球坐标式四自由度机械手工程设计方案 球坐标式四自由度机械手工程设计方案 2 设计参数 2.1设计题目 球坐标式四自由度机械手设计 2.2 初始参数与设计要求 〔1〕抓重：100N 〔2〕自由度：4个 〔3〕臂部运动参数： 表 2-1 运动名称 伸缩 回转 回转 符号 X φ θ 行程范围 350mm 0 o-210o 0 o-45o 速度 ＜250mm/s ＜90 o /s ＜90 o /s 〔4〕腕部运动参数： 表 2-2 运动名称 符号 行程范围 0 o -180o 速度 ＜90 o /s 回转 ? 〔5〕手指夹持范围：棒料，直径φ40-φ60mm，长度450-1200mm 〔6〕定位方式：电位器〔或接近开关等〕设定，点位控制 1 〔7〕驱动方式：液压〔中、低压系统〕 〔8〕定位精度：±3mm 〔9〕控制方式：PLC控制 3设计方案的拟定 3.1初步分析^p 该工业机械手的坐标形式是球坐标式，其臂部的运动由一个直线运动和两个转动组成，即沿X轴的伸缩，绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转这种机械手臂部的俯仰运动能抓取到地面上的物件，为了使手部可以适应被抓取对象方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持程度位置或其它状态。
这种形式的机械手具有动作灵敏，占地面积小而工作范围大等特点，它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式但构造较复杂，此外，臂部摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大 3.2 执行机构 3.2.1手部 手部是用来直接抓取或握紧〔或吸附〕工件的部件由于被抓握工件的形状、尺寸大小、轻重和材料的性能、外表状况等不同，工业机械手的手部构造是多种多样的，大局部的手部构造都是根据工件的要求而设计的常用的手部构造有夹钳式、气吸式、电磁式以及其他形式 夹钳式手部设计的根本要求 〔1〕 应具有适当的夹紧力和驱动力 〔2〕 手指应应具有一定的开闭范围 〔3〕 应保证工件在手指内的夹紧精度 〔4〕 要求构造紧凑、重量轻、效率高 〔5〕 应考虑通用性和特殊要求 3.2.2腕部 连接手部与臂部的部件，主要作用是在臂部运动的根底上进一步改 2 变或调整手部在空间的方位，使机械手适应复杂的动作要求要求0-180°的回转动作，因此选用具有单自由度的回转液压缸驱动构造此构造 特点是构造紧凑，灵敏，但回转角度较小，并且要求严格密封，否那么就很难保证稳定的输出扭矩 腕部设计的根本要求及其自由度： a 力求构造紧凑，重量轻 b 综合考虑，合理布局 c 必须考虑工作条件 对于高温作业和在腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计时应充分考虑环境对腕部的不良影响 3.2.3臂部及机身 臂部是机械手的主要执行部件。
作用是支承腕部和手部〔包括工件与工具〕并带动他们作空间运动臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点假如改变手部的姿态那么由腕部的自由度实现因此机械手的臂部一般具有三个自由度才能满足根本要求：即手部的伸缩 左右回转和升降〔或俯仰〕运动机身是直接支承和传动手臂的部件一般实现臂部的升降 回转和俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连因此其设计与臂部的设计经常一起考虑机身可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动 臂部设计的根本要求为：a 承载才能大，刚度好，自重轻 b 运动速度高，惯性小 c 臂部运动应灵敏 d 位置精度要高 除上面提到的要求外，还要保证机械手的通用性要好，能适应在不同环境作业的要求：工艺性要好，便于安装和加工;用于高温环境作业的机械手，还要考虑隔热和冷却；用于粉尘大作业区的机械手，还要设置防尘装置等这方面的设计需要根据机械手工作环境条件进展详细的设计 综上所述，本机械手的设计，臂部选用双导向杆伸缩构造其特点为手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，受力简单，传动平稳，外形整齐美观，构造紧凑。
3 3.3 驱动机构 根据动力不同大致可分为气动、液压、电动和机械传动根据课题特点其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停顿缺点是需要装备压力，系统复杂本钱较高 气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等一般采用4-6个大气压，个别的到达8-10个大气压它的优点是气方便，维护简单，本钱低缺点是出力小，体积大由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停顿，只能用于点位控制，而且光滑性较差，气压系统容易生锈为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构 电气驱动采用的不多如今都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动那么用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机通用机械手那么考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等电气驱动的优点是动力简单，维护，使用方便驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比拟大；缺点是控制响应速度比拟慢。
机械驱动只用于固定的场合一般用凸轮连杆机构实现规定的动作它的优点是动作确实可靠，速度高，本钱低；缺点是不易调整 综合考虑，本设计选用液压驱动，其特点是速度快，构造简单，控制方便，传递力矩大，并且控制精度高 3.4控制机构 PLC控制 4 4 机械手手部的设计计算 4.1设计计算 〔1〕如下列图为常见的滑槽杠杆式手部构造在拉杆3的作用下销轴2向上的拉力为P,并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1和P2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A与B 由∑Fx=0 得P1= P2 ∑Fy=0 得P1=P 2cos?∑Mo1〔F〕=0 得P1h=Nb 因h=a2b 所以P=cos2-N cos?a式中 a—手指的回转支点到对称中心线的间隔 〔mm〕； ?—工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角 由分析^p 可知，当驱动力P一定时，?角增大，那么握力N也随之增加，但?角过大会导致拉杆的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度，使之构造增大，因此一般取?=300～400，这里取为350 此处设计的机械手是滑槽杠杆式的。
夹紧力及驱动力的计算(1)由上知，驱动力 P=2bcos2-N a手指与工件的位置：手指垂直位置夹程度平位置放置的工件，那么握力N?0.5Gtan(?-?),其中-arctanf,f为摩擦系数，钢对钢f=0.1工件的重力G=100N,解得握力N=84.18N.由计算可得，b=120mm, a=20mm, 代入公式中解得 驱动力P=678N \\ 5 第 页 共 页。