【正文】 國外產(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)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬 分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(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，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 米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(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，力覺，觸覺，聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，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)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(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化生產(chǎn)。本工業(yè)機(jī)械手的控制定位方式是簡易型的點(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)動系由兩個(gè)直線運(yùn)動和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動所組成，即沿 X 軸的伸縮，沿 Z 軸的升降和繞 Z 軸的回轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，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)手臂和手腕相對于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動： 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． 液壓傳動機(jī)械手，是以油液的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(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，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高， 2． 氣壓傳動機(jī)械手：是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)：介質(zhì) 來源極方便，不污染環(huán)境，工作可靠，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，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)械傳動機(jī)械手：既由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)（如凸輪，連桿，齒輪和齒條，間歇機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它的特點(diǎn)是運(yùn)動準(zhǔn)確可靠，動作頻率高，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。常被用于為工作主機(jī)的上，下料。 4．電力傳動機(jī)械手：即由特殊結(jié)構(gòu)的 感應(yīng)電動機(jī)，直線電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(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)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手 7 7 的運(yùn)動速度快和行程長，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)選用氣壓傳動來實(shí)現(xiàn)，則其抓重和定位都可達(dá)到，且結(jié)構(gòu)可簡單，其傳動平穩(wěn)和動作靈敏性可達(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)械手選用氣壓傳動機(jī)械手作為驅(qū)動方式。 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)，通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件，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)則通過由回轉(zhuǎn)氣缸使手腕實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)擺動，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)動系統(tǒng)：系統(tǒng)才用氣壓傳動方式。 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)動的系統(tǒng)。系統(tǒng)由可編程序控制器系統(tǒng)和行程開關(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 部通過汽缸推動楔塊帶動爪部杠桿運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)爪部張合的夾緊運(yùn)動。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改變楔塊的斜面角度和杠桿的長度和比例來調(diào)節(jié)。結(jié)構(gòu)緊湊簡潔，受力性能良好，定位誤差小。 8 8 3 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)動方式：氣壓傳動 11．電氣控制方式： PLC點(diǎn)位程序控制 12．電氣操作方式：手動和自動 3． 2 工業(yè)機(jī)械手的參數(shù)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Ф５ ０時(shí)，面積應(yīng)為 Ｓ 5０ ＝π（ｄ 5０ /2） ２ （ 3－ 3） ＝ 625 ＝１９６２ .5mm２ 長度應(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 ＝１１４０４０ ＝１２８ ０ｇ 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?。?～ ） K1 —— 安全系數(shù)，一般?。?～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= 一般手爪傳動機(jī)構(gòu)的傳動效率取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： Ｋ ２ =1+α/ ｇ =1