【文章內(nèi)容簡介】 與各行業(yè)對自動化程度要求的提高，推動著機器人技術(shù)迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的機器手產(chǎn)品。隨著機器人功能和性能的不斷改善和提高，機器手的應(yīng)用領(lǐng)域日益在擴大，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和太空的開發(fā)事業(yè)中。機器人技術(shù)的研究與應(yīng)用水平，反映著一個國家的經(jīng)濟實力和科技發(fā)展水平。 不管當(dāng)今科技是多么的發(fā)達，在中國目前機械制造業(yè)的大前提下很多企業(yè)對高新技術(shù)也只是“量力而行 ”。而更有一些企業(yè)迫于生計和目前的狀況，自動化的實現(xiàn)和工業(yè)機器人的引進也只是在計劃書中說說罷了，更別談?wù)鬃詣踊a(chǎn)線了。所以一些企業(yè)逼不得已求其次，即在傳統(tǒng)生產(chǎn)線上實現(xiàn)個別工序的自動化，在機床之間裝上幾臺機械手，而在一段時間的實踐中也確實得到了實惠，為他們改革自身的生產(chǎn)線增添了信心。所以目前對通用機械手的研究是很有價值的，各種規(guī)格和形狀的機械手一旦做出來就馬上可以投入到生產(chǎn)線。而在制產(chǎn)品基于以往的加工工藝，它們的精度依賴于加工過程中的定位，所以對機械手的定位要求并不高，沒有太大的技術(shù)難題，擁有液壓系統(tǒng)本身的剛度就行了。所以通用機械手的應(yīng)用在一定程度上填補了目前機械制造業(yè)自動化的不足。 該機械手結(jié)構(gòu)合理，性能完善，必將加速產(chǎn)品化的進程。改善工人的勞動環(huán)境，降 低了工人的勞動強度。大大提高了勞動生產(chǎn)率 為一凸輪軸磨床上下料自動線設(shè)計一機械手，該機械手用于把凸輪軸從一臺機床傳遞到下一臺機床，并能實現(xiàn)左右、上下、小臂旋轉(zhuǎn)、爪加緊與放松4個動作。已知零件的直徑為40—60mm，重量為7kg。 2 凸輪軸磨床上下料機械手的總體設(shè)計 工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關(guān)系如圖21，圖22所示。 圖21 圖22 執(zhí)行機構(gòu)1. 手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型(為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手爪多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可用負壓式或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤傳力機構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 2. 腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓物體的方位（即姿態(tài)）。它可以有上下擺動，左右擺動和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個運動。如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等），手腕還可以有一個小距離的橫移。也有的工業(yè)機械手沒有腕部自由度。 3. 臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是帶動手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬到預(yù)定的位置。 手臂有三個自由度，可采用直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運動和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標(biāo)（前后伸縮、上下擺動和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。 直角坐標(biāo)占空間大，工作范圍小，慣性大，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高，在自由度較少時使用。 圓柱坐標(biāo)占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。 球坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)式占用空間小，工作范圍大，慣性小，所需動力小，能抓取底面物體，多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以也不常用。 驅(qū)動機構(gòu) 有氣動、液動、電動和機械式四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N 以下。液動式的出力大，臂力可達1000N以上，且可用電液伺服機構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在1mm范圍內(nèi)。目前常用的是氣動和液動驅(qū)動方式。電動式用于小型，機械式只用于動作簡單的場合。 控制系統(tǒng) 有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤、穿孔卡等記錄程 序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特征。 工業(yè)機械手的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題是選擇由連桿件和運動副組成的坐標(biāo)形式。根據(jù)設(shè)計要求，總體設(shè)計方案示意圖如圖23所示，采用直角坐標(biāo)式，可實現(xiàn)左右、上下、小臂旋轉(zhuǎn)、爪加緊與放松4個動作。 直角坐標(biāo)式機械手主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝配和檢測作業(yè)，大約占工業(yè)機器人總數(shù)的14%。一般直角坐標(biāo)式機械手的手臂能垂直上下移動（Z方向運動），并可沿滑架和橫梁上的導(dǎo)軌進行水平面內(nèi)二維移動（X和Y方向運動）。直角坐標(biāo)式機械手主體結(jié)構(gòu)具有三個自由度，而手腕自由度的多少可視用途而定。 直角坐標(biāo)式機械手的優(yōu)點是： （1）結(jié)構(gòu)簡單。 （2）容易編程。 （3）采用直線滾動導(dǎo)軌后，速度高，定位精度高。 （4）在X、Y和Z三個坐標(biāo)軸方向上的運動沒有耦合作用。 圖23工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù)，是說明機械手規(guī)格的具體指標(biāo)，一般包括以下幾個方面： 1）抓重（又稱臂力）：7kg。 2）自由度數(shù)目和坐標(biāo)形式：自由度2個，坐標(biāo)形式為直角坐標(biāo)式。 3）定位方式：行程開關(guān)。 4）驅(qū)動方式：液動。 5）手臂運動參數(shù)：見表21。表21 運動名稱 符 號 行程范圍[mm或（ 0）]速度[mm/s或（ 0/s）]升降 Z 164mm 100mm/s小臂旋轉(zhuǎn) 1?900 900/s6)手指夾持范圍和握力（即夾緊力）：40－60mm， 7）定位精度：177。1mm。 8）程序編制方法：PLC。 9）控制系統(tǒng)動力：電。 10）驅(qū)動源：液壓， ，液壓泵CEB25型齒輪泵，電動機是Y100L14型。 11）重量：200kg。 運動簡圖如圖24 圖24 3 凸輪軸磨床上下料機械手機械系統(tǒng)設(shè)計 手部 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 手部（亦稱抓取機構(gòu)）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以工業(yè)機械手的手部結(jié)構(gòu)多種多樣，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而定的。歸結(jié)起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。 根據(jù)設(shè)計要求，這里只討論夾鉗式的手部結(jié)構(gòu)。 夾鉗式手部是由手指、傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成的，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤、套類零件。一般情況下，多采用兩個手指。驅(qū)動裝置為傳動機構(gòu)提供動力，驅(qū)動源有液壓的、氣動的和電動的等幾種形式。常見的傳動機構(gòu)往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機構(gòu)實現(xiàn)夾緊或放松。 平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，適于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時，不會引起中心位置的偏移。但這種手指結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積大，要求加工精度高。根據(jù)設(shè)計要求，工件是圓盤，所以采用回轉(zhuǎn)型手指，其張開和閉合靠手指根部（以樞軸支點為中心）的回轉(zhuǎn)運動來完成。樞軸支點為一個的，稱為單支點回轉(zhuǎn)型；為兩個支點的，稱為雙支點回轉(zhuǎn)型。這種手指結(jié)構(gòu)簡單，形狀小巧，但夾持不同工件會產(chǎn)生夾持定位誤差。 為了手指根部的結(jié)構(gòu)緊湊，這里采用單支點滑槽杠桿式，如圖 31。 圖 31一．手部的分析與計算1 夾緊力的計算公式夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩） ，以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。（1）夾緊力的計算公式：FN ≥ K 1 K2 K3 G 式中 K 1 ——安全系數(shù)，通常取 ～； K2 ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。K 2 可近視按下式估算 K2 ＝ 1＋ ga其中 a——運載工件時重力方向的最大上升加速度； g ——重力加速度，g≈； a＝ 響tvmaxvmax——運載工件時重力方向的最大上升速度； t響——系統(tǒng)達到最高速度的時間；根據(jù)設(shè)計參數(shù)選取。一般取 。 K3——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選定。 G——被抓取工件所受重力（N）。（或推力）的計算公式夾緊裝置是使手爪開，閉的動力裝置。其動力源可以是液壓或氣動。為了更好的選擇手爪結(jié)構(gòu)方案，確定各構(gòu)件的尺寸滿足夾持工件的具體要求，首先要根據(jù)實際要求選取具體的結(jié)構(gòu)，然后就必須進行力的分析。 F拉 ＝ pd)D(42?? F推 ＝ p式中 D——活塞直徑（m）； d——活塞桿直徑（m）； p——驅(qū)動壓力（Pa）。 1）首先根據(jù)對機械手的工藝及設(shè)計要求確定安全系數(shù)K 1；計算出最大加速度，確定工件情況系數(shù)K 2，根據(jù)手爪夾持方位從表22 ① 查出方位系數(shù)K 3；求出夾緊力F N。 取K 1=, .K2=1+ ＝1＋ ＝1＋ ＝K3查表得 K3＝ ∴FN==2）根據(jù)手爪的結(jié)構(gòu)方案，由表21查出驅(qū)動力的計算公式，求出液壓（氣）缸應(yīng)具有的驅(qū)動力F計算.查表21驅(qū)動力的計算公式： F計算= = =??3）實際所采用的液壓（氣）缸驅(qū)動力要大于F?？紤]手爪的機械效率η。 取 η= F實際= ＝ ＝?計 算 4）確定液壓缸的直徑 D注：①出自參考文獻[1],以下查表相同。F實際= pd)D(42??取活塞桿直徑d＝,壓力油工作壓力p＝∴D= ＝ ＝10 3m）－（ 實 際 ??選取液壓缸內(nèi)徑為：D=20mm故，活塞桿直徑為：d＝10mm二、手爪的夾持誤差分析與計算機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，必須注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而使夾持誤差控制在小的范圍內(nèi)。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過177。1mm。 根據(jù)圖25，并查表24可知一支點回轉(zhuǎn)型手爪的定位誤差計算如下：工件半徑為：R CP=25mm, V型鉗的夾角2θ=120工件的軸心位置C與手爪的回轉(zhuǎn)支點A見的距離X，以下式求出X= ＝?cosll2ABCDAB－? ???cosinRl2)sin(l2ABAB－?化簡可得 1lco)inl( 22 ＝）（ ）（－ ?RX?當(dāng)工件半徑為：R CP=25mm，BC≈30mm，則RCP= ?cosinlABXmin＝ ?為使夾持誤差減小，選取合適的偏轉(zhuǎn)角 ，假設(shè) ＝60 0為使得夾持誤差最小的最佳偏轉(zhuǎn)角。取X min＝50mm，則可算出BC=,AB=?！嗫梢允功?夾持誤差滿足設(shè)計要求。 腕部 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變