車床上料機械手結(jié)構(gòu)設計【7張圖紙】

車床上料機械手結(jié)構(gòu)設計【7張圖紙】,7張圖紙,車床,機械手,結(jié)構(gòu)設計,圖紙 摘 要 摘　　要 本課題是為普通車床配套而設計的上料機械手。工業(yè)機械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)設備，對現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要的作用。因而具有強大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實踐證明，工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕了工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻率、單調(diào)的操作，采用機械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更現(xiàn)實其優(yōu)越性，有著廣泛的發(fā)展前途。 本課題通過應用autocAD技術(shù)對機械手進行總體方案設計和液壓傳動原理設計，確定了機械手的坐標形式和自由度，確定了機械手的技術(shù)參數(shù)。同時，設計了機械手的夾持手部結(jié)構(gòu)，設計了機械手的手腕結(jié)構(gòu)，設計了機械手的手臂結(jié)構(gòu)。他能實際自動上料運動，上料機械手的運動速度是按著滿足生產(chǎn)率的要求來設定。 關鍵詞：機械手；手部設計；結(jié)構(gòu)設計； I Abstract Abstract This topic is designed for ordinary lathe supporting the feeding manipulator. Industrial manipulator is the inevitable outcome of the industrial production, it is a kind of imitation upper part of the body, according to the predetermined requirement function of conveying work-piece or operated holding tools to reality technical equipment, automation, promote industrial production automation of the further development of industrial production plays an important role. Thus has strong vitality wide attention by the people and welcome. Practice has proved, industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity of the workers, improve working conditions, and improve labor productivity and automation level. Industrial production in the bulky workpiece often appear handling and long-term frequency, drab operation, using manipulator is effective. In addition, it can be in high temperature, low temperature and deep water, the universe, radioactive and other toxic, environmental pollution condition of operation, the more realistic its superiority, has wide development prospect This topic through the application of manipulator in overall autocAD technology design and hydraulic transmission principle design of manipulator, sure, and freedom coordinates determined the technical parameters of manipulator. Meanwhile, the design of clamping manipulator hand structure, design of manipulator wrist structure, design of manipulator arm structure. He can actual automatic feeding movement of the manipulator, feeding velocity according to satisfy the requirement is set to productivity. KeyWords：manipulator；handing structure ；structure design IV 目 錄 目　　錄 摘　　要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 工業(yè)機械手概述 1 1.1.1 機械手的應用性 2 1.1.2機械手先進性 3 1.1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 3 1.2設計目的 5 1.3課題內(nèi)容和設計要求 5 1.4 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 7 2 機械手整體設計方案論證 10 2.1 機械手的整體設計 10 2.1.1 機械手總體結(jié)構(gòu)類型 10 2.1.2機械手的坐標形式與自由度 11 2.1.3設計具體采用方案 12 2.2機械手腰座結(jié)構(gòu)設計 13 2.2.1機械手腰座結(jié)構(gòu)設計要求 13 2.2.2設計具體采用方案 14 2.3機械手手臂結(jié)構(gòu)的設計 15 2.3.1機械手手臂設計要求 15 2.3.2設計具體采用方案 16 2.4機械手腕部的結(jié)構(gòu)設計 16 2.4.1機器人手腕結(jié)構(gòu)的設計要求 16 2.4.2設計具體采用方案 17 2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設計 18 2.5.1機械手末端執(zhí)行器的設計要求 18 2.5.2機器人夾持器的運動和驅(qū)動方式 19 2.5.3機器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) 19 2.5.4設計具體采用方案 20 2.6機械手的機械傳動機構(gòu)的設計 20 2.6.1工業(yè)機器人傳動機構(gòu)設計應注意的問題 20 2.6.2工業(yè)機器人常用的傳動機構(gòu)形式 21 2.6.3設計具體采用方案 24 2.7機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設計 25 2.7.1機器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點 25 2.7.2工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 25 2.7.3機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng) 26 2.7.4機器人氣動驅(qū)動系統(tǒng) 27 2.7.5機器人電動驅(qū)動系統(tǒng) 29 2.7.6設計具體采用方案 31 2.8機器人手臂的平衡機構(gòu)設計 31 2.8.1機器人平衡機構(gòu)的形式 31 2.8.2設計具體采用的方案 32 2.9機械手的主要技術(shù)參數(shù) 32 3 畢業(yè)設計感想 35 參考文獻 36 致 謝 37 1緒論 1 緒論 機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已經(jīng)成為高技術(shù)領域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，他更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好的實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類的勞動強度，提高生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更為普遍。把車床設備和機械手組成一個共同的機械加工制造單元，適用于中小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件運輸裝置，結(jié)構(gòu)緊湊且實用性強。目前，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是十分有意義的。 1.1 工業(yè)機械手概述 機械手首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。　 機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。控制系統(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。 氣壓傳動機械手是一壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是：介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，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，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓中一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下比液壓機械手結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 1.1.1 機械手的應用性 1、提高生產(chǎn)過程的自動化程度，應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。 2、改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 3、減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn) 1.1.2機械手先進性 機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術(shù)水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一(張志獻，2002)。生產(chǎn)水平及科學技術(shù)的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展。現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故（楊永清等，2008）。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并且很快已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)體系中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科體系——機械手工程。機械手設計到力學、機械學、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等很多學科領域，是一門跨學科綜合技術(shù)。 1.1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機械手在未來的發(fā)展主要是向著以下四個方面來進行革新： 1．重復高精度 重復精度是指如果動作重復次數(shù)多，機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要，如果一個機械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 2．模塊化 模塊化拼裝的機械手比組合導向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手動作自如。模塊化機械手使同一機械手可能應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。 3．節(jié)能化 為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 4．機電一體化 由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”；節(jié)省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。 國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小。 總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 隨著科學與技術(shù)的發(fā)展，機械手的應用領域也不斷擴大。目前，機械手不僅應用于傳統(tǒng)制造業(yè)，如采礦、冶金、石油、化學、船舶等領域，同時也已開始擴大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領域以及家庭清潔、醫(yī)療康復等服務業(yè)領域中。 1.2設計目的 畢業(yè)設計是學生完成本科專業(yè)教學計劃的最后一個極為重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，是使學生綜合運用所學的基本理論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術(shù)問題而進行的一次基本訓練。對學生即將從事的相關技術(shù)工作和未來事業(yè)的開拓都具有一定的意義。 其主要目的： 培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問題的獨立工作能力，拓寬和深化學生的知識。 培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，設計構(gòu)思和創(chuàng)新思維。掌握工程設計的一般程序規(guī)范和方法。 培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和使用技術(shù)資料、國家標準等手冊、圖冊工具進行設計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。 培養(yǎng)學生進行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。 1.3課題內(nèi)容和設計要求 （一）原始數(shù)據(jù)及資料 （1）原始數(shù)據(jù)： A.生產(chǎn)綱領：100000件 B.自由度（四個自由度） 臂轉(zhuǎn)動180o 臂上下運動600mm 臂伸長（收縮）500mm 手部轉(zhuǎn)動90o （2）設計要求： a、上料機械手結(jié)構(gòu)設計圖、裝配圖、各主要零件圖（一套） b、設計計算說明書（一份） （3）技術(shù)要求 主要參數(shù)的確定： a、坐標形式：直角坐標系 b、臂的運動行程：伸縮運動500mm，回轉(zhuǎn)運動180o。 c、運動速度：使生產(chǎn)率滿足生產(chǎn)綱領的要求即可。 d、控制方式：起止設定位置。 e、定位精度：±3mm。 f、手指握力：60kg g、驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動。 （二）料槽形式及分析動作要求 （1）料槽形式 由于工件的形狀屬于小型回轉(zhuǎn)體，此種形狀的零件通常采用自重輸送的輸料槽,如圖1機械手安裝簡易圖所示，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，不需要其它動力源和特殊裝置，所以本課題采用此種輸料槽. 圖1 機械手安裝簡易圖 （2）動作要求分析 動作一：手臂伸長（小段距離）至料區(qū) 動作二：手爪夾緊 動作三：手臂上升 動作四：手腕旋轉(zhuǎn) 動作五：手臂旋轉(zhuǎn)（對準車床卡料區(qū)） 動作六：小臂伸長（至車床卡料區(qū)） 動作七：機座移動（棒料送入卡盤） 動作八：手部松開 動作九：小臂縮回 動作十：手腕回轉(zhuǎn) 動作十一：機座移回 動作十二：手臂回轉(zhuǎn) 動作十三：手臂下降 1.4 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 機械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示。 圖2 機械手的系統(tǒng)工作原理框圖 機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設定位置. (一)執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構(gòu)。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5、機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的。它由動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設定位置。 33 2 機械手整體設計方案論證 2 機械手整體設計方案論證 2.1 機械手的整體設計 2.1.1 機械手總體結(jié)構(gòu)類型 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(jié)構(gòu)，關節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應的特點，分別介紹如下。 1.直角坐標機器人結(jié)構(gòu) 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖3.a。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 2.圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖3.b。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3.球坐標機器人結(jié)構(gòu) 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖3.c。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 4.關節(jié)型機器人結(jié)構(gòu) 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖3.d。關節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。 關節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 圖3 機械手總體結(jié)構(gòu)類型 2.1.2機械手的坐標形式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式（圖4）、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。由于車床上了機械手在上料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動（圖5），因此，采用圓柱坐標式相應的機械手具有三個自由度。 圖4 機械手直角坐標系 圖5 機械手手腕轉(zhuǎn)動形式 2.1.3設計具體采用方案 對機械手的基本要求是能快速、準確地拾、放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設計的機械手是通用上料機械手（如圖6所示），是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。 圖6 通用車床上料機械手整體結(jié)構(gòu) 2.2機械手腰座結(jié)構(gòu)設計 進行了機械手的總體設計后，就要針對機械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進行詳細設計。 2.2.1機械手腰座結(jié)構(gòu)設計要求 工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標機器人，球坐標機器人及關節(jié)型機器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關節(jié)，機器人的運動部分全部安裝在腰座上，它承受了機器人的全部重量。在設計機器人腰座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設計原則： 1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 2.腰座要承受機器人全部的重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。 3.機器人的腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關節(jié)，它對機器人末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。 4.腰部的回轉(zhuǎn)運動要有相應的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。 5.腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準面，以保證各關節(jié)的相互位置精度。要設有調(diào)整機構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。 6.為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 2.2.2設計具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機通過減速機構(gòu)來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是用前者。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。一般電機都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側(cè)間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小機械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖7所示： 圖7 腰座具體結(jié)構(gòu) 2.3機械手手臂結(jié)構(gòu)的設計 按照抓取工件的要求，車床上料機械手的手臂有三個自由度，及手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降（或俯仰）運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動有氣缸來實現(xiàn)。 2.3.1機械手手臂設計要求 機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則； 1.應盡可能使機器人手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。 2.機器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 3.為了提高機器人的運動速度與控制精度，應在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質(zhì)材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈斢阡摰?/4，相當于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。 4.機器人各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節(jié)都應有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。 5.機器人的手臂相對其關節(jié)回轉(zhuǎn)軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機器人的手臂時，應盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 6.機器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關節(jié)的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。 2.3.2設計具體采用方案 機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)?？紤]到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達30KG，屬中型重量，同時考慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動均選擇液壓驅(qū)動方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。 因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強度都是比較容易實現(xiàn)的，關鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進行強度的較核。 同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構(gòu)，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。 2.4機械手腕部的結(jié)構(gòu)設計 機器人的手臂運動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運動），給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 2.4.1機器人手腕結(jié)構(gòu)的設計要求 1.機器人手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)作業(yè)需要來設計。機器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業(yè)的適應能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機器人手腕的自由度數(shù)為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 2.機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強度的鋁合金制造。 3.機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標準的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 4.機器人的手腕機構(gòu)要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 5.要設有可靠的傳動間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。 6.手腕各關節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。 2.4.2設計具體采用方案 通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手指結(jié)構(gòu)見圖8。 圖8 車床上料機械手手指 2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設計 2.5.1機械手末端執(zhí)行器的設計要求 機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應機器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。 搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。 加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)。 測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。 在設計機器人末端執(zhí)行器時，應注意以下問題； 1.機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人作業(yè)要求來設計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機器人的應用領域。 2.機器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。 3.機器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強的機器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復雜且造價昂貴。 4.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化和積木化。 5.機器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執(zhí)行機構(gòu)。因此，工業(yè)機器人執(zhí)行機構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。 2.5.2機器人夾持器的運動和驅(qū)動方式 機器人夾持器及機器人手爪。一般工業(yè)機器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。 機器人夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種 1.氣動驅(qū)動方式這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。 2.電動驅(qū)動方式電動驅(qū)動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 3.液壓驅(qū)動方式液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。 2.5.3機器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) 1.楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 2.滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應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）運動，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齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。 5.平行杠桿式手爪 采用平行四邊形機構(gòu)，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。 2.5.4設計具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設計按照工件的直徑為80--130mm來設計。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖9所示： 圖9 手爪的具體結(jié)構(gòu) 2.6機械手的機械傳動機構(gòu)的設計 2.6.1工業(yè)機器人傳動機構(gòu)設計應注意的問題 機器人是由多級聯(lián)桿和關節(jié)組成的多自由度的空間運動機構(gòu)。除直接驅(qū)動型機器人以外，機器人各聯(lián)桿及各關節(jié)的運動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機械傳動機構(gòu)進行驅(qū)動的。機器人所采用的傳動機構(gòu)與一般機械的傳動機構(gòu)相類似。常用的機械傳動機構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由于傳動部件直接影響著機器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應能力，因此，應設計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。 在設計機器人的傳動機構(gòu)時要注意以下問題： 1.為了提高機器人的運動速度及控制精度，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機器人的傳動機構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。 2.在傳動鏈及運動副中要采用間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小反向空回所造成的運動誤差。 3.系統(tǒng)傳動部件的靜摩擦力應盡可能小，動摩擦力應是盡可能小的正斜率，若為負斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。 4.縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度，如用預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動機構(gòu)；絲杠的支承設計采用兩端軸向預緊或預拉伸支承結(jié)構(gòu)等。 5.選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，盡可能提高加速能力。 6.縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。 7.適當?shù)淖枘岜?，機械零件產(chǎn)生共振時，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會使系統(tǒng)的失動量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。故在設計時要使傳動機構(gòu)的阻尼合適。 2.6.2工業(yè)機器人常用的傳動機構(gòu)形式 1.齒輪傳動機構(gòu) 在機器人中常用的齒輪傳動機構(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等。 機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設計的一些問題 （1）齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動比應滿足驅(qū)動部件與負載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動機為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應最大。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （2）各級傳動比的最佳分配原則。當計算出傳動比后，為使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿足動態(tài)性能和提高傳動精度的要求，要對各級傳動比進行合理的分配，原則如下： a．輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。為了提高齒輪傳動系統(tǒng)的運動精度，各級傳動比應按“先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設齒輪傳動中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為，則 …………………………………………………（2-1） 式中：-----第個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差； -----第個齒輪的轉(zhuǎn)軸至n級輸出軸的傳動比。 則四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（、、...、）換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 …………（2-2） 由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動比的大小。因此，在設計中最末兩級的傳動比應取大一些，并盡量提高其加工精度。 b．等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則。利用該原則設計的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量最小，各級傳動比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊。 具體而言有幾點： （1）對要求運動平穩(wěn)，起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉(zhuǎn)動慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。 （2）對于變負載的傳動齒輪系統(tǒng)的各級傳動比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期嚙合以降低噪音和振動。 （3）對于提高傳動精度和減小回程誤差為主的傳動齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則；對于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩(wěn)性，應在開始幾級就增速，并且要求每級增速比最好大于1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動誤差。 （4）對以比較大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結(jié)合為混合輪系。對于相當大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高，傳動平穩(wěn)以及體積小重量輕時?？蛇x用新型的諧波齒輪傳動。 2.諧波齒輪傳動 諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得到廣泛的應用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質(zhì)上的差別。 3.螺旋傳動 螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。 絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%~40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構(gòu)或制動裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項指標： （1）滾珠絲杠的精度等級； （2）滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預加載荷的期望值； （3）載荷條件（靜、動載荷）以及載荷允許值； （4）滾珠絲杠的工作壽命； （5）滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速； （6）滾珠絲杠的剛度； 減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母與絲杠之間有一定的預加載荷。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。但是預加載荷會使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預加載荷不應超過工作載荷的1/3。 4.同步帶傳動 同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點的一種新型傳動，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。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準確、傳動效率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。 5.鋼帶傳動 鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。 6.鏈傳動 在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，一般都將腕關節(jié)驅(qū)動電機安裝在小臂后端或大臂關節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。 7.鋼絲繩輪傳動 鋼絲繩輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。 2.6.3設計具體采用方案 具體到本設計，因為選用了液壓缸作為機械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實現(xiàn)直接驅(qū)動，它既是關節(jié)機構(gòu)，又是動力元件。故不需要中間傳動機構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。而機械手腰部的回轉(zhuǎn)運動采用步進電機驅(qū)動，必須采用傳動機構(gòu)來減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，同時較大的降低電機轉(zhuǎn)速，以使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。 2.7機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設計 2.7.1機器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點 工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。 1.液壓驅(qū)動系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 2.氣動驅(qū)動系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。 3.電動驅(qū)動系統(tǒng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 2.7.2工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設計機器人時，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下： 1.物料搬運（包括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅(qū)動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機器人多采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。 2.用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機器人，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。 2.7.3機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺機器人中應用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應用。目前，雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采用電機驅(qū)動系統(tǒng)，但是在簡易經(jīng)濟型、