【正文】 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)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。 3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。機(jī)械手的立柱通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱5） 機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。：目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺觸覺能力，甚至聽想的能力。國(guó)外也出現(xiàn)了第三代機(jī)械手，它能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán) 我國(guó)機(jī)械手領(lǐng)域的現(xiàn)狀及發(fā)展:1）碼垛機(jī)器人的市場(chǎng)需求業(yè)界已給出高度的評(píng)價(jià)和關(guān)注。每年可為啤酒、既可帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈同步發(fā)展，又對(duì)推進(jìn)社會(huì)進(jìn)步和科技創(chuàng)新具有著深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。大部分生產(chǎn)線是人工碼垛人庫(kù)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工傷事故率高，增加了啤酒、飲料企業(yè)的生產(chǎn)管理成本。 2） 碼垛機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展①寶雞新科機(jī)械制造有限公司在熱縮膜包裝機(jī)、40/60型紙箱包裝機(jī)上成功地應(yīng)用了47軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、PLC、人機(jī)界面，CAN總線技術(shù)，技術(shù)水平已與國(guó)際同步，可與機(jī)器人配套使用。 ③針對(duì)每分鐘碼垛70箱，即每小時(shí)完成4,200箱的生產(chǎn)能力要求，理論上可以碼垛50,400瓶/小時(shí)，可以滿足目前國(guó)內(nèi)啤酒飲料40,000瓶/小時(shí)的啤酒飲料灌裝生產(chǎn)線的需要。同時(shí)消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和多樣化的要求越來(lái)越高，生產(chǎn)工藝和設(shè)備革新也勢(shì)在必行。 本章小結(jié)本文研究了國(guó)內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了碼垛機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。 2機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案本課題是碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)。在本章中對(duì)機(jī)械手的座標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。設(shè)計(jì)要求：碼垛機(jī)械手應(yīng)用于包裝機(jī)械行業(yè)，現(xiàn)在最新型的碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、速度快、安全、節(jié)能美觀，整機(jī)功率小比傳統(tǒng)的碼垛機(jī)在電能上每年可以節(jié)省10萬(wàn)以上。 機(jī)械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手。 ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。機(jī)械手基本形式示意在圓柱坐在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手具有4個(gè)自由度既：手抓張合；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降4個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。（2）臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂平動(dòng)（3）機(jī)身，采用一個(gè)直線缸和一個(gè)齒條缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。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。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇液壓驅(qū)動(dòng)。3）設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):抓重: 20200kg自由度數(shù):4自由度座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo)最大工作半徑:3m手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程：295mm升降行程：1070+189=1259mm回轉(zhuǎn)范圍: 機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。本機(jī)械手采用機(jī)座式。手臂配置在機(jī)座立柱上的機(jī)械手多為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作范圍較大。本機(jī)械手采用行程開關(guān)式。在機(jī)械手中，用行程開關(guān)與機(jī)械擋塊檢測(cè)定位既精度高又簡(jiǎn)單實(shí)用可靠，故應(yīng)用也是最多的。下面的設(shè)計(jì)計(jì)算將以次進(jìn)行。機(jī)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(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)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(jì)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。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 1）應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。 3）應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。 4）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 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(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。 手部設(shè)計(jì)基本要求（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。（2） 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度），以便于抓取工件。（4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。（2） 移動(dòng)型 移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)是碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：碼垛高度最大1800mm；碼垛寬度最大1300mm；抓取重量：20200kg；碼臺(tái)距離3m。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng),這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。在壓力油作用下，連桿移位，從使機(jī)械手手指張開與閉合。 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)?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度； (36) ——運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度 ——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間， ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇。表31 液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa小于5000 200003000050001000030000500001000020000 50000以上計(jì)算：設(shè)a=1632mm,b=2616mm, 。(1) 設(shè) == 根據(jù)公式，將已知條件帶入： (37) （2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得： (38) （3）取 (39) （4）確定液壓缸的直徑D (310)選取活塞桿直徑d=,系統(tǒng)液壓缸壓力油工作壓力P=16MPa, D=32mm，考慮安全因素選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm則活塞桿內(nèi)徑為:選取d=30mm 手抓夾持范圍計(jì)算 為了保證手抓張開角為，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為194mm。4 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 腕部設(shè)計(jì)的基本要求（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(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（3） 必須考慮工作條件對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)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(duì)機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。5 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)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，它在工作中即直接承受手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕（1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（5） 提高配合精度。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。減少慣量具體有3個(gè)途徑：（1） 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料。（3） 減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作。為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：（1） 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。（3） 雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇通過(guò)以上，綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，使用液壓驅(qū)動(dòng),液壓缸選取單作用液壓缸。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。圖是機(jī)械手的手臂示意圖，本設(shè)計(jì)是四連桿。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算： （513） 設(shè)計(jì)中活塞桿取材料為碳剛，故，活塞直徑d=50mm,L=440mm,現(xiàn)在進(jìn)行校核。 四連桿固定軸剪切力校核 （514） 本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，手臂采用四連桿伸縮機(jī)構(gòu)，對(duì)驅(qū)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，并對(duì)液壓缸的基本尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮，分析。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。（3） 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。分析：經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)?；钊缀妄X條齒輪機(jī)構(gòu)?；钊麠U采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算（1） 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算手臂的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡?！直刍剞D(zhuǎn)部件（包括工件）