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摘 要
工業(yè)機(jī)器手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單，通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，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。
本課題將設(shè)計(jì)一個(gè)三軸龍門(mén)機(jī)械手，需完成X、Y、Z三維空間內(nèi)的移動(dòng)要求，以及對(duì)工件的安全抓緊和釋放，將倉(cāng)庫(kù)出庫(kù)的工件搬運(yùn)到生產(chǎn)線的輸送帶上。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；效率；龍門(mén)；三軸
III
Abstract
Industrial machine by hand CaoZuoJi (mechanical body)，controller，servo drive system and detection sensor，which is a kind of copy operation，automatic control，can repeat programming in 3 d space，can finish all kinds of assignments electromechanical integration of the automatic production equipment. Particularly suitable for many varieties，change of flexible production batch. It to help stabilize，improve product quality，raise efficiency in production，improve working conditions and product rapid renewal plays a very important role. Production application manipulator can be used to increase production of automation level，can reduce labor intensity，ensure the quality of products，and realize safe production of the manipulator structure form began comparing simple，general manipulator can quickly change working procedures，good daptability，so it continues to transform the production of medium and small batch production of a wide range of references.
Key Words: a manipulator，Efficiency; Simple; adaptability
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)器人概述 1
1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 2
1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 3
第2章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 4
2.1機(jī)械手基本形式的選擇 4
2.1.1直角坐標(biāo)系機(jī)器人 4
2.1.2圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人 4
2.1.3極坐標(biāo)系機(jī)器人 4
2.1.4多關(guān)節(jié)機(jī)器人 5
2.2驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 6
2.2.1液壓驅(qū)動(dòng) 6
2.2.2氣壓驅(qū)動(dòng) 7
2.2.3電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 7
第3章 三軸機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 8
3.1設(shè)計(jì)參數(shù) 8
3.2方案設(shè)計(jì) 8
3.2.1 X軸方案設(shè)計(jì) 9
3.2.2 Y軸方案設(shè)計(jì) 9
3.2.3 Z軸方案設(shè)計(jì) 10
3.2.4 機(jī)械手爪方案設(shè)計(jì) 11
第4章 三軸龍門(mén)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
4.1 X軸設(shè)計(jì) 13
4.1.1 最大工作載荷的計(jì)算 13
4.1.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 13
4.1.3 步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用 15
4.2 Y軸設(shè)計(jì) 15
4.3 Z軸設(shè)計(jì) 17
第5章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
5.1夾持器設(shè)計(jì)的基本要求 23
5.2 夾緊裝置設(shè)計(jì) 23
5.2.1 夾緊力計(jì)算 23
5.2.2 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 24
5.2.3 氣缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 24
5.2.4 選用夾持器氣缸 25
5.2.5 手爪的夾持誤差及分析 25
5.2.6 材料及連接件選擇 28
結(jié)論 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
第1章 緒論
1.1 機(jī)器人概述
在現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)械化和自動(dòng)化的生產(chǎn)過(guò)程中已成為一個(gè)突出的主題。生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化化學(xué)連續(xù)性已基本得到解決。但在機(jī)械行業(yè)，加工，裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專(zhuān)用機(jī)是一種有效的方式來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)自動(dòng)化，程控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床，加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決了多品種小批量的生產(chǎn)自動(dòng)化的重要途徑。但在鑿除本身，也有很多裝卸，搬運(yùn)，裝配作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱(chēng)作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。
機(jī)器人是一種機(jī)體功能，程序自動(dòng)固定裝置的上部。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱(chēng)為專(zhuān)用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱(chēng)為通用機(jī)器人。
總之，機(jī)器人是用機(jī)器代替人手，將工件從所述位置指定的作業(yè)移到某個(gè)位置，或按照以操縱工件加工用的工作要求。
機(jī)器人拿起東西，最簡(jiǎn)單的是具有相似的基本條件，手段，抓住并移動(dòng)手腕的機(jī)構(gòu)，手臂，關(guān)節(jié)等部位 - 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如肌肉的驅(qū)動(dòng)臂運(yùn)動(dòng) - 傳輸;像指揮和控制大腦系統(tǒng)的手部動(dòng)作。這些系統(tǒng)的性能將決定機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1所示。
圖1 機(jī)器人的一般組成
1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀
機(jī)器人首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。
目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠手動(dòng)控制；相比，開(kāi)環(huán)控制模式，沒(méi)有承認(rèn)；改善方向主要是降低成本，提高精度。
第二代機(jī)器人正在加緊制定。它有一個(gè)微電腦控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)，觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)，思考的能力。研究各種傳感器的安裝，把感覺(jué)到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺(jué)機(jī)能。
第三代機(jī)器人（機(jī)器人）能夠獨(dú)立工作，以完成該過(guò)程的任務(wù)。它保持與電腦和電視設(shè)備的接觸，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC是一個(gè)重要的組成部分。
隨著工業(yè)機(jī)器人拓展國(guó)際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)的研究和應(yīng)用都非?；钴S，歐洲和美國(guó)等國(guó)家進(jìn)行學(xué)術(shù)交流很多。國(guó)際機(jī)器人產(chǎn)業(yè)ISIR會(huì)議決定召開(kāi)一次年會(huì)，討論開(kāi)發(fā)和應(yīng)用問(wèn)題和研究機(jī)器人。
目前，主要的工業(yè)機(jī)器人裝卸，搬運(yùn)，焊接，鑄造，鍛造和熱處理等，無(wú)論數(shù)量，品種和性能不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。而是采用一種工業(yè)機(jī)器人，主要是在危險(xiǎn)的操作（寬），多塵的手動(dòng)操作的，隔熱，隔音，并且工作環(huán)境不適合窄的空間，例如手動(dòng)操作。
在國(guó)外機(jī)械制造，工業(yè)機(jī)器人使用較多，發(fā)展較快。目前應(yīng)用于機(jī)床，鍛壓機(jī)下料，以及點(diǎn)焊，噴漆等工作，也可以完成提前開(kāi)發(fā)所需遵循的操作程序，但沒(méi)有感覺(jué)反饋能力，無(wú)法應(yīng)付外界世界的變化。如果出現(xiàn)某些偏差時(shí)，機(jī)器人會(huì)損壞部件，甚至本身。
隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)，研究應(yīng)用在這些領(lǐng)域的現(xiàn)代進(jìn)步的機(jī)器人系統(tǒng)，以系統(tǒng)的快速發(fā)展本身也提出了更多的要求。制造要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的靈活性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，以適應(yīng)不同的應(yīng)用和多品種，小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）的機(jī)器人系統(tǒng)需要能源等自動(dòng)化設(shè)備在車(chē)間內(nèi)進(jìn)行整合。研究人員的水平，以提高性能和智能機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人需要一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)和各種外部傳感器集成的能力。然而，多機(jī)器人系統(tǒng)的商業(yè)化，目前使用的專(zhuān)用控制器封閉結(jié)構(gòu)，通常使用專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)作為上主計(jì)算機(jī)，使用專(zhuān)用的離線機(jī)器人編程語(yǔ)言作為一種工具，使用一個(gè)專(zhuān)用的微處理器和控制算法固化在EPROM這種專(zhuān)用系統(tǒng)很難（或不可能）整合外部硬件和軟件。封閉系統(tǒng)改裝費(fèi)用是非常昂貴的，如果不重新設(shè)計(jì)，在大多數(shù)情況下，它在技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本途徑是學(xué)習(xí)和使用機(jī)器人系統(tǒng)具有開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)。
我國(guó)雖然開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國(guó)已開(kāi)始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。
1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。
就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：
a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；
b)開(kāi)發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類(lèi)型的場(chǎng)合，如開(kāi)發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開(kāi)發(fā)各類(lèi)行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合；
c)研制各類(lèi)傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周?chē)耐饨绛h(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。
31
第2章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案
2.1機(jī)械手基本形式的選擇
常見(jiàn)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。
2.1.1直角坐標(biāo)系機(jī)器人
直角坐標(biāo)型機(jī)器人，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?xún)啥酥?，?duì)于給定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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。
2.1.2圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人
圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人，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(zhǎng)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。
2.1.3極坐標(biāo)系機(jī)器人
極坐標(biāo)型機(jī)器人又稱(chēng)為球坐標(biāo)機(jī)器人，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)器人運(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(wèn)題。
(6)存在工作死區(qū)。
2.1.4多關(guān)節(jié)機(jī)器人
多關(guān)節(jié)機(jī)器人，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(guò)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)器人手臂可以達(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(zhǎng)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 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。
2.2驅(qū)動(dòng)裝置的選擇
機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、和電動(dòng)式。下面將三種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析比較。
2.2.1液壓驅(qū)動(dòng)
機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
（1）容易實(shí)現(xiàn)高水壓（水壓一般為2.5~6.3MPa的），體積小，可能會(huì)更好推力或扭矩；
（2）介質(zhì)的液壓系統(tǒng)的壓縮性小，平滑和可靠，并能獲得更高的位置精度；
（3）液壓傳動(dòng)，功率，速度和方向是比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；
（4）液壓系統(tǒng)采用油作為介質(zhì)，具有防銹性和自潤(rùn)滑性能，能提高機(jī)械效率，使用壽命長(zhǎng)。
不足的液壓系統(tǒng)有：
（1）油品粘度隨溫度變化，影響工作性能，高溫燃燒爆炸可能造成的危險(xiǎn)；
（2）液體難以克服的，液壓元件的泄漏，需要更高的精度和質(zhì)量，成本較高；
（3）需要相應(yīng)的供應(yīng)體系，特別是電液伺服系統(tǒng)需要嚴(yán)格過(guò)濾的設(shè)備，否則故障。
液壓驅(qū)動(dòng)模式下的輸出功率和更大的權(quán)力，可以構(gòu)成一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，大型機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器常用。
2.2.2氣壓驅(qū)動(dòng)
與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)是：
（1）壓縮空氣粘度小，容易實(shí)現(xiàn)高速；
（2）利用壓縮空氣工廠集中的加油站沒(méi)有加電設(shè)備；
（3）空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染，使用安全，可直接應(yīng)用到高溫作業(yè)；
（4）氣動(dòng)元件的工作壓力低，它也比液壓元件的制造要求低。
它的缺點(diǎn)是：
（1）空氣壓力用0.4~0.6MPa的，以獲得一個(gè)較大的力，就必須相對(duì)地增加的結(jié)構(gòu)；
（2）壓縮空氣大，表面光滑，可憐的速度控制很難實(shí)現(xiàn)精確的位置控制難度大；
（3）壓縮空氣是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，處理不當(dāng)級(jí)鋼鐵機(jī)件會(huì)生銹，造成機(jī)是人類(lèi)的失敗。此外，排氣也能引起噪聲污染。
用于位置控制，采集，開(kāi)關(guān)控制和順序控制機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。
2.2.3電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可分為普通交流和直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，交流和直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
通用的交，直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器需要減速裝置，輸出扭矩大，但控制性能較差，慣性，適合中型或重型機(jī)器人。伺服和步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩比較小，良好的控制性能，可實(shí)現(xiàn)精確控制速度和位置，適合中小型機(jī)器人。交流伺服電機(jī)一般用于直接閉環(huán)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是主要用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度并不重要。
第3章 三軸機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)
本課題來(lái)源于亞龍YL-221型自動(dòng)化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)項(xiàng)目，該機(jī)械加工自主創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模擬了實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械加工的不同階段設(shè)置了多個(gè)工作站：自動(dòng)存取型高架倉(cāng)庫(kù)、搬運(yùn)機(jī)械手站、直線輸送機(jī)站、90度轉(zhuǎn)彎輸送機(jī)站、綜合機(jī)械加工站、裝配站、工件碼堆站。
本課題將設(shè)計(jì)一個(gè)三軸龍門(mén)機(jī)械手，需完成X、Y、Z三維空間內(nèi)的移動(dòng)要求，以及對(duì)工件的安全抓緊和釋放，將倉(cāng)庫(kù)出庫(kù)的工件搬運(yùn)到生產(chǎn)線的輸送帶上。
3.1設(shè)計(jì)參數(shù)
機(jī)械手即為三軸。確定為X軸、Y軸、Z軸。X軸為水平方向有效行程為800mm，
Y軸為水平面上垂直于X軸的方向有單效行程為1000mm，Z軸為豎直方向垂直于XY軸，有效行程為240mm。
工件形狀：φ50×50mm的鋁制圓柱體；或φ50×50mm的塑料圓柱體。
定位精度：±1mm ；
運(yùn)動(dòng)速度：>2m/min；
工作要求：X、Y軸引動(dòng)器用于機(jī)械手在水平方向上的精確定位，Z軸引動(dòng)器則完成對(duì)工件提起或放下操作，機(jī)械手爪則完成對(duì)工件抓緊或釋放操作。
3.2方案設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的三軸龍門(mén)機(jī)械手總體方案結(jié)構(gòu)圖如下所示：該機(jī)械手采用直角坐標(biāo)系，X軸采用齒輪齒條傳動(dòng)方式，Y軸采用同步帶傳動(dòng)方式，Z軸采用滾珠絲杠副傳動(dòng)。現(xiàn)將各軸的驅(qū)動(dòng)方案詳細(xì)說(shuō)明如下：
圖3-1 三軸龍門(mén)機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖
3.2.1 X軸方案設(shè)計(jì)
X軸采用齒輪齒條傳動(dòng)形式，齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，形式很多，應(yīng)用廣泛，傳遞率可達(dá)到數(shù)十萬(wàn)千瓦，圓周速度可達(dá)200m/s。以漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)較為常用。
齒輪傳動(dòng)主要有以下特點(diǎn)：1）.效率高2）.結(jié)構(gòu)緊湊3）.工作可靠4）.傳動(dòng)比穩(wěn)定。但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動(dòng)距離過(guò)大的場(chǎng)合。
齒輪的失效形式有以下幾種：1.齒輪折斷。2.齒面磨損。3.齒面點(diǎn)蝕。4.齒面膠合。5.塑性變形。除此之外，還可能出現(xiàn)過(guò)熱、侵蝕、電蝕和由于不同原因產(chǎn)生的多種腐蝕與裂紋等等。根據(jù)上述失效形式可知，所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)在具體的工作情況下，必須有足夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個(gè)工作壽命期間不致失效。因此，針對(duì)各種失效都應(yīng)確立相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。通常只按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度既保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。
3.2.2 Y軸方案設(shè)計(jì)
由于Y軸的行程較長(zhǎng)，又考慮到成本決定采用同步皮帶傳動(dòng)。為了方便編程和控制系統(tǒng)的分辨率較高可用1：1的傳動(dòng)比。Y軸傳動(dòng)方案如圖3-1所示。
圖3-2 Y軸傳動(dòng)示意圖圖
同步帶傳動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)帶內(nèi)表面上等距分布的橫向齒和帶輪上的相應(yīng)齒槽的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)。
與摩擦型帶傳動(dòng)比較，同步帶傳動(dòng)的帶輪和傳動(dòng)帶之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，能夠保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比。但同步帶傳動(dòng)對(duì)中心距及其尺寸穩(wěn)定性要求較高。
同步帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體，這種帶薄而且輕，故可用于較高速度。傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)比可達(dá)10，效率可達(dá)98%。傳動(dòng)噪聲比帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小，耐磨性好，不需油潤(rùn)滑，壽命比摩擦帶長(zhǎng)。其主要缺點(diǎn)是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴(yán)格。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確的中、小功率傳動(dòng)中。
3.2.3 Z軸方案設(shè)計(jì)
Z軸與XY軸不同，行程較短且精度要求更高，故結(jié)構(gòu)也完不一樣。傳動(dòng)用高精度的研磨滾珠絲桿可達(dá)到精度。電機(jī)用彈性聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接，滾珠絲桿裝配易出現(xiàn)蛇形擺動(dòng)。做用寬度較寬的直線導(dǎo)軌或兩條直線滑軌來(lái)起導(dǎo)向和平穩(wěn)絲桿螺母的作用。傳動(dòng)示意圖如下：
圖3-3 傳動(dòng)示意圖
絲桿與滑軌之間的連接是絲杠是否移動(dòng)順暢和是否達(dá)到精度要求的主要原因。因此他們之間的配合相當(dāng)重要，連接塊的厚度必須保持在+0.02之內(nèi)。絲桿與滑塊之間的連接示意圖
圖3-4 連接示意簡(jiǎn)圖
3.2.4 機(jī)械手爪方案設(shè)計(jì)
機(jī)械手抓取材料方式有很多，可以是電磁式的吸料，或真空式的吸料，可以直接用氣爪夾起，也可以有機(jī)械方式夾起。夾持工件為φ50×50mm的鋁制圓柱體；此次設(shè)計(jì)主要是機(jī)械式的夾起。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出的手部結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖3-5手部結(jié)構(gòu)圖
圖中為手指對(duì)工件的夾緊力，F(xiàn)為夾緊缸活塞桿的推力。
第4章 三軸龍門(mén)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 X軸設(shè)計(jì)
4.1.1 最大工作載荷的計(jì)算
假設(shè)該三軸龍門(mén)機(jī)械手的總重量定為25kg，取安全系數(shù)2倍，則齒輪齒條副的最大工作載荷：
。
4.1.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
1.齒輪齒條材料選擇：齒條材料的種類(lèi)很多，在選擇過(guò)程中應(yīng)考慮的因素也很多，主要以以下幾點(diǎn)作為參考原則：
a. 齒輪齒條的材料必須滿足工作條件的要求。
b. 應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理和制造工藝。
c. 正火碳鋼，不論毛坯制作方法如何，只能用于制作載荷平穩(wěn)或輕度沖擊工
作下的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調(diào)制碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪。
d. 金屬制的軟齒面齒輪，配對(duì)兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持為30～50HBS或者更
多。
鋼材的韌性好，耐沖擊，還可通過(guò)熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面硬度，故適用于來(lái)制造齒輪。由于該齒輪承受載荷比較大，應(yīng)采用硬齒面（硬度≥350HBS），故選取合金鋼，以滿足強(qiáng)度要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
2.各系數(shù)的確定：
計(jì)算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù)K，包括使用系數(shù)、動(dòng)載系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分配系數(shù)，即
1）使用系數(shù)
是考慮齒輪嚙合時(shí)外部因素引起的附加載荷影響的系數(shù)。該齒輪傳動(dòng)的載荷狀態(tài)為輕微沖擊，工作機(jī)器為機(jī)床工作臺(tái)，所以使用系數(shù)取1.35。
2）動(dòng)載系數(shù)
齒輪傳動(dòng)不可避免地會(huì)有制造及裝配誤差，輪齒受載后還要產(chǎn)生彈性變形，對(duì)于直齒輪傳動(dòng)，輪齒在嚙合過(guò)程中，不論是有雙對(duì)齒嚙合過(guò)渡到單對(duì)齒嚙合，或是有單對(duì)吃嚙合過(guò)渡到雙對(duì)齒嚙合的期間，由于嚙合齒對(duì)的剛度變化，也要引起動(dòng)載荷。為了計(jì)及動(dòng)載荷的影響，引入了動(dòng)載系數(shù)，由于速度v很小，取1.0。
3）齒間載荷分配系數(shù)
一對(duì)相互嚙合的斜齒（或直齒）圓柱齒輪，有兩對(duì)（或多對(duì)）齒同時(shí)工作時(shí)，則載荷應(yīng)分配在這兩對(duì)（或多對(duì)）齒上。對(duì)于直齒輪及修形齒輪，取。
4）齒輪載荷分布系數(shù)
當(dāng)軸承相對(duì)于齒輪做不對(duì)稱(chēng)配置時(shí)，受載前，軸無(wú)彎曲變形，齒輪嚙合正常，兩個(gè)節(jié)圓柱恰好相切；受載后，軸產(chǎn)生彎曲變形，軸上的齒輪也就隨之偏斜，這就使作用在齒面上的載荷沿接觸線分布不均勻。
計(jì)算齒輪強(qiáng)度時(shí)，為了計(jì)及齒面上載荷沿接觸線分布不均勻的現(xiàn)象，通常以系數(shù)來(lái)表征齒面上載荷分布不均勻的程度對(duì)齒輪強(qiáng)度的影響。
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表10-4取。
綜上所述，最終確定齒輪系數(shù)=1.35111.37=1.8
3.齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算：
我國(guó)對(duì)一般用途的齒輪傳動(dòng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為α=20°。為使齒輪免于根切，對(duì)于α=20°的標(biāo)準(zhǔn)直齒輪，應(yīng)取z≥17，這里取z=20。由于齒輪做懸臂布置，取=0.6。
齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算公式：
—開(kāi)式齒輪磨損系數(shù)，（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（3卷）14-134）
將1式、2式及各參數(shù)代入計(jì)算公式得：
解得：；取m=1
齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式：
由于本傳動(dòng)為齒輪齒條傳動(dòng)，傳動(dòng)比近似無(wú)窮大，所以，為彈性影響系數(shù)，單位，其數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)表，取=189.8。
計(jì)算，試求齒輪分度圓直徑：
=
通過(guò)模數(shù)計(jì)算得：m=1，z=17 所以分度圓直徑d=117=17mm
計(jì)算齒寬 =0.617=10mm
齒高 h=2.25m=2.251=2.25mm
最終確定齒輪數(shù)據(jù)：
模數(shù)m=1，齒數(shù)z=17，分度圓直徑d=17mm，齒高h(yuǎn)=2.25mm，齒寬b=10mm。
根據(jù)齒輪齒條進(jìn)給公式：，則小齒輪轉(zhuǎn)速
4.1.3 步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用
為了滿足脈沖當(dāng)量的的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使齒輪和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上盡可能的小，今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪機(jī)減速，采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與齒輪相連，進(jìn)給齒輪與大齒輪相連。
已知平移單元的脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖，小齒輪轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的進(jìn)給距離，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.36°。根據(jù)式（3-12），算得減速比：
=（0.3653.38）/（3600.005）≈10
本設(shè)計(jì)選用深圳維科特電機(jī)有限公司生產(chǎn)的57PG1440-010型行星減速步進(jìn)電機(jī)。齒數(shù)比為1：10，轉(zhuǎn)矩。
4.2 Y軸設(shè)計(jì)
同步輪選用傳動(dòng)如下
圖4-1 傳動(dòng)示意圖
由于同步皮帶需要張緊和為了裝配方便。故一個(gè)同步輪做成可以調(diào)節(jié)即可。固定方式可做成如下結(jié)構(gòu)。初步確定中心距為1222mm，為了平穩(wěn)可用兩條直線滑軌支持，同步帶位于兩條滑軌之間。兩條導(dǎo)軌中心距為100?；夁x用示間圖如下：
圖4-2 示間圖
每臺(tái)機(jī)器都要整機(jī)復(fù)位，選用一個(gè)歐姆龍的槽形光電感應(yīng)器和不銹鋼割制的1.5厚的感應(yīng)片就可滿足復(fù)位要求
為了防止撞機(jī)和滑塊滑出滑軌故在導(dǎo)軌一端做一個(gè)用聚氨酯做成的那限位裝置。
由于Y軸要帶動(dòng)整個(gè)Z軸移動(dòng)，上邊所做的同步輪可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)同步輪移動(dòng)，造成同步帶沒(méi)有張緊，影響操作精度?？捎寐菟勇菽竵?lái)定位。結(jié)構(gòu)如圖下
圖4-3 定位結(jié)構(gòu)圖
4.3 Z軸設(shè)計(jì)
升降運(yùn)動(dòng)(Z軸方向)采用滾珠絲杠傳動(dòng)。
（1）滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，精度高，經(jīng)久耐用，同步性好等特點(diǎn)，因此滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，本次設(shè)計(jì)的三軸龍門(mén)機(jī)械手滾珠絲桿行程為240mm，最大速度V＞2m/min，加速時(shí)間t為0.5s，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速1250r/min，導(dǎo)向面摩擦系數(shù)μ為0.003，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm為0.8N.M，絲杠傳動(dòng)精度±0.03mm，額定工作壽命時(shí)間Lh為10000h。
（2）絲杠導(dǎo)程精度的選擇
+ 0.3mm定位精度的C7，滾珠絲杠的精度水平，針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的要求，對(duì)滾珠絲杠的選擇。
（3）滾珠絲杠的導(dǎo)程及長(zhǎng)度選擇
由表2-3可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1250r/min，將升降關(guān)節(jié)的直線運(yùn)動(dòng)速度定為3m/min時(shí)，滾珠絲杠的導(dǎo)程為，查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，因此必須選擇5mm。另外，行程長(zhǎng)度（有效）為240mm，加上兩端末端長(zhǎng)度15mm，螺母假定長(zhǎng)度為60mm，加上其他結(jié)構(gòu)余量，所以可得絲杠長(zhǎng)度為350mm。
（4）絲杠直徑的選擇
可知，由絲杠的長(zhǎng)度及導(dǎo)程P=5mm，可選得絲杠直徑為20mm。
（5）最大軸向負(fù)荷的計(jì)算
加速度：
各狀態(tài)下的受力情況如表 3-1所示
表3-1 各個(gè)狀態(tài)的受力情況表
作用在滾珠絲桿上的最大軸向負(fù)載為：。
計(jì)算載荷求解：
根據(jù)表3-2所示：選取，，。
表3-2 求解載荷的參數(shù)表
（6）支撐方式的選擇
由于絲杠行程240mm，最高速度3m/min，所以絲杠軸的支撐方式選擇固定-支撐方式。
（7）額定動(dòng)載荷計(jì)算計(jì)算
壽命：
￠ =
（8）滾珠絲杠副選擇
按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷等于或稍大于的原則，選THK軋制無(wú)預(yù)壓型滾珠絲杠BTK2005-2.6，Ca=6KN。
BTK2005-2.6的參數(shù)主要為：絲杠軸外徑d=20mm，導(dǎo)程P=5mm，鋼球中心直徑dp=20.5mm，溝槽谷徑d1=17.2mm，基本額定載荷Ca =6KN，C0a=16.5KN， 剛性K=150N/μm；螺旋升角為3.64o。
（9）滾珠絲杠的剛度驗(yàn)算
導(dǎo)程的變形量，取決于工作載荷F和轉(zhuǎn)矩T，因?yàn)閮烧叩墓餐饔?，使得?dǎo)程發(fā)生一定程度上的偏移，因而在實(shí)際過(guò)程中，取，這樣能保證在最不利的情況下預(yù)測(cè)最大的導(dǎo)程變形量。所以有：
pp
式（2-23）中，A為絲杠截面積，；為絲杠的極慣性矩，；
G為絲杠切變模量，對(duì)鋼G=83.3GPa；
在式（2-24）中，為平均工作負(fù)載，表示摩擦系數(shù)，T表示轉(zhuǎn)矩，取摩擦系數(shù)為0.0025，則=8'40"；
則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其傳動(dòng)精度的1/2，即：
[ ]，該絲杠滿足剛度要求。
（10）效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為:
要求在 90%~95%之間，所以所選的絲杠副合格。
（11）滾珠絲杠副的使用及注意事項(xiàng)
在本文中，總體上垂直放置在小臂螺母，荷載為徑向載荷，還要承受軸向載荷的一小部分（軸承深溝球軸承的選擇），但徑向力，重要時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生在螺桿的接觸面應(yīng)力集中，生活利用損傷造成的永久性，所以，在選擇中應(yīng)避免較大的零件重量和慣性。滾珠絲杠應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
絲杠軸的支撐方式選擇固定支撐，結(jié)合本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，在螺桿的兩端用以支撐的深溝球軸承，深溝球軸承主要承受徑向載荷，本設(shè)計(jì)中主要集中在徑向負(fù)荷，以滿足設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際的生產(chǎn)制造，深溝球軸承成對(duì)安裝，軸承的過(guò)程中，一般采用反裝方式，具有軸承的優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)所需的間隙和預(yù)緊力水平；支承剛度較好；螺桿軸的熱膨脹有足夠的間隙可以調(diào)整，有效地防止軸向運(yùn)動(dòng)；動(dòng)態(tài)?？紤]螺桿的設(shè)計(jì)是垂直放置的，較大，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，工作負(fù)荷，對(duì)剛度的要求比較大，所以抗加載方式的選擇。
各自的承受極限軸的軸向運(yùn)動(dòng)兩端的自由度方向，對(duì)軸承預(yù)緊的處理，首先應(yīng)考慮工作溫度，當(dāng)工作溫度太高，由于軸承與端蓋之間的軸向間隙很小，所以除了受熱畸變，條件下的軸，還必須考慮預(yù)留的間隙的大小，如果太大，導(dǎo)線會(huì)影響下軸的軸向力。因此，對(duì)雙支點(diǎn)單向固定支架的選擇，基本結(jié)構(gòu)相似，如圖4-4所示。
圖4-4 采用深溝球軸承的雙支點(diǎn)各單向固定
軸承的選型：
根據(jù)載荷的方向選擇軸承類(lèi)型時(shí)，要注意軸向載荷和徑向載荷承受的主次關(guān)系，結(jié)合設(shè)計(jì)的軸承，主要承受徑向載荷，軸向載荷和較小，深溝球軸承可以滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)只承受徑向載荷時(shí)，接觸角為零。當(dāng)深溝球軸承具有較大的徑向游隙時(shí)，具有角接觸軸承的性能，可以承受軸向負(fù)荷，深溝球軸承摩擦系數(shù)小，極限轉(zhuǎn)速也很高。從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，根據(jù)螺旋軸的直徑確定軸承的基本尺寸，由前表明，絲杠軸直徑為20mm，可以選擇6003型軸承的代碼（新代碼）的深溝球軸承，基本尺寸見(jiàn)表4-1。
滾動(dòng)軸承的檢查：
由于滾動(dòng)軸承應(yīng)力引起的失效形式（坑），應(yīng)做相應(yīng)的維修和保護(hù)。潤(rùn)滑能減少摩擦，熱，振動(dòng)和防止銹蝕的作用，最大的作用是可以降低軸承壽命的接觸應(yīng)力，這也是一個(gè)很大的安全。對(duì)于軸承的壽命，定義為一個(gè)軸承，環(huán)相對(duì)于革命的其他軸承的壽命?，F(xiàn)在檢查本設(shè)計(jì)采用深溝球軸承。首先確定徑向負(fù)荷和徑向負(fù)荷的軸承承受。
表4-1 6003深溝球軸承參數(shù)表
由表4-1可知，6003型的深溝球軸承的基本額定動(dòng)載荷為；基本額定靜載荷為；
所以，軸承所承受的徑向載荷為=4×9.8=39.2N；軸承所承受的軸向負(fù)載為=16.2N。
考慮到在實(shí)際應(yīng)用中的軸承，往往同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷，因此在生命的計(jì)算，必須有實(shí)際的負(fù)載和確定基本額定動(dòng)載荷載荷條件相一致的當(dāng)量動(dòng)載荷，首先確定當(dāng)量動(dòng)載荷。
載荷系數(shù)的選擇，可由表4-2得到。
表4-2 當(dāng)量動(dòng)載荷P的載荷系數(shù)
查機(jī)械手冊(cè)得X=1，Y=1.65；查表 2-9 得=1.1。
所以當(dāng)量動(dòng)載荷為：
由基本額定動(dòng)載荷與當(dāng)量動(dòng)載荷可確定滾動(dòng)軸承的壽命，由前可知，軸承轉(zhuǎn)速n=500r/min，壽命系數(shù)取=3。
則根據(jù)壽命公式：
可見(jiàn)，選用的軸承能滿足絲杠軸的高精度運(yùn)動(dòng)要求。
滾珠絲杠的選型：
選擇絲杠軸直徑：20mm；導(dǎo)程：5mm的公稱(chēng)型號(hào)為BTK2005-2.6的軋制滾珠絲杠。
第5章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1夾持器設(shè)計(jì)的基本要求
圖（5-1）所示的是機(jī)械手的一般結(jié)構(gòu)：
圖5-1 滑槽杠桿式手部
1.液壓缸2.拉桿軸 3.手爪關(guān)節(jié)座 4. 手爪
手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專(zhuān)用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒(méi)有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計(jì)各種類(lèi)型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。
（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(kāi)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φ50×50mm的鋁制圓柱體，放松時(shí)的兩抓的最大距離為60-80mm/s ，1s抓緊，夾持速度20mm/s；
（3）工件的材質(zhì)為鋁；
（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。
5.2 夾緊裝置設(shè)計(jì)
5.2.1 夾緊力計(jì)算
手指夾在工件夾緊力主要是根據(jù)手的設(shè)計(jì)，必須為它的大小，方向，作用點(diǎn)的計(jì)算分析。一般情況下，夾緊力必須在工作負(fù)載所產(chǎn)生的引力（慣性力和慣性力矩）加以克服，以保持可靠的工件夾緊狀態(tài)。
根據(jù)下面的公式手指工件的夾緊力計(jì)算：
（5-1）【4】
式中：
—安全系數(shù)，機(jī)器人工藝，并確定設(shè)計(jì)要求。通常取1.2—2.0，取1.5；
—系數(shù)工件的情況下，主要考慮慣性力的影響，計(jì)算最大加速度派生作品系數(shù)，，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度或減速度的絕對(duì)值（m/s）；
—取向系數(shù)，根據(jù)手指的形狀和手指與工件和工件位置來(lái)選擇不同的手指和工件的位置是：手指垂直工件水平；
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。
5.2.2 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：
（5-2）【4】
式中：
c—滾子至銷(xiāo)軸之間的距離；
b—爪至銷(xiāo)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
5.2.3 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(kāi)，故為常開(kāi)式夾緊裝置，氣缸為單作用缸，提供推力：
（5-3）【4】
式中 ——活塞直徑
——活塞桿直徑
——驅(qū)動(dòng)壓力，
，工作壓力
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50mm工件時(shí)，即手爪從張開(kāi)80mm減小到50mm，楔快向前移動(dòng)大約30mm。取氣缸行程S=30mm。
5.2.4 選用夾持器氣缸
長(zhǎng)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。
表5-1 QCG薄型氣缸安裝尺寸圖
缸徑
行程
Ф16
5mm
Ф16
10mm
Ф16
15mm
Ф16
20mm
Ф16
30mm
Ф16
40mm
5.2.5 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(jiàn)圖5-1，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(guò)，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5-1 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5-2
圖5-2 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5-3：
圖5-3 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(lái)確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長(zhǎng)手指長(zhǎng)度，但手指過(guò)長(zhǎng)，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(chēng)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。
5.2.6 材料及連接件選擇
V型指與夾持器連接選用圓柱銷(xiāo)，d=6mm，需使用2個(gè)。
杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷(xiāo)，d=6mm，需使用2個(gè)。
滾子與手指連接選用圓柱銷(xiāo)，d=4mm，需使用2個(gè)。
以上材料均為鋼，無(wú)淬火和表面處理銷(xiāo)兩端均打直徑1.2mm的圓孔，用GB/T91
1.2x8的開(kāi)口銷(xiāo)連接。
結(jié)論
機(jī)械行業(yè)為了提高自身競(jìng)爭(zhēng)力，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，機(jī)械設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的人工測(cè)量、構(gòu)想、初步設(shè)計(jì)、人工繪圖進(jìn)入了新的CAD技術(shù)時(shí)代[17]。本文設(shè)計(jì)具體完成了以下工作：
（1）對(duì)三軸龍門(mén)機(jī)械手進(jìn)行分析，提出本設(shè)計(jì)的背景和意義。
（2）根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)機(jī)械手的初期設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算，在完成各部件的設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)必要的零部件進(jìn)行校核分析。
（3）為了滿足機(jī)械手的的工作要求，對(duì)機(jī)械手的各附件、潤(rùn)滑和密封方式進(jìn)行分析與選擇。
（5）運(yùn)用AutoCAD繪制三軸龍門(mén)機(jī)械手裝置的總裝配圖和主要零件圖。
題目的綜合訓(xùn)練比較強(qiáng)，涉及知識(shí)面廣，重點(diǎn)在于培養(yǎng)工程思想及意識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，提高初步設(shè)計(jì)能力。設(shè)計(jì)要求在保證其原有性能的前提下，盡可能地提高其特色即性能價(jià)格比。并且要求該機(jī)械手具有較小的體積，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和低廉的價(jià)格，和造型美觀的外形，各調(diào)整環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要方便人體接近方便工具的使用。其難點(diǎn)在于結(jié)合實(shí)際，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我綜合運(yùn)用了四年來(lái)所學(xué)到的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，感覺(jué)到自己專(zhuān)業(yè)知識(shí)中某方面的欠缺，通過(guò)再次的復(fù)習(xí)，明顯感覺(jué)到了知識(shí)的增長(zhǎng)，我們從中學(xué)到了很多的知識(shí)，也體會(huì)到了畢業(yè)設(shè)計(jì)的綜合性，結(jié)合輔導(dǎo)老師的指導(dǎo)與自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)踐，才能較為完整地完成此次設(shè)計(jì)任務(wù)。
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致 謝
在本設(shè)計(jì)的開(kāi)題論證、課題研究、論文撰寫(xiě)和論文審校整個(gè)過(guò)程中，得到了XX老師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)，使得本設(shè)計(jì)得以順利完成，其中飽含了XX老師的汗水和心血。老師敏銳的學(xué)術(shù)思想，嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的治學(xué)態(tài)度，淵博的知識(shí)，精益求精的工作作風(fēng)，育人不倦的精神，將永遠(yuǎn)銘記在學(xué)生的心靈，使學(xué)生終生。在此我向XX老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。同時(shí)也感謝輔導(dǎo)員XX老師在這四年來(lái)對(duì)我們的虛心的教導(dǎo)!
感謝工學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和老師對(duì)我的關(guān)心和幫助!
再次感謝所有支持和幫助過(guò)我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)們!