氣動機(jī)械手的設(shè)計3331

1、學(xué) 院： 工學(xué)院、職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院 課程設(shè)計題目： 機(jī)械手及控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 生 姓 名 ： 陳葉松 專 業(yè) 班 級： 機(jī)電一體化技術(shù)101班 學(xué) 號： 10531112 指 導(dǎo) 老 師 ： 邵金均、朱春耕 完 成 日 期 ：11- 摘 要?dú)鈩訖C(jī)械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。本文主要進(jìn)行了氣動機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣動設(shè)計。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預(yù)定軌跡運(yùn)動，實現(xiàn)對工件的抓取

2、、搬運(yùn)和卸載。氣動部分的設(shè)計主要是選擇合適的控制閥，設(shè)計合理的氣動控制回路，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作。 目 錄1 緒論11.1 機(jī)械手簡史11.2 機(jī)械手的分類31.3 機(jī)械手的組成61.4 應(yīng)用機(jī)械手的意義82 機(jī)械手總體設(shè)計方案和氣動回路的設(shè)計102.1 機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃102.2 機(jī)械手基本形式的選擇122.3 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動132.4 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇132.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表132.6 氣動回路的設(shè)計143 氣動機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計153.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計153.1.1

3、 末端執(zhí)行器的概述153.1.2 末端執(zhí)行器的運(yùn)動和驅(qū)動方式163.1.3 末端執(zhí)行器的典型結(jié)構(gòu)163.1.4 末端執(zhí)行器的具體設(shè)計173.2機(jī)械手手臂的設(shè)計193.2.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計要求193.2.2 機(jī)械手手臂的具體設(shè)計方案203.2.3 伸縮手臂的設(shè)計213.2.4 升降手臂的設(shè)計243.2.5 回轉(zhuǎn)臂設(shè)計264 結(jié)論30致謝31參考文獻(xiàn)321 緒論機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工

4、業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促

5、進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機(jī)器，它有多自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。1.1 機(jī)械手簡史現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作

6、功能的柔性自動化產(chǎn)品。機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運(yùn)動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年，美國機(jī)械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械

7、手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年，美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗臺，進(jìn)行各種性能的試驗。準(zhǔn)備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時間），由400小時提高到1500小時，

8、精度可提高到±0.1毫米。德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報道，1976年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個。1979年120多個大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中

9、固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。第三代機(jī)械手（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成

10、工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)器人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。1.2 機(jī)械手的分類目前對機(jī)械手還沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。按照不同的分類方式可以把機(jī)械手分成多種類型。1.按驅(qū)動方式分類按驅(qū)動裝置的動力源，機(jī)械手可分為以下的幾種。（1）液壓式機(jī)械手。這種機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)通常由液動機(jī)（各種油缸、油馬達(dá)）、伺服閥、油泵、油箱等組

11、成，這種機(jī)器人通常具有很大的抓舉能力并且結(jié)構(gòu)緊湊，動作平穩(wěn)，耐沖擊、耐振動，防爆性好，但對制造精度和密封性能要求很高，否則易發(fā)生漏油而污染環(huán)境。（2）氣壓式機(jī)械手。其驅(qū)動系統(tǒng)通常采用通常汽缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成。特點(diǎn)是氣源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便，但難于進(jìn)行速度控制，并因氣壓不能太高，固抓舉能力較小。（3）電動式機(jī)械手。電力驅(qū)動是目前機(jī)械手使用的最多的一種驅(qū)動方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機(jī)一般采用交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。由于電機(jī)速度高，通常還須采用減速機(jī)構(gòu)（如諧波減速機(jī)構(gòu)、論析減速

12、機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠和多桿機(jī)構(gòu)）。目前也有一些特制電機(jī)直接進(jìn)行驅(qū)動，以簡化機(jī)構(gòu)，提高控制精度。其他還有采用混合驅(qū)動的機(jī)械手，如液-氣混合驅(qū)動機(jī)械手或電-氣混合驅(qū)動機(jī)械手。2.按用途分類機(jī)械手按用途可分為下列幾種。（1） 搬運(yùn)機(jī)械手;（2） 噴涂機(jī)械手;（3） 焊接機(jī)械手;（4） 裝配機(jī)械手;（5） 其他用途的機(jī)械手。如航天用機(jī)械手，探海用機(jī)械手，以及排險作業(yè)機(jī)械手等。3.按操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)類型和自由度數(shù)量分類操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的重要外形特征，固常用作分類的依據(jù)。按這一分類要求，機(jī)械手可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型機(jī)械手。a） 直角坐標(biāo)型  b）圓柱坐標(biāo)型 

13、c）球坐標(biāo)型  d）多關(guān)節(jié)型  e）平面關(guān)節(jié)型圖1-1工業(yè)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)形式操作機(jī)本身的自由度最能反應(yīng)機(jī)器人的作業(yè)能力，也是分類的重要依據(jù)。按這一分類要求，機(jī)械手可分為4自由度、5自由度、6自由度和7自由度機(jī)械手。4.按其他方法還可以分為（1）家務(wù)型機(jī)械手：能幫助人們打理生活，做簡單的家務(wù)活。（2）操作型機(jī)械手：能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運(yùn)動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。（3）程控型機(jī)械手：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)械手的機(jī)械動作。（4）示教再現(xiàn)型機(jī)械手：通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機(jī)械手動作，輸入工作程序，機(jī)械手則自動重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。（5）數(shù)控

14、型機(jī)械手：不必使機(jī)械手動作，通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)械手根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。（6）感覺控制型機(jī)械手：利用傳感器獲取的信息控制機(jī)械手的動作。（7）適應(yīng)控制型機(jī)械手：能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。（8）學(xué)習(xí)控制型機(jī)械手：能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。（9）智能機(jī)械手：以人工智能決定其行動的機(jī)械手。本次機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)是：1) 設(shè)計內(nèi)容包括：總體設(shè)計，機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計與計算，計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計，編寫設(shè)計計算說明書；2) 課題內(nèi)容簡介或設(shè)計要求：機(jī)械手運(yùn)動控制系統(tǒng)的總體方案如下圖所示，機(jī)械手運(yùn)動范圍0-200mm，機(jī)械手移動步距

15、0.01mm,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，完成：（1）機(jī)械本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計（繪制 A3 幅面機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖一張） ; （3）控制器的控制程序設(shè)計（繪制 A3 幅面程序流程框圖一張） ; （4）機(jī)械本體結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計包括：絲杠導(dǎo)程選擇、絲杠支承結(jié)構(gòu)選擇、螺旋機(jī)構(gòu)運(yùn)動部件導(dǎo)向機(jī)構(gòu)選擇、步進(jìn)電機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)以及與絲杠的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計。（5）控制器采用 MCS-51 單片機(jī)。程序流程框圖盡量詳細(xì)，圖框中用文字說明。程序代碼用 C 語言或匯編語言編寫，每行都要添加文字注釋。（6） 控制程序的功能是實現(xiàn)機(jī)械手的勻速循環(huán)動作：開始控制之前機(jī)械手的運(yùn)動部件處于運(yùn)動范圍內(nèi)的隨機(jī)位置上，開始控制后，運(yùn)動部件向任意方向移動。當(dāng)位置傳感

16、器檢測到運(yùn)動部件到達(dá)運(yùn)動范圍的極限位置時，運(yùn)動部件停止 1 秒，然后反向移動，在運(yùn)動范圍的中點(diǎn)停下，該位置作為機(jī)械手的初始位置。機(jī)械手的運(yùn)動部件到達(dá)初始位置后停 2 秒，以初始位置為中心，在±5mm 的位置之間移動，移動到±15 mm時停 1 秒。 根據(jù)任務(wù)要求本次設(shè)計我們采用氣壓式機(jī)械手1.3 機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動傳動裝置、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)四部分組成。圖1-2為工業(yè)機(jī)械手的典型結(jié)構(gòu)，圖1-3為工業(yè)機(jī)械手的組成方框圖。 圖1-2工業(yè)機(jī)械手的典型結(jié)構(gòu) 手部腕部臂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)腰部基座部（固定或移動） 工業(yè)機(jī)械手電、液或氣驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置 單關(guān)節(jié)伺服控制器

17、 控制系統(tǒng)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換計算機(jī)感覺裝置子視覺裝置子 智能系統(tǒng)語言識別裝置 圖1-3工業(yè)機(jī)械手的組成方框圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)（也稱操作機(jī)）是機(jī)械手賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由桿件和關(guān)節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機(jī)械手直接進(jìn)行工作的部分，可以是各種夾持器。有時人們也把諸如電焊槍、油漆噴頭等劃作機(jī)器手的手部；腕部與手部相連，主要功能是帶動手部完成預(yù)定姿態(tài)，是操作機(jī)的中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分；臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿（小臂和大臂）組成，用于帶動腕部做平面運(yùn)動；腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動加上臂部的

18、平面運(yùn)動，就能使腕部做空間運(yùn)動。腰部是執(zhí)行結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差、運(yùn)動精度和平穩(wěn)性，對機(jī)械手的定位精度有決定性的影響；基座是整個機(jī)械手的支撐部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須有足夠的剛度和穩(wěn)定性。工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動-傳動裝置包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)兩個部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。傳動裝置常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪系。驅(qū)動器通常有電機(jī)（直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)）、液壓或氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)一般有控制計算機(jī)和伺服控制器組成?？刂葡到y(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)械手的全部控制由一臺微型計算機(jī)完成。另一種是分散（級）式控制，

19、即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計算，并向下級微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個CPU，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理，實現(xiàn)給定的運(yùn)動，并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)械手的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。智能系統(tǒng)是目前機(jī)械手系統(tǒng)中一個不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)。它可分為兩個部分：感知系統(tǒng)和分析-決策智能系統(tǒng)。前者主要靠硬件（各種傳感器）實現(xiàn);后者主要靠軟件（如專家系統(tǒng)）實現(xiàn)。1.4 應(yīng)用機(jī)械手的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械

20、工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機(jī)械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，

21、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。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上，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)。綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。2 機(jī)械手總體設(shè)計方案和氣動回路的設(shè)計本課題是一個用于傳送帶上輕型平動搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計。本設(shè)計主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計，以及氣動回路的設(shè)計。在本章中對機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度

22、、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此，在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計的主要任務(wù)。2.1 機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃機(jī)械手運(yùn)動規(guī)劃包括序列規(guī)劃(又可稱為全局路徑規(guī)劃)，路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃3個部分。序列規(guī)劃是指在一個特定的工作區(qū)域中自動生成一個從起始作業(yè)點(diǎn)開始，經(jīng)過一系列作業(yè)點(diǎn)。再回到起始點(diǎn)的最優(yōu)工作序列；路徑規(guī)劃是指在相鄰序列點(diǎn)之間通過一定的算法搜索一條無碰撞的機(jī)械手運(yùn)動路徑；軌跡規(guī)劃是指通過插補(bǔ)函數(shù)獲得路徑上的插補(bǔ)點(diǎn)，再通過求解運(yùn)動學(xué)逆解轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間(若插補(bǔ)在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行則無需轉(zhuǎn)換)，形成各關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡。序列規(guī)劃為機(jī)械手的所有作業(yè)點(diǎn)生成一個最優(yōu)的工作序列。作業(yè)點(diǎn)是機(jī)械手為完成工作所必須達(dá)到的位置和姿

23、態(tài)。機(jī)械手的一次作業(yè)任務(wù)往往有幾十個到上百個作業(yè)點(diǎn)，這些作業(yè)點(diǎn)的加工次序通常是任意的，或者僅僅存在局部的限制(即某幾個作業(yè)點(diǎn)之間存在著固定的前后關(guān)系)，序列規(guī)劃的目標(biāo)就是通過某種算法生成一個能滿足作業(yè)限制的最優(yōu)作業(yè)序列，一般以時間作為規(guī)劃優(yōu)劣的度量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)機(jī)械手在有障礙物的環(huán)境中運(yùn)動時，為了從當(dāng)前作業(yè)位置到達(dá)下一個位置，需要在機(jī)械手工作空間確定一條無碰撞的運(yùn)動路徑，即這條路徑應(yīng)處于機(jī)械手的自由空間中，因此，路徑規(guī)劃的過程實際上是一個帶幾何約束的問題求解過程。從上面的論述可以看出，機(jī)械手運(yùn)動規(guī)劃主要包括兩個方面，一是生成所有作業(yè)點(diǎn)最優(yōu)工作序列的序列規(guī)劃，二是在相鄰作業(yè)點(diǎn)之間生成無碰撞路徑的路徑規(guī)

24、劃。序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃的總體目標(biāo)是作業(yè)時間最短，規(guī)劃的約束條件是作業(yè)順序的限制以及碰撞的避免。機(jī)械手運(yùn)動規(guī)劃的算法建立在已有的各種方法之上，下面簡要分析已有的各種序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃方法，以及路徑規(guī)劃過程中的碰撞檢測方法。1序列規(guī)劃 目前機(jī)械手序列規(guī)劃方法的研究還處于發(fā)展階段，由于各種作業(yè)任務(wù)的復(fù)雜性。至今還沒有通用的序列規(guī)劃算法。在使用機(jī)械手進(jìn)行裝配，插孔，點(diǎn)焊的應(yīng)用中，較為普遍的方法是把序列規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為“旅行商問題”(TSP)來解決。即機(jī)械手從起始點(diǎn)開始，經(jīng)過一系列作業(yè)點(diǎn)，并在各作業(yè)點(diǎn)停留，完成所有作業(yè)后，最終回到起始點(diǎn)的時間最短規(guī)劃算法。旅行商問題的求解成為求解序列規(guī)劃問題的關(guān)鍵。目前，

25、旅行商問題的近似最優(yōu)解求解算法已經(jīng)得到了充分的研究，提出了很多可行的算法，包括啟發(fā)式算法，模擬退火算法，遺傳算法等。其中啟發(fā)式算法可以細(xì)分為環(huán)路擴(kuò)充法和環(huán)路改進(jìn)法，或是兩種方法的綜合，一般利用鄰接矩陣按照一定的規(guī)則變換來求解，計算量和求解結(jié)果都能滿足要求。2路徑規(guī)劃 機(jī)械手路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在兩個作業(yè)點(diǎn)之間生成一條無碰撞路徑。機(jī)械手路徑規(guī)劃算法主要有4類：C-空間法，人工勢力場法，假設(shè)-修正法，預(yù)處理-規(guī)劃算法。另外，遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等智能算法已經(jīng)成為機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向，這些算法在實際中都有初步的應(yīng)用，取得了較好的規(guī)劃效果。3碰撞檢測 路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間生

26、成一條無碰撞路徑，這使得碰撞檢測成為解決路徑規(guī)劃問題的關(guān)鍵上面提到的4種路徑規(guī)劃算法都需要進(jìn)行碰撞檢測或需要計算機(jī)器人和障礙物之間的距離。判斷兩個物體是否有碰撞發(fā)生有兩種方式，一是定性判斷。二是定量計算。定性判斷方法最主要有“包圍盒層次法”，其基本思路是用一個簡單的包圍盒將復(fù)雜的幾何形體圍住。當(dāng)對兩個物體進(jìn)行碰撞檢測時。首先檢測兩者的包圍盒是否相交，若不相交。則說明兩個物體未相交，否則再進(jìn)一步對兩個物體做檢測。因為求包圍盒的交比求物體的交簡單很多，所以可以快速排除很多不相交的物體，從而加速了算法。對于復(fù)雜物體，可以將物體及其子部分的包圍盒組成層次結(jié)構(gòu)，如二叉樹。在各種機(jī)器人路徑規(guī)劃算法中，往往

27、需要以機(jī)器人和障礙物之間的距離及其關(guān)于機(jī)器人形位的梯度作為路徑規(guī)劃的啟發(fā)性信息，以加快規(guī)劃速度，因此在路徑規(guī)劃中不僅需要判斷有無碰撞發(fā)生，還要計算機(jī)器人與障礙物之間的距離及其關(guān)于機(jī)器人形位的梯度。目前，兩個剛性物體之間的距離計算有很多算法。其中對凸多面體的計算最為成熟。凸多面體之間的距離有兩類：分離距離和嵌入距離。目前，凸多面體間的距離范數(shù)主要有平移距離、成長距離、收縮距離、偽平移距離等。在現(xiàn)實環(huán)境中，機(jī)器人及障礙物一般是凹幾何體，可以采用分割的方法把凹幾何體分割為多個凸幾何體的組合。對一般凸幾何體如球、圓柱等，可以用緊包圍它的凸多面體來近似。然后用凸多面體間的距離近似原凸幾何體之間的距離。2

28、.2 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;(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手; (3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手; (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)型。圖2-1 是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B。其工藝流程：機(jī)械手原位機(jī)械手下降機(jī)械手抓取并夾緊機(jī)械手上升機(jī)械手正轉(zhuǎn)機(jī)械手前伸機(jī)械手下降機(jī)械手松開機(jī)械手上升機(jī)械手后退機(jī)械手逆轉(zhuǎn)退至原位停止。圖2-1 機(jī)械手基本形式示意圖2.3 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基

29、本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計的機(jī)械手具有3個自由度：手臂伸縮；機(jī)身回轉(zhuǎn)；機(jī)身升降。本設(shè)計的機(jī)械手主要由3個大部件和3個氣缸組成：（1）手部，采用一個氣爪，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實現(xiàn)手爪的張合。（2）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂的伸縮。（3）機(jī)身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。2.4 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。氣動機(jī)械手因為結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)

30、而被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動方案選擇氣壓驅(qū)動。2.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途：車間皮帶機(jī)之間的搬運(yùn)垂直軸轉(zhuǎn)動、上下Z方向、橫向X方向運(yùn)動、機(jī)械手轉(zhuǎn)動和夾緊。垂直軸轉(zhuǎn)動和機(jī)械手轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動由直流電機(jī)控制，上下Z方向、橫向X方向運(yùn)動由步進(jìn)電機(jī)控制, 夾緊由氣動完成。二、設(shè)計技術(shù)參數(shù)：1、抓重：2Kg (夾持式手部)2、自由度數(shù)：2個自由度3、坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)4、最大工作半徑：335mm5、機(jī)身最大中心高：415mm6、主要運(yùn)動參數(shù)：手臂伸縮行程：200mm 手臂伸縮速度：200mm/s機(jī)身升降行程：100mm 機(jī)身升降速度：100mm/s機(jī)身回轉(zhuǎn)范圍：0- 190&#

31、176; 機(jī)身回轉(zhuǎn)速度：60°/s2.6 氣動回路的設(shè)計機(jī)械手氣動回路的設(shè)計主要是選用合適的控制閥，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作，設(shè)計的氣動回路圖如圖2-2所示。圖2-2 機(jī)械手氣動回路圖本設(shè)計的氣動機(jī)械手完成各個運(yùn)動的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個氣缸的運(yùn)動方向，氣缸的進(jìn)出口回路各設(shè)置一個單向節(jié)流閥，通過控制進(jìn)出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運(yùn)動速度。設(shè)計中采用PLC控制機(jī)械手實現(xiàn)各種規(guī)定的預(yù)定動作，既可以簡化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動生

32、產(chǎn)率。 3 氣動機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計3.1.1末端執(zhí)行器的概述末端執(zhí)行器是裝在機(jī)械手臂的末端處，用于機(jī)械手完成作業(yè)任務(wù)而專門設(shè)計的裝置。末端執(zhí)行器種類繁多，與機(jī)械手的用途密切相關(guān)，根據(jù)其用途，末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測量用等種類。搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測量及檢驗作業(yè)。在設(shè)計機(jī)械手末端執(zhí)行器時，應(yīng)注意以下問題；1.機(jī)械手末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來設(shè)計的。一個新的末端

33、執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)械手新的應(yīng)用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)械手末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域。2.機(jī)械手末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力和機(jī)械手容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)械手末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。3.機(jī)械手末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強(qiáng)的機(jī)械手末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)械手末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機(jī)械手多種作業(yè)功能，而不

34、主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價昂貴。4.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。5.機(jī)械手末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機(jī)控制。用計算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。3.1.2末端執(zhí)行器的運(yùn)動和驅(qū)動方式末端執(zhí)行器即機(jī)械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式來分，

35、有外夾式和內(nèi)撐式兩種。機(jī)械手夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種1.氣動驅(qū)動方式 這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運(yùn)動具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動作十分需要的。2.電動驅(qū)動方式 電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。3.液壓驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連

36、續(xù)位置控制。根據(jù)綜合情況本次實訓(xùn)采用的是氣動驅(qū)動方式3.1.3末端執(zhí)行器的典型結(jié)構(gòu)1.楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松開和夾緊，來實現(xiàn)抓取工件。2.滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。3.連桿杠桿式手爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。4.齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。5.平行杠桿式手爪采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要

37、導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。3.1.4末端執(zhí)行器的具體設(shè)計由于本設(shè)計所采用標(biāo)準(zhǔn)氣爪，不需要進(jìn)行設(shè)計，直接選型即可。本設(shè)計要求機(jī)械手手爪的最大持重m=2Kg，自重55克。根據(jù)具體的工作要求，選擇標(biāo)準(zhǔn)平行開閉型氣爪，其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。當(dāng)A口進(jìn)氣B口排氣時，氣缸活塞桿1伸出，通過杠桿2繞杠桿軸8回轉(zhuǎn)，帶動兩個手指4通過一組鋼球3在導(dǎo)軌5上作向外直線運(yùn)動，兩手指便張開，松開工件。止動塊6限制手指張開行程，定位銷7保證直線導(dǎo)軌不錯位。圖3-1平行開閉型氣爪結(jié)構(gòu)原理圖1-活塞桿 2-杠桿 3-鋼球 4-手指 5-導(dǎo)軌 6-止動塊 7-定位銷 8-杠

38、桿軸對夾持工件進(jìn)行受力分析如圖3-2所示， 2個手指的總夾持力產(chǎn)生的摩擦力2µF必須大于夾持工件的重力mg，故應(yīng)滿足 2µF>mg即 F>mg/2µ式中 µ摩擦系數(shù)，本設(shè)計的夾持輔助件材料為硬質(zhì)橡膠，一般令µ=0.65；由此 F>mg/2µ=2×9.8/(2×0.65)=15.1N 圖3-2 夾持工件受力示意圖根據(jù)計算出的夾持力的大小和表3-1，可選擇合適的末端執(zhí)行器（手爪）的型號：MHZ2-10D。表3-13.2機(jī)械手手臂的設(shè)計3.2.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計要求手臂是機(jī)械手的主要部分，它的作用是支

39、承手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運(yùn)動。手臂運(yùn)動應(yīng)該包括3個運(yùn)動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。手臂的伸縮運(yùn)動由伸縮手臂完成，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動設(shè)置在機(jī)身處，分別由回轉(zhuǎn)臂和升降手臂完成。臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個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。手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(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、動載荷，而且自身運(yùn)動較多。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。在進(jìn)行機(jī)械手手臂設(shè)計

40、時，要遵循下述原則：1.應(yīng)盡可能使機(jī)械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行，相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)械手運(yùn)動學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)械手的控制。2.機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)械手工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)械手手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)械手手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機(jī)械手手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。3.為了提高機(jī)械手的運(yùn)動速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度

41、鋁合金制造機(jī)械手手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)械手手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重小（其比重相當(dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，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題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。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。4.機(jī)械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動誤差。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)。5.機(jī)械手的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)械手手臂運(yùn)動的響

42、應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計機(jī)械手的手臂時，應(yīng)盡可能利用在機(jī)械手上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)械手手臂的不平衡重量，必要時還要設(shè)計平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。6.機(jī)械手手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動裝置，傳動機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。3.2.2機(jī)械手手臂的具體設(shè)計方案 常見的手臂結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1）雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。（2）手臂的典型運(yùn)動形式有：直線運(yùn)動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運(yùn)動，如手臂的左右擺動，上下擺動；復(fù)合運(yùn)動，如直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合，兩直線運(yùn)動的雙層氣缸空心結(jié)構(gòu)。（3）雙活塞桿氣缸結(jié)構(gòu)。（4）活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。

43、在本氣動機(jī)械手中，直線和旋轉(zhuǎn)模塊均可采用氣缸驅(qū)動，氣動機(jī)械手所能執(zhí)行的運(yùn)動示意圖如圖3-3所示。圖3-3 機(jī)械手運(yùn)動示意圖將旋轉(zhuǎn)氣缸安裝在底板上，就可以實現(xiàn)擺動運(yùn)動，使機(jī)械手向左或向右擺動。機(jī)械手末端執(zhí)行器的水平伸縮運(yùn)動和豎直升降運(yùn)動各由一個氣缸控制，即以最簡單的形式，在兩個位置（完全伸出和回縮位置）之間進(jìn)行切換。根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動功能，可以將機(jī)械手手臂的設(shè)計分為三大部分：伸縮手臂的設(shè)計，實現(xiàn)機(jī)械手的水平伸縮運(yùn)動；升降手臂的設(shè)計，完成機(jī)械手的豎直升降運(yùn)動；回轉(zhuǎn)臂的設(shè)計，完成機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。3.2.3伸縮手臂的設(shè)計伸縮手臂為機(jī)械手執(zhí)行水平伸縮運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，它是連接機(jī)械手末端執(zhí)行器和豎直升降手臂的部

44、件，它的基本作用是完成末端執(zhí)行器的伸出和縮回運(yùn)動。由于伸縮手臂主要承受末端執(zhí)行器和夾持物件的重力，在完全伸出時將承受較大彎矩，對伸縮手臂的設(shè)計應(yīng)該保證手臂的正確方向及承受由于工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。伸縮手臂在進(jìn)行運(yùn)動時，為防止手臂沿伸縮方向軸線轉(zhuǎn)動、加大承載能力，以及提高運(yùn)動精度，必須設(shè)有導(dǎo)向裝置。伸縮手臂的導(dǎo)向裝置需根據(jù)伸縮手臂的安裝形式、結(jié)構(gòu)及負(fù)荷等條件來確定。常用的有單導(dǎo)向桿和雙導(dǎo)向桿。為使設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化和簡便化，在本設(shè)計中，伸縮手臂采用新薄型帶導(dǎo)桿氣缸（如圖3-4）。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負(fù)載能力強(qiáng)，耐扭矩能力強(qiáng)，不回轉(zhuǎn)精度高，導(dǎo)向桿的軸承可選擇滑動軸承或球軸承，安裝方便，

45、二面接管位置可供選擇。圖3-4 新薄型帶導(dǎo)桿氣缸根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計技術(shù)參數(shù)，伸縮手臂的行程為200mm，氣爪抓重約為2Kg，加上末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質(zhì)量約為3Kg，由此，伸縮手臂的最大橫向負(fù)載F=mg=3×9.8=29.4N。根據(jù)表3-2的數(shù)據(jù)，初步選定為缸徑為20mm型號為MGPL20200的氣缸作為機(jī)械手的伸縮手臂。表3-2伸縮手臂作水平直線運(yùn)動時，主要克服的是摩擦阻力和慣性力，因此，氣缸所需要的驅(qū)動力應(yīng)由摩擦阻力和慣性力來確定。 式中 摩擦阻力，應(yīng)包括手臂與伸縮導(dǎo)軌間的摩擦阻力，活塞與密封裝置處的摩擦阻力； 手臂在啟動過程的慣性力。其大小可按以下公式計算； 其中

46、手臂移動部件的重量（牛頓）； g重力加速度（9.8米/秒2）； 啟動或制動前后的速度差（米/秒）； 啟動或制動所需的時間（秒）。摩擦力的計算：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。圖3-5是機(jī)械手的伸縮手臂受力示意圖，本設(shè)計是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮缸兩側(cè)。 圖3-5 伸縮手臂受力示意圖由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個導(dǎo)向桿計算。在垂直方向，可近似認(rèn)為 FN=G總=29.4N。導(dǎo)桿所受到的水平方向的摩擦力 F摩=µFN 其中 µ摩擦系數(shù)，氣缸導(dǎo)向桿的材料為鋼，取µ=0.2。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計算F摩=&#

47、181;FN =0.2×29.4=5.98N慣性力的計算：本設(shè)計要求手臂平動時V=200mm/s，在計算慣性力的時候，設(shè)置啟動時間=0.1s，啟動速度V=V=200mm/s。=6N氣缸所需的驅(qū)動力 F驅(qū)= F摩+ F慣=5.98+6=11.98N 氣缸的理論驅(qū)動力 F=1/4d2p其中 d氣缸活塞桿的直徑（米）； p氣缸的工作壓力（帕）。根據(jù)設(shè)計技術(shù)參數(shù) d=10mm，p=0.5MPa代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得 F=1/4d2p=1/4×3.14×（0.01）2×0.5×106 =39.3N由計算的結(jié)果可知 F>F驅(qū)即氣缸提供的理論驅(qū)動力大于氣缸

48、實際所需的驅(qū)動力，因此，伸縮手臂的設(shè)計符合設(shè)計要求。3.2.4 升降手臂的設(shè)計機(jī)械手升降手臂是直接支撐和驅(qū)動水平伸縮手臂的部件，實現(xiàn)機(jī)械手的豎直升降運(yùn)動。這些運(yùn)動的傳動機(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。按照設(shè)計要求，機(jī)械手要實現(xiàn)豎直方向100mm的升降運(yùn)動，實現(xiàn)該運(yùn)動的機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在機(jī)身處。為了設(shè)計出合理的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，要和回轉(zhuǎn)臂一起綜合考慮，分析。常用的機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1）回轉(zhuǎn)臂置于升降手臂之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是升降手臂在回轉(zhuǎn)臂上部，回轉(zhuǎn)臂需承受較大的壓力。（2）回轉(zhuǎn)臂置于升降手臂之上的結(jié)構(gòu)。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

49、。但回轉(zhuǎn)臂與伸縮手臂一起升降，運(yùn)動部件較大。（3）活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動帶動與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)臂置于升降手臂之下的結(jié)構(gòu)。豎直升降手臂是完成氣動機(jī)械手豎直方向運(yùn)動的動力元件，由于它要承受伸縮手臂和重物的偏心負(fù)載，在選型時要求氣缸能承受較大的偏心負(fù)載，另外為了減小氣缸活塞桿的彎曲變形程度，需加導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。升降手臂的設(shè)計可以采用普通單桿直線伸縮氣缸，外加導(dǎo)向裝置。由于升降手臂位于回轉(zhuǎn)臂之上，外加的導(dǎo)向裝置必然會加大對回轉(zhuǎn)臂的壓力，導(dǎo)向裝置的安裝還必須和手臂保持一定的平行度精度，對設(shè)計要求較高

50、。經(jīng)查找資料，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有帶導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，采用這種標(biāo)準(zhǔn)氣缸，既可滿足設(shè)計精度、簡化設(shè)計結(jié)構(gòu)，又可以節(jié)約設(shè)計成本。本設(shè)計的升降手臂直接選用導(dǎo)臺式氣缸MGF系列，如圖3-6所示。該氣缸高度小，相對MGQ系列減小1525%，氣缸本身帶導(dǎo)桿裝置，不需要另外再設(shè)計導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，耐偏心負(fù)載（導(dǎo)桿直徑較大），氣缸本身附設(shè)令活塞桿不回轉(zhuǎn)裝置，采用最新的T形槽，可安裝其它附件，磁性開關(guān)可安裝在氣缸的四側(cè)。 圖3-6 導(dǎo)臺式氣缸MGF系列根據(jù)前段部分的設(shè)計和機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸可知：最大抓重m1=2Kg；標(biāo)準(zhǔn)氣爪的材料為鋁合金，經(jīng)查找資料得知其密度2=2.75×103Kg/m3，則標(biāo)準(zhǔn)氣爪的質(zhì)量m2=2V22

51、.75×103×0.016×0.057×0.0230.06Kg；伸縮手臂與標(biāo)準(zhǔn)氣爪的連接板材料為45鋼，其密度3=7.85×103Kg/m3 ，則連接板的質(zhì)量m3=3V37.85×103×0.081×0.03×0.010.19Kg；另外伸縮手臂導(dǎo)桿伸出件質(zhì)量m4 0.5Kg。得出偏心負(fù)載的總質(zhì)量m=m1+m2+m3+m4=2+0.06+0.19+0.5=2.75Kg，選型時要考慮一定的裕量，按m=3Kg，L=320mm選型，又已知機(jī)械手的升降速度為100mm/S。依據(jù)圖3-7，選擇的氣缸型號為MGF631

52、00。 圖3-7導(dǎo)臺式氣缸MGF系列選型依據(jù)圖3.2.5 滾珠絲桿的選擇 因為只計算重力故把氣缸當(dāng)實心，固定桿當(dāng)固定部分計算。已知機(jī)械手氣缸型號為MAL20x1OO根據(jù)圖3-8圖3-8可知軸直徑R=10mm，H=10mm，鐵的密度為7.86g/c m31畫受力圖;2根據(jù)計算公式：N缸=7.86x r 2h=100x1F總=F氣缸+F氣爪=已知?dú)庾HZ2-10D重力為0.539NMmax=(FL*L)/8 ;FS=FL/2表31查表31選擇45號剛許用應(yīng)力為255MpaMmax<= wz=(d2/32)*255x106 d=3mm根據(jù)綜合情況和任務(wù)要選擇1602進(jìn)口二手滾珠絲桿/滾珠絲杠

53、總長300mm 有效行程200mm絲杠圖如下圖39絲杠具體參數(shù)根據(jù)絲桿直徑故選擇如下配件選擇聯(lián)軸器選擇步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)的安裝結(jié)構(gòu) 采用側(cè)向與橫向機(jī)架垂直固定的方法安裝，橫向機(jī)架中間為絲杠軸，步進(jìn)電機(jī)與絲杠軸的連接采用聯(lián)軸器連接。固定安裝步進(jìn)電機(jī)四個沒螺釘要保證與絲杠軸中心一致，這是安裝的關(guān)鍵。 步進(jìn)電機(jī)包括：定子、可旋轉(zhuǎn)地插入到定子的內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子、分別緊固在定子的兩端的底板和安裝板、軸承緊固在安裝板上的架和設(shè)置在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸上的絲杠。定子準(zhǔn)備了兩組，每一組包括內(nèi)軛、外軛及其間設(shè)置的繞組，將其緊固為使內(nèi)軛的各基部相接合。內(nèi)軛和外軛接合為使內(nèi)軛的基部與外軛的外周部的端部接觸，并且使基部的外周邊部在外

54、軛的外周面附近露出。 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 絲杠導(dǎo)程已知機(jī)械手移動步距 s = 10 (um) s = L $ $為步距角, L為導(dǎo)程; 查資料知： 42BYG006型號 的步進(jìn)電機(jī)（八拍）步距角為0.90 則絲杠導(dǎo)程： L = 10 mm2.2 絲杠的支承機(jī)構(gòu)為提高傳動剛度，選擇合理的支承結(jié)構(gòu)并正確安裝很重要，對傳動精度有很大影響。絲杠主要承受軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重，因此，絲杠的軸向精度和剛度要求較高。絲杠的支承結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1）       F0支承結(jié)構(gòu)：一端固定（F），一端自由（0），如下圖所示： F0結(jié)構(gòu)

55、的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，承載能力小，軸向剛度低，壓桿穩(wěn)定性較差和臨界轉(zhuǎn)速低，設(shè)計時應(yīng)盡量使絲杠受拉伸。適用于短絲杠，垂直絲杠。（2） FS支承結(jié)構(gòu)：一端固定（F），一端浮動（S），如下圖所示： FS結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是軸向剛度和F0相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的F0高，絲杠有熱膨脹的余地，需要保證螺母與兩支承同軸，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難。適用于較長絲杠或臥式絲杠。（3）FF支承結(jié)構(gòu)：兩端固定，結(jié)構(gòu)如下圖所示： FF結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是絲杠的軸向剛度為一端固定的4倍，壓桿穩(wěn)定性好，固有頻率比一端固定的高，可施加預(yù)緊力提高傳動剛度，結(jié)構(gòu)和工藝都較復(fù)雜。適用于長絲杠以及對剛度和位移精度要求高的場合。由于該系統(tǒng)是半閉環(huán)系統(tǒng)，精度本來就不是很高，故采用一端固定，一端浮動的支承結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)讓絲杠有膨脹的余地，適用與較長的絲杠中，游動支承采用深溝球軸承，固定支承結(jié)構(gòu)有下表1列的幾種：表1 絲杠支承滾動軸承特點(diǎn)比較滾動軸承類型軸向剛度軸承安裝預(yù)緊調(diào)整摩擦力矩60度接觸角推力軸承大簡單不需要小雙向推力角接觸軸承中簡單不需要小圓錐滾子軸承小簡單若內(nèi)圈之間有隔圈則不需要調(diào)整大滾針和推力滾子組合特大簡單不需要特大深溝球軸承和推力球軸承組合使用大復(fù)雜麻煩小綜上所述，選用60度接觸推力角接