卧式加工中心换刀机械手的设计
1 机械手的介绍
1.1 工业机器人简介
几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。
到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。
工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工 业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.2世界机器人的发展
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：
（1）. 工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。 （2）．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；国外已有模块化装配机器人产品问市。 （3）．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。 （4）．机器人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、力觉等传感器，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环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 （5）．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 （6）．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
(7)．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 1.3 我国工业机器人的发展
有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。
我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动
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学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，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，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。
我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 1.4 我需要设计的机械手， 1.4.1 臂力确定
国内目前使用的机械手的臂力范围较大，现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本机械手的臂力为N臂 =1650（N），安全系数k般可在1.5~3，本机械手取安全系数k=2。定位精度为±1mm。
1.4.2 工作范围确定
本机械手的工作范围需要根据工艺要求和操作运动的轨迹去确定。一个操作运动的轨迹是由几个动作的合成，在确定工作范围时，可将轨迹分解成若干个单个的动作，由单个动作的行程来确定机械手最大行程。此机械手动作范围确定如下： 手腕回转角度=±115°；
手臂伸长量=150mm； 手臂回转角度=±115°； 手臂升降行程=170mm；
手臂水平运动行程=100mm；
1.4.3 确定各运动速度
机械手的各动作的最大行程确定以后，可以根据生产需要分配每个动作的时间，进而来确定各动作运动速度。机械手要完成整个过程，需完成夹紧工件，手臂升降，伸缩，回转，平移等一系列动作，这些动作都应该在规定的时间内完成。具体时间分配取决于很多因素，根据对各种因素反复考虑，对分配的方案进行反复比较才能确定。
机械手的总动作的时间应小于或等于工作拍节，如果需要两个动作同时进行，要按时间长的去计算，分配各动作的时间应考虑以下要求：
① 给定运动的时间应大于电气或液压元件的执行时间；
② 伸缩运动，速度要大于回转运动速度，因为回转运动的惯性一般会大于伸缩运动的惯性。在满足于工作拍节要求的条件下，应该尽量去选取较底的运动速度。机械手运动的速度与臂力，行程，驱动方式，缓冲方式，定位方式之间都有很大关系，应根据具体情况具体分析。 ③ 在工作拍节短的、动作多的情况下，常需要几个动作同时进行。因此驱动系统要采取相应措施，以此来保证动作同步。
机械手的各运动速度如下：
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手腕的回转速度 v腕回 = 40°/s；
手臂的伸缩速度 v臂伸 = 50 mm/s；
手臂的回转速度 v臂回 = 40°/s；
手臂的升降速度 v臂升 = 50 mm/s； 立柱的水平运动速度 v柱移 = 50 mm/s； 手指夹紧油缸运动速度 v夹 = 50 mm/s； 1.4.4 手臂配置形式
机械手的手臂的配置形式基本上能反映它的总体布局。运动要求，操作环境。工作对象的不同，手臂的配置形式也大不相同。本机械手采用的是机座式。机座式得结构多被工业机器人采用，机座上可装上独立的控制设备，便于搬运和安放，机座底部也可以安装行走设备，用已扩大机械的活动范围，分为1.手臂配置在机座顶部,，2.手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手主要采用手臂配置在机座的立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手大多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围比较大。 1.4.5 位置的检测装置的选择
机械手常用位置检测方式主要有三种：1.行程开关式、2.模拟式,3.数字式。本机械手主要采用行程开关式。利用行程开去关检测位置，精度较低，一般需要与机械挡块联合应用。在机械手中，采用行程开关与机械挡块检测定位不但精度高而且简单实用可靠，故也是应用最多的。 1.4.6 驱动与控制方式选择
机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点，结合生产工艺要求来选择的，需要要尽量去选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。
控制系统也有许多不同的类型。除了一些专用机械手以外，大多数的机械手均需要进行专门控制系统的设计。
驱动的方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。
参考《工业机器人》表9-6和表9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的PLC控制。
2 手部的结构
2.1概述
手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。 2.2 设计时应考虑的几个问题
①应具有足够的握力（即夹紧力）
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 ②手指间应有一定的开闭角
两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 ③应保证工件的准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带?V?形面的手指，以便自动定心。 ④应具有足够的强度和刚度
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手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。
⑤应考虑被抓取对象的要求
应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。 2.3 驱动力的计算
1手指 ， 2.销轴 ， 3.拉杆 ， 4.指座
图1 滑槽杠杆式手部受力分析
如图所示为滑槽式的手部结构。在3拉杆作用下2销轴向上的拉力为P，并通过销轴的中心O点，两手指1滑槽对销轴反作用力为P1、P2，力的方向是垂直于滑槽中心线OO1和OO2并且指向O点，P1和P2延长线交O1O2于A及B，因为△
O1OA和△O2OA均为直角三角形，
所以∠AOC=∠BOC=α。根据销轴力平衡的条件，即
∑Fx=0, P1=P2; ∑Fy=0 P=2P1cosα； P1=P/2cosα；
销轴对手指的用力为p1′。手指握紧工件时所需力称为握力（即夹紧力），假设握力作用在手
指与工件接触面的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，用N表示。通过手指的力矩平衡条件，即 ∑m01(F)=0得；
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P1′h=Nb； 又因 h=a/cosα ； 所以 P=2b(cosα)2N/a；
式中 a——手指回转的支点到对称中心线的距离（mm）。
α——工件被夹紧时手指滑槽方向与两回转的支点连线间的夹角。
由上式可得，当驱动力P一定时，α角增大时则握力N也随之增加，但α角过大则会导致拉杆的行程过大，及手指滑槽尺寸长度增大，使其结构增大，所以，一般取α=30°~40°。在这里取角α=30。 这种手部的结构比较简单，且具有动作灵活，手指饿开闭角大等特点。查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指在夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面的驱动力计算方法，可以求出驱动力的大小。考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动及传力机构的效率的影响，实际的驱动力P应按以下公式计算，即： P实际=PK1K2/η；
式中 η——手部机械效率，一般取0.85~0.95； K1——安全系数，一般取1.2~2；
K2——工作情况的系数，主要考虑惯性力影响，K2可以近似的按下式去估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件在运动时的最大加速度，g为重力加速度。
此次设计的机械手的工件只需要做水平和垂直平移，当它移动速度为500毫米/秒时，移动的加速度为1000毫米/秒，工件的重量G为98牛顿，V型钳口夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸驱动力P和P实际计算如下：
根据钳爪夹的持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置工件的当量夹紧力计算公式 N=0.5G；
把已知的条件代入公式得当量夹紧力为 N=49（N）；
由滑槽杠杆式的结构的驱动力计算公式 P=2b(cosα)N/a 得；
P=P计算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N)； P实际=P计算K1K2/η；
取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1； 则 P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)；
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3 腕部结构
3.1 概述
腕部是连接手部与臂部的构件，主要起支承手部的作用。设计腕部的时候要注意以下几点：
① 结构要紧凑，重量要尽量轻。 ② 转动需灵活，密封性要好。
③ 注意解决好腕部与手部、臂部的连接，及各个自由度的位置检测、管线的布置，润滑、
维修，调整等各方面的问题
④ 要适应工作环境需要。
另外，通往手腕油缸的管道应尽量从手臂的内部通过，方便便手腕转动的时候管路不扭转和不
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