【文章內(nèi)容簡介】 圍，它分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在機座立柱上兩種形式，本機械手采用手臂配置在機座立柱上的形式。手臂配置在機座立柱上的機械手多為圓柱坐標型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運動，工作范圍較大。 5）位置檢測裝置的選擇 機械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關式、模擬式和數(shù)字式。本機械手采用行程開關式。利用行程開關檢測位置，精度低，故一般與機械擋塊聯(lián)合應用。在機械手中用行程開關與機械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故應用也是最多的。 6）驅(qū)動與控制方式的選擇 機械手的驅(qū)動與控制方式是根據(jù)它們的特點結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來選擇的，要盡量選擇控制性能好、體積小、維修方便、 成本底的方式。 控制系統(tǒng)也有不同的類型。除一些專用機械手外，大多數(shù)機械手均需進行專門的控制系統(tǒng)的設計。 驅(qū)動方式一般有四種：氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。 本機械手采用的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，控制方式為固定程序的 PLC 控制。 手部結(jié)構(gòu) 手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺 寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機構(gòu)組成。其傳力機構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式 ?? 等，這里采用滑槽杠桿式。 設計時應考慮的幾個問題 ① 應具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 ② 手指間應有一定的 開閉角兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。 ③ 應保證工件的準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶 ‘V’ 形面的手指，以便自動定心。 ④ 應具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和 剛度以防止折斷或彎曲變形，但應盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。 ⑤ 應考慮被抓取對象的要求 應根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設計和確定手指的形狀。 湖北科技職業(yè)學院 第 10 頁 共 40 頁 驅(qū)動力的計算 圖 1 滑槽杠桿式手部受力分析 如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿 3 作用下銷軸 2 向上的拉力為 P，并通過銷軸中心 O 點，兩手指 1 的滑槽對銷軸的反作用力為 P P2，其力的方向垂直于滑槽中心線 OO1和 OO2并指向 O點， P1和 P2 的延長線交 O1O2于 A及 B，由于 △ O1OA和 △ O2OA均為直角三角形，故 ∠ AOC=∠ BOC=α。根據(jù)銷軸力平衡條件 ∑Fx=0,P1=P2。∑Fy=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα 銷軸對手指的作用力為 p1′。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設兩力的大小相等，方向相反，以 N表示。由手指的力矩平衡條件，即 ∑m01(F)=0得 P1′h=Nb 因 h=a/cosα 所以 P=2b(cosα)2 N/a 式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米）。 α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。 由上式可知，當驅(qū)動力 P 一定時， α角增大則握力 N 也隨之增加，但 α角過大會導致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取 α=30176?！?40176。這里取角 α=30度。 這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。 V 形手指夾緊圓棒料時，湖北科技職業(yè)學院 第 11 頁 共 40 頁 握力的計算公式 N=，綜合前面驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件 在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力 P實際應按以下公式計算，即： P 實際 =PK1K2/η 式中 η——手部的機械效率，一般取 ~； K1——安全系數(shù)，一般取 ~2 K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， K2 可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中 a 為被抓取工件運動時的最大加速度， g 為重力加速度。 本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為 500 毫米 /秒動加速度為1000 毫米 /秒 2 ， 工件重量 G 為 98 牛頓， V型鉗口的夾角為 120176。,α=30176。時，拉緊油缸的驅(qū)動力 P 和 P 實際計算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當量夾緊力計算公式 N= 把已知條件代入得當量夾緊力為 N=49（ N）由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式 P=2b(cosα)2 N/a 得 P=P 計算 =245/27(cos30176。)2 49=(N) P 實際 =P 計算 K1K2/η 取 η=, K1=, K2=1+1000/9810≈ 則 P 實際 =(N) 腕部的結(jié)構(gòu) 腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設計腕部時要注意以下幾點： ① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 ② 轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。 ③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題 ④ 要適應工作環(huán)境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外 露，使外形整齊。 本機械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為 177。115176。. 如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，即為手腕的回轉(zhuǎn)運動。 湖北科技職業(yè)學院 第 12 頁 共 40 頁 圖 2 機械手的腕部結(jié)構(gòu) 驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片 與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計算： M 驅(qū) =M 慣 +M 偏 +M 摩 （ ） 式中 M 驅(qū) ——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 M 慣 ——慣性力矩 （ ） M 偏 ——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （ ） M 摩 ——手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 （ ） 湖北科技職業(yè)學院 第 13 頁 共 40 頁 圖 3 腕部回轉(zhuǎn)力矩計算圖 （ 1）摩擦阻力矩 M 摩 M 摩 =2f （ N1D1+N2D2） （ ） 式中 f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取 f=，滑動軸承取 f=； N1 、 N2 ——軸承支承反力 （ N）； D1 、 D2 ——軸承直徑（ m） 由設計知 D1= D2= N1=800N N2=200N G1=98N e= 時 M 摩 =*（ 200*+800*） /2 得 M 摩 =（ ） （ 2）工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏 M 偏 =G1 e （ ） 式中 G1——工件重量（ N） e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時， M 偏為零 當 e=， G1=98N 時 M 偏 = （ Nm） （ 3）腕部啟動時的慣性阻力矩 M 慣 ① 當知道手腕回轉(zhuǎn)角速度 ? 時，可用下式計算 M 慣 M 慣 =（ J+J 工件） t? （ Nm） 式中 ?——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （ 1/s） T——手腕啟 動過程中所用時間（ s），（假定啟動過程中近為加速運動） J——手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（ kgm2 ） J 工件 ——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 （ kgm2 ） 按已知計算得 J=， J 工件 =， ? =,t=2 湖北科技職業(yè)學院 第 14 頁 共 40 頁 故 M 慣 = （ Nm） ② 當知道啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度 ? 時，也可以用下面的公式計算 M 慣： M 慣 =（ J+J 工件） ??22 （ Nm） 式中 ?——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（ rad） 。 ?——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （ 1/s）。 考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取 M =∽ （ M 慣 +M 偏 +M 摩 ） （ ） M = *（ ++） = （ ） 臂部的結(jié)構(gòu) 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的。立柱的橫向移動即為手臂的橫向移動。手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ?精度等都直接影響機械手的工作性能，所以必須根據(jù)機械手的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度及其定位精度的要求來設計手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時，設計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設計臂部時一般要注意下述要求： ① 剛度要大 為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 ② 導向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。 ③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。 ④ 運動要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高 。故應盡量減少小臂部運動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。 1）手臂直線運動機構(gòu) 機械手手臂的伸縮、升降及橫向移動均屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂往復直線運動的機構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)、絲桿螺母機構(gòu)以及活塞缸和連桿機構(gòu)。 2）手臂伸縮運動 這里實現(xiàn)直線往復運動是采用液壓驅(qū)動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂機構(gòu)中應用比較多。如下圖所示為雙導向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當雙作用油缸 1 的兩 腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿 2（即手臂）作往復直線運動。導向桿 3 在導向套 4 內(nèi)移動，以防止手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動（并兼做手腕回轉(zhuǎn)缸 6 及手部 7 的夾緊油缸用的輸油管道）。由于湖北科技職業(yè)學院 第 15 頁 共 40 頁 手臂的伸縮油缸安裝在兩導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。可用于抓重大、行程較長的場合。 圖 4 雙導向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu) 導向裝置 液壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮（或升降）運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎 曲力矩的作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂的結(jié)構(gòu)時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。目前采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿和其他的導向裝置，本機械手采用的是雙導向桿導向機構(gòu)。 雙導向桿配置在手臂伸縮油缸兩側(cè)，并兼做手部和手腕油路的管道。對于伸縮行程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導向桿尾部增設輔助支承架，以提高導向桿的剛性。 如圖 4所示，對于伸縮行 程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導向桿尾部增設輔助支承架，以提高導向桿的剛性。如圖 4 所示，在導向桿 1 的