【文章內容簡介】 手的運動范圍工業(yè)機械手的運動范圍，是指機械手在平面或空間的運動軌跡圖形的形狀及其大小，是機械手的技術參數(shù)之一。機械手所具有的自由度數(shù)目及其組合不同，其運動軌跡圖形也不同。而每個自由度的運動變化量（即直線運動的距離第 9 頁和回轉運動的回轉角度）的大小都決定著運動軌跡圖形的大小。一般情況下，臂部的自由度主要是用來確定手部以及工件（或工具）在空間的運動范圍和位置的。因此，臂部運動也稱為機械手的主運動，而腕部的自由度則主要用來調整手部以及工件（或工具）在空間的方位。表 所列為臂部幾種自由度的不同組合及其運動范圍的圖形。臂部具有一個自由度時的運動軌跡為宜直線或圓?。痪哂袃蓚€自由度時，其運動軌跡為一平面或圓柱面；具有三個自由度時，其運動軌跡則從面擴大到空間成為立方體或回轉體（包括圓柱體和球體等）表 為臂部運動組合的一般狀況。表 臂部自由度的組合及其運動范圍 組合運動自由度數(shù)直線運動（T）回轉運動（R）直線運動與回轉運動（T+R）1 一直線運動構成一個直線軌跡一回轉運動構成一圓弧軌跡2 二直線運動構成一個矩形平面二回轉運動構成一個球面軌跡一個直線運動與一個回轉運動組合：①當直線運動方向與回轉中心線垂直時構成扇面形②當直線運動方向與回轉中心線想平行時構成一個圓柱面3 三個直線運動構成一個立方體①二直線運動，一個回轉運動構成圓柱體②二個回轉運動，一個直線運動構成球體表 臂部運動組合的一般狀況第 10 頁3T 4% 4%2T 3% 60% 3%1T 2% 20%0T 3%0R 1R 2R 3R③工業(yè)機械手的各種運動形式如前所示，由于臂部自由度的不同組合，其運動范圍的圖形也不同，可以將其歸納為以下五種形式：1）圓柱坐標型。這種運動形式的機械手的臂部都具有回轉、伸縮與升降三個自由度，其與電腦范圍的圖形為一個圓柱體。它具有占地面積小而活動范圍大，結構較簡單，緊湊，并能達到較高的定位精度，應用廣泛，運動直觀性強。2）極坐標型。該運動形式工業(yè)機械手的臂部有一個直線運動與兩個回轉運動組成，即有一個伸縮，一個俯仰與一個回轉運動組成。其運動范圍的圖形為一個球體。它具有動作靈活、占地面積小而工作時的運動范圍大燈特點。但結構較復雜、定位精度較低、運動直觀性差。3）直角坐標型。直角坐標型的工業(yè)機械手的臂部由三個直線運動組成，即由沿 x,y,z 軸三個方向的運動組成。運動范圍的圖形為立方體。其特點是結構簡單、定位精度高、運動直觀性強，但占地面積打而工作范圍小，慣性大靈活性差。4）多關節(jié)型。這種運動形式的工業(yè)機械手的臂部類似人的手臂可作幾個方向的轉動，它由立柱和大、小兩臂組成，大小兩臂之間的聯(lián)接為肘關節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關節(jié)，客使大臂作回轉運動、小臂俯仰和大臂活動。其特點是工作范圍大、動作靈活、通用性強、能抓取靠近機座的物體，但是，其運動直觀性差，手部中心位置是由多個回轉角確定的， 要達到較高的定位精度很困難。5）SCARA 型。這種形式的機械手實為水平多關節(jié)型機械手，多用于裝配，故也被稱為裝配機械手。動作靈活、速度快、定位精度高。表 列出了各種第 11 頁運動形式的特點對比。表 各種運動形式特點對比形式 運動組合工作范圍所占空間運動慣性國外應用狀況國內應用狀況直觀性其它圓柱坐標型2T1R較大 較小 較大 最多 多 較強極坐標型 1T2R大 較小 較小 多 較少 差 能抓取地面物品直角坐標型3T 小 大 較大 少 較多 強多關節(jié)型 最大 較小 較小 較多 最少 最差 能繞過障礙選取途徑SCARA 型 大 小 較小 多 少 較差 用于裝配綜上所述，最后基本確定本設計工業(yè)機械手的運動形式為圓柱坐標型，自由度數(shù)為 5，包括腕部回轉、臂伸縮、臂升降、臂回轉、臂俯仰。其中，臂俯仰機構采用在伸縮臂的后方加裝一直線油缸，起平衡作用，減少工件帶來的偏移，而且使臂部可以俯仰，從而增大整個工業(yè)機械手的運動范圍。第 12 頁2 工業(yè)機械手的手部設計 概述手部機構是工業(yè)機械手最重要的執(zhí)行機構，它是工業(yè)機械手直接與工件、工具等接觸的部件，能執(zhí)行人手的部分功能。由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態(tài)的不同，其手部機構是多種多樣的。大部分的手部機構都是根據(jù)特定的工件要求而專門設計的。 手部機構形式各種手部的工作原理不同，故其結構形態(tài)各異。鉗爪式手部機構是最常見的形式之一，按其抓取工件的方式有兩種：外卡式和內撐式。從其機械結構特征、外觀與功用來看，有多種形式，且叫法不一，常用的手部機構有如下幾種：（1）拔桿連桿式鉗爪（2）平行連桿式鉗爪（3）齒輪齒條移動式鉗爪（4）重力式鉗爪（5）自鎖式鉗爪（6）自動定心鉗爪（7）抓取不同直徑工件的鉗爪（8）具有壓力接觸銷的鉗爪（9）抓勾與定位銷式鉗爪（10）復雜形狀工件用的自動調整是鉗爪（11）同時抓取一對工件的鉗爪一般鉗爪式手部機構由以下幾部分組成： 手指第 13 頁它是直接與工件接觸的構件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。一般情況下，機械手的手部只有兩個手指，少數(shù)是三個或多指 傳動機構它是向手指傳遞運動和動力、以實現(xiàn)夾緊和張開的機構。 驅動裝置它是向傳遞機構提供動力的裝置。安驅動方式不同，可有液壓、氣壓、電動和機械驅動。此外，還有連接和支承元件，將上述有關部分連成一個整體。 鉗爪式手部機構的選用要點 應具有足夠的夾緊力工業(yè)機械手的手部機構靠鉗爪夾緊工件后便把工件從一個位置移動到另一個位置，由于工件本身的重量以及移動過程中產生的慣性力和振動等，鉗爪必須具有足夠大的夾緊力，以保證工件在移動過程中不致產生松動或脫落。 應具有足夠的張開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張開角。手指的張開角應保證工件能順利進入或脫開，而且夾持工件的中心位置變化要?。炊ㄎ徽`差?。?，若夾持不同直徑的工件，應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，對于移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。 應能保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的鉗爪形狀來定位。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 應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。第 14 頁 應適應被抓取對象的要求 ①適應工件的形狀：工件的形狀為圓柱形，則采用帶“V”型鉗口的手爪，工件形狀為圓球形則選用二指或三指鉗爪，對于特殊形狀的工件應設計與工件向適應的鉗爪。②適應工件被抓取部位的尺寸：工件被抓取部位的尺寸盡可能是不變的，若加工尺寸略有變化，那么鉗爪應能適應尺寸變化的要求，工件表面要求高的，對鉗爪應采取相應的措施，如加軟墊等。③適應工作位置的狀況：如工作位置窄小時可用薄片型鉗爪 應盡可能具有一定的通用性鉗爪一般專用性較強，在可能的情況下，應考慮到產品零件的更換。為適應不同形狀和尺寸的要求，可將鉗爪制成組合式結構，也可在設計時適當選取其結構尺寸和參數(shù)以擴大其適應范圍。綜上所述，選用滑槽杠桿式鉗爪。 滑槽杠桿式鉗爪的夾緊力分析與計算，拉桿2端部安裝著圓柱銷3，當拉桿2向上拉時，圓柱銷就在兩個鉗爪4的滑槽中移動，帶動鉗爪4繞 與 兩回轉指點回轉夾緊工件。當1O2拉桿2向下推時，使鉗爪4松開工件。設P為作用在拉桿2上的驅動力， 為兩鉗1P爪的滑槽對圓柱銷的作用力， N為鉗爪的夾緊力。第 15 頁 滑槽杠桿式鉗爪1—手架；2—拉桿；3—圓柱銷；4—鉗爪根據(jù)圓柱銷的平衡條件 可知??0Fcos ，則1P???cos2按照鉗爪的平衡條件 得?0MNbhP?11因為 ，?cosah?所以 （）PbN2)s1(式中 a——鉗爪回轉支點 （或 ）到對稱中心線的距離；1O2第 16 頁b——鉗爪回轉支點到鉗口中心線的距離從式（）可知，在驅動力P一定的情況下， 增大，則夾緊力N也隨之增大，?但 過大會導致拉桿（即活塞桿）的行程過大，以及鉗爪滑槽部分尺寸長度增?大，使手部結構加大，所以一般取 =30176?！?0176。為宜。本設計選取30176。因為鉗爪會在各個方向都抓取工件，所以，在計算當量夾緊力時，以最大夾緊力來計算： ?查表得，鋼與鋼的靜摩擦力系數(shù)f=所以，N=5G=5*30*10=1500（N） 滑槽杠桿式鉗爪手部機構的驅動力計算，a=225mm，b=150mm， =30176。?又求得N=1500(N) PN2)30cos1(5*2??P=1500(N)即 (N)1計 算P （）?21K計 算實 際 ?式中 ——手部機構的機械效率（～） ——安全系數(shù)（～）1 ——工作情況系數(shù)，主要應考慮慣性力的影響。 ，a為2K gK??12被抓取工件的最大加速度，本設計取1m/ 。2s最后求得， =2911（N）實 際P第 17 頁 手部夾緊液壓缸的設計與計算由式（）得， =2911（N）實 際P根據(jù)表 和表 選取液壓缸的工作壓力，小于 5000N，所以液壓缸的工作壓力 P=1MPa載荷/KN 5 5~10 10~20 20~30 30~50 50工作壓力/MPa~1 ~2 ~3 3~4 4~5 ≥5表 按載荷選擇工作壓力液壓缸的公稱壓力系列（GB/T79381987）(Mpa),4,10,16,25,液壓缸內徑系列(GB/T23481993)(mm)8,10,12,16,20,25,32,40,50,63,80,(90),100,(110),125,(140),160,(180),200,(220),250,(280),320,(360),400,(450),500,液壓缸活塞桿外徑尺寸系列（GB/T