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油泵凸轮轴加工自动线机械手设计作 者 姓 名：于成龙指 导 教 师：单 位 名 称：辽东学院专 业 名 称：Design on Manipulator for Pump Camshaft Machining LineBy Supervisor: Professor毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：油泵凸轮轴加工自动线机械手设计基本内容：1. 机械手总装结构设计（A01）2. 机械手各部件结构设计（A04，A32）3. 机械手液压及电控设计（A12）4. 完成英文翻译工作5. 编写设计说明书毕业设计（论文）专题部分：题目：手部结构基本内容： 学生接受毕业设计（论文）题目日期 年 月 日 第 周指导教师签字： 年月日vi东北大学毕业设计（论文） 摘要油泵凸轮轴加工自动线机械手设计摘 要工业机械手是在新技术革命中迅速发展起来的一项高新技术，它在传统的科技领域与工业部门中获得应用，并显示出强大的生命力，成为人类不可或缺的帮手。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，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繁，单调的操作，如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的，有时候还要用行车员工件，生产速度大大延缓，这种情况采用机械手是很有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。更显其优越性，有着广阔的发展前途。首先，本文介绍了机械手在工业生产中的作用，机械手的组成和分类，说明机械手的自由度和整体坐标形式。同时，给出本课题中机械手的主要技术参数。其次，本文详细介绍了机械手的设计理论和方法。详尽的讨论了机械手手部、臂部和升降机构等的结构设计及其相关计算。最后，运用CAXA软件对机械手手部进行二维建模关键词：机械手，液压传动，二维建模 东北大学毕业设计（论文） AbstractDesign on The Manipulator for Pump Camshaft Machining LineABSTRACTIn the new technology industrial robots are developed rapidly in the revolution of a high-tech, it in the traditional technology and industrial sectors, and obtain showed strong vitality, become the indispensable to mankind. Industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce labor intensity, and improve labor productivity and automation level. Industrial production often appears in the heavy work frequently, handling and long-term operation, if not drab robots that labor intensity is high, sometimes even with employees, driving speed greatly retard, this kind of circumstance using manipulator is very effective. In addition, it can be in high temperature, low temperature, water, the universe, reflective and other toxic, environmental pollution condition on the operation. More show its superiority, has broad prospects. Firstly, this paper introduces the manipulator in industrial production function, composition and classification of the manipulator, the freedom and the integral coordinate robot. At the same time, given the task of the main technical parameters of the robot. Secondly, this paper introduces the design theory and method of the manipulator. Detailed discussion of the manipulator hand , arm and structure design of lifting mechanism and etc. Finally, using software-CAXA manipulator hand 2-d modeling.Key words: manipulator, hydraulic transmission, 2-d modeling.东北大学毕业设计（论文） 目录目 录毕业设计（论文）任务书i摘 要iiABSTRACTiii目 录iv第1章 绪论- 1 -1.1 前言- 1 -1.2 工业机械手简史- 2 -1.3 工业机械手在生产中的应用- 3 -1.3.1 锻压- 4 -1.3.2 铸造- 4 -1.3.3 焊接- 5 -1.3.4 机械加工- 6 -1.3.5 装配- 6 -1.3.6 喷涂- 6 -1.3.7 热处理- 7 -1.3.8 综合生产线- 7 -1.4 机械手的组成- 7 -1.4.1 执行机构- 7 -1.4.2 驱动机构- 8 -1.4.3 控制机构- 9 -1.5 工业机械手的分类- 9 -1.5.1 按规格（所搬运的工件重量）分类- 9 -1.5.2 按功能分类- 9 -1.5.3 按用途分类- 10 -1.6 工业机械手的发展动态和趋势- 10 -1.7 本章小结- 12 -第2章 机械手总体方案设计- 15 -2.1 机械手基本形式的选择- 15 -2.2 机械手的主要部件及运动- 15 -2.3 驱动机构的选择- 15 -2.4 机械手的主要技术参数- 16 -2.5 本章小结- 16 -第3章 机械手手部结构设计- 17 -3.1 手部结构分类- 17 -3.2 夹钳式手部设计的基本要求- 18 -3.3 夹钳式手部的设计计算- 18 -3.3.1 手部的类型及夹紧装置- 18 -3.3.2 夹紧力及驱动力的计算- 19 -3.6 本章小结- 21 -第4章 机械手手臂结构设计- 23 -4.1 手臂设计的基本要求- 23 -4.2 手臂典型运动机构- 24 -4.2.1 手臂做直线运动的典型机构- 24 -4.2.2 手臂机构的选择- 24 -4.3 手臂升降机构的设计计算- 24 -4.3.1 手臂升降机构摩擦力的分析与计算- 25 -4.3.2 手臂伸缩机构密封装置阻力的分析与计算- 26 -4.3.3 手臂升降机构惯性力的分析与计算- 26 -4.4 液压缸工作压力和结构尺寸的确定- 27 -4.4.1 液压缸缸筒内径的计算- 27 -4.4 手臂横移机构的设计计算- 28 -4.4 本章小结- 29 -第5章 前后移动油缸结构设计- 31 -本章小结- 31 -第6章机械手的电液控制部份- 33 -6.1 机械手的液压部分- 33 -6.1 .1 液压系统的工作原理- 33 -6.1.2 液压传动的工作特性- 33 -6.1.3 液压系统的组成- 33 -6.1.4 液压系统的优、缺点- 34 -6.1.5 本设计液压系统控制原理- 35 -6.2本设计中的电控原理- 36 -第7章 经济性与环保性分析- 39 -7.1环保型材料的利用- 39 -7.2环保型工程机械产品设计- 39 -第8章 总结- 41 -参考文献- 43 -结束语- 45 -东北大学毕业设计（论文） 第1章 绪论第1章 绪论1.1 前言用于再现人手的功能的技术装置称为机械手。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。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。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，机械手的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，这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。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。 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 工业机械手简史现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。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年各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。1.3 工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。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%。从这里可以看出，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。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.3.1 锻压 工业机械手一般用来作加热炉、锻压机床或冲压机床的上下料和工件的传送，其中包括多工位冲床的中间传送。1 在兵器制造中，机械手也日益发挥它的作用。1.1.精锻炮管:加工炮管的GFM旋转精锻机采用的上下料装置就是工业机械手，它从传送带上取拿炮管坯料，送入夹头内，夹头装置在轨道上行走将坯料放在锤头间进行旋转锻造。锻完后，再用工业机械手将炮管从夹头中卸去，放到传送带上。这些动作可以自动地进行，夹头装置也可以人工控控制。1.2 热冲大口径弹体：法国塞姆斯公司的大口径弹体自动热冲生产线上，配有五台工业机械手使冲压、拔伸和润滑都自动地进行。第一个上料机械手能抓取100kg的重物，从压力机旁的料架上抓取工件，旋转135“，将毛坯送到第一工位模膛内。第二个转位机械手，从第一工位取料送到第二工位，一火冲两次。第三个转位机械手，从第二工位的模膛里将冲孔后工件取出倒掉氧化皮，送到拔伸机。另外两个润滑机械手，对着热冲两个工位喷涂石墨与机油混合的润滑剂。2 锻造其他零件。如:前西德福明朗莫耶尔(Frangmoyer)公司，在锻压40kg的工件时，采用一台工业机械手为四个锻造工位服务，使每台锻锤工人由六人减至3人。意大利一家公司在压力机锻造上采用工业机械手，为三道工序服务，每班工人由4人减至2人，提高日产量10%，机械手设备费用可在三年内收回。我国上海柴油机厂柴油机连杆锻造，已用专门机械手把工件送入炉内加热，待加热完毕，取出工件送人锻锤锻打;天津第二锻造厂研究了Jsol通用机械手，用于立式精锻机上下料;上海汽轮机厂也研制了锻造叶片上下料机械手。在冲压加工行业，上海第二汽车配件厂外装式汽车灯壳的切边、滚边、冲孔等工序，用六台冲床，一台滚边机床配备二组直角坐标机械手组成的自动生产线，提高工效6倍;另外，南京汽车厂，北京重型电机厂，湖南湘潭电机厂等都有冲压机械手的应用，使工人从繁重的体力劳动中解放出来。1.3.2 铸造工业机械手应用较多的是在锻压和熔模铸造中，也用于浇铸、造型、制芯及清理工作。1 压铸:美国道奇伦一贾维斯(Dochlen-Jarvis）工厂是使用工业机械手最多的，约有12台，用于压型中取出铸件，送到红外线扫描系统检验是否合格，再将合格铸件放到传送带或切边机上，然后用喷气法清洗铸件表面。该厂使用机械手后，铸件质量得到了改进，质量稳定。机械手有为一台压铸机服务的，也有置于两台压铸机之间来回转动为两台取件的。2 融模锻造:采用机械手浸涂制壳，自面层起的各层均能浸涂且质量稳定。例如:美国在英国的一家分公司使用Unimate4000型机械手进行清涂作业，改机械手最多可存储八个程序，浸涂只需三个程序44步，包括以蜡模架上取下模组，将模组浸入料桶内，在料桶内旋转，从料桶内提起模组，在空中旋转去除多余的涂料，将模组送人撒砂槽内，再取出旋转等。 国内在铸造行业中也有一些机械手在应用。如：一汽车制造厂铸造分砂芯车间，采用了取芯机械手;大连工矿车辆厂采用喷丸清砂机械手；湖北第二汽车制造厂铸造自动线采用了搬运压铁机械手；南京汽车厂采用了半自动浇铸落砂用的专用机械手；上海第一汽车附件厂采用了压铸机自动浇铸机械手等。1.3.3 焊接1 电焊:日本东芝Tosmanix一巧型工业机械手就是用于车体内部点焊生产线上。该机械手的手臂能伸缩、俯仰、回转，手腕能弯曲、转动、扭转。定位精度偏差1毫米。机械手手臂的端部有一只点焊钳，焊接变压器装在机械手本体上。该机械手垂直安装在一个L形基座上。基座在架空的门形支架上移动、翻转、焊接时，机械手手臂持焊钳由无顶盖车体上部伸入车体内部，进行点焊。44个焊点，66秒可全部焊完。平均每点1.5秒，其中实焊时间0.6秒。2 电弧焊:电弧焊的焊炬是作复杂的三维曲线运动，要求机械手必须是连续轨迹控制的，一般不能少于四个自由度，还要具有自动调节焊接范围的功能。日本丰田汽车公司的一个工厂，在汽车后桥焊接生产线采用两台川崎一Unimate型机械手。一台4分45秒内可完成16条环焊缝，焊接环缝时是工件旋转，另一台机械手在5分30秒内可完成16条焊缝。 在焊接生产中，北京汽车厂的CJS一1型通用机械手，应用在汽车后桥半轴套管装焊生产线上;北京永定机械厂有履带轮焊接机械手;上海焊机厂生产的点焊机械手已用于生产。1.3.4 机械加工1 在兵器生产中的应用。美国制造155毫米钢弹体的罗克福特军械厂，从坯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。2 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管子弯头时，采用ASEA机械手，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(Valov)公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%。3 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坯的加工自动线都采用了机械手。大连工矿车辆厂的800kg侧架的加工，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。1.3.5 装配工业机械手在装配中的应用，是近几年国内外研究和发展的一个重要方面，特别是在弹药装配等危险作业上使用很有价值。例如:美国布罗瓦(Bulova)钟表公司采用了微型信息处理机和小型计算机控制的两台Aut。一place机械手，用于炮弹定时机构装配的上下料。以摄像机作为“眼睛”，观察和测定定时机械零件的装配情况，由计算机作出判断，使机械手在取下装配件时，将合格的与不合格的分别放到不同的传送带上运走。如:美国试制一台有视觉和触觉的双臂机械手，由于有触觉，所以不要求工件排列位置很精确。如:机械手可拧螺钉，当螺钉遇到阻力时，机械手能将螺钉返回再拧。 日本一家公司在试验将活塞装到汽缸内，机械手采用四个触觉敏感器，以感觉出工件的位置，能在只有20微米的间隙情况下，将活塞插人时间仅3秒，循环时间为8秒。 国内也有装配工作应用机械手的。如:沈阳市轮胎钢圈厂，用机械手装配解放牌汽车钢圈;哈尔滨车辆厂研制成装配机械手，应用在车厢车钩钩舌的自动组装。1.3.6 喷涂 挪威德威尔比斯(Devilbiss)公司生产的Trallfa喷气用工业机械手。它是连续轨迹控制形式，示教方法编程，与手工喷漆相比，可以降低成本，操作方便，还可以减少废品返工率。意大利菲亚特汽车公司建造的全自动车身粉末涂装大型设备，外表面用自动喷枪，内表面用机械手涂装，日产5000件。1.3.7 热处理工业业机械手主要用于从炉中取出工件进行传送。例如:日本采用Unimate2000型机械手，从加热炉中取出直径为460毫米，重41kg的轴承外环，交替送到两台压力淬火机上，工件淬火后再送到料道上，手臂可承受1000的高温。1.3.8 综合生产线瑞典ASEA公司的一条开关壳体生产线上采用三台工业机械手，从压铸机上取下工件，并利用传感器检验铸件形式，送到淬火槽淬火后，再送到修边力机上修边，然后传送给各种专用机床进行镗孔、攻丝和磨带抛光。该公司的转子电机轴装配线上采用二台unimate工业机械手，第一台将轴从机加自动线的末端搬运到第一台卧式压力机上。另外又将转子从一台拉床上送到一个加热器上加热后，再搬到卧式压力机上、与轴共同装配。第二台机械手将装配好的转子轴按顺序送到一台平面磨床、两台外圆磨床上加工，最后送到一台平衡机上进行平衡。1.4 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.4.1 执行机构1. 手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。2. 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。3. 臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。4. 机身 是工业机械手用来支撑手臂部件，并安装驱动装置及其他装置的部件。专用机械手一般将臂部装在主机上，成为主机的附属装置。5. 行走机构 是工业机械人用来扩大活动范围的机构，有的是专门的行走机构，有的是轨道。1.4.2 驱动机构驱动机构是向执行机构各部件提供动力的装置。采用的动力源不同，驱动机构的传动方式也不同。驱动机构的传动方式有四种：液压式、气压式、电气式和机械式。1. 液压式 其驱动系统由油缸、电磁阀、油泵和油箱组成。其特点是操作力大，体积小，动作平稳，耐冲击耐振动。但漏油对系统的工作性能影响大。与气压式相比成本较高。2. 气压式 其驱动系统由气缸、气阀、空气压缩机（或由气压站直接供给）和储气罐等组成。其特点是气源方便，维修简单，易于获得高速度，成本低，防火防爆，漏气对环境无影响。但操作力小，体积大，又由于空气的压缩性大，速度不易控制，响应慢，动作不平稳，有冲击，臂力一般不超过300N。3. 电气式 其驱动系统一般由电机驱动。优点是电源方便，信号传递运算容易，响应快，驱动力较大，适应于中小型工业机械手。但必须使用减速机构（如齿轮减速器，谐波齿轮减速器等），所需要的电机有步进电机，DC伺服电机和AC伺服电机。4. 机械式 其驱动系统由电机，凸轮，齿轮齿条，连杆等机械装置组成，传动可靠，适用于专一简单的机械手。这种方式结构比较庞大。1.4.3 控制机构控制机构是工业机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行机构按照规定的要求工作，并检测其正确与否。一般常见的为电气和电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。就其控制方式，可分为分散控制与集中控制两种类型。若以控制的运动轨迹来分，原则上分为两种：1. 点位控制 主要控制空间两点或有限多个点的空间位置，而对其他路径没有要求。专用机械手和绝大多数机械手均采用这种控制方式。2. 连续轨迹控制 用连续的信息对运动轨迹的任意位置进行控制，其运动路径是连续的。对运动轨迹有要求的工业机械手需要连续轨迹控制，如电弧焊，切割等。1.5 工业机械手的分类目前，我国对工业机械手尚无较为统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功能或用途等来分类。1.5.1 按规格（所搬运的工件重量）分类1）微型的搬运重量在1Kg以下；2）小型的搬运重量在10Kg以下；3）中型的搬运重量在50Kg以下；4）大型的搬运重量在500Kg以上。1.5.2 按功能分类1 简易型工业机械手：有固定程序和可变程序两种。固定程序由凸轮转鼓或挡块转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。近年来，普遍采用可编程控制器（PLC）组成控制系统。这种机械手多为气动或液动，结构简单，价格便宜，改变程序较容易。只适用于程序较为简单的点位控制，但作为一般单机服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。2 记忆再现型机械手：这种工业机械手由人工通过示教装置领动一遍，由记忆元件（如磁盘、磁带或存储器）把程序记录下来，以后机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者比较，有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较广。3 计算机数字控制的工业机械手：可通过更换记忆介质来改变工业机械手的动作程序，还可以进行多机控制（DNC）。计算机可以是可编程控制器或微型计算机。4 智能工业机械手（机器人）：由电子计算机通过各种传感元件等进行控制，具有视觉、热觉、行走机构等。1.5.3 按用途分类1 专用机械手：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。这种机械手工作对象不变，动作固定，结构简单，实用可靠，适用于成批、大量生产的生产自动经或专机作为自动上、下料用。2 通用机械手：具有独立控制系统、程序可变、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，适用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。1.6 工业机械手的发展动态和趋势机械手是机电一体化的典型代表，机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。 20世纪70年代80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。 20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中展露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法、机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，更为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用也做了大量的工作，虽然取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。机电一体化将向着智能化趋势、模块化趋势、网络化趋势、微型化趋势、绿色化趋势及系统化发展。综上所述,机电一体化的出现不是孤立的,它是许多科学技术发展的结晶,是社会生产力发展到一定阶段的必然要求和产物。当然,与机电一体化相关的技术还有很多,并且随着科学技术的发展,各种技术相互融合的趋势将越来越明显,机电一体化技术的发展前景也越来越光明。机械手目前的发展有以下几下趋势：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6.5万美元。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，目前己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，弧焊机器人己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。1.7 本章小结本章介绍了机械手的相关概念以及在工业生产中的应用，从执行机构，驱动机构和控制机构三方面介绍了机械手的组成。详细的介绍了工业机械手今后的发展趋势，同时简要陈述了本文的研究内容和方向。- 13 -东北大学毕业设计（论文） 第2章 机械手总体方安设计第2章 机械手总体方案设计本章主要设计了机械手的基本行式，组成部分和运动形式，驱动形式，主要基本参数和运行基本数据，为后的计算作好准备。2.1 机械手基本形式的选择机械手型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：1. 直角坐标式这种型式的机械手结构简单，定位精度高，适用于工作位置呈直线排列的场合。但其占地面积大，工作范围较小及灵活性差。2. 圆柱坐标式虽然结构较复杂但运动惯性不大，占地面积小，活动范围大，能达到较高的定位精度，故应用范围较广。但由于结构的原因，沿Z轴移动的最低位置受到限制，故不能夹取地面上的工件。3. 球坐标式动作灵活，占地面积小，动作范围大等特点。但结构复杂，手臂摆角的误差会因手臂伸长而引起手部中心定位误差放大。4. 关节式动作灵活，工作范围大而占地面积较小，通用性强。但其结构较复杂，位置精度较难控制。本设计采用直角坐标式机械手来实现相关功能。2.2 机械手的主要部件及运动在直角坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计内容的机械手具有3个自由度，完成以下4个主要动作：手抓张合，手臂伸缩，手臂左右横移和手臂前后移动4个主要运动。为了实现以上的功能，本次设计的机械手主要由5个大部件和四个缸体组成：1） 手臂升降机构采用直线液压缸，实现机构整体的升降运动；2） 前后移动油缸采用双节伸缩缸，使整体6个送料机械手前后移动；3） 送料机械手横移机构采用直线液压缸与滚轮，带动手臂左右移动；4） 上料机械手横移机构采用直线液压缸实现手臂的左右移动；5） 夹持式手部通过斜面碰触工件实现手指张开，通过弹簧使手指闭合；2.3 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案的选择及相关装置的设计。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。根据实际情况，本机械手拟采用液压驱动。液压机构驱动的机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大，能较好的实现相关的动作，准确定位。2.4 机械手的主要技术参数1. 用途：油泵凸轮轴自动线用于加工135系列油泵凸轮轴，完成淬火$_$所有加工工序，包括铣二断面、打中心孔、割槽、车外圆及粗、精车凸轮外形等工序。使用机械手来完成零件的上、下料及工序间的输送等工作。2. 设计参数：1）抓重： 3 公斤2）坐标形式： 直角坐标，悬挂式3）自由度数： 3个4）手臂运动参数： 前后移动： 1800毫米 上下升降： 350毫米 横移： 最大50毫米5）定位方式： 机械挡块6）驱动方式： 液压7）控制方式： PLC2.5 本章小结本章提出了机械手的总体设计方案，包括机械手基本坐标形式，自由度数，主要组成部件，以及驱动方式的选择。同时给出了机械手详细的设计参数。在今后的章节中，将依次进行各组成部分的设计计算。- 16 -东北大学毕业设计（论文） 第3章 机械手手部结构设计第3章 机械手手部结构设计机械手手部是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时，要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。由于被握持的工件形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。3.1 手部结构分类按握持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类常见的主要有夹钳式，此外还有钩托式和弹簧式。夹持类手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移型。吸附类中，有气吸式和磁吸式。本设计采用夹钳式的手部设计，所以这里主要讨论夹钳式的手部结构。夹持式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴，盘，套类零件。一般情况下，多采用两个手指，少数采用三指或多指。驱动装置有液压，气动和电动等几种形式。常见的传动机构主要有滑槽、斜楔、齿轮齿条和连杆机构来实现夹紧和松开。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适于夹持平板和方料。在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。但这种手指结构比较复杂，体积大，要求加工精度高。回转型手指的张开闭合靠手指根部的回转运动来完成。枢轴为一个的，成为单支点回转型；为两个的，称为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位误差。如图3.1所示，a）为单支点回转型，b）为双支点回转型，c）为平移型本次设计的机械手采用双支点回转型的手部结构。图3.1 机械手结构类型3.2 夹钳式手部设计的基本要求1. 应具有适当的夹紧力和驱动力夹紧力大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动，脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件夹持安全可靠。2. 手指应具有一定的开闭范围手指应具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转