現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、摘 要工業(yè)機(jī)械手是模仿人的動(dòng)作，按給定的程序、軌跡和要求來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓舉，實(shí)現(xiàn)了一定的搬運(yùn)工件或是操作工具的自動(dòng)機(jī)械裝置，它是按照設(shè)計(jì)給定的程序要求來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓舉，這些主要都是應(yīng)用在了現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)上面。工業(yè)機(jī)器人具有多種多樣的功能，有的是多用的現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手，有的是專用的，是用來搬運(yùn)材料、零件、工具，再編程序的多功能的機(jī)械手，或通過不同程序的調(diào)用來完成各種工作任務(wù)的特殊的裝置，提高生產(chǎn)的自動(dòng)化的水平，和勞動(dòng)的生產(chǎn)率。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手或機(jī)械人可以用來保證產(chǎn)品的質(zhì)量，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其是在高溫、高壓、低溫、潮濕、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣環(huán)境中，代替人進(jìn)行的正常的工作，意

2、義是非常的重大的，因此應(yīng)用得越來越的廣泛。隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和機(jī)械制造工藝水平的飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域逐步從汽車拓展到其它領(lǐng)域。在各種類型的機(jī)器人中，模擬人體手臂而構(gòu)成的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間小、運(yùn)動(dòng)空間大等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的機(jī)器人之一。尤其由柔性關(guān)節(jié)組成的柔性仿生機(jī)器人在服務(wù)機(jī)器人及康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用和需求越來越突出。關(guān)鍵詞： 機(jī)械手 自由度 可編程控制器PLC1.緒論：1.1工業(yè)機(jī)械手的定義機(jī)器人是多們學(xué)科技技術(shù)的綜合的產(chǎn)物，而且隨著人類的進(jìn)步，機(jī)器人也在不斷的去發(fā)展和完善。在科學(xué)界，科學(xué)家一般都會(huì)給每一個(gè)科技術(shù)語一個(gè)統(tǒng)一的明確的定義，但是到今天

3、為止，雖然機(jī)器人早在幾十年前就發(fā)明出來了，但是到現(xiàn)在，人們對(duì)機(jī)器人的定義依然是沒有統(tǒng)一的意見1。工業(yè)機(jī)械手是最初的機(jī)器人的鄒型，是人類最早發(fā)明的最早的現(xiàn)代機(jī)器人。它能模仿人手和臂的某些動(dòng)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(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)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。 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)

4、（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有23個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。1.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為手部、手臂、軀干；1.2.1手部手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔中

5、裝有傳動(dòng)軸，可把運(yùn)用傳給手腕，以轉(zhuǎn)動(dòng)、伸曲手腕、開閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)3種。手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多?？筛鶕?jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形狀和大小的夾頭以適應(yīng)操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般都是指真空吸盤或磁性吸盤。1.2.2手臂手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的3個(gè)自由度都要精確地定位。1.2.3軀干軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。1.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械手所用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有4種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)

6、動(dòng)用得最多。1.3.1液壓驅(qū)動(dòng)式液壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)械手通常由液動(dòng)機(jī)（各種油缸、油馬達(dá)）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。通常它的具有很大的抓舉能力（高達(dá)幾百千克以上），其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、耐震動(dòng)、防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。1.3.2氣壓驅(qū)動(dòng)式其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成，其特點(diǎn)是氣源方便、動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、維修方便。但難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。1.3.3電氣驅(qū)動(dòng)式電力驅(qū)動(dòng)是機(jī)械手使用得最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大（關(guān)節(jié)型的持重已達(dá)

7、400kg），信號(hào)檢測(cè)、傳動(dòng)、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)（AC）為主要的驅(qū)動(dòng)方式。由于電機(jī)速度高，通常須采用減速機(jī)構(gòu)（如諧波傳動(dòng)、RV擺線針輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)和多桿機(jī)構(gòu)等）。有些機(jī)械手已開始采用無減速機(jī)構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)（DD）這既可使機(jī)構(gòu)簡化，又可提高控制精度。1.3.4機(jī)械驅(qū)動(dòng)式機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。其特點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高，成本低，但不易于調(diào)整。其他還有采用混合驅(qū)動(dòng)，即液-氣或電-液混合驅(qū)動(dòng)。1.4控制系統(tǒng)機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度

8、、加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作程序的存儲(chǔ)方式有分離存儲(chǔ)和集中存儲(chǔ)兩種。分離存儲(chǔ)是將各種控制因素的信息分別存儲(chǔ)于兩種以上的存儲(chǔ)裝置中，如順序信息存儲(chǔ)于插銷板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi)；位置信息存儲(chǔ)于時(shí)間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等；集中存儲(chǔ)是將各種控制因素的信息全部存儲(chǔ)于一種存儲(chǔ)裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時(shí)間、速度等必須同時(shí)控制的場(chǎng)合，即連續(xù)控制的情況下使用。其中插銷板使用于需要迅速改變程序的場(chǎng)合。換一種程序只需抽換一種插銷板限可，而同一插件又可

9、以反復(fù)使用；穿孔帶容納的程序長度可不受限制，但如果發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)就要全部更換；穿孔卡的信息容量有限，但便于更換、保存，可重復(fù)使用；磁蕊和磁鼓僅適用于存儲(chǔ)容量較大的場(chǎng)合。至于選擇哪一種控制元件，則根據(jù)動(dòng)作的復(fù)雜程序和精確程序來確定。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手，采用求教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以插銷板用的最多，其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪，每一個(gè)凸輪分配給一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)鼓運(yùn)動(dòng)一周便完成一個(gè)循環(huán)。1.5分類機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控

10、制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。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(tái)機(jī)械手。多關(guān)節(jié)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是:動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作.隨著生產(chǎn)的需要，對(duì)多關(guān)節(jié)手臂的靈活性，定位精度及作業(yè)空間等提出越來越高的要求。多關(guān)

11、節(jié)手臂也突破了傳統(tǒng)的概念，其關(guān)節(jié)數(shù)量可以從三個(gè)到十幾個(gè)甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根據(jù)不同的場(chǎng)合有所變化，多關(guān)節(jié)手臂的優(yōu)良性能是單關(guān)節(jié)機(jī)械手所不能比擬的。2.歷史與前景21歷史它是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又

12、開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。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(tái)機(jī)械手，它的結(jié)構(gòu)是；機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入高度自動(dòng)化和智能化時(shí)期，機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動(dòng)條件,解決勞動(dòng)力不足等問題。機(jī)械手首先是從美國開始研制的。 現(xiàn)代機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)是可以減省工人、提高效率、降低成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)、安全性好、提升工廠形象。多關(guān)節(jié)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是:動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作.隨著生產(chǎn)的需要

13、，對(duì)多關(guān)節(jié)手臂的靈活性，定位精度及作業(yè)空間等提出越來越高的要求。多關(guān)節(jié)手臂也突破了傳統(tǒng)的概念，其關(guān)節(jié)數(shù)量可以從三個(gè)到十幾個(gè)甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根據(jù)不同的場(chǎng)合有所變化，多關(guān)節(jié)手臂的優(yōu)良性能是單關(guān)節(jié)機(jī)械手所不能比擬的。22應(yīng)用前景隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā)展，機(jī)械手的聯(lián)網(wǎng)操作問題也是以后發(fā)展的方向。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(dòng)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(gè)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。2.

14、2.1市場(chǎng)需求機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)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(dòng)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)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，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。我國塑料機(jī)械已成為機(jī)械制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一，年需求量在不斷的加大。我國塑料機(jī)械產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展主要有以下兩個(gè)大因素：一是對(duì)高技術(shù)含量裝備的需求所帶來的設(shè)備更新

15、及陳舊設(shè)備的淘汰;二是海內(nèi)塑料加工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)塑料機(jī)械的需求旺盛。2.2.2、應(yīng)用領(lǐng)域2.2.2.1、業(yè)制造領(lǐng)域主要讓機(jī)器人在機(jī)械制造業(yè)中代替人完成大批量、高質(zhì)量要求的工作，如汽車制造、艦船制造及某些家電產(chǎn)品（電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)）的制造等?；さ刃袠I(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運(yùn)、包裝等工作，也有部分是由機(jī)器人完成的。2.2.2.1、軍事領(lǐng)域主要讓機(jī)器人執(zhí)行一些自動(dòng)的偵察與控制任務(wù)，尤其是一些相對(duì)較為危險(xiǎn)的任務(wù)，比如，無人偵察機(jī)、拆除炸彈的機(jī)器人及掃雷機(jī)器人等。機(jī)器人還可以代替士兵去完成那些不太復(fù)雜的工程及后勤任務(wù)，從而使戰(zhàn)士從繁重的工作中解脫出來，

16、去從事更加重要的工作。2.2.2.2娛樂領(lǐng)域機(jī)器人在娛樂領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，比如，機(jī)器人足球大賽、機(jī)器人彈鋼琴和機(jī)器人寵物等。2.2.2.3醫(yī)療領(lǐng)域機(jī)器人主要用來輔助護(hù)士進(jìn)行一些日常的工作，比如，幫助醫(yī)生運(yùn)送用藥品及自動(dòng)監(jiān)測(cè)病房內(nèi)的空氣質(zhì)量，等等。宜用機(jī)器人還可以協(xié)助醫(yī)生完成一些難度較高的手術(shù)，例如，眼部手術(shù)、腦部手術(shù)等。美國還發(fā)明了一種可以進(jìn)入人體血管的微型機(jī)器人，幫助醫(yī)生在病人的血管內(nèi)滅殺病毒。2.3、意義近20年來，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔

17、性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動(dòng)技術(shù)從開關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動(dòng)脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn)，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究1。從各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看，近30多年來，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。20世紀(jì)70年代，液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為9:1，而30多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本國家，該比例已達(dá)到6:4，甚至接近5:5。我國的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從20世紀(jì)80年代中期開始,氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá)20以上，高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增

18、率。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)多由電機(jī)或液(氣)壓缸等來驅(qū)動(dòng)。以這種方式來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，位置精度可以達(dá)到很高，但其剛度往往很大，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的柔順運(yùn)動(dòng)較困難。而柔順性差的機(jī)器人在和人接觸的場(chǎng)合使用時(shí)，容易造成人身和環(huán)境的傷害。因此，在許多服務(wù)機(jī)器人或康復(fù)機(jī)器人研究中，確保機(jī)器人的關(guān)節(jié)具有一定的柔順性提高到了一個(gè)很重要的地位。人類關(guān)節(jié)具有目前機(jī)器人所不具備的優(yōu)良特性，既可以實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的位置控制又具有很好的柔順性。這種特性主要是由關(guān)節(jié)所采用的對(duì)抗性肌肉驅(qū)動(dòng)方式所決定的。目前模仿生物關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方

19、式在仿生機(jī)器人中得到越來越多的應(yīng)用。在這種應(yīng)用中為得到類似生物關(guān)節(jié)的良好特性，一般都采用具有類似生物肌肉特性的人工肌肉。氣動(dòng)肌肉是人工肌肉中出現(xiàn)較早、應(yīng)用較廣泛的一種驅(qū)動(dòng)器，具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單及控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在類人機(jī)器人、爬行機(jī)器人及康復(fù)輔助器械中得到了應(yīng)用。其基本應(yīng)用形式大都采用一對(duì)氣動(dòng)肌肉組成關(guān)節(jié)的方式。氣動(dòng)肌肉最簡單和最常見的使用方式是利用一對(duì)氣動(dòng)肌肉以生物體中拮抗肌的形式驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，這種方式克服了氣動(dòng)肌肉變化長度較小的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。而且由于其類似生物體驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的方式，因此具有剛度和位置能獨(dú)立控制等仿生關(guān)節(jié)具有的優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)機(jī)械手是集機(jī)械、電氣、氣動(dòng)和控制于一體的典型機(jī)電一

20、體化產(chǎn)品。近年來，機(jī)械手在自動(dòng)化領(lǐng)域中，特別是在有毒、放射、易燃、易爆等惡劣環(huán)境內(nèi)，與電動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手相比，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。3、機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 本機(jī)械手模型的機(jī)能和特性物體在三維空間內(nèi)的禁止位置是由三個(gè)坐標(biāo)和圍繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定的，因此，抓握物體的位置和方向能從理論上求得。根據(jù)資料的介紹，如果采用機(jī)械手，其機(jī)能要接近于人的上肢，則需要具有27個(gè)自由度，而每一個(gè)自由度至少要有一根“人造肌肉”來控制。我們不要那么多自由度，因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)際情況而言，控制的自由度越多，其各個(gè)部分也就越復(fù)雜，相應(yīng)的制造成本也就增加。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手，它共有自由度5個(gè)。即：手臂前后

21、伸縮、手臂上下伸縮、手臂左右旋轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)、手指的抓握。 3.1.1、手部: 即與物件接觸的部件。由于與對(duì)象接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手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)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與對(duì)象直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(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)取決于被抓取對(duì)象的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和對(duì)象的重量及尺寸。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)

22、撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放對(duì)象的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:滑槽杠桿式、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。3.1.2、手腕:是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì)) 3.1.3、手臂手臂是支承被抓對(duì)象、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取對(duì)象，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)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 3.1.4、立柱立柱是支承手臂的

23、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I因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。3.1.5、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3.2 夾緊機(jī)構(gòu)。機(jī)械手手爪是用來抓取工件的部件。手爪抓取工件時(shí)要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確可靠的要求。設(shè)計(jì)制造夾緊機(jī)構(gòu)機(jī)械手，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式，運(yùn)行速度和加速度的情況來考慮。其夾緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力來計(jì)算。則同時(shí)考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，還需備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞

24、被夾的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內(nèi)并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動(dòng)定心結(jié)構(gòu)。為防止突然斷電造成被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、動(dòng)作靈活、和工作可靠。夾緊結(jié)構(gòu)形式多樣、有機(jī)械式、吸盤式和電磁式等。有的夾緊機(jī)構(gòu)還帶有傳感裝置和攜帶工具進(jìn)行操作的裝置。本設(shè)計(jì)采用機(jī)械式夾緊裝置。機(jī)械式夾緊是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運(yùn)動(dòng)的方式和模仿人手的動(dòng)作，可分為回轉(zhuǎn)型、直進(jìn)型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式、外撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動(dòng)力來源可分為彈簧式、氣動(dòng)式、液壓式等。本設(shè)計(jì)采用二指式手爪。由可編程控制器控制電磁閥動(dòng)作，從而控制

25、手爪的開閉。手爪的回轉(zhuǎn)則用一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)完成，同時(shí)通過兩個(gè)限位開關(guān)完成回轉(zhuǎn)角度的限位，一般可設(shè)置在180度。3.3 軀干軀干有底盤和手臂兩部分組成。底盤是支撐機(jī)械手的全部重量并能帶動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。底盤采用一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，底盤旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼盤旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手每旋轉(zhuǎn)三度發(fā)出一個(gè)脈沖，由傳感器檢測(cè)并送入可編程控制器，從而計(jì)算底盤旋轉(zhuǎn)的角度。同時(shí)，在底盤上裝有限位開關(guān)，最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)180度。手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐手爪、工件使它們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)手臂由橫軸和豎軸組成、可完成伸縮、升降的運(yùn)動(dòng)。手臂采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母來實(shí)現(xiàn)伸縮和升降運(yùn)動(dòng)。由可編程控制器發(fā)出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

26、，同時(shí)在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位。采用絲杠、螺母結(jié)構(gòu)傳動(dòng)的特點(diǎn)是易于自鎖、位置精度較高，傳動(dòng)效率較高。3.4 旋轉(zhuǎn)編碼盤機(jī)械手底盤和軀干每旋轉(zhuǎn)3度發(fā)出一個(gè)脈沖，并把信號(hào)送回可編程控制器來得到轉(zhuǎn)過的準(zhǔn)確的角度。編碼盤的機(jī)構(gòu)如圖3-1。圖3-1 旋轉(zhuǎn)編碼盤可以通過改變程序中計(jì)數(shù)器C0的初值來確定所要轉(zhuǎn)過的角度，這里可以通過用計(jì)算機(jī)讀出指令表，然后修改得到不同的控制角度。綜上所述，根據(jù)機(jī)械手的各部分要求條件可確定本設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)所選器材列表如表3-1。表3-1所選器材列表名稱型號(hào)或規(guī)格數(shù)量名稱型號(hào)或規(guī)格數(shù)量PLCFX1N-60MR1限位開關(guān)LX19-1118電磁閥VF31301轉(zhuǎn)換開關(guān)LW6

27、-51按鈕LA10-1H13熔斷器RC1A-30/152連接導(dǎo)線若干對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(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: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;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，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

28、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。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。3.5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)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度。圖2-1所示為機(jī)械手的手指、手腕、手臂的運(yùn)動(dòng)示意圖。圖 2-1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.2-1 Ske

29、tch Map of the Motion of Manipulator3.6 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。3.7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。3.8 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)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向

30、移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。3.9 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。3.10 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。3.11機(jī)械手的主要參數(shù)主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機(jī)械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為10公斤，高速動(dòng)作時(shí)抓重減半。使用吸盤式手部時(shí)可吸附5公斤的重物?；緟?shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。

31、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1.2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為1200/s，平均移動(dòng)速度為lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為900/s。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說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。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來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

32、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1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(應(yīng)大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。4.參數(shù)設(shè)計(jì)4.1手部的功能、分類手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來直接把握工件的部件，由于被握持工件的形狀，尺寸大小，重量，材料性能，表面狀況等的不同，所以工業(yè)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計(jì)的。歸納起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。夾持類常見的主要有夾鉗式，

33、此外還有鉤托式和彈簧式。夾持類手部按其手指夾持工件時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式，可分為手指回轉(zhuǎn)型和手指平移型兩種：吸附類可分有氣吸式和磁吸式。 4.2夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力 ，手指握力（ 夾緊力）大小要適當(dāng)，力量過大則動(dòng)力消耗多，結(jié)構(gòu)大，不經(jīng)濟(jì)，甚至回?fù)p壞工件；還考慮轉(zhuǎn)送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性和振動(dòng)，以保證工件夾鉗安全可靠。手指應(yīng)具有一定的開閉范圍 ，手指應(yīng)具有足夠的開閉角度或開閉距離，以便抓取或退出工件。 應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度 ，應(yīng)保證每個(gè)被夾持的工件在手指內(nèi)部有準(zhǔn)確的相對(duì)位置。 要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高 ，在保證本身剛度，強(qiáng)度的前提下，盡量可能使結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，重量

34、輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。應(yīng)考慮通用性和特殊要求 ，一般情況下，手部多是專用的，為了擴(kuò)大它的使用范圍，提高它的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調(diào)整的辦法。4.3夾鉗式手部的計(jì)算與分析4.3.1手部選擇及原理敘述采用鉗爪式手部機(jī)構(gòu)，手機(jī)形狀為平面指，傳力機(jī)構(gòu)形式為滑槽杠桿式。 工作原理： 圖4-1 夾鉗式手抓形狀圖a鉗爪回轉(zhuǎn)支點(diǎn)O1或O2到對(duì)稱中心線的距離；b鉗爪回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到“V”型鉗口中心線的距離；a滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)（O1 與O2）間連接線的夾角。如圖4.1所示，拉桿2端部固定安裝著圓柱銷3，當(dāng)拉桿2向上拉時(shí)，圓柱銷就在兩個(gè)鉗爪4的滑槽中移動(dòng)，帶動(dòng)鉗爪4繞O1

35、與O2兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)回轉(zhuǎn)夾緊工件，拉桿2向下推時(shí)，使鉗爪4松開工件，設(shè)P為作用在拉桿2上的驅(qū)動(dòng)力；N為鉗爪的夾緊力，鉗爪的尺寸關(guān)系如圖4-1所示，下面分析圓柱銷3和鉗爪4的受力情況。在拉桿2作用下，圓柱銷3向上的拉力為P，并作用于圓柱銷的中心O點(diǎn)，而兩鉗爪的滑槽對(duì)圓柱銷的作用力為P1,P2（且P1=P2），其力的方向垂直于滑槽軸線OO1或OO2,指向O點(diǎn)其延長線分別交于B,A兩點(diǎn)，如圖2-1所示，三角形O1OB和三角形O2OA均為直角三角形，故AOC=BOC=a根據(jù)圓柱銷的平衡條件F=0可知，P=2P1cosa，則P1=P/（2cosa） （2-1）如2-1所示，圓柱銷對(duì)鉗爪的反作用力為P1，其大

36、小與P1相等，即P1=P1,且方向相反，工件對(duì)鉗爪的反作用力大小等于夾緊力N，按照鉗爪的平衡關(guān)系M01=0得P1h=Nb N=h P1/b=h P1/b因?yàn)閔=a/( cosa) 所以N=a/2b*(1/ cosa) 2 *P （2-2）由（2-2）式可知，在驅(qū)動(dòng)力P一定的情況下，a增大，則夾緊力N也隨之增大，但a過大導(dǎo)致拉桿（有時(shí)即為活塞桿）的行程過大，以及鉗爪滑槽部分尺寸長度增大使手部結(jié)構(gòu)加大，所以一般取a=3040為宜。4.3.2夾鉗式手爪設(shè)計(jì)（手指夾緊力與驅(qū)動(dòng)力計(jì)算）由資料可知手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算：NK1*K2*K3*G (2-3)其中：K1安全系數(shù)，常取1.2-2；K2工作

37、情況系數(shù)，主要考慮慣性力影響，可按K2=1.1-2.5或K2=1+a/g估算（a為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程中的加速度m/s2,g為重力加速度）K3方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件的形狀及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，設(shè)計(jì)中選取K3=4；G被抓取工件的重力。G=3*9.8=29.4N假設(shè)K1=1.5 K2=1.5 K3=4夾緊力N：N1.51.5429.4=264.6N而由前面所得N=a/2b*(1/ cosa) 2 *P則驅(qū)動(dòng)力P：P(2b*N)/a*(1/ cosa) 2 (2-4)2.3.2.2手指結(jié)構(gòu)尺寸的確定由圖2-1所示，手部結(jié)構(gòu)相關(guān)手指尺寸設(shè)定如下：a=30 a=40 b=60驅(qū)動(dòng)力P計(jì)算=2b

38、*a(cos30)2*264.6=595.35考慮手爪的機(jī)械效率 （2-5）式中手部機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率（0.850.9）取=0.85P實(shí)際=700.412N所夾工件形狀及尺寸如下：（mm）,工件質(zhì)量3，密度7.85g/cm3的碳鋼 設(shè)h=10cm 則r=3.5圖4-2工件形狀4.3.2手指夾緊油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算手指的夾緊采用雙作用單桿活塞油缸，共計(jì)算簡圖如下：4.3.2.1計(jì)算作用在活塞上的總機(jī)械載荷P=PI+P封1+P封2+P背+P慣 （2-6）PI為工作阻力，即手部傳力機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力，用以保持機(jī)械手的手指夾緊工件有足夠的握力，由前面計(jì)算可知：PI=700.412NP封1，P封2為活塞與缸壁處，活塞桿

39、與缸蓋處的摩擦力，密封圈用O型密封圈，當(dāng)油缸工作壓力不大于100公斤/厘米2時(shí)，活塞桿直徑取為油缸內(nèi)徑的一半，活塞和活塞桿處都采用O型密封圈密封時(shí)，油缸密封處總摩擦力為：P封1+P封2=0.03P （2-7）式中：P作用在活塞桿上的推力（即驅(qū)動(dòng)力，P=*D*D*P1/4 P1為進(jìn)油壓力，D為油缸內(nèi)徑），P背為背壓阻力，油缸回油腔低壓油所造成的阻力一般較小，當(dāng)回油腔直接與郵箱相連時(shí)，P背=0P慣動(dòng)負(fù)載，由上可得P=PI+P封1+P封2+P背+P慣=722.074N4.3.2.2確定油缸尺寸油缸內(nèi)徑（即活塞的直徑）計(jì)算：油缸工作時(shí)，進(jìn)油腔壓為油液作用于活塞上的合成液壓力即驅(qū)動(dòng)力應(yīng)與活塞桿上所受總機(jī)

40、械載荷平衡，所以油缸（即活塞）有效面積為：F=P/P1 F=*D*D /4 郵箱內(nèi)徑（即活塞直徑）為 (2-8) 式中P1油缸工作壓力，取P1=10kg/cm2,則=30.673 取油缸的內(nèi)徑（即活塞直徑）D=32mm,由當(dāng)前知當(dāng)油缸工作壓力小于100kg/cm2,活塞桿直徑可以直接取油缸的一半，活塞桿直徑d=16mm。油缸壁厚計(jì)算：在D確定后，由強(qiáng)度計(jì)算所需最小的油缸壁厚，再根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)來確定適當(dāng)數(shù)值：由材料力學(xué)的薄壁筒公式，油缸壁厚可用下式來計(jì)算：=P記*D/2=mm油缸端蓋螺釘計(jì)算螺釘除應(yīng)與應(yīng)具有的強(qiáng)度之外，還要保證連接的緊密性，同時(shí)在缸蓋所受的合成液壓力的作用下連接已迪昂要有足夠的剩

41、余鎖緊力，以免形成間隙而漏油，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面（螺紋根部橫截面）上承受的拉力Q0是工作載荷，Q與剩余鎖緊力QS之和，即Q0=Q+ QS （2-9）Q=(*D*D /4)/Z*P1P 為缸蓋所受的合成液壓力（公斤），Z為螺釘數(shù)目：Z=*D0/t1, D0為螺釘中心所在圓的直徑（毫米），t1為螺釘間距，當(dāng)工作壓力在515公斤/厘米2時(shí)，t150mm;P1為油缸內(nèi)油液工作壓力（公斤/厘米2）；QS剩余鎖緊力，對(duì)于要求緊密性的聯(lián)接，取QS=K*Q K=1.51.8 因此螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為合=1.3 Q0/（*d1*d1/4）=5.2 Q0/（*d1*d1）L(公斤/厘米2) 或 d1=(5.2* Q0

42、/L)1/2(厘米) （2-10）式中：L許用拉應(yīng)力 L=S/n(公斤/厘米2) S為螺釘材料的流動(dòng)極限，n為安全系數(shù)，n =1.22.5,取n=1.5，d1為螺紋內(nèi)徑表4-3螺釘材料屈服極限鋼號(hào) 10A2A3354540CrSMPa2100220024003200360065009000由上選夾緊缸螺釘材料為35號(hào)鋼，則：L=S/n=3200/1.5=2133.33(公斤/厘米2)Z=*D0/t1=3.1460/60=3.14 所以Z取4。Q0=Q+ QS=Q+KQ, Q0=(*D*D /4)/Z*P1+1.5(*D*D /4)/Z*P1=2.53.143.22*10/(44)=50.24(

43、公斤)d1(5.2* Q0/L)1/2=0.1975（厘米）則取夾緊缸蓋螺釘直徑為2mm數(shù)目為4個(gè)。手指夾緊缸流量的計(jì)算當(dāng)壓力油壓入無桿腔使活塞以速度V1而運(yùn)動(dòng)時(shí)所需輸入油缸流量為Q1，Q1=/40*D2*V1 (2-11)D油缸內(nèi)徑（即活塞直徑）厘米Q1輸入無桿腔流量（升/分）V1活塞移動(dòng)速度（米/分）因夾緊缸行程由前分析可知為20mm，故夾緊缸活塞夾緊速度V即活塞移動(dòng)速度可取為V1=0.6（米/分）（10mm/s）Q1=/403.220.6=0.482（升/分）當(dāng)壓力油壓入有桿腔使活塞以速度V2而運(yùn)動(dòng)時(shí)所需輸入油缸流量為Q2，Q2= /40*(D2-d2)*V2 (2-12)D油缸內(nèi)徑 d

44、活塞直徑,由設(shè)計(jì)可知當(dāng)壓力油進(jìn)入夾緊缸有桿腔時(shí)為手指松開，故其速度可取大些，由行程20mm可取V2=0.9（米/分）經(jīng)考慮本次設(shè)計(jì)省略腕部設(shè)計(jì)，便于設(shè)計(jì)簡單，使成本降低，達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。5.電氣設(shè)計(jì)5.1 電氣控制系統(tǒng)簡介工業(yè)機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)械手的動(dòng)作，并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機(jī)械手的工作順序，應(yīng)達(dá)到的位置，如手臂上下移動(dòng)，伸縮，回轉(zhuǎn)及擺動(dòng)，手腕上下，左右擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)，手指的開閉動(dòng)作，以及各個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運(yùn)動(dòng)部件沿各坐標(biāo)軸的動(dòng)作按照預(yù)先整定好的程序來實(shí)現(xiàn)的。一般機(jī)械設(shè)備的控制系統(tǒng)，多著眼于自身運(yùn)動(dòng)的控制，而機(jī)械手的

45、控制系統(tǒng)更注意本部與操作對(duì)象的關(guān)系。因此，對(duì)于機(jī)械手的控制系統(tǒng)來說，無論多么高級(jí)的系統(tǒng)，如果不能按置，都是毫無意義的?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩種閉環(huán)控制系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)，是一種不斷把給定值和各控制量進(jìn)行比較，使其偏差為零的控制系統(tǒng)。而開環(huán)控制系統(tǒng)，即使有局部的小的閉環(huán)存在，但主要控制量是不用反饋控制的。對(duì)比兩者，通常閉環(huán)系統(tǒng)的抵抗外部干擾和系統(tǒng)中主要單元的特性變化和能力強(qiáng)，而開環(huán)系統(tǒng)較弱。機(jī)械手的閉環(huán)系統(tǒng)控制受各種因素的影響，如外部負(fù)荷力，活動(dòng)部分的內(nèi)部摩擦，伺服閥的漂移，滯后，比較儀，伺服放大器的漂移，隨動(dòng)系統(tǒng)的粘滯性摩擦，反向電動(dòng)勢(shì)的影響等導(dǎo)致閉環(huán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生靜態(tài)誤差。因而閉環(huán)控制的精度和定位時(shí)間等控制性能也有一定限度，要