1、輕型平動搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計及運(yùn)動仿真三自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計一、 引言隨著社會生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機(jī)械手技術(shù)快速發(fā)展，其中氣動機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動機(jī)械手有氣控機(jī)械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機(jī)械部分組成。主要作用是完成機(jī)械部件的搬運(yùn)工作，能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中，使零件搬運(yùn)、貨物運(yùn)輸更快捷、便利。 在自動化裝配電鍍生產(chǎn)線上

2、,機(jī)械手能將單個或多個工件快速的從一個位置準(zhǔn)確地抓取移動到目標(biāo)位置。機(jī)械手的應(yīng)用大大提高了生產(chǎn)效率,也更容易實現(xiàn)自動化控制,同時其還能使操作人員免受電鍍環(huán)境對于人身健康的影響。目前應(yīng)用較多的機(jī)械手有二自由度機(jī)械手和三自由度機(jī)械手。 1.1機(jī)械手概述機(jī)械手也被稱為自動手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。隨著工業(yè)機(jī)械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術(shù)自身的一些優(yōu)點，氣動機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。 三自由

3、度機(jī)械手的基本形式三自由度機(jī)械手又稱3D機(jī)械人,能夠?qū)崿F(xiàn)三個自由度方向（水平、垂直和旋轉(zhuǎn)）的抓取或放置物品,具有操作范圍大,靈活性好,應(yīng)用廣泛等特點。機(jī)械手按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式和機(jī)械式機(jī)械手。本文的三自由度機(jī)械手屬于混合式機(jī)械手,它綜合了電動式和氣動式機(jī)械手的優(yōu)點,達(dá)到了簡便操作和精確定位的目的。它有這兩種基本的形式搖臂式自動取料機(jī)械手和橫行式自動取料機(jī)械手（1）搖臂式自動取料機(jī)械手典型的搖臂式自動取料機(jī)械手,其運(yùn)動由X,Y兩個相互垂直方向的直線運(yùn)動與一個擺動運(yùn)動組合而成搖臂式自動取料機(jī)械手一般為小型機(jī)械手。這種機(jī)械手的運(yùn)動過程如下:(1)動作1當(dāng)執(zhí)行下降取料命令后,機(jī)械手抓

4、取裝置沿Z軸方向垂直下降,如圖1中軌跡1所示,抓取動作可以通過吸盤、氣動手指和杠桿機(jī)構(gòu)等完成;(2)動作2抓取鍍件的機(jī)械手沿Z軸反方向運(yùn)行到原點,如圖中軌跡2所示;(3)動作3機(jī)械手繞Z軸旋轉(zhuǎn)一定角度為下一次運(yùn)動做準(zhǔn)備,如圖中軌跡3所示;(4)動作4機(jī)械手沿X軸方向?qū)㈠兗\(yùn)行到釋放點上方,再通過Z軸的下降運(yùn)動將鍍件釋放到指定地點;(5)動作5機(jī)械手沿上述軌跡反方向運(yùn)動到原點,開始下一個循環(huán)。根據(jù)控制要求,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和X軸方向的直線運(yùn)動可以同時進(jìn)行。 （2）橫行式自動取料機(jī)械手典型的橫行式自動取料機(jī)械手,其運(yùn)動由X,Y,Z3個相互垂直方向的直線運(yùn)動組合而成,也稱為三自由度平移機(jī)械手。(1)運(yùn)動形式

5、橫行式自動取料機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)與搖臂式機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)是類似的,所不同的是橫行式自動取料機(jī)械手的運(yùn)動全部為直線運(yùn)動,在結(jié)構(gòu)上更具有代表性,如圖3所示。橫行式自動取料機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分為X軸、Y軸、Z軸3部分,主要在空間運(yùn)動距離較大的場合使用;而搖臂式機(jī)械手則將其中一個直線運(yùn)動用更簡單的擺動運(yùn)動所代替。(2)運(yùn)動過程分析這種機(jī)械手在結(jié)構(gòu)上主要是將X軸、Y軸、軸(主手、副手)、底座等4部分采用模塊化的方式通過直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)搭接而成,其中X軸、Y軸、Z軸在相互垂直的方向上進(jìn)行搭接連接。直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)不僅是運(yùn)動導(dǎo)向部件,各部分結(jié)構(gòu)的連接也是通過直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)的。這種機(jī)械手的運(yùn)動過程如下:動作1當(dāng)執(zhí)行下降取

6、料命令后,機(jī)械手抓取裝置沿Z軸方向垂直下降,抓取裝置包括吸盤、氣動手指和杠桿機(jī)構(gòu)等;動作2機(jī)械手抓取鍍件后沿Z軸反向回到原點,;動作3機(jī)械手抓取鍍件沿Y軸方向移動,;動作4根據(jù)運(yùn)動需要,機(jī)械手抓取鍍件沿X軸方向移動,實現(xiàn)跨距轉(zhuǎn)移,;動作5當(dāng)鍍件運(yùn)行到釋放點上方時,機(jī)械手執(zhí)行下降命令沿軌跡5下降至釋放點釋放鍍件,完成一次鍍件的轉(zhuǎn)移;動作6、動作7、動作8這幾個動作沿上述運(yùn)動軌跡反向運(yùn)行,回到原點位置,進(jìn)人待料狀態(tài),等待下一次取料循環(huán)。這種橫向移動,根據(jù)控制和運(yùn)行的要求,X軸、Y軸、Z軸的運(yùn)動可以同時進(jìn)行。機(jī)械手實例1.2機(jī)械手的組成和分類機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組

7、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)動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運(yùn)動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，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個自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計的關(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個自由度。機(jī)械手的分類機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、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)動軌

8、跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動機(jī)床或自動線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)

9、驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機(jī)械手，國外稱為機(jī)器人1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r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。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，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。 1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)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)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)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,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)

10、械手。1962年美國機(jī)械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的摘要關(guān)鍵詞：機(jī)械手；運(yùn)動仿真；液壓傳動；液壓缸；目錄（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，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196

11、9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，1979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。1976年個大學(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

12、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)械人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(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)械人）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.

13、3工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用  機(jī)械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實現(xiàn)這些工序

14、的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對象。下面具體說明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動線一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。國內(nèi)這類生產(chǎn)線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的4號和5號電動機(jī)加工自動線（軸類），上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動線（盤類）等。加工箱體類零件的組合機(jī)床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械多。如沈陽低壓開關(guān)廠200t環(huán)類沖床磁力起重

15、器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠400t沖床的下料機(jī)械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)輕局技術(shù)研究所制作的120t和40t多工位沖床機(jī)械手等。 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面模鍛方面，國內(nèi)大批量生產(chǎn)的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩只機(jī)械手成一定角度布置早爐前，實現(xiàn)進(jìn)出料自動化。上海柴油機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)廠、洛陽拖拉機(jī)廠等已有較成熟的經(jīng)驗。1.4 機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用

16、負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ?/p>

17、般小于 2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。（3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運(yùn)動。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。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，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運(yùn)動較為多，受力復(fù)雜

18、。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。（4） 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國的正處于仿真階段。 驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。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。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 控制系統(tǒng)分類在機(jī)械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。1.5工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(1)工業(yè)機(jī)器人性

19、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)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。(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)、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(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、力覺等傳

20、感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(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)境中的感覺來操縱機(jī)器人。(6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(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)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(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)用的最著名實例。(7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為

21、國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“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)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(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，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(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)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比

22、有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、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，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(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

23、機(jī)種:在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，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)器人化機(jī)械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之。1.6 本文主要研究內(nèi)容本文研究了國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動進(jìn)行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計工作（包括傳動部分、執(zhí)

24、行部分、驅(qū)動部分）的設(shè)計工作。進(jìn)而運(yùn)用ADAMS軟件對機(jī)械手的手部及升降機(jī)構(gòu)作了運(yùn)動仿真分析。掌握了機(jī)械仿真的一般過程。1.7 本章小結(jié)本章簡要的介紹了機(jī)械手的基本概念。在機(jī)械手的組成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及控制部分三個方面說明。比較細(xì)致的介紹了機(jī)械手的發(fā)展趨勢，簡要的敘述了本文研究的內(nèi)容。2 機(jī)械手的總體設(shè)計方案本課題是輕型平動搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計及運(yùn)動仿真。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ADAMS軟件進(jìn)行簡單的運(yùn)動仿真。在本章中對機(jī)械手的座標(biāo)形式、自由度、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)，然后通過ADAMS軟件對機(jī)械手的手部

25、進(jìn)行簡單的運(yùn)動仿真。2.1 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)。圖1.1 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。圖1.1 機(jī)械手基本形式示意2.2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)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機(jī)械手具有5個自由度既：手抓張合；手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回

26、轉(zhuǎn)；手臂升降5個主要運(yùn)動。本設(shè)計機(jī)械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：（1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實現(xiàn)手抓的張合。（2） 腕部，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)（3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動1.2m。（4）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)。2.3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。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點。因此，機(jī)械手的驅(qū)動方案選擇液壓驅(qū)動。2.

27、4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途：搬運(yùn):用于車間搬運(yùn)二、設(shè)計技術(shù)參數(shù):1、抓重:60Kg (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:1600mm5、手臂最大中心高:1248mm6、手臂運(yùn)動參數(shù)伸縮行程：1200mm伸縮速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s回轉(zhuǎn)范圍:7、手腕運(yùn)動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍: 2.5 本章小結(jié)本章對機(jī)械手的整體部分進(jìn)行了總體設(shè)計，選擇了機(jī)械手的基本形式以及自由度，確定了本設(shè)計采用液壓驅(qū)動，給出了設(shè)計中機(jī)械手的一些技術(shù)參數(shù)。下面的設(shè)計計算將以次進(jìn)行。3 機(jī)械手手部的設(shè)計計算3.1 手部設(shè)計基本要求（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力

28、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。（4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。3.2 典型的手部結(jié)構(gòu)（1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。（2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復(fù)運(yùn)動。（3）平面平移型。3.3機(jī)械手手抓的設(shè)計計算3.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置本設(shè)計是設(shè)計平動搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手

29、抓張合角=，夾取重量為60Kg。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

30、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。 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3.1（a）為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。(a) (b)圖3.1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析1手指 2銷軸 3杠桿在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，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指向點，交和的延長線于A及B。由=0 得 =0 得 由=0 得h F= （3.1）式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（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

31、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=。3.3.3 夾緊力及驅(qū)動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進(jìn)行分析計算。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算： （3.2）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響?？山瓢聪率焦榔渲衋，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（

32、N）。表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500050000以上計算：設(shè)a=100mm,b=50mm,<<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 驅(qū)動液壓缸的尺寸。(1) 設(shè) =1.02 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =1.5 （2）根據(jù)驅(qū)動力公式得： =1378N （3）取 （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, 根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm則活塞桿內(nèi)徑為:D=630.5=31.5mm，選取d

33、=32mm 手抓夾持范圍計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，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開時，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計算如下： 機(jī)械手的夾持半徑從（a） (b)圖3.2 手抓張開示意圖3.4 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計算機(jī)械手的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確,抓取精度高,重復(fù)定位精度和運(yùn)動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動部件來決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了

34、適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差。圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖該設(shè)計以棒料來分析機(jī)械手的夾持誤差精度。機(jī)械手的夾持范圍為80mm180mm。一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：工件的平均半徑：手指長,取V型夾角偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：計算 當(dāng)S時帶入有：夾持誤差滿足設(shè)計要求。3.5彈簧的設(shè)計計算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計算如下。圖3.4 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 （3.3）(3).根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=42mm，估算彈簧絲直徑 (4).試算彈簧絲直徑 （3.4）(5).

35、 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （3.5）選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)圈(6).最后確定，(7).對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 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)計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?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)行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗算）?，F(xiàn)在由于本設(shè)計是在恒定載荷情況下，所

36、以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗算。計算公式： （3.6）選取1.31.7（力學(xué)性精確能高） （3.7）結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。 3.6 本章小結(jié)通過本章的設(shè)計計算，先對滑槽杠桿式的手部結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，然后分別對滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)的夾緊力、夾緊用的彈簧、驅(qū)動力進(jìn)行計算，在滿足基本要求后，對手部的夾持精度進(jìn)行分析計算。4 腕部的設(shè)計計算4.1 腕部設(shè)計的基本要求（1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機(jī)械手的

37、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3） 必須考慮工作條件對于本設(shè)計，機(jī)械手的工作條件是在工作場合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇典型的腕部結(jié)構(gòu)(1) 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用?；剞D(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于）。(2) 齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采

38、用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。(3) 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。(4) 機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 本設(shè)計要求手腕回轉(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。4.3 腕部的設(shè)計計算 腕部設(shè)計考慮的參數(shù) 夾取工件重量60Kg，回轉(zhuǎn)。 腕部的驅(qū)動力矩計算（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100mm，長度1000mm，重量60Kg，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)時，計算 力矩：（1） 手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液

39、壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=3.14（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。 （4.1）查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：代入： 腕部驅(qū)動力的計算表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表4-1設(shè)缸體內(nèi)空半徑R=110mm，外徑根據(jù)表3-2選擇121mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為226mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本

40、尺寸示如圖4.1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力，選擇8Mpa圖4.1 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意表4.2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）液壓缸內(nèi)徑40 5063809010011012514015016018020020鋼P(yáng)5060769510812113316814618019421924545鋼50607695108121133168146180194219245 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎銏D4.2 缸蓋螺釘間距示意表4.3 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)小于150小于120小于100小于80缸蓋螺釘?shù)挠嬎?，如圖4.2所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強(qiáng)

41、有關(guān)，見表4.3，在這種聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 （4.2）計算：液壓缸工作壓強(qiáng)為P=8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個螺釘，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=8個 危險截面 (4.3) 所以 =11863.3+10545=19772N螺釘材料選擇Q235，（）螺釘?shù)闹睆?（4.4）螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.動片和輸出軸間的連接螺釘（1） 動片和輸出軸間的連接螺釘動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見上圖。連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。 于是得 (4.5)D動片的外徑；f被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對銅取f=0.15

42、螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 (4.6)或 (4.7)帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得螺釘材料選擇Q235，則（）螺釘?shù)闹睆?螺釘?shù)闹睆竭x擇d=12mm.選擇M12的開槽盤頭螺釘。4.4 本章小結(jié)本章通過四種基本的手腕結(jié)構(gòu)，選擇了具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。并進(jìn)行的腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算，同時也計算了回轉(zhuǎn)缸連接螺釘?shù)闹睆健? 臂部的設(shè)計及有關(guān)計算手臂部件是機(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。如果改變手

43、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。 5.1 臂部設(shè)計的基本要求一、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕（1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。（2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（4） 注意簡化結(jié)構(gòu)。（5） 提高配合精度。二、 臂部運(yùn)動速度要高，

44、慣性要小機(jī)械手手部的運(yùn)動速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運(yùn)動的機(jī)械手，其最大移動速度設(shè)計在,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在內(nèi)，大部分平均移動速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有3個途徑：（1） 減少手臂運(yùn)動件的重量，采用鋁合金材料。（2） 減少臂部運(yùn)動件的輪廓尺寸。（3） 減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機(jī)械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作。（4） 驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。三、手臂動作應(yīng)該靈活為減少手臂運(yùn)動之間的摩擦阻力，盡可能

45、用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機(jī)械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。 總結(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機(jī)械手。5.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 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）

46、雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。（4） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。 手臂運(yùn)動機(jī)構(gòu)的選擇通過以上，綜合考慮，本設(shè)計選擇雙導(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。5.3 手臂直線運(yùn)動的驅(qū)動力計算先進(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)行校核計算，修正設(shè)計。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。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。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算。 (5.1) 手臂摩擦力的分析與計算分析：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。上圖是機(jī)械

47、手的手臂示意圖，本設(shè)計是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮崗兩側(cè)。圖 5.1 機(jī)械手臂部受力示意計算如下：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)向桿計算。得 得 (5.2)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：取鋼對鑄鐵：取計算：導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 ，L=1.69-0.028=1.41m,導(dǎo)向支撐a設(shè)計為0.016m將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計算 手臂慣性力的計

48、算本設(shè)計要求手臂平動是V=,在計算慣性力的時候,設(shè)置啟動時間，啟動速度V=V=, (5.3) 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)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力：5.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=6210N，根據(jù)表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)徑的計算，如圖5.2所示圖5.2 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） (5.4) （有桿腔） (5

49、.5)F=6210N，=，選擇機(jī)械效率將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 根據(jù)表4-1（JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=65mm.（2） 液壓缸外徑的設(shè)計根據(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79mm.（3） 活塞桿的計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)度計算： (5.6)設(shè)計中活塞桿取材料為碳剛，故，活塞直徑d=20mm,L=1360mm,現(xiàn)在進(jìn)行校核。結(jié)論： 活塞桿的強(qiáng)度足夠。5.5 本章小結(jié)本章設(shè)計了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，手臂采用雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)，對驅(qū)動的液壓缸的驅(qū)動力進(jìn)行了詳細(xì)的計算，并對

50、液壓缸的基本尺寸進(jìn)行了設(shè)計。6 機(jī)身的設(shè)計計算機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(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。因此，臂部的運(yùn)動越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動。6.1 機(jī)身的整體設(shè)計按照設(shè)計要求，機(jī)械手要實現(xiàn)手臂1800的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(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)，就要綜合考慮，分析。機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。（2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(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。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動部件較大。（3） 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)