【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 同分為簡(jiǎn)易式機(jī)械手和伺服式機(jī)械手，一般伺服式機(jī)械手采用數(shù)控技術(shù)控制其運(yùn)動(dòng)[27]圖23 通用圓形機(jī)械手 （1）液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以液壓驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。其特點(diǎn)是：抓重較高、反應(yīng)靈敏、傳動(dòng)穩(wěn)定。但要求嚴(yán)格密封裝置的密封性，液壓油泄漏會(huì)產(chǎn)生對(duì)機(jī)械手及周圍環(huán)境十分巨大的影響，且成本高。（2）氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以壓縮空氣驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。其特點(diǎn)是以空氣為介質(zhì)，成本低廉、取用方便，使用安全性高，適用于易燃易爆等場(chǎng)合。綠色環(huán)保，空氣使用后可直接排放，不會(huì)造成二次污染，配件價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用更換成本較低。維護(hù)修理簡(jiǎn)單，勞動(dòng)者不需通過(guò)高端培訓(xùn)即可熟練掌握。氣缸具有模塊性，方便對(duì)現(xiàn)有機(jī)器進(jìn)行改裝。能夠儲(chǔ)存能量，以便應(yīng)急使用。自身具備過(guò)載保護(hù)。能持續(xù)進(jìn)行工作，過(guò)載工作時(shí)能自動(dòng)減壓（泄氣）而停止工作，充氣加壓后可繼續(xù)工作，不會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。運(yùn)動(dòng)速度較高。（3）機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如連桿、凸輪等)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。其特點(diǎn)：附屬于主機(jī)之上，由工作機(jī)械進(jìn)行動(dòng)力傳遞。運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)、動(dòng)作大、結(jié)構(gòu)大、程序固定。通常用于設(shè)備工作主機(jī)的上料、下料工作。（4）電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用感應(yīng)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。其特點(diǎn)：無(wú)需轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)、行程較長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單。（1）點(diǎn)位控制。運(yùn)動(dòng)軌跡為兩點(diǎn)間的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)確定幾個(gè)點(diǎn)位置來(lái)控制整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡控制點(diǎn)數(shù)越多，電氣控制系統(tǒng)越復(fù)雜。但由于該方法控制簡(jiǎn)單，目前被廣泛使用于專用機(jī)械手和通用機(jī)械手中。（2）軌跡控制。運(yùn)動(dòng)軌跡不受點(diǎn)位制約，可以在空間范圍內(nèi)進(jìn)行任意曲線運(yùn)動(dòng)，控制器控制整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)且準(zhǔn)確，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁瑣，此類機(jī)械手主要采用計(jì)算機(jī)輔助控制，應(yīng)用范圍廣泛。 機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及選材原則在機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)同時(shí)考慮到零件的設(shè)計(jì)要求和工藝要求。產(chǎn)品的質(zhì)量和成本會(huì)受到工藝要求的影響。一般應(yīng)滿足以下要求：（1）在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)完全保證零件尺寸標(biāo)準(zhǔn)化和互換性。便于后期的維修更換。（2）零件尺寸基準(zhǔn)選擇要合理規(guī)范，尺寸標(biāo)注之前應(yīng)首先考慮，同時(shí)注意設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)要重合、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)同定位基準(zhǔn)盡量保證重合。（3）在滿足零件設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮到零件制造、加工、裝配的整體工藝路線。（4）零件尺寸精度按照零件功能的要求進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定過(guò)低影響產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計(jì)過(guò)高會(huì)增加成本。機(jī)械手的設(shè)計(jì)再考慮到零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還要考慮到其材料工藝的選擇。選材要考慮到其零件的使用性、制造過(guò)程及成本等幾個(gè)方面，應(yīng)滿足以下要求：（1）使用性在機(jī)器零件的設(shè)計(jì)上，通過(guò)分析零件工作條件和失效形式，對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行分析，是使用性能的一個(gè)重點(diǎn)。（2）工藝性通過(guò)工藝性能分析，對(duì)加工形式進(jìn)行分析設(shè)定。在滿足使用性能的前提下，選擇更易加工的材料能夠大大降低加工難度。這項(xiàng)指標(biāo)也會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)生影響。（3）經(jīng)濟(jì)性選材應(yīng)保證其整體成本最低。零件壽命、重量、研究費(fèi)、加工費(fèi)、維修費(fèi)都會(huì)涉及總體成本，材料價(jià)格的高低是選材重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。確保零件的使用、工藝性能基礎(chǔ)之上，降低材料價(jià)格，壓縮成本以增加經(jīng)濟(jì)效益更大化，提高市場(chǎng)上產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，是工程設(shè)計(jì)中一貫堅(jiān)持的重要原則。 本章小結(jié)本章針對(duì)現(xiàn)階段機(jī)械手現(xiàn)階段發(fā)展情況，從組成、分類及設(shè)計(jì)與選材原則三個(gè)方面對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了全面的介紹，確定機(jī)械手由執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分、控制部分、檢測(cè)部分四部分組成；按照用途、驅(qū)動(dòng)方式、控制方式的不同進(jìn)行了分類；對(duì)機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則、機(jī)械手部件的選材原則進(jìn)行了分析，為機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的確定提供了參考依據(jù)。第3章 華中CK6132數(shù)控車床用機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 華中CK6132數(shù)控車床用機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手工作環(huán)境及設(shè)計(jì)要求本課題參照華中CK6132數(shù)控車床為載體進(jìn)行機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖31所示。表31為CK6132數(shù)控車床技術(shù)參數(shù)。圖31 CK6132機(jī)床（華中）表31 數(shù)控車床技術(shù)參數(shù)序號(hào)項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)備注1床身最大回轉(zhuǎn)直徑￠320mm2托板最大直徑￠160mm3最大工件長(zhǎng)度750/1000mm4主軸轉(zhuǎn)速范圍100300rpm5主軸通孔直徑￠38mm6主軸內(nèi)孔錐度MT57主軸外端椎體錐度D48刀架刀位數(shù)49車刀刀桿最大尺寸1818mm10電機(jī)最小設(shè)定單位 步進(jìn)/伺服Z向X向11刀桿快移速度 步進(jìn)/伺服Z向3m/X向3m/12尾座套筒內(nèi)孔錐度MT313主電機(jī)功率14車床外形尺寸1800/20509501680mm15車床毛重800/900kg通過(guò)分析數(shù)控車床自身特點(diǎn)，結(jié)合零件抓取時(shí)對(duì)機(jī)械手的技術(shù)要求，CK6132數(shù)控車床用機(jī)械手應(yīng)滿足表32的設(shè)計(jì)參數(shù)，并滿足裝夾時(shí)機(jī)械手與卡盤的隊(duì)中精度要求，同時(shí)考慮到機(jī)械手的經(jīng)濟(jì)性能。表32設(shè)計(jì)參數(shù)表 設(shè)計(jì)方案分析根據(jù)以上要求，共設(shè)計(jì)兩種機(jī)械手安裝方案：1． 將機(jī)械手機(jī)構(gòu)的基座安裝在數(shù)控車床身后，采用地面支撐的形式，在基座上安裝機(jī)械手支架，支架連接懸空機(jī)械手手臂，如圖32；圖32 方案一原理圖方案一通過(guò)氣動(dòng)系統(tǒng)控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手爪可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和水平移動(dòng)，通過(guò)傳感器定位，最大程度保證對(duì)中精度。2．基座采用門架支撐結(jié)構(gòu)，機(jī)械手放置在數(shù)控機(jī)床上空，如圖33；1工件裝卸臺(tái) 2車床床身 3車床卡盤 4手爪 5機(jī)械手直臂 6機(jī)械手橫臂 7固定支架圖33 方案二原理圖方案二通過(guò)氣動(dòng)系統(tǒng)控制機(jī)械手；機(jī)械手爪應(yīng)可以在xy平面移動(dòng)，并可以實(shí)現(xiàn)夾持動(dòng)作；擬采用傳感器進(jìn)行數(shù)控車床的工件定位，以保證其對(duì)中精度。從圖33中可以看出， Yc位置在機(jī)械手裝配調(diào)整后不再變動(dòng)，通過(guò)保證起、終點(diǎn)的定位精度和位置精度，來(lái)保證定位和重復(fù)定位精度，即為靜態(tài)定位精度。其間運(yùn)動(dòng)若干個(gè)點(diǎn)的距離和位置控制Zs定位精度，與靜態(tài)定位精度不同，一般為動(dòng)態(tài)定位精度。采用伺服電機(jī)雖然在精度上能滿足要求，但往往導(dǎo)致提高經(jīng)濟(jì)成本。方案一與方案二相比較具有以下特點(diǎn)：1．方案一占據(jù)空間小，方案二占據(jù)空間較大；2．方案一、方案二經(jīng)濟(jì)成本基本相同；3．方案二精度可靠，實(shí)用性較高。綜合三方面實(shí)際情況綜合考慮，最終確定方案二為設(shè)計(jì)方案?；谶@樣的分析和實(shí)際要求，再考慮氣動(dòng)執(zhí)行元件的特點(diǎn)和當(dāng)前的技術(shù)性能，可以獲得這樣的認(rèn)識(shí)：氣缸對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中的起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置能夠進(jìn)行有效控制，保證定位精度。可以通過(guò)氣動(dòng)技術(shù)作為控制方式，相比較伺服電機(jī)控制將有效降低成本。再深一步分析，幾個(gè)問(wèn)題仍然存在：1．定位精度要求能夠通過(guò)機(jī)械式氣缸實(shí)現(xiàn)，但在距離較長(zhǎng)、跨度較大的情況下使用尚無(wú)先例，尚需研究和驗(yàn)證Z方向的精度及其機(jī)械結(jié)構(gòu)。2．定位精度原理上已經(jīng)得以滿足，實(shí)際使用過(guò)程中， Yf調(diào)整應(yīng)該在裝配初期就已完成，對(duì)中精度的保證，通過(guò)調(diào)整Yc即機(jī)械手的行程距離來(lái)完成，調(diào)整行程的精確是相對(duì)困難的；機(jī)械手支架具有一定高度，在安裝后需要重新精確調(diào)整行程十分困難。以上兩個(gè)問(wèn)題是阻礙氣動(dòng)技術(shù)在自動(dòng)裝卸機(jī)械手中運(yùn)用的主要技術(shù)難題，如果能夠得到圓滿的解決，就可以考慮在機(jī)械手上采用氣動(dòng)控制方式，完成對(duì)工件進(jìn)行自動(dòng)裝卸。按照上面的分析，解決該技術(shù)難題考慮用以下3個(gè)技術(shù)方案：1．保證卡盤的對(duì)中距離Yc精度通過(guò)微調(diào)裝置進(jìn)行精度調(diào)整。在手爪部位安裝精密微調(diào)裝置，操作者可自地面進(jìn)行對(duì)微調(diào)裝置的調(diào)整。此方案重點(diǎn)在于微調(diào)裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、安裝方便、使用便捷，還要控制成本。2．保證裝夾深度Zs的技術(shù)方案本方案中機(jī)械手需要保證多點(diǎn)重復(fù)定位，通過(guò)機(jī)械式無(wú)桿氣缸與控制器結(jié)合使用，以保證水平裝夾定位精度。3．保證水平移動(dòng)距離水平Zt 的技術(shù)方案為了防止由于氣缸變形而導(dǎo)致對(duì)精度的影響，采用在機(jī)床上空設(shè)置門架的方式來(lái)固定安裝水平氣缸，保證其工作范圍。如圖34所示，為氣動(dòng)裝卸機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖34氣動(dòng)裝卸機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì)及功能分析 機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì)理念隨著現(xiàn)今快節(jié)奏、多樣化的新要求，傳統(tǒng)的制造方式和設(shè)計(jì)思想已難以適應(yīng)。模塊化設(shè)計(jì)理念隨之誕生。模塊化理念是通過(guò)設(shè)計(jì)使機(jī)構(gòu)中相獨(dú)立的部分成為獨(dú)立功能單元。針對(duì)不同的需求，通過(guò)不同單元的組合，來(lái)形成最終的整體方案。體現(xiàn)了發(fā)展模塊化氣動(dòng)機(jī)械手和實(shí)用性[28]。一個(gè)優(yōu)秀的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠保持機(jī)構(gòu)中每項(xiàng)功能及部件的獨(dú)立性。在設(shè)計(jì)中盡可能使機(jī)構(gòu)中形成每個(gè)基本功能及部件互相獨(dú)立。在的模塊化設(shè)計(jì)的早期理念中，主要是根據(jù)兩個(gè)特征來(lái)定義模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的，一是保證功能結(jié)構(gòu)具有一定相似性和物理結(jié)構(gòu)具有一定相似性；二是保證部件間具有相互協(xié)調(diào)、相互銜接的遞進(jìn)關(guān)系。1．模塊劃分的一般原則對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模塊化的獨(dú)立設(shè)計(jì)，一般從以下五個(gè)方面進(jìn)行劃分[29]：（1）增多組合方案，提高適用范圍；（2）模塊數(shù)量盡量少，減輕組裝工作量；（3）模塊成本需要合理；（4）充分考慮產(chǎn)品的精度、剛度對(duì)模塊的影響；（5）各模塊自身相對(duì)獨(dú)立、完整。 2. 模塊設(shè)計(jì)的一般方法同一個(gè)系統(tǒng)即存在功能體系，又同時(shí)存在構(gòu)造體系。功能體系與構(gòu)造體系兩者之中，更為本質(zhì)的是功能體系。在系統(tǒng)中一種功能在另一種功能的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，我們稱之為功能的上下關(guān)系也或是功能的前后級(jí)關(guān)系。一般用下位功能定前者，用上位功能定為后者。一個(gè)功能對(duì)于不同角度，既可以定位為上位功能，又可以定位為下位功能。還有一種功能，即由一個(gè)功能的產(chǎn)生而同時(shí)出現(xiàn)的幾個(gè)功能，且這幾個(gè)功能不存在上下關(guān)系，我們稱之為并列功能。3．機(jī)械手模塊及組成模塊式機(jī)械手是根據(jù)作業(yè)的要求，分離能夠完成機(jī)械手基本功能的單元模塊，組合成通用的部件。將底座作為模塊化機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)，配備不同的組合模塊和控制功能，完成不同的功能要求。通過(guò)對(duì)部分部件的重新設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單改動(dòng)，完成產(chǎn)品的變化需求，能夠快速、高效的投入到生產(chǎn)，并且節(jié)省成本。機(jī)械手一般由底座、立柱、手臂等通用部件組成。并且將互換性、繼承性理念貫穿于連接件和關(guān)節(jié)之中，使之能夠能通過(guò)一部分功能模塊的增加或改變來(lái)滿足不同的工作要求。 模塊化機(jī)械手結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)流程采用模塊化的設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)氣動(dòng)裝卸機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，機(jī)械手分為三個(gè)模塊:臂部模塊（直臂模塊和橫臂模塊）、腕部模塊和手部模塊，圖35所示。圖35機(jī)械手各部分模塊機(jī)械手的設(shè)計(jì)流程圖如圖36所示：圖36 機(jī)械手的設(shè)計(jì)流程圖 機(jī)械手模塊組成及功能分析1．手部模塊的組成及功能分析（1）功能及結(jié)構(gòu)分析機(jī)械手抓取工件主要是通過(guò)手指來(lái)完成的，氣動(dòng)機(jī)械手的氣爪是目前在抓取技術(shù)中應(yīng)用最普遍的方式。氣爪一般分為2指、3指和多指氣爪。氣動(dòng)機(jī)械手氣爪優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)對(duì)中、抓取雙向、高精度、力恒定等。機(jī)械手抓取數(shù)控車床的工件主要是以棒料為主，例如設(shè)計(jì)規(guī)格￠806Omm的圓柱型工件。根據(jù)上面對(duì)工件抓取時(shí)的特點(diǎn)，考慮到抓取過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性，圓柱形工件一般選用3手指氣爪來(lái)進(jìn)行抓取。以設(shè)計(jì)規(guī)格￠806Omm棒料為例，擬選用MHS363DY59AL型號(hào)，缸徑63mm的氣爪，如圖37所示。 圖37機(jī)械手三手指氣爪實(shí)體圖 圖38手指直徑變化范圍圖（2）聯(lián)接件的設(shè)計(jì)如圖38所示，氣爪運(yùn)行是的極限位置為D1 和D2，最小直徑28mm，最大直徑44mm，通過(guò)連接件，擴(kuò)大手指抓取直徑，聯(lián)接手指如圖39所示。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使手指在行程中途進(jìn)行工件夾持。滿足夾持￠80mm工件的要求。 圖39氣爪及連接件 圖310氣爪夾持點(diǎn)示意圖聯(lián)接件設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮到氣爪的夾持點(diǎn)。采用具有自動(dòng)對(duì)中功能的3指氣爪?？梢圆捎闷矫婊驁A弧面做為手指聯(lián)接部分表面形狀，圖311給出了幾種手指連接部分表面形狀，剖視圖中實(shí)心小圓點(diǎn)、粗實(shí)線為實(shí)際接觸部分。a）平面夾持 b）圓弧面夾持 c）圓弧面夾持 d）圓弧面夾持 （工件直徑小于直徑） （工件直徑等于直徑）（工件直徑大于直徑）圖311手指夾持面分析通過(guò)對(duì)以上幾種情況分析，得出如下結(jié)論：a)方案為單線接觸，特點(diǎn)是對(duì)中性好，可靠性低；b)方案b圓弧面夾持，為三線接觸，對(duì)中性好，可靠性較高；c)方案c理論上為面接觸，實(shí)際上不能達(dá)到完全面接觸，特點(diǎn)是對(duì)中性不高。d)方案d聯(lián)接件通過(guò)六條線與工件接觸，特點(diǎn)是對(duì)中性差，可靠性高。通過(guò)分析，決定采用方案b。（3）氣爪的承載能力分析本設(shè)計(jì)方案氣爪為外夾持，夾持力方向指向圓心，如圖312所示，F(xiàn)=335N。圖312 抓取力示意圖氣爪的設(shè)計(jì)材料為鋼制，摩擦系數(shù)，計(jì)算工件與氣爪間最大靜摩擦力為：N工件的規(guī)格為￠806Omm，通過(guò)重量公式計(jì)算其重力為N設(shè)安全系數(shù)為2，通過(guò)上式可得：可得：選取直徑為63mm的氣爪能夠滿足實(shí)際要求2．腕部模塊的組成及功能分析圖313 擺動(dòng)氣缸旋轉(zhuǎn)示意圖由擺動(dòng)氣缸、聯(lián)接件組成機(jī)械手腕部模塊，機(jī)械手手抓可進(jìn)行90186。旋轉(zhuǎn)，如圖313所示。腕部模塊設(shè)計(jì)方案，通過(guò)聯(lián)接件1連接擺動(dòng)氣缸與高精度柔性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；通過(guò)聯(lián)接件2連接擺動(dòng)氣缸與與兩氣爪，聯(lián)接件如圖314所示，設(shè)計(jì)了槽與軸相配合的孔，安裝采用鍵聯(lián)接方式，氣缸與孔相連接。為防止鍵的軸向移動(dòng)，采用螺釘緊固，并將其突起部分焊接在主體部分上。兩個(gè)氣爪分別安裝在主體部分兩端，對(duì)稱通孔是為了減輕聯(lián)接件自重，以使對(duì)中精度得以保證。圖314 連接件設(shè)計(jì)圖3．手臂模塊組成與功能分析（1）橫臂模塊組成與功能分析如圖315所示，橫臂模塊由MLZB氣缸、導(dǎo)軌、聯(lián)接件組成，安裝于門架結(jié)構(gòu)的橫梁之上，可以進(jìn)行水平移動(dòng)。機(jī)械手橫臂和直臂通過(guò)連接件進(jìn)行連接，機(jī)械手連接在連接件