◎馬興飛 張姍姍 馬立洲

機(jī)械手也稱(chēng)自動(dòng)手，它可以通過(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。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中。

本次設(shè)計(jì)的三自由度機(jī)械手是一種小型的針對(duì)回轉(zhuǎn)任務(wù)的機(jī)械手，它的功能明確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低。

本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手要求如下：

1.三自由度：一個(gè)移動(dòng)、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)；

2.大臂水平方向的有效行程為1.6m；

3.設(shè)計(jì)工況：回轉(zhuǎn)殼體內(nèi)進(jìn)行180度自由旋轉(zhuǎn)。

一、機(jī)械手結(jié)構(gòu)概述

機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及檢測(cè)系統(tǒng)。

1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)。是最常見(jiàn)、最直觀能夠看到的部分，主要包括支柱、手臂、腕部、手部等四部分。

支柱是整個(gè)機(jī)械手中受力最為復(fù)雜的部分，支撐著整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)。手臂是用來(lái)支撐手部的運(yùn)動(dòng)，承受手部所抓取物體的彎矩和扭矩。手腕具有一個(gè)單獨(dú)的自由度，是為了確保機(jī)械手的靈活性以及較強(qiáng)的適應(yīng)性能。手腕的動(dòng)作包括回轉(zhuǎn)、擺動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)等。手部是用來(lái)抓取對(duì)象物體的結(jié)構(gòu)。手部不單單是手爪、手指的形式，也可以做成吸盤(pán)、真空盤(pán)、鉗體等各種結(jié)構(gòu)。

2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械手需要?jiǎng)恿υ磳?duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力源常見(jiàn)的有電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓、機(jī)械等裝置，是完成動(dòng)作的基礎(chǔ)保障之一。

3.控制系統(tǒng)。約定機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)作的根本，是機(jī)械手的大腦。常見(jiàn)的控制系統(tǒng)有基于單片機(jī)、基于PLC、基于互聯(lián)網(wǎng)等形式。

4.位置檢測(cè)。機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)時(shí)要不斷進(jìn)行反饋位置，已確定是否達(dá)到所需要的要求及下一步動(dòng)作，需要不斷利用傳感器或其他方法進(jìn)行位置的檢測(cè)確定。

二、機(jī)械手傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

1.坐標(biāo)形式選擇。

目前機(jī)械手的主要坐標(biāo)形式有四種：直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)。

（1）直角坐標(biāo)。類(lèi)似于直角坐標(biāo)系，整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)空間運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)能夠通過(guò)一個(gè)坐標(biāo)方向?qū)崿F(xiàn)，而空間運(yùn)動(dòng)或者斜線運(yùn)動(dòng)則需要兩個(gè)或者三個(gè)坐標(biāo)方向同時(shí)或者配合才能夠?qū)崿F(xiàn)，所以直角坐標(biāo)的機(jī)械手一般尺寸都相對(duì)大一點(diǎn)。在應(yīng)用范圍上，直角坐標(biāo)機(jī)械手主要用來(lái)裝配和搬運(yùn)工作，實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的傳動(dòng)及定位，常見(jiàn)的形式有龍門(mén)結(jié)構(gòu)、行車(chē)結(jié)構(gòu)等。

2.圓柱坐標(biāo)。一種常見(jiàn)的機(jī)械手坐標(biāo)形式，工作范圍是一個(gè)圓柱形結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等運(yùn)動(dòng)。在結(jié)構(gòu)中利用機(jī)械手主體的回轉(zhuǎn)及手臂的伸縮，附以主體升降或手臂旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求及達(dá)到一定精度。圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作范圍大、靈活性高，應(yīng)用范圍包括碼垛機(jī)、上下料、物料搬運(yùn)等。

3.球型坐標(biāo)。球坐標(biāo)機(jī)械手的靈活性高，執(zhí)行速度快，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度方面較高，一般采用伺服電機(jī)，利用閉環(huán)反饋信號(hào)精準(zhǔn)控制。常見(jiàn)的動(dòng)作是底座回轉(zhuǎn)，手臂直線運(yùn)動(dòng)，大臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。球坐標(biāo)機(jī)械手主要應(yīng)用在物體搬運(yùn)、空間轉(zhuǎn)換等方面的工作中，具有柔性，實(shí)用性較強(qiáng)。

4.關(guān)節(jié)型坐標(biāo)。可實(shí)現(xiàn)多個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)，利用回轉(zhuǎn)方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。由于可以多個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)，所以能夠覆蓋較大的工作面積，靈活性強(qiáng)，整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，是應(yīng)用范圍最廣的一種機(jī)械手。主要應(yīng)用在搬運(yùn)、焊接、裝配、噴漆等行業(yè)。

在本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)規(guī)定的基本參數(shù)和要求，需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)選擇的坐標(biāo)形式是球坐標(biāo)。其基本功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械手基本功能結(jié)構(gòu)

2.傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為了確保整個(gè)機(jī)械手定位精準(zhǔn)，動(dòng)作快捷，整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)鏈需做到盡可能簡(jiǎn)潔，這樣能夠利用伺服電機(jī)快速實(shí)現(xiàn)指令動(dòng)作。整個(gè)機(jī)械手的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分都是采用的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)對(duì)于機(jī)械手來(lái)說(shuō)是一個(gè)標(biāo)配，伺服電機(jī)能夠根據(jù)控制系統(tǒng)進(jìn)行步進(jìn)控制，達(dá)到很好的精度實(shí)現(xiàn)工作，并且伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)體積較小，非常適合機(jī)械手使用。具體三個(gè)自由度的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹如下：

（1）整體轉(zhuǎn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用行星齒輪減速。行星齒輪減速機(jī)占用空間小同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的傳動(dòng)比，具有響應(yīng)速度快、噪音小、精度高以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)行星齒輪減速機(jī)在市場(chǎng)中已經(jīng)形成了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)件，只需要選擇即可，價(jià)格適中。

（2）大臂的旋轉(zhuǎn)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，二級(jí)同步帶減速。為了降低大臂轉(zhuǎn)動(dòng)以及伸縮運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)慣量，驅(qū)動(dòng)大臂的伺服電機(jī)放置在底殼或者靠下的位置，利用回轉(zhuǎn)殼體高度的空間，采用同步帶減速傳遞。同步帶傳遞結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便成本低，同時(shí)傳動(dòng)比固定效率高。

（3）大臂的水平方向采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)。大臂水平方向主要實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)，采用伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)能夠減少傳動(dòng)鏈，響應(yīng)更加迅速。同時(shí)利用滾珠絲杠能夠直接實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變直線運(yùn)動(dòng)，節(jié)省不必要的結(jié)構(gòu)。同時(shí)滾珠絲杠還具有減速作用，具有自功能，傳動(dòng)定位精準(zhǔn)，適合高精度傳動(dòng)。

圖2 傳動(dòng)方案圖

3傳動(dòng)帶設(shè)計(jì)計(jì)算

在本次設(shè)計(jì)中，同步帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為80Nm，為了考慮工作余量及工作安全性、穩(wěn)定性，同步帶的計(jì)算輸出轉(zhuǎn)矩提高1.5倍，也達(dá)到120Nm，同時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)速，選擇同步帶的額定輸出轉(zhuǎn)速為30°/s，單級(jí)傳動(dòng)效率為85%，總傳動(dòng)比為10，則同步帶傳遞的功率計(jì)算為：

本次設(shè)計(jì)的大臂轉(zhuǎn)動(dòng)采用兩級(jí)傳動(dòng)，連續(xù)用兩個(gè)齒形帶傳動(dòng)。在設(shè)計(jì)中選擇第一級(jí)傳動(dòng)比為5，第二級(jí)傳動(dòng)比為2，則據(jù)此可以計(jì)算各個(gè)帶輪的轉(zhuǎn)速。

第一輪轉(zhuǎn)速：n1=30°/s=5r/min

第二輪轉(zhuǎn)速：n2=2n1=10r/min

第四輪轉(zhuǎn)速：n4=5n2=50r/min

對(duì)兩級(jí)傳動(dòng)的中心距，可以先暫時(shí)擬定中心距分別為310mm和350mm，后期可以根據(jù)實(shí)際計(jì)算進(jìn)行修改微調(diào)。

計(jì)算齒形帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率。

結(jié)合本次設(shè)計(jì)工作環(huán)境及傳動(dòng)過(guò)程可知不需要采用張緊輪，同時(shí)傳動(dòng)比屬于減速傳動(dòng)。所以選擇載荷修正系數(shù)k=1.2。則齒形帶傳遞設(shè)計(jì)功率Pd計(jì)算為：pd=1.2×174=208.8w

根據(jù)計(jì)算功率及同步帶所傳遞的最大轉(zhuǎn)速等，選擇同步帶的基本結(jié)構(gòu)尺寸，選擇節(jié)距代號(hào)為H，對(duì)應(yīng)選擇的節(jié)距Pd=12.700mm。

帶輪直徑

對(duì)于齒形帶同步帶，其最小齒數(shù)可以選擇值為10，考慮到制造和安裝等因素，本次設(shè)計(jì)選擇最小齒數(shù)Z1=68。

則得出z2=150。

對(duì)計(jì)算的齒數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化選擇，取值

則同理可計(jì)算得出z3=72，z4=133

根據(jù)所選擇的齒形帶的齒數(shù)，重新計(jì)算傳動(dòng)比，可得：

則總的傳動(dòng)比為：i=i1i2=3.96

則可以根據(jù)具體的參數(shù)計(jì)算帶輪的直徑：

則據(jù)此可以計(jì)算帶長(zhǎng)，計(jì)算公式如下：

帶入計(jì)算得：Lp1=834mm

根據(jù)同樣的計(jì)算公式以及方法計(jì)算得出Lp2=907mm。

對(duì)計(jì)算的值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化選擇，參考計(jì)算值以及標(biāo)準(zhǔn)，選擇Lp1=845mm，齒數(shù)為169，Lp2=920mm，齒數(shù)為184。

計(jì)算傳動(dòng)的中心距，計(jì)算公式如下：

公式中M=Pb×(2Zb-z1-z2)/8

Pb表示齒形帶的節(jié)距，根據(jù)所選擇的型號(hào)等，取值為12.70mm。

Zb表示齒形帶的齒數(shù)，根據(jù)前面計(jì)算，Zb1=169，Zb2=184。

帶入計(jì)算得：M1=Pb1×(zb1-z1-z2)/8=12.70×(2×169-68-150)=324mm

L1可取=350mm。

根據(jù)同理計(jì)算，M2=334.7mm，L2=368.4mm，對(duì)其取整可取L2=368mm。

對(duì)齒形帶的帶寬進(jìn)行選擇。對(duì)于小的齒形輪，選擇的齒數(shù)為68，根據(jù)其轉(zhuǎn)速以及所選擇帶型的基準(zhǔn)額定功率，計(jì)算嚙合的齒數(shù)。

嚙合齒數(shù)計(jì)算公式如下：

根據(jù)計(jì)算及參數(shù)的選擇，嚙合系數(shù)為：KZ=1-0.2(6-Zm=0.6)

根據(jù)前面計(jì)算的參數(shù)，可以選擇同步帶的基準(zhǔn)寬度為b=23.5mm。則同步帶寬度為：bs=(pd/p0KZ)1/1.14b

計(jì)算得bs=19.7mm。

可查詢(xún)得其帶寬系數(shù)為0.81，齒形帶的許用拉應(yīng)力Ta=113.17N，帶的質(zhì)量為0.175kg/m。

兩級(jí)帶傳動(dòng)均采用齒形帶，其一級(jí)齒形帶齒數(shù)為169，圓周直徑845mm，代號(hào)為160。二級(jí)傳動(dòng)齒數(shù)為184，長(zhǎng)度為920mm，代號(hào)為160。總共傳動(dòng)的帶輪為四個(gè)，齒數(shù)分別為68、150、72、133。帶輪的直徑分別為d1=64.17mm；d2=142.48mm；d3=67.99mm；d4=126.24mm。傳動(dòng)的中心距分別為306mm和345mm。

四、滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)一般滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)以及機(jī)械手工作的性質(zhì)。擬定滾珠絲杠工作時(shí)候的Vmax最高運(yùn)動(dòng)速度為0.1m/s，加減速行程運(yùn)動(dòng)時(shí)間均為0.15s，定位精度為±0.3mm/1000m，工作軸向間隙為0.15mm，導(dǎo)軌和工作臺(tái)摩擦系數(shù)為0.003，滾珠絲杠傳動(dòng)效率為90%。伸縮滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)所選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1×10-3kg/㎡。

1.絲杠導(dǎo)程確定。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min，電機(jī)和絲杠之間的連接方式是直接連接，所以傳動(dòng)比為1，導(dǎo)程的計(jì)算可以采用以下公式：

根據(jù)計(jì)算，可以選擇絲杠的導(dǎo)程為4mm。

同時(shí)對(duì)于絲杠來(lái)說(shuō)，由于是機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)模式，可以選擇一端固定一端支撐的安裝方式。

2.絲杠的外徑.

根據(jù)市場(chǎng)常見(jiàn)的滾珠絲杠，比如常見(jiàn)的THK公司的軸向間隙小于0.15mm的滾珠絲杠外徑需要在32mm以下。結(jié)合前面計(jì)算出的絲杠的導(dǎo)程為4mm，據(jù)此選擇滾珠絲杠的外徑為16mm。

計(jì)算滾珠絲杠的容許載荷。首先計(jì)算滾珠絲杠的加速度，如下：

工作中所承受的最大軸向載荷：

根據(jù)絲杠參數(shù)表可以查得絲杠的內(nèi)直徑為13.2mm，前面已經(jīng)選定了絲杠的安裝形式，根據(jù)安裝形式，其安裝系數(shù)為f=15.1，可以計(jì)算絲杠的臨界轉(zhuǎn)速：

校核運(yùn)行的最高實(shí)際速度，是否超過(guò)臨界值：

可知，滿足要求，沒(méi)有超過(guò)臨界值。

3.螺母的選擇計(jì)算。

根據(jù)絲杠的外徑以及導(dǎo)程等，選擇螺母的型號(hào)為BNFN 1604-3，其基本參數(shù)為ca=5.4KN，c0a=13.3KN。根據(jù)機(jī)械手的工作特點(diǎn)，沖擊振動(dòng)取值fs=2.5。則可以計(jì)算螺母所承受的最大載荷：

通過(guò)計(jì)算，選擇的螺母是符合要求的。

4.驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇計(jì)算。

正常工作狀態(tài)下，一般絲杠處于等速運(yùn)動(dòng)的工作情形，計(jì)算正常工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩。公式如下：

公式中參數(shù)F=μmg+f=16.47N，帶入得：

根據(jù)所選擇的絲杠，其本身的單位長(zhǎng)度轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.23×103kg·cm2/mm。根據(jù)絲杠的長(zhǎng)度選擇為1000mm，所以絲杠自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如下：Js=1.23×103×1000=123kg/m2

機(jī)械手螺母執(zhí)行部件等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如下：

將所有負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)的輸出總的滑動(dòng)慣量計(jì)算

電機(jī)在實(shí)際工作時(shí)候的最高轉(zhuǎn)速為：

工作中的角加速度：

則加速度所產(chǎn)生的扭矩計(jì)算為：

所以電機(jī)在工作中所需要的最大扭矩為加速時(shí)的驅(qū)動(dòng)扭矩。根據(jù)扭矩以及轉(zhuǎn)速等，選擇電機(jī)的型號(hào)為82SY002電機(jī)。

四、總結(jié)

本文首先介紹了機(jī)械手的通用結(jié)構(gòu)及組成，其次針對(duì)給定的功能限制參數(shù)，設(shè)計(jì)三個(gè)自由度的傳動(dòng)方案。最后，針對(duì)移動(dòng)方向，著重介紹了傳動(dòng)帶及滾珠絲杠的相關(guān)設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

本次設(shè)計(jì)只針對(duì)具有回轉(zhuǎn)任務(wù)的特定工序，具有一定現(xiàn)實(shí)意義，同類(lèi)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以此做參考。