【正文】 題關(guān)于四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)核心在于一整套氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)原理圖的設(shè)計(jì)如附件氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理圖:本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用到氣壓泵、過濾調(diào)壓器（消除脈動(dòng)、吸收水氣、冷卻）、電磁換向閥、氣壓回路、筆形氣缸、雙聯(lián)氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸還有氣爪等各類元器件。4機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本課題研究的機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共分為電力驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)2種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但一般情況下對(duì)這2種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作同步性的要求，所以一般作為電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來綜合設(shè)計(jì)。此外，固定式機(jī)械手對(duì)底座的結(jié)構(gòu)要求較低，只需其滿足機(jī)械手的定位要求即可。當(dāng)活塞桿克服載荷收縮做工時(shí)，根據(jù)機(jī)械臂初選的工作壓力以及工作載荷，確定氣缸的內(nèi)徑D為： D=4F1πPη （32）其中： D為氣壓缸的內(nèi)徑m； F為氣壓活塞的載荷N； P為氣壓缸受到的壓力Pa； Η為氣缸總的機(jī)械效率（一般取η=~）；考慮到氣缸中活塞桿的直徑以及具體工況： D=~ （33）根據(jù)豎直臂收縮氣缸的具體工作要求以及工作過程中的具體數(shù)據(jù)參數(shù)：伸縮時(shí)間t=,行程S=60mm，氣缸中活塞的工作載荷F≥15N，可得氣缸的內(nèi)徑D為取P=,η=：D==≈ ⑵水平伸縮模塊的設(shè)計(jì)由于水平臂只在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)而且只有一端定位，所以為了保證水平臂的剛性，我們采用水平鋼桿和氣壓缸組合使用的方法，所以氣缸只需要選用筆形氣缸即可，根據(jù)水平臂收縮氣缸的具體工作要求以及工作過程中的具體數(shù)據(jù)參數(shù)：伸縮時(shí)間t=,行程S=70mm，氣缸中活塞的工作載荷F≤10N，可得氣缸的內(nèi)徑D為取P=,η=：D==≈根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選取SMC,CXSM1070Z73氣缸，水平安裝重復(fù)定位的精度為177。②要求機(jī)械臂必須具有一定的剛度，因?yàn)檫@樣可以大大提高機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的精度和定位的精度[8]。此外，對(duì)于機(jī)械臂的設(shè)計(jì)還應(yīng)該遵循2個(gè)基本原則：⑴機(jī)械臂在工作過程中需具備一定的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要保證各機(jī)械臂必須有一定的剛度；⑵涉及到對(duì)于機(jī)械手產(chǎn)品成本問題以及具體實(shí)際工作的要求，應(yīng)保證手臂的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單、重量盡量輕，以達(dá)到節(jié)約材料、減少機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)慣性使其動(dòng)作靈活的目的。夾持氣爪對(duì)器件加持力的計(jì)算如下：N≥K1?K2?K3?G (34)其中： K1表示安全系數(shù)，（~2）； K2表示工況系數(shù)（一般情況下受器件慣性力的影響較大K2=1+ag， a表示器件的加速度，g表示器件的重力加速度)； K3表示位置系數(shù)； G表示器件的重量；計(jì)算過程中分別取K1=2，K2=2，K3=4；則由式31可得：N≥420N=所以夾持力矩（根據(jù)最小的夾持力計(jì)算）為：M=F?S=?m=?m根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選取SMC,MHC216DA193S氣爪，其主要性能參數(shù)為：①；②氣爪的夾持力矩為45N?m；③機(jī)械手部的重復(fù)定位精度為177。機(jī)械手手部的具體結(jié)構(gòu)如33圖所示。確 定 抓 重手 部 設(shè) 計(jì)手 臂 設(shè) 計(jì)底座及其它零部件設(shè)計(jì)將模塊進(jìn)行組合裝配圖32 機(jī)械手的設(shè)計(jì)流程圖 機(jī)械手手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本課題研究的機(jī)械手主要用于流水線上器件的搬用，而機(jī)械手手部的結(jié)構(gòu)是與實(shí)際工作物體直接接觸的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的確定應(yīng)與實(shí)際工作中所搬用物體的類型相適應(yīng)。 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)械手在作業(yè)時(shí)，與完成具體工作直接相關(guān)的機(jī)構(gòu)稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否直接影響機(jī)械手工作性能的好壞以及機(jī)械手的整體成本，所以執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量對(duì)于整個(gè)機(jī)械手的性能有著至關(guān)重要的影響。所以關(guān)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)必須遵循一定的設(shè)計(jì)流程,這樣便于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的標(biāo)準(zhǔn)化并大大簡(jiǎn)化流程,有利于成本的降低。機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖31所示。 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成及其設(shè)計(jì)流程 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)本課題設(shè)計(jì)的四自由度搬運(yùn)機(jī)械手要求具有占地面積較小而活動(dòng)范圍相對(duì)較大的特點(diǎn)，同時(shí)還要求有較高的平穩(wěn)性和精度。當(dāng)產(chǎn)品需要維修或更新?lián)Q代時(shí)，可以通過對(duì)產(chǎn)品的部分功能模塊進(jìn)行改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)，這樣可以使得設(shè)計(jì)成本和后期維修成本大大降低，同時(shí)也大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。而并行關(guān)系則是指雖然一個(gè)功能仍是因某一功能的出現(xiàn)而出現(xiàn)，但不同的一點(diǎn)是此時(shí)出現(xiàn)2個(gè)功能，這時(shí)的關(guān)系則為并行關(guān)系。所謂上下級(jí)關(guān)系我們又稱之為前后級(jí)關(guān)系，它是指在系統(tǒng)中的某個(gè)功能會(huì)因另一個(gè)功能的出現(xiàn)而出現(xiàn)，其中，最先出現(xiàn)的功能我們稱之為上位功能，而被引出的功能我們稱之為下位功能。 機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì)的一般方法對(duì)于一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品來說，機(jī)構(gòu)和功能的關(guān)系是相互依存的，而相對(duì)于機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)系，功能之間的關(guān)系更加重要。⑷模塊的劃分必須保證各模塊功能和機(jī)構(gòu)的獨(dú)立以及二者有機(jī)結(jié)合。⑵模塊數(shù)的劃分越多那么其組合方案也就越復(fù)雜，所以我們力求用最少的模塊數(shù)來實(shí)現(xiàn)最多的模塊組合。一個(gè)優(yōu)秀的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)在機(jī)構(gòu)中各單元體的功能獨(dú)立和物理機(jī)構(gòu)獨(dú)立的有機(jī)結(jié)合，這樣不僅在設(shè)計(jì)時(shí)使復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化大大降低了設(shè)計(jì)難度，而且有利于后期對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的維修和更新?lián)Q代。在設(shè)計(jì)時(shí)各個(gè)單元體之間要分開自行設(shè)計(jì)，但是過程中必須要保證的一點(diǎn)是對(duì)于各個(gè)模塊、各個(gè)單元體的設(shè)計(jì)一定要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這樣既可以使設(shè)計(jì)過程標(biāo)準(zhǔn)化降低設(shè)計(jì)難度和成本，也可以便于產(chǎn)品最后的模塊組合，同時(shí)還有利于提高各模塊在設(shè)計(jì)過程中的可調(diào)整性以及各同類單元體之間的互換性。~240176。 機(jī)械手動(dòng)作過程中的時(shí)間配置本課題所研究的機(jī)械手主要是用于一般的流水作業(yè)線和一些器件的搬運(yùn)，其基本動(dòng)作軌跡大多都是類似的，只不過是在具體動(dòng)作形式和時(shí)間配置上有參數(shù)上的區(qū)別，所以本課題研究的機(jī)械手的新穎之處就在于充分解決了這一問題，本論文中的控制系統(tǒng)采用的是PLC可編程控制器，它可以實(shí)現(xiàn)隨工作環(huán)境和任務(wù)的不同，把機(jī)械手的每一個(gè)具體動(dòng)作形式和動(dòng)作時(shí)間根據(jù)具體工作情況參數(shù)化，如此設(shè)計(jì)出的機(jī)械手可適用于任何工作環(huán)境和完成任何工作任務(wù)，大大提高的機(jī)械手的通用性。⑤機(jī)械手的夾放通過氣壓缸控制機(jī)械手夾放力度，保證物體在搬運(yùn)不會(huì)意外掉落，通過PLC準(zhǔn)確控制機(jī)械手的夾放時(shí)間，保證物體在搬運(yùn)過程的有序進(jìn)行。④機(jī)械手手部的旋轉(zhuǎn)機(jī)械手手部可水平旋轉(zhuǎn)180176。②軸向移動(dòng)機(jī)械手小臂可以隨著機(jī)械手大臂通過氣壓缸的收縮實(shí)現(xiàn)小臂的軸向移動(dòng)300mm，大大擴(kuò)大了機(jī)械手的移動(dòng)行程和動(dòng)作范圍。此外，以上自由度在實(shí)際工作中可進(jìn)行有序組合，從而完成一些復(fù)雜的動(dòng)作形式和要求。根據(jù)本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手的具體運(yùn)動(dòng)形式，我們可以將機(jī)械手的四個(gè)自由度大致分為：①方向控制、②工作執(zhí)行兩個(gè)方面。人的手臂堪稱是世界上最完美的機(jī)器，因?yàn)樗灿?個(gè)自由度，能過完成任何復(fù)雜的動(dòng)作過程和任何方式的運(yùn)動(dòng)，所以在各種仿生學(xué)井噴的今天，對(duì)機(jī)械手的研究具有極其重要的意義和價(jià)值?？墒菣C(jī)械手畢竟和人手有很大的不同，它還需要有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的部分、控制的部分和執(zhí)行的部分，所以機(jī)械手的主要部件包括：①電動(dòng)機(jī)、②氣壓泵、③氣壓缸、④底座、⑤立柱、⑥大臂、⑦小臂、⑧機(jī)械夾手部等。③機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并不是淡淡的做到其性能的最佳，還要同時(shí)考慮它的經(jīng)濟(jì)性，要力求以最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、最輕的自身重量、最低的成本取滿足具體的工作性能要求，如機(jī)械手的行程范圍、最大負(fù)載能力和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、準(zhǔn)確性等。 機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在對(duì)機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要滿足理論上對(duì)其動(dòng)作具體過程的要求，還要同機(jī)械手的具體工作環(huán)境、工作空間的要求和限制相匹配，所以在機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程中必須嚴(yán)格遵守如下基本原則：①要給予機(jī)械手的動(dòng)作范圍留有盡可能大的活動(dòng)空間，并且所設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)能完成多種運(yùn)動(dòng)形式以滿足不同的工作要求。本課題研究的四自由度固定式搬用機(jī)械手，主要應(yīng)運(yùn)于一般的流水作業(yè)線和一些重量較輕的個(gè)體貨倉搬運(yùn)等工作中，因其可實(shí)現(xiàn)大部分人手的功能，所以在現(xiàn)實(shí)應(yīng)運(yùn)中具有一定的實(shí)際意義和較大的應(yīng)運(yùn)價(jià)值。⑷機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。⑵機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外針對(duì)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)以及各零部件等分類、分步進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)化且有序進(jìn)行。機(jī)械手種類繁多其應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用場(chǎng)合頗多,特別是在工業(yè)、制造領(lǐng)域，機(jī)械手正在逐步取代人力成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的裝備。按照機(jī)械手的應(yīng)用環(huán)境又可以細(xì)分為:①通用型機(jī)械手、②專用型機(jī)械手[1]。本課題研究的機(jī)械手其動(dòng)作自由度為