【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 械手 化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起 步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中 [8]。 本文主要研究?jī)?nèi)容 通過(guò)學(xué)習(xí) ，掌握了 機(jī)械手的工作原理 和 運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解 油泵凸輪軸自動(dòng)線的加工 流程，分析確定了所設(shè)計(jì)機(jī)械手的動(dòng)作程序及相關(guān)參數(shù)；完成了機(jī)械手機(jī)械方面（包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)工作。 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了機(jī)械手的基本概念、機(jī)械手的組成和分類(lèi)，以及工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史和發(fā)展趨勢(shì)。簡(jiǎn)要地?cái)⑹隽吮疚?的主要研究?jī)?nèi)容。凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手設(shè)計(jì) 8 2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手基本形式的選擇 常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致分為以下 4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。本設(shè)計(jì)機(jī)械手的動(dòng)作主要包括：手抓張合 和三個(gè)相互垂直的平移運(yùn)動(dòng)（升降、左右和前后），選用直角坐標(biāo)型機(jī)械手。 本論文機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)附圖 1（機(jī)械手裝配圖）。 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) 本設(shè)計(jì) 機(jī)械手主要包含如下 4 個(gè)動(dòng)作：手抓張合 、手臂上下伸縮、手臂左右移動(dòng)和手臂前后移動(dòng)。 本 設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由 3大部件和 3個(gè)液壓缸組成：（ 1）手部 通過(guò)彈簧實(shí)現(xiàn)手抓的 張合。（ 2）臂部 采用 兩個(gè)相互垂直的 直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的 左右移動(dòng)和 上下伸縮。（ 3）機(jī)身 采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的前后移動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 根據(jù)動(dòng)力源的不同，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可以分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)四類(lèi)。由于液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便和驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用液壓驅(qū)動(dòng)。 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù) 抓重： 3Kg(夾持式手部 夾持凸輪軸直徑 Ф 30177。 ) 凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手設(shè)計(jì) 9 自由度數(shù)： 4 個(gè)（手抓張合、手臂上下、左右和前后移動(dòng)） 坐標(biāo)形式：直角坐標(biāo) 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 手臂左右行程： 50mm 手臂上下行程： 350mm 手臂前后行程： 915mm 本章小結(jié) 本章對(duì)油泵凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)。通過(guò)機(jī)械手的動(dòng)作分析，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，確定了機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)。 凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手設(shè)計(jì) 10 3 手部、 臂 部和機(jī)身 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手屬于專(zhuān)用機(jī)械手，根究其所搬運(yùn)的工件（油泵凸輪軸）屬于棒性材料，故采用彈簧夾緊的夾持式手部結(jié)構(gòu)。 手部設(shè)計(jì)的基本要求 (一 )具有足夠的握力 (即夾緊力 ) 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(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。 (二 )手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角 兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。 (三 )保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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(dòng)定心。 (四 )具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳 [9]。 （五）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高 凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手設(shè)計(jì) 11 在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手部的負(fù)荷。 夾持式是最常見(jiàn)的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式 :按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式 (或內(nèi)漲式 )和外夾式兩種 :按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型 (或稱(chēng)直進(jìn)型 )，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指 。同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 手抓類(lèi)型及夾緊裝置的選擇 常用的機(jī)械手的手部，按照握持工件的原理，分為夾持和吸 附兩大類(lèi)。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體，不適合本方案?？紤]本設(shè)計(jì)機(jī)械手夾取工件的重量為 3Kg,且為圓棒型材料，機(jī)械手采取夾持式手指 。 夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)方式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開(kāi)閉合靠手指的平行移動(dòng)，這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適于夾持平板方料，且工件經(jīng)向尺寸變化不影響其中心的位置，其理論夾持誤差為零。但采用此種結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)力需要加在手指移動(dòng)方向上，會(huì)使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大，顯然是不合適的，因此不選擇這種類(lèi)型。 通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用二指回轉(zhuǎn)型手抓。夾緊裝置采用常閉式夾緊裝置，它在 彈簧作用下機(jī)械手手抓閉合，在抓取工件時(shí)依靠手抓運(yùn)動(dòng)的慣性力和手臂的驅(qū)動(dòng)力使手抓張開(kāi)，抓取工件后，靠彈簧力夾緊工件。 其結(jié)構(gòu)如附圖 所示。 凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手設(shè)計(jì) 12 圖 夾緊機(jī)械手剖面圖 本論文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的手部包括： 1個(gè)定位機(jī)械手（見(jiàn)附圖 2）和 2 個(gè)夾緊機(jī)械手（見(jiàn)附圖 3）。 手部 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 本課題 液壓 機(jī)械手所抓取搬運(yùn) 工件 的 重量 G=3㎏ 。 （ 1） 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為 [10]: N≥ K1K2K3G kgf≈ 12N (31) K 1 － 2 K 2動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可以按照K2=1+a/g 計(jì)算。 其中： a 為搬運(yùn)工件過(guò)程中的加速度 ， g為重力加速度 。 凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手設(shè)計(jì) 13 K 3方位系數(shù)《機(jī)械工程手冊(cè) 表 》 G被抓工件的重量 （ 2） 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式 : N=（Φ φ） (32) 所以 ： P=（ 2b/R） N≈ 147 N 臂 部 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 臂部設(shè) 計(jì)原則 機(jī)械手手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)械手所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)械手 手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則； 手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡 可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)械手 的控制。 工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與 機(jī)械手 手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但 機(jī)械手 手臂末端工作空間并沒(méi)有考慮 機(jī)械手 手腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì) 機(jī)械手 手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空 間要小于上述沒(méi)有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 機(jī)械手 的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證 機(jī)械手 手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造 機(jī)械手 手臂。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)械手 手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的 1/4，相當(dāng)于鋁合金的 2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問(wèn)題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手設(shè)計(jì) 14 機(jī) 械手 手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕 機(jī)械手 手臂的重量。 各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。 的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小電機(jī)負(fù)載和提高 機(jī)械手 手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì) 機(jī)械手 的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在 機(jī)械手 上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來(lái)減小 機(jī)械手 手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡手臂殘余的不平衡重量。 手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限 位開(kāi)關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。 臂部具體設(shè)計(jì)方案及計(jì)算 （一）具體設(shè)計(jì) 方案 根據(jù)機(jī)械手實(shí)際工作需要，確定 機(jī)械手 的臂部需要實(shí)現(xiàn) 升降 和左右兩個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械手的臂部由垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）組成。 直線運(yùn)動(dòng) 一般 通過(guò)液壓傳動(dòng)或電 機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到 本設(shè)計(jì)機(jī)械手所搬運(yùn)工件的重量適中 ， 僅 3KG，屬中型重量； 同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的要求。 本設(shè)計(jì) 選擇液壓 驅(qū)動(dòng)方式，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。 具體的設(shè)計(jì)方案為： 機(jī)械手的垂直升降手臂（大臂） 和左右平移手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò) 2 個(gè)相互垂直的液壓缸 來(lái)實(shí)現(xiàn) 。其中 :大臂 液壓缸活塞桿的伸縮實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的 升降 ，小臂 液壓缸活塞的左右 往復(fù)實(shí)現(xiàn)了 機(jī)械手的左右 平移 。 同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，若僅僅 通過(guò)增大液壓缸的缸徑來(lái)增大剛度，凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手設(shè)計(jì) 15 是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的， 所以 在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了 導(dǎo)向裝置 。 目前常 用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿等，在本機(jī)械手中采用單導(dǎo)向桿來(lái)增加 手臂的剛性和導(dǎo)向性 [11]。 在本機(jī)械手中采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性 [12]。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手的臂部結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 圖 臂部結(jié)構(gòu)示意圖 凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手設(shè)計(jì) 16 （二） 手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì) 算 手臂作垂直 伸縮時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力 : 圖 手臂伸出時(shí)的受力狀態(tài) 因此，驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為 [13]: P 驅(qū) = P 慣 +P 摩 +P 封 +P 背 （ 33) 式中 : P 慣 — 手臂 在起動(dòng)過(guò) 程中的慣性力 (N)。 P 摩 — 摩擦阻力 (包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力 )(N)。 P 封 — 密封裝置處的摩擦阻力 (N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻力不同。 P 背 — 油缸 非工作腔壓力 (即背壓 )所造成的阻力 (N)，若非工作腔與 油箱或大氣相連時(shí)，則 P 背 =0。 機(jī)身機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手的機(jī)身 由直線缸、滾動(dòng)橫梁及聯(lián)接直線缸和臂部的滾動(dòng)支架組成。具體詳附 圖 1（機(jī)械手裝配圖）。 機(jī)械手機(jī)身的直線缸與臂部液壓缸一樣也增設(shè)單導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，以增加機(jī)械手的穩(wěn)定性和安全性。 本章小結(jié) 本章通過(guò)工 作需求分析，完成了機(jī)械手的手部、臂部和機(jī)身的凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手設(shè)計(jì) 17 方案確定及其具體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手設(shè)計(jì) 18 4 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由 3 個(gè)相互垂直的液壓油缸 、 由液壓油缸、電機(jī)、油管和其他控制元件所組成的液壓系統(tǒng) ，以及控制液壓系統(tǒng)工作的電氣系統(tǒng) 所組成