【正文】 球坐標(biāo)式四自由度機(jī)械手項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案2 設(shè)計(jì)參數(shù)球坐標(biāo)式四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì) 初始參數(shù)與設(shè)計(jì)要求（1）抓重：100N（2）自由度：4個(gè)（3）臂部運(yùn)動參數(shù)：表 21運(yùn)動名稱符號行程范圍速度伸縮X350mm＜250mm/s回轉(zhuǎn)φ0 186。210186。＜90 186。 /s回轉(zhuǎn) θ0 186。45186。＜90 186。 /s（4）腕部運(yùn)動參數(shù)：表 22運(yùn)動名稱符號行程范圍速度回轉(zhuǎn)0 186。 180186。＜90 186。 /s（5）手指夾持范圍：棒料，直徑φ40φ60mm，長度4501200mm（6）定位方式：電位器（或接近開關(guān)等）設(shè)定，點(diǎn)位控制（7）驅(qū)動方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)）（8）定位精度：177。3mm（9）控制方式：PLC控制3設(shè)計(jì)方案的擬定該工業(yè)機(jī)械手的坐標(biāo)形式是球坐標(biāo)式，其臂部的運(yùn)動由一個(gè)直線運(yùn)動和兩個(gè)轉(zhuǎn)動組成，即沿X軸的伸縮，繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種機(jī)械手臂部的俯仰運(yùn)動能抓取到地面上的物件，為了使手部能夠適應(yīng)被抓取對象方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種形式的機(jī)械手具有動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點(diǎn)，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動形式。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，此外，臂部擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)手部是用來直接抓取或握緊（或吸附）工件的部件。由于被抓握工件的形狀、尺寸大小、輕重和材料的性能、表面狀況等不同，工業(yè)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)工件的要求而設(shè)計(jì)的。常用的手部結(jié)構(gòu)有夾鉗式、氣吸式、電磁式以及其他形式。夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力（2） 手指應(yīng)應(yīng)具有一定的開閉范圍（3） 應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾緊精度（4） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高（5） 應(yīng)考慮通用性和特殊要求 連接手部與臂部的部件，主要作用是在臂部運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改 變或調(diào)整手部在空間的方位，使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。要求0180176。的回轉(zhuǎn)動作，因此選用具有單自由度的回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，但回轉(zhuǎn)角度較小，并且要求嚴(yán)格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。腕部設(shè)計(jì)的基本要求及其自由度：a 力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕b 綜合考慮，合理布局c 必須考慮工作條件 對于高溫作業(yè)和在腐蝕性介質(zhì)中工作的機(jī)械手，其腕部在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮環(huán)境對腕部的不良影響 臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。作用是支承腕部和手部（包括工件與工具）。并帶動他們作空間運(yùn)動。臂部運(yùn)動的目的是把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)則由腕部的自由度實(shí)現(xiàn)。因而機(jī)械手的臂部一般具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求：即手部的伸縮 左右回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）運(yùn)動。機(jī)身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降 回轉(zhuǎn)和俯仰等運(yùn)動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因而其設(shè)計(jì)與臂部的設(shè)計(jì)經(jīng)常一起考慮。機(jī)身可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運(yùn)動。臂部設(shè)計(jì)的基本要求為：a 承載能力大，剛度好，自重輕 b 運(yùn)動速度高，慣性小 c 臂部運(yùn)動應(yīng)靈活 d 位置精度要高除上面提到的要求外，還要保證機(jī)械手的通用性要好，能適應(yīng)在不同環(huán)境作業(yè)的要求：工藝性要好，便于安裝和加工。用于高溫環(huán)境作業(yè)的機(jī)械手，還要考慮隔熱和冷卻；用于粉塵大作業(yè)區(qū)的機(jī)械手，還要設(shè)置防塵裝置等。這方面的設(shè)計(jì)需要根據(jù)機(jī)械手工作環(huán)境條件進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。綜上所述，本機(jī)械手的設(shè)計(jì)，臂部選用雙導(dǎo)向桿伸縮結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)為手臂的伸縮缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 根據(jù)動力源不同大致可分為氣動、液壓、電動和機(jī)械傳動。根據(jù)課題特點(diǎn)。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機(jī)械驅(qū)動用的較少。液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動；利用擺動油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用46個(gè)大氣壓，個(gè)別的達(dá)到810個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機(jī)作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動則用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是動力源簡單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。機(jī)械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點(diǎn)是動作確實(shí)可靠，速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用液壓驅(qū)動，其特點(diǎn)是速度快，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，傳遞力矩大，并且控制精度高 PLC控制4 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）如下圖為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3的作用下銷軸2向上的拉力為P,并通過銷軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1和P2，其力的方向垂直于滑槽的中心線OO1和OO2并指向O點(diǎn)，P1和P2的延長線交O1O2于A與B。由∑Fx=0 得P1= P2∑Fy=0 得P1=∑Mo1（F）=0 得P1h=Nb因h= 所以P=式中 a—手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心線的距離（mm）； —工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力一定時(shí)，角增大，則握力也隨之增加，但角過大會導(dǎo)致拉桿的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度，使之結(jié)構(gòu)增大，因此一般取=～，這里取為350。此處設(shè)計(jì)的機(jī)械手是滑槽杠桿式的。夾緊力及驅(qū)動力的計(jì)算(1)由上知，驅(qū)動力 P=手指與工件的位置：手指垂直位置夾水平平位置放置的工件，那么握力,其中,f為摩擦系數(shù)，鋼對鋼f=。工件的重力G=100N,解得握力N=，b=120mm, a=20mm,代入公式中解得 驅(qū)動力P=678N\圖41 (2)實(shí)際驅(qū)動力：式中P——計(jì)算出的驅(qū)動力——手部的機(jī)械效率——安全系數(shù)，一般取為(～2)——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似估算：，其中a為被抓取工件運(yùn)動時(shí)的最大加速度，g為重力加速度()該傳力機(jī)構(gòu)為杠桿式，故取，并取=,假設(shè)被抓取工件的最大加速度a=g時(shí)，那么=2.所以N表41 液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa小于5000 50000以上 （3）確定液壓缸的直徑D 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 液壓傳動與控制》可知 由于作用在活塞上的外力小于5000N,故選擇液壓缸壓力油工作壓力P=1MPa,根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 液壓傳動與控制》，選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm則活塞桿內(nèi)徑為: D==，選取d=32mm機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動部件來決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)，為使機(jī)械手能適用于多品種小批量 工件直徑在一定范圍內(nèi)變化的生產(chǎn)中，必須使用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以采用自動定心的手部結(jié)構(gòu)來減少機(jī)械手的調(diào)整工作，從而使加持誤差控制在較小范圍內(nèi)。該設(shè)計(jì)以棒料來分析機(jī)械手的夾持誤差精度。機(jī)械手的夾持范圍為40mm～60mm一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：工件的平均半徑：手指長,取V型夾角圖43 手抓夾持誤差分析示意圖偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： 計(jì)算 因，即和在雙曲線的對稱點(diǎn)的同側(cè)，故其夾持誤差△為： mm夾持誤差△=，因此本設(shè)計(jì)的夾持誤差3mm,滿足設(shè)計(jì)的要求。5 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 腕部設(shè)計(jì)的基本要求（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。腕部處于臂部的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）綜合考慮，合理布局。腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除了保證力和運(yùn)動的要求，及具有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，如應(yīng)解決好腕部與臂部和手部的連接，碗部各個(gè)自由度的位置檢測，管線布置，以及潤滑、維修、調(diào)整等問題。（3）必須考慮工作條件。對于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在正常工作場合中搬運(yùn)加工的棒料，不會受到環(huán)境的影響，對機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。如果機(jī)械手處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，就應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮環(huán)境對機(jī)械手腕部的影響。 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇(1) 具有單自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它直接用回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。(2) 用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。(3) 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它是來實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)和左右擺動。(4) 機(jī)液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu) 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)，通過以上的分析，腕部的結(jié)構(gòu)采用具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)，驅(qū)動方式采用液壓驅(qū)動。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)為