工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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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

2、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)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 快速反應(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

3、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)生產(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

4、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) 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)相互之間的關(guān)系如方框

5、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)。 (1)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)

6、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)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 :滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面

7、 杠桿式、齒輪 齒條式、絲杠螺母彈簧式和 重力式等。 (2)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 ) 相配

8、合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 (4)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

9、)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)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)。現(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

10、 (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

11、精度達(dá)到設(shè)定位置。 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)

12、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， 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

13、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

14、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)械手。它是一種

15、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。

16、 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)

17、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)器人整機(jī)，國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。

18、 (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

19、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)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

20、“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)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) (站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī) 器人

21、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

22、 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

23、 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(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) 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)

24、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) : . . (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

25、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。 (2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過(guò)程中

26、，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-0.3s即可建立起 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

27、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， 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

28、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。 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 . .

29、 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 料特性，

30、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

31、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。

32、 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。

33、 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 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

34、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/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 90o/s。平均移動(dòng)速度為 0.8m/s。 平均回轉(zhuǎn)速度為 60o/s。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減

35、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? 與行程有關(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 120mm。定位

36、精度也是基本參數(shù)之一。 該機(jī)械手的定位精度為 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

37、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 : φ80mm-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： 1mm (11)驅(qū)動(dòng)方式：氣壓傳動(dòng) . .

38、 3 手部結(jié)構(gòu)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，如滑槽

39、杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 . . 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

40、 為移動(dòng)型?；剞D(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。 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

41、 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

42、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， 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。 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 80~150m

43、m，選定 V 形手指的角度 2θ=120b=120mm>R=24mm 摩擦系數(shù)為 υ=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 : 2Ns

44、in θυ =1/2Mg N=Mg/(4sin θυ) =10x9.8/(4xsin60ox0.3)=94.3(N) 所以： P=b/R N=9120x94.3/24=471.5(N) (3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 : P 實(shí)際 ≥pK1K2/η . . 式中：η—齒輪齒條傳動(dòng)效率，取 η=0.94 K1—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 1.2~2.0，取 1.5； K2—工件情況系數(shù)， 主要考慮慣性力的影響， 若

45、被抓取工件的最大加 速度取 a=g 時(shí)，則 : K2=1+a/g 所以： P 實(shí)際 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=πD2P/4-Ft 式中 : F1- 活塞桿上的推力 /N Ft - 彈簧反作用力 /N P - 氣缸工作壓力，選為 0.4MP

46、a 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/m l- 彈簧預(yù)壓縮量 /mm s- 活塞行程 /mm d1- 彈簧材料直徑 /mm D1- 彈簧中徑 /mm n- 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)—彈簧》 ，此處選用材料直徑為 3.5mm，中徑為 30mm， 有效

47、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) =3677.466010 =220.6（N） 有公式 : F1=πD2Pβ/4 -Ft 分析得單向作用氣缸的直徑 : . .

48、 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)—?dú)鈮簜鲃?dòng)》圓整，得 D=75mm 由 d/D 的范圍在 0.2~0.3之間 ,可得活塞桿直徑 : d=(0.2~0.3)D=(15~22.5)mm 取活塞桿直徑 d=18mm校核，按公式 4F1/ πd2≤[σ] 有: 其中， [ σ]=120MPa，F(xiàn)1=1504.8N則: =4.0<18 因此符合要求 3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì)

49、 . . 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 2Al2 其 σb=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 : δ=DPp/2σp 式中 : δ- 缸筒壁厚， mm D- 氣缸內(nèi)徑， mm Pp- 實(shí)驗(yàn)壓力，取 Pp=1.5P=0.6MPa σ p -缸體材料許用應(yīng)力， Pa，其計(jì)算公式為： σ p=σb/n n—安全系數(shù)，一般取 n=6~8

50、 σ p =120/8=15 MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為 : δ=DPp/2σp =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)—?dú)鈮簜鲃?dòng)》 選用壁厚為 3.5mm，則： 缸筒外徑為 :D1 = 75 + 3.5 ′ 2=mm82() 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

51、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)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油 (氣)缸

52、，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。 . .

53、 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)—驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩（ Ncm）; M 慣—慣性力矩（ Ncm）; M 偏—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

54、產(chǎn)生的偏重力矩（ Ncm）; M 摩—轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處產(chǎn)生的摩擦阻力矩（ Ncm）; M 封—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（ Ncm）; . . 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 若手腕起動(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 ω，起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為 t， 則 M 慣=(J+J1) ω/ t(N cm) 式中 : J- 參

55、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.cm.s2); 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.cm.s2) G1— 工件的重量 (N) e1—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 (Ncm) 式中： G3—手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的

56、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(Ncm) 式中 : d1，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=0.1 根據(jù) ∑MA(F)=0 得 RBl+G3l3=G2l2+G1l1 RB=(G1l1+G2l2

57、-G3l3)/l 同理根據(jù) ∑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— 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。 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

58、 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-r2)/2或 P=2M/(b (R2-r2 ))

59、 式中： M—回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩（ Ncm） P—回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力（ Pa） R—缸體內(nèi)壁半徑（ cm） r—輸出軸半徑（ cm） b—?jiǎng)悠瑢挾龋?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。 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=

60、100mm，氣缸內(nèi)徑為 D1=110mm，半徑 R=55mm， 軸徑 D2=26mm,半徑 r=13mm，氣缸運(yùn)行角速度 ω=90 o/s，加速時(shí)間 t=0.1s，壓強(qiáng) P=0.4MPa，則力矩： M=Pb(R2-r2)/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 =10x0.0

61、52/2 =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

62、+J1）ω / Δt =(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=0.1,d1,d2為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑， d1=30mm,d2=20mm,RA,RB為軸頸處的支

63、承反力， 粗略估計(jì) RA =300N, RB =150N,則： M 磨=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 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。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 驅(qū)=M 慣+M 偏+M 磨+M 封

64、 =41.22+4.9+0.05+0.15 =46.32(N m) M 驅(qū)=46.32

65、只需校核氣缸內(nèi)徑 D1=63mm，半徑 R=31.5mm的 氣缸的尺寸滿(mǎn)足使用要求即可 ,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) P=0.4MPa，則驅(qū)動(dòng)力： F=Pπ R2 . . =1246(N) (2)測(cè)定手腕質(zhì)量為 50kg,設(shè)計(jì)加速度 a=10(m/s2)，則慣性力： F1=ma =50x10 =500(N) (3)考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) k=0.2, Fm=kF1 =0.2x500=100(N)

66、 所以，總受力： F0=F1+Fm =500+100 =600(N) F0=600N＜F=1246N 所以標(biāo)準(zhǔn) CTA 氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求要求。 導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)， 以保證手指的正確方向， 并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用， 以增 . . 加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝 形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來(lái)確定， 同時(shí) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中 心的慣量。導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向 桿等，在本設(shè)計(jì)中采用單導(dǎo)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 平衡裝置 在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能