多用途機械手結構的設計

朱英　宋開功　李姣

[摘要]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。

[關鍵詞]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。

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。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

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機械手臂運動機構的設計

根據任務書要求，手臂的伸縮長度為1200mm，所以，根據GB 2349-1980，選擇液壓缸活塞行程L為1250mm，又根據要求L≤（20-30）D₀，可以D₀≥40mm，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/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=24mml 4l。

5.結構設計與三維造型

5.1總體設計

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

機械手抓手是本次設計主要的執行部件，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動，實現手指的抓取與放開運動。

6.結語

此多用途機械手采用機械與液壓相結合的觀點進行了總體設計，通過對多用途機械手的結構形式、驅動裝置、傳動方式各組成部分進行的分析，并對實現靈活抓取貨物進行詳細設計分析，為使抓取物體靈活穩定而采用液壓驅動，最后得到總體方案，符合設計要求。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率，減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產：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品種的中小批量生產中獲得廣泛的應用。