目:通用机械臂机构设计*g0目录1. 绪论 11.1 选题背景11.2 国内外研究现状和趋势11.3 机械臂的组成21.4 设计目的31.5 研究内容42. 机械臂的总体设计方案42.1 机械臂总体结构的类型42.2 机械臂主要部件及其运动52.3 驱动机构选择62.4 机械臂技术参数63. 机械臂手部计算73.1 手部设计基本要求73.2 典型手部结构73.3 机械臂手爪的设计计算74. 腕部的设计计算124.1 腕部设计基本要求124.2 腕部结构134.3 腕部的设计计算135. 臂部设计以及有关计算175.1 臂部设计的基本要求185.2 手臂的典型机构及其选择196 机座设计24结论 24参考文献251. 绪论1.1 选题背景机械臂是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装 置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着 电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域 内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械臂的发展，使得机械臂能更 好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械臂能代替人类完成危险、重复枯燥 的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械臂越来越广泛的得到了应用， 在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化 数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械臂已发展成为柔性制造系统FMS 和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械臂共同构成一个柔 性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输 送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变， 有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需 要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距 离，应用规模和产业化水平低，机械臂的研究和开发直接影响到我国自动化生产 水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械臂的研究 设计是非常有意义的。1.2 国内外研究现状和趋势目前，在国内外各种机器人和机械臂的研究成为科研的热点，其研究的现状 和大体趋势如下：A. 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。B. 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，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系 统的可靠性、易操作性和可维修性。C. 机械臂中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等 传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、 声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技 术成为智能化机器人的关键技术。D. 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式，喷涂机械臂产品标准化、通用化、 模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形 伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；E. 焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、 模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器， 先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具 体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上， 追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。1.3 机械臂的组成机械臂由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成1.3.1 执行机构（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转 型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式 两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸附光滑表面的零件或薄 板零件）和电磁吸盘。传动机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿 轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以 扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自 由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上 下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可 以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧 凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳 定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系 结构。（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手 部（包括工作或夹具），并带动它们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿 态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度 才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实 现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷， 而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重 大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（4）行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。 1.3.2驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同,工业机械手的 驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机 械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.4 设计目的本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行 整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械臂的设计，能够比较 好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以 及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践 的有机结合。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强 度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成 为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术， 设计用一台装卸机械臂代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械臂主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线， 实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正 在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设 计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载 加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和 生产力。1.5 研究内容本文研究了国内外机械臂发展的现状，通过学习机械臂的工作原理，熟悉了 搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械臂的基本系统结构，对搬 运机械臂的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作 （包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。2. 机械臂的总体设计方案2.1 机械臂总体结构的类型机械臂的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节 型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。直角坐标机械臂结构 直角坐标机械臂的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 a2-l.。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械臂有可 能达到很高的位置精度（口m级）。但是，这种直角坐标机械臂的运动空间相对 机械臂的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐 标机械臂的结构尺寸要比其他类型的机械臂的结构尺寸大得多。直角坐标机械臂的工作空间为一空间长方体。直角坐标机械臂主要用于装配 作业及搬运作业，直角坐标机械臂有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。圆柱坐标机械臂结构 圆柱坐标机械臂的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如 图2-1. b。这种机械臂构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。球坐标机械臂结构 球坐标机械臂的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1. c。这种机械臂结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。 其工作空间是一个类球形的空间。关节型机械臂结构关节型机械臂的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1. d。关节型机 械臂动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较 大。此种机械臂在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都 广泛采用这种类型的机械臂。关节型机械臂结构，有平面关节型和垂直关节型两种。：）肖申生却也：H尘标壬.-球丝听也d巴图 2-1 四种机械臂坐标形式由要求可知本设计是一个用于搬运的机械臂，要有三自由度的空间位置改 变、三自由度的姿态变化，为了满足设计要求，我们综合以上几种坐标形式的不 同特点，最终选用平面关节型机械臂结构。2.2 机械臂主要部件及其运动在平面关节型机械臂的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求， 本设计关于机械臂具有6个自由度既：手抓张合；腕部翻转；腕部俯仰；腕部偏 转；手臂升降；小臂回转；大臂回转7个主要运动。本设计的机械臂由5个大部件和7个伺服电机组成：（1）手部，采用一个伺服电机，通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，采用三个伺服电机分别控制腕 部的三种回转形式回转一定角度。（3）臂部，采用伺服电机来实现手臂伸缩、回 转。（4）机身采用铸件稳定整个机构。2.3 驱动机构选择驱动机构是工业机械臂的重要组成部分,工业机械臂的性能价格比在很大 程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同,工业机械臂的驱动机构大 致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。由于低惯量、大转矩的交、直流 伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采 用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用 方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷 电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但 因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。2.4机械臂技术参数设计技术参数:抓重：100g （夹持式手部）自由度数:6个自由度 座标型式：平面关节型工作空间:200 X 200 X 200mm手臂运动参数 最大运动范围： 大臂回转：180 小臂回转：180手腕伸缩：220mm腕部翻转：180腕部俯仰：180腕部偏转：180最大角速度180 /s最大升降速度：300mm/s3. 机械臂手部计算3.1手部设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同 的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从 张开到闭合绕支点所转过的角度）人丫，以便于抓取工件。（3）