【正文】 坐標(biāo)型機(jī)械手的五種形式） 設(shè)計(jì)具體采用方案 圖 22 機(jī)械手工作布局圖 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工 件的質(zhì)量達(dá) 8KG，且長(zhǎng)度達(dá) 5 95mm，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 4. 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖 。 3. 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖 。直角坐標(biāo)機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門(mén)式，天車(chē)式三種結(jié)構(gòu)。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)械手有可能達(dá)到很高的位置精度（ μm 級(jí)）。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、 液壓、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)及控制、傳感 器、單片機(jī)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)仿真等知識(shí) 盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。聯(lián)邦德國(guó) KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回 轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。 1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率 ,降低成本 ,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) ,適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn) ,針對(duì)具體生產(chǎn)工藝 ,利用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)裝卸機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率 本機(jī)械手主要與數(shù)控銑床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無(wú)人化。目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。 Loading and unloading。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，確定了銑床上下料機(jī)械手的總體方案，并對(duì)銑床上下料機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)一些部件進(jìn)行了參數(shù)確定以及對(duì)主要的零部件進(jìn)行了計(jì)算和校 核。 I 摘 要 機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置， 由其控制系統(tǒng)執(zhí)行預(yù)定的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)工件的定位夾持。機(jī)械手三個(gè)自由度分別是機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，手臂的升降，以及機(jī)身的升降。 Three Degrees of Freedom。機(jī)械手能 代替人類(lèi)完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類(lèi)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。 目前，在國(guó)內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì) 機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。商名為 Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。 1 毫米。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力 ，甚至聽(tīng)、想的能力。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時(shí)提高可靠性。 直角坐標(biāo)機(jī)械手的空 間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖 。 直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。其工作空間是一個(gè)類(lèi)球形的空間。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類(lèi)型的機(jī)械手。如圖 所示。 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī) 械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 ，因此，機(jī)械手的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。腰座具體 6 結(jié)構(gòu)如圖 23 所示： 圖 23 腰座結(jié)構(gòu)圖 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 機(jī)械手手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。 ，這里在機(jī)械手手臂末端加了配重鐵。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡 可能利用在機(jī)械手上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來(lái) 7 減小機(jī)械手手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡手臂殘余的不平衡重量?？紤]到搬運(yùn)工件的重量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性。手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。 設(shè)計(jì)機(jī)械手手部連接方式 通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的， 3 個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。 在設(shè)計(jì)機(jī)械手末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題； 。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。 。因?yàn)檫@種萬(wàn)能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。因此，工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電 液或電 氣變換環(huán)節(jié)） 。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。 機(jī)械手夾持器的典型結(jié)構(gòu) 、滑槽式手爪、連桿杠桿式手爪、齒輪齒條式手爪、平行杠桿式手爪。通過(guò)工件尺寸確定出機(jī)械手手指張合范圍。常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)等。 ，以減小反向空回所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。 諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕，傳動(dòng)比大（幾十到幾百），傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。螺旋傳動(dòng)有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)龋挥幸詡鬟f運(yùn)動(dòng)為主的，如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠。使用壽命長(zhǎng)；而且同步性好，使用可靠、潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，因此滾珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)用很多。同步帶具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高（可達(dá) 98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤(rùn)滑；傳動(dòng)平穩(wěn)，能高速傳動(dòng)（可達(dá) 40m/s）、傳動(dòng)比可達(dá) 10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)器人中使用很多。 在機(jī)器人中鏈傳動(dòng)多用于腕傳動(dòng)上，為了減輕機(jī)器人末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂，由于液壓缸實(shí)現(xiàn)直接驅(qū) 動(dòng)，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動(dòng)力元件。這三類(lèi)基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換 ，使用方便，噪聲較低，控制靈活。 我選擇了液壓驅(qū)動(dòng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性好，但是效率低。這類(lèi)機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要重視以下方面： （ 1） 液壓缸設(shè)計(jì)：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減小摩擦阻力 ，提高液壓缸的壽命。液壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是一種由伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)或比例電磁鐵帶動(dòng)的一個(gè)安放在擺動(dòng)馬達(dá)或連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)子內(nèi)的一個(gè)回轉(zhuǎn)滑閥，通過(guò)機(jī)械反饋，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的一種電 液伺服機(jī)構(gòu) 。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)精確控制，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的機(jī)身擺動(dòng)，但控制比較困難，且容易受到外界的干擾。而液壓馬達(dá)就相當(dāng)于擺動(dòng)液壓缸，能很好的實(shí)現(xiàn)機(jī)身的擺動(dòng)且有很強(qiáng)的動(dòng)力，完全滿足本設(shè)計(jì)的要求，最主要的是與其他液壓元件共同一起實(shí)現(xiàn)一個(gè)整體，控制起來(lái)更加方便，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)及制造成本，體現(xiàn)了科技進(jìn)步的要求。 而手爪的張開(kāi)和夾緊通過(guò)液壓柱塞 缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過(guò)活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開(kāi)和閉合。一般在機(jī)器人手臂的不平衡力矩 比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場(chǎng)合。腰部的回轉(zhuǎn)用擺動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)， 剩下的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過(guò)換向閥的有機(jī)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。 本設(shè)計(jì)的方向控制采用電磁換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，而速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，主要方式是采用比較簡(jiǎn)單的節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。 油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。 本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥 V1 來(lái)調(diào)定系統(tǒng)壓力。 根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機(jī)械載荷為 18 bfsfmw FFFFFF ????? （ 31） 式中， wF —— 為外加的載荷，因?yàn)樗椒綗o(wú)外載荷，故為 0； mF —— 為活塞上所受的慣性力； sfF —— 為密封阻力； fF —— 為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力； bF —— 為回油被壓形成的阻力； （ 1） mF 的計(jì)算 tvgGFm ???? （ 32） 式中， G—— 為液壓缸所要移動(dòng)的總重量，取為 60kg； g —— 為重力加速度， 2m/ ； v? —— 為速度變化量 , v? =； t? —— 啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為 ~ ，取 將各值帶入上式，得： mF = （ 2） sfF 的計(jì)算 1ApF fsf ??? （ 33） 式中， fp? —— 克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該液壓缸工作壓力 16 MPa，查相關(guān)手冊(cè)取 = ； 1A —— 為進(jìn)油工作腔有效面積，缸內(nèi)徑 D 初定 40mm； 啟動(dòng)時(shí)： ?sfF 560N 19 運(yùn)動(dòng)時(shí)： ?sfF =280N （ 3） fF 的計(jì)算 機(jī)械手水平方向上有一 個(gè)導(dǎo)桿，導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為 fGFf ?? （ 34） 式中， G —— 為機(jī)械手和所操作工件的總重量，取為 30kg； f —— 為摩擦系數(shù)，取 f=； 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： fF =34N （ 4） bF 的計(jì)算 回油背壓形成的阻 力按下式計(jì)算 2ApF bb ?? （ 35） 式中， bp —— 為回油背壓，一般為 aMP ~ MPa，取 = MPa 2A —— 為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動(dòng)比為 2； 2A =? (D2d2)247。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： 21 ?cF 1258N 而液壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有 APFc ?? A=? (D2d2)247。因此，先從剛度角度進(jìn)行液壓缸缸徑的選擇，以盡量?jī)?yōu)先保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、安全性。而且因?yàn)闄C(jī)械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。另一方面，為增大結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，將兩個(gè)導(dǎo)向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。 （ 1）缸筒壁厚的較核 當(dāng) D/ 10?? 時(shí)，液壓缸壁厚的較核公式如下： )1][ ][(2 ???? yyPPD ??? （ 310） 式中， D —— 為缸筒內(nèi)徑； yP —— 為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力 MPa16?np 時(shí)，取為ny pP ? ； ][? —— 為缸筒材料的許用應(yīng)力， nb /][ ?? ? ， b? 為材料抗拉強(qiáng)度，經(jīng)查相關(guān)資料取為 650MPa ， n 為安全系數(shù)，此處取 5?n ； 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算，上式成立。 因此，可以確定液壓泵的實(shí)際工作壓力為 M P a514 ???pp （ 313） （ 2）確定液壓泵的流量 maxqKqp ?? （ 314） 式中， K —— 為泄露因數(shù)，取 ； maxq —— 為機(jī)械手工作時(shí)最大流量。已知了扇形齒輪的旋轉(zhuǎn)角度，給定扇形齒輪連桿長(zhǎng)度 40 與齒輪的夾角 135