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。在工业中应用的机械手称为工业机械 手 工业机器人研究始于世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是年 第台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度大容量低价格 的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发 奠定了基础。另方面，核能技术的研究要求些操作机械代替人处理放射性物质。在这 需求背景下，美国于年开发了遥控机械手，年又开发了机械式的主从机械手 。工业机器人首先是从美国开始研制的。年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概 念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人 进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的 机器人差不多都采用这种控制方式。年美国联合控制公司研制出第台机械手铆接机 器人。作为机器人产品最早的实用机型示教再现是年美国公司推出的 和公司推出的。这些工业机器人主要由类似人的手 和臂组成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。 早期的机械手的结构和功能都比较简单，专业性强，仅能配合台主机完成辅助性工 作，如抓取工件上料下料换夹刀具等。这种机械手称为专用机械手。随着工业技术的 发展，出现了能够地按控制程序自动重复操作的机械手，这种机械手线运动加个旋转运动。圆柱 坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可在竖直 方向上做直线运动和在水平面内做圆弧状的左右摆动。图所示为圆柱坐标式机械手。 图圆柱坐标式机械手。 球坐标式机械手 球坐标式机械手又称为俯仰型机械手，是种自由度较多，用途较广的机械手。它是 由小三个方面的机械手组成，球坐标式机械手的工作范围包括个旋转运动两 个旋转运动以及两个旋转运动加个直线运动，与回转型机械手相比，在占有同样空间位 置的情况下，其工作范围扩大了。还能将臂伸向地面，完成从地面提取工件的任务。不足 之处是运动直观性差。结构较复杂，弊端是位置误差会随臂的伸长而放大。 关节式机械手 关节式机械手又称屈伸型机械手，是种适用于靠近机体操作的机械手。它象人手 样有肘，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在夹窄空间工作。关节式机械手的特点 有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动它具有上肢结构，可实现近似于人手 操作的技能。如图所示为关节式机械手。 图关节式机械手 工业机器人的机能和特性 工业机械手的自由度 机械手的自由度是指机械手各运动部件在三维空间坐标轴上所具有的运动数。 工业机械手的机能 机械手的机能就是指它具有完们预定作业所需要的能力。运动机能是指机械手完 成预定工艺操作应具有的运动自由度，以及所能到达的活动范围。同时还要求机械手具有 对机械手的抓放定向工艺操作和行走的能力等。通用机械手应根据作业的要求，设计 成具有完善的运动机能，即它的动作要接近于人手操作时的些运动机能，以适应广大作 业范围的需要。专用机械手则仅赋予部分的运动机能，可按照工艺操作的需要来确定。机 械手又应具有定的物理机能如载荷能力运动速度持续工作能力以及工作的准确性和 稳定性等性能。此还应具有耐热耐腐蚀的能力，以适应工艺操作的需要和具体的工作环 境。机械手的另个要机能就是控制机能。对专用机械手而言，是指能自动完成作业程序 的能力。但对于般的通用机械手其控制性能是指它具有自动地或被动地变换程序的能 力，即按照指令能自动地再现地完成规定的动作程序的机能。 工业机器人主要由执行机构驱动传动系统和控制系统三大部分组成。执行机构是用 来抓持工件或工具的部件，根据被抓持物件的形状尺寸重量材料和作业要求而 有多种结构形式，如夹持型托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动摆动 移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降伸 缩旋转等运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体， 需有个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越 大，通用性越广，其结构也越复杂。般专用机械手有个自由度。 对于现代智能机械手而言还具有智能系统，主要是感觉装置视觉装置和语言识别 装置等。目前研究主要集中在赋予机械手眼睛，是它能识别物体和躲避障碍物，以及 机械手的触觉装置。机械手的这些组成部分并不是各自的，或者说并不是简单叠加在 起，而是构成个整体。机械手各部分必然存在着相互关联相互影响和相互制约的关 系。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式气动式电动式机械式机械手按适用 范围可分为专用机械手和通用机械手两种按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨 迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传 递工件，在加工中心中更换刀具等，般没有的控制装置。有些操作装置需要由人直 接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。 工业机器人的发展趋势与前景 重复高精度 精度是指机器人机械手到达指定点的精确程度,它与驱动器的分辨率以及反馈装置 有关。重复精度是指如果动作重复多次,机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精 度更重要,如果个机器人定位不够精确,通常会显示个固定的误差,这个误差是可 以预测的,因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是个随机误差的范围,它通过 定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重 复精度将越来越高,它的应用领域也将更广阔,如核工业和军事工业等。 模块化 有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术,而把模块化拼装的 机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体 系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置,使机械手运动自如。模块化机械手使 同机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能,扩大了机械手的应用范围,是 机械手的个重要的发展方向。 无给油化 为了适应食品医药生物工程电子纺织精密仪器等行业的无污染要求,不加 润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步,新型材料如烧结金属石墨材 料的出现,构造特殊用自润滑材料制造的无润滑元件,不仅节省润滑油不污染环境, 而且系统简单摩擦性能稳定成本低寿命长。 机电体化 由可编程序控制器传感器液压元件组成的典型的控制系统仍然是自动化技术 的重要方面发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件,使液压技术从开关控制 进入到高精度的反馈控制省配线的复合集成系统,不仅减少配线配管和元件,而 且拆装简单,大大提高了系统的可靠性。而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而的输 出功率在增大,由直接控制线圈变得越来越可能。 随着科学与技术的发展,机械手的应用领域也不断扩大目前,机械手不仅应用于传 统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医 药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中如,水下机器人,抛光机器 人,打毛刺机器人,擦玻璃机器人,高压线作业机器人,服装裁剪机器人,制衣机器人,管道 机器人等特种机器人以及扫雷机器人,作战机器人,侦察机器人,哨兵机器人,排雷机器人, 布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业而且,随着 人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费 机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。 本课题的研究内容 本课题针对机械制造业的生产特点，设计种用于拾取轴类零件的气动式机械手，以 实现轴类零件搬运过程的自动化，减轻生产劳动强度，提高生产效率。本课题设计种用 于塑料注塑成型领域的旋臂式机械手，以提高自动化生产效率。 论文主要研究内容 了解工业机器人的发展及在工业生产中的应用 完成该旋臂式机械手的方案设计 旋臂式机械手的零部件结构设计及计算 应用和软件绘制所设计机械手的装配图及关键零部件的三维图和工 程图。 旋臂式机械手的设计 目录 摘要 第章前言 工业机器人概述 工业机器人的基本型式及其运动形式 直角坐标式机械手 圆柱坐标式机械手 球坐标式机械手 关节式机械手 工业机器人的机能和特性 工业机械手的自由度 工业机械手的机能 工业机器人的发展趋势与前景 重复高精度 模块化 无给油化 机电体化 本课题的研究内容 第二章旋臂式机械手的方案设计 旋旋臂式机械手方案拟定 设计参数 可行方案的筛选方法提要 设计方案的选择 圆柱坐标直线移动升降臂 极坐标旋转升降式升降臂 气压驱动方案设计 机械驱动方案设计 传动系统结构设计 升降臂的设计所选方案, 机械手升降臂设计,未定