简易机械手的设计

机电液综合课程设计简易机械手的设计学校： 学院：机械与动力工程学院 班级：机制09-1 班 指导教师:组员： 组长：目录第 1 章 绪论 11.1 机械手概述 11.2机械手的设计目的41.3 机械手的设计内容 51.4 机械手的分类及其在生产中的应用 61.5 机械手的应用意义 91.6 机械手的技术发展方向 10 第2章 设计方案的论证112.1 机械手的总体设计 112.2 机械手腰座结构的设计122.3 机械手手臂结构的设计122.4 工业机器人腕部的结构 142.5 机械手末端执行器（手爪）的结构设计 152.6 机械手的机械传动机构的设计172.7 机械手驱动系统的设计18 第3 章 理论分析和设计计算263.1 液压传动系统设计计算263.2 电机选型有关参数计算35第4章 控制系统的设计384.1 单片机控制系统选择 384.2 单片机控制程序394.3 机械手的工艺流程 41 第 5章 机械手总成及零件图42 总结 44 参考文献 45第 1 章 绪论1.1 机械手的概述机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工 件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而 有多种结 构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种 转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿 势。运动机构的 升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为 了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计 的关 键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复 杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的 电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控 制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实 现所要功能。机械手通常常机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装 卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作 装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称 为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善 热、累等劳动条件。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成； 电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程 控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。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。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。在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代 化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流 水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如 高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境 不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与 工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重 要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量 和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和 污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定 的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由 于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的 知识内 容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电 子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等， 因此它是一项 综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视， 几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不 断地增加，应用领域 也在不断地扩大。早在 40 年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械 手。5060年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械 手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类 型。6070 年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线 上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90 年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、 林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用90 年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机 械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力； 改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系 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，把接收到 的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立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系统 FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。1.2机械手的设计目的工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教 学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。 通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化 系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过这一环节要求达到：（1）通过设计，把握有关课程（机构分析与综合、机械原理、机械设计、 液压与气压传动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及 应用、自动化机械设计等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用，是这 些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来。因此，工业机械 手的设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计。（2）工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一 次比较完整的机电一体化的整机设计。通过设计，培养学生独立的机械整机设计 能力，树立正确的设计思路，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤， 为自动化机械设计打下良好的基础。（3）通过设计，使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图 册及规范，熟悉有关国家标准和部分标准，以完成一个工业技术人员在机械整机 设计方面所必须具备的基本技能训练。（4）由于机械手设计工作量比较大，为使学生在短时间内得到完整训练， 同学以小组为单位，分工合作共同完成此次机械手设计任务，这样既节省了时间， 有解决了量大，时间紧的矛盾，同时最大限度的培养了学生分工协作完成大型设 计的能力。1.3机械手的设计内容1.3.1 机械手的方案论证 根据国内外同类产品现状，设计课题方案。1.3.2 机械手的总体设计 在方案论证的基础上进行机械手的总体设计，并绘制总体布局图1.3.3 驱动系统的设计根据机械手的特点，选用舍党的驱动方式，根据总体设计要求进行电机选型。 进行电机选型相关计算。进行驱动系统零部件的选型和设计。绘制驱动系统布局 图。1.3.4 控制系统的设计确定机械手的控制方式并进行控制系统的控制与编程。绘制控制系统布局 图。1.3.5 传感与测试系统的设计进行控制与驱动系统的传感与测试系统的设计。1.3.6 机械本体设计进行机械本体零部件设计，绘制总体和零件图。1.4 机械手的分类及其在生产中的应用1.4.1 机械手的分类（1）油田钻柱操作机械手本产品由山东科技大学研发而成，主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸 工作。操作机械手设计有两个，一个坐落在一层台井口旁边 2 米左右处， 简称 为下手；一个坐落在二层台上的中心台上，简称为上手。下手的腰部回转角度120,最大伸缩距离为5.7米，有5个运动关节，在手臂做伸缩运动时,手部保 持水平平动。上手的腰部回转角度为310。，最大伸缩距离2800mm，上手有9 个运动关节，手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。 机械手采用手动比例阀 控制下的液压控制方式。机械手可以完成的操作对象参数为：钻柱咼30 m； 钻杆重量为：40 Kg/m,总重1200 Kg；钻铤（七英寸直径）重量为:180 Kg /m，总重 5400 Kg。（ 2）硬臂式助力机械手 硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程 “漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助 力机械手， 而必须选用硬臂式助力机械手。比如在工件重心远离臂悬挂点，或 是工件需要翻转或倾斜情况下，必须选用硬臂式助力机械手，还有在厂房咼度有 限情况下，可以选 用硬臂式助力机械手。硬臂式助力机械手可以实现提升最大 500Kg 的工件，半径最大可以达到 3000mm，提升高度 最大2500mm。根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工 件重量的最小型号的机器，如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的 工件，那么操 作性能肯定不好，感觉很笨重。 配有储气罐，可在断气情况下继 续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁 功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安 全表面时，操作者不能释放工件。 上海永乾制造的助力机械手（含硬臂式、软 索式）还可以在用户现场气压不足的情况下，增加增压泵，可以使设备运行更加 平稳。 配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。 安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。（ 3）软索式机械手软索式机械手的功能与气动平衡吊类似，具有全行程的“漂浮”功能，但是 提升位移比气动平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大负载只有450Kg。配 有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者。 配 合各种非标夹具，软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可 以固定地面或悬挂固定使用，不能使用导轨式。4） T 型助力机械手区别于硬臂式助力机械手的是 T 型助力机械手没有双关节机械臂，它的前 后左右位移靠导轨来实现。由于 T 型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式 显得小巧，更适合于操作空间狭小的场合。T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根 据客户要求设计，而且搬运范围要比硬臂式大的多。 配有储气罐，可在断气情 况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启 动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放 置在安全表面时，操作者不能释放工件。 配合各种非标夹具，硬臂式助力机械 手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式为导轨移动。1.4.2 机械手在生产中的应用在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业 中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法， 程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动 化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有 待于进一步实现机械化。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。机械手可在空 间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产， 广泛应用于柔性自动线。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以 下几方面：1. 热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提 高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能 胜任的作业就更需要采用机械手操作。2. 冷加工方面的应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件 单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应 用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为 机床、设备上下工序联接的重要于段。3. 拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发 展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解 制动 缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装 的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连 续喷漆，以 改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的 应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。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大等特点，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，例如： (1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2) 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械 行业中它可以用来组装零部件。(3) 可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4) 可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5) 宇宙及海洋的开发。(6) 军事工程及生物医学方面的研究和试验。1.5机械手的应用意义在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下1. 可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的 装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业 生产机械化和自动化的步伐。2. 可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪 声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，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地完 成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中， 以机械手 代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3. 可以减少人力，便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应 用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和 综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生 产的节拍，便于有节奏地进行生产。1.6机械手的技术发展方向目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、 性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应 用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。 在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机 械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆 动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，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 型部件，即可组成各种不同 用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要 提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的 作用。此外还应大力 研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算 机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、 模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序 完成规 定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如 发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的 发展趋势是大 力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反 馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自 行检测，重点是研究 视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视 照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将 物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色 和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反 馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元 件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧 的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展， 机械手的装配作业的能力将进一步提高。到 1995 年，全世界约有 50%的汽车由 机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制 造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。第 2 章 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.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。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。2.1.2设计具体采用方案图2-2具体到本设计，设计取搬运的加工工件的质量达30KG，且长度达500MM, 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2种运动，其中手臂的伸缩直线运动，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2，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度一个移 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。机 械手工作布局图如图2-2所示。2.2 机械手腰座结构的设计2.1 设计具体采用方案 腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或 液压马达来实现，目前的趋势是用前者。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。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。 考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量预计达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。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。2.4 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，1 个自由度来实现机床的上下料。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， 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。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 机器人夹持器的结构连杆杠杆式手爪：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。2.5.4 设计具体采用方案液压驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指 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 50mm 来设计。2.6机械手的机械传动机构的设计设计具体采用方案具体到本设计，因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂，液压缸实现直接 驱动，它既是关节机构，又是动力元件。故不需要中间传动机构，这既简化了结 构，同时又提高了精度。而机械手腰部的回转运动采用步进电机驱动，必须采用 传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较，选择圆柱齿轮传动，为了保证比较高 的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，同时较大的降低 电机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用外部增加减速箱驱 动大齿轮，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。2.7机械手驱动系统的设计2.7.1 机器人各类驱动系统的特点工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要 也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点 如下。1. 液压驱动系统由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量 比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以 及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能 转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低， 液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。2. 气动驱动系统 具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷 的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中，如在 上、下料和冲压机器人中应用较多。3. 电动驱动系统 由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频 器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。 这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后 面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中， 成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机 器人中被广泛的使用。2.7.2 工业机器人驱动系统的选择原则 设计机器人时，驱动系统的选择，要根据机器人的用途、作业要求、机器 人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条 件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素， 充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下：1. 物料搬运（包括上下料）使用的有限点位控制的程序控制机器人，重负 荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动 系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。2. 用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人，要求具有点位和轨迹控制功能，需 采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机 器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压 驱动系统。2.7.3 机器人液压驱动系统液压系统自 1962 年在世界上第一台机器人中应用到现在，已在工业机器 人中获得了广泛的应用。目前，虽然在中等负荷以下的工业机器人中大量采用电 机驱动系统，但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系 统的还仍然占有很大的比例。液压系统在机器人中所起的作用是通过电 -液转换元件把控制信号进行功 率放大，对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制，进而控制机器人手臂 按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达， 连续回转的液压马达用得很少。在工业机器人中，中、小功率的液压驱动系统用 节流调速的为多，大功率的用容积调速系统。节流调速系统，动态特性好，但是 效率低。容积调速系统，动态特性不如前者，但效率高。机器人液压驱动系统包 括程序控制和伺服控制两类。1.程序控制机器人的液压系统 这类机器人属非伺服控制的机器人，在只有简单搬运作业功能的机器人 中，常常采用简易的逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实现有限点位的控 制。这类机器人的液压系统设计要重视以下方面：（1）液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合 的密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸的寿命。（2）定位点的缓冲与制动：因为机器人手臂的运动惯量比较大，在定位点 前要加缓冲与制动机构或锁定装置。（3）对惯量比较大的运动轴的液压缸两侧最好加设安全保护回路，防止因 碰撞过载而损坏机械结构。（4）液压源应该加蓄能器，以利于多运动轴同时动作或加速运动提供瞬时 能量储备。2.伺服控制机器人的液压系统具有点位控制和连续轨迹控制功能的工业机器人，需要采用电 -液伺服驱动 系统。其电-液转换和功率放大元件有电-液伺服阀，电-液比例阀，电-液脉冲阀 等。由以上各类阀件与液压动力机构可组成电-液伺服马达，电-液伺服液压缸， 电-液步进马达，电 -液步进液压缸，液压回转伺服执行器（ RSA-Rotory Serve Actuator）等各种电-液伺服动力机构。根据结构设计的需要，电-液伺服马达和 电-液伺服液压缸可以是分离式，也可以是组合成为一体。如果是分离式的连接 方式，要尽量缩短连接管路，这样可以减少伺服阀到液压机构间的管道容积，以 增大液压固有频率。在机器人的驱动系统中，常用的电-液伺服动力机构是电-液伺服液压缸和电-液伺服摆动马达，也可以用电-液步进马达。液压回转执行器是一种由伺服电 机，步进电机或比例电磁铁带动的一个安放在摆动马达或连续回转马达转子内的 一个回转滑阀，通过机械反馈，驱动转子运动的一种电-液伺服机构。它可安装 在机器人手臂和手腕的关节上，实现直接驱动。它既是关节机构，又是动力元件。2.7.4 机器人气动驱动系统气动机器人采用压缩空气为动力源，一般从工厂的压缩空气站引到机器人 作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机器人具有气源使用方便、 不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境 下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床 上、下料，仪表及轻工行业中、小型零件的输送和自动装配等作业，食品包装及 运输，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小 机器人中的。这类机器人多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构；3-5 个自由度；负荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重复定位精度为+/-0.1-0。 5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器（PLC）。在易燃、易爆的场合下可 采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成。1. 气源 由总压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机，储气罐，气 水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站的条件，可以按机器人及配 套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。2. 气动三联件 由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离 式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气 站供气还是用单独的气源，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油 雾器，但是一般情况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增加 使用寿命。3. 气动阀气动阀的种类很多，在工业机器人的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。4. 气动执行机构多数情况下使用气缸（直线气缸或摆动气缸）。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外（如手爪机构上用的），多数 采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点位置缓冲的气缸。气缸的结构 形式以及与机器人机构的连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接， 气缸杆的螺纹连接或铰接等）由设计机器人时根据结构要求而定。气缸的内径， 行程大小可根据对机器人的运动分析和动力分析进行计算。为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降低摩擦力，密封材料要选用橡 胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的 应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装 的非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机器人中用 得比较多还有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。5. 制动器 气动机器人的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气 缸活塞的运动速度容许达1.5m/s,如果气缸以lm/s的速度计算，电磁气阀以较 大关闭时间70ms计，那么气缸活塞两个停点的距离约为70mm，两个停点的步 长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀，吸合关闭时间较小，停点的步长也 要相应缩短。因此对机器人一个单自由度而言，停点数目最多6-9 个。为增加定 位点数，除采用多位置气缸外可采用制动的方法还有：反压制动，制动装置制动。6. 限位器 气动机器人各运动轴的制动和定位点到位发讯，可由编程器发 指令，或由限位开关发讯。根据要求和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限 位开关是无接触接近开关，这种开关的反映时间小于20ms，在机器人中应用比 较理想。当气缸活塞运动到定位点时，为保证定位精度，需要将运动轴锁紧。常 用的限位机构是由电磁阀控制的气缸带动锁紧机构（插锁，滑块等）将机器人运 动机构锁定。再启动时，事先打开锁紧机构。2.7.5 机器人电动驱动系统这些年来，针对机器人，数控机床等自动机械而开发的各种类型的伺服电 动机及伺服驱动器的大量出现，为机器人驱动系统的更新创造了条件。由于高起 动力矩、大转矩低惯量的交、直流电机在机器人中的应用，因此一般情况下，负 重在 100kg 以下的工业机器人大多数采用电动驱动系统。其驱动原理方块图如下 所示：在机器人驱动系统中应用的电动机大致可分为如下类型：小惯量永磁直流 伺服电动机，有刷绕组永磁直流伺服电动机，大惯量永磁直流伺服电动机（力矩电机），反应式步进电机，同步式交流伺服电动机，异步式交流伺服电动机。速度传感器多数用的是测速发电机，位置传感器多数用光电编码器。伺服 电动机可与测速发电机、光电编码器、制动器、减速器相结合，实现部分组合、 由几种组合或全部组合，形成伺服电动机驱动单元。为了提高机器人的传动精度， 国外近几年开发了直接驱动电动机，并将多级旋转变压器组合在一起，这种旋转 变压器每转可达40-60万个脉冲，这种直接驱动的电机（DD驱动电机）在快速 高精度定位的装配机器人中已经得到应用。1.机器人驱动系统电机的选择 机器人的驱动系统电机的选择要根据机器人的用途、功能、结构特点，结合各 类电机自身的特点、性能、结构特点以及性能价格比等综合考虑进行。根据机器 人各运动轴所计算的、要求电机的转速、负载额定力矩、加减速特性、额定功率、 加速功率等参数选择电机型号。有关各类驱动电动机主要特点及性能、结构特点、 用途及使用范围、适用的驱动器见表 2-1：名称主要特点及性能结构特点用途及使用范围小惯 量直流 永磁伺 服电动 机电机的惯量小，理论加速 度大，快速反应性好，低速 性好，调速比可达1： 10e4 范围，但低速输出力矩不 大，转子直径小，惯量小适用于对快 速性要求严格 而负载力矩不 大的场合有刷 绕组永 磁直流 伺服电 动机转动惯量小，快速响 应性能好；转子无铁损， 效率高；换向性能好， 寿命长；负载波动对转 速影响小，输出力矩平 稳。无铁心，具有轴向平面间隙可频繁起 制动、正反 转工作，响 应迅速，适 用于机器 人，数控等表 2-1驱动器直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器大惯输出力矩大，转矩波适用于驱动力矩较大直流量永磁又称力矩PWM伺服动小，机械特性硬度大，电机，其转的场合，因驱动器，直流伺可以长时间工作在堵转子较粗可不用齿轮SCR变压服电动条件下传动，消除驱动器机了齿轮间隙将电脉冲信号直接转 换成转角，转角与脉冲 数成正比，输出力矩也 较大电机转 子无转租， 由永磁体 构成转子 磁极用于数字 系统中作为 执行元件， 如数控机 床、机器人； 开环控制直流PWM伺服 驱动器SCR变压驱动器转速与定子绕组所建 立的旋转磁场严格同 步；从低度到高速，定 子绕组可通过大电流， 故起、制动转矩不降低， 可频繁起、制动转子由 永久磁铁 做成，定子 有三相，转 子比较细主要用于 中小容量的 伺服驱动系 统中，如数 控、机器人 等系统中交流PWM变频调速器转速永远低于定子绕 组所建立的旋转磁场， 机构简单，容量大，价 格低定子由 对称三相 绕组组成，用于数控 机床主轴等 容量大的场 合交流PWM变频调速器表 2-1 续表反应步进电机同步 交流伺 服电动 机异步 交流伺 服电动 机2.机器人电动驱动系统伺服驱动器（1）直流电机伺服驱动器直流伺服电机驱动器目前多采用脉冲宽度调制（PWM）伺服驱动器。其电 源电压为固定不变值，由大功率三极管作为开关元件，以固定的开关频率动作， 但其脉冲宽度可以随电路控制而改变，改变了脉冲宽度也就可以改变加在电机电 枢两端的平均电压，从而改变了电机的转速。这种伺服驱动器一般由电流内环和 速度外环组成。末级采用大功率三极管构成桥式开关电路。PWM 伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好，响应快、效率高、过载 能力强等特点。目前已广泛应用于各类数控机床、工业机器人及其它机电一体化 产品中用做直流伺服电机的驱动。（2）步进电机驱动器 步进电机的控制装置主要包括脉冲发生器，环行分配器和功率放大器等几部 分组成。脉冲发生器可以按照起、制动及调速要求改变频率、以控制步进电机。环 行分配器是控制步进电机各绕组按一定的次序通过的环节。它的作用是把脉冲发 生器送来的一系列脉冲信号按照一定的循环规律依次分配给各绕组，以使步进电 机按着一定的规律运动。功率放大器的作用是将环行分配器输出的毫安级电流放大成安培级电流 以驱动步进电机。目前功率放大器多采用高低压驱动电路。这种电路有高、低压 二组电源。当绕组刚通电瞬间让绕组接通高电压，从而使各相电流迅速建立。而 当达到步进电机额定电流时仅以低电压给各相绕组供电。高电压加入的时间长短 由控制电路来实现。2.7.6 设计具体采用方案具体到本设计，在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素。机械手腰 部的旋转运动需要一定的定位控制精度，故采用步进电机驱动来实现；因为采用 液压执行缸来做水平手臂，故大小臂均采用液压驱动；同时考虑随着机床加工的 工件的不同，水平手臂伸出长度是不同的。因此，要求水平手臂具有伺服定位能 力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实 现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手 指张开和闭合。第 3 章 理论分析和设计计算3.1液压传动系统设计计算3.1.1 确定液压系统基本方案液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运动。二者的特点及适用场合见表 3-1：表3-1名称特点适用场合双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动， 差动连接可实现快进柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其它 外力返回摆动缸单叶片式小于360小于360的摆动；双叶片式小于180小于180的摆动齿轮马达结构简单、价格便宜高转速、低转矩的回转运 动叶片马达体积小、转动惯量小高速低转矩、动作灵敏的 回转运动摆线齿轮马达体积小、输出转局大低速、小功率大转矩的回 转运动轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转 速范围宽大转矩的回转运动径向柱塞马达转速低，结构复杂，输 出转矩大低速大转矩回转运动本设计因为机械手的形式为圆柱坐标形式，具有 2 个自由度，一个转动，1 个移动自由度。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定 位精度的具体要求以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，剩下 的两个运动均为直线运动。因此，机械手的水平手臂采用单活塞杆液压缸，来实 现直线往复运动。3.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路液压执行元件确定后，其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问 题。方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系 统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用 插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的 容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节 流调速。本设计的方向控制采用电磁换向阀来实现，而速度的控制主要采用节流调速，主要方式是采用比较简单的节流阀来实现。3.1.3 液压源系统的设计液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调 速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于 系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压 力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进 入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱， 可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考 虑加热、冷却等措施。本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀 V1 来调定系统压力。为了 保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而 在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。3.1.4 绘制液压系统图本机械手的液压系统图如图 3-1 所示，它拥有水平伸缩缸/的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开 2 个执行机 构。其中，泵由三相交流异步电动机 M 拖动；系统压力由溢流阀调定。考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两 个单向节流阀。当2DT得电时，实现手爪的轻缓抓紧；当1DT得电，2DT失电 时，实现手爪迅速松开。 3DT 通电，水平液压缸伸长， 4DT 通电水平液压缸收 缩。图 3-1 机械手的液压系统原理图朮平换3.1.5确定液压系统的主要参数液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元 件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构 尺寸。(1).计算液压缸的总机械载荷根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为F 二 F + F + F + F + F(3-1)wmsffb式中，F 为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；wF为活塞上所受的惯性力；mF为密封阻力；sfF -为导向装置的摩擦阻力;F 为回油被压形成的阻力；b F 的计算m3-2)f = G .Av.m g A t式中，g 为液压缸所要移动的总重量，取为100KG；g 为重力加速度， 9.81m / s 2；Av为速度变化量；0.02m每秒At 启动或制动时间，一般为0.010.5s，取0.2s将各值带入上式，得：F =1.02 Nm3-3) Fsf 的计算F = Ap - Asf f 1式中， Ap 克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力16 MP ，查相关手册取=0.2 MP ；aaA1为进油工作腔有效面积；启动时：F二565Nsf运动时：F二=283Nsf F 的计算b回油背压形成的阻力按下式计算F = p -A(3-5)b b 2式中，p -为回油背压，一般为0.3MP 0.5 MP，取=0.3 MPb a a aA2为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为 2；将各值带