【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 主要研究內(nèi)容 本文通過介紹機(jī)械手的作用，機(jī)械手的組成和分類。主要研究了磁吸式機(jī)械手的設(shè)計(jì)理論與方法。全面詳盡的討論了磁吸式機(jī)械手的手部、腕部、手臂以及機(jī)身等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本章小結(jié) 本章較為細(xì)致的介紹了機(jī)械手的發(fā)展史和在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，然后又說明了它的組成結(jié)構(gòu)，由執(zhí)行、驅(qū)動(dòng)和控制三部分組成，同時(shí)又分別對(duì)這三部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。最后講述了機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)。2 磁吸式總體設(shè)計(jì)及方案本文是對(duì)磁吸式機(jī)械手的設(shè)計(jì)，主要針對(duì)的是機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，而主要任務(wù)是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本章重在確定機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分。 主要的運(yùn)動(dòng)部件根據(jù)機(jī)械手的設(shè)計(jì)任務(wù)可知，若要讓機(jī)械手進(jìn)行上下的垂直運(yùn)動(dòng)，則應(yīng)當(dāng)靈活采用相關(guān)的機(jī)械傳動(dòng)。首先，手部采用帶有電磁鐵的吸盤，通過利用磁鐵的吸引力來吸取工件，然后通過腕部緊固吸盤，采用焊接的方式將腕部與機(jī)械手的臂部相連接，臂部的材料是合金，同樣也是通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)與機(jī)身連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下的運(yùn)動(dòng)。至于在輸入裝置，應(yīng)當(dāng)用電動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)傳給齒輪齒條機(jī)構(gòu)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)械手中的重要組成部分，而驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的好壞將決定機(jī)械手的性能好壞。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。利用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，則具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)良特性。所以，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)選擇電動(dòng)。根據(jù)查閱相關(guān)資料，可選擇額定功率為11KW，額定轉(zhuǎn)速為1460r/min的Y160M4型號(hào)的電動(dòng)機(jī)。 總結(jié) 本章是關(guān)于磁吸式機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案，主要是說明驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確定采用電動(dòng)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，以下是分別對(duì)各部分(手、腕、臂、機(jī)身)進(jìn)行的設(shè)計(jì)計(jì)算。3 手部的計(jì)算 工件尺寸的選擇 某鋼的尺寸為200mm150mm10mm() 手部手抓的設(shè)計(jì) 類型選擇 磁吸式的結(jié)構(gòu)是對(duì)于手部電磁鐵產(chǎn)生磁力來對(duì)工件進(jìn)行抓取的，一般來說，我們所謂機(jī)械手的裝夾方式中包括夾持、吸附兩種方式。如果對(duì)于那種表面形狀較為復(fù)雜的零件或工件來說，最好采用夾持的方式。而對(duì)于那種表面平整、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的工件，理應(yīng)采用用電磁鐵吸附的方式。只有采用了這種方式，機(jī)械手就能夠平穩(wěn)的進(jìn)行工件的抓取或裝卸工作。 對(duì)于手抓的受力分析 使用直流電源可保證電壓不會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)提供的電磁力是恒定不變的。根據(jù)工件的大小和所需要的磁吸力，對(duì)于電源應(yīng)選擇10~20v直流電源。從另一方面來說，對(duì)機(jī)械手提供的電壓越大，手抓時(shí)的機(jī)械手的反應(yīng)速度就越迅速。 繞組的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)要求，若要求繞組具有一定的質(zhì)量，應(yīng)選擇橫截面積合適的漆包銅線（銅電阻率低）。同時(shí)應(yīng)當(dāng)知道繞組也具有電阻，具有功率損耗。根據(jù)以上的分析設(shè)計(jì)合適的吸盤： 選擇直徑相同的吸盤，假設(shè)d=25mm M=ρv=20015010=2355g 根據(jù)受力平衡可知，G=4F=Mg(F為電磁的吸力） F=Mg/4= 電磁鐵的選擇 簡(jiǎn)介通電產(chǎn)生磁的一種裝置，在鐵芯的外部纏繞與其功率相匹配的導(dǎo)電繞組，這種通有電流的線圈像磁鐵一樣具有磁性，叫做電磁鐵。我們通常把它制成條形或蹄形狀，從而鐵芯更容易磁化。另外，為了使電磁鐵斷電立即消磁，往往采用消磁較快的的軟鐵或硅鋼材料來制做。這樣的電磁鐵在通電時(shí)有磁性，斷電后磁就隨之消失。電磁鐵在我們的日常生活中有著極其廣泛的應(yīng)用，由于它的發(fā)明也使發(fā)電機(jī)的功率得到了很大的提高。當(dāng)螺線管內(nèi)部插入鐵芯后，鐵芯被通電螺線管的磁場(chǎng)磁化。磁化后的鐵芯也變成了一個(gè)磁體，這樣由于兩個(gè)磁場(chǎng)互相疊加，從而使螺線管的磁性大大增強(qiáng)。為了使電磁鐵的磁性更強(qiáng)，通常將鐵芯制成蹄形。但要注意蹄形鐵芯上線圈的繞向相反，一邊順時(shí)針，另一邊必須逆時(shí)針。如果繞向相同，兩線圈對(duì)鐵芯的磁化作用將相互抵消，使鐵芯不顯磁性。另外，電磁鐵的鐵芯用軟鐵制做，而不能用鋼制做。否則鋼一旦被磁化后，將長期保持磁性而不能退磁，則其磁性的強(qiáng)弱就不能用電流的大小來控制，而失去電磁鐵應(yīng)有的優(yōu)點(diǎn)?？梢酝娏鱽懋a(chǎn)生磁力的器件，屬非永久磁鐵，可以很容易地將其磁性啟動(dòng)或是消除。例如：大起重設(shè)備利用電磁鐵將廢棄車輛抬起。電磁鐵作為一種將電能轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的電器元件，特點(diǎn)是直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,噪音小,壽命長,玩具,機(jī)車,工業(yè)自動(dòng)化等需要把電能轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能,或者電能轉(zhuǎn)化為吸力。吸盤式的電磁鐵是根據(jù)電磁轉(zhuǎn)換的原理，在通電狀態(tài)下產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁吸力，以控制物件的前進(jìn)或停止?fàn)顟B(tài)。這種電磁鐵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線圈置于軟磁材料外殼之中并以環(huán)氧澆封，具有體積小，吸力大，牢固，可靠，全密封，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，該系列電磁鐵可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，動(dòng)作簡(jiǎn)單靈敏，功能穩(wěn)定可靠。被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化作業(yè)線上作為材料或產(chǎn)品的輸送控制件，在機(jī)械手、食品機(jī)械、醫(yī)療機(jī)械、自動(dòng)化控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。 分類 電磁鐵可以分為直流電磁鐵和交流電磁鐵兩大類型。如果按照用途來劃分電磁鐵，主要可分成以下五種：主要用來牽引機(jī)械裝置、開啟或關(guān)閉各種閥門，以執(zhí)行自動(dòng)控制任務(wù)牽引電磁鐵，用作起重裝置來吊運(yùn)鋼錠、鋼材、鐵砂等鐵磁性材料起重電磁鐵，主要用于對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)以達(dá)到準(zhǔn)確停車的目的制動(dòng)電磁鐵等等。自動(dòng)電器的電磁系統(tǒng)，如電磁繼電器和接觸器的電磁系統(tǒng)、自動(dòng)開關(guān)的電磁脫扣器及操作電磁鐵等。其他用途的電磁鐵，如磨床的電磁吸盤以及電磁振動(dòng)器等。 限位開關(guān) 限位開關(guān)就是用以限定機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)位置的電氣開關(guān)，也叫做行程開關(guān)。限位開關(guān)有接觸式的和非接觸式的，接觸式的較為直觀，在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部件上來安裝限位開關(guān)，與其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的固定點(diǎn)上安裝極限位置的擋塊，或者是相反安裝位置。當(dāng)限位開關(guān)的機(jī)械觸頭碰到擋塊，切斷控制電路，機(jī)械就停止運(yùn)行或改變運(yùn)行。由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的慣性，這種限位開關(guān)有一定的“超行程”來保護(hù)開關(guān)。非接觸式的限位開關(guān)也有很多。在實(shí)際生產(chǎn)中，將限位開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊限位開關(guān)時(shí)，觸點(diǎn)就會(huì)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器元件，作用原理與一般的按鈕類似。在本次設(shè)計(jì)機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)過程中，電磁鐵使吸盤產(chǎn)生磁力，從而吸盤吸起工件。當(dāng)工件被搬運(yùn)到預(yù)定位置時(shí)，撞擊限位開關(guān)，使吸盤放下工件。 選擇觸點(diǎn)為常閉觸點(diǎn)滾輪式限位開關(guān)JLXK2系列，限位開關(guān)放在機(jī)械手的手臂上，這樣可使限位開關(guān)隨機(jī)械手一起運(yùn)動(dòng)。 本章小結(jié)對(duì)于這一部分主要是針對(duì)的是機(jī)械手手部的相關(guān)設(shè)計(jì)，包括對(duì)限位開關(guān)的選擇，手抓的力學(xué)分析，吸盤的受力與選擇，電磁鐵的選用、分類和在機(jī)械加工中的重要應(yīng)用。4 機(jī)械手腕部的計(jì)算 設(shè)計(jì)要求（1） 結(jié)構(gòu)緊湊由于手部與腕部所受的力都是由臂部承擔(dān)。腕部的結(jié)構(gòu)和重力的大小，直接影響著臂部的承載能力。因而在腕部設(shè)計(jì)應(yīng)注意要求結(jié)構(gòu)的緊湊和重量合適。（2）合理布局 腕部是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又起著連接和支撐作用，因此除了要有足夠的強(qiáng)度、剛度，還應(yīng)重視合理布局，使腕部與臂部和手部的進(jìn)行適當(dāng)結(jié)合。（3） 工作條件機(jī)械手的工作條件是在對(duì)工件進(jìn)行搬運(yùn)或者裝卸，因此受環(huán)境的影響比較小，一般不會(huì)處在高溫、腐蝕性的工作介質(zhì)中，因而對(duì)于腕部不作太多的要求。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腕部一般是用四根支架組成的。下面采用兩根支架,支架上面再放兩根支架，四根支架上不采用實(shí)體式，如果吸盤的位置正好吸在工件孔的位置，這樣就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手不能搬動(dòng)工件。采用這樣的設(shè)計(jì)，可用人工調(diào)整手部的位置來解決此問題。上面和下面的支架通過手部吸盤上的螺栓進(jìn)行連接。和螺栓連接的墊片采用快換墊片的形式，能迅速地調(diào)整機(jī)械手的手部位置。 總結(jié) 本章是講述平面式的結(jié)構(gòu)可滿足腕部的設(shè)計(jì)要求，然后介紹腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題和非實(shí)體式的結(jié)構(gòu)所具有的特點(diǎn)。 5 機(jī)械手臂部的設(shè)計(jì)機(jī)械手的臂部是支撐手部、被抓工件和腕部的重要部件。帶動(dòng)手指去抓取物件，并且按照預(yù)定要求將工件搬運(yùn)到指定位置。對(duì)于臂部，如果要實(shí)現(xiàn)臂部的運(yùn)動(dòng)則應(yīng)當(dāng)采用合適的傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)等，在本文中實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)臂部運(yùn)動(dòng)的是采用了齒輪齒條機(jī)構(gòu)。從具體的實(shí)際來看，考慮到臂部受力和部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)和靈敏性將直接決定機(jī)械手的工作效率。 基本要求 首先對(duì)強(qiáng)度與剛度，穩(wěn)定性要好，由臂部所能承受的載荷來選擇合適的橫截面積，提高支撐剛度，合理布置載荷的分布。選擇強(qiáng)度和剛度都比較好的材料，同時(shí)要求載荷分布均勻，并盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。2. 要注意臂部工作的靈敏性，速度應(yīng)當(dāng)根據(jù)受力適當(dāng)，要能承受一定的沖擊且誤差要盡可能的減小，使載荷的傳遞更加準(zhǔn)確高效。 臂部的結(jié)構(gòu) 臂部的典型機(jī)構(gòu)常見的有很多手臂機(jī)構(gòu)，當(dāng)行程比較小時(shí)，采用油缸直接驅(qū)動(dòng)。當(dāng)行程較大時(shí)，可采用齒條機(jī)構(gòu)的倍增機(jī)構(gòu)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺