武文軒
(上海 ABB 工程有限公司 上海 201319)
摘要：機械手是一種能自動化定位控制并可根據(jù)需求重新編程的多功能機器，在工業(yè)自動化生產(chǎn)中占據(jù)著重要位置稠项。機械手的驅(qū)動方式可以是液壓傳動涯雅、氣壓傳動，也可以是電氣控制等展运。通過對一種快速抓取式機械手的設(shè)計活逆，主要對手爪部分計算校核精刷，并且對抓取誤差的產(chǎn)生進行分析。
關(guān)鍵詞：搬運機器人蔗候；機械手怒允；結(jié)構(gòu)設(shè)計；誤差分析
機械手的驅(qū)動方式有氣壓傳動锈遥、液壓傳動误算、電氣傳動和機械傳動。廣泛使用的氣壓技術(shù)以壓縮空氣為介質(zhì)迷殿，具有動作迅速儿礼、平穩(wěn)、可靠庆寺、結(jié)構(gòu)簡單輕便蚊夫、體積小、節(jié)能懦尝、工作壽命長的特點知纷。
對易于控制、無環(huán)境污染的場合陵霉，自由度技術(shù)常作為機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的首選琅轧。自由度機械手與其它控制方式的機械手相比，具有無污染踊挠、抗干擾性強乍桂、價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單效床、功率體積比高等特點睹酌。
1 機械手總體設(shè)計
1.1 機械手工作原理
機械手的種類很多，但按手臂坐標(biāo)類型來分主要有直角坐標(biāo)式剩檀、圓柱坐標(biāo)式憋沿、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式沪猴、SCARA 型等辐啄。
本論文所針對的機械手屬于圓柱坐標(biāo)式，如圖1所示运嗜。機械手主要是由基座和手臂兩部分組成壶辜，基座的主要任務(wù)是支撐和完成手臂回轉(zhuǎn)。手臂裝在基座上洗出，作上下直線運動士复，手部可夾緊/放松图谷。
本機械手的全部動作由氣缸驅(qū)動翩活，氣缸由電磁閥控制阱洪。驅(qū)動部分有升降氣缸、擺動氣缸和手部驅(qū)動氣缸菠镇。
本機械手氣壓驅(qū)動的工作壓力為0.6MPa冗荸，最高可達1MPa。這個機械手具有兩個直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動自由度利耍，用于將原工作臺上的物品搬到其左側(cè)工作臺上蚌本。整個機械手在工作中能實現(xiàn)上升/下降、左旋轉(zhuǎn)/右旋轉(zhuǎn)隘梨、夾緊/放松功能程癌，是目前較為簡單的、應(yīng)用比較廣泛的一種機械手轴猎。機械手的工作流程如圖2所示嵌莉。
其升降運動通過升降氣缸、垂直導(dǎo)柱捻脖、滑動導(dǎo)柱锐峭、垂直導(dǎo)軌及升
降位置微動開關(guān)相互配合完成， 升降工作行程為0~1500 mm可婶。轉(zhuǎn)動是通過擺動氣缸沿癞、軸向止推軸承、擺動臂及擺動位置微動開關(guān)協(xié)調(diào)完成矛渴，轉(zhuǎn)動工作角度范圍為 0~180°椎扬。手部是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品具温，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量來控制盗舰。
1.2 機械手系統(tǒng)總體設(shè)計方案
本設(shè)計機械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：（1）手部，采用一個直線液壓缸桂躏，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手爪的張合钻趋；（2）腕部，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn) 180°剂习；（3）臂部蛮位，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平移 1.2 m；（4）機身鳞绕，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)失仁。
機械手及工作臺組成的機械手搬運系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示们何。
機械手萄焦、工作臺和紅外檢測器固定在一個大型的基座上。機械手的手部正下方有工作臺，用于放置物品拂封。在機械手的基座和工作臺之間安裝有一個紅外檢測器茬射，用于檢測工作臺上是否有物品。機械手把物品從系統(tǒng)外抓取移送到右面的工作臺上冒签。
2機械手運動分析及計算
2.1 手部設(shè)計基本要求
（1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力在抛。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的萧恕。
（2）手指應(yīng)具有一定的張開范圍刚梭，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度?y（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度），以便于抓取工件票唆。
（3）在保證本身剛度朴读、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊走趋、重 量輕磨德，以利于減輕機械臂的負(fù)載，提高效率吆视。
（4）應(yīng)保證手爪的夾持精度典挑。
2.2 典型的手部結(jié)構(gòu)
（1）回轉(zhuǎn)型：包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。
（2）移動型：即兩手指相對支座作往復(fù)運動啦吧。
（3）平面平移型您觉。
2.3 機械手手部的設(shè)計計算
下面對滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析：圖4（a）為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。
在杠桿的作用下授滓，銷軸向上的拉力為F琳水，并通過銷軸中心0點，兩手指的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2般堆，其力的方向垂直于滑槽的中心線001和002并指向0點在孝，交F1和F2的延長線于A及B。
式中：α為手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（mm）淮摔，α為工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角私沮。
由分析可知,當(dāng)驅(qū)動力F一定時,a角增大,則握力FN也隨之增大,但α角度過大會導(dǎo)致拉桿行程過長,以及手部結(jié)構(gòu)增大,因此最好a= 30°~40°。
為了保證手爪張開角為60°和橙，活塞桿運動長度為34mm仔燕。
手爪夾持范圍，在100mm以內(nèi)魔招。當(dāng)手爪沒有張開角的時候晰搀，如圖5（a）所示，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計办斑，它的最小夾持半徑R1 =40mm外恕，當(dāng)張開角為60°時，如圖5（b）所示，最大夾持半徑R2計算如下：
所以機械手的夾持半徑在40~100 mm鳞疲。
2.4 機械手手爪夾持精度的分析計算
機械手的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確罪郊，抓取精度高，重復(fù)定位精準(zhǔn)及運動穩(wěn)定性好建丧，并有足夠的抓取能力。
機械手能否準(zhǔn)確夾持工件波势，把工件送到指定位置翎朱，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也與機械手夾持誤差大小有關(guān)尺铣，特別是在多品種的中拴曲、小批量生產(chǎn)中。為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化凛忿，一定要進行機械手的夾持誤差計算分析澈灼。
該設(shè)計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度，如圖6所示店溢。
機械手的夾持直徑范圍為80mm～200mm叁熔，一般夾持誤差不超過1mm，分析如下：
2.5 彈簧的設(shè)計計算
選擇彈簧是壓縮條件床牧，選擇圓柱壓縮彈簧荣回。如圖7所示，計算過程如下戈咳。
（1）選擇硅錳彈簧鋼心软，查取許用切應(yīng)力：
（2）選擇旋繞比C=8,則
（3）根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=42(mm）,估算彈簧絲直徑：
（4）試算彈簧絲直徑:
（5）根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)∶
選擇標(biāo)準(zhǔn)為n=3 ，彈簧的總?cè)?shù)n1 =n+1.5 = 4.5 圈著蛙。
（6）最后確定D=42（mm)删铃，d=7(mm)，D1=D-d=35(mm)踏堡，D2=D+d=49(mm)
（7）對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算
對于壓縮彈簧如果長度較大時猎唁，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的顷蟆。為了避免這種現(xiàn)象,壓縮彈簧的長細(xì)比胖秒。本設(shè)計彈簧是2端自由,根據(jù)下列選取:
當(dāng)兩端固定時，b≤ 5.3慕的；當(dāng)一端固定阎肝，一端自由時，b ≤ 3.7肮街；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動時风题，b≤ 2.6。
結(jié)論：本設(shè)計彈簧 b =1.76 ≤ 2.6，因此彈簧穩(wěn)定性合適沛硅。
3 結(jié)語
搬運機械手是現(xiàn)代機電一體化自動生產(chǎn)線中重要的輔助裝置眼刃。它可實現(xiàn)上下、左右摇肌、伸縮六個方向的三維空間運動擂红，較適合經(jīng)常變更的生產(chǎn)與柔性制造生產(chǎn)的現(xiàn)代加工方法。機械手爪作為機械手的重要組成部分围小，其設(shè)計的優(yōu)劣昵骤， 對機械手的使用有直接的影響。因此肯适，對機械手爪提出了重量輕便变秦、結(jié)構(gòu)簡易、抓取穩(wěn)定框舔、壽命長久的設(shè)計要求蹦玫。
本文基于一款通用型機械手的設(shè)計,介紹了機械手的總體結(jié)構(gòu)及工作原理,重點對機械手爪的設(shè)計進行了計算校核,并對抓取誤差進行了分析,為今后對機械手及抓取部件的設(shè)計提供了一種思路與方法。
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