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編號
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目： 換刀機器人機械系統(tǒng)的設(shè)計
信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
學(xué) 號： 0923006
學(xué)生姓名： 王維維
指導(dǎo)教師： 過金超 （職稱：副教授）
（職稱： ）
2013年5月25日
III
無錫太湖學(xué)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 換刀機器人機械系統(tǒng)的設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)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91
學(xué) 號： 0923006
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學(xué)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 換刀機器人機械系統(tǒng)的設(shè)計
2、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
（一）科學(xué)意義：
工業(yè)機器人延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機器人與數(shù)控加工中心、自動搬運小車以及自動檢測系統(tǒng)可組成柔性織造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。
（二）國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢：
從近幾年世界上推出的機器人產(chǎn)品來看，工業(yè)機器人技術(shù)正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；工作環(huán)境設(shè)計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化，以及網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。
三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到的要求：
任務(wù)要求：
（1）論證確定總體方案；
（2）設(shè)計水平移動系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)和末端操作器的驅(qū)動及傳動系 統(tǒng)；
（3）設(shè)計水平移動系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)和末端操作器的結(jié)構(gòu)；
（4）編寫設(shè)計說明書。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機械91 班 姓名 王維維
五、開始及完成日期：
自2012年11月7日 至2013年5月25日
六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月7日
摘 要
在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，機械手作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。機械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，機械手主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本文將設(shè)計一臺四自由度的機械手，主要的功用就是自動換刀。主要是實現(xiàn)加工中心自動換刀系統(tǒng)的設(shè)計。通過分析加工中心的整體結(jié)構(gòu)和自動換刀系統(tǒng)的特點、應(yīng)用條件，設(shè)計要求等，并結(jié)合在數(shù)控機床上對刀庫和換刀機械手的需要——能在數(shù)控程序的控制下靈活的實現(xiàn)換刀過程。刀庫為立式單鏈式刀庫。驅(qū)動裝置采用電機液壓驅(qū)動；設(shè)計的換刀機械手為回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手，手指采用彈簧銷壓緊式，驅(qū)動裝置采用液壓雙作用缸。根據(jù)機械手和刀庫位置的需要，設(shè)計機械手在機床上下移動裝置，以實現(xiàn)多排刀架上的刀與主軸上的刀之間的交換。結(jié)合工廠實際，該自動換刀系統(tǒng)在數(shù)控的控制下能靈活的完成換刀程序，節(jié)省了時間、提高了效率、安全可靠。
關(guān)鍵詞 ：機械手；加工中心；刀庫；自動換刀
Abstract
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the, application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc, which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. The subject is to design numerically controlled tool-changing manipulator and numerically controlled tool-magazine. In this progress, the project synthesizes the characteristic and utility condition of numerically controlled tool-changing manipulator and numerically controlled tool-magazine . Numerically controlled tool-changing manipulator adopts rotary single arm and spring pin numerically controlled tool-magazine adopts vertical tool-magazine . Driving gear uses hydraulic cylinder .in a word ,the tool-magazine and the manipulator can do efficiently .reliably and quickly.
Key word : Tool-changing manipulator; Machining Center; Tool-magazine; Automatic Tool Changer
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
目 錄 V
1 緒論 1
1.1課題的意義、目的、研究范圍及要達到的技術(shù)要求 1
1.1.1課題的意義 1
1.1.2課題的目的 1
1.1.3研究范圍及要達到的技術(shù)要求 1
1.2課題在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題 2
1.2.1國內(nèi)的發(fā)展概況 2
1.2.2國外的發(fā)展概況 3
1.2.3存在的問題 7
2 換刀機器人總體設(shè)計 9
2.1 主要技術(shù)參數(shù)和外形尺寸 9
2.1.1 主要技術(shù)參數(shù) 9
2.1.2 外形尺寸 9
2.2 換刀機器人總體布局設(shè)計 10
2.2.1 自動換刀機器人的組成及簡單介紹 10
2.2.2 自動換刀機器人的總體布局圖 10
2.3 換刀機器人自動換刀過程 11
3 換刀機器人手部設(shè)計 15
3.1 手部的基本結(jié)構(gòu)、組成部分和動作原理 15
3.1.1 機械手的簡介 15
3.1.2 換刀機械手的結(jié)構(gòu)、組成與動作原理 15
3.2 手部裝置的選擇與計算 18
3.2.1 手指的設(shè)計 18
3.2.2 手臂油缸的設(shè)計與計算 21
第4章自動換刀機器人手部升降機構(gòu)的設(shè)計 27
4.1自動換刀機器人手部升降機構(gòu)的組成及動作原理 27
4.2滾珠絲杠及螺母副的設(shè)計與選用 28
4.3滾珠絲杠螺母副支撐方式及軸承的選擇 31
4.4減速齒輪的設(shè)計 33
4.5減速齒輪軸的設(shè)計 36
4.5.1減速齒輪軸的設(shè)計 36
4.5.2 減速齒輪軸的校核 37
4.6驅(qū)動液壓泵電機的選擇 38
5 結(jié)論與展望 39
5.1結(jié)論 39
5.2不足之處以及未來展望 40
致 謝 41
參考文獻 42
V
換刀機器人機械系統(tǒng)的設(shè)計
1 緒論
1.1課題的意義、目的、研究范圍及要達到的技術(shù)要求
1.1.1課題的意義
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一[1]。
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，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)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。
在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，機械手作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。機械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，機械手主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。工業(yè)機器人延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機器人與數(shù)控加工中心、自動搬運小車以及自動檢測系統(tǒng)可組成柔性織造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。所以從事工業(yè)機器人的研究具有非常重要的意義。
1.1.2課題的目的
通過畢業(yè)設(shè)計的鍛煉，學(xué)會綜合運用所學(xué)的知識和技能進行實際工程問題的分析、綜合及設(shè)計。培養(yǎng)調(diào)查研究、中外文獻檢索與閱讀的能力，掌握定性與定量相結(jié)合的獨立研究與論證的能力；熟練掌握設(shè)計、計算及繪圖的能力；鍛煉文字與口頭表達能力；掌握撰寫設(shè)計說明書的，并且能設(shè)計出合乎實際要求的自動換刀機器人機械系統(tǒng)。
1.1.3研究范圍及要達到的技術(shù)要求
用途：在給定的程序指令下，配合刀庫和臥式鏜銑床（簡稱主機）實現(xiàn)所有加工工序的自動裝、卸刀[2]。
技術(shù)要求：
結(jié)構(gòu)形式： 圓柱坐標；
自由度數(shù)： 4；
負載重量： 10kg（單爪）；
末端操作器： 雙手爪；
工作空間： 縱向0.195m，橫向0.18m，升降1.22m，旋轉(zhuǎn)180°；
運行速度： 五檔可調(diào)；
最大運行速度： 縱向20m/min,橫向16m/min,升降8m/min,旋轉(zhuǎn)16rpm;
重復(fù)定位精度： ±0.6m；
記憶刀位數(shù)： 不小于170把，可擴展；
總重量： ≧600kg；
1.2課題在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題
1.2.1國內(nèi)的發(fā)展概況
工業(yè)機器人誕生于20世紀60年代,在20世紀90年代得到迅速發(fā)展,是最先產(chǎn)業(yè)化的機器人技術(shù)。它是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù),是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。它的出現(xiàn)是為了適應(yīng)制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn),解決單調(diào)、重復(fù)的體力勞動和提高生產(chǎn)質(zhì)量而代替人工作業(yè)。在我國,工業(yè)機器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)接近20多年了,已經(jīng)基本實現(xiàn)了試驗、引進到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變,促進了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。隨著我國門戶的逐漸開放,國內(nèi)的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)將面對越來越大的競爭與沖擊,因此,掌握國內(nèi)工業(yè)機器人市場的實際情況,把握我國工業(yè)機器人研究的相關(guān)進展,顯得十分重要。
中國工業(yè)機器人經(jīng)過“七五”攻關(guān)計劃、“九五”攻關(guān)計劃和863計劃的支持已經(jīng)取得了較大進展,工業(yè)機器人市場也已經(jīng)成熟,應(yīng)用上已經(jīng)遍及各行各業(yè),但進口機器人占了絕大多數(shù)。我國在某些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破,但還缺乏整體核心技術(shù)的突破,具有中國知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人則很少。目前我國機器人技術(shù)相當(dāng)于國外發(fā)達國家20世紀80年代初的水平,特別是在制造工藝與裝備方面,不能生產(chǎn)高精密、高速與高效的關(guān)鍵部件。我國目前取得較大進展的機器人技術(shù)有:數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)與裝備、隧道掘進機器人相關(guān)技術(shù)、工程機械智能化機器人相關(guān)技術(shù)、裝配自動化機器人相關(guān)技術(shù)?，F(xiàn)已開發(fā)出金屬焊接、噴涂、澆鑄裝配、搬運、包裝、激光加工、檢驗、真空、自動導(dǎo)引車等的工業(yè)機器人產(chǎn)品,主要應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機械、家電等行業(yè)[2]。
我國機器人技術(shù)主題發(fā)展的戰(zhàn)略目標是:根據(jù)2l世紀初我國國民經(jīng)濟對先進制造及自動化技術(shù)的需求,瞄準國際前沿高技術(shù)發(fā)展方向創(chuàng)新性地研究和開發(fā)工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。未來工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展的重點有:第一,危險、惡劣環(huán)境作業(yè)機器人:主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測、油汽管道等機器人;第二,醫(yī)用機器人:主要有腦外科手術(shù)輔助機器人,遙控操作輔助正骨等;第三,仿生機器人:主要有移動機器人,網(wǎng)絡(luò)遙控操作機器人等。其發(fā)展趨勢是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。圖1.1和圖1.2分別是中國新松機器自動化股份有限公司的轎車機器人焊接生產(chǎn)線和RH6弧焊機器人。
圖1.1 轎車機器人 圖1.2弧焊機器人
目前主要單位像中科院沈陽自動化所，原機械部的北京自動化所，像哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，還包括中科院北京自動化所等等的一些單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前這幾年來看，我們國家在高校里邊，有很多單位從事機器人研究，很多研究生和博士生都在從事機器人方面的研究，目前我們國家比較有代表性的研究，有工業(yè)機器人，水下機器人，空間機器人，核工業(yè)的機器人，都在國際上應(yīng)該處于領(lǐng)先水平，總體上我們國家與發(fā)達國家相比，還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在，我們國家在機器人的產(chǎn)業(yè)化方面，目前還沒有固定的成熟的產(chǎn)品，但是在上述這些水下、空間、核工業(yè)，一些特殊機器人方面，我們?nèi)〉昧撕芏嘤刑厣难芯砍删蚚4]。
1.2.2國外的發(fā)展概況
美國是機器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人，比起號稱"機器人王國"的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。
由于美國政府從60年代到70年代中的十幾年期間，并沒有把工業(yè)機器人列入重點發(fā)展項目，只是在幾所大學(xué)和少數(shù)公司開展了一些研究工作。對于企業(yè)來說，在只看到眼前利益，政府又無財政支持的情況下，寧愿錯過良機，固守在使用剛性自動化裝置上，也不愿冒著風(fēng)險，去應(yīng)用或制造機器人。加上，當(dāng)時美國失業(yè)率高達6．65％，政府擔(dān)心發(fā)展機器人會造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機器人，這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯誤。70年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術(shù)路線上仍把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級機器人的開發(fā)上，致使日本的工業(yè)機器人后來居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機器人制造業(yè)上很快超過了美國，產(chǎn)品在國際市場上形成了較強的競爭力。
進入80年代之后，美國才感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對機器人真正重視起來，
政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機器人，另一方面制訂計劃、提高投資，增加機器人的研究經(jīng)費，把機器人看成美國再次工業(yè)化的特征，使美國的機器人迅速發(fā)展。80年代中后期，隨著各大廠家應(yīng)用機器人的技術(shù)日臻成熟，第一代機器人的技術(shù)性能越來越滿足不了實際需要，美國開始生產(chǎn)帶有視覺、力覺的第二代機器人，并很快占領(lǐng)了美國60％的機器人市場。
盡管美國在機器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機器人技術(shù)在國際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進，適應(yīng)性也很強。具體表現(xiàn)在：
（1）性能可靠，功能全面，精確度高；
（2）機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首；
（3）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用；
（4）高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。
早在1966年，美國Unimation公司的尤尼曼特機器人和AMF公司的沃莎特蘭機器人就已經(jīng)率先進入英國市場。1967年英國的兩家大機械公司還特地為美國這兩家機器人公司在英國推銷機器人。接著，英國 Hall Automation公司研制出自己的機器人RAMP。70年代初期，由于英國政府科學(xué)研究委員會頒布了否定人工智能和機器人的Lighthall報告，對工業(yè)機器人實行了限制發(fā)展的嚴厲措施，因而機器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。
但是，國際上機器人蓬勃發(fā)展的形勢很快使英政府意識到：機器人技術(shù)的落后，導(dǎo)致其商品在國際市場上的競爭力大為下降。于是，從70年代末開始，英國政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實施了一系列支持機器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機器人的重要性、在財政上給購買機器人企業(yè)以補貼、積極促進機器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國機器人開始了在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用及大力研制的興盛時期。
法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進水平。這主要歸功于法國政府一開始就比較重視機器人技術(shù)，特別是把重點放在開展機器人的應(yīng)用研究上。
法國機器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過政府大力支持的研究計劃，建立起一個完整的科學(xué)技術(shù)體系。即由政府組織一些機器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究項目，而由工業(yè)界支持開展應(yīng)用和開發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機器人在法國企業(yè)界很快發(fā)展和普及. 德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說的德國，主要指的是原聯(lián)邦德國。它比英國和瑞典引進機器人大約晚了五六年。其所以如此，是因為德國的機器人工業(yè)一起步，就遇到了國內(nèi)經(jīng)濟不景氣。但是德國的社會環(huán)境卻是有利于機器人工業(yè)發(fā)展的。因為戰(zhàn)爭，導(dǎo)致勞動力短缺，以及國民技術(shù)水平高，都是實現(xiàn)使用機器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機器人的推廣開辟道路；在"改善勞動條件計劃"中規(guī)定，對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這個計劃為機器人的應(yīng)用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展。日爾曼民族是一個重實際的民族，他們始終堅持技術(shù)應(yīng)用和社會需求相結(jié)合的原則[5]。除了像大多數(shù)國家一樣，將機器人主要應(yīng)用在汽車工業(yè)之外，突出的一點是德國在紡織工業(yè)
中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)改造原有企業(yè)，報廢了舊機器，購買了現(xiàn)代化自動設(shè)備、電子計算機和機器人，使紡織工業(yè)成本下降、質(zhì)量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷對路。到1984年終于使這一被喻為"快完蛋的行業(yè)"重新振興起來。與此同時，德國看到了機器人等先進自動化技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級的、帶感覺的智能型機器人轉(zhuǎn)移的目標。經(jīng)過近十年的努力，其智能機器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認的領(lǐng)先地位。圖1.3和1.4是德國有名的機器人公司KUKA生產(chǎn)的機器人PRODUCTS FOR INDUSTRIAL SOLUTIONS，
圖1.3機器人加工內(nèi)腔 圖1.4機器人總布局
在前蘇聯(lián)（主要是在俄羅斯），從理論和實踐上探討機器人技術(shù)是從50年代后半期開始的。到了50年代后期開始了機器人樣機的研究工作。1968年成功地試制出一臺深水作業(yè)機器人。1971年研制出工廠用的萬能機器人。早在前蘇聯(lián)第九個五年計劃（1970年一1975年）開始時，就把發(fā)展機器人列入國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展綱領(lǐng)之中。到1975年，已研制出30個型號的120臺機器人，經(jīng)過20年的努力，前蘇聯(lián)的機器人在數(shù)量、質(zhì)量水乎上均處于世界前列地位。國家有目的地把提高科學(xué)技術(shù)進步當(dāng)作推動社會生產(chǎn)發(fā)展的手段，來安排機器人的研究制造；有關(guān)機器人的研究生產(chǎn)、應(yīng)用、推廣和提高工作，都由政府安排，有計劃、按步驟地進行[6]。
日本在60年代末正處于經(jīng)濟高度發(fā)展時期，年增長率達11％。第二次世界大戰(zhàn)后，日本的勞動力本來就緊張，而高速度的經(jīng)濟發(fā)展更加劇了勞動力嚴重不足的困難。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國Unimation公司引進機器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特”機器人。
正是由于日本當(dāng)時勞動力顯著不足，機器人在企業(yè)里受到了“救世主”般的歡迎。日本政府一方面在經(jīng)濟上采取了積極的扶植政策，鼓勵發(fā)展和推廣應(yīng)用機器人，從而更進一步激發(fā)了企業(yè)家從事機器人產(chǎn)業(yè)的積極性。尤其是政府對中、小企業(yè)的一系列經(jīng)濟優(yōu)惠政策，如由政府銀行提供優(yōu)惠的低息資金，鼓勵集資成立“機器人長期租賃公司”，公司出資購入機器人后長期租給用戶，使用者每月只需付較低廉的租金，大大減輕了企業(yè)購入機器人所需的資金負擔(dān)；政府把由計算機控制的示教再現(xiàn)型機器人作為特別折扣優(yōu)待產(chǎn)品，企業(yè)除享受新設(shè)備通常的40%折扣優(yōu)待外，還可再享受 13％的價格補貼。另一方面，國家
出資對小企業(yè)進行應(yīng)用機器人的專門知識和技術(shù)指導(dǎo)等等。
這一系列扶植政策，使日本機器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，經(jīng)過短短的十幾年，到80年代中期，已一躍而為“機器人王國”，其機器人的產(chǎn)量和安裝的臺數(shù)在國際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機器人工業(yè)會常務(wù)理事米本完二的說法：“日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實用期，到80年代進人普及提高期?！辈⒄桨?980年定為“產(chǎn)業(yè)機器人的普及元年”，開始在各個領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機器人。
日本政府和企業(yè)充分信任機器人，大膽使用機器人。機器人也沒有辜負人們的期望，它在解決勞動力不足、提高生產(chǎn)率、改進產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本方面，發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟增長速度和產(chǎn)品競爭能力的一支不可缺少的隊伍。
日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠以價廉的絕對優(yōu)勢進軍號稱“汽車王國”的美國市場，并且向機器人誕生國出口日本產(chǎn)的實用型機器人。此時，日本價廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國市場……這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機器人，增大了國力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國家不得不采取措施，奮起直追[7]。圖1.5是日本川崎公司后期的比較成熟的機器人產(chǎn)品，圖1.6是日本安川機電公司比較成熟的機器人產(chǎn)品。
圖1.5 日本川崎機器人 圖1.6日本安川機器人
國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：
（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10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。
（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(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(yīng)用。
（5）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)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(dāng)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(yīng)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(yīng)用的領(lǐng)域。
1.2.3存在的問題
據(jù)專家介紹，我國工業(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距離，如可靠性還較低；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄；生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人，只占全球已安裝臺數(shù)的４‰左右。
有關(guān)專家認為，產(chǎn)生以上差距的主要原因，是我國還沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，面對單一客戶一次設(shè)計形成的，存在品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本較高，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定等問題。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)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、?；O(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。
據(jù)專家介紹，我國制造行業(yè)和關(guān)鍵工序大部分仍然沿用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，有的僅是局部更新，這種情況嚴重制約了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。由于我們還不能自主設(shè)計和生產(chǎn)先進的大型自動化成套裝備，更形不成整體配套能力，于是目前只能幾乎全部依賴進口，產(chǎn)品被國外公司所壟斷，由此嚴重制約了制造業(yè)的健康發(fā)展。
工業(yè)機器人市場競爭越來越激烈,中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn),加快工業(yè)機器人技術(shù)的研究開發(fā)與生產(chǎn)是我們抓住這個歷史機遇的主要途徑。因此我國工業(yè)機器人行業(yè)要認識到以下幾點情況:第一,工業(yè)機器人技術(shù)是我國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的主要手段和途徑,政府要對國產(chǎn)工業(yè)機器人有更多的政策與經(jīng)濟支持,參考國外先進經(jīng)驗,加大技術(shù)投入與改造;第二,在國家的科技發(fā)展計劃中,應(yīng)該繼續(xù)對智能機器人研究開發(fā)與應(yīng)用給予大力支持,形成產(chǎn)品和自動化制造裝備同步協(xié)調(diào)的新局面;第三,部分國產(chǎn)工業(yè)機器人已經(jīng)與國外相當(dāng),企業(yè)采購工業(yè)機器人時不要盲目進口,應(yīng)該綜合評估,立足國產(chǎn)。
2 換刀機器人總體設(shè)計
2.1 主要技術(shù)參數(shù)和外形尺寸
2.1.1 主要技術(shù)參數(shù)
⑴用途：在給定的程序指令下，配合刀庫和臥式鏜銑床（簡稱主機）實現(xiàn)所有加工工序的自動裝、卸刀。
⑵技術(shù)參數(shù)：
結(jié)構(gòu)形式： 圓柱坐標；
自由度數(shù)： 4；
負載重量： 10kg（單爪）；
末端操作器： 雙手爪；
手架運動參數(shù)：
拔、插刀行程（滑座伸縮Z）：155mm(最大180mm)
升降行程（找刀排Y）： 3x420mm（刀排間垂直方向距離為420mm，共四排）
回轉(zhuǎn)角度（φ）： 180°
裝、卸刀手手臂伸縮行程（X）：195mm
手指夾持刀柄的直徑： Ф100mm；
位置檢測與定位方式：滑座伸縮、手架回轉(zhuǎn)和裝、卸刀手手臂伸縮運動采用行程開關(guān)進行位置檢測，有擋塊（或活塞與端蓋）定位。手架升降運動采用無觸點行程開關(guān)進行位置檢測，并控制三位四通閥適時“關(guān)閉”來定位
緩沖方式：滑座伸縮、裝卸刀手手臂伸縮運動采用油缸端部節(jié)流緩沖；手架回轉(zhuǎn)運動采用換接不同尺寸的出油口增加背壓減速緩沖；手架升降運動采用無觸點行程開關(guān)發(fā)信，切斷油路減速緩沖
驅(qū)動方式： 液壓
控制方式： 數(shù)字控制
總重量： ≧600kg
2.1.2 外形尺寸
表2-1加工中心關(guān)鍵尺寸表
項目
尺寸
加工中心設(shè)備的外形尺寸（長x寬x高）
1120x888x2466(mmxmmxmm)
刀庫的間隔尺寸
420mm
第一排刀庫距離地面高
640mm
刀庫換刀軸心距離刀架邊緣
19.6mm
絲杠中心距離刀架邊緣
350.4mm
續(xù)表2-1
機械手旋轉(zhuǎn)的支承點與刀庫換刀軸心的距離
570mm
整個手部長度
606mm
絲杠長度
1800mm
雙手間角度
45°
單手與水平面所成角度
22.5°
手指夾持刀具最小直徑
Ф100
2.2 換刀機器人總體布局設(shè)計
2.2.1 自動換刀機器人的組成及簡單介紹
自動換刀機器人由升降絲杠、滑座、橫梁、油馬達、裝刀手、手架、卸刀手組成并與刀庫（由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條上均有15個刀套）組成自動換刀裝置。
（1）升降絲杠：主要用途是實現(xiàn)手架的上下移動，實現(xiàn)在不同的刀排之間來找到需要換的刀，所以絲杠需要豎直安裝。采用一端固定一端游動的支承方式。選用上海漢江機床廠的外購件，絲杠規(guī)格為FYC1D5010-5，絲杠長度為1800mm。
（2）滑座：是支撐手架的一個基座，帶著手架前伸和后退，實現(xiàn)換刀過程中的拔刀和插刀，在本次設(shè)計中不要詳細設(shè)計此部件的結(jié)構(gòu)。
（3）橫梁：主要是支撐滑座的一個基座，帶著整個滑座和手架手臂在絲杠上移動，實現(xiàn)手的上下移動，找到對應(yīng)的刀排。在本次設(shè)計中也不需要設(shè)計此部件的詳細結(jié)構(gòu)。
（4）油馬達：提供動力的機構(gòu)。驅(qū)動絲杠運動實現(xiàn)找刀排的動作。
（5）裝、卸刀手：機器人手部本體，包括手臂和手抓。手臂上制有油缸用液壓驅(qū)動實現(xiàn)手臂伸縮運動，手指采用彈簧銷壓緊式。
（6）手架：是支撐手的一個基座。
（7）刀庫：放有加工過程中所需的所有刀，方便加工過程的換刀。與換刀機器人組成自動換刀裝置[9]。
2.2.2 自動換刀機器人的總體布局圖
總體布局圖如下圖2.1：
1—絲杠 2—滑座 3—橫梁 4—油馬達
5—裝刀手 6—手架 7—卸刀手 8—刀架
圖2.1自動機器人總體布局圖
這就是換刀裝置的整個布局圖：裝刀手和卸刀手裝在手架上，然后整體裝在滑座上，滑座和手架及手部整體裝在橫梁上，橫梁是固定在滾珠絲杠螺母副上可以隨螺母上下移動的。這樣一個整體裝置就實現(xiàn)了換刀過程中的拔插刀和找刀排的動作。手部的回轉(zhuǎn)動作是依賴液壓驅(qū)動以手架為支撐的，詳細的過程將在下節(jié)換刀過程介紹。
2.3 換刀機器人自動換刀過程
現(xiàn)在為了很好的說明整個換刀過程，我先設(shè)定現(xiàn)在正在進行第五工序，主機的主軸上正用T05號刀進行切削，第六工序用T09號刀，第七工序用T46號刀，P05是裝T05號刀的刀套，已停在換刀位置，裝刀手已抓取T09號刀，開始自動換刀前的狀態(tài)如圖2.2（a）
第五工序最后的程序是：是主機立柱退到最后位置（Z軸原點），主軸箱升到最高位置（Y軸原點），主軸定向，并使自動換刀控制部分做好換刀準備。
第六工序開始的第一個指令是選刀指令Z46，控制部分得到選刀指令后開始自動換刀循環(huán)，其循環(huán)分三個階段。第一階段完成向主軸上換刀，包括十個動作（需要時間約8秒），完成時間大約8秒：
模擬運動簡圖
j
i
h
g
f
e
d
b
b
c
a
圖2.2自動換刀機器人換刀演示圖（1）
模擬運動簡圖
l
k
圖2.2自動換刀機器人換刀演示圖（2）
（1）手架轉(zhuǎn)向主軸，如圖2.2（b）;
（2）卸刀手前伸，抓取主軸上T05號刀，如圖2.2（c）;
（3）主軸箱拉刀機構(gòu)松開，主軸孔吹氣；
（4）滑座前伸拔刀，如圖2.2（d）；
（5）卸刀手縮回，如圖2.2（e）；
（6）裝刀手前伸，如圖2.2（f）；
（7）滑座后退，把T09號刀插入主軸孔，如圖2.2（g）；
（8）主軸箱拉刀機構(gòu)拉緊，停止吹氣；
（9）裝刀手縮回，如圖2.2（h）；
（10）手架轉(zhuǎn)向刀庫，如圖2.2（i）。
手架轉(zhuǎn)向刀庫后機床即開始第六工序的加工，同時自動換刀循環(huán)進入第二階段，把T05號刀送回刀庫，包括五個動作：
（1）橫梁下降找第二排刀鏈，如圖2.2（j）；
（2）滑座前伸；
（3）卸刀手前伸；
（4）滑座后退，把T05號刀插入P05刀套中；
（5）卸刀手后退。
然后轉(zhuǎn)入第三階段，是自動換刀裝置變成下一次換刀的換刀前狀態(tài)，包括六個動作：
（1）刀套鏈順時針轉(zhuǎn)動，把T46號刀送到換刀位置，橫梁下降找第三排刀套鏈，如圖2.2（k）;
（2）裝刀手前伸，取T46號刀；
（3）滑座前伸拔刀；
（4）裝刀手后退；
（5）滑座后退；
（6）橫梁上升到最高位置，刀鏈反轉(zhuǎn)，把P09號刀套送到換刀位置，如圖2.2（l）。
這樣就完成了整個自動換刀循環(huán)[10]。
3 換刀機器人手部設(shè)計
3.1 手部的基本結(jié)構(gòu)、組成部分和動作原理
機械手,mechanical hand，也被稱為自動手，auto hand 能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
3.1.1 機械手的簡介
圖3.1 機械手
機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度[11]。
機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。
機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。
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。
3.1.2 換刀機械手的結(jié)構(gòu)、組成與動作原理
本設(shè)計設(shè)計的是單臂雙爪交叉型機械手，有撞到手和卸刀手，裝刀手和卸刀手對稱配置在手架上，其結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同只是幾個主要零件形狀相反。所以這里只介紹卸刀手的結(jié)構(gòu)和動作原理[12]。
（1）卸刀手的結(jié)構(gòu)包括手臂和手抓。手臂伸縮運動機構(gòu)由手架、手臂油缸、手指座和
活塞桿組成。
換刀機械手的結(jié)構(gòu)，如圖3.2：
G向
2
3
4
5
1
1—手架 2—手臂 3—手指座 4—手臂油缸 5—活塞桿
圖3.2換刀機械手總體結(jié)構(gòu)圖
圖3.3機械手手指G向剖視圖
（2）卸刀手動作的原理
如圖3.2所示，活塞桿一端固定在手架上，當(dāng)壓力油從油孔分別進到油缸的兩腔時，推動油缸的缸體在燕尾形導(dǎo)軌上往復(fù)運動，其行程位置由裝在手架上的行程開關(guān)進行檢測，采用油缸端部錐面節(jié)流緩沖，端蓋和活塞端面相碰定位。
裝刀手和卸刀手手臂移動導(dǎo)軌的方向相交成45°角，其焦點即是裝刀手、卸刀手前伸移到終點時手指的夾緊中心。
卸刀手手部屬于彈簧夾持式手部，手指分為固定指和活動指，并屬于一支點回轉(zhuǎn)型手指。在手臂伸出抓刀時，活動指應(yīng)能自由張開，抓住刀后，特別是在運刀過程中活動指應(yīng)夾緊并鎖住，因此手指內(nèi)有自鎖機構(gòu)。在鏜銑床主軸套筒的端面和滑座懸伸支架上均設(shè)有使手指松開的導(dǎo)板（共4塊，分A型和B型兩種），刀具在手指中不允許有轉(zhuǎn)動，以免刀柄的鍵槽錯位，故在固定手指上裝有定位鍵[13]。
卸刀時，卸刀手手臂前伸，當(dāng)卡銷碰到擋塊A的a面時，如圖3.3，是卡銷縮回；碰到b面頂銷可以自由運動，手指碰上刀柄便能自動張開插入梯形槽中；當(dāng)碰到c面時，卡銷被彈簧彈出，鎖緊活動指，將刀柄抓牢，以后進行拔刀等動作。
如圖3.3，如裝刀完畢（即滑座縮回，作插刀運動，將刀具的刀柄插入機床主軸孔內(nèi)），使卡銷被B型擋塊的b′面壓入，頂銷能自由活動，手臂油缸2縮回時，手指就從刀柄的梯形槽中自動滑脫，當(dāng)卡銷移到B型擋塊的a′面時，彈簧將卡銷彈出將活動指鎖住。
⑶手抓主要部件手指座如圖3.4所示，由固定手指、頂銷、卡銷、彈簧、活動手擋塊和銷軸組成。
圖3.4 手指座主視圖和左視圖
3.2 手部裝置的選擇與計算
3.2.1 手指的設(shè)計
（1）對手部設(shè)計的要求
①有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞刀具。對于用于換刀的機械手應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置
②有足夠的開閉范圍
夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如刀具的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好[14]。
③力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小
手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個機械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設(shè)計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。
④應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度
保證每個被夾持的工件在手指內(nèi)都有準確的相對位置，這對一些有方位要求的場合更為重要，因此機械手的首部在夾持工件后應(yīng)保持相對的位置精度。
⑤應(yīng)考慮通用性和特殊要求
一般情況下首部多是專用的，為了擴大它的使用范圍，提高他的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采用手指可調(diào)整的辦法。如更換手指甚至更換整個手部。
⑵手指夾緊力的計算
手指加在刀具上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對其大小、方向、和作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)[15]。
由公式 (3.1)
式中---安全系數(shù)，通常取1.2-2.0；
----工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式計算
(3.2)
式中 a---運載工件時重力方向的最大上升加速度；
g---重力加速度，g=9.8m/㎡；
（3.3）
---運載工具時重力方向的最大上升速度；
----系統(tǒng)達到最高速度的時間，根據(jù)設(shè)計參數(shù)選取。一般取0.03—0.5s。
---方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定。按表3-1選取。
G---被抓取刀具所受重力。
表3-1 夾緊力的方位系數(shù)
手指與工件位置
手指是水平放置夾水平放置的工件
手指是水平放置夾水平懸置放置的工件
手指是水平放置夾垂直放置的工件
手指是垂直放置夾水平放置的工件
手指是垂直放置夾垂直放置的工件
手指與工件形狀
平直指端夾方形件
=0.5
,粗略計算
=0.5/f
f---摩擦系數(shù)
粗略計算=5
=0.5/f
f---摩擦系數(shù)
粗略計算=5
=0.5/f
f---摩擦系數(shù)
粗略計算=5
V形指端夾圓棒
=0.5
粗略計算
，—V形手指半角，粗略計算=4
粗略計算=（0.9—1.1）
—V形手指半角，粗略計算=4
⑶拉緊裝置原理[16]
（1）固定手指
如圖3.5所示：
圖3.5 固定手指三視圖
如圖3-6所示
（2）活動手指
圖3.6 活動手指主視圖和俯視圖
手指夾緊部位關(guān)系圖，手指夾緊與松開狀態(tài)如圖3.7。
8--擋塊（此處為B型）
4--鎖緊彈簧
3--活動手指
7--夾刀彈簧
6--頂銷
5--卡銷
1--固定手指
2--刀具定向鍵
C-C
8
7
6
5
4
3
2
1
圖3.7 手爪的結(jié)構(gòu)圖
3.2.2 手臂油缸的設(shè)計與計算
（1）手臂是機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動[17]。
臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內(nèi)的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復(fù)雜。
機械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。
（2）機械傳動與液壓傳動的簡介
①純機械傳動的發(fā)動機平均負荷系數(shù)低，因此一般只能進行有級變速，并且布局方式受到限制。但由于其具有在穩(wěn)態(tài)傳動效率高和制造成本低方面的優(yōu)勢，在調(diào)速范圍比較小的通用客貨汽車和對經(jīng)濟性要求苛刻、作業(yè)速度恒定的農(nóng)用拖拉機領(lǐng)域迄今仍然占據(jù)著霸主地位。
②液壓傳動與機械傳動相比。液壓傳動更容易實現(xiàn)其運動參數(shù)(流量)和動力參數(shù)(壓力)的控制，而液壓傳動較之液力傳動具有良好的低速負荷特性。由于具有傳遞效率高，可進行恒功率輸出控制，功率利用充分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，輸出轉(zhuǎn)速無級調(diào)速，可正、反向運轉(zhuǎn)，速度剛性大，動作實現(xiàn)容易等突出優(yōu)點，液壓傳動在工程機械中得到了廣泛的應(yīng)用。幾乎所有工程機械裝備都能見到液壓技術(shù)的蹤跡，其中不少已成為主要的傳動和控制方式。極限負荷調(diào)節(jié)閉式回路，發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制的恒壓，恒功率組合調(diào)節(jié)的變量系統(tǒng)開發(fā)，給液壓傳動應(yīng)用于工程機械行走系提供了廣闊的發(fā)展前景。
與純機械和液力傳動相比，液壓傳動的主要優(yōu)點是其調(diào)節(jié)的便捷性和布局的靈活性，可根據(jù)工程機械的形態(tài)和工況的需要，把發(fā)動機、驅(qū)動輪、工作機構(gòu)等各部件分別布置在合理的部位，發(fā)動機在任一調(diào)度轉(zhuǎn)速下工作，傳動系統(tǒng)都能發(fā)揮出較大的牽引力，而且傳動系統(tǒng)在很寬的輸出轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)仍能保持較高的效率，并能方便地獲得各種優(yōu)化的動力傳動特性，以適應(yīng)各種作業(yè)的負荷狀態(tài)。在車速較高的行走機械中所采用的帶閉式油路的行走液壓驅(qū)動裝置能無級調(diào)速，使車輛柔和起步、迅速變速和無沖擊地變換行駛方向。對在作業(yè)中需要頻繁起動和變速、經(jīng)常穿梭行駛的車輛來說這一性能十分寶貴。但與開式回路相比，閉式回路的設(shè)計、安裝調(diào)試以及維護都有較高的難度和技術(shù)要求[18]。
所以綜上述：手臂的伸縮采用液壓驅(qū)動，在手臂上直接加工出一個油缸。
（3）①手臂水平伸縮直線運動液壓缸的驅(qū)動力
根據(jù)液壓缸運動時所需克服的摩擦、回油背壓及慣性等幾個方面的阻力，來確定液壓缸所需的驅(qū)動力。
（3.4）
式中---摩擦阻力。手臂運動時，為運動件表面間的摩擦阻力。若是導(dǎo)向裝置，則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力。
---密封裝置處的摩擦阻力；
---液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力；
---啟動或制動時，活塞桿所受平均慣性力。
a的計算
不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，導(dǎo)向截面為圓柱面時，向桿對稱配置在伸縮缸兩側(cè)，啟動時導(dǎo)向裝置的摩擦阻力較大。由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均勻，可按一個導(dǎo)向桿計算
得：
得:
（3.5）