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机 械 手 设 计
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一、总体方案设计
1.1 设计任务
基本要求:
设计一个多自由度机械手(至少要有三个自由度)将
最大重量为 40Kg 的工件,由车间的一条流水线搬到
别一条线上;
二条流水线的距离为:1000mm;
工作节拍为:70s;
工件:最大直径为 160mm 的棒料;
1.2 总体方案确定
1.2.1 自由度
自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数
目,但是一般不包括手部(末端操作器)的开合自由
度。自由度表示了机器人灵活的尺度,在三维空间中
描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。
机械手的自由度越多,越接近人手的动作机能,
其通用性就越好,但是结构也越复杂,自由度的增加
也意味着机械手整体重量的增加。轻型化与灵活性和
抓取能力是一对矛盾,,此外还要考虑到由此带来的
整体结构刚性的降低,在灵活性和轻量化之间必须做
出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度
以及结构刚性的考虑,往往体积庞大,负荷能力与其
自重相比往往非常小。一般通用机械手有 5~6 个自
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由度即可满足使用要求(其中臂部有 3 个自由度,腕
部和行走装置有 2~3 个自由度),专用机械手有
1~2 个自由度即可满足使用要求。在控制器的作用
下,它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这
一动作。在满足前提条件上尽量使结构简单,所以我
们这次选择 5 自由度机械手。
1.2.2 机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式
大致可以分为以下 4 种:
(1)
直角坐标型机械手:
特点:操作机的手臂具有三个移动关节,其关节轴线
按直角坐标配置。
优缺点:结构刚度较好,控制系统的设计最为简单,
但其占空间较大,且运动轨迹单一,使用过程中效率
较低。
结构图:
(2)圆柱坐标型机械手:
特点:操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节,其关节轴线按圆柱
坐标系配置。
优缺点:结构刚度较好,运动所需功率较小,控制难度较小,但运动轨迹简
单,使用过程中效率不高。
结构图:
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( 3)球坐标(极坐标)型机械手:
特点:操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节,其轴线按极坐标系配
置。
优缺点:结构紧凑,但其控制系统的设计有一定难度,且机械手臂的刚度不
足,机械结构较为复杂。
结构图:
(4)多关节型机机械手。
特点:操作机的手臂类似人的上肢关节动作,具有三个回转关节。
优缺点:运动轨迹复杂,结构最为紧凑,但控制系统的设计难度大,机械手臂
的刚度差。
结构图:
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因为本次设计的三自由度机械手主要用来运输 2 流水线的零件,2 者距离
1000mm,这就要求机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小。根据上面
4 种坐标形式,我选择了圆柱坐标形式,这种形式比较符合这次设计的需要。
图 1-2-3 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带 A 上的物品
搬运到传送带 B。
图 1-2-3 机械手搬运物品示意图
1.2.3 机械手的主要部件及运动
在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后,根据设计任务,为了满
足设计要求,本设计关于机械手具有 3 个自由度既:手抓张合;手臂回转;手
臂升降 3 个主要运动。本设计机械手主要由 3 个大部件:
(1)手部,采用一个直线液压缸,通过机构运动实现手抓的张合。
(2)腕部,腕部是联结手部和臂部的部件,腕部运动主要用来改变被夹物
体的方位,它动作灵活,转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由
度,采用一个回转液压缸实现手部回转。
(3)臂部
,
臂是机械手机构的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手
部,并带动它们在空间运动。
(4)机身,机身是直接支承和传动手臂的部件。
1.2.4 机械手的驱动元件
在机器人驱动系统中,使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、
交流伺服电机以及最近几年出现的超声波电机和 HD 电动机等几种。
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