【正文】 機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國的正處于仿真階段。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。 控制系統(tǒng)分類 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。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。 5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、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。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。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)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái)，約占全球已 安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 .我國的智能機(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)械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(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。本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)，以及 ADAMS 軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng) 仿真。因此，在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，然后通過 ADAMS 軟件對(duì)機(jī)械手的手部進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)仿真。 2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手 。 4 多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。圖 是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。 圖 機(jī)械手基本形式示意 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) 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 5 個(gè)自由度既：手抓張合；手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降 5 個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。（ 2） 腕部，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)（ 3）臂部，采用直線缸來實(shí)現(xiàn)手臂平動(dòng) 。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分 , 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。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，驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)。 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途：搬運(yùn) :用于車間搬運(yùn) 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) : 抓重 :60Kg 夾持式手部 自由度數(shù) :5 個(gè)自由度 座標(biāo)型式 :圓柱座標(biāo) 最大工作半徑 :1600mm 手臂最大中心高 :1248mm 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮行程： 1200mm 伸縮速度： 83mm/s 升降行程： 300mm 升降速度： 67mm/s 回轉(zhuǎn)范圍 : 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 : 3 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算 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)。 機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算 抓的類型及夾緊裝置 本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張合角 ，夾取重量為 60Kg。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。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機(jī)械手手抓閉和 ，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機(jī)械手手指張開。 a b 圖 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析 1――手指 2――銷軸 3――杠桿 在杠桿 3 的作用下，銷軸 2 向上的拉力為 F，并通過銷軸中心 O 點(diǎn)，兩手指1 的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為 F1 和 F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點(diǎn)，交和的延長線于 A 及 B。 由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好 。 必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。 手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： （ ） 式中 ――安全系數(shù)，； ――工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 G――被抓取工件所受重力（ N）。機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為 ，求夾緊力和驅(qū)動(dòng)力和 驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。 手抓夾持范圍，手指長 100mm,當(dāng)手抓沒有張開角的時(shí)候，如圖 （ a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開時(shí)，如圖 （ b）所示，最 大夾持半徑計(jì)算如下： 機(jī)械手的夾持半徑從 （ a） b 圖 手抓張開示意圖 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算 機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確 ,抓取精度高 ,重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好 ,并有足夠的抓取能。特別是在多品種的中、 小批量生 產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差。 機(jī)械手的夾持范圍為 80mm180mm。 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。 圖 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù) 1 .選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力 2 .選擇 旋繞比 C 8，則 （ ） 3 .根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑 D 42mm，估算彈簧絲直徑 4 .試算彈簧絲直徑 （ ） 5 . 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （ ） 選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)圈 6 .最后確定， 7 .對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算 對(duì)于壓縮彈簧如果長度較大時(shí)，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。 結(jié)論本設(shè)計(jì)彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。 對(duì)于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時(shí)，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算）。計(jì)算公式： （ ） （力學(xué)性精確能高） （ ） 結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的 結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。 （ 2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 腕部結(jié)構(gòu) 1 具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于）。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。 3 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。 4 機(jī) 液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) 夾取工件重量 60Kg，回轉(zhuǎn)。 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。 啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度 ，等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力，選擇 8Mpa 圖 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意 表 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（ JB106867） （ mm） 液壓缸內(nèi)徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20鋼 P 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45 鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 圖 缸蓋螺釘間距示意 表 螺釘間距 t 與壓力 P 之間的關(guān)系 工作壓力 P（ Mpa） 螺釘?shù)拈g距 t mm 小于 150 小于120 小于 100 小 于 80 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，如圖 所示， t 為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表 ，在這種聯(lián)結(jié)中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力 （ ） 計(jì)算： 液壓缸工作壓強(qiáng)為 P 8Mpa,所以螺釘間距 t 小于 80mm,試選擇 8 個(gè)螺釘，所以選擇螺釘數(shù)目合適 Z 8 個(gè) 危險(xiǎn)截面 所以 +10545 19772N 螺釘材料選擇 Q235，（） 螺釘?shù)闹睆? （ ） 螺釘?shù)闹睆竭x擇 d 16mm. 輸出軸間的連接螺釘 動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘 動(dòng)片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見上圖。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘?dòng)片和輸出軸之間的配合緊密。 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)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備 3 個(gè)自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手 的工作性能。 提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離。 注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。 二、 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。 減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。對(duì)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(duì)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）。 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： 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。 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) ,液壓缸選取雙作用液壓缸。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。上圖是機(jī)械手的手臂示意圖，本設(shè)計(jì)是雙導(dǎo)向桿 ，導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在伸縮崗兩側(cè)。 得 得 式中 參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工件）（ N）； L――手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（ m） ,參考上一節(jié)的計(jì)算 。 ――當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。對(duì)于桿長 L大于直徑 d 的 15 倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算： 設(shè)計(jì)中活塞桿取材料為碳剛，故，活塞直徑 d 20mm,L 1360mm,現(xiàn)在進(jìn)行校核。 6 機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算 機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂 1800 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。 機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而 使手臂左右擺動(dòng)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；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。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。具體結(jié)構(gòu)見下圖。回轉(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來決定，對(duì)于本設(shè)計(jì)就是考慮兩個(gè)葉片之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中動(dòng)片和靜片之間可以回轉(zhuǎn) 1800。