朱 英 宋開(kāi)功 李 姣 張榮芳/山東協(xié)和學(xué)院

多用途機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

朱 英 宋開(kāi)功 李 姣 張榮芳/山東協(xié)和學(xué)院

本課題設(shè)計(jì)為一種四自由度多用途機(jī)械手，主要用于車(chē)間、貨場(chǎng)等自動(dòng)搬運(yùn)，以代替人力作業(yè)。針對(duì)該多用途機(jī)械手的特點(diǎn)，對(duì)其整體方案、結(jié)構(gòu)部件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其各個(gè)組成部分，如驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置等進(jìn)行了詳細(xì)的分析設(shè)計(jì)計(jì)算，使其結(jié)構(gòu)布局和受力合理。其中包括液壓缸、齒輪齒條等標(biāo)準(zhǔn)件的選擇、計(jì)算。并采用先進(jìn)的工程軟件Solidworks、AutoCAD進(jìn)行二維、三維視圖的繪制。

四自由度；機(jī)械手；液壓驅(qū)動(dòng)；AutoCAD

1.引 言

機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置，模仿人手的部分動(dòng)作，按照給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作動(dòng)作的自動(dòng)化執(zhí)行裝置。具有自動(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，它是機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性[1]。

2.系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由機(jī)械手（執(zhí)行裝置）、機(jī)身（驅(qū)動(dòng)裝置）兩部分組成；都是由液壓來(lái)完成動(dòng)作。本機(jī)械手具有機(jī)身旋轉(zhuǎn)、升降、手臂伸縮以及旋轉(zhuǎn)四個(gè)自由度。驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)壓力為4MPa，共有機(jī)身升降油缸、機(jī)身旋轉(zhuǎn)油缸、手臂伸縮油缸、手臂旋轉(zhuǎn)油缸以及機(jī)械手夾緊油缸5個(gè)液壓缸[2]。機(jī)械手由執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成以及位置檢測(cè)裝置等組成。

2.2設(shè)計(jì)參數(shù)

抓重量50公斤手臂伸縮行程1200mm手腕回轉(zhuǎn)范圍0°-180°自由度4個(gè)手臂伸縮速度200mm/s手腕回轉(zhuǎn)速度45°/s最大工作半徑1400mm升降行程120mm驅(qū)動(dòng)方式液壓手臂最大中心高1250mm升降速度120mm/s夾持范圍100-180mm

3.總體方案設(shè)計(jì)

方案一、四自由液壓機(jī)械手

該機(jī)械手通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)液壓缸實(shí)現(xiàn)手臂伸縮、手臂旋轉(zhuǎn)、機(jī)身升降、旋轉(zhuǎn)四個(gè)自由度，速度快、靈活方便、便于控制，負(fù)載較大。

方案二、四自由度氣壓傳動(dòng)機(jī)械手

此機(jī)械手由氣缸提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸移動(dòng)以及手部轉(zhuǎn)動(dòng)四個(gè)自由度，優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快、動(dòng)作迅速，缺點(diǎn)是負(fù)載較小。

方案三、電動(dòng)液壓混合驅(qū)動(dòng)

該方案手臂之間的動(dòng)力傳動(dòng)靠齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，抓手工作通過(guò)液壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，抓手上部通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配合轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，靈活方便。

出于設(shè)計(jì)人的能力有限，此次設(shè)計(jì)所選擇的方案為方案一。在該方案中，動(dòng)力全部由液壓缸提供，這樣在工作時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，且可以很好的完成任務(wù)要求。

4.設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1夾緊液壓缸主要尺寸參數(shù)的確定

（1）液壓缸內(nèi)徑D的計(jì)算

由單活塞桿式液壓缸的推理公式：

按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)系列直徑回整，取D=25mm。

（2）活塞桿直徑d的計(jì)算

活塞桿直徑可按工作壓力確定，對(duì)于常速比的液壓缸可根據(jù)已定的缸徑D查下表確定：液壓缸工作壓力（MPa）≤5，取(0.5～0.6) D；液壓缸工作壓力～7取(0.6～0.7)D；液壓缸工作壓力>7取0.7D[3]。

4.2機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，手臂的伸縮長(zhǎng)度為1200mm，所以，根據(jù)GB2349-1980，選擇液壓缸活塞行程L為1250mm，又根據(jù)要求L≤（20～30）D0，可以D0≥40mmmm，因此，取液壓缸外徑D0=40mm，而液壓缸內(nèi)徑D的值根據(jù)GB/T2348-1993取為30mm；查表確定活塞桿的直徑d=0.6D=0.6×30mm=18mm，根據(jù)GB/T2348-1993，確定活塞桿的外徑為22mm。

4.3齒輪齒條的計(jì)算

由齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)、許用應(yīng)力大小、齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算最終確定齒輪數(shù)據(jù)：模數(shù)m=2 、齒數(shù)z=20 、分度圓直徑d=40mm 、齒高h(yuǎn)=4.25mm、齒寬b=24mm[4]。

5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維造型

5.1總體設(shè)計(jì)

圖1 總裝圖

圖1中，機(jī)身總共有四個(gè)液壓缸，通過(guò)1手腕旋轉(zhuǎn)液壓缸、6升降缸、17手臂伸縮缸以及23手臂旋轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)四個(gè)自由度。設(shè)計(jì)中，機(jī)身2可以起到手腕抗彎的作用，16導(dǎo)桿、21連桿可以起到手臂的抗彎的作用，在其跟7機(jī)身套筒的相互配合中，應(yīng)該及時(shí)添加潤(rùn)滑油。其中，21連桿可以再機(jī)械手套筒上滑動(dòng)，既能起到抗彎的作用，又能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)本身對(duì)于自由度的設(shè)定要求。

5.2機(jī)械手抓手設(shè)計(jì)

圖2 機(jī)械手抓手及三維造型