【文章內容簡介】 內容。 12 第二章 機械手的總體設計方案 本課題是輕型搬運機械手的設計。本設計主要任務是完成機械手的結構方面設計，在本章中對機械手的座標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。因此，在機械手的執(zhí)行機構、驅動機構是本次設計的主要任務，然后通過 proe 軟件對機械手的手部進行簡單的運動仿真。 機械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài) ,按坐標形式大致可以分為以 下 4 種 : （ 1） 直角坐標型機械手； （ 2）圓柱坐標型機械手； （ 3）水平多關節(jié)型機械手； （ 4）垂直多關節(jié)型機械手。 本次設計采用垂直多關節(jié)型機械手，模擬了人類的手臂功能。由于垂直于地面的腰部旋轉軸（相當于大臂旋轉的肩部旋轉軸），帶動小臂旋轉的肘部旋轉軸及小臂前端的手腕等構成。手腕通常有 23 個自由度。 垂直多關節(jié)型機械手的優(yōu)點是可以自由的實現(xiàn)三維空間的各種姿態(tài)，可以生成各種姿態(tài)，可以生成各種復雜形狀的軌跡。它廣泛應用于代替人完成裝配作業(yè)、貨物搬運、電弧焊接、噴涂及點焊接等場合。如圖 21 所示： 機械手的主要部件及運動 在垂直多關節(jié)型機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務，為了滿足設計要求，本圖 21 機械手的原理圖 13 設計關于機械手具有 3 個自由度既：手部仰俯運動；手臂伸縮；手臂仰俯運動 3 個主要運動。 本次設計主要由 4 個大部件和兩個電動機及四個齒輪組成：（ 1）手部，采用電磁吸盤式，通過腕部的齒輪傳動，實現(xiàn)機構繞 y軸的仰俯運動；（ 2）腕部，是采用齒輪傳動，通過小臂上的電機齒輪傳動，實現(xiàn)仰俯運動；（ 3）臂部，采用步進電機，通過齒輪嚙合傳動實現(xiàn)仰俯運動；（ 4）機身，用一個圓盤底座，實現(xiàn)運動機構固定。 驅動機構的選 擇 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分 , 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用機械驅動式機械手 ,結構簡單、動作可靠、尺寸緊湊、驅動力大，常用于固定場所等優(yōu)點。因此，機械手的驅動方案選擇機械式驅動。 本章小結 本章對機械手的整體部分進行了總體設計，選擇了機械手的基本形式以及自由度，確定了本設計采用機械驅動，給出了設計中機械手的一些技術參數(shù)。下面的設計計算將依次進行。 14 第三章 機械部分零件的計算及建模 Pro/Engineer 軟件建模 [2] Pro/Engineer 操作軟件是美國參數(shù)技術公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。 Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位， Pro/Engineer 作為當今世界機械 CAD/CAE/CAM 領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國內產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。 主要特性 Pro/E 第一個提出了參數(shù) 化設計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。 Pro/E 的基于特征方式，能夠將設計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。 Pro/E 采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 參數(shù)化設計 相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構成特征，而每一 種構成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。 基于特征建模 Pro/E 是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。 PRO/INTERFACE Pro/INTERFACE 是一個完整的工業(yè)標準數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，提供 Pro/Engineer 與其它設計自動化系統(tǒng)之間的各種標準數(shù)據(jù)交換格式．它可用于 Pro/ENGINEER 幾何的輸入和輸出。剖 面可以參數(shù)化并被構造 Pro/ENGINEER 內的任意特征種類。 1． 二維和三維圖形： Pro/INTERFACE 提供了將 2D 和 3D 圖形通過 IGES4． 0或 SET 輸入到 Pro/ENGINEER 的繪圖模式里的能力，輸入后，正常制圖功能都是有效的。 2． 三維線框圖形： Pro/INTERFACE 提供了將 3D 線框幾何體通過 IGES4． 0 15 或 SET 輸入到 Pro/ENGINEER 內的能力，該線框體能被用于生成全參數(shù)化，以特征為基礎的實體模型。如果需要，可以覆蓋到非參數(shù)化的實體模型上。 3． 任 意形狀曲面： Pro/INTERFACE 提供了通過 IGES4． 0 或 SET 將一個或更多的任意形狀曲面輸入到 Pro/ENGINEER 內的能力。一旦輸入后，這些面可以被偏置和縫合在一起，及被其它曲面剪裁，它們也可以被用于構造一個實體模型 (見 Pro/SURFACE有關詳細描述 )。 4． 三維表面模型： Pro/INTERFACE 提供了通過 IGES4． 0 或 SET 將部分表面或整個表面線框模型輸入到 Pro/ENGINEER 內的能力。在 Pro/ENGINEER 內．如果有遺漏表面可以加上，并且整個表面模型也可 以覆蓋到一個非參數(shù)化的實體模型上。覆蓋到非參數(shù)化實體模型上的表面可以作為一個“單一特征”。這樣用戶就可以將所有參數(shù)化特征附加到這“單一特征”上，當然該特征也能象其它任何 Pro/ENGINEER 修改。 數(shù)據(jù)交換功能包括： 1． SLA：用于將 3D 模型信息輸出到生產(chǎn)工作臺。 2． RENDER：用于將 3D 模型信息輸出到著色程序。 3． DXF：用于輸入和輸出那些支持 DXF 格式文件系統(tǒng)的 2D 信息。 4． NEUTRAL：用于輸出符合 Pro/ENGINEER 中間文件格式的特征、零件、部公差信息 。 5． IGES：用于輸出符合 IGES4． 0 標準的 2D 圖形和 3D 模型 (包括零件和部件 )。 6． PATRAN Geom；用于輸出符合 PATRAN 中間文件格式的零件幾何體數(shù)據(jù)。 7． IGES128：用于輸出零件幾何體 (注：除非特殊需求規(guī)定，將無效 )。 8． SUPERTA BGeom：輸出符合用于輸入列 SUPERTAB 的 UNIVERSAL 文件格式的幾何體。 9． SET：用于輸入符合 VDA 標準的 Pro/ENGINEER 模型。 PRO/MOLD DESIGN Pro/MOL DESIGN 模塊用于設計模具部件和模板組裝，它包括如下功能： 1． 采用參照設計模型的方法，自動生成模具型腔幾何體。 2． 對單一、多面類似或者多面不同的型腔，采用 Pro/ENGINEER 的組裝命令及花樣組來定出型腔。 3． 對復雜的多面 /注模，提供 Slider/CAMMED 移動功能。 4． 用不同的縮減補償方式，修改造型幾何體。 5． 在模擬過程，采用干擾核查的方法支定度及模似模具開口及 Molding Ejection Sequence. 6． 備有 AC Technology 的 C— Flow/EZ 分析軟件，提供空腔沖填及 AIR TRAPPING 模擬、 Front、 ram 速度、 weld 線及流體速度 (Flow Velocity)。 16 7． 直接取得 Pertinent 模具設計工程的信息，包括沖填器皿及型腔表面積等信息。 8． 可生成摸具的特定功能，包括澆口 (Sprue)、澆道 (Runner)、澆槽 (Gates)、冷凝線 (cooling line)及分離線。 9． Pro/LIBARARY 亦有提供與 Pro/MOLDESIGN 使用的功能，包括標準化的摸具組裝及元件。 手部零件的設計 （ 1）應具有適當?shù)奈搅万寗恿Α斂紤]到在一定的吸附力下，不同的傳動機構所需的驅動力大小是不同的。 （ 2）要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 本此設計采用電磁吸盤式。如圖 31 所示： 圖 31 電磁吸盤 手部零件設計的基本要求 （ 1）手指式 有兩指式和多指式，適用于各種機械加工的零件及組件的搬運。盤類、環(huán)類零件及雜件的抓取及搬運。 （ 2）吸盤式 有空氣負壓吸盤和電磁吸盤，用于表面光滑的板材或具有曲線形狀的殼體零件。 （ 3）托持式 用于特殊形狀或有特殊要求的零件。 17 機械手手部的設計計算 [3] 本設計是輕型搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：吸附重量為 5Kg。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。夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型：平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動 ,這種手指結構簡單 , 適于夾持平板方料 , 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置 , 其理論夾持誤差零 ；若采用典型的平移型手指 , 驅動力需加在手指移動方向上 ,這樣會使結構變得復雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體 ,適合用于本方案。本設計機械手采用吸附式手部。 通過綜合考慮，本設計選擇電磁吸盤式手部設計，吸附鐵磁材料的板料或盤形零件。 腕部的設計計算 腕部設計的基本要求 （ 1）力求結構緊湊、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。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性 能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 （ 2）結構考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 （ 3）必須考慮工作條件 對于本次設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的輕型板料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。 腕部的結構以及選擇 [4] (1) 具有一個自由 度的回轉驅動的腕部結構。它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點。腕部回轉，總力矩 M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用?；剞D角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定（一般小于 ?180 ）。 (2) 直齒輪驅動的腕部結構。在要求回轉角大于 ?180 的情況下，可采用直齒輪驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。 (3) 具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構。 它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。 (4) 機 液結合的腕部結構。 18 腕部結構和驅動機構的選擇 本設計要求手腕回轉 0180 ，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的仰俯運動的腕部結構，采用齒輪傳動。 腕部設計考慮的參數(shù) 夾取工件重量 5Kg ，回轉 ?180 。 腕部的驅動力矩計算 （ 1）腕部的驅動力矩需要的力矩 M慣 。 （ 2）腕部回轉支撐處的摩擦力矩 M摩 。 吸附板料 25? 25mm,重量 5Kg，當手部擺動 0180 時，計算 力矩： （ 1） 手抓、手抓驅動及回轉轉動件（電磁吸盤）等效為一個圓柱體，高 為 220mm，直徑 120mm，其重力估算 G= 230 . 0 6 0 . 2 2 7 8 0 0 9 . 8 1 9 0G Kg m N Kg N?? ? ? ? ? ? （ 2） 摩擦力矩 ?摩 。 （ 3） 啟動過程所轉過的角度 ?