【正文】 . 手部　　手部安裝在手臂的前端?！　”菊n所指的機(jī)械手僅需開閉手指。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?！　〉乾F(xiàn)在的手部發(fā)展不僅僅只有用模仿人的手指夾物件了，可以用真空吸盤吸住物件，但是這個(gè)方法只能用于不重且有光滑表面的物件。本次設(shè)計(jì)的方案就是用采用電磁吸盤。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確的定位?！　】偫C(jī)械手的運(yùn)動(dòng)離不開直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此，它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線油缸、擺動(dòng)油缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服油馬達(dá)、直流伺服馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)等。?、?驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)　　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)?！　∫簤候?qū)動(dòng)主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動(dòng)平緩，可無級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。　　氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。　　電氣驅(qū)動(dòng)采用的不多。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動(dòng)力，出力比較大；缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。　　本課題所做的機(jī)械手采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)手臂的上升、下降方面?！、?控制系統(tǒng)　　機(jī)械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間和加速度等。它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理?！?（1）以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度　　應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。　　在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。二 機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) （一）主要技術(shù)參數(shù)根據(jù)機(jī)械手應(yīng)用要求，有如下技術(shù)參數(shù)：吸取力10KG自由度3運(yùn)動(dòng)形式圓柱形坐標(biāo)伸縮行程范圍0——300mm手臂升降范圍0——200mm回轉(zhuǎn)行程0——定位方式定位塊控制方式點(diǎn)位式，PLC驅(qū)動(dòng)方式氣壓傳動(dòng)方式 （二）工作要求機(jī)械手的工作流程：電磁吸取工件→大臂上升→大臂回轉(zhuǎn)→手臂延伸→放松工件→手臂收縮→大臂反轉(zhuǎn)→大臂下降。 （三）系統(tǒng)組成本基械手系統(tǒng)由機(jī)體，動(dòng)力源和控制裝置三部分組成。 (四) 總體技術(shù)方案 根據(jù)應(yīng)用條件，確定總體技術(shù)方案。2 升降缸和伸縮缸 在完成升降和伸縮動(dòng)作的過程都是直行的，因此可方便采用直行氣缸完成這兩個(gè)動(dòng)作，對于氣缸的選擇，在后面分析中再做具體的選擇。4 總體動(dòng)作分析確定了總體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在做下總體動(dòng)作分析。三 機(jī)械手的執(zhí)行部件的設(shè)計(jì) （一） 電磁吸盤的類型選擇電磁吸盤是安裝在機(jī)械手最前端，通過電磁力把工件吸住。在通電的情況下，銜鐵（工件）被磁化，其磁性與鐵芯線圈產(chǎn)生的磁場極性相反，根據(jù)異性相吸的特性，銜鐵受到電磁力F的作用，吸向鐵芯。電磁吸盤可以根據(jù)工作條件選擇直流點(diǎn)和交流電，這里所設(shè)計(jì)的機(jī)械手工作的條件為工廠，一般使用交流電，為了簡化設(shè)備，我們就采用交流電作為吸盤的電源。 圖(a)為螺管式的電磁鐵，在交流和直流電路上均有應(yīng)用，這種電磁鐵的氣隙全部在激磁線圈中間，吸力較大。圖(b)為盤式電磁鐵，其整個(gè)磁路結(jié)構(gòu)像一個(gè)圓盤，磁通經(jīng)過一個(gè)幾乎密合的氣隙，能產(chǎn)生很大的吸力，它的結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作快，控制功率小，在自動(dòng)控制中得到廣泛的應(yīng)用。其磁路由殼體6的外圈，經(jīng)磁盤工件和鐵芯1，再到殼體內(nèi)圈形成閉合回路，以此吸附工件。蓋5為隔磁材料用黃銅或鋁板制成，用以壓住線圈11防止工作過程中線圈的活動(dòng)。在機(jī)械手手臂上連接著螺釘12，螺釘12的端部與殼體6上的鍵槽相配合，使殼體在手臂的孔內(nèi)可做軸向微量的移動(dòng)但不能轉(zhuǎn)動(dòng)。 盤式電磁吸盤結(jié)構(gòu)如果采用永久磁鐵來制作電磁式吸盤，則必須是強(qiáng)迫性的取下工件，因此這種電磁吸盤應(yīng)用很少。它適用于吸附有剩磁而無妨的場合和帶網(wǎng)孔的鋼鐵板料等。另外鋼、鐵等鐵磁材料在溫度723℃以上時(shí)磁性將會(huì)消失，故高溫條件下不宜使用電磁式吸盤。 幾種電磁式吸盤吸料示意圖 （二） 電磁吸盤的選用要素1 足夠的電磁吸力電磁吸力由所吸附的工件來確定，當(dāng)電磁吸盤的形狀、尺寸以及線圈匝數(shù)確定后，則電磁吸力也就固定了，此時(shí)可以改變電壓來微調(diào)吸力大小。2 根據(jù)被吸附的對象來確定電磁吸盤的形狀電磁鐵吸取工件的表面，一般為平面，但也有弧形曲面，如圖5所示的電磁鐵1吸附燈殼廢邊料2的吸頭為弧形曲面，它與料邊彎曲形狀相似。 曲線形電磁鐵結(jié)構(gòu)圖 （三） 電磁吸力的計(jì)算作用在被磁化的鐵磁物質(zhì)（如電磁鐵吸附的銜鐵或者說工件）上的電磁吸力大小與磁力線穿過磁極的總面積及氣隙中的感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比。故吸力公式應(yīng)乘以2即： （Kg） （）上述公式是在假定磁極端面的磁通均勻分布的條件下得出來的，因此，它適用于氣隙極小時(shí)的吸力計(jì)算，例如銜鐵（工件）在吸合或者接近吸合位置的時(shí)候。在交流電磁鐵中磁場是交變的，電磁吸力也是波動(dòng)的，一般按平均值來計(jì)算，其平均吸力的大小為最大值的一般即，其中，式中是磁感應(yīng)最大值，單位為高斯。根據(jù)工作需要，電磁鐵產(chǎn)生的電磁吸力應(yīng)滿足吸盤吸附工件時(shí)所需的吸力(即)，因此，要求電磁鐵線圈必須具有足夠磁感應(yīng)強(qiáng)度B或者氣隙中的磁通，而這些數(shù)值必須通過磁路計(jì)算才能求得，磁路計(jì)算非常復(fù)雜，為了簡便計(jì)算，在忽略鐵磁阻條件下進(jìn)行近似計(jì)算，可以先初步確定電磁鐵導(dǎo)磁體的磁感強(qiáng)度或磁極面積及吸盤吸力，即可計(jì)算線圈尺寸，繪出電磁鐵的結(jié)構(gòu)草圖，然后驗(yàn)算電磁鐵的吸力是否滿足要求。另外工件從模具取出時(shí)，也有摩擦力的作用，同時(shí)還應(yīng)考慮吸盤在運(yùn)動(dòng)過程中由于加速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性影響。在此次設(shè)計(jì)中，為垂直吸附，故取1.故得 2 計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通量 因 （） （） 或 （） 由于漏磁的影響，線圈磁勢產(chǎn)生磁通（即電磁鐵的磁通）必須大于氣隙中的工作磁通，故用漏磁系數(shù)來表示兩者的關(guān)系，即 式中 漏磁系數(shù)，～3，當(dāng)氣隙大大時(shí)，則取大些，一般可粗略取為2。當(dāng)要求電磁鐵的靈敏度較高時(shí)，可取=4000～7000高斯。3 初算總安匝數(shù)為了初算總安匝數(shù)，可假設(shè)磁路中磁勢主要消耗在工作氣隙上，其次是鐵芯和非工作氣隙中，故將工作氣隙需要的安匝數(shù)稍微加大些，即可作為近似的總安匝數(shù)： （安匝） （）式中 B氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度(高斯)。消耗系數(shù)，取a＝～。4 線圈尺寸的計(jì)算 在確定了總安匝數(shù)和選好供電電壓以及線圈的平均直徑后，可計(jì)算線圈尺寸，如圖6所示。毫米/米），它與工作溫度的大小有關(guān)，其值可查下表： 電阻系數(shù)表工作溫度（゜C）電阻系數(shù)歐毫米/米20903510540120 線圈的平均直徑，即（米）；線圈的內(nèi)徑（米）；線圈的寬度（米），線圈的寬度應(yīng)考慮它的經(jīng)濟(jì)性，并與線圈的允許溫度、填充系數(shù)和散熱系數(shù)值等有關(guān)，故： (毫米) （）式中 散熱系數(shù)，～，高溫取大值，低溫取小值。 （2）線圈匝數(shù)： （） 所以 （匝數(shù)） 式中 d導(dǎo)線直徑（毫米）； j允許電流密度（安/毫米），對于長期工作的電磁鐵吸盤取j＝2～4安/毫米。當(dāng)初步確定線圈尺寸和匝數(shù)后即可確定電磁鐵的結(jié)構(gòu)尺寸，繪制電磁吸盤的結(jié)構(gòu)草圖，而后進(jìn)一步驗(yàn)算各參數(shù)，如線圈磁勢計(jì)算、磁路計(jì)算、電磁吸力計(jì)算、線圈溫升計(jì)算等。，其線圈電源為24伏直流電，電磁吸力約為12～15kg，可參考選用。四 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) （一） 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、旋轉(zhuǎn)和升降。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)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。 1臂部設(shè)計(jì)的基本要求(1）臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。 2 減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸。 5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。對于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。總結(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。 2 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的氣壓缸。 4 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。3手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的氣壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)氣壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性等幾個(gè)方面的阻力，來確定來確定氣壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。 （）(1)手臂摩擦力的分析與計(jì)算 摩擦力的計(jì)算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。 伸縮缸示意圖 由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。 a——導(dǎo)向支撐的長度（mm）。 對于圓柱面： （） ——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時(shí)： 鋼對青銅：取u=～ 鋼對鑄鐵：取u=～ 計(jì)算： 導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 ，L==, 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算 (2)手臂慣性力的計(jì)算本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是,在計(jì)算慣性力的時(shí)候,設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)速度V=V=, （） (3) 密封裝置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用O型密封，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10Mpa。經(jīng)過以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力：4 氣壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)過上面的計(jì)算，確定了氣壓缸的驅(qū)動(dòng)力F=，=2MPa (1)確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 氣壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如下圖所示 雙作用氣壓缸示意圖當(dāng)氣進(jìn)入無桿腔，