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1、第1章 绪 论1.1 工业机械手概况工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.我国的工业机械手是从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,目前已经基本掌握了机械手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，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台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，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。如：
2、可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件，硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业，其中汽车工业占第一位（占28.9%），电器制造业第二位（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。发达国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为23.4%53%，年产每万辆汽车所拥有的机械手数为（包括整车和零部件）：日本88.0台，德国64.0台，法国32.2台，英国26.9台，美国33.8台，意大利48.0台。世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶
3、劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达180mm，最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm。根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走
4、机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用OMRON可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。国内外实际使用的多是定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能够对所抓取的工件进行分辨，能选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确地在机器上定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。
5、为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物件的滑动位移，来修正握力。因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能：(1）能准确地抓住方位变化的物体；(2）能判断对象的重量；(3)能自动避开障碍物；(4)抓空或抓力不足时能检测出来。这种具有感知能力并对感知的信息做出反映的工业机械手称之为“智能机械手”，它是有发展前途的。现在，工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是代替从事繁重的工作，危险的工作，单调重复的工作，恶劣环境下的工作方面尤其明显。至于像汽车工业和电子工业之类的费工的
6、工业部分，机械手的应用情况决不能说是好的。虽然这些工业部门工时不足的问题尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序，其原因是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小，这是主要原因。经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看，不一定总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题得到解决，机械手的应用必将会飞跃发展。上料机械手和卸料机械手相对，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型机铝棒料的搬运及高温棒料的自动上料作业，最大
7、抓取棒料直径可达180mm，最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm。根据作用要求和载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用OMRON可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。随着机电一体化技术和计算机技术的应用，其研究和开发水平获得了迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域，特别是工业机械手在生产加工中的广泛应用。轿车半轴加工上料机械手设计在综合多种
8、机械手的设计原理和设计思想，根据轿车半轴加工的特点提出的，有一定的理论基础，设计水平和应用价值。 1.2 工业机械手的分类现在对工业机械手的分类尚无明确标准，一般都从规格和性能两方面来分类。按规格（所搬运工件的重量）分类：1.微型的搬运重量在1公斤以下：2.小型的搬运重量在10公斤以下：3.中型的搬运重量在50公斤以下：4.大型的搬运重量在50公斤以上。目前大多数工业机械手能搬运的重量为130公斤。最小的为0.5公斤，最大的已达到800公斤。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。固定程序有凸轮转鼓和挡块转鼓控制：可变程序可插销板或顺序转动控制来给定程序。这种机械手多为气动或
9、液动，结构简单，改变程序比较容易。只使用在程序较简单的点位控制，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 记忆再现型工业机械手这种工业机械手由人工通过实验装置传动一遍，由磁带（或磁鼓）把程序记录下来，此机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这也是采用较多的一种，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穿孔带或其他记忆介质来改变工业机械手的动作，还可以进行多种控制（DNC）。技术还可以是可编程序控制或普通的微机计算机。4 智能工业机械手（机器人）由电子计算机控制，通过各种传感元件等
10、具有视觉、热感、触觉、行走机构等。按用途分：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，这种工业机械工作对象不变，手动比较简单，结构简单，使用可靠，施用于大批量生产自动线或专机作为自动上、下料用。2 通用机械手具有独立控制系统，程序可变、动作灵敏、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，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。1.3 工业机械手在工业生产中的应用工业机械手在生产中的应用非常广泛，还可以归纳为以下的一些方面：1. 建造旋转零件体自动线方面建造旋转零件体（轴类、盘类、环类零件）自动线，一般都采用机械手在机床之间传送工件。2. 在
11、实现单机自动化方面(1)各类半自动车床，有自行夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料，装上机械手，可实现全自动化生产。(2)注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动取料，可实现全自动生产。(3)冲床有自动上下冲压循环，机械手上下料可实现冲压上产自动化。3. 铸、锻、焊、热处理等方面总的来说，由于工业机械手的特点满足了社会生产的需要，进而带来了经济效益。其特点：(1)对环境的适应性强，能代替人从事危险，有害的操作，在长时间对人体有害的场所，机械手不受影响。(2)机械手能持久、耐劳、可以把人从单调的繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。(3)动作准确，可保
12、证稳定和提高产品的质量，同时可避免人为操作的错误。(4)通用性灵活性好，特别是通用机械手，能适应产品品种迅速变化的要求，满足柔性生产的需要。(5)采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。1.4 本章小结本章介绍了工业机械手的概括，工业机械手的分类、应用。工业机械手在国民生产中有广泛的应用，许多机械设备都用到工业机械手，它是近代自动控制领域内出现的一种新型的技术装备。我设计的工业机械手设备简单，动作灵活，经济实用，稳定性好，适于使用。第2章 工业机械手的设计方案2.1 工业机械手的组成工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图： 图2.1 工业机械手各部分关系图执行
13、机构：执行机构包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。1.手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。传动机构形式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。2.腕部：是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。3.臂部：手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。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给定位置。该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标（绕横轴旋转，上下摆动和左右摆动）关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进行优化，便于提高机械手的动态操作性能。4.行走机构：有的工业机械手带有行走机构。驱动机构：有气
14、动，液动，电动和机械式四种形式。控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。机身：它是整个工业机械手的基础。2.2 规格参数工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：1.抓重（又称臂力）：额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤；2.自由度数目和坐标形式：整机，手臂和手腕等运动共有几个自由度，并说明坐标形式；3.定位方式：固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置；4.驱动方式：气动，液动，电动和机械式四种形式；5.手臂运动参数；6.手腕运动参数；7.手指夹持范围和握力；8.定位精度：位置设定精度和重复定位精度；9.轮廓尺寸：长宽高（毫米
15、）；10.重量：整机重量。2.3 设计路线与方案2.3.1 设计步骤1.查阅相关资料；2.确定研究技术路线与方案构思；3.结构和运动学分析；4.根据所给技术参数进行计算；5.按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核；6.绘制工作装配图草图；7.绘制总图及零件图等；8.总结问题进行分析和解决。2.3.2 研究方法和措施使用现在机械设计方法和液压传动技术进行设计，采用关节式坐标（四个自由度，可以绕横，纵轴转动和上下左右摆动）。2.4 本章小结 本章介绍了工业机械手的组成、规格参数、设计路线等内容，这种设计的机械手组成全面，配置合理，能达到一定的使用要求。第3章 机械手各部分的计算与分析3.1 手部计算与分析手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部
