冲压机械手手臂部分设计全套图纸WordWord文档格式.docx

1、第1章 绪论1.1 机械手的含义“机械手”（mechanical hand，也被称为“自动手”（auto hand）,多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或者专用机械手）。它能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，因此获得日益广泛的应用。1.2 机械手的产生、应用与发展1.2.1 机械手的产生（简

2、史）早在20世纪初，随着机床、汽车等制造业的发展就出现了机械手。1913年美国福特汽车工业公司安装了第一条零件加工自动线，为了解决自动线、自动机的上下料与工件的传送，采用了专用机械手代替人工上下料与传送工件。可见专用机械手就是作为自动机、自动线的附属装置出现的。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。我国虽然开始研究工业机械手仅比日本晚56年，但由于种种原因，工业机械手计时的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人（工业机械手）技术，通过引进、

3、仿制、改造、创新，工业机械手技术必将获得迅速发展。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，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，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。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）和柔性制造单元（FMC）中的重要一环。1.2.2 应用简况机械手的应用意义可以概括如下：应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳

4、动生产率和降低生产成本。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路

5、工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。1.2.3 发展趋势目前机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据

6、不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小

7、、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.3 冲压机械手的组成与运动1.3.1 冲压机械手的组成工业机械手主要由执行系统、驱动系统和控制系统三大部分组成。其组成关系如图1-1：图1-1 冲压机械手的组成1.执行系统执行系

8、统是工业机械手完成握取工件（或者工具）实现所需的各种运动的机械部件，包括以下几个部分：（1）手部：是工业机械手直接与工件（或者工具）的部件。有些工业机械手直接将工具（如焊枪、喷枪、容器）装在手部位置，而不再设置手部。（2）腕部：是工业机械手中联接手部与臂部、主要用来确定手部工作位置并扩大臂部动作范围的部件。有些专用机械手没有手腕部件，而是直接将手部安装在臂部的端部。（3）臂部：是工业机械手用来支承腕部和手部实现较大运动范围的部件。（4）机身：是工业机械手用来支承手臂部件，并安装驱动装置及其他装置的部件。专用机械手一般将臂部装在主机上，成为主机的附属装置。2.驱动系统驱动系统是向执行系统各部件提

9、供动力的装置。采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式有四种:液压式、气压式、电气式和机械式。（1）液压式：液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。（2）气压式：气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大

10、。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，速度不易控制、响应慢、动作不平稳、有冲击，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。（3）电气式：其驱动系统一般是由电机驱动。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。优点是电源方便，信号传递运算容易、响应快、驱动力较大，适用于中小型工业机械手。但是必须要使用减速机构（如齿轮减速器、谐波齿轮减速器等），所需要的电机有步进电机、DC伺服电机和AC伺服电机等。（4）机械式：其驱动系统由电机、齿轮、齿轮齿

11、条、连杆等机械装置组成，传动可靠，适用于专一简单的机械手。这种方式结构比较庞大。本设计的手部夹紧、手臂伸缩、手臂升降、手臂俯仰、手臂回转均采用液压式，腕部回转考虑到回转精度的原因，采用电气式。3.控制系统控制系统是工业机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电气与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。就其控制方式，可分为分散控制与集中控制两种类型。若以控制的运动轨迹来分，原则上分为两种：（1）点位控制：主要控制空间两点或者有限多个点的空间位置，而对其运动路径没有要求。专用机械手绝大多数均采用这种点位控制方式。（2）连续轨迹控制：是用连

12、续的信息对运动轨迹的任意位置进行控制，其运动轨迹是连续的。对运动轨迹有要求的工业机械手需要连续轨迹控制，如电弧焊、切割等。1.3.2 冲压机械手的运动冲压机械手的运动，拟分为冲压机械手的自由度、运动范围和各种运动形式来叙述。1.冲压机械手的自由度冲压机械手的手部所握持的工件（或工具）在空间的位置，是由臂部、腕部以及整机等各自独立运动的合成来确定。确定手部中心位置与手部方位的独立变化参数，就是工业机械手的自由度（有时被称为运动轴、运动度等）。它是冲压机械手的重要参数之一。冲压机械手的每一个自由度，都要相应地配一个原动件（如伺服马达、油缸、气缸、步进马达等驱动装置），当各原动件按一定的规律运动时，

13、机械手各运动件就随之确定的运动，自由度数与原动件数必须相等，只有这样才能使工业机械手具有确定的运动。对于机械手来说，如果自由度越多，就能更接近人手的多种机能，通用性就更好，但自由度越多，结构越复杂，从而不容易满足对整体结构在重量轻、体积小和高效率等方面的要求。这是冲压机械手设计中的矛盾。目前一般冲压机械手的自由度（除手部夹紧动作外）大多不超过五个。冲压机械手常见的各种自由度包括：臂伸缩、臂回转、臂俯仰、臂升降、腕部回转、腕部俯仰、腕部直移、腕部摆动等。如图1-2所示：图1-2 冲压机械手的运动示意图2.冲压机械手的运动范围冲压机械手的运动范围，是指机械手在平面或空间的运动轨迹图形的形状及其大小

14、，是机械手的技术参数之一。机械手所具有的自由度数目及其组合不同，其运动轨迹图形也不同。而每个自由度的运动变化量（即直线运动的距离和回转运动的回转角度）的大小都决定着运动轨迹图形的大小。一般情况下，臂部的自由度主要是用来确定手部以及工件（或工具）在空间的运动范围和位置的。因此，臂部运动也称为机械手的主运动，而腕部的自由度则主要用来调整手部以及工件（或工具）在空间的方位。表1-1所列为臂部几种自由度的不同组合及其运动范围的图形。臂部具有一个自由度时的运动轨迹为宜直线或圆弧；具有两个自由度时，其运动轨迹为一平面或圆柱面；具有三个自由度时，其运动轨迹则从面扩大到空间成为立方体或回转体（包括圆柱体和球体等）表1-2为臂部运动组合的一般状况。表1-1 臂部自由度的组合及其运动范围 组合运动自由度数直线运动（T）回转运动（R）直线运动与回转运动（T+R）1一直线运动构成一个直线轨迹一回转运动构成