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數(shù)控臥式鏜銑床換刀機(jī)械手
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(jī)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(rèn)同并采用。機(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)械手，主要的功用就是自動換刀。首先，本文將設(shè)計機(jī)器人的底座、大臂、小臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計該機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計以及控制軟件的設(shè)計，重點加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運行過程的安全性，最終實現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，示教編程，伺服，制動
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. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.
KEY WORDS: robot playback servocontrol brake
第1章 引 言
機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟(jì)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(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點之一。
工業(yè)機(jī)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(jī)械手的是工業(yè)機(jī)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(jī)器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機(jī)械手是在機(jī)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(jī)械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)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(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)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(jī)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。
機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。
機(jī)械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機(jī)器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。
1.1 機(jī)械手的分類
機(jī)械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動機(jī)床或自動線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
在國外，目前主要是搞第一類通用機(jī)械手，國外稱為機(jī)器人。本課題所做的機(jī)械手是屬于第三類機(jī)械手。
1、簡史
機(jī)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(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。
1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962年美國機(jī)械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進(jìn)口。
目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。
第三代機(jī)械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機(jī)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和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
2、 應(yīng)用簡況
現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。
有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機(jī)械加工。隨著機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還會有所改變。
機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)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。
國內(nèi)機(jī)械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專機(jī)上采用機(jī)械手上下料，減輕工人的勞動強(qiáng)度。
國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機(jī)床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。
采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機(jī)和力傳感裝置和微型計算機(jī)連在一起，能確定零件的方位達(dá)到鑲裝的目的。
3、 發(fā)展趨勢
目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。
在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。
此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計算機(jī)連用，逐步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。
在國外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。
此外，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。
視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。
觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。
更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。
1.2 機(jī)械手的組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關(guān)系如下圖：
1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)
( 如圖1.2-1所示 )
圖1.2-1
（1） 手部
手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動軸，可把動作傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸屈手腕，開閉手指。
本課所指的機(jī)械手僅需開閉手指。
機(jī)械手手部的機(jī)構(gòu)系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作需要。
本課所做的機(jī)械手采用二指形狀。
（2） 手臂
手臂有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分
本課所做的機(jī)械手的手臂采用無關(guān)節(jié)臂
手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。
本課題所做的機(jī)械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個方向的定位均采用行程開關(guān)控制，以保證定位的精度。
總括機(jī)械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此，它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服油馬達(dá)、直流伺服馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)等。
軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。
2、 驅(qū)動機(jī)構(gòu)
驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機(jī)械驅(qū)動用的較少。
液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達(dá)到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
為了減少停機(jī)時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。
電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機(jī)作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運動則用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。
電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。
機(jī)械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。
本課題所做的機(jī)械手采用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)手臂的上升、下降方面。采用手臂的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、手臂的夾緊、放松方面。
3、 控制系統(tǒng)
機(jī)械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動作時間和加速度等。
控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。
1.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。
在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：
一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度
應(yīng)用機(jī)械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
二、以改善勞動條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。
在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。
綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。
1.4 機(jī)械手的現(xiàn)狀
到目前為止，世界各國對“機(jī)械手”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“機(jī)械手”是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照予定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運或操縱工具的自動化裝置。而“機(jī)械手”一般具有固定的手部、固定的動作程序（或簡單可變程序）、一般用于固定工位的自動化裝置。因為國內(nèi)外稱作“機(jī)械手”、“機(jī)械手”、“操作機(jī)”的這三種自動化和半自動化裝置，在技術(shù)上有某些相通之處，所以有時不易明確區(qū)分，就它們的技術(shù)特征來看，其大致區(qū)別如下。
“機(jī)械手”（Industrail Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操縱工具的裝置（國內(nèi)稱作機(jī)械手或通用機(jī)械手）。
“機(jī)械手”（Mechanical Hand）：多數(shù)是指附屬于主機(jī)、程序固定的自動抓取、操作裝置（國內(nèi)一般稱作機(jī)械手或?qū)Ｓ脵C(jī)械手）。如自動線、自動線的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。
“操作機(jī)”（Manipulator）：一般是指由工人操縱的半自動搬運、抓取、操作裝置。如鍛造操作機(jī)或處理放射性材料、火工品的裝配等所使用的半自動化裝置。
機(jī)械手（Industral Robot ,簡稱IR）是1960年由《美國金屬市場》報首先使用的，但這個概念是由美國George·C·Pevol在1954年申請的專利“程序控制物料傳送裝置“時提出來的。在這專利中所記述的機(jī)械手，以現(xiàn)在的眼光來看，就是示教再現(xiàn)機(jī)器人。根據(jù)這一專利，Devol與美國Consolide Control Corp合作，于1959年研制成功采用數(shù)字控制程序自動化裝置的原型機(jī)。
隨后，美國的Unimation公司和美國的機(jī)械鑄造(AMF)公司于1962年分別制造了實用的一號機(jī)，并分別取名為Unimate和Ver·satran。Unimate機(jī)器人外形類似坦克炮塔，采用極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，而Versatran機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。
上述兩種機(jī)器人成為機(jī)器人結(jié)構(gòu)的主流，美國通用汽車公司和福特汽車公司在其金屬冷熱加工中，采用這類機(jī)器人進(jìn)行壓、鑄、沖壓等上、下料，收到了良好的效果。
美國的機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：
（1） 1963~1967年為實驗定型階段。1963~1967年，萬能自動公司制造的機(jī)械手供用戶做工藝實驗。1967年，該公司生產(chǎn)的機(jī)械手定型為1900臺。
（2） 1968~1970年為實驗應(yīng)用階段。這一時期，機(jī)械手在美國進(jìn)入應(yīng)用階段。例如美國通用汽車公司1968年訂購了68臺機(jī)械手；1969年又自行研制出SAM型機(jī)械手，并用21臺組成了點焊小汽車車身的焊接自動線。
（3） 1970年至今一直出于技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用階段。1970~1972年，機(jī)械手處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國機(jī)械手會議。據(jù)當(dāng)時統(tǒng)計，美國已采用了大約200臺機(jī)械手，工作時間共達(dá)60萬小時以上。與此同時，出現(xiàn)了所謂高級機(jī)器人，例如森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機(jī)控制50臺機(jī)械手的系統(tǒng)。
在歐洲第一臺機(jī)械手是1963年瑞典Kavieldt公司發(fā)表的第一臺操作機(jī)。
日本在六十年代初期就開始研制固定程序控制的機(jī)器手，并從其他各國引進(jìn)了用于不同生產(chǎn)過程的機(jī)器人，并獲得迅速，很快研制出日本國產(chǎn)華的機(jī)械手，技術(shù)水平很快趕上了美國并超過了其它國家，目前機(jī)械手在日本已得到迅速發(fā)展并很快得到普及。
我國雖然開始研制機(jī)械手僅比日本晚5~6年，但由于種種原因，機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展比較慢。但目前已引起了有關(guān)方面的極大關(guān)注。除了引進(jìn)、消化、仿制外，已經(jīng)具備了一定的獨立設(shè)計和研制能力。在1958年維吾爾自治區(qū)成立30年大慶站展覽館展出了由機(jī)械局研制的跳舞機(jī)器人《阿依古麗》。在1986年地十六屆廣交會上，成都電訊工程學(xué)院研制的第三代仿人機(jī)器人《成蓉小姐》已經(jīng)用漢語或英語向來賓問好，并能簡要的介紹的展覽產(chǎn)品及回答簡單問話。西北電訊工程學(xué)院研制的微機(jī)控制示教再現(xiàn)式機(jī)器人《西電I號》，也于1985年9月在陜西省科技貿(mào)易大會上進(jìn)行了表演。此外，清華大學(xué)自動化系研制的具有視覺手眼系統(tǒng)，北京鋼鐵學(xué)院研制的焊接機(jī)器人，均已達(dá)到了較高的水平。同時，在機(jī)器人學(xué)科中的視覺、聽覺、語音合成、觸覺、計算控制以及人工智能諸領(lǐng)域研究，也取得了一定的進(jìn)展。
近幾年來的成就表明，我國機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)邁出了可喜的一步。相信在不久的將來，我們一定回趕上世界各國前進(jìn)的步伐。
1.5工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用
? 機(jī)械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機(jī)械手為研究對象。下面具體說明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。
1.5.1 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動線
一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。國內(nèi)這類生產(chǎn)線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的4號和5號電動機(jī)加工自動線（軸類），上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動線（盤類）等。
加工箱體類零件的組合機(jī)床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動力機(jī)廠的氣蓋加工自動線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。
1.5.2 在實現(xiàn)單機(jī)自動化方面
各類半自動車床，有自動加緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開的功能，單仍需人工上下料；裝上機(jī)械手，可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，一人看管多臺機(jī)床。目前，機(jī)械手在這方面應(yīng)用很多，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機(jī)械手，大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機(jī)械手，沈陽第三機(jī)床廠的Y38滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗，國內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類產(chǎn)品出廠是就附上機(jī)械手，或為用戶安裝機(jī)械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手（生產(chǎn)線中有兩臺多工位機(jī)床）和天津二注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機(jī)械手的自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個方面：一是160t以上的沖床用機(jī)械手的較多。如沈陽低壓開關(guān)廠200t環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠400t沖床的下料機(jī)械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)輕局技術(shù)研究所制作的120t和40t多工位沖床機(jī)械手等。
1.5.3 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面
模鍛方面，國內(nèi)大批量生產(chǎn)的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩只機(jī)械手成一定角度布置早爐前，實現(xiàn)進(jìn)出料自動化。上海柴油機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)廠、洛陽拖拉機(jī)廠等已有較成熟的經(jīng)驗。
1.6 機(jī)械手的組成
工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。
1.6.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
（1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。
傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。
（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)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(jī)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(yán)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(jī)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(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機(jī)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(jī)械手的工作性能。
（4） 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國的正處于仿真階段。
1.6.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)
驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。
1.6.3 控制系統(tǒng)分類
在機(jī)械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。
1.7 課題工作要求
1.7.1 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(jī)）實現(xiàn)所有加工工序的自動裝、卸刀。
1.7.2 規(guī)格參數(shù)
抓重： 20公斤
自由度數(shù)： 4個
坐標(biāo)形式： 圓柱坐標(biāo)
手架運動參數(shù)：
拔、插刀行程（即滑座伸縮z）： 155毫米（最大180毫米）
升降行程（即找刀排y）： 3×420毫米（刀排間垂直方向距離為
420毫米，共四排）
回轉(zhuǎn)角度（ψ）： 180°
裝\卸刀手手臂伸縮行程(x)： 195毫米
手指夾持刀柄的直徑： φ100毫米
位置檢測與定位方式：
滑座伸縮、手架會裝和裝、卸刀手手臂伸縮運動采用行程開關(guān)進(jìn)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電行程開關(guān)進(jìn)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
用轉(zhuǎn)換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，切斷油路緩速緩沖。
驅(qū)動方式： 液壓
控制方式： 數(shù)字控制
第2章 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)的設(shè)計
2.1手部機(jī)構(gòu)
2.1.1 手部設(shè)計基本要求
（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。
（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），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(qiáng)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(fù)載。
（4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。
2.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu)
（1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。
（2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復(fù)運動。
（3）平面平移型。
2.1.3機(jī)械手手抓的設(shè)計計算
2.1.3.1 手抓的力學(xué)分析
下面對其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿 圖為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。
(a) (b)
圖滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析
1——手指 2——銷軸 3——杠桿
在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點，交和的延長線于A及B。
由=0 得
=0 得
由=0 得h
F= （3.1）
式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（mm）.
——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。
由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=。
2.1.3.2 夾緊力及驅(qū)動力的計算
手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進(jìn)行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
手指對工件的夾緊力可按公式計算：
式中 ——安全系數(shù)，通常1.22.0；
——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度；
——運載時工件最大上升速度
——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般選取0.030.5s
——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇。
G——被抓取工件所受重力（N）。
液壓缸的工作壓力
作用在活塞上外力F（N）
液壓缸工作壓力Mpa
作用在活塞上外力F（N）
液壓缸工作壓力Mpa
小于5000
50000以上
計算：設(shè)a=100mm,b=50mm,<<;機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動力和 驅(qū)動液壓缸的尺寸。
(1) 設(shè)
==1.02
根據(jù)公式，將已知條件帶入：
=1.5
（2）根據(jù)驅(qū)動力公式得：
=1378N
（3）取
（4）確定液壓缸的直徑D
選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa,
根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm
則活塞桿內(nèi)徑為:
D=630.5=31.5mm，選取d=32mm
2.1.4機(jī)械手手抓夾持精度的分析計算
機(jī)械手的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確,抓取精度高,重復(fù)定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。
機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差。
該設(shè)計以棒料來分析機(jī)械手的夾持誤差精度。
機(jī)械手的夾持范圍為80mm180mm。
一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：
工件的平均半徑：
手指長,取V型夾角
偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：
計算
當(dāng)S時帶入有：
夾持誤差滿足設(shè)計要求。
2.1.5彈簧的設(shè)計計算
選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計算如下。
(1).選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力
(2).選擇旋繞比C=8，則
(3).根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=42mm，估算彈簧絲直徑
(4).試算彈簧絲直徑
(5). 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)：
選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)圈
(6).最后確定，，，
(7).對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算
對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長細(xì)比，本設(shè)計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?
當(dāng)兩端固定時，,當(dāng)一端固定；一端自由時，；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動時，。結(jié)論本設(shè)計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。
(8).疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗算。
對于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗算）。
現(xiàn)在由于本設(shè)計是在恒定載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗算。計算公式：
選取1.31.7（力學(xué)性精確能高）
結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。
2.2 系統(tǒng)組成
本基械手系統(tǒng)由機(jī)體，傳送機(jī)構(gòu)，動力源和控制裝置四部分組成。其中機(jī)體由小車及本體等部分組成；傳送機(jī)構(gòu)主要由伸縮臂及抓緊機(jī)構(gòu)所組成；動力源由液壓驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動兩種形式構(gòu)成控制裝置主要由自動控制和手動控制兩部分組成。
2.3 總體技術(shù)方案
畢業(yè)設(shè)計的目的就是要把我們所學(xué)的比較分散的知識綜合起來，并進(jìn)行靈活運用?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是機(jī)電一體化，因此，我們的畢業(yè)設(shè)計是要我們將“機(jī)”、“電”、“液”三者合并起來。
“機(jī)”即是指機(jī)械，機(jī)械手的動作過程可以分五部分，即機(jī)械手的上升下降、機(jī)械手的前伸后縮、機(jī)械手的加緊放松、機(jī)械手的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、小車的前進(jìn)后退。這五部分中我們靠機(jī)械完成機(jī)械手的上升下降動作，即本課題所做的機(jī)械手采用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)手臂的上升、下降方面。
滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲桿傳動是帶動滾珠沿螺紋軌道滾動。滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或者其他直線運動副相比，有以下特點：
1） 傳動效率高 一般滾珠絲杠副的傳動效率達(dá)85%-98%，為滑動絲杠副的3-4倍。
2） 運動平穩(wěn) 滾動摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動與工作摩擦力矩差別很小。啟動時無沖擊，低速時無爬行。
3） 能源預(yù)緊 預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈，提高接觸剛度和傳動精度。同時增加的摩擦力矩相對不大。
4） 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度、高精度，具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲杠副的4-10倍以上.
5） 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲杠副摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙，通過預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸的補(bǔ)償?shù)呐蛎?，因此，可以達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。
6） 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的運動部件?？梢缘玫捷^好的同步運動。
7） 可靠性高 潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。
8） 不自鎖 用于垂直運動，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。
9） 經(jīng)濟(jì)性差，成本高 由于結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，故制造成本高價格往往以 mm計。
經(jīng)過計算，選擇如下：
電動機(jī)型號： Y802-2
功率： 1.1W
絲杠型號： Tr40×7
工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械機(jī)構(gòu)是指它的執(zhí)行系統(tǒng)，是機(jī)械手抓持工件、進(jìn)行操作及各種運動的機(jī)械部件。機(jī)械部件主要包括手部，手臂前后伸縮部分，手臂上下升降部分腰轉(zhuǎn)部分以及機(jī)座和行走機(jī)構(gòu)。
2.4腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計
2.4.1 腕部設(shè)計的基本要求
（1） 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(dān)。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。
（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局
腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強(qiáng)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。
（3） 必須考慮工作條件
對于本設(shè)計，機(jī)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(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。
2.4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇
2.4.2.1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?；剞D(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）。
(2) 齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，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(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。
2.4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇
本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，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)，采用液壓驅(qū)動。
2.4.3 腕部的設(shè)計計算
2.4.3.1 腕部設(shè)計考慮的參數(shù)
夾取工件重量60Kg，回轉(zhuǎn)。
2.4.3.2 腕部的驅(qū)動力矩計算
（1） 腕部的驅(qū)動力矩需要的力矩。
（2） 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。
夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量60Kg，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)時，計算 力矩：
（1） 手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=3.14
（2） 擦力矩。
（3） 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度。
查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：
代入：
2.4.3.3 腕部驅(qū)動力的計算
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表設(shè)缸體內(nèi)空半徑R=110mm，外徑根據(jù)表3-2選擇121mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為226mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力，選擇8Mpa
圖4.1 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意
表4.2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）
液壓缸內(nèi)徑
40
50
63
80
90
100
110
125
140
150
160
180
200
20鋼P
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
45鋼
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
2.4.3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
圖缸蓋螺釘間距示意
表螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系
工作壓力P（Mpa）
螺釘?shù)拈g距t(mm)
小于150
小于120
小于100
小于80
缸蓋螺釘?shù)挠嬎悖鐖D4.2所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表，在這種聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力
計算：
液壓缸工作壓強(qiáng)為P=8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個螺釘，，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=8個
危險截面
所以 =11863.3+10545=19772N
螺釘材料選擇Q235，（）
螺釘?shù)闹睆?
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.
2.4.3.5動片和輸出軸間的連接螺釘
（1） 動片和輸出軸間的連接螺釘
動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見上圖。連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。
于是得
D——動片的外徑；
f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對銅取f=0.15
螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為
或
帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得
螺釘材料選擇Q235，則（）
螺釘?shù)闹睆?
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=12mm.選擇M12的開槽盤頭螺釘。
2.5臂部
臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并改變手部在空間的位置。機(jī)械手的臂部一般具有2~3個自由度，即伸縮、回旋、俯仰或升降；專用機(jī)械手的臂部一般具有1~2個自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或直移。臂部總重量較大，受力一般較復(fù)雜，在運動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的靜、動載荷，尤其高速運動時， 將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性距），引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性。臂部運動部分零部件的重量直接影響著臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。專用機(jī)械手的臂部一般直接安裝在主機(jī)上；機(jī)械手的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)一起安裝在機(jī)身（即機(jī)座）上，機(jī)身可以是固定的，也可以是行走式的、即可沿地面或?qū)к壱苿印?
臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機(jī)器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及倒向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素，它們分別是，剛度要大，倒向性要好，偏重力矩要小，運動要平穩(wěn)、定位精度要高。
2.5.1 臂部結(jié)構(gòu)形式
機(jī)械手的臂部結(jié)構(gòu)一般包括臂部伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰或升降等運動的結(jié)構(gòu)以及與其有關(guān)的結(jié)構(gòu)，如傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、導(dǎo)向定位裝置、支撐連接件和位置檢測元件等。此外還有與腕部連接的有關(guān)構(gòu)件及配管、線等。下面介紹一些臂部結(jié)構(gòu)。
(1) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的臂部結(jié)構(gòu)，其臂部具有回轉(zhuǎn)、升降、伸縮自由度回轉(zhuǎn)運動通過齒條缸驅(qū)動齒輪回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)升降與伸縮分別由升降油缸和伸縮油缸驅(qū)動。
(2) 極坐標(biāo)機(jī)器人的臂部結(jié)構(gòu)，臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為齒輪齒條缸結(jié)構(gòu)，臂俯仰、臂伸縮均采用直線運動油缸。
(3) 多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的臂部結(jié)構(gòu)，這種類型的機(jī)械手多用于噴漆，故也稱為噴漆機(jī)器人。其臂部有回轉(zhuǎn)、俯仰和前后移動三個運動。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為齒輪齒條缸結(jié)構(gòu)，俯仰和前后運動均采用鉸鏈油缸驅(qū)動。
(4) 臂部伸縮運動結(jié)構(gòu)，用鋼管做成伸縮臂，由活塞桿帶動齒輪沿固定齒條滾動而產(chǎn)生伸縮運動，這種結(jié)構(gòu)的特點是傳動效率高，易于實現(xiàn)較大行程和速度，它的行程和速度的大小與齒輪的直徑大小有關(guān)。
(5) 臂部俯仰運動的結(jié)構(gòu)，一般采用鉸接油（氣）缸來實現(xiàn)。鉸接油（氣）缸位于手臂下方，活塞桿與手臂之間用鉸鏈連接，缸體與立柱之間用耳叉銷軸等方式連接。
(6) 臂部回轉(zhuǎn)及升降運動的結(jié)構(gòu)，可采用齒條缸與升降缸實現(xiàn)臂回轉(zhuǎn)和升降，臂回轉(zhuǎn)還可用回轉(zhuǎn)缸與行星齒輪傳動，鏈條鏈輪傳動。
(7) 臂部復(fù)合運動機(jī)構(gòu)，它是將一個驅(qū)動運動分解為1~3個運動，并能依合成運動的形式實現(xiàn)復(fù)雜運動的機(jī)構(gòu)。在一些專用機(jī)械手中常采用行星齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)及連桿機(jī)構(gòu)等來實現(xiàn)臂部的復(fù)合運動。
2.5.2 臂部運動的導(dǎo)向裝置
臂部的導(dǎo)向裝置，機(jī)械手的手臂伸縮及升降運動機(jī)構(gòu)上常設(shè)置導(dǎo)向裝置，其目的是：
（1） 防止移動部件在伸縮及升降時產(chǎn)生不必要的轉(zhuǎn)動，以保證手臂運動方位的準(zhǔn)確性。
（2） 增大移動部件的剛性，減少移動部件由于自重與抓取重量所引起的變形和位移。
（3） 承受移動部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。
導(dǎo)向裝置一般根據(jù)臂部的安裝形式、具體的結(jié)構(gòu)及抓取重量等因素來確定，就導(dǎo)向裝置而言，其導(dǎo)向精度、剛度和耐磨性對機(jī)械手的精度和其它工作性能影響很大，在設(shè)計時必須充分注意。這里僅就幾種特殊形式作一簡單介紹：
1單導(dǎo)向桿式 單導(dǎo)向桿一般配置在驅(qū)動油（氣）缸體的一側(cè)或活塞桿內(nèi)。放在活塞桿內(nèi)時，雖然結(jié)構(gòu)緊湊，但是工藝性比較差。單導(dǎo)向桿導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、摩擦力小，但是承載能力較低，剛性差，而且導(dǎo)向桿內(nèi)走管通道少。一般用于較小型的機(jī)器人。
單導(dǎo)向桿一般采用實心圓桿、方桿、空心圓桿、花鍵軸等。方桿比圓桿剛性好，但加工比較困難。
2 雙導(dǎo)向桿式 雙到向桿一般對稱配置在驅(qū)動油（氣）缸兩側(cè)。這種形式受力情況好、剛性大，可承受重載，導(dǎo)向桿內(nèi)部走管道多，便于油路配置。但轉(zhuǎn)動慣量增加，不利于回轉(zhuǎn)定位。雙導(dǎo)向