6自由度教學(xué)機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD】

6自由度教學(xué)機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD】,說明書+CAD,6自由度教學(xué)機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD】,自由度,教學(xué),機械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計,說明書,仿單,cad 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）中 期 檢 查 表學(xué) 院： 工學(xué)院 學(xué)生姓名董迪學(xué) 號200940614303年級專業(yè)及班級2009級機械設(shè)計制造及其自動化(3)班指導(dǎo)教師姓名向陽指導(dǎo)教師職稱副教授論文（設(shè)計）題目6自由度機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)論文（設(shè)計）工作進度已完成的主要內(nèi)容尚需解決的主要問題1：調(diào)研，收集資料及整理2：分析全自動機械手中“臂”機構(gòu)的基本原理，基本理論及方法；全自動機械手中“臂”機構(gòu)的傳動設(shè)計及基本設(shè)計計算；3：全自動機械手中“臂”機構(gòu)的設(shè)計、結(jié)構(gòu)圖、裝配圖設(shè)計； 1：全自動機械手中“臂”機構(gòu)傳動分析研究；2：分析整理, 擬寫畢業(yè)設(shè)計論文指導(dǎo)教師意見 簽名： 年 月 日 檢查小組意見 組長簽名： 年 月 日 注：1.此表可用黑色簽字筆填寫，也可打印，但意見欄必須相應(yīng)責(zé)任人親筆填寫。2.此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。 湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計 六自由度機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計THE STRUCTURAL DESIGN OF THE SIX DEGREES OF FREEDOM MANIPULATOR學(xué)生姓名：董迪學(xué) 號：200940614303年級專業(yè)及班級：2009級機械設(shè)計制造及其自化(3)班指導(dǎo)老師及職稱：向陽 副教授學(xué) 院：工學(xué)院湖南長沙提交日期：2013 年 5 月湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計誠 信 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)設(shè)計作者簽名： 年 月 日 目 錄摘要1關(guān)鍵詞11前言12設(shè)計要求和功能分析22.1設(shè)計要求2 2.2功能分析23基座旋轉(zhuǎn)機構(gòu)軸的設(shè)計及強度校核33.1按扭轉(zhuǎn)強度概略計算軸頸3 3.2擬定軸的結(jié)構(gòu)43.3 計算支反力和繪制彎矩圖和扭矩圖43.4強度精確校核54液壓泵俯仰機構(gòu)零件設(shè)計和強度校核6 4.1確定螺柱組連接所受的工作載荷64.2計算傾覆力矩的工作拉力7 4.3求每個螺柱所需的預(yù)緊力74.4計算螺柱直徑74.5校驗螺柱組連接接合面的工作能力85左右搖擺機構(gòu)零件設(shè)計和強度校核85.1動葉片中3個螺釘設(shè)計95.2動葉片中2個銷的設(shè)計95.3動葉片與套筒之間的鍵的設(shè)計105.4軸的設(shè)計106連腕部俯仰機構(gòu)零件設(shè)計和強度校核106.1動葉片中3個螺釘設(shè)計116.2連接前自由度箱體的4個固定螺釘設(shè)計116.3動葉片中2個銷的設(shè)計136.4動葉片與套筒之間的鍵的設(shè)計146.5軸的設(shè)計147旋轉(zhuǎn)和夾緊機構(gòu)零件設(shè)計和強度校核157.1機械手指部基座與回轉(zhuǎn)體的螺栓連接157.2手部旋轉(zhuǎn)液壓缸葉片與夾緊缸連接螺釘?shù)脑O(shè)計177.3機械手指部設(shè)計及夾緊力計算198總結(jié)20參考文獻20致謝20六自由度機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué) 生：董迪指導(dǎo)老師：向陽(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128)摘 要：隨著現(xiàn)代科技和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)的自動化程度越來越高。工業(yè)的自動化中機械手發(fā)揮著相當(dāng)大的作用，小到機床的自動換刀機械手，大到整個的全自動無人職守工廠，無一不能看到機械手的身影。機械手在工業(yè)中的應(yīng)用可以確保運轉(zhuǎn)周期的連貫，提高質(zhì)量。另外，由于機械手的控制精準(zhǔn)，還可以提高零件精度。關(guān)鍵詞：機械手；自動化；精度The Structural Design Of The Six Degrees Of Freedom ManipulatorStudent: Dong Di Tutor: Xiang Yang（Polytechnic Institute of Hunan Agricultural University, Changsha 410128）Abstract:With the development of modern science and technology and the modern industry, industrial automation degree is more and more high. Industrial automation manipulator plays a considerable role, small to the automatic tool change mechanical arm of the machine, the whole of unattended automatic factory, no one can not see the shadow of the manipulator. Application of robot in the industry can ensure the operating cycle of coherence, improve the quality of. In addition, the manipulator control precision, but also can improve the precision of parts.Key words: Manipulator; automation; accuracy1 前言在工資水平較低的中國，制造業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機械手的使用已經(jīng)越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們設(shè)在中國的工廠中引進了自動化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)的中國本土制造廠也開始對機械手表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，因為他們要面對工人流失率高，以及交貨周期縮短帶來的挑戰(zhàn)。 機械手可以確保運轉(zhuǎn)周期的一貫性，提高品質(zhì)。另外，讓機械手取代普通工人從模具中取出零件不僅穩(wěn)定，而且也更加安全。同時，不斷發(fā)展的模具技術(shù)也為機械手提供了更多的市場機會。 可見隨著科技的進步，市場的發(fā)展，機械手的廣泛應(yīng)用已漸趨可能，在未來的制造業(yè)中，越來越多的機械手將被應(yīng)用，越來越好的機械手將被創(chuàng)造，毫不夸張地說，機械手是人類走向先進制造的一個標(biāo)志，是人類走向現(xiàn)代化、高科技進步的一個象征。 因此如何設(shè)計出一個功能強大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的機械手變成了迫在眉睫的問題。 針對機械手的設(shè)計，考慮到兩種方案。方案一，依靠兩盤狀凸輪及連桿機構(gòu)實現(xiàn)手指的張合與手臂的上下擺動。而圓柱凸輪的旋轉(zhuǎn)帶動鏈輪回轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。這種雖然方案簡單易行，但結(jié)構(gòu)較大，鏈傳動是撓性的拉拽，難于定位；而且鏈條及鏈輪布置在水平面內(nèi)，鏈條不宜過長。定位精度不能保證，故不宜采用此方案。 方案二：該方案在手指的動作和手臂的仰俯方面與方案一采取同種設(shè)計，在手臂的回轉(zhuǎn)上采用了不同機構(gòu)，它通過液壓缸連桿回轉(zhuǎn)機構(gòu)完成手臂的回轉(zhuǎn)。此方案結(jié)構(gòu)簡單，各運動部件之間的運動都易于實現(xiàn)，不會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。故本設(shè)計采用第二種方案1。 2 設(shè)計要求和功能分析 2.1 設(shè)計要求該機械臂用于物流生產(chǎn)線上物品的抓取和易位。整個機械臂安裝在一個回轉(zhuǎn)支座上，回轉(zhuǎn)角度范圍為360度；小臂相對于大臂可擺動，擺動范圍為60-120度；小臂末端的手腕也可以擺動，擺動范圍為-60度到+60度；手腕的末端安裝一機械手，機械手具有開閉能力，用于直徑30-45mm工件的抓取，工件長度350mm，重量8kg。2.2 功能分析系統(tǒng)共有6個自由度，分別是夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰（1）、左右搖擺、俯仰（2）及基座的回轉(zhuǎn)?；幕剞D(zhuǎn)自由度可以進行360度的回轉(zhuǎn)；與基座相連的俯仰機構(gòu)（包含液壓缸）可進行俯仰動作，幅度較大，可以滿足60-120度的俯仰要求，與此相連部分為左右搖擺機構(gòu)，能夠完成-6060度的左右來回擺動，接著下去的是俯仰機構(gòu)，與搖擺機構(gòu)內(nèi)部類似，亦可完成-6060度的上下俯仰動作，最后的是旋轉(zhuǎn)部分與手指部分，旋轉(zhuǎn)部分可以正反旋轉(zhuǎn)，手指部分通過在手腕上滑槽來控制收放動作。機構(gòu)采用液壓控制各自由度的動作，簡單方便且功率大，各自由度之間相互聯(lián)系且獨立，動作時互不干涉。3 基座旋轉(zhuǎn)機構(gòu)軸的設(shè)計及強度校核由設(shè)計要求分析可知，基座的回轉(zhuǎn)自由度可以進行360度的回轉(zhuǎn)。3.1 按扭轉(zhuǎn)強度概略計算軸頸 （1）選取軸材料由于中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼具有較高的強度和較好的切削加工性，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性，材料來源方便。且該鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其綜合力學(xué)性能要優(yōu)化于其他中碳結(jié)構(gòu)鋼。調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機械性能。故選用45號鋼，調(diào)質(zhì)查表得，（2）估算軸頸 對軸使用扭轉(zhuǎn)強度法，根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強度條件 (1) 算得 (2) 式中： 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa； T軸所受的扭矩，Nmm； WT軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，m；P軸傳遞的功率,kW；d計算截面處軸的直徑，mm； 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa可知，對于軸，為齒輪分度圓半徑，則：?？紤]到軸是垂直布置，過細會失穩(wěn)，因此取，最小直徑為花鍵內(nèi)徑。3.2 擬定軸的結(jié)構(gòu)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，擬定主要參數(shù)尺寸3，如圖一所示。（1）支承采用圓錐滾子軸承3007712。 選擇依據(jù)：圓錐滾子軸承可以分離，由內(nèi)圈與滾子、保持架一起組成的組件和外圈可以分別圓錐滾子軸承安裝。滾子和滾道接觸處修正的接觸線可以減少應(yīng)力集中。圓錐滾子軸承可以承受大的徑向載荷和軸向載荷。 按GB277-84，取下端軸頸直徑為60mm，寬33mm；取下端軸肩直徑80mm，寬25mm（2)齒輪下端面由軸環(huán)定位 鑒于軸環(huán)承受軸的重力，取軸環(huán)直徑100mm，寬20mm。齒輪軸頭取直徑80mm，寬97mm，稍小于輪豰（100-3）。（3）齒輪上端面接觸套筒，固定套筒的軸身直徑70mm，寬15mm；（4)套筒上接圓錐滾子軸承，與下端軸承一樣。軸頸直徑為60mm，寬30mm。（5)和上端蓋相密封的軸身直徑56mm，寬36mm。（6)連接花鍵的上軸頭小徑52mm，大徑56mm，寬27mm；軸兩端倒角。（7)齒輪與平鍵采用過盈連接,采用A型平鍵（A型平鍵在軸上鍵槽中軸向固定良好） 鍵槽寬度，槽深，槽長L應(yīng)小于齒輪的寬度，取，軸段上平鍵居中布置。取過盈配合。3.3 計算支反力和繪制彎矩圖和扭矩圖（1）支反力的計算由于活塞齒條的作用，軸受到水平方向的力，同時在軸承受到支反力，這樣產(chǎn)生彎矩。 (3)支座A的支反力， (4)支座B的支反力（2)繪制彎矩圖和扭矩圖，如下圖（二）： a. 最大彎矩發(fā)生在平鍵中心的界面處 (5) B. 扭矩 圖1 彎矩圖和扭矩圖Figure 1 bending moment diagram and torque diagram3.4 強度精確校核（1）確定危險截面，校核強度分析可知，危險剖面在平鍵中心處，此時彎矩最大，且有鍵槽，抗彎剖面模量和抗扭剖面模量較小。所以，需對該面進行強度精確校核。（2）按安全系數(shù)法5精確校核平鍵的強度： a.查表可得： 過盈配合為時的應(yīng)力集中系數(shù)， 尺寸系數(shù)， 表面質(zhì)量系數(shù) b.主要參數(shù)設(shè)計計算 綜合影響系數(shù)，； (7) 彎曲應(yīng)力幅 (8) 平均應(yīng)力 (9) 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅 (10) 扭轉(zhuǎn)平均應(yīng)力（3）根據(jù)以上可得，僅考慮切應(yīng)力和僅考慮正應(yīng)力時的工作安全系數(shù)分別為： a.只考慮正應(yīng)力時的安全系數(shù) (11) b.只考慮切應(yīng)力的安全系數(shù) (12) 可得平鍵的工作安全系數(shù)： (13) 查表得，SS 結(jié)論 ： 滿足強度要求4 液壓泵俯仰機構(gòu)零件設(shè)計及強度校核 液壓泵是為液壓傳動提供加壓液體的一種液壓元件，是泵的一種。它的功能是把動力機(如電動機和內(nèi)燃機等)的機械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能。根據(jù)主機工況、功率大小和系統(tǒng)對工作性能的要求，確定為液壓泵俯仰機構(gòu)。4.1 確定螺柱組連接所受的工作載荷只受橫向載荷（作用于接合面，垂直向下）根據(jù)UG質(zhì)量分析，得到前四個自由度的總質(zhì)量根據(jù)UG距離分析，前四個自由度質(zhì)心到螺柱分布中心的距離傾覆力矩（順時針方向）4.2 計算傾覆力矩的工作拉力在傾覆力矩作用下，左面的螺釘受到加載作用而右面的螺釘受到減載作用，故左面的螺柱受力較大，所受的載荷由書本3的P411（11-3b）得知為 (14)4.3 求每個螺柱所需的預(yù)緊力橫向工作載荷將使連接件下滑，采用普通螺柱連時是靠摩擦力來承受，M對摩擦力無影響，雖在M的作用下，左邊的壓力減小，但右面的拉力增大，所以保證不下滑的條件，由式（11-27）可知; (15)=1.2 =0.24.4 計算螺柱直徑螺柱所受的總拉力由式（11-19）求得 (16)由表11-5取=0.3查表選擇螺柱材料為Q235，性能等級5.6，屈服強度，安全系數(shù)，則需用應(yīng)力為根據(jù)式（11-21）求得螺柱危險剖面的直徑（螺紋小徑）為：初取直徑=164.5 校驗螺柱組連接接合面的工作能力（1）連接接合面右端不超過許用值，以防止接合面壓潰，由式（11-39）有： (17)式中，接合面面積；接合面抗彎剖面模量：由表11-9查得（2）連接接合面左端應(yīng)保持一定的預(yù)緊力，以防止接合面產(chǎn)生間隙，即由式（11-38）由于會產(chǎn)生間隙，應(yīng)提高預(yù)緊力，由，求得不產(chǎn)生間隙的最小預(yù)緊力=28570由式（11-19）重新求得螺柱所受到的總拉力由式（11-21）重新求得螺柱危險截面的剖面直徑取=24的螺柱，誤差小于5%，在工程允許范圍內(nèi)，查GB/T901-19881，B級等長螺柱M2435 左右搖擺機構(gòu)設(shè)計及強度校核5.1 動葉片中3個螺釘設(shè)計由公式得，（1）確定預(yù)緊力由公式得， (18)其中：安全裕度系數(shù) 接合面間摩擦系數(shù) 工作轉(zhuǎn)矩取動葉片與油液接觸面積為，油壓為2，油壓作用在動葉片上的等效力的作用點位于圓周上 （2）查表，取材料為45號鋼，性能等級為8.8級屈服強度極限初估直徑M16，查表，取，取螺釘直徑M24,查表，5.2 動葉片中2個銷的設(shè)計（1）確定剪切力取動葉片與油液接觸面積為油壓為，油壓在動葉片等效力的作用點位于圓周上（2）確定銷個數(shù)（3）查機械手冊，取材料為45號鋼常用的銷5.3 動葉片與套筒之間的鍵的設(shè)計 (19)（1）工作轉(zhuǎn)矩油壓為，承壓面A為作用點離鍵沿半徑方向為（2）回轉(zhuǎn)直徑的d為鍵高， 取5.4 軸的設(shè)計取，去材料為40Cr鋼，取6 連腕部俯仰機構(gòu)零件設(shè)計及強度校核6.1 動葉片中3個螺釘設(shè)計由公式得， (20)（1）確定預(yù)緊力由公式，查表得 安全裕度系數(shù) 接合面間摩擦系數(shù) 工作轉(zhuǎn)矩取動葉片與油液接觸面積為，油壓為2，油壓作用在動葉片上的等效力的作用點位于圓周上 （2）查表，取材料為45號鋼，性能等級為8.8級屈服強度極限初估直徑M16，查表11-7，取，取螺釘直徑M16,查表11-1，6.2 連接前自由度箱體的4個固定螺釘設(shè)計（1）求每個螺釘?shù)乃桀A(yù)緊力和總拉力 (21)剩余預(yù)緊力查表知： 安全裕度系數(shù) 接合面間摩擦系數(shù) 螺釘個數(shù) 前自由度總質(zhì)量 形心位置查表，由公式，a. 取，為螺釘?shù)街行木€的距離b. ,為前自由度總質(zhì)量到接口的力臂 （2)設(shè)計直徑查表11-6，取材料為45號鋼，性能等級8.8級，屈服極限初估M16，查表11-7，（3)校核螺釘接合面的工作能力接合面上側(cè)不出現(xiàn)縫隙的條件 滿足接合面下側(cè)不出現(xiàn)壓潰的條件 查表11-9，滿足注：特殊情況為當(dāng)前自由度部分自由下垂，四個螺釘完全承受前部分的重力，每個螺釘承受，查圖11-20，得此時， ，由此滿足條件。6.3 動葉片中2個銷的設(shè)計確定剪切力取動葉片與油液接觸面積為油壓為，油壓在動葉片等效力的作用點位于圓周上 (22)確定銷個數(shù)查機械手冊，取材料為45號鋼常用的銷6.4 動葉片與套筒之間的鍵的設(shè)計 工作轉(zhuǎn)矩油壓為，承壓面A為作用點離鍵沿半徑方向為回轉(zhuǎn)直徑的d為鍵高， 取6.5 軸的設(shè)計 (23)穩(wěn)定不變扭矩，由，取碳素鋼7 旋轉(zhuǎn)和夾緊的設(shè)計及強度校核7.1 機械手指部基座與回轉(zhuǎn)體的螺栓連接（1）采用普通螺栓連接，布局如圖六示。將前部指部和輪胎簡化為一簡支梁結(jié)構(gòu)，在其質(zhì)心處受到一集中力。圖2 機構(gòu)簡圖Figure 2 institutions diagram（2）確定螺栓組連接所受的工作載荷。只受到橫向載荷（作用于接合面，垂直向下）根據(jù)UG的質(zhì)量分析后，得知不得總質(zhì)量為：所要夾取得輪胎質(zhì)量為：（g?。﹥A覆力矩順時針方向=404.27（3）計算各螺栓所受的工作拉力。 在傾覆力矩的作用下，上面的螺栓受到加載作用，而下面的螺栓受到減載的作用，故上面的螺栓受力較大，所受的載荷為： (24)上面的螺栓所受到的總工作拉力：（4）求每個螺栓所需的預(yù)緊力。橫向工作載荷將使指架下滑，采用普通螺栓時是靠摩擦力來承受；M對摩擦力無影響，雖在M作用下，上面的壓力減小，但下邊的增大，所以保證不下滑的條件是：由式：=1.2 f=0.2（5）計算螺栓直徑。螺栓所受的總拉力由式求得： (25)由表115取= 0.3 查表11.6選擇螺栓材料為Q235，性能等級取3.6，其屈服極限；不控制預(yù)緊力，初取直徑為16，查表11.7，安全系數(shù)為S= 4，則。根據(jù)公式（1121）求得螺栓危險剖面的直徑（螺紋小徑）為：查GB/8221988選用公稱直徑d = 10mm(螺紋小徑= 8.376mm)的螺釘。螺紋規(guī)格：d = M10, 公稱直徑d = 50mm,性能等級為3.6級的H型螺釘GB/8221988 。（6）校核螺釘組連接接合面的工作能力。連接接合面下端的擠壓應(yīng)力不超過許用值，以防止接合面壓潰，由式(1139)有： (26)式中，接合面面積；接合面抗彎剖面模量：由表11.9 查得，故連接面下端不會壓潰。連接合面上端應(yīng)保持一定的剩余預(yù)緊力，以防止接合面產(chǎn)生間隙，即，由式（1138）得：故接合面上端受壓最小出不會產(chǎn)生間隙。7.2 手部旋轉(zhuǎn)液壓缸葉片與夾緊缸連接螺釘?shù)脑O(shè)計圖3 手部旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)液壓缸剖視圖 Figure 3 hand rotating the rotary cross-sectional view of the hydraulic cylinder備注：葉片寬度b=110mm采用普通螺釘連接。（1）確定螺釘組連接所受的工作載荷。假定選用低壓系統(tǒng)p = 5MPa,葉長的受力面積：周向工作載荷（2）計算各螺釘及銷所受的同向載荷：如果假設(shè)將葉長展開，鋪平后，相當(dāng)于螺釘組受橫向載荷，根據(jù)式（1128），得： (27)（3）計算螺釘直徑：由式（1124）得，查表11.6，選擇螺釘材料為Q235，性能等級為3.6級，其屈服極限，初估直徑d = 10mm,查表11.7，S = 2.25， = 84.44H為螺釘桿與孔壁擠壓面的最小高度， h = 7.5 mm由式（1126），螺釘?shù)募羟袕姸葪l件為：查表11.7 查GB/T961981，選用公稱直徑d = 10mm （螺紋小徑）的螺釘。 7.3 機械手指部設(shè)計及夾緊力計算圖4 機械手指部機構(gòu)簡圖Figure 4 institutions of the Ministry of Machinery finger thumbs（1）機械手指部夾緊力的計算a液壓活塞所受的壓力 液壓活塞承壓面面積: S=15080()所以F=P S=5MPa15080=75400N是手指連桿施加給左手指的力,是左手指對連桿的反作用力;和同樣構(gòu)成一對作用力與反作用力,如圖所示.由于機構(gòu)的對稱性,故=,=.當(dāng)機構(gòu)靜平衡時,;,所以=43532.2(N) (28)根據(jù)對O點的力矩平衡: =NL N=6969.1(N)8 總結(jié)該機構(gòu)是一個六自由度的工業(yè)機械手，能完成夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰、搖擺以及回轉(zhuǎn)動作，可用于工業(yè)流水線上的操作。我們主要針對設(shè)計的是在轎車生產(chǎn)過程中，后車箱備胎的放置，機構(gòu)簡便、效率高，可控范圍大，沉重量大，基座運用齒輪傳動，效率高，強度大，液壓泵俯仰機構(gòu)承載性強，可調(diào)角度大，回轉(zhuǎn)機構(gòu)和俯仰機構(gòu)都是-60度到60度。機構(gòu)所用零件便于加工，標(biāo)準(zhǔn)件較多，便于機構(gòu)的組裝，相應(yīng)的成本也不高。參考文獻1 熊有倫機器人技術(shù)基礎(chǔ)M武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996:1.2 蔡自興機器人學(xué)M北京：清華大學(xué)出版社，2000：1-3.3 蔣新松.未來機器人技術(shù)發(fā)展方向的探討J機器人,1996，18(5):286-2874 莫海軍，吳少煒排爆機器人及相關(guān)技術(shù)J機器人技術(shù)與應(yīng)用，2005，45 金茂箐，曲忠萍，張桂華國外工業(yè)機器人發(fā)展態(tài)勢分析J機器人技術(shù)與應(yīng)用,2001，026 賴維德對我國工業(yè)機器人的一些看法J中國機械工程，1998，9(6)7 徐方.工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展J.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2007，9：2-4.8 張楊林國內(nèi)工業(yè)機器人市場及發(fā)展趨勢J大眾科技，2006，6:191-192. 9 吳振彪.工業(yè)機器人M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.2:71-72.10 孫玲，周壽桓，閻吉祥，姜東升，李家澤.激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)在農(nóng)藥殘留物探測中的應(yīng)用J激光與紅外，2003.33(6):417-418.11 浦昭邦.光電測試技術(shù)M北京:機械工業(yè)出版社，2005，19-21.12 盧春生.光電探測技術(shù)及應(yīng)用M北京:機械工業(yè)出版社，1992，1-2.13 高岳，王霞，王吉暉，金偉其.光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)M北京:電子工業(yè)出版社，2009，4-5.14 郭培源，付揚.光電檢測技術(shù)與應(yīng)用M北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006，10.15 錢浚霞，鄭堅立.光電檢測技術(shù)M北京:機械工業(yè)出版社，1993:1-2.16 楊小麗.光電子技術(shù)基礎(chǔ)M北京:北京郵電大學(xué)出版社，2005:198-216.17 張永林，狄紅衛(wèi).光電子技術(shù)M北京:高等教育出版社，2005，68-71.18 Richard D.harris,etal.Waveguide Immufluoescence Sensor For Water Pollution Analysis,SPIE Proceeding,1998,3539:285-288.致 謝本次畢業(yè)設(shè)計非常感謝我的導(dǎo)師向陽副教授，在選題及研究過程中都得到了向老師的悉心指導(dǎo)。向老師嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，終身受益無窮，向老師是很負責(zé)的。向老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點拔、熱忱鼓勵。對向老師的感激之情是無法用言語表達的。感謝論文引用的參考文獻的作者們，他們大量開拓性的工作和成果，為我的畢業(yè)設(shè)計提供了堅實的基礎(chǔ)。最后，真誠地感謝所有教過我的老師，正是在他們精心的培養(yǎng)、指導(dǎo)、無私的關(guān)懷與幫助下，促使我順利完成了學(xué)業(yè)。各位老師，不僅在學(xué)業(yè)上嚴格要求我，而且在工作、生活中給予了我無微不至的關(guān)懷和照顧。他們淵博的知識，嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，執(zhí)著的敬業(yè)精神、認真的教學(xué)作風(fēng)以及高尚的人品，使我受益終生。在此我謹向老師們致以最崇高的敬意和最衷心的感謝！21畢業(yè)論文（設(shè)計）題目6自由度教學(xué)機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計文獻綜述課題的目的與意義機器人是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，人類對于機器人的研究由來已久。上世紀(jì)70年代之后，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，機器人技術(shù)也隨之進入高速發(fā)展階段，成為綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)。其本質(zhì)是感知、決策、行動和交互四大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志1 2。機器人技術(shù)的研究在經(jīng)歷了第一代示教再現(xiàn)型機器人和第二代感知型機器人兩個階段之后進入第三代智能機器人的發(fā)展階段。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，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)率。機械手越來越廣泛地得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。此外，醫(yī)療機器人是目前國外機器人研究領(lǐng)域中最活躍、投資最多的方向之一,其發(fā)展前景非?？春?。近年來,醫(yī)療機器人技術(shù)引起美、法、德、意、日等國家學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注, 研究工作蓬勃興起。二十世紀(jì)九十年代起，國際先進機器人計劃已召開過的多屆醫(yī)療外科機器人研討會己經(jīng)立項,開展基于遙控操作的外科研究,用于戰(zhàn)傷模擬手術(shù)、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)。歐盟、法國國家科學(xué)研究中心也將機器人輔助外科手術(shù)及虛擬外科手術(shù)仿真系統(tǒng)作為重點研究發(fā)展的項目之一在發(fā)達國家已經(jīng)出現(xiàn)醫(yī)療，外科手術(shù)機器人市場化產(chǎn)品，并在臨床上開展了大量病例研究。而目前我國的機器人技術(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。機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)及醫(yī)療水平的提高，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。 國內(nèi)外研究情況1.1.1 國外研究狀況機器人主要分為兩類：工業(yè)機器人以及其他特種機器人，自1962年美國推出世界上第一臺Unimate型和Versatra型工業(yè)機器人以來，機器人在工業(yè)發(fā)達國家得到了迅速發(fā)展。根據(jù)國際工業(yè)機器人聯(lián)合會(IFR)前幾年的統(tǒng)計3：2000年全世界工業(yè)機器人的總數(shù)達到82萬臺，比1996年增加24。其中日本擁有42萬臺，占全世界機器人總數(shù)的50左右，繼續(xù)保持“機器人王國”的地位。除日本外，世界上還有許多工業(yè)發(fā)達國家，如美國、前蘇聯(lián)和西歐一些國家的機器人產(chǎn)業(yè)也發(fā)展得很快。例如，在美國，19701980年間的機器人臺數(shù)增加20倍以上。盡管美國所擁有的機器人在臺數(shù)上不如日本但其技術(shù)水平較高占有一定的優(yōu)勢。在亞洲，韓國的機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展也很迅速，現(xiàn)排名世界前列而日本、韓國和新加坡的機器人密度(即制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機器人數(shù)量)居世界第1-3位，包攬了前三名。西歐的意大利、法國、英國和東歐的匈牙利、波蘭等，機器人制造業(yè)及應(yīng)用機器人的情況都有很大發(fā)展。1.1.2 國內(nèi)研究狀況我國有組織有計劃地發(fā)展機器人事業(yè)應(yīng)該說是從“七五”期間的科技攻關(guān)及實施“863計劃”開始的。經(jīng)過十幾年來的研制、生產(chǎn)、和應(yīng)用，有了長足的進步。目前在一些方面6，如噴涂機器人、弧焊機器人、點焊機器人、搬運機器人、裝配機器人、特種機器人(水下、爬壁、管道、遙控等機器人)，已掌握了機器人的設(shè)計制造技術(shù)，解決了控制、驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置、軟件的設(shè)計和編制等關(guān)鍵技術(shù)；還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線(工作站)及其周邊配套設(shè)備的全線自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)?，F(xiàn)在，我國從事機器人研發(fā)的單位有200多家7，專業(yè)從事機器人產(chǎn)業(yè)開發(fā)的企業(yè)有50家以上?！熬盼濉逼陂g，國家“863”高技術(shù)計劃己將沈陽新松機器人自動化股份有限公司、啥爾濱博實自動化設(shè)備有限責(zé)任公司、一汽集團涂裝技術(shù)開發(fā)中心、北京機械工業(yè)自動化所、上海機電一體工程有限公司、四川綿陽四維焊接自動化設(shè)備有限公司等確立為智能機器人主題產(chǎn)業(yè)化基地。大連組臺機床所、上海富安工廠自動化公司、東風(fēng)汽車公司、昆明船舶公司、哈爾濱焊接研究所、安川北科公司等單位，也都憑借自己開發(fā)生產(chǎn)的特色機器人或應(yīng)用工程項目活躍在當(dāng)今國內(nèi)工業(yè)機器人市場上。此外，一些科研院所和大學(xué)也均在進行機器人技術(shù)及應(yīng)用項日方面的研發(fā)工作。近幾年，我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已突破十億元。我國的機器人研究開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成績，但是總的來看，我國的機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外的相比還有一定的距離，無論從機器人的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都有一定的差距。進入新世紀(jì)以后，國際競爭日益激烈，對機器人的需求越來越大，我國的機器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機遇和來自國外的挑戰(zhàn)，因此我們需要自主發(fā)展機器人高技術(shù)，解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)。積極推進我國的機器人產(chǎn)業(yè)化的進程。主要參考文獻1熊有倫機器人技術(shù)基礎(chǔ)M武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996:1.2蔡自興機器人學(xué)M北京：清華大學(xué)出版社，2000：1-3.3蔣新松.未來機器人技術(shù)發(fā)展方向的探討J機器人,1996，18(5):286-2874莫海軍，吳少煒排爆機器人及相關(guān)技術(shù)J機器人技術(shù)與應(yīng)用，2005，4維普資訊網(wǎng).5金茂箐，曲忠萍，張桂華國外工業(yè)機器人發(fā)展態(tài)勢分析J機器人技術(shù)與應(yīng)用,2001，026賴維德對我國工業(yè)機器人的一些看法J中國機械工程，1998，9(6)7 徐方.工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展J.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2007，9：2-48張楊林國內(nèi)工業(yè)機器人市場及發(fā)展趨勢J大眾科技，2006，6:191-192. 9吳振彪.工業(yè)機器人M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.2:71-72.研究方案研究目的 2、課題任務(wù)、重點研究內(nèi)容、實現(xiàn)途徑2.1課題的任務(wù)本課題就是設(shè)計出一個全自動的機械手中的“臂” ：要求機械手的結(jié)構(gòu)靈活，定位精確，可以在工作空間里達到任意位置，操作方便，每個關(guān)節(jié)易于控制?？紤]到我們機械手的性能需求如下： 啟動，停止和反向轉(zhuǎn)動，均能連續(xù)有效的進行，且具有良好的響應(yīng)特性。 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時的特性相同，且運行特性穩(wěn)定。 維修容易，而且不太需要保養(yǎng)。 具有良好的抗環(huán)境干擾能力，對于輸出來說，體積小，重量輕。 有良好的定位精度，重復(fù)定位精度，以及平穩(wěn)的運行軌跡。抗振性好，操作方便。2.2課題的重點研究內(nèi)容本課題研究涉及機械原理、機械設(shè)計、機器人、齒輪傳動、實體建模、有限元分析、計算機輔助設(shè)計等方面的相關(guān)內(nèi)容。主要研究內(nèi)容:機械臂的機械部分是整個機器人的執(zhí)行機構(gòu)，機構(gòu)型式的好壞，將直接影響到整個系統(tǒng)。所以，機構(gòu)的設(shè)計非常重要。我們主要從以下幾個方面對其進行研究： 針對全自動機械手中“臂”機構(gòu)進行調(diào)研，查閱國內(nèi)外研究資料，資料收集及整理； 可達空間的范圍。根據(jù)設(shè)計要求和滿足各種工作的需要，機器人前端應(yīng)能到達工作需要的范圍內(nèi)的各個位置，并且基本上沒有死區(qū)。 機構(gòu)的設(shè)計。具體的包括運動副型式的合理選擇和配置。傳遞運動的最佳路線，驅(qū)動的最佳速比等。機構(gòu)設(shè)計不合理，可能會出現(xiàn)臂桿的相互干涉或驅(qū)動裝置無法運行，機構(gòu)不能運動等問題。 自由度的選取。一般來講，自由度越多，避障和奇異功能越強，可操作性越好，靈活性越好。但隨著自由度的增多將出現(xiàn)機器人機構(gòu)的復(fù)雜化，剛度的削弱、控制起來非常困難等問題。機器人按運動形式分為直角坐標(biāo)型機器人、圓柱坐標(biāo)型機器人、關(guān)節(jié)型機器人和極坐標(biāo)型機器人。 直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 關(guān)節(jié)型 極坐標(biāo)型 因此，在能滿足一定的選型原則的前提下，采用冗余自由度盡量少的、機構(gòu)簡單的形式。綜合國內(nèi)外相關(guān)的設(shè)計情況，我們考慮設(shè)計成關(guān)節(jié)型的機器人。因為，關(guān)節(jié)型機器人模擬動物和人類肢體，甚至是整體而最具有仿生性，也就具有了優(yōu)于其他類型機器人的動作能力。并且，關(guān)節(jié)型機器人在相同條件下比非關(guān)節(jié)型機器人具有大得多的相對空間和絕對空間。其中，開鏈連桿式機器人是現(xiàn)在使用最多的一種，其主體結(jié)構(gòu)的三個自由度腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，手腕上也采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)來確定末端的姿態(tài)，具有優(yōu)點如下：1）結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地小。2）具有很高的可達性。可以使其手部進入像汽車車身這樣一個封閉的空間內(nèi)進行作業(yè)，而直角坐標(biāo)型的機器人就不行。3）因為沒有移動關(guān)節(jié)，所以不需要導(dǎo)軌。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)容易密封，由于軸承件是大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，則摩擦小，慣量小，可靠性好。4） 所需關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩小，能量消耗少。 對“臂”機構(gòu)傳動設(shè)計及基本設(shè)計計算。直流電機實際上是機器人平臺的標(biāo)準(zhǔn)電機，有著極寬的功率調(diào)節(jié)范圍、適用性好、具有很高的性價比、輸出力矩較大、易于控制等等，是一種最為通用的電機。我們選擇用直流電機作為驅(qū)動。設(shè)計計算數(shù)值要根據(jù)具體負載，運動路線等因素進行具體計算。 根據(jù)機構(gòu)運動要求，完成全自動機械手中“臂”機構(gòu)設(shè)計，包括結(jié)構(gòu)圖、裝配圖設(shè)計；機械臂的回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)：1) 常見方式： 常見的有齒輪傳動機構(gòu)，鏈輪傳動機構(gòu)，活塞及連桿傳動機構(gòu)等。 2) 曲柄滑塊機構(gòu)：假設(shè)滑塊是主動件，當(dāng)滑塊沿一定的導(dǎo)軌移動時，可以推動曲柄做擺動或圓周運動。 3) 典型機構(gòu)： 液壓缸連桿回轉(zhuǎn)機構(gòu)、齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)。下面是幾種參考結(jié)構(gòu)： 圖6 圖7 圖8 用UG5.0建立全自動機械手中“臂”機構(gòu)三維模型，并進行運動仿真。 根據(jù)仿真后的結(jié)果，進行具體實驗，測試并校核真實情況下的強度和運動能否達到要求。2.3課題的實現(xiàn)途徑在深入分析和理解自己研究課題的任務(wù)和重點研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，主要從以下途徑著手： 通過參考大量的文獻，掌握課題研究的背景，調(diào)研國內(nèi)外有關(guān)課題研究方面的現(xiàn)狀、發(fā)展和應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)全自動機械手中“臂”機構(gòu)設(shè)計中的問題，明確課題研究的目的、意義、任務(wù)及內(nèi)容。 通過到機械加工車間參觀學(xué)習(xí)，觀察全自動機械手的外形結(jié)構(gòu)，了解全自動機械手的工作原理，并進行分析各運動之間的關(guān)系；了解全自動機械手的實際應(yīng)用情況，以便繪制詳細的機械臂的原理圖和裝配圖。 學(xué)習(xí)和掌握全自動機械手實現(xiàn)手術(shù)的相關(guān)方法和技術(shù)，并結(jié)合課題實際分析各種相關(guān)方法和技術(shù)的優(yōu)缺點，以便確定方案和設(shè)計內(nèi)容。 根據(jù)機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由度、信息的存儲量、計算機功能、動作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應(yīng)性。 通過到加工車間參觀學(xué)習(xí)和查看資料，通過小組討論溝通方式學(xué)習(xí)和掌握全自動機械手各部分運動與動力的傳遞，功能的實現(xiàn)，各部分的銜接以及運動范圍的控制以設(shè)計出整個機械臂的結(jié)構(gòu)。3.進度計劃進 度 安 排序號設(shè)計（論文）工作內(nèi)容時間（起止周數(shù)）1調(diào)研，資料收集及整理；4周至7周2分析全自動機械手中“臂”機構(gòu)的基本原理，基本理論及方法；全自動機械手中“臂”機構(gòu)的傳動設(shè)計及基本設(shè)計計算；7周至8 周3全自動機械手中“臂”機構(gòu)的設(shè)計、結(jié)構(gòu)圖、裝配圖設(shè)計； 8周至11 周4全自動機械手中“臂”機構(gòu)傳動分析研究；11周至12 周5分析整理, 擬寫畢業(yè)設(shè)計論文；12周至13 周6修改畢業(yè)設(shè)計論文, 準(zhǔn)備答辯, 答辯；13周至 15 周6第一章 概述 第一章 概述 1. 1機械手的發(fā)展歷史人類在改造自然的歷史進程中，隨著對材料、能源和信息這三者的認識和用，不斷創(chuàng)造各種工具（機器），滿足并推動生產(chǎn)力的發(fā)展。工業(yè)社會向信息社會發(fā)展，生產(chǎn)的自動化，應(yīng)變性要求越來越高，原有機器系統(tǒng)就顯得龐雜而不靈活，這時人們就仿造自身的集體和功能，把控制機、動力機、傳動機、工作機綜合集中成一體，創(chuàng)造了“集成化”的機器系統(tǒng)機器人。從而引起了生產(chǎn)系統(tǒng)的巨大變革，成為“人機器人勞動對象”，或者“人機器人動力機工作機勞動對象”。機器人技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，雖然只有短短三十幾年的歷史，但是它卻顯示了旺盛的生命力。近年來，世界上對于發(fā)展機器人的呼聲更是有增無減，發(fā)達國家競相爭先，發(fā)展中國家急起直追。許多先進技術(shù)國家已先后把發(fā)展機器人技術(shù)列入國家計劃，進行大力研究。我國的機器人學(xué)的研究也已經(jīng)起步，并把“機器人開發(fā)研究”和柔性制造技術(shù)系統(tǒng)和設(shè)備開發(fā)研究等與機器人技術(shù)有關(guān)的研究課題列入國家“七五”、“八五”科技發(fā)展計劃以及“八六三”高科技發(fā)展計劃。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)，并已經(jīng)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，逐漸形成一門新興的學(xué)科機械手工程。1. 2機械手的發(fā)展意義機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分地代替人工操作；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。從而大大地改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(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，受到各先進工業(yè)國家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興的學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視。機床上料機械手是典型的機電一體化設(shè)備，它可自動地為機床抓取工件，取代操作人員頻繁取料，降低勞動強度，提高工作效率。總之，機械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段，國內(nèi)外都很重視它的應(yīng)用和發(fā)展。1. 3機械手在機械制造中的應(yīng)用1. 3.1國外應(yīng)用美國制造155毫米的鋼彈體洛克福特軍械廠，從胚料加工開始到加工完畢直至彈體包裝都自動進行，不用人手去接觸，達到全自動生產(chǎn)。工業(yè)機械手還能用來代替人工進行打磨、拋光、去毛刺和清理切屑等工作。例如，瑞典一家工廠打磨和拋光不銹鋼子彎頭時，采用ASEA機械手，提高加工效率30%以上，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，不傷害工人。又如：瑞典沃爾沃（Valov）公司在機械手上裝了三個環(huán)形磨輪裝置，用來對傳動箱外表面去毛刺，比手工方法節(jié)省工時50%。 1. 3.2國內(nèi)應(yīng)用 國內(nèi)在金屬切削加工中，用機械手來完成刀具的自動更換。如北京第二機床廠，北京第八機床廠，上海第二機床廠，上海第八機床廠，寧夏大河機床廠等單位研制的自動換刀機床，均用機械手自動更換刀具。在生產(chǎn)自動線上，用機械手完成的傳遞和上下料，如：沈陽水泵廠深井泵體加工自動線，無錫柴油機廠和甘肅汽車齒輪廠的齒胚的加工自動線都采用了機械手。大連工礦車輛廠的800Kg側(cè)架的加工，采用機械手抓取、傳遞和安放并與一些機床組合成側(cè)架切削加工自動線，提高效率10倍。1. 4機械手的發(fā)展趨勢國內(nèi)應(yīng)加強機械手基礎(chǔ)性能的實驗以及基礎(chǔ)理論研究，克服和解決制造技術(shù)及其它存在的問題。提高機械手運動速度。尤其是應(yīng)用于沖壓行業(yè)中的機械手，以適應(yīng)提高生產(chǎn)率和符合生產(chǎn)節(jié)拍的需要。要研究解決機械手的運動速度和緩沖、定位技術(shù)。引進國外先進技術(shù)，培訓(xùn)專門技術(shù)人才，普及機械手有關(guān)知識。盡快解決機械手的定型設(shè)計、定點、定量生產(chǎn)以及配套件的生產(chǎn)和供應(yīng)問題，推進機械手設(shè)計制造中的現(xiàn)代化（CAD/CAM）、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化工作，以滿足國內(nèi)外市場的需求。目前工業(yè)機械手的應(yīng)用逐步擴大，技術(shù)性能不斷提高，其發(fā)展趨勢是：擴大機械手在工業(yè)上的應(yīng)用、提高工業(yè)機械手的工作性能、發(fā)展組合式機械手、研制具有“視覺”和“觸覺”的“智能機器人”。10第二章 工業(yè)機械手第二章 工業(yè)機械手2.1 工業(yè)機械手的分類目前對機械手尚無明確的分類標(biāo)準(zhǔn)，全國各她區(qū)尚未統(tǒng)一，我們按目前應(yīng)用比較多的兩個方面進行分類:（一)按所搬運的工件重量(或稱臂力)分類1.小型的臂力在1公斤以下;2.中型的-臂力在130公斤以內(nèi)、3.大型的臂力在30公斤以上。目前大多數(shù)下業(yè)機械手其搬運的重量為中型的。 (二)按機能分類1 簡易型通用機械手有固定程序和可變程序兩種。固定程序由擋塊或凸輪轉(zhuǎn)鼓控制；可變程序用插銷板來給定程序。這種機械手多為氣動或液壓驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，改變程序較容易。只適用于程序較簡單的點位控制，實現(xiàn)重復(fù)性操作作為一般單機服務(wù)的搬運工作也完全夠。目前這種機械手數(shù)量最多。 2示教再現(xiàn)通用機械手 這種機械由人工通過示教裝置領(lǐng)動一遍，或者予先操作給定一遍，稱為示教。它由磁鼓（或磁帶、磁芯)把程序記錄下來，此后機械手就自動按記憶的程序，重復(fù)地進行鵝環(huán)動作。這種機械手多為電液伺服控制。與前者比較，這種機械手可有較多的自由度，有可能實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，能進行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較大。 3，具有視覺、觸覺的通用機械手 這種機械手由電子計算機控制，裝備有電視攝像管和傳感器等，因而具有視覺、熱感.觸覺等。這種機械手我網(wǎng)日前還處于研制階段。再次按使用范圍，驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。按使用范圍分為專用機械手和通用機械手專業(yè)機械手：一般附屬于工作機器設(shè)備，動作程序固定，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨立，亦可附屬于工作機器設(shè)備。通用機械手：獨立工作的自動化機械設(shè)備。在規(guī)格性能的范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同的場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。按驅(qū)動方式分為液壓機械手，氣壓機械手，電動機械手，機械式機械手。液壓機械手：輸出力大，傳動平穩(wěn)。如采用電液伺服機構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴格，又問對油的粘度影響大。氣壓機械手：氣源方便，輸出力小，氣壓傳動速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但工作不太穩(wěn)定，沖擊大，在同樣的抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大。電動機械手直接用直線電機，功率步進電機和具有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機等來驅(qū)動，動力源簡單，不需要能量裝換機構(gòu)，維護使用方便。目前這種工業(yè)機械手尚在發(fā)展之中。機械式機械手：由工作機構(gòu)帶動機械手運動，工作可靠，動作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但動作固定不可變。按控制系統(tǒng)可分為點位控制和連續(xù)控制點位控制：只能控制工業(yè)機械手運動的幾個點的位置，運動軌跡不受控制。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。連續(xù)控制：工業(yè)機械手按給定的速度沿給定的線路（軌跡）實現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確的運動。特點是設(shè)定點時無限的，整個運動過程都要求處在控制之下。這來工業(yè)機械手一般采用小型計算機控制。 機械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機械手的性能，是機械手的關(guān)鍵部件之一。2.2工業(yè)機械手的驅(qū)動方式 工業(yè)機械手的驅(qū)動方法，按驅(qū)動源分為氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電力驅(qū)動和機械驅(qū)功四種。2.2.1氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動是一種簡單、可靠.經(jīng)濟的驅(qū)動方式，是以壓縮空氣為動力沉來驅(qū)動機械手的執(zhí)行機構(gòu)，在機械加工行業(yè)中的機械手普遍采用氣壓驅(qū)動，用來完成零件的傳送工作。(一)氣壓驅(qū)動的特點氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是;容易獲得快速運動，機械手可引用一般工廠都有的壓縮空氣源，因此結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，空氣不象油那樣怕熱和易燃;維修方使，特別是和射流控制很容易結(jié)臺起來使用。其缺點是:氣限低，出力小，執(zhí)行機構(gòu)體積人;壓縮性大，阻尼緩沖效果差，較難實現(xiàn)中間位置的停止，若要求較高的定位精度，必須增設(shè)較復(fù)雜的緩沖、定位機構(gòu)。(二)氣動元件簡介氣動元件種類很多，應(yīng)用范圈也各不相同。目前所謂氣動元件，是指氣壓傳動中應(yīng)用的各種控制閥和執(zhí)行元件。一般不包括空氣壓縮機。 1.氣源三大件分水濾氣器:功用是清除空氣中的水、油及灰塵;調(diào)壓閥、亦稱減壓閥，能將管道中的空氣壓力保持在某一定數(shù)值:油霧器:為保證氣動裝置可靠地工作，用壓縮空氣將油液噴成霧狀，隨空氣一起流入氣動裝置，進行潤滑。2.空氣控制閥這是氣動元件中主要的一大類，其功用是控制空氣的壓力、流量及流動方向，保證氣動系統(tǒng)按規(guī)定的程序、速度進行工作。主要分為:（1）壓力控制閥:包括壓力順序閥、卸荷閥等。（2）流且控制閥:包括節(jié)流閥、單向節(jié)流閥等。（3）方向控制閥。包括電磁換向閥、氣動換向閥,電磁氣閥、單向閥、梭閥、延時閥.脈沖閥等。（4）其他閥:包括各種手動閥、腳踏操作閥、氣動開關(guān)、按鈕、行程閥、轉(zhuǎn)閥等。3.氣缸作為氣動執(zhí)行元件，是一種重要的元件，一般分為單作用氣缸和雙作用氣缸兩種。其結(jié)構(gòu)形式很多，可完成往復(fù)直線運動和擺動。4 氣動馬達 是實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行元件。5氣動邏輯元件這是近年來新發(fā)展的一種氣動元件，帶有可動部件，其作用類似繼電器，可實現(xiàn)各種邏輯功能，直接對氣動裝置進行控制。其結(jié)構(gòu)類似小型閥門。6.管路附件包括各種管接頭、消聲器、壓力繼電器、安個閥.壓力表等。另外，還有一些氣液裝置，如氣一液泵、氣一液缸、氣一液增壓裝置等，一般也屬于氣動元件的范圍。2.2.2液壓驅(qū)動在機械手中液壓驅(qū)動是用的最多的方式。利用油缸、油馬達和齒條齒輪實現(xiàn)直線運動，利用回轉(zhuǎn)油缸、油馬達與齒輪齒條或鏈輪鏈條實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。 (一)液壓驅(qū)動的特點 1.液壓驅(qū)動的優(yōu)點 (1)壓力高，油壓可達10- I40公斤/厘米的壓力?？梢垣@得較大的操作力。（2)液體的壓縮比較小，可以認為沒有壓縮性，因此控制系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，動作平穩(wěn)，快速反應(yīng)性好。 (3)壓力、流量容易調(diào)節(jié)，控制性能好，可以實現(xiàn)中間位置的停止，定位精度高。（4)液壓操縱裝置形體小而且牢固，可耐振動和沖擊。（5）可無級變速（6）液壓油有良好的潤滑性2 液壓驅(qū)動的特點（1）需單獨配備液壓源（2）管線系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高（3）液壓系統(tǒng)的泄露會嚴重影響其使用性能（4）油的粘度對溫度的變化敏感3液壓系統(tǒng)的組成 1動力元件-油泵 2執(zhí)行元件-油缸，油馬達 3控制元件 各種控制閥等 4輔助元件-如郵箱，濾油器，油管和管接頭等2.3 工業(yè)機械手的設(shè)計方法機械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機械手的性能，是機械手的關(guān)鍵部件之一。2.3.1手部的設(shè)計手部的設(shè)計要求：1.手部應(yīng)有足夠的夾緊力，除工件的重力外，還要能不使工件在傳送過程中松動或脫落;2.夾持范國要與工件相適應(yīng)。手爪的張開角度（手爪張開或閉合時兩個極限位置所擺動的角度 )應(yīng)能適應(yīng)夾緊較大的直徑范圍 ;3.夾持精度要高。既耍求工件在手爪內(nèi)定位準(zhǔn)確，又不夾壞工件表而。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu):如元住形工件應(yīng)采用帶V形槽的手爪來定位，對于工件表面光潔度較高的，應(yīng)在手爪上鑲銅、夾布膠木或其他軟質(zhì)墊片等;4.夾持動作要迅速、靈活;5.手部結(jié)構(gòu)要簡單緊湊，剛性好、自重輕、易磨損處應(yīng)便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。手部結(jié)構(gòu)手爪的類型大致分為下列三種:1.夾持式手爪，根據(jù)手爪的動作可分為回轉(zhuǎn)型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指和多指式;根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內(nèi)脹式兩種。2.吸附式手爪。分為真空吸盤式和電磁吸盤式兩種。真空吸盤式又分為真空泵式和氣流負壓式。3帶觸覺或視覺的手爪The first chapter overview1. 1 the development history of the manipulatorIn transforming the nature of human history, along with to the material, energy and information of all three know and use, constantly creates all kinds of tools (machine), meet and promote the development of productivity.Industrial society to the information society development, the production of automation, should be modified demand is higher and higher, the original machine system is not flexible, then confused people copy their collective and functions, to control machine, power machine and the motivation, work machine into a whole, comprehensive focus created integrated machine system-a robot. Which caused production systems huge transformation, become people-the robot-labor object, or people-the robot-work machine-power-labor object.Robot technology from birth to now, although only just 30 years of history, but it does show the vigorous vitality. In recent years, the world development calls for robot is unabated, developed countries, developing countries are scrambling JiQiZhiZhui. Many countries already has the advanced technology development in national plan, robot technology vigorous research. Chinas robotics research also has started and the development research and robot flexible production technology and equipment system development and robotics research topics listed in the national July 5, science and technology development plan and 863 high-tech development plan.Industrial manipulator is modern automatic control field appeared in a new technology, and has become the modern machinery manufacturing production system of an important component. This new technology develops very quickly, gradually formed a new discipline-manipulator engineering.1. 2 of the manipulator development significanceThe rapid development of the manipulator is because of its positive role is increasingly been recognized: firstly, it can partly replace artificial operation; Secondly, it can in accordance with the requirements of the production process, follow a certain procedure, time and location to complete the transfer and loading and unloading; Thirdly, it can operate the necessary tools to carry out welding and assembly. Thus greatly improve the labor conditions, significantly improve labor productivity and the realization of the industrial production mechanization and automation pace. Therefore, by the advanced industrial countries, pay attention to invest a lot of manpower material resources to research and application.In recent years with the development of industrial automation manipulator gradually become a new discipline, and the rapid development. Manipulator is widely used in forging press, stamping, forging, welding, assembling, and machining, paint, heat treatment, and other industries. Especially in heavy, high temperature, toxic and dangerous, radioactive, many dust etc of bad labor environment, due to its advantages of significant manipulator by special attention.Machine feeding manipulator is typical of electromechanical equipment, it can automatically grab for machine tools, to replace the operators frequently take material, the reduction of labor intensity, improve work efficiency.In short, manipulator is to improve labor productivity, improve working conditions, and to reduce the labor intensity and realize industrial production automation one of the important means for both at home and abroad, have paid great attention to the development and application of it.1. 3 The three robots machinery manufacturing application1. 3.1 foreign applicationsThe United States manufacturing 155 mm steel projectile Locke wrought-iron ford, from embryos materials processing start to processing finished until the body is automatic packaging, need not hand to contact, achieve automatic production.Industrial robot can also be used to replace artificial for grinding, polishing, deburring and clean up scraps, etc. For example, a Swedish factory grinding and polishing stainless steel, the elbow son manipulator, the improvement of the machining efficiency ASEA 30% above, and the product quality is stable, does not damage the workers. And as: Sweden (Valov Volvo) in manipulator mounted three circular grinding device used to on the transmission box outside surface deburring, than manual method saves hours 50%.1. 3.2 domestic applicationIn domestic metal cutting, with the robotic arm to complete the change automatic cutting tools. Such as Beijing second machine tool plant, Beijing, Shanghai second machine tool plant 8 machine tool plant, Shanghai machine tool plant in ningxia, the eighth unit such as machine tool plant developed automatically change the knife machine tool, all use manipulator change automatic cutting tools. In the production automatic line, with the transfer and complete manipulator unloading material, such as: shenyang pump factory deep well pumps body processing automatic line, wuxi diesel factory in gansu province and the companys tooth of embryo transfer machine processing using manipulator. Dalian CheLiangChang mining of 800 Kg side frame of processing, using manipulator grab, transfer and placed with some combination machine tools and into the side frame cutting processing automatic line, improve efficiency 10 times.1. 4 And the development trend of the manipulatorChina should strengthen the basic properties of the manipulator experiment and basic theory research, overcome and solve manufacturing technology and other problems. Improve the manipulator speed. Especially used in stamping industry, in order to adapt to the manipulator to improve productivity and meet the needs of the production of the beat. To study and solve the rate of movement of the manipulator and buffer, positioning technology. The introduction of foreign advanced technology, training specialized technical personnel, popularize knowledge about manipulator. As soon as possible to solve the manipulator modular design and the designated, quantitative production, and the production and supply of parts, to push forward modernization in the design and manufacture of manipulator (CAD/CAM), standardization and serialization work, at home and abroad to meet the demand of the market. At present the application of industrial robots gradually expand, technical performance, improve its development trend is: expanding the industrial application of manipulator, improve industrial manipulator work performance, development, research and develop a combined manipulator vision and touch intelligent robot.The second chapter industrial robots2.1 the classification of industrial robotAt present there is no explicit manipulator classification standards, all the country she area, we have not agreed on at present application more of the two aspects of classification:(a) to carry the weight of (or throwing arm) classification says1. Small-arm strength in 1 kg the following;2. Medium-arm strength in 1 30 kilograms, within3. Large-in more than 30 kilograms arm strength.Most current under the weight of the manipulator handling industry for medium.(2) according to the function classification1 simple type general manipulatorA fixed and variable program two kind of program. Fixed procedure block piece or by CAM drum control; Variable program with latch plate to the given program. This manipulator for pneumatic or hydraulic drive more, simple structure, low cost, the change process easier. Only applies to the program is simple, repetitive operation position control to realize as a general movement also single service is well. Currently the largest number manipulator.2 and teach reproduce general manipulatorThis machine by artificial through the demonstration device brought move again, or to operate a given first again, called the demonstration. It consists of a drum (or tape, magnetic cores) program down, then automatically according to the memory of the manipulator program, to repeat goose annulus movement. This manipulator electro-hydraulic servo control for more. Compared with the former, this manipulator can have more freedom, may achieve continuous track control, able to program more complex operation, general larger.Three, has the sense of touch, general manipulatorThe electronic computer control, by manipulator equipped with television camera tube and sensor etc, thus has the visual, burns. Touch, etc. This manipulator I nets prior to in the development stage.Again, driving way to the using range and control system of classification.According to use scope is divided into special manipulator and general manipulatorProfessional manipulator: generally attached to the machine equipment, action program fixed, driving system and control system can be independent, and may also be attached to the machine equipment.General: independent work the automation of the manipulator mechanical equipment. At the specifications, within the scope of the performance of the program is variable, and action by adjustment can be used in different occasions, driving system and control system is independent.According to the driving way into hydraulic pressure manipulator, manipulator, electric manipulator, mechanical manipulator.Hydraulic manipulator: output force large and stable transmission. If use electro-hydraulic servo mechanism that can be realized for the track control. Hydraulic system strictly, and ask the sealing requirements on oil viscosity influence.Air pressure manipulator: convenient, output force air small, pneumatic transmission speed, simple structure, low cost. But the work is not so stable, impact, in the same catch heavy conditions than hydraulic structure of the manipulator it.Electric manipulator direct linear motor, with power stepping motor and with special structure of the induction motor drive, such as power supply is simple, do not need energy outfit in institutions, maintenance is convenient to use. The current industrial robots is still in the developing.Mechanical robot drives the manipulator by a working, reliable, action sports high frequency, simple structure, low cost. But action not variable fixed.According to the control system can be divided into position control and continuous controlPosition control: can only control industrial robots sport at the point of a few trajectory, had no control. Current use of special and general industrial robots all belong to such.Continuous control: according to the given velocity industrial robots along a given line (track) to realize smooth accurate movement. Characteristic is set point of infinite, the whole movement when all requirements in the process under control. This to industrial robots generally USES the small computer control.The manipulator hand is used to grab and hold the hand, it includes claws and clamping device two parts. Clamping workpiece quickly, flexible, and the accurate and reliable degree, directly affects the performance of the manipulator, is one of the key components of manipulator.2.2 industrial robots drive modeIndustrial robots driver technique in pneumatic driving, driving the source into hydraulic drive, electric drive and mechanical drive power four.2.2.1Section 2.3.1 for ammeters pneumatic drivePneumatic drive is a simple, reliable. Economic drive mode, is the compressed air is the power to drive the sink of the manipulator actuators, mechanical processing industry in the widespread use of the manipulator pneumatic driving, to complete the transmitting parts.(a) the characteristics of the pneumatic driveThe advantages of the pneumatic drive is; Easy to achieve a rapid movement, manipulator can be cited general factory are some compressed air source, so simple structure, low cost, and the air is not like oil that fear of heat and flammable; Maintenance party make, especially and jet control is easy to sets up use. Its defect is: gas, the output, low limit small volume actuators; Large compressibility, damping buffer effect is poor, difficult to carry out the middle of stop, if demand higher precision, must add more complex buffer, positioning.(2) pneumatic components profilePneumatic components is a lot of more phyletic, the application of the fan circle are also different. At present, it is to point to the so-called pneumatic components of the application of all kinds of pneumatic transmission control valves and execution element. Generally does not include air compressor.1. 3 big sourceWater filter the function is clear: the gas in the air and water, oil, and dust;Governing valve, also say the pressure reducing valve, can will air in the pipeline pressure kept in a certain numerical:Oil sprayer: to ensure reliable work, pneumatic device with compressed air will spray mist shape into oil, together with the air flow into pneumatic device for lubricant.2. This is air control valves pneumatic components main a major categories, its function is to control the air pressure, flow and flow direction, ensure pneumatic system according to the stipulated procedures, speed.Mainly divided into:(1) pressure control valves: including pressure order valve, unloading valve, etc.(2) flow and control valves: including the throttle valve, one-way throttle valve, etc.(3) the direction control valves. Including electromagnetic reversing valves, pneumatic reversing valves, electromagnetic valve, check valve, spindle, YanShiFa. Pulse valve, etc.(4) other valve: including all kinds of manual valve operation, foot valve, pneumatic switch, button, trip turn valve, valve, etc.3. Cylinder as pneumatic actuators, is a kind of important components are generally divided into the single-acting cylinder and the cylinder dual action of two. The structural forms a lot, can complete reciprocating linear motion and swinging.4 pneumatic motor rotation movement is to realize the actuators.5 pneumatic logic element is this new development in recent years of a pneumatic components, with the moving parts, the role similar, and it can realize relay all kinds of logic function of pneumatic device, direct control. Its structure similar to small valve.6. Pipeline fittings including all kinds of tube fittings, muffler, pressure relay, Ann a valve. Pressure gauge, etc.In addition, there is some gas to liquid device, such as a gas pump, a liquid cylinder, gas gas a liquid pressurization device etc, general also belongs to the scope of the pneumatic components.2.2.2 hydraulic driveIn mechanical hand hydraulic drive is use most of the way. Use oil cylinder, motor oil rack and realize, linear motion by rotary oil cylinder, motor and oil super-modulus gear or chain sprocket realize sport. Turn(a) the characteristics of the hydraulic