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編號
無錫太湖學院
畢業(yè)設(shè)計（論文）
相關(guān)資料
題目： 數(shù)控車床上下工件機械手
信機 系 機械工程及自動化專業(yè)
學 號： 0923077
學生姓名： 劉忠和
指導教師： 馮鮮 （職稱：講 師 ）
（職稱： ）
2013年5月25日
目 錄
一、畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
二、畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯及原文
三、學生“畢業(yè)論文（論文）計劃、進度、檢查及落實表”
四、實習鑒定表
無錫太湖學院
畢業(yè)設(shè)計（論文）
開題報告
題目： 數(shù)控車床上下工件機械手
信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
學 號： 0923077
學生姓名： 劉忠和
指導教師： 馮鮮 （職稱：講 師）
（職稱： ）
2012年11月26日
課題來源
由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學技術(shù)的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進設(shè)備生產(chǎn)自動化機械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強度、危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更為普遍。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，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。但目前我國的工業(yè)機械手技術(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)直接影響到我國機械行業(yè)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)計具具有重要意義。
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上下工件工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機械手主要與數(shù)控機床組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程的自動化和無人化。
科學依據(jù)（包括課題的科學意義；國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢；應(yīng)用前景等）
科學意義：隨著機器人學科的發(fā)展，機器人在某些方面可以代替人的工作，特別是一些高強度的工作，甚至還具備了一定的學習功能。數(shù)控車床與機械手的結(jié)合是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的一個選擇，它是實現(xiàn)一個人操作多臺車床，實現(xiàn)生產(chǎn)效率進一步提高的有效途徑。
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%。
國內(nèi)運用：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。
應(yīng)用前景：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）、標準化、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”。
研究內(nèi)容
1、總體方案的確定。主要確定機械結(jié)構(gòu)部分和控制部分。
2、機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括手部模塊、腕部模塊、直臂模塊、橫臂模塊和支架模塊的設(shè)計。 并繪制整體裝配圖。
3、重要部件的設(shè)計，包括直臂導桿氣缸的設(shè)計，多工位動態(tài)精度的實現(xiàn)，防傾覆裝置的設(shè)計等。并繪制導桿氣缸的裝配圖。
4、控制部分的初步設(shè)計
。
5、設(shè)計說明書一份。
6、所有非標零件需畫出零件圖。
擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析
（1）研究方法
通過互聯(lián)網(wǎng)圖書館等資糧來源，查閱有關(guān)工業(yè)機械手的學術(shù)論文、報告的資料文獻，了解國內(nèi)外工業(yè)機械手的新動向和發(fā)展水平，更加深入的了解機械手的原理，擴展思維。
（2）技術(shù)路線
用低成本、高速的氣缸來組成模塊化的氣動機械手，實現(xiàn)數(shù)控車床工件自動裝卸，克服伺服電機應(yīng)用中存在的高成本和低效率的局限。
（3）可行性分析
1、具備的條件具備的條件具備的條件具備的條件
（1）技術(shù)基礎(chǔ)：現(xiàn)在已有在鍛造流水線上，零件裝卸的專用機械手，可以用來借鑒和參考，提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。
（2）設(shè)備基礎(chǔ)：通過到相關(guān)企業(yè)實習，參觀，了解相關(guān)機械手設(shè)備的具體情況，這提供了一定的設(shè)備基礎(chǔ)。
2、待解決的問題待解決的問題待解決的問題待解決的問題
主要存在的問題：（1）機械手本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與機械手靈活性的矛盾；
（2）機械手裝卸加持零件準確性的問題；
（3）機械手控制部分，使其操作靈活性的問題；
（4）機械手裝卸零件效率的問題；
研究計劃及預(yù)期成果
研究計劃：
2012年11月12日——11月20日 確定選題、收集相關(guān)資料
2012年11月21日——12月25日 撰寫開題報告與設(shè)計方案
2012年12月30日——2013年2月15日 收集資料，開展研究，形成寫作提綱
2013年2月16日——3月30日 深入研究，形成論文初稿及CAD圖
2013年4月1日——6月15日 論文修改、定稿、打印、答辯
預(yù)期結(jié)果：
通過這次畢業(yè)設(shè)計，能完成一種裝料與卸料機械手設(shè)計，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工裝料，卸料，降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率。得到以下具體預(yù)期成果：
（1）機械手機構(gòu)設(shè)計簡單，操作簡便；
（2）采用單片機自動控制機械手，提高自動化水平；
（3）詳細設(shè)計計算說明書一份；
（4）用AUTOCAD繪制出各零部件裝配圖和零件。
特色或創(chuàng)新之處
使用氣體驅(qū)動，避免了采用伺服電機驅(qū)動和控制其成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度慢、工作效率較低和采用液壓驅(qū)動，其泄漏對數(shù)控要求的清潔環(huán)境造成一定的副面影響的問題，其成本底，結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，清潔，再加上PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)機電氣一體化控制。
已具備的條件和尚需解決的問題
① 實驗方案思路已經(jīng)非常明確，已經(jīng)具備使用AUTOCAD畫圖的能力和圖像處理方面的知識。
② 使用AUTOCAD畫圖的能力尚需加強。
指導教師意見
指導教師簽名：
年 月 日
教研室（學科組、研究所）意見
教研室主任簽名：
年 月 日
系意見
主管領(lǐng)導簽名：
年 月 日
摘 要
本設(shè)計是數(shù)控車床上下工件機械手的設(shè)計，包括總體方案的確定，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及重要部件的設(shè)計。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和競爭的加劇，對加工效率提出了新的要求，數(shù)控車床工件裝卸自動化就成為當前制造廠家對機床的重要需求之一。為了滿足用戶的需求，當前中國的機床制造廠開始在部分數(shù)控車床上配置工件自動上下料機械手。但如果采用伺服電機驅(qū)動和控制其成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度慢、工作效率較低；如果采用液壓驅(qū)動，其泄漏對數(shù)控要求的清潔環(huán)境造成一定的副面影響。隨著氣動技術(shù)的不斷發(fā)展，氣體驅(qū)動也能成為機械手的驅(qū)動力量，其成本底，結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，清潔，再加上PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)機電氣一體化控制。
本設(shè)計主要設(shè)計用低成本、高速的氣缸來組成模塊化的氣動機械手，實現(xiàn)數(shù)控車床工件自動裝卸，克服伺服電機應(yīng)用中存在的高成本和低效率的局限。論文完成的主要設(shè)計工作包括以下幾個方面:(1)設(shè)計了模塊化氣動裝卸機械手的總體結(jié)構(gòu);(2)研究了大跨度氣缸的固定支撐形式;(3)研究了水平運動氣缸的防側(cè)翻技術(shù);(4)研究并實現(xiàn)了氣缸輸出桿高精度柔性調(diào)節(jié)技術(shù)(5)初步設(shè)計了氣動控制回路和PLC控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：機械手；自動化；上下料；氣體驅(qū)動
I
Abstract
This design is the numerical control lathe workpiece manipulator design, including the determination of overall scheme, design of mechanical structure design and important parts. Along with the development of modern industry and the competition put forward new requirements to processing efficiency, numerical control lathe workpiece loading and unloading automation becomes the current manufacturer's one of the important requirements for machine tools. In order to meet the needs of users, the current China's machine tool manufacturers began on the part of numerical control lathe automatic up-down material manipulator configuration artifacts.But, if the servo motor drive and control its high cost, complex structure, slow speed, the efficiency is low; If adopts hydraulic drive, the leak on the CNC requirements of clean environment certain side effects.With the continuous development of pneumatic technology, gas drive also can become a driving force of the manipulator, end of the cost, simple structure, high efficiency, clean, coupled with the PLC control system to realize integration of mechanical and electrical gas control.
This design is mainly design with low cost, high speed of the cylinder to form a modular pneumatic manipulator, and implement numerical control lathe automatic loading and unloading of workpiece, overcome existing in the application of servo motor limitations of high cost and low efficiency. The thesis completed the main design work includes the following several aspects: (1) the overall structure of the design of modular pneumatic loading and unloading manipulator; (2) study the long-span cylinder fixed support form; (3) studies the technique of side flip horizontal motion cylinder; (4) the research output and implements the cylinder rod (5) high precision flexible adjustment technology pneumatic control loop and PLC control system is designed.
Key words:manipulator;automation;up-down material ;gas drive
目錄
摘 要 IV
Abstract V
目 錄................................................................................................................................................................ VI
1 緒論 1
1.1 前言和意義 1
1.2 工業(yè)機械手的簡史 1
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)象和趨勢 2
1.4 設(shè)計原則 3
2 數(shù)控車床上下工件機械手的總體設(shè)計 4
2.1 技術(shù)要求 4
2.2 機械手總體設(shè)計 4
2.2.1 執(zhí)行機構(gòu)的選擇 4
2.2.2 驅(qū)動機構(gòu)的選擇 5
2.2.3 傳動結(jié)構(gòu)的選擇 5
2.2.4 機械手的基本形式選擇 7
2.2.5 機械手直臂部分的主要部件及運動 8
2.2.6 機械手的技術(shù)參數(shù) 8
3 各模塊的設(shè)計 10
3.1 機械手手部模塊的設(shè)計 10
3.1.1 手部設(shè)計基本要求 10
3.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu) 10
3.1.3 機械手手爪的設(shè)計計算 10
3.2 機械手腕部模塊的設(shè)計 14
3.2.1 腕部設(shè)計的基本要求 14
3.2.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 14
3.2.3 腕部的設(shè)計計算 15
3.3 機械手手臂模塊的設(shè)計 16
3.3.1 手臂的結(jié)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動機構(gòu) 16
3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計 16
3.3.3 錐齒輪及錐齒輪軸的設(shè)計 18
3.3.5 電機選型 21
4 直臂導桿氣缸的設(shè)計 22
4.1 氣缸體的設(shè)計 22
4.1.1 預(yù)選氣缸的缸徑 22
4.1.2 預(yù)選氣缸的行程 22
4.1.3 氣缸的類型選擇 23
4.1.4 活塞桿直徑d的計算 23
4.1.5 氣缸筒壁厚的計算 23
4.1.6 氣缸輸出拉力的校核 24
4.1.7 耗氣量的計算 24
4.2導桿機構(gòu)的設(shè)計 25
6 結(jié)論與展望 27
致謝 28
參考文獻 29
III
數(shù)控車床上下工件機械手
1 緒論
1.1 前言和意義
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。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。機械手越來越廣泛的得到了應(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。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。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。
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。通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的上下料機械手的設(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)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，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。
本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）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。
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，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(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)。
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(yīng)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(yīng)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(yù)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(wù)。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(yīng)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。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)象和趨勢
目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：
（1）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。
（2）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、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。
（3）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(yīng)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)來進行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)。
（5）關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；
（6）焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。
總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。
1.4 設(shè)計原則
在設(shè)計之前，必須要有一個指導原則。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，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，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標準化、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，將大學期間所學的知識，如機械設(shè)計、機械原理、液壓、氣動、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（PLC）、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，實事求是的做好本次設(shè)計。
3
存檔編碼： 無錫太湖學院 2013 屆畢業(yè)作業(yè)周次進度計劃、檢查落實表 系別：信機系 班級：機械92 學生姓名：劉忠和 課題（設(shè)計）名稱：數(shù)控車床上下工件機械手 開始日期：2012年11月12日 周 次 起止日期 工作計劃、進度 每周主要完成內(nèi)容 存在問題、改進方法 指導教師意見并簽字 備 注 1-3 2012年11月12日-12月02日 教師下達畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，學生初步閱讀資料，完成畢業(yè)設(shè)計開題報告 按照任務(wù)書要求查閱論文相關(guān)參考資料，填寫畢業(yè)設(shè)計開題報告書 通過跟導師的交流和溝通，增加了對課題的了解 4-10 2012年12月03日-01月20日 指導專業(yè)實訓 網(wǎng)上搜索機械手的資料 通過網(wǎng)上搜索來了解機械手的結(jié)構(gòu) 11-122013年01月21日-03月01日 指導畢業(yè)實習 熟悉現(xiàn)有機械手的具體結(jié)構(gòu)，為畢業(yè)設(shè)計做好前期工作 需要反復(fù)查閱資料，工作量大，可以克服 13 2013年03月04日-03月10日 熟悉機械手的結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù) 根據(jù)現(xiàn)有資料，熟悉整個機械手的結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)，為下面的工作做充分準備 支架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計參數(shù)多，需要耐心研究 14 2013年03月11日-03月17日 收集氣動相關(guān)資料 根據(jù)氣動裝需要，確定氣缸類型 查閱氣缸資料，研究其特性 15 2013年03月18日-03月24日 繪制草圖 根據(jù)所夾工件的結(jié)構(gòu)特點和相關(guān)參數(shù)，完成相貫線切割機總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計草圖 繪制草圖時要綜合考慮多方面因素 16 2013年03月25日-03月31日 繪制草圖 根據(jù)所夾工件的結(jié)構(gòu)特點和相關(guān)參數(shù)，完成相貫線切割機總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計草圖 繪制草圖時要綜合考慮多方面因素 17 2013年04月01日-04月07日 具體設(shè)計 根據(jù)設(shè)計參數(shù)要求，完成相關(guān)計算（主要 包括氣缸的選型和校驗、電機的選型和齒 輪的計算等等） 這一階段需要計算的量較大，工作繁重； 具體選型方面，需查閱各方面資料，任務(wù)重 18 2013年04月08日-04月14日 具體設(shè)計 根據(jù)設(shè)計參數(shù)要求，完成相關(guān)計算（主要 包括氣缸的選型和校驗、電機的選型和齒 輪的計算等等） 這一階段需要計算的量較大，工作繁重； 具體選型方面，需查閱各方面資料，任務(wù)重 周 次 起止日期 工作計劃、進度 每周主要完成內(nèi)容 存在問題、改進方法 指導教師意見并簽字 備 注 19 2013年04月15日-04月21日 裝配圖的繪制 繼續(xù)上一階段工作，并根據(jù)計算結(jié)果確定機械手的結(jié)構(gòu)尺寸，完成部分總裝圖 這一段時期的任務(wù)比較煩重，是整個設(shè)計的重中之重，需要格外細心 20 2013年04月22日-4月28日 裝配圖的繪制 繼續(xù)上一階段工作，并根據(jù)計算結(jié)果確定機械手的結(jié)構(gòu)尺寸，完成部分總裝圖 這一段時期的任務(wù)比較煩重，是整個設(shè)計的重中之重，需要格外細心 21 2013年04月29日-05月05日 零件圖的繪制 完成裝配圖和重要零部件的部件圖或零件圖 繪制總裝圖及零件圖，需要有足夠的耐心 22 2013年05月06日-05月12日 零件圖的繪制 完成裝配圖和重要零部件的部件圖或零件圖 繪制總裝圖及零件圖，需要有足夠的耐心 23 2013年05月13日-05月19日 整理說明書 整理設(shè)計說明書 反復(fù)檢查以前工作中的紕漏，并做修改 24 2013年05月20日-05月25日 整理資料，準備答辯 整理相關(guān)資料，完成設(shè)計說明書，準備答辯 針對答辯充分準備 說明： 1、“工作計劃、進度”、“指導教師意見并簽字”由指導教師填寫，“每周主要完成內(nèi)容”，“存在問題、改進方法”由學生填寫。 2、本表由各系妥善歸檔，保存?zhèn)洳椤?
編號
無錫太湖學院
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目： 數(shù)控車床上下工件機械手
信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
學 號： 0923077
學生姓名： 劉忠和
指導教師： 馮鮮 （職稱：講 師 ）
（職稱： ）
2013年5月 25日
無錫太湖學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 數(shù)控車床上下工件機械手 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機械92
學 號： 0923077
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學院
信 機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計論 文 任 務(wù) 書
一、 題目及專題：
1、題目 數(shù)控車床上下工件機械手
２、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
數(shù)控車床要實現(xiàn)自動化，可設(shè)計專門的上下料裝置，但是要實現(xiàn)上下料的柔性化，機械手就是其最好的組合。隨著機器人學科的發(fā)展，機器人在某些方面可以代替人的工作，特別是一些高強度的工作，甚至還具備了一定的學習功能。數(shù)控車床與機械手的結(jié)合是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的一個選擇，它是實現(xiàn)一個人操作多臺車床，實現(xiàn)生產(chǎn)效率進一步提高的有效途徑。
3、 本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到的要求：
原始參數(shù)：
1）抓重:600g (夾持式手部) 2）自由度數(shù):4個自由度
3）坐標型式:直角坐標型 4）橫臂手臂長度:2180mm
5）手臂最大高度:2769.5mm
6）手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍: 0-180°
7）手臂運動參數(shù) 升降行程：920mm
設(shè)計要求：
1、總體方案的確定。主要確定機械結(jié)構(gòu)部分和控制部分。
2、機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括手部模塊、腕部模塊、直臂模塊的設(shè)計。 并繪制整體裝配圖。
3、重要部件的設(shè)計，包括直臂導桿氣缸的設(shè)計，多工位動態(tài)精度的實現(xiàn)，防傾覆裝置的設(shè)計等。并繪制導桿氣缸的裝配圖。
4、控制部分的初步設(shè)計。
5、設(shè)計說明書一份。
6、所有非標零件需畫出零件圖。
注：所有圖紙需計算機打印
四、接受任務(wù)學生：
機械 92 班 姓名 劉忠和
五、開始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計（論文）指導（或顧問）：
指導教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
I
〔學科組組長〕 簽名
系主任 簽名
2012年 11 月 12 日
III
摘 要
本設(shè)計是數(shù)控車床上下工件機械手的設(shè)計，包括總體方案的確定，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及重要部件的設(shè)計。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和競爭的加劇，對加工效率提出了新的要求，數(shù)控車床工件裝卸自動化就成為當前制造廠家對機床的重要需求之一。為了滿足用戶的需求，當前中國的機床制造廠開始在部分數(shù)控車床上配置工件自動上下料機械手。但如果采用伺服電機驅(qū)動和控制其成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度慢、工作效率較低；如果采用液壓驅(qū)動，其泄漏對數(shù)控要求的清潔環(huán)境造成一定的副面影響。隨著氣動技術(shù)的不斷發(fā)展，氣體驅(qū)動也能成為機械手的驅(qū)動力量，其成本底，結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，清潔，再加上PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)機電氣一體化控制。
本設(shè)計主要設(shè)計用低成本、高速的氣缸來組成模塊化的氣動機械手，實現(xiàn)數(shù)控車床工件自動裝卸，克服伺服電機應(yīng)用中存在的高成本和低效率的局限。論文完成的主要設(shè)計工作包括以下幾個方面:(1)設(shè)計了模塊化氣動裝卸機械手的總體結(jié)構(gòu);(2)研究了大跨度氣缸的固定支撐形式;(3)研究了水平運動氣缸的防側(cè)翻技術(shù);(4)研究并實現(xiàn)了氣缸輸出桿高精度柔性調(diào)節(jié)技術(shù)(5)初步設(shè)計了氣動控制回路和PLC控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：機械手；自動化；上下料；氣體驅(qū)動
III
Abstract
This design is the numerical control lathe workpiece manipulator design, including the determination of overall scheme, design of mechanical structure design and important parts. Along with the development of modern industry and the competition put forward new requirements to processing efficiency, numerical control lathe workpiece loading and unloading automation becomes the current manufacturer's one of the important requirements for machine tools. In order to meet the needs of users, the current China's machine tool manufacturers began on the part of numerical control lathe automatic up-down material manipulator configuration artifacts.But, if the servo motor drive and control its high cost, complex structure, slow speed, the efficiency is low; If adopts hydraulic drive, the leak on the CNC requirements of clean environment certain side effects.With the continuous development of pneumatic technology, gas drive also can become a driving force of the manipulator, end of the cost, simple structure, high efficiency, clean, coupled with the PLC control system to realize integration of mechanical and electrical gas control.
This design is mainly design with low cost, high speed of the cylinder to form a modular pneumatic manipulator, and implement numerical control lathe automatic loading and unloading of workpiece, overcome existing in the application of servo motor limitations of high cost and low efficiency. The thesis completed the main design work includes the following several aspects: (1) the overall structure of the design of modular pneumatic loading and unloading manipulator; (2) study the long-span cylinder fixed support form; (3) studies the technique of side flip horizontal motion cylinder; (4) the research output and implements the cylinder rod (5) high precision flexible adjustment technology pneumatic control loop and PLC control system is designed.
Key words:manipulator;automation;up-down material ;gas drive
目錄
摘 要 IV
Abstract V
目 錄................................................................................................................................................................ VI
1 緒論 1
1.1 前言和意義 1
1.2 工業(yè)機械手的簡史 1
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)象和趨勢 2
1.4 設(shè)計原則 3
2 數(shù)控車床上下工件機械手的總體設(shè)計 4
2.1 技術(shù)要求 4
2.2 機械手總體設(shè)計 4
2.2.1 執(zhí)行機構(gòu)的選擇 4
2.2.2 驅(qū)動機構(gòu)的選擇 5
2.2.3 傳動結(jié)構(gòu)的選擇 5
2.2.4 機械手的基本形式選擇 7
2.2.5 機械手直臂部分的主要部件及運動 8
2.2.6 機械手的技術(shù)參數(shù) 8
3 各模塊的設(shè)計 10
3.1 機械手手部模塊的設(shè)計 10
3.1.1 手部設(shè)計基本要求 10
3.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu) 10
3.1.3 機械手手爪的設(shè)計計算 10
3.2 機械手腕部模塊的設(shè)計 14
3.2.1 腕部設(shè)計的基本要求 14
3.2.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 14
3.2.3 腕部的設(shè)計計算 15
3.3 機械手手臂模塊的設(shè)計 16
3.3.1 手臂的結(jié)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動機構(gòu) 16
3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計 16
3.3.3 錐齒輪及錐齒輪軸的設(shè)計 18
3.3.5 電機選型 21
4 直臂導桿氣缸的設(shè)計 22
4.1 氣缸體的設(shè)計 22
4.1.1 預(yù)選氣缸的缸徑 22
4.1.2 預(yù)選氣缸的行程 22
4.1.3 氣缸的類型選擇 23
4.1.4 活塞桿直徑d的計算 23
4.1.5 氣缸筒壁厚的計算 23
4.1.6 氣缸輸出拉力的校核 24
4.1.7 耗氣量的計算 24
4.2導桿機構(gòu)的設(shè)計 25
6 結(jié)論與展望 27
致謝 28
參考文獻 29
V
數(shù)控車床上下工件機械手
1 緒論
1.1 前言和意義
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。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。機械手越來越廣泛的得到了應(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。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。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。
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。通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的上下料機械手的設(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)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，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。
本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）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。
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，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(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)。
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(yīng)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(yīng)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(yù)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(wù)。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(yīng)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。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)象和趨勢
目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：
（1）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。
（2）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、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。
（3）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(yīng)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)來進行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)。
（5）關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；
（6）焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。
總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。
1.4 設(shè)計原則
在設(shè)計之前，必須要有一個指導原則。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，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，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標準化、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，將大學期間所學的知識，如機械設(shè)計、機械原理、液壓、氣動、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（PLC）、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，實事求是的做好本次設(shè)計。
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數(shù)控車床上下工件機械手
2 數(shù)控車床上下工件機械手的總體設(shè)計
2.1 技術(shù)要求
數(shù)控車床要實現(xiàn)自動化，可設(shè)計專門的上下料裝置，但是要實現(xiàn)上下料的柔性化，機械手就是其最好的組合。隨著機器人學科的發(fā)展，機器人在某些方面可以代替人的工作，特別是一些高強度的工作，甚至還具備了一定的學習功能。數(shù)控車床與機械手的結(jié)合是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的一個選擇，它是實現(xiàn)一個人操作多臺車床，實現(xiàn)生產(chǎn)效率進一步提高的有效途徑。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和競爭的加劇，對加工效率提出了新的要求，數(shù)控車床工件裝卸自動化就成為當前制造廠家對機床的重要需求之一。為了滿足用戶的需求，當前中國的機床制造廠開始在部分數(shù)控車床上配置工件自動上下料機械手。但如果采用伺服電機驅(qū)動和控制其成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度慢、工作效率較低；如果采用液壓驅(qū)動，其泄漏對數(shù)控要求的清潔環(huán)境造成一定的副面影響。隨著氣動技術(shù)的不斷發(fā)展，氣體驅(qū)動也能成為機械手的驅(qū)動力量，其成本底，結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，清潔，再加上PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)機電氣一體化控制。
本設(shè)計主要設(shè)計用低成本、高速的氣缸來組成模塊化的氣動機械手，實現(xiàn)數(shù)控車床工件自動裝卸，克服伺服電機應(yīng)用中存在的高成本和低效率的局限。論文完成的主要設(shè)計工作包括以下幾個方面:(1)設(shè)計了模塊化氣動裝卸機械手的總體結(jié)構(gòu)；(2)研究了大跨度氣缸的固定支撐形式；(3)研究了水平運動氣缸的防側(cè)翻技術(shù)；(4)研究并實現(xiàn)了氣缸輸出桿高精度柔性調(diào)節(jié)技術(shù)(5)初步設(shè)計了氣動控制回路和PLC控制系統(tǒng)。
2.2 機械手總體設(shè)計
2.2.1 執(zhí)行機構(gòu)的選擇
（1）手部，是直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型。手部是用來抓取工件的部件，根據(jù)被抓取物件的形狀、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取類型是吸附型和夾持型，吸附型主要是針對于一些正方形表面光滑、輕質(zhì)的工件或物料，夾持型主要是針對圓柱形狀或者是別的一些比較復(fù)雜形狀的工件或物料。傳力機構(gòu)形式較多，常用的有：連桿杠桿式、滑槽杠桿式、斜槭杠桿式、絲杠螺母式、齒輪齒條式、重力式和彈簧式。
（2）腕部，即連接手部和臂部的部件，起支撐和改變手部姿態(tài)的作用，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、左右擺動、上下擺動。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(yīng)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)角度小（一般小于 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(fù)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。[1]
2.2.2 驅(qū)動機構(gòu)的選擇
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, 可分為以下四類:
（1）氣壓傳動機械手
氣壓機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其特點為：輸出力大、易于保養(yǎng)、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單成本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。
（2）液壓傳動機械手
液壓傳動機械手是以油液壓縮的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其特點為：輸出力大、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏、抓取力大。但是這種機械手對密封性要求很高、不易于保養(yǎng)與維護、受到液體本身的屬性影響，不宜在高溫或者低溫的環(huán)境下工作、油的泄漏會導致對其工作性能產(chǎn)生很大的影響、油液過濾要求非常嚴格，成本高。
（3）機械驅(qū)動機械手
機械驅(qū)動機械手是由機械傳動機構(gòu)驅(qū)動的機械手，是一種附屬于工作主機的專用機械手，動力是由工作機械提供的。其主要特點為：運動精確，動作頻率大，定位精度高。但是結(jié)構(gòu)較大，保養(yǎng)需求高。
（4）電氣驅(qū)動機械手
電氣驅(qū)動機械手是由電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其特點為：運動速度快，行程長，定位精度高，易于維護、使用方便、節(jié)能環(huán)保。但是其技術(shù)還不夠成熟、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本也較高。
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。按照各驅(qū)動特點以及機械手的工作環(huán)境采用電氣動驅(qū)動。[2]
2.2.3 傳動結(jié)構(gòu)的選擇
（1）齒輪傳動機構(gòu)
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。
（2） 諧波齒輪傳動
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。
（3）螺旋傳動
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)?；有以傳遞運動為主的，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。
（4）同步帶傳動
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）、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。
（5）鋼帶傳動
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，鋼帶無蠕變、傳動效率高。
（6）鏈傳動
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。
（7）鋼絲繩輪傳動
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。[3]
根據(jù)實際要求，本設(shè)計主要選取了齒輪傳動和螺旋傳動。
2.2.4 機械手的基本形式選擇
工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種[1]。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下：
(1)直角坐標機器人結(jié)構(gòu)
直角坐標機器人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，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結(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，直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
(2)圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標機器人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。這種機器人構(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。
(3) 球坐標機器人結(jié)構(gòu)
球坐標機器人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。這種機器人結(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。
(4) 關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2.1.d。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(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器人。
關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
圖2.1 機械手基本形式
按照機械手的工作環(huán)境采用直角坐標型機械手，其特點是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度高，比較滿足設(shè)計要求。
2.2.5 機械手直臂部分的主要部件及運動
在直角坐標型機械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，關(guān)于機械手具有4個自由度,即：手爪張合；手腕回轉(zhuǎn)；直臂升降；橫臂平移4個主要運動。
機械手主要由3個大部件、2個電機和3個氣缸組成：（1）手部，采用絲桿螺母結(jié)構(gòu)，通過電機帶動實現(xiàn)手抓的張合；（2）腕部，采用擺動氣缸帶動手部實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)90°-180°；（3）臂部，采用氣缸，實現(xiàn)臂部的平移和升降，同時還采用錐齒輪和錐齒輪軸的連接，實現(xiàn)臂部的旋轉(zhuǎn)。錐齒輪使用絲桿與軸聯(lián)接，使用電機帶動。
機械手的運動示意圖如圖2.2所示。
圖2.2 運動示意圖
2.2.6 機械手的技術(shù)參數(shù)
工業(yè)機械手的技術(shù)參數(shù)是說明機械手規(guī)格和性能的具體指標，一般包括以下幾個方面：
?。?）抓重（又稱臂力）：額定抓取重量或稱額定負荷，單位為公斤；
?。?）自由度數(shù)目和坐標形式：整機，手臂和手腕等運動共有幾個自由度，并說明坐標形式；
?。?）定位方式：固定機械擋塊，可調(diào)機械擋塊，行程開關(guān)，電位器及其他各種位置設(shè)定和檢測裝置；
?。?）驅(qū)動方式：氣動，液動，電動和機械式四種形式；
?。?）手臂運動參數(shù)；
（6）手腕運動參數(shù)；
?。?）手指夾持范圍和握力；
?。?）定位精度：位置設(shè)定精度和重復(fù)定位精度；
（9）輪廓尺寸：長×寬×高（毫米）；
（10）重量：整機重量。
本設(shè)計的主要參數(shù)
（1）用途：數(shù)控機床自動上下工件
（2）設(shè)計技術(shù)參數(shù):
1) 抓重:600g (夾持式手部)
2) 自由度數(shù):4個自由度
3) 坐標型式:直角坐標型
4) 橫臂手臂長度:2180mm
5) 手臂最大高度:2769.5mm
6) 手臂運動參數(shù)
升降行程：920mm
升降速度：167mm/s
7) 手腕運動參數(shù)
回轉(zhuǎn)范圍: 0-180°
3 各模塊的設(shè)計
3.1 機械手手部模塊的設(shè)計
3.1.1 手部設(shè)計基本要求
（1） 應(yīng)當具備適當?shù)募泳o力和驅(qū)動力。應(yīng)當考慮到在一定的加緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的加緊力不同。
（2） 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)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）Δγ，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） 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，機械手手部設(shè)計的主流是電氣式，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)）。
（5） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。[4]
3.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu)
（1）楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。
（2）滑槽式手爪
當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。
（3）連桿杠桿式手爪
這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
（4）齒輪齒條式手爪
這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。
（5）平行杠桿式手爪
采用平行四邊形機構(gòu)，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。[4]
3.1.3 機械手手爪的設(shè)計計算
3.1.3.1 選擇手爪的類型及夾緊裝置
本設(shè)計是設(shè)計抓取圓柱形物塊的機械手。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, 適于夾持平板和圓柱類材料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差為零。通過綜合考慮，本設(shè)計選擇移動型手爪，采用絲杠螺母這種傳動結(jié)構(gòu)方式。
運行方式為電機帶動直齒輪使絲杠轉(zhuǎn)動繼而帶動手爪接觸塊移動，從而形成手爪的張合，當手爪抓到零件時，電機停止，手爪形成自鎖，帶動零件移動。
圖3.1 二維手爪結(jié)構(gòu)圖
3.1.3.2 手爪夾持范圍計算
加工毛坯尺寸：Φ20mm-Φ40mm
長度：100mm左右
毛坯質(zhì)量（以鋼材的密度計算）：約250g-565g（按最大600g計算）
裝夾深度：約25mm
縱向定位精度：0.1mm
橫向定位精度：1mm
手爪接觸塊為橡膠，橡膠具有彈性大，定伸強度高，抗撕裂性和電絕緣性優(yōu)良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳等特點。
3.1.3.3 滑動絲桿設(shè)計
設(shè)計條件：需自鎖
絲杠長度 145mm
最大質(zhì)量共計約1100g。
絲杠載荷：絲杠豎直時承受最大軸向力，(g取10N/kg)。
設(shè)計計算：
（1）牙型、材料和許用應(yīng)力
采用梯形單頭螺紋，螺桿材料選45鋼，調(diào)制處理，，由機械手冊[5]查表可得
許用拉應(yīng)力 （3.1）
手爪部分為輕載，螺母材料選耐磨鑄鐵。由機械手冊[5]查表可得
許用彎曲應(yīng)力，取；
許用剪應(yīng)力，
由機械手冊[5]查表可得
許用壓強，取。
（2）按耐磨性計算螺桿中徑
由機械手冊表[5]中公式
（3.2）
采用整體螺母式，取，，
由GB/T 5796.3-1986，可選，，，，，的梯形螺紋、中等精度。螺桿左右兩端分別采用不同的旋向，螺旋副標記分別為：
，。
螺母高度，取，
則螺紋圈數(shù)圈。
（3）自鎖性驗算
由于單頭螺紋，導程，故螺紋升角為
（3.3）
由機械手冊[5]查表可得鋼和耐磨鑄鐵的，取，可得
（3.4）
，故自鎖可靠。
（4）螺桿強度校核
由機械手冊[5]查表可得，螺紋摩擦力矩
（3.5）
代入以下公式得
（3.6）
故強度可靠。
（5）螺母螺紋強度校核
因螺母材料強度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋強度即可。
由機械手冊[5]查表可得
牙根寬度，基本牙高，
代入以下中的公式得
（3.7）
（3.8）
故強度可靠。
（6）效率
由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動時
（3.9）
效率取為。
3.1.3.4 步進電機選型
計算條件：
空行程最長，夾緊時間不超過1.2s
設(shè)計計算：
螺母移動平均速度 （3.10）
絲杠的平均轉(zhuǎn)速
摩擦轉(zhuǎn)矩：
（3.11）
（3.12）
故 （3.13）
選用轉(zhuǎn)矩為的直流電機，速度比為。
齒輪傳動效率、滑動螺旋傳動效率
電機軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩： （3.14）
電機軸輸出功率： （3.15）
故電機選用40ZY-02直流電動機。
3.2 機械手腕部模塊的設(shè)計
機械手手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。
3.2.1 腕部設(shè)計的基本要求
（1） 選擇合適的自由度
機械手手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機械手的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機械手手腕的自由度數(shù)為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機械手手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問題具體分析，考慮機械手的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。
（2） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕
腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
（3） 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局
腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。
（4） 必須考慮工作條件
對于本設(shè)計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。[7]
3.2.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇
3.2.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu)
（1）具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用。回轉(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于270°）。
（2）齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于270°的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。
（3）具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。
（4）機-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。[7]
3.2.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇
本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)90°或180°，則腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于360°，并且要求嚴格的密封。
3.2.3 腕部的設(shè)計計算
此部分選用擺動氣缸。 擺動氣缸有齒輪齒條式和葉片式兩大類。 根據(jù)需要，本設(shè)計選用齒輪齒條式擺動氣缸。
3.2.3.1 預(yù)選氣缸的缸徑
根據(jù)負載的運動狀態(tài)，負載率與氣缸工作壓力有關(guān)，且綜合反映活塞的快速作用合氣缸的效率，的最佳值為0.3～0.5，參考《氣動設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計與生產(chǎn)制造手冊》[8],如表3-1所示, 預(yù)選氣缸的負載率
表3-1 負載運動狀態(tài)表
負責的運動狀態(tài)
靜載荷
動載荷
氣缸速50~500mm/s
氣缸速度大于500mm/s
負載率
小于70%
小于50%
小于30%
根據(jù)氣源供氣條件，壓力，已知F,和P，對于雙作用氣缸，預(yù)選
，根據(jù)關(guān)系:
（3.16）
（3.17）
可初選缸徑（已經(jīng)過尺寸標準化）
3.2.3.2 預(yù)選氣缸的行程
根據(jù)使用環(huán)境，預(yù)選氣缸行程為。
3.2.3.3 活塞桿直徑d的計算
與計算氣缸內(nèi)徑D相同。一般取，必要時也可取，這里根據(jù)D，計算出 ，尺寸標準化選取。
3.2.3.4 氣缸輸出拉力的校核
（3.18）
所以氣缸能正常工作。
3.3 機械手手臂模塊的設(shè)計
機械手手臂運動的目的：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，一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。[9]
手臂模塊是機械手的主要握持模塊。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應(yīng)該包括3個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。[10]
3.3.1 手臂的結(jié)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動機構(gòu)
機械手的手臂升降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)。
我選用的是滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的手臂，螺母帶動絲杠進行升降和平移，采用電機驅(qū)動，中間為絲桿，兩邊為光桿。
運行方式為電機帶動錐齒輪，繼而帶動絲杠螺母，絲杠螺母是固定點，相對的絲杠做上下移動。
3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計
（1）選取的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動系統(tǒng)為：磨制絲杠(右旋)
上固定端到螺母間距離(臨界長度)：
下固定端到螺母間距離(臨界長度)：
設(shè)計后絲杠總長：
最大行程：
支承方式為兩端固定。
定位精度：由表得，有效行程內(nèi)目標行程公差，行程變動量，由表得，任意300mm行程內(nèi)行程變動量，2π弧度內(nèi)行程變動量。
絲杠精度為5級，可靠性90%。
（2）計算載荷
手腕手爪部分重量：
(重力加速度取) (3.19)
軸向載荷。
（3）初算導程
絲杠螺母轉(zhuǎn)速，直臂移動速度
（4）選工作壽命
（5）查表得
(3.20)
式中，查機械手冊[5]得，精度系數(shù)
查機械手冊[5]得，可靠性系數(shù)
查機械手冊[5]得，載荷性質(zhì)系數(shù)
查機械手冊[5]得，預(yù)加載荷系數(shù)
所以，
（6） 靜載計算
由機械手冊[5]得，，式中 （3.21）
（7）選取滾珠絲杠型號
采用外循環(huán)導珠管埋入式CDM 1605-3.5-P5型,其中，，，,,滿足承載能力要求。
（8）計算預(yù)緊力
, (3.22)
（9）值校驗
由機械手冊[5]得，，符合要求。
（10）臨界轉(zhuǎn)速校核
（3.23）
式中，查機械手冊[5]得，
滿足轉(zhuǎn)速要求。
（11）螺桿強度：
螺桿材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，其許用應(yīng)力
螺桿當量應(yīng)力：
（3.24）
式中，。
符合強度要求。
（12）系統(tǒng)剛度計算
剛性為機械剛度的指標，滾珠絲杠的剛性取決于螺桿與螺母之間軸向負荷珠槽接觸剛性及螺桿軸的剛性來決定。機械驅(qū)動系統(tǒng)總剛性的慣性經(jīng)由測試，可將螺帽—螺桿及鋼珠—珠槽兩者間的剛性合二為一，成為螺帽剛性,因此[6]
（3.25）
3.3.3 錐齒輪及錐齒輪軸的設(shè)計
錐齒輪傳動的特點：錐齒輪是圓錐齒輪的簡稱，它用來實現(xiàn)兩相交軸之間的傳動,兩軸交角S稱為軸角，其值可根據(jù)傳動需要確定，一般多采用90°。錐齒輪的輪齒排列在截圓錐體上，輪齒由齒輪的大端到小端逐漸收縮變小，如圖3.3所示。[6]由于這一特點，對應(yīng)于圓柱齒輪中的各有關(guān)"圓柱"在錐齒輪中就變成了"圓錐"，如分度錐、節(jié)錐、基錐、齒頂錐等。錐齒輪的輪齒有直齒、斜齒和曲線齒等形式。直齒和斜齒錐齒輪設(shè)計、制造及安裝均較簡單，但噪聲較大，用于低速傳動（<5m/s）；曲線齒錐齒輪具有傳動平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點，用于高速重載的場合。[6]本節(jié)采用S=90°的標準直齒錐齒輪傳動。
圖3.3 錐齒輪
計算條件：
負載轉(zhuǎn)矩，直線錐齒輪，傳動比為，錐齒輪轉(zhuǎn)速，。
材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度HBS=217~255，齒面粗糙度。
A. 錐齒輪設(shè)計計算
(1) 初步計算：
電機軸端齒輪轉(zhuǎn)矩
載荷系數(shù)
齒數(shù)比
估算時，安全系數(shù)
接觸疲勞強度極限
因此估算時的齒輪許用接觸應(yīng)力 (3.26)
估算結(jié)果：
所以
考慮到絲杠需從錐齒輪2中心穿過，且所選用絲杠的公稱直徑，絲杠螺母，故取，。
(2) 幾何計算
齒數(shù)：取
大端模數(shù)： (3.27)
(3) 強度校核
1) 齒根彎曲疲勞強度設(shè)計
其條件為