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11.绪论1.1工业机械手设计的意义1、熟悉机械手的应用场合及有关机械手设计的步骤；2、机械手可以提高生产过程中的自动化程度，减轻人力，便于有节奏的生产；3、结合机械手设计这方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题、研究问题、解决问题。1.2国外的机械情况现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Uni-mate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Uni-mate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Uni-mate型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Uni-mate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前2平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国Kn-Ka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingsystem)和柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.3国内形势[1]：经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这3样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业。如果说20世纪90年代机床创新的最大成就是发明并联机床的话，那么当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。机器人与机床相结合，以往主要是解决工件自动上下料搬运问题，致使机床得以无人化24小时连续运转。如擅长专机制作的意大利COMAU公司，他们比较成熟地将缸体及缸盖生产线中的零件搬运，设计成由机器人完成。当然，对工件的抛光打磨、清洗及其它脏、累活也是机器人表现的舞台。去年9月在汉诺威EMO2005展览会上，工业机器人的应用非常抢眼，而且它应用的领域也在扩大。然而在这次CCMT2006展览会上，值得一机器人应用是当今机床发展的一大趋向提的是1号馆W1-916意大利意沃乐EVOLUT公司，这个欧洲最大的机器人应用与集成公司，他们的一台DC-5机器人修边、倒角装置特别引人注目。该机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺，甚至机器人可以加装动力源用刀具对零件进行加工，因此它已将机械人传统的搬运、喷漆、焊接工作范围扩展到了金属切削及抛光领域。工作单元还可以配备各种上料方式：如带视频装置可抓取随机摆放的工件，或以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。DC-5工作单元可以处理的最大负荷为120/150kg。适宜加工的金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。可以代替至少四个工人的工作量。3D编程软件将以往8小时编程时间缩减为15分钟，为小批量多品种的工件提供最好的解决方案。意沃乐公司除此以外最常涉足的领域还有用于压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、零件抛光单元上的各种机械人应用等等。随着社会的不断发展和进步，势必劳动力的成本将越来越高，对环保及安全的要求将越来越严，所以工业机器人的应用必将与时俱进。而且，由机器人干出的工件，譬如说打磨，其零件的一致性肯定比人工来得好，因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步，规定必须由机器人来操作。由此看来，工业机器人在机床上的应用会将越来越广。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：1.工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修)，而单机不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。4⒉机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。⒊工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维52总体分析2.1自由度分析该机械手臂用于物流生产线上物品的抓取和易位。整个机械臂安装在一个回转支座上，回转角度范围为360°；肩关节为转动关节,回转角度范围为360°；小臂相对于大臂可摆动，摆动范围为60°-120°；小臂末端的手腕也可以摆动，水平和垂直摆动范围为-60°到+60°；手腕的末端安装一机械手，机械手具有开闭能力，用于直径30-45mm工件的抓取。系统共有5个自由度，分别是基座的回转旋转、肩部俯仰、肘部左右俯仰、腕部转动及俯仰。2.2功能分析该机构是一个五自由度的工业机械手，能完成夹紧、旋转、俯仰、摇摆以及回转动作，可用于工业流水线上的操作。我们主要针对设计的是在流水线上对已加工成品的夹取放置（范围为边长为1000mm），机构简便、效率高，可控范围大，基座运用齿轮传动，效率高，强度大，可调角度大，回转机构和俯仰机构都是-60°到60°。机构所用零件便于加工，标准件较多，便于机构的组装，相应的成本也不高2.3机械手的机构形式基座的回转可以进行360°的回转，实现机器人本体除基座以外机构的转动（腰部）；与基座相连的转动肩关节，可以带动大臂，小臂，手腕及工件的上下转动，幅度较大，可以满足60°-120°的俯仰要求（肩部）；与此相连部分为左右摇摆机构，能够完成-60°~60°度的左右来回摆动，可满足机器人工作空间上高度的要求（肘部）；接着下去手腕的是俯仰机构和摆动机构，也可实现上下俯仰动作，也可完成左右摆动，分别实现手爪的俯仰和摆动，角度范围为-60°~60°。机构采用齿轮传动控制各自由度的动作，简单方便且功率大，各自由度之间相互联系且独立，动作时互不干涉。62.4各关节的结构原理及分析根据功能要求，在设计研究时将其分为肩部机构，上臂机构，肘部传动机构，前臂机构，手爪夹持机构。肩部机构实现肩关节的转动动作，电机转动，带动减速此轮传动机构，从而实现肩关节的旋转运动。肘部传动机构实现关节屈|伸动作。由上臂外层，上臂内层，定位螺钉，电机，齿轮组成。电机驱动小齿轮，通过小齿轮带动大齿轮，大齿轮与前臂机构固定连接，从而实现肘关节的屈|伸动作。前臂机构实现前臂的内转|外转和腕关节的外展|内收两个动作。有腕关节驱动电机，前臂机构的外壁与腕关节的内壁的过渡套圈，腕关节内壁，前臂机构的外壁，前臂机构的外壁，前臂驱动电机，传动齿轮等组成。腕关节的旋转动作比较简单，因此可以直接用小电机带动腕关节实现。前臂的内转|外转动作是通过前臂的电机驱动小齿轮，带动大齿轮实现的。腕关节俯仰用电机驱动齿轮传动实现。2.5电机布局分析机器人的结构布局，对其综合性能有很大影响。首先看一下机器人本体主要部件的布局。按照腰部关节转动的电机1就安装在机座上；但是对于驱动肩关节的电机2则应该放置到底座部件上边。如果把电机2也同样安装在机座上，那么它的传动则是一个问题，因为电机1和电机2均在机座上，并且都要传动到腰部和肩关节，无疑会增加基座和腰部的体积，而且在丝杆的传动中可以到达很高的速度，故把电机2安装在机器人的顶部直接驱动齿轮。机器人的肘关节是通过同步带传动，对于腕部的转动，则因为其需要的扭矩较小，故电机3的体积小，质量小，按照就近原则,将其安装在小臂上，腕部的摆动依靠电机4传动齿轮实现，电机4安装把其放在手腕的末端。73机械手方案的创成和机械结构设计3.1机械手机械设计的特点串联型机械手设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处。首先，从机械结构学的角度来看，机械手的结构是有一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。开链结构使得机械手的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆件坐标系之间的位置关系，末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系，末端执行器的受力和各关节驱动力矩（或力）之间的关系等，都不是一般分析机构方法能解决的了的，需要建立一套针对空间的开链机构的运动学，静力学方法。末端执行器是运动学分析的主要内容。其次，由于开链机构相当于一系列悬挂臂杆件串联在一起，机械误差和弹性变形的累积使机器人的刚度和精度大受影响。因此在进行机械手机械设计时要特别注意刚度和精度的设计。再次，机械手是典型的机电一体化产品，在进行结构设计时必须考虑到驱动和控制等方面的问题，这和一般的机械设计的产品设计不同。另外，与一般机械产品相比，机械手的设计在结构的紧凑性，灵巧性方面有更高的要求。3.2与机械手有关的概念[7]自由度：机械手一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有很多移动副和转动副。相应的，与转动副相连的关节成为转动关节。以移动副相连的关节为移动关节。这些关节中，单独驱动的关节为主动关节。主动关节的数目成为机械手的自由度。机械手由于用途广泛[2]，种类繁多，机构也多种多样，根据本体结构坐标系的特点，大体上可分为：（1）直角坐标型这种机械手具有三个互相垂直的移动轴线，它们通过手臂的上下，左右移动和前后伸缩构成一个直角坐标系。其手腕能摆动和旋转。这种机械手的机械结构和控制方式比较简单，精度较高，但操作范围小，运动速度低，而且其8适应性比较差。（2）圆柱坐标型该机械手前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以θ，r，z为坐标，位置函数为P=f（θ，r，z），其中，r是手臂径向长度，z是垂直方向的位移，θ是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。（3）球坐标型具有两个转动关