多用途機械手結構的設計

朱 英 宋開功 李 姣 張榮芳/山東協和學院

多用途機械手結構的設計

朱 英 宋開功 李 姣 張榮芳/山東協和學院

本課題設計為一種四自由度多用途機械手，主要用于車間、貨場等自動搬運，以代替人力作業。針對該多用途機械手的特點，對其整體方案、結構部件系統進行設計，并對其各個組成部分，如驅動裝置、執行裝置等進行了詳細的分析設計計算，使其結構布局和受力合理。其中包括液壓缸、齒輪齒條等標準件的選擇、計算。并采用先進的工程軟件Solidworks、AutoCAD進行二維、三維視圖的繪制。

四自由度；機械手；液壓驅動；AutoCAD

1.引 言

機械手是在機械化，自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置，模仿人手的部分動作，按照給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作動作的自動化執行裝置。具有自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用，它是機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性[1]。

2.系統組成及設計參數

2.1系統組成

該系統由機械手（執行裝置）、機身（驅動裝置）兩部分組成；都是由液壓來完成動作。本機械手具有機身旋轉、升降、手臂伸縮以及旋轉四個自由度。驅動方式為液壓驅動，系統壓力為4MPa，共有機身升降油缸、機身旋轉油缸、手臂伸縮油缸、手臂旋轉油缸以及機械手夾緊油缸5個液壓缸[2]。機械手由執行系統，驅動系統和控制系統組成以及位置檢測裝置等組成。

2.2設計參數

抓重量50公斤手臂伸縮行程1200mm手腕回轉范圍0°-180°自由度4個手臂伸縮速度200mm/s手腕回轉速度45°/s最大工作半徑1400mm升降行程120mm驅動方式液壓手臂最大中心高1250mm升降速度120mm/s夾持范圍100-180mm

3.總體方案設計

方案一、四自由液壓機械手

該機械手通過液壓驅動，通過液壓缸實現手臂伸縮、手臂旋轉、機身升降、旋轉四個自由度，速度快、靈活方便、便于控制，負載較大。

方案二、四自由度氣壓傳動機械手

此機械手由氣缸提供動力，實現X軸、Y軸、Z軸移動以及手部轉動四個自由度，優點是反應快、動作迅速，缺點是負載較小。

方案三、電動液壓混合驅動

該方案手臂之間的動力傳動靠齒輪傳動來實現，抓手工作通過液壓傳動實現，抓手上部通過伺服電機驅動，配合轉盤實現360°回轉，靈活方便。

出于設計人的能力有限，此次設計所選擇的方案為方案一。在該方案中，動力全部由液壓缸提供，這樣在工作時系統穩定，且可以很好的完成任務要求。

4.設計計算

4.1夾緊液壓缸主要尺寸參數的確定

（1）液壓缸內徑D的計算

由單活塞桿式液壓缸的推理公式：

按照GB/T2348-1993標準系列直徑回整，取D=25mm。

（2）活塞桿直徑d的計算

活塞桿直徑可按工作壓力確定，對于常速比的液壓缸可根據已定的缸徑D查下表確定：液壓缸工作壓力（MPa）≤5，取(0.5～0.6) D；液壓缸工作壓力～7取(0.6～0.7)D；液壓缸工作壓力>7取0.7D[3]。

4.2機械手臂運動機構的設計

根據任務書要求，手臂的伸縮長度為1200mm，所以，根據GB2349-1980，選擇液壓缸活塞行程L為1250mm，又根據要求L≤（20～30）D0，可以D0≥40mmmm，因此，取液壓缸外徑D0=40mm，而液壓缸內徑D的值根據GB/T2348-1993取為30mm；查表確定活塞桿的直徑d=0.6D=0.6×30mm=18mm，根據GB/T2348-1993，確定活塞桿的外徑為22mm。

4.3齒輪齒條的計算

由齒輪傳動的設計參數、許用應力大小、齒輪的設計計算最終確定齒輪數據：模數m=2 、齒數z=20 、分度圓直徑d=40mm 、齒高h=4.25mm、齒寬b=24mm[4]。

5.結構設計與三維造型

5.1總體設計

圖1 總裝圖

圖1中，機身總共有四個液壓缸，通過1手腕旋轉液壓缸、6升降缸、17手臂伸縮缸以及23手臂旋轉液壓缸實現四個自由度。設計中，機身2可以起到手腕抗彎的作用，16導桿、21連桿可以起到手臂的抗彎的作用，在其跟7機身套筒的相互配合中，應該及時添加潤滑油。其中，21連桿可以再機械手套筒上滑動，既能起到抗彎的作用，又能實現設計本身對于自由度的設定要求。

5.2機械手抓手設計

圖2 機械手抓手及三維造型