三自由度直角坐标机械手设计
作者姓名汪增帅
专业机械设计制造及其自动化指导教师姓名付秀琢
专业技术职务
目录
摘要 (1)
第一章概述 (2)
机械手概述 (2)
机械手历史和现状 (4)
机械手发展趋势 (6)
第二章总体设计 (8)
机械手组成及各部分关系 (8)
总体方案拟定 (9)
驱动方式的选择 (11)
第三章机械系统设计 (13)
机械手的结构设计 (13)
传动结构的设计 (15)
导轨的设计 (20)
轴承的选择 (21)
电机的选择 (22)
第四章总结 (25)
致谢 (25)
参考文献 (26)
摘要
在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机械手等。而工业机械手是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度直角坐标型工业机械手，其工作方向为三个直线方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一个地方搬到另一个地方这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。
关键词：三自由度直角坐标工业机械手
ABSTRACT
It is starting to change the modern industrial landscape. The design for the industrial robot of three degrees of freedom Cartesian coordinate its work direction for the three linear directions. The role of the controller, which performs the workpiece moved from one place to another place of this simple action, This is the entire design more comprehensive introduction and summary.
Keywords：three degrees of freedom； rectangular coordinates； industrial robot
第一章概述
机械手概述
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机械手的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。
“工业机械手”（Industrial Robot）多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。
机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机械手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械人称为通用机械手。
简而言之，机械手就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。
机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机械手来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机械手以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机械手中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机械手的本体部分都采用这种机构形式的机械手。
要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。
图1-1 机械手的一般组成
机械手的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机械手各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机械手各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机械手分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又称操作机
(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。
机械手的历史和现状
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机械手后，大力从事机械手的研究。
目前工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；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机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机械手具有感觉机能。
第三代机械手（机械手）则能独立地完成工作过程中的任务。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(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。
随着工业机械手研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机械手会议ISIR 决定每年召开一次会议，讨论和研究机械手的发展及应用问题。
目前，工业机械手主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机械手代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。
在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。
随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机械手系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机械手系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机械手系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机械手系统的性能和智能水平，要求机械手系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机械手系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机械手语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机械手系统。
美国工业机械手技术的发展，大致经历了以下几个阶段：
（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机械手供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机械手定型为1900型。
（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机械手在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机械手；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机械手，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机械手传递工件。
（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机械手处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机械手会议。据当时统计，美国大约200台工业机械手，工作时间共
达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机械手，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机械手的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机械手组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机械手。
其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机械手为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机械手，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。
我国虽然开始研制工业机械手仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机械手技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机械手技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机械手将会获得快速的发展。
机械手发展趋势
国内各行各业对机械手的需求将越来越多，国内市场将稳步增长，根据目前的现状，我国机械手近几年发展的形式将会怎样呢？根据我们的分析将会呈现如下几个特点：
1．从国际市场来看，机械手工业是一种高投入低赢利的产业，市场竞争极为激烈，机械手工业必须上一定规模才有利润可言，才有必需的开发投入，才能走上良性循环的发展道路。世界上机械手产量最大的三家公司年产机械手数均超千台以上，其中ABB公司达到9000台，安川电机公司近2500台，KUKA公司近2000台，从国内现状来看，大公司、大企业通过与外国机械手公司合资合作，引进技术和资金，逐步规模化生产机械手，把国内机械手产业推向一个新的阶段，其中有代表性的，如首钢集团公司与安川电机公司合资的首钢莫托曼公司、唐山
电子设备厂与松下电器公司合资的唐山松下产业机器有限公司、东风汽车公司与德国KUKA公司合作、济南二机床公司与美国ISI机械手公司合作等等。这些合资合作的开展，将会有效地推动中国机械手工业的进步，全面促进中国机械手工业水平的提高，但是它也会和其他外国机械手公司一样，冲击中国机械手市场，影响具有自主开发能力的中国机械手产业的形成，也会使国内其他的机械手生产厂家面临一种严峻的挑战。
2．由注重机械手单机开发过渡到成套开发机械手应用系统
生产机械手多的大型公司，可以凭借规模优势，占据较大的市场份额，形成规模效益，而一些中小公司要想在激烈的市场竞争中求得生存，必须具有自己的特色。国外许多中小公司把自己的市场定位在机械手系统集成或某些有特长领域，从而形成自己的局部优势，在市场中求得生存和发展，如奥地利IGM公司以向用户提供大型机械手焊接系统著称，机械手在系统中只占售价的1/3左右，卖单台机械手赢利甚微，而卖机械手系统却赢利可观。意大利COMAU公司以承接压机生产线见长，在这里，机械手系统是促销售的关键。我国国内机械手生产厂家规模大都较小，甚至谈不上规模，而国内一般企业又没有能力将机械手有效地集成到生产系统中去，因此，那些进行系统集成并向用户提供一条龙服务的公司，在机械手市场中将有较强的竞争力。国内机械手生产厂家中北京机械工业自动化研究所，以承接涂装自动化生产线见长，累计产值近2000万元，中国科学院沈阳自动化研究所承接焊接生产线，累计产值近5000万元，哈尔滨工业大学机械手研究所的机械手码垛生产线正在产业化，累计产值超千万元。
3．机械手开发走开放型科研之路
国内通过“七五”机械手技术攻关，已具备了生产国产机械手的基础，但国产机械手无论在技术上，还是可靠性上，都与国外机械手差相当一段距离，要尽快缩短这种距离，必须走一条开放型的自主科研道路。
1）多方筹措开发资金，通过政府部门投资、用户单位投资、自我积累、外商投资、银行贷款等形式，筹措国产机械手的开发资金。
2）消化和利用国外机械手技术、资料、样机和关键元器件，为我所用。
3）选择引进国外质量可靠的机械手零部件和元器件。
4）大力开展国内合作，利用国内技术优势，开发具有中国技术特色的国产机械手产品。
5）注意机械手产品的高可靠性，使国产机械手的可靠性与国外机械手具有可比性，同时要做到低成本、易操作。
第二章总体设计
机械手的组成及各部分关系概述
机械手的组成图
它主要由机械系统(执行系统和驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。A、执行系统：执行系统是工业机械手完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。
（1）手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。
（2）腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。
（3）臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。
（4）机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部升降或俯仰运动。
B、驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。本设计使用的是电传动。
C、控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。
D、检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。
各部分关系图
总体方案拟定
本设计喂三自由度机械手，其工作方向为X,Y,Z三个直线方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一个位置放到另一个位置，以实现自动化，减少人力劳动。本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。
工件搬运图
除去机械手的总体框架
驱动方式的选择
机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三
种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2-1
表2-1三种驱动方式的特点对照
续表2-1三种驱动方式的特点对照
机械手驱动系统各有其优缺点，通常对机械手的驱动系统的要求有：1）．驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；
2）．反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；
3）．驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；
4）．安全可靠；
5）．操作和维护方便；
6）．对环境无污染，噪声要小；
7）．经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。
经上述分析此三自由度机械手X,Y,Z方向驱动及机械手的驱动采用电机驱动。
第3章机械系统设计
机械手的结构设计
搬运机械手能够模仿人手部的部分动作，按照设定的程序、轨迹和要求，代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，实现一些人工不可能完成的工作，这不仅可以使人手避免出现可能的危险情况，保障生产安全，还能促进工作线的流水化，提高了工作效率，降低了劳动强度，改善了劳动环境，已经成为现代制造业中不可或缺的一种自动化装置。
根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图所示：
以下是机械手的视图表示：
三视图
传动机构的设计
表4-1 工业机器人常用传动方式的比较
传动机构是指向各轴传递运动和动力，以实现轴间的相对移动，在三自由度直角坐标机器人中，其主要传动机构为平移型传动机构。从上表一中我们可以看到各种传动方式的对比。
机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，被人们有目的地加以利用。我国古代传动机构类型很多，应用很广，除了上面介绍的以外，像地动仪、鼓风机等等，都是机械传动机构的产物。我国古代传动机构，主要有齿轮传动、绳带传动和链传动。
齿轮传动：齿轮只用来传递运动，强度要求不高。至于生产上所采用的齿轮，要传递较大的动力，受力一般较大，强度要求较高。古代在利用畜力、水力和风力进行提水、粮食加工等工作时，都要应用此类齿轮。例如在翻车上，须应用一级齿轮传动机构，以改变运动的方位和传递，适应翻车的工作要求。其工作示意图如下图4-2。
齿轮传动式由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它不但可以传递运动角位移和角速度，而且还可以传递力和力矩。
图4-2
链传动链，在我国古代出现很早，商代的马具上已有青铜链条，其他青铜器和玉器上也有用链条作为装饰的。西安出土的秦代铜车马上，有十分精美的金属链条。但这都不能算是链传动。作为动力传动的链条，出现在东汉时期。东汉时毕岚率先发明翻车，用以引水。根据其工作原理和运动关系，可以看作是一种链传动。翻车的上、下链轮，一主动，一从动，绕在轮上的翻板就是传动链，这个传动链兼做提水的工作件，因此，翻车是链传动的一种特例。到了宋代，苏颂制造的水运仪象台上，出现了一种“天梯”，实际上是一种铁链条，下横轴通过“天梯”带动上横轴，从而形成了真正的链传动。
绳带传动这是一种利用摩擦力的传动方式。在西汉时，四川出产井盐，在凿井、提水时，都是用牛带动大绳轮，收卷绕过滑轮上的绳索，来提升凿井工具、卤水等。西汉时出现的手摇纺车，是一种典型的绳带传动。在西汉时期的画像石上，有几幅手摇纺车图，可以清楚地看到：大绳轮主动，通过绳索带动纱锭，用手摇大绳轮旋转一周，纱锭旋转几十周，效率很高。以后出现的三锭、五锭的纺车，效率就更高了。元代的水运大纺车，也是用绳带传动的。东汉时，冶金手工业有一项重要发明“水排”，用于鼓风。这种绳带传动的工作原理是：水力推动卧式水轮旋转，水轮轴上装有大绳轮，通过绳带带动小绳轮，小绳轮轴上端曲柄随之旋转，通过连杆推动鼓风器鼓风。这种水排鼓风效力很高，可以抵得上几百匹马鼓风。它的出现，标志着东汉时发达的机械已经在我国出现了，因而意义十分重大。
在经过了以上论证后，我决定采用齿轮链传动机构。
现在我以图4-3为例来说明齿轮链传动的转换关系。
图4-3
在设计这个齿轮链传动机构的时候我主要考虑到两个问题：一是齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量，从而使驱动电机的响应时间减少，这样伺服系统就更加容易控制。输出轴转动惯量转换到驱动电机上，等效转动惯量的下降与输入输出齿轮齿数的平方成正比。二是在引入齿轮链的同时，由于齿轮间隙误差，将会导致机器人手臂的定位误差增加；而且，假如不采取一些补救措施，齿隙误差还会引起伺服系统的不稳定性。
滑动螺旋的特点：①结构简单，加工方便；②易于实现逆行程自锁，工作安全可靠；③摩擦阻力大，传动效率低；④容易磨损，轴向刚度较差。
滚珠螺旋的特点：①摩擦阻力小，传动效率高；②磨损小、寿命长、工作可靠性好；③具有运动的可逆性，应设防逆动装置；④轴向刚度较高，抗冲击性能较差；⑤结构复杂，加工制造较难；⑥预紧后得到很高的定位精度（约达5um/300㎜）和重复定位精度（可达1~2um）。
参照设计要求发现，滑动螺旋和滚动螺旋均可满足要求，拟选定滑动螺旋传动方式。
1.滑动螺旋传动特点
（1）螺杆转动一周，螺母移动一个螺距（弹头螺纹）。因为螺距一般很小，所以在转角很大的情况下，能获得很小的直线位移量，可大大缩短机构的传动链，故装置结构紧凑。
（2）具有较好的增力作用。只要给主动件一个较小的转矩，从动件即能获得较大的转矩。
（3）由于工作台采用滑动螺旋设计，存在较大的滑动摩擦，致使其效率偏低，磨损较快。
2.螺杆材料、热处理及精度
所有轴的制造材料均为45号钢。螺纹部分采用表面淬火处理，保证硬度达到45HRC，使螺纹具有较好的强度和韧性。考虑传动工作台的技术要求和安装限
制，选取公差等级为h7级的基轴制配合。
3.螺纹数据的初步设计与校核
考虑到实际中轴向力的影响较大，选取梯形螺纹作为基本齿形。根据GB/T ，。试取（外螺纹）公称直径20.000d mm =，对应的中径218.000d mm =，小径115.500d mm =，螺距4P mm =。由GB/，对于h7的梯形外螺纹，中径的极限尺寸2max 18.000d mm =，2min 17.800d mm =。
现实中，滑动螺旋传动的失效性是主要是螺纹的磨损、螺杆的变形或螺纹的断裂等。因此，滑动螺旋传动的校核通常包括耐磨性、刚度、稳定性及强度等方面。根据使用需要，还需进行驱动力矩、效率与自锁等其他方面的计算。
（1）螺旋升角γ及诱导摩擦角γρ
2tan /0.07077P d γπ=≈，得43'γ≈。
查表【1】，钢的摩擦系数0.1f μ==，因而arctan 555cos 2v μ
ρα
=≈。’
其中，梯形螺纹的牙型半角30α=。
（2）轴向力a F 的确定
根据要求，载重 1.5m kg =。设计中留出预留量，即考虑径向力r F m δ=，取2δ=，则
23r F m kg ==。根据力的合成原理，得/tan 879a r F F N γ=≈
（3）耐磨性校核
因为磨损的速度与螺纹工作表面大小有直接关系，所以为了提高螺旋传动寿命，必须限制螺纹工作表面压强，即：220.785a F P N P mm d hH
π?=≈ 这里，取梯形螺纹螺纹工作高度0.52h P mm ==。试选用整体式螺母( 2.2ξ=)，因而39.6H h mm ξ==。
这里初步确定螺纹材料为45号钢，为兼顾螺纹的硬度和韧性要求，进行比
表面淬火处理，保证HRC 在40～50。
查表【1】得45号钢的许用压强 2[](6~8)p N mm -=?。显然，有[]p p <成立，合格。 又螺母螺纹扣数9.910H n P
==≤，合格。 （4）驱动力矩T 、传动效率η及自锁性校核
对于单线螺杆，4h P P mm ==。视螺旋副克服摩擦力的力矩为其驱动力矩，即
2tan()1390.22a d T F N mm γγρ=+≈?
传动效率 tan 40.29%tan()γγηγρ=
≈+ 显然，v γρ<，故当驱动力矩去除后，螺旋将会自锁，实现“稳定刹车”。
（5）刚度校核
在长度为1m 的螺纹上，因轴向载荷a F 和转矩T 作用而产生的螺距累计变化量
262242
416()1017.61a F TP m d E Gd λμππ=-?≈ 查表1【1】可知，67[][]λλλ<<，精度等级合格。
表1
（6）稳定性校核
螺杆在受轴向载荷a F 时，应防止螺杆长度与直径比过大而造成侧向弯曲。 显然，有螺杆最大工作长度>螺纹部分长度 >工作行程+螺母高度>工作行程+旋合长度，