本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
設(shè)計題目：沖床上料機械手設(shè)計
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級
姓 名
學(xué) 號
導(dǎo) 師
2013年4月30日
沖床上料機械手設(shè)計
摘 要
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡實現(xiàn)自動抓取、搬運和操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。本次設(shè)計的60噸沖床上料機械手根據(jù)規(guī)定的動作順序，完成對機械手的設(shè)計，對機械手的工作原理，結(jié)構(gòu)使用范圍，特點參數(shù)選擇等方面進(jìn)行了闡述。此60噸沖床上料機械手主要是給沖床進(jìn)行上料和從儲料框中取料；機械手的抓重1Kg；1個自由度三個具體動作，自由度為腰座的轉(zhuǎn)動,采用圓柱坐標(biāo)；其余兩個動作為機械手的升降和伸縮，采用螺母和螺栓調(diào)節(jié)，可根據(jù)生產(chǎn)的需要改變機械手手臂的高度和長度以及更換吸盤?；剞D(zhuǎn)角度：60度；送料頻率：50-60次/分；驅(qū)動方式為氣壓傳動；機械手的腰座回轉(zhuǎn)采用氣缸帶動齒條齒輪驅(qū)動；本設(shè)計主要對手部進(jìn)行了設(shè)計和計算，腰座回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)氣缸。
關(guān)鍵詞：上料機械手；沖床上料；氣壓傳動
Design for the punch manipulator
Abstract
Manipulator is imitate the part of the hand, according to the given program, track and for automatic mechanical device to realize the acquirement, handling and operation of the. The manipulator used in the industrial production is called "industrial manipulator". 60 tons punch the design of the manipulator according to the provisions of the action sequence, complete the design of manipulator, the working principle of the manipulator, the use range structure, gives the characteristic parameters. This 60 tons punch manipulator is mainly to press for feeding and from the material storage box material; mechanical hand catch weight 1Kg; 1 degrees of freedom three specific actions, degrees of freedom for rotation waist seat, using cylindrical coordinates; the remaining two of the mechanical hand movements and the expansion, the nut and bolt adjustment, according to production needs to change the mechanical arm height and length and replacing chuck. Because the rotary angle: 60 degrees; the feeding frequency: 50-60 times / points; drive mode for pneumatic drive; waist seat rotary manipulator cylinder is used to drive a rack gear drive; the design of the main part of the design and calculation, waist, rotating the rotary cylinder.
KeyWords：feeding manipulator；punch feeding；pneumatic transmission
目 錄
1 緒論 1
1.1 機械手簡介 1
1.2 機械手發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 1
1.2.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2機械手的應(yīng)用 4
2 機械手的總體設(shè)計 7
2.1 機械手的總體結(jié)構(gòu) 7
2.1.1 機械手組成 7
2.1.2 機械手坐標(biāo)形式的確定 9
2.1.3上料機械手的組成及工作原理 9
2.2 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計 11
2.1.1 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的確定 12
2.1.2 機械手的機械傳動機構(gòu)的確定 15
2.3 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18
2.4 機械手手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 19
3 機械手理論分析和設(shè)計計算 21
3.1 系統(tǒng)設(shè)計計算 21
3.1.1 確定氣壓系統(tǒng)基本方案 21
3.1.2 氣壓缸的總機械載荷的計算 22
3.1.3 氣缸強度的計算及校核 23
3.1.4 計算和選擇氣缸元件 25
3.2 吸盤的選擇和計算 25
總 結(jié) 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 32
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 33
IV
i
1 緒論
1 緒論
1.1 機械手簡介
工機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。
機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
1.2 機械手發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用
1.2.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。
1954年USA工程師德爾沃最早提出機械人的概念
1959年USA德爾沃與英格伯制造了世界上的第一臺機械人
20
畢業(yè)設(shè)計（論文）
1962年USA正式將機械人的使用性提出來且制造出類似人的手臂 1967年JAN成立了人工手研究會并召開了首屆機械手學(xué)術(shù)會
1970年在USA召開了第一屆工業(yè)機械人學(xué)術(shù)會，并的到迅速普及
1973年辛辛那提公司制造出第一臺小型計算機控制的的工業(yè)機械人當(dāng)時是液壓驅(qū)動能載重大成就45KG
到1980年在JAN得到普及并定為“機械人元年”此后在日本機械人得到了前所未有的發(fā)展與提升，在就是后來到臺灣再到大陸。
第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(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使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。
第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應(yīng)用的擴大國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。
a. 目前國內(nèi)外的發(fā)展趨勢是
(1) 研制有更多自由度的液壓機械手，這樣機械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動作。
(2) 研制帶有行走機構(gòu)的機械手，這種機械手可以從一個工作地點移動到另一個工作地點。
(3) 研制維修維護(hù)方便的通用機械手。
(4) 研制能自動編制和自動改變程序的通用機械手。
(5) 研制具有一定感觸和一定智力的智能機械手。這種機械手具有各種傳感裝置，并配有計算機。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計算機充當(dāng)其大腦，使它進(jìn)行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚聲器作為嘴能說話進(jìn)行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機構(gòu)腳來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機械手可以由人的特殊
語言對其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。
(6) 機械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最簡單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動作。
(7) 研制具有柔性系統(tǒng)的通用機械手
目前，在國外廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式通用機械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動一次，而后機械手可以按領(lǐng)動的工作內(nèi)容正確進(jìn)行再現(xiàn)動作。如果把這種再現(xiàn)式通用機械手稱為第二代機械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機械手就是第三代了?，F(xiàn)在研究的機械手正在朝著一種可以存儲大量的程序的并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機械手具有比原來的更多的自由度?，F(xiàn)在國內(nèi)具有越來越強的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來，我國一定能夠趕上并將且超越發(fā)達(dá)國家在機械手乃至整個機械方面處于領(lǐng)先地位。
b.機械手的研究意義
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手的應(yīng)用也越來越廣泛。在機械工業(yè)中，大量應(yīng)用于鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機械加工以及裝配等工種。在其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工種中也均有應(yīng)用。
在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：
(1) 可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度。
應(yīng)用機械手有利于在自動生產(chǎn)線中實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換、以及機器的裝配等的自動化程度，從而提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。
(2) 可以改善勞動條件，避免人身事故。
在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物質(zhì)的環(huán)境場合，用人手直接操作是很危險的甚至是不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或者全部代替人完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。
(3) 可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。
應(yīng)用機械手代替人手進(jìn)行作業(yè)，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一方面。因此，在自動化機床和綜合加工自動線上，目前幾乎都設(shè)有機械手，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)奏的生產(chǎn)。
(4) 用液壓系統(tǒng)來控制機械手，比一般的機械控制具有更好的穩(wěn)定性，并且控制的精確度更高。
(5) 運用機械手可以實現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)，而大大提高在生產(chǎn)線的工作的時間，從而能大幅提高勞動的生產(chǎn)率。
工業(yè)機械手在經(jīng)歷了長期發(fā)展后，已經(jīng)成為制造業(yè)中不可缺少的核心設(shè)備。同時隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機械手也被開發(fā)出來去適應(yīng)制造領(lǐng)域意外的各個行業(yè)。各種用途的特種機器手紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。
機械手并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。
1.2.2機械手的應(yīng)用
機械手一般分為三類:
第一類：是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。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械的性能之外還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二：是需要人工才做的稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)。先是通過操作機來完成特定的作業(yè)后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類：是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動；除少數(shù)外，工作程序 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械手。
機械手首先是從美國開始研制的。1985年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(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。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)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作存貯裝置。不少球坐標(biāo)式通用機械手都是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
日本式工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。
目前工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。下面就國內(nèi)機械工業(yè)、鐵路部門應(yīng)用機械手的簡況，以及國外機械工業(yè)發(fā)展和應(yīng)用機械手的簡況，分別介紹如下。
a.熱加工方面的應(yīng)用
熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了實現(xiàn)高效率和工作安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。
機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)揮鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累的勞動條件。因此，國內(nèi)首先是采用鍛造操作機，裝取料機械手來代替人工操作，減輕勞動強度。后來在精鍛機上采用機械手，使精短過程自動化，代替人工喂料。
國外對鍛造機械手的研制工作十分重視，如美國采用圓柱坐標(biāo)式機械手在1300噸鍛壓機上鍛造齒輪毛坯；瑞典采用Unimate型機械手在壓力機上鍛造曲軸；采用Versatran型機械手生產(chǎn)大型軸承環(huán)，機械手在兩臺液壓機間傳送軸承環(huán)的坯料。
鍛壓機械手的手指部位必須采用耐熱鋼鍛造，相當(dāng)于40CrNi2Mo的材料。同時用空氣、水噴霧冷卻。機械手外部裝有防熱護(hù)罩，內(nèi)部通水冷卻。
機械手在鍛造、熔煉方面的應(yīng)用，國內(nèi)已研制成功壓鑄機上下料機械手，上下箱、合箱、澆注機械手，以及鑄件表面清理機械手等。有些工廠還將機械手和造型機配合組成鑄造生產(chǎn)自動線，徹底改變了鑄造生產(chǎn)的面貌。
國外對電爐煉鋼過程中采用機械手進(jìn)行了大量的研究。由于強大電流的干擾，影響了機械手的采用，并由于熔渣和鋼水難以區(qū)別，往往在澆注過程中容易液、渣不分，需研究帶有特殊傳感裝置的機械手，才能實現(xiàn)澆注的機械化和自動化。
b.冷加工方面
冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，稱為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要手段。
國內(nèi)機械工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專業(yè)上采用機械手上下料、減輕工人勞動強度。如在軸類、螺栓、氣閥和螺撐帽坐等零件的加工機床上配置了機械手，代替人工上下料。在三通閥體、軸瓦、平斜鐵、柴油機搖臂加工生產(chǎn)自動線上采用單臂、雙臂圓柱式機械手，成為聯(lián)接工序、運送工件的重要裝備。并在連桿粗加工自動線上采用數(shù)控機械手，這樣它不僅擔(dān)負(fù)自動線上機床工件的裝卸、運輸，并能發(fā)出指令指揮全線工作。
國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機械手以加工鐵路車軸、輪對等大、中批量零部件。并和機床設(shè)備共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。
c.拆修裝方面
拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)房中體力勞動較多的部門之一，促進(jìn)了機械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務(wù)段等部門。已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清楚石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。采用機械手進(jìn)行裝配更是目前研制的重點，國外已研究采用攝像機和力的傳感裝置和微型計算機聯(lián)接在一起，能確定零件的方位，達(dá)到鑲裝的目的。
綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢
60噸沖床自動上料裝置是在一般沖床上改裝沖床曲軸，添加上料機械手,升料臺和滑道等裝置，是沖床自動連續(xù)工作。該裝置的特點是由上料機械手來控制沖床動作，能保證沖床有節(jié)奏的，安全的生產(chǎn)。
2 機械手的總體設(shè)計
2 機械手的總體設(shè)計
2.1 機械手的總體結(jié)構(gòu)
2.1.1 機械手組成
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。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1.1所示。
控制系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)
被抓取工件
執(zhí)行機構(gòu)
位置檢測裝置
圖1.1 機械手的組成方框圖
a．執(zhí)行機構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。
(1) 手部
即與物件接觸的部件。
(2) 手腕
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，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強。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)運動在增加一個上下擺動即可滿足要求，有些動作較為簡單的專用機械手，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)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小，并且要求嚴(yán)格密
畢業(yè)設(shè)計（論文）
封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。
(3) 手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。
(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，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
(5) 行走機構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。
(6) 機座
機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。
b．驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。
c．控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，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(如動作順序、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(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
d．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(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。
2.1.2 機械手坐標(biāo)形式的確定
工業(yè)機器人的結(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，分別介紹如下:
a．直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
b．圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。
c．球坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。
d．關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。
關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
2.1.3上料機械手的組成及工作原理
本氣壓傳動上料機械手主要是從一個地方拿到工件后，橫移一定的距離后把工件給立式?jīng)_壓機進(jìn)行加工。它的動作順序是：待料（即原始位置，吸盤在升料臺的上方）→升料臺上升→吸盤抓取工件→手臂正轉(zhuǎn)→推料爪推料→吸盤放料→手臂反轉(zhuǎn)→沖頭下降（手臂反轉(zhuǎn)30°碰觸行程開關(guān)）→制動器接通，曲軸制動→手臂復(fù)位。
圖2.1 自動上料裝置與沖床配置圖
本題目規(guī)格參數(shù):
1. 抓重： 約1公斤
2. 自由度數(shù)： 1個
3.手臂運動參數(shù)：
手臂回轉(zhuǎn)角度：600
手臂送料頻率：50～60次/分
4.驅(qū)動方式： 氣壓
具體到本設(shè)計，因為設(shè)計要求搬運的加工工件的質(zhì)量約1KG，且考慮到?jīng)_壓機床布局的具體形式及對機械手的具體要求和在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中需要1種運動,其中手臂的伸縮和立柱升降為手動調(diào)節(jié),另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運動為氣動控制,綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為1，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度，其特點是:結(jié)構(gòu)比較簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度。
2.2 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計
進(jìn)行了機械手的總體設(shè)計后，就要針對機械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。
工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機器人，球坐標(biāo)機器人及關(guān)節(jié)型機器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機器人的運動部分全部安裝在腰座上，它承受了機器人的全部重量。在設(shè)計機器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)計原則：
1) 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。
2) 腰座要承受機器人全部的重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。
3) 機器人的腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響最大，因此，在設(shè)計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。
4) 腰部的回轉(zhuǎn)運動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。
5) 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機器人手臂的聯(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)整機構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。
6) 為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。
2.1.1 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的確定
a. 驅(qū)動系統(tǒng)的類型
工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。
根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。
(1) 液壓驅(qū)動系統(tǒng)
由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。
(2) 氣動驅(qū)動系統(tǒng)
具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負(fù)荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中。
(3) 電動驅(qū)動系統(tǒng)
由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。
b. 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則
設(shè)計機器人時，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。一般情況下：
(1) 物料搬運（包括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負(fù)荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機驅(qū)動系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。
(2) 用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機器人，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。重負(fù)荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。
c.機器人氣動驅(qū)動系統(tǒng)
氣動機器人采用壓縮空氣為動力源，一般從工廠的壓縮空氣站引到機器人作業(yè)位置，也可以單獨建立小型氣源系統(tǒng)。由于氣動機器人具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適宜在惡劣環(huán)境下工作等特點，因此它在沖壓加工、注塑及壓鑄等有毒或高溫條件下作業(yè)，機床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動裝配等作業(yè)，食品包裝及運輸，電子產(chǎn)品輸送、自動插接，彈藥生產(chǎn)自動化等方面獲得大量應(yīng)用。
氣動驅(qū)動系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、小機器人中的。這類機器人多是圓柱坐標(biāo)型和直角坐標(biāo)型或二者的組合型結(jié)構(gòu)；3-5個自由度；負(fù)荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重復(fù)定位精度為+/-0.1-0.5mm?？刂蒲b置目前多數(shù)選用可編程控制器（PLC）。在易燃、易爆的場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。氣動驅(qū)動系統(tǒng)大體由以下幾部分組成:
(1) 氣源
由總壓縮空氣站提供。氣源部分包括空氣壓縮機，儲氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過濾器等。如果沒有壓縮空氣站的條件，可以按機器人及配套的其他氣動設(shè)備需要配置相應(yīng)供氣量的氣源設(shè)備。
(2) 氣動三聯(lián)件
由分水濾氣器，調(diào)壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯(lián)組裝式的，多數(shù)情況下用三聯(lián)組裝式結(jié)構(gòu)。不論是由壓縮空氣站供氣還是用單獨的氣源，氣動三聯(lián)件是必備的。雖然用無潤滑氣缸可以不用油霧器，但是一般情況下，建議也在氣路上裝上油霧器，以減少氣缸摩擦力，增加使用壽命。
(3) 氣動閥
氣動閥的種類很多，在工業(yè)機器人的氣動驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調(diào)速閥、減壓閥等。
(4) 氣動執(zhí)行機構(gòu)
多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動氣缸）。直線氣缸分單動式和雙動式兩類。除個別用單動式氣缸外（如手爪機構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動氣缸。為實現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點位置緩沖的氣缸。氣缸的結(jié)構(gòu)形式以及與機器人機構(gòu)的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設(shè)計機器人時根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定。氣缸的內(nèi)徑，行程大小可根據(jù)對機器人的運動分析和動力分析進(jìn)行計算。
為了確保氣缸的密封要求，同時又要盡量降低摩擦力，密封材料要選用橡膠和氟化塑料組合的密封環(huán)。無接觸感應(yīng)式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得廣泛的應(yīng)用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應(yīng)，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開關(guān)動作發(fā)訊，進(jìn)行位置檢測。除了直線氣缸外，機器人中用得比較多還有有限角擺動氣缸，這種擺動缸多用于手腕機構(gòu)上。
(5) 制動器
氣動機器人的定位問題很大程度上是如何實現(xiàn)停點的制動。氣缸活塞的運動速度容許達(dá)1.5m/s，如果氣缸以1m/s的速度計算，電磁氣閥以較大關(guān)閉時間70ms計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為70mm，兩個停點的步長應(yīng)大于這個數(shù)值。對于小流量的電磁氣閥，吸合關(guān)閉時間較小，停點的步長也要相應(yīng)縮短。因此對機器人一個單自由度而言，停點數(shù)目最多6-9個。為增加定位點數(shù)，除采用多位置氣缸外可采用制動的方法還有：反壓制動，制動裝置制動。
(6) 限位器
氣動機器人各運動軸的制動和定位點到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，或由限位開關(guān)發(fā)訊。根據(jù)要求和條件，如果選用無接觸感應(yīng)式氣缸，其限位開關(guān)是無接觸接近開關(guān)，這種開關(guān)的反映時間小于20ms，在機器人中應(yīng)用比較理想。當(dāng)氣缸活塞運動到定位點時，為保證定位精度，需要將運動軸鎖緊。常用的限位機構(gòu)是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機構(gòu)（插鎖，滑塊等）將機器人運動機構(gòu)鎖定。再啟動時，事先打開鎖緊機構(gòu)。
腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機通過減速機構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或氣壓缸來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因為氣動方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件。電機驅(qū)動耗電量大，且動力不如氣動和液壓?？紤]到腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用氣壓驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。
2.1.2 機械手的機械傳動機構(gòu)的確定
a．齒輪傳動機構(gòu)
在機器人中常用的齒輪傳動機構(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等。
機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設(shè)計的一些問題：
(1) 齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉(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力矩變換器。齒輪傳動比應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動機為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量），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)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
(2) 各級傳動比的最佳分配原則。當(dāng)計算出傳動比后，為使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿足動態(tài)性能和提高傳動精度的要求，要對各級傳動比進(jìn)行合理的分配，原則如下：
1) 輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。
2) 等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則。利用該原則設(shè)計的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量最小，各級傳動比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊。
具體而言：對要求運動平穩(wěn)，起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉(zhuǎn)動慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。對于變負(fù)載的傳動齒輪系統(tǒng)的各級傳動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。對于提高傳動精度和減小回程誤差為主的傳動齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則；對于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開始幾級就增速，并且要求每級增速比最好大于1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動誤差。對以比較大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結(jié)合為混合輪系。對于相當(dāng)大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高，傳動平穩(wěn)以及體積小重量輕時。可選用新型的諧波齒輪傳動。
b．諧波齒輪傳動
諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質(zhì)上的差別。
c．螺旋傳動
螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進(jìn)給絲杠。
絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、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)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構(gòu)或制動裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項指標(biāo)：
(1) 滾珠絲杠的精度等級
(2) 滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值
(3) 載荷條件（靜、動載荷）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。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。但是預(yù)加載荷會使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預(yù)加載荷不應(yīng)超過工作載荷的1/3。
d．同步帶傳動
同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準(zhǔn)確、傳動效率高（可達(dá)98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達(dá)40m/s）、傳動比可達(dá)10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點，故在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。
d．鋼帶傳動
鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。
e．鏈傳動
在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。
f．鋼絲繩輪傳動
鋼絲繩輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。
具體到本設(shè)計，因為選用了螺栓調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)機械手的水平手臂和垂直手臂，故不需要中間傳動機構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。而機械手腰部的回轉(zhuǎn)運動采用氣動驅(qū)動，必須采用傳動機構(gòu)來減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，同時較大的降低電機轉(zhuǎn)速，以使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于10），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。
2.3 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計
機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進(jìn)行機器人手臂設(shè)計時，要遵循下述原則；
1) 應(yīng)盡可能使機器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機器人的控制。
2) 機器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。
3) 為了提高機器人的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質(zhì)材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，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題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。
4) 機器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。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)整機構(gòu)。
5) 機器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小氣缸負(fù)載和提高機器人手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機器人的手臂時，應(yīng)盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。
6) 機器人手臂在結(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械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。
工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。
手臂在進(jìn)行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。
導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。
具體到本設(shè)計，機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動?？紤]到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，兩手臂的調(diào)節(jié)采用手動螺栓調(diào)節(jié)，不用再設(shè)計另外的執(zhí)行件了。
氣缸選擇單活塞桿的雙作用氣缸，他是氣缸中應(yīng)用最廣泛的一種。
活塞桿上的驅(qū)動推力，驅(qū)動拉力和活塞直徑的計算：
驅(qū)動推力: (2.1)
驅(qū)動拉力: (2.2)
兩式中：D-活塞直徑，mm
P-工作壓力，kg／mm2：
η-氣缸的效率，一般取η=0.8左右
d-活塞桿直徑，mm。
從兩式中將η=0.8帶入可得活塞直徑的計算公式，即：
D=1.27 mm (2.3)
D= mm (2.4)
以上兩式的計算結(jié)果應(yīng)取較大的那個D值作為活塞直徑（即缸筒內(nèi)徑）。（2.3）式中活塞桿的直徑d在初步計算時應(yīng)先估定算出D后亦應(yīng)按單作用氣缸所述的方法進(jìn)行圓整。
2.4 機械手手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式，式彈簧式和重力式等。
附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。
對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。
具體到本設(shè)計，因為抓取的零件為鈑金件毛坯或成品件,使用氣流負(fù)壓式吸盤。
3 機械手理論分析和設(shè)計計算
3 機械手理論分析和設(shè)計計算
3.1 系統(tǒng)設(shè)計計算
3.1.1 確定氣壓系統(tǒng)基本方案
氣壓執(zhí)行元件大體分為氣缸和氣動馬達(dá)，氣缸是利用壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，他可以輸出力，驅(qū)動工作部分作直線往復(fù)運動或往復(fù)擺動。部分氣缸簡要說明見表3.1：
表3.1氣缸簡要說明表
名 稱
特 點
簡要說明
柱塞式氣缸
加工簡單
單方向運動
活塞式氣缸
結(jié)構(gòu)簡單
單方向運動
薄膜式氣缸
結(jié)構(gòu)緊湊
單向工作，無漏氣現(xiàn)象，行程短
普通氣缸
應(yīng)用廣發(fā)
壓縮空氣推動活塞雙向運動
雙活塞桿氣缸
應(yīng)用廣泛
活塞雙向運動速度相等
不可調(diào)緩沖氣缸
帶緩沖作用
活塞臨近行程終端時，減速制動，減速值不可調(diào)
可調(diào)緩沖氣缸
帶緩沖
緩沖值可根據(jù)需要調(diào)整
32
畢業(yè)設(shè)計（論文）
活塞帶導(dǎo)向桿氣缸
運動平穩(wěn)
增加一根偏心導(dǎo)向桿，可防止活塞轉(zhuǎn)動
串聯(lián)式氣缸
活塞桿輸出力可增大一倍
徑向結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸增大
本設(shè)計因為機械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式，具有1個自由度，一個轉(zhuǎn)動自由度。同時考慮機械手的工作載荷和工作現(xiàn)場環(huán)境對機械手布局以及定位精度的具體要求以及計算機的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用氣缸帶動齒條實現(xiàn)，剩下的兩個運動均為直線運動。
3.1.2 氣壓缸的總機械載荷的計算
根據(jù)機構(gòu)的工作情況氣壓缸所受的總機械載荷為
(3.1)
式中， -----為外加的載荷，因為水平方向無外載荷，故為0；
------為活塞上所受的慣性力；
------為密封阻力；
------為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力；
------為回氣被壓形成的阻力；
1) 的計算
(3.2)
式中，------為氣缸所要移動的總重量，取為100KG；
------為重力加速度， ；
------為速度變化量；
------啟動或制動時間，一般為0.01-0.5，取0.2s
將各值帶入上式，得：=1.02
2) 的計算
(3.3)
式中，-----克服氣缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該氣缸工作壓力<16 ，查相關(guān)手冊取=0.2 ；
------為進(jìn)氣工作腔有效面積；
啟動時： 565N
運動時： =283N
3) 的計算
機械手水平方向上有兩個導(dǎo)桿，內(nèi)導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為
(3.4)
式中，------為機械手和所操作工件的總重量，取為100KG；
------為摩擦系數(shù)，取f=0.1；
帶入數(shù)據(jù)計算得： =98
4) 的計算
回氣背壓形成的阻力按下式計算
(3.5)
式中，-----為回氣背壓，一般為0.3-0.5 ，取=0.3
-----為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2；
將各值帶入上式有，
0啟動時 ： F=1088.02N
運動時： F=806.02N
3.1.3 氣缸強度的計算及校核
針對本設(shè)計是一個機械手的特點考慮，機械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進(jìn)行氣缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結(jié)構(gòu)和運動的穩(wěn)定性、安全性。至于氣缸的工作壓力和缸的工作速度，放在氣壓系統(tǒng)設(shè)計階段，通過外部的氣壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實現(xiàn)。經(jīng)過仔細(xì)分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各氣缸的基本參數(shù)如下；
表3.2 氣壓缸參數(shù)
缸內(nèi)徑()
壁厚()
桿直徑()
行程()
工作壓力()
60
10
25
400
1
因為氣缸的作用主要是實現(xiàn)腰座旋轉(zhuǎn)運動這個運動形式，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷，軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因為機械手要求具有一定的柔性，水平氣壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時具有比較大的彎矩和比較長的行程，這對氣壓缸的穩(wěn)定性和剛度問題有較高的要求。
1) 缸筒壁厚的較核
當(dāng) D/時，氣壓缸壁厚的較核公式如下：
(3.6)
式中，----為缸筒內(nèi)徑；
----為缸筒試驗壓力，當(dāng)缸的額定壓力時，取為；
----為缸筒材料的許用應(yīng)力，，為材料抗拉強
度，經(jīng)查相關(guān)資料取為650，為安全系數(shù)，此處取；
帶入數(shù)據(jù)計算，上式成立。因此氣壓缸壁厚強度滿足要求。
2) 活塞桿直徑的較核
活塞桿直徑的較核公式為:
(3.7)
式中， -----為活塞桿上作用力；
-----為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處；
帶入數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算較核得上式成立，因此活塞桿的強度能滿足工作要求。
3.1.4 計算和選擇氣缸元件
氣動馬達(dá)的計算
1）確定氣動馬達(dá)的實際工作壓力
(3.8)
式中，-------計算工作壓力，前以定為；
------對于進(jìn)氣口采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（0.5～1.5），這里取為1。
因此，可以確定氣動馬達(dá)的實際工作壓力為
(3.9)
2） 確定氣動馬達(dá)的氣流量