M+ /)(8/1 2122 2 =476mm a=476以节线长 传动中心距 a=476)、选择标准带宽 确定小带轮齿数 2 小 带轮转速 84实用机械设计手册 (下 )表 型带的基准额定功率 P。=定实际带宽 为 Pd/P。） 标准带宽 查实用机械设计手册 (下 )表 =d 设计功率 2 啮合齿数系数 据实际工作要求 所以 =实用机械设计手册表 标准为 标准宽度代号为 100 宽度极限偏差为 定带宽系数 为 bs/) 所以 w=定额定功率 P 因为 P=P。 啮合齿数系数 带宽系数 。 基准额定功率 P。 =以计算得 P=为 P 所以满足设计要求 带的圆周速度 因为 V= 0 1000 带的节距 1 小带轮齿数 2 带轮转速 76r/以计算得 V=22 276/60 1000=s 工作能力验算 因为 P=(m )V 103 啮合齿数系数 带宽系数 a 许用工作拉力 查实用机械设计手册表 a=m 单位长度质量查实用机械设计手册表 m= 1 ( 000=为 P 以额定功率大于设计功率故带的传动能力足够。 最小轴径的确定 因为 A 修正系数查简用机械设计手册表 14的材料为 45 钢 A 为118 P 传递功率为 n 驱动轴转速为 184r/以 1183 184/13mm 0)结果整理 选用 s=带轮 Z=22 d=带轮 Z=32 d=动的中心距 a=476的长度带号为 510 宽度带号为 100 其余查实用机械设计手册表 表 小轴径为 30六章 零件加工编程 6 1 数控车床加工程序编制基础 数控车床是目前使用最广泛的数控 机床之一。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过
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