機(jī)械手設(shè)計(jì)(共30頁)

1、一、總體方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)基本要求: 設(shè)計(jì)一個多自由度機(jī)械手（至少要有三個自由度）將最大重量為40Kg的工件，由車間的一條流水線搬到別一條線上；二條流水線的距離為：1000mm；工作節(jié)拍為：70s；工件：最大直徑為160mm 的棒料；1.2總體方案確定 1.2.1自由度自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器）的開合自由度。自由度表示了機(jī)器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)需要六個自由度。機(jī)械手的自由度越多，越接近人手的動作機(jī)能，其通用性就越好，但是結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，自由度的增加也意味著機(jī)械手整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能力是一對矛盾

2、，此外還要考慮到由此帶來的整體結(jié)構(gòu)剛性的降低，在靈活性和輕量化之間必須做出選擇。工業(yè)機(jī)器人基于對定位精度和重復(fù)定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的考慮，往往體積龐大，負(fù)荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用機(jī)械手有56個自由度即可滿足使用要求（其中臂部有3個自由度，腕部和行走裝置有23個自由度），專用機(jī)械手有12個自由度即可滿足使用要求。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一動作。在滿足前提條件上盡量使結(jié)構(gòu)簡單，所以我們這次選擇5自由度機(jī)械手。1.2.2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：特點(diǎn)：操作機(jī)的手

3、臂具有三個移動關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標(biāo)配置。優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為簡單，但其占空間較大，且運(yùn)動軌跡單一，使用過程中效率較低。結(jié)構(gòu)圖：(2) 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手：特點(diǎn)：操作機(jī)的手臂至少有一個移動關(guān)節(jié)和一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置。優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)剛度較好，運(yùn)動所需功率較小，控制難度較小，但運(yùn)動軌跡簡單，使用過程中效率不高。結(jié)構(gòu)圖： ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手：特點(diǎn)：操作機(jī)的手臂具有兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)系配置。優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定難度，且機(jī)械手臂的剛度不足，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。結(jié)構(gòu)圖：(4) 多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。特點(diǎn)：操作機(jī)的

4、手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動作，具有三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。優(yōu)缺點(diǎn)：運(yùn)動軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大，機(jī)械手臂的剛度差。結(jié)構(gòu)圖：因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的三自由度機(jī)械手主要用來運(yùn)輸2流水線的零件，2者距離1000mm，這就要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小。根據(jù)上面4種坐標(biāo)形式，我選擇了圓柱坐標(biāo)形式，這種形式比較符合這次設(shè)計(jì)的需要。圖1-2-3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。圖1-2-3機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖1.2.3機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動 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3個自由度既

5、：手抓張合；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降3個主要運(yùn)動。本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由3個大部件：（1） 手部，采用一個直線液壓缸，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手抓的張合。（2）腕部，腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉(zhuǎn)動慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個自由度，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)。（3）臂部，臂是機(jī)械手機(jī)構(gòu)的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運(yùn)動。（4）機(jī)身，機(jī)身是直接支承和傳動手臂的部件。1.2.4機(jī)械手的驅(qū)動元件在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中，使用的電機(jī)類型主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機(jī)和HD電動機(jī)等幾種。步進(jìn)電機(jī)可直接將

6、電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就回轉(zhuǎn)一定的角度，其角度大小與脈沖數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。步進(jìn)電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖的頻率來調(diào)速，能夠快速起動、反轉(zhuǎn)和制動，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機(jī)器人中無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。直流伺服電機(jī)在機(jī)器人中應(yīng)用也很廣泛。常用它直接帶動滾珠絲杠驅(qū)動關(guān)節(jié)手臂關(guān)節(jié)運(yùn)動。直流伺服電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與一般動力用直流電機(jī)相同。按激磁方式直流伺服電機(jī)可分為永磁式、他激式、并激式和串激式等。在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機(jī)。.交流伺服電機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用情況與置流伺服電機(jī)相同，但交流伺服電機(jī)與直流

7、伺服電機(jī)相.比，功率大、過載能力強(qiáng)、無電刷、環(huán)境適應(yīng)性好，因而交流伺服電機(jī)是今后機(jī)器人用電機(jī)的發(fā)展方向。低速電機(jī)主要用于系統(tǒng)精度要求高的機(jī)器人。為了提高功率體積比，伺服電機(jī)制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動機(jī)械負(fù)載。由于齒輪傳動存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對功率體積比要求不十分嚴(yán)格，而對于精度有嚴(yán)格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機(jī)，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動。環(huán)形超聲波電動機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使用在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動負(fù)載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞信息。HD電動機(jī)是一種小型大轉(zhuǎn)矩(大推力)的電動機(jī)，電

8、動機(jī)可直接與負(fù)載連接，可應(yīng)用在系統(tǒng)定位精度要求高的機(jī)器人產(chǎn)品中。通過上述對幾種機(jī)器人常用電機(jī)的分析和比較，綜合考慮本文機(jī)械手臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有較高精度并要求能夠快速啟動和制動，所以選擇應(yīng)用較為廣泛的直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。1.2.5機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途：搬運(yùn):用于傳送帶間搬運(yùn)二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、抓重:40Kg (夾持式手部)2、自由度數(shù):5個自由度3、座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑:1000mm6、手臂運(yùn)動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍：0180° 二、各主要組成部分設(shè)計(jì)2.1爪部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1對手部設(shè)計(jì)的要求(1)對手部設(shè)計(jì)的要求(a)有適當(dāng)?shù)膴A緊力手部在工作時，

9、應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。(b)有足夠的開閉范圍根據(jù)工件外圓大小,夾持的大小直徑必須大于100mm 。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好。 (c) 力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小手部處于腕部的最前端，工作時運(yùn)動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直

10、接影響整個機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動速度等性能。因此，在設(shè)計(jì)手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。(d) 手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度(e)其它要求：因此送料，夾緊機(jī)械手機(jī)構(gòu)，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。2.1.2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)動力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。（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。（3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保

11、證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。2.1.3機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算1.選擇手抓的類型及夾緊裝置本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)平動搬運(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30Kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。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。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結(jié)構(gòu)簡單, 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。若采用典型的平移型手指, 驅(qū)動力需

12、加在手指移動方向上,這樣會使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。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。2 、手抓的力學(xué)分析下面對其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿 圖2-1-3.1為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 3 2 O1 O2 1FN圖2-1-3.1滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)圖2-1-3.2滑槽杠桿式受力分析 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

13、指向點(diǎn)，交和的延長線于A及B。由=0 得 =0 得 由=0 h F= 式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心的距離（mm）. 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=。3、夾緊力及驅(qū)動力的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計(jì)算： 式中 安全系數(shù)，通常1.22.0； 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影

14、響。可近似按下式估其中a，重力方向的最大上升加速度； 運(yùn)載時工件最大上升速度 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般選取0.030.5s 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇。 G被抓取工件所受重力（N）。表2-1-3.1 液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa小于50000.8120000300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.050000以上5.08.0計(jì)算：設(shè)a=50mm,b=100mm,<<機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動力和

15、 驅(qū)動液壓缸的尺寸。(1) 設(shè)， ，=1.02（a運(yùn)載工件時重力方向的最大上升加速度）， 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =1.51.020.5400=306N （2）根據(jù)驅(qū)動力公式得： =918N （3）取 N （4）確定液壓缸的直徑D 選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa, D=0.042根據(jù)表2-1-3.2（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=50mm2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250表2-1-3.2 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66）則活塞桿內(nèi)徑為:d=500.5=2

16、5mm，選取d=25mm4、活塞桿長度與手指長度的計(jì)算計(jì)算為了保證手抓張開角為，活塞桿運(yùn)動長度為34mm。手抓夾持范圍，手指長100mm,當(dāng)手抓沒有張開角的時候，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開時，最大夾持半徑計(jì)算如下： 機(jī)械手的夾持半徑從40101mm2.1.4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。如圖2-1-4.1所示，計(jì)算如下。圖2-1-4.1 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=35mm，估算彈簧絲直徑 (4).試算彈簧絲直徑 =5.7mm，取6mm(5). 根據(jù)變形情況確定彈

17、簧圈的有效圈數(shù)： =4.3選擇標(biāo)準(zhǔn)為n=5，彈簧的總?cè)?shù)n1=n+1.5=6.5圈(6).最后確定，D=35mm,d=5,D1=D-d=29mm,D2=D+d=41mm(7).對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長細(xì)比，本設(shè)計(jì)彈簧是2端自由，根據(jù)下列選取： 當(dāng)兩端固定時，,當(dāng)一端固定；一端自由時，；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動時，。結(jié)論本設(shè)計(jì)彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。(8).疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。對于循環(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

18、化幅度不大時，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算）。現(xiàn)在由于本設(shè)計(jì)是在恒定載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。計(jì)算公式:；選取1.31.7（力學(xué)性精確能高） =522401441 =1.5結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。圖2-1-4.2機(jī)械手開閉示例簡圖2.2 腕部設(shè)計(jì)計(jì)算 手腕是操作機(jī)的小臂上臂和末端執(zhí)行器手爪之間的連接部件。其功用是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)2.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計(jì)腕部時要注意以下幾點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。（2）轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。（3）注

19、意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、（4）管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題 （5）要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。2.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動。2.2.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 1、腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) 夾取工件重量40Kg，回轉(zhuǎn)。 2、腕部的驅(qū)動力矩計(jì)算（1） 腕部的驅(qū)動力矩需要的力矩。（2） 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。夾取棒料直徑160mm，長度1000mm，重量40Kg，當(dāng)手

20、部回轉(zhuǎn)時，計(jì)算力矩： （1） 手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑180mm（2） 擦力矩。（3） 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度。 查取轉(zhuǎn)動慣量公式有： 代入： ； 3、腕部驅(qū)動力的計(jì)算設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表2-1-3.2 設(shè)缸體內(nèi)空徑D=110mm，外徑根據(jù)表2-2-3.1選擇133mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實(shí)際裝配問題后，其外徑為226mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力，選擇1Mpa表2-2-3.1 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）液壓缸內(nèi)徑40 50638090

21、10011012514015016018020020鋼P(yáng)5060769510812113316814618019421924545鋼506076951081211331681461801942192454、液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算圖2-2-3.1 缸蓋螺釘間距示意表2-2-3.2 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)0.51.5 小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，如圖2-2-3.1 所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表2-2-3.2 ，在這種聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力 計(jì)算：液壓缸工作壓強(qiáng)

22、為P=1Mpa,所以螺釘間距t小于150mm,試選擇5個螺釘，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=5個 危險(xiǎn)截面 ； 所以 =3954.4+5931.6=9886N螺釘材料選擇Q235，（）螺釘直徑 ： =0.0101螺釘?shù)闹睆竭x擇d=12mm.2.3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。它的作用是支撐腕部和手部（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。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章敘述。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(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)

23、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(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。 2.3.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 （1）剛度要大： 為防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實(shí)心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 （2）導(dǎo)向性要好： 為防止手臂在直線移動中，沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對運(yùn)動，或設(shè)置導(dǎo)向

24、裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。 （3）偏重力矩要小： 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機(jī)器人的運(yùn)動速度，要盡量減少臂部運(yùn)動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。 （4）運(yùn)動要平穩(wěn)、定位精度要高： 由于臂部運(yùn)動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。2.3.2 手臂結(jié)構(gòu)的選擇及相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算1、手臂的典型運(yùn)動機(jī)構(gòu)常見的手臂伸縮機(jī)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

25、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；符合運(yùn)動，如直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合，兩直線運(yùn)動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。（3） 雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。（4） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。2、手臂運(yùn)動機(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,液壓缸選取雙作用液壓缸。3、手臂直線運(yùn)動的驅(qū)動力計(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)。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。圖2-3-2.1手臂活塞桿簡圖 做水平伸縮直線運(yùn)動的液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運(yùn)動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。液壓

26、缸活塞的驅(qū)動力的計(jì)算。 4、手臂摩擦力的分析與計(jì)算分析：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。設(shè)計(jì)是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮崗兩側(cè)。計(jì)算如下：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(jì)算。 ，得： ， ，得： ， 式中 參與運(yùn)動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L手臂與運(yùn)動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; a導(dǎo)向支撐的長度（m）; 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。對于圓柱面：摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取=0.10.15鋼對鑄鐵：取=0.180.3導(dǎo)向桿的材料

27、選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 ，L=0.198導(dǎo)向支撐a設(shè)計(jì)為0.0216m將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算N5、手臂慣性力的計(jì)算本設(shè)計(jì)要求手臂平動是V=,在計(jì)算慣性力的時候,設(shè)置啟動時間,啟動速度。=N6、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。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。經(jīng)過以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動力：=1807N2.3.3 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定經(jīng)過上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=461N，根據(jù)表2-1-3.1 選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa（1） 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖2-3-2.1

28、所示圖2-3-2.1 雙作用液壓缸示意圖當(dāng)油進(jìn)入無桿腔：當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中：液壓缸的有效面積：故有 （無桿腔） （有桿腔） 選擇機(jī)械效率將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： =0.031m根據(jù)表2-1-3.2 ，選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=32mm.（2） 液壓缸外徑的設(shè)計(jì)根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為27mm.（3） 活塞桿的計(jì)算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動的要求和強(qiáng)度要求。對于桿長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=100120Mpa，活塞直徑d=10mm,L=150mm,現(xiàn)在進(jìn)行校核。結(jié)論： 活塞桿的強(qiáng)度足夠。 2.4

29、液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)液壓控制機(jī)械手機(jī)構(gòu)的一種主要的控制形式。機(jī)械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度和操作室根據(jù)油的流量與壓力來確定，因而只要控制油的流量和壓力，就可以控制機(jī)械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度和操作力，油壓壓力一般在5140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達(dá)160公斤以上。主要優(yōu)點(diǎn)：(1)液壓執(zhí)行元件(馬達(dá)和油缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。(2)可通過液壓油帶走大量熱能，保證機(jī)械的正常運(yùn)行，并由于液壓油的潤滑作用，可延長元件的使用壽命。(3)液壓元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調(diào)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。(4)響應(yīng)速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現(xiàn)象。

30、其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強(qiáng)。(5)液壓元件于其他驅(qū)動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。缺點(diǎn):(1)液壓控制需要一套液壓系統(tǒng)，不像電力容易獲得，而且價(jià)格較貴。(2)油溫有上限，并難以保持不漏，比較臟，易于使閥和執(zhí)行元件堵塞。(3)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，處理功率訊號的數(shù)學(xué)運(yùn)算誤差，檢測，放大，測試和補(bǔ)償功能不如電子，機(jī)電裝置靈活簡便?？傮w系統(tǒng)圖圖 2-4-1總體系統(tǒng)圖(1)總體系統(tǒng)圖如圖 2-4-1所示(2)工作過程: 小臂伸長手部抓緊腕部回轉(zhuǎn)小臂回轉(zhuǎn)小臂收縮手部放松(3)電磁鐵動作順序表: 表2-4-1總體系統(tǒng)圖元件動作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸長手

31、部抓緊腕部回轉(zhuǎn)小臂收縮手部放松卸荷-+-±+-+±-+-±-±(4)確電機(jī)規(guī)格：液壓泵選取CB-D型液壓泵，額定壓力P =10Mpa，工作流量在3270ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵，因此：傳動功率 式中：=0.8 （經(jīng)驗(yàn)值）所以代入公式得： N =10×80×103×106/60×0.8=16.7KN選取電動機(jī)JQZ-61-2型電動機(jī)，額定功率17KW，轉(zhuǎn)速為2940r/min。2.5機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上

32、，或者就直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜，機(jī)身既可以是固定式的，也可以是行走式的，如圖2-5-1 圖2-5-1機(jī)身機(jī)座結(jié)構(gòu)圖 臂部和機(jī)身的配置形式基本上反映了機(jī)械手機(jī)構(gòu)的總體布局。本課題機(jī)械手機(jī)構(gòu)的機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這樣機(jī)械手機(jī)構(gòu)可以是獨(dú)立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機(jī)構(gòu)。臂部配置于機(jī)座立柱中間，多見于回轉(zhuǎn)型機(jī)械手機(jī)構(gòu)。臂部可沿機(jī)座立柱作升降運(yùn)動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機(jī)帶動螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)由電動機(jī)帶動減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動了機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到了自由度的要求。2.6電

33、機(jī)的選擇機(jī)身部使用了兩個電機(jī)，其一是帶動臂部的升降運(yùn)動；其二是帶動機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。帶動臂部升降運(yùn)動的電機(jī)安裝在肋板上，帶動機(jī)身回轉(zhuǎn)的電機(jī)安裝在混凝土地基上。帶動臂部升降的電機(jī)：初選上升速度 V =100mm/s P =6KW所以n =（100/6）×60=1000轉(zhuǎn)/分選擇Y90S-4型電機(jī)，屬于籠型異步電動機(jī)。采用B級絕緣，外殼防護(hù)等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。如表2-6-1 Y90S-4電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)所示：表2-6-1 Y90S-4電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)型號額定功率KW滿載時堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩電流A轉(zhuǎn)速r/min效率

34、%功率因素額定電流額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.22.7減速器的選擇減速器的原動機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動裝置。用來降低轉(zhuǎn)速和增轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。初選WD80型圓柱蝸桿減速器。WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。蝸桿的材料為38siMnMo調(diào)質(zhì)蝸輪的材料為ZQA19-4中心矩 a=80Ms×q=4.0×11 傳動比I =30傳動慣量0.265×10³kg·m²2.8螺柱的設(shè)計(jì)與校核螺桿是機(jī)械手機(jī)構(gòu)的主支承件，并傳動使手臂上下運(yùn)動。螺桿的材料選擇：從經(jīng)濟(jì)角度來講并能滿足

35、要求的材料為鑄鐵。 螺距P =6mm 梯形螺紋 螺紋的工作高度 h =0.5P=3mm螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm 螺桿強(qiáng)度 = s/35 =3050Mpa 螺紋牙剪切 =40 彎曲=4555(1)當(dāng)量應(yīng)力 式中 T傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm螺桿材料的許用應(yīng)力 所以代入公式得：= = =（2495/ d1²）²+3（61.2/ d1³）²9002500×1012=6225025/d14+11236/d169002500×10126225025d12+11236900d16×1012622

36、5025×0.0292+11236900×0.0296×1012即16471pa535340pa合格(2)剪切強(qiáng)度 =160/6 （旋合圈數(shù)） =200×9.8/×0.029×3.9×（160/6）×10-3 =206.8×103pa =0.206Mpa=40Mpa(3)彎曲強(qiáng)度=3×200×9.8×3/×2.9×3.92×（160/6）=0.48Mpa=45Mpa合格三、機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) S7-200 是一種小型的可編程控制器，適用于各行各

37、業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價(jià)格比。3.1西門子PLC的I/O分配根據(jù)機(jī)械手動作的要求，輸入、輸出分配如表3-1所示。因?yàn)槲鏖T子S7-200 CPU226輸入端子為24個，輸出端子為16個，而所需的輸入端子為25，所以外界一個EM223拓展模塊。表3-1 PLC輸入/輸出分配表輸入信號輸出信號手動SAI0.0上升/下降步進(jìn)電機(jī)YA0Q0.0回原位SAI0.1YA1Q0.1連續(xù)SAI0.2YA2Q0.2回原位SB1I0.3前進(jìn)/后退步進(jìn)電機(jī)YA3Q0.3啟動SB2I

38、0.4YA4Q0.4停止SB3I0.5YA5Q0.5下降SB4I0.6夾緊YA6Q0.6上升SB5I0.7手順轉(zhuǎn)YA 7Q0.7夾緊SB6I1.0手逆轉(zhuǎn)YA 8Q1.0松開SB7I1.1底盤順轉(zhuǎn)YA 9Q1.1手順轉(zhuǎn)SB8I1.2底盤逆轉(zhuǎn)YA10Q1.2手逆轉(zhuǎn)SB9I.13底盤順轉(zhuǎn)SB10I1.4底盤逆轉(zhuǎn)SB11I1.5下限位SQ1I1.6上限位SQ2I1.7前限位SQ3I2.0后限位SQ4I2.1底盤順限位SQ5I2.2底盤逆限位SQ6I2.3手順限位SQ7I2.4手逆限位SQ8I2.5底旋轉(zhuǎn)脈沖I2.6前行SB12I2.7后退SB13I3.03.2 自動操作程序 自動操作順序功能流程圖見圖3-4所示。當(dāng)機(jī)械手處于原位時，按啟動I0.4接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S1，驅(qū)動前伸Q0.3，當(dāng)?shù)竭_(dá)前限位使行程開關(guān)I2.0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S2，而S1自動復(fù)位。驅(qū)動手順轉(zhuǎn)Q0.7，I2.4接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S3，驅(qū)動下降Q0.2，I1.6接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S4，S4驅(qū)動Q0.6置位，延時1秒，以使電磁力達(dá)到最大夾緊力。當(dāng)T0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S5，