【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 關(guān)的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否直接影響機(jī)械手工作性能的好壞以及機(jī)械手的整體成本，所以執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量對(duì)于整個(gè)機(jī)械手的性能有著至關(guān)重要的影響?；旧蠙C(jī)械手的整個(gè)設(shè)計(jì)工作都是以執(zhí)行機(jī)構(gòu)為中心,首先根據(jù)目的功能來(lái)進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后再通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，最后整個(gè)設(shè)計(jì)工作完成[6]。圖32 機(jī)械手的設(shè)計(jì)流程圖 機(jī)械手手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本課題研究的機(jī)械手主要用于流水線(xiàn)上器件的搬用，而機(jī)械手手部的結(jié)構(gòu)是與實(shí)際工作物體直接接觸的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的確定應(yīng)與實(shí)際工作中所搬用物體的類(lèi)型相適應(yīng)。我們此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手要求起具有一定的通用性、低成本、且便于控制，所以最終選用氣動(dòng)控制型機(jī)械手，并且采用夾持式結(jié)構(gòu)以便滿(mǎn)足其通用型的要求[7]。機(jī)械手手部的具體結(jié)構(gòu)如33圖所示。圖33 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)（夾持爪）的計(jì)算夾持氣爪的選擇要根據(jù)氣爪的具體工作環(huán)境而定，包括夾持氣爪所搬運(yùn)貨物的重量、尺寸以及氣爪的工作行程和空間范圍等，本課題所研究的機(jī)械手在工作時(shí)搬運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)器件其具體參數(shù)為：M=60g,Dmax=32mm,夾持點(diǎn)距轉(zhuǎn)軸中心的最大力臂為46mm, 由此計(jì)算并確定夾持氣爪的規(guī)格。夾持氣爪對(duì)器件加持力的計(jì)算如下：N≥K1?K2?K3?G (34)其中： K1表示安全系數(shù)，（~2）； K2表示工況系數(shù)（一般情況下受器件慣性力的影響較大K2=1+ag， a表示器件的加速度，g表示器件的重力加速度)； K3表示位置系數(shù)； G表示器件的重量；計(jì)算過(guò)程中分別取K1=2，K2=2，K3=4；則由式31可得：N≥420N=所以?shī)A持力矩（根據(jù)最小的夾持力計(jì)算）為：M=F?S=?m=?m根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選取SMC,MHC216DA193S氣爪，其主要性能參數(shù)為：①；②氣爪的夾持力矩為45N?m；③機(jī)械手部的重復(fù)定位精度為177。 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)本課題研究的機(jī)械手其手臂的結(jié)構(gòu)組成包括：大臂（水平臂）和小臂（垂直臂）兩部分，大臂用來(lái)實(shí)現(xiàn)水平的回轉(zhuǎn)然后再配合小臂在大臂上的伸縮移動(dòng)實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)位置的全覆蓋，小臂部分利用氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)垂直的升降，這樣機(jī)械手便可在一定的立體空間內(nèi)任意移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)貨物的準(zhǔn)確定位和搬用。此外，對(duì)于機(jī)械臂的設(shè)計(jì)還應(yīng)該遵循2個(gè)基本原則：⑴機(jī)械臂在工作過(guò)程中需具備一定的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要保證各機(jī)械臂必須有一定的剛度；⑵涉及到對(duì)于機(jī)械手產(chǎn)品成本問(wèn)題以及具體實(shí)際工作的要求，應(yīng)保證手臂的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單、重量盡量輕，以達(dá)到節(jié)約材料、減少機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)慣性使其動(dòng)作靈活的目的。機(jī)械手手臂是保證機(jī)械手爪部按照指定路線(xiàn)移動(dòng)的重要運(yùn)動(dòng)部件，機(jī)械手四自由度就是由手臂的結(jié)構(gòu)來(lái)保證的，因此我們對(duì)于機(jī)械手手部運(yùn)行軌跡和定位精度的要求都要通過(guò)手臂來(lái)保證，所對(duì)于手臂我們有如下要求：①要求手臂的重量盡可能輕，這樣可以大大降低手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性沖擊、使動(dòng)作更加靈活，同時(shí)還可以大大節(jié)約材料。②要求機(jī)械臂必須具有一定的剛度，因?yàn)檫@樣可以大大提高機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的精度和定位的精度[8]。 ⑴豎直升降模塊的設(shè)計(jì)豎直臂是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下升降的模塊，它的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)用到的是氣壓缸，豎直臂由于定位不可靠，在運(yùn)行過(guò)程中受工作行程、工作壓力等因素影響較大，所以為了保證氣缸在運(yùn)行過(guò)程之中的穩(wěn)定性，故而選擇雙聯(lián)氣缸。當(dāng)活塞桿克服載荷收縮做工時(shí)，根據(jù)機(jī)械臂初選的工作壓力以及工作載荷，確定氣缸的內(nèi)徑D為： D=4F1πPη （32）其中： D為氣壓缸的內(nèi)徑m； F為氣壓活塞的載荷N； P為氣壓缸受到的壓力Pa； Η為氣缸總的機(jī)械效率（一般取η=~）；考慮到氣缸中活塞桿的直徑以及具體工況： D=~ （33）根據(jù)豎直臂收縮氣缸的具體工作要求以及工作過(guò)程中的具體數(shù)據(jù)參數(shù)：伸縮時(shí)間t=,行程S=60mm，氣缸中活塞的工作載荷F≥15N，可得氣缸的內(nèi)徑D為取P=,η=：D==≈ ⑵水平伸縮模塊的設(shè)計(jì)由于水平臂只在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)而且只有一端定位，所以為了保證水平臂的剛性，我們采用水平鋼桿和氣壓缸組合使用的方法，所以氣缸只需要選用筆形氣缸即可，根據(jù)水平臂收縮氣缸的具體工作要求以及工作過(guò)程中的具體數(shù)據(jù)參數(shù)：伸縮時(shí)間t=,行程S=70mm，氣缸中活塞的工作載荷F≤10N，可得氣缸的內(nèi)徑D為取P=,η=：D==≈根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選取SMC,CXSM1070Z73氣缸，水平安裝重復(fù)定位的精度為177。 機(jī)械手底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)本課題研究的機(jī)械手出于對(duì)其成本和應(yīng)運(yùn)場(chǎng)景的考慮，故決定設(shè)計(jì)為固定式機(jī)械手，這就要求它的底座采用固定式，如此不僅有利于降低成本，對(duì)于機(jī)械手整體剛性的提高也非常重要。此外，固定式機(jī)械手對(duì)底座的結(jié)構(gòu)要求較低，只需其滿(mǎn)足機(jī)械手的定位要求即可。機(jī)械手底座的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如附件底座圖。4機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本課題研究的機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共分為電力驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)2種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但一般情況下對(duì)這2種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作同步性的要求，所以一般作為電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)綜合設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是指對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源的選擇以及對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，此外還包括對(duì)于驅(qū)動(dòng)元件的選型和設(shè)計(jì)校核。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本課題所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本上用于機(jī)械手動(dòng)作的各個(gè)環(huán)節(jié)，從機(jī)械手大臂的擺動(dòng)到小臂的伸縮進(jìn)退再到小臂的上升下降，以及機(jī)械手手部的夾緊和松放都用到了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，故本課題關(guān)于四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)核心在于一整套氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)原理圖的設(shè)計(jì)如附件氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理圖:本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用到氣壓泵、過(guò)濾調(diào)壓器（消除脈動(dòng)、吸收水氣、冷卻）、電磁換向閥、氣壓回路、筆形氣缸、雙聯(lián)氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸還有氣爪等各類(lèi)元器件。當(dāng)機(jī)械手工作時(shí),氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的各執(zhí)行元件將會(huì)按照預(yù)先設(shè)定好的程序有序工作,具體工作原理為：2位5通先導(dǎo)式電磁換向閥接受由可編成控制器PLC控制的短脈沖信號(hào)，控制各氣壓缸前進(jìn)后退動(dòng)作，同時(shí)我們?cè)倮么?lián)在電磁換向閥進(jìn)出口位置的單向節(jié)流閥來(lái)控制其開(kāi)口大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓回路中壓縮氣流速度的控制，如此實(shí)現(xiàn)氣壓系統(tǒng)中氣壓元件的有序工作[9]。 氣動(dòng)元件的選擇 氣壓泵的選擇氣壓泵是氣壓回路中提供動(dòng)力源（壓縮空氣流）的氣壓元件，氣壓泵的選擇，首先是對(duì)氣壓泵的類(lèi)型的確定，這要看氣壓回路對(duì)氣壓的特性要求而定，緊接著就是氣對(duì)壓泵具體型號(hào)的確定，這就要通過(guò)計(jì)算出氣壓回路中氣壓缸的耗氣量總和以及所需的氣體壓力來(lái)確定氣壓泵的吸入流量和輸出氣壓，如此，便可最終確定出氣壓泵的具體型號(hào)。為了方便計(jì)算我們一般忽略氣缸管道內(nèi)的容積、氣缸的直徑D、行程S、換向閥到氣缸管道的容積以及氣缸的動(dòng)作時(shí)間等因素這些都直接影響氣缸的換氣量Q，所以在單位時(shí)間內(nèi)氣缸內(nèi)空氣耗氣量Q的計(jì)算過(guò)程如下：Q=Q1或Q=Q2 Q1=πD2S4t1，Q2=πD2d24t2