三自由度機械手畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，由其控制系統(tǒng)執(zhí)行預(yù)定的程序?qū)崿F(xiàn)對工件的定位夾持。完全取代了人力，節(jié)省了勞動資源，提高了生產(chǎn)效率。</p><p>　　本設(shè)計以實現(xiàn)銑床自動上下料為目的，設(shè)計了個水平伸縮距為200mm，垂直伸縮距為200mm具有三個自由度的銑床上下

2、料機械手。機械手三個自由度分別是機身的旋轉(zhuǎn)，手臂的升降，以及機身的升降。在設(shè)計過程中，確定了銑床上下料機械手的總體方案，并對銑床上下料機械手的總體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，對一些部件進行了參數(shù)確定以及對主要的零部件進行了計算和校核。以單片機為控制手段，設(shè)計了機械手的自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對銑床上下料機械手的準(zhǔn)確控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機械手；三自由度；上下料；單片機</p><p><

3、;b>　　Abstract</b></p><p>　　Manipulator , an automation equipment with function of grabbing and moving the workpiece ,is used in an automated production process.It perform scheduled program by the c

4、ontrol system to realize the function of the positioning of the workpiece clamping. It completely replace the human, saving labor resources, and improve production efficiency. This design is to achieve milling autom

5、atic loading and unloading .Design a manipulator with three degrees of freedom and 200mm horizontal stretchi</p><p>　　Key words: Manipulator; Three Degrees of Freedom; Loading and unloading; single chip mic

6、rocomputer</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I</p><p>　　第1章 緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

7、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1</p><p>　　1.1選題背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．......1</p><p>　　1.2設(shè)計目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1</p><p&

8、gt;　　1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2</p><p>　　1.4設(shè)計原則．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2</p><p>　　第2章 設(shè)計方案的論證．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

9、．．．．．．．．．．．．．．．3</p><p>　　2.1 機械手的總體設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3</p><p>　　2.1.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3</p><p>　　2.1.2 設(shè)計具體采用方案．．．．．．．．．

10、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4</p><p>　　2.2 機械手腰座結(jié)構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5</p><p>　　2.2.1 機械手腰座結(jié)構(gòu)設(shè)計要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5</p><p>　　2.2.2 具體設(shè)

11、計采用方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5</p><p>　　2.3 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6</p><p>　　2.3.1機械手手臂的設(shè)計要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6</p><p&

12、gt;　　2.3.2 設(shè)計具體采用方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7</p><p>　　2.4 設(shè)計機械手手部連接方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7</p><p>　　2.5 機械手末端執(zhí)行器（手部）的結(jié)構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8</p&g

13、t;<p>　　2.5.1 機械手末端執(zhí)行器的設(shè)計要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8</p><p>　　2.5.2 機械手夾持器的運動和驅(qū)動方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9</p><p>　　2.5.3 機械手夾持器的典型結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9</p>

14、<p>　　2.6 機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10</p><p>　　2.6.1 工業(yè)機械手傳動機構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10</p><p>　　2.6.2 工業(yè)機械手傳動機構(gòu)常用的機構(gòu)形式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10</p><p>

15、;　　2.6.3 設(shè)計具體采用方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12</p><p>　　2.7 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12</p><p>　　2.7.1 機械手各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12</p&g

16、t;<p>　　2.7.2 機械手液壓驅(qū)動系統(tǒng)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13</p><p>　　2.7.3機身擺動驅(qū)動元件的選?。?3</p><p>　　2.7.4 設(shè)計具體采用方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

17、</p><p>　　2.8 機械手手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14</p><p>　　第3章 理論分析和設(shè)計計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16</p><p>　　3.1 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

18、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16</p><p>　　3.1.1 確定液壓傳動系統(tǒng)基本方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16</p><p>　　3.1.2 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17</p><p>　　3.1.3 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．

19、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17</p><p>　　3.1.4 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17</p><p>　　3.1.5 計算和選擇液壓元件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24</p><p>　　3.1.6 機械手爪各結(jié)構(gòu)尺寸的計

20、算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26</p><p>　　第4章 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28 4.1 系統(tǒng)總體方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28</p><p>　　4.2 各芯片工作原理

21、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28</p><p>　　4.2.1 串口轉(zhuǎn)換芯片．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28</p><p>　　4.2.2 單片機．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29<

22、/p><p>　　4.2.3 8279芯片．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30</p><p>　　4.2.4 譯碼器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31</p><p>　　4.2.5 放大芯片．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

23、．．.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32</p><p>　　4.3 電路設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33</p><p>　　4.3.1 顯示電路設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33</p><p>　　4.3.

24、2 鍵盤電路設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33</p><p>　　4.4 復(fù)位電路設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33</p><p>　　4.5 晶體振蕩電路設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

25、4</p><p>　　4.6 傳感器的選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34</p><p>　　結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36</p><p>　　致謝．．．．．．．．．．．．．

26、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37</p><p>　　參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．38</p><p><b>　　CONTENTS</b></p><p&g

27、t;　　Abstract.....................................................................................................................I</p><p>　　Chapter 1 Introduction ............................................

28、.............................................1 1.1 background..................................................................................................1 1.2 design purpose...........................

29、..................................................................1</p><p>　　1.3 domestic and foreign research present situation and trends........................2</p><p>　　1.4 design principle

30、s..........................................................................................2</p><p>　　Chapter 2 Design of the demonstration.................................................................3&l

31、t;/p><p>　　2.1manipulator overall design...........................................................................3</p><p>　　2.1.1 manipulator overall structure type...............................

32、.....................3</p><p>　　2.1.2 design adopts the scheme.................................................................4</p><p>　　2.2 lumbar base structure design of mechanical hand.....

33、..................................5</p><p>　　2.2.1 manipulator lumbar base structure design requirements...............5 2.2.2specific design schemes......................................

34、...............................5</p><p>　　2.3mechanical arm structure design..................................................................6</p><p>　　2.3.1 manipulator arm design requirements

35、..............................................6</p><p>　　2.3.2 design adopts the scheme.................................................................7</p><p>　　2.4 design of mechanical hand c

36、onnection mode..............................................7</p><p>　　2.5 the manipulator end-effector structure design..........................................8</p><p>　　2.5.1 manipulator en

37、d-effector design requirements.................................8</p><p>　　2.5.2 manipulator gripper motion and driving method.............................9</p><p>　　2.5.3 manipulator gripper str

38、ucture...........................................................9</p><p>　　2.6 robot mechanical transmission design.......................................................10</p><p>　　2.6.1 indus

39、try for transmission mechanism of manipulator design should pay attention question.................................................................1

40、0</p><p>　　2.6.2 industrial machinery hand transmission mechanism commonly used form of institution................................................................10</p><p>　　2.6.3 design adopts

41、 the scheme...............................................................12</p><p>　　2.7 mechanical arm drive system design.........................................................12</p><p>　　2

42、.7.1 manipulator of various characteristics of the drive system...........12</p><p>　　2.7.2 hydraulic drive system for a manipulator.......................................13</p><p>　　2.7.3 Body

43、swing the selection of drive components..............................13</p><p>　　2.7.4 Design the specific use of the program..........................................14</p><p>　　2.8 mechanical

44、arm balance mechanism design...........................................14</p><p>　　Chapter 3 Theoretical analysis and design calculation.....................................16</p><p>　　3.1 hydra

45、ulic system design and calculation.................................................16</p><p>　　3.1.1 the basic scheme of hydrauic transmission system......................16</p><p>　　3.1.2 formu

46、lation of the hydraulic actuator control circuit...................17</p><p>　　3.1.3 hydraulic source system design...................................................17</p><p>　　3.1.4 determine

47、the main parameters of the hydraulic system..............17</p><p>　　3.1.5 calculation and selection of hydraulic components.....................24</p><p>　　3.1.6 Manipulator calculation of the

48、structural dimensions..................26</p><p>　　Chapter 4 The robot control system design........................................................28 4.1 Overall scheme.................................

49、.......................................................28 4.2 Chip works...............................................................................................28 4.2.1 serial conversion chip........

50、...........................................................28 4.2.2 MCU............................................</p><p>　　4.2.3 8279 chip.........................................................

51、..........................30</p><p>　　4.2 .4 decoder.........................................................................................31</p><p>　　4.2.5 amplifier chip.....................

52、...........................................................32 4.3 Circuit design...........................................................................................33 4.3.1 show the circuit design...

53、..............................................................33 4.3.2 The keyboard circuit design.........................................................33 4.4 Reset circuit design........................

54、...................</p><p>　　4.6 sensor selection........................................................................................34Conclusion.........................................................

55、.....................................................36Acknowledgements................................................................................................37References.......................................

56、........................................................................38</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 選題背景</b></p><p>　　機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移

57、動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的

58、研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設(shè)計是非常有意義的。 </p><p><b>　　1.2 設(shè)計目的</b></p><p>　　本設(shè)計通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)

59、畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。</p><p>　　目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機器人技術(shù)，設(shè)計用一臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率</p&g

60、t;<p>　　本機械手主要與數(shù)控銑床組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢<

61、;/p><p>　　機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上

62、發(fā)展起來的。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。</p><p>　　目前，機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電

63、子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。</p><p><b>　　1.4 設(shè)計原則</b></p><p>　　在設(shè)計之前，必須要有一個指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為根本設(shè)計目標(biāo)，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可

64、能的使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計原則，同時也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點，將大學(xué)期間所學(xué)的知識，如機械設(shè)計、機械原理、液壓、氣動、電氣傳動及控制、傳感器、單片機、電子技術(shù)、自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設(shè)計中，使得經(jīng)過本次設(shè)計對大學(xué)階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做

65、好本次設(shè)計。</p><p>　　第2章 設(shè)計方案的論證</p><p>　　2.1 機械手的總體設(shè)計</p><p>　　2.1.1 機械手總體結(jié)構(gòu)的類型</p><p>　　工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，SCARA型五種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下。</p>&

66、lt;p>　　1.直角坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu) </p><p>　　直角坐標(biāo)機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.a。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機械手有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標(biāo)機械手的運動空間相對機械手的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。</p&g

67、t;<p>　　直角坐標(biāo)機械手的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機械手主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2.圓柱坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu)</p><p>　　圓柱坐標(biāo)機械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機械手構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。&l

68、t;/p><p>　　3. 球坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu)</p><p>　　球坐標(biāo)機械手的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。</p><p>　　4. 關(guān)節(jié)型機械手結(jié)構(gòu)</p><p>　　關(guān)節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的

69、，如圖2-1.d。關(guān)節(jié)型機械手動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機械手。</p><p>　　關(guān)節(jié)型機械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。</p><p>　　5. SCARA型機械手</p><p>　　SCARA型機械手有三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其周

70、線相互平行，可在平面內(nèi)進行定位和定向。還有一個移動關(guān)節(jié)，用于完成手爪在垂直于平面的運動。如圖2-1.e所示。</p><p>　　圖2-1（坐標(biāo)型機械手的五種形式）</p><p>　　2.1.2 設(shè)計具體采用方案</p><p>　　圖2-2機械手工作布局圖</p><p>　　具體到本設(shè)計，因為設(shè)計要求搬運的加工工件的質(zhì)量達8KG，且長度

71、達95mm，同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中需要3種運動,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動,另一個為機身的回轉(zhuǎn)運動,綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度兩個移動自由度，其特點是:結(jié)構(gòu)比較簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度。機械手工作布局圖如圖2-2所示。</p>

72、<p>　　2.2 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計</p><p>　　進行了機械手的總體設(shè)計后，就要針對機械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進行詳細設(shè)計。</p><p>　　2.2.1 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求</p><p>　　工業(yè)機械手腰座，就是圓柱坐標(biāo)機械手，球坐標(biāo)機器手及關(guān)節(jié)型機械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機械手的運動部分

73、全部安裝在腰座上，它承受了機械手的全部重量。在設(shè)計機械手腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)計原則：</p><p>　　1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。</p><p>　　2.腰座要承受機械手全部的重量和載荷，因此，機械手的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。</p><p>　　3.腰部的回轉(zhuǎn)運動要有相應(yīng)的

74、驅(qū)動裝置，此處選擇液壓馬達。 </p><p>　　4.腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機器手手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。</p><p>　　5.為了減輕機械手運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。</

75、p><p>　　2.2.2 設(shè)計具體采用方案</p><p>　　腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機通過減速機構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)。一般電機都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求比較多，而我其他兩個自由度的實現(xiàn)都是以液壓形式，便于統(tǒng)一，降低成本，機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)這里也采用液壓形式，及液壓馬達驅(qū)動。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示：</p><p>　　圖

76、2-3 腰座結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.3 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　2.3.1 機械手手臂的設(shè)計要求</p><p>　　機械手手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進行機器人手臂設(shè)計時，要遵循下述原則；</p><p>　　1.機械手手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機器人工作空間的要求

77、。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。</p><p>　　2.為了提高機械手的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。</p><p>　　3.機械手的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這里在機械手手臂末端加了配重鐵。</p><p>　　4.機械手各關(guān)節(jié)

78、的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。</p><p>　　5.機械手的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小馬達和液壓缸負載和提高機械手手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機器人的手臂時，應(yīng)盡可能利用在機械手上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機械手手臂的不平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。</

79、p><p>　　6.機械手手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。</p><p>　　2.3.2 設(shè)計具體采用方案 </p><p>　　機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)?？紤]到搬運工件的重量，同時考

80、慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性。兩手臂的驅(qū)動均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動。液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。</p><p>　　因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強度都是比較容易實現(xiàn)的。手臂液壓缸的設(shè)計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進行強度的較核。</p><p>　　同時，因為控制和具體工作的要求，機械

81、手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機構(gòu)，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了兩個導(dǎo)桿，為減小質(zhì)量，各個導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。</p><p>　　2.4 設(shè)計機械手手部連接方式</p><p>　　通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考

82、慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖2-4.</p><p>　　圖2-4手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.5 機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計

83、</p><p>　　2.5.1 機械手末端執(zhí)行器的設(shè)計要求</p><p>　　機械手末端執(zhí)行器是安裝在機械手手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機械手的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。</p><p>　　在設(shè)計機械手末端執(zhí)行器時，應(yīng)注意以下問題；</p><p>　　

84、1.機械手末端執(zhí)行器是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設(shè)計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機械手新的應(yīng)用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機械手末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機械手的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　2.機械手末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機械手容許的負荷力。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。</p><p>　　3.機械手張角

85、必須滿足所要加持工件的大小。通過合理的計算，計算出機械手所加持工件的長度范圍。</p><p>　　4.機械手必須有足夠的剛度。</p><p>　　5.機械手末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機械手靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強的機械手末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的

86、、高效率的機械手末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機械手多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價昂貴。</p><p>　　6.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。</p><p&g

87、t;　　7.機器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執(zhí)行機構(gòu)。因此，工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。</p><p>　　2.5.2 機械手夾持器的運動和驅(qū)動方式</p><p>　　此處選夾持式手爪。按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。</p><p&g

88、t;　　機器人夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種</p><p>　　1.氣動驅(qū)動方式 這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。</p><p>　　2.電動驅(qū)動方式 電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為

89、廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。</p><p>　　3.液壓驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。</p><p>　　為了保持驅(qū)動形式的相同以及操作方便此處選液壓驅(qū)動方式。</p>

90、<p>　　2.5.3 機械手夾持器的典型結(jié)構(gòu)</p><p>　　楔塊杠桿式手爪、滑槽式手爪、連桿杠桿式手爪、齒輪齒條式手爪、平行杠桿式手爪。齒輪齒條結(jié)構(gòu)比較常見，也比較適合于對小型工件的加持，而且加持精度比較高。所以我選擇的是齒輪齒條結(jié)構(gòu)手爪。即通過活塞桿的直線運動與齒輪式手指嚙合，轉(zhuǎn)化為手指的張合運動。通過工件尺寸確定出機械手手指張合范圍。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-5所示</p>

91、<p>　　圖2-5機械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.6 機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計</p><p>　　2.6.1 工業(yè)機械手傳動機構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題</p><p>　　機械手是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運動機構(gòu)。除直接驅(qū)動型機械手以外，機械手各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機械傳動機構(gòu)進行驅(qū)動的。機械手所采用的傳

92、動機構(gòu)與一般機械的傳動機構(gòu)相類似。常用的機械傳動機構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由于傳動部件直接影響著機器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。</p><p>　　在設(shè)計機械手的傳動機構(gòu)時要注意以下問題：</p>

93、<p>　　1.為了提高機械手的運動速度及控制精度，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機器人的傳動機構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。</p><p>　　2.在傳動鏈及運動副中要采用間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小反向空回所造成的運動誤差。</p><p>　　3.系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因

94、此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)向支承等。</p><p>　　2.6.2 工業(yè)機械手常用的傳動機構(gòu)形式</p><p><b>　　1.齒輪傳動機構(gòu)</b></p><p>　　在機器人中常用的齒輪傳動機構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。</p><p>&

95、lt;b>　　2.諧波齒輪傳動</b></p><p>　　諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質(zhì)上的差別。&l

96、t;/p><p><b>　　3.螺旋傳動</b></p><p>　　螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)龋挥幸詡鬟f運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩

97、大、傳動效率低（30%~40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構(gòu)或制動裝置。</p><p><b>　　

98、4.同步帶傳動</b></p><p>　　同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達40m/s）、

99、傳動比可達10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。</p><p><b>　　5.鋼帶傳動</b></p><p>　　鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼帶無

100、蠕變、傳動效率高。</p><p><b>　　鏈傳動</b></p><p>　　在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。</p><p><b>　　鋼絲繩輪傳動</b></p>

101、<p>　　鋼絲繩輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。</p><p>　　2.6.3 設(shè)計具體采用方案</p><p>　　具體到本設(shè)計，因為選用了液壓缸作為機械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實現(xiàn)直接驅(qū)動，它既是關(guān)節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。故不需要中間傳動機構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。</p

102、><p>　　2.7 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　2.7.1 機械手各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點</p><p>　　工業(yè)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。</p><p><b>　　1.液壓驅(qū)動系統(tǒng)</b>&l

103、t;/p><p>　　由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。</p><p><b>　　2.氣

104、動驅(qū)動系統(tǒng)</b></p><p>　　具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應(yīng)用較多。</p><p><b>　　3.電動驅(qū)動系統(tǒng)</b></p><p>　　由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服

105、驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。</p><p><b>　　我選擇了液壓驅(qū)動。</b></p>

106、<p>　　2.7.2 機械手液壓驅(qū)動系統(tǒng) </p><p>　　液壓系統(tǒng)在機械手中所起的作用是通過電-液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構(gòu)進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機械手手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達用得很少。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅(qū)動系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為多，大功率的用容積調(diào)速系統(tǒng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性