張發(fā)廳

（黃河科技學(xué)院，河南　鄭州　450063）

驅(qū)動輪軸助力機(jī)械手設(shè)計研究

張發(fā)廳

（黃河科技學(xué)院，河南鄭州450063）

本文對機(jī)械手的功能及各部位進(jìn)行了介紹，分析機(jī)械手的組成及運動方式，介紹機(jī)械手手爪及臂部及腰部和支架的設(shè)計計算，以期為機(jī)械手的生產(chǎn)廠家進(jìn)行設(shè)計及用戶的使用提供參考.

機(jī)械手；手爪；臂部；設(shè)計

1　引言

機(jī)械手是仿照人類的手部結(jié)構(gòu)，按照人們的要求和設(shè)定的程序在規(guī)定時間內(nèi)完成取料、物料的傳送或者執(zhí)行某種動作的自動化控制設(shè)備.在自動化生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用.

本次對驅(qū)動輪軸的助力機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計，主要包括機(jī)械與結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計，驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇方面.確定機(jī)械手的座標(biāo)系、自由度問題、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等部分，為機(jī)械手的設(shè)計和使用提供理論參考.

2　機(jī)械手各部位的運動分析及介紹

2.1機(jī)械手各部位的運動分析

工業(yè)機(jī)械手一般情況下根據(jù)手臂的運動形態(tài)，按坐標(biāo)系定位的理論的不同一般可以分為極坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系及多關(guān)節(jié)式四種類型.本設(shè)計中機(jī)械手主要由以下部分組成：（1）利用直線氣壓缸驅(qū)動運動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)卡具的張合.（2）手部回轉(zhuǎn)運動用回轉(zhuǎn)型氣壓缸來實現(xiàn).（3）腕部采用軸承鏈接，以減小阻力，實現(xiàn)小臂的回轉(zhuǎn)運動.（4）肘部，采用軸承鏈接，減小阻力，以實現(xiàn)彎臂的回轉(zhuǎn)得以在平面中定位. （5）臂部，采用一個直線型的氣壓缸進(jìn)行驅(qū)動，推動大臂上下運動以實現(xiàn)大臂圍繞腰部的旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在垂直方向的定位.（6）腰部采用軸承鏈接，減小阻力，實現(xiàn)整個機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)動作.腰部、肘部與手部，三個旋轉(zhuǎn)副，使整個機(jī)構(gòu)的操作范圍實現(xiàn)了立柱周圍直徑3米內(nèi)從任意方向進(jìn)行夾取零件.

2.2機(jī)械手各部位介紹

1.驅(qū)動機(jī)構(gòu)

驅(qū)動機(jī)構(gòu)可分為氣動、液壓、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類.因為工廠一般都有氣源，所以氣動成本相對較低，而且安裝方便，因此工業(yè)中啟動選擇較多.

2.執(zhí)行機(jī)構(gòu)

（1）手部一般是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，大多數(shù)都是兩個手指的機(jī)械手；常見形式有：移動槽輪結(jié)構(gòu)、連桿結(jié)構(gòu)、齒輪及齒條結(jié)構(gòu)和重力結(jié)構(gòu)等.

（2）腕部是用來連接手指和手臂的，用來改變被夾取工件的方位，一般腕部都有回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)組成.

（3）臂部是鏈接著手腕并帶動手腕及其之后的部分在工作范圍內(nèi)進(jìn)行運動的.

3.控制系統(tǒng)分類

機(jī)械手的主要控制因素是空間坐標(biāo)位置，并注意其加速度、速度等特性.

3　機(jī)械手手部設(shè)計計算

3.1基本要求

（1）具有足夠的夾緊力；（2）手指的張開角度必須在使用范圍之內(nèi)；（3）要求結(jié)構(gòu)必須緊湊、重量相對較輕、效率要高.

3.2機(jī)械手手抓的設(shè)計計算

圖1　手部結(jié)構(gòu)、受力分析

1.選擇手抓形式及夾緊裝置選擇

本設(shè)計是驅(qū)動輪軸助力機(jī)械手，手抓張合直徑在30毫米到80毫米之間，夾取最大重量為60Kg.采用夾持式二指回轉(zhuǎn)型手抓.機(jī)械手手指在氣壓缸伸出作用下張開.

2.手抓力學(xué)分析

圖1為常見的連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)的卡具夾緊和松開狀態(tài).

手部結(jié)構(gòu)、受力分析：

A——手指B——銷軸C——氣壓缸

拉力F在B點，方向向上且過銷軸的中心點，兩手指A的對銷軸的反作用力分別為F1和F2，其力的方向垂直于手指向外，拉力F由下式計算.

對受力分析可知，最好角度選為30度到60度之間.

3.手抓夾持范圍計算

手抓張開直徑大于50mm，活塞桿行程最小為13.5mm.

手指的長度為a=80mm加上定位內(nèi)b=40mm，中間連接桿長度為c=40mm.拉桿長度d=20mm.支架寬度為e=80mm.當(dāng)拉桿與支架平齊時手指張開最大.如圖3.2（b）所示.所以最大半徑

Rmax=(（（e-d）/2+e/2-20）*3^0.5)/2

=50*1.732/2=43.3mm，取43mm.

所以當(dāng)兩手指碰到一起時，手指為夾角120度角，長度為30mm，如圖3.2（a）所示.內(nèi)部可夾取的軸半徑為Rmin，Rmin=30/2/2*3^0.5=12.99mm，取13mm.

手抓夾持、范圍為直徑26mm到直徑86mm.圖2（a）中，手指長80mm,手抓張開角為0，此時最小夾持直徑為26mm. 圖2（b）為手指張開時的情況，其中夾持半徑為86mm.

圖2　手抓夾持范圍計算

圖3　手抓張開示意圖

4　臂部設(shè)計

機(jī)械手的手臂部件的運動包括回轉(zhuǎn)、伸縮和升降運動3種運動方式，本次設(shè)計為手臂的回轉(zhuǎn)運動.

4.1大臂的尺寸與結(jié)構(gòu)

大臂要保證整體的高度運動范圍在0—1000mm以上，運動的角度最大不得超過90度，即上下不能大于45度，為取大臂有效長度為1800mm.

因為其沒有配合等要求，所以采用鑄鐵直接鑄造.截面采用矩形空心結(jié)構(gòu)，能夠承受更大的彎曲應(yīng)力.如圖4所示：

4.2彎臂尺寸與結(jié)構(gòu)

彎臂為第二段手臂，長度決定著水平工作范圍，由大臂確定其有效長度1200mm，為了使受力較為均勻，采用鑄造矩形空心截面，豎直尺寸為450mm.如圖5所示：

圖5　彎臂結(jié)構(gòu)

4.3小臂尺寸與結(jié)構(gòu)

小臂直接連接著腕部，小臂長度選為1580mm.因小臂不受彎力影響，所以選取圓形空心截面鑄造生產(chǎn).

5　腰部與支架的設(shè)計計算

5.1腰部的整體設(shè)計

本次設(shè)計把驅(qū)動大臂上下轉(zhuǎn)動的氣壓缸安裝在腰部由氣壓缸推動大臂向上使其向上轉(zhuǎn)動.頂端用兩個銷軸固定兩個大臂的桿件的位置，使其只能繞其旋轉(zhuǎn).腰部的底端直接安裝在支架上，用軸承鏈接，保證腰部能夠繞支架進(jìn)行旋轉(zhuǎn).腰部定在2300mm以上，總高度為3300mm，所以腰部尺寸為1000.

5.2支架整體設(shè)計

支架起支撐整個機(jī)構(gòu)的作用，與腰部用軸承鏈接無其他配合尺寸，采用鑄造圓形空心截面.高度為2300mm.

結(jié)束語

本文主要對機(jī)械手功能及各部位進(jìn)行介紹，重點對機(jī)械手手爪及臂部進(jìn)行設(shè)計計算，并對腰部和支架的設(shè)計進(jìn)行了簡單介紹，分析機(jī)械手各部位的運動，為機(jī)械手的設(shè)計和應(yīng)用提供理論參考.

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TP241

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1673-260X（2016）08-0031-02

2016-05-07

河南省重點學(xué)科資助項目（豫教高2012（186））；河南省民辦高校品牌專業(yè)（豫財教2013（140））；河南省本科工程教育人才培養(yǎng)模式改革試點專業(yè)（教高2012（964））；河南省專業(yè)綜合改革試點（教高2012（859））