【文章內(nèi)容簡介】 屬于棒性材料，故采用彈簧夾緊的夾持式手部結(jié)構(gòu)。 手部設(shè)計的基本要求 (一 )具有足夠的握力 (即夾緊力 ) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 (二 )手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角 。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 (三 )保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“ V”形面的手指，以便自動定心。 (四 )具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以 使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳 [9]。 （五）要求結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手部的負(fù)荷。 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式 :按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式 (或內(nèi)漲式 )和外夾式兩種 :按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型 (或稱直進(jìn)型 )，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指 。同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時， 就成為移動型。結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾第 3 章 手部、臂部和機身結(jié)構(gòu)設(shè)計 8 持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 手抓類型及夾緊裝置的選擇 常用的機械手的手部，按照握持工件的原理，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，不適合本方案?？紤]本設(shè)計機械手夾取工件的重量為 3Kg,且為圓棒型材料，機械手采取夾持式手指。 夾持式機械手按運動方式可分為回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單適于夾持平板 方料，且工件經(jīng)向尺寸變化不影響其中心的位置，其理論夾持誤差為零。但采用此種結(jié)構(gòu)，驅(qū)動力需要加在手指移動方向上，會使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大，顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。 因為工件較長，故夾緊用手部采用雙手雙指式手指夾持工件的兩端。當(dāng)機械手向下運動時，手指內(nèi)側(cè)的斜面碰觸工件外表面而使手指張開，工件進(jìn)入手指上的圓弧面處，靠彈簧的張力將工件夾緊。定位手部的夾緊和松開原理與夾緊用手部的動作原理相同，所不同的，它是利用滾輪架、滾輪使兩只手指同時閉合或張開，以保證工件上的第三檔凸輪凸起部分保持朝下，靠彈簧的張力使 其保持一定位置。本論文所設(shè)計的機械手的手部包括： 1個定位手部和 2個夾緊手部。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖 31 夾緊手部剖面圖 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 圖 32 定位手部剖面圖 手部夾緊力的計算 手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），一般來說，手指握力需克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化時所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），使得工件保持良好的夾緊狀態(tài)。握力的大小與被夾持工件的重量、重心位置、以及夾持工件的范圍有關(guān)，我們把握力假想為作用在手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力大小相等，方向相反，用 FN 表 示 ,可按下式 31計算： N 1 2 3F K K K G? （ 31） 其中， K1—— 安全系數(shù)，通常取 ～ ； K2—— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估算 2=1 /K a g? 其中， a —— 運載工件時重力方向運動最大加速度； max /a v t? 響 maxv—— 運載工件時重力方向的最大上升速度； t響 —— 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般取 ~； G—— 重力加速度 2g ? ； K3—— 方位系數(shù) 根據(jù)手指形狀及工件方位按工業(yè)機械手設(shè)計表 22選取。 G—— 被抓取工件重力（ N）。 本設(shè)計 1K 取 ， max /a v t? 響 =， 2=1 /K a g? =1+=， 3K 取 1， 第 3 章 手部、臂部和機身結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 機械手所抓工件重 3kg。 所以： N 1 2 3F K K K G? =1 .8 2. 75 1 3 9. 8? ? ? ? 146 N? 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 臂部設(shè) 計原則 機械手手臂的作用 ，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機械手所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進(jìn)行機械手手臂設(shè)計時，要遵循下述原則； ；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機械手的控制。 。工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機械手手臂末端工作空間并沒有考慮機械手手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機械手手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空 間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 ，應(yīng)在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質(zhì)材料，通常選用高強度鋁合金制造機械手手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機械手手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的 1/4，相當(dāng)于鋁合金的 2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機 械手手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機械手手臂的重量。 ，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機構(gòu)。 ，這對減小電機負(fù)載和提高機械手手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機械手的手臂時，應(yīng)盡可能利用在機械手上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機械手手臂的不平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。 臂部具體設(shè)計方案及計算 （一）具體設(shè)計方案 根據(jù)機械手實際工作需要，確定機械手的臂部需要實現(xiàn)升降和左右兩個相互垂直的直線運動。機械手的臂部由垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）組成。 直線運動一般通過液壓傳動或電機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)?？紤]到本設(shè)計機械手所搬運工件的重量適中，僅 3KG，屬中型重量；同時考慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。本設(shè)計選擇液壓驅(qū)動方式，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。 具體的設(shè)計方案為：機械手的垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動，通過 2 個相互垂直的液壓缸來實現(xiàn)。其中 :大臂液壓缸活塞桿的伸縮實現(xiàn)了機械手的升降，小臂液壓缸活塞的左右往復(fù)實現(xiàn)了機械手的左右平移。同時，因為控制和具體工作的要求，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的，所以在設(shè)計時另外增設(shè)了導(dǎo)向裝置。 目前常用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿等，在本機械手中采用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。在本 機械手中采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。本設(shè)計機械手的臂部剖面圖如圖 32所示。 第 3 章 手部、臂部和機身結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 圖 32 臂部剖面圖 （二）前后伸縮手臂的設(shè)計計算 前后伸縮手臂驅(qū)動力的計算 手臂作水平伸縮直線運動時所需的驅(qū)動力計算公式為 : F=F +F +F +F回慣 密摩 （ 32) 式中 : F慣 —— 在起動或制動時，活塞桿所受的平均慣性力 。 F摩 —— 摩擦阻力。手臂運動時，為運動件表面間的摩擦阻力。若是導(dǎo)向裝 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 置，則為活塞和缸壁等處得摩擦阻力 。 F密 —— 密封裝置處的摩擦阻力 (N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻力不同； F回 —— 液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力； （ 1） F慣 的計算 F =G v/(g t)??慣 總 （ 33） 式中 : G總 —— 參與運動的零部件所受的總重力（包括工件重量）； g—— 重力加速度，取 2m/s ； v? —— 由靜止加速到常速的變化量（ m/s）； t? —— 啟動過程時間（ s） ,一般取 ~，對輕載低速運動部件取較小值，對重載 高速運動部件取較大值。 所以 F =G v/(g t)??慣 總 35 9. 81 0. 35 / ( 9. 81 0. 1 )? ? ? ? = N (2) F摩 的計算。 = 39。GF ? 總摩 （ 34） 式中 G總 —— 參與運動的零部件所受的總重力（包括工件重量）； 39。? —— 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支承的截面形狀有關(guān)。 對于圓柱面： 39。? =（ ～ ） ? ? —— 摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時取 ? =~. 所以 = GF ? 總摩 = 35 ? ? ? 90? N （ 3） F密 的計算 采用“ O” 形密封圈，簡化計算時，可視作 F密 = （ 35） （ 4） F回 的計算 回油腔與油箱相連，可視為與大氣相連，故 F回 =0 第 3 章 手部、臂部和機身結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 所以由式（ 32）得驅(qū)動力 F=F +F +F +F回慣 密摩 =+90++0 ? 219 N 前后伸縮液壓缸的內(nèi)徑計算 手臂伸縮運動的驅(qū)動力 F 由雙作用單桿活塞油缸提供，活塞桿直徑 d，油缸 內(nèi)經(jīng) D,取 d=,油液壓力取 10 pa? ，則油缸內(nèi)徑計算如下： 221 ( d )p4FD??? 2 = 4 / (0 .75p )DF ? （ 36） ? ? 4910)(????????