【文章內容簡介】 爪、齒輪齒條式手爪和平行杠桿式手爪。(1)楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現手爪的松、開，來實現抓取工件。(2)滑槽式手爪當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，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生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，手爪有可能產生較大的夾緊力，通常與彈簧聯合使用。(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，產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構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。本機械手采用的是連桿杠桿式手爪。2．機械手的手腕結構方案設計機械手的手腕結構在設計時應遵循以下原則：(1)機械手手腕的自由度，應根據作業(yè)需要來設計。機械手手腕自由度數目越多，各關節(jié)的運動角度越大，則機械手腕部的靈活性越高，機械手對作業(yè)的適應能力也越強。但是，自由度的增加，也必然會導致其腕部結構更加復雜，使機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，應根據實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應使自由度數盡可能的少，一般機械手手腕的自由度數為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機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，所以要具體問題具體分析，考慮機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)機械手腕部安裝在機械手手臂的末端，在設計機械手手腕時，應盡量減少其重量和體積，結構力求緊湊。為了減輕機械手腕部的重量，腕部機構的驅動器采用分離傳動。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動，并選用高強度的鋁合金制造。(3)機械手手腕要與末端執(zhí)行器相聯，因此，要有標準的聯接法蘭，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。(4)機械手的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。(5)要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。(6)手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。機械手的手臂運動，給出了機械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機械手手臂末端的手腕，則給出了機械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機械手手腕是機械手操作機的最末端，它與機械手手臂配合運動，實現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]到機械手的優(yōu)化，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕不設回轉運動仍可滿足工作的要求。3．機械手的手臂結構方案設計機械手手臂的作用是在一定的載荷和一定的速度下，實現在機械手所要求工作空間內的運動。在進行機械手手臂設計時，要遵循下述原則；(1)應盡可能使機械手手臂各關節(jié)軸相互平行，相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化，有利于機械手的控制。(2)機械手手臂的結構尺寸應滿足機械手工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系。但機械手手臂末端工作空間并沒有考慮機械手手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機械手手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。(3)為了提高機械手的運動速度與控制精度，應在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構和材料上減輕手臂的重量。機械手在高強度輕質材料的選擇上，通常選用高強度鋁合金制造機械手手臂。目前在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機械手手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈斢阡摰?/4，相當于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產實際中推廣應用。目前比較有效的辦法仍然是進行機械手手臂結構的優(yōu)化設計，在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機械手手臂的重量。(4)機械手各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節(jié)都應有可靠的便于調整的軸承間隙調整機構。(5)機械手的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高機械手手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機械手的手臂時，應盡可能利用在機械手上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機械手手臂上的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。(6)機械手手臂在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關，具有一定緩沖能力的機械限位塊，驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。本設計按照工件的直徑為50mm來設計，結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。通過驅動活塞往復移動，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節(jié)。： 機械手手爪結構圖4．機械手驅動方案的選擇工業(yè)機械手的驅動系統(tǒng)，按動力源可分為液壓、電動和氣動三大類，根據需要也可將這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下：(1)液壓驅動系統(tǒng)由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動等特點，適合于在承載能力大，慣量大的環(huán)境下工作的機械手。相比于液壓驅動系統(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。且使用維護需要較高技術水平。(2)電動驅動系統(tǒng)電動驅動系統(tǒng)由于低慣量、大轉矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調制器）而在機械手中被大量采用。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，使用方便，噪聲較低，控制靈活，但大多數電機后面需安裝精密的傳動機構。直流有刷電機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動系統(tǒng)高。但因為這類驅動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機械手中也被廣泛的使用。(3)氣動驅動系統(tǒng)氣動驅動系統(tǒng)適用于中、小負荷的機械手，它有如下優(yōu)點：介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器且介質清潔，管道不易堵，不存在介質變質及補充的問題。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，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)也能實現過載保護，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，機器及其工藝流程不致突然中斷。工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動及其控制系統(tǒng)比機械、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、輔件的材質和加工精度要求，制造容易，成本較低。氣動驅動系統(tǒng)的缺點在于實現伺服控制較困難，所以多用于程序控制的機械手中，如在上、下料和沖壓機械手中應用較多。另外，傳統(tǒng)觀點認為:氣體具有可壓縮性。因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現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)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。設計機械手時，驅動系統(tǒng)的選擇，要根據機械手的用途、作業(yè)要求、性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經濟性及可靠性后進行最終的選擇。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械手，重負荷的選擇液壓驅動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅動系統(tǒng)。沖壓機械手多采用氣動驅動系統(tǒng)。用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機械手，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅動系統(tǒng)。只有液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機械手多采用電動驅動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機械手一般選用液壓驅動系統(tǒng)。由于本次設計的機械手為多工位沖床上下料機械手，抓重為5kg，屬于輕負荷，且氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉，故應選擇氣動驅動系統(tǒng)。5．機械手氣壓驅動系統(tǒng)總體設計氣動驅動系統(tǒng)在多數情況下是用于實現兩位式點位控制或有限點位控制的中、小機械手作業(yè)。這類機械手多是圓柱坐標型、直角坐標型或二者的組合型結構；35個自由度；負荷在200N以下；速度3001000mm/s；?？刂蒲b置目前多數選用可編程控制器（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，儲氣罐，氣水分離器，調壓器，過濾器等。如果沒有壓縮空氣站，可以按機械手及其配套的其他氣動設備的需要，配置相應供氣量的氣源設備。(2)氣動三聯件由分水濾氣器，調壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯組裝式的，多數情況下用三聯組裝式結構。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)機械手的氣動驅動系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調速閥、減壓閥等。(4)氣動執(zhí)行機構多數情況下使用氣缸（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（如手爪機構上用的），多數采用雙動氣缸。為實現端部緩沖，要選用雙向端點緩沖的氣缸。氣缸的結構形式以及與機械手機構的連接方式（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）由設計機械手時根據結構要求而定。氣缸的內徑，行程大小可根據對機械手的運動分析和動力分析進行計算。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)。無接觸感應式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得廣泛的應用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開關動作發(fā)訊，進行位置檢測。除了直線氣缸外，機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構上。(5)制動器氣動機械手的定位問題很大程度上是如何實現停點的制動。，如果以1m/s的速度計算，電磁氣閥以較大關閉時間70ms計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為70mm，兩個停點的步長應大于這個數值。對于小流量的電磁氣閥，吸合關閉時間較小，停點的步長也要相應縮短。因此對機械手一個單自由度而言，停點數目最多69個，為增加定位點數，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，或由限位開關發(fā)訊。根據要求和條件，如果選用無接觸感應式氣缸，其限位開關是無接觸接近開關，這種開關的反映時間小于20ms，在機械手中應用比較理想。當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，常用的限位機構是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機構（插鎖，滑塊等）將機械手運動機構鎖定，再啟動時，先打開鎖緊機構。6．機械手導向裝置的選擇氣壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，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，所以在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和對回轉中心的慣量。導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中采用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。7．機械手平衡裝置的選擇通常，機械手所采用的平衡機構主要有以下幾種：(1)配重平衡機構這種平衡裝置結構簡單，平衡效果好，易于調整，工作可靠，但增加了機械手手臂的慣量與關節(jié)軸的載荷。一般在機械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構。(2)彈簧平衡機構彈簧平衡機構，機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應用廣泛。(3)活塞推桿平衡機構活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動兩種：液壓平衡系