【文章內(nèi)容簡介】 腰部與手臂的連接要有 可靠的定位基準(zhǔn)面，要有調(diào)整軸承間隙和傳動間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。 確定方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式只有電機(jī)減速機(jī)構(gòu)以及擺動液壓缸或液壓馬達(dá)。因?yàn)殡妱訖C(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用低轉(zhuǎn)動慣量、大轉(zhuǎn)矩交直流伺服電動機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動器，又具有不需要能量轉(zhuǎn)換、使用方便控制靈活等特點(diǎn)。考慮到腰座的回轉(zhuǎn)對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。經(jīng)考慮采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。選用一級齒輪傳動來減小齒側(cè)間隙導(dǎo)致的誤差，并且為了減少空間加強(qiáng)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰 部升降的驅(qū)動形式采用液壓升降，因?yàn)橐簤焊准仁球?qū)動元件又是執(zhí)行元件，并且液壓缸的液壓桿自帶導(dǎo)程無需額外的光杠輔助導(dǎo)程，液壓缸的強(qiáng)度也很大可以保證機(jī)械手因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩，且動力大能夠承受機(jī)械手的全部重量，技術(shù)成熟并且便于用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)直接控制。腰部具體結(jié)構(gòu)如圖 25 所示。 2 總體設(shè)計(jì)方案論證 5 圖 25 機(jī)械手腰部結(jié)構(gòu) 機(jī)械手手臂方案確定 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 (1)手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要符合動作需求。 (2)根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理選擇手臂 截面形狀和高強(qiáng)度材質(zhì)材料。 (3)要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動誤差，提高運(yùn)動的精準(zhǔn)性和運(yùn)動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度。 確定方案 手臂的運(yùn)動是沿 X 軸的伸縮運(yùn)動，是直線運(yùn)動。直線運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)。氣壓傳動的運(yùn)動平穩(wěn)性不高，對于本次設(shè)計(jì)的精度考慮不宜采用，電機(jī)驅(qū)動精度高但是電機(jī)本身無法直接完成動作需要另外的執(zhí)行元件，因此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且成本較高。液壓驅(qū)動穩(wěn)定性好，精度較高，主要是液壓元件既是驅(qū)動元件又是可以執(zhí)行元件較之電動元件結(jié)構(gòu)簡單節(jié)約了空間，而且液壓缸有 良好的剛度符合本次設(shè)計(jì)對于機(jī)械手手臂剛度的要求。液壓缸的驅(qū)動力較大，能夠提供很好的伸縮運(yùn)動的動力。對于不同級別的負(fù)載更換元件也比較方便。所以手臂采用液壓缸驅(qū)動。 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) 6 機(jī)械手手腕連接方式 通過對實(shí)際情況分析，機(jī)械手手部與手臂連接無需自由度，采用固連即可。本設(shè)計(jì)通過中心孔帶有螺紋的法蘭與手部用螺栓連接，手臂與法蘭螺紋連接并通過鎖緊螺母使手部保持豎直狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 26 所示。 圖 26 手腕連接方式 機(jī)械手手部方案確定 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)要求 (1)末端執(zhí)行器 要能夠?qū)崿F(xiàn)動作需要的夾持力以及按要求可以達(dá)到的位置精度。 (2)應(yīng)盡可能使末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、質(zhì)量輕，以減輕手臂的負(fù)荷。提倡設(shè)計(jì)可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器。 (3)夾持范圍要與工件相適應(yīng)，動作要快速靈活。 (4)結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單、重量輕、強(qiáng)度可靠、易磨損處應(yīng)便于更換。 機(jī)械手夾持器的運(yùn)動和驅(qū)動方式 工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的夾持器多為雙指手抓式，按其手爪的運(yùn)動方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手爪又可分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，按夾持方式可分為外夾式和內(nèi)撐式。機(jī)械式夾持器按驅(qū)動方式可分為電動（或電 磁）、液壓和氣動三種。 機(jī)械手夾持器的典型結(jié)構(gòu) (1)楔塊杠桿式夾持器 利用楔塊與連桿的相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)手爪的張、緊來完成抓取工件的動作。 (2)連桿杠桿式夾持器 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧一起使用。 (3)齒輪齒條平行連桿式夾持器 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。 (4)平行杠桿式夾持器 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動，但是比帶有導(dǎo)軌的平 行移動手爪的摩擦力要小很多。 2 總體設(shè)計(jì)方案論證 7 確定方案 結(jié)合具體的工作情況，本次設(shè)計(jì)任務(wù)為搬運(yùn)兩側(cè)為平面的紙箱，因此選擇齒輪齒條平行連桿式夾持器較為合適，通過對齒條的驅(qū)動可以使帶有齒輪的連桿繞定軸轉(zhuǎn)動，通過平面機(jī)構(gòu)帶動夾塊的移動實(shí)現(xiàn)對紙箱的夾緊，由于這種夾持方式對紙箱的夾緊力有限所以在夾持器下方選擇有帶翻邊的夾塊。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 27 所示。 圖 27 末端夾持器結(jié)構(gòu)圖 機(jī)械手機(jī)械傳動方案確定 機(jī)械手傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 (1)為 了提高并控制機(jī)械手的運(yùn)動速度及準(zhǔn)確度，要求機(jī)械手各元件的質(zhì)量小。因此，機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，體積小。 (2)傳動部件應(yīng)盡量降低靜摩擦力，保證小的正斜率動摩擦否則會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，傳動精度失準(zhǔn)。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)向支承等。 (3)采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施縮小反向死區(qū)誤差。 機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu)常見形式 (1) 帶傳動 帶傳動又分為平帶傳動、 V 帶傳動和多楔帶傳動 1) 平帶傳動 應(yīng)用較多的情況為傳動中心距較大的情況。常用的平帶有橡膠布帶、 縫合棉布帶、棉織帶和毛織帶等數(shù)種。其中以橡膠布帶應(yīng)用廣泛。 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) 8 2) V 帶傳動 V 帶傳動的結(jié)構(gòu)更緊湊， V 帶已經(jīng)大量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)且可以承受較大的傳動比等優(yōu)點(diǎn)，因而 V 帶傳動的應(yīng)用最廣泛。 3) 多楔帶傳動 結(jié)構(gòu)尺寸小，傳動平穩(wěn)，常用于傳遞功率較大，有要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合。 (2) 鏈傳動 由于沒有彈性滑動和打滑現(xiàn)象，鏈傳動比帶傳動更能保持準(zhǔn)確的平均傳動比；傳動效率高，能達(dá)到 98%；又因鏈條與鏈輪之間不用張得很緊，所以作用于軸上的壓力較??；在同樣使用條件下，鏈傳動的承載能力也比帶傳動強(qiáng)；適于遠(yuǎn)距離傳動，中心距可達(dá)十幾米；鏈傳動的結(jié)構(gòu)較為緊湊，且成本低廉，可在溫度較高、濕度較大、有油污、腐蝕等惡劣條件下工作。 (3) 齒輪傳動 齒輪傳動的特點(diǎn)： 、壽命長 、恒定 5.適用的速度和功率范圍廣 ，制造時需要專用工具和設(shè)備，因此成本比較高。 。 (4) 蝸桿傳動 可以達(dá)到大的傳動比，噪音小，傳動穩(wěn)定可靠，具有自鎖能力，但是安裝時對中心距的尺寸精度要求較高。 確定方案 具體到此次設(shè)計(jì)兩個直線自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度，末端夾持器直線 運(yùn)動應(yīng)用氣動方式無需傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換，手臂直線自由度采用液壓缸驅(qū)動直接當(dāng)作執(zhí)行元件無需傳動機(jī)構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)并且增強(qiáng)剛度，腰部的旋轉(zhuǎn)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，必須要有傳動機(jī)構(gòu)來減速并增大扭矩。經(jīng)分析采用圓柱齒輪，利用一級齒輪傳動來減小齒輪傳動因尺側(cè)間隙導(dǎo)致的傳動誤差，故齒輪需要更高的強(qiáng)度來完成既定的動作。 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)方案確定 機(jī)械手各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn) 機(jī)械手關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣壓式和電動式。 (1) 液壓驅(qū)動 機(jī)械手的驅(qū)動方式采用液壓驅(qū)動有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： 1）液壓容易達(dá)到較高的壓力，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩 ； 2）液壓系統(tǒng)介質(zhì)可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，可以獲得較高的位置精度。 3）液壓傳動中比較容易控制速度和力并使之自動化。 4）液壓的介質(zhì)為油液，具備潤滑和防銹能力，可以增加使用年限和提高機(jī)械效率。 液壓系統(tǒng)的不足之處是： 油液的黏度隨溫度變化而變化影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險；造價較高；容易引起故障 (2) 氣動驅(qū)動 與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點(diǎn)是： 1）壓縮空氣黏度小容易達(dá)到高速 2）動力來源易取得，可集中控制 3）空氣可應(yīng)用于高溫工作的情況 2 總體設(shè)計(jì)方案論證 9 4）氣壓元件工作壓力低，故制造要求比液壓 元件低 它的不足之處是： 1）壓縮空氣常用壓力為 ～ 較低。 2）空氣壓縮性大工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很難 3）除水問題處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)械手失靈，排氣還會造成空氣污染。 (3) 電動機(jī)驅(qū)動 電動機(jī)驅(qū)動可分為普通交流電動機(jī)驅(qū)動，交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動如果不加減速器無法提供足夠的有效力矩，且運(yùn)動不易控制，適用于中型或重型機(jī)器人。伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)輸出較小的力矩，慣性小易于控制，可以實(shí)現(xiàn)速度與位置的精確控制，用于中小 型機(jī)器人更合適。不同驅(qū)動各種特點(diǎn)見表 21。 表 21 各種驅(qū)動方式在不同方面的特點(diǎn)比較 驅(qū)動方式 特點(diǎn) 輸出力 控制性能 維修使用 結(jié)構(gòu)體積 使用范圍 制造成本 液壓驅(qū)動 壓力高，可獲得大的輸出力 輸出力大，穩(wěn)定，容易控制，可無級調(diào)速 維修方便，液體對溫度變化敏感 在輸出力相同的情況下比氣壓驅(qū)動體積小 中小型及重型機(jī)器人 液壓元件成本較高，油路比較復(fù)雜 氣壓驅(qū)動 壓力低，輸出力小 可高速，沖擊大，精確定位困難，阻尼差，低速難控制 維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境下使用，泄漏無污染 體積較大 中小 型機(jī)器人 結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低 電動驅(qū)動 異步、直流電機(jī) 輸出力較大 控制性能交差，慣性大，不易精確定位 維修使用方便 需要減速裝置，體積較大 速度低，特重大的機(jī)器人 成本低 步進(jìn)、伺服電機(jī) 輸出力較小或較大 響應(yīng)快，定位精度高，控制系統(tǒng)復(fù)雜 維修使用較復(fù)雜 體積較小 程序復(fù)雜，運(yùn)動軌跡要求嚴(yán)格 成本較高 確定方案 具體到本設(shè)計(jì)，考慮到腰部的回轉(zhuǎn)關(guān)聯(lián)末端執(zhí)行器的定位精度，所以應(yīng)用定位精度高并且響應(yīng)速度快的步進(jìn)電機(jī)?；剞D(zhuǎn)下方的升降元件用液壓元件，考慮到承載能力以及垂直布置，可以利用重力實(shí)現(xiàn)下降， 所以選用柱塞缸。手臂無法利用重力且對于驅(qū)動力要求不是非常大選用單活塞液壓缸。末端執(zhí)行器的回轉(zhuǎn)也要求高定位精度，快速的反應(yīng)能力、靈活的轉(zhuǎn)動，輸出力要求不高選用步進(jìn)電機(jī)?？紤]到夾持器的驅(qū)動氣壓元件垂直放置而且對于工作環(huán)境要求較高，由于液壓元件的漏油是無法避免的元件的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無法經(jīng)常拆卸維護(hù)，所以選用單作用活塞桿式氣壓缸。氣缸通過活塞桿帶動齒條使扇形齒輪轉(zhuǎn)動來完成手爪的擴(kuò)張合攏。 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) 10 機(jī)械手手臂平衡機(jī)構(gòu)選擇 除了關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)械手都可以通過合理布局，使手臂自身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動 器的負(fù)荷，同時縮短啟動時間。本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，由于手部結(jié)構(gòu)較多而且還有負(fù)載，考慮到機(jī)械手自身結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際情況選擇配重塊平衡機(jī)構(gòu)。 3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 11 3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 液壓缸氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 手部氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 (1)手爪氣缸驅(qū)動力的計(jì)算 紙箱重量 kgG 5? ，摩擦系數(shù)為 ?f 1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動力為 : ?cos2 l RFF PN ?? （ 31） 得 )(7 0 594 2 4 515co s1 4 02co s2 NR FlF NP ????????? 式中， FN—— 為沿水平方向 X 軸作用于紙箱的力， N FP—— 為氣缸沿 Z 軸的驅(qū)動力， N l —— 為連桿的長度， m R—— 為扇形齒輪的節(jié)圓半徑， m α—— 為連桿與豎直方向的夾角 2)實(shí)際驅(qū)動力 : ? 21KKFF PP ?實(shí)際 （ 32） 因?yàn)閭鬟f力的機(jī)構(gòu)為齒輪齒條機(jī)構(gòu)，故取機(jī)械效率 ?? ，并取 ?K 。若被抓取工件的最大加速度 ga 3? ，則 : 412 ??? gaK ? )( 0 5 KNFP ????實(shí)際 ?夾持工件時所需驅(qū)動力為 (2)氣缸的直徑的設(shè)計(jì) 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，氣缸活塞桿的輸出力需要克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為 : zt FFPDF ???? 421 ? （ 33） 式中 ， F1 —— 活塞桿上的推力， N Ft —— 彈簧反作用力， N Fz—— 氣缸工作時的總阻力， N P —— 氣缸工作壓力， Pa 彈簧反作用計(jì)算 : )1( sGF ft ??