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1、球坐標式四自由度機械手項目設計方案 2設計參數(shù) 2. 1設計題目 球坐標式四口由度機械手設計2.2初始參數(shù)與設計要求 （1）抓重：100N （2）自由度：4個（3）臂部運動參數(shù)： 表2-1 運動名稱 伸縮 回轉 回轉 符號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）腕部運動參數(shù)： 表2-2 運動名稱符號行程范圍0。-180。速度90 o /s回轉？ （3）手指夾持范圍： 棒料，直徑40- d60mm,長度450-1200mm （6）定位方式：電位器（或接近開關等）設 定，點位控制 1 （7）驅動方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)
2、）（8）定位精度： 3mm （9）控制方式： PLC控制 3設計方案的擬定 3. 1初步分析 該工業(yè)機械手的坐標形式是球坐標式，其臂部的運動由一個直線運動和兩個轉動組成, 即沿X軸的伸縮，繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉。這種機械手臂部的俯仰運動能抓取到地 面上的物件，為了使手部能夠適應被抓取對象方位的要求，常常設有手腕上下擺動，使其 手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種形式的機械手具有動作靈活，占地面積小而工作范圍 大等特點，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動形式。但結構較復雜，此外，臂部擺角的 誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。 3. 2執(zhí)行機構 3. 2. 1 F-部 手部是用來直接抓取或握緊
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)機械手的手部結構是多種多樣的，大部分 的手部結構都是根據(jù)工件的要求而設計的。常用的手部結構有夾鉗式、氣吸式、電磁式以 及其他形式。 夾鉗式手部設計的基本要求（1）應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力（2）手指應應具 有一定的開閉范圍（3）應保證工件在手指內的夾緊精度（4）要求結構緊湊、重量輕、 效率高（5）應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動的基礎上進一步改 2 變或調整手部在空間的方位，使機械手適應復朵的動作要求。要求0-180的回轉動 作，因此選用具有單口由度的
4、回轉液壓缸驅動結構。此結構特點是結構緊湊，靈活，但 回轉角度較小，并且要求嚴格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。 腕部設計的基本要求及其口由度：a力求結構緊湊，重量輕b綜合考慮，合理布局 c必須考慮工作條件對于高溫作業(yè)和在腐蝕性介質中工作的機械手，其腕部在設計 時應充分考慮環(huán)境對腕部的不良影響 3. 2. 3臂部及機身 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件。作用是支承腕部和手部（包括工件與工具）。并帶動 他們作空間運動。臂部運動的目的是把手部送到空間運動范圍內的任意一點。如果改變手 部的姿態(tài)則由腕部的自由度實現(xiàn)。因而機械手的臂部一般具有三個口由度才能滿足基本要 求：即手部的伸縮左右回轉和升降（或俯仰）
5、運動。機身是直接支承和傳動手臂的部件。 一般實現(xiàn)臂部的升降回轉和俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接 構成機身的軀干與底座相連。因而其設計與臂部的設計經常一起考慮。機身可以是固定的, 也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運動。 臂部設計的基本要求為：a承載能力大，剛度好，自重輕 b運動速度高，慣性小 c臂部運動應靈活 d位置精度要高 除上面提到的要求外，還要保證機械手的通用性要好，能適應在不同環(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)的機械手，還要考慮隔熱和冷卻：用于 粉塵大作業(yè)區(qū)的機械手，還要設置防塵裝置等。這方面的設計需要根據(jù)機械手工作環(huán)境條 件進行具
6、體的設計。 綜上所述，本機械手的設計，臂部選用雙導向桿伸縮結構。其特點為手臂的伸縮缸安 裝在兩根導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉圧作用，受力簡單，傳動平 穩(wěn)，外形整齊美觀，結構緊湊。3. 3驅動機構 根據(jù)動力源不同大致可分為氣動、液壓、電動和機械傳動。根據(jù)課題特點。其中以液 壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機械驅動用的較少。 液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、 齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實 現(xiàn)回轉運動。液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動半緩，可無級變速，口鎖 方便，并能在中間
7、位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。 氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別 的達到8-10個大氣圧。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積 大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而11潤滑性 較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構或緩 沖機構。 電氣驅動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應電動機作為動力，用大減速比減速器來驅動 執(zhí)行機構；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構：有的采用直線電動機。通用機械手則 考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。電氣驅動的優(yōu)
8、點是動力源簡單，維 護，使用方便。驅動機構和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制 響應速度比較慢。 機械驅動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作 確實可靠，速度高，成本低：缺點是不易調整。 綜合考慮，本設計選用液壓驅動，其特點是速度快，結構簡單，控制方便，傳遞力矩 大，并且控制精度高 3. 4控制機構 PLC控制 4 4機械手手部的設計計算 4. 1設計計算 （1）如下圖為常見的滑槽杠桿式手部結構。在拉桿3的作用下銷軸2向上的拉力為P, 并通過銷軸中心0點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為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，P1和P2的延長線交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手指的回轉支點到對稱中心線的距離 (mm): ?一工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角。由分析可知，當驅動 力P 定時，？角增大，則握力N也隨之增加，但?角過大會導致拉桿的行程過大，以及手 指滑槽尺寸長度，使之結構增大，因此一般取 ?=300400,這里取為350。 此處設計的機械手是滑槽杠桿式的。夾緊力及驅動力的計算(1)由上知，驅動力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)，鋼對鋼f二0. 1。工件的重力 G二100N,解得握力N=84. 18N.由計算可得，b二120mm,圧20mm,代入公式中解得 驅動力 P二678N 感謝您的閱讀，祝您生活愉快。
球坐標式四自由度機械手項目設計方案
