【正文】 動；（7） 手爪夾緊動作；（8） 機(jī)械手的整體移動。球坐標(biāo)式機(jī)械手的特點(diǎn)是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)作圓弧狀上下俯仰動作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作范圍和人的手類似。它的特點(diǎn)能能自動選擇最合理的動作路線。所以工作效率高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。關(guān)節(jié)式機(jī)械手關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作傳動型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動作比較靈活，適于在狹窄的空間工作。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。關(guān)節(jié)式機(jī)械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動。它還具有上肢結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)近似于人手操作的機(jī)能。為具有近似人手的操作機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。機(jī)械手型式的選擇首先是從滿足它的運(yùn)動要求方面進(jìn)行考慮， 然后從機(jī)械手的復(fù)雜程度以及經(jīng)濟(jì)情況等方面來考慮。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手主要動作為機(jī)械手手臂的左右移動，升降移動和機(jī)械手的整體旋轉(zhuǎn)。直角坐標(biāo)式機(jī)械手雖然具備手臂的伸縮上下、左右直線運(yùn)動等動作，但是不具備機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)動作，所以不考慮用直角坐標(biāo)式機(jī)械手。球坐標(biāo)式機(jī)械手和關(guān)節(jié)式機(jī)械手對動作要求方面足夠滿足要求，但是它們的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，有很多動作是不必要的，顯得浪費(fèi)和增加了制造的成本和難度。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉(zhuǎn)動等動作?？梢詫⑹直刍剞D(zhuǎn)動作改換成機(jī)械手的整體轉(zhuǎn)動就可以滿足本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的動作要求。這樣的修改并沒有改變機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)，只是進(jìn)行了局部變動，使得整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠，所以確定用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機(jī)械部分組成：（1） 手部 是機(jī)械手直接握持工件或工具的部分。（2） 臂部 是機(jī)械手用來支持腕部與手部實(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)動范圍的部件。（3） 立柱 支承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機(jī)構(gòu)。（4） 機(jī)座 是機(jī)械手用來支撐臂部，并安裝驅(qū)動裝置及其他裝置的部分。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇 手部的選擇 1 手部形式的確定手部就是用來握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，手部機(jī)構(gòu)也是多種多樣。常用的手部結(jié)構(gòu)按其握持原理可以分為如下兩類:1）夾持式夾持式手部的結(jié)構(gòu)與人手類似，是工業(yè)機(jī)械廣泛應(yīng)用的一種手部形式。它主要由手指、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。其又可分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動作方向相反。夾持式手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：（1） 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。（2） 手指應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力。（3） 要保證工件在手指內(nèi)的定位精度。（4） 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。（5） 通用性和可換性。 2）氣吸式氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空或負(fù)壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機(jī)械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點(diǎn)；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。主要適應(yīng)于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。氣吸式又可分為：負(fù)壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤。磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。 真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當(dāng)壓縮空氣高速進(jìn)入噴嘴時(shí)，由于管路的開始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在管路的最小截面處，氣流速度達(dá)到臨界速度，此時(shí)的氣體受壓，密度加大。在排氣管路中因界面逐漸增大，氣流膨脹減壓而使密度大大下降，致使氣流速度繼續(xù)增高，在吸氣口處形成負(fù)壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤的工作原理是將軟質(zhì)吸盤按壓在工件的表面，擠出吸盤內(nèi)的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導(dǎo)磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件。磁吸式手部不會破壞被吸附表面質(zhì)量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影響正常工作。通過以上對手部的分析真空式具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機(jī)械手的正常工作等優(yōu)點(diǎn)。而且滿足所設(shè)計(jì)機(jī)械手的要求，所以選用真空式吸盤。圖11 吸盤機(jī)構(gòu)圖 手臂結(jié)構(gòu)的選擇手臂是機(jī)械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。手臂一般有三個(gè)運(yùn)動—伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。手臂的基本動作是將手部移動到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。 1 手臂的組成：(1) 動作元件，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件。(2) 導(dǎo)向裝置，是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。(3) 手臂，起著連接和承受外力的作用。 2手臂設(shè)計(jì)的要求：(1) 手臂承載能力大、剛性好、自重輕。(2) 手臂的運(yùn)動速度要適當(dāng)，慣性要小。(3) 手臂的動作要靈活。(4) 位置精度要高。(5) 通用性要強(qiáng)。3手臂的結(jié)構(gòu) 手臂的伸縮和升降運(yùn)動一般采用直線油（氣）缸驅(qū)動。 手臂作直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置所組成。驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。往復(fù)直線油（氣）缸可以分為以下幾種。 雙作用單活塞桿油缸:液壓機(jī)械手中實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)運(yùn)動用得最多的是雙作用單活塞桿油缸?；钊谟蛪合伦麟p向運(yùn)動。機(jī)構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞桿運(yùn)動；也可以是活塞桿固定，而缸體運(yùn)動。雙作用雙活塞桿油缸：當(dāng)需要很大的行程時(shí)，將油缸做的很長、體積很大，則加工上有困難。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程要求，油缸的體積又小。其缺點(diǎn)是一次行程有兩種速度。絲桿螺母機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)傳動的特點(diǎn)是易于自鎖，但傳動效率低。如采用滾珠絲杠，效率可以提高，但因其較長，制造比較困難。本機(jī)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡單性和設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動的雙作用單活塞桿氣缸。4導(dǎo)向裝置機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時(shí)，為防止手臂沿伸縮方向向中軸線轉(zhuǎn)動、加大承載能力，以及提高運(yùn)動精度，必須設(shè)有導(dǎo)向裝置。手臂的導(dǎo)向裝置系根據(jù)安裝形式、結(jié)構(gòu)及負(fù)荷等條件來確定。常用的有單導(dǎo)向桿和雙導(dǎo)向桿，本設(shè)計(jì)中，伸縮運(yùn)動中選用雙導(dǎo)向桿。 機(jī)座結(jié)構(gòu)的選擇 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，是支撐起機(jī)械手全部重量的構(gòu)件。對其結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。機(jī)座結(jié)構(gòu)從形式上分為落地式和懸浮式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機(jī)械手工作時(shí)機(jī)座一定予以固定?？梢苿邮降臋C(jī)座在停置時(shí)能夠剎車定位，以保證機(jī)械手工作時(shí)的位置精度。根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求選用落地固定式機(jī)座。機(jī)座的結(jié)構(gòu)與機(jī)械手的總體布置有關(guān)，對專用機(jī)械手而言，傳動和控制部分通常是單獨(dú)布置，故機(jī)座比較簡單或不設(shè)機(jī)座。對通用機(jī)械手而言，傳動部分布置在機(jī)架內(nèi)部或后下方，控制部分則布置在機(jī)座的后上方或單獨(dú)布置一個(gè)控制箱。物料分揀機(jī)械手手臂需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊，擺動氣缸就要固定在機(jī)座上。如果水平缸、垂直缸和手部機(jī)構(gòu)直接安裝到擺動氣缸的輸出軸上，機(jī)構(gòu)雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，并易造成擺動氣缸的損壞。同時(shí)，機(jī)械手本身重心偏離立柱軸線以及各氣缸運(yùn)動產(chǎn)生的沖擊都形成作用在擺動氣缸轉(zhuǎn)動軸上的傾覆力矩，所以采用一個(gè)連接組件，將機(jī)械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機(jī)架來承擔(dān)。連接組件主要由四部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺和扣罩。選擇雙向推力球軸承而不是單向的，因?yàn)闄C(jī)座與轉(zhuǎn)臺在軸向上無法直接連接。采用雙向推力球軸承就可以方便的將軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺連接，外環(huán)用罩扣固定在底座上。另外，推力球軸承應(yīng)選擇公稱尺寸較大一些的，這樣可以更好的承受傾覆力矩。 底座 擺動氣缸 雙向推力球軸承 扣罩 轉(zhuǎn)臺圖12機(jī)座結(jié)構(gòu)圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理物料分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)座、立柱、水平手臂、垂直手臂、電磁閥和吸盤等組成。其中機(jī)座采用擺動氣缸進(jìn)行驅(qū)動，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動。機(jī)械手的動作基本有伸縮、升降、左右旋轉(zhuǎn)、吸物和放物等動作。其動作順序?yàn)椋撼跏嘉恢?→ A右旋 → B前伸 → C氣缸下降 → D吸物料→ C上升 →B收縮→A左旋 →C氣缸下降→ D放物料 →C上升→回到初始位置。機(jī)械手的動作在整個(gè)過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。根據(jù)前面機(jī)械手各部分的設(shè)計(jì)，可做出機(jī)械手大體結(jié)構(gòu)簡圖，大圖見CAD圖。 1右旋限位開關(guān) 2 左旋限位開關(guān) 3 回縮限位開關(guān) 4 前伸限位開關(guān) 5 上升限位開關(guān) 6 下降限位開關(guān) A 擺動氣缸 B前伸/回縮氣缸 C上升/下降氣缸 D 真空吸盤 圖13 執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖第二章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的傳動裝置。機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)動力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅(qū)動方式。 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇液壓驅(qū)動，功率重量比大，可實(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，可自行潤滑，使用壽命長。但也存在其油液容易泄露污染環(huán)境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。電氣驅(qū)動，控制精度高，驅(qū)動力較大，響應(yīng)快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅(qū)動方式價(jià)格昂貴，限制了在一些場合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動方式。氣壓驅(qū)動具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)、在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用較多。另一方面，氣動技術(shù)作為“廉價(jià)的自動化技術(shù)”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，全部自動化流程中約有30﹪裝有氣動系統(tǒng)，有90﹪的包裝機(jī)械，70﹪的鑄造、焊接設(shè)備，50﹪的自動操機(jī)、40﹪的鍛造設(shè)備和洗衣設(shè)備、30﹪的采煤機(jī)械，20﹪的紡織機(jī)械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機(jī)械，43﹪的工業(yè)機(jī)器人裝有氣壓系統(tǒng)。日、美、德等國的氣動元件銷售平均每年增長超過1015﹪。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家的氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大速度發(fā)展，氣動機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要使用工具。表21給出了各種控制方式的比較： 各種控制方式的比較通過以上三種驅(qū)動方式的比較選用氣動驅(qū)動的方式，不僅能夠滿足了本設(shè)計(jì)的要求，而且節(jié)約了成本。 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)根據(jù)物料分揀機(jī)械手的要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動方式主要有兩種：（1）直線運(yùn)動（缸體固定，活塞桿運(yùn)動）；（2）擺動（缸體固定）。其氣動驅(qū)動系統(tǒng)原理圖如圖21所示。 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖氣動系統(tǒng)包括三個(gè)三位四通電磁換向閥、兩個(gè)二位二通電磁閥、三個(gè)氣缸、一個(gè)吸盤、四個(gè)調(diào)速閥、六個(gè)單向調(diào)速閥、消聲器（若干）等。圖中的調(diào)速閥控制氣缸上升和下降、伸長和縮短、擺動過程中的速度，防止速度過大對物料及機(jī)械手臂的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運(yùn)動方向；真空發(fā)生器的工作原理利用氣體的噴射產(chǎn)生真空吸附物料，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動作是由二位二通電磁閥控制的。 氣動元件選取及工作原理氣壓驅(qū)動是利用壓縮氣體的壓力能來實(shí)現(xiàn)能量傳遞的一種方式，其介質(zhì)主要是空氣，也包括燃?xì)夂驼羝?。典型的氣壓傳動系統(tǒng)由以下四部分組成： 氣源裝置氣源裝置是獲得具有一定能量的壓縮空氣的裝置，其主體部分是空氣壓縮機(jī)，有的還配有氣源凈化處理裝置、氣罐等附屬設(shè)備。它將原動機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。氣壓傳動對氣源的要求：(1) 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量。(2) 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。下面對于主要的氣源裝置元件進(jìn)行如下介紹：空氣壓縮機(jī)空氣壓縮機(jī)是產(chǎn)生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，是氣源主要的設(shè)備。按結(jié)構(gòu)和工作原理可分為速度型和容積型兩大類。容積型壓縮機(jī)是利用特殊形狀的轉(zhuǎn)子或活塞壓縮吸入封閉容積室空氣的體積來增加空氣的壓力。容積型結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。本設(shè)計(jì)選用容積型壓縮機(jī)。儲氣罐儲氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動，使輸出氣流連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應(yīng)急氣源使用，還可以進(jìn)一步分離油水雜質(zhì)。儲氣罐上裝有安全閥，使其極限壓力比正常工作壓力高10%，并裝有指示罐內(nèi)壓力的壓力表和排污閥等。罐的型式可分為立式和臥式兩種。本設(shè)計(jì)選用立式儲氣罐，因?yàn)樗倪M(jìn)氣口在下，出氣口在上，以利用進(jìn)一步分離空氣中的油、水。 執(zhí)行元件 執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動，并將氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，如氣缸輸出直線往復(fù)式機(jī)械能，擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式機(jī)械能。 氣缸輸出直線往復(fù)式氣缸是氣動執(zhí)行元件之一。目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對于前伸/回縮氣缸，當(dāng)左側(cè)無桿腔進(jìn)氣，右側(cè)有桿腔排氣時(shí)活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對于上升/下降氣缸，當(dāng)上側(cè)無桿腔進(jìn)氣，下側(cè)有桿腔排氣時(shí)，活塞桿下降，反之活塞桿上升。擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式擺動氣缸分為單葉片式和雙葉片式。單葉片式擺動氣缸：壓縮空氣由進(jìn)氣口輸入，作用在葉片上，帶動軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，另一腔的空氣從排氣口排出