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车床 机械手 结构设计

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车床上料机械手结构设计,车床,机械手,结构设计

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一、选题背景1. 题目来源：工业机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，它可以代替手的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。有着广阔的发展前途。本课题通过对机械手进行结构和液压传动原理设计，实现自动取料、将工件送入收料盘等运动。机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。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 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 2. 应用性：1、提高生产过程的自动化程度，应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2、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、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，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地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3、减少人力，便于有节奏的生产应用机械手代替人手进行工作，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地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产3. 先进性：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(张志献，2002)。生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故（杨永清等，2008）。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并且很快已成为现代机械制造生产体系中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科体系机械手工程。机械手设计到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等很多学科领域，是一门跨学科综合技术。4. 发展前景：机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手在未来的发展主要是向着以下四个方面来进行革新：1重复高精度重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。2模块化 模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。3节能化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。4机电一体化 由“可编程控制器传感器液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制” ；节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。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以及微型计算机。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。随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。二、设计方案1. 设计的主要内容：此次设计的机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手臂的上下能够升降，手臂的回转运动和伸缩运动及手部的夹持运动，本次设计的机械手主要用于车床上料工作，进行车床自动上料生产，机械手手部通过液压驱动夹持自动上料。2.设计方案：1、收集相关资料，并对现有的资料进行研究分析，进而分析自己完成本课题还存在哪方面的困难，除了现有的知识外还应该具备哪些新的知识。2、选定自己适合和熟悉的制图软件，对选定的工具进行深入的学习及具体实践。3、对驱动油路进行仔细研究，了解液压驱动原理。4、机械结构的分析，根据要求设计出合理轻便的机械手。5、完成工业机械手各个零部件的组装和装配图。 三、进度安排第一阶段：设计准备工作，收集、准备参考资料，查阅文献，完成开题报告。 （2011.03.01 03.15）第二阶段：完成所有设计的结构设计和计算任务。 （2011.03.16 04.13）第三阶段：CAD图纸的绘制。 (2011.04.14 05.15)第四阶段：完成毕业设计说明书的撰写。 (2011.05.16 05.25)第五阶段：毕业设计修改、答辩准备工作及毕业答辩。(2011.05.26 06.10)四、参考文献【1】李允文主编工业机械手设计 机械工业出版社【2】成大先主编机械手设计手册 化学工业出版社【3】胡仁喜 刘昌丽 康士廷等编著Pro/E工业设计实用详解 电子工业出版社【4】（美）J.达菲著 廖启征 刘新升等译机构和机械手分析 北京邮电学院出版社【5】陆祥生 杨秀莲机械手原理及应用 中国铁道出版社【6】（苏联）.别洛夫 .库利达著 闻清译机械手 原子能出版社【7】（日本）加藤一郎编著 上海交通大学机械手及机器人研究室译机械手图册 上海科学技术出版社【8】田绿竹 王新主编机械制图 冶金工业出版社【9】张建民工业机械人 北京理工大学出版社【10】柴鹏飞主编机械手设计基础 机械工业出版社【11】吴宗泽 罗国圣主编机械设计课程设计手册 高等教育出版社指导教师意见：指导教师签字： 年 月 日毕业设计（论文）领导小组意见： 负责人签章： 年 月 日7摘 要摘要本课题是为普通车床配套而设计的上料机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对现实工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要的作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻了工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频率、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更现实其优越性，有着广泛的发展前途。本课题通过应用autocAD技术对机械手进行总体方案设计和液压传动原理设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持手部结构，设计了机械手的手腕结构，设计了机械手的手臂结构。他能实际自动上料运动，上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。关键词：机械手；手部设计；结构设计；IAbstractAbstractThis topic is designed for ordinary lathe supporting the feeding manipulator. Industrial manipulator is the inevitable outcome of the industrial production, it is a kind of imitation upper part of the body, according to the predetermined requirement function of conveying work-piece or operated holding tools to reality technical equipment, automation, promote industrial production automation of the further development of industrial production plays an important role. Thus has strong vitality wide attention by the people and welcome. Practice has proved, industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity of the workers, improve working conditions, and improve labor productivity and automation level. Industrial production in the bulky workpiece often appear handling and long-term frequency, drab operation, using manipulator is effective. In addition, it can be in high temperature, low temperature and deep water, the universe, radioactive and other toxic, environmental pollution condition of operation, the more realistic its superiority, has wide development prospect This topic through the application of manipulator in overall autocAD technology design and hydraulic transmission principle design of manipulator, sure, and freedom coordinates determined the technical parameters of manipulator. Meanwhile, the design of clamping manipulator hand structure, design of manipulator wrist structure, design of manipulator arm structure. He can actual automatic feeding movement of the manipulator, feeding velocity according to satisfy the requirement is set to productivity. KeyWords：manipulator；handing structure ；structure designV目 录目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 工业机械手概述11.1.1 机械手的应用性21.1.2机械手先进性31.1.3国内外研究现状和趋势31.2设计目的51.3课题内容和设计要求51.4 机械手的系统工作原理及组成72 机械手整体设计方案论证102.1 机械手的整体设计102.1.1 机械手总体结构类型102.1.2机械手的坐标形式与自由度112.1.3设计具体采用方案122.2机械手腰座结构设计132.2.1机械手腰座结构设计要求132.2.2设计具体采用方案142.3机械手手臂结构的设计152.3.1机械手手臂设计要求152.3.2设计具体采用方案162.4机械手腕部的结构设计162.4.1机器人手腕结构的设计要求162.4.2设计具体采用方案172.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计182.5.1机械手末端执行器的设计要求182.5.2机器人夹持器的运动和驱动方式192.5.3机器人夹持器的典型结构192.5.4设计具体采用方案202.6机械手的机械传动机构的设计202.6.1工业机器人传动机构设计应注意的问题202.6.2工业机器人常用的传动机构形式212.6.3设计具体采用方案242.7机械手驱动系统的设计252.7.1机器人各类驱动系统的特点252.7.2工业机器人驱动系统的选择原则252.7.3机器人液压驱动系统262.7.4机器人气动驱动系统272.7.5机器人电动驱动系统292.7.6设计具体采用方案312.8机器人手臂的平衡机构设计312.8.1机器人平衡机构的形式312.8.2设计具体采用的方案322.9机械手的主要技术参数323 机械手设计计算343.1 夹持式手抓的设计计算343.1.1 手抓部力的计算343.1.2手部加紧油缸的确定353.2腕部设计353.2.1腕部的设计要求：353.2.2腕部的结构：363.3臂部设计403.3.2臂部结构453.3.3臂部伸缩运动结构453.3.4臂部伸缩油缸的计算473.3.5 臂部回转运动493.3.6臂部升降运动503.3.7臂部升降油缸的计算514 机械手的其他部分装置544.1 缓冲定位装置545 机械手总体方案总结565.1 传动方案的确定565.2 规格参数565.3结构特点566 毕业设计感想59参考文献60致 谢611绪论1 绪论机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已经成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，他更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好的实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类的劳动强度，提高生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。把车床设备和机械手组成一个共同的机械加工制造单元，适用于中小批量生产，可以节省庞大的工件运输装置，结构紧凑且实用性强。目前，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是十分有意义的。1.1 工业机械手概述机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。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。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。气压传动机械手是一压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：介质来源极为方便，输出力小，动作迅速，结构简单，成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓中一般在30公斤以下，在同样抓重条件下比液压机械手结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。1.1.1 机械手的应用性1、提高生产过程的自动化程度，应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2、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、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，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地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3、减少人力，便于有节奏的生产应用机械手代替人手进行工作，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地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产1.1.2机械手先进性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(张志献，2002)。生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故（杨永清等，2008）。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并且很快已成为现代机械制造生产体系中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科体系机械手工程。机械手设计到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等很多学科领域，是一门跨学科综合技术。1.1.3国内外研究现状和趋势机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手在未来的发展主要是向着以下四个方面来进行革新：1重复高精度重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。2模块化模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。3节能化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。4机电一体化由“可编程控制器传感器液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。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以及微型计算机。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。随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。1.2设计目的毕业设计是学生完成本科专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定的意义。其主要目的：培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维。掌握工程设计的一般程序规范和方法。培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。1.3课题内容和设计要求（一）原始数据及资料（1）原始数据：A.生产纲领：100000件B.自由度（四个自由度） 臂转动180 臂上下运动600mm 臂伸长（收缩）500mm 手部转动90（2）设计要求：a、上料机械手结构设计图、装配图、各主要零件图（一套）b、设计计算说明书（一份）（3）技术要求主要参数的确定：a、坐标形式：直角坐标系b、臂的运动行程：伸缩运动500mm，回转运动180。c、运动速度：使生产率满足生产纲领的要求即可。d、控制方式：起止设定位置。e、定位精度：3mm。f、手指握力：60kgg、驱动方式：液压驱动。（二）料槽形式及分析动作要求（1）料槽形式由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自重输送的输料槽,如图1机械手安装简易图所示，该装置结构简单，不需要其它动力源和特殊装置，所以本课题采用此种输料槽.图1 机械手安装简易图（2）动作要求分析动作一：手臂伸长（小段距离）至料区动作二：手爪夹紧动作三：手臂上升动作四：手腕旋转动作五：手臂旋转（对准车床卡料区）动作六：小臂伸长（至车床卡料区） 动作七：机座移动（棒料送入卡盘） 动作八：手部松开 动作九：小臂缩回 动作十：手腕回转 动作十一：机座移回 动作十二：手臂回转 动作十三：手臂下降1.4 机械手的系统工作原理及组成机械手的系统工作原理框图如图2所示。图2 机械手的系统工作原理框图机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置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达到设定位置.(一)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。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。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，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)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达到设定位置。532 机械手整体设计方案论证2 机械手整体设计方案论证2.1 机械手的整体设计2.1.1 机械手总体结构类型工业机器人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。1.直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图3.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2.圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人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3.b。这种机器人构造比较简单，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.球坐标机器人结构球坐标机器人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3.c。这种机器人结构简单、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.关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图3.d。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人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器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。图3 机械手总体结构类型2.1.2机械手的坐标形式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式（图4）、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于车床上了机械手在上料时手臂具有升降、收缩及回转运动（图5），因此，采用圆柱坐标式相应的机械手具有三个自由度。图4 机械手直角坐标系图5 机械手手腕转动形式2.1.3设计具体采用方案对机械手的基本要求是能快速、准确地拾、放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用上料机械手（如图6所示），是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。图6 通用车床上料机械手整体结构2.2机械手腰座结构设计进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。2.2.1机械手腰座结构设计要求工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：1.腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2.腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。3.机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。5.腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。6.为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。2.2.2设计具体采用方案腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图7所示：图7 腰座具体结构2.3机械手手臂结构的设计按照抓取工件的要求，车床上料机械手的手臂有三个自由度，及手臂的伸缩、左右回转和降（或俯仰）运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动有气缸来实现。2.3.1机械手手臂设计要求机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。3.为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。4.机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。6.机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。2.3.2设计具体采用方案机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。2.4机械手腕部的结构设计机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。2.4.1机器人手腕结构的设计要求1.机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。2.机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。3.机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。4.机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。5.要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。6.手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。2.4.2设计具体采用方案通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手指结构见图8。图8 车床上料机械手手指2.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计2.5.1机械手末端执行器的设计要求机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题；1.机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。2.机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3.机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机器人多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。4.通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。5.机器人末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机器人执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节）。2.5.2机器人夹持器的运动和驱动方式机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。机器人夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种1.气动驱动方式这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。2.电动驱动方式电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。3.液压驱动方式液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。2.5.3机器人夹持器的典型结构1.楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。2.滑槽式手爪当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。3.连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。4.齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。5.平行杠杆式手爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。2.5.4设计具体采用方案结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为80-130mm来设计。手爪的具体结构形式如图9所示：图9 手爪的具体结构2.6机械手的机械传动机构的设计2.6.1工业机器人传动机构设计应注意的问题机器人是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构。除直接驱动型机器人以外，机器人各联杆及各关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机构进行驱动的。机器人所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传动部件直接影响着机器人的精度、稳定性和快速响应能力，因此，应设计和选择满足传动间隙小，精度高，低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、谐振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。在设计机器人的传动机构时要注意以下问题：1.为了提高机器人的运动速度及控制精度，要求机器人各运动部件的重量要轻，惯量要小。因此，机器人的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小。2.在传动链及运动副中要采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。3.系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减小。因此，要采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如滚珠丝杠副、滚动导向支承等。4.缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接，以减小中间传动机构；丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。5.选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。6.缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形等措施。7.适当的阻尼比，机械零件产生共振时，系统的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰减越快；但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精度降低。故在设计时要使传动机构的阻尼合适。2.6.2工业机器人常用的传动机构形式1.齿轮传动机构在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。机器人系统中齿轮传动设计的一些问题（1）齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩。故齿轮传动系统要有足够的刚度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需的转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。齿轮的啮合间隙会造成传动死区（失动量），若该死区是闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常使系统产生低频振荡，因此要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮；为尽量降低制造成本，要采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性。（2）各级传动比的最佳分配原则。当计算出传动比后，为使减速系统结构紧凑，满足动态性能和提高传动精度的要求，要对各级传动比进行合理的分配，原则如下：a输出轴转角误差最小原则。为了提高齿轮传动系统的运动精度，各级传动比应按“先小后大”的原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为，则（2-1）式中：-第个齿轮所具有的转角误差；-第个齿轮的转轴至n级输出轴的传动比。则四级齿轮传动系统的各级齿轮的转角误差（、.、）换算到末级输出轴上的总转角误差为（2-2）由此可知总转角误差主要取决于最末级齿轮的转角误差和传动比的大小。因此，在设计中最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高其加工精度。b等效转动惯量最小原则。利用该原则设计的齿轮系统要使换算到电动机轴上的等效转动惯量最小，各级传动比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其结构紧凑。具体而言有几点：（1）对要求运动平稳，起停频繁和动态性能好的伺服系统，按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。（2）对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪音和振动。（3）对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系统，按总转角误差最小原则；对于增速传动，由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大于1:3，以有利于增加轮系的刚度，减小传动误差。（4）对以比较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系结合为混合轮系。对于相当大大传动比、并且要求传动精度与传动效率高，传动平稳以及体积小重量轻时。可选用新型的谐波齿轮传动。2.谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。3.螺旋传动螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%40%）。后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%98%），其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。在选用滚珠丝杠要考虑以下几项指标：（1）滚珠丝杠的精度等级；（2）滚珠丝杠的传动间隙允许值和预加载荷的期望值；（3）载荷条件（静、动载荷）以及载荷允许值；（4）滚珠丝杠的工作寿命；（5）滚珠丝杠的临界转速；（6）滚珠丝杠的刚度；减小滚珠丝杠空回行程的方法，多是采用双螺母结构，使螺母与丝杠之间有一定的预加载荷。这样可以消除传动间隙，提高传动精度与刚度。但是预加载荷会使滚珠丝杠寿命下降，所以，预加载荷不应超过工作载荷的1/3。4.同步带传动同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。5.钢带传动钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。6.链传动在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。7.钢丝绳轮传动钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。2.6.3设计具体采用方案具体到本设计，因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂和垂直手臂，由于液压缸实现直接驱动，它既是关节机构，又是动力元件。故不需要中间传动机构，这既简化了结构，同时又提高了精度。而机械手腰部的回转运动采用步进电机驱动，必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较，选择圆柱齿轮传动，为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，同时较大的降低电机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。2.7机械手驱动系统的设计2.7.1机器人各类驱动系统的特点工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。1.液压驱动系统由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。2.气动驱动系统具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。3.电动驱动系统由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。2.7.2工业机器人驱动系统的选择原则设计机器人时，驱动系统的选择，要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下：1.物料搬运（包括上下料）使用的有限点位控制的程序控制机器人，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。2.用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人，要求具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。2.7.3机器人液压驱动系统液压系统自1962年在世界上第一台机器人中应用到现在，已在工业机器人中获得了广泛的应用。目前，虽然在中等负荷以下的工业机器人中大量采用电机驱动系统，但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系统的还仍然占有很大的比例。液压系统在机器人中所起的作用是通过电-液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制，进而控制机器人手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达，连续回转的液压马达用得很少。在工业机器人中，中、小功率的液压驱动系统用节流调速的为多，大功率的用容积调速系统。节流调速系统，动态特性好，但是效率低。容积调速系统，动态特性不如前者，但效率高。机器人液压驱动系统包括程序控制和伺服控制两类。1.程序控制机器人的液压系统这类机器人属非伺服控制的机器人，在只有简单搬运作业功能的机器人中，常常采用简易的逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实现有限点位的控制。这类机器人的液压系统设计要重视以下方面：（1）液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸的寿命。（2）定位点的缓冲与制动：因为机器人手臂的运动惯量比较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁定装置。（3）对惯量比较大的运动轴的液压缸两侧最好加设安全保护回路，防止因碰撞过载而损坏机械结构。（4）液压源应该加蓄能器，以利于多运动轴同时动作或加速运动提供瞬时能量储备。2.伺服控制机器人的液压系统具有点位控制和连续轨迹控制功能的工业机器人，需要采用电-液伺服驱动系统。其电-液转换和功率放大元件有电-液伺服阀，电-液比例阀，电-液脉冲阀等。由以上各类阀件与液压动力机构可组成电-液伺服马达，电-液伺服液压缸，电-液步进马达，电-液步进液压缸，液压回转伺服执行器（RSA-RotoryServeActuator）等各种电-液伺服动力机构。根据结构设计的需要，电-液伺服马达和电-液伺服液压缸可以是分离式，也可以是组合成为一体。如果是分离式的连接方式，要尽量缩短连接管路，这样可以减少伺服阀到液压机构间的管道容积，以增大液压固有频率。在机器人的驱动系统中，常用的电-液伺服动力机构是电-液伺服液压缸和电-液伺服摆动马达，也可以用电-液步进马达。液压回转执行器是一种由伺服电机，步进电机或比例电磁铁带动的一个安放在摆动马达或连续回转马达转子内的一个回转滑阀，通过机械反馈，驱动转子运动的一种电-液伺服机构。它可安装在机器人手臂和手腕的关节上，实现直接驱动。它既是关节机构，又是动力元件。2.7.4机器人气动驱动系统气动机器人采用压缩空气为动力源，一般从工厂的压缩空气站引到机器人作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机器人具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中、小型零件的输送和自动装配等作业，食品包装及运输，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机器人中的。这类机器人多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构；3-5个自由度；负荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重复定位精度为0.1-0.5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器（PLC）。在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成。1.气源由总压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站的条件，可以按机器人及配套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。2.气动三联件由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是一般情况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增加使用寿命。3.气动阀气动阀的种类很多，在工业机器人的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。4.气动执行机构多数情况下使用气缸（直线气缸或摆动气缸）。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外（如手爪机构上用的），多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点位置缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机器人机构的连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等）由设计机器人时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机器人的运动分析和动力分析进行计算。为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降低摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机器人中用得比较多还有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。5.制动器气动机器人的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气缸活塞的运动速度容许达1.5m/s，如果气缸以1m/s的速度计算，电磁气阀以较大关闭时间70ms计，那么气缸活塞两个停点的距离约为70mm，两个停点的步长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀，吸合关闭时间较小，停点的步长也要相应缩短。因此对机器人一个单自由度而言，停点数目最多6-9个。为增加定位点数，除采用多位置气缸外可采用制动的方法还有：反压制动，制动装置制动。6.限位器气动机器人各运动轴的制动和定位点到位发讯，可由编程器发指令，或由限位开关发讯。根据要求和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限位开关是无接触接近开关，这种开关的反映时间小于20ms，在机器人中应用比较理想。当气缸活塞运动到定位点时，为保证定位精度，需要将运动轴锁紧。常用的限位机构是由电磁阀控制的气缸带动锁紧机构（插锁，滑块等）将机器人运动机构锁定。再启动时，事先打开锁紧机构。2.7.5机器人电动驱动系统这些年来，针对机器人，数控机床等自动机械而开发的各种类型的伺服电动机及伺服驱动器的大量出现，为机器人驱动系统的更新创造了条件。由于高起动力矩、大转矩低惯量的交、直流电机在机器人中的应用，因此一般情况下，负重在100kg以下的工业机器人大多数采用电动驱动系统。其驱动原理方块图如下所示：在机器人驱动系统中应用的电动机大致可分为如下类型：小惯量永磁直流伺服电动机，有刷绕组永磁直流伺服电动机，大惯量永磁直流伺服电动机（力矩电机），反应式步进电机，同步式交流伺服电动机，异步式交流伺服电动机。速度传感器多数用的是测速发电机，位置传感器多数用光电编码器。伺服电动机可与测速发电机、光电编码器、制动器、减速器相结合，实现部分组合、由几种组合或全部组合，形成伺服电动机驱动单元。为了提高机器人的传动精度，国外近几年开发了直接驱动电动机，并将多级旋转变压器组合在一起，这种旋转变压器每转可达40-60万个脉冲，这种直接驱动的电机（DD驱动电机）在快速高精度定位的装配机器人中已经得到应用。1.机器人驱动系统电机的选择机器人的驱动系统电机的选择要根据机器人的用途、功能、结构特点，结合各类电机自身的特点、性能、结构特点以及性能价格比等综合考虑进行。根据机器人各运动轴所计算的、要求电机的转速、负载额定力矩、加减速特性、额定功率、加速功率等参数选择电机型号。有关各类驱动电动机主要特点及性能、结构特点、用途及使用范围、适用的驱动器见表1：表1名称主要特点及性能结构特点用途及使用范围驱动器惯量直流永磁伺服电动机电机的惯量小，理论加速度大，快速反应性好，低速性好，调速比可达1：10e4范围，但低速输出力矩不大，转子直径小，惯量小适用于对快速性要求严格而负载力矩不大的场合直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器有刷绕组永磁直流伺服电动机转动惯量小，快速响应性能好；转子无铁损，效率高；换向性能好，寿命长；负载波动对转速影响小，输出力矩平稳。无铁心，具有轴向平面间隙可频繁起制动、正反转工作，响应迅速，适用于机器人，数控等直流PWM伺服驱动器，SCR变压驱动器大惯量永磁直流伺服电动机输出力矩大，转矩波动小，机械特性硬度大，可以长时间工作在堵转条件下又称力矩电机，其转子较粗适用于驱动力矩较大的场合，因可不用齿轮传动，消除了齿轮间隙直流PWM伺服驱动器，SCR变压驱动器表2反应步进电 机将电脉冲信号直接转换成转角，转角与脉冲数成正比，输出力矩也较大电机转子无转租，由永磁体构成转子磁极用于数字系统中作为执行元件，如数控机床、机器人；开环控制直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器同步交流伺服电动机转速与定子绕组所建立的旋转磁场严格同步；从低度到高速，定子绕组可通过大电流，故起、制动转矩不降低，可频繁起、制动转子由永久磁铁做成，定子有三相，转子比较细主要用于中小容量的伺服驱动系统中，如数控、机器人等系统中交流PWM变频调速器异步交流伺服电动机转速永远低于定子绕组所建立的旋转磁场，机构简单，容量大，价格低定子由对称三相绕组组成，用于数控机床主轴等容量大的场合交流PWM变频调速器2.机器人电动驱动系统伺服驱动器（1）直流电机伺服驱动器直流伺服电机驱动器目前多采用脉冲宽度调制（PWM）伺服驱动器。其电源电压为固定不变值，由大功率三极管作为开关元件，以固定的开关频率动作，但其脉冲宽度可以随电路控制而改变，改变了脉冲宽度也就可以改变加在电机电枢两端的平均电压，从而改变了电机的转速。这种伺服驱动器一般由电流内环和速度外环组成。末级采用大功率三极管构成桥式开关电路。PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好，响应快、效率高、过载能力强等特点。目前已广泛应用于各类数控机床、工业机器人及其它机电一体化产品中用做直流伺服电机的驱动。（2）步进电机驱动器步进电机的控制装置主要包括脉冲发生器，环行分配器和功率放大器等几部分组成。脉冲发生器可以按照起、制动及调速要求改变频率、以控制步进电机。环行分配器是控制步进电机各绕组按一定的次序通过的环节。它的作用是把脉冲发生器送来的一系列脉冲信号按照一定的循环规律依次分配给各绕组，以使步进电机按着一定的规律运动。功率放大器的作用是将环行分配器输出的毫安级电流放大成安培级电流以驱动步进电机。目前功率放大器多采用高低压驱动电路。这种电路有高、低压二组电源。当绕组刚通电瞬间让绕组接通高电压，从而使各相电流迅速建立。而当达到步进电机额定电流时仅以低电压给各相绕组供电。高电压加入的时间长短由控制电路来实现。2.7.6设计具体采用方案具体到本设计，在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素。机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，故采用步进电机驱动来实现；因为采用液压执行缸来做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液压驱动；同时考虑随着机床加工的工件的不同，水平手臂伸出长度是不同的。因此，要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。2.8机器人手臂的平衡机构设计直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机器人可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机器人手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。2.8.1机器人平衡机构的形式通常，机器人所采用的平衡机构主要有以下几种：1.配重平衡机构这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机器人手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机器人手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。2.弹簧平衡机构弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。3.活塞推杆平衡机构活塞式平衡系统有液压和气动两种：液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。2.8.2设计具体采用的方案因为本设计机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。2.9机械手的主要技术参数一.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用液压方式驱动，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量有时会大于30kg。二.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.0m/s。最大回转速度设计为90/s。平均移动速度为0.8m/s。平均回转速度为60/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1400mm。手臂升降行程定为120mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为3mm。三.用途:用于自动输送线的上料，实现生产线自动化装配。1、爪重 10kg2、自由度数 4个自由度3、座标型式 圆柱座标4、手臂最大中心高 1200mm5、手臂运动参数 伸缩行程500mm 伸缩速度200mm/s 升降行程600mm 升降速度150mm/s 回转范围0180 回转速度60/s手腕运动参数 回转范围090 回转速度45/s8、手指夹持范围 工料:90-120mm9、定位方式 行程开关或可调机械档等10、定位精度 3mm 11、驱动方式 液压驱动3 机械手设计计算3 机械手设计计算3.1 夹持式手抓的设计计算3.1.1 手抓部力的计算1夹紧力的计算夹紧力 （3-1）式中：安全系数一般取1.22；为动载系数，主要考虑惯性力的影响。可以近似的按下式估算，其中为被抓取工件的最大加速度，为重力加速度；方位系数；被抓取工件的重量60kg。根据本次所设计的手爪结构设=1.5，（3-2）（3-3）所以N=2.56KN（3-4）取=0.87，为机械传动效率，由摩擦等因素产生。（3-5）3.1.2手部加紧油缸的确定手部加紧油缸直径D因为（3-6）据表选取活塞杆直径d=0.47D，压力油工作压力P=294牛顿/厘米，所以mm根据表（查表21-6-2）油缸内径系列（GB/T2348-1933）取油缸内径为63mmD=63mm则活塞杆直径为： 根据表（查表21-6-2） 活塞杆直径系列（GB/T2348-1933）取活塞杆直径为32mm 3.2腕部设计腕部是连接手部和臂部的构件，它有独立的自由度，使机械手适应复杂动作的要求。腕部的动作有绕X轴运动称为回转；绕Y轴运动称为俯仰；绕Z轴运动称为左右摆动；还可有沿Y轴方向移动的自由度。3.2.1腕部的设计要求：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，则可使机械手结构简单、制造方便和成本降低。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，回转时少有偏心（特别是高速回转时），使机械手的离心力增加，臂部振动加大，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，以保证手爪处于水平位置，不影响手爪的工作。还要根据加工工艺的要求，设计腕部在Y轴方向的移动运动。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轴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动。总之，腕部自由度的选取应在臂部自由度确定以后，再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的综合分析，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。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。3.2.2腕部的结构：1腕部回转运动结构用回转缸实现小于的回转运动用回转缸的结构实现腕部的回转，图10是其应用的一例。图中件号9为回转油缸的动片，它的回转带动两手爪6驱使工件翻转或。应用回转缸使腕部回转的机械手较多，因其结构简单。图10 手腕回转结构图2腕部左右摆动结构根据工件的工艺要求，需要手腕做左右摆动。对于抓取非中心对称的工件，当手臂回转时，工件方位变化，往往需要用手腕左右摆动予以补偿。本次设计的机械手，它的腕部只需实现小于的回转运动，因此可以采用回转油缸。图11是实现该腕部运动的回转油缸的截面图。回转油缸的两个油孔分别进压力油时，推动动片连同转套一起回转，转套的端部通过牙嵌式联轴器把旋转运动传递到回转轴，转轴端部的法兰盘与手部用螺钉联结，故手部和转套即实现手部的回转运动。手腕回转油缸其摆角可达，实际使用为，其位置检测由行程开关实现，并由挡块定位。为了使手部夹持热工件的手指远离油缸，此处采用了隔离套，减少热锻件的热量对油液的影响，以保证油缸的正常工作和密封。图11 手腕回转油缸截面图手腕回转缸的尺寸及其校核1.尺寸设计缸长度设为b=100mm，缸内径为D=96mm，半径，轴颈，半径缸运行角速度，加速度时间T=1.0s，压强，则力矩为：（3-7）2.尺寸校核（1）测定参与手腕转动的部件的质量，分析部件的质量分布情况，质量密度等分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （3-8）工件的质量为60kg，质量分布于长L=600mm的棒料上，那么转动惯量：（3-9）假如工件中心与转动轴线不重合，对于长L=600mm的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为：（3-10）（3-11）（2）手腕转动件和工件的偏重对转动线所产生的偏重力矩为，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线，则：（3-12）（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承f=0.1，为手腕转动轴的轴颈直径，=30mm，=20mm，为轴颈处的支撑反力，粗略估计=3000N，=1500N， （3-13）（4）回转缸的动片与缸径、定片、端盖等密封装置的摩擦阻力矩，与选用的密衬装置类型有关，应根据具体情况加以分析。在此次估计为的3倍，所以 （3-14），经计算5.03 （，缸筒外径公差余量mm。腐蚀余量mm。D缸筒内径mm。缸筒外径mm。缸筒内最高工作压力，。缸筒材料的许用应力，。缸筒材料的抗拉强度，。 n是安全系数，通常取n=5。）设计壁厚为，足以满足要求。（3）活塞杆直径计算（3-21）取d=40mm按强度条件校核（3-22）现d=40mm9.28mm所以强度满足要求。（4）液压缸的流量计算流量有杆腔 则 3.3.5 臂部回转运动臂部的运动，除了手臂的前后伸缩运动外还有回转运动。本次设计的机械手，它的臂部的回转运动是一种单回转运动。有的机械手不是单回转运动而是复合式的运动，在此不考虑复合运动。实现单回转运动可以有以下几种方案。（1）回转缸回转缸又称摆动缸。应用回转油缸要比齿轮齿条带动机械手回转结构简单，轻巧美观。但是，由于回转缸的动片与缸体之间配合精度要求较高，加工比较困难，如果精度达不到要求，就会造成严重泄漏，影响正常运转，必须严加密封。（2）齿轮齿条直线缸回转结构齿轮齿条结构是通过齿条的往复运动，带动齿轮回转，其驱动源可以是液压或气压驱动。（3）回转油缸行星齿轮结构它是由回转油缸（摆角230），动片与转轴固接在一起，转轴用键与行星齿轮联结，中心轮套在基座上，中心轮是固定不动的。回转油缸与手臂固结在一起。驱动回转油缸回转又带动手臂绕O-O轴回转，形成转臂，故行星轮，中心轮和手臂组成一个行星轮系。这个传动是降速的，如行星轮回转为角度，则手臂转角为： （3-23）式中：行星轮的齿数；中心轮的齿数。这种结构的优点是：由于它的回转传动是降速的，因此扭矩大，同时定位精度也较高；它装在外部调整使用方便，维修容易。通过对以上几种方案的了解和论证，回转油缸行星齿轮结构的方案最优。该机械手的臂部回转结构采用行星齿轮结构。3.3.6臂部升降运动一般圆柱坐标式，直角坐标式有升降运动，球坐标式有时为了增加提高高度，也有升降运动。由于本次设计的机械手采用的圆柱坐标式，所以，手臂的升降运动是必不可少的。（1）升降运动机构配置形式a升降机构设在机座内对于中小型规格机械手，多采用这种结构，手臂靠自重下降。b升降机构设在机座上方一些机械手的升降行程比较大，需设计立柱式结构，支撑升降运动机构，其轮廓尺寸相对比较大。但是在升降行程较大的情况下，手臂悬伸在最大位置时，使手臂对驱动点的偏重力矩很大，不利于升降运动。图14 为其机构示意图。图14 升降机构设在机座上方c升降机构放在可缩放的 机构的平台上这种结构的优点是整个机形高度可以较低，手臂的高度大致就是机械手的高度，手臂回转的转动惯量可以较小，不需升降导向支撑，结构比较紧凑，提升行程大。d升降机构采用直线缸本次设计的机械手手臂升降机构也采用直线缸，它的结构如图15，它设有导向套，其导向性能好，刚性大，工作平稳，活塞杆顶部为球铰链连接，当导套因负载偏斜时，不致于活塞杆歪斜。图15 机械手的升降液压缸结构图3.3.7臂部升降油缸的计算（1）液压缸主要参数的确定液压缸的工作压力为p=2.94Mpa，推力F=24000N 液压缸的机械效率，一般取=0.95，缸筒内径：根据表（查表21-6-2）油缸内径系列（GB/T2348-1933）取油缸内径为110mmD=110mm（D缸筒内径，速比，根据压力，按表21-6-3选取） 往返速比 = 则根据表（查表21-6-2）油缸内径系列（GB/T2348-1933）取活塞杆直径为按标准取d=63mm；D=115mm则液压缸的有效面积无杆腔 有杆腔 （2）缸筒壁厚计算一般按薄壁缸筒计算，壁厚按下式确定式中：D液压缸内径（m）；p液压缸最高工作压力（MPa）；缸筒材料的许用应力（MPa），=；材料的抗拉强度极限（MPa）；n安全系数，一般可取5。缸筒壁厚为 查表取，可用薄壁缸筒实用公式，经计算7.5 （，缸筒外径公差余量mm。腐蚀余量mm。D缸筒内径mm。缸筒外径mm。缸筒内最高工作压力，。 缸筒材料的许用应力，。 缸筒材料