【正文】 結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內孔 )和物件的重量及尺寸。指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。傳力機構型式較多 時 常用的有 :滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置 .工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機 構和凸輪機構等 )與驅動源 (如液壓、氣壓或電機等 )相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。機械手的立 I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱 。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。 機座 機座是機械手的基礎部分 ，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機械擋塊定位 )系統(tǒng)組成。 (二 )控制 系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間 )，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號 。 (一 )按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種 : 專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種 :簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制 :可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控 7 制， 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng) ， 一般的伺服型通用機械手屬于數控類 型。其主要特點是 :抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。若機械手采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。其主要特點是 :介質李源極為方便，輸 出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。 機械傳動機械手 即由機械傳動機構 (如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等 )驅動的機械手。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。 電力傳動機械手 即有特殊 結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的 械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。若欲控制的點數多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。 連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制 之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。 國內外發(fā)展狀況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢 : (1)工業(yè)機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91年的 97年的 65萬美元。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機 。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化 。 (4)機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制 。 (5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器 人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。從 94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。其中有 130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線 (站 )上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。在應用規(guī)模上，我國己安裝的國 產工業(yè)機器人約 200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程 .我國的智能機器人和特種機器人在“ 863”計劃的支持下，也取得了不少成果。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點 : (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，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運 動平穩(wěn)性及正確性。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (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 。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動， 氣動技術有以下優(yōu)點 : (1)介質提取和處理方便。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。氣動系統(tǒng)一般只需要 。 (4)能源可儲存。 (5)工作環(huán)境適應性好。 (6)成本低廉。傳統(tǒng)觀點認為 :由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難 (尤其在高速情況下，似乎更難想象 )。雖然氣動技術作為機器人中的驅動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣 動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。為了使通用性更強，手部設計成可更換結構，不僅可以應用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。 (5)對氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的參數化繪制進行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質量。 第二章 機械手的設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾 放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求 。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞 按機械手手臂的不同 運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 11 圖 21 機械手的運動示意圖 Sketch Map of the Motion of Manipulator 機械手的手部結構方案設計 12 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒 料時，使用夾持式手部 。 機械手的手腕結構方案設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。 機械手的手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右 回轉和 降 (或俯仰 )運動。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 機械手的控制方案設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制。 機械手的主要參數 ，由于是采用氣動方式驅動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數，結合工業(yè)生產的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為 5公斤 動速度是機械手主要的基本參數。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。 最大回轉速度設計為 s/90? 。 平均回轉速度為 s/60? 。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數還有伸縮行程和工作半徑。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。根據統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為 600mm,最大工作半徑約為 mm1400 。 定位精度也是基本參數之一。 機械手的技術參數列表 一、用途 : 用于自動輸送線的上下料。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指 。回轉型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。 問題 (一 )具有足夠的握力 (即夾緊力 ) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣 15 性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。 (三 )保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。 (四 )具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。 手部驅動力計 算 本課題氣動機械手的手部結構如圖 32所示， 16 圖 32 齒輪齒條式手部 Gear Wheel Hand 其工件重量 G=5公斤， V形手指的角度 ?1202 ?? ， mmRmmb 24120 ??? ,摩擦系數為 ?f (1)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為 : Rbp 2? N (2)根據手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式 : )( ?? ?? tgN )(25 )42560(39。 若被抓取工件的最大加速度取 ga 3? 時，則 : 412 ??? gaK 所以 )( Np ????實際 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為 N1563 。根據力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為 : zt FFPDF ??? 421 ? 式中 : 1F 活塞桿上的推力， N tF 彈簧反作用力， N zF 氣缸工作時的總阻力 ， N P 氣缸工作壓力， Pa 17 彈簧反作用按下式計算 : )1( sGF ft ?? nDGdGf 3141? Gf =nDGd31418 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預壓縮量， m s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， . n 彈簧有效圈數 . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設計中，必須考慮負載率 ? 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 ?? 代入有關數據，可得 ?fG nDGd31418? 4333915)1030(8 )( ??? ??? ?? )/( 7 mN? )1( sGF ft ?? )( 2 0 6 7 73N? ???? 所以 : ?DpnFtF? )1(4 ? ? )(4 ?? ??? )( mm? 18 查有關手冊圓整，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 7501 ? 則 : )120/4904( ??? ?d ?? 滿足 實際 設計要求。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算 : ][2/ ?? pDP? 式中 :6 缸筒壁厚， mm D 氣缸內徑， mm pP 實驗壓力，取 PPp ? , Pa 材料為 :ZL3,[? ]=3MPa 代入己知數據，則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )( )1032/(1066565mm? ????? 取 ?? ，則缸筒外徑為 : )( mmD ???? 第四章 手腕結構設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因 此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞 x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實 19 現(xiàn)