【正文】 圖 11 機(jī)械手動作周期 機(jī)械手右旋轉(zhuǎn) 機(jī)械手上升 機(jī)械手手臂伸長 機(jī)械手下降 機(jī)械手加緊 機(jī)械手上升 機(jī)械手手臂收縮 機(jī)械手左旋 機(jī)械手下降 機(jī)械手手臂伸長 機(jī)械手下降 機(jī)械手松開 機(jī)械手手臂收縮 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 7 機(jī)械手發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于 20世紀(jì) 50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變 更，具有多自由度動作功能的柔性自動化 。 1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。 1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。運(yùn)動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（ Unimaton） ,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。 1978年美國 Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種UnimateVicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于177。 美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。德國 KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。據(jù)報道， 1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá) 50多個。截止 1979年，機(jī)械手累計產(chǎn)量達(dá) 56900臺。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。它設(shè)有微型電子計算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。它與電子計算機(jī)和電第一章緒論 8 視設(shè)備保持聯(lián)系。 圖 12 搬運(yùn)機(jī)械手 隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進(jìn)步，針對于上述各個領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。 國內(nèi)外應(yīng)用及發(fā)展趨勢 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。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，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的工作。 據(jù)資料介紹，美國生產(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)批河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 9 量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的 5%。 目前在我國機(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送到下一個生產(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。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)； 2．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；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； 3．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)； 4．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； 5．焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化 研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真； 、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 設(shè)計大綱 在設(shè)計之前，先確定一個大綱。按照結(jié)構(gòu)設(shè)計，驅(qū)動方式設(shè)計，電氣控制設(shè)計的順序，在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 11 第二章 機(jī)械手方案設(shè)計及計算 機(jī)械手的設(shè)計要求及技術(shù)參數(shù) 機(jī)械手的總體方案論證 對搬運(yùn)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度等特性。 圖 21 機(jī)械手的組成 驅(qū)動方式的選擇 現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點(diǎn)： （ 1）液壓傳動在工作過程中常有較多的 能量損失 (摩擦損失、泄露損失等 )；液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動平穩(wěn)性及正確性； （ 2）工作時受溫度變化影響較大。且當(dāng)油污染到一定程度還需更換，降低了經(jīng)濟(jì)效益； （ 3）因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲； （ 4）為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高；且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。氣 壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題 ； （ 2）阻力損失和泄漏較小，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。氣動系統(tǒng)一般只需要 即可建立起所需的壓力和速度。在易燃、易爆、多塵埃、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。所以本次設(shè)計的機(jī)械手是光軸氣動搬運(yùn)機(jī)械手。相應(yīng)的機(jī)械手具有三 個自由度） ； 坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) ； 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的，如圖22。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 1mm。 (2) 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，即開閉角 兩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。 (3) 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，以利于減輕手臂負(fù)載 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)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，此外，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，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。 第二章 機(jī)械手方案設(shè)計及計算 14 手部選型及計 算 手部是用來直接握持工件的部件，由于被握工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，歸結(jié)起來常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。按夾持工件時的運(yùn)動方式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時，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)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 下面 對其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析： 滑槽杠桿 : 下圖為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 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 的延長線于 A及 B。1F 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 αααα αα 由 ?Mol(F) =0 得 39。h cosah ?? F= 2cosNb Fa ? (21) 式中 a—— 手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心的距離 (mm) ? —— 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角 。 手部夾緊力和驅(qū)動力計算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù) 。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動狀態(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第二章 機(jī)械手方案設(shè)計及計算 16 是重力方向的最大上升加速度 maxva t?響， g= m/s ； maxv —— 運(yùn)載時工件最大上升速度； t響 —— 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，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)時間為 ，求夾緊力 NF ，驅(qū)動力 F 。 179。 300=225N 根據(jù)驅(qū)動力公式得： (2) 計算F = abcos2 2? NF = 22550 30c os1502 2 ???? = 取 ?? (3) ?計算實際 FF ?= =1192N 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 17 圖 23 手爪及氣缸 氣缸的直徑確定 本氣缸屬于單向作用氣缸。 彈簧反作用按下式計算 : )1( sGF ft ?? nDGdGf 3141? fG = nDGd31418 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預(yù)壓縮量， m 第二章 機(jī)械手方案設(shè)計及計算 18 s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， m n 彈簧有效圈數(shù) . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率 ? 的影響，則 :tFpDF ?? 421 ?? 由以上分析得單向作用氣缸的直徑 :??p FtFD )(4 1 ?? 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 ?fGnDGd31418? 4333915)1030(8 )( ??? ??? ?? )/( mN? )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 所以 : ?DpnFtF? )1(4 ? ? )(4 ?? ??? )( mm? 查有關(guān)手冊圓整，得 mmD 65? 由 ??Dd ,可得活塞桿直徑 : mmDd )( ???? 圓整后，取活塞桿直徑 mmd 18? 校核，按公式 ][)4//( 21 ?? ?dF 有 : ])[/14( ??Fd ? 其中， [? ] MPa120? ， NF 11921 ? 則 : )120/11924( ??? ?d ?? mm 故其 滿足實際設(shè)計要求。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算 : ][2/ ?? pDP? 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 19 式中 :? 缸筒壁厚， mm D 氣缸內(nèi)徑， mm pP 實驗壓力，取 PPp ? , Pa 材料為 :ZL3,[? ]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )( )1032/(1066565mm? ????? 取 ?? ，則缸筒外徑為 : )( mmD ???? 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角 度小于 ?360 ，并且要求嚴(yán)格的密封。機(jī)械手手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度愈大，則機(jī)械手腕部的靈活性愈高，機(jī)械手對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。一般的機(jī)械手手腕的自由度數(shù)為 2至 3個，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)械手手腕 不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。為了減輕機(jī)械手腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。 ，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 機(jī)械手的手臂運(yùn)動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動），給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作 空間中的運(yùn)動位置，而安裝在機(jī)械手手臂末端的手腕，則給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動姿態(tài)。 腕部的總體設(shè)計要求如下： (1) 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 (3) 必須考慮工作條件 對于本設(shè)計，機(jī)械手的工作條件是在工作場合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。在本設(shè)計中手腕不需要自由度，作為手爪與手部的鏈接裝置。 臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。 臂部設(shè)計要求 臂部的設(shè)計要求主要如下： ，相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，