工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案材料

1、*-1緒論1.1 工業(yè)機(jī)器人概述工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感 裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間 完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞 動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)器人技術(shù)是綜 合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué) 等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的 領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家 工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī) 器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī) 器特長(zhǎng)

2、的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快諫反應(yīng)和 分析判斷能力、又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境 的能力。從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器進(jìn)化過(guò)程的產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非工業(yè)領(lǐng)域的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺 少的自動(dòng)化設(shè)備。機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作、按給定程序、軌跡 和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng) 用的機(jī)械手被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)械手”。工業(yè)機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng) 化水平和勞動(dòng)牛產(chǎn)率：可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全 生產(chǎn)，尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和 放 射性等惡劣的環(huán)境中,由它代替人進(jìn)行正常的工作，意

3、義更為重大。因此，工業(yè)機(jī)械手在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、 噴漆、裝配以及 輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單專(zhuān)用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專(zhuān)用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制 成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作， 適用范圍比較廣的“程序 控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱(chēng)通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變 工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn) 中獲得廣泛的應(yīng)用。1.2 工業(yè)機(jī)器人的組成和分類(lèi)1.2.1 工業(yè)機(jī)器人的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等組成。各系統(tǒng)相互

4、之間的關(guān)系如方框圖1.1所示圖1.1機(jī)器人組成系統(tǒng)*-1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同， 可分為夾持式手 部和吸附式手部。在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。 夾持式手部 由手指（或手爪）和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件， 常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。 回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造 容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型手指應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置， 因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的 表面形狀、被抓部位（是外廓或是內(nèi)

5、孔）和物件的重量及尺寸。常用的 指形有平面的、V形面的和曲面的，手指有外夾式和內(nèi)撐式，指數(shù)有 雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和 動(dòng)力。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)型式較多常用的有：滑梢杠桿式、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。手腕手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位（即姿勢(shì)）。（3）手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手 指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。 工業(yè)機(jī)械手的 手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連 桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等）與驅(qū)動(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）

6、 相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)和升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作 需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱(chēng)為可移式立柱。（5）行走機(jī)構(gòu)當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作或擴(kuò)大使用范圍時(shí)， 可在機(jī)座 上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械 手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式分為有軌的和無(wú)軌的兩種。 驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng) 另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。（6）機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安 裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)

7、裝置和輔 助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?，F(xiàn) 在工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大多采用液壓傳動(dòng)。3、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位）系 統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī) 定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息 （如動(dòng)作順序、運(yùn) 動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間），同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā) 出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視， 當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故 障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。4、位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋 給

8、控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整， 從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。1.2.2 機(jī)械手的分類(lèi)工業(yè)機(jī)械手的種類(lèi)很多，關(guān)于分類(lèi)的問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類(lèi)。1、按用途分(1)專(zhuān)用機(jī)械手它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專(zhuān) 用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低 等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手， 如自動(dòng)機(jī)床、 自動(dòng)線(xiàn)的上、下料機(jī)械手。(2)通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。在其性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，

9、通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種：簡(jiǎn)易型以“開(kāi)一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制；伺服型可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，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(jī)械手屬于數(shù)控類(lèi)型。2、按驅(qū)動(dòng)方式分(1)液壓傳動(dòng)機(jī)械手液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，否則液壓油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高

10、溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服 閥的制造精度高，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高。(2)氣壓傳動(dòng)機(jī)械手氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：介質(zhì)源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性 較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30公斤以下，在同 樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高 溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。(3)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)

11、械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專(zhuān)用機(jī)械手， 其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工 作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。(4)電力傳動(dòng)機(jī)械手電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線(xiàn)電機(jī)或功率步進(jìn)電 機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線(xiàn)電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)， 維護(hù)和 使用方便。此類(lèi)機(jī)械手目前還不多，很有發(fā)展前途。3、按控制方式分(1)點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位 置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制 系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專(zhuān)用

12、和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類(lèi)。(2)連續(xù)軌跡控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線(xiàn)， 其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整 個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范 圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類(lèi)工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn) 行控制。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：(1)工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。*-(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、 減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化。由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊重組方式構(gòu)造 機(jī)器

13、人整機(jī)，國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于 標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化。器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)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。(4)機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而 遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái) 進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已 有成熟應(yīng)用。(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(guò)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)

14、境中的感覺(jué)來(lái)操縱 機(jī)器人。(6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自動(dòng)化系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整 的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。 美 國(guó)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。(7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái),這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用 的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從 80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步， 在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌 握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、 運(yùn)

15、動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、 弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人，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(xiàn)(立if)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī) 器人己應(yīng)用在汽車(chē)制造廠(chǎng)的焊裝線(xiàn)上。 但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器 人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如 ：可靠性低 于國(guó)外產(chǎn)品，機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)技 術(shù)與國(guó)外比有差距。在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)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(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成 機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求，“一客戶(hù)， 一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格

16、多、批量小、零部件通用化程度低、供貨 周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。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(guó)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。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出 直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等 機(jī)種。在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi) 展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。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

17、 機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步， 與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要 在原有成績(jī)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。1.4 課題的提出及主要任務(wù)1.4.1 課題的提出進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)人口老齡化的提前到來(lái)，近來(lái)在東南沿海出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動(dòng)生產(chǎn)率， 降低工人的勞 動(dòng)強(qiáng)度，提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平勢(shì)在必行， 本設(shè)計(jì)的目的就是設(shè)計(jì) 一個(gè)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，把工業(yè)產(chǎn)品從一條 生產(chǎn)線(xiàn)搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減輕工人大量的重 復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：(

18、1)液壓傳動(dòng)在工作過(guò)程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等)，液壓傳動(dòng)易泄漏，不僅污染工作場(chǎng)地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。(2)工作時(shí)受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn) 動(dòng)特性變化。(3)因液壓脈動(dòng)和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。(4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價(jià)格較高，且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，采用氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易， 而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器，介質(zhì)清潔， 管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問(wèn)題。

19、(2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過(guò)程中，阻力損失較小， 空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣造成壓 力明顯降低和嚴(yán)重污染。(3)動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要 0.02S-0.3到可建立起 所需的壓力和速度。氣動(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。(4)能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等 情況時(shí)，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。*-(5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng) 等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越， 而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。(6)成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，

20、因此降低了氣動(dòng)元件、輔 件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為：由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)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)。此外氣源工作壓力較低， 抓舉力較小。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè) 界所接受，而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng) 己被接受，但由于氣動(dòng)機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過(guò) 去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器 人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。1.4.2 課題的主要任務(wù)本課題將要完成的主要任務(wù)如下：(1)機(jī)械手為通用機(jī)械手，因此相對(duì)于專(zhuān)用機(jī)械手來(lái)說(shuō)，它

21、的適用面相 對(duì)較廣。(2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度(3)設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括：手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)。為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來(lái)抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時(shí)候還可以用氣流負(fù)壓式吸 盤(pán)來(lái)吸取板料工件。2機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地抓-放和搬運(yùn)物件，這就 要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是：(1)充分分析作業(yè)對(duì)象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿(mǎn)足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件； 明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材

22、料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù) 等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求。(2)盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專(zhuān)用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動(dòng)上 下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程 序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。2.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角 座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí) 手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有立柱轉(zhuǎn)動(dòng)，立柱上

23、下升降運(yùn)動(dòng)，手臂前后伸縮運(yùn)動(dòng)，和手 腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)四個(gè)自由度。圖2.1機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu), 當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部；當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)。2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，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(mǎn)足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有兩個(gè)自由度，即手臂的伸縮、 左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 立柱的

24、橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)由于氣壓傳動(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 本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。2.6 機(jī)械手的主要參數(shù)1、機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)， 因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重， 查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合 工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為10公斤2、基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。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。 而影響機(jī)械手 動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。 該機(jī)械手最大移動(dòng)速 度設(shè)計(jì)為1.0m/4最大回

25、轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為900/$平均移動(dòng)速度為0.8m/$ 平均回轉(zhuǎn)速度為600/&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(xiàn)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。除了 運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。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。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。在這種 情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的 伸縮行程定為600mm最大工作半徑約為1400mm手臂升降行程定為 120mm3定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)

26、械手的定位精度為土 1mm 2.7機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表1、用途：用于自動(dòng)輸送線(xiàn)的上下料。2、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：(1)抓重：10Kg(2)自由度數(shù)：4個(gè)自由度*.(3)座標(biāo)型式：圓柱座標(biāo)(4)最大工作半徑：1400mm(5)手臂最大中心高：1250mm(6)手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程600mm伸縮速度400mm/s升降行程120mm升降速度250mm/s回轉(zhuǎn)范圍0o-180o回轉(zhuǎn)速度90o/s(7)手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍0o-180o回轉(zhuǎn)速度90o/s(8)手指夾持范圍：棒料：d 80mm-150mm(9)定位方式：行程開(kāi)關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等(10)定位精度：土 1mm(11為區(qū)動(dòng)方式：氣壓傳動(dòng)3手部結(jié)構(gòu)

27、設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu),當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部。如果有實(shí)際需要，還可以換成氣壓吸盤(pán)式結(jié)構(gòu)，3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指（或手爪）和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式 比較多，如滑梢杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。3.1.1 手指的形狀和分類(lèi) 夾持式是最常見(jiàn)的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式： 按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種：按 模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移 動(dòng)型(或稱(chēng)直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。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

28、小到無(wú)窮小時(shí)， 就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn) 型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成 為移動(dòng)型。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。 移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化 的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題(1)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。(2)手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。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

29、工件， 應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。(3)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。例如圓柱形工件采用帶“ V'形面的手 指，以便自動(dòng)定心。(4)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(xiàn)上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。(5)考慮被抓取對(duì)象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是 一支點(diǎn)兩指回轉(zhuǎn)型

30、，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型, 其結(jié)構(gòu)如附圖3.1所示。3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算本課題氣動(dòng)機(jī)器人的手部結(jié)構(gòu)如圖 3-2所示，其工件重量M=10kg, 根據(jù)被夾持工件的直徑80750mm選定V形手指的角度2 0 =120 b=120mm>R=24mm摩擦系數(shù)為u=0.3圖3,1齒輪齒條式手部(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為P=b/R N(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力N計(jì)算公式:2N- sin 0 u =1/2MgN=Mg/(4sin 0 - u )=10x9,8/(4xsin60ox0.3)=94,3(N)所以：P=b/R N=912

31、0x94.3/24=471.5(N)(3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力：P實(shí)際書(shū)K1K2/11式中：刀一齒輪齒條傳動(dòng)效率，取1 =0.94K1安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定，通常在1.22.0取 1.5;K2一工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，若被抓取工件的最大加 速度取a=g時(shí)，貝h K2=1+a/g 所以：P 實(shí)際=471.5x1.5x2/0.94=1504.8(N)夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為 1504.8(N>2、氣缸的直徑本氣缸屬于預(yù)縮型單作用氣缸。根據(jù)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(shí)的總阻力， 其公式為：F1 = % D2P/4-F

32、t式中：F1-活塞桿上的推力/NFt -彈簧反作用力/NP -氣缸工作壓力，選為0.4MPa彈簧反作用按下式計(jì)算：Ft=Gf(l+s)Gf=Gd14/8d13n式中：Gf-彈簧剛度，N/ml-彈簧預(yù)壓縮量/mms-活塞行程/mmd1-彈簧材料直徑/mmD1-彈簧中徑/mmn-彈簧有效圈數(shù)G-彈簧材料剪切模量，一般取 G=79.4x109Pa查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)一彈簧，此處選用材料直徑為3.5m成中徑為30mm,有效圈數(shù)為15的彈簧，可得：Gf=Gd14/8d13n=79.4x109x(3.5x10-3)4/8x(3.5x10-3)3x15=3677.46(N/m)Ft=Gf(l+s)=3677.46

33、 X60X 10=220.6 (N)有公式：F1 = % D2叩 /4-Ft分析得單向作用氣缸的直徑：隊(duì)叵邁14機(jī)械役沙林河q 冗 p1VVVJIXimHADBlAQOaK其中A=P卿代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得，V 4 P_，4xQ504.8+ 220.6)y zrxO.4=74. 1 f mm)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)一氣壓傳動(dòng)圓整，得 D=75mm由d/D的范圍在0.20.3之間，可得活塞桿直徑：d=(0.20.3)D=(1522.5)mm取活塞桿直徑d=18mm校核，按公式4F1/兀d2有:收耳70tBlI其中，(T=120MPa F1 = 1504.8N則:八再說(shuō)屈麗麗=4.0<18因此符合要求3

34、、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。缸體材料選用鋁合金2A12其(rb=120MPa一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算：S =DPp/2(rp式中：5-缸筒壁厚，mmD-氣缸內(nèi)徑，mmPp-實(shí)驗(yàn)壓力，取 Pp=1.5P=0.6MPa0 p -缸體材料許用應(yīng)力，Pa,其計(jì)算公式為：er p= er b/nn安全系數(shù)，一般取n=68叩=120/8=15 MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為：S =DPp/2(rp=75x0,6x106/(2x15x106)=1.5(mm)由于計(jì)算所得的壁厚很薄不易加工，故查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)一氣壓傳動(dòng)選用壁厚為3.5mm

35、,則：缸筒外徑為：D1 = 75 + 3.5' 2=r82t 4手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，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(mǎn)足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。4.1 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(diào)整或改變工件的方位， 因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。 手腕自 由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位 精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置， 同時(shí)考 慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿(mǎn)足工作的要 求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)

36、動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油（氣）缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于360 ,并且要求嚴(yán)格的密封。4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算4.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng) 力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔 處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.下圖為手腕受力的示意圖。*圖4.1 1工件2.手部3.手腕手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封式中：M驅(qū)一驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩（N cnj）;M

37、慣一慣性力矩（N cm ;M偏一參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)所產(chǎn)生的偏重力矩（IN- cnj）;M摩一轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處產(chǎn)生的摩擦阻力矩（N- cnj）;M封一手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻 力矩(N cnj);*.下面以圖2-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算：(1)手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 M悅?cè)羰滞笃饎?dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為3,起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為則M 慣=(J+J1) w/ At(N cm)式中：J-參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(N.cms2);J1-工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量若工件中

38、心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1為：J1=Jc+G1e12/g式中:Jc工件對(duì)過(guò)重心軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(N.cms2)G1工件的重量(N)e1一工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的偏心距(cm)(2)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)所產(chǎn)生的偏重力矩M偏M 偏=G1e1+ G3e3 (N >cm)式中：G3一手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N);e3手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的偏心距(cm)當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)重合時(shí)，G1e1=0(3)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩M封M 封=f(RAd2+RBd1)/2(N cm)式中：di, d2-轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm);f-摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承f=0.01對(duì)于滑動(dòng)軸承f

39、=0.1根據(jù)EMA(F)=0得RBl+G3l3=G2l2+G1l1RB=(G1l1+G2l2-G3l3)/l同理根據(jù)匯MB(F)=0得RA=(G1(l+l1)+G2(l+l2)+G3(l-l3)/l式中:G2轉(zhuǎn)動(dòng)軸的重量(N)l1,l2,l3,l4一如圖4.1所示的長(zhǎng)度尺寸(cm).(4)轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 M封， 與選用的密襯裝置的類(lèi) 型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。4.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖2-2所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng) 片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體

40、從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作 逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之,輸出軸作順時(shí)針 方 向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為：圖2-2回轉(zhuǎn)氣缸簡(jiǎn)圖M=Pb（R2-/2或 P=2M/（b （R2-r2 ）式中：M一回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩（N- cnj）P一回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力（Psj）R一缸體內(nèi)壁半徑（cm）r輸出軸半徑（cm）b一動(dòng)片寬度（cm）上述驅(qū)動(dòng)力矩和壓力的關(guān)系式是對(duì)于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應(yīng)為工作壓力P1與背壓P2之差。4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核1、尺寸設(shè)計(jì)氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 b=100mm,氣缸內(nèi)徑為 D1=110mm,半徑R=55

41、mm,軸徑D2=26mm半徑r=13mm,氣缸運(yùn)行角速度 3=90 o/s加速時(shí)間 t=0.1號(hào)壓強(qiáng)P=0.4MPa則力矩：M=Pb(R2-r2)/2=0.4x106x0.1x(0.0552-0.0132)/2=57,12(N m)2、尺寸校核(1)測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 m1=10Kg,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑r=50mm的圓盤(pán)上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=m1r2/2= 10x0.052/2=0.0125(kg m2)工件的質(zhì)量為10kg,質(zhì)量分布于長(zhǎng)l=100mm的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jc=ml2/12=10x0.12/12=0.0083(kg m2)假如工件中心

42、與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)不重合，對(duì)于長(zhǎng)l=100mm的棒料來(lái)說(shuō)，最大偏心距e1=50mm其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=Jc+m1e12=0.0083+10x0.052=0.0333(kg m2)M 慣=(J+J1) / At=(0.0125+0.0333)x90/0.1=41.22(N m)(2)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)重合，e1=0,夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)e3=50則：M 偏=G1e1+G3e3= 10x9.8x0+10x9.8x0.05 =4.9(N - m)(3)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為M摩，對(duì)于滾動(dòng)軸承f=0.01,對(duì)于滑動(dòng)軸承f=

43、0.1,d1,d2為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，d1=30mm,d2=20mm,RA,R的軸頸處的支承反力，粗略彳計(jì)RA =300N,RB =150N貝 U:M =f(RAd2+RBd1)/2=0.01x(300x0.02+150x0.03)/2 =0.05(N m)(4)回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩封，與選用的密襯裝置的類(lèi)型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計(jì)M封為M磨的3倍，則：M 封=3xM 磨=3x0.05=0.15(N m)所以：M W=M慣+M偏+M磨+M封=41.22+4.9+0.05+0.15=46,32(N m)M 巧區(qū)=46.32<M=57.12設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。5手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)手臂伸縮氣缸采用煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠(chǎng)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，