【文章內(nèi)容簡介】 其前 3 個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運動型式如圖 22 所示。該類機易于實現(xiàn)高精度定位，空間軌跡易于求解，但具有相同的操作空間是，機體占空間較大。 圓柱坐標型機械手 圓柱型坐標機械手是通過兩個移動副和一個轉(zhuǎn)動副來實現(xiàn)手部的空間位置變化 ,如圖 23 所示。有名的 Versatran 機器人就具有這樣的機械手，在相同的工作空間下，該種操作 機所占的空間體積要小于直角坐標型操作機。該種機械手機構(gòu)簡單，便于幾何計算，通常用于搬運機械手。 球坐標型機械手 球型坐標機械手是通過兩個轉(zhuǎn)動副和一個移動副來實現(xiàn)手部的空間位置變化。一般是腰關(guān)節(jié)可繞 z 軸轉(zhuǎn)動，大臂可在 zx 平面俯仰，小臂可伸縮運動。這種機械手的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，但目前應(yīng)用較少。 關(guān)節(jié)型機械手 關(guān)節(jié)型機械手是模擬人的上臂而構(gòu)成的。它的前三個關(guān)節(jié)是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，腰關(guān)節(jié)繞 z 軸轉(zhuǎn)動，臂的兩個關(guān)節(jié)繞平行于 y 軸的兩軸線轉(zhuǎn)動 ,如圖 24 所示。它利用順序的三次圓弧運動來改變手的空間位置 ，其機構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對的工作空間大，還能繞過基座周圍的一些障礙物。這是機器人中使 15 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 用最多的一種形式。 PNMA、 CINCINNATI T MOTOMAN、 ABB、 KUKA 等名牌機器人都采用這種形式的機械手。 為跟上時代步伐，為以后工作打基礎(chǔ)，本次設(shè)計選用垂直關(guān)節(jié)型機械手。 機械手主要技術(shù)參數(shù) （ 1） 工件重量 機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用液壓方式驅(qū)動，抓取力大，查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件 質(zhì)量為 38公斤。 （ 2） 基本參數(shù) 運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是腰部的旋轉(zhuǎn)、大臂的擺動和小臂的擺動。具體技術(shù)參數(shù)如下表所示： 表 機械手基本參數(shù) 動作形態(tài) 垂直關(guān)節(jié)型 自由度 5 可搬質(zhì)量 38kg 位置重復(fù)精度 ? 1mm 動 作 范 圍 腰部旋轉(zhuǎn) 300176。 大臂擺動 115176。 小臂擺動 140176。 手腕伸 縮 0176。 最 大 速 度 腰部旋轉(zhuǎn) 110176。/s 大臂擺動 110176。/s 小臂擺動 110176。/s 手腕旋轉(zhuǎn) 110176。/s 16 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 3 手部和腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械手的手部是用來抓持工件的部件，將直接影響到機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部件之一。 設(shè)計時要注意的問題： 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。它的大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接 近工件的運動路線及其方位的影響。 手指應(yīng)有足夠的夾緊力，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷 應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準確定位。 （ 1） 夾緊方案的確定 機械手夾持器有很多方式，包括滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器、連桿杠桿回轉(zhuǎn)型夾持器、齒輪齒條平行連桿平移式夾持器、左右旋絲桿平移型夾持器、內(nèi)撐式連桿杠桿夾持器等。根據(jù)夾持桶裝水的實際情況齒輪齒條平行連桿平移式夾持器，如下圖 31 所示： 圖 31 齒輪齒條平行連桿平移式 17 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 （ 2） 手部液壓缸的計算和選取 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計液壓系統(tǒng)，選擇液壓組件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行組件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。 （ 3） 液壓缸輸出力 液壓缸的輸出力 310??PAF 式中： F—液壓缸的輸出力 P—對應(yīng)輸出力的工作壓強 有效工作截面積分無桿腔和 有桿腔： 無桿腔： 21 4AD?? (321) 有桿腔： ? ?222 4 dDA ?? ? (322) 計算單活塞桿 1A ，計算的推力是取單活塞桿時液壓缸拉力取 2A （ 4） 液壓缸阻力 FfFiFeF ??? (323) Fe──工作負載為 0 Ff ──摩擦阻力 NNFf ????? ? (324) Fi──慣性負載 i=.gtGVF ?? (325) 式中， G為液壓缸所要移動的總重量，取為 1000N； g 為重力加速度， 2/ sm ； v? 為速度變化量，取 ； t? 啟動或制動時間，一般為 ~ ，取 將各值帶入上式，得 iF =102N。 18 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 所以： ei f+ F = 9 8 + 1 0 2 + 0 = 2 0 0F F F?? （ 5）夾緊力 Fn 和驅(qū)動力 Fp 的關(guān)系 如圖 25 所示，當(dāng)驅(qū)動器推桿往上運動時，兩滑塊向中間收攏，產(chǎn)生夾緊力，夾緊力 NF 和驅(qū)動力 PF 的關(guān)系： 2 cosPN FRF L ?? (326) 式中， NF 手部夾緊力 PF 液壓缸驅(qū)動力 R 齒輪分度圓半徑，為 75mm L 連桿長 度 ,為 200mm ?連桿與豎直方向的夾角 當(dāng) PF 和 RL 一定時， NF 將隨 ? 增大而增大，當(dāng) =0? 時夾緊力為最小值。 （ 6）夾緊力 NF 的計算 手指加在工件上的夾緊力是設(shè)計手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按下列公式計算： 1 2 3NF K K K G? (327) 式中： 1K —安全系數(shù)，由機械手的工藝及設(shè)計要求確定 ,通常取 ——，?。? 2K —工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計算最大加速度，得出工作情況系數(shù) 2K , 2 0 . 0 2 / 11 1 1 . 0 0 29 . 8aK g? ? ? ? ?， a 為機器人搬運工件過程的加速 19 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 度或減速度的絕對值（ m/s）； 3K —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進行選定， 手指與工件位置：手指垂直放置 工件垂直放置； 手指與工件形狀：圓弧型指端夾持圓柱型工件， 3 1/fK ? ， f 為摩擦系數(shù)，取 f =，此處粗略計算 3 2K? G —被抓取工件的重量 求得夾緊力， 1 . 2 1 . 0 0 2 2 3 8 9 . 8 8 9 4NFN? ? ? ? ? ? （ 7） 理論驅(qū)動力 PF 和實際驅(qū)動力 39。PF 的計算 根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關(guān)系式： 2 cosPN FRF L ?? (328) 當(dāng) ? 為連桿與豎直方向的夾角，當(dāng) ? 為 0 時，夾緊力最小，即當(dāng) ? 為 0 能夾緊工件，則其它時候均能夾緊。 ( 2 c o s ) 2 2 0 0 8 9 4 7 5 4 7 6 8NP LFFNR?? ? ? ? ? ? 得出為理論計算值，實際采取的液壓缸驅(qū)動力 39。PF 要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率 ? ，一般取 ～ ，此處取 ，則： 4 7 6 8 0 . 9 5 2 9 739。 PP FFN?? ? ? ? （ 8） 手部液壓缸的選用 液壓缸選取 HSG 型液壓缸，此液壓缸屬于單向作用液壓缸工作壓力為16MPa。根據(jù)力平衡原理，單 向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須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 ? (329) 式中 : 1F 活塞桿上的推力， N tF 彈簧反作用力， N 20 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 zF 液壓缸工作時的總阻力， N P 液壓缸工作壓力， Pa 彈簧反作用按下式計算 : )1( sGF ft ?? (330) nDGdGf 31418? (331) 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預(yù)壓縮量， m s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， . n 彈簧有效圈數(shù) . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設(shè)計中，必須考慮負載率 ?的影響，則 : tFpDF ?? 421 ?? (332) 由以上分析得單向作用液壓缸的直徑 : 14( )F FtD p???? (333) 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 ?fG nDGd31418 4333915)1030(8 )( ??? ???? ?? )/( mN? 21 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 所以 ： : 1 64( t ) 4 (529 7 22 0. 6)D= = =0 .4 m m16 10 0. 94FFP? ? ?? ? ?? ? ? 查有關(guān)手冊圓整，根據(jù)實際情況，選取 : 內(nèi)徑 50D mm? 外徑 =68mm? 其簡圖如下： 圖 HSG型活塞桿端外螺紋連接液壓缸 機械手腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械手腕部是小臂和手臂的聯(lián)接部件，其作用是利 用自身的活動度來確定手部夾持工件的空間狀態(tài)，也可以說是確定手部的姿態(tài)。故腕部也稱作機械手的姿態(tài)機構(gòu)。 （ 1）腕部的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機械手抓取的工件是豎直放置，同 時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞 Z 軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的為伺 22 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 服電動機，因此我們選用伺服電動機。 伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。且體積小，驅(qū)動力矩大。 （ 2）腕部的結(jié)構(gòu) 如下圖 33所示，伺服電動機通過工字鋼固定在機架中間，通 過聯(lián)軸器帶動 圖 33 手腕 腕部旋轉(zhuǎn)，進而帶動手部旋轉(zhuǎn)。腕部相對機架間的旋轉(zhuǎn)是通過回轉(zhuǎn)支撐軸承中的薄壁交叉滾子軸承實現(xiàn)的。 回轉(zhuǎn)支承軸承是一種能夠承受綜合載荷的大型軸承，可以同時承受較大的軸向、徑向負荷和傾覆力矩。 其簡圖如下圖： 23 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 圖 34 薄壁交叉滾子軸承 實物圖如下