四自由度氣動(dòng)式機(jī)械手設(shè)計(jì)
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基于PLC控制四自由度氣動(dòng)式機(jī)械手
摘 要
隨著科技的發(fā)展，機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的運(yùn)用，它可以幫助人們完成危險(xiǎn)、重復(fù)的體力勞動(dòng)，大大提高生產(chǎn)效率。
本課題對(duì)機(jī)械手的手爪、手腕、手臂、腰部和機(jī)座部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)式。手爪的張合，手臂和腰部的伸縮，機(jī)座和手腕的旋轉(zhuǎn)都采用氣缸驅(qū)動(dòng)。此機(jī)械手可以運(yùn)用于工業(yè)流水線上，完成把指定物件從一個(gè)地方運(yùn)送至另一地方的任務(wù)。機(jī)械手的系統(tǒng)控制由可編程序控制器完成，按照機(jī)械手的動(dòng)作流程，完成了相應(yīng)的接線圖和程序編制。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，工業(yè)領(lǐng)域，氣缸，可編程序控制器
基于PLC控制四自由度氣動(dòng)式機(jī)械手 50
ABSTRACT
With the development of science and technology in industries, manipulators are increasingly wide use, it can help people to finish dangerous, repeat manual labor, and greatly improve the production efficiency.
In this topic, I design the hand, wrist, arm, waist and standby parts of the manipulator, determine the manipulator using cylindrical coordinates type. The action of hand, arm, waist, base and wrist are driven by the cylinder. This manipulator can be applied to industrial assembly line, complete the specified object from one place to another place. The control system by manipulator programmable controller, according to the movement process, completes robot programming.
Key word：Manipulator, industrial field, cylinder, programmable controller
目 錄
1 緒論 1
1.1 機(jī)械手的概述 1
1.2 機(jī)械手的發(fā)展史 1
1.3 氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展過程 2
1.4 機(jī)械手未來的發(fā)展趨勢(shì) 3
1.5 本課題研究?jī)?nèi)容 4
1.6 課題研究的意義 4
2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 6
2.1 機(jī)械手的工作原理及系統(tǒng)組成 6
2.2 機(jī)械手基本形式的選擇 7
2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 8
2.4 機(jī)械手詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù) 8
2.5 本章小結(jié) 8
3 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 9
3.1 手部結(jié)構(gòu) 9
3.2 機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)計(jì)算 9
3.3 夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 11
3.4 手爪夾持范圍計(jì)算 13
3.5 機(jī)械手手爪夾持精度的分析計(jì)算 14
3.6 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 15
3.7 本章小結(jié) 17
4 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
4.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 18
4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 18
4.3 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 19
4.4 腕部工作壓力的計(jì)算 20
4.5 氣壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 21
4.6 動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘 22
4.7 本章小結(jié) 23
5 機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 24
5.1 手臂的設(shè)計(jì)要求 24
5.2 伸縮氣壓缸的設(shè)計(jì) 24
5.3 導(dǎo)向裝置 28
5.4 本章小結(jié) 28
6 機(jī)械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 29
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29
6.2 控制手臂上下移動(dòng)的腰部氣缸的設(shè)計(jì) 29
6.3 導(dǎo)向裝置 32
6.4 平衡裝置 32
6.5 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計(jì)算 32
6.6 本章小結(jié) 33
7 機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 34
7.1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖 34
7.2 可編程序控制器的選擇及工作過程 35
7.3 可編程序控制器的使用步驟 35
7.4 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 36
7.5 本章小結(jié) 46
8 結(jié)論 47
參考文獻(xiàn) 48
致謝 49
1 緒論
計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展使機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展一次次達(dá)到一個(gè)新水平。上至太空船、宇宙飛船、下至微型機(jī)器人、深海開發(fā)，機(jī)器人技術(shù)已拓展到全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的諸多領(lǐng)域，成為高科技中極為重要的組成部分。人類文明的發(fā)展，科技的進(jìn)步已和機(jī)器人的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了密不可分的關(guān)系。人類社會(huì)的發(fā)展已離不開機(jī)器人技術(shù)，而機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步又對(duì)推動(dòng)科技發(fā)展起著不可替代的作用[1]。
1.1 機(jī)械手的概述
機(jī)械手也被稱為自動(dòng)手，能模仿人手和臂部的某些動(dòng)作功能，可以按固定程序抓取、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)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓取工件（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)（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2～3個(gè)自由度。
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[2]。
1.2 機(jī)械手的發(fā)展史
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)長(zhǎng)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(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)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(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)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(dòng)公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美國機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機(jī)械制造業(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)。
聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進(jìn)口。
目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(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，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)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和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
1.3 氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展過程
氣動(dòng)技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞或信號(hào)傳遞的工程技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一。
大約開始于1776年，Johnwilkimson發(fā)明能產(chǎn)生1個(gè)大氣壓左右壓力的空氣壓縮機(jī)。1880年，人們第一次利用氣缸做成氣動(dòng)剎車裝置，將它成功地用到火車的制動(dòng)上。20世紀(jì)30年代初，氣動(dòng)技術(shù)成功地應(yīng)用于自動(dòng)門的開閉及各種機(jī)械的輔助動(dòng)作上。至50年代初，大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。60年代，開始構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng)，自成體系，不再與風(fēng)動(dòng)技術(shù)相提并論。在70年代，由于氣動(dòng)技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛的推廣。80年代進(jìn)入氣動(dòng)集成化、微型化的時(shí)代。90年代至今，氣動(dòng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展，人們克服了閥的物理尺寸局限，真空技術(shù)日趨完美，高精度模塊化氣動(dòng)機(jī)械手問世，智能氣動(dòng)這一概念產(chǎn)生，氣動(dòng)伺服定位技術(shù)使氣缸高速下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)自動(dòng)定位，智能閥島十分理想地解決了整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的分散與集中控制問題。
氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。氣動(dòng)機(jī)械手強(qiáng)調(diào)模塊化的形式，現(xiàn)代傳輸技術(shù)的氣動(dòng)機(jī)械手在控制方面采用了先進(jìn)的閥島技術(shù)（可重復(fù)編程等），氣動(dòng)伺服系統(tǒng)（可實(shí)現(xiàn)任意位置上的精確定位），在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上全部采用模塊化的拼裝結(jié)構(gòu)。
90年代初，由布魯塞爾皇家軍事學(xué)院Y·Bando教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電子氣動(dòng)機(jī)器人——“阿基里斯”六腳勘探員，是氣動(dòng)技術(shù)、PLC控制技術(shù)和傳感技術(shù)完美結(jié)合產(chǎn)生的“六足動(dòng)物”。6個(gè)腳中的每一個(gè)腳都有3個(gè)自由度，一個(gè)直線氣缸把腳提起、放下，一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制腳伸展/退回運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心做旋轉(zhuǎn)之用。
由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的氣動(dòng)攀墻機(jī)器人，它集遙感技術(shù)和真空技術(shù)于一體，成功地解決了垂直攀緣等視為危險(xiǎn)工作的操作問題。Tron-X電子氣動(dòng)機(jī)器人，能與人親切地握手，它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎曲運(yùn)動(dòng)，并且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下（或通過自身的編程控制）能與人進(jìn)行對(duì)話，或作自我介紹等。Tron-X電子氣動(dòng)機(jī)器人集電子技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)和人工智能為一體，它告訴我們，氣動(dòng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人中最難解決的靈活的自由度，具有在足夠工作空間的適應(yīng)性、高精度和快速靈敏的反應(yīng)能力[3]。
1.4 機(jī)械手未來的發(fā)展趨勢(shì)
（1） 重復(fù)高精度
精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確，通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤差是可以預(yù)測(cè)的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來測(cè)定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以及氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室和氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
（2） 模塊化
有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
智能閥島的出現(xiàn)對(duì)提高模塊化氣動(dòng)機(jī)械手和氣動(dòng)機(jī)器人的性能起到了十分重要的支持作用。因?yàn)橹悄荛y島本來就是模塊化的設(shè)備，特別是緊湊型CP閥島，它對(duì)分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對(duì)機(jī)械手中的移動(dòng)模塊。
（3） 無給油化
為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤(rùn)滑脂的不供油潤(rùn)滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料（如燒結(jié)金屬石墨材料）的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤(rùn)滑材料制造的無潤(rùn)滑元件，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)。
（4） 機(jī)電氣一體化
由“可編程序控制器-傳感器-氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件，使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡(jiǎn)單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來越離不開PLC，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手。
總之，隨著機(jī)械手發(fā)展的深度和廣度以及機(jī)器人智能水平的提高，機(jī)械手已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域機(jī)械手的應(yīng)用也越來越多。
在未來幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會(huì)使機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。據(jù)猜測(cè)，今后機(jī)器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機(jī)器維修、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用[3]。
1.5 本課題研究?jī)?nèi)容
研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)由PLC控制的四自由度氣動(dòng)式機(jī)械手，機(jī)械手能完成手爪夾緊、放松，手腕旋轉(zhuǎn)，手臂伸縮，腰部的上升下降和機(jī)座的旋轉(zhuǎn)功能。并且畫出機(jī)械手的總裝圖和各部件的零件圖。
并且根據(jù)課題，設(shè)計(jì)出機(jī)械手的氣路系統(tǒng)，包括元器件的選取和回路的設(shè)計(jì)，畫出氣路原理圖。
機(jī)械手控制部分由PLC完成，通過設(shè)計(jì)要完成PLC的選型、PLC的外部接線圖以及根據(jù)機(jī)械手的流程圖編寫出PLC梯形圖。
1.6 課題研究的意義
伴隨著機(jī)電一體化在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)控制成分顯得越來越重要，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至于危機(jī)生命。因此機(jī)械手就在這樣誕生了,機(jī)械手是機(jī)械手系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。如蛇形機(jī)械手的出現(xiàn)，幫助人類完成了許多危險(xiǎn)區(qū)域的任務(wù)[4]。其中的工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：它能部分地代替人工操作；能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；廣泛的應(yīng)用機(jī)械手，可以逐步改善勞動(dòng)條件，更強(qiáng)與可控的生產(chǎn)能力，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動(dòng)力，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)床，減少工藝過程中的工作量及降低停產(chǎn)時(shí)間和庫存，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐[5]。巴雷特機(jī)械手就是其中的典型代表，一個(gè)在運(yùn)行中能調(diào)整自己適應(yīng)環(huán)境并安全的變成各種各樣形狀的一個(gè)智能化、高度靈活的八軸夾持器[6]。
2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案
2.1 機(jī)械手的工作原理及系統(tǒng)組成
機(jī)械手的工作原理：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)裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動(dòng)方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作[7]。
（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)。
a.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?；剞D(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。傳力機(jī)構(gòu)通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)的型式較多時(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。
b.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)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。
c.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)，即稱為可移式立柱。
d.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。它由動(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)。
（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。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，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[8]。
2.2 機(jī)械手基本形式的選擇
常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: a直角坐標(biāo)型機(jī)械手；b圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手； c球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手；d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(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小，容易實(shí)現(xiàn)[7]。因此，本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。圖2-1是機(jī)械手外觀輪廓圖。
圖2-1機(jī)械手外觀輪廓圖
2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
驅(qū)動(dòng)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(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式共有三種方式：氣動(dòng)方式,液壓方式,電驅(qū)動(dòng)方式[9]。
（1）氣動(dòng)方式：成本低,出力小,噪聲大,控制簡(jiǎn)單。但難以準(zhǔn)確控制位置和速度。屬于簡(jiǎn)單非伺服型。
（2）液壓方式： 功率重量比大,低速平穩(wěn),需液壓動(dòng)力源,漏油和油性變化會(huì)影響系統(tǒng),各軸耦合較強(qiáng),成本較高?？捎糜谝妆沫h(huán)境。
（3）電驅(qū)動(dòng)方式：
a.步進(jìn)驅(qū)動(dòng)： 功率小,開環(huán)控制,控制簡(jiǎn)單,可能失步。
b.直流驅(qū)動(dòng)： 調(diào)速性能好,功率較大,效率較高,但換向器需維護(hù),不易用于易爆,多粉塵的環(huán)境。
c.交流驅(qū)動(dòng)： 維護(hù)簡(jiǎn)單,使用環(huán)境不受限制,成本較低,調(diào)速性差。
根據(jù)課題要求確定圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，利用雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂上下運(yùn)動(dòng)；雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，用小型單作用氣壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊；手腕和機(jī)座的旋轉(zhuǎn)用旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
2.4 機(jī)械手詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)
機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示：
2 機(jī)械手（重復(fù)）定位精度：±0.5mm；
2 機(jī)械手最大抓重：1kg；
2 工件尺寸：直徑約2～3cm，圓柱形，材料是鐵質(zhì)；
2 支座旋轉(zhuǎn)角度為：90度（最大速度：90度每秒）；
2 物料盤（采用步進(jìn)電機(jī)控制）每工步旋轉(zhuǎn)角度：30度（最大轉(zhuǎn)度：30度每秒）；
2 Y軸大臂上下移動(dòng)距離為：20cm（最大速度10cm/s）；
2 Y軸小臂上下移動(dòng)距離為：10cm（最大速度10cm/s）；
2 X軸小臂伸縮距離：10cm （最大速度10cm/s）；
2 手指開合角度為：60度（最大速度60度每秒），手爪旋轉(zhuǎn)角度為180度；
2 料槽小臂（推動(dòng)工件的推桿）伸縮距離為：15cm（最大速度10cm/s）。
2.5 本章小結(jié)
本章主要講述了機(jī)械手的工作原理和系統(tǒng)組成，并且簡(jiǎn)要介紹了執(zhí)行部分。機(jī)械手動(dòng)作形態(tài)采用圓柱坐標(biāo)式，四自由度的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行均由氣缸驅(qū)動(dòng)完成。
3 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
3.1 手部結(jié)構(gòu)
四自由度氣動(dòng)機(jī)械手采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，由手爪和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式多樣，有楔塊杠桿式、滑槽杠桿式、連桿杠桿式、齒輪齒條平行連桿式、左右旋絲杠平移型[10]，本設(shè)計(jì)采用滑槽杠桿式的傳力機(jī)構(gòu)。
3.1.1 端執(zhí)行器的要求
（1）不論是夾持或是吸附，末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)要求的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度。
（2）應(yīng)盡可能使末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊、重量輕，以減輕手臂的負(fù)荷。專用的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，而能完成多種作業(yè)的萬能末端執(zhí)行器可能具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費(fèi)用昂貴的缺點(diǎn)，因此提倡設(shè)計(jì)可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器[10]。
3.1.2 手爪的分類和選取
工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的機(jī)械式夾持器多為雙指手爪式，按其手爪的運(yùn)動(dòng)方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手爪又可分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，按夾持方式可分為外夾式和內(nèi)撐式，按驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)、液壓和氣動(dòng)三種。
回轉(zhuǎn)型夾持器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但當(dāng)所夾持的工件直徑有變化時(shí)，將引起工件的軸心偏移。這個(gè)偏移量稱為夾持誤差。
平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置，但其架構(gòu)復(fù)雜，體積大，制造精度要求高。
當(dāng)設(shè)計(jì)機(jī)械式夾持器式，在滿足工件定位精度要求的條件下，盡可能采用結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)型夾持器。[10]
結(jié)合機(jī)械手設(shè)計(jì)任務(wù)書中要求：手爪開合角為60度，且能夠抓取重約1kg的圓柱形鐵質(zhì)工件。所以本設(shè)計(jì)采用雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型滑槽杠桿式手爪。
3.2 機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1 手爪的力學(xué)分析
下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿，如圖3-1為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。
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
= （3-1）
式中： ——驅(qū)動(dòng)力；
——夾緊力；
——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離；
——手指長(zhǎng)度；
——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。
由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，角增大，則夾緊力也隨之增大，但角過大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=~。
3.2.2 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)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)。
（1）手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算：
（3-2）
式中: ——安全系數(shù)，通常1.2~2.0；
——軸向力；
——V形手抓的開合角；
——工件和手抓間的摩擦系數(shù)；
計(jì)算：設(shè)a=10mm,b=30mm, =，求夾緊力和驅(qū)動(dòng)力 。
設(shè)K=1.5，，0.3
根據(jù)公式，將已知條件帶入得：
（2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得：
由于實(shí)際采用的氣壓缸驅(qū)動(dòng)力大于計(jì)算，把手抓的機(jī)械效率考慮在內(nèi)，一般取。
（3）取
（3-3）
3.3 夾緊氣缸的設(shè)計(jì)
3.3.1 主要尺寸的確定
（1）氣缸工作壓力的確定
由表3-1取氣缸工作壓力
表3-1 氣壓負(fù)載常用的工作壓力
負(fù)載F/N
<5000
5000~ 10000
10000~
20000
20000~
30000
30000~
50000
>50000
工作壓力p/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
>5~7
（2）氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
可由下式推算出氣壓缸的內(nèi)徑D：
（3-4）
預(yù)設(shè)活塞桿直徑d=0.5D,氣缸工作壓力P=0.4MPa,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)氣壓傳動(dòng)分冊(cè)P22-125，選取氣壓缸內(nèi)徑為：D=32mm。
可以得出活塞桿內(nèi)徑為:
d=0.5D=320.5=16mm，選取d=14mm。
（3）缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì)
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。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:
（3-5）
式中，
—— 缸筒壁厚，(mm)；
—— 氣缸內(nèi)徑，(mm)；
—— 氣缸試驗(yàn)壓力，一般取（Pa）；
——?dú)飧坠ぷ鲏毫?（Pa）；
——缸筒材料許用應(yīng)力（Pa）。
本設(shè)計(jì)手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL1060,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
（4）手部活塞桿行程長(zhǎng)L計(jì)算
活塞桿的位移量S可推得：
S （3-6）
氣缸的活塞行程與其使用場(chǎng)合及工作機(jī)構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應(yīng)使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機(jī)構(gòu)。為保證夾緊效果，必須按計(jì)算行程多加的行程余量[11]。
（3-7）
故氣壓傳動(dòng)手冊(cè)圓整為。
（5）手爪部分總質(zhì)量估算：
（3-8）
其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106
查相關(guān)手冊(cè)可得， 45號(hào)鋼密度為 ；
ZL1060的密度為 。
手爪部分總質(zhì)量約為 ：
3.4 手爪夾持范圍計(jì)算
為了保證手爪張開角為，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為27mm。
（a）手爪最小夾持半徑 （b）手爪最大夾持半徑
圖3-2 手爪張開示意圖
手爪夾持范圍的計(jì)算，手指長(zhǎng)30mm，當(dāng)手抓沒有張開角的時(shí)候，如圖3-2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑=10，當(dāng)張開時(shí)，如圖3-2（b）[12]所示，最大夾持半徑計(jì)算如下：
機(jī)械手的夾持半徑從。
3.5 機(jī)械手手爪夾持精度的分析計(jì)算
機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)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(dòng)穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。
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(dòng)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，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定要進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差計(jì)算。
圖3-3 手爪夾持誤差分析示意圖
該設(shè)計(jì)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10mm~26mm。
一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：
工件的平均半徑： （3-9）
手指長(zhǎng),取V型夾角
偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：
（3-10）
計(jì)算 ： （3-11）
當(dāng)時(shí)帶入有：
所以夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。
3.6 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
選擇彈簧按照壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3-4所示，計(jì)算過程[13]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
（3-12）
（3）根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=22mm，估算彈簧絲直徑
（4）試算彈簧絲直徑
（3-13）
取3mm。
（5）根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)：
（3-14）
選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)圈
（6） 最后確定：
，，，
（7） 對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算
對(duì)于壓縮彈簧如果長(zhǎng)度較大時(shí)，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(zhǎng)細(xì)比，本設(shè)計(jì)彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?
當(dāng)兩端固定時(shí)，,當(dāng)一端固定；一端自由時(shí)，；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，。
彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。
（8） 疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。
對(duì)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(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時(shí)，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算）。
現(xiàn)在由于本設(shè)計(jì)是在恒定載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。計(jì)算公式：
（3-15） 選取1.3~1.7（力學(xué)性精確能高）
（3-16）
經(jīng)過上式校核，彈簧滿足要求。
3.7 本章小結(jié)
本章對(duì)機(jī)械手的手部和手爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且對(duì)夾緊氣缸進(jìn)行了選取計(jì)算，對(duì)夾持范圍和夾持精度進(jìn)行了計(jì)算，最后對(duì)彈簧強(qiáng)度進(jìn)行了校核，符合使用要求。
4 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 腕部設(shè)計(jì)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(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)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(jì)時(shí)，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(dòng)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(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)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(duì)機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素[10]。
4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇
4.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu)
（1）具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)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(dòng)慣性所用?；剞D(zhuǎn)角由動(dòng)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(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)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(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。
（4）機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。
4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)的選擇
結(jié)合任務(wù)書設(shè)計(jì)要求，手腕要求旋轉(zhuǎn)180度，考慮上述經(jīng)典結(jié)構(gòu)，選擇具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)腕部結(jié)構(gòu)，氣壓傳動(dòng)。
4.3 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
腕部在回轉(zhuǎn)時(shí)一般要克服以下3種阻力：
（1）腕部回轉(zhuǎn)摩擦處的摩擦力矩
為簡(jiǎn)化計(jì)算，一般取
（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩
（4-1）
式中 ：工件重量（n）
e：工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）
（3）克服啟動(dòng)慣性所需的力矩
啟動(dòng)過程近似等加速，按下式計(jì)算：
（4-2）
或者按照腕部角速度和啟動(dòng)時(shí)所轉(zhuǎn)過的角度計(jì)算：
（4-3）
式中：：工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
：手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
：手腕回轉(zhuǎn)過程中的角速度；
：?jiǎn)?dòng)過程所需的時(shí)間，一般取0.05~0.3s；
：?jiǎn)?dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度。
手腕回轉(zhuǎn)所需的總的阻力矩是上述三項(xiàng)之和，即：
（4-4）
設(shè)夾取棒料半徑15mm，長(zhǎng)度180mm，重量1Kg，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)時(shí)，將手爪、手爪驅(qū)動(dòng)氣壓缸及回轉(zhuǎn)氣壓缸等效為一個(gè)圓柱體，長(zhǎng)為200mm，半徑為40mm，其重力G，啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。
（4-5）
因?yàn)楣ぜA持在手抓中間位置，所以工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離為0，
=0
（4-6）
查取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式有：
代入：
4.4 腕部工作壓力的計(jì)算
表4-1 氣壓缸的內(nèi)徑系列 （mm）
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
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=26mm，考慮到實(shí)際裝配問題后，其外徑為100mm；動(dòng)片寬度b=30mm，輸出軸r=12mm。
由于實(shí)際氣壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩，則回轉(zhuǎn)缸工作壓力，選擇P=0.5Mpa。
4.5 氣壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
圖4-1 缸蓋螺釘間距示意圖
表4-2螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系
工作壓力P（Mpa）
螺釘?shù)拈g距t(mm)
小于150
小于120
小于100
小于80
缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，如圖4-1所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4-2，在這種聯(lián)結(jié)中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力
（4-7）
——工作載荷；
——預(yù)緊力。
氣壓缸工作壓強(qiáng)為P=0.5Mpa,所以螺釘間距t小于150mm,試選擇4個(gè)螺釘，，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=4個(gè) 。
危險(xiǎn)截面
（4-8）
（ ）
所以：
螺釘材料選擇Q235，（）
螺釘?shù)闹睆剑?
（4-9）
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=6mm[13]。
4.6 動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘
動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘,連接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱安裝，并用兩個(gè)定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘?dòng)片和輸出軸之間的配合緊密。
（4-10）
于是得 ：
（4-11）
D——缸體內(nèi)徑；
b——?jiǎng)悠瑢挾龋?
p——回轉(zhuǎn)缸工作壓力；
——?jiǎng)悠洼敵鲚S間連接螺釘?shù)念A(yù)緊力；
d——?jiǎng)悠c輸出軸配合處的直徑；
f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對(duì)銅取f=0.15。
螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 ：
（4-12）
帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得：
螺釘材料選擇Q235，則（）
螺釘?shù)闹睆剑?
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=4mm，選擇M4的開槽盤頭螺釘[14]。
4.7 本章小結(jié)
本章對(duì)機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選擇，對(duì)手腕的工作壓力進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)氣壓缸蓋螺釘?shù)臄?shù)量進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后選擇4個(gè)螺釘為合理數(shù)量。
5 機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
5.1 手臂的設(shè)計(jì)要求
（1）臂部應(yīng)承載能力大，自重輕。
（2）臂部運(yùn)動(dòng)速度高，慣性小。
（3）手臂動(dòng)作靈活。
（4）位置精度高。
5.2 伸縮氣壓缸的設(shè)計(jì)
5.2.1 氣缸主要尺寸的確定
（1）氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合末端執(zhí)行器的尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為。
由,可得活塞桿直徑：
圓整后，取活塞桿直徑
查表取氣缸工作壓力
由公式：
（5-1）
（5-2）
計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取。得 。
（2）缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì)
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚按薄壁筒公式（3-5）計(jì)算:
設(shè)計(jì)的伸縮氣缸缸筒材料為:鋁合金ZL1060, []=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為：
取，則缸筒外徑為：。
（3）手部活塞桿行程長(zhǎng)確定
按設(shè)計(jì)要求，X軸小臂伸縮距離為10cm，即100mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。
故行程查有關(guān)手冊(cè)圓整為。
（4）活塞桿穩(wěn)定性的計(jì)算：
當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度時(shí)，一般按壓桿穩(wěn)定性來計(jì)算活塞桿直徑。
當(dāng)氣缸承受的軸向負(fù)載達(dá)到極限值后，極微小的干擾力都會(huì)使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致氣缸不能正常工作。
活塞桿穩(wěn)定性條件是：
（5-3）
式中：
——?dú)飧壮惺艿妮S向負(fù)載，即氣缸的理論輸出推力，；
——?dú)飧椎膲簵U穩(wěn)定極限力，；
——?dú)飧椎膲簵U穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取。
氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力與缸的安裝形式、活塞桿直徑及行程有關(guān)[15]。
當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，
（5-4）
當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，
（5-5）
上式中：
——活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度 ；
——活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑；
實(shí)心桿半徑：
（5-6）
空心桿半徑：
（5-7）
——活塞桿斷面慣性矩；
實(shí)心桿慣性矩：
（5-8）
空心桿慣性矩：
（5-9）
——空心活塞桿內(nèi)孔直徑；
——活塞桿截面積；
實(shí)心桿截面積：
（5-10）
空心桿截面積：
（5-11）
——系數(shù)，查手冊(cè) ；
——材料彈性模量，對(duì)鋼取；
——材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取；
——系數(shù)，對(duì)鋼取 ；
查閱機(jī)械手冊(cè)氣缸設(shè)計(jì)章由表得安裝方式為固定-自由式 ，取，
代入公式（5-6）至（5-11）：
實(shí)心桿半徑：
由于 ，用公式（5-5）：
所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。
（5）驅(qū)動(dòng)力校核
測(cè)定手爪與手爪夾緊氣缸質(zhì)量為，估算為，設(shè)計(jì)加速度，則慣性力：
（5-12）
原式：。
考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)，
總受力為：
因?yàn)椋栽摎飧椎某叽绶蠈?shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。
（6）前后運(yùn)動(dòng)氣缸部分質(zhì)量估算
活塞桿及導(dǎo)向套材料采用45鋼；
缸體采用鋁合金ZL1060；
連接件采用HT250。
查相關(guān)手冊(cè)， 45號(hào)鋼密度為7.85；
ZL106的密度為 2.73；
HT250密度為 7.35；
經(jīng)計(jì)算，可算出質(zhì)量約為：
5.3 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)，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。
目前常采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。
5.4 本章小結(jié)
本章主要對(duì)機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了手臂氣缸的具體尺寸，對(duì)活塞桿進(jìn)行了計(jì)算和穩(wěn)定性的校核。導(dǎo)向裝置選用單向?qū)U。
6 機(jī)械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過安裝在機(jī)座上的旋轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)殼體上的氣缸實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)。采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在氣缸活塞桿上轉(zhuǎn)動(dòng)，確保手臂隨機(jī)座可以一起轉(zhuǎn)動(dòng)。支撐梁采用鋁合金，以減輕重量和節(jié)省材料。
6.2 控制手臂上下移動(dòng)的腰部氣缸的設(shè)計(jì)
6.2.1 確定主要尺寸
（1）氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合末端執(zhí)行器的尺寸以及伸縮氣缸的結(jié)構(gòu)尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為。
由,可得活塞桿直徑：
圓整后，取活塞桿直徑 。
查手冊(cè)取氣缸工作壓力。
由公式（5-1）、（5-2）：
計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取。得 。
（2）缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì)
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。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：
氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL1060,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為：
取，則缸筒外徑為：
（3）手部活塞桿行程長(zhǎng)確定
按設(shè)計(jì)要求，腰部上下運(yùn)行距離為20cm，即200mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。
故行程查有關(guān)手冊(cè)圓整為。
（4）活塞桿穩(wěn)定性的計(jì)算：
當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度時(shí)，一般按壓桿穩(wěn)定性來計(jì)算活塞桿直徑。
當(dāng)氣缸承受的軸向負(fù)載達(dá)到極限值后，極微小的干擾力都會(huì)使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致氣缸不能正常工作。
活塞桿穩(wěn)定性條件公式（5-3）：
當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，用公式（5-5）：
實(shí)心桿回轉(zhuǎn)半徑：
實(shí)心桿截面積：
——系數(shù)，由查表安裝方式為固定-固定式 ，得；
——材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼?。?
——系數(shù)，對(duì)鋼?。?
代入公式（5-6）至（5-11）：
得 ，
所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。
（5）上下移動(dòng)氣缸部分質(zhì)量估算
活塞桿及導(dǎo)向套材料采用45鋼，缸體采用鋁合金ZL106，連接件采用HT250。
查相關(guān)手冊(cè)， 可得：45號(hào)鋼密度為7.85
ZL106的密度為 2.73
HT250密度為 7.35
經(jīng)計(jì)算，可算出質(zhì)量約為：
所以總質(zhì)量約為：
6.2.2 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）缸筒和缸蓋的連接
查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇拉桿式螺栓連接。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，易于裝卸。
（2） 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)
活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。
該氣缸選擇螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，應(yīng)用較多。
（3） 密封
氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設(shè)計(jì)、選擇和使用密封裝置，對(duì)保證氣缸的正常工作非常重要。
采用O型密封圈。工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，目前使用的范圍較廣。
（4）氣缸的安裝連接結(jié)構(gòu)
根據(jù)安裝位置和工作要求不同可有法蘭式、腳架式、支座式、鉸軸式。由于結(jié)構(gòu)需要，該氣缸用法蘭式安裝連接。
6.3 導(dǎo)向裝置
氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(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)，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。
在本設(shè)計(jì)中才用雙導(dǎo)向桿來增加腰部的剛性和導(dǎo)向性。
6.4 平衡裝置
在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手爪一側(cè)的重力矩對(duì)性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)配一塊重量為8 kg的鐵塊。這樣，機(jī)械手臂的傾覆力矩就非常小，不會(huì)有翻到的狀況發(fā)生。
6.5 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計(jì)算
旋轉(zhuǎn)氣壓缸所需，。
（1） 計(jì)算
（6-1）
（6-2）
（6-3）
將回轉(zhuǎn)部件等效為一個(gè)圓柱體，長(zhǎng)為1500mm，半徑為60mm，其重力=800N，設(shè)啟動(dòng)的角速度，啟動(dòng)時(shí)間t=0.1s，所以：
=
=
=147461.6
（2）的計(jì)算
為了方便計(jì)算，，
所以：
=461.6+0.03+0
回轉(zhuǎn)氣壓缸參數(shù)計(jì)算如下：
設(shè)b=60mm，工作壓力P=4Mpa，d=50mm
則由得：
（6-4）
所以圓整取氣壓缸的內(nèi)徑為140 mm。
6.6 本章小結(jié)
本章對(duì)機(jī)械手的腰部和機(jī)座部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了腰部氣缸的內(nèi)徑
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