【文章內(nèi)容簡介】 過動(dòng)力傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式叫做機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。 綜合各種技術(shù)要求，我們選用圓柱坐標(biāo)型氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。本課題要求機(jī)械手具有較高的的定位精度、較快的反應(yīng)速度，比較大的承載能力，以及工作空間第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 5 比較寬廣和靈活的自由度，并具有自動(dòng)定位的能力。擬定機(jī)氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)的原則是根據(jù)工作對象的工作條件、運(yùn)動(dòng)要求和定位精度，從分利用現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)能力，在滿足機(jī)械手各方面上的使用要求的前提下，選擇最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。并盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣既可以簡化設(shè)計(jì)過程，又可以在較低的制造成本上，提高產(chǎn)品的通用性。 圖 21 機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式 機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度 根據(jù)機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)形式和自由度的不同，通常將其劃分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型，它們的特點(diǎn)如下 ： 直角坐標(biāo)型 (1) 有三個(gè)方向上的直線自由度，簡單易懂。 (2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。 (3) 對一定的結(jié)構(gòu)長度，宜采用兩端支持，剛性比較好。 (4) 因其移動(dòng)空間比較大，側(cè)該機(jī)構(gòu)占用空間大。 (5) 必須在較大的空間進(jìn)行安裝。 (6) 很難對各滑動(dòng)部件進(jìn)行密封，側(cè)容易受到污染。 圓柱坐標(biāo)型 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 (1) 同樣結(jié)構(gòu)簡單易于設(shè)計(jì)。 (2) 若要求有較大的動(dòng)力輸出，直線部分可采用液壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 (3) 可以將機(jī)械手部分伸入到機(jī)器的型腔內(nèi)部。 (4) 機(jī)械手的氣爪部所能到達(dá)的空間受到限制，很難接觸到立柱和地面的位置。 (5) 直線驅(qū)動(dòng)模的密封性、防塵及防御腐蝕性較差 (6) 手臂收縮時(shí)，手臂后端只能在一定的工作范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 球坐標(biāo)型 (1) 工作范圍較大的地方在中心支架附近。 (2) 直線驅(qū)動(dòng)部分存在密封性差的情況。 (3) 需要較大的工作空間。 (4) 也有工作死區(qū)部分。 (5) 轉(zhuǎn)動(dòng)部分密封比較容易。 (6) 由于坐標(biāo)系很復(fù)雜，設(shè)計(jì) 較困難。 多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型 (1) 工作空間比較寬廣，并且動(dòng)作 較 靈活。 (2) 關(guān)節(jié)的密封性比較好。 (3) 可以在水下等要求比較低的工作條件下工作。 (4) 電動(dòng)機(jī)比較容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的提供。 (5) 其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較難以控制，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較困難，不適合用液壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 可以將機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分為主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的主運(yùn)動(dòng)包括立柱和手臂的運(yùn)動(dòng)，因主運(yùn)動(dòng)改變了工件空間的空間狀態(tài)。輔助運(yùn)動(dòng)包括手指和手腕的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗麄兎謩e改變工件的姿態(tài)，以及工件的位置和方位。 為了使機(jī)械手具有升降、伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故選用圓柱 坐標(biāo)型機(jī)械手，因此機(jī)械手得到三個(gè)自由度。為了彌補(bǔ)立柱升降過程中造成的較大的震動(dòng)和手臂的伸縮造成的機(jī)械剛度不足，我們增加了一個(gè)具有短行程升降的小臂結(jié)構(gòu)，從而使機(jī)械手將刀具從刀庫中拔出，即在豎直方向上增加了一個(gè)自由度。所以，機(jī)械手總共具有四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。圖 22 為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖。 我們稱升降行程比較大部分為立柱，行程較小的升降部分為小臂。有時(shí)為了增加機(jī)械手的通用性，我們可以增加手腕部，使其具有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此機(jī)械手省略手腕部分。 機(jī)械手工作過程及工步時(shí)間分配 確定完成動(dòng)作及順序 換刀機(jī)械手的布局 示意圖如圖 23 所示。圖中換刀機(jī)械手的初始位置在與刀第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 7 架垂直 90176。且氣爪正對刀庫換刀位置。即機(jī)械手均運(yùn)動(dòng)到水平和豎直方向上的極限位置。為了機(jī)械手和刀具恰好對齊，本控制系統(tǒng)采用刀座編碼法對各種刀具進(jìn)行編碼，并根據(jù)需要使刀庫旋轉(zhuǎn)適適當(dāng)?shù)慕嵌?。機(jī)械手要把刀具送到刀架上，需要完成以下幾個(gè)動(dòng)作： (1)水平伸出 —— 機(jī)械手水平機(jī)構(gòu)伸出 70mm，到達(dá)刀庫正上方。 (2)豎直下降 —— 小臂升降機(jī)構(gòu)下行 30mm，使手部夾持機(jī)構(gòu)到達(dá)與刀柄水平的位置。 (3)夾緊 —— 手臂機(jī)構(gòu)迅速夾緊刀柄。 (4)豎直上升 —— 待刀柄被夾緊后，小臂升降 機(jī)構(gòu)上行 30mm，將刀具提出刀庫。 (5)水平收縮 —— 水平機(jī)構(gòu)快速收縮 70mm，整個(gè)機(jī)構(gòu)回到初始位置。 (6)擺動(dòng) —— 機(jī)械手逆時(shí)針擺動(dòng) 90176。，使機(jī)械手正對刀架。 (7)豎直下降、松開 —— 小臂升降機(jī)構(gòu)下行 30mm，將刀具放在刀架上，同時(shí)手部機(jī)構(gòu)松開工件。 (8)豎直上升 —— 小臂升降機(jī)構(gòu)上行 30mm，回到原始極限位置。 (9)擺動(dòng) —— 機(jī)械手順時(shí)針擺動(dòng) 90176。，回到初始位置。 當(dāng)機(jī)械手完成換刀動(dòng)作后，刀架上的推爪把刀具從 刀架的一端推向另一端，到此，就將機(jī)械手的整個(gè)換刀動(dòng)作完成。 圖 22 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 圖 23 換刀機(jī)械手布局示意圖 工步時(shí)間分配 經(jīng)研究決定機(jī)械手完成整個(gè)換刀過程需要 ，根據(jù)上述換刀的各個(gè)過程，對時(shí)間進(jìn)行分配，如 表 所示 ： 表 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程與時(shí)間分配 工步號 工步名稱 行程（ mm） 預(yù)分配時(shí)間（ s） 1 水平伸出 70 2 垂直下降 30 3 夾緊 1 4 豎直上升 30 5 水平收縮 70 6 擺動(dòng)（逆時(shí)針） 90176。 7 豎直下降 30 松開 8 豎直上升 30 9 擺動(dòng)（順時(shí)針） 90176。 總計(jì) 第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 9 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 本方案采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，機(jī)械手包括以下幾個(gè)模塊：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪幾個(gè)模塊。為了滿足 4 個(gè)自由度的要求，本機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)形式。為了滿足實(shí)際工作要求，本機(jī)械手只需要立柱、手臂、小臂和手爪幾個(gè)模塊。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 24 所示： 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案 機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、和電動(dòng)式。下面將三種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析比較。 液壓驅(qū)動(dòng) 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： (1)能夠輸 出較大的力和力矩，同時(shí)能夠快速響應(yīng)，定位精度比較高。 (2)可以把機(jī)械手的一部分用作液壓缸，這樣既可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，又可以使其結(jié)構(gòu)簡單。 (3)可以方便的實(shí)現(xiàn)變速和方向控制，自動(dòng)化程度比較高。 A手動(dòng)擺動(dòng)氣缸 B升降氣缸 C伸縮氣缸 D小臂 E氣爪 1基座 2手臂關(guān)節(jié) 3手腕關(guān)節(jié) 4導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 5定位擋塊 圖 24 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡圖 (4)液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長。 但液壓系統(tǒng) 由于 產(chǎn)生泄露而 造成 運(yùn)動(dòng)精度 不高 。 同時(shí) 系統(tǒng)發(fā)熱 量比較大 ， 很難找出小的故障 。 氣壓驅(qū)動(dòng) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 (1)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，氣體選取方便，并且干凈環(huán)保。 (2)在管路中壓縮空氣 流動(dòng)速度比較快，所以該系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)比較快。 (3)與液壓控制系統(tǒng)相比，其工作壓力比較低。與液體相比，氣體體積比較大，且氣動(dòng)宜被壓縮，所以其定位精度不高，噪聲比較大。 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可分為普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需要用減速機(jī)構(gòu)來獲得較大的輸出力矩 ,但是因?yàn)槠鋺T性力矩比較大，所以要實(shí)現(xiàn)精確控制比較困難，適用于重型機(jī)械的控制。伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)因其輸出力 矩較小，側(cè)控制性能相對較好，可以對速度和位置的精確控制，適用于中、小規(guī)模的機(jī)器中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般用于開環(huán)控制系統(tǒng)，而交、直伺服電動(dòng)機(jī)主要用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，因?yàn)樗麄兊目刂凭炔皇呛芨摺? 各種驅(qū)動(dòng)方式及特點(diǎn)如表 所示 。 表 各種驅(qū)動(dòng)方式及特點(diǎn)的比較 驅(qū)動(dòng)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 氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓壓力低，輸出力較小，如需輸出力大時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸過大 可高速，沖擊較嚴(yán)重，精確定位困難。氣體壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易與 CPU連接 維修簡單，能在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄漏無影響 體積較大 中、小型專用機(jī)械手或機(jī)械手都有應(yīng)用 結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低 液壓驅(qū)動(dòng) 壓力高，可獲得大的輸出力 油液不可壓縮 ,壓力、流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火 在輸出力相同的情況下，體積比氣壓驅(qū)動(dòng)方式小 中小型專用機(jī)械手或機(jī)械手都有應(yīng)用，中型機(jī)械手多為液壓驅(qū)動(dòng) 液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜 電力驅(qū)動(dòng) 異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī) 輸出力較大 控制性能較差，慣性大，不易精確定位 維修 使用方便 要減速裝置，體積較大 適用于速度低、抓重大物體的專用機(jī)械手 成本低 步進(jìn)或伺輸出力較小 容易與 CPU連接，控制性能維修使用較復(fù)雜 體積較小 可用于程序復(fù)雜、運(yùn)成本較高 第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 11 服電機(jī) 好，響應(yīng)快，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜 動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)械手 機(jī)械聯(lián)動(dòng) 輸出力較 大 速度較高，速度與加速度均由機(jī)構(gòu)控制。定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步。不易與 CPU連接 維修使用方便 自由度多時(shí)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大 適用于自由度少，速度較高的專用機(jī)械手 結(jié)構(gòu)簡單，成本低 綜合進(jìn)行各方面的比較，我們選擇氣壓驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)，應(yīng)為其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、工作穩(wěn)定、污染幾乎為零、可以在高溫環(huán)境下工作、同時(shí)還可以抵抗各種電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今機(jī)械加工中應(yīng)用比較廣泛。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 第 三 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本課題機(jī)械手要求能實(shí)現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等的動(dòng)作，每一個(gè)動(dòng)作