搬運機械手監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

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腰部結(jié)構(gòu)圖.dwg

搬運機械手監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1  緒論 3

1.1前言 3

1.2 工業(yè)機械手的簡史 3

1.3工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應用 3

1.3.1 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動線 3

1.3.2 在實現(xiàn)單機自動化方面 3

1.3.3 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 3

1.4 機械手的組成 4

1.4.1 執(zhí)行機構(gòu) 4

1.4.2 驅(qū)動機構(gòu) 4

1.4.3 控制系統(tǒng)分類 5

1.5工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 5

1.6 本文主要研究內(nèi)容 6

1.7 本章小結(jié) 6

2 機械手的總體設(shè)計方案 7

2.1 機械手基本形式的選擇 7

2.2機械手的主要部件及運動 8

2.3驅(qū)動機構(gòu)的選擇 9

2.4 機械手的技術(shù)參數(shù)列表 9

2.5 本章小結(jié) 9

3  機械手手部的設(shè)計計算 9

3.1 手部設(shè)計基本要求 9

3.2 典型的手部結(jié)構(gòu) 9

3.3機械手手抓的設(shè)計計算 9

3.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置 9

3.3.2 手抓的力學分析 10

3.3.3 夾緊力及驅(qū)動力的計算 11

3.3.4 手抓夾持范圍計算 12

3.4 機械手手抓夾持精度的分析計算 13

3.5彈簧的設(shè)計計算 14

3.6 本章小結(jié) 16

4  腕部的設(shè)計計算 17

4.1 腕部設(shè)計的基本要求 17

4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 17

4.2.1典型的腕部結(jié)構(gòu) 17

4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇 18

4.3 腕部的設(shè)計計算 18

4.3.1 腕部設(shè)計考慮的參數(shù) 18

4.3.2 腕部的驅(qū)動力矩計算 18

4.3.3 腕部驅(qū)動力的計算 19

4.3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?span id="24d9guoke414" class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"> 20

4.3.5動片和輸出軸間的連接螺釘 21

4.4 本章小結(jié) 22

5  臂部的設(shè)計及有關(guān)計算 23

5.1 臂部設(shè)計的基本要求 23

5.2 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 24

5.2.1 手臂的典型運動機構(gòu) 24

5.2.2 手臂運動機構(gòu)的選擇 24

5.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算 24

5.3.1 手臂摩擦力的分析與計算 24

5.3.2 手臂慣性力的計算 26

5.3.3 密封裝置的摩擦阻力 26

5.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定 26

5.5 本章小結(jié) 28

6  機身的設(shè)計計算 29

6.1 機身的整體設(shè)計 29

6.2 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算 30

6.3 機身升降機構(gòu)的計算 34

6.3.1 手臂偏重力矩的計算 34

6.3.2 升降不自鎖條件分析計算 35

6.3.3 手臂做升降運動的液壓缸驅(qū)動力的計算 36

6.4 軸承的選擇分析 36

6.5 本章小結(jié) 37

7 ADAMS 模型的建立與仿真 38

7.1虛擬樣機技術(shù) 38

7.2 ADAMS軟件 38

7.3 手部模型的建立 40

7.4 本章小結(jié) 44

1  緒論

1.1前言

用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為 。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為 。

工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領(lǐng)域，是一門跨學科綜合技術(shù)。

工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。

機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的 。  

機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。

 機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。

1.2 工業(yè)機械手的簡史

現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化 。

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。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。

1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(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)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。

1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。

1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm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)，定位誤差可小于±1毫米。

美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。

德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。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。

瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。

瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。

日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。

 第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(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。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。

第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。

隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多。

7.4 本章小結(jié)

通過本章，對機械手的手部進行了建模，并對結(jié)果以曲線的形式輸出仿真結(jié)果。對于ADAMS建模，在ADAMS/View提供有零件庫，可以創(chuàng)建各種基本的物體。對于復雜形狀的物體，可以使用ADAMS/Exchange模塊從其它CAD軟件（如：Pro/e）中輸入零件模型。

致 謝

    本次畢業(yè)設(shè)計，是老師考慮到學生日后的研究方向而特意為我安排的。通過這次訓練，提高了自己的動手能力、設(shè)計能力和編程水平，為學生日后順利進入機器人這一深邃的科研領(lǐng)域作下了鋪墊。本次畢業(yè)設(shè)計，學生收獲頗多，這與于老師的悉心指導是分不開的。老師公務繁忙，但是還是經(jīng)常抽時間來視察學生畢業(yè)設(shè)計進度，就畢業(yè)設(shè)計過程中遇到的問題給予耐心指導，敦敦教誨，身體力行，實在令學生欽佩感動不已！特此，學生鄭重向于老師表示感謝！

    另外，學生還要感謝師兄，他們在學生畢業(yè)設(shè)計的過程中給出了許多有益的建議，特此表示感謝！

參考文獻

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[2]  Basilio Bona and Aldo Curatella.  Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design  Proceedings of the 2005 IEEE

International Conference on Robotics and Automation.  Barcelona, Spain, April 2005

[3]  索羅門采夫.  工業(yè)機器人圖冊.  北京 機械工業(yè)出版社，1993 

[4]  周伯英.  工業(yè)機器人設(shè)計.  北京 機械工業(yè)出版社，1995

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1 搬運機械手監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 1 緒論 .............................................................................................................................................. 3 言 ...................................................................................................................................... 3 業(yè)機械手的簡史 ............................................................................................................. 3 業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應用 ............................................................................................. 3 造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動線 .................................................... 3 實現(xiàn)單機自動化方面 ......................................................................................... 3 、鍛、焊熱處理等熱加工方面 ......................................................................... 3 械手的組成 ..................................................................................................................... 4 行機構(gòu) .................................................................................................................. 4 動機構(gòu) .................................................................................................................. 4 制系統(tǒng)分類 .......................................................................................................... 5 業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 ..................................................................................................... 5 文主要研究內(nèi)容 ............................................................................................................. 6 章小結(jié) ............................................................................................................................. 6 2 機械手的總體設(shè)計方案 ................................................................................................................ 7 械手基本形式的 選擇 .................................................................................................... 7 械手的主要部件及運動 ................................................................................................. 8 動機構(gòu)的選擇 .................................................................................................................. 9 械手的技術(shù)參數(shù)列表 .................................................................................................... 9 章小結(jié) ............................................................................................................................. 9 3 機械手手部的設(shè)計計算 .............................................................................................................. 9 部設(shè)計基本要求 ............................................................................................................. 9 型的手部結(jié)構(gòu) ................................................................................................................. 9 械手手抓的設(shè)計計算 ..................................................................................................... 9 擇手抓的類型及夾緊裝置 .................................................................................. 9 抓的力學分析 ................................................................................................... 10 緊力及驅(qū)動力的計算 ....................................................................................... 手抓夾持范圍 計算 ............................................................................................... 12 械手手抓夾持精度的分析計算 .................................................................................. 13 簧的設(shè)計計算 ................................................................................................................ 14 章小結(jié) ........................................................................................................................... 16 4 腕部的設(shè) 計計算 ........................................................................................................................ 17 部設(shè)計的基本要求 ...................................................................................................... 17 部的結(jié)構(gòu)以及選擇 ...................................................................................................... 17 2 型的腕部結(jié)構(gòu) .................................................................................................... 17 部 結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇 ............................................................................... 18 部的設(shè)計計算 ............................................................................................................... 18 部設(shè)計考慮的參數(shù) ........................................................................................... 18 部的驅(qū)動力矩計算 ........................................................................................... 18 部驅(qū)動力的計算 ............................................................................................... 19 壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎? ........................................................................................... 20 片和輸出軸間的連接螺釘 ................................................................................ 21 章小結(jié) ........................................................................................................................... 22 5 臂部的設(shè)計及有關(guān)計算 ............................................................................................................ 23 部設(shè)計的基本要求 ...................................................................................................... 23 臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 .................................................................................. 24 臂的典型運動機構(gòu) ........................................................................................... 24 臂運動機構(gòu)的選擇 ........................................................................................... 24 臂直線運動的驅(qū)動力計算 .......................................................................................... 24 臂摩擦力的分析與計算 ................................................................................... 24 臂慣性力的計算 ............................................................................................... 26 封裝置的摩擦阻力 ........................................................................................... 26 壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定 ...................................................................................... 26 章小結(jié) ........................................................................................................................... 28 6 機身的設(shè)計計算 ........................................................................................................................ 29 身的整體設(shè)計 ............................................................................................................... 29 身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算 .............................................................................................. 30 身升降機構(gòu)的計算 ...................................................................................................... 34 臂偏重力矩的 計算 ........................................................................................... 34 降不自鎖條件分析計算 ................................................................................... 35 臂做升降運動的液壓缸驅(qū)動力的計算 .......................................................... 36 承的選擇分析 ............................................................................................................... 36 章小結(jié) ........................................................................................................................... 37 7 型的建立與仿真 ...................................................................................................... 38 擬樣機技術(shù) .................................................................................................................... 38 件 .................................................................................................................... 38 部模型的建立 ............................................................................................................... 40 章小結(jié) ........................................................................................................................... 44 3 1 緒論 用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為 ? ?1機 械 手 。 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為 ? ?2工 業(yè) 機 械 手 。 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng) 域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科 —— 機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領(lǐng)域，是一門跨學科綜合技術(shù)。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的 發(fā)展空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的 ? ?3重 視 。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 業(yè)機械手的簡史 現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于 20世紀 50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主 從控制方式、能適應產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化 ? ?4產(chǎn) 品 。 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。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 2 1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為 萬能自動 )。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基 礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（ ,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。 1962 年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978 年美國 司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小 于± 1毫米。 美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如 年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由 400小時提高到 1500 小時，精度可提高到± 德國機器制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國 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。 瑞士 用示教方法編制程序 。 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道， 1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達 50多個。 1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用 42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達 443億日元，產(chǎn)量為 14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達 222億日元，是 1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為 67億日元，比 1978年增長 50%。智能機械手約為 17 億日元，為 1978年的 6倍。截止 1979年，機械手累計產(chǎn)量達 56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到 1990年將有 55萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(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。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。 第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為 柔性制造系統(tǒng) 柔性制造單元 (重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多。 3 機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛 ? ?5廣 泛 。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生 產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有 75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的 5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并 將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應用。 造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動線 一般都采用機械手在機床之間傳遞零件。國內(nèi)這類生產(chǎn)線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機廠的 4 號和 5 號電動機加工自動線（軸類），上海拖拉機廠的齒坯自動線（盤類）等。 加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的氣蓋 加工自動線轉(zhuǎn)位機械手 。 實現(xiàn)單機自動化方面 各類半自動車床，有自動加緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，單仍需人工上下料；裝上機械手，可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，一人看管多臺機床。目前，機械手在這方面應用很多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手，大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機械手，沈陽第三機床廠的 海第二機床廠的滾銑花鍵機床機械手等。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗，國內(nèi)一些機床廠已在這類產(chǎn)品出廠是就附上機械手，或為用戶安裝機械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼 沖壓生產(chǎn)線機械手（生產(chǎn)線中有兩臺多工位機床）和天津二注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手的自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。目前機械手在沖床上應用有兩個方面：一是 160t 以上的沖床用機械手的較多。如沈陽低壓開關(guān)廠 200t 環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機械手和天京拖拉機廠400一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進輕局技術(shù)研究所制作的 1200 、鍛、焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面，國內(nèi)大批量生產(chǎn)的 3t、 5t、 10t 模鍛錘，其 所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩只機 4 械手成一定角度布置早爐前，實現(xiàn)進出料自動化。上海柴油機廠、北京內(nèi)燃機廠、洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經(jīng)驗。 械手的組成 工業(yè)機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成 ? ?6組 成 。 行機構(gòu) （ 1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 （ 2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈 巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮? 2700） ,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 （ 3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。 手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和 各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 （ 4） 行走機構(gòu) 有的工業(yè)機械手帶有行走機構(gòu)，我國的正處于仿真階段。 動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手 ,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 5 制系統(tǒng)分類 在機械手的控 制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。 (1)工業(yè)機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91年的 7年的 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機 ;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 于標準化、網(wǎng)絡(luò)化 ;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真 、預演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從 94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技 攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人 ;其中有 130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30條自動噴漆生產(chǎn)線 (站 )上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如 :可靠性低于國外產(chǎn)品 :機器人應用工程起步較晚，應用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比 有差距 ;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè) 6 化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程 863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人， 6000果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種 :在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行 列之 ? ? ? ?7 10中 。 文主 要研究內(nèi)容 本文研究了國內(nèi)外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學習機械手的工作原理，熟悉了搬運機械手的運動機理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運機械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機械手的運動進行了簡單的力學模型分析，完成了機械手機械方面的設(shè)計工作（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）的設(shè)計工作。進而運用 握了機械仿真的一般過程。 章小結(jié) 本章簡要的介紹了機械手的基本概念。在機械手的組成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)以及控制部分三個方面說明。比較細致的介紹了機械手的發(fā)展趨勢 ，簡要的敘述了本文研究的內(nèi)容。 2機械手的總體設(shè)計方案 7 2 機械手的總體設(shè)計方案 本課題是輕型平動搬運機械手的設(shè)計及運動仿真。本設(shè)計主要任務是完成機械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計，以及 本章中對機械手的座標形式、自由度、驅(qū)動機構(gòu)等進行了確定。因此，在機械手的執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)是本次設(shè)計的主要任務，然后通過 械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài) ,按坐標形式大致可以分為以下 4種 : (1)直角坐標型機械手 ;(2)圓柱坐標型機械手 ; ( 3)球坐標 (極坐標 )型機械手 ; (4)多關(guān)節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標 ? ?11型 。 圖 機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務是將傳送帶 。 圖 械手基本形式示意 如圖所示為某自動化生產(chǎn)車間中的自動搬運機械手，用于將左工作臺上的工件搬運到右工作臺上。機械手的全部動作由汽缸驅(qū)動，汽缸由電磁閥控制。對于上升 /下降、左移 /右移，其運動由雙線 圈三位五通電磁閥控制，即上升電磁閥得電時機械手上升，下降電磁閥得電時機械手下降。對于夾緊 /放松，其運動由單線圈二位電磁閥控制，線圈得電時機械手夾緊，斷電時機械手放松。 2機械手的總體設(shè)計方案 8 圖 械手搬運工件示意圖 將機械手的原點（即原始位置）定為左位、上位、放松狀態(tài)。在原始狀態(tài)下，當左工作臺上有工件時，機械手下降到下位，夾緊工件，上升到上位，右移到右位，在右工作臺無工件時，機械手下降到下位，放松，然后上升到上位，左移回原位。該系統(tǒng)有三種工作模式，分別為：步進、單周期 、循環(huán)。 在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機械手具有 5個自由度既：手抓張合；手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降 5個主要運動。 本設(shè)計機械手主要由 4個大部件和 5個液壓缸組成：（ 1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手抓的張合。（ 2） 腕部，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn) 0180工件 9 （ 3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動 （ 4）機身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn) 手臂升降和回轉(zhuǎn)。 驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分 , 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手 ,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點。因此，機械手的驅(qū)動方案選擇液壓驅(qū)動。 械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途：搬運 :用于車間搬運 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù) : 1、抓重 :60夾持式手部 ) 2、自由度數(shù) :5個自由度 3、座標型式 :圓柱座標 4、最大工 作半徑 :1600、手臂最大中心高 :1248、手臂運動參數(shù) 伸縮行程： 1200縮速度： 83mm/s 升降行程： 300降速度： 67mm/s 回轉(zhuǎn)范圍 : 00 180 7、手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 : 00 180 章小結(jié) 本章對機械手的整體部分進行了總體設(shè)計，選擇了機械手的基本形式以及自由度，確定了本設(shè)計采用液壓驅(qū)動，給出了設(shè)計中機械手的一些技術(shù)參數(shù)。下面的設(shè)計計算將以次進行。 3 機械手手部的設(shè)計計算 9 3 機械手手部的設(shè)計計算 部設(shè)計基本要求 （ 1） 應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。 （ 2） 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度） ? ? ，以便于抓取工件。 （ 3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 （ 4） 應保證手抓的夾持精度。 型的手部結(jié)構(gòu) （ 1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 （ 2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動。 （ 3）平面平移型。 本設(shè)計是設(shè)計平動搬運機械手的設(shè)計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張合角?? = 060 ，夾取重量為 60常用的工業(yè)機械手手部 ,按握持工件的原理 ,分為夾持和吸附兩大類。吸附式 常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體 ,不適合用于本方案。本設(shè)計機械手采用夾持式手指 ,夾持式機械手按運動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移 型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動 ,這種手指結(jié)構(gòu)簡單 , 適于夾持平板方料 , 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置 , 其理論夾持誤差零。 若 采用典型的平移型手指 , 驅(qū)動力需加在手指移動方向上 ,這樣會使結(jié)構(gòu)變得復雜且體積龐大。 顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。 通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機械 手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。 10 抓的力學分析 下面對其基本結(jié)構(gòu)進行力學分析：滑槽杠桿 圖 a）為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 αααα αα(a) (b) 圖 槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析 1—— 手指 2—— 銷軸 3—— 杠桿 在杠桿 3的作用下，銷軸 2向上的拉力為 F，并通過銷軸中心 手指 1的滑槽對銷軸的反作用力為 2， 其力的方向 垂直于滑槽的中心線 1 2指向 o 點，交 1F 和2F 的延長線于 。 由 =0 得 12FF?=0 得 1 2 ?'11由 01M? ? ?F =0 得 '1 h 11 ?F= 2a ?（ 式中 a—— 手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（ . ? —— 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。 由分析可知，當驅(qū)動力 F 一定時， ? 角增大，則握力 隨之增大，但 ? 角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好 ? = 030 040 。 緊力及驅(qū)動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè) 計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： 1 2 3 K K G?（ 式中 1K —— 安全系數(shù)，通常 2k —— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦? 1 bK a??其中 a，重力方向的最大上升加速度；t?響— 運載時工件最大上升速度 — 系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取 K —— 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇。 G—— 被抓取工件所受重力（ N）。 表 3壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力 F（ N） 液壓缸工作壓力 用在活塞上外力 F（ N） 液壓缸工作壓力 于 5000 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 5000 10000 3 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 50000以上 計算：設(shè) a=100mm,b=50010

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