球坐标式四自由度机械手项目设计方案

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自由度机械手设计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（4）腕部运动参数：表 2-2（5）手指夹持范围：棒料，直径φ40-φ60mm，长度450-1200mm（6）定位方式：电位器（或接近开关等）设定，点位控制（7）驱动方式：液压（中、低压系统）（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手部手部是用来直接抓取或握紧（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变或调整手部在空间的方位，使机械手适应复杂的动作要求。

要求0-180°的回转动作，因此选用具有单自由度的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自由度：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自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）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，活塞杆只受拉压作用，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、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。

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个大气压。

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，而且润滑性较差，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，用大减速比减速器来驱动执行机构；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 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O 点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P 1和P 2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO 1和OO 2并指向O 点，P 1和P 2的延长线交O 1O 2于A 与B 。

由∑F x =0 得P 1= P 2∑F y =0 得P 1=αcos 2P ∑M o1（F ）=0 得P 1h=Nb因h=αcos a 所以P=N *α2cos ab 2 式中 a —手指的回转支点到对称中心线的距离（mm ）；α—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 一定时，α角增大，则握力N 也随之增加，但α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α=030～040，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=N *α2cos ab 2 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)-tan(5.0φθG N =,其中f arctan =θ,f 为摩擦系数，钢对钢f=0.1。

工件的重力G=100N,解得握力N=84.18N.由计算可得，b=120mm, a=20mm,代入公式中解得 驱动力P=678N\图4-1 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座(2)实际驱动力：η21K K P P =实际式中P ——计算出的驱动力η——手部的机械效率1K ——安全系数，一般取为(1.2～2)2K ——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似估算：21a K g =+，其中a 为被抓取工件运动时的最大加速度，g 为重力加速度(29.8/g m s =)该传力机构为杠杆式，故取9.0=η，并取1K =1.5,假设被抓取工件的最大加速度a=g 时，那么21a K g =+=2. 所以2260.902.5167821=⨯⨯==ηK K P P 实际N表4-1 液压缸的工作压力（3）确定液压缸的直径D由《机械设计手册∙ 液压传动与控制》可知PF D 21057.3-⨯= 由于作用在活塞上的外力小于5000N,故选择液压缸压力油工作压力P=1MPa,mm P F D 054.0126.21057.31057.322=⨯⨯=⨯=-- 根据《机械设计手册∙ 液压传动与控制》表23.6-33，选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为: D=63⨯0.5=31.5mm ，选取d=32mm4.2机械手手抓夹持精度的分析计算机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关，为使机械手能适用于多品种小批量 工件直径在一定范围内变化的生产中，必须使用合理的手部结构参数，可以采用自动定心的手部结构来减少机械手的调整工作，从而使加持误差控制在较小范围内。

该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。

机械手的夹持范围为40mm ～60mm一般夹持误差不超过1mm,分析如下：工件的平均半径：2030252cp R mm +== 手指长mm l 120=,取V 型夹角01302=θ图4-3 手抓夹持误差分析示意图偏转角β按最佳偏转角确定： 04.861)sin arccos(=⋅-=l a R CP θβ 计算 mm l R 87.6cos sin 0==βθ因max min 0R R R ≤≤，即max R 和min R 在双曲线的对称点0R 的同侧，故其夹持误差△为：2min 2min 22max 2max 2sin 2)sin (cos sin 2)sin (a R l R l a R l R l --+---+=∆θθβθθ 622.125772.125-=5.1=mm夹持误差△=1.5mm ，因此本设计的夹持误差∆<3mm,满足设计的要求。

5 腕部的设计计算5.1 腕部设计的基本要求 （1）力求结构紧凑、重量轻。

腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。

因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。

（2）综合考虑，合理布局。

腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除了保证力和运动的要求，及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，如应解决好腕部与臂部和手部的连接，碗部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。

（3）必须考虑工作条件。

对于本设计，机械手的工作条件是在正常工作场合中搬运加工的棒料，不会受到环境的影响，对机械手的腕部没有太多不利因素。

如果机械手处在高温和腐蚀性的工作介质中，就应在设计时充分考虑环境对机械手腕部的影响。

5.2 腕部的结构以及选择5.2.1典型的腕部结构(1) 具有单自由度的回转缸驱动的腕部结构。

它直接用回转缸驱动实现腕部的回转运动，具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。

270的情况下，可采(2) 用齿条活塞驱动的腕部结构。

在要求回转角大于0用齿条活塞驱动的腕部结构。

这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。

(3) 具有两个自由度的回转缸驱动的腕部结构。

它是来实现腕部的回转和左右摆动。

(4) 机-液结合的腕部结构5.2.2 腕部结构和驱动机构的选择180，通过以上的分析，腕部的结构采用具有一个本设计要求手腕回转0自由度的回转缸驱动的腕部结构，驱动方式采用液压驱动。

因为本设计为球坐标式机械手，为了使手部能适应被抓取对象方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平或其他状态。