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毕业设计（论文）中期报告题目：数控车床上下料机械手设计一设计（论文）进展状况1手部夹紧液压缸的设计(1) 运动实现形式的分析手臂通过液压缸的升降运动带动活塞的上下运动从而实现手指的夹紧与松开，从而实现对被抓取工件的抓取和放下。(2) 手部驱动力计算手指加在工件上的内撑力，是设计手部的主要依据，必须对其大小，方向和作用点进行分析，计算，一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静栽荷以及工件运动状态变化所产生的载荷，以使工件保持可靠的状态。GKFN321确定液压缸的直径 Dpds)(42选取活杆直径 5.0(3) 壁厚的设计缸筒直接承受液压油压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径比小或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: 2DP式中: 缸筒壁厚液压缸内径D2.升降液压缸的设计(1) 驱动力计算根据手臂升降运动的驱动力公式 ，其中，由于手臂运动从静止开始，所以, 摩擦系数:设计液压缸材料为 45 钢，活塞材料为 45 钢，查有关手册可知v.质量计算:手臂升降部分主要由升降液压缸、元件组成。 ，可估其质量，同170f时测量设计的有关尺寸，得知升降部分夹紧物体时其质量为 ，放松物件后其质kg70量为 .接触面积: kg4205.mS(2) 液压缸的直径根据液压缸的计算公式: 41DpF22d其中: 活塞杆伸出时的推力，1FN活塞杆缩入时的拉力，活塞直径，dm液压缸工作压力，Pa(3) 活塞杆直径的计算根据设计要求,此活塞杆为空心活塞杆，活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求。有关临界力 公式为:kF21kLnafAK式中： 活塞杆计算长度。L活塞杆横截面回转半径。K活塞杆横截面面积。1A材料强度实验值，对钢取f Paf710.2系数，对钢a501a根据： pdDFk)(42(4) 活塞杆材料活塞杆常用材料有 35，45 号钢等，本次设计得活塞杆材料为 45 号钢。3.回转手臂设计计算本次设计采用的是齿条活塞双作用油缸，通过齿轮齿条机构实现手臂的回转。液压驱动系统具有以下特点。安装使用方便，便于维护和维修，具有自润滑功能，液压系统结构简单，相同工作面积液压的驱动力大。介质提取和处理方便。 ，工作介质提取容易，处理方便，液压油可以重复使用。可以降低成本。动作迅速，反应灵敏。液压系统一般只需要0.02s-0.3s 即可建立起所需的压力和速度。液压系统也能实现过载保护，便于自动控制。 能源可储存。液压油可以储存。因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。 工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，液压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。成本低廉。由于液压系统工作压力较低，因此降低了液压元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。手臂回转液压缸采用 O 型密封圈来密封，密封性能较好，对液压缸孔的机械加工精度也易于保证。(1) 选择齿轮材料小齿轮： 40Cr， 硬度 HBW260大齿轮： 45 钢, 硬度 3(2) 确定主要参数按接触强度初步确定中心距从表中选取 ，按齿轮对称布置，速度中等，冲击载荷较大，取载荷系数476aA.按表查的，选 ，则 ，按表查的圆整取齿宽系数02K8.0d38.0a=0.35.齿数比为 需用接触应力 ； a153iuHp2lim684NH初步确定模数、齿数、齿宽等几何参数因此 实际传动比 2.120zi齿轮分度圆直径 mdn62国标对齿条和齿条副规定了 12 个精度等级，第 1 级精度等级最高，第 12 级精度等低其中第 1 级和第 2 级的公差和偏差还没有列出，为将来的发展方向。本次设计的车床上下料机械手的手臂回转采用齿条带动齿轮的形式，通过液压缸驱动来实现。初步确定模数、齿数、齿宽等几何参数由公式得 )1(2cos1umazn二存在问题及解决措施（1）在手臂伸缩运动和驱动力计算过程中，对总重量的估算不太清楚，对公式没有深刻理解，计算手部结构尺寸时存在较大误差。（2）对伸缩机构的结构运行情况，导向管和油缸是如何布置？解决措施：（1）把设计过程中遇到的细节问题通过查阅资料或问老师进行彻底解决，重点是把手部的内部结构联接以及其它连接件的连接形式和所要使用零件尺寸选好。（2）继续把剩下的不明白的工作原理弄清楚。通过画图对画图软件的掌握及熟练运用，对零件图装配图的细节进行整理。三后期工作安排第 11-12 周完成手臂的伸缩与手部机构的设计。第 13-15 绘制装配图与零件图。第 16-17 撰写毕业论文。第 18 周 准备答辩。指导教师签字：年 月 日毕业设计(论文)开题报告题目：数控车床上下料机械手设计- 1 -1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1 题目背景、研究意义机械手是近三十年发展起来的典型的、机电一体化的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。机械手是能自动化定位控制并可编程序实现变动的多功能机器，有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境和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。其作业的准确性和各种环境下完成作业的能力在国民经济各领域有着广阔的发展前景。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，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、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科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；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，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视 1。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2 国内外相关研究情况在我国，机械手技术起步较晚，进入 20 世纪 90 年代后，我国机械手的研究步入正轨，在彩电，冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片，印刷电路等各种电子产品的装配流水线上得到广泛应用。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。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现- 6 -型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式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（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、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Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间） ，由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。德国机器制造业是从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。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，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，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。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FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多 2。- 7 -2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1 主要内容：1）运动功能设计：即自由度设计，应尽可能的灵活运动和大的工作空间，分析各关节运动的性质以及排列顺序等。 2）传动功能设计：机械手操作机是由若干个构件和关节组成的多自由度空间机构，传动功能中驱动器安排和机构要合理。 3）机械结构设计：满足强度和刚度情况下，要充分考虑机器人的结构紧凑、重量轻、体积小等特点。同时满足装卸方便，便于维修、调整。 4)基本参数： 抓重：30 公斤 升降行程：300mm 最大回转角度：90 2.2 研究方案、研究方法:（1）坐标型式论证：坐标型式分为直角座标式 a、圆柱座标式 b、球座标式 c 和关节式 d。如图1）直角座标式手臂的运动系由三个直线运动组成。它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小及灵活性差，限制了它的适用范围。2）圆柱座标式运动系由两个直线运动和一个回转组成。与直角坐标式相比较，占地面积小而活动范围大，结构简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛。但由于机械手结构的关系，不能转到地面位置的物件。- 8 -3）球座标式运动系由一个直线运动和两个转运所组成。优点是动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它适用于沿伸缩方向向外作业传动形式。但结构较复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。4）关节式手臂的运动类似人的手臂可做几个方向的转动。它由大小两臂和立柱等组成，大小两臂之间的联接为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节各关节均由铰连构成实现转动。它的特点是工作范围大，通用性强，能抓取靠近机座的物件并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件。但精度较差，其结构复杂。本设计采用圆柱座标型式。（2）本设计选择三个自由度的圆柱座标型式机械手，摆角度 90 度，拟定方案为摆角度为 90 度的 3 自由度机械手其结构简图如图 图 1 圆柱座标型式机械手结构件图该机械手由支座，支柱，手臂和手部组成。其中支座完成摆动回转运动，支柱完成升降直线运动，小臂完成伸缩直线运动，收不完成夹持工件运动。整个机械手动作顺序依次为：启动蜘蛛下降，手部夹持，支柱上升，手臂右转，手臂伸出，支柱下降，手部松开，支柱上升，手臂缩回，手臂左转，原位卸荷（3）驱动系统：液压驱动，气压驱动，电气驱动和机械驱动。其中液压和气压用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较少。1）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。2）气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- 5 -或链条、链轮等实现回转运动。气动驱动成本低，动作可靠，不发热，无污染。但推力偏小，不能实现精确的中间位置调节，通常是两个极限位置使用。3）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。4）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。通过所学的知识，综合考虑应该采用液压驱动。3. 本课题研究的重点及难点1.机械手的结构设计，主要参数确定2.机械手传动方式的论证和选择3.机械手各结构的计算设计4. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写)第 12 周：调研、查阅资料； 第 34 周：总体方案分析论证、开题报告； 第 56 周：结构和运动学分析，参数确定； 第 78 周：按所给规格范围，性能进行分析，强度和运动学校核，中期报告； 第 9 10 周：各模块设计；第 1112 周：装配图草图； 第 1314 周：整体结构设计；第 1516 周：绘制总图及零件图等； 第 1718 周：撰写论文、答辩- 5 - 5 -指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日所在系审查意见：系主管领导： 年 月 日- 5 -参考文献1徐元昌. 工业机器人. 北京:中国轻工业出版社，1996.2张建民. 工业机器人. 北京:北京理工大学出版社，1988.3蔡自兴. 机器人学的发展趋势和发展战略. 机器人技术，2001.4周洪. 气动技术的新发展. 液压气动与密封，1999.5田绿竹. 画法几何及机械制图. 北京：冶金工业出版社，2004.6李允文. 工业机械手设计. 机械工业出版社，1996.7哈尔滨工业大学 主编. 机械工程手册（第 56 篇 自动上下料装置与工械手）. 机械工业出版社，1979.8工业机械手编写组. 工业机械手机械结构. 上海科学技术出版 1978.9 工业机械手图册编写组编. 工业机械手图册. 北京:机械工业出版社， 1978.l0杨文生. 液压与气动传动. 电子工业出版社，2007.1l孙桓 陈作模. 机械原理. 高等教育出版社，2005.12李建功. 机械设计. 机械工业出版社，1998.13陆玉. 机械设计手册. 机械工业出版社，1992.14陆祥生 杨秀莲. 机械手理论及应用. 中国铁道出版社，1983.15王承义. 机械手及其应用. 机械工业出版社，1981.16(旧)高井宏幸等.工业机器人的结构与应用.北京:机械工业出版社，1977.17G.Prischow、C.Danirl、G.Jngghans、W.speling Open System Controllers-Challenge for the Future of the Machine Tool Industry Annals of the CIRP,1993,vol.42.No.1.18Yongguo Mei, Yung-Hsiang Lu, Y. Charlie Hu, and C.S. George Lee Energy-Efficient Motion Planning for Mobile Robots.19S chneider Ditmar. Otto voo Guericke.Pneumatic TIPS No. 87/1994. FESTO Pneumatic. Esslingen. 本科毕业设计( 论文)题目：数控车床上下料机械手设计数控车床上下料机械手设计摘 要实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，从而提高经济效益。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是非常有效的。在繁重的条件下进行的操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本课题是为普通车床配套而设计的一种自动上下料装置的双手臂的机械手。本文对机械手进行了总体方案的设计，确定了机械手的坐标型式、三个自由度和机械手的技术参数,并分别确定了该机械手的手臂的回转机构和升降机构，双支点回转型手部结构，并利用 AutoCAD 软件绘制了车床上下料机械手装配图，手部结构图以及一些主要的零件图，同时也简要的介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标型式等基本知识。本次题目的设计要求是抓取重物 30kg,机械手的双臂可同时升降并在水平面内一起作 90回转动作，升降 300mm,装在手臂前端的手，可作夹紧或松开工件的开闭动作。机械手工作时，通过手臂的升降、回转和手的开闭，可完成工件上、下料的自动循环。手臂的回转装置采用了齿条齿轮机构，同时依靠液压缸的驱动实现了手臂的升降运动。由于工作对象为孔径结构的工件，所以设计的手部是双手臂，并且为双支点回转型 V 型手指。液压系统具有结构简单，便于维护和维修，自身具有润滑功能等优点。数控车床上下料机械手，特点是结构精巧，占地面积小，动作简捷，功能全，可靠性高。关键词：工业机器人；机械手；液压系统；液压Design of Loading and Unloading Manipulator for NC LatheAbstractPractice a certificate, the industrial machine hand can replace the heavy labor of hand, show the labor strength that the Zhao eases a worker and raise an economic performance thus. The industry produce medium usually appear of the porterage of bulky work piece and multifarious over a long period of time, monotonous of operation, adopt a machine hand is very valid. The operation carried on under the heavy condition, show more it superiority, have vast development prospect.This topic is the machine hand of hands arm which is common lather kit but a kind of auto of design to up and down anticipate device. This text carried on the design of the total project to the machine hand and made sure a machine hand of sit mark pattern, three freedom degree and machine hand of technique parameter, and respectively made sure the turn-over organization of the arm of the machines hand and ascend and descend organization, double fulcrum turn-over type hand structure, and made use of the software of AutoCAD to draw the lather up and down anticipates the machine hand assemble diagram, the hand structure is diagram and some main spare parts diagrams, also in the meantime synopsis of introduced the concept of the industrial robot, machine hand of constitute with classification, the freedom degree of the machine hand with sit mark pattern to wait basic knowledge.The design request of grab the weight 30kg this topic is the double arm of machine hand and can ascend and descend in the meantime and make 90 s to turn round action together in the horizontal plane, The lifting 300mm,Pack the hand of in hand arm head, can make to clip tightly or the open of loose opening piece shut action. Pass the rise and fall of arm, turn round when the machine handicraft make and the open of hand shut, can complete a work piece up, descend to anticipate of auto circulation. The turn-over device of arm adopted Chi wheel gear organization and lifting 300mm,Pack the hand of in hand arm head, can make to clip tightly or the open of loose opening piece shut action. The turn-over device of arm adopted Chi wheel.IDpended on a liquid to press a drive of urn to carry out ascend and descend of arm sport in the meantime. Because the work object is a bore path the work piece of the structure, so design of the hand is a hands arm, and is a pair of fulcrums turn-over type V type finger. Because the liquid presses system to have structure simple, easy to maintenance with maintain, the oneself has lubrication function etc. advantage, therefore, the rise and fall organization of arm adopted a liquid to press system.Design of loading and unloading manipulator for NC lathe is characterized by compact structure,small occupation area,simple motion,complete function,high reliability.KeyWords :Industrial robot; Machine hand;The liquid presses system;The liquid presses II目 录1 绪论 .11.1 机械手概述 .11.2 机械手的组成和分类 .21.2.1 机械手的组成 .21.2.2 机械手的分类 .41.3 国内外发展状况 .61.4 课题的提出及主要任务 .71.4.1 课题的提出 .71.4.2 课题的主要任务 .72 机械手的总体 设计方案 .92.1 工况分析 .92.2 机械手的 坐标型式与自由度 .92.3 机械手的 手部结构方案设计 .112.4 机械手的手腕结构方案设计 .112.5 机械手的手臂结构 方案设计 .122.6 机械手的驱动 方案 设计 .132.7 机械手的主 要参数 .142.8 机械手的技术参数列表 .153 手部结构 设计 .173.1 夹持式手部结构 .163.2 手指 的形状和分类 .163.3 设计时考虑的几个问题 .163.4 手部夹紧 液压缸的设计 .174 手臂结 构设计 .214.1 对臂部设计的基本要求 .214.2 手臂升降 部分 .214.2.1 手臂升降 部分结构设计 .214.2.2 升降液压缸的设计 .224.3 手臂回 转部分 .244.3.1 手臂的运动要求 .244.3.2 手臂设计计算 .244.3.3 齿轮的设 计计算 .25III4.3.4 齿条的设计计算 .264.3.5 手臂横梁的选取和计算 .285 结论 .29致谢 .30参考文献 .31毕业设计（论文）知识产权声明 .32毕业设计（论文）独创性声明 .3301 绪论1.1 机械手概述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用 1。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用 2。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。11.2 机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成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。各系统相互之间的关系如方框图 1.1 所示。控制系统 驱动系统 被抓取工件执行机构位置检测装置图 1.1 机械手的组成方框图(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。a. 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部。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，制造容易构件，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。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的 :手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。 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、丝杠螺母多，式弹簧式和重力式等。附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力) 吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。回转型手指结构简单。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电2磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。b. 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)。c. 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。手臂可能实现的运动如下: 手臂运动基本运动复合运动直线运动与回转运动的组合(即螺旋运动)两直线运动的组合(即平面运动 )回转运动:如水平回转、左右摆动运动直线运动:如伸缩、升降、横移运动两回转运动的组合(即空间曲面运动 )。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有: 单圆柱、双圆柱、四圆柱和 V 形槽、燕尾槽等导向型式。d. 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。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。e. 行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分1 绪论3为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。4f. 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动力装置，通常由动力源、控制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、电力传动和机械传动等四中形式。(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。控制系统有电气控制和射流控制两种，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。1.2.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:a. 专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心” 批量的自动化生产的自动换刀机械手。b. 通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统在其性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。5通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制 :伺服型具有伺服系统定位控制系统， 可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分a. 液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。b. 气压传动机械手是以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，气动动作迅速，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，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作 3。c. 机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。d. 电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分a. 点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。b. 连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移6动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.3 国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:(1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至 97 年的65 万美元。(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机 ;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3) 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构 :大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制; 多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7) 机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床” 以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从 80 年代“七五” 科技攻关开始起步，在国家的支持下通过 “七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，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，如:可靠性低于国外产品 :机器人应用工7用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品 :机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求， “一客户，一次重新设计” ，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能够形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五” 后期立于世界先进行列之中 4。1.4 课题的提出及主要任务1.4.1 课题的提出在当今现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。而工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构型式亦各不相同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能，一般都能按照预定程序，自动地、重复循环地进行工作。但在机械工业中，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。根据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。 从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，而工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。如果工件的装卸、搬运等辅助作业，继续由人工操作，不仅会增加工人劳动强度，同时亦不能充分发挥专用设备的效能，必然会影响劳动生产率的提高。若采用工业机械手代替人工上、下料，则可改变上述不相适应的情况。为此，我们把上下料机械手作为我们研究8的课题。1.4.2 课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下：(1) 为普通车床设计合理的自动上下料装置的机械手。(2) 选取机械手的坐标型式和自由度。(3) 设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂和机身等结构部件的设计。92 机械手的设计方案对于工业机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，所以这就要求我们设计车床上下料机械手的原则是: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普通车床上下料的机械手，此机械手为双手臂结构，双臂成 90分布在同一平面。其用途功能：机械手的双臂可同时升降并在水平面内一起作 90回转动作，其中一个手臂用于上料，另一个手臂用于下料；装在手臂前端的手，可作夹紧或松开工件的开闭动作。机械手工作时，通过手臂的升降、回转和手的开闭，可完成工件上、下料的自动循环。此机械手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，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。2.1 工况分析数控车床上下料机械手需抓取棒类零件，负载 30kg，手臂回转角度为 90，抓取零件示意图如图 2.1 所示：图 2.1 机械手抓取零件示意图该机械手完成工作的步骤，手臂完成回转和升降运动手部完成夹持工件运10动。整个机械手动作顺序依次为：初始位姿抓取工件手臂上升手臂旋转松开工件手臂转回手臂下降到初始位置。2.2 机械手的坐标型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、圆柱坐标式、球坐标式和关节式(如图 2.2) 5。 。机械手的坐标形式可分为以下几种:(1) 直角坐标式机械手适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X ，Y ，Z 三个方向的直线进行运动，其工作范围可以是一个直线运动，二个直线运动或三个直线运动。如在X，Y，Z 三个直线运动方向上各具有A ，B，C 三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上是很少有的。它的优点是产量大，节拍短，能满足高速的要求，容易与生产线上的传动带和加工装配机械相配合，适于装箱类，多工序复杂的工作，定位容易变更，定位精度高，可达到0.5 毫米以下，载重发生变化时不会影响精度，易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。缺点是这种机械手作业范围较小。(2) 圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型失，适用于搬运和测量工件，具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手有X，Y，三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动；二个直线运动加一个旋转运动。(3) 球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手，是由X， ， 三个方面的运动组成。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动，二个旋转运动和二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧上下俯仰运动。(4)关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。可作几个方向转动，工作范围大，动作灵活，通用性强，但定位精度差，控制装置复杂。由于本次设计的机械手在上下料时手臂具有升降，回转运动和夹持，所以相应的机械手具有三个自由度。而支撑整体机械手装置的机身由燕尾槽导轨带动，实现整体机械手装置的左右移动或行走，不在本设计考虑之内。因此，机械手的坐标型式采用圆柱坐标，相应的机械手共有三个自由度。11图 2.2 四种机器人坐标形式2.3 机械手的手部结构方案设计本次设计的机械手是车床上下料的机械手。因为夹紧的工件是棒料，所以采用夹紧机械手爪，常用的外卡式两指钳爪，如下图 2.3 所示，其夹紧方式用弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸 6。此种结构较为简单，制造方便。图 2.3 夹紧机械手爪2.4 机械手的手腕结构方案设计机械手臂的运动（包括要做的回转运动） ，给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机械手臂末端的手腕，则给了机械手末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机械手腕是机械手操作机的最末端，他与机械手臂12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，完成所需的作业动作 7。在机械手腕部的设计过程中主要考虑到如下几点要求：(1) 机械手腕的自由度数，应根据作业需求来设计。机械手腕自由度数目，多，各关节的运动角度越大，则机械手的腕部的灵活性越高，机械手对作业的适应能力也越强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更加复杂，机械手的控制更困难，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，应使自由度数目尽可能的少。一般的机械手腕部的自由度数目为 2 至 3 个，有的需要更多的自由度，而有的机械手腕部不需要自由度，仅凭手臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，具体问题具体分析，考虑机械手的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。(2) 机械手腕部安装在机械手臂的末端，在设计机械手腕时，应尽力减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机械手腕部的重量，腕部的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，而不采用直接驱动力，并选用高强度的铝合金制造。(3) 机械手腕部要与末端执行器相连，因此，有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。(4) 机械手腕部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) 手腕各关节轴传动要有限位开关，并设置硬限位，防止超限造成机械损坏。考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。2.5 机械手的手臂结构方案设计机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下。实现在机械手所要求的工作空间内的运动 8。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则：(1) 应尽可能是机械手手臂各关节相互平行：相互垂直的轴应该尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。(2) 机械手的手臂的结构尺寸应该满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机13械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手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) 为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够的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械手手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料刚拉强度高，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械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。(4) 机械手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) 机械手的手臂相对于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械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平衡重量，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) 机械手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 9。按照抓取工件的要求，本次设计的机械手的手臂有两个自由度，即手臂的左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。手臂的各种运动则是由液压缸来实现的。本设计回转部分采用齿条活塞双作用油缸如图 2.4。图 2.4 齿条活塞双作用油缸142.6 机械手的驱动方案设计机械手驱动方式主要有三种 10。：a气动驱动方式 这种驱动系统是用电磁阀来控制手抓的运动方向，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，多以气动夹持器在工业应用中较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手抓的抓取具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。b. 电动驱动方式 电动驱动方式应用也较为广泛。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。但是电驱动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。c. 液压驱动
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