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1、目 录摘 要.IABSTRACTABSTRACT.I 1 前言.1 1.1 机器人概述 .1 1.2 机器人的历史、现状 .3 1.3 机器人发展趋势.5 2 搬运机械手的总体设计方案.53 机械手手爪的设计.7 3.1 手爪设计的基本要求 .7 3.2 手爪结构设计 .7 3.2.1 夹紧力计算 .8 3.2.2 手爪开合驱动力的计算.9 3.2.3 手爪开合驱动液压缸的计算.10 4 机械手手腕的设计.11 4.1 腕部设计的基本要求.11 4.2 腕部的计算.11 4.3 回转液压缸驱动力矩计算.13 4.4 回转缸内径 D 计算.14 4.5 腕部轴承选择.15 5 机械手伸缩臂设计
2、.16 5.1 伸缩臂设计基本要求.16 5.2 伸缩臂液压缸参数计算.17 5.3 液压缸缸筒内径 D 的确定.18 5.4 伸缩臂范围控制与调整.18 6 驱动系统.18 6.1 驱动系统设计要求.18 6.2 驱动系统设计方案.19 6.3 驱动系统设计.19 7 其它机械部件.20 7.1 液压缸盖螺钉的计算.20 7.2 静片和输出轴间的连接螺钉.21 8 结 论.229 参 考 文 献.23致 谢.241 前言1.1 机器人概述机器人概述在现代化工业中，生产过程的自动化和机械化，在现代化工业进程中扮演着越来越重要的作用，在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。现在大批量生产自动化
3、的有效办法是专用机床；自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法是程控机床、数控机床、加工中心等。但除了切削加工自身外，同时还有着大量的装卸、搬运、装配等作业，远远落后于上述几个方面。但工业机器人的出现，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”大部分是指可以编程的能够独立自动抓取、搬运零件、操作工具的自动化加工设备。机器人是一种具有人体部分功能，工作程序能够固定的自动化装置，它的优点是结构简单、成本低廉、容易维修。缺点是适应性较差，功能比较少。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机器人称为通用机器人。换句话说，机器人就是用自动化装置代替人工，把工件从某
4、个位置移向指定的位置，或按照工作要求以操纵工件进行装配或加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，本次所设计的搬运机械手即属于此类装置。它是一种独立的装置，可以根据任务的需要编制程序，从而完成各项规定操作。第二类称为操作机，它是需要人工操作的，它最开始先是通过执行器来完成特定的作业，后来发展到利用无线电操作机器人来对月球进行探测等。第三类主是主要附属于自动机床或自动生产线上的专业机器人，用以解决机床上下料和工件传送。它是为主机服务的，由主机驱动。属于专用机器人，除少数外，工作程序一般是固定的。按照结构形式的不同机器人又可以分为多种类型，其中最常用的为关节型机器人，因其具有结
5、构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些影响其工作的障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式。要机器人能够像人一样拿取东西，具备人手的一些类似功能，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、等关节组成部分，构成的一系列抓取和移动机构，我们称之为执行机构；像手臂肌肉那样使之运动的驱动，我们称之为传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。图 1.1 机器人的一般组成对于现代化的智能机器人而言，它还具有一定的智能系统，主要包括感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前
6、研究的主要对象主要集中机器人的视觉装置上，即给予机器人以眼睛的功能，使它能识别物体和躲避障碍物。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的它们之间的相互关系如图 1.2 所示。图 1.2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动系统组成。执行机构是机器人能够完成各项工作任务的根本，通常由连杆和关节组成，由驱动系统提供动力，按照控制系统的要求完成各项工作任务。驱动机构为机器人提供各关节所需要的动力，传动系统能够将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的资料把机器人分为机械系统部分、驱动系统部分和控制系统部
7、分三大部分。其中的机械系统又叫执行器，也就是本文中所说的执行机构部分。1.21.2 机器人的历史、现状机器人的历史、现状1958 年第一台机器人在美国联合控制公司诞生，使美国成为第一个研究机器人的国家，它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放装置，是示教型的控制系统。工业机器人发展最快、应用最多的国家是日本。它在 1969 年从美国引进两种典型机器人后，便开始大力从事机器人的研究。目前工业机器人主要依靠人工进行控制，大部分还属于第一代；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机器人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、
8、想的能力正在加紧研制。它的主要方向为研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉功能。第三代机器人通常能独立地完成工作过程中的各种任务。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 FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。随着工业机器人研究制造和应用领域的不断扩大，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。目前，工业机器人的主要用途在于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生
9、产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平
10、，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在 EPROM 中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：（1）1963-1967 年为试验定型阶段。1963-1966 年， 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967 年，该公司生产的工业机器人定型为 1900 型。（2）1968-1970 年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人；1969 年该公司又自行研制出 SAM 新工业机器人，并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448 台冲床都用工业机器人传递工件。（3）1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972 年，工业机器人处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约
