电动机械手结构设计

1 绪论1.1工业机械手的概述工业机器手是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；由计算机控制，是无人参与的自主自动化控制系统；他是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。可以通俗的理解为“机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现人的动作和职能；它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的功能。”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：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。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机械手的构成与分类1.2.1机械手的构成机械人主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及人工智能等所组成。 (一)执行机构包括末端执行器、手腕、手臂、底座等部件，有的还增设行走机构，一般视需要而定。1、末端执行器即与物件接触的部件。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(即姿势)。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)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。手臂可能实现的运动如下: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、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构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。5、行走装置当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。(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。通常一台机械人只用一种驱动装置。(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)人工智能触觉、视觉、听觉、嗅觉、力觉、压觉、接近觉、滑觉、语言识别、逻辑判断和学习等装置，根据机器人的智能程度决定。1.2.2机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。（一）按机器人的机构特征来分机器人的机械配置形式多种多样，典型机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。按机构运动特征，机器人通常可分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人和关节型机器人等类型。1直角坐标机器人。直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴（见图71），通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。主要用于印刷电路基板的元件插入、紧固螺丝等作业。2柱面坐标机器人。柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成（见图72），具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。这种机器人结构简单、刚性好，但缺点是在机器人的动作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低。主要用于重物的装卸、搬运等作业。著名的Versatran机器人就是一种典型的柱面坐标机器人。3球面坐标机器人。其空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够作前后伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。著名的Unimate就是这种类型的机器人。其特点是结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人，但仍大于多关节型机器人。4、多关节型机器人。由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对喷漆、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。不少著名的机器人都采用了这种型式，其摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。如美国Unimation公司20世纪70年代末推出的机器人PUMA（见图74）就是一种垂直多关节机器人，而日本山梨大学研制的机器人SCARA（见图75）则是一种典型的水平多关节机器人。垂直多关节机器人模拟了人类的手臂功能，由垂直于地面的腰部旋转轴（相当于大臂旋转的肩部旋转轴）带动小臂旋转的肘部旋转轴以及小臂前端的手腕等构成。手腕通常由23个自由度构成。其动作空间近似一个球体，所以也称多关节球面机器人。其优点是可以自由地实现三维空间的各种姿势，可以生成各种复杂形状的轨迹。相对机器人的安装面积其动作范围很宽。缺点是结构刚度较低，动作的绝对位置精度磨较低。它广泛应用于代替人完成装配作业、货物搬运、电弧焊接、喷涂、点焊接等作业场合水平多关节机器人在结构上具有串联配置的二个能够在水平面内旋转的手臂，其自由度可以根据用途选择24个，动作空间为一圆柱体。水平多关节机器人的优点是在垂直方向上的刚性好，能方便地实现二维平面上的动作，在装配作业中得到普遍应用。(二)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以 “开一关”式控制定位，只能是点位控制: 伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(三)按驱动方式分1、 液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(四)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.3 机器人的应用与发展1.3.1 工业机器人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：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。在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。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。1.3.2机器人的发展与前景国际上第一台工业机器人产品诞生于20世纪60年代，当时其作业能力仅限于上、下料这类简单的工作。此后机器人进人了一个缓慢的发展期，直到进人20世纪80年代，机器人产业才得到了巨大的发展，成为机器人发展的一个里程碑，这一时代被称为“机器人元年”。为了满足汽车行业蓬勃发展的需要，这个时期开发出的点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列产品已经成熟，并形成产业化规模，有利地推动了制造业的发展。为进一步提高产品质量和市场竞争能力，装配机器人及柔性装配线又相继开发成功。20世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，工业机器人技术也得到了飞速发展。现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控（NC）、可编程、控制器（PLC）一起成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段，广泛应用于制造业的各个领域之中。工业机器人技术从机械本体、控制系统、传感系通行统，到可靠性、网络通信功能的拓展等方面都取得了突破性的进展。机械本体方面，通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。控制系统方面，性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。传感系统方面，激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。网络通信功能的拓展，日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。另外，由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的机器人系统也有了长足的进展。农业生产环境的的复杂性和作业对象特殊性使得农业机器人研究难度更大，农业机器人的应用尚未达到商品化阶段，但农业机器人技术的研究已经在土地耕作、蔬菜嫁接、作物移栽、农药喷洒、作物收获、果蔬采摘等生产环节取得了一些突破性进展。例如，日本的耕作拖拉机自动行走系统、联合收割机自动驾驶技术、无人驾驶农药喷洒机，英国的葡萄枝修剪机器人、蘑菇采摘机器人和挤牛奶机器人，我国的农业机器人自动引导行走系统、蔬菜嫁接机器人，法国的水果采摘机器人，以及荷兰开发的挤奶机器人等。机器人技术用于海洋开发，特别是深海资源的开发，一直是的许多国家积极关注的目标。法国、美国、俄罗斯、日本、加拿大等国从20世纪70年代开始先后研制了几百台不同结构形式和性能指标的水下机器人。法国的EPAVLARD、美国的AUSS、俄罗斯的MT-88等水下机器人已用于海洋石油开采、海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面。我国在90年代中期研制的“CR-01”水下机器人在太平洋深海试验成功，海深达 6000m 以上，使我国在深海探测和探索方面跃居世界先进水平。近年来随着各种智能能机器人的研究与发展，能在宇宙空间作业的所谓空间机器人就成为新的研究领域，并已成为空间开发的重要组成部分。美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人，如美国NASA的空间机器人Sojanor等。Sojanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸63048mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。服务机器人是近年来发展很快的一个领域，已成功地应用于医疗、家用、娱乐等人类生活的方方面面。作为服务机器人的一个重要分支，医用机器人的主要运用在护理、康复、辅助诊断和外科手术等场合。1998年5月德、法两国医生成功利用机器人完成了一例心脏瓣膜修复手术，包括对病人心脏瓣膜的修整和再造。这次手术中使用的是美国直觉外科研究所研制的医用遥控机器人系统。1998年6月，机器人又完成了首例闭胸冠状动脉搭桥手术。机器人技术与外科技术的结合，为病人带来福音。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生产、生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。2 总体设计方案2.1结构类型的要求和确定机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。 (1).对机器整机设计的基本要求 对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。 (2).对零件设计的基本要求 机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。 要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源（也称为一次能源）或二次能源转换为机械能，如内燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动能力，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。为实现总体机构在空间的位置提供的6个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下3种方案：1圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。2直角坐标型 直角坐标型工业四自由度的工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。3.球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。2.2规格参数手部负重：10kg（抓取物体的形状为圆柱体，圆柱体半径、高度自定，密度）自由度数：3个，沿Z轴的上下移动，绕Z轴的转动，沿X轴的伸缩坐标型式：圆柱坐标手臂运动参数：伸缩行程（X）：450mm伸缩速度（）：升降行程（Z）：150mm升降速度（）： 回转范围（）：定位方式：闭环伺服定位重复定位精度：驱动方式：电动控制方式：MGS-51单片微机2.2总体设计方案 使用现在机械设计方法和电动传动技术进行设计，采用圆柱式坐标。各手臂结构选用封闭式空心截面形状传动方式，选用同步带，螺旋传动和齿轮传动三种传动方式，驱动装置采用步进电动机，控制系统选用单片机的点位控制方式2.4工作原理机的输出经过减速器变速后，通过齿轮传动使腰部绕垂直轴线旋转，其旋转角度为270，大臂固定在腰部从动轮上，并随着腰部一起转动，从而实现手臂的整体旋转。大臂的升降机构由腰部来实现，此结构为步进电动机带动蜗杆使蜗轮传动，依靠蜗轮内孔的螺纹带动丝杠升降运动，为防止丝杠转动，采用了由丝杠上端的花键与固定箱体的花键套组成的导向装置小臂通过一旋转轴固定在大臂末端，其驱动电机固定在大臂的另一端，通过同步带传动带动小臂旋转，其旋转的角度为300。小臂内部安装有一个步进电动机，通过扇形齿轮齿条转化为实现手抓的开合3 机械手部分计算及其分析3.1手部计算与分析3.11手部设计的基本要求(1)应具有适当的夹紧力和驱动力。(2)手指应具有一定的开闭范围。(3)应保证工件在手指内的夹持精度。(4)要求结构紧凑，重量轻，效率高。(5)应考虑通用性和特殊要求。3.1.2夹紧力计算手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。其工件质量G=10kg，V形手指的角度2=，摩擦系数根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：根据手指加持工件的方位，可得握力计算公式： 所以实际驱动力： 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取0.94，并取为1.5若被抓去工件的最大加速度为时则：所以， 所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为1563N。.3.1.3手爪的夹持误差及分析 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图3-2，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过。手部的最终误差取决于手部装置加工精度和控制系统补偿能力。图3-2 夹持不同工件时的夹持误差图3-2中， 为工件直径，工件直径为60mm，尺寸偏差，则， ， 本设计为扇形齿条回转型夹持器，属于两点回转型手指夹持，如图3-3所示。图3-3扇形齿条回转式钳爪若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有： 简化为：在设计中，希望给定的和来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大，另一方面可选取合适的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径取为时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的和边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式：其中， 。V型钳的夹角代入得出： 则 则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得：所以，夹持误差满足设计要求。3.2 机械手腕部计算及其分析手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的回转运动。机器人手腕自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此手腕的自由度，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭手臂和腰部的于东就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。机器人手腕要求与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。要设有可靠的间隙调整机构，以减少空回间隙，提高传动精度。手腕各关节轴转动要有限位开关，并设计硬限位，以防止超限造成机械损坏。因此，应基本满足一下要求：（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。3.3手臂结构设计设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作，机械手臂性能要求：功能性的要求机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。适应性的要求为便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设置可调式定位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进电机通过程序设计改变运动速度，力矩电机通过调整工作电压，改变堵力矩的大小，达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。经济的要求机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。安全保护和自动报警的要求按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。机械手臂的结构要求：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。机器人手臂的机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。为了提高机器人的运动速度与控制精度，应保证机器人手臂有足够的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，通常选用高强度的铝合金制造机器人的手臂。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，抗震性好，比重小（其比重相当于刚的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及其制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故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。在保证所需要强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减少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。机器人的手臂相对其关节回转轴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，应尽可能利用机器人在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，必要时还要涉及平衡机构来平衡手臂参与的不平衡重量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。3.3.1设计参数伸缩长度：450mm单方向伸缩时间：1.52.5S；定位误差：要有定位措施，定位误差小于；前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；3.3.2手臂伸缩的尺寸设计与校核手臂伸缩采用烟台气动元件厂生产的标准，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，综合本设计的实际要求，尺寸系列初选内径为。尺寸校核在校核尺寸时，只需校核内径=63mm，半径R=31.5mm的尺寸满足使用要求即可，设计使用压强P=0.4MPa。则驱动力： 测定手腕质量为50kg，设计加速度则惯性力为： 考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k=0.2，所以，总受力 由于，所以标准CTA的尺寸符合实际使用驱动力要求。导向装置 电动机驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。平衡装置 在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力平衡力矩平衡状态，减少手爪一侧重力矩对性能的影响，故在手臂的伸缩一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码的质量根据抓取物体的重量的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。3.3.3手臂升降的尺寸设计及校核尺寸设计 运行长度设计为，内径为，半径，运行速度，加速时间，压强，则驱动力为： 尺寸校核测定手腕质量为80kg，则重力： 设计加速度，则惯性力： 考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数k=0.1， 所以，总受力 所以，设计尺寸符合实际使用要求。3.3.4手臂的尺寸设计与校核尺寸设计 长度设计为，内径为，半径，轴颈，半径，运行角速度，加速度时间，压强， 则力矩： 尺寸校核测定参与手臂转动的部件的质量，分析部件的质量分布情况，质量密度分布在一个半径r=200mm的圆盘上，那么转动惯量： 考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数k=0.2， M摩 = 总驱动力矩： M驱 = M摩 + M驱 所以，设计尺寸满足使用要求。3.4腰部结构设计工业机器人的腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座伤，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此机器人的基座和腰部轴及轴承的结构及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。腰部回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动） 及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。6. 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或者铸钢材料制成。3.5 齿轮齿条的设计计算1选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数1)按照所设计的传动方案，选用齿轮齿条传动。2）磁吸式机械手为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB10095-88）3）材料选择。由机械设计表101选择小齿轮为40Cr（调质），硬度为280HBS，齿条材料45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。 4）闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，小齿轮的齿数 =20-40,所以选择小齿轮的齿数 =24。 2.按齿面接触强度设计由机械设计计算公式（109a）进行试算，即 定公式内的各计算数值试选载荷系数 =1.3计算小齿轮传递的转矩 由机械设计中表107选取齿宽系数=1由机械设计中表106查得材料得弹性影响系数=189.8(5) 由机械设计中图1021d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600MPa；齿条的接触疲劳强度极限=550MPa；(6) 由机械设计中式1013计算应力循环次数=(7)由机械设计中图1019查得接触疲劳寿命系数=0.9; =2.5(8)计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数S=1，由机械设计中式（1012）得 计算试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小的值因为齿条的接触疲劳寿命系数较大，所以较大，所以小齿轮的较小所以代入小齿轮的值 mm=65.396mm计算圆周速度v v=m/s=3.29m/s计算齿宽b b= .=165.396mm=65.396mm 计算齿宽与齿高之比b/h 模数 =/=65.396/24 mm=2.725 mm 齿高 h=2.25=2.252.725=6.13mm b/h=65.396/6.13=10.67计算载荷系数 根据v=3.29m/s,7级精度，由图108查得动载系数=1.12直齿轮，假设100N/mm。由表103查得=1.2；由表102查得使用系数=1；由表104查得7级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时， =1.12+0.18(1+0.6)+0.23b将数据代入后得 =1.12+0.18(1+0.6)1+0.2365.396=1.423由b/h=10.67, =1.423查图1013得=1.35；故载荷系数 K=11.121.21.423=1.913 (6)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（1010a）得 =65.396mm=74.38mm （7）计算模数m m=/ =74.38/24=3.1 3. 按齿根弯曲强度设计 由式（105）得弯曲强度的设计公式为 确定公式内的各计算值由图1020c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa；齿条的弯曲疲劳强度极限=380MPa；由图查得弯曲疲劳寿命系数=0.85; =2.5计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4,由式（1012）得 MPa=303.57MPa MPa=678.57MPa （4）计算载荷系数K K=11.121.21.35=1.814 (5) 查取齿形系数 由表105查得=2.65; =2.06(6) 查取应力校正系数 由表105可查得=1.58; =1.97计算小齿轮，齿条的并加以比较 =0.01379 =0.00598 小齿轮的数值大。2)设计计算 mm=2.052mm 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅于齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数2.052并就近圆整为标准值m=2.5，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。 4.几何尺寸计算 1）计算分度圆直径 =302.5=75 2)计算齿轮宽度 b=175=75 取=75, =80。 5. 验算 N=2652.8NN/mm =35.37N/mm100N/mm,合适。3.6.键的设计计算 键是一种标准零件,通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩,有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。平键是其中的一种。平键连接具有结构简单，装拆方便，对中性好的优点。而普通圆头平键在键槽中轴向固定良好。 选择齿轮与轴连接所用的键。 在此次设计的装置中，直齿圆柱齿轮安装在轴的两个支承点间，齿轮和轴的材料都是锻钢，用键构成静联接。装齿轮处的轴径d=56mm，齿轮轮毂宽度为80，载荷为轻微冲击。1.选择键联接的类型和尺寸 此齿轮有定心精度要求，应选用平键联接。由于齿轮不在轴端，故选用圆头普通平键（A型）。 根据d=56mm从表61中查得键的截面尺寸为：宽度b=16，高度h=10。由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长L=70（比轮毂宽度小些）。 2. 校核键联接的强度 键，轴，轮毂的材料都是钢，由表62查得许用挤压应力=100-120MPa，取其平均值，=110MPa。键的工作长度l=L-b=7016=54，键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=0.510=5。 因为电动机的额定功率=11Kw,=0.909，=1500r/min,i=1.5625所以轴上的输入功率P=11Kw0.909=10Kw 轴的转速 n=(1500/1.5625)r/min=960r/min所以轴上的转矩T=9550P/n=(955010960)Nm=99.48Nm由式(61)可得 =(299.481000)(55456)=13.16MPa =110MPa（合适）键的标记为： 键1610 GB/T 10961979选择从动V带轮与轴连接所用的键。 从动V带轮的材料为铸铁，轴的材料是锻钢，用键构成静联接。从动V带轮的轴径d=35mm，V带轮轮毂宽度为100，载荷为轻微冲击。1.选择键联接的类型和尺寸 此从动V带轮有定心精度要求，应选用平键联接。选用圆头普通平键（A型）。 根据d=35mm从表61中查得键的截面尺寸为：宽度b=10，高度h=8。由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长L=90（比轮毂宽度小些）。 2. 校核键联接的强度 键，轴的材料都是钢，轮毂的材料为铸铁，由表62查得许用挤压应力=50-60MPa，取其平均值，=55MPa。键的工作长度l=L-b=9010=80，键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=0.58=4。 由式(61)可得 =(299.481000)(48035)=17.76MPa =55MPa（合适） 键的标记为： 键108 GB/T 10961979选择主动V带轮与电动机主轴连接所用的键。 主动V带轮的材料为铸铁，轴的材料是锻钢，用键构成静联接。主动V带轮的轴径d=42mm，V带轮轮毂宽度为100，载荷为轻微冲击。1.选择键联接的类型和尺寸 此主动V带轮有定心精度要求，应选用平键联接。选用圆头普通平键（A型）。 根据d=42mm从表61中查得键的截面尺寸为：宽度b=12，高度h=8。由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长L=90（比轮毂宽度小些）。 2. 校核键联接的强度 键，轴的材料都是钢，轮毂的材料为铸铁，由表62查得许用挤压应力=50-60MPa，取其