【正文】 屈良鑫 ： 搬運機械手設計 46 致 謝 本論文的研究工作實在謝苗老師的精心指導下完成的，從論文的選題直至論文完成的各個環(huán)節(jié)都凝結(jié)著謝老師的心血和汗水， 在設計過程中， 謝 老師為我們提 出了許多建設性意見，并與我們共同分析、探討設計思路、過程及結(jié)果 。 大學畢業(yè)設計（論文） 45 7 結(jié)論 通過此次畢業(yè)設計，使我了解了機械手的很多相關知識。作為固定支撐的軸承，應能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向全要固定。 60KgG ?工 件 現(xiàn)在對機械手手臂做粗略估算： G爪 和 G腕 總共 =33Kg 屈良鑫 ： 搬運機械手設計 36 Kg?臂 G?總 G工 件 +G爪 +G腕 +G臂 = (2)計算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離 ? 。 （ 3） 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 根據(jù)表 所示，因為回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為 8Mpa,所以螺釘間距 t 小于 80mm,根據(jù)初步估算， 3 .1 4 1 5 0 4 7 1L D m m?? ? ? ?， 39。 大學畢業(yè)設計（論文） 31 圖 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機身結(jié)構示意圖 機身回轉(zhuǎn)機構的設計計算 （ 1） 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算 手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩 M驅(qū) ，應該與手臂運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M慣 及各密封裝置處的摩擦阻力矩 M阻 相平衡?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的。這種結(jié)構采用單缸活塞桿，內(nèi)部導向，結(jié)構緊湊。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。對于桿長 L 大于直徑 d的 15 倍以上的活塞桿還必須具有足夠的穩(wěn)定性。 大學畢業(yè)設計（論文） 27 39。 F F F F F? ? ? ?回摩 密 慣 () 手臂摩擦力的分析與計算 分析： 摩擦力的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算。 （ 2） 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構。 （ 2） 減少臂部運動件的輪廓尺寸。 （ 2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。手臂運動應該包括 3個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。sQ Q QF F F??=+=19772N 螺釘材料選擇 Q235， ? ? 240 160 M Pan?? ? ? ?則（ ? ） 螺釘?shù)闹睆? ? ?04 QFd ???? （ ） ? ? 04 QFd ???? 64 1 .3 1 9 7 7 2 0 .0 1 5 93 .1 4 1 6 0 1 0 m?????? 螺釘?shù)闹睆竭x擇 d=16mm. 動片和輸出軸間的連接螺釘 （ 1） 動片和輸出軸間的連接螺釘 動片和輸出軸之間的連接結(jié)構見上圖。 腕部的設計計算 腕部設計考慮的參數(shù) 夾取工件重量 60Kg ，回轉(zhuǎn) 0180 ?；剞D(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于 0270 ）。 本章小結(jié) 通過本章的設計計算，先對滑槽杠桿式的手部結(jié)構進行力學分析，然后分別對滑槽杠桿式手部結(jié)構的夾緊力、夾緊用的彈簧、驅(qū)動力進行計算，在滿足基本要求后，對手部的夾持精度進行分析計算。 MAXF KCd?? （ ） 大學畢業(yè)設計（論文） 19 ? ?39。 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(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)。 手抓的力學分析 下面對其基本結(jié)構進行力學分析：滑槽杠桿 圖 （ a）為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構。 常用的工業(yè)機械手手部 ,按握持工件的原理 ,分為夾持和吸附兩大類。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需的驅(qū)動力大小是不同的。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。其中圓柱坐標型機械手結(jié)構簡單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標 ? ?11型 。 大學畢業(yè)設計（論文） 9 2 機械手的總體設計方案 本課題是輕型平動搬運機械手的設計及運動仿真。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程 .我國的智能機器人和特種機器人在“ 863”計劃的支持下，也取得了不少成果。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (2)機械結(jié)構向模塊化、可重構化發(fā)展。 屈良鑫 ： 搬運機械手設計 6 驅(qū)動機構 驅(qū)動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。 （ 3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負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。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗，國內(nèi)一些機床廠已在這類產(chǎn)品出廠是就附上機械手，或為用戶安裝機械手提供條件。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。 隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際 性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。預計到 1990 年將有 55 萬機器人在工作。 1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用 42%。 毫米。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂 可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科 ——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的 ??3重 視 。他的結(jié)構是：機體上 安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 德國機器制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。1979 年日本機械手的產(chǎn)值達 443 億日元，產(chǎn)量為 14535 臺。 第二代機械手正在加緊研制。 機械手是工業(yè)自動控制領域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機械手（生產(chǎn)線中有兩臺多工位機床）和天津二注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手的自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。 傳力機構形式教多，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。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作 或夾具），并帶動他們做空間運動。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機 。 (7)機器人化機械開始興起。其中最為突出的是水下機器人， 6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種 :在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。本設計主要任務是完成機械手的結(jié)構方面設計，以及 ADAMS軟件進行簡單的運動仿真。 圖 是機械手搬運物品示意圖。采用液壓機構驅(qū)動機械手 ,結(jié)構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點。 （ 2） 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度） ? ? ，以便于抓取工件。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體 ,不適合用于本方案。 αααα αα (a) (b) 圖 滑槽杠桿式手部結(jié)構、受力分析 1—— 手指 2—— 銷軸 3—— 杠桿 在杠桿 3的作用下，銷軸 2向上的拉力為 F，并通過銷軸中心 O點，兩手指 1的滑槽對銷軸的反作用力為 F1和 F2， 其力的方向垂直于滑槽的中心線 1oo 和 2oo 并指向 o 點，交 1F 和2F 的延長線于 A及 B。 手指對工件的夾緊力可按公 式計算： 1 2 3NF K K K G? （ ） 式中 1K —— 安全系數(shù)，通常 ； 2k —— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。特別是在多品種的中、 小批量生產(chǎn)中，為了適應工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進行機械手的夾持誤差。 MAXF KCd ?? 61 6 2 1 1 .1 8 3 81 .6 78 0 0 1 0 mm????? (5). 根據(jù) 變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： 38 MAXMAXGdn FC?? （ ） 38 MAXMAXGdn FC??638 0 0 0 0 1 0 0 .0 0 7 2 .8 68 1 6 2 1 8?????? 選擇標準為 3n? ，彈簧的總?cè)?shù)1 1 .5 3 1 .5 4 .5nn? ? ? ? ?圈 (6).最后確定 42D mm? ， 7d mm? ， 1 4 2 7 3 5D D d m m? ? ? ? ?， 2 4 2 7 5 2D D d m m? ? ? ? (7).對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。 大學畢業(yè)設計（論文） 17 4 腕部的設計計算 腕部設計的基本要求 （ 1） 力求結(jié)構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。 (2) 齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構。 腕部的驅(qū)動力矩計算 （ 1） 腕部的驅(qū)動力矩 需要的力矩 M慣 。連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。本章敘述手臂的伸縮運動， 手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動設置在機身處，將在下一章敘述。 （ 3） 合理布置作用力的位置和方向。 屈良鑫 ： 搬運機械手設計 24 （ 3） 減少回轉(zhuǎn)半徑 ? ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作。 （ 3） 雙活塞桿液壓崗結(jié)構。上圖是機械手的手臂示意圖，本設計