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磁吸式机械手设计（含CAD图纸全套）.doc 32页
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随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了磁吸式机械手的设计计算过程 。
首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类。
文章中介绍了磁吸式机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了磁吸式机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。
对于即将毕业的学生来说，本次设计的最大成果就是：综合运用机械设计、机械制图、机械制造基础、金属材料与热处理、公差与技术测量、理论力学、材料力学、机械原理、计算机应用基础以及工艺、夹具等基础理论、工程技术和生产实践知识。掌握机械设计的一般程序、方法、设计规律、技术措施，并与生产实习相结合，培养分析和解决一般工程实际问题的能力，具备了机械传动装置、简单机械的设计和制造的能力。
关键词：机械手；磁吸式机械手；电磁铁；行程开关；齿轮齿条；
Mechanical hand in industrial application is more and more important,With the development of industrial automation. The article mainly describes the magnetic suction type manipulator design calculation process.
Firstly, this paper introduces the role of mechanical hand, composing and classification of the manipulator.
The article introduced the magnetic suction type manipulator 's design theory and method. The comprehensive exhaustive discussion of the magnetic suction type manipulator's hand, the wrist, arm and the main components of the structural design.
Regarding the student who soon graduates, this design biggest achievement is: Synthesis basic theories, project technology and production practice knowledge and so on utilization machine design, mechanical drawing, machine manufacture foundation, metal material and heat treatment, common difference and technical survey, theoretical mechanics, materials mechanics, mechanism, computer application foundation as well as craft, jig. Grasps the machine design the general procedure, the method, the design rule, the technical measure, and unifies with the production practice, raises analyzes and solves the general engineering actual problem ability, has had the mechanical drive, the simple machinery design and manufacture ability.
Keywords: magnetic suct
Abstract II
1.2 工业机械手的简史 1
1.3工业机械手在生产中的应用 3
1.4 机械手的组成 3
1.5工业机械手的发展趋势 5
1.6 本文主要研究内容 5
1.7 本章小结 6
磁吸式机械手的总体设计方案 7
2.1机械手的主要部件及运动 7
2.2驱动机构的选择 7
2.3 本章小结 7
机械手手部的设计计算 8
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助力机械手控制系统实验研究
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助力机械手控制系统实验研究
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3秒自动关闭窗口第一篇:机械手设计第一章 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合 必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动 生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这 一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为 我们研究的课题。工业机械手是工业物流自动化中上网重要装置之一，是当今世界新技术革命的一个 重要标志。工业机械手是典型的机电一体化产品。工业机械手的产生和推广是社会生产和发展的需要，也是现代生产和科技发展的新 技术产品。工业机械手已经在工业生产、资源开发、社会服务、排险救灾以及军事技术 等方面发挥着愈来愈大的应用。工业机械手的应用和推广已经并将获得极大的效益。例如在机械制造工业、汽车工 业等生产中采用电焊、弧焊、喷漆等机械手，可以大大提高劳动生产率，保证产品质量， 改善劳动条件。又如在微电子、医药等生产部门，采用机械手操作，可以消除人对产品 的污染、确保产品质量。机械手可以在有毒、噪音、高温、易燃、易爆等危险有害的环境中代替人长期稳定 的工作，从根本上解决了操作者的安全保障问题。因而在这方面应用和推广机器人技术 是十分迫切和必要的。近代工业机械手的原型可以从本世纪 40 代算起。当时适应核技术的发展需要开发了 处理放射性材料的主从机械手。50 年代初美国提出了“通用重复操作机器人”的方案， 59 年研制出第一工业机械手原型。由于历史条件和技术水平关系，在 60 年代机械手发 展较慢。进入 70 年代后， 焊接、 喷漆机械手相继在工业中应用和推广。随着计算机技术、 控制技术、人工智能的发展、机械手技术得到迅速发展，出现了更为先进的可配视觉、 触觉的机器人所应用的机械手。如美国 Unimation 公司 PUMA 系列工业机器人相关的机械 手，即使由直流伺服驱动、关节式结构、多 cpu 微机控制、采用专用语言编程的技术先 进的机械手。到了 80、90 年代机器人及相关的机械手开始在工业上普及应用。据统计 1980 年全世界约有两万台机器人在工业上应用，而到今年 增长更快。今年已近开发出 具有视觉、 触觉及力觉感受的高性能机器人以及各种智能装配机械手，并投入工业应用。
1.2 国内外机械手研究概况
我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相 应的发展通用机械手，研制出示教式机械手工业机械手是在第二次世界大战期间发展起 来的， 始于 40 年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究， 它是 一种主从型的控制系统。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是： 机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手。运 动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存 装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；普曼公司专门生产工业机 械手联邦德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手， 主要用于起重运输、焊接和设备 的上下料等作业： 联邦德国 K 公司还生产一种点焊机械手， 采用关节式结构和程序控制； 日本是工业机器人发展最快， 应用国家最多的国家， 自 1969 年从美国引进两种典型机械 手后， 开始大力从事机械手的研究， 目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、 有害于健康的辅助性工作。我国工业机械手的研究与开发始于 20 世纪 70 年代。1972 年我国第一台机械手开发 于上海， 随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划 （） 开始， 我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且 制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州 机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的 氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都 是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的 机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器， DC――PWM 等等。计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、 升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不 用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了 应用范围。机械手的种类，按驱动方式分为液压式.气动式.电动式.机械式机械手;按适用范围可以
分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹可以分为点位控制和连续轨迹控制机械 手等。
1.3 课题研究的内容
本课题将要完成的主要任务如下： (1)选取合适的曲轴，并确定其特征参数； (2)选取机械手的坐标型式和自由度； (3)设计出机械手的各执行机构，包括：手部、手腕、手臂等部件的设计； (4)液压传动系统的设计。本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液动元器件 的选取，液动回路的设计；
1.4 机械手的组成
工业机械手是工业机器人的执行系统，由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成， 是抓取工件、进行操作及各种运动的机械部件。(一)执行机构 包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部 手部装在操作机手腕的前端，它是操作机直接执行工作的装置。由于与物件接触的 形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常 用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变 化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量 及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指 式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常 用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式 等。
吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸 附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气 流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物 件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机 床上下料机械手的手部)等型式. 2、手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位。3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件， 并按预定要求将其搬运到指定的位置. 工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆 机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的 各种运动。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装 置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转 力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件 受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和 V 形槽、燕尾槽等导向型 式。4、立柱 立柱是支承手臂的部件， 立柱也可以是手臂的一部分， 手臂的回转运动和升降(或俯 仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时 也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机 座上，故起支撑和连接的作用。
(二)驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装 置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。
第二章 机械手的总体结构设计
机械手总体设计图（proe 效果图） 2.1 机械手的座标型式与自由度
2.1.1 座标型式分析
按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标 式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因 此，采用圆柱座标型式。
2.1.2 自由度分析 相应的机械手具有三个自由度，即手臂的伸长、缩短和整体旋转。
手 臂 的 伸 缩
整 体 旋 转
图 2-1 机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图
2.1.2 机械手的手部结构方案设计 为 了使 机 械手的通用性更强， 把机械手的手部结构设计成可更换结构， 当工件是 棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。
2.13 机械手的手腕结构方案设计 考虑 到 机 械手的通用性， 同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回 转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为 回转气缸。
2.14 机械手的手臂结构方案设计 按照 抓 取 工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转 和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即 为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。
2.5 机械手的驱动方案设计 驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取 决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气
动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控 制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。
2.6 机械手的控制方案设计 考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC) 对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变 PLC 程序即可实现，非常方 便快捷。
2.7 机械手的主要参数 1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以 10 公斤左 右的为数最多。故该机械手主参数定为 10 公斤，高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部 时可吸附 5 公斤的重物。2、 基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求， 设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩的速 度。该机械手最大移动速度设计为 1.2m/s， 最大回转速度设计为 1200°/s， 平均移动速 度为 lm/s，平均回转速度为 900°/s。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手 设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必 然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和 比较， 该机械手手臂的伸缩行程定为 600mm,最大工作半径约为 1500mm，手臂安装前后可 调 200mm。手臂回转行程范围定为 2400(应大于 180 否则需安装多只手臂)，又由于该机 械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为 150mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土 0.5～±lmm
2.8 机械手的技术参数列表
一、用途: 简单搬运 二、设计技术参数: 为了保证这些参数指标，就需要在机械结构设计中充分考虑结构的强度要求、认真分析
机械动力特性，选择良好的结构型式，使机械手具有良好的工作性能。
1、抓重 （用来表示机器人负荷能力的参数，抓取重量与机器人的运行速度有关，通常用最 大速度时腕部最大负荷（N）表示。） 30 公斤 (夹持式手部) 2、自由度数 (说明腰、臂、腕等共有几个运动自由度。) 4 个自由度 3、座标型式 圆柱座标 4、最大工作半径 1500mm 5、手臂最大中心高 1380mm 6、手臂运动参数 伸缩行程 400mm
伸缩速度 小于 300mm/s 升降行程 升降速度 回转范围 回转速度
7、手腕运动参数 回转范围: 0
300mm 小于 70mm/s 0°～ 240° 小于90°/s
8、 t响 ――系统达到最高速度的时间， 一般选取 0.03 0.5s 9、手指夹持范围 棒料 : 80～150mm 10、驱动方式 液压传动（采用液压驱动，其具有体积小、质量轻、结构紧凑、传动平稳、操作 简单、安全、经济、易于实现过载保护且液压元件能够自行润滑等一系列优点。）
第三章 机械手手部的设计计算
3.1 手部设计基本要求 （1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构 所需的驱动力大小是不同的。（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合 绕支点所转过的角度） ? ? ，以便于抓取工件。（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结 构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4） 应保证手抓的夹持精度。3.2 典型的手部结构 （1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。
（3）平面平移型。3.3 机械手手抓的设计计算 3.3.1 选择手抓的类型及夹紧装置 本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角
?? = 60 0 ，夹取重量为60Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附
两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、 面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设 计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移 型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方 料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移 型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适 的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置 选择常开式夹紧装置， 它在弹簧的作用下机械手手抓闭和， 在压力油作用下， 弹簧被压缩， 从而机械手手指张开。
3.3.2 手抓的力学分析
下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图 3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部 结构。
(a) 上图为滑槽杠杆式手部结构、受力分析
如图所示为连杆式手部结构。作用在拉杆上的驱动力 3 为 F，两连杆 2 对拉杆反 作用力为 F1、F2，其力的方向沿连杆两铰链中心的连线，指向 O 点并与水平方向成 α 角，由拉杆的力平衡条件可知，即 ∑Fx=0,F1=F2;∑Fy=0
F1 ? F 2cos ?
F1 ? ?F1'
由连杆对手指的作用力为 F1′且 ?
M 01 ? F ?
?2F1'h ? FN b
b F= cos 2 ? FN a
（3.1） 式中 a――手指的回转支点到对称中心的距离（mm）.
? ――工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。
由分析可知，当驱动力 F 一定时，? 角增大，则握力 FN 也随之增大，但? 角过大会导致 拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好? = 30 3.3.3 夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行 分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性 力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算： FN ? K1K2 K3G （3.2） 式中
K1 ――安全系数，通常 1.2 2.0；
k2 ――工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估 K ? 1 ? a 其中 2 g
a，重力方向的最大上升加速度； a
vmax ――运载时工件最大上升速度，本机械手的工件只做水平和垂直平移，当
它的移动速度为 500 毫米/秒，移动加速度为 1000 毫米/秒 2
t响 ――系统达到最高速度的时间，一般选取 0.03 0.5s
K3 ――方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。
G――被抓取工件所受重力（N） 。
表 3-1 液压缸的工作压力 作用在活塞上外力 F 液压缸工作压力 Mpa 作用在活塞上外力 F 液压缸工作压力 Mpa （N） 小于 5000
0.8 1 1.5 2.0
2.0 4.0 4.0 5.0
50000 以上
计算：设 a=50mm,b=100mm,10 & ? & 40 ;机械手达到最高响应时间为 0.5s，求夹紧力 FN
和驱动力 F 和 驱动液压缸的尺寸。(1) 设 K1 ? 1.5
K2 ? 1 ? a =1+≈1.1 g
根据公式，将已知条件带入：
FN =1.1? 0.5 ? 50 ? 9.8 ?1.5 N ? 242.55 N
（2）根据驱动力公式得（上页已得出公式） ：
2 2 ?100 cos 300 ? ? 242.55 ? 727.65 ? 50
（3）式中 本设计取? ? 0.85
η――手部的机械效率，一般取 0.85~0.95；
727.65 ? 856.06 N 0.85
（4）确定液压缸的直径 D
选取活塞杆直径 d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力 P=0.8 1MPa,取 P=0.8MPa
? p ?1 ? 0.5
4 ? 856.06 ? 0.04263m ? 42.6mm ? ? 0.8 ?106 ? 0.75
根据表 4.1（JB826-66） ，选取液压缸内径为：D=40mm 则活塞杆内径为: D=40 ? 0.5=20mm，选取 d=20mm
3.3.4 手抓夹持范围计算
为了保证手抓张开角为 60 ，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长 100mm,当手抓没有张开角的时候，如图 3.2（a）所示，根据机构 设计，它的最小夹持半径 R1 ? 40 ，当张开 60 时，如图 3.2（b）所示，最 大夹持半径 R2 计算如下：
R2 ? 100 ? tg300 ? 40cos300 ? 90
? 机械手的夹持半径从 40 90mm
（a） 图 3.2 手抓张开示意图 3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算
机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并 有足够的抓取能 力? ? 。
机械手能否准确夹持工件， 把工件送到指定位置， 不仅取决于机械手的定位精度 （由 臂部和腕部等运动部件来决定） ， 而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的 中、 小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。
图 3.3 手抓夹持误差分析示意图 该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为 80mm 150mm。一般夹持误差不超过 1mm,分析如下： 工件的平均半径： Rcp ?
75 ? 40 ? 57.5mm 2
0 手指长 l ? 100mm ,取 V 型夹角 2? ? 120
偏转角 ? 按最佳偏转角确定：
? ? cos ?1
RCP 60 ? cos ?1 ? 460 l sin ? 100 ? sin 600
R0 ? l sin ? cos ? ?100 ? sin 600 cos 460 ? 60.15
当 R0 ? RMAX ? RMIN S 时带入有：
R R ? R ? ?R ? l ? ? max ? ? 2l MAX cos ? ? ? 2 ? l 2 ? ? MAX ? ? 2l min cos ? ? 0.678 sin ? sin ? ? sin ? ? ? 2sin ? ?
夹持误差满足设计要求。
3.5 弹簧的设计计算
选择簧弹是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图 3.4 所示，计算 过程?13? 如下。
图 3.4 圆柱螺旋弹簧的几何参数 (1).选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力 ?? ? ? 800MPa (2).选择旋绕比 C=8，则
K? 4C ? 1 0.615 ? 4C ? 4 6
K? 4C ? 1 0.615 ? 4 ? 8? ? 1 0.615 ? ? ? 1.183 ? 4C ? 4 6 ? 4 ? 8? ? 4 6
(3).根据安装空间选择弹簧中径 D=42mm，估算弹簧丝直径
d? D 42 ? ? 5.25mm C 8
(4).试算弹簧丝直径 （3.4）
d ' ? 1.6
d ' ? 1.6
? 8 ? 7mm 800 ?106
(5). 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：
n? Gd ?MAX 8FMAX C 3
8 ? 0.007 Gd ? ? 2.86 n? ?MAX 8 ?FMAX C 3
选择标准为 n ? 3 ，弹簧的总圈数 n1 ? n ? 1.5 ? 3 ? 1.5 ? 4.5 圈 (6).最后确定 D ? 42mm ， d ? 7mm ， D1 ? D ? d ? 42 ? 7 ? 35mm ，
D2 ? D ? d ? 42 ? 7 ? 52mm
(7).对于压缩弹簧稳定性的验算 对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比 b ? 下列选取： 当两端固定时， b ? 5.3 ,当一端固定；一端自由时， b ? 3.7 ；当两端自由转动时，
b ? 2.6 。
H 74 ? ? 1.76 ，本设计弹簧是 2 端自由，根据 D 12
结论本设计弹簧 b ? 1.76 ? 2.6 ，因此弹簧稳定性合适。(8).疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应 力强度进行验算（如果变载荷的作用次数 N ? 10 ，或者载荷变化幅度不大时，可只进行
静应力强度验算） 。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式：
?S ? SS ? max
8 KD Ss 选取 1.3 1.7 （力学性精确能高） ? max ? F ?d3
8 ?1.184 ? 0.042 8 KD ?1621 ?
F ? 3 3.14 ? 0.0073 ?d
?s 800 ?106 pa ? ? 1.3361 ? max
结论：经过校核，弹簧适应。
3.6 本章小结 通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽 杠杆式手部结构的夹紧力、夹紧用的弹簧、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手 部的夹持精度进行分析计算。
4 腕部的设计计算 4.1 腕部设计的基本要求 （1） 力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结 构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时， 必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要 有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3） 必须考虑工作条件 对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境 影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。4.2 腕部的结构以及选择 4.2.1 典型的腕部结构 (1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、 灵活等优点而被广腕部回 转，总力矩 M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片 之间允许回转的角度来决定（一般小于 270 ） 。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于 270 的情况下，可采用齿条活塞驱动 的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由 度。(4) 机-液结合的腕部结构。
4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 本设计要求手腕回转 180 ，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择 具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。4.3 腕部的设计计算 4.3.1 腕部设计考虑的参数 夹取工件重量 30Kg ， 4.3.2 腕部的驱动力矩计算 （1） 腕部的驱动力矩需要的力矩 M惯 。夹取棒料直径 100mm，长度 600mm，重量 30Kg，当手部回转 180 时，计算 力矩： （1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为 220mm，直径 120mm，其重力估算 G=3.14
G ? ? ? 0.062 ? 0.22 ? 7800Kg m3 ? 9.8N Kg ? 190N
（2） 擦力矩 M摩 ? 0.1m 。（3） 启动过程所转过的角度 ?启 ? 180 =0.314rad， 等速转动角速度 ? ? 2.616s 。
M 惯 ? ? J ? J工件 ?
查《工程力学》取转动惯量公式有：
J? 1 1 190 N MR 2 ? ? 0.062 N ? m ? s 2 ? 0.0342 N ? m ? s 2 2 2 9.8 N Kg
1 G 2 1 60 ? 9.8 l ? 3R 2 ? ? ? ? 0.62 ? 3 ? 0.052 ? ? 1.8375N ? m ? s 2 12 g 12 9.8 M 惯 ? ? 0.0342 ? 1.2 ? 20.396 N ? m 2 ? 0.314
M ? M惯 ? M摩 ? M惯 ? 0.1M
M? 20.396 ? 22.663N ? m 0.9
4.3.3 腕部驱动力的计算
表 4-1 液压缸的内径系列 （JB826-66） 20 70 110 25 75 125 32 80 130 40 85 140 50 90 160 55 95 180 63 100 200
（mm） 65 105 250
设定腕部的部分尺寸： 根据表 4-1 设缸体内空半径 R=110mm， 外径根据表 3-2 选择 121mm,这个是液压缸壁最小厚度， 考虑到实际装配问题后， 其外径为 226mm； 动片宽度 b=66mm,输出轴 r=22.5mm.基本尺寸示如图 4.1 所示。则回转缸工作压 力P?
2M 2 ? 61.11 ? ? 7.35Mpa ，选择 8Mpa b ? R2 ? r 2 ? 0.066 ? ? 0.0552 ? 0.02252 ?
图 4.1 腕部液压缸剖截面结构示意 表 4.2 标准液压缸外径（JB1068-67） 液压缸内径 20 钢 P ? 160Mpa 45 钢
P ? 200Mpa
40 50 63 80 90
100 110 125 140 150 160 180 200
50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245
50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245
4.3.4 液压缸盖螺钉的计算
图 4.2 缸盖螺钉间距示意 表 4.3 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系 工作压力 P（Mpa）
螺钉的间距 t(mm) 小于 150 小于 120 小于 100 小于 80
缸盖螺钉的计算，如图 4.2 所示，t 为螺钉的间距，间距跟工作压强有关， 见表 4.3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力
FQ0 ? FQ ? FQs '
（4.2） 计算： 液压缸工作压强为 P=8Mpa,所以螺钉间距 t 小于 80mm,试选择 8 个螺钉，
3.14 ? 0.11 ? 43.17 ? 80 8 ，所以选择螺钉数目合适 Z=8 个
危险截面 S ? ? R 2 ? ? r 2 ? ?
所以，FQ ? PS Z
0.112 ? 0.0452 ? 0. 4
K ? 1.5 1.8
FQS ? KFQ ? 1.5 ? 7908.8 ? 11863.3N
FQ0 ? FQ ? FQs ' =45=19772N
螺钉材料选择 Q235， 则?? ? ? 螺钉的直径 （4.4）
240 ? 160MPa （ n ? 1.2 1.5
4 ? 1.3FQ0
4 ? 1.3FQ0
4 ?1.3 ?19772 ? 0. ?160 ?106
螺钉的直径选择 d=16mm. 4.3.5 动片和输出轴间的连接螺钉 （1） 动片和输出轴间的连接螺钉 动片和输出轴之间的连接螺钉一般为偶数， 对称安装， 并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。bp 2 d D ? d 2 ? ? M 摩 ? FQ Zf ? 8 2 于是得 (4.5) D――动片的外径； f――被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取 f=0.15 螺钉的强度条件为
FQ ? bp D2 ? d 2 ? ? 4Zfd
或 (4.7) 带入有关数据，得
bp 0.066 ? 8 ?106 2 2 FQ ? D ?d ? ? 0.112 ? 0.0452 ? ? 24627 N ? ? 4Zfd 4 ? Z ? 0.15 ? 0.032
螺钉材料选择 Q235，则 ?? ? ?
240 ? 200MPa （ n ? 1.2 1.2
螺钉的直径
4 ?1.3 ? 24627 ? 0.012m 3.14 ? 200 ?106
螺钉的直径选择 d=12mm.选择 M12 的开槽盘头螺钉。
搬运机械手液压系统设计
5.1 夹紧液压缸液压回路设计
图 5-1 夹紧液压缸液压回路设计
原理分析： 1、该液压回路采用液控单向阀保压和锁紧，以保证夹紧缸夹持工作的可靠 性。2、该回路采用进油路节流阀调速。3、 该回路采用两位三通电磁换向阀换向，从而实现手爪夹紧或放松的动作。
5.2 伸缩液压缸液压回路设计
图 5-2 伸缩液压缸液压回路
原理分析： 1、该液压回路采用进油路节流阀调速。2、 该回路采用三位四通电磁换向阀换向，从而实现手臂伸长或缩短的动作。
5.3 升降液压缸液压回路设计
图 5-3 升降液压缸液压回路
原理分析： 1、该液压回路采用进油路节流阀调速。2、 该回路采用三位四通电磁换向阀换向，从而实现手臂上升或下降的动作。3、为防止升降液压缸因自重自由下滑，该回路设置了单向顺序阀来平衡。
5.4 旋转（齿条）液压缸液压回路设计
图 5-4 旋转（齿条）液压缸液压回路
原理分析： 1、该液压回路采用进油路节流阀调速。2、该回路采用三位四通电磁换向阀换向，从而实现手臂手臂顺时针旋转或逆时 针旋转的动作。
5.5 机械手整个液压系统设计
搬运机械手的运动分析
研究机械手机构运动学的目的是建立机械手各运动机构与手部在空间的位 置之间的关系， 建立机械手手臂运动的数学模型，为控制机械手的运动提供分析 的方法和手段，为仿真手臂的运动特征实现预定的功能提供依据。1、D-H 矩阵 搬运机械手的执行机构属于空间机构， 因而可以采用空间坐标变换基本原理 及坐标变矩阵解析方法来建立描述各构件（坐标系）之间的相对位置和姿态的矩 阵方程。应用于由转动副、 移动副和螺旋副组成的空间机械手机构中的齐次坐标交换 矩阵是 D-H 矩阵。D-H 矩阵是一个 4 ? 4 矩阵
? A11 A11 A11 PX ? ?A A A P ? ? 11 11 11 X ? ? A11 A11 A11 PX ? ? ? ? 0...0...0...1 ?
两坐标系间的旋转用 D-H 矩阵左上角的一个 3 ? 3 旋转矩阵（R）来描述；右 上角是一个 3 ?1 的列矩阵，称为位置矢量，表示两个坐标系间的平移； Px 、
Pz 为两坐标间平移矢量的三个分量。D-H 矩阵左下角中的 1? 3 行矩阵表示沿三
根坐标轴的透视变换；右下角的 1?1 单一元素矩阵为使物体产生总体交换的比 例因子。比例因子则总是取 1. 2、2 建立各构件的 D-H 坐标系 设工业机器人的操作由机座 0 及四个活动构件组成，具有一个旋转关节。机 座坐标系 x0 ? y0 ? z0 因连在机座 o 上， 。按右手坐标系规则建立的各活动杆件坐 标系全部绘于图、 、 、所示的机构运动简图。
手 臂 的 伸 缩
整 体 旋 转
机械手轴侧简图
3 2 o2 z1 o1 z0 1 0 o0
机械运动的简图 （2）确定各杆件的结构参数和运动变量 各关节的运动变量都是绕 zi 轴的转角，转角分别用 ?1 、 ?2 、 ?3 、 ?4 表示。将机构的各结构参数和运动变量列于下表。
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5
d1 d2 d3 d3
各结构参数和运动变量
（3）写出各相邻两杆件坐标系间的姿态矩阵 ? ? M i ?1,i ? ? 由上可知：
? ? M i ?1,i ? ?=
第一篇:机械手设计《 机 电 系 统 》课 程 设 计 说 明 书
课程设计任务书
简易型机械手的设计
设计任务： （1）方案论证；在其基础上进行机械手的总体设计，并绘制总体布 局图。（2）驱动系统设计：根据机械手的特点，选用舍党的驱动方式，根 据总体设计要求进行电机选型。进行电机选型相关计算。进行驱动系 统零部件的选型和设计。绘制驱动系统布局图。（3）控制系统设计：确定机械手的控制方式并进行控制系统的控制
与编程。绘制控制系统布局图。（4）传感与测试系统设计：进行控制与驱动系统的传感与测试系统 的设计。（5）机械本体设计：进行机械本体零部件设计，绘制总体和零件图。设计工作量: （1）设计说明书一份 （2）CAD 图纸 5 张 （3）文档整理排版 指导教师 设计时间 2011 年 1 月 3 日～2011 年 1 月 21 日
第 1 章 绪论……………… ……………………………………… ……1
1.1 机械手概述……………………………… ……………………… ……1 1.2 机械手的设计目的………… ………………………… …………… … 3 1.3 机械手的设计内容………… …………… …………………… … ……4 1.4 机械手的分类及其在生产中的应用… ……… … ……………………… 5 1.5 机械手的应用意义…………… …… … ……………………… ………8 1.6 机械手的技术发展方向… ……………… … … ………………… ……9
第 2 章 设计方案的论证………………………………………………10
2.1 机械手的总体设计 ………………………………………………… 10 2.2 机械手腰座结构的设计 ……………………………………………… 12 2.3 机械手手臂结构的设计 ……………………………………………… 14 2.4 工业机器人腕部的结构 ……………………………………………… 16 2.5 机械手末端执行器（手爪）的结构设计 ……………………………… 18 2.6 机械手的机械传动机构的设计………………………………… ………21 2.7 机械手驱动系统的设计 ………………………………………………26 2.8 机器人手臂的平衡机构设计……………………………………………33
第 3 章 理论分析和设计计算????????????????34
3.1 液压传动系统设计计算?????????????????????34 3.2 电机选型有关参数计算?????????????????????43
第 4 章 控制系统的设计………………………………………………47
4.1 可编程控制器 PLC…… …… …………………………………………47
4.2 PLC 的选型……………………………………………………………51 4.3 机械手的工艺流程…………… ……………… ………………………53 4.4 机械手的 PLC 控制系统程序………… …… …………………………57
第 5 章 机械手本体设计………………………………………………59
5.1 机械手零部件设计………………… ………………………… … …..59 5.2 机械手总成和零件图………………………………………… ...….…61
致谢……………………………………… ………… …………………62 参考文献………………………………………… ………… …………63
第 1 章 绪论
1.1 机械手的概述
机械手主要由手部、 运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工 件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而 有多种结 构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种 转动（摆动） 、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿 势。运动机构的 升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为 了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机 械手设计 的关 键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复 杂。一般专用机械手有 2～3 个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的 电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控 制。控制系统的核心通常是由单片机或 dsp 等微控制芯片构成，通过对其编程实 现所要功能。机械手通常常机床或其他机器的附加装置， 如在自动机床或自动生产线上装 卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作 装置需要由人直接操纵， 如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称 为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善 热、累等劳动条件。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成； 电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程 控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。机 械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电 子技术特别是电子计算机的广泛应用， 机器人的研制和生产已成为高技术领域内 迅速发展起来的一门新兴技术， 它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好 地实现与机械化和自动化的有机结合。在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代 化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、 无人生产流 水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如
高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境 不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与 工业生产自动化实践相结合的产物， 并以成为现代机械制造生产系统中的一个重 要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量 和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和 污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定 的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由 于通用机械手的应用和发展， 进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的 知识内 容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电 子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等， 因此它是一项 综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视， 几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不 断地增加，应用领域 也在不断地扩大。早在 40 年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械 手。50～60 年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械 手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特 (Unimate)机械手即属于这种类 型。60～70 年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线 上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90 年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90 年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、 林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90 年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机 械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代： 第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；
改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系 统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到 的信息反馈， 使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任 务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统 FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。
1.2 机械手的设计目的
工业机械手设计是机械制造、 机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教 学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化 系统设计的能力， 掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过这一环节要求达到： （1）通过设计，把握有关课程（机构分析与综合、机械原理、机械设计、 液压与气压传动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及 应用、自动化机械设计等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用，是这 些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来。因此，工业机械 手的设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计。（2）工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一 次比较完整的机电一体化的整机设计。通过设计，培养学生独立的机械整机设计 能力，树立正确的设计思路，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤， 为自动化机械设计打下良好的基础。（3）通过设计，使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图 册及规范， 熟悉有关国家标准和部分标准，以完成一个工业技术人员在机械整机 设计方面所必须具备的基本技能训练。（4）由于机械手设计工作量比较大，为使学生在短时间内得到完整训练， 同学以小组为单位， 分工合作共同完成此次机械手设计任务， 这样既节省了时间， 有解决了量大， 时间紧的矛盾， 同时最大限度的培养了学生分工协作完成大型设 计的能力。
1.3 机械手的设计内容
1.3.1 机械手的方案论证 根据国内外同类产品现状，设计课题方案。1.3.2 机械手的总体设计 在方案论证的基础上进行机械手的总体设计，并绘制总体布局图。1.3.3 驱动系统的设计 根据机械手的特点， 选用舍党的驱动方式， 根据总体设计要求进行电机选型。进行电机选型相关计算。进行驱动系统零部件的选型和设计。绘制驱动系统布局 图。1.3.4 控制系统的设计 确定机械手的控制方式并进行控制系统的控制与编程。绘制控制系统布局 图。1.3.5 传感与测试系统的设计 进行控制与驱动系统的传感与测试系统的设计。1.3.6 机械本体设计 进行机械本体零部件设计，绘制总体和零件图。
1.4 机械手的分类及其在生产中的应用
1.4.1 机械手的分类 （1）油田钻柱操作机械手 本产品由山东科技大学研发而成，主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸 工作。操作机械手设计有两个，一个坐落在一层台井口旁边 2 米左右处， 简称 为下手；一个坐落在二层台上的中心台上，简称为上手。下手的腰部回转角度 ≥120°，最大伸缩距离为 5.7 米，有 5 个运动关节，在手臂做伸缩运动时,手部保 持水平平动。上手的腰部回转角度为 310 ° ，最大伸缩距离≥2800mm，上手有 9 个运动关节，手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。机械手采用手动比例阀 控制下的液压控制方式。机械手可以完成的操作对象参数为：①钻柱高 30 m； ②钻杆重量为：40 Kg/m，总重 1200 Kg；③钻铤（七英寸直径）重量为：180 Kg /m，总重 5400 Kg。（2）硬臂式助力机械手 硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程 “漂浮”功能， 区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助 力机械手， 而必须选用硬臂式助力机械手。比如在工件重心远离臂悬挂点，或 是工件需要翻转或倾斜情况下， 必须选用硬臂式助力机械手，还有在厂房高度有 限情况下，可以选 用硬臂式助力机械手。硬臂式助力机械手可以实现提升最大 500Kg 的工件，半径最大可以达到 3000mm，提升高度 最大 2500mm。根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工 件重量的最小型号的机器， 如果我们用最大负载 200Kg 的机械手来搬运 30Kg 的 工件，那么操 作性能肯定不好，感觉很笨重。配有储气罐，可在断气情况下继 续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁 功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安 全表面时，操作者不能释放工件。上海永乾制造的助力机械手（含硬臂式、软 索式）还可以在用户现场气压不足的情况下，增加增压泵，可以使设备运行更加 平稳。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。
（3）软索式机械手 软索式机械手的功能与气动平衡吊类似，具有全行程的“漂浮”功能，但是 提升位移比气动平衡吊要小， 最大只有 3000mm， 而且最大负载只有 450Kg。配 有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者。配 合各种非标夹具， 软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可 以固定地面或悬挂固定使用，不能使用导轨式。（4）T 型助力机械手 区别于硬臂式助力机械手的是 T 型助力机械手没有双关节机械臂，它的前 后左右位移靠导轨来实现。由于 T 型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式 显得小巧，更适合于操作空间狭小的场合。T 型助力机械手的最大负载要比硬臂式小，只有 200Kg，但提升高度可以根 据客户要求设计，而且搬运范围要比硬臂式大的多。配有储气罐，可在断气情 况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启 动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放 置在安全表面时，操作者不能释放工件。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械 手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式为导轨移动。1.4.2 机械手在生产中的应用 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业 中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法， 程控机床、 数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动 化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有 待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75％是 小批量生产； 金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上 加工的时间仅占零件生产时间的 5％。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化 的迫切性，工业机 械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空 间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产， 广泛应用于柔性自动线。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以 下几方面： 1.热加工方面的应用
热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提 高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能 胜任的作业就更需要采用机械手操作。2.冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件 单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应 用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为 机床、设备上下工序联接的重要于段。3.拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发 展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解 制动 缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装 的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连 续喷漆，以 改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。近些年， 随着计算机技术、 电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的 应用， 工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。机械手虽然 目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危 险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并 越来越广泛地得到了应用，例如： (1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械 行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。
1.5 机械手的应用意义
在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： 1.可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的 装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业 生产机械化和自动化的步伐。2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪 声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接 操作 是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完 成作业， 大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中， 以机械手 代替人手进行工作， 可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.可以减少人力，便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应 用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和 综合加工自动生产线上， 目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生 产的节拍，便于有节奏地进行生产。
1.6 机械手的技术发展方向
目前国内工业机械于主要用于机床加工、 铸锻、 热处理等方面， 数量、 品种、 性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应 用范围， 重点发展铸锻、 热处理方面的机械手， 以减轻劳动强度， 改善作业条件。在应用专用机械手的同时， 相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机 械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆 动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通 用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典 型部件，即可组成各种不同 用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要 提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的 作用。此外还应大力 研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算 机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中， 工业机械手应用较多， 发展较快。目前主要用于机床、 模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序 完成规 定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如 发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的 发展趋势是大 力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反 馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自 行检测，重点是研究 视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视 照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将 物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色 和方位， 并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反 馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元 件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧 的压力敏感元件来控制， 达到自动调整握力的大小。总之， 随着传感技术的发展， 机械手的装配作业的能力将进一步提高。到 1995 年，全世界约有 50%的汽车由 机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制 造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
第 2 章 设计方案的论证
2.1 机械手的总体设计
2.1.1 机械手总体结构的类型 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构， 关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。1.直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的， 如 图 a2-1.。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有 可能达到很高的位置精度（μ m 级） 。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相 对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角 坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于 装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2.圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现 的，如图 2-1.b。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其 工作空间是一个圆柱状的空间。3. 球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的， 如图 2-1.c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运 作业。其工作空间是一个类球形的空间。4. 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2-1。关节型机 器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较 大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都 广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型 两种。
图 2-1 四种机器人坐标形式
2.1.2 设计具体采用方案
具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达 30KG，且长度达 500MM，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在 满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械 手在工作中需要 3 种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为 手臂的回转运动,综合考虑， 机械手自由度数目取为 3，坐标形式选择圆柱坐标形 式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是:结构比较简单,手臂运动范围 大,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图 2-2 所示。
2.2 机械手腰座结构的设计
进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执 行器等各个部分进行详细设计。2.2.1 机械手腰座结构的设计要求 工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的 回转基座。它是机器人的第一个回转关节， 机器人的运动部分全部安装在腰座上， 它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则： 1.腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2.腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴 承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。3.机器人的腰座是机器人的第一个回转关节， 它对机器人末端的运动精度影 响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置， 它包括驱动器 （电动、 液压及气动） 及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。5.腰部结构要便于安装、 调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基 准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙 及减速器的传动间隙。6.为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转 运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成， 而不运动的基座是用铸铁或铸 钢材料制成。2.2.2 设计具体采用方案 腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液 压缸或液压马达来实现， 目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很 高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器 人的第一个回转关节， 对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部 的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用 大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间 隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于 100） ，同时
为了减小机械手的整体结构， 齿轮采用高强度、 高硬度的材料， 高精度加工制造， 尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图 2-3 所示：
图 2-3 腰座结构图
2.3 机械手手臂的结构设计
2.3.1 机械手手臂的设计要求 机器人手臂的作用， 是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所 要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则； 1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行； 相互垂直的轴应尽可能相交于 一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和 大小与机器人手臂的长度， 手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末 端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求， 如果对机器人手腕的姿态提 出具体的要求， 则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作 空间。3.为了提高机器人的运动速度与控制精度， 应在保证机器人手臂有足够强度 和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强 度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研 究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好， 比重小（其比重相当于钢的 1/4，相当于铝合金的 2/3） ，但是，其价格昂贵，且 在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题， 故还未能在生产实际中 推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。4.机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误 差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡， 这对减小电机负 载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应 尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不 平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。6.机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机 械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。2.3.2 设计具体采用方案
机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运 动。直线运动的实现一般是气动传动， 液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达 30KG，属中型重量，同时 考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性， 安全性， 对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸 既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现 直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动 力， 因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定 性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结 构允许的情况下） ，再进行强度的较核。同时，因为控制和具体工作的要求，机 械手的手臂的结构不能太大， 若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能 满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导 杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四 个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导 杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问 题。
2.4 机械手腕部的结构设计
机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动） ，给出了机器人末端执行器在其 工作空间中的运动位置， 而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端 执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与 机器人手臂配合运动， 实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿 态，完成所需要的作业动作。2.4.1 机器人手腕结构的设计要求 1.机器人手腕的自由度数， 应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目 愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的 适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的 控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确 定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的 自由度数为 2 至 3 个， 有的需要更多的自由度， 而有的机器人手腕不需要自由度， 仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析， 考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。2.机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少 其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器 采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强 度的铝合金制造。3.机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要 便于装卸末端执行器。4.机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。5.要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。6.手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械 损坏。2.4.2 设计具体采用方案 通过对数控机床上下料作业的具体分析， 考虑数控机床加工的具体形式 及对机械手上下料作业时的具体要求， 在满足系统工艺要求的前提下提高安全和
可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由 度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3 个自由度来实现机床的上下料完全 足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图 2-4。
水平液压缸支承板
手臂手 爪联结 梁
图 2-4 手爪联结结构
2.5 机械手末端执行器（手爪）的结构设计
2.5.1 机械手末端执行器的设计要求 机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加 装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。末 端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装 置，用来进行相应的加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置， 用来进行测量及检验 作业。在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题； 1.机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器 的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的 想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。2.机器人末端执行器的重量、 被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许 的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3.机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上 很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目 前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业 实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器，加之以末 端执行器的快速更换装置， 以实现机器人多种作业功能，而不主张用一个万能的 末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。4.通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的 末端执行器， 可适用于不同的机器人，这就要求末端执行器要有标准的机械接口 （如法兰） ，使末端执行器实现标准化和积木化。5.机器人末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控 制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机器人执行机构的主流是电气式，其 次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节） 。
2.5.2 机器人夹持器的运动和驱动方式 机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪，多为双指手爪。按手指 的运动方式， 可分为回转型和移动型， 按夹持方式来分， 有外夹式和内撑式两种。机器人夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种 1.气动驱动方式 这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向， 用气
流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工 业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一 定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。2.电动驱动方式 电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用
直流伺服电机或步进电机， 并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱 动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的 条件下，因为电机有可能产生火花和发热。3.液压驱动方式 液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。
2.5.3 机器人夹持器的典型结构 1.楔块杠杆式手爪： 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、 开， 来实现抓取工件。2.滑槽式手爪：当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧 动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓 取大小不同的物体。3.连杆杠杆式手爪： 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧 （放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通 常与弹簧联合使用。4.齿轮齿条式手爪：这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生 手爪的夹紧与松开动作。5.平行杠杆式手爪： 采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪 的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。2.5.4 设计具体采用方案 结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，
通过活塞杆端部齿条， 中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度 由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为 50mm 来设计。手爪的具体 结构形式如图 2-5 所示：
图 2-5 机械手末端执行手爪结构图
2.6 机械手的机械传动机构的设计
2.6.1 工业机器人传动机构设计应注意的问题 机器人是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构。除直接驱动型 机器人以外， 机器人各联杆及各关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机构 进行驱动的。机器人所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的机 械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传动 部件直接影响着机器人的精度、稳定性和快速响应能力，因此，应设计和选择满 足传动间隙小，精度高，低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传 递转矩大、 谐振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的 传动部件。在设计机器人的传动机构时要注意以下问题： 1.为了提高机器人的运动速度及控制精度， 要求机器人各运动部件的重量要 轻，惯量要小。因此，机器人的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小。2.在传动链及运动副中要采用间隙调整机构， 以减小反向空回所造成的运动 误差。3.系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应是尽可能小的正斜率， 若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减小。因此，要采用低摩擦阻力的传 动部件和导向支承部件，如滚珠丝杠副、滚动导向支承等。4.缩短传动链， 提高传动与支承刚度，如用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚 动导轨副的传动和支承刚度； 采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与 丝杠螺母副连接， 以减小中间传动机构；丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预 拉伸支承结构等。5.选用最佳传动比， 以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上 的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。6.缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形等措施。7.适当的阻尼比， 机械零件产生共振时， 系统的阻尼越大， 最大振幅就越小， 且衰减越快；但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大，稳态误差增大，精 度降低。故在设计时要使传动机构的阻尼合适。
2.6.2 工业机器人常用的传动机构形式 1.齿轮传动机构 在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线 针轮及蜗轮蜗杆传动等。机器人系统中齿轮传动设计的一些问题 （1）齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。齿轮传动部件是转矩、转速 和转向的变换器用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动比应满 足驱动部件与负载之间的位移及转矩、 转速的匹配要求， 其输入电动机为高转速， 低转矩，而输出则为低转速，高转矩。故齿轮传动系统要有足够的刚度，还要求 其转动惯量尽量小， 以便在获得同一加速度时所需的转矩小，即在同一驱动功率 时，其加速度响应最大。齿轮的啮合间隙会造成传动死区（失动量） ，若该死区 是闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常使系统产生低频振荡，因此要尽量采 用齿侧间隙小，精度高的齿轮；为尽量降低制造成本，要采用调整齿侧间隙的方 法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性。（2）各级传动比的最佳分配原则。当计算出传动比后，为使减速系统结构紧 凑，满足动态性能和提高传动精度的要求，要对各级传动比进行合理的分配，原 则如下： a．输出轴转角误差最小原则 为了提高齿轮传动系统的运动精度，各级传
动比应按“先小后大”的原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差及回转 误差对输出转角精度的影响。设齿轮传动中各级齿轮的转角误差换算到末级输出 轴上的总转角误差为 ?? max ，则
?? m a x? ? ?? k / i( kn )
式中： ??k -----第 k 个齿轮所具有的转角误差；
i( kn ) -----第 k 个齿轮的转轴至 n 级输出轴的传动比。
则四级齿轮传动系统的各级齿轮的转角误差（ ??1 、 ??2 、...、 ??8 ）换算到 末级输出轴上的总转角误差为
?? max ? ??1 ?? 2 ? ??3 ?? 4 ? ??5 ??6 ? ??7 ? ? ? ? ??8 i i 2 i3 i 4 i3 i 4 i4
由此可知总转角误差主要取决于最末级齿轮的转角误差和传动比的大小。因 此，在设计中最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高其加工精度。b． 等效转动惯量最小原则 利用该原则设计的齿轮系统要使换算到电动机
轴上的等效转动惯量最小，各级传动比也是按照“先小后大”的次序分配，以使 其结构紧凑。具体而言有几点： （1）对要求运动平稳，起停频繁和动态性能好的伺服系统，按最小等效转动 惯量和总转角误差最小的原则来处理。（2）对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免 同期啮合以降低噪音和振动。（3）对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系统，按总转角误差 最小原则；对于增速传动，由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在 开始几级就增速， 并且要求每级增速比最好大于 1:3， 以有利于增加轮系的刚度， 减小传动误差。（4）对以比较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系结合 为混合轮系。对于相当大大传动比、并且要求传动精度与传动效率高，传动平稳 以及体积小重量轻时。可选用新型的谐波齿轮传动。2.谐波齿轮传动 谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百） ，传 动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十 分相似， 它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与 运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。3.螺旋传动 螺旋传动及丝杠螺母， 它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运 动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有 以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦） ，前者结 构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率
低（30%~40%） 。后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻 力矩小、传动效率高（92%~98%） ，其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能 消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步 性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠 传动返行程不能自锁； 因此在用于垂直方向传动时， 须附加自锁机构或制动装置。在选用滚珠丝杠要考虑以下几项指标： （1）滚珠丝杠的精度等级； （2）滚珠丝杠的传动间隙允许值和预加载荷的期望值； （3）载荷条件（静、动载荷）以及载荷允许值； （4）滚珠丝杠的工作寿命； （5）滚珠丝杠的临界转速； （6）滚珠丝杠的刚度； 减小滚珠丝杠空回行程的方法，多是采用双螺母结构，使螺母与丝杠之间 有一定的预加载荷。这样可以消除传动间隙，提高传动精度与刚度。但是预加载 荷会使滚珠丝杠寿命下降，所以，预加载荷不应超过工作载荷的 1/3。4.同步带传动 同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动， 它 在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证 带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料， 无弹性滑动， 以保证节距不变。同步带具有传动比准确、 传动效率高 （可达 98%） 、 节能效果好； 能吸振、 噪声低、 不需要润滑； 传动平稳， 能高速传动 （可达 40m/s） 、 传动比可达 10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要 缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮 齿形有梯形齿形和圆弧齿形。5.钢带传动 钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大， 无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、 传动效率高。6.链传动
在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将 腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较 远，故采用精密套筒滚子链来传动。7.钢丝绳轮传动 钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其 缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。2.6.3 设计具体采用方案 具体到本设计，因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂和垂直手臂， 由于液压缸实现直接驱动，它既是关节机构，又是动力元件。故不需要中间传动 机构，这既简化了结构，同时又提高了精度。而机械手腰部的回转运动采用步进 电机驱动，必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较，选择圆柱齿轮传 动，为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭 矩，同时较大的降低电机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采 用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于 100） ，齿轮采用高强度、高硬度的材 料，高精度加工制造。
2.7 机械手驱动系统的设计
2.7.1 机器人各类驱动系统的特点 工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要 也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点 如下。1.液压驱动系统 由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量 比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以 及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能 转换成液压能） ，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低， 液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。2.气动驱动系统 具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷 的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中，如在 上、下料和冲压机器人中应用较多。3.电动驱动系统 由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频 器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后 面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中， 成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机 器人中被广泛的使用。2.7.2 工业机器人驱动系统的选择原则 设计机器人时，驱动系统的选择，要根据机器人的用途、作业要求、机器 人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条 件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素， 充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下： 1.物料搬运（包括上下料）使用的有限点位控制的程序控制机器人，重负
荷的选择液压驱动系统， 中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动 系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。2.用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人，要求具有点位和轨迹控制功能，需 采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机 器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压 驱动系统。2.7.3 机器人液压驱动系统 液压系统自 1962 年在世界上第一台机器人中应用到现在，已在工业机器 人中获得了广泛的应用。目前， 虽然在中等负荷以下的工业机器人中大量采用电 机驱动系统， 但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系 统的还仍然占有很大的比例。液压系统在机器人中所起的作用是通过电 -液转换元件把控制信号进行功 率放大，对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制，进而控制机器人手臂 按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达， 连续回转的液压马达用得很少。在工业机器人中，中、小功率的液压驱动系统用 节流调速的为多，大功率的用容积调速系统。节流调速系统，动态特性好，但是 效率低。容积调速系统，动态特性不如前者，但效率高。机器人液压驱动系统包 括程序控制和伺服控制两类。1.程序控制机器人的液压系统 这类机器人属非伺服控制的机器人，在只有简单搬运作业功能的机器人 中，常常采用简易的逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实现有限点位的控 制。这类机器人的液压系统设计要重视以下方面： （1）液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合 的密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸的寿命。（2）定位点的缓冲与制动：因为机器人手臂的运动惯量比较大，在定位点 前要加缓冲与制动机构或锁定装置。（3）对惯量比较大的运动轴的液压缸两侧最好加设安全保护回路，防止因 碰撞过载而损坏机械结构。（4）液压源应该加蓄能器，以利于多运动轴同时动作或加速运动提供瞬时
能量储备。2.伺服控制机器人的液压系统 具有点位控制和连续轨迹控制功能的工业机器人，需要采用电-液伺服驱动 系统。其电-液转换和功率放大元件有电-液伺服阀，电-液比例阀，电-液脉冲阀 等。由以上各类阀件与液压动力机构可组成电-液伺服马达，电-液伺服液压缸， 电 - 液步进马达，电 - 液步进液压缸，液压回转伺服执行器（ RSA-Rotory Serve Actuator）等各种电-液伺服动力机构。根据结构设计的需要，电 -液伺服马达和 电-液伺服液压缸可以是分离式，也可以是组合成为一体。如果是分离式的连接 方式，要尽量缩短连接管路，这样可以减少伺服阀到液压机构间的管道容积，以 增大液压固有频率。在机器人的驱动系统中，常用的电-液伺服动力机构是电-液伺服液压缸和 电-液伺服摆动马达，也可以用电-液步进马达。液压回转执行器是一种由伺服电 机， 步进电机或比例电磁铁带动的一个安放在摆动马达或连续回转马达转子内的 一个回转滑阀，通过机械反馈，驱动转子运动的一种电-液伺服机构。它可安装 在机器人手臂和手腕的关节上， 实现直接驱动。它既是关节机构， 又是动力元件。2.7.4 机器人气动驱动系统 气动机器人采用压缩空气为动力源， 一般从工厂的压缩空气站引到机器人 作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机器人具有气源使用方便、 不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境 下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床 上、下料，仪表及轻工行业中、小型零件的输送和自动装配等作业，食品包装及 运输，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、 小 机器人中的。这类机器人多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构； 3-5 个自由度；负荷在 200N 以下；速度 300-1000mm/s；重复定位精度为+/-0.1-0。5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器（PLC） 。在易燃、易爆的场合下可 采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统}