【正文】 端執(zhí)行器。 ，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。 機(jī)械手的手臂運(yùn)動(dòng)（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)械手手臂末端的手腕，則給出了機(jī)械手末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。 考慮到機(jī)械手的 優(yōu)化 ，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè) 有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 機(jī)械手手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)械手所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。 。但 機(jī)械手手臂末端工作空間并沒(méi)有考慮機(jī)械手手腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì)機(jī)械手手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒(méi)有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)械手手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的 1/4，相當(dāng)于鋁合金的 2/3），但是，其價(jià)格昂貴， 且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問(wèn)題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)械手手臂的重量。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)機(jī)械手的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 機(jī)械手上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來(lái) 減小機(jī)械手手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡手臂殘余的不平衡重量。 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。手指的最小開(kāi)度由加工工件的直徑來(lái)調(diào)定。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖 25 所示： 機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)?？紤]到搬運(yùn)工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá) 30KG，屬中型重量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的要求。 因?yàn)?氣壓 系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿足。 同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過(guò)增大 氣壓 缸的缸徑來(lái)增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。通過(guò)增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問(wèn)題。手臂的 橫移、升降 運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 16 圖 24 機(jī)械手手抓部分將結(jié)構(gòu)圖 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。適合于在承載 能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)械手。 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中，如在上、下料和沖壓機(jī)械手中應(yīng)用較多。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。 設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機(jī)械手的用途、作業(yè)要求、機(jī)械手的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗、性價(jià)比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。一般情況下： （包括上下料）使用的有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)械手，重負(fù)荷的選擇液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 ，要求具有點(diǎn)位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。點(diǎn)焊、弧焊機(jī)械手多采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 機(jī)械手氣壓驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單。 工作介質(zhì)是取之不盡的空氣、空氣本身不花錢。 輸出力以及工作速度的調(diào)節(jié)非常容易。 可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。 利用空氣的壓縮性，可貯存能量，實(shí)現(xiàn)集中供氣?？蓪?shí)現(xiàn)緩沖。在一定條件下，可使氣動(dòng)裝置有自保持能力。與液壓方式相比，氣動(dòng)方式可在高溫場(chǎng)合使用。 綜上 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉 等優(yōu)點(diǎn)，因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。由于氣動(dòng)機(jī)械手具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 18 動(dòng)作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡(jiǎn)便以及適宜在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)，因此它在沖壓加工、注塑及壓鑄等有毒或高溫條件下作業(yè)，機(jī)床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零 件的輸送和自動(dòng)裝配等作業(yè)，食品包裝及運(yùn)輸，電子產(chǎn)品輸送、自動(dòng)插接，彈藥生產(chǎn)自動(dòng)化等方面獲得大量應(yīng)用。這類機(jī)械手多是圓柱坐標(biāo)型和直角坐標(biāo)型或二者的組合型結(jié)構(gòu)； 35 個(gè)自由度；負(fù)荷在 200N 以下；速度 3001000mm/s；重復(fù)定位精度為 +/?？刂蒲b置目前多數(shù)選用可編程控制器（ PLC）。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大體由以下幾部分組成。氣源部分包括空氣壓縮機(jī)，儲(chǔ)氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過(guò)濾器等。 由分水濾氣器，調(diào)壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯(lián)組裝式的，多數(shù)情況下用三聯(lián)組裝式結(jié)構(gòu)。雖然用無(wú)潤(rùn)滑氣缸可以不用油霧器，但是一般情況下，建議也在氣路上裝上油霧器，以減少氣缸摩擦力，增加使用壽命。 多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動(dòng)氣缸）。除個(gè)別用單動(dòng)式氣缸外（如手爪機(jī)構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動(dòng)氣缸。氣缸的結(jié)構(gòu)形式以及與機(jī)械手機(jī)構(gòu)的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定。 為了確保氣缸的密封要求，同時(shí)又要盡量降低摩 擦力，密封材料要選用橡膠和氟化塑料組合的密封環(huán)。除了直線氣缸外，機(jī)械手中用得比較多還有有限角擺動(dòng)氣缸，這種擺動(dòng)缸多用于手腕機(jī)構(gòu)上。氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度容許達(dá) ，如果氣缸以 1m/s的速度計(jì)算，電磁氣閥以較大關(guān)閉時(shí)間 70ms四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 計(jì)，那么氣缸活塞兩個(gè)停點(diǎn)的距離約為 70mm，兩個(gè)停點(diǎn)的 步長(zhǎng)應(yīng)大于這個(gè)數(shù)值。因此對(duì)機(jī)械手一個(gè)單自由度而言，停點(diǎn)數(shù)目最多 69個(gè)。 氣動(dòng)機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)軸的制動(dòng)和定位點(diǎn)到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，或由限位開(kāi)關(guān)發(fā)訊。當(dāng)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)到定位點(diǎn)時(shí)，為保證定位精度，需要將運(yùn)動(dòng)軸鎖緊。再啟動(dòng)時(shí)，事先打開(kāi)鎖緊機(jī)構(gòu)。除了真正的沖擊力外，緩沖還有抽象的意義。比如讓化學(xué)反應(yīng)不那么劇烈的物質(zhì)就叫 緩沖劑 。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手 設(shè)計(jì)中的緩沖均采用液壓緩沖器 進(jìn)行緩沖。 借液壓阻尼作用對(duì)在作慣性滑行的車皮進(jìn)行緩沖減速至停止 。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為 sm/ 。 機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。 定位精度也是基本參數(shù)之一。 。 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) : 抓重 3 Kg 自由度數(shù) 3個(gè)自由度 座標(biāo)型式 直角 座標(biāo) 手臂最大中心高 mm1250 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮行程 100mm 伸縮速度 40 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 升降行程 30mm 升降速度 60mm 橫移行程 150mm 手指夾持范圍 棒料 : mmmm 15080 ?? ? 定位方式 固定擋塊 或可調(diào)機(jī)械擋塊等 定位精度 177。其傳力結(jié)構(gòu)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(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指 。回轉(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè) 問(wèn)題 (一 )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(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 (三 )保證工件準(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。 (四 )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，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。N tg? ?????? 所以 Rbp 2? N )(245 N? (3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 : ? 21KKpp ?實(shí)際 I,因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取 ?? ，并取 ?K 。 氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 3,缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。 圖 41 氣缸局部示意圖 尺寸校核 ，只需校核氣缸內(nèi)徑 1D =63mm,半徑 R= 尺寸滿足使用要求即可 ,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) MPaP ? , 則驅(qū)動(dòng)力： 2RPF ??? )(1246 26N? ???? 1， 測(cè)定手腕質(zhì)量為 50kg,設(shè)計(jì)加速度 )/(10 sma? ，則慣性力 maF?1 )(5001050 N? ?? 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 ，設(shè)定摩擦系數(shù) ?k , ? )(100 N? ?? ? 總受力 mFFF ?? 10 )(600 100500 N? ?? FF?0 所以標(biāo)準(zhǔn) CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求 要求 。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因 素來(lái)確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。 平衡裝置 通常，機(jī)械手所采用的平衡機(jī)構(gòu)主要有以下幾 種： 這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。 彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT的液壓或氣動(dòng)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價(jià)高，設(shè)計(jì)、安裝和調(diào) 試都增加了難度，但是平衡效果好。 在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓 一 側(cè) 重力矩對(duì)性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。 手臂橫移氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 l =150mm,氣缸內(nèi)徑為 1D =110mm,半徑 R=55mm,氣缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間 t? =,壓強(qiáng) p=,則驅(qū)動(dòng)力 ``20 . RpG ?? 26 ???? )(3799 N? 尺寸校核 1．測(cè)定手腕質(zhì)量為 80kg,則重力 mgG? )(8001080 N? ?? 3， 設(shè)計(jì)加速度 )/(5 sma? ，則慣性力 maG?1 )(400580 N? ?? 4. 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) ?k ， 第四章 手臂伸縮、升降、橫移的尺寸設(shè)計(jì)與校核 32 ? )(40 N? ?? ? 總受力 mq GGGG ??? 1 )(1240 40400800 N? ??? 0GGq ? 所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。他的氣源是空氣壓縮機(jī)（排氣壓力大于 ）通過(guò)快換街頭進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，經(jīng)分水過(guò)濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，移控制氣缸和手部動(dòng)作 。如 手臂 伸縮氣缸在搜近氣缸處安裝 兩個(gè)快速排氣 閥， 可加快起動(dòng)速度 .也可調(diào)節(jié)全程上的速度。氣液傳送 器 氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來(lái) 調(diào)整 回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。 電磁閥的通徑 .是根據(jù)各工作氣缸的尺寸、行程、速度計(jì)算出 所需壓縮 空氣流最 .與所選用 電磁閥 在壓力狀態(tài)下的公稱使用 流量 相適應(yīng)來(lái)確定的。例如 .在本機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理 圖 中， 頻繁 使用 了 氣缸、二位五通換向闊等元件。作為通用軟件 ， AutoCAD未提供這些符號(hào)。因此， 我 們?cè)?AutoCAD菜單攔中添加“氣動(dòng)符號(hào)” 菜單，以油足氣動(dòng) 原理圖繪制 中對(duì)專用符號(hào)的需求。 采用氣壓傳動(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。阻 力損失和泄漏較小，不會(huì)污染環(huán)境。 通過(guò)對(duì)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度，節(jié)省了大量時(shí)間和避免了不必要的重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 致 謝 歷時(shí)近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成，在這這段時(shí)間里，我運(yùn)用大學(xué)四年的專業(yè)知識(shí)比較成功的完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中通過(guò)方案論證，理論設(shè)