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1、球坐标式四自由度机械手项目设计方案 2设计参数 2. 1设计题目 球坐标式四口由度机械手设计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巾 0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。-180。速度90 o /s回转？ （3）手指夹持范围： 棒料，直径40- d60mm,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
2、）（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 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，为了使手部能够适应被抓取对象方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其 手部保持水平位置或其它状态。这种形式的机械手具有动作灵活，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。但结构较复杂，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 F-部 手部是用来直接抓取或握紧
3、（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、表面状况等不同，工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分 的手部结构都是根据工件的要求而设计的。常用的手部结构有夹钳式、气吸式、电磁式以 及其他形式。 夹钳式手部设计的基本要求（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）要求结构紧凑、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基础上进一步改 2 变或调整手部在空间的方位，使机械手适应复朵的动作要求。要求0-180的回转动 作，因此选用具有单口由度的
4、回转液压缸驱动结构。此结构特点是结构紧凑，灵活，但 回转角度较小，并且要求严格密封，否则就很难保证稳定的输出扭矩。 腕部设计的基本要求及其口由度：a力求结构紧凑，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。如果改变手 部的姿态则由腕部的自由度实现。因而机械手的臂部一般具有三个口由度才能满足基本要 求：即手部的伸缩左右回转和升降（或俯仰）
5、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。因而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。 臂部设计的基本要求为：a承载能力大，刚度好，自重轻 b运动速度高，惯性小 c臂部运动应灵活 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 件进行具
6、体的设计。 综上所述，本机械手的设计，臂部选用双导向杆伸缩结构。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，活塞杆只受拉圧作用，受力简单，传动平 稳，外形整齐美观，结构紧凑。3. 3驱动机构 根据动力源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、运动半缓，可无级变速，口锁 方便，并能在中间
7、位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 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 的达到8-10个大气圧。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。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止，只能用于点位控制，而11润滑性 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。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器來驱动 执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构：有的采用直线电动机。通用机械手则 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
8、点是动力源简单，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，出力比较大；缺点是控制 响应速度比较慢。 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，成本低：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，结构简单，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）如下图为常见的滑槽杠杆式手部结构。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0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001和002并
9、指向0点，P1和P2的延长线交0102于A与B。 由 Z Fx=0 得 Pl= P2 L Fy=0 得 Pl= P 2cos?EMol (F)二0 得 Plh=Nb 因 h二 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距离 (mm): ?一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。由分析可知，当驱动 力P 定时，？角增大，则握力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，使之结构增大，因此一般取 ?=300400,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二 2bcos2?N a手指与工件的位置：手指垂直位置夹水平平位置放置的工件，那么握力 N?0. 5Gtan(?-?),其中?arctanf, f为摩擦系数，钢对钢f二0. 1。工件的重力 G二100N,解得握力N=84. 18N.由计算可得，b二120mm,圧20mm,代入公式中解得 驱动力 P二678N 感谢您的阅读，祝您生活愉快。
球坐标式四自由度机械手项目设计方案
