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編號(hào)
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 數(shù)控車床上下工件機(jī)械手
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 號(hào)： 0923077
學(xué)生姓名： 劉忠和
指導(dǎo)教師： 馮鮮 （職稱：講 師 ）
（職稱： ）
2013年5月 25日
無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)控車床上下工件機(jī)械手 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級(jí)： 機(jī)械92
學(xué) 號(hào)： 0923077
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書
一、 題目及專題：
1、題目 數(shù)控車床上下工件機(jī)械手
２、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
數(shù)控車床要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可設(shè)計(jì)專門的上下料裝置，但是要實(shí)現(xiàn)上下料的柔性化，機(jī)械手就是其最好的組合。隨著機(jī)器人學(xué)科的發(fā)展，機(jī)器人在某些方面可以代替人的工作，特別是一些高強(qiáng)度的工作，甚至還具備了一定的學(xué)習(xí)功能。數(shù)控車床與機(jī)械手的結(jié)合是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)選擇，它是實(shí)現(xiàn)一個(gè)人操作多臺(tái)車床，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高的有效途徑。
3、 本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
原始參數(shù)：
1）抓重:600g (夾持式手部) 2）自由度數(shù):4個(gè)自由度
3）坐標(biāo)型式:直角坐標(biāo)型 4）橫臂手臂長度:2180mm
5）手臂最大高度:2769.5mm
6）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍: 0-180°
7）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 升降行程：920mm
設(shè)計(jì)要求：
1、總體方案的確定。主要確定機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和控制部分。
2、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括手部模塊、腕部模塊、直臂模塊的設(shè)計(jì)。 并繪制整體裝配圖。
3、重要部件的設(shè)計(jì)，包括直臂導(dǎo)桿氣缸的設(shè)計(jì)，多工位動(dòng)態(tài)精度的實(shí)現(xiàn)，防傾覆裝置的設(shè)計(jì)等。并繪制導(dǎo)桿氣缸的裝配圖。
4、控制部分的初步設(shè)計(jì)。
5、設(shè)計(jì)說明書一份。
6、所有非標(biāo)零件需畫出零件圖。
注：所有圖紙需計(jì)算機(jī)打印
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械 92 班 姓名 劉忠和
五、開始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
I
〔學(xué)科組組長〕 簽名
系主任 簽名
2012年 11 月 12 日
III
摘 要
本設(shè)計(jì)是數(shù)控車床上下工件機(jī)械手的設(shè)計(jì)，包括總體方案的確定，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及重要部件的設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的加劇，對(duì)加工效率提出了新的要求，數(shù)控車床工件裝卸自動(dòng)化就成為當(dāng)前制造廠家對(duì)機(jī)床的重要需求之一。為了滿足用戶的需求，當(dāng)前中國的機(jī)床制造廠開始在部分?jǐn)?shù)控車床上配置工件自動(dòng)上下料機(jī)械手。但如果采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制其成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度慢、工作效率較低；如果采用液壓驅(qū)動(dòng)，其泄漏對(duì)數(shù)控要求的清潔環(huán)境造成一定的副面影響。隨著氣動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，氣體驅(qū)動(dòng)也能成為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)力量，其成本底，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，清潔，再加上PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電氣一體化控制。
本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)用低成本、高速的氣缸來組成模塊化的氣動(dòng)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床工件自動(dòng)裝卸，克服伺服電機(jī)應(yīng)用中存在的高成本和低效率的局限。論文完成的主要設(shè)計(jì)工作包括以下幾個(gè)方面:(1)設(shè)計(jì)了模塊化氣動(dòng)裝卸機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu);(2)研究了大跨度氣缸的固定支撐形式;(3)研究了水平運(yùn)動(dòng)氣缸的防側(cè)翻技術(shù);(4)研究并實(shí)現(xiàn)了氣缸輸出桿高精度柔性調(diào)節(jié)技術(shù)(5)初步設(shè)計(jì)了氣動(dòng)控制回路和PLC控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；自動(dòng)化；上下料；氣體驅(qū)動(dòng)
III
Abstract
This design is the numerical control lathe workpiece manipulator design, including the determination of overall scheme, design of mechanical structure design and important parts. Along with the development of modern industry and the competition put forward new requirements to processing efficiency, numerical control lathe workpiece loading and unloading automation becomes the current manufacturer's one of the important requirements for machine tools. In order to meet the needs of users, the current China's machine tool manufacturers began on the part of numerical control lathe automatic up-down material manipulator configuration artifacts.But, if the servo motor drive and control its high cost, complex structure, slow speed, the efficiency is low; If adopts hydraulic drive, the leak on the CNC requirements of clean environment certain side effects.With the continuous development of pneumatic technology, gas drive also can become a driving force of the manipulator, end of the cost, simple structure, high efficiency, clean, coupled with the PLC control system to realize integration of mechanical and electrical gas control.
This design is mainly design with low cost, high speed of the cylinder to form a modular pneumatic manipulator, and implement numerical control lathe automatic loading and unloading of workpiece, overcome existing in the application of servo motor limitations of high cost and low efficiency. The thesis completed the main design work includes the following several aspects: (1) the overall structure of the design of modular pneumatic loading and unloading manipulator; (2) study the long-span cylinder fixed support form; (3) studies the technique of side flip horizontal motion cylinder; (4) the research output and implements the cylinder rod (5) high precision flexible adjustment technology pneumatic control loop and PLC control system is designed.
Key words:manipulator;automation;up-down material ;gas drive
目錄
摘 要 IV
Abstract V
目 錄................................................................................................................................................................ VI
1 緒論 1
1.1 前言和意義 1
1.2 工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史 1
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)象和趨勢(shì) 2
1.4 設(shè)計(jì)原則 3
2 數(shù)控車床上下工件機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 4
2.1 技術(shù)要求 4
2.2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì) 4
2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 4
2.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 5
2.2.3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇 5
2.2.4 機(jī)械手的基本形式選擇 7
2.2.5 機(jī)械手直臂部分的主要部件及運(yùn)動(dòng) 8
2.2.6 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù) 8
3 各模塊的設(shè)計(jì) 10
3.1 機(jī)械手手部模塊的設(shè)計(jì) 10
3.1.1 手部設(shè)計(jì)基本要求 10
3.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu) 10
3.1.3 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.2 機(jī)械手腕部模塊的設(shè)計(jì) 14
3.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 14
3.2.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 14
3.2.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 15
3.3 機(jī)械手手臂模塊的設(shè)計(jì) 16
3.3.1 手臂的結(jié)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 16
3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì) 16
3.3.3 錐齒輪及錐齒輪軸的設(shè)計(jì) 18
3.3.5 電機(jī)選型 21
4 直臂導(dǎo)桿氣缸的設(shè)計(jì) 22
4.1 氣缸體的設(shè)計(jì) 22
4.1.1 預(yù)選氣缸的缸徑 22
4.1.2 預(yù)選氣缸的行程 22
4.1.3 氣缸的類型選擇 23
4.1.4 活塞桿直徑d的計(jì)算 23
4.1.5 氣缸筒壁厚的計(jì)算 23
4.1.6 氣缸輸出拉力的校核 24
4.1.7 耗氣量的計(jì)算 24
4.2導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 25
6 結(jié)論與展望 27
致謝 28
參考文獻(xiàn) 29
V
數(shù)控車床上下工件機(jī)械手
1 緒論
1.1 前言和意義
機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過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)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。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。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)。目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國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。
目前，在國內(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)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。通過對(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。
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)加工過程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來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。
1.2 工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。
機(jī)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(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)。
1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962年美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(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。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-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)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到±0.1毫米。
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)。德國KnKa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。
瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。
瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。
日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)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(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。
第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)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(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)象和趨勢(shì)
目前，在國內(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：
（1）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)。
（2）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。
（3）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)。
（5）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)；
（6）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。
總的來說，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。
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)。
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數(shù)控車床上下工件機(jī)械手
2 數(shù)控車床上下工件機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
2.1 技術(shù)要求
數(shù)控車床要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可設(shè)計(jì)專門的上下料裝置，但是要實(shí)現(xiàn)上下料的柔性化，機(jī)械手就是其最好的組合。隨著機(jī)器人學(xué)科的發(fā)展，機(jī)器人在某些方面可以代替人的工作，特別是一些高強(qiáng)度的工作，甚至還具備了一定的學(xué)習(xí)功能。數(shù)控車床與機(jī)械手的結(jié)合是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)選擇，它是實(shí)現(xiàn)一個(gè)人操作多臺(tái)車床，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高的有效途徑。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的加劇，對(duì)加工效率提出了新的要求，數(shù)控車床工件裝卸自動(dòng)化就成為當(dāng)前制造廠家對(duì)機(jī)床的重要需求之一。為了滿足用戶的需求，當(dāng)前中國的機(jī)床制造廠開始在部分?jǐn)?shù)控車床上配置工件自動(dòng)上下料機(jī)械手。但如果采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制其成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度慢、工作效率較低；如果采用液壓驅(qū)動(dòng)，其泄漏對(duì)數(shù)控要求的清潔環(huán)境造成一定的副面影響。隨著氣動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，氣體驅(qū)動(dòng)也能成為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)力量，其成本底，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，清潔，再加上PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電氣一體化控制。
本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)用低成本、高速的氣缸來組成模塊化的氣動(dòng)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床工件自動(dòng)裝卸，克服伺服電機(jī)應(yīng)用中存在的高成本和低效率的局限。論文完成的主要設(shè)計(jì)工作包括以下幾個(gè)方面:(1)設(shè)計(jì)了模塊化氣動(dòng)裝卸機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)；(2)研究了大跨度氣缸的固定支撐形式；(3)研究了水平運(yùn)動(dòng)氣缸的防側(cè)翻技術(shù)；(4)研究并實(shí)現(xiàn)了氣缸輸出桿高精度柔性調(diào)節(jié)技術(shù)(5)初步設(shè)計(jì)了氣動(dòng)控制回路和PLC控制系統(tǒng)。
2.2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)
2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇
（1）手部，是直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型。手部是用來抓取工件的部件，根據(jù)被抓取物件的形狀、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取類型是吸附型和夾持型，吸附型主要是針對(duì)于一些正方形表面光滑、輕質(zhì)的工件或物料，夾持型主要是針對(duì)圓柱形狀或者是別的一些比較復(fù)雜形狀的工件或物料。傳力機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有：連桿杠桿式、滑槽杠桿式、斜槭杠桿式、絲杠螺母式、齒輪齒條式、重力式和彈簧式。
（2）腕部，即連接手部和臂部的部件，起支撐和改變手部姿態(tài)的作用，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、左右擺動(dòng)、上下擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。
（3）臂部 ，手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。[1]
2.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 可分為以下四類:
（1）氣壓傳動(dòng)機(jī)械手
氣壓機(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。其特點(diǎn)為：輸出力大、易于保養(yǎng)、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、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。
（2）液壓傳動(dòng)機(jī)械手
液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以油液壓縮的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：輸出力大、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏、抓取力大。但是這種機(jī)械手對(duì)密封性要求很高、不易于保養(yǎng)與維護(hù)、受到液體本身的屬性影響，不宜在高溫或者低溫的環(huán)境下工作、油的泄漏會(huì)導(dǎo)致對(duì)其工作性能產(chǎn)生很大的影響、油液過濾要求非常嚴(yán)格，成本高。
（3）機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手
機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手是由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，動(dòng)力是由工作機(jī)械提供的。其主要特點(diǎn)為：運(yùn)動(dòng)精確，動(dòng)作頻率大，定位精度高。但是結(jié)構(gòu)較大，保養(yǎng)需求高。
（4）電氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械手
電氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械手是由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：運(yùn)動(dòng)速度快，行程長，定位精度高，易于維護(hù)、使用方便、節(jié)能環(huán)保。但是其技術(shù)還不夠成熟、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本也較高。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。按照各驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)以及機(jī)械手的工作環(huán)境采用電氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。[2]
2.2.3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇
（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。
（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)龋挥幸詡鬟f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、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；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡(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。
（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，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動(dòng)。為保證帶和帶輪作無滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強(qiáng)力材料，無彈性滑動(dòng)，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)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(dòng)平穩(wěn)，能高速傳動(dòng)（可達(dá)40m/s）、傳動(dòng)比可達(dá)10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)器人中使用很多。其主要缺點(diǎn)是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同時(shí)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。
（5）鋼帶傳動(dòng)
鋼帶傳動(dòng)的特點(diǎn)是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動(dòng)、摩擦阻力大，無滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動(dòng)力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動(dòng)效率高。
（6）鏈傳動(dòng)
在機(jī)器人中鏈傳動(dòng)多用于腕傳動(dòng)上，為了減輕機(jī)器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)距離被傳動(dòng)的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子鏈來傳動(dòng)。
（7）鋼絲繩輪傳動(dòng)
鋼絲繩輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。[3]
根據(jù)實(shí)際要求，本設(shè)計(jì)主要選取了齒輪傳動(dòng)和螺旋傳動(dòng)。
2.2.4 機(jī)械手的基本形式選擇
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[1]。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)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2.1.a。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)到很高的位置精度（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 機(jī)械手基本形式
按照機(jī)械手的工作環(huán)境采用直角坐標(biāo)型機(jī)械手，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，定位精度高，比較滿足設(shè)計(jì)要求。
2.2.5 機(jī)械手直臂部分的主要部件及運(yùn)動(dòng)
在直角坐標(biāo)型機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，關(guān)于機(jī)械手具有4個(gè)自由度,即：手爪張合；手腕回轉(zhuǎn)；直臂升降；橫臂平移4個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。
機(jī)械手主要由3個(gè)大部件、2個(gè)電機(jī)和3個(gè)氣缸組成：（1）手部，采用絲桿螺母結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)手抓的張合；（2）腕部，采用擺動(dòng)氣缸帶動(dòng)手部實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)90°-180°；（3）臂部，采用氣缸，實(shí)現(xiàn)臂部的平移和升降，同時(shí)還采用錐齒輪和錐齒輪軸的連接，實(shí)現(xiàn)臂部的旋轉(zhuǎn)。錐齒輪使用絲桿與軸聯(lián)接，使用電機(jī)帶動(dòng)。
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖2.2所示。
圖2.2 運(yùn)動(dòng)示意圖
2.2.6 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)
工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)是說明機(jī)械手規(guī)格和性能的具體指標(biāo)，一般包括以下幾個(gè)方面：
?。?）抓重（又稱臂力）：額定抓取重量或稱額定負(fù)荷，單位為公斤；
?。?）自由度數(shù)目和坐標(biāo)形式：整機(jī)，手臂和手腕等運(yùn)動(dòng)共有幾個(gè)自由度，并說明坐標(biāo)形式；
（3）定位方式：固定機(jī)械擋塊，可調(diào)機(jī)械擋塊，行程開關(guān)，電位器及其他各種位置設(shè)定和檢測(cè)裝置；
（4）驅(qū)動(dòng)方式：氣動(dòng)，液動(dòng)，電動(dòng)和機(jī)械式四種形式；
（5）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)；
（6）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)；
（7）手指夾持范圍和握力；
（8）定位精度：位置設(shè)定精度和重復(fù)定位精度；
?。?）輪廓尺寸：長×寬×高（毫米）；
?。?0）重量：整機(jī)重量。
本設(shè)計(jì)的主要參數(shù)
（1）用途：數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下工件
（2）設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
1) 抓重:600g (夾持式手部)
2) 自由度數(shù):4個(gè)自由度
3) 坐標(biāo)型式:直角坐標(biāo)型
4) 橫臂手臂長度:2180mm
5) 手臂最大高度:2769.5mm
6) 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)
升降行程：920mm
升降速度：167mm/s
7) 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)
回轉(zhuǎn)范圍: 0-180°
3 各模塊的設(shè)計(jì)
3.1 機(jī)械手手部模塊的設(shè)計(jì)
3.1.1 手部設(shè)計(jì)基本要求
（1） 應(yīng)當(dāng)具備適當(dāng)?shù)募泳o力和驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的加緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的加緊力不同。
（2） 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度）Δγ，以便于抓取工件。
（3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。
（4） 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，機(jī)械手手部設(shè)計(jì)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)）。
（5） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。[4]
3.1.2 典型的手部結(jié)構(gòu)
（1）楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(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。[4]
3.1.3 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1.3.1 選擇手爪的類型及夾緊裝置
本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)抓取圓柱形物塊的機(jī)械手。常用的工業(yè)機(jī)械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng),這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 適于夾持平板和圓柱類材料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差為零。通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇移動(dòng)型手爪，采用絲杠螺母這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方式。
運(yùn)行方式為電機(jī)帶動(dòng)直齒輪使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)繼而帶動(dòng)手爪接觸塊移動(dòng)，從而形成手爪的張合，當(dāng)手爪抓到零件時(shí)，電機(jī)停止，手爪形成自鎖，帶動(dòng)零件移動(dòng)。
圖3.1 二維手爪結(jié)構(gòu)圖
3.1.3.2 手爪夾持范圍計(jì)算
加工毛坯尺寸：Φ20mm-Φ40mm
長度：100mm左右
毛坯質(zhì)量（以鋼材的密度計(jì)算）：約250g-565g（按最大600g計(jì)算）
裝夾深度：約25mm
縱向定位精度：0.1mm
橫向定位精度：1mm
手爪接觸塊為橡膠，橡膠具有彈性大，定伸強(qiáng)度高，抗撕裂性和電絕緣性優(yōu)良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳等特點(diǎn)。
3.1.3.3 滑動(dòng)絲桿設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)條件：需自鎖
絲杠長度 145mm
最大質(zhì)量共計(jì)約1100g。
絲杠載荷：絲杠豎直時(shí)承受最大軸向力，(g取10N/kg)。
設(shè)計(jì)計(jì)算：
（1）牙型、材料和許用應(yīng)力
采用梯形單頭螺紋，螺桿材料選45鋼，調(diào)制處理，，由機(jī)械手冊(cè)[5]查表可得
許用拉應(yīng)力 （3.1）
手爪部分為輕載，螺母材料選耐磨鑄鐵。由機(jī)械手冊(cè)[5]查表可得
許用彎曲應(yīng)力，取；
許用剪應(yīng)力，
由機(jī)械手冊(cè)[5]查表可得
許用壓強(qiáng)，取。
（2）按耐磨性計(jì)算螺桿中徑
由機(jī)械手冊(cè)表[5]中公式
（3.2）
采用整體螺母式，取，，
由GB/T 5796.3-1986，可選，，，，，的梯形螺紋、中等精度。螺桿左右兩端分別采用不同的旋向，螺旋副標(biāo)記分別為：
，。
螺母高度，取，
則螺紋圈數(shù)圈。
（3）自鎖性驗(yàn)算
由于單頭螺紋，導(dǎo)程，故螺紋升角為
（3.3）
由機(jī)械手冊(cè)[5]查表可得鋼和耐磨鑄鐵的，取，可得
（3.4）
，故自鎖可靠。
（4）螺桿強(qiáng)度校核
由機(jī)械手冊(cè)[5]查表可得，螺紋摩擦力矩
（3.5）
代入以下公式得
（3.6）
故強(qiáng)度可靠。
（5）螺母螺紋強(qiáng)度校核
因螺母材料強(qiáng)度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋強(qiáng)度即可。
由機(jī)械手冊(cè)[5]查表可得
牙根寬度，基本牙高，
代入以下中的公式得
（3.7）
（3.8）
故強(qiáng)度可靠。
（6）效率
由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)時(shí)
（3.9）
效率取為。
3.1.3.4 步進(jìn)電機(jī)選型
計(jì)算條件：
空行程最長，夾緊時(shí)間不超過1.2s
設(shè)計(jì)計(jì)算：
螺母移動(dòng)平均速度 （3.10）
絲杠的平均轉(zhuǎn)速
摩擦轉(zhuǎn)矩：
（3.11）
（3.12）
故 （3.13）
選用轉(zhuǎn)矩為的直流電機(jī)，速度比為。
齒輪傳動(dòng)效率、滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)效率
電機(jī)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩： （3.14）
電機(jī)軸輸出功率： （3.15）
故電機(jī)選用40ZY-02直流電動(dòng)機(jī)。
3.2 機(jī)械手腕部模塊的設(shè)計(jì)
機(jī)械手手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。
3.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求
（1） 選擇合適的自由度
機(jī)械手手腕自由度數(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)械手的控制更困難，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)械手手腕的自由度數(shù)為2至3個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)械手手腕不需要自由度，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，要具體問題具體分析，考慮機(jī)械手的多種布局，運(yùn)動(dòng)方案，選擇滿足要求的最簡(jiǎn)單的方案。
（2） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕
腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
（3） 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局
腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。
（4） 必須考慮工作條件
對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。[7]
3.2.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇
3.2.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu)
（1）具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動(dòng)慣性所用。回轉(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于270°）。
（2）齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于270°的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。
（3）具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。
（4）機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。[7]
3.2.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)90°或180°，則腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于360°，并且要求嚴(yán)格的密封。
3.2.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算
此部分選用擺動(dòng)氣缸。 擺動(dòng)氣缸有齒輪齒條式和葉片式兩大類。 根據(jù)需要，本設(shè)計(jì)選用齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸。
3.2.3.1 預(yù)選氣缸的缸徑
根據(jù)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，負(fù)載率與氣缸工作壓力有關(guān)，且綜合反映活塞的快速作用合氣缸的效率，的最佳值為0.3～0.5，參考《氣動(dòng)設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造手冊(cè)》[8],如表3-1所示, 預(yù)選氣缸的負(fù)載率
表3-1 負(fù)載運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表
負(fù)責(zé)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
靜載荷
動(dòng)載荷
氣缸速50~500mm/s
氣缸速度大于500mm/s
負(fù)載率
小于70%
小于50%
小于30%
根據(jù)氣源供氣條件，壓力，已知F,和P，對(duì)于雙作用氣缸，預(yù)選
，根據(jù)關(guān)系:
（3.16）
（3.17）
可初選缸徑（已經(jīng)過尺寸標(biāo)準(zhǔn)化）
3.2.3.2 預(yù)選氣缸的行程
根據(jù)使用環(huán)境，預(yù)選氣缸行程為。
3.2.3.3 活塞桿直徑d的計(jì)算
與計(jì)算氣缸內(nèi)徑D相同。一般取，必要時(shí)也可取，這里根據(jù)D，計(jì)算出 ，尺寸標(biāo)準(zhǔn)化選取。
3.2.3.4 氣缸輸出拉力的校核
（3.18）
所以氣缸能正常工作。
3.3 機(jī)械手手臂模塊的設(shè)計(jì)
機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個(gè)自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。[9]
手臂模塊是機(jī)械手的主要握持模塊。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。[10]
3.3.1 手臂的結(jié)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
機(jī)械手的手臂升降伸縮運(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)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)。
我選用的是滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的手臂，螺母帶動(dòng)絲杠進(jìn)行升降和平移，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，中間為絲桿，兩邊為光桿。
運(yùn)行方式為電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪，繼而帶動(dòng)絲杠螺母，絲杠螺母是固定點(diǎn)，相對(duì)的絲杠做上下移動(dòng)。
3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)
（1）選取的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)為：磨制絲杠(右旋)
上固定端到螺母間距離(臨界長度)：
下固定端到螺母間距離(臨界長度)：
設(shè)計(jì)后絲杠總長：
最大行程：
支承方式為兩端固定。
定位精度：由表得，有效行程內(nèi)目標(biāo)行程公差，行程變動(dòng)量，由表得，任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng)量，2π弧度內(nèi)行程變動(dòng)量。
絲杠精度為5級(jí)，可靠性90%。
（2）計(jì)算載荷
手腕手爪部分重量：
(重力加速度取) (3.19)
軸向載荷。
（3）初算導(dǎo)程
絲杠螺母轉(zhuǎn)速，直臂移動(dòng)速度
（4）選工作壽命
（5）查表得
(3.20)
式中，查機(jī)械手冊(cè)[5]得，精度系數(shù)
查機(jī)械手冊(cè)[5]得，可靠性系數(shù)
查機(jī)械手冊(cè)[5]得，載荷性質(zhì)系數(shù)
查機(jī)械手冊(cè)[5]得，預(yù)加載荷系數(shù)
所以，
（6） 靜載計(jì)算
由機(jī)械手冊(cè)[5]得，，式中 （3.21）
（7）選取滾珠絲杠型號(hào)
采用外循環(huán)導(dǎo)珠管埋入式CDM 1605-3.5-P5型,其中，，，,,滿足承載能力要求。
（8）計(jì)算預(yù)緊力
, (3.22)
（9）值校驗(yàn)
由機(jī)械手冊(cè)[5]得，，符合要求。
（10）臨界轉(zhuǎn)速校核
（3.23）
式中，查機(jī)械手冊(cè)[5]得，
滿足轉(zhuǎn)速要求。
（11）螺桿強(qiáng)度：
螺桿材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，其許用應(yīng)力
螺桿當(dāng)量應(yīng)力：
（3.24）
式中，。
符合強(qiáng)度要求。
（12）系統(tǒng)剛度計(jì)算
剛性為機(jī)械剛度的指標(biāo)，滾珠絲杠的剛性取決于螺桿與螺母之間軸向負(fù)荷珠槽接觸剛性及螺桿軸的剛性來決定。機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總剛性的慣性經(jīng)由測(cè)試，可將螺帽—螺桿及鋼珠—珠槽兩者間的剛性合二為一，成為螺帽剛性,因此[6]
（3.25）
3.3.3 錐齒輪及錐齒輪軸的設(shè)計(jì)
錐齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：錐齒輪是圓錐齒輪的簡(jiǎn)稱，它用來實(shí)現(xiàn)兩相交軸之間的傳動(dòng),兩軸交角S稱為軸角，其值可根據(jù)傳動(dòng)需要確定，一般多采用90°。錐齒輪的輪齒排列在截圓錐體上，輪齒由齒輪的大端到小端逐漸收縮變小，如圖3.3所示。[6]由于這一特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于圓柱齒輪中的各有關(guān)"圓柱"在錐齒輪中就變成了"圓錐"，如分度錐、節(jié)錐、基錐、齒頂錐等。錐齒輪的輪齒有直齒、斜齒和曲線齒等形式。直齒和斜齒錐齒輪設(shè)計(jì)、制造及安裝均較簡(jiǎn)單，但噪聲較大，用于低速傳動(dòng)（<5m/s）；曲線齒錐齒輪具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點(diǎn)，用于高速重載的場(chǎng)合。[6]本節(jié)采用S=90°的標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動(dòng)。
圖3.3 錐齒輪
計(jì)算條件：
負(fù)載轉(zhuǎn)矩，直線錐齒輪，傳動(dòng)比為，錐齒輪轉(zhuǎn)速，。
材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度HBS=217~255，齒面粗糙度。
A. 錐齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算
(1) 初步計(jì)算：
電機(jī)軸端齒輪轉(zhuǎn)矩
載荷系數(shù)
齒數(shù)比
估算時(shí)，安全系數(shù)
接觸疲勞強(qiáng)度極限
因此估算時(shí)的齒輪許用接觸應(yīng)力 (3.26)
估算結(jié)果：
所以
考慮到絲杠需從錐齒輪2中心穿過，且所選用絲杠的公稱直徑，絲杠螺母，故取，。
(2) 幾何計(jì)算
齒數(shù)：取
大端模數(shù)： (3.27)
(3) 強(qiáng)度校核
1) 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
其條件為