【正文】 國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái)，約占全球已安 裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多，批量小，零部件通用化程度低，供貨周期長(zhǎng)，成本也不低，而且質(zhì)量，可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化，通用化，?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“ 863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人， 6000 米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人，雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人，爬壁機(jī)器人 ，管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺(jué)，力覺(jué)，觸覺(jué)，聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)，遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人，智能裝配機(jī)器人，機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1． 2 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本步驟 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的步驟包括以下： 1．根據(jù)機(jī)械手的功能要求，選定其的類型 2．分析機(jī)械手的工作情況，確定作用在 機(jī)械手上的載荷。 3．根據(jù)工作情況分析，判定機(jī)械手的失效形式，從而確定其計(jì)算準(zhǔn)則。 4．進(jìn)行主要的參數(shù)選擇，根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)則求出零件的主要尺寸，選擇材料，考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求。 5． 進(jìn)行對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析。 6．繪制零件圖，制訂技術(shù)要求。 6 6 2 總體設(shè)計(jì) 2． 1 總體設(shè)計(jì) 2． 1． 1 總體設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按設(shè)定的程序，軌跡和要求代替人手抓搬 運(yùn)或操作工具或進(jìn)行操作自動(dòng)化裝置。 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)要進(jìn)行全面綜合考慮，盡可能使之做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，容易操作安全可靠 ，安裝維修方便，經(jīng)濟(jì)性好。 為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度，在保證機(jī)械手有足夠強(qiáng)度與剛度的條件下，盡可能從結(jié)構(gòu)與材料上設(shè)法減輕機(jī)械手的重量，力求選高強(qiáng)度，輕質(zhì)材料，通常用高強(qiáng)度鋁合金制造。 據(jù)設(shè)計(jì)題目給出的坐標(biāo)形式和基本參數(shù)確定該設(shè)計(jì)和各項(xiàng)結(jié)構(gòu)，其中已確定的各項(xiàng)有： 1．本工業(yè)機(jī)械手是通用機(jī)械手，是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的，程序可變，動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手工作的范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。本工業(yè)機(jī)械手的控制定位方式是簡(jiǎn)易型的點(diǎn)定位控制，因此，其控制系 統(tǒng)不是很復(fù)雜。 2．本工業(yè)機(jī)械手是圓柱坐標(biāo)的坐標(biāo)型式，其手臂的運(yùn)動(dòng)系由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成，即沿 X 軸的伸縮，沿 Z 軸的升降和繞 Z 軸的回轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，但因機(jī)械手結(jié)構(gòu)關(guān)系，沿 Z 軸方向移動(dòng)的最低位置限制，故不能抓取地面上的物體。 3． 本工業(yè)機(jī)械手是四自由度機(jī)械手。所謂工業(yè)機(jī)械手的自由度就是整機(jī)手臂和手腕相對(duì)于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)： 1 手臂的升降； 2 手臂的升縮； 3 手腕部回轉(zhuǎn)； 4．手臂回轉(zhuǎn)。根據(jù)給出的工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)，還需確定 其余各部件的設(shè)計(jì)。 2． 1． 2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇和設(shè)計(jì) 根據(jù)有關(guān)資料的顯示，現(xiàn)在機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的成熟控制方式有多種，主要以下幾種方式，并進(jìn)行比較選擇： 1． 液壓傳動(dòng)機(jī)械手，是以油液的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大影響，且不宜在高溫，低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但電液伺服閥的制造精度高，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高， 2． 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手：是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)：介質(zhì)來(lái)源極方便，不污染環(huán)境，工作可靠，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作維修方便。但是由于空氣具有可壓縮的特點(diǎn)，工作速度的穩(wěn)定性較差，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30 公斤以下，適用于高速，輕載，高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 3． 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手：既由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如凸輪，連桿，齒輪和齒條，間歇機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率高，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。常被用于為工作主機(jī)的上，下料。 4．電力傳動(dòng)機(jī)械手：即由 特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，直線電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍柚虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手 7 7 的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，有發(fā)展前途。 綜合上述四種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)合本設(shè)計(jì)之工業(yè)機(jī)械手的各項(xiàng)規(guī)格要求，應(yīng)選用氣壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，則其抓重和定位都可達(dá)到，且結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單，其傳動(dòng)平穩(wěn)和動(dòng)作靈敏性可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 因此，本設(shè)計(jì)的四自由度工業(yè)機(jī)械手選用氣壓傳動(dòng)機(jī)械手作為驅(qū)動(dòng)方式。 2． 1． 3 整體機(jī)構(gòu)的確定 1． 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （ 1）手部：既與物 體直接接觸的部件，采用夾持式手部。夾持式手部由手指（或手爪）和傳力機(jī)構(gòu)構(gòu)成。手指直接與物體接觸，傳力機(jī)構(gòu)采用斜楔杠桿式結(jié)構(gòu)，通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件，其由氣缸實(shí)現(xiàn)。 （ 2）手腕：是聯(lián)接手部和手臂的部件，起調(diào)整或改變工件方位的作用。本系統(tǒng)則通過(guò)由回轉(zhuǎn)氣缸使手腕實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方位的改變。 （ 3）手臂：支撐手腕和手部的部件，以改變工件的位置。其作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬到設(shè)定位置，本系統(tǒng)采用氣缸和回轉(zhuǎn)氣缸分別實(shí)現(xiàn)手臂的升降回轉(zhuǎn)以及伸縮的動(dòng)作。 （ 4）立柱：以手臂的升降氣缸兼作立柱 ，以便實(shí)現(xiàn)該機(jī)械手的緊湊和簡(jiǎn)潔。 （ 5）機(jī)座：是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，各結(jié)構(gòu)部件均安裝其上，起支撐和連接作用。 2． 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：系統(tǒng)才用氣壓傳動(dòng)方式。 3． 控制系統(tǒng)：是支配工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。系統(tǒng)由可編程序控制器系統(tǒng)和行程開(kāi)關(guān)電氣定位以及相關(guān)的繼電器系統(tǒng)組成的系統(tǒng)控制。 4． 位置檢測(cè)盒的放置：為操作和安全，把電氣控制箱置于機(jī)座上，而把操縱盒以長(zhǎng)距離，遠(yuǎn)距離的操縱方式。操控人員可遠(yuǎn)離機(jī)械手操作。 整個(gè)機(jī)構(gòu)的位置布置初定大概如下所示： 爪部 +夾緊缸 +手腕轉(zhuǎn)動(dòng)缸 +伸縮缸 ＋ 升降缸（回轉(zhuǎn)缸） ＋ 回轉(zhuǎn)缸（升降缸） 為了使整個(gè)機(jī)構(gòu)盡量趨向于輕便簡(jiǎn)單，在此我們盡量選取葉片型回轉(zhuǎn)氣缸，將回轉(zhuǎn)氣缸放在升降缸之上，但這一構(gòu)想取決于葉片型回轉(zhuǎn)缸的工作壓力是否達(dá)到系統(tǒng)的壓力要求，所以此部分將留待往后再作決定。 5． 手部結(jié)構(gòu) 根據(jù)已知的規(guī)格參數(shù)， 我們選擇爪部通過(guò)汽缸推動(dòng)楔塊帶動(dòng)爪部杠桿運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)爪部張合的夾緊運(yùn)動(dòng)。杠桿與楔塊接觸的一端用彈簧連起，以保證楔塊縮回時(shí)杠桿端部始終與楔塊接觸。爪部的張合弧度可通過(guò)改變楔塊的斜面角度和杠桿的長(zhǎng)度和比例來(lái)調(diào)節(jié)。結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)潔，受力性能良好，定位誤差小。 8 8 3 直角坐標(biāo)式 工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3． 1 機(jī)械手的規(guī)格參數(shù) 1． 抓重： 50 N （額定抓取重量或額定負(fù)荷） 2． 自由度： 4 3． 坐標(biāo)形式： 圓柱坐標(biāo) 4． 最大工作半徑： 1200 ㎜ 5． 手臂最大中心高（下降時(shí)）： 800 ㎜ 6． 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) ① 伸縮行 程： 500 ㎜ ② 伸縮速度： 250 ㎜／ s ③ 升降行程： 300 ㎜ ④ 升降速度： 200 ㎜／ s ⑤ 回轉(zhuǎn)范圍：０ ○ ～１８０ ○ ⑥ 回轉(zhuǎn)速度： 180○ ／ s 7． 手腕參數(shù) ① . 回轉(zhuǎn)范圍：０ ○ ～１８０ ○ ② .回轉(zhuǎn)速度：１８０ ○ ㎜／ s 8． 手指夾持范圍： Ф５０～Ф７０ 9． 定 位精度：177。１㎜ 10． 驅(qū)動(dòng)方式：氣壓傳動(dòng) 11．電氣控制方式： PLC 點(diǎn)位程序控制 12．電氣操作方式：手動(dòng)和自動(dòng) 3． 2 工業(yè)機(jī)械手的參數(shù) 總體 計(jì)算 3． 2． 1 機(jī)械手的質(zhì)量 工件的材質(zhì)為鋼結(jié)構(gòu) ρ 鋼 =７ .８ １０ ３ kｇ／ｍ ３ ＝ ／㎜ 3 9 9 工件的質(zhì)量 ｍ 工件 ＝Ｇ ／ｇ （ 3－ 1） ＝５０／９ .８ ＝５ .102Kg＝５１０ 2ｇ 工件的體積 Ｖ 工件 ＝ｍ 工件 ／ρ 鋼 （ 3－ 2） ＝ 5102/ ＝ 654103 mm３ 當(dāng)工件取Ф５０時(shí)，面積應(yīng)為 Ｓ 5０ ＝π（ｄ 5０ /2） ２ （ 3－ 3） ＝ 625 ＝１９６２ .5mm２ 長(zhǎng)度應(yīng)為 Ｌ 5０ ＝Ｖ 工件 ／Ｓ 5０ （ 3－ 4） ＝ 654103／１９６２ .5 ＝３３３ .3mm 當(dāng)工件取Ф７０時(shí)，面積應(yīng)為 Ｓ 70＝π（ｄ ７ 0／ 2） （ 3－ 5） ＝π（７０／ 2） ２ ＝３８４６ .５ mm２ 長(zhǎng)度應(yīng)為 Ｌ 70＝Ｖ 工件 ／Ｓ 70 （ 3－ 6） ＝ 654103／３８４６ .５ ＝１７０ .０ 5mm 手部各部分質(zhì)量 估算如下： Ｖ 爪部 ＝ 9 10 2=4000mm３ Ｖ 桿 ＝ 35 14 20 2=19600mm３ V 螺栓 =π r2L= 4 4 60=3000mm3 Ｖ 手部 ＝４Ｖ 爪 ＋２Ｖ 桿 +2V 螺栓 ＝ 4000 4+19600 2+3000 2=65000mm３ ｍ 手部 ＝ 65000 ＝ 507ｇ Ｖ 楔塊 ＝ 12 =13000mm３ ｍ 楔塊 ＝ 13000 ＝ Ｖ 支承板 ＝８３１ 5 40＝ 49800mm３ ｍ 支承板 ＝ 49800 ＝ 776ｇ ｍ 缸 ＝１１４ ０４０ ＝１２８０ｇ 所以，總的質(zhì)量 ｍ 總 ＝ｍ 工件 ＋ｍ 爪部 ＋ｍ 爪部缸 ＝ｍ 工件 ＋ｍ 手部 ＋ｍ 楔塊 ＋ｍ 缸 ＋ｍ 支承板 （ 3－ 7） ＝５１０ 2＋ 507＋ ＋１２８０＋ 776 ＝ 3． 2． 2 機(jī)械手的爪部夾緊氣缸的選擇 氣缸夾緊力計(jì)算如下： 手指的角度：２θ＝１２０ ０ ， b＝ 35 ㎜ C=17 ㎜ 10 10 根據(jù)手部結(jié)構(gòu) ,其驅(qū)動(dòng)力為： P=２ｂ N ｔｇ α ／ C （ 3－ 8） （ 1） 根據(jù)手指夾持工件 的方位，可得握力公式： N＝ NθＧ／ｆ （ 3－ 9） ＝０ .5 ｓｉ N 60０ 50／ ＝ N 則： P=２ｂ N ｔｇ α ／Ｃ ＝ 235216 .5 ｔｇ 150/17 ＝ 236 N 據(jù)公式：Ｐ 實(shí) ≥ PK 1 K2/η （ 3－ 10） 式中： η —— 手部的機(jī)械效率，一般取（ ～ ） K1 —— 安全系數(shù)，一般取（ ～２） Ｋ ２ —— 工作條件系數(shù)，主要考慮慣性力的影響 ，Ｋ ２ 可近似按下式估算：Ｋ ２ ＝１＋ αｇ 其中α為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，ｇ為重力加速度（ｇ＝０ .９８米／秒 ２ ） f— 為被夾持工件與手指接觸的磨擦系數(shù)在這取 f= 一般手爪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率取η =～ ， 故η＝０ .９ 0，Ｋ １ ＝１ .５ 若被抓取工件的最大加速度取α＝ｇ，則：