【文章內(nèi)容簡介】 械手進(jìn)行操作。 觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。 更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造 單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 本論文研究的內(nèi)容及意義 隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展以及氣動(dòng)技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。 近 20年來，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使 氣動(dòng)技術(shù)從開關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動(dòng)脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn)，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看，近 30 多年來，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。 20 世紀(jì) 70年代， 9 液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為 9:1，而 30 多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國家，該比例已達(dá)到 6:4，甚至接近 5:5。我國的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從 20世紀(jì) 80 年代中期開始，氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá) 20%以上，高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、 PLC 技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是 多自由度鋁合金機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)三 個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，采用 電機(jī)與氣缸相結(jié)合的控制方法。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。而在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身 事故。 第二章 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 本課題是輕型平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)，因此對機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。 機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為以下幾種：（ 1）直角坐標(biāo)型機(jī)械手；（ 2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；（ 3）球坐標(biāo)型機(jī)械手；（ 4）多關(guān)節(jié)型機(jī)械手 ??6 。 其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。 機(jī)械手的主 要部件及運(yùn)動(dòng) 在圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手具有 3 個(gè)自由度：手抓張合、手臂伸縮和機(jī)身回轉(zhuǎn)。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由 3大部件和 2個(gè)氣 缸組成：（ 1）手部 ：采用一個(gè)直線氣 缸，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手抓的張合。（ 2）臂部 ：采用一個(gè)直線氣缸來實(shí)現(xiàn)手臂的升降 。（ 3）機(jī)身 ： 采用一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)止推軸承來實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分，工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。驅(qū)動(dòng)件主要有四種：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)、機(jī) 械驅(qū)動(dòng)和液 10 壓驅(qū)動(dòng)。其中以液壓、氣動(dòng)用的最多，占 90%以上；電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。 氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用 46 個(gè)大氣壓，個(gè)別的達(dá)到 810 個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。通用機(jī)械手則考慮采用同一種形式的動(dòng)力，出力比較大；缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢 ??9 。 機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整 。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動(dòng)平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高 ??10 。 采用氣壓機(jī)構(gòu)驅(qū) 動(dòng)機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡單 、尺寸緊湊、重量輕、控制方便、驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)，因此 本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)采用氣壓和電動(dòng)。 圖 21 為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制路線圖。 圖 21 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制流程圖 由于氣缸只能承受軸向力，而不能承受徑向力，所以氣缸在運(yùn)動(dòng)過程中需要有固 11 定元件進(jìn)行固定，以消去徑向力的影響。在本設(shè)計(jì)中，采用了一個(gè)軸，軸的 一端鉆一個(gè)螺紋孔，把氣缸的活塞桿與軸 的內(nèi)螺紋孔連接緊后，用活塞桿的力推動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。 氣缸選定之后采用腳座固定，固定于底盤上，圖 22為底盤的形狀 ??11 。 圖 22 底盤 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)指標(biāo) 一、用途：用于車間搬運(yùn) 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)： 抓重： 20 ㎏（夾持式手部） 自由度數(shù)： 3 個(gè)自由度 坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo) 最大工件半徑： 90 ㎜ 手臂最大中心高： 30 ㎜ 12 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮速度： 旋轉(zhuǎn) 速度： r/min 第三章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 手部設(shè)計(jì)基本要求： 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)考慮在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到 閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度）△γ，以便于抓取工件。 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高。在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能是結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 典型的手部結(jié)構(gòu) 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種 移動(dòng)型 移動(dòng)型即兩手指相對支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng) 平面平移型 機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算 選擇機(jī)械手手抓的類型及夾緊裝置 本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)平動(dòng)搬運(yùn)型機(jī)械手，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張開角△γ= ?60 ，夾取重量為 20 ㎏。常用的工業(yè) 機(jī)械手手部，按握持工件的原理，分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體，不適合用于本方案。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指，夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng)，這種手指結(jié)構(gòu)簡單，適于夾持平板方料，且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置，其理論夾持誤差為零。若采用典型的平移型手指，驅(qū)動(dòng)力需加在手指移動(dòng)方向上，這樣會(huì)使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大，顯然是不適合的，因此不選這種類型。 通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。 手抓的力學(xué)分析 在進(jìn)行手部設(shè)計(jì)時(shí)，要對手部進(jìn)行受力分析，如圖 31所示。 13 圖 31 手抓的受力分析圖 在上圖中， 1為手指， 2為銷軸， 3 為杠桿 。 在杠桿 3 的作用下，銷軸 3 受到向上的拉力 F，并通過銷軸中心 O 點(diǎn)，兩手指 1的滑槽對銷軸的作用力為 F1 和 F2 ,其力的方向垂直于滑槽的中心線 OO1 和 OO2 ， 由∑ FX =0 得 F1 =F2 ∑ Fy =0 得 F1 = ?cos2F F1 =－ F1 ′ 由∑ M1o （ F） =0 得 F1 ′ = hbFN? ∵ h= ?cosa ∴ F=NFab ?2cos2 式中 a—— 手指的回轉(zhuǎn)中點(diǎn)到對稱中心的距離（㎜）， ? —— 工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn) 支點(diǎn)的夾角 由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 F一定時(shí)， ? 角增大，則握力 FN 也隨之增大，但 ? 角過大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好 ? =30176?！?40176。 。 ??13 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對大小、方 向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化 14 的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計(jì)算： FN ≥ K1 K2 G 式中 K1 —— 安全系數(shù)，通常 ～ K2 —— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， K2 可近似按下