【文章內(nèi)容簡介】 坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) ； 工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。 各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，在這里我們選擇圓柱坐標(biāo)形式。 圓柱坐標(biāo)機械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖22。這種機械手構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 圖 22 機械手的 四種坐標(biāo)形式 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 13 回轉(zhuǎn)范圍： ； 手臂最大中心高： mm1200 手臂運動參數(shù) 伸縮行程 120mm 伸縮速度 40mm/s 升降行程 120mm 升降速度 60mm/s 手指夾持范圍：光軸棒料， Φ60mm~Φ120mm ，長度 450~1200mm； 定位方式 :行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊 等 ； 驅(qū)動方式：氣壓驅(qū)動 ； 定位精度： 177。 1mm。 2． 2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 手部設(shè)計要求 手部設(shè)計要求如下： (1) 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力 應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下， 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。 (2) 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，即開閉角 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)保證當(dāng)機械手夾持工件時能順利夾住或放松，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件 考慮， 以便于抓取工件。 (3) 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，以利于減輕手臂負(fù)載 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，此外，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。 (4) 應(yīng)保證手抓的夾持精度，使工件準(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。 第二章 機械手方案設(shè)計及計算 14 手部選型及計 算 手部是用來直接握持工件的部件，由于被握工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，歸結(jié)起來常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。 夾 持式手部結(jié)構(gòu)由手指 (或手爪 )和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 夾持類常見的主要有夾鉗式，鉤托式和彈簧式。按夾持工件時的運動方式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。夾持式中常用的有兩指式、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?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，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。 通過綜合評估，本設(shè)計選擇二指雙支點回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開式夾緊裝置。 下面 對其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析： 滑槽杠桿 : 下圖為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 在杠桿 3的作用下，銷軸 2 向上的拉力為 F，并通過銷軸中心 O 點，兩手指 1 的滑槽對銷軸的反作用力為 F1和 F2。 其力的方向垂直于滑槽的中心線 1oo 和 2oo 并指向 o 點，交 1F 和 2F 的延長線于 A及 B。 由 ?XF =0 得 1F = 2F ?YF =0 得 1F = ?2cosF 1F = 39。1F 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 αααα αα 由 ?Mol(F) =0 得 39。1F = NF 178。h cosah ?? F= 2cosNb Fa ? (21) 式中 a—— 手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離 (mm) ? —— 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角 。 由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力 F 一定時， ? 角增大，則握力 NF 也隨之增大，但 ? 角過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好 ? = 030 ~ 040 。 手部夾緊力和驅(qū)動力計算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù) 。必須對大小、方向和作用點進(jìn)行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： 1 2 3NF K K K G? (22) 式中 1K —— 安全系數(shù)，通常 ~； 2K —— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率?估 ga1K2 ?? 其中 a第二章 機械手方案設(shè)計及計算 16 是重力方向的最大上升加速度 maxva t?響， g= m/s ； maxv —— 運載時工件最大上升速度； t響 —— 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般選取 ~； 3K —— 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇； G—— 被抓取工件所受重力（ N）。 計算： 令 a=50mm,b=150mm,? =30176。；機械手達(dá)到最高響應(yīng)時間為 ，求夾緊力 NF ，驅(qū)動力 F 。 (1) 設(shè) 1K = maxV =100 mm/s st = ga1K2 ?? = ?= 3K = 根據(jù)公式，將已知條件帶入： ? NF =179。 179。 179。 300=225N 根據(jù)驅(qū)動力公式得： (2) 計算F = abcos2 2? NF = 22550 30c os1502 2 ???? = 取 ?? (3) ?計算實際 FF ?= =1192N 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 17 圖 23 手爪及氣缸 氣缸的直徑確定 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣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 ? 式中 : 1F 活塞桿上的推力， N； tF 彈簧反作用力， N； zF 氣缸工作時的總阻力， N； P 氣缸工作壓力， Pa。 彈簧反作用按下式計算 : )1( sGF ft ?? nDGdGf 3141? fG = nDGd31418 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預(yù)壓縮量， m 第二章 機械手方案設(shè)計及計算 18 s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， m 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(fù)載率 ? 的影響，則 :tFpDF ?? 421 ?? 由以上分析得單向作用氣缸的直徑 :??p FtFD )(4 1 ?? 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 ?fGnDGd31418? 4333915)1030(8 )( ??? ??? ?? )/( mN? )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 所以 : ?DpnFtF? )1(4 ? ? )(4 ?? ??? )( mm? 查有關(guān)手冊圓整，得 mmD 65? 由 ??Dd ,可得活塞桿直徑 : mmDd )( ???? 圓整后，取活塞桿直徑 mmd 18? 校核，按公式 ][)4//( 21 ?? ?dF 有 : ])[/14( ??Fd ? 其中， [? ] MPa120? ， NF 11921 ? 則 : )120/11924( ??? ?d ?? mm 故其 滿足實際設(shè)計要求。 缸筒壁厚的設(shè)計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算 : ][2/ ?? pDP? 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 19 式中 :? 缸筒壁厚， mm D 氣缸內(nèi)徑， mm pP 實驗壓力，取 PPp ? , Pa 材料為 :ZL3,[? ]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )( )1032/(1066565mm? ????? 取 ?? ，則缸筒外徑為 : )( mmD ???? 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 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)。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角 度小于 ?360 ，并且要求嚴(yán)格的密封。 腕部設(shè)計要求 ，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。機械手手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運動角度愈大，則機械手腕部的靈活性愈高，機械手對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機械手的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機械手手腕的自由度數(shù)為 2至 3個，有的需要更多的自由度，而有的機械手手腕 不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。 ，在設(shè)計機械手手腕時，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機械手腕部的重量，腕部機構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強度的鋁合金制造。 ，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 第二章 機械手方案設(shè)計及計算 20 ，以保證力與運動的傳遞。 機械手的手臂運動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運動），給出了機械手末端執(zhí)行器在其工作 空間中的運動位置，而安裝在機械手手臂末端的手腕，則給出了機械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機械手手腕是機械手操作機的最末端，它與機械手手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 腕部的總體設(shè)計要求如下： (1) 力求結(jié)構(gòu)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(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 (2) 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕 部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔(dān)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(yīng)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 對于本設(shè)計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，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(zhì)中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。 因此，要具體問題具體分析，考慮機械手的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。在本設(shè)計中手腕不需要自由度，作為手爪與手部的鏈接裝置。 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 手臂部件的作用是支 承腕部和手部并帶動它們做空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。一般來說臂部具有三個自由度就能滿足要求，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn) (機身 )和升降運動。 臂部設(shè)計要求 臂部的設(shè)計要求主要如下： ，相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣有利于機械手的控制； 。工作空間的形狀和大小與河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 21 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； ，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； ，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； 塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。 手臂的各種運動通 常由常用的驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機械手的工作性能。 常見的手臂結(jié)構(gòu)有以下幾種： （ 1）雙導(dǎo)桿手臂伸縮機構(gòu)。 （ 2）手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回 轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；復(fù)合