【正文】 動力矩 Mq 可按下式計算： Mq = (Mm + Mg ) (N 當(dāng) Fm=40N， Fg=100N， W =1098N 時 Pq=40+100+1098=1238（ N） 3）臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的 慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。 W (N) 式中 Fm——各支承處的摩擦力（ N）； Fg——啟動時慣性力（ N）可按臂伸縮運動時的情況計算； W——臂部運動部件的總重量（ N）； 177。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度 V時，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度； △ t ——啟動過程中所用的時間，一般為 ∽ 。其驅(qū)動力 Pq 可按下式計算： Pq = Fm + Fg (N) 式中 Fm——各支承處的摩擦阻力； Fg——啟動過程中的慣性 力，其大小可按下式估算： Fg = gW a (N) 式中 W ——手臂伸縮部件的總重量 （ N）； g ——重力加速度（ ） 。機械手工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。當(dāng)活塞缸 5 通壓力油時，其缸體就帶動滑臺 1，沿著燕尾形滑座 2 做橫向往復(fù)運動。 3）手臂的橫向移動 如圖 6 所示為手臂的橫向移動機構(gòu)。 圖 6 手臂升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)圖 2）手臂回轉(zhuǎn)運動 實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵 9 實現(xiàn)。當(dāng)升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠 4 做上下運動，活塞缸體 2 固定在旋轉(zhuǎn)軸上。如圖 4 所示，在導(dǎo)向桿 1 的尾端用支承架 4將兩個導(dǎo)向桿連接起來，支承架的兩側(cè)安裝兩個滾動軸承 2，當(dāng)導(dǎo)向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動時，支承架上的滾動軸承就在支承板 3的支承面上滾動。對于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。目前采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿和其他的導(dǎo)向裝置，本機械手采用的是雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向機構(gòu)。 圖 4 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu) 導(dǎo)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(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。由于湖北科技職業(yè)學(xué)院 第 15 頁 共 40 頁 手臂的伸縮油缸安裝在兩導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)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。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當(dāng)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(fù)直線運動。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(yīng)用比較多。 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(fù)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)。 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 。 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。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。因此設(shè)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。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(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)型式。立柱的橫向移動即為手臂的橫向移動。 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。m） 式中 ?——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（ rad） 。m2 ） 按已知計算得 J=， J 工件 =， ? =,t=2 湖北科技職業(yè)學(xué)院 第 14 頁 共 40 頁 故 M 慣 = （ 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（ kg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(xué)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(shè)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(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時， M 偏為零 當(dāng) e=， G1=98N 時 M 偏 = （ N當(dāng)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。. 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。 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。 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(yīng)工作環(huán)境的需要。設(shè)計腕部時要注意以下幾點： ① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。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(dāng)量夾緊力計算公式 N= 把已知條件代入得當(dāng)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。 本機械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)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。 V 形手指夾緊圓棒料時，湖北科技職業(yè)學(xué)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。這里取角 α=30度。 由上式可知，當(dāng)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(dǎo)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。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）?！艶y=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα 銷軸對手指的作用力為 p1′。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。 ⑤ 應(yīng)考慮被抓取對象的要求 應(yīng)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(shè)計和確定手指的形狀。例如圓柱形工件采用帶 ‘V’ 形面的手指，以便自動定心。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 ② 手指間應(yīng)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。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。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(shè)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。 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。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(shè)計。 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。利用行程開關(guān)檢測位置，精度低，故一般與機械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。 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(guān)式、模擬式和數(shù)字式。機座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機器人所采用，機座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運與安放，機座底部也可以安裝行走機構(gòu)，已擴大其活動范圍，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。運動要求、操作環(huán)境、工作對湖北科技職業(yè)學(xué)院 第 9 頁 共 40 頁 象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。/s 手臂伸縮速度 V臂伸 = 50 mm/s 手臂回轉(zhuǎn)速度 V臂回 = 40176。為此驅(qū)動系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動作的同步。機械手的運動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。 機械手的總動作時間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進行，要按時間長的計算，分配各動作時間應(yīng)考慮以下要求： ① 給定的運動時間應(yīng)大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間； ② 伸縮運動的速度要大于回轉(zhuǎn)運動的速度，因為回轉(zhuǎn)運動的慣性一般 大于伸縮運動的慣性。 手臂升降行程 170mm 手臂水平運動行程 100mm 3）確定運動速度 機械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間，進而確定各動作的運動 速度。 手臂伸長量 150mm 手臂回轉(zhuǎn)角度 177。本機械手的動作范圍確定如下： 手腕回轉(zhuǎn)角度 177。 2）工作范圍的確定 機械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡來確定。定位精度為 177。 2 機械手的設(shè)計方案 機械手的準(zhǔn)備工作 1）臂力的確定 目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機械手的臂力最小為 ，最大為 8000N。其中最為突出的是水下機器人， 6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種 :在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少 工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的 要求， “一客戶，一次重新設(shè)計 ”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如 :可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距 。 我國的工業(yè)機器人從 80 年代 “七五 ”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過 “七五 ”、 “八五 ”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)， 生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人 。 7)機器人化機械開始興起。 6)當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操 作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采 用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 3) 按控制方式