【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 振動(dòng)，沖擊，強(qiáng)輻射和強(qiáng)腐蝕）下正常工作。 因?yàn)楸緳C(jī)械 手抓取的物料重量基本在 10KG 以內(nèi)，因此抓取力并不大，所以選用氣壓驅(qū)動(dòng)來(lái)完成，但在底部的回轉(zhuǎn)決定使用電機(jī)來(lái)完成。 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) 在選定圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案后，為了達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)所需要的要求， 在我的機(jī)械手設(shè)計(jì)中具有 3 個(gè)自由度既：手臂伸縮；手臂升降：手臂回轉(zhuǎn) 3 個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由 4 個(gè)大部件 3 個(gè)氣壓缸和一個(gè)電機(jī)組成： 13 （ 1）手部，采用一個(gè)直線氣壓缸，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手抓的張合。 （ 2）臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂平動(dòng) 80mm。 （ 3）機(jī)身，采用一個(gè)直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)升降。 （ 4）底 部采用回轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)。 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 （ 1）芯模尺寸是 Φ40mm，長(zhǎng)度是 800mm，材料為模具鋼； （ 2）升降行程 250mm，伸縮行程 80mm； （ 3）實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的 90176。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并可自鎖。 （ 4）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 伸縮速度： 250mm/s； 升降速度： 60mm/s； 回轉(zhuǎn)范圍： 0~180 度； 回轉(zhuǎn)速度： 70/s。 （ 5）定位方式：行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊 （ 6）驅(qū)動(dòng)方式：氣動(dòng)， PLC 控制 （ 7）定位精度： +— 3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手部設(shè)計(jì)基本要求 （ 1）應(yīng)該有合適的夾緊力的原動(dòng)力，手指握力（夾緊力的大小，應(yīng)適應(yīng)），用力過(guò)大，功耗會(huì)太浪費(fèi)，巨大的結(jié)構(gòu)，費(fèi)用較大，甚至?xí)p壞工件 。力量太小，然后鉗不居住或松動(dòng)，脫落。除了考慮工件的重量，在設(shè)定的握力，應(yīng)該考慮也可以傳送或過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的操作，以確保工件夾緊的安全。對(duì)于手，應(yīng)該有足夠的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置。應(yīng)當(dāng)指出，由于傳動(dòng)比是不同的，在不同條件下一定的夾緊力，傳輸機(jī)制的驅(qū)動(dòng)力是不同的。 14 （ 2）手指應(yīng)該有一定程度的開放和收緊距離，手指有足夠的張開角度（開放的手指封閉約轉(zhuǎn)角支點(diǎn)），以方便握持或退出工件。 （ 3）應(yīng)保證內(nèi)部的手指夾緊精度，應(yīng)確保每個(gè)夾緊工件，手指精確的相對(duì)位置。在一定范圍內(nèi)的要求，這是更重要的，如曲軸，一類復(fù)雜的工件在機(jī)軸，凸輪，嚴(yán)格，所以在夾緊工件的機(jī)械手的安裝位置應(yīng)保持相對(duì)定位精度。 （ 4）要求具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高的優(yōu)點(diǎn)。在保證本身的剛度，強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，為了減少負(fù)載臂。 （ 5）應(yīng)考慮為一般和特殊要求。在一般情況下，一方面是比較特殊，為了擴(kuò)大其使用范圍，提高其通用化程度，以適應(yīng)不同尺寸的工件夾緊，通常使用的手指可以調(diào)整方法。作為替代，甚至更換整只手的手指等。此 外，也考慮能適應(yīng)工作環(huán)境的特殊要求，如：耐高溫，耐腐蝕，能承受錘沖擊力。 典型的手部結(jié)構(gòu) （ 1）回轉(zhuǎn)型包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 （ 2）平移型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 （ 3）平面平移型。 機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)計(jì)算 選擇手爪的類型及夾緊裝置 本設(shè)計(jì)做的是芯模搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：夾取重量約為 10Kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部 ,按握持工件的原理 ,分為夾持和吸附兩大類。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。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式 手指 ,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。 通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。 手抓的力學(xué)分析 下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿圖 （ a）為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 15 圖 31 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、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(guò)銷軸的中心點(diǎn) O，兩手指 1 的銷軸收到滑槽的反作用力為 F1 和 F2，同時(shí)它力的方向垂直于滑槽的中心線 OO1 和 OO2 并指向 O點(diǎn)， 交 F1 和 F2 的延長(zhǎng)線于 A 及 B。 由 0Fx?? 得 12FF? 由 0Fy?? 得 1 139。FF?? 由 01( ) 0MF?? 得 139。F Fn h?? (31) nF nF 1O 2O 1F1F 2F F 139。F 16 cosah ?? (32) 2cosbF Fna ?? (33) 式中 ： a —— 從 對(duì)稱中心到手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的 長(zhǎng)度 （ mm） ， ? —— 工件被夾緊時(shí)兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn) 與 手指的滑槽方 向產(chǎn)生的 夾角。 根據(jù)計(jì)算分析，在驅(qū)動(dòng)力 F 不變時(shí)， ? 角增加，則握力 Fn 同時(shí)會(huì)增加，但 ? 角度太大會(huì)產(chǎn)生拉桿行程過(guò)大的后果，還將導(dǎo)致手部結(jié)構(gòu)變大，因此最好 ? =30176。 ~40176。 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 機(jī)械手手抓對(duì)于工件的夾鉗力，是設(shè)計(jì)機(jī)械手手部的重要依據(jù)。設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)受力的方向、大小 以及作用點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)算。對(duì)于一般的機(jī)械手手抓來(lái)說(shuō)，手抓抓取工件時(shí)需要克服工件自身重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)慣性力產(chǎn)生的載荷，以保持可靠的工件夾緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： 1 2 3Fn K K K G? ? ? ? (34) 式中： K1──安全系數(shù)，通常去 ～ ， K2──工作狀況系數(shù)，主要是考慮慣性力的作用。 K2 可近似按式 35估算： 21aK g?? (35) 式中： a──運(yùn)載工件時(shí)向著重力方向上升最大的加速度， g──重力加速度，g≈ 178。； maxVat? 響 (36) maxv ──運(yùn)載工件時(shí)向著重力方向上升最大速度，機(jī)械手直線速度常在 200～ 17 300mm/s , t 響 ──系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取。 K3──方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同 。 假設(shè)： a=50mm， b=150mm, ? =30176。機(jī)械手打到最高響應(yīng)時(shí)間為 。求夾緊力Fn，驅(qū)動(dòng)力 F，驅(qū)動(dòng)氣缸尺寸。根據(jù)實(shí)際情況初定： （ 1）所以求出夾緊力為： 1 1 .50 .1 / 0 .52 1 1 .0 29 .81 .5 1 .0 2 0 .5 7 .8 9 9 .8KKFn?? ? ?? ? ? ? ? ?∴ （ ） （ 2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式： 得 22 1 5 0= c o s 3 0 ? 5 9 .2 = 2 6 6 .450FN? ??計(jì) 算 （ 3）傳動(dòng)效率取η = ∴ = 0. 85 = 22 6. 4F F N?實(shí) 際 計(jì) 算 氣缸類型的選擇 22=d4FP? ? ?π∵ 實(shí) 際 （ D ） 工作壓力 P 取 氣缸計(jì)算公式為： 04=pFD π (37) 所以 524 2 2 6 . 4= = 2 9 . 1 11 0 1 0 . 3D m m?? ? ?π （ ） 根據(jù)見表 31 以及《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中缸型標(biāo)準(zhǔn)，選取缸徑為 40mm。 18 表 31 氣缸內(nèi)徑選用表 氣缸內(nèi)徑（ mm） 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 （ 1）由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》氣壓缸外徑系列，根據(jù)已定內(nèi)徑 D=40mm。 氣缸缸筒承受壓縮空氣的壓力，其壁厚可按薄壁公式計(jì)算： 2[ ]Py D? ??? (38) 式中： ? 缸筒壁厚， Py 實(shí)驗(yàn)?zāi)蛪毫?，? x 工作壓力， []? 缸筒材料抗壓強(qiáng)度，鑄鋼取 []? =100~110Mpa。 1 .2 5 0 .4 0 .0 42 1 0 0? ??? ? 壁厚取 12mm 符合 要求。 （ 2）氣壓缸行程 S 的計(jì)算 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》氣壓缸行程參數(shù)系列，再根據(jù)機(jī)械手外行設(shè)計(jì)尺寸的要求選用小手臂伸縮液壓缸行程 S=25mm。 （ 3）根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》氣缸活塞桿直徑為： d ? ，所以設(shè)計(jì)活塞直徑為 d=12mm。 手爪的夾持誤差分析與計(jì)算 機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定的位置，不僅取決于機(jī)械手定位精度，而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。由于本機(jī)械手手部選用的是內(nèi)撐式垂直上下工作的，所以其手爪的夾持誤差可以粗略認(rèn)為是零，但通常情 況下保持它不超過(guò) 177。1mm 就可以了。 19 4 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算 手臂部分是主要的機(jī)械手夾持組件。它的作用是支持的手（包括工件或工具）和手腕，并推動(dòng)他們同時(shí)做空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章敘述。 手臂運(yùn)動(dòng)的原則：在空間任何一點(diǎn)都能讓手部碰到。為完成各種運(yùn)動(dòng)的手臂通常使用驅(qū)動(dòng)機(jī)制和傳輸機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，從手臂的受力分析，手腕，手是直接作用力在手臂上的，并且手臂自己也經(jīng)常需要完成運(yùn)動(dòng)。因此，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活性和 直接影響機(jī)械手的工作性能。 伸縮手臂的設(shè)計(jì)要求 機(jī)械手的手臂基本要求應(yīng)該是擁有較大承受能力，剛性好，重量輕。對(duì)于機(jī)械手臂或身體的承載能力，通常取決于其僵化程度。以機(jī)械手臂部作為一個(gè)例子，一般的結(jié)構(gòu)正在越來(lái)越多地采用懸臂梁形式，然而伸縮臂懸長(zhǎng)度增加，剛度降低并且其伸縮臂的剛度會(huì)不斷的改變。對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，定位精度和承載能力影響很大。為了提高剛度，除了盡可能地延長(zhǎng)手臂長(zhǎng)度縮短，是要注意以下幾個(gè)方面。 （ 1）根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 臂部和機(jī)身通常既受彎曲，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選擇橫截面形狀 的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度高的。顯然，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼，槽鋼工字鋼和慣性矩是比較大的。因此，作為導(dǎo)桿機(jī)械手，無(wú)縫鋼管、鋼或槽鋼作為支撐板。這不僅提高了手臂的剛度，同時(shí)也大大降低了手臂的重量，并可以用中空的內(nèi)部裝有驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊，外形整齊。 20 （ 2）提高支承剛度和合理選擇支承間的距離 臂桿或機(jī)身的變性量不僅與本身剛度有關(guān)，而且與支承的剛度和支承間的距離有很大關(guān)系，要提高支承剛度，除從支座的結(jié)構(gòu)形狀，底板的剛度。以及支座與底板的連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的 接觸剛度。 （ 3）合理布置作用力的位置和方向 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)結(jié)合具體受力情況，設(shè)法使個(gè)作用力引起的變形相互抵消。 （ 4）注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 在設(shè)計(jì)臂部時(shí)，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定調(diào)整補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以減少重要部件的間隙，從而提高剛度。 （ 5）提高配合精度 水平放置的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度，同時(shí)提高其配合精度和相對(duì)位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或大部分自重和抓取重量。提高活塞和缸體內(nèi)徑配合精度，以提高手臂前伸時(shí)的剛度。 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性 要小機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平，一般根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運(yùn)行速度。在一般情況下，手臂的移動(dòng)和回轉(zhuǎn)，俯仰均要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求起動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。 手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件，導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程盡可能平衡，以減少對(duì)升降支承軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生卡死的現(xiàn)象 。 位置精度要高。一般說(shuō)來(lái)，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高，關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)，嚙合件的間隙。除此之外，要求機(jī)械手通用性好，能適合多種作業(yè)的要求，工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。 手臂的典型運(yùn)動(dòng)的形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；復(fù)合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的組合。 在設(shè)計(jì)計(jì)算前，通常是先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)數(shù)次，繪出最終的