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1、球坐標(biāo)式四自由度機(jī)械手項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案 2設(shè)計(jì)參數(shù) 2. 1設(shè)計(jì)題目 球坐標(biāo)式四口由度機(jī)械手設(shè)計(jì)2.2初始參數(shù)與設(shè)計(jì)要求 （1）抓重：100N （2）自由度：4個(gè)（3）臂部運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 表2-1 運(yùn)動(dòng)名稱 伸縮 回轉(zhuǎn) 回轉(zhuǎn) 符號(hào)X巾 0行程范圍350mm 0 o-210o 0 o-45o速度 250mm/s 90 o /s 90 o /s （4）腕部運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 表2-2 運(yùn)動(dòng)名稱符號(hào)行程范圍0。-180。速度90 o /s回轉(zhuǎn)？ （3）手指夾持范圍： 棒料，直徑40- d60mm,長(zhǎng)度450-1200mm （6）定位方式：電位器（或接近開(kāi)關(guān)等）設(shè) 定，點(diǎn)位控制 1 （7）驅(qū)動(dòng)方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)

2、）（8）定位精度： 3mm （9）控制方式： PLC控制 3設(shè)計(jì)方案的擬定 3. 1初步分析 該工業(yè)機(jī)械手的坐標(biāo)形式是球坐標(biāo)式，其臂部的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)組成, 即沿X軸的伸縮，繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種機(jī)械手臂部的俯仰運(yùn)動(dòng)能抓取到地 面上的物件，為了使手部能夠適應(yīng)被抓取對(duì)象方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動(dòng)，使其 手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種形式的機(jī)械手具有動(dòng)作靈活，占地面積小而工作范圍 大等特點(diǎn)，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動(dòng)形式。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，此外，臂部擺角的 誤差通過(guò)手臂會(huì)引起手部中心處的誤差放大。 3. 2執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3. 2. 1 F-部 手部是用來(lái)直接抓取或握緊

3、（或吸附）工件的部件。由于被抓握工件的形狀、尺寸大 小、輕重和材料的性能、表面狀況等不同，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)都是根據(jù)工件的要求而設(shè)計(jì)的。常用的手部結(jié)構(gòu)有夾鉗式、氣吸式、電磁式以 及其他形式。 夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求（1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力（2）手指應(yīng)應(yīng)具 有一定的開(kāi)閉范圍（3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾緊精度（4）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、 效率高（5）應(yīng)考慮通用性和特殊要求3. 2.2腕部 連接手部與臂部的部件，主要作用是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改 2 變或調(diào)整手部在空間的方位，使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)朵的動(dòng)作要求。要求0-180的回轉(zhuǎn)動(dòng) 作，因此選用具有單口由度的

4、回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，但 回轉(zhuǎn)角度較小，并且要求嚴(yán)格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。 腕部設(shè)計(jì)的基本要求及其口由度：a力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕b綜合考慮，合理布局 c必須考慮工作條件對(duì)于高溫作業(yè)和在腐蝕性介質(zhì)中工作的機(jī)械手，其腕部在設(shè)計(jì) 時(shí)應(yīng)充分考慮環(huán)境對(duì)腕部的不良影響 3. 2. 3臂部及機(jī)身 臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。作用是支承腕部和手部（包括工件與工具）。并帶動(dòng) 他們作空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的是把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手 部的姿態(tài)則由腕部的自由度實(shí)現(xiàn)。因而機(jī)械手的臂部一般具有三個(gè)口由度才能滿足基本要 求：即手部的伸縮左右回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）

5、運(yùn)動(dòng)。機(jī)身是直接支承和傳動(dòng)手臂的部件。 一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降回轉(zhuǎn)和俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者直接 構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因而其設(shè)計(jì)與臂部的設(shè)計(jì)經(jīng)常一起考慮。機(jī)身可以是固定的, 也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。 臂部設(shè)計(jì)的基本要求為：a承載能力大，剛度好，自重輕 b運(yùn)動(dòng)速度高，慣性小 c臂部運(yùn)動(dòng)應(yīng)靈活 d位置精度要高 除上面提到的要求外，還要保證機(jī)械手的通用性要好，能適應(yīng)在不同環(huán)境作業(yè)的要求: 工藝性要好，便于安裝和加工;用于高溫環(huán)境作業(yè)的機(jī)械手，還要考慮隔熱和冷卻：用于 粉塵大作業(yè)區(qū)的機(jī)械手，還要設(shè)置防塵裝置等。這方面的設(shè)計(jì)需要根據(jù)機(jī)械手工作環(huán)境條 件進(jìn)行具

6、體的設(shè)計(jì)。 綜上所述，本機(jī)械手的設(shè)計(jì)，臂部選用雙導(dǎo)向桿伸縮結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)為手臂的伸縮缸安 裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉圧作用，受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平 穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。3. 3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 根據(jù)動(dòng)力源不同大致可分為氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。根據(jù)課題特點(diǎn)。其中以液 壓氣動(dòng)用的最多，占90%以上，電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、 齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí) 現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動(dòng)半緩，可無(wú)級(jí)變速，口鎖 方便，并能在中間

7、位置停止。缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6個(gè)大氣壓，個(gè)別 的達(dá)到8-10個(gè)大氣圧。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積 大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而11潤(rùn)滑性 較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩 沖機(jī)構(gòu)。 電氣驅(qū)動(dòng)采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來(lái)驅(qū)動(dòng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動(dòng)則用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)：有的采用直線電動(dòng)機(jī)。通用機(jī)械手則 考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)

8、點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單，維 護(hù)，使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動(dòng)力，出力比較大；缺點(diǎn)是控制 響應(yīng)速度比較慢。 機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作 確實(shí)可靠，速度高，成本低：缺點(diǎn)是不易調(diào)整。 綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用液壓驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，傳遞力矩 大，并且控制精度高 3. 4控制機(jī)構(gòu) PLC控制 4 4機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算 4. 1設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）如下圖為常見(jiàn)的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3的作用下銷(xiāo)軸2向上的拉力為P, 并通過(guò)銷(xiāo)軸中心0點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷(xiāo)軸的反作用力為P1和P2,其力的方向垂直于 滑槽的中心線001和002并

9、指向0點(diǎn)，P1和P2的延長(zhǎng)線交0102于A與B。 由 Z Fx=0 得 Pl= P2 L Fy=0 得 Pl= P 2cos?EMol (F)二0 得 Plh=Nb 因 h二 a2b 所以P=cos2?N cos?a式中a手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離 (mm): ?一工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng) 力P 定時(shí)，？角增大，則握力N也隨之增加，但?角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿的行程過(guò)大，以及手 指滑槽尺寸長(zhǎng)度，使之結(jié)構(gòu)增大，因此一般取 ?=300400,這里取為350。 此處設(shè)計(jì)的機(jī)械手是滑槽杠桿式的。夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算(1)由上知，驅(qū)動(dòng)力P二 2bcos2?N a手指與工件的位置：手指垂直位置夾水平平位置放置的工件，那么握力 N?0. 5Gtan(?-?),其中?arctanf, f為摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼f二0. 1。工件的重力 G二100N,解得握力N=84. 18N.由計(jì)算可得，b二120mm,圧20mm,代入公式中解得 驅(qū)動(dòng)力 P二678N 感謝您的閱讀，祝您生活愉快。