多用途機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計

朱英　宋開功　李姣

[摘要]本課題設(shè)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(yè)。針對該多用途機械手的特點，對其整體方案、結(jié)構(gòu)部件系統(tǒng)進行設(shè)計，并對其各個組成部分，如驅(qū)動裝置、執(zhí)行裝置等進行了詳細的分析設(shè)計計算，使其結(jié)構(gòu)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。

[關(guān)鍵詞]四自由度；機械手；液壓驅(qū)動；AutoCAD

1引言

機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)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(xiàn)自動抓取、搬運或操作動作的自動化執(zhí)行裝置。具有自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q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(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。

2系統(tǒng)組成及設(shè)計參數(shù)

2.1系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由機械手（執(zhí)行裝置）、機身（驅(qū)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(zhuǎn)、升降、手臂伸縮以及旋轉(zhuǎn)四個自由度。驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，系統(tǒng)壓力為4MPa，共有機身升降油缸、機身旋轉(zhuǎn)油缸、手臂伸縮油缸、手臂旋轉(zhuǎn)油缸以及機械手夾緊油缸5個液壓缸。機械手由執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成以及位置檢測裝置等組成。

2.2設(shè)計參數(shù)

3總體方案設(shè)計

方案一、四自由液壓機械手

該機械手通過液壓驅(qū)動，通過液壓缸實現(xiàn)手臂伸縮、手臂旋轉(zhuǎn)、機身升降、旋轉(zhuǎn)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(xiàn)x軸、Y軸、z軸移動以及手部轉(zhuǎn)動四個自由度，優(yōu)點是反應(yīng)快、動作迅速，缺點是負載較小。

方案三、電動液壓混合驅(qū)動

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

出于設(shè)計人的能力有限，此次設(shè)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(tǒng)穩(wěn)定，且可以很好的完成任務(wù)要求。

4設(shè)計計算

4.1夾緊液壓缸主要尺寸參數(shù)的確定

（1）液壓缸內(nèi)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(jù)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；液壓缸工作壓力一7取（0.6-0.7）D；液壓缸工作壓力>7取0.7D。

4.2機械手臂運動機構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)任務(wù)書要求，手臂的伸縮長度為1200mm，所以，根據(jù)GB 2349-1980，選擇液壓缸活塞行程L為1250mm，又根據(jù)要求L≤（20-30）D₀，可以D₀≥40mm，因此，取液壓缸外徑D₀=40mm，而液壓缸內(nèi)徑D的值根據(jù)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(jù)GB/T 2348-1993，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(shè)計參數(shù)、許用應(yīng)力大小、齒輪的設(shè)計計算最終確定齒輪數(shù)據(jù)：模數(shù)m=2、齒數(shù)z=20、分度圓直徑d=40mm、齒高h=4.25mm、齒寬b=24mml 4l。

5.結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維造型

5.1總體設(shè)計

圖1中，機身總共有四個液壓缸，通過1手腕旋轉(zhuǎn)液壓缸、6升降缸、17手臂伸縮缸以及23手臂旋轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)四個自由度。設(shè)計中，機身2可以起到手腕抗彎的作用，16導(dǎo)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(yīng)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(xiàn)設(shè)計本身對于自由度的設(shè)定要求。

5.2機械手抓手設(shè)計

機械手抓手是本次設(shè)計主要的執(zhí)行部件，主要是通過一個夾緊液壓缸帶動齒條的運動，然后帶動與齒條連接配合的齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)手指的抓取與放開運動。

6.結(jié)語

此多用途機械手采用機械與液壓相結(jié)合的觀點進行了總體設(shè)計，通過對多用途機械手的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動裝置、傳動方式各組成部分進行的分析，并對實現(xiàn)靈活抓取貨物進行詳細設(shè)計分析，為使抓取物體靈活穩(wěn)定而采用液壓驅(qū)動，最后得到總體方案，符合設(shè)計要求。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)：尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。