桶装矿泉水码垛机械手(编辑修改稿)

桶装矿泉水码垛机械手(编辑修改稿)内容摘要：

型操作 机。 该种机械手机构简单，便于几何计算，通常用于搬运机械手。 球坐标型机械手 球型坐标机械手是通过两个转动副和一个移动副来实现手部的空间位置变化。 一般是腰关节可绕 z 轴转动，大臂可在 zx 平面俯仰，小臂可伸缩运动。 这种机械手的特点是结构紧凑，所占空间体积小，但目前应用较少。 关节型机械手 关节型机械手是模拟人的上臂而构成的。 它的前三个关节是转动关节，腰关节绕 z 轴转动，臂的两个关节绕平行于 y 轴的两轴线转动 ,如图 24 所示。 它利用顺序的三次圆弧运动来改变手的空间位置，其机构特点是结构紧凑，所占空间体积 小，相对的工作空间大，还能绕过基座周围的一些障碍物。 这是机器人中使用最多的一种形式。 PNMA、 CINCINNATI T MOTOMAN、 ABB、 KUKA 等名牌机器人都采用这种形式的机械手。 为跟上时代步伐，为以后工作打基础，本次设计选用垂直关节型机械手。 机械手主要技术参数 （ 1） 工件重量 机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用液压方 14 式驱动，抓取力大，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为 38公斤。 （ 2） 基本参数 运动速度是机械手主要的基本参数。 操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。 而影响机械手动作快慢的主要因素是腰部的旋转、大臂的摆动和小臂的摆动。 具体技术参数如下表所示： 表 机械手基本参数 动作形态 垂直关节型 自由度 5 可搬质量 38kg 位置重复精度  1mm 动 作 范 围 腰部旋转 300176。 大臂摆动 115176。 小臂摆动 140176。 手腕伸缩 0176。 最 大 速 度 腰部旋转 110176。 /s 大臂摆动 110176。 /s 小臂摆动 110176。 /s 手腕旋转 110176。 /s 15 3 手部和腕部结构设计 手部结构设计 机械手的手部是用来抓持工件的部件，将直接影响到机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。 设计时要注意的问题： 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计 手指应有一定的开闭范围。 它的大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。 手指应有足够的夹紧力，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷 应能保证工件在手指内准确定位。 （ 1） 夹紧方案的确定 机械手夹持器有很多方式，包括滑槽杠杆式回转型夹持器、连杆杠杆回转型夹持器、齿轮齿条平行连杆平移式夹持器、左右旋丝杆平移型夹持器、内撑式连杆杠杆夹持器等。 根据夹持桶装水的实际情况齿轮齿条平行连杆平移式夹持器，如下图 31 所示： 图 31 齿轮齿条平行连杆平移式 （ 2） 手部液压缸的计算和选取 16 液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压组件的主要依据。 压力决定于外载荷，流量取决于液压执行组件的运动速度和结构尺寸。 （ 3） 液压缸输出力 液压缸的输出力 310PAF 式中： F—液压缸的输出力 P—对应输出力的工作压强 有效工作截面积分无杆腔和有杆腔： 无杆腔： 21 4AD (321) 有杆腔：  222 4 dDA   (322) 计算单活塞杆 1A ，计算的推力是取单活塞杆时液压缸拉力取 2A （ 4） 液压缸阻力 FfFiFeF  (323) Fe──工作负载为 0 Ff ──摩擦阻力 NNFf   (324) Fi──惯性负载 i=.gtGVF  (325) 式中， G为液压缸所要移动的总重量，取为 1000N； g 为重力加速度， 2/ sm ； v 为速度变化量，取 ； t 启动或制动时间，一般为 ~ ，取 将各值带入上式，得 iF =102N。 所以： ei f+ F = 9 8 + 1 0 2 + 0 = 2 0 0F F F （ 5） 夹紧力 Fn 和驱动力 Fp 的 关系 17 如图 25 所示，当驱动器推杆往上运动时，两滑块向中间收拢，产生夹紧力，夹紧力 NF 和驱动力 PF 的关系： 2 cosPN FRF L  (326) 式中， NF 手部夹紧力 PF 液压缸驱动力 R 齿轮分度圆半径，为 75mm L 连杆长度 ,为 200mm  连杆与竖直方向的夹角 当 PF 和 RL 一定时， NF 将随  增大而增大，当 =0 时夹紧力为最小值。 （ 6） 夹紧力 NF 的计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。 一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 1 2 3NF K K K G (327) 式中： 1K —安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定 ,通常取 ——，取； 2K —工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数 2K , 2 / 11 1 g    ， a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（ m/s）； 3K —方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同 进行选定， 手指与工件位置：手指垂直放置 工件垂直放置； 18 手指与工件形状：圆弧型指端夹持圆柱型工件， 3 1/fK  ， f 为摩擦系数，取 f =，此处粗略计算 3 2K G —被抓取工件的重量 求得夹紧力， 1 . 2 1 . 0 0 2 2 3 8 9 . 8 8 9 4NFN      （ 7） 理论驱动力 PF 和实际驱动力 39。 PF 的计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： 2 cosPN FRF L  (328) 当  为连杆与 竖直方向的夹角，当  为 0 时，夹紧力最小，即当  为 0 能夹紧工件，则其它时候均能夹紧。 ( 2 c o s ) 2 2 0 0 8 9 4 7 5 4 7 6 8NP LFFNR      得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力 39。 PF 要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率  ，一般取 ～ ，此处取 ，则： 4 7 6 8 0 . 9 5 2 9 739。 PP FFN    （ 8） 手部液压缸的选用 液压缸选取 HSG 型液压缸，此液压缸属于单向作用液压缸工作压力为16MPa。 根据力平衡原理，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克 服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为 : zt FFPDF  421  (329) 式中 : 1F 活塞杆上的推力， N tF 弹簧反作用力， N zF 液压缸工作时 的总阻力， N P 液压缸工作压力， Pa 弹簧反作用按下式计算 : )1( sGF ft  (330) 19 nDGdGf 31418 (331) 式中 : fG 弹簧刚度， N/m 1 弹簧预压缩量， m s 活塞行程， m 1d 弹簧钢丝直径， m 1D 弹簧平均直径， . n 弹簧有效圈数 . G 弹簧材料剪切模量，一般取 PaG  在设计中，必须考虑负载率 的影响，则 : tFpDF  421  (332) 由以上分析得单向作用液压缸的直径 : 14( )F FtD p (333) 代入有关数据，可得 fG nDGd31418 4333915)1030(8 )(    )/( 6 7 7 mN )1( sGF ft  )( 3N  所以 ： : 1 64( t ) 4 ( 52 97 22 )D= = = m m16 10 4FFP       20 查有关手册圆整，根据实际情况，选取 : 内径 50D mm 外径 =68mm 其简图如下： 图 HSG型活塞杆端外螺纹连接液压缸 机械手腕部结构设计 机械手腕部是小臂和手臂的联接部件，其作用是利用自身的活动度来确定手部夹持工件的空 间状态，也可以说是确定手部的姿态。 故腕部也称作机械手的姿态机构。 （ 1） 腕部的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。 手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。 由于本机械手抓取的工件是竖直放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕 Z 轴 转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为伺服电动机，因此我们选用伺服电动机。 伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。 伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。 且体积小，驱动力矩大。 21 （ 2）腕部的结构 如下图 33所示，伺服电动机通过工字钢固定在机架中间，通过联轴器带动 图 33 手腕 腕部旋 转，进而带动手部旋转。 腕部相对机架间的旋转是通过回转支撑轴承中的薄壁交叉滚子轴承实现的。 回转支承轴承是一种能够承受综合载荷的大型轴承，可以同时承受较大的轴向、径向负荷和倾覆力矩。 其简图如下图： 图 34 薄壁交叉滚子轴承 实物图如下： 22 图 35 薄壁交叉滚子轴承 （ 3）手腕转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩 .手腕转动时所 需的驱动力矩可按下式计算 : M M M M  驱 惯 摩 偏 (334) 式中 : 驱M 驱动手腕转动的驱动力矩 ( cmN )。 惯M 惯性力矩 ( cmN )。