四自由度机械手

摘要在中国工业韧带发展中，很多高生产率高精度的机械加工设备从国外引进，比如数控车床和铳床等，还有把几种机床的功能集中在一起的加工中心等。总之这类CNC机床大大的提高了工作速度，产品的加工精度，降低了工作的劳动强度，所以大受欢迎。但是这类设备引进费用也是相当的昂贵，所以国内很多企业的技术人员在原先的旧机床上进行改进，来达到提高生产率和降低工人的劳动强度，实现工业自动化，这类改进同样也大受欢迎。本文所设计的机械手主要用于搬运工件，工件总重不大于10Kg,长150cm,宽150cm,高150cm的立方体。为了增加本机械手的通用性，在结构尽可能紧凑的情况下，最大限度的是机械手具有较大的抓取范围。本文主要介绍了搬运机械手的概念、组成和分类，接受的自由度和坐标形式、运动及国内外的发展状况。对于搬运接受进行总体方案设计，首先机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的坐标像是为圆柱坐标型，自由度数为4,接着确定了机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的主要技术参数。同时，设计了机械手的手部结构形式为气缸杠杆式手爪、臂部结构形式采用液压缸导向连接的双横臂结构，底座采用电机带动竖臂的旋转。机身结构形式为升降缸用液压缸的结构形式，计算出夹紧工件所需的驱动力、手爪转动时所需的驱动力矩、手臂的伸缩所需的驱动力手臂的俯仰所需的驱动力、手臂的升降所需的驱动力，和手臂回转所需的驱动力矩。继而设计了装箱机械手的各部分液压缸的尺寸和结构及各部分之间连接与支承部件的结构与尺寸。关键词：搬运机械手；液压驱动；液压缸；自动化AbstractInChinaindustrialligamentdevelopment,alotofhighproductivityhighprecisionmachiningequipmentsimportedfromabroad,suchasCNClathesandmillingmachines,andhaveseveralfunctionofmachinetogetherinprocessingcenter,etc.InthiskindofCNCmachinegreatlyimprovesthespeedofwork,productprocessingprecision,reducesthelaborintensityofwork,sopopular.Butthiskindofequipmentisalsoveryexpensive,somanydomesticenterprisestechnicalpersonnelintheoriginaloldmachineisimproved,toimproveproductivityandreducelaborintensityofworkers,industrialautomation,thiskindofimprovementisalsoverypopular.Themanipulatorisdesignedinthispaperismainlyusedforhandlingtheworkpiece,theworkpieceweightislessthan10Kg,length150cm,width150cm,high150cmcube.Inordertoincreasetheversatilityofmanipulatorinstructure,asfaraspossiblecompactcase,maximumlimitisthemanipulatorhasalargecapturerange.Thispapermainlyintroducestheconcept,compositionandclassificationofthemanipulator,freedomandcoordinates,movementanddevelopmentathomeandabroadtoaccept.Forthehandlingofacceptancefortheoverallprogramdesign,firstdrivemanipulatorforhydrauliccylinder,andthendeterminethecoordinatemanipulatorlikecylindricalcoordinate,thenumberofdegreesoffreedomis4,thenthedrivemanipulatorforhydrauliccylinder,andthendeterminedthemaintechnicalparametersofthemanipulator.Atthesametime,thestructuredesignofhandmanipulatoriscylinderlevertypehand,armstructureadoptshydrauliccylinderguideconnectingdoublewishbonestructure,basethemotordrivenverticalarmrotation.Fuselagestructureforliftingcylinderhydrauliccylinderstructure,calculatedclampingtheworkpiecerequireddrivingforce,thegripperrotationrequireddrivingtorque,thetelescopicarmrequireddrivingforcearmpitchingrequireddrivingforce,thearmliftingrequireddrivingforce,drivingtorqueandarmrotationrequired.Thendesignthestructureandsizeandthesupportingpartsoftheconnectionbetweenthepartsofthehydrauliccylinderloadingmanipulatorsizeandstructureandcomponents.Keywords：Manipulator;hydraulicdrive;hydrauliccylinder;automation目录摘要1绪论11.1 前言11.2 简史11.3 基本型式2.1.4 机械手分类3.1.5 应用概况5.1.6 发展趋势9.2装箱机械手的整体设计122.1 机械手的组成123机械手各部分机构设计202.2 手部结构设计202.3 横臂结构设计212.4 齿轮传动部分设计212.5 销轴设计252.6 底座264传动系统及其他部分的设计284.1 气缸选择284.2 液压缸选择284.3 电动机选择314.4 联轴器选择334.5 轴承的选择354.6 螺栓螺钉的选择37结论39致词140参考文献40附录421.1 前言机械手是能模仿人手和臂的某种动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具有自动操作装置。机械手势最早出现的工业机器人。也就是最早出现的现在机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害的环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工等部门机械手主要由手部和运动机构组成。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。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作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。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，收到机械工业和铁路工业部门的重视。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其二、他能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大地改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。其三、它能部分地代替人工操作；因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更加广泛。1.2 简史机械手首先是从美国开始研制的。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研制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓作存贮装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimation）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Yersatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立往可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理土学院联合研制一种Unimltn-Vic-arm型工业机械手，装有小型电于计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米。国际工业机械手（人）会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机械手的发展和应用的问题。同时有关的国家还相应召开本国的或欧洲工业机械手会议和展览会，1982年即有12个展览会，1983年上半年就有6个展览会。通过国际性、地区性的年会、学术讨论会和展览会交流了机械手设计制造的经验，促进了机械手技术的发展和应用。总之，目前工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；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。第二代机械手正在加紧研制。它没有微型电于计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到得信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电于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（F1exiblsManufacturingsystem）和柔性制造单元FMC（FIexibleManufacturingCell）中重要一环。随着工业机械手（机械人）研究制造和应用的扩大，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。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力从事机械手的研究。据报导.1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位达50多个。1976年各大学和国家研究部门用在机械手的研究经费约占总研究费用的42%。1979年日本机械手的产值达433亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的两倍.具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手大概为17亿日元，为1978年的6倍。截至1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%并以每年5060%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。1.3 基本型式机械手型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式一一直角坐标式、圆柱坐标式，球坐标式和关节式，如图1-1示，简述如下：直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手.它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手由X、Z、u三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动.加一个不在直线运动所在乎面内的旋转运动；两个直线运动加一个旋转运功。球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X、8u三个方面的运动组成。关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。它像人手一样有肘关节，可实现多个自由度.动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。(a)直角坐标式(b)圆柱坐标式(c)球坐标式(d)关节式图1-1机械手的基本型式1.4 机械手分类机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。他可以根据任务的需要编辑程序，已完成各项规定操作。它的特点是具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆只能的三元机械。第二类是需要工人操作的，成为操作机。他起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机械手来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除了少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外,目前主要是摘第一类通用机械手，国外称为机械人（IndustrialRobot）。1.4.1 按控制型式分类1.4.1.1 点位控制型机械手点位控制型机械手的运动轨迹是空间二个点之间的联接。控制点数愈多，性能愈好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机械手是点位控制型。1.4.1.2 连续轨迹控制型机械手这种机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂的动作。工作性能完善，但控制部分比较复杂。控制方式分开关式和伺服式两种。1.4.2 按驱动方式分类1.4.2.1 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。1.4.2.2 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。1.4.2.3 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。1.4.2.4 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。1.4.3 按用途分类1.4.3.1 专用机械手专用机械手是专为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用比较广泛。它一股只能完成一、二种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序.适应多种作业的需要。1.4.3.2 通用机械手通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动化装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大都是采用顺序控制系统，如插销板、插件板、穿孔带、穿孔卡、凸轮转鼓、滋芯和磁鼓等。通用机械手又分简易型、示教再现型和智能机械手、操纵式机械于等几种。(1)简易型通用机械手是目前国内外应用最多的一种，固定程序采用凸轮转鼓；可变程序则采用插销板或插件板进行控制。(2)示教再现型通用机械表先由人操纵机械手完成必要的动作，由磁带或磁鼓加以记录存贮，然后根据存贮的信息进行动作。故又称之为重复型机械手。(3)智能机械手具有较高的判断能力，它以光敏元件模拟人的“眼睛”，以声敏元件模拟人的“耳朵”，以热电偶和电阻应变仪模拟人的“皮肤”的冷热感觉和触觉，以电子计算机模拟人的“大脑”。具有以上“视觉”、“听觉”、“触觉”以及能思考的智能机械手(机械人)，目前正处在研究试制阶段，部分已达到实用的阶段。(4)操纵式机械手在人的操纵之下完成多种复杂动作，其内容可根据需要随时改变。操纵式机械手可以近距离直接操纵，也可以远距离操纵。其特点是适合于人不宜进入的环境中工作，如海底资源开发，宇宙空间探免以及危险的工作地区。具缺点是结构复杂，成本高。1.5 应用概况在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。随着网络技巧的发展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。但在机械工业中，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地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。在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：（一）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。（二）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。（三）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）JuT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。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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，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。机械手虽然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力大的特点，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。我我国塑料机械产业的高速发展主要有以下两个大因素：一是对高技术含量装备的需求所带来的设备更新及陈旧设备的淘汰；二是海内塑料加工产业的高速发展，对塑料机械的需求旺盛。据美国和日本的统计，各工种使用机械手的比重大致如下：表1.1美国各工种使用机械手比例工种名称所占比例压铸30%冲床上下料20%装配15%加热炉装炉、出炉5%注塑机模具和制品搬运5%注塑机模具和制品搬运20%机床上下料5%表1.2日本各工种使用机械手比例工种名称所占比例机床卸工件62%机床上科58%运输带间搬运39%压力机上下料27%装配27%包装20%锻造机械上下料15%喷漆11%压铸9%焊接8%图1-2所示为金屑加工制造业中机械手在各种作业中的比例。同时工业机械手的需求量也急剧增加，1980年日本工业机械手需求量达600亿日元，1985年将增至2900亿日元，至1990年将达到40004500亿日元。图1-2金属加工制造业中使用机械手的比例图据美国商业通讯公司估计，到1990年，世界机械手的总销售额将从目前的2亿美元增加到45亿美元。其中装配用机械于将达到13亿美元，焊接用机械手将达到12亿美元，工件装卸用机械手将达到11亿美元表1.3机械手使用环境调查使用环境使用厂数所占百分比危险作业3242.1多粉尘3039.5高温工作3039.5噪音2938.1工作空间狭小2532.9搬运重物2527.6臭味1013.2有毒气氛810.5高温度810.5高空作业45.2局压卜，作22.6放射性11.3据介绍，日本曾就机械手在什么环境下使用作了调查，从76个工厂调查的工业机械手使用环境列出表1.1和表1.2。1.5.1 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。为了实现高效率和工作安全，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。近年国内进口一条12000吨镇压机生产线，配备四台机械手用以锻压曲轴、车底架等。因此，国内首先是采用锻造操作机，装取料机械手来代替人工操作，以减少劳动强度。后来在精锻机上采用机械手，使精锻过程自动化，代替人工喂料。机械手在锻造工业中的应用能进一步发挥锻造设备的生产能力，改善热、累的劳动条件。1.5.2 冷加工方面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。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮对等大、中批量零部件。并和机床设备共同组成一个综合的数控加工系统国内机械工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人劳动强度。如在轴类、螺栓、气阀和螺撑帽坐等零件的加工机床上配置了机械手，代替人工上下料。在三通阀体、轴瓦、平斜铁、柴油机摇臂加工生产自动线上采用单臂、双臂圆柱式机械手，成为联接工序、运送工件的重要装备。并在连杆粗加工自动线上采用数控机械手，这样它不仅担负自动线上机床工件的装卸、运输，并能发出指令指挥全线工作。1.5.3 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，可用以对容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。为了改善货车油漆作业，日本、美国、苏联、法国等国以货车、漏斗车、油罐车和TGV电动车组为对象，采用一种带转向架的货车涂漆机械手。英国铁路工程公司采用机械手焊接电动车组零件。美国铁路维修公司采用机械手进行调车，还利用悬挂行车式机械手完成有益漏斗车内部的清洗工作。采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄象机和力的传感装置和微型计算机联接在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。1.6 发展趋势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IPtE重视，60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中压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。8090年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是曰本。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。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，减少中击，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，重点是研视觉功能和触觉功能。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔14=N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。日前工业机械手主要用于机床加工、铸锻、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产发展的需要。随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、板手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视，同时也要求供料机构更加灵活、柔性化，以适应供送不同的物品，这使得供送料机械手在自动机、自动线上得到愈来愈广泛的应用。在国内主要是逐步扩大应用范围，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，选用不同的典型部件，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。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。更主要的是将机械手和柔性制造系统和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。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，但还不具备有任何传感反馈能力，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种智能的机械手。使它拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。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）以及微型计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，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。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。2装箱机械手的整体设计2.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成，如图2-1示图2-1机械手结构示意图1高架电源；2灯；3手腕（视觉装置）；4组合式工业机械手立柱；5控制配电箱；6动力系统；7接地；8驱动轮拟采用方案：设计成四自由度关节式机械手。下面就针对这一方案展开设计过程2.1.1 执行机构2.1.1.1. 手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔中装有传动轴，可把运用传给手腕，以转动、伸曲手腕、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节3种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和大小的夹头以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般都是指真空吸盘或磁性吸盘。如图2-2所示为齿轮齿条式手部结构。其手指夹紧工件是由央紧气缸1中的齿条活塞杆8在压缩空气作用下右移，经齿条推动齿轮7并带动扇形齿轮5回转，因手指6与扇形齿轮6周结为一体，所以两个手指同时回转而夹紧工件。由于采用单向作用气区，故靠弹簧3复位，使手指张开。手部结构小的齿轮齿条属于传力机构。图2-2齿轮齿条式手部结构1夹紧气缸2活塞3弹簧4气缸端盖5扇形齿轮6手指7齿轮8齿条活塞杆9销轴图2-3所示为气吸式吸盘结构图。其吸盘吸附工件是由压缩空气经管道4进入喷嘴体3,随着喷嘴孔道截面积的减小而使气流速度逐渐增大，当气流到达最小截面而又突然的增加时，空气扩散的气流速度最大。因此，在喷嘴出口a处，由于高速气流喷射面形成低压空间，致使橡胶皮碗l内的空气被高速喷射气流不断地卷带走，皮碗1内形成负压将工件吸住.若停止供气，吸盘则放下工件。图2-3气吸式吸盘结构T：橡胶皮碗2通气螺钉3喷嘴体4气管图2-4所示为电磁式吸盘结构图。电磁吸盘吸附工件是内线圈6通电后在铁芯1内外激起磁场，使吸盘3磁化，靠近吸盘的工件也同样被磁化，根据磁力线的特性，工件将受到电磁吸力的作用而被吸住。如果切断电源时，吸盘磁力消失即放松工件。其中铁芯与吸盘用黄铜焊料焊为一体，并由黄铜焊料构成隔磁环2,它又将铁芯与吸盘隔开。吸盘在外力作用下可自由的回转，壳体7与机械手手臂固连在一起，以完成上下料动作。由上述可知，手部结构型式并不象人手，它的手指形状也不象人的手指，它没有手掌，只有自身的运动将物件抱住，而且手指即为传力机构的构件之一。而人手抓物件是以物件为中心五指合拢将物件抱住，手指与手掌在抓取物件时是处于相对运动的状态，它可以完成很多的动作，机械手的手指只能完成人手的部分动作。因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状（圆料、板料等），尺寸、重量、材质（易碎性、导磁性）以及被抓取部位（外圆或内孔）等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式、气吸式、电磁式和其它型式（如托持式.勺式、勾式和气囊式等）手部。图2-4电磁式吸盘结构1铁芯2隔磁环3吸盘4绝缘垫5挡环6线圈7壳体考虑到所设计的装箱机械手只是用于小商品生产线上的应用场合，所需夹持的工件多为成品盒装类商品，重量一般偏向于小件，不超过10KG,同时，为便于定位装箱，不宜使用吸盘类手部，所以完全可以由二指手爪完成抓取任务，因此选择二指手爪。2.1.1.2. 手臂手臂是机械手执行机构中的重要部件，它的作用是将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂曲伸缩、左右回转和升降（E俯仰）运动。手臂的回转和升降运动是通过立往来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动通常由驱动机构（如油缸或气缸）和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受披抓取工件的重量，而且承受手部、手腕和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。手臂的作用是引导手指推确地抓住工件，并运送到所得要的位量上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。按手臂的结构型式区分，手臂由单臂式、双臂式和悬挂式，如图2-5示。图2-5手臂的结构型式（a）单臂可旋转式（b）单臂双头式（c）双臂式（d）悬挂式按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的，如手臂的伸缩、升降及横向（或纵向）移动；有回转运动的，如手臂的左右回转、上下摆动（即俯仰），有复合运动的，如直线运动和回转运动组合、两直线运动组合、两回转运动组合。下面将就不分别予以详细介绍各种结构，只列出各种结构的特点。实现直线往复运动可采用液压或气压驱动的活塞油（气）缸。由于活塞油（气）缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。图2-6所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端，当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆2（即手臂）作往复直线移动。导向杆3在导向套4内移动以防手臂伸缩时的转动（并兼作手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道）。由于手臂的仰缩油缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动手稳，外形整齐美观，结构紧凑。图2-6双导向杆手臂的伸缩结构1双作用油缸2活塞杆3导向杆4导向套5支承座6手腕7手部其余型式的还有双层油缸空心活塞杆的手臂结构；采用花键轴套导向的手臂升降结构；悬挂式双活塞伸缩油缸的结构等。在手臂的伸缩运动中，为了使手臂移动的距离和速度有定值的增吁可以采用齿轮齿条传动的增倍机构，如图2-7示。图2-7齿轮齿条式增倍机构的手臂结构在要求工作行程大，运动速度快的伸缩机械手上常采用此机构作为手臂伸缩运动机构。还有丝杠螺母式机构，活塞缸和连杆式机构等，可以实现升降运动，并可获得较大的升降行程，其特点是不需要增设导向支承装置，而使升降方向正确。本机械手主要是配合运输带工作，不需要异地运动，所以应该是固定底座，所实现的作业范围主要由手臂部分完成，但同时考虑到成本及复杂程度，所以决定选择套筒伸缩式结构横向手臂，可以实现作业范围上的控制。同时，装箱过程中，有上下运动的过程（如抓取工件后远离运输带的过程或者将工件放入包装箱中的过程），横向手臂不能完成，所以需加入一个纵向立臂，以完成屈伸运动。2.1.1.3. 躯干躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。起到连接各部件并且支撑整体的作用。为完成上述躯干的功能，决定采用铸造箱体结构。因为铸造方法简单易行，成本也低。可满足先设计箱体内部结构后确定整体外形后再确定所需箱体外形机构。2.1.2 驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气动驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压、气动用的最多，占90%以上；电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、油马达加齿轮、齿条实现直线运动，利用摆动油缸、油马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。一般采用46个大气压，个别的达到810个大气压。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲减震机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑采用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。由表2.1中各驱动方式的优缺点间的比较，综合考虑本机械手的用途，所以决定：手部只要抓取小型庆幸工件，不需要多大的驱动力，要求较快相应，无中间停顿要求，所以采用气动驱动方式，由气缸驱动手爪的闭合张开。表2.1各驱动方式的优缺点比较驱动方式优点缺点液压驱动压力高、体积小，出力大，动作平缓，可尢级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。密配备压力源，系统复杂，成本较局。电气驱动动力源简单，维护、使用方便。驱动机构和控制系统可以采用同一型式的动力。控制响应速度比较慢。气动驱动气源方便，维护简单，成本低。出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，机械驱动动作确实口靠，工作速度局，成本低。不易于调整。其次是手臂的运动，采用液压驱动。分为横臂的大小臂间的伸缩运动和立臂的屈伸运动，为实现相对精确地装箱时的工件的矩阵排列放置的定位目的，同时便于调整。最后是机械臂的整体旋转过程，采用机械驱动，选择齿轮传动，由步进电机提供动力。因为受力不大（支撑整体结构部分的力是由底座箱体提供），同时要求较高速运动，大多是机械式往复运动，但需要配合手臂部分实现较精确定位目的。2.1.3 控制系统机械手控制的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90%以上。控制系统可根据动作的要求.设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存贮，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。程序的存贮方式分为分离存贮和集中存贮两种。分离存贮是将各种控制因素的信息分别存贮于两种以上的存贮装置中，如顺序信息存贮予插销饭、凸轮转鼓、穿孔带内，位置信息存贮于时间继电器、定速回转鼓等。集少存贮是将各种控制因素的信息全部存贮于一种存贮装置内，如磁带、磁鼓等。这种方式适用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合。对动作复杂的机械手（机械人），采用示教再现型控制系统。更复杂的机械手（机械人）则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。无知觉的工业机器人的控制装置就是控制机械手各环节移动的程序控制造置以及同生产设备相联系的装置。图2-8给出了无知觉的工业机器人的一般控制方块图。在控制台上给出所要求的工作状态并显示机械手和控制装置的实际工作状态。工作程序存储在存储装置中。控制位置部件的作用是用机械手和生产设备的传动装置来实现给定的坐标或轨迹控制转换部件的作用是检测前一步程序完成的情况,存储已完成的程序号码,并给出执行下一步程序的信号。时间装置用来按程序形成一定的时间滞后。记忆装置、控制转换部件和时间装置联合起来构成了程序-时间装置。对任何序控制装置它们都是最基本的装置。本机械手结构简单，运行方便，可根据使用环境适用对象及操作者使用习惯等自行th*t校第位置总料ntK购卡电餐量一*诉曹时x公具骤录一一放柠何左.十号 nuvtx选择控制方式，在此就不做强制要求了图2-8工业机器人控制方块图3机械手各部分机构设计3.1 手部结构设计由第二章部分分析各机构优缺点后决定本机械手采用二指结构，利用气缸提供动力，如图3-1示。图3-1手部结构设计图由于所需夹持工件（多为小商品）重量较轻，在10公斤以下，且大多为盒装，所以可假定一个150cm*150cm*150cm的立方体，最高为10公斤。即得气缸所需提供的动力（忽略摩擦力，据以往经验可知，摩擦损失很小）。由于气缸的安装形式在一般场合下，多用于固定方式安装，可选择后法兰（MF2式）或尾部耳轴（MP4或MP2式），选择普通双作用气缸QGEW-1系列。对手爪部分做受力分析得如图3-2示。F3F15 10Sin30 - 0.5二100N(3-1)(3-2)F0=2*F3*Sin30=21000.5=100N气缸内径u25mmft大行程400mm,使用压力范围：0.11.0Mpa。其所能提供提升最小质量为：max20.1 3.1425 -310-5 -20KG(3 -3)图3-2手部受力分析可以实现此搬运机械手的结构设计要求。3.2 横臂结构设计横臂为伸缩式结构，采用液压缸传动，如图3-3示。白口n采用起重机用低合金钢轨钢，GB/T3426中的U71Mn材料图3-4立臂机构示意图立臂部分起到屈伸作用以实现横臂的仰俯和升降如图3-4示。可采用方钢Q237即可完成强度要求。3.3 齿轮传动部分设计本机械手设计中齿轮部分完成的只是臂围绕中心线旋转的过程，所做过程为往复运3-5动，不需要360旋转，可设计最大为180,目的是为配合传送带工作。所以做如图示设计。S连接立臂J71rEli_.、齿轮传动图3-5齿轮传动暂定齿轮设计参数为：传递功率P=1.98(kW)传递转矩T=9.45(N m)齿轮 1 转速 ni=2000(r/min) 齿轮 2 转速 n2=400.00(r/min) 传动比i=0.2原动机载荷特性SF=匀平稳工作机载荷特性亚5=轻微振动预定寿命 H=10000(小时)模数(法面模数)Mn=2齿轮1齿数Z1 =目=58 m齿轮1变位系数(3-4)Xi=0.00齿轮1齿宽B1 = d *d1t =4.800(mm)(3-5)齿轮1齿宽系数bd1 = =0.40 dL齿轮2店宽系数(3-6)d2=0.80 d2(3-7)端面模数d.Mt-=2.00000(3-8)Zt标准中心距A0=348.00000(mm)实际中心距A=348.00000(mm)齿数比U=5.00000端面重合度&岩1.85573纵向重合度=1.855737B=0.00000总重合度&=1.85573齿轮1分度圆直径d1=m=116.00000(mm)(3-9)齿轮1齿顶圆直径da1=mz12=120.00000(mm)(3-10)齿轮1齿根圆直径df1=mz1-2.5=111.00000(mm)(3-11)齿轮1齿顶高ha1=m=2.00000(mm)(3-12)齿轮1齿根高hf1=1.25m=2.50000(mm)(3-13)齿轮1全齿高h1=2.25m=4.50000(mm)(3-14)齿轮1齿顶压力角殉1=24.719004(度)(3-15)齿轮2分度圆直径d2=mz2=580.00000(mm)(3-16)齿轮2齿顶圆直径da2=mz22=584.00000(mm)(3-17)齿轮2齿根圆直径df2=mz2-2.5=575.00000(mm)(3-18)齿轮2齿顶高ha2=m=2.00000(mm)(3-19)齿轮2齿根高hf2=1.25m=2.50000(mm)(3-20)齿轮2全齿高h2=2.25m=4.50000(mm)(3-21)齿轮2齿顶压力角娜=21.051749(度)圆周力Ft=J=162.931(N)(3-22)d1齿轮线速度V=12.147(m/s)强度校核数据齿轮1接触强度极限应力(Hlim1=960.0(MPa)齿轮1抗弯疲劳基本值(FE1=480.0(MPa)齿轮1接触疲劳强度许用值K=T=1008.8(MPa)(3-23)齿轮1弯曲疲劳强度许用值bF1=KFN；FE1=709.2(MPa)(3-24)齿轮2接触强度极限应力(Hlim2=960.0(MPa)齿轮2抗弯疲劳基本值(FE2=480.0(MPa)齿轮2接触疲劳强度许用值(3-25)0h2=KHNLm2i1008.8(MPa)S齿轮2弯曲疲劳强度许用值(3-26)!;f2=KFNgFE2=709.2(MPa)接触强度用安全系数SHmin=1.20弯曲强度用安全系数SFmin=1.40接触强度计算应力K HN Lim=735.8(MPa)(3 -27)接触疲劳强度校核(tHI(TH日齿轮1弯曲疲劳强度计算应力(3 -28)_KFN1、FE1-F1=464.6(MPa)S齿轮2弯曲疲劳强度计算应力二二KFN2fe2=410.5(MPa)(3-29)S齿轮1弯曲疲劳强度校核(3-30)(3-31)*=；田&f襁足齿轮2弯曲疲劳强度校核KFNFE20西满足S3.4 销轴设计在本机械手中，销轴分为两类，一类是用来以连接的，其目的是为完成摆动机构;另一类则是为了实现定位的。设计立臂上下端的销轴所受剪切力：TT图3-6销轴受力分析受力分析，其钢结构由型钢表简化算法得其质量为：M=1.124*3.14*(45*10-3)2*600*10-3+3.14*(30*10-3)2*500*10-3=3.19*103KG由于a=arctan0.095所以忽略角度差异，Fmax=mg=5.2