【文章內(nèi)容簡介】 動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適合抓取大小不同的物體。(3)連桿杠桿式手爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力，通常與彈簧聯(lián)合使用。(4)齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。(5)平行杠桿式手爪這種手爪采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。本機(jī)械手采用的是連桿杠桿式手爪。2．機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則：(1)機(jī)械手手腕的自由度，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。機(jī)械手手腕自由度數(shù)目越多，各關(guān)節(jié)的運動角度越大，則機(jī)械手腕部的靈活性越高，機(jī)械手對作業(yè)的適應(yīng)能力也越強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會導(dǎo)致其腕部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，使機(jī)械手的控制變得更困難，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，一般機(jī)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(jī)械手手腕不需要自由度，僅憑手臂和腰部的運動就能完成作業(yè)任務(wù)，所以要具體問題具體分析，考慮機(jī)械手的多種布局和運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。(2)機(jī)械手腕部安裝在機(jī)械手手臂的末端，在設(shè)計機(jī)械手手腕時，應(yīng)盡量減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)械手腕部的重量，腕部機(jī)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(qiáng)度的鋁合金制造。(3)機(jī)械手手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，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。(4)機(jī)械手的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運動的傳遞。(5)要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。(6)手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。機(jī)械手的手臂運動，給出了機(jī)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(jī)械手手臂末端的手腕，則給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，它與機(jī)械手手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上末端執(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?？紤]到機(jī)械手的優(yōu)化，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求，因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。3．機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計機(jī)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(jī)械手所要求工作空間內(nèi)的運動。在進(jìn)行機(jī)械手手臂設(shè)計時，要遵循下述原則；(1)應(yīng)盡可能使機(jī)械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行，相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點，這樣可以使機(jī)械手運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機(jī)械手的控制。(2)機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)械手工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)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(jī)械手手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)械手手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機(jī)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。(3)為了提高機(jī)械手的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)和材料上減輕手臂的重量。機(jī)械手在高強(qiáng)度輕質(zhì)材料的選擇上，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)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(jī)械手手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)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仍然是進(jìn)行機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)械手手臂的重量。(4)機(jī)械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運動誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有可靠的便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。(5)機(jī)械手的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)械手手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機(jī)械手的手臂時，應(yīng)盡可能利用在機(jī)械手上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)械手手臂上的不平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。(6)機(jī)械手手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)，具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，驅(qū)動裝置，傳動機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。本設(shè)計按照工件的直徑為50mm來設(shè)計，結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式的手爪。通過驅(qū)動活塞往復(fù)移動，活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)節(jié)。： 機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)圖4．機(jī)械手驅(qū)動方案的選擇工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源可分為液壓、電動和氣動三大類，根據(jù)需要也可將這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下：(1)液壓驅(qū)動系統(tǒng)由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點，適合于在承載能力大，慣量大的環(huán)境下工作的機(jī)械手。相比于液壓驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點，其缺點同樣很多：液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等)，液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高。且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。(2)電動驅(qū)動系統(tǒng)電動驅(qū)動系統(tǒng)由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）而在機(jī)械手中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活，但大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機(jī)械手中也被廣泛的使用。(3)氣動驅(qū)動系統(tǒng)氣動驅(qū)動系統(tǒng)適用于中、小負(fù)荷的機(jī)械手，它有如下優(yōu)點：介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器且介質(zhì)清潔，管道不易堵，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題。阻力損失和泄漏較小。在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動及其控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動和控制性能。成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。氣動驅(qū)動系統(tǒng)的缺點在于實現(xiàn)伺服控制較困難，所以多用于程序控制的機(jī)械手中，如在上、下料和沖壓機(jī)械手中應(yīng)用較多。另外，傳統(tǒng)觀點認(rèn)為:氣體具有可壓縮性。因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下) [2]。此外，氣源工作壓力較低，抓舉力較小，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實用性和前景存在不少疑慮。設(shè)計機(jī)械手時，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機(jī)械手的用途、作業(yè)要求、性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。一般情況下：物料搬運（包括上下料）使用有限點位控制的程序控制機(jī)械手，重負(fù)荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機(jī)械手多采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)械手，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只有液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機(jī)械手多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。重負(fù)荷的任意點位控制的點焊及搬運機(jī)械手一般選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。由于本次設(shè)計的機(jī)械手為多工位沖床上下料機(jī)械手，抓重為3kg，屬于輕負(fù)荷，且氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉，故應(yīng)選擇氣動驅(qū)動系統(tǒng)。5．機(jī)械手氣壓驅(qū)動系統(tǒng)總體設(shè)計氣動驅(qū)動系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式點位控制或有限點位控制的中、小機(jī)械手作業(yè)。這類機(jī)械手多是圓柱坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型或二者的組合型結(jié)構(gòu)；35個自由度；負(fù)荷在200N以下；速度3001000mm/s；?？刂蒲b置目前多數(shù)選用可編程控制器（PLC）。在易燃、易爆的場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。氣動驅(qū)動系統(tǒng)大體由以下幾部分組成。(1)氣源由壓縮空氣站提供。氣源部分包括空氣壓縮機(jī)，儲氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過濾器等。如果沒有壓縮空氣站，可以按機(jī)械手及其配套的其他氣動設(shè)備的需要，配置相應(yīng)供氣量的氣源設(shè)備。(2)氣動三聯(lián)件由分水濾氣器，調(diào)壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯(lián)組裝式的，多數(shù)情況下用三聯(lián)組裝式結(jié)構(gòu)。不論是由壓縮空氣站供氣還是用單獨的氣源供氣，氣動三聯(lián)件是必備的。雖然用無潤滑氣缸可以不用油霧器，但是一般情況下，建議在氣路上裝上油霧器，以減少氣缸摩擦，增加氣缸使用壽命。(3)氣動閥氣動閥的種類很多，在工業(yè)機(jī)械手的氣動驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調(diào)速閥、減壓閥等。(4)氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動氣缸）。直線氣缸分單動式和雙動式兩類，除個別用單動式氣缸外（如手爪機(jī)構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動氣缸。為實現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點緩沖的氣缸。氣缸的結(jié)構(gòu)形式以及與機(jī)械手機(jī)構(gòu)的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設(shè)計機(jī)械手時根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定。氣缸的內(nèi)徑，行程大小可根據(jù)對機(jī)械手的運動分析和動力分析進(jìn)行計算。為了確保氣缸的密封要求，同時又要盡量降低摩擦力，密封材料要選用橡膠和氟化塑料組合的密封環(huán)。無接觸感應(yīng)式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得廣泛的應(yīng)用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應(yīng)，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開關(guān)動作發(fā)訊，進(jìn)行位置檢測。除了直線氣缸外，機(jī)械手中用得比較多還有有限角擺動氣缸，這種擺動缸多用于手腕機(jī)構(gòu)上。(5)制動器氣動機(jī)械手的定位問題很大程度上是如何實現(xiàn)停點的制動。，如果以1m/s的速度計算，電磁氣閥以較大關(guān)閉時間70ms計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為70mm，兩個停點的步長應(yīng)大于這個數(shù)值。對于小流量的電磁氣閥，吸合關(guān)閉時間較小，停點的步長也要相應(yīng)縮短。因此對機(jī)械手一個單自由度而言，停點數(shù)目最多69個，為增加定位點數(shù)，除采用多位置氣缸外，可采用的制動方法還有：反壓制動，制動裝置制動。(6)限位器氣動機(jī)械手各運動軸的制動和定位點到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，或由限位開關(guān)發(fā)訊。根據(jù)要求和條件，如果選用無接觸感應(yīng)式氣缸，其限位開關(guān)是無接觸接近開關(guān)，這種開關(guān)的反映時間小于20ms，在機(jī)械手中應(yīng)用比較理想。當(dāng)氣缸活塞運動到定位點時，為保證定位精度，需要將運動軸鎖緊，常用的限位機(jī)構(gòu)是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機(jī)構(gòu)（插鎖，滑塊等）將機(jī)械手運動機(jī)構(gòu)鎖定，再啟動時，先打開鎖緊機(jī)構(gòu)。6．機(jī)械手導(dǎo)向裝置的選擇氣壓驅(qū)動的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，保證手指的正確方向，活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，所以在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)該盡量減少運動部件的重量和對回轉(zhuǎn)中心的慣量。導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計中采用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。7．機(jī)械手平衡裝置的選擇通常，機(jī)械手所采用的平衡機(jī)構(gòu)主要有以下幾種：(1)配重平衡機(jī)構(gòu)這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。(2)彈簧平衡機(jī)構(gòu)彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。(3)活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動兩種：液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆?