圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-07-26 00:34 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 今后對(duì)機(jī)器人需求最大的部門(mén)，其中所需機(jī)器人的品種以點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)、沖壓等為主。近年來(lái)我國(guó)的機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有一定的差距，如可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距。我國(guó)目前從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位相對(duì)較少，工業(yè)機(jī)器人的擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求量，長(zhǎng)期大量依靠從國(guó)外引進(jìn)。在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人，%。產(chǎn)生以上差距，有關(guān)專家認(rèn)為主要是我國(guó)沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本較多，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。 2004年中國(guó)國(guó)際機(jī)器人展覽會(huì)于11月14日舉行，會(huì)后分析報(bào)告數(shù)據(jù)表明，與會(huì)的專業(yè)觀眾只占43%，非專業(yè)觀眾占57%；%的專業(yè)觀眾為了了解、收集產(chǎn)品信息，其余的大多沒(méi)有填寫(xiě)具體參觀目的；專業(yè)觀眾中只有21%的工業(yè)制造業(yè)人員，其余主要以科研單位為主，國(guó)內(nèi)參展單位展出的多是面向教育應(yīng)用和處于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)中的機(jī)器人，且產(chǎn)品略顯不成熟。這充分表明我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)還停留在純技術(shù)層面，離市場(chǎng)化還有很長(zhǎng)一段距離。我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)要快速發(fā)展，就不能只靠幾個(gè)愛(ài)好者的激情和科研單位的單方努力，機(jī)器人就不能只作為展覽會(huì)上的表演者。研制單位必須和需求緊密結(jié)合，讓機(jī)器人走進(jìn)工廠和家庭，實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化。把發(fā)展中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)納入政府重要產(chǎn)業(yè)政策中，引導(dǎo)和扶持企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，加速機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。第2章 總體設(shè)計(jì)方案 總體設(shè)計(jì)的思路 思路設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段：系統(tǒng)分析階段(1)根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)。(2)分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。(3)根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、所能抓取的重量。技術(shù)設(shè)計(jì)階段(1)確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型；(2)選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)；(3)繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。 總體方案的確定 方案提到總體方案的確定，讓我們重復(fù)一下本課題的要求：設(shè)計(jì)一種圓柱坐標(biāo)式三自由度工業(yè)機(jī)械手，要求該裝置具有三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)（兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。該機(jī)構(gòu)中立柱可相對(duì)于機(jī)座旋轉(zhuǎn)180度，回轉(zhuǎn)速度15r/min，可水平伸縮距離400，機(jī)械手可上下垂直運(yùn)動(dòng)，其垂直升降量1000，機(jī)械手最大夾持重量10，所夾持工件為圓柱形，直徑范圍：Ф30—Ф120。根據(jù)課題要求經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考和請(qǐng)教指導(dǎo)老師，本設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用擺動(dòng)液壓馬達(dá)（旋轉(zhuǎn)液壓缸）驅(qū)動(dòng)，水平伸縮運(yùn)動(dòng)采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，垂直升降運(yùn)動(dòng)仍采用液壓缸驅(qū)動(dòng)。第3章 機(jī)械手相關(guān)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算 手指夾緊力的計(jì)算手部是機(jī)械手直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的部件，因此手部的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)依據(jù)作業(yè)任務(wù)要求來(lái)設(shè)計(jì)，從而形成了多種的結(jié)構(gòu)型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動(dòng)作。設(shè)計(jì)手部時(shí)除了要滿足抓取要求外，還應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：（1）手指握力的大小要適宜確定手指的握力（即夾緊力）時(shí)，應(yīng)考慮工件的重量以及傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落，但握力太大又會(huì)造成浪費(fèi)并可能損壞工件。（2）應(yīng)保證工件能順利地進(jìn)入或脫開(kāi)手指開(kāi)合式手指應(yīng)具有足夠大的張開(kāi)角度來(lái)適應(yīng)較大的直徑范圍，保證有足夠的夾緊距離以方便抓取和松開(kāi)工件。移動(dòng)式鉗爪要有足夠大的移動(dòng)范圍。（3）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并且自身重量輕因受到被夾工件的反作用力和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性力、振動(dòng)等的影響，要求機(jī)械手具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小。（4）動(dòng)作迅速、靈活、準(zhǔn)確，通用機(jī)械手還要求更換手部方便根據(jù)用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具（噴槍、扳手、焊接工具）三類。 經(jīng)過(guò)分析和比較此設(shè)計(jì)采用夾持式手部。夾持式手部夾持式手部對(duì)抓取工件的形狀具有較大的適應(yīng)性，故應(yīng)用較廣。它的動(dòng)作與鋼絲鉗或虎鉗相似。結(jié)構(gòu)夾持式手部是有驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指（或手爪）等組成。驅(qū)動(dòng)裝置多半用活塞缸。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用連桿機(jī)構(gòu)、滑槽機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等。手指常用兩指，也有多指等形式。指端是手指上直接與被夾工件接觸的部位，它的結(jié)構(gòu)形狀取決于工件的形狀。手部結(jié)構(gòu)按模仿人手手指的動(dòng)作，可分為回轉(zhuǎn)型、移動(dòng)型等形式。經(jīng)分析和比較此設(shè)計(jì)選擇移動(dòng)式的齒輪齒條手部。根據(jù)所夾取的零件半徑（30120的圓柱形棒料）經(jīng)分析取扇型齒輪的齒頂圓半徑R=47，模數(shù)m=4，=23。齒條齒數(shù)取=23。手指夾緊力的計(jì)算公式： (31)為抓取的工件重量最大為10Kg ，,暫取5，為工作情況系數(shù)，可按==2，為方位系數(shù)，即為當(dāng)爪子處在不同位置夾取工件不同放置位置是的系數(shù)，根據(jù)查取的公式： =。根據(jù)公式（31）計(jì)算得: =294N因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)采用移動(dòng)型齒輪齒條手部結(jié)構(gòu)，查資料知其夾緊力為驅(qū)動(dòng)力的一半，即:= (32)所以， =588N，此處考慮其他因素取600N。手腕手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變手部的方位。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足要求，若有特殊要求可增加手腕左右擺動(dòng)或橫向移動(dòng)。機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。因此設(shè)計(jì)時(shí)要注意下面幾個(gè)問(wèn)題：（1）可以有手臂完成的動(dòng)作，盡量不設(shè)置手腕。（2）手腕結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單化，對(duì)不需要三維自由度的手腕，可采用兩個(gè)或一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此設(shè)計(jì)可以不要手腕，動(dòng)作可以由手臂完成。圖 31機(jī)械手手部簡(jiǎn)圖 手部液壓缸的選取（1）、初算活塞桿直徑經(jīng)分析液壓缸的最大工作力為F = 1451N由于手爪是靠推力夾緊的，所以驅(qū)動(dòng)液壓缸的活塞桿選用材料HT15 則得δ= 650 ，由[δ] =/ (33)取 = 3得：[δ] = 又[δ]= N/A (34)得： = 178。（2）、壓桿穩(wěn)定性校核歐拉公式 = π178。EI/ () 178。 （35） 由于此活塞桿是一端固定，一端鉸接，所以 μ = 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求取 L = 200則得 HT15的彈性模量E = 115160Gpa 取 E = 115Gpa又F=π178。EI/()178。[] (36) 為了更安全，取
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