【正文】 壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 （ 2）腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更 靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。 目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮? 2700） ,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 （ 3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)， 7 從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū) 動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同 , 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 控制系統(tǒng)分類 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 2 總體布局設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手座標(biāo)形式的確定 常用工業(yè)機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式分 :直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo) 式、球座標(biāo)式、多關(guān)節(jié)式幾種類型，如圖 所示。其中直角座標(biāo)式手臂可沿 X、 Y、 Z 座標(biāo)軸作直線移動(dòng)，即伸縮、升降和橫移。其特點(diǎn)是直觀性好，所占空間位置大。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)所需，特選定為直角座標(biāo)式。 圖 2 機(jī)械手座標(biāo)型式 Figure 2: The picture of Manipulator39。s Coordinates type 該機(jī)械手具有 3 個(gè)自由度，即：手指張合；手腕回轉(zhuǎn)；手臂升降 3個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。 該機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)可由 3個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)。 （ 1)手部 采用一個(gè)直線液壓缸，預(yù)計(jì)通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的張合。 （ 2腕部 采用一個(gè)擺動(dòng)液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手部及工件的回轉(zhuǎn)。 （ 3)臂部 采用直線液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的升降。 8 根據(jù)以上參數(shù)， 圖 是機(jī)械手 整體結(jié)構(gòu) 示意圖。 圖 3機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)示意圖 Figure 3:The picture of the Manipulator39。s whole design 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分 , 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同 , 工業(yè)機(jī)械手大致可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式驅(qū)動(dòng)。采用液壓機(jī) 構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 ,操作力大，體積小，動(dòng)作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。因此，此機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式選擇液壓驅(qū)動(dòng)。 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 表一 機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù) Table1 The main technical parameters of Manipulator 項(xiàng)目 主要數(shù)據(jù)參數(shù) 手臂運(yùn)動(dòng)型式 直角座標(biāo)式 抓取重量 kg50 自由度數(shù) 3個(gè) 手臂升降行程 mm500 手臂升降時(shí)間 5秒 手腕回轉(zhuǎn)行程 180 度 手腕回轉(zhuǎn)時(shí)間 3秒 手指張合角度 30 度 手指張合時(shí)間 2秒 定位方式和定位精度 機(jī)械擋塊， mm1? 控制方式 PLC 控制 驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng) 9 3 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算 手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題 1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。 2）手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開(kāi)閉角度（手指從張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度） ? ? ，以便于抓取工件。 3）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊 、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 4）應(yīng)保證手抓的夾持精度。 典型的手部結(jié)構(gòu) 手部主要有以下幾類：手指式、吸盤式、磁吸式及其他形式。本設(shè)計(jì)抓取的零件為盤類零件，故選擇二指式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的抓放。手指式又可分為： 1）平移式手指 當(dāng)手指夾持的工件直徑變化時(shí)并不影響工件中心位置的改變，即定位誤差為零。但平移式手指結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積大，要求加工精度高。顯然本設(shè)計(jì)機(jī)械手不適合使用此方案。 2）回轉(zhuǎn)式手指 當(dāng)手指夾持不同直徑的工件時(shí)則產(chǎn)生定位偏差。但回轉(zhuǎn)式手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 綜上，本機(jī)械手選擇二指回轉(zhuǎn)式手指。 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 選擇手部的類型及夾緊裝置 本設(shè)計(jì)選擇二指式回轉(zhuǎn)型手部，在液壓缸的液壓推力作用下通過(guò)采用齒輪齒條傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手指張合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)工件的抓放。 手指夾緊力及液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算液壓缸的選用 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 (1)手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算： GKKKN ???? 321 式中 1K —— 安全系數(shù)，通常取 ，這里取 2K —— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按 aK ?? 估算。 a 為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過(guò)程中的加速度 2/sm 。取 2/ sma? 10 3K —— 方位系數(shù) ，經(jīng)查機(jī)械手冊(cè)選取 43?K G—— 被抓取工件的重量，這里為 50kg 代入數(shù)據(jù)可解得 NGKKKN ?????????? (1) （ 2） 液壓缸驅(qū)動(dòng)力的 計(jì)算 手指張合采用齒輪齒條傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 4所示 . 圖 4 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu) Figure 4: The structure of the Manipulator`s hand 取 R=140mm,b=200mm,由手部的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知其驅(qū)動(dòng) 力計(jì)算公式為 NNbF 2020R2 ?????計(jì)算 (2) 取機(jī)械效率 ?? NFF ??? ?計(jì)算實(shí)際 (3) （ 3）確定手指張合驅(qū)動(dòng)液壓缸直徑 D 及活塞桿直徑 d，液壓缸受力分析如圖 所示 . 11 圖 5 液壓缸示意圖 Figure 5 Schematic diagram of hydraulic cylinder 由以上計(jì)算知夾緊液壓缸最大工作負(fù)載約為 ，由參考文獻(xiàn) [1]中表 9－ 1選取液壓缸工作壓力 p＝ 1Mpa。液壓缸選用單桿式，并在機(jī)械手手指張開(kāi)過(guò)程中采用差動(dòng)連接，此時(shí)無(wú)桿腔工作面積為有桿腔工作面積的兩倍，即活塞桿直徑 d 與缸筒直徑的關(guān)系為 d＝ 。液壓缸工作過(guò)程中必須具有一定背壓，參考參考文獻(xiàn)中表 9－ 3取 p2＝ 。 由夾緊時(shí)所需推力計(jì)算液壓缸直徑 ? ?m22m12221 D44FF ???? ppdDF －＝－實(shí)際 ?? (4) 即 ? ? 8 8 5 222 ?????? ?? －dD 解得 D＝ ，則 d＝ ? ＝ 根據(jù)液壓缸的內(nèi)徑系列查參考文獻(xiàn)［ 3］中表 選取液壓缸內(nèi)徑為： D＝ 100mm。 查參考文獻(xiàn)［ 3］中表 選活塞桿直徑為 :d＝ 70mm。 （ 4）確定液壓缸行程 L 由預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)手指張合 30 度及齒輪齒條傳動(dòng)中確定的齒輪分度圓直徑 d＝140mm 可計(jì)算 4 0RL 18015 ＝＝ ?? ?? (5) 查參考文獻(xiàn)［ 3］中表 選取液壓缸行程 L＝ 40mm。 因采用差動(dòng)連接，手指張合速度相等，預(yù)設(shè)手指張合所需時(shí)間為 2s 且為勻速，則 m m / s20m m /s240L ＝? (6) 手指張開(kāi)所需流量 12 L / s0 8 0 0 8 0 0 701 0 dDVAq 3322221 ＝＝）－（＝）－（＝ ??? ? 手指閉合所需流量 L / s0 7 6 9 ]4 701 0 1 0 []V4 dD4D[VAAq 322222212 ?????? ）－（）－（－＝）－（ ?? （ 5） 活塞桿的強(qiáng)度計(jì)算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算： ? ???? ??24 dF 設(shè)計(jì)中活塞桿取材料為碳剛，故 ? ? aMP120~100?? ，活塞直徑 d=70mm,代入數(shù)據(jù)進(jìn)行校核： ? ????? ?????? aMPdF 44 22 由此可見(jiàn)活塞桿的強(qiáng)度足夠。 （ 6）液壓缸的選用 由以上計(jì)算結(jié)果查參考文獻(xiàn)［ 3］選用 HSGK－ 100dE 型液壓缸。 機(jī)械手手指部的設(shè)計(jì)計(jì)算 齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 此齒輪齒條傳動(dòng)按工作壽命為 10 年（設(shè)每年工作 300 天），兩班制，工況平穩(wěn)來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算。 （ 1）選擇齒輪類型、精度等級(jí)、材 料及齒數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求 選用圓柱齒輪齒條傳動(dòng)。運(yùn)輸機(jī)工作載荷平穩(wěn)，速度不高，選用 7 級(jí)精度。選擇小齒輪材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為 240HBS。選齒輪齒數(shù) Z＝ 100。 ο （ 2）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即 3221)1(HdEtt u ZuTKd ?? ??? (7) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1）、試選載荷系數(shù) Kt=。 2）、計(jì)算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 13 mmNT ?????? 2 7 8 9 8 8 51 4 022 R F 實(shí)際 3）、查參考文獻(xiàn)［ 2］中表 10－ 7選取齒寬系數(shù)φ d=. 4)、查參考文獻(xiàn)［ 2］中表 10－ 6得知材料的彈性影響系數(shù) ZE=189。. 5)、查手冊(cè)知齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σ Hlim2＝ 550MPa. 6)、計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 711 101 8 0 0821126060 ?????????? hjLnN 7）、查參考文獻(xiàn)［ 2］中圖 10－ 19 取接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1＝ 。 8）、計(jì)算接觸許用應(yīng)力。 取失效概率為 1％，安全系數(shù) S＝ ，由參考文獻(xiàn)［ 2］中得 MPaSK HNH ][ 2l i m22 ???? ?? (8) 9）代入數(shù)據(jù)計(jì)算齒輪分度圓直徑，代入［σ