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摘要
在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)械手主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)、取件以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)斜臂式機(jī)械手，其擁有三個(gè)自由度，用于給注塑機(jī)取出成品。
本斜臂機(jī)械手機(jī)械機(jī)構(gòu)包括，氣動(dòng)控制單元，電氣控制單元，機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。氣動(dòng)單元提供動(dòng)力。本文利用SOLIDWORKS軟件對(duì)整個(gè)斜臂機(jī)械手整機(jī)進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)出二維工程圖。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，機(jī)械結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)控制單元，三維建模
Abstract
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve production efficiency, ensure product quality, the general importance of the production process automation, industrial machinery hand as an important member of automatic production line, gradually recognized and adopted by enterprises. Industrial machinery hand technique level and the application in a certain extent reflects a country's level of industrial automation, at present, the industry manipulator is mainly responsible for the welding, spraying, handling, pick-up and stacking, repetitive and labor-intensive work, working manner generally taken by way of teaching and playback. This paper is to design a oblique arm manipulator, which has three degrees of freedom, the finished product used to remove the for injection molding machine.
The oblique arm manipulator mechanism comprises a pneumatic control unit, electric control unit, mechanical structure. Gas powered pneumatic unit. In this paper, three-dimensional modeling of the whole oblique arm robotic machine using the SOLIDWORKS software, and derive the two-dimensional engineering drawing.
Keywords: manipulator, mechanical structure, pneumatic control unit, 3D modeling
目錄
摘要 i
Abstract ii
第一章 引言 1
1.1 課題研究的目的及意義 1
1.2課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1
1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 1
1.2.2國外研究現(xiàn)狀 2
1.2.3 發(fā)展趨勢(shì) 3
1.3 機(jī)械手的組成和分類 3
1.3.1機(jī)械手的組成 3
1.3.2機(jī)械手的分類 5
1.4 課題設(shè)計(jì)思路 6
1.5 課題設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 6
第二章 斜臂機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 8
2.1斜臂機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述 8
2.2 斜臂機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案的確認(rèn) 8
2.3 機(jī)械手基本形式的選擇 8
2.3.1 直角坐標(biāo)型機(jī)械手 8
2.3.2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手 9
2.3.3 極坐標(biāo)型機(jī)械手 9
2.3.4 多關(guān)節(jié)機(jī)械手 9
2.4 總體方案擬定 10
第三章 斜臂機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 12
3.1 X軸引撥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.1.1 引拔氣缸參數(shù)計(jì)算 12
3.2 Z軸氣缸的設(shè)計(jì) 13
3.3 夾持結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14
3.3.1 夾緊力計(jì)算 14
3.3.2 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 15
3.3.3 氣缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 15
3.3.4 選用夾持器氣缸 16
3.3.5 手爪的夾持誤差及分析 16
3.3.6 楔塊等尺寸的確定 18
3.3.7 材料及連接件選擇 21
4.1 Solidworks軟件簡(jiǎn)介 22
4.2 零件建模 24
4.2.1軸三維建模的形成 24
4.2.2 大臂的三維建模形成 24
4.2.3其他零件的三維模型造型 25
4.3零件裝配 26
4.4三維向二維的轉(zhuǎn)換 28
第五章 結(jié)論 31
5.1 本設(shè)計(jì)所取得的結(jié)果 31
5.2 技術(shù)展望 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
ix
第一章 引言
1.1 課題研究的目的及意義
隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動(dòng)場(chǎng)合必將由機(jī)械手所代替。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
通過本課題，讓學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中綜合大學(xué)所學(xué)基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和技能去分析和解決一般工程技術(shù)問題的能力；進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生分析問題、創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題的能力。
本課題中斜臂機(jī)械手系統(tǒng)主要采用氣壓驅(qū)動(dòng)。
1.2課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。
我國工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國第一臺(tái)機(jī)械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)械手，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)械手，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)械手，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)械手，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)械手等等。這些機(jī)械手的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)械手研究所開發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)械手關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)械手專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器，DC——PWM等等。
我國的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等?？梢詫C(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于跟換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。目前國內(nèi)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鍛造。熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。
1.2.2國外研究現(xiàn)狀
國外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如 發(fā)生少許偏差時(shí)候，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定的成績(jī)。
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(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。運(yùn)動(dòng)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(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲(chǔ)存裝置。不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動(dòng)公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美國機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)，可做點(diǎn)位和軌跡控制：該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這2種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)械手相繼在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種Unimation—Vic.arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)：聯(lián)邦德國Kuka公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快，應(yīng)用國家最多的國家，自1969年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，開始大力從事機(jī)械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，主要用于機(jī)械化、自動(dòng)化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。
1.2.3 發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動(dòng)機(jī)械手。車身在每個(gè)工序的移動(dòng)；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的氣動(dòng)機(jī)械手。
目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均具有高精化，高速化，多軸化，輕量化等的發(fā)展趨勢(shì)。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，良新產(chǎn)品可以達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相互結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，從而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
1.3 機(jī)械手的組成和分類
1.3.1機(jī)械手的組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。
(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。
1、手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)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(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)，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(jī)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(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。
2、手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。
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(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有四個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。
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(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。
5、行走機(jī)構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。
6、機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。
(二)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，
并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
(三)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
(四)位置檢測(cè)裝置
控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)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(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.
1.3.2機(jī)械手的分類
工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。
(一)按用途分
機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:
1、專用機(jī)械手它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手。
2、通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制；同時(shí)還可分為伺服型和一般型的機(jī)械手，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。
(二)按驅(qū)動(dòng)方式分
1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。
2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。
3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。
4、電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。
(三)按控制方式分
1、點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。
2、連續(xù)軌跡控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。
1.4 課題設(shè)計(jì)思路
1） 參考所有與機(jī)械手產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)，了解整個(gè)斜臂機(jī)械手的整機(jī)系統(tǒng)的組成。
2）斜臂機(jī)械手整機(jī)方案的確認(rèn)。
3）斜臂機(jī)械手整機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。
4）斜臂機(jī)械手整機(jī)三維建模。
1.5 課題設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
本文以斜臂機(jī)械手項(xiàng)目作為應(yīng)用背景，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。全文共分為五章，各章的主要內(nèi)容如下：
第一章前言部分，主要介紹斜臂機(jī)械手的研究現(xiàn)狀和課題研究的目的及意義；
第二章對(duì)整個(gè)斜臂機(jī)械手的整機(jī)方案進(jìn)行確認(rèn)，包括傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等確認(rèn)。
第三章完成整個(gè)斜臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算；
第四章對(duì)斜臂機(jī)械手進(jìn)行三維建模；
第五章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進(jìn)一步研究的方向。
第二章 斜臂機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案
2.1斜臂機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述
斜臂機(jī)械手主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))、控制系統(tǒng)組成。
執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是斜臂機(jī)械手完成工作的部件。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的有機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。
控制系統(tǒng)：通過對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
2.2 斜臂機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案的確認(rèn)
目前機(jī)械設(shè)備的主要驅(qū)動(dòng)形式有三大類：液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
液壓驅(qū)動(dòng)具有輸出功率大、控制精度高、可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制等優(yōu)點(diǎn)。但是液壓傳動(dòng)有較多的能量損失(泄漏損失、壓力損失等)，傳動(dòng)效率相對(duì)低。液壓傳動(dòng)需要配套設(shè)備如：液壓站、各種液壓控制閥等，它適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，成本高，體積大。并不適合。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小，成本低。符合本文需求。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)相比，具有能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服性好等優(yōu)點(diǎn)；單對(duì)于本機(jī)械手來說，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，要求精度較高，不符合本文要求。
2.3 機(jī)械手基本形式的選擇
常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種，如圖2-1所示：（1）直角坐標(biāo)型機(jī)械手；（2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；（3）極坐標(biāo)型機(jī)械手；(4)多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。
2.3.1 直角坐標(biāo)型機(jī)械手
直角坐標(biāo)型機(jī)械手，它在x,y,z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，3個(gè)關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測(cè)和作業(yè)。這種形式的主要特點(diǎn)是：
(1)在三個(gè)直線方向上移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易想象。
(2)計(jì)算比較方便。
(3)由于可以兩端支撐，對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大。
(4)要求保留較大的移動(dòng)空間，占用空間較大。
(5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。
(6)滑動(dòng)部件表面的密封較困難，容易被污染。
2.3.2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手
圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，R、θ和x為坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)，其中R是手臂的徑向長度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點(diǎn)是：
(1)容易想象和計(jì)算。
(2)能夠伸入形腔式機(jī)器內(nèi)部。
(3)空間定位比較直觀。
(4)直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。
(5)手臂端部可以達(dá)到的空間受限制，不能到達(dá)靠近立柱或地面的空間。
2.3.3 極坐標(biāo)型機(jī)械手
極坐標(biāo)型機(jī)械手又稱為球坐標(biāo)機(jī)械手，R，θ和β為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中θ是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角，β是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動(dòng)角。這種機(jī)械手運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡表面是半球面。其特點(diǎn)是：
(1)在中心支架附近的工作范圍較大。
(2)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置容易密封。
(3)覆蓋工作空間較大。
(4)坐標(biāo)系較復(fù)雜，較難想象和控制。
(5)直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封問題。
(6)存在工作死區(qū)。
2.3.4 多關(guān)節(jié)機(jī)械手
多關(guān)節(jié)機(jī)械手，它是以其各相鄰運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)角位移作為坐標(biāo)系的。θ、α和φ為坐標(biāo)系的坐標(biāo)，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α是第二臂相對(duì)于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機(jī)械手手臂可以達(dá)到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達(dá)到區(qū)域的形狀取決于兩個(gè)臂的長度比例。其特點(diǎn)是：
(1)動(dòng)作較靈活，工作空間大。
(2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)處容易密封防塵。
(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。
(4) 適合于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
(5)運(yùn)動(dòng)難以想象和控制，計(jì)算量較大。
(6)不適于液壓驅(qū)動(dòng)。
直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型
極坐標(biāo)型 多關(guān)節(jié)型
圖2-1 工業(yè)機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)形式
本課題要求機(jī)械手為直角坐標(biāo)型.
2.4 總體方案擬定
因?yàn)楸緳C(jī)械手工作范圍不大大，位置精度要求不高。考慮本機(jī)械手工作要求的特殊情況，本設(shè)計(jì)采用三自由度的機(jī)械手：
自由度具體分配如下：
1）手臂回轉(zhuǎn)自由度。擬采用氣缸達(dá)來實(shí)現(xiàn)，氣缸帶動(dòng)角度選擇架完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
3）手臂伸縮自由度。由于氣缸的體積小，質(zhì)量輕，因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿氣缸缸來實(shí)現(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
4）X軸伸縮自由度。擬采用氣缸來實(shí)現(xiàn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
第三章 斜臂機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 X軸引撥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
X軸方向參數(shù)如下：
（1）伸縮長度：250mm；
（2）單方向伸縮時(shí)間：1～2S；
（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；
（4）前端安裝機(jī)械臂連接塊，伸縮終點(diǎn)無剛性沖擊；
3.1.1 引拔氣缸參數(shù)計(jì)算
預(yù)選氣缸的缸徑及缸桶壁厚:
根據(jù)氣缸的負(fù)載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負(fù)載力F。
取μ=0.2 F=μW=0.2*300=60（N） （3-1）【6】
根據(jù)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，預(yù)選氣缸的負(fù)載率η。
取η=50%
根據(jù)氣源供氣條件，確定氣缸的使用壓力p。p應(yīng)小于減壓閥進(jìn)口壓力的85%。
已知F,η和p，對(duì)雙作用氣缸，預(yù)選桿徑與缸徑之比d/D=0.3~0.4，由式（3-2）至式（3-4），便可選定缸徑D，缸徑D的尺寸應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化.
（3-2）【6】
（3-3）【6】
(3-4) 【6】
解得D≈17.66 考慮到氣缸的行程比較長缸徑D取18mm。
缸桶壁厚可根據(jù)薄壁筒的計(jì)算公式計(jì)算：
(3-4) 【6】
式中：
D——為缸筒內(nèi)徑(cm)，
P——為缸筒承受的最大氣壓力(MPa)，
[σ]——為缸筒材料的需用應(yīng)力（MPa）。
缸筒壁厚的實(shí)際取值，對(duì)于一般用途氣缸約取計(jì)算值的7倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺寸，這里b取2mm。
預(yù)選氣缸行程：根據(jù)氣缸的操作距離及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程比預(yù)選氣缸行程為350mm。
驗(yàn)算緩沖能力：根據(jù)氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是輸出拉力、負(fù)載率η=50%、氣缸的行程L=350mm和氣缸的動(dòng)作時(shí)間t=1.5s,由《氣動(dòng)手冊(cè)》P293圖9-7可查得氣缸的理論基準(zhǔn)速度=700.由表9-20，可查得氣缸的最大速度與理論基準(zhǔn)速度之比a值為0.9，從而求的氣缸的最大速度=630。
查得氣缸的負(fù)載質(zhì)量M和最大速度的交點(diǎn)在預(yù)選氣缸缸徑的緩沖曲線之下，表示負(fù)載運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能小于氣缸允許吸收的最大能量，所以該預(yù)選缸徑的緩沖能力滿足要求。
計(jì)算氣缸的空氣消費(fèi)量：
該氣缸的空氣消費(fèi)量為
3.2 Z軸氣缸的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)參數(shù)：
（1）橫行長度：650mm；
（2）單方向伸縮時(shí)間：3.5～4.5S；
（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；
（4）缸體與引拔連接推動(dòng)引拔左右移動(dòng)，伸縮終點(diǎn)無剛性沖擊；
本次橫進(jìn)氣缸預(yù)選不銹鋼迷你缸
根據(jù)導(dǎo)向精度、最大允許負(fù)載和最大允許力矩選用無桿氣缸的系列和缸徑。
最大允許負(fù)載和最大允許力矩與導(dǎo)向型式、受力姿勢(shì)、活塞運(yùn)動(dòng)和缸徑有關(guān)。
由于考慮氣缸不能承受大的集中載荷，故在氣缸兩側(cè)設(shè)立2個(gè)導(dǎo)軌代替氣缸承受機(jī)械臂的質(zhì)量，故氣缸的承受載荷不予慮。
因?yàn)闄M進(jìn)系統(tǒng)的額定最大行程為650mm，負(fù)載為80N
預(yù)選氣缸缸徑為20mm，因?yàn)闅飧椎墓ぷ鲏毫?.49MPa,本氣缸的理論輸出力為220N，滿足系統(tǒng)要求。
3.3 夾持結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
夾持器設(shè)計(jì)的基本要求：
（1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力；
（2）手指應(yīng)具有一定的開閉范圍；
（3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；
（4）要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；
（5）應(yīng)考慮通用性和特殊要求。
設(shè)計(jì)參數(shù)及要求
（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動(dòng)作為抓緊—放松；
（2）所要抓緊的工件直徑為80mm 放松時(shí)的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s；
（3）工件的材質(zhì)為2kg；
（4）夾持器有足夠的夾持力；
（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由氣缸提供動(dòng)力。
3.3.1 夾緊力計(jì)算
手指夾在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對(duì)其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來說，夾緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
手指對(duì)工件的夾緊力可按下列公式計(jì)算：
（3-5）【4】
式中：
—安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,通常取1.2——2.0，取1.5；
—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計(jì)算最大加速度，得出工作情況系數(shù), ，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過程的加速度或減速度的絕對(duì)值（m/s）；
—方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，
手指與工件位置：手指垂直放置 工件水平放置；
手指與工件形狀： 型指端夾持圓柱型工件，
，為摩擦系數(shù)，為型手指半角，此處粗略計(jì)算,
G—被抓取工件的重量
求得夾緊力，，取整為120N。
3.3.2 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和夾緊力之間的關(guān)系式：
（3-6）【4】
式中：
c—滾子至銷軸之間的距離；
b—爪至銷軸之間的距離；
—楔塊的傾斜角
可得，得出F為理論計(jì)算值，實(shí)際采取的氣缸驅(qū)動(dòng)力要大于理論計(jì)算值，考慮手爪的機(jī)械效率，一般取0.8～0.9，此處取0.88，則：
，取
3.3.3 氣缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
設(shè)計(jì)方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊裝置，氣缸為單作用缸，提供推力：
（3-7）【4】
式中 ——活塞直徑
——活塞桿直徑
——驅(qū)動(dòng)壓力，
,工作壓力P=0.49MPa
據(jù)公式計(jì)算可得氣缸內(nèi)徑：
根據(jù)氣動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，圓整后取D=16mm。
活塞行程，當(dāng)抓取80mm工件時(shí)，即手爪從張開120mm減小到80mm，楔快向前移動(dòng)大約40mm。取氣缸行程S=40mm。
3.3.4 選用夾持器氣缸
長沙華德液壓氣動(dòng)有限公司所生產(chǎn)的QCG薄型氣缸QGD16-40剛好滿足條件，所以選取這個(gè)氣缸。
3.3.5 手爪的夾持誤差及分析
機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，見圖3-1，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機(jī)械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補(bǔ)償能力。
R1,R2---工件半徑 C1C2=
圖3-1 夾持誤差圖
工件直徑為80mm，尺寸偏差，則，，。
本設(shè)計(jì)為楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，屬于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指夾持，如圖3-2
圖3-2 楔塊杠桿式夾持器
若把工件軸心位置C到手爪兩支點(diǎn)連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關(guān)系有：
簡(jiǎn)化為：
該方程為雙曲線方程，如圖3-3：
圖3-3 工件半徑與夾持誤差關(guān)系曲線
由上圖得，當(dāng)工件半徑為時(shí)，X取最小值，又從上式可以求出：
，通常取,
若工件的半徑變化到時(shí)，X值的最大變化量，即為夾持誤差，用表示。
在設(shè)計(jì)中，希望按給定的和來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結(jié)構(gòu)增大；另一方面可選取合適的偏轉(zhuǎn)角，使夾持誤差最小，這時(shí)的偏轉(zhuǎn)角稱為最佳偏轉(zhuǎn)角。只有當(dāng)工件的平均半徑取為時(shí)，夾持誤差最小。此時(shí)最佳偏轉(zhuǎn)角的選擇對(duì)于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪（尤其當(dāng)a值較大時(shí)），偏轉(zhuǎn)角的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時(shí)，兩手爪的和邊平行，抓不著工件。為避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑，以為條件確定兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角，即下式：
其中,,型鉗的夾角
代入得出：
則
則，此時(shí)定位誤差為和中的最大值。
分別代入得：
，
所以，，夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。
由以上各值可得：
取值為。
3.3.6 楔塊等尺寸的確定
楔塊進(jìn)入杠桿手指時(shí)的力分析如下：
圖3-4 楔塊進(jìn)入手爪受力圖
上圖3-4中
—斜楔角，＜時(shí)有增力作用；
—滾子與斜楔面間當(dāng)量摩擦角，，為滾子與轉(zhuǎn)軸間的摩擦角，為轉(zhuǎn)軸直徑，為滾子外徑，，為滾子與轉(zhuǎn)軸間摩擦系數(shù);
—支點(diǎn)至斜面垂線與杠桿的夾角；
—杠桿驅(qū)動(dòng)端桿長；
—杠桿夾緊端桿長；
—杠桿傳動(dòng)機(jī)械效率
斜楔的傳動(dòng)效率:斜楔的傳動(dòng)效率可由下式表示：
杠桿傳動(dòng)機(jī)械效率取0.834，取0.1，取0.5，則可得=, ，取整得=。
動(dòng)作范圍分析：陰影部分杠桿手指的動(dòng)作范圍，即，見圖 3-5
圖3-5 動(dòng)作范圍分析圖
如果，則楔面對(duì)杠桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀態(tài)，所以必須大于。此外，當(dāng)時(shí)，杠桿與斜面平行，呈直線接觸，且與回轉(zhuǎn)支點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上干涉，即為手指動(dòng)作的理論極限位置。
斜楔驅(qū)動(dòng)行程與手指開閉范圍:當(dāng)斜楔從松開位置向下移動(dòng)至夾緊位置時(shí)，沿兩斜面對(duì)稱中心線方向的驅(qū)動(dòng)行程為L，此時(shí)對(duì)應(yīng)的杠桿手指由位置轉(zhuǎn)到位置，其驅(qū)動(dòng)行程可用下式表示：
杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為：
通常狀態(tài)下，在左右范圍內(nèi)，則由手指需要的開閉范圍來確定。由給定條件可知最大為55-60mm,最小設(shè)定為30mm.即。已知，可得，有圖3-6關(guān)系：
圖3-6 楔塊尺寸示意圖
可知：楔塊下邊為60mm，支點(diǎn)O距中心線30mm，且有，解得：
與的確定:斜楔傳動(dòng)比可由下式表示：
可知一定時(shí)，愈大，愈大，且杠桿手指的轉(zhuǎn)角在范圍內(nèi)增大時(shí)，傳動(dòng)比減小，即斜楔等速前進(jìn)，杠桿手指轉(zhuǎn)速逐漸減小，則由分配距離為：，。
確定:由前式得：
，，取。
確定:為沿斜面對(duì)稱中心線方向的驅(qū)動(dòng)行程，有圖3-7中關(guān)系
圖3-7 L對(duì)中心線的驅(qū)動(dòng)方程的示意圖
，取，則楔塊上邊長為18.686，取19mm.
3.3.7 材料及連接件選擇
V型指與夾持器連接選用圓柱銷，d=6mm, 需使用2個(gè)。杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷，d=6mm, 需使用2個(gè)。滾子與手指連接選用圓柱銷，d=4mm, 需使用2個(gè)。以上材料均為鋼，無淬火和表面處理銷兩端均打直徑1.2mm的圓孔，用GB/T91 1.2X8的開口銷連接。楔塊與活塞桿鉸鏈聯(lián)結(jié)。
第四章 斜臂機(jī)械手三維造型的設(shè)計(jì)
4.1 Solidworks軟件簡(jiǎn)介
首先我要對(duì)Solidworks進(jìn)行介紹一下，它是一種先進(jìn)的，智能化的參變量式CAD設(shè)計(jì)軟件，在業(yè)界被稱為“3D機(jī)械設(shè)計(jì)方案的領(lǐng)先者”，易學(xué)易用，界面友好，功能強(qiáng)大，在機(jī)械制圖和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，掌握和使用Solidworks已經(jīng)成為最基本的技能之一。
與傳統(tǒng)的2D機(jī)械制圖相比，參變量式CAD設(shè)計(jì)軟件具有許多優(yōu)越性，是當(dāng)代機(jī)械制圖設(shè)計(jì)軟件的主流和發(fā)展方向。傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)通常是按照一定的比例關(guān)系，從正視，側(cè)視，俯視等角度，根據(jù)投影，透視效果逐步繪出所需要的各個(gè)單元，然后標(biāo)注相應(yīng)尺寸，這就要求制圖和看圖人員都必須具備良好的繪圖和三維空間想象能力。如果標(biāo)注尺寸發(fā)生變化，幾何圖形的尺寸不會(huì)同步變更；如果改變了幾何圖行，其標(biāo)注尺寸也不會(huì)發(fā)生變化，還要重新繪制，標(biāo)注，因此繪圖工作相當(dāng)繁重。
參變量式CAD設(shè)計(jì)軟件，是參數(shù)式和變量式的統(tǒng)稱。在繪制完草圖后，可以加入尺寸等數(shù)值限制條件和其他幾何限制條件，讓草圖進(jìn)入完全定義狀態(tài)，這就是參數(shù)式模式。由于軟件自動(dòng)加入了關(guān)聯(lián)屬性，如果修改了標(biāo)注尺寸，幾何圖形的尺寸就會(huì)同步更新。也可以暫時(shí)不充分的限制條件，讓草圖處于欠定義狀態(tài)，這就是變量式操作模態(tài)。
美國Solid Works公司是一家專門從事開發(fā)三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的高科技公司，公司宗旨是使每位設(shè)計(jì)工程師都能在自己的微機(jī)上使用功能強(qiáng)大的世界最新CAD/CAE/CAM/PDM系統(tǒng)，公司主導(dǎo)產(chǎn)品是世界領(lǐng)先水平的Solid Works軟件。
90年代初，國際微機(jī)市場(chǎng)發(fā)生了根本性的變化，微機(jī)性能大幅提高，而價(jià)格一路下滑，微機(jī)卓越的性能足以運(yùn)行三維CAD軟件。為了開發(fā)世界空白的基于微機(jī)平臺(tái)的三維CAD系統(tǒng)，1993年P(guān)TC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁成立SolidWorks公司，并于1995年成功推出了SolidWorks軟件，引起世界相關(guān)領(lǐng)域的一片贊嘆。在SolidWorks軟件的促動(dòng)下，1998年開始，國內(nèi)、外也陸續(xù)推出了相關(guān)軟件；原來運(yùn)行在UNIX操作系統(tǒng)的工作站CAD軟件，也從1999年開始，將其程序移植到Windows操作系統(tǒng)中。
由于SolidWorks出色的技術(shù)和市場(chǎng)表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對(duì)象。終于在1997年由法國達(dá)索公司以三億一千萬的高額市值將SolidWorks全資并購。公司原來的風(fēng)險(xiǎn)投資商和股東，以原來一千三百萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，獲得了高額的回報(bào)，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的SolidWorks以原來的品牌和管理技術(shù)隊(duì)伍繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司。
功能描述
（1）、Top?Down(自頂向下)的設(shè)計(jì)
（2）、Down?Top?(自下向上)的設(shè)計(jì)
（3）、配置管理
（4）．易用性及對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)格式的支持
（5）．零部件鏡像
（6）.裝配特征
（7）．工程圖
（8）．eDrawing
Solidworks模形由零件，裝配體和工程圖等文件組成，沒有生成零件之前的圖紙稱為草圖。由2D，3D草圖直接生成3D模形和工程圖時(shí)，如果修改了草圖的標(biāo)注尺寸，其3D模形和工程圖會(huì)同步更新；相反，如果修改了工程圖的標(biāo)注尺寸，其3D模形和草圖也會(huì)同步更新。軟件使用起來非常方便，大大減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，提高了工作效率。
通常，從打開一個(gè)零件文件或建立一個(gè)新零件文件開始，繪制草圖、生成基體特征、然后在模型上添加更多的特征，生成零件。也可以從其他軟件導(dǎo)入曲面或幾何實(shí)體開始，編輯特征，生成零件和裝配體工程圖。這是常用的設(shè)計(jì)方法，也就是自下而上的設(shè)計(jì)方法。
草圖繪制從零件文件開始，對(duì)于一個(gè)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，要首先建立零件文件。
由于零件、裝配體及工程圖的相關(guān)性，所以當(dāng)其中一個(gè)視圖改變時(shí)，其他兩個(gè)視圖也會(huì)自動(dòng)改變。
SolidWorks2012允許自定義功能,選擇菜單欄中的“工具”-“選擇”命令,可以顯示.定義”系統(tǒng)選項(xiàng)”和”文件屬性”選項(xiàng)卡.
SolidWorks2012可以自動(dòng)保存工作.自動(dòng)恢復(fù)功能可以自動(dòng)保存零件,裝配體或工程圖文件的信息,在系統(tǒng)死機(jī)時(shí)不會(huì)丟失數(shù)據(jù).如果設(shè)定此選項(xiàng),則選擇”工具”_”選項(xiàng)”菜單命令.在”系統(tǒng)選項(xiàng)”選項(xiàng)卡上,單擊”備份”選項(xiàng),選擇”每(n)次更改后,自動(dòng)恢復(fù)信息”復(fù)選框,然后設(shè)定信息自動(dòng)保存前應(yīng)發(fā)生的變更次數(shù).
SolidWorks2012具有很強(qiáng)的文件交換功能,可以輸入,輸出數(shù)十種文件格式,可以與AutoCAD，pro/ENGINEER,Solid Edge,CAM等軟件很方便地進(jìn)行文件交換。
SolidWorks2012在草圖繪制模式及工程圖中提供顯示網(wǎng)格線和捕捉網(wǎng)格線功能。可將網(wǎng)格線與模型邊線對(duì)齊，還可捕捉到角度。網(wǎng)格線和捕捉功能在SolidWorks2012中不太使用，因?yàn)镾olidWorks是參變量軟件，尺寸和幾何關(guān)系已提供了所需的精度。
4.2 零件建模
4.2.1軸三維建模的形成
在SolidWorks中，軸的形成比較容易實(shí)現(xiàn)，可以逐節(jié)拉伸形成，也可以完成界面的縱截面草圖，然后一次旋轉(zhuǎn)完成，軸的三維模型如圖4.1所示。
圖4.1 軸三維圖
4.2.2 大臂的三維建模形成
由于大臂的三維模型比較復(fù)雜，運(yùn)用了拉伸，切除，圓角，旋轉(zhuǎn)切除等特征，形成大臂的三維模型。如圖4.2所示
圖4.2 大臂三維圖
4.2.3其他零件的三維模型造型
另外，SolidWorks里toolbox里包含了各種傳動(dòng)件，螺栓，螺母，螺釘，軸承等數(shù)據(jù)，可直接調(diào)用輸入自己參數(shù)即可。 軸承的建模，從toolbox中選擇軸承，滾動(dòng)軸承如圖4.3所示
圖4.3 添加軸承
由于旋轉(zhuǎn)角度架的三維模型比較復(fù)雜，運(yùn)用了拉伸，，圓角，旋轉(zhuǎn)切除等特征，形成旋轉(zhuǎn)角度架的三維模型。如圖4.4所示
圖4.4 旋轉(zhuǎn)角度架的三維建模
其它零部件的三維建模這里就不一一描述
4.3零件裝配
裝配通過一個(gè)中心線重合，面重合或給定距離來配合圓弧曲面的零件。首先進(jìn)行部裝，在得到斜臂機(jī)械手的裝配圖，部裝圖和總裝配圖見下圖4.5-4.7:
圖4.5 上下座部裝圖
圖4.6 傳引撥部裝圖
圖4.7 斜臂機(jī)械手三維裝配體
4.4三維向二維的轉(zhuǎn)換
SolidWorks作為一套功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助繪圖和設(shè)計(jì)軟件，可以建立零件的三維實(shí)體圖，三維裝配體圖及二維工程圖，且大多數(shù)生產(chǎn)一線的工程技術(shù)人員對(duì)二維繪圖軟件，如autocad，caxa電子圖版，等更加熟悉，而且二維軟件在繪制，尤其是標(biāo)注裝配體，零件圖時(shí)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。所以，充分利用SolidWorks和二維圖之間的轉(zhuǎn)換，把SolidWorks自動(dòng)生成的工程視圖與二維軟件的標(biāo)注結(jié)合起來，達(dá)到“以二維之長補(bǔ)三維之短”的目的。一下是三維建模生成二維工程圖的詳細(xì)過程。
在SolidWorks中生成二維工程圖。在SolidWorks中的新建模板中，新建一個(gè)工程圖模板，打開工程圖工具條，在工程圖工具條中點(diǎn)擊“新建”按鈕，并在作圖區(qū)域中單擊右鍵，“從文件中選擇”，確認(rèn)要生成工程圖的三維模型，并選擇要形成工程圖的視圖方向；在繪制區(qū)域內(nèi)單擊左鍵，以確定圖形位置，單擊“確定，完成工程圖的繪制，并將其保存為“dwg/dxf”格式的文件。如圖4.8所示
圖4.8 新建工程
選用標(biāo)準(zhǔn)圖紙，或自定義圖紙大小，如圖4.9所示
圖4.9 選擇圖紙
打開需要生成工程圖的零件，并將其拖入此工程圖。左鍵確定位置，繼續(xù)移動(dòng)鼠標(biāo)，會(huì)顯示鼠標(biāo)移動(dòng)方向的視圖。從而確定所需工程圖，如圖4.10所示。
圖4.10 工程圖創(chuàng)建
此外，還可通過上方的工具來分析剖視圖。也可標(biāo)注此裝配體的零件及其名稱。因此圖還將在CAD中修改，故在此未標(biāo)注零件序號(hào)及名稱。
第五章 結(jié)論
5.1 本設(shè)計(jì)所取得的結(jié)果
1、完成了斜臂機(jī)械手了本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。
2、根據(jù)斜臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求完成了斜臂機(jī)械手整體方案的設(shè)計(jì)
3、重點(diǎn)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，包括氣缸的選擇，零件的設(shè)計(jì)和校核等。
4、最后，運(yùn)動(dòng)三維軟件SOLIDWORKS完成整體的三維裝配。
5.2 技術(shù)展望
所以我國的斜臂機(jī)械手產(chǎn)業(yè)還不是發(fā)達(dá)的，很多地方都要有很大的改進(jìn)，基于此，我認(rèn)為以后可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：
（1） 如果從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來說，瓶頸可能是檢測(cè)系統(tǒng)部分。
（2） 從研究上講就是斜臂機(jī)械手如何提高智能、傳感器等，在技術(shù)方面則是如何與國際接軌。
因此，我國斜臂機(jī)械手產(chǎn)業(yè)的壯大必將是一個(gè)長期的過程，我們應(yīng)該不斷汲取國外發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，并不斷創(chuàng)新，努力開拓一個(gè)屬于中國人的斜臂機(jī)械手時(shí)代。
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致謝
本設(shè)計(jì)是在導(dǎo)師XXX的悉心指導(dǎo)下完成的。從選擇設(shè)計(jì)課題和斜臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)完成，導(dǎo)師淵博的學(xué)識(shí)、先進(jìn)的學(xué)術(shù)思想、對(duì)待研究的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和無私的奉獻(xiàn)精神都是學(xué)生的楷模，使我受益匪淺，在設(shè)計(jì)完成這際，謹(jǐn)向尊敬的導(dǎo)師致以崇高的敬意和由衷的感謝。
由于受時(shí)間和水平的限制，現(xiàn)代斜臂機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在著不夠完善的方面甚至有些錯(cuò)誤，懇請(qǐng)老師和專家指教，能使本設(shè)計(jì)更完善并能付諸于實(shí)際，制造出所設(shè)計(jì)的斜臂機(jī)械手操作器，將是很欣慰的事情。
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