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1、第一章 绪论1.1课题研究的目的及意义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。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。工业机械手是工业物流自动化中上网重要装置之一，是当今世界新技术革命的一个重要标志。工业机械手是典型的机电一体化产品。工业机械手的产生和推广是社会生产和发展的需要，也是现代生产和科技发展的新技术产品。工业机械手已经在工业生产、资源开发、社会服务、排
2、险救灾以及军事技术等方面发挥着愈来愈大的应用。 工业机械手的应用和推广已经并将获得极大的效益。例如在机械制造工业、汽车工业等生产中采用电焊、弧焊、喷漆等机械手，可以大大提高劳动生产率，保证产品质量，改善劳动条件。又如在微电子、医药等生产部门，采用机械手操作，可以消除人对产品的污染、确保产品质量。机械手可以在有毒、噪音、高温、易燃、易爆等危险有害的环境中代替人长期稳定的工作，从根本上解决了操作者的安全保障问题。因而在这方面应用和推广机器人技术是十分迫切和必要的。近代工业机械手的原型可以从本世纪40代算起。当时适应核技术的发展需要开发了处理放射性材料的主从机械手。50年代初美国提出了“通用重复操作
3、机器人”的方案，59年研制出第一工业机械手原型。由于历史条件和技术水平关系，在60年代机械手发展较慢。进入70年代后，焊接、喷漆机械手相继在工业中应用和推广。随着计算机技术、控制技术、人工智能的发展、机械手技术得到迅速发展，出现了更为先进的可配视觉、触觉的机器人所应用的机械手。如美国Unimation公司PUMA系列工业机器人相关的机械手，即使由直流伺服驱动、关节式结构、多cpu微机控制、采用专用语言编程的技术先进的机械手。到了80、90年代机器人及相关的机械手开始在工业上普及应用。据统计1980年全世界约有两万台机器人在工业上应用，而到今年 增长更快。今年已近开发出具有视觉、触觉及力觉感受的
4、高性能机器人以及各种智能装配机械手，并投入工业应用。1.2国内外机械手研究概况我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：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，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制
5、系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；普曼公司专门生产工业机械手联邦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：联邦德国K公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之
6、全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DCPWM等等。计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运
7、动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。机械手的种类，按驱动方式分为液压式.气动式.电动式.机械式机械手;按适用范围可以分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹可以分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。1.3课题研究的内容本课题将要完成的主要任务如下：(1)选取合适的曲轴，并确定其特征参数；(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、手臂等部件的设计；(4)液压传动系统的设计。本课题将设计出机械手的液压传动系统
8、，包括液动元器件的选取，液动回路的设计；1.4机械手的组成工业机械手是工业机器人的执行系统，由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成，是抓取工件、进行操作及各种运动的机械部件。(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。1、 手部手部装在操作机手腕的前端，它是操作机直接执行工作的装置。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，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
9、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。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸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。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
10、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.2、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。3、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)
11、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。4、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。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构
12、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。第二章 机械手的总体结构设计机械手总体设计图（proe效果图）2.1机械手的座标型式与自由度2.1.1座标型式分析按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。2.1.2自由度分析相应的机械手具有三个自由度，即手臂的伸长、缩短和整体旋转。 图2-1机械手的
13、手指、手腕、手臂的运动示意图2.1.2 机械手的手部结构方案设计为 了使 机 械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2.13 机械手的手腕结构方案设计考虑 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气缸。2.14 机械手的手臂结构方案设计按照 抓 取 工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手
14、臂的各种运动由气缸来实现。2.5 机械手的驱动方案设计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及其装置。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。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。2.6 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.7 机械手的主要参数1、主参数机械手的最大抓重是其规格的
15、主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为10公斤，高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部时可吸附5公斤的重物。2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩的速度。该机械手最大移动速度设计为1.2m/s，最大回转速度设计为1200/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为900/s。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1500mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5lmm2.8机械手的技术参数列表一、用途:简单搬运二、设计技术参数:为了保证这些参数指标，就需要在机械结构设计中充分考虑结构的强度要求、认真分析机械动力特性，选择良好的结构型式，使机械手具有良好的工作性能。1、抓重（用来表示机器人负荷能力的
