【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 10176。/s手腕旋轉(zhuǎn)110176。/s523手部和腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手的手部是用來(lái)抓持工件的部件，將直接影響到機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題：結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手指應(yīng)有一定的開(kāi)閉范圍。它的大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線及其方位的影響。 手指應(yīng)有足夠的夾緊力，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過(guò)程中的動(dòng)載荷應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。（1） 夾緊方案的確定機(jī)械手夾持器有很多方式，包括滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器、連桿杠桿回轉(zhuǎn)型夾持器、齒輪齒條平行連桿平移式夾持器、左右旋絲桿平移型夾持器、內(nèi)撐式連桿杠桿夾持器等。根據(jù)夾持桶裝水的實(shí)際情況齒輪齒條平行連桿平移式夾持器，如下圖31所示： 圖31 齒輪齒條平行連桿平移式（2） 手部液壓缸的計(jì)算和選取液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓組件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行組件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。（3） 液壓缸輸出力液壓缸的輸出力式中：F—液壓缸的輸出力 P—對(duì)應(yīng)輸出力的工作壓強(qiáng)有效工作截面積分無(wú)桿腔和有桿腔：無(wú)桿腔： (321) 有桿腔： (322) 計(jì)算單活塞桿，計(jì)算的推力是取單活塞桿時(shí)液壓缸拉力取（4） 液壓缸阻力 (323)Fe──工作負(fù)載為0──摩擦阻力 (324)Fi──慣性負(fù)載 (325)式中， 為液壓缸所要移動(dòng)的總重量，取為1000N；為重力加速度， ；為速度變化量，；啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，~，將各值帶入上式，得=102N。所以： （5）夾緊力Fn和驅(qū)動(dòng)力Fp的關(guān)系如圖25所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器推桿往上運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩滑塊向中間收攏，產(chǎn)生夾緊力，夾緊力和驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系： (326)式中， 手部夾緊力 液壓缸驅(qū)動(dòng)力 齒輪分度圓半徑，為75mm 連桿長(zhǎng)度,為200mm 連桿與豎直方向的夾角 當(dāng)和一定時(shí)，將隨增大而增大，當(dāng)時(shí)夾緊力為最小值。（6）夾緊力的計(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(duì)其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。手指對(duì)工件的夾緊力可按下列公式計(jì)算： (327)式中：—安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,——，；—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計(jì)算最大加速度，得出工作情況系數(shù), ，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度或減速度的絕對(duì)值（m/s）；—方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，手指與工件位置：手指垂直放置 工件垂直放置；手指與工件形狀：圓弧型指端夾持圓柱型工件，為摩擦系數(shù)，取=，此處粗略計(jì)算—被抓取工件的重量求得夾緊力，（7） 理論驅(qū)動(dòng)力和實(shí)際驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和夾緊力之間的關(guān)系式： (328)當(dāng)為連桿與豎直方向的夾角，當(dāng)為0時(shí)，夾緊力最小，即當(dāng)為0能夾緊工件，則其它時(shí)候均能夾緊。 得出為理論計(jì)算值，實(shí)際采取的液壓缸驅(qū)動(dòng)力要大于理論計(jì)算值，考慮手爪的機(jī)械效率，～，則： （8） 手部液壓缸的選用 液壓缸選取HSG型液壓缸，此液壓缸屬于單向作用液壓缸工作壓力為16MPa。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為: (329) 式中: 活塞桿上的推力，N 彈簧反作用力，N 液壓缸工作時(shí)的總阻力，N 液壓缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算: (330) (331)式中: 彈簧剛度，N/m 彈簧預(yù)壓縮量，m 活塞行程，m 彈簧鋼絲直徑，m 彈簧平均直徑，. 彈簧有效圈數(shù). 彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: (332)由以上分析得單向作用液壓缸的直徑: (333)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以：:查有關(guān)手冊(cè)圓整，根據(jù)實(shí)際情況，選取: 內(nèi)徑 外徑其簡(jiǎn)圖如下： HSG型活塞桿端外螺紋連接液壓缸 機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手腕部是小臂和手臂的聯(lián)接部件，其作用是利用自身的活動(dòng)度來(lái)確定手部夾持工件的空間狀態(tài)，也可以說(shuō)是確定手部的姿態(tài)。故腕部也稱作機(jī)械手的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。 （1）腕部的自由度手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是豎直放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為伺服電動(dòng)機(jī)，因此我們選用伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。且體積小，驅(qū)動(dòng)力矩大。（2）腕部的結(jié)構(gòu) 如下圖33所示，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)工字鋼固定在機(jī)架中間，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)圖33 手腕腕部旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)手部旋轉(zhuǎn)。腕部相對(duì)機(jī)架間的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐軸承中的薄壁交叉滾子軸承實(shí)現(xiàn)的?；剞D(zhuǎn)支承軸承是一種能夠承受綜合載荷的大型軸承，可以同時(shí)承受較大的軸向、徑向負(fù)荷和傾覆力矩。 其簡(jiǎn)圖如下圖：圖34 薄壁交叉滾子軸承實(shí)物圖如下：圖35 薄壁交叉滾子軸承（3）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，: (334)式中: 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩()。 慣性力矩()。 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩().分析各阻力矩的計(jì)算:手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M：若手腕起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為，則: (335)式中: 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: (336)式中: 桶裝水對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 桶裝水的重量(N)。 桶裝水的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm), 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s)。 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間(s)。 — 起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度(弧度)。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和桶裝水的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 + (337)式中: 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N)。 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm)當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則.手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 (338)式中: ， 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm)。 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承。 , 軸頸處的支承反力。（4） 伺服電動(dòng)機(jī)的選取測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （）兩桶桶裝水的質(zhì)量為38,質(zhì)量分布于軸線對(duì)稱的兩邊，重心到軸線的距離為135mm，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長(zhǎng)的棒料來(lái)說(shuō)，最大偏心距，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為，考慮手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線,則： + 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對(duì)于薄壁支撐軸承， ，為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì),。 所以，驅(qū)動(dòng)手腕的驅(qū)動(dòng)力矩: 由上述數(shù)據(jù)，選擇SD系列交流伺服電動(dòng)機(jī)中的SD15型伺服電動(dòng)機(jī)，其簡(jiǎn)圖如下：圖36 SD15型伺服電動(dòng)機(jī)： SD15型伺服電機(jī)的參數(shù) 型號(hào)最大輸出功率/W 額定電壓/V頻率/Hz空載轉(zhuǎn)速（r/min）額定轉(zhuǎn)矩