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題目：仿形車床上料機構(gòu)設(shè)計
1.畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1.1 題目背景、研究意義
機械手是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個重要內(nèi)容。機械手是能自動化定位控制并可編程序?qū)崿F(xiàn)變動的多功能機器，有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境和各種預期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，對促進我國制造業(yè)的崛起，有著十分重要的意義【1】。
1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)研究狀況
我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)起步較晚，比歐美要晚30年左右，起步于上世紀70年代初期，經(jīng)過30多年的發(fā)展，大致可分為3個階段:70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期，90年代的實用化期。在高技術(shù)發(fā)展的推動下，隨著改革開放方針的實施，實施，我國工業(yè)機器人在工業(yè)自動化的發(fā)展進程中扮演著極其重要的角色。
從第七個五年計劃(1986-199年)開始，我國政府大大加大了對工業(yè)機器人的重視程度，并且為此項目投入大量的資金，在眾多學者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，其中有山北京機械自動化研究所設(shè)計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設(shè)計制造的點焊機器人，大連機床研究所設(shè)計制造的氬弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學設(shè)計制造的裝卸載機器人等等。
目前我國已有500臺左右的焊接機器人分布于大陸各大中城市的汽車、摩托車、工程機械等制造業(yè)，其中55%左右為弧焊機器人，45%左右為點焊機器人，己建成的機器人焊接柔性生產(chǎn)線5條，機器人焊接工作站300個。90年代后半期是實現(xiàn)國產(chǎn)機器人的商品化，為產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)的時期。目前，我國(指大陸地區(qū)，不包括港、臺、澳)工業(yè)機器人數(shù)量只有約2500臺，還沒達到1997年新加坡(3000多臺)和我國臺灣省(5000多臺)的水平【2-3】。
國內(nèi)主要機器人公司：
（1）中國新松機器自動化股份有限公司
沈陽新松機器人自動化股份有限公司是由中國科學院沈陽自動化所為主發(fā)起人投資組建的高技術(shù)公司，是機器人國家工程研究中心、國家八六三計劃智能機器人主題產(chǎn)業(yè)化基地、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃成果產(chǎn)業(yè)化基地、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃成果產(chǎn)業(yè)化基地。該公司是在國內(nèi)率先通過IS09001國際質(zhì)量保證體系認證的機器人企業(yè)，并在《福布斯》2005年新發(fā)布的“中國潛力100榜”上名列第48位。其產(chǎn)品包括：rh6弧焊機器人、rd120點焊機器人及水切割、激光加工、排險、澆注等特種機器【4】。
1.2.2 國外研究狀況
機器人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器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
日本是一工業(yè)機器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。
在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面無論數(shù)量、品種，和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，.主要是在危險作業(yè)(廣義的)、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。
國外主要機器人公司：
（1）瑞典ABB Robotics公司
ABB公司是世界上最大的機器人制造公司。1974年，ABB公司研發(fā)了全球第一臺全電控制式工業(yè)機器人IRB6，主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運。1975年，公司生產(chǎn)第一臺焊接機器人。到1980年兼并Trallfa噴漆機器人公司后，機器人產(chǎn)品趨于完備。至2002年，ABB公司銷售的工業(yè)機器人已經(jīng)突破10萬臺，是世界上第一個突破10萬臺的廠家。ABB公司制造的工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用在焊接、裝配、鑄造、密封涂膠、材料處理、包裝、噴漆、水切割等領(lǐng)域。
（2）日本安川電機
安川電機(Yaskawa Electric Co.)自1977年研制出第一臺全電動工業(yè)機器人以來，已有29年的機器人研發(fā)生產(chǎn)的歷史，旗下?lián)碛蠱otoman美國、瑞典、德國以及Synetics Solutions美國公司等子公司，至今共生產(chǎn)13000多臺機器人產(chǎn)品，而最近2年生產(chǎn)的機器人30 000多臺，超過了其他機器人制造公司。
安川電機核心工業(yè)機器人產(chǎn)品包括：點焊和弧焊機器人、油漆和處理機器人、LCD玻璃板傳輸機器人和半導體晶片傳輸機器人等。該公司是將工業(yè)機器人應(yīng)用到半導體生產(chǎn)領(lǐng)域的最早廠商之一。2004年該公司機器人銷售收人為1051億日元，占該公司營業(yè)總收人30%億日元的34%【4】。
1.2.3 機械手及其組成
機械手是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它把機、電、磁、氣合于一體，它能全自動地為機床抓取工件，取代操作人員頻繁地取料，從而大大減輕了操作人員的勞動強度并提高了工作效率。機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成【7】。如圖1.1所示：
圖1.1工業(yè)機械手各部分關(guān)系圖
（一）執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、臂部、機身等。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示。
圖1.2機械手的組成
（二）驅(qū)動系統(tǒng)
機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。
（三）控制系統(tǒng)
有電氣控制和射流控制兩種，一般常見的為電氣控制。它是機械手的重要組成部分，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
（四）位置檢測裝置
控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置【8】。
2. 本課題研究的主要內(nèi)容和采用的研究方案、研究方法或措施
2.1本課題的主要研究內(nèi)容
1）運動功能設(shè)計：即自由度設(shè)計，應(yīng)盡可能的靈活運動和大的工作空間，分析各關(guān)節(jié)運動的性質(zhì)以及排列順序等。
2）??傳動功能設(shè)計：機械手操作機是由若干個構(gòu)件和關(guān)節(jié)組成的多自由度空間機構(gòu)，傳動功能中驅(qū)動器安排和機構(gòu)要合理。
3）?機械結(jié)構(gòu)設(shè)計：滿足強度和剛度情況下，要充分考慮機器人的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小等特點。同時滿足裝卸方便，便于維修、調(diào)整。
2.2工況分析
仿形車床上料機械手需抓取短軸套類零件，手臂回轉(zhuǎn)角度為90度，負載20kg。零件直徑50mm，抓取零件示意圖如下圖2.1所示：
圖2. 1機械手抓取零件示意圖
2.3 研究方案
任務(wù)書要求機械手手臂回轉(zhuǎn)角度為90度，即大方向為一個轉(zhuǎn)動，加上手腕回轉(zhuǎn)及手指夾緊又算上一個小方向的轉(zhuǎn)動和一個小方向的平動，一共三個自由度。首先確定自由度與坐標型式。
2.3.1本設(shè)計機械手自由度和坐標型式的論證
自由度是機械手設(shè)計的主要參數(shù)，每一個構(gòu)件(即運動件)相對固定座標系所具有的獨立運動稱為自由度。由設(shè)計要求可知機械手手臂有一個大方向轉(zhuǎn)動，手腕小方向回轉(zhuǎn)及手指的平動夾緊。實現(xiàn)平動與轉(zhuǎn)動的坐標型式有：
（1） 直角座標式
直角座標式機械手手臂的運動系由三個直線運動所組成，即沿直角座標系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降、沿Y軸的橫移。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，適用于主機位置成行徘列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的使用范圍。
（2）圓柱坐標式
圓柱坐標式機械手手臂的運動系由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)所組成，即沿x軸的伸縮、沿Z軸的升降和繞z軸的回轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示，簡圖如圖2.3所示。
圖2.2圓柱坐標式機械手結(jié)構(gòu)圖
圖2.3圓柱坐標式機械手簡圖
它與直角座標式相比較．占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，并能達到較高的定位精度，因此應(yīng)用較廣泛。
（3）球坐標式
球坐標式機械手手臂的運動系由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)所組成，即沿X軸的仲縮、沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。
這種型式的機械手具有動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動形式。但結(jié)構(gòu)較復雜，此外，手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。
（4）關(guān)節(jié)式
關(guān)節(jié)式機械手，其手臂的運動類似人的手臂可作幾個方向的轉(zhuǎn)動。它由大小兩臂和立柱等所組成，大小兩臂之間的聯(lián)接為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)均由鉸鏈構(gòu)成以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，手臂的運動由三個回轉(zhuǎn)運動所組成【9】。
比較以上坐標形式，結(jié)合本設(shè)計要求，能滿足規(guī)定自由度，結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，占地面積小而活動范圍大，故選擇圓柱坐標式。
2.3.2本設(shè)計驅(qū)動方式的選擇
（1）液壓驅(qū)動
液壓傳動機械手是以油液的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要優(yōu)點是：抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。缺點是：對密封裝置要求嚴格，不宜在高溫、低溫下工作【8】。
（2）氣壓驅(qū)動
氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要優(yōu)點是：介質(zhì)來源極方便、氣動動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、成本低。缺點是：由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，而且氣源壓力較低抓重一般在30公斤以下，適用于高速、輕裁、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。
（3）機械傳動
機械傳動機械手即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要優(yōu)點是：運動準確可靠、動作頻率高，缺點是：結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。
（4）電力傳動
電力傳動機械手即由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單，其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前景【8】。
比較以上幾種驅(qū)動方式，結(jié)合本設(shè)計要求，驅(qū)動系統(tǒng)要結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、動作靈敏、抓重大，決定臂部與腕部選用液壓驅(qū)動兼齒輪機構(gòu)驅(qū)動方式。對于手部的直線運動可以選用齒輪齒條機構(gòu)、滾珠絲杠機構(gòu)、液壓驅(qū)動機構(gòu)、電磁驅(qū)動機構(gòu)。齒輪齒條機構(gòu)的缺點：占用空間大、加工安裝精度差、傳動噪音大；滾珠絲杠機構(gòu)的缺點：承載能力較低、加工成本高、運行噪音高、對使用環(huán)境要求高；電磁驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)太復雜，比較以上幾種手部直線驅(qū)動方式，決定手部也選擇液壓驅(qū)動方式。
2.3.3本設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)的選擇
（1）手臂結(jié)構(gòu)的選擇
手臂是工業(yè)機器人必不可少的部件，作用是支撐腕部和手部，帶動手部按規(guī)定的運動軌跡由某一位置到達另一制定位置。臂部一般有伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰和升降四個自由。
任務(wù)書要求手臂要能回轉(zhuǎn)90度，故選用具有回轉(zhuǎn)運動的手臂結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)有：
1）回轉(zhuǎn)油缸
目的油(氣)缸有單葉片式和雙葉片式兩種，機械手手臂的回轉(zhuǎn)運動采用單葉片式回轉(zhuǎn)油(氣)缸的比較多，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可獲得無級變速的回轉(zhuǎn)運動，但回轉(zhuǎn)缸輸出軸的回轉(zhuǎn)角度小于360度，并要求嚴格的密封【9】。
2）活塞缸和齒輪齒條傳動機構(gòu)
齒條齒輪機構(gòu)是通過活塞缸帶動齒條往復移動來帶動與手臂聯(lián)接的齒輪作往復回轉(zhuǎn)，即實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動。帶動齒條往復移動酌活塞缸可以由壓力油或壓縮空氣驅(qū)動。
3）鏈輪傳動機構(gòu)
鏈條鏈輪傳動是將鏈條的直線運動變?yōu)殒溳喌幕剞D(zhuǎn)運動，它的回轉(zhuǎn)角度可大于360度。
4）活塞缸和連桿機構(gòu)
手臂的上下擺動由鉸按活塞油缸和連桿機構(gòu)來實現(xiàn)。
比較以上幾種執(zhí)行機構(gòu)，結(jié)合本設(shè)計要求，回轉(zhuǎn)油缸能滿足轉(zhuǎn)動90度，結(jié)構(gòu)簡單，輸出精度高，體積小，故選用回轉(zhuǎn)油缸。
（2）腕部結(jié)構(gòu)的選擇
本設(shè)計要求機械手的腕要能小方向回轉(zhuǎn)，手腕的回轉(zhuǎn)運動可采用回轉(zhuǎn)油缸，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、靈活，但是回轉(zhuǎn)角度小，并且要求嚴格密封，以便保證穩(wěn)定的輸出扭矩【14】。當要求較大回轉(zhuǎn)角度時，常采用齒輪齒條或鏈輪鏈條以及輪系傳動。
腕部的運動也可以與手臂組成復合運動機構(gòu)，手臂的復合運動不僅可使機械手的傳動結(jié)構(gòu)簡單，而且可簡化驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并使機械手傳動準確，工作可靠，因而在生產(chǎn)中應(yīng)用的比較多。手臂復合運動機構(gòu)包括1）曲線凹槽機構(gòu)，2）連桿機構(gòu)，3）齒輪機構(gòu)，齒輪機構(gòu)又包括行星齒輪機構(gòu)，齒輪杠桿機構(gòu)，
結(jié)合本設(shè)計要求，上料機械手腕要做回轉(zhuǎn)運動，為了使機械手傳動準確，工作可靠故選擇采用手臂的復合運動中的行星齒輪機構(gòu)實現(xiàn)。
（3）手部結(jié)構(gòu)的選擇
手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件。它安裝在操作機手腕或手臂的機械接口上。結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.4所示。
圖2.4機械手手部結(jié)構(gòu)簡圖
由于本設(shè)計中手部要實現(xiàn)直線運動，能實現(xiàn)直線運動的手部結(jié)構(gòu)可以分為以下四種。
1）回轉(zhuǎn)型滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)
2）筒夾內(nèi)漲式手部結(jié)構(gòu)
3）移動型齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)
如圖2.5所示在單向作用油缸1的右腔通入壓力油液，使活塞齒條2左移帶動齒輪3回轉(zhuǎn)，而齒輪3又使齒條4右移，兩手指即夾緊工件，靠彈簧使手指張開。
圖2.5移動型齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)
4）移動型的雙連桿式手部結(jié)構(gòu)
比較以上幾種手部結(jié)構(gòu)，結(jié)合本設(shè)計要求，既準確夾緊力又大的選擇移動型齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)。
綜上所述，如圖2.6所示，總體結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸帶動轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)，中心錐齒輪固定不動，所以，轉(zhuǎn)臂就帶動行星輪一起運動，這時，行星輪一面作自轉(zhuǎn)，同時又繞轉(zhuǎn)臂軸線作公轉(zhuǎn)。，所以，機械手工作時，轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過90度，行星輪本身自轉(zhuǎn)（即手腕的運動），夾持式手部及夾緊油缸裝在手臂上，由手臂帶動夾持式手部走空間曲線軌跡，將工件送到機床頂尖處(上料) 【16】。
圖2.6機械手總體結(jié)構(gòu)示意圖
3．本課題的重點難點分析
3.1重點：
1）運動功能設(shè)計：即自由度設(shè)計，應(yīng)盡可能的靈活運動和大的工作空間，分析各關(guān)節(jié)運動的性質(zhì)以及排列順序等。
2）??傳動功能設(shè)計：機械手操作機是由若干個構(gòu)件和關(guān)節(jié)組成的多自由度空間機構(gòu)，傳動功能中驅(qū)動器安排和機構(gòu)設(shè)計。
3）?機械結(jié)構(gòu)設(shè)計：滿足強度和剛度情況下，要充分考慮機器人的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小等特點，因此機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。
3.2難點：
1）機械手手臂、手腕、手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2）傳動部件、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和各個運動部件的連接設(shè)計及運動功能設(shè)計。
4．完成本課題的工作方案及進度計劃
第1～2周：調(diào)研、查閱資料；
第3～4周：總體方案分析論證、開題報告；
第5～6周：結(jié)構(gòu)和運動學分析，參數(shù)確定；
第7～8周：按所給規(guī)格范圍，性能進行分析，強度和運動學校核；
第9～10周：開始繪制零件圖，準備中期報告；
第11～12周：各模塊詳細設(shè)計，繪制裝配圖草圖；
第13～14周：整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制總圖及零件圖，撰寫論文；
第15周：準備畢業(yè)答辯；