[排版]數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)

[排版]數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì),排版,數(shù)控機(jī)床,上下,機(jī)械手,設(shè)計(jì) J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 畢 業(yè) 論 文 數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì) CNC machine loading and unloading manipulator design 學(xué)院名稱： （四號(hào)宋體） 專業(yè)班級(jí)： （四號(hào)宋體） 學(xué)生姓名： （四號(hào)宋體） 指導(dǎo)教師姓名： （四號(hào)宋體） 指導(dǎo)教師職稱： （四號(hào)宋體） 年 月 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) I 數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱： 摘要 通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，對(duì)工業(yè)機(jī) 械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，設(shè)計(jì)了一種圓柱坐標(biāo)形式的數(shù)控機(jī)床上下料 機(jī)械手。重點(diǎn)針對(duì)機(jī)械手的腰座、手臂、手爪等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn) 行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。具體進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)，腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的 設(shè)計(jì)，機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。 基于 PLC 對(duì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入細(xì)致的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)機(jī)械手作業(yè)的工藝過(guò)程和 控制要求的分析，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件電路，同時(shí)編制了機(jī)械手的控制程序。設(shè)計(jì)達(dá) 到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手 PLC 液壓伺服定位 電液系統(tǒng) 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) II CNC machine loading and unloading manipulator design Abstract Integrate the knowledge of the past four years of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end effector and the control system etc. including Total design, waists construction design, the arms construction design, the wrists construction design, the end effectors construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. Deeply design the manipulators control system, which based on PLC. After analysis about the craft process and the requests of the manipulator, the hardware circuit and the control program of the manipulator then is designed. In a word, the design of the manipulator has come to the anticipant object. Keyways: Manipulator PLC Hydraulic servo control Electrohydraulic system 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) III 目 錄 第 1 章 緒論 ......................................................1 1.1 選題背景 ...........................................................................................................................1 1.2 設(shè)計(jì)目的 ...........................................................................................................................1 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì) ...................................................................................................2 1.4 設(shè)計(jì)原則 ...........................................................................................................................3 第 2 章 設(shè)計(jì)方案的論證 ............................................4 2.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) ...........................................................................................................4 2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型 ...............................................................................................4 2.1.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 .......................................................................................................5 2.2 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ...................................................................................................6 2.2.1 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 .......................................................................................6 2.2.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 .......................................................................................................6 2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...................................................................................................7 2.3.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 ...............................................................................................7 2.3.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 .......................................................................................................8 2.4 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...................................................................................................9 2.4.1 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 .......................................................................................9 2.4.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 .....................................................................................................10 2.5 機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .....................................................................10 2.5.1 機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 .................................................................................10 2.5.2 機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 .............................................................................11 2.5.3 機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) .........................................................................................12 2.5.4 設(shè)計(jì)具體采用方案 .....................................................................................................12 2.6 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .....................................................................................13 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 2.6.1 工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題 .................................................................13 2.6.2 工業(yè)機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式 .............................................................................14 2.6.3 設(shè)計(jì)具體采用方案 .....................................................................................................18 2.7 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .................................................................................................18 2.7.1 機(jī)器人各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) .....................................................................................18 2.7.2 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則 .............................................................................19 2.7.3 機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) .................................................................................................19 2.7.4 機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) .................................................................................................21 2.7.5 機(jī)器人電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) .................................................................................................22 2.7.6 設(shè)計(jì)具體采用方案 .....................................................................................................25 2.8 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .........................................................................................25 2.8.1 機(jī)器人平衡機(jī)構(gòu)的形式 .............................................................................................26 2.8.2 設(shè)計(jì)具體采用的方案 .................................................................................................26 第 3 章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 .......................................27 3.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 .................................................................................................27 3.1.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案 .............................................................................................27 3.1.2 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路 .............................................................................28 3.1.3 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .....................................................................................................28 3.1.4 繪制液壓系統(tǒng)圖 .........................................................................................................29 3.1.5 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) .........................................................................................29 3.1.6 計(jì)算和選擇液壓元件 .................................................................................................34 3.1.7 液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算 .................................................................................................36 3.2 電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算 .................................................................................................36 3.2.1 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 .........................................................................................................36 3.2.2 電機(jī)型號(hào)的選擇 .........................................................................................................39 第 4 章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .....................................40 4.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .............................................................................................40 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) V 4.1.1 機(jī)械手工藝過(guò)程與控制要求 .....................................................................................40 4.1.2 機(jī)械手的作業(yè)流程 .....................................................................................................40 4.1.3 機(jī)械手操作面板布置 .................................................................................................42 4.1.4 控制器的選型 .............................................................................................................42 4.1.5 控制系統(tǒng)原理分析 .....................................................................................................43 4.1.6 PLC 外部接線設(shè)計(jì) ......................................................................................................44 4.1.7 I/O 地址分配 ................................................................................................................44 4.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .............................................................................................46 4.2.1 機(jī)械手控制主程序流程圖 .........................................................................................46 4.2.2 機(jī)械手控制程序設(shè)計(jì) .................................................................................................46 第 5 章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 ...........................................48 結(jié) 論 ..........................................................49 致 謝 ..........................................................50 參考文獻(xiàn): .......................................................51 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 1.1 選題背景 機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置， 它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特 別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的 一門新興技術(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(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng) 化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提 高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ， 加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī) 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(gè)重要組成部分。把機(jī)床 設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)， 可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn) 系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市 場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)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(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平 的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常 有意義的。 1.2 設(shè)計(jì)目的 本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完 成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè) 計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具 有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。 目前，在國(guó)內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)化大生產(chǎn),針對(duì)具體生產(chǎn)工藝,利用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)裝卸機(jī)械手代替 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 本機(jī)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(shí)現(xiàn)加 工過(guò)程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無(wú)人化。目前，我國(guó)的制造業(yè)正在迅速發(fā)展， 越來(lái)越多的資金流向制造業(yè)，越來(lái)越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工 廠車間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過(guò)程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕 工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì) 目前，在國(guó)內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體 趨勢(shì)如下： A機(jī)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(jī)、減速機(jī)、檢測(cè) 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(jī)器人整機(jī)。 B工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)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。 C機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)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(lái)進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī) 器人的關(guān)鍵技術(shù)。 D關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系 列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)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)； E焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)仿真。 總的來(lái)說(shuō)，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn) 的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對(duì)具體的任務(wù)的 工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價(jià)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(jì)、 簡(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 1.4 設(shè)計(jì)原則 在設(shè)計(jì)之前，必須要有一個(gè)指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是：以任務(wù)書所要 求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)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(jiǎn)練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元 配件，以降低成本，同時(shí)提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，同時(shí) 也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、 液壓、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)及控制、傳感器、可編程控制器（PLC） 、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、 機(jī)械系統(tǒng)仿真等知識(shí)盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的知 識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性， 腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。 第 2 章 設(shè)計(jì)方案的論證 2.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型 結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下。 1.直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖 a2-1.。由 于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 精度（m 級(jí)） 。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是 比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型 的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及 搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 2.圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖 2- 1.b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱 狀的空間。 3.球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖 2-1.c。 這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是 一個(gè)類球形的空間。 4.關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖 2-1.d。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作 靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人 在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī) 器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)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 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2.1.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 圖 2-2 機(jī)械手工作布局圖 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá) 30KG，且長(zhǎng)度達(dá) 500MM， 同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求 的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要 3 種運(yùn)動(dòng), 其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng),另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),綜合考慮，機(jī)械手 自由度數(shù)目取為 3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度，其 特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,手臂運(yùn)動(dòng)范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度。機(jī)械手工作布局圖如圖 2- 2 所示。 2.2 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等 各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2.2.1 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。 它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人 的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則： 1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 2.腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié) 構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。 3.機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大， 因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。 4.腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、液壓及氣動(dòng)）及減 速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。 5.腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面， 以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳 動(dòng)間隙。 6.為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部 分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 2.2.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是通過(guò)擺動(dòng)液壓缸或液 壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者。因?yàn)殡妱?dòng)方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊 湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)， 對(duì)機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般電機(jī)都不能 直接驅(qū)動(dòng)，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和 扭矩的放大。因?yàn)辇X輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采 用大的傳動(dòng)比（大于 100） ，同時(shí)為了減小機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度 的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示： 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 2-3 腰座結(jié)構(gòu)圖 2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作 空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則； 1.應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這 樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)器人的控制。 2.機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī) 器人手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒(méi) 有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì)機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手 臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒(méi)有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 3.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的 條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料， 通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制 造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重小（其比重相當(dāng)于鋼的 1/4，相當(dāng)于鋁合金的 2/3） ，但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的 工藝上尚存在問(wèn)題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂 的重量。 4.機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此， 各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。 5.機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小電機(jī)負(fù)載和提高 機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī) 器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來(lái)減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè) 計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡手臂殘余的不平衡重量。 6.機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊， 以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。 2.3.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。直 線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到搬運(yùn) 工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá) 30KG，屬中型重量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài) 性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動(dòng) 均選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件， 不用再設(shè)計(jì)另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的 控制。 因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn) 的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑 取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下） ，再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。 同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過(guò)增 大液壓缸的缸徑來(lái)增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加 其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié) 構(gòu)。通過(guò)增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn) 定性的問(wèn)題。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 2.4 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)） ，給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間 中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作 空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。機(jī)器人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。 2.4.1 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 1.機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來(lái)設(shè)計(jì)。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，各 關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對(duì)對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。 但是，自由度的增加，也必然會(huì)使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)器人的控制更困難，成本也會(huì)增 加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來(lái)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(jī)器人手腕的自由度數(shù)為 2 至 3 個(gè)，有的需要更多的 自由度，而有的機(jī)器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的 任務(wù)。因此，要具體問(wèn)題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運(yùn)動(dòng)方案，選擇滿足要求 的最簡(jiǎn)單的方案。 2.機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí)，應(yīng)力求減少其重量和 體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用分離傳動(dòng)。 腕部驅(qū)動(dòng)器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動(dòng)，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。 3.機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸 末端執(zhí)行器。 4.機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。 5.要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。 6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。 2.4.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)機(jī)械手 上下料作業(yè)時(shí)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械 手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 滿足作業(yè)要求的，3 個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié) 梁）結(jié)構(gòu)見圖 2-4。 水 平 液 壓 缸 支 承 板 手 臂 手爪 聯(lián) 結(jié)梁執(zhí) 行 手 爪 圖 2-4 手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 2.5 機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.5.1 機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來(lái)進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī) 器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為 搬運(yùn)用、加工用和測(cè)量用等。 搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來(lái)抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。 加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置， 用來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。 測(cè)量用末端執(zhí)行器是裝有測(cè)量頭或傳感器的附加裝置，用來(lái)進(jìn)行測(cè)量及檢驗(yàn)作業(yè)。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題； 1.機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來(lái)設(shè)計(jì)的。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)， 就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)用場(chǎng)所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的 新的機(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。 2.機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機(jī)器人容許的負(fù)荷力。 因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 3.機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬(wàn)能性與專用性是矛盾的。萬(wàn)能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜， 甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬(wàn)能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實(shí)用化。目前，能用于生產(chǎn) 的還是那些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、萬(wàn)能性不強(qiáng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重 開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬(wàn)能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因?yàn)檫@ 種萬(wàn)能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。 4.通用性和萬(wàn)能性是兩個(gè)概念，萬(wàn)能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行 器，可適用于不同的機(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭） ，使末 端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。 5.機(jī)器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。用計(jì)算機(jī)控制最方便 的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣 壓式（在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)） 。 2.5.2 機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng) 方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來(lái)分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。 機(jī)器人夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種 1.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來(lái)控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來(lái) 調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。 另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取 動(dòng)作十分需要的。 2.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī) 或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的 力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn) 生火花和發(fā)熱。 3.液壓驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 2.5.3 機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) 1.楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。 2.滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾 緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)，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(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾 緊與松開動(dòng)作。 5.平行杠桿式手爪 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指 保持平行運(yùn)動(dòng)，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多。 2.5.4 設(shè)計(jì)具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)活 塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的 直徑來(lái)調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為 50mm 來(lái)設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖 2-5 所示： 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 2-5 機(jī)械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖 2.6 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.6.1 工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題 機(jī)器人是由多級(jí)聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)器人 以外，機(jī)器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是由驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。 機(jī)器人所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相類似。常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺 旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)等。由于傳動(dòng)部件直接影響著機(jī)器人的精 度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇滿足傳動(dòng)間隙小，精度高，低摩擦、 體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動(dòng)機(jī) 等其它環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能相匹配等要求的傳動(dòng)部件。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下問(wèn)題： 1.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度，要求機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件的重量要輕，慣量 要小。因此，機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。 2.在傳動(dòng)鏈及運(yùn)動(dòng)副中要采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小反向空回所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。 3.系統(tǒng)傳動(dòng)部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動(dòng)摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負(fù)斜 率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支 承部件，如滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支承等。 4.縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌副 的傳動(dòng)和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機(jī)直接與絲杠螺母副連接， 以減小中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計(jì)采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)等。 5.選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量，盡可能提高加速能力。 6.縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動(dòng)間隙、減少支承變形等措施。 7.適當(dāng)?shù)淖枘岜?，機(jī)械零件產(chǎn)生共振時(shí)，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減 越快；但大阻尼也會(huì)使系統(tǒng)的失動(dòng)量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。故在 設(shè)計(jì)時(shí)要使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻尼合適。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 2.6.2 工業(yè)機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式 1.齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 在機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)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(dòng)等。機(jī)器人系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題： （1）齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比的最佳匹配選擇。齒輪傳動(dòng)部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向 的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個(gè)力矩變換器。齒輪傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與 負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則 為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便 在獲得同一加速度時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的 嚙合間隙會(huì)造成傳動(dòng)死區(qū)（失動(dòng)量） ，若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定， 常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造 成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來(lái)消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。 （2）各級(jí)傳動(dòng)比的最佳分配原則。當(dāng)計(jì)算出傳動(dòng)比后，為使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿 足動(dòng)態(tài)性能和提高傳動(dòng)精度的要求，要對(duì)各級(jí)傳動(dòng)比進(jìn)行合理的分配，原則如下： a輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。為了提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按 “先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)角 精度的影響。設(shè)齒輪傳動(dòng)中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 ，則 max （2-1）)(1max/knnii 式中： -----第 個(gè)齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；k -----第 個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)軸至 n 級(jí)輸出軸的傳動(dòng)比。)(kni 則四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（ 、 、...、 ）換算到末級(jí)輸128 出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 （2-2）84764354321max iiii 由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動(dòng)比的大小。因此，在 設(shè)計(jì)中最末兩級(jí)的傳動(dòng)比應(yīng)取大一些，并盡量提高其加工精度。 b等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則。利用該原則設(shè)計(jì)的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動(dòng)機(jī)軸上的等 效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，各級(jí)傳動(dòng)比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊。 具體而言有幾點(diǎn)： （1）對(duì)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，起停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和 總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來(lái)處理。 （2）對(duì)于變負(fù)載的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的各級(jí)傳動(dòng)比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期嚙 合以降低噪音和振動(dòng)。 （3）對(duì)于提高傳動(dòng)精度和減小回程誤差為主的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角誤差最小原 則；對(duì)于增速傳動(dòng)，由于增速時(shí)容易破壞傳動(dòng)齒輪系工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開始幾級(jí)就增 速，并且要求每級(jí)增速比最好大于 1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動(dòng)誤差。 （4）對(duì)以比較大傳動(dòng)比傳動(dòng)的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結(jié)合為混合 輪系。對(duì)于相當(dāng)大大傳動(dòng)比、并且要求傳動(dòng)精度與傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)平穩(wěn)以及體積小重 量輕時(shí)?？蛇x用新型的諧波齒輪傳動(dòng)。 2.諧波齒輪傳動(dòng) 諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕，傳動(dòng)比大（幾十到幾百） ，傳動(dòng)精度高、 回程誤差小、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。故在工業(yè)機(jī)器人 系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動(dòng)與少齒差行星齒輪傳動(dòng)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(duì)錯(cuò)齒來(lái)傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的，故諧波齒輪傳動(dòng)與一 般的齒輪傳動(dòng)具有本質(zhì)上的差別。 3.螺旋傳動(dòng) 螺旋傳動(dòng)及絲杠螺母，它主要是用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換 為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。螺旋傳動(dòng)有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；有以傳遞運(yùn)動(dòng)為 主的，如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠。 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)分為普通絲杠（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾動(dòng)摩擦） ，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 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(dòng)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(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高 （92%98%） ，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，靈活度高。通過(guò)預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動(dòng)剛度；進(jìn) 給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長(zhǎng)；而且同步性好，使用可靠、潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，因此滾 珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動(dòng)返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向 傳動(dòng)時(shí)，須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制動(dòng)裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項(xiàng)指標(biāo)： （1）滾珠絲杠的精度等級(jí)； （2）滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值； （3）載荷條件（靜、動(dòng)載荷）以及載荷允許值； （4）滾珠絲杠的工作壽命； （5）滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速； （6）滾珠絲杠的剛度； 減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母與絲杠之間有一定的 預(yù)加載荷。這樣可以消除傳動(dòng)間隙，提高傳動(dòng)精度與剛度。但是預(yù)加載荷會(huì)使?jié)L珠絲杠 壽命下降，所以，預(yù)加載荷不應(yīng)超過(guò)工作載荷的 1/3。 4.同步帶傳動(dòng) 同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng)和鏈輪鏈條傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，它在帶的工 作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過(guò)帶齒與輪齒