【正文】 1 1 緒論 1． 1 工業(yè)機(jī)械手的概述 工業(yè) 機(jī)械手在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色，是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī) 器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。 工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支 ， 它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。 機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛 廣泛。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車(chē)間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有 75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的 5%。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) (1) 手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單）。 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。手腕有獨(dú)立的自由度。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿(mǎn)足工作要求，有些動(dòng)作較為 簡(jiǎn)單的專(zhuān)用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度 加以實(shí)現(xiàn)。 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。 3 (4) 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國(guó)的正處于仿真階段。根據(jù)動(dòng)力源的不同 , 工業(yè)機(jī) 械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類(lèi)。 控制系統(tǒng)分類(lèi) 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 (2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)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。 (5) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。美國(guó)發(fā)射到火星上的 “ 索杰納 ” 機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著 名實(shí)例。 ~200186。 /s 腕部運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 表 22 運(yùn)動(dòng)名稱(chēng) 符號(hào) 行程范圍 速度 回轉(zhuǎn) ? 0 186。 200 186。3mm 2． 3 方案擬定 5 初步分析 機(jī)械手抓重為 300N，按工業(yè)機(jī)械手的分類(lèi)，屬于中型，按用途分為通用機(jī)械手，其特點(diǎn)是具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作靈活多樣，通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適合于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手與直角坐標(biāo)式械手相比，占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到很高的定位精度，因此應(yīng)用廣泛。 擬定方案 由初始參數(shù)擬定整體設(shè)計(jì)方案 通用機(jī)械手是 3~6 個(gè)自由度，而本次設(shè)計(jì)為 4 由度圓柱坐標(biāo)機(jī)械手，其大致結(jié)構(gòu)如圖 21，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 22： 圖 21 圖 22 執(zhí)行機(jī)構(gòu) (1) 手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型，也有吸盤(pán)式和電磁式結(jié)構(gòu)，本次選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)。 傳力機(jī)構(gòu)常用有滑槽杠桿式、連桿杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式 6 和重力式。 (2) 腕部 連接手部與手臂的部件。 的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，因此選用具有單自由度的回轉(zhuǎn)液 壓缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。 (3) 臂部 臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。并帶動(dòng)他們作空間運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)為手臂的伸縮缸安裝在兩根導(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，受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)課題特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用液壓驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，傳遞力矩大，并且控制精度高。 (2) 手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍，以便于抓取工件。 (4) 應(yīng)保證手抓的夾持精度。 αααα αα (a) (b) 圖 31 滑槽杠桿式手部 結(jié)構(gòu)、受力分析 1—— 手指 2—— 銷(xiāo)軸 3—— 杠桿 在杠桿 3 的作用下，銷(xiāo)軸 2 向上的拉力為 F，并通過(guò)銷(xiāo)軸中心 O 點(diǎn)，兩手指 1 的滑槽對(duì)銷(xiāo)軸的反作用力為 F1和 F2， 其力的方向垂直于滑槽的中心線 1oo 和 2oo 并指向 o點(diǎn)，交 1F 和 2F 的延長(zhǎng)線于 A 及 B。1F 8 由 ?Mol(F) =0 得 39。h cosah ?? F= 2cosNb Fa ? 式中 a—— 手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心的距離 (mm)。 由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 F一定時(shí)， ? 角增大，則握力 NF 也隨之增大，但 ? 角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好 ? = 030 ~ 040 3． 3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)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)。一般來(lái)說(shuō)，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn) 生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。可近似按下式估ga1K2 ??其中 a 是重力方向的最大上升加速度 maxva t?響， g= m/s ； maxv —— 運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度；； t響 —— 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取 ~； 3K —— 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇； G—— 被抓取工件所受重力（ N）。；機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為 ，求夾緊力 NF 和驅(qū)動(dòng)力 F 和 驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。 則活塞桿直徑為： d=32? =16mm，選取 d=16mm 3． 4 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算 機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確 ， 抓取精度高 ， 重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好 ， 并有足夠的抓取能。特別是在 10 多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定要進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差分析。 機(jī)械手的夾持范圍為 Φ60~Φ120mm。3mm，分析如下： 工件的平均半徑： CPR = 26030? =45mm 手指長(zhǎng) L=120mm，取 V型夾角 02 120?? 偏 轉(zhuǎn)角： β = 1cos? ?LsinRcp = 1cos? ?? 60sin120 45 =176。 計(jì)算理論平均半徑 ?? ??c o sL s inR0 120 sin60176。 =45mm 因?yàn)? m in0m ax RRR ＞＞ 2222m a x2m a x21 as i nLac oss i n2)s i n(L ??????? ???? RLR 222222 i os06s i n601202)06s i n60(201 ??????????? ? 11 2222m i n2m i n22 as i nLac oss i n2)s i n(L ??????? ???? RLR 222222 i os06s i n301202)06s i n30(201 ??????????? ? 所以 ? =3 夾持誤差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。 (2) 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 4． 2 腕部結(jié)構(gòu)的選 擇 腕部結(jié)構(gòu)有四種，分別為： (1) 具有單自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu) 12 (2) 用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu) (3) 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu) (4) 機(jī) —— 液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計(jì)要求腕部有一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，因此，綜合考慮分析，選擇第一種結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)直接用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。 m) (1) 腕部加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 慣M 若腕部啟動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)加速度為 ? (rad/s)，啟動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間為 t? (s)，或轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 ?? (rad)，則 慣M =（ J + 1J ) t?? 或 慣M =（ J + 1J )???22 式中 J— 參與腕部轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kg m2 ）。 設(shè) 夾取棒料直徑 100mm，長(zhǎng)度 1000mm，重量 50Kg，當(dāng)手部夾持工件中間位置回轉(zhuǎn) 0180時(shí)，將 手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，長(zhǎng) h=150mm，半徑為 60mm，其所受重力為 G=200 N 等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 sr a ds /???? 。基本尺寸如圖 41所示。 14 圖 41 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意 表 42 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（ JB106867） （ mm） 油缸內(nèi)徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20 鋼， P＜ 16 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45 鋼， P＜ 20 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 4． 3． 3 油缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 圖 42 缸蓋螺釘間距示意 表 43 螺釘間距 t 與壓力 P 之間的關(guān)系 工作壓力 P（ Mpa） 螺釘?shù)拈g距 t (mm) ~ 小于 150 ~ 小于 120 ~ 小于 100 ~ 小于 80 15 t 為螺釘?shù)拈g距，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見(jiàn)表 43，在這種聯(lián)結(jié)中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力為： 0 39。FQs 為預(yù)緊力 計(jì)算： 液壓缸工作壓強(qiáng)為 P=7 Mpa,所以螺釘間距 t 小于 80mm,試選擇 8 個(gè)螺釘； π d/4=110π /80=＜ 8，所以選擇螺釘數(shù)目合適 Z=8 個(gè) 危險(xiǎn)截面 4 2222 ???? ??? rR = Q PSF Z?所 以 ，= 8 6?? = s KFF ?‘ (K=~) 取 K=，則 ?QsF = N 0 39。 4． 3． 4 動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘 動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘 連接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱(chēng)安裝，并用兩個(gè)定位銷(xiāo)定位。 由 ? ?2282Qb p dD d M F Z f? ? ?摩 得 ? ?224Q bpF D dZfd?? 16 QF —— 單個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力； D —— 動(dòng)片外徑； f —— 被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼取 f=； d —— 輸出軸與動(dòng)