自動(dòng)上下料機(jī)械手直臂與夾持部件的三維設(shè)計(jì)及主要零部件設(shè)計(jì)

1、自動(dòng)上下料機(jī)械手直臂與夾持部件的三維設(shè)計(jì)及主要零部 件設(shè)計(jì)摘要：機(jī)械手能代替人工操作，起到減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工時(shí) 間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的特點(diǎn)。在實(shí)用的基礎(chǔ)上, 對(duì)自動(dòng)上下料機(jī)械手直臂與夾持部件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，其中分 為三個(gè)部分，手爪、手腕、直臂。設(shè)計(jì)手爪為平移型夾持式 手爪，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為滑動(dòng)絲桿。手腕為回轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為 0-180°，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿。直臂傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為滾珠絲桿。整 體機(jī)械手為直角坐標(biāo)型，驅(qū)動(dòng)均為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，精 度咼。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；直臂與夾持部件；pro/e三維設(shè)計(jì)；cad維設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：th24目錄摘要i目錄iii緒論11.1前言和意義

2、11.2工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史11.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)31. 4本章小結(jié)32機(jī)械手直臂部分的總體設(shè)計(jì)42. 1執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇42.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇42. 3傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇52.4機(jī)械手的基本形式選擇62. 5機(jī)械手直臂部分的主要部件及運(yùn)動(dòng)72. 6機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)82.8本章小結(jié)93機(jī)械手手爪的三維設(shè)計(jì)103. 1手部設(shè)計(jì)基本要求103.2典型的手部結(jié)構(gòu)103. 3機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)計(jì)算103. 3. 1選擇手爪的類型及夾緊裝置103. 3.2手爪夾持范圍計(jì)算113. 3. 3滑動(dòng)絲杠設(shè)計(jì)123. 3. 4直齒輪設(shè)計(jì)143. 3.5電機(jī)選型153.4機(jī)械手手爪的三維出圖及其主要零部件出圖163.

3、5本章小結(jié)184機(jī)械手手腕部分的三維設(shè)計(jì)194. 1腕部設(shè)計(jì)的基本要求194.2腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇194. 2. 1典型的腕部結(jié)構(gòu)194. 2.2腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇204. 3腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算204. 3.1蝸輪軸的設(shè)計(jì)計(jì)算204. 3. 2蝸輪齒輪設(shè)計(jì)224.3.3步進(jìn)電機(jī)選型234.4手腕部分出圖及主要零部件出圖4. 5本章小結(jié)305直臂部分的三維設(shè)計(jì)315. 1手臂的結(jié)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)315. 2糾絲杠設(shè)計(jì)315. 3錐齒輪設(shè)計(jì)345.4電機(jī)選型365.5機(jī)械手直臂部分三維出圖及主要零部件出圖375. 6本章小結(jié)406總結(jié)41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)

4、械 手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼 公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司（unimaton）,專門生產(chǎn)工 業(yè)機(jī)械手。1962年美國(guó)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冋轉(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(guó)外工業(yè)機(jī)械 手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國(guó)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(guó)還-卜分注意提高機(jī)械于的町靠性，

5、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(guó)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(guó)knka公司還 生產(chǎn)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) 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。h本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969 年從美國(guó)引進(jìn)二

6、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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)。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

7、將有55萬(wàn)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。冃前國(guó)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(guò)程小的任務(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(guó) 際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流

8、 活動(dòng)開展很多。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：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)模塊屮的 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. 工控制原統(tǒng)向基于pc機(jī)的開放型空制器方向發(fā)展，便于 標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜fi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

9、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)。4. 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)；5. 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，主要釆用性價(jià)比高的模塊，在滿足工作要求

10、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本章小結(jié)本章介紹了機(jī)械手的基本概念，工業(yè)發(fā)展簡(jiǎn)史，發(fā)展機(jī)械手的重 要性及設(shè)計(jì)的口的，并介紹了機(jī)械手的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。2機(jī)械手直臂部分的總體設(shè)計(jì)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(lái)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)于一些止方形表面光滑、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

11、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、斜械杠桿式、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)立的口由度。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）缸它瞬構(gòu)黑奏,靈巧回瞅角度?。ǔ?小f270度），并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出 扭距。因

12、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(lái)說(shuō)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(lái)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，而口自身運(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

13、和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。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(lái)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 性較養(yǎng)、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。(2) 液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以油液壓縮的壓力來(lái)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、不易丁保養(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

14、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(guò) 濾要求非常嚴(yán)格，成本高。(3) 機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手它是由機(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)力是市工作機(jī)械提供的。其主要特點(diǎn)為： 運(yùn)動(dòng)精確，動(dòng)作頻率大，泄位精度高。但是結(jié)構(gòu)較大，保養(yǎng) 需求咼。(4) 電氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械手它是由電機(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(zhǎng)，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)境經(jīng)討論我們采用電動(dòng)

15、驅(qū)動(dòng)。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)器人屮常用的齒輪傳動(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(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，它丄要是用來(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)

16、。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、制造成木高， 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%）,其場(chǎng)平穩(wěn)|丸子，靈活度i自通迥預(yù)緊，肖除 間隙、揭哥傳動(dòng)別度;進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長(zhǎng)； 而月.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)

17、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(guò)帶齒與輪齒作嚙合傳動(dòng)。為保證帶和帶輪作無(wú)滑動(dòng) 的同步傳動(dòng)，齒形帶采用了承載后無(wú)彈性變形的高強(qiáng)力材 料，無(wú)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(rùn)滑；傳動(dòng)平穩(wěn)，能高速傳動(dòng)（可達(dá)40ni/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)器人屮使用很多。 其i -：要缺點(diǎn)是安裝精度要求高、中心距要求/'e格行0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(wú)間隙傳動(dòng)、 摩擦阻力大，無(wú)滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低