【正文】 、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求， “一客戶，一次重新設(shè)計(jì) ”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在 “863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(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。 21 機(jī)械手理論部分 一、工業(yè)機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。在工業(yè)中應(yīng)用的機(jī)械手稱為“工業(yè)機(jī)械手”。這種機(jī)械手稱為專用機(jī)械手。這種機(jī)械手稱為通用機(jī)械手，通用 機(jī)械手又稱為“工業(yè)機(jī)器人”，即第一代機(jī)器人。又可分為抓取，送放和機(jī)身三大部分。 （ 1）抓取機(jī)構(gòu) 抓取機(jī)構(gòu)又稱手部或爪部，是機(jī)械手直接與被抓取物件（工件或工具 ）按觸并施加約束和夾緊力的部分。 夾鉗式抓取機(jī)構(gòu)由手指（或稱手抓）和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。吸附式抓取機(jī)構(gòu)主要由吸盤(pán)等組成，它是靠吸盤(pán)產(chǎn)生的吸力（如吸盤(pán)內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力）吸附物體的。 （ 2）送放系統(tǒng) 送放系統(tǒng)是執(zhí)行系統(tǒng)中將被抓 取物件送放到目的地的機(jī)械部分。 手臂是用來(lái)支承腕部和手部并改變被送放物件的空間位置的。 手腕主要用來(lái)調(diào)整和改變被送放物件的方位，并聯(lián)接手臂和手指。 對(duì)于一些較簡(jiǎn)單的機(jī)械手，可以不設(shè)置腕部或行走裝置，而將抓取機(jī)構(gòu)的手指直接裝在手臂的一端，以求減輕重量、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是為執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供各部分提供動(dòng)力的裝置。工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以采用液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等各種形式。 控制系統(tǒng) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的功用是通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，并檢測(cè)其工作位置正確與否。 程序控制裝置指揮機(jī)械手按規(guī)定的程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息（如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等），同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出指令。 位置檢測(cè)裝置主要用來(lái)控制機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行系統(tǒng)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 10 的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行系統(tǒng)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。 二、工業(yè)機(jī)械手的分類 工業(yè)機(jī)械手的類型多種多樣，且都有各自的特點(diǎn)和用途，它們可按不同的方法分類，其分類如下。專用機(jī)械手是附屬于主機(jī)的具有固 程序的機(jī)械手，其動(dòng)作較少，工作對(duì)象單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 按驅(qū)動(dòng)方式分 機(jī)械手可分為液壓傳動(dòng)機(jī)械手，氣壓傳動(dòng)機(jī)械手，電氣傳動(dòng)機(jī)械手和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手。但液壓傳動(dòng)也有不足之處，其最主要的問(wèn)題是容易泄露，因而要求領(lǐng)部件的制造精度高，有此也使生產(chǎn)成本提高了。點(diǎn)位控制是按空間點(diǎn)與點(diǎn)之間的某些設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行控制的，它只能控制過(guò)程中指定的設(shè)定點(diǎn)，而不能控制其運(yùn)動(dòng)的軌跡。連續(xù)軌跡控制是按設(shè)定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制的，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)無(wú)限多，其整個(gè)移動(dòng)過(guò)程都處于控 制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，但控制系統(tǒng)復(fù)雜，故目前應(yīng)用不多。手臂的運(yùn)動(dòng)稱為主運(yùn)動(dòng)，主運(yùn)動(dòng)決定送放運(yùn)動(dòng)的空間范圍。 手臂的運(yùn)動(dòng)包括上下升降、前后伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰等多中形式（參看圖 7—3）。整機(jī)的行走運(yùn)動(dòng)主要是指橫向移動(dòng)。 機(jī)械手的自由度 機(jī)械手的自由度是指機(jī)械手送放運(yùn)動(dòng)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，亦即主運(yùn)動(dòng)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的總數(shù)。按《機(jī)械原理》的法則，它可簡(jiǎn)化為一種多構(gòu)件的空間連桿機(jī)構(gòu)。 （ 1）直角坐標(biāo)式 這是一種直移型機(jī)械手，即所有的送放運(yùn)動(dòng)均為直線移動(dòng)。 （ 2）圓柱坐標(biāo)式 這是一種回轉(zhuǎn)型機(jī)械手，其手臂除了可以伸縮、可以升降外，還可以繞立柱工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 12 回轉(zhuǎn)。占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)亦較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因而應(yīng)用廣泛。 （ 3）球坐標(biāo)式 這是一種俯仰型機(jī)械手，其手臂除了具有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，還具有俯仰運(yùn)動(dòng)（即上、下擺動(dòng)），這種運(yùn)動(dòng)與手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)組合一個(gè)球狀送放空間。其特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的直觀性差，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且臂部有兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，位置精度誤差較大。除了大臂本身具有回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)外，小臂相對(duì)于大臂還可以屈伸，具有與人體上肢相類似的結(jié)構(gòu)。它與其他坐標(biāo)形式的機(jī)械手相比，所占空間最小，而且可以繞過(guò)障礙物抓取物體。 四、工業(yè)機(jī)械手的主要參數(shù) 坐標(biāo)形式和自由度 坐標(biāo)為圓柱坐標(biāo)式，有 4 個(gè)自由度（自由度大，動(dòng)作比較靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 直線運(yùn)動(dòng)速度：手臂伸縮行程 400mm，運(yùn)動(dòng)時(shí)間 t=2s,則手臂伸縮速度v= smtl ??. 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度，定為 s/60? 。 定位精度 定位采用機(jī)械擋塊定位，定位精度 —1mm. 控制方式：采用行程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制。 22 機(jī)械手整體裝配圖 . 第三章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 167。 二、夾緊力（握力）的確定 新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系 15 當(dāng)機(jī)械手水平夾持懸伸工作時(shí)，握力計(jì)算如下： N= NGHL 303213( ?????? ）（） N— 支持工作時(shí)所需要的握力 G— 工件重量 G=10kg 10010?? N/kg L、 H— 工件尺寸 L=30mm, H=80mm 特別指出：由于機(jī)械手在工作傳送過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生慣性力，以及受到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率的影響，所以實(shí)際握力還應(yīng)該按照下列計(jì)算： NKKNN ?????? ?實(shí) 式中， —? 手部的機(jī)械效率， ~?? 。 1K — 安全指數(shù)，一般取 2~ ?K 。若取?? ， , 21 ???? gaKgaK 取， ， ?????? ?KKNN 實(shí) N 三、夾緊缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 P=??? ?? 1)sin( sinsin2 ?? Ncb= N1 1 1 140790s in 30s in60s ????????? 式中 P— 驅(qū)動(dòng)力， b— 夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離， c— 連桿鉸銷到回轉(zhuǎn)點(diǎn)的垂直距離， β — 連桿的傾斜角， ? — 杠桿的傾斜角， N— 夾緊力， ? 連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率。主要用于活塞銷、小軸等。 四、夾緊液壓缸主要尺寸的確定： 內(nèi)徑 D 內(nèi)徑 D= mmp p m ????? 其中 p=,21 mmNM P ap ??, ?m? . 按照 JB826— 66 標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整， 取 D=20mm,d=10mm(活塞桿直徑 )。 液壓缸外徑 LD及長(zhǎng)度? mmDD 3052202 ?????? ?? L? (20~30) ?D ，由于機(jī)構(gòu)需要，確定取長(zhǎng)度 L=50mm. 液壓缸的工作流量為 q=AV= m in/ 2 mlD ??? V— 活塞桿的速度； A— 液壓缸的有效工作面積。 （ 2） 有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲。 （ 4） 有幾何機(jī)構(gòu)的缸筒還要求有良好的可焊性，以便在焊上法蘭或管接頭后不致于產(chǎn)生裂紋或過(guò)大的變形。 d— 螺紋底徑（ m） 。 缸筒材料 缸筒材料，一般要求有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性，對(duì)焊接的缸筒，還要求有良好的焊接性能，根據(jù)液壓缸參數(shù)，用途等，可用以下各種 材料： 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 18 碳素鋼： 30， 35， 45 號(hào)等； 鑄鋼： ZG35， ZG45； 不銹鋼： Gr18Ni9. 缸筒毛坯：普遍采用冷拔或熱扎無(wú)縫鋼管，國(guó)際市場(chǎng)上已有內(nèi)圓經(jīng)研磨，外圓精度加工，只要按所要求的長(zhǎng)度切割的無(wú)縫鋼管供應(yīng)，此外，較厚壁毛坯仍用鑄件和鍛件，或用厚鋼板卷成筒形，焊接后退火，焊縫須用 X 光或磁力探傷。整體活塞可以采用活塞環(huán)，“ O”形密封圈。 活塞尺寸 d=5mm. 活塞桿 （ 1）桿體 采用實(shí)心桿，制造工藝較簡(jiǎn)單。如圖： （ 3）桿內(nèi)端 活塞桿內(nèi)端與活塞連接有多種型式，采用卡環(huán)連接，并要有鎖緊措施，以防在工作時(shí)由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)而松開(kāi)，同時(shí)還須安裝與活塞桿之間的靜密封。 sn — 屈服安全系數(shù)，一般 sn =2~4。 1導(dǎo)向環(huán) 導(dǎo)向環(huán)安裝在活塞外圓的溝槽內(nèi)或活塞桿導(dǎo)向套內(nèi) 圈的溝槽內(nèi)，以保證活塞與缸筒或活塞桿與其導(dǎo)向套同軸度。 導(dǎo)向環(huán)的主要優(yōu)點(diǎn)： （ 1）低泄露。 （ 2）導(dǎo)向環(huán)可采用耐磨損材料，磨損后更換比較方便。 （ 5）有良好的承受能力。 導(dǎo)向環(huán)厚度可為 1mm，寬可為 2mm。當(dāng)導(dǎo)向套不是用耐磨材料制成時(shí)，其內(nèi)圓還可裝導(dǎo)向環(huán)，用以對(duì)活塞桿導(dǎo)向。目前采用多的插件式兩類。 對(duì)外泄露要求特別嚴(yán)的場(chǎng)合，在密封圈之間可配泄露回油口，防止泄露油外流。材料可選用灰鑄鐵，球墨鑄鐵等。 七、緩沖機(jī)構(gòu) 因機(jī)械手要求移動(dòng)速度慢，缸內(nèi)機(jī)構(gòu)可以吸收全部動(dòng)能，故不用考慮緩沖液壓缸，工作壓力 10Mpa,活塞速度 ，應(yīng)該采用緩沖裝置或其他緩沖辦法。 167。 新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系 21 為了能使手部處于空間任意方向，要求腕部能分別 X Y Z 三個(gè)坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。具體的腕部所具有的自由度多少應(yīng)根據(jù)機(jī)械手的工作性能要求來(lái)確定。 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題：運(yùn)動(dòng)形式的選擇應(yīng)結(jié)合臂部的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行綜合考慮；在滿足工作情況下盡量減少腕部的自由度；與手部反臂部連接管路配置等應(yīng)根據(jù)條件合理的布局。 三 、回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的腕部 圖下具有回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)，它采用兩個(gè)擺動(dòng)缸 4， AA 部面為腕部左右擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)缸工作時(shí)動(dòng)片 3 帶動(dòng)片 3帶動(dòng)缸間 4使整個(gè)腕部繞固定中心軸8 左右擺動(dòng)， BB 部面為腕部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)桿，工作時(shí)動(dòng)片 1 帶動(dòng)回轉(zhuǎn) 7 使腕部實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)。橫向微移由活塞缸 5 驅(qū)動(dòng)滑塊 4 實(shí)現(xiàn)。 Kgfm K─考慮裝置密封摩擦損失的系數(shù)。 kgf﹒ m Mp─轉(zhuǎn)動(dòng)部件 C2 腕部、轉(zhuǎn)動(dòng)部分重心對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的偏置力矩。因此，在分析計(jì)算時(shí)應(yīng)按時(shí)所選定的運(yùn)動(dòng)形式及具體各部件配置情況來(lái)進(jìn)行。部件配置圖見(jiàn) 56， 222其計(jì)算如下： （ 1） 部 支承處的摩擦力矩 Mm ? ? ? ? mgfDNDNfm ?????????? 2211 式中： f— 軸承的摩擦系數(shù)； N N2— 軸承外支反力 kgf； D D2— 軸頸直 徑 m （ 2） 動(dòng)部件重心腕部回轉(zhuǎn)軸線的偏置力矩 Mp ? ? mmmgfeGp ?????????? 式中： G— 2件重量 kgf； E— 偏心矩 m （ 3） 轉(zhuǎn)動(dòng)部件起動(dòng)慣性力矩 Mg。腕部回轉(zhuǎn)角速度 1/S T— 起動(dòng)過(guò)程所需時(shí)間 S （ 4）則手腕部驅(qū)動(dòng)力矩為： ? ? ? ? mgpm ?????????????? 167。 （ 2） 有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲。 （ 4） 有幾何機(jī)構(gòu)的缸筒還要求有良好的可焊性，以便在焊上法蘭或管接頭后不致于產(chǎn)生裂紋或過(guò)大的變形。 d— 螺紋底徑（ m） 。 缸筒的直徑 D R= mft RRR ?? =1400N+400N+ma =1800N+11 10? =1910N R— 液壓缸工作載荷； tR — 液壓缸軸向方向的外力； tR — 運(yùn)動(dòng)部件的摩擦力； mR — 運(yùn)動(dòng)部件的慣性力。 1P — 系統(tǒng)的工作壓力； 2P — 回油腔的壓力； m? — 機(jī)械效率，（一般取 m? =） d— 活塞桿直徑。 外徑 0D 及長(zhǎng)度 L 的確定 0D =D+2? =50mm L=330mm 筒螺紋連接部分強(qiáng)度的計(jì)算。 二、活塞 活塞根據(jù)密封裝置來(lái)選用其結(jié)構(gòu)用其結(jié)構(gòu)型式，此夾緊缸采用整體活塞。材料的選用：有導(dǎo)向環(huán)活塞，用碳素鋼20 號(hào)， 30 號(hào)及 45 號(hào)。 （ 2）桿外端 與手部連桿連接采用圓耳頭結(jié)構(gòu)。 （ 4)活塞桿強(qiáng)度計(jì)算 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 26 此夾緊缸為短行程型，主要須驗(yàn)算活塞桿壓縮或拉伸強(qiáng)度： d6102 ?? s sFn?? =2 21910 ?? ? = F— 液壓缸的最大推力（ N）； ? — 材料的屈服極限（ Mpa） 。 （ 5）桿的材料 液壓缸用的活塞桿材料通常要求淬火深度一般為 ~1mm，可選用碳素鋼45 號(hào)，如果是底負(fù)載液壓缸的話，就可以不作表面處理。并用以承受活塞或活塞桿的側(cè)向力。由于密封副同軸度好，圓周間隙均勻，所以泄露少。 低摩擦系數(shù)，根據(jù)導(dǎo)向環(huán)材料的不同，摩擦系數(shù)為：聚四氟乙烯 f 半干）(? 能夠刮掉雜質(zhì)，防止雜質(zhì)嵌入密封圈。 導(dǎo)向環(huán)采用嵌入型導(dǎo)向環(huán)： 嵌入型導(dǎo)向環(huán)在活塞外圓加工出燕尾型截面溝槽，用青銅 QHL94 或紫銅制銅帶，表面加工成略帶模形，用木縋柳入溝槽內(nèi)，最后加工導(dǎo)向環(huán)外圓。當(dāng)導(dǎo)向套不是用耐磨材料制成時(shí)，其內(nèi)圓還可裝導(dǎo)