多工位自动上下料机械手的设计

摘 要随着科学技术的发展人类进入了以自动化和电子技术为标志的新时代，自动化机械大量应用于工业工程中，其中工业机械手应用最为广泛。工业机械手是一种模仿人手动作的机器，可以取代很多的人工操作，并可以取得更高的效率。本论文介绍了用于加持圆柱状工件的上下料机械手的设计。它采用液压驱动，PLC 控制，动作平稳，控制方便。论文中主要阐述该机械手的回转、升降的设计计算。首先从机械手的基础知识介绍机械手的组成、分类、腕部和臂部设计、多种控制方案，再从本次设计所要求的功能原理设计开始，对于不同的方案加以比较和论证，从中可确定出最优方案，并采取其方案在对其结构设计的基础上，对其驱动力及驱动力矩进行计算。着重阐述了机身的设计，具体阐述了机械手的设计原则步骤，并分析了设计时应注意的问题。设计并分析了该机械手所用的液压控制方法和过程，由于经验不足，知识有限，难免有误，有待改进。关键词：机械手；液压；PLCAbstractWith the development of technology,the human society entered a modern year for with automation with electronics technique for making. Automation machine large quantity is applied in industry engineering inside ,among them the application of the industry machine hand is the most extensive. The industry machine of a kind mimicry hand action, can replace a lot of workers operate,combining can obtain the higher efficiencyThe thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand .It adopts the liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience.The thesis expatiates the rise and fall of the machines hand primarily with the design of the turn-over with compute. Constitute ,divide into section form the relevant machine in introduction in knowledge in foundation of the machine hand first, wrist a various projects for and arm department designing, liquid pressing, start from this design a function for requesting principle, take into the pressing control, start from this design a function for requesting principle, take into the comparison to the different project with the argument, can make sure the superior project from the inside, combine to adopt its project, in as to to its of the foundation of the construction design, as to its driver force and moment proceed the calculation, Emphasize the design that expatiated the fuselage, expatiated the design principle of the machine hand in a specific way with the step, analyzed the problem of design should notice,and give to the steady and fixed position accuracy of the machine hand detailed treatise. Because of experience shortage,the knowledge is limited, difficult do not need the mistake,treat to improve. Key words: manipulator; liquid presses; PLC目录摘 要 .I目录 .21 绪 论 .71.1 工业机械手 .71.1.1 工业机械手概述 .71.1.2 选题背景 .71.1.3 设计目的 .81.2 机械手的组成和分类 .91.2.1 机械手的组成 .92 设计方案的论证 .132.1 机械手的总体设计 .132.1.1 机械手总体结构的类型 .132.1.2 设计具体采用方案 .142.2 机械手腰座结构的设计 .152.2.1 机械手腰座结构的设计要求 .152.2.2 设计具体采用方案 .152.3 机械手手臂的结构设计 .162.3.1 机械手手臂的设计要求 .162.3.2 设计具体采用方案 .172.4 机械手腕部的结构设计 .182.5 机械手末端执行器（手爪）的结构设计 .192.5.1 机械手末端执行器的设计要求 .192.5.2 机器人夹持器的运动和驱动方式 .202.5.3 机器人夹持器的典型结构。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。202.5.4 设计具体采用方案 .212.6 机械手的机械传动机构的设计 .222.6.1 机械手传动机构设计应注意的问题 .222.6.2 机械手常用的传动机构形式 .222.6.3 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 .282.7.6 设计具体采用方案 .312.8 机器人手臂的平衡机构设计 .313 理论分析和设计计算 .343.1 各液压缸主要参数的确定 .343.2 确定液压系统基本方案 .343.3 计算和选择液压元件 .343.4 电机选型有关参数计算 .344 机械手控制系统的设计 .494.1 机械手控制系统硬件设计 .494.1.1 机械手工艺过程与控制要求 .494.1.2 机械手的作业流程 .494.1.3 机械手操作面板布置 .504.1.4 控制器的选型 .514.1.5 PLC 外部接线设计 .514.1.6 I/O 地址分配 .524.2 机械手控制系统软件设计 .53结 论 .551 绪 论1.1 工业机械手1.1.1 工业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。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.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。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。1.1.2 选题背景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，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。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成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。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、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而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非常有意义的。1.1.3 设计目的本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的多工位自动上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前，在国内很多工厂的生产线上多工位机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。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。本机械手主要实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。1.2 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2-1所示。 图1-1机械手组成方框1.2.1.1执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱，有的还增设行走机构、基座。 （1）手部 即与物体接触的部件。（2）手腕 连接手部与手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。（3）手臂 支承手腕与手部的部件，用以改变工件的位置。（4）立柱 是支承手臂的部件，有时也是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（俯仰）运动均与立柱有密切的关系。（5）行走机构 机械手为了完成远距离的操作或扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构分有轨和无轨两种。驱动滚轮运动要增设机械传动机构。（6）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都装在机座上，故机座起支承和连接作用。1.2.1.2 驱动系统机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的装置，常用的有液压传动，气压传动，电力传动，机械传动等四种形式。1.2.1.3 控制系统有电气控制和射流控制两种，一般常见为电气控制。是机械手的重要组成部分，控制着机械手按照一定的程序运动，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，当动作有误或发生故障时及时发出报警信号。1.2.1.4 位置监测装置控制机械手执行机构的运动位置，并实时将机械手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指定位置。1.2.2 机械手的分类由于对于机械手还没有统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式、控制系统进行分类。1.2.2.1 按用途分类按用途分，可分为专用机械手和通用机械手（1）专用机械手 它是附属于主机的，具有固定程序而无特力控制系统的机械装置，它具有动作少、工作对象单一、结构简单、实用可靠和造价低等优点，适用于大批量的自动化生产。（2）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的自动化生产。1.2.2.2 按驱动方式分（1）液压传动机械手 是以油液压力来驱动执行机构运动的机械手，其优点是，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，不然油的泄露对机械手的工作性能有很大影响，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，但是电液伺服的制造精度要求较高，油液过滤要求严格，成本高。（2）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及其方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是由于空气具有可压缩性，工作速度的稳定型较差，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，适用于低速、轻载、高温、粉尘大的环境中进行工作。（3）机械传动机械手 即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮齿条、间歇机构）驱动的机械手。它是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。主要特点是动作准确可靠、动作频率高，但是结构较大、动作程序不可变。（4）电力传动机械手 即由特殊结构的感应电机、直线电机或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，其中直流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。1.2.2.3 按控制方式分（1）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。若要控制的点数越多，必然增加电气控制系哟的复杂性。母亲多数机械手属于点位控制。（2）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，整个过程处于控制之下，可以实现准确和平稳运动，并且使用范围广，但电气控制系复杂。2 设计方案的论证2.1 机械手的总体设计2.1.1 机械手总体结构的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。2.1.1.1 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 2-1a.。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。2.1.1.2 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 2-1.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。2.1.1.3 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 2-1.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。2.1.1.4 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 2-1.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 2-1 四种机器人坐标形式2.1.2 设计具体采用方案图 2-2 机械手工作布局图具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达 30KG，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。该机械手在工作中需要 3 种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为 3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是:结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。2.2 机械手腰座结构的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 机械手腰座结构的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拟采用电机通过减速机构来实现，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 2-3 所示：图 2-3 腰座结构图2.3 机械手手臂的结构设计2.3.1 机械手手臂的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。 a 大臂导向杆布置简图 b 小臂导向杆布置简图图 2-4 导向杆布置图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。本设计安装手指的手指安装架结构经考虑设计成如下结构：2.4.1 机器人手腕结构的设计要求机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。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。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。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。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。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。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 典型的夹持器结构有：（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，本设计采用滑槽杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆使手指张开或闭合。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 90mm 来设计。手爪的具体结构形式如图所示：图 2-5 机械手末端执行手爪结构图中：a 为回转支点到对称中心的距离；b 为手指的回转中心到夹取力作用点的距离； 为工件被夹紧时手指的滑槽方向与两个回转支点连线方向的夹角N 为手指的握力； P 为手爪缸的驱动力；2.6 机械手的机械传动机构的设计2.6.1 机械手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）