工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)分析綜述

1、2大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)第 卷大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)PAGE 24PAGE 23第 卷第 期第 卷第 期大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.1 No.12JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY2012年12月Feb. 2012 收稿日期：2012-12-6文章編號(hào)：工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)分析綜述姜楚峰,潘傳奇,馬野,王磊,張芝虎（大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116028）摘要：工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器(夾持器機(jī)構(gòu))是機(jī)器人操作機(jī)與工件、工具等直接接觸并進(jìn)行作業(yè)的裝置，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一.末端執(zhí)行器是直接執(zhí)行工作的裝置，它對(duì)擴(kuò)大機(jī)器人的作業(yè)功能、應(yīng)用范圍和提高工作效率都

2、有很大的影響，因此對(duì)機(jī)器人的各種末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)分析研究有著非常重要的意義.抓取不同特征的物件需要有著不同類型的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)源.本文就末端執(zhí)行器的常用結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同類型的結(jié)構(gòu)特性分類來進(jìn)行分析各種夾持機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和適用范圍.關(guān)鍵詞：末端執(zhí)行器，夾持器，結(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)特性分類中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AReview of End-effectors Structure of industrial robot AnalysisJiang Chu feng，Pan Chuan-qi，Ma Ye，Wang Lei，Zhang Zhi-hu(College of Mechanical Engineering,

3、 Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China) Abstract: End-effector (the clamping device) of the industrial robot is the robot manipulator is in direct contact with the workpiece, the tool and operating the apparatus, is one of the key components of the robot. End-effector is a direct implemen

4、tation of the device, it expand miracle job functions, application range and improve work efficiency has a significant impact, and a variety of robot end effector structure analysis of the research has a very important significance. Crawling different characteristics of the object need to have diffe

5、rent types of structures and the driving source. In this paper, the common structure of End-effector according to the classification of different types of structure characteristics to carry out analysis of various characteristics of the clamping mechanism and scope.Key words: End-effector; griper; s

6、tructure analysis; structure characteristics classification 0引言“機(jī)器人的末端執(zhí)行器是一個(gè)安裝在移動(dòng)設(shè)備或者機(jī)器人手臂上,使其能夠拿起一個(gè)對(duì)象,并且具有處理、傳輸、夾持、放置和釋放對(duì)象到一個(gè)準(zhǔn)確的離散位置等功能的機(jī)構(gòu)?！? 這是末端執(zhí)行器的一個(gè)定義。工業(yè)機(jī)器人的抓取作業(yè)方式是工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要應(yīng)用.工業(yè)機(jī)器人是一種通用性較強(qiáng)的自動(dòng)化作業(yè)設(shè)備，末端執(zhí)行器則是直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的裝置，大多數(shù)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸都是根據(jù)其不同的作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計(jì)的，從而形成了多種多樣的結(jié)構(gòu)形式。通常，根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為機(jī)械式夾持器、吸附式末

7、端執(zhí)行器和專用的工具（如焊槍、噴嘴、電磨頭等）三類。 2 它安裝在操作機(jī)手腕（如果配置有手腕的話）或手臂的機(jī)械接口上。多數(shù)情況下末端執(zhí)行器是為特定的用途而專門設(shè)計(jì)的，但也可以設(shè)計(jì)成一種適用性較大的多用途末端執(zhí)行器，為了方便的更換末端執(zhí)行器可設(shè)計(jì)一分鐘末端執(zhí)行器的接換器來形成操作機(jī)上的機(jī)械接口。較簡(jiǎn)單的可用法蘭盤可作為機(jī)械接口處的轉(zhuǎn)換器，為了實(shí)現(xiàn)快速和自動(dòng)更換末端執(zhí)行器，可以采用電磁吸盤或者氣動(dòng)縮緊的接換器?？傊?末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)的種類較多,但是其中有些在技術(shù)上尚不成熟。因此,如何在現(xiàn)有的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)的性能并從國情出發(fā),研制出能滿足各種作業(yè)要求,實(shí)用可靠,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉的末端執(zhí)行器是我們的主

8、要任務(wù)。1 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求及分類2 1.1 設(shè)計(jì)要求 (1)不論是夾持或吸附,末端執(zhí)行器需要有滿足作業(yè)需要的足夠的夾持(吸附)力和所需的夾持位置精度。(2)應(yīng)盡可能使末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緊湊，質(zhì)量輕，以減輕手臂負(fù)荷。專用的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，而能夠完成各種作業(yè)的“萬能”末端執(zhí)行器可能帶來結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費(fèi)用昂貴的缺點(diǎn)，因此提倡設(shè)計(jì)可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器.。下面是末端執(zhí)行器的要素-特征-參數(shù)的聯(lián)系的示意圖：31.2 結(jié)構(gòu)分類工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的機(jī)械式夾持器多為雙指頭爪式，按其手指的運(yùn)動(dòng)可以分為平移型和回轉(zhuǎn)型。按照夾持方式來分可以分為外夾式和內(nèi)撐式.本文是按照結(jié)構(gòu)特性來

9、進(jìn)行分類的，可分為電動(dòng)（電磁）式、液壓式和氣動(dòng)式，以及他們的組合。下面的內(nèi)容將對(duì)常見的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地分析。 22 常見末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理分析2.1 機(jī)電結(jié)合型末端執(zhí)行器4 圖片清晰黑白圖象，分辯率建議為600dpi如前所述，要擴(kuò)大機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域, 要提高機(jī)器人效率, 要解決機(jī)器人的通用性與專用性矛盾,首先要加強(qiáng)新型夾持器機(jī)構(gòu)的研究，并且把常見結(jié)構(gòu)的要素和優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，開發(fā)出實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的末端執(zhí)行器。圖片清晰黑白圖象，分辯率建議為600dpi下面介紹一種爪型的機(jī)、電、傳感器結(jié)合的新型夾持器。該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是由錐形螺桿2、爪指9及爪指滑動(dòng)導(dǎo)槽10三者組成一螺旋機(jī)構(gòu)。其工作原理是: 當(dāng)電

10、機(jī)驅(qū)動(dòng)錐形螺桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 與之旋合的爪指沿其導(dǎo)槽所在的半徑方向向內(nèi)移動(dòng), 夾緊工件, 直至工件上承受的夾緊力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí), 指端的壓覺和滑覺傳感器發(fā)出信號(hào),控制系統(tǒng)控制電機(jī)停轉(zhuǎn); 釋放工件時(shí), 由控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào), 使電機(jī)帶動(dòng)錐形螺桿反轉(zhuǎn)即可。上述為抓取實(shí)心工件的動(dòng)作。該機(jī)構(gòu)還可作為內(nèi)撐式夾持機(jī)構(gòu), 如抓取管材時(shí), 爪指的抓放動(dòng)作與之相反。若用于擰緊螺母時(shí), 首先用該機(jī)構(gòu)將螺母套在螺栓上, 后驅(qū)動(dòng)錐形螺桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng), 由于螺母已被夾緊, 故爪指不再向內(nèi)滑動(dòng), 螺母、爪指及殼體連成一體旋轉(zhuǎn), 擰緊螺母, 直至滿足螺栓預(yù)緊力的要求, 由指端傳感器發(fā)出信號(hào), 控制系統(tǒng)迫使電機(jī)停轉(zhuǎn)。.在該機(jī)構(gòu)殼體

11、的圓周方向上除相隔120布置三個(gè)爪指導(dǎo)槽外, 另在與其中一爪指導(dǎo)槽相隔180度處開有另一個(gè)爪指導(dǎo)槽, 其目的是根據(jù)需要該機(jī)構(gòu)可由三爪轉(zhuǎn)換成二爪使用。另外在指端還可快速更換不同型式的手爪, 以適應(yīng)不同形狀和尺寸的工件要求。錐形螺桿2是夾持器的關(guān)鍵零件, 其錐角的選取與夾持器所能夾持的工件最大重量和最大尺寸有關(guān)。錐角設(shè)計(jì)得越小, 夾持器所能產(chǎn)生的夾緊力與夾持工件的尺寸范圍越大, 但錐角過小會(huì)影響爪指沿徑向運(yùn)行的夾持速度, 所以錐角不能設(shè)計(jì)得太小, 最好取在2030范圍內(nèi)( 推導(dǎo)從略) 。該爪型夾持器的錐角為30, 所能夾持的工件最大重量為25kg, 工件最大尺寸: 柱類為150mm,管類內(nèi)徑為20

12、0mm。該機(jī)構(gòu)為可換爪指的平移式夾持器機(jī)構(gòu), 即根據(jù)抓取工件的輪廓外形, 可選換該機(jī)構(gòu)的爪指數(shù)目, 或用三指, 或換成二指。在抓取工件時(shí), 爪指同時(shí)在半徑方向做伸縮運(yùn)動(dòng), 確保夾持中心線不變。其主要特點(diǎn)是:(1) 保證工件準(zhǔn)確定心、定位, 定位誤差為零。即工件定位精度不受工件直徑的變化影響。(2) 有足夠的開閉距離, 便于抓取和退出物體。(3) 具有足夠的夾緊力。因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)具有自鎖性, 所以在驅(qū)動(dòng)力突然去掉的情況下以及受振動(dòng)和由于工件本身的重量及移動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力時(shí), 決不會(huì)自行松開而脫落, 夾緊可靠。(4) 通過力反饋裝置控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)對(duì)夾緊力的控制, 從而使夾緊力的大小適宜。(5)

13、 在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下, 結(jié)構(gòu)緊湊重量輕, 以利于減輕臂部的負(fù)載。(6) 可適應(yīng)被抓取對(duì)象的多種要求, 并具有一定的通用性。如為了適應(yīng)不同形狀和尺寸的工件要求, 可更換不同的爪指部件: V型鉗口、圓弧形二指或三指等, 從而擴(kuò)大了該機(jī)構(gòu)的使用范圍。該機(jī)構(gòu)的主要功能為:(1) 能夠夾持各種形狀的實(shí)體工件如方形、柱形、球形、多邊形等, 對(duì)工件輪廓和形狀的適應(yīng)性較強(qiáng)。(2) 可作為內(nèi)撐式夾持機(jī)構(gòu)夾持各種管狀類零件。(3) 可擰緊螺母, 并能控制螺栓的預(yù)緊力。類似的還有下面的一個(gè)半導(dǎo)體處理機(jī)器人的手臂,它的手臂上安裝了一個(gè)集成的具有定向組件和檢測(cè)組件的邊緣夾持器該定向組件的操作以旋轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)在檢測(cè)

14、組件上進(jìn)行標(biāo)記.檢測(cè)組件檢測(cè)標(biāo)記的位置并且把到處的信息集成在邊緣夾持器的相對(duì)方向上.其結(jié)構(gòu)圖如下: 5 2.2 液壓式末端執(zhí)行器 (1). 液壓夾持器的分類和特點(diǎn)1) 常閉式夾持器：依靠彈簧的預(yù)緊力夾緊鉆具，液壓松開。在不工作時(shí)，處于夾緊鉆具狀態(tài)。常用在鉆進(jìn)大角度傾斜孔的鉆機(jī)上。其基本結(jié)構(gòu)為一組經(jīng)過預(yù)壓縮的彈簧作用在斜面或杠桿等增力機(jī)構(gòu)上，使卡瓦座產(chǎn)生軸向移動(dòng)，帶動(dòng)卡瓦徑向移動(dòng)，夾緊鉆具；高壓油進(jìn)入卡瓦座與外殼形成的液壓缸，進(jìn)一步壓縮彈簧，使卡瓦座和卡瓦產(chǎn)生反向運(yùn)動(dòng)，松開鉆具。此類夾持器結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠。夾持力大小取決于彈簧預(yù)緊力，不受油壓變化的影響，而且可在突然停電時(shí)實(shí)現(xiàn)快速、可靠地夾緊鉆

15、具，防止跑鉆事故。本文設(shè)計(jì)的夾持器即屬于此種類型。例如：一組經(jīng)過預(yù)壓縮的彈簧作用在斜面(如圖1-1 卡瓦座) 或杠桿等增力機(jī)構(gòu)上, 使卡瓦座產(chǎn)生軸向移動(dòng), 帶動(dòng)卡瓦徑向移動(dòng), 夾緊鉆具; 高壓油進(jìn)入卡瓦座與外殼形成的油缸, 進(jìn)一步壓縮彈簧, 使卡瓦座和卡瓦產(chǎn)生反向運(yùn)動(dòng), 松開鉆具。 1 外殼; 2 卡瓦座; 3 卡瓦; 4 碟形彈簧; 5 主軸 圖1-1 斜面增力常閉式夾持器此類夾持器結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、夾持力取決于彈簧預(yù)緊力不受油壓變化的影響?？稍谕蝗煌ｋ姇r(shí)實(shí)現(xiàn)快速、可靠地夾緊鉆具, 防止跑鉆事故。2) 常開式夾持器：一般采用液壓夾緊、彈簧松開的方式，在不工作時(shí)處于松開狀態(tài)。這種夾持器的結(jié)構(gòu)

16、與常閉式夾持器相似，不同的是彈簧和液壓缸使卡瓦產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)方向與常閉式相反。夾持器靠液壓缸的推力產(chǎn)生夾持力，油壓的下降將直接引起夾持力的下降，一般需在油路上設(shè)置性能可靠的液壓鎖來保持油壓6。3) 液壓松緊型夾持器：夾緊、松開都由液壓實(shí)現(xiàn)，兩側(cè)液壓缸進(jìn)油口分別通高壓油時(shí)，卡瓦跟隨活塞運(yùn)動(dòng)向中心收攏，夾緊鉆具，改變高壓油入口，卡瓦則背離中心，松開鉆具7。此類夾持器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但夾緊力容易受油壓變化影響，當(dāng)出現(xiàn)斷電等異常情況時(shí)存在一定的安全隱患。4) 復(fù)合式液壓夾持器：有主液壓缸和副液壓缸，副液壓缸側(cè)連接一組碟簧，當(dāng)高壓油進(jìn)入主液壓缸，推動(dòng)主液壓缸缸體移動(dòng)，通過頂柱將力傳給副液壓缸側(cè)的卡瓦座，碟簧被

17、進(jìn)一步壓縮，卡瓦座移動(dòng)；同時(shí)，主液壓缸側(cè)卡瓦座在彈簧力作用下移動(dòng)，松開鉆具。需要夾緊時(shí)，副液壓缸在油路上與動(dòng)力頭反轉(zhuǎn)相連，當(dāng)鉆機(jī)反轉(zhuǎn)擰卸鉆具時(shí)，高壓油進(jìn)入副液壓缸，副液壓缸活塞對(duì)卡瓦座產(chǎn)生推力，與壓縮的碟簧共同作用夾緊鉆具6。復(fù)合式液壓夾持器開口量大、開啟壓力低、體積小、性能可靠，可以實(shí)現(xiàn)突然斷電時(shí)鉆具夾緊，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，重量非對(duì)稱布置，在某些特定的使用場(chǎng)合可能引起一定的偏載。(2) 新型液壓夾持器的設(shè)計(jì)1) 主要結(jié)構(gòu)及工作原理本文設(shè)計(jì)的碟簧液壓夾持器屬于常閉型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，采用上、下、左、右4個(gè)夾頭，但只有上、下夾頭的卡瓦內(nèi)側(cè)圓弧面與鉆桿表面為30。接觸(非整段圓弧全接

18、觸)。左、右夾頭的夾頭端與上、下夾頭通過9。力放大斜面接觸，另一端通過內(nèi)螺紋分別與左、右液壓缸的活塞桿連接。左、右夾頭兩側(cè)均有液壓缸和碟簧對(duì)稱布置，因碟簧安裝好后已有一定的壓縮變形產(chǎn)生預(yù)緊力，故圖2-1中只標(biāo)出其安裝位置。在碟簧彈力的作用下，左、右夾頭向中間靠攏，通過9。力放大斜面?zhèn)鬟f壓力給上、下夾頭，使上、下夾頭也向中間靠攏，夾 1.液壓缸殼體2螺母3缸頭4活塞桿5左側(cè)碟簧安裝位置6拉桿7左夾頭 8上夾頭9鉆桿 10下夾頭 11右夾頭 12右側(cè)碟簧安裝位置圖2-1 夾持器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊鉆桿。需要松開鉆桿時(shí)，左、右液壓缸有桿腔同時(shí)進(jìn)油，在液壓力的作用下推動(dòng)活塞向無桿腔運(yùn)動(dòng)，左、右活塞分別帶動(dòng)與之相

19、連的左、右夾頭向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，左、右夾頭與上、下夾頭的斜面接觸部分減少，上、下夾頭松開鉆桿。兩側(cè)液壓缸端蓋的法蘭通過拉桿和螺母拉緊。夾頭和碟簧部分的外部有固定夾頭套(見圖2-2夾持器外部結(jié)構(gòu))，使之與外界隔開，不僅可以起到防塵、儲(chǔ)油的作用，而且可以對(duì)主液壓缸進(jìn)行限位，防止壓平碟簧，確保安全。調(diào)節(jié)螺栓上的螺母，可調(diào)節(jié)碟簧預(yù)緊力的大小，并可對(duì)卡瓦和鉆桿的磨損進(jìn)行補(bǔ)償。 圖2-2 夾持器外部結(jié)構(gòu)2) 設(shè)計(jì)計(jì)算a. 夾持能力計(jì)算工作要求：鉆桿最大鉆人深度l=80 m，轉(zhuǎn)矩= 1500 Nm，鉆桿直徑d=50 mm，鉆桿單位長(zhǎng)度質(zhì)量q=6.56 kgm。文中設(shè)計(jì)夾持器用于拆卸鉆桿時(shí)夾緊作用，正常鉆進(jìn)時(shí)夾持器

20、不工作，因此夾持器只承受進(jìn)人巖層部分鉆桿的重量，與動(dòng)力部分連接的最后端一截鉆桿及鉆頭重量由夾緊卡盤和機(jī)架承受。鉆垂直孔，拆卸鉆桿時(shí)，所需夾持器的夾緊力為最大，設(shè)計(jì)計(jì)算按極限情況考慮，此時(shí)夾持器要克服兩個(gè)方向的力7。克服鉆桿自重: 7夾持所需最大摩擦力f1=G=qlg=6.568010=5248 N (1)式中：f1豎直方向最大摩擦力，N；G鉆桿自重，N；q鉆桿單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kgm；l鉆桿總長(zhǎng)度，m?？朔躲@桿時(shí)的轉(zhuǎn)矩:正常工作時(shí)轉(zhuǎn)矩M =1500 Nm，卸鉆桿時(shí)轉(zhuǎn)矩M2 =1.2M1 =l800 Nm。因?yàn)閒2d/2=M2，得卸鉆桿時(shí)所需最大摩擦力f2=2 M2/d=72000N (2)總的摩

21、擦力合力f=（f12+f22）=72191N (3)取摩擦系數(shù)=0.4，滿足要求的夾緊正壓力FN=f/=180478 N (4)上、下夾頭與鉆桿為30。接觸，有4個(gè)接觸點(diǎn)，鉆桿受力分析如圖3所示。故夾頭與鉆桿4個(gè)接觸點(diǎn)處反作用力圖3 鉆桿受力分析F1=F2=F3=F4=1/4 FN=45119.5N (5)以上夾頭為研究對(duì)象，受力分析見圖4。建立豎直方向的力平衡方程： 圖4 上夾頭受力分析FH+2Ffsin 9。=2FN1COS 9。(6)式中： FN一夾緊力的反作用力在豎直方向的合力，F(xiàn)H=2F1sin 30。=F1=45119.5 N；上夾頭與左、右夾頭接觸面的摩擦力，F(xiàn)f=FN1 ,因采

22、用T10材料，摩擦系數(shù)=0.15；FN1 9。力放大斜面間的正壓力。由式(6)可得：FN1=23445 N，摩擦力Ff=3516.75 N。以右夾頭為研究對(duì)象，受力分析如圖5所示。 圖5 右夾頭受力分析建立水平方向的力平衡方程：Fmin=2sin 9。+2Ffcos 9。 (7)式中： Fmin一夾緊所需的最小碟簧力；FN29。力放大斜面間的支持力，根據(jù)作用力與反作用力原理，F(xiàn)N2=FN1=23445 N；同理， Ff=3516.75 N。由式(7)計(jì)算得出:Fmin =14282 N。b. 碟簧及液壓缸選取采用浮動(dòng)雙液壓缸和碟簧組合的結(jié)構(gòu)，碟簧夾緊，液壓放松。液壓缸與蝶簧的選擇，要綜合考慮碟

23、簧參數(shù)及各部分尺寸協(xié)調(diào)，滿足碟簧力F既要大于夾緊鉆桿所需的最小碟簧力Fmin ，又要小于液壓缸壓力F。選用碟簧蝶簧標(biāo)記為：碟簧Bl12一l GBT 1972-1992，選擇B系列：D/t28，h0/t075，E=206 GPa，=0.3 8。參數(shù)為：碟簧外徑D=112 mm，內(nèi)徑d=57 mm，厚度t=4 mm，壓平時(shí)變形量h0=3.2 mm，其自由高度7.2 mm，碟簧力F=17800 N，正常變形量2.4 mm。選用10個(gè)，總變形量可達(dá)24 mm。2) 選用液壓缸選用液壓缸125 mm，活塞桿4O mm，端部法蘭連接孔4一l8(所需行程較小且受安裝位置限制)。選擇系統(tǒng)油壓p=8 MPa，產(chǎn)

24、生的液壓缸壓力：Fp=80/4(12.52-42 )10=88077 N，滿足條件：Fmin=14282 NF=17800 N Fp =88077 N。3) 結(jié)構(gòu)尺寸校核滿足夾緊所需最小碟簧力時(shí)，每個(gè)碟簧被壓縮1.9mm，碟簧組總共被壓縮約19 mm?；钊傂谐?0 mm，在極限位置時(shí)，安裝碟簧組的位置空間為75mm，10個(gè)碟簧自然長(zhǎng)度為72 mm，滿足安裝條件。碟簧組的預(yù)壓縮量由安裝保證，液壓缸有桿腔進(jìn)油，活塞移動(dòng)3 mm，開始接觸碟簧，繼續(xù)移動(dòng)19mm，壓縮碟簧組，兩側(cè)碟簧組分別被壓縮到位后，將拉桿穿過液壓缸法蘭，由螺母鎖緊固定，夾緊鉆桿。放松鉆桿時(shí)，在有桿腔油壓的作用下，推動(dòng)活塞分別向左

25、右兩側(cè)移動(dòng)，碟簧組繼續(xù)被壓縮5mm。碟簧完全壓平時(shí)，總變形量為32 mm，小于活塞總行程40mm，整體設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)和功能要求。(3) 夾緊力動(dòng)態(tài)仿真1） 軟件介紹依據(jù)工況和設(shè)計(jì)要求，采用SolidWorks軟件9進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后用COSMOSMotion軟件10進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真分析。COSMOSMotion是基于SolidWorks的虛擬原型工具，其用戶界面是SolidWorks界面的無縫擴(kuò)展，它使用Solidworks數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫，不需要Solidworks數(shù)據(jù)的復(fù)制、導(dǎo)出，可進(jìn)行三維動(dòng)力學(xué)仿真分析。在COSMOSMotion中，裝配約束將自動(dòng)轉(zhuǎn)化為仿真模型約束，添加必要的驅(qū)動(dòng)力、工

26、作阻力以及COSMOSMotion特有的其他約束，建立仿真模型，就可以模擬機(jī)械運(yùn)行狀況，對(duì)機(jī)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析。仿真結(jié)果可以用動(dòng)畫、圖形、數(shù)據(jù)等多種形式輸出。2）仿真分析為了確保夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和有效性以及驗(yàn)證夾緊力是否滿足工況要求，用COSMOSMotion對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。在左、右夾頭上分別添加模擬碟簧力14282 N，驅(qū)動(dòng)左、右夾頭相向運(yùn)動(dòng)，通過9。力放大斜面，使上、下夾頭對(duì)鉆桿產(chǎn)生夾緊力。由于上、下夾頭的卡瓦內(nèi)側(cè)圓弧面與鉆桿表面為30。接觸，而軟件只能輸出X,Y,Z方向的受力結(jié)果分析，考慮到結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，選擇輸出z方向受力與時(shí)間關(guān)系的曲線圖，即相當(dāng)于在上、下夾頭間添加以彈簧

27、，該彈簧在豎直方向的受力請(qǐng)況，如圖6所示：在碟簧力作用下，上、下夾頭對(duì)鉆桿的夾緊力在豎直方向的合力(即圖6中的力Z)在很短的時(shí)間內(nèi)上升到一個(gè)值，并保持恒定，該值約為46000N，大于2.2.1中的計(jì)算結(jié)果FH =2 F1sin 30。=45119.5N，由此結(jié)果，證明在碟簧作用下可以滿足對(duì)鉆桿的夾緊要求，該設(shè)計(jì)方案可行。圖6 夾緊力豎直方向合力動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果2.3 氣壓式末端執(zhí)行器（1）氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)111）氣源取得簡(jiǎn)單；2）系統(tǒng)的組裝，維修以及元件的更換比較簡(jiǎn)單；3）安全可靠，動(dòng)作迅速反應(yīng)快，工作介質(zhì)無污染；4）與液壓系統(tǒng)相比流動(dòng)性好，壓力損失小，有利于遠(yuǎn)距離輸送；5 ）穩(wěn)定性差，工作精度低；

28、6）壓力小，輸出力??；7）噪音大，需加裝消聲器；8）需潤(rùn)滑裝置。（2）幾種氣動(dòng)式機(jī)械手裝置 1）回轉(zhuǎn)型連桿杠桿式夾持器12兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型連桿杠桿式夾持器的結(jié)構(gòu)如圖, 可據(jù)被抓工件不同要求，通過螺栓連接更換各種手指，如V型鉗口手指、弧形手指等，從而擴(kuò)大夾持器的使用范圍。夾持器的夾緊驅(qū)動(dòng)力由氣缸活塞桿提供，當(dāng)壓力氣體推動(dòng)活塞下移動(dòng)時(shí)，夾持器完成夾緊動(dòng)作，其夾持力FN計(jì)算值為:FN = Fpccos/2b2）直桿式雙氣缸平移夾持器12直桿式雙氣缸平移夾持器的結(jié)構(gòu)如圖夾持器指端安裝在裝有指端安裝座的直桿上，當(dāng)壓力氣體進(jìn)入單作用式雙氣缸的兩個(gè)有桿腔時(shí)，兩活塞向中間移動(dòng)，工件被夾緊; 當(dāng)沒有壓力氣體進(jìn)入時(shí)，

29、彈簧推動(dòng)兩個(gè)活塞向外伸出，工件被松開。為保證兩活塞同步運(yùn)動(dòng)，在氣缸的進(jìn)氣路上安裝分流閥。3）連桿交叉式雙氣缸平移夾持器12連桿交叉式雙氣缸平移夾持器的結(jié)構(gòu)如圖:夾持機(jī)構(gòu)由單作用雙聯(lián)氣缸和交叉式指部組合而成。當(dāng)壓力氣體進(jìn)入雙聯(lián)氣缸的中間腔時(shí)，兩個(gè)活塞分別帶動(dòng)活塞桿向外伸出，交叉式指端將工件夾緊; 當(dāng)沒有壓力氣體進(jìn)入時(shí)，彈簧推動(dòng)兩個(gè)活塞自動(dòng)復(fù)位，工件被松開。由于兩個(gè)氣缸共用一個(gè)進(jìn)氣腔，能夠保證兩個(gè)活塞桿的完全同步運(yùn)動(dòng)。工件直徑的變化不影響其軸心的位置4）外夾式連桿杠桿式夾持器13如下圖當(dāng)增力機(jī)構(gòu)推動(dòng)活塞桿左右移動(dòng)時(shí)，由活塞桿、連桿、鉗爪和夾持器體構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu)，使鉗爪(手指)完成夾緊和放松功能，其夾

30、持力和驅(qū)動(dòng)力間關(guān)系的計(jì)算公式為：= cot 由上式可知：當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸b、c和驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，夾持力與角的余切成正比，當(dāng)角較小時(shí)，可得到較大的夾持力。為適用不同尺寸規(guī)格的工件可以更換鉗爪，當(dāng)工件尺寸變化較小時(shí)，也可采取更換調(diào)整墊片的辦法。5）內(nèi)撐式連桿杠桿式夾持器13為夾持內(nèi)孔薄壁零件，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器，如圖所示。它采用四連桿機(jī)構(gòu)傳遞撐緊力，其撐緊方向與外夾式相反。為使夾持器在撐緊工件后能準(zhǔn)確地用內(nèi)孔定位，多采用3個(gè)鉗爪(圖中只畫了2個(gè))，三鉗爪夾持器的鉗爪上撐緊力和驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系為：= cot 6）固定式無桿活塞缸驅(qū)動(dòng)的增力機(jī)構(gòu)13固定式無桿活塞缸的氣動(dòng)系統(tǒng)如圖，該缸為單作用氣缸，

31、反向靠彈簧力作用，由兩位三通電磁閥實(shí)現(xiàn)換向。無桿活塞缸的特點(diǎn)是在其活塞徑向裝有一過渡滑塊，滑塊兩端對(duì)稱地鉸接兩鉸桿，活塞在壓力作用時(shí)左右運(yùn)動(dòng)，滑塊則上下滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖。當(dāng)系統(tǒng)夾緊時(shí)，鉸點(diǎn)B將繞A點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，而滑塊上下運(yùn)動(dòng)可增加一個(gè)自由度，償曰點(diǎn)上下位移，替代整個(gè)氣缸體的擺動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。整個(gè)系統(tǒng)的理論輸出力計(jì)算為：=式中D為無桿活塞缸活塞的直徑，p為氣動(dòng)系統(tǒng)壓力。當(dāng)和較小時(shí)，可得到足夠大的輸出力具體工作原理及力學(xué)計(jì)算見參考文獻(xiàn)14。杠桿式夾持器在使用該增力機(jī)構(gòu)后，能顯著降低系統(tǒng)壓力，減小氣缸直徑，在得到足夠夾持力的同時(shí)使機(jī)械手結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，變得更加靈巧，從而降低設(shè)備成本，降低功耗。7）

32、鉸桿2杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的內(nèi)夾持氣動(dòng)機(jī)械手15當(dāng)壓縮空氣的方向控制閥處于圖所示左位工作狀態(tài)時(shí),氣壓缸的左腔即無桿腔進(jìn)入壓縮空氣,推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致鉸桿1和1的壓力角變小,通過角度效應(yīng)第一次把輸入力放大,然后傳遞到恒增力杠桿機(jī)構(gòu)2和2上,再一次將輸入力進(jìn)行放大,變?yōu)閵A持工件的作用力F。當(dāng)方向控制閥處于右位工作狀態(tài)時(shí),氣壓缸的右腔即有桿腔進(jìn)入壓縮空氣,推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng),夾持機(jī)構(gòu)松開工件機(jī)械手的夾緊力F,可用下式計(jì)算:F =d2 pl1/ 4n l2 tan式中d 氣缸直徑p 氣壓系統(tǒng)壓力(MPa)n 鉸桿2杠桿夾持機(jī)構(gòu)的副數(shù),圖所示為2副l1、l2 杠桿主動(dòng)臂、被動(dòng)臂的長(zhǎng)度 鉸桿機(jī)構(gòu)理論壓力角(

33、如圖示)（3）小結(jié)以氣動(dòng)系統(tǒng)為動(dòng)力源，可以使機(jī)器人動(dòng)作速度快，響應(yīng)性好，采用基于無桿活塞缸驅(qū)動(dòng)的增力機(jī)構(gòu)，既能保證機(jī)器人-T-臂末端杠桿式夾持器摩擦力小、活動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，又能在不增加氣缸面積的情況下，大大提高夾持力，減輕了手臂的負(fù)荷，滿足執(zhí)行系統(tǒng)的要求。162.4 氣吸式末端執(zhí)行器（1）氣吸式末端執(zhí)行器的分類與結(jié)構(gòu)分析 氣吸式末端執(zhí)行器就是利用吸盤內(nèi)產(chǎn)的負(fù)壓產(chǎn)生的吸力來吸住并移動(dòng)工件。吸盤就是用軟橡膠或塑料制成的皮碗中形成的負(fù)壓來吸住工件的。適用于吸取大而薄，剛性差的金屬和木質(zhì)板材、紙張、玻璃和弧形殼體等零件。根據(jù)不同的情況，可以做成單吸盤、雙吸盤、多吸盤或特殊形狀的吸盤。按

34、形成負(fù)壓的方法有以下幾種方式：1）擠壓式吸盤； 2）氣流負(fù)壓式吸盤；3）真空泵排氣式吸盤。 1）擠壓式吸盤：擠壓式排氣式吸盤靠向下擠壓力將吸盤內(nèi)的空氣排出，使其內(nèi)部形成負(fù)壓將工件吸住。有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)。但吸力不大，多用于序曲尺寸不大，薄而輕的物體。 其常見結(jié)構(gòu)如下圖： 2）氣流負(fù)壓式吸盤控制閥將來自氣泵的壓縮空氣自噴嘴噴入，形成高速射流，將吸盤內(nèi)腔中的空氣帶走而形成負(fù)壓，使吸盤吸住物體，若作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有壓縮空氣供應(yīng)這種吸盤比較方便，且成本。其常見結(jié)構(gòu)如下圖： 3）真空泵排氣式吸盤17利用電磁控制閥將真空泵與吸盤相聯(lián)，當(dāng)抽氣時(shí)，洗盤腔內(nèi)空氣被抽走時(shí)，形成負(fù)壓而吸住物體。反之，控制閥將

35、吸盤與大氣相聯(lián)時(shí)，吸盤失去吸力而松開工件。真空泵吸盤的吸力主要取決于吸盤吸附面積的大小和吸盤內(nèi)墻的真空度真空度是指內(nèi)q腔空氣的稀薄程度。這種吸盤工作可靠，吸力大，但需要配備真空本泵及控制系統(tǒng)，費(fèi)用高。其常見結(jié)構(gòu)如下圖： （2）氣吸式末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 一般來說對(duì)平板、片狀、箱體、表面光滑或平整、易碎或變形的物體,對(duì)大尺寸、重載、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或不適合夾持的物體, 多采用真空吸附式末端執(zhí)行器, 可大大簡(jiǎn)化夾具的設(shè)計(jì)。在選用真空吸盤抓取物體時(shí), 要明確以下幾個(gè)要點(diǎn): 1) 物件重量及由此產(chǎn)生的重力;2) 合力( 包括吸附力、重力、慣性力、離心力、摩擦力等) 的計(jì)算及方向;3) 物件的材質(zhì)及表面特性。

36、在此基礎(chǔ)上可確定吸盤的材料、形狀、規(guī)格及其活動(dòng)機(jī)構(gòu)形式。17吸盤式利用橡膠或塑料制成的，它的邊緣要很柔軟，以保持它緊密貼附在被吸物體表面而形成密封的內(nèi)腔。當(dāng)吸盤內(nèi)抽成負(fù)壓時(shí)，吸盤外部的大氣壓力將把吸盤緊緊地壓在被吸物體上。吸盤的吸力是由吸盤皮碗的內(nèi)、外壓差造成的，吸盤的吸力F(單位為N）可按以下式求的： 式中 P0大氣壓力，單位為N/cm2 P內(nèi)腔壓力，單位為N/cm2 S吸盤負(fù)壓腔在工件表面上的吸附面積，單位為cm2 K1安全系數(shù)，一般取K1=1.22； K2工作情況系數(shù)，一般取K2=13； K3姿態(tài)系數(shù)： 當(dāng)吸附表面處于水平位置時(shí)，K3=1； 當(dāng)吸附表面處于垂直位置時(shí)，K3=1/f,f為盤

37、與被吸體的摩擦因數(shù)。吸盤的吸力要大于被吸附物體的重力，其所需的吸盤面積S，可用一個(gè)吸盤或數(shù)個(gè)吸盤實(shí)現(xiàn)。3 因系統(tǒng)的負(fù)壓氣源多來自與吸盤直接連接的真空發(fā)生器, 從系統(tǒng)節(jié)能角度考慮, 一般通過增大吸盤尺寸來提高F , 而不是追求高真空度。真空發(fā)生器的抽吸流量越大, 達(dá)到要求的真空度的時(shí)間越快, 有利于加快機(jī)械手動(dòng)作節(jié)拍。18 （3）氣吸式末端執(zhí)行器的特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)： 適用于表面平整光潔的各種材料物件，不允許表面有溝槽或通孔。 給定面積上吸力有限。不損傷物件表面，但要求表面不能有碎屑，一次性吸取兩件的可能性小。需要吸盤和不漏氣的結(jié)構(gòu)，但是壽命比較短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕。19應(yīng)用：常用于板材、薄壁零件、搪

38、瓷制品、玻璃和紙張等的夾取放置操作。下圖是一些常見的應(yīng)用。 2.5 磁吸式末端執(zhí)行器(1)磁吸式吸末端執(zhí)行器簡(jiǎn)介 它可以分為電磁吸盤和永久吸盤兩種。 電磁吸盤是用接通和切斷線圈中的電流，產(chǎn)生和消除磁力的方法來吸住和釋放鐵磁性物體。 永磁吸盤則是利用永久磁鋼的磁力來吸住鐵磁性物體的它是通過移動(dòng)隔磁物體來改變吸盤中磁力線回路，從而達(dá)到吸住和釋放物體的目的。它具有不需電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。但同樣是吸盤，永久吸盤的吸力不如電磁吸盤大。如下圖2： 磁吸式吸盤的工作原理：線圈1通入電流后，鐵心2產(chǎn)生磁通，磁力線經(jīng)內(nèi)盤體4，避開隔物體5，通過工件3、外盤面6和盤體7，回到鐵心2,形成回路。由于磁力

39、線通過工件，工件即被吸住。外盤面6也是給工件定位用的。（2）磁吸式末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)分析21 磁吸式末端執(zhí)行器主要由3 個(gè)大部件組成：1)手部。即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的、光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式，連桿杠桿式，斜槭杠桿式，齒輪齒條式，絲杠螺母式，彈簧式和重力式。 . 選擇手抓的類型 磁吸式機(jī)械手的設(shè)計(jì)，常用的工業(yè)機(jī)械手手部，按握持工件的原理，分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整

40、、面積較大的板狀物體，適合用于本方案。通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇吸盤作為磁吸式機(jī)械手的手抓。為了使機(jī)械手能夠平穩(wěn)的搬動(dòng)工件，選擇了4 個(gè)吸盤，吸盤內(nèi)的磁力由電磁鐵提供。 . 手抓的力學(xué)分析 eq oac(,1)首先是電源設(shè)計(jì)，即線圈兩端的電壓。建議使用直流電源，因?yàn)橹绷麟娏骺梢员ＷC次吸力穩(wěn)定，沒有交變。介于設(shè)計(jì)的磁吸力小，可選用512 V 直流電源（電壓越大，反應(yīng)速度越快）。 eq oac(,2) 繞線組材料的選取。如果設(shè)計(jì)要求繞線組凈質(zhì)量小，則可選擇漆包鋁線。一般情況下，選擇漆包銅線，因?yàn)殂~的電阻率低。 eq oac(,3) 考慮繞線組的發(fā)熱。繞線組是有電阻的，其發(fā)熱功率P = U * U /

41、 R（U 為電源電壓）。 eq oac(,4) 選用橫截面積合適的導(dǎo)線作為繞線組。 eq oac(,5) 磁吸力F磁感應(yīng)強(qiáng)度B，B I * N（電流與匝數(shù) 的乘積）， 而I = U / R，且RN。具體公式為B = u* I* N / 2；R = * L / S = * D* N / S； 其中，u 是輪子的磁導(dǎo)率； 是導(dǎo)線的電阻率（mm）；S 是導(dǎo)線的橫截面積（mm2）；D 是線圈的平均直徑（mm）； N是線圈匝數(shù)；L 是導(dǎo)線總長(zhǎng)。則B 0.59 * u * S / (可以看出，只要繞線區(qū)域一定，B 與N 無關(guān)。) 線圈發(fā)熱功率P = U* U / R ( S2 )； 所以導(dǎo)線橫截面積S 盡

42、量取小，但S 過小會(huì)導(dǎo)致磁吸力變化速度慢。選擇每個(gè)吸盤的直徑相同d 。 工件的質(zhì)量m = v 所以根據(jù)平衡公式得G = 4 Fmg = 4F 即每個(gè)電磁吸盤的磁力F = m g / 4 2) 腕部 腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)，即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。.腕部設(shè)計(jì)的基本要求 a力求結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕。腕部處于手臂的最前端，其連同手部的靜、動(dòng)

43、載荷，均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、自重和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、自重和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，自重輕。 b.結(jié)構(gòu)考慮，合理布局。腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求和足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 c.必須考慮工作條件。對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的工件，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒有太多的不利因素。. 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腕部采用平面式，用4 根支架作成。下面采用2根支架, 支架上面再放2 根支架，4 根支架上都不采用

44、實(shí)體式，如果吸盤的位置正好吸在工件孔的位置，這樣就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手不能搬動(dòng)工件。采用此設(shè)計(jì)，可以人工調(diào)整機(jī)械手手部的位置來解決此問題。上面和下面的支架通過手部吸盤上的螺栓進(jìn)行連接。跟螺栓進(jìn)行連接的墊片，采用快換墊片，這樣可以迅速地調(diào)整機(jī)械手的手部位置。3)臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。其作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)，通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多，受力復(fù)雜。因此，其結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度，直接影響機(jī)械手的工作性能。 手

45、臂部件是機(jī)械手的主要握持部件，其作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)，通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。從臂部的受力情況分析，其在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，其結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等，直接影響到機(jī)械手的工作性能。.臂部設(shè)計(jì)的基本要求 a.臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕。根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸，提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離，合理布置作用力的位置和方向，注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高配合精度。 b.臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小。 c.手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活。總之，以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題

46、，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。.手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 通過以上綜合考慮，本設(shè)計(jì)要求機(jī)械手垂直移動(dòng)，選擇齒輪齒條機(jī)構(gòu)。臂部采用鋁合金材料，這樣可以減少手臂運(yùn)動(dòng)件的自重，可以減少臂部的慣量。臂部通過焊接與腕部相連，再通過焊接與齒條外面的端板相連接。通過M6 的螺釘，將外端板與齒條相聯(lián)接。這樣當(dāng)齒條磨損后，可以換新的齒條。 3 工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的研究現(xiàn)狀3工業(yè)機(jī)器人手部除焊接、噴涂等機(jī)器人的終端是焊鉗、噴槍等專用工具外, 其它工種如搬運(yùn)、裝配等機(jī)都配有夾持器。目前使用的或研制中的夾持器種類很多, 為了便于研究, 根據(jù)其結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用方式分為四種:( 1) 簡(jiǎn)單的夾持器機(jī)構(gòu): 這

47、類夾持器只適合抓取外形規(guī)則的物體, 應(yīng)用范圍有限。但因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉, 所以目前使用得較多。( 2) 多夾持器系統(tǒng): 此類夾持器主要用于抓拿對(duì)象種類較多、外形變化較大的場(chǎng)所。它的優(yōu)點(diǎn)是在操作過程中機(jī)器人可根據(jù)抓拿對(duì)象選擇不同的夾持器, 免除了因抓拿對(duì)象的變化而更換機(jī)器人終端設(shè)備的麻煩。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 增加了機(jī)器人腕部的負(fù)載。( 3) 柔性夾持器機(jī)構(gòu): 此類夾持器的特點(diǎn)是在操作過程中不存在固定不變的夾持形心, 所以它可抓拿形狀變化較大的物體, 但由于其失去了對(duì)抓拿物空間位姿的精確控制, 因此不適于機(jī)器人的裝配操作, 在實(shí)際應(yīng)用中有局限性。( 4) 仿人手型夾持器機(jī)構(gòu): 此類夾持器的特點(diǎn)

48、是它的機(jī)械結(jié)構(gòu)與人手相似, 具有多個(gè)可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié), 在操作過程中可通過關(guān)節(jié)的動(dòng)作使被抓拿物體在空間做有限度地移、轉(zhuǎn), 調(diào)整被抓拿物體在空間的位姿。在作業(yè)過程中, 這種小范圍的調(diào)整是十分必要的, 它對(duì)提高機(jī)器人作業(yè)的準(zhǔn)確性有利。因此仿人手型夾持器的應(yīng)用前景十分廣闊,但由于其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)非常復(fù)雜, 目前尚處于研究階段, 實(shí)際使用的寥若晨星?？傊? 夾持器機(jī)構(gòu)種類較多, 但其中有些在技術(shù)上尚不成熟, 有待進(jìn)一步開發(fā)研究。因此, 如何提高現(xiàn)有夾持器機(jī)構(gòu)的性能并從國情出發(fā), 研制能滿足各種作業(yè)要求, 實(shí)用可靠, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 造價(jià)低廉的夾持器機(jī)構(gòu)是我們的主要任務(wù)。4 結(jié)語工業(yè)機(jī)器人能否得到高效的應(yīng)用

49、，關(guān)鍵之一是其末端執(zhí)行器能否解決抓取對(duì)象和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)夾持器抓取過程提出的技術(shù)要求，例如，被抓取物件的輪廓、傳輸過程的動(dòng)態(tài)條件、接觸敏感性、操作現(xiàn)場(chǎng)的空間環(huán)境及溫度等。這些因素很多不是孤立存在的，往往是相互關(guān)聯(lián)，需要綜合考慮的。為了合理解決這些關(guān)鍵的技術(shù)問題和要求，就會(huì)出現(xiàn)各種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和觀點(diǎn)。設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，首先要考慮所設(shè)計(jì)的的夾持器對(duì)被抓拿物體的輪廓尺寸和形狀的適應(yīng)性與抓取的準(zhǔn)確性（閉合精度）和夾緊力。這是設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，也是評(píng)定末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)的特有準(zhǔn)則。前者有關(guān)適應(yīng)性方面的基本數(shù)據(jù)具有決定性意義，它與末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能、特性有著質(zhì)的聯(lián)系；后者抓取準(zhǔn)確性可作為末端執(zhí)行器的精度和可靠性準(zhǔn)則加以

50、考慮，具有量的關(guān)系。本著合理、有利的原則，處理好相互關(guān)系，對(duì)末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造有重要意義。 參考文獻(xiàn)： 1 Ethem Toklu，and Fehmi Erzincanli. Investigation of flow and vacuum lifting force on a non-contact end effector for robotic handling of non-rigid material. Scientific Research and Essays Vol. 6(29), pp. 6152-6161, 30 November, 20112大連鐵道學(xué)院 趙永成機(jī)

51、械制造裝備設(shè)計(jì)北京：中國鐵道出版社. 20066: 251254.3張遠(yuǎn)圻，張興國. 機(jī)器人末端執(zhí)行器的系統(tǒng)研究. 南通工學(xué)院（226007）. 設(shè)計(jì)與計(jì)算. 114洪業(yè). 工業(yè)機(jī)器人夾持器機(jī)構(gòu)的研究. 機(jī)械設(shè)計(jì)專題論文. 1997. 4: 115United States Patent. Todorov et al. No.:US6,435,807 B1. Date of Patent: Aug. 20, 20026凡東，龐海榮，姚亞峰全液壓鉆機(jī)夾持器的設(shè)計(jì)與分析J煤炭工程，2006(5) ：7-87王成復(fù)合式液壓夾持器的設(shè)計(jì)J西部探礦工程，1998，10(6)：70728機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)

52、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20049謝昱北，許嘩SolidWorks機(jī)械設(shè)計(jì)與典型范例M北京：電子工業(yè)出版社，200710張晉西，郭學(xué)琴SolidWorks及COSMOSMotion機(jī)械仿真設(shè)計(jì)M北京：清華大學(xué)出版社，2007.11吳振順.氣壓傳動(dòng)與控制. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社. 4-412孫友剛，盛小明. 氣動(dòng)送料機(jī)械手變尺寸自動(dòng)對(duì)中夾持器的設(shè)計(jì). 1000-4858(2011)06-0054-0213盛小明，鐘康民. 帶增力機(jī)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人手臂末端夾持器10004998(2006)0900690214盛小明，鐘康民. 基于固定式無感活塞驅(qū)動(dòng)的增力夾緊機(jī)構(gòu). 機(jī)械制造出版社. 71

53、7215郭瑞潔， 鐘康民. 基于鉸桿2杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的內(nèi)夾持氣動(dòng)機(jī)械手. 100024858 (2009) 012005520216Sommer automatics Gmbh. Automatisierung ans einer hand. 959617吳洪民，陳志方氣動(dòng)機(jī)器手的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn). 2002,8: 2218余達(dá)太，馬香峰. 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用工程北京：冶金工業(yè)出版社. 1999: 241245.19王承義. 機(jī)械手及其應(yīng)用北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1981,6 : 6162.20 華大年. 機(jī)械原理(第二版)M. 北京：高等教育出版社,1994: 105112附錄資料：不需要的可以自行

54、刪除 永磁同步電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)PMSM的數(shù)學(xué)模型交流電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)的三相繞組分布在定子上，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上。在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過程中，定子與轉(zhuǎn)子始終處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，永磁體與繞組，繞組與繞組之間相互影響，電磁關(guān)系十分復(fù)雜，再加上磁路飽和等非線性因素，要建立永磁同步電機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型是很困難的。為了簡(jiǎn)化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，我們通常做如下假設(shè)：忽略電機(jī)的磁路飽和，認(rèn)為磁路是線性的；不考慮渦流和磁滯損耗；當(dāng)定子繞組加上三相對(duì)稱正弦電流時(shí)，氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢(shì)，忽略氣隙中的高次諧波；驅(qū)動(dòng)開關(guān)管和續(xù)流二極管為理想元件；忽略齒槽、換向過程和電樞反應(yīng)等影響。永磁同

55、步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程組成，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：(l)電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓方程如下式所示:其中，Rs為定子電阻；ud、uq分別為d、q 軸上的兩相電壓；id、iq分別為d、q軸上對(duì)應(yīng)的兩相電流；Ld、Lq分別為直軸電感和交軸電感；c為電角速度；d、q分別為直軸磁鏈和交軸磁鏈。若要獲得三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程，則需做兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換，如下式所示。(2)d/q軸磁鏈方程：其中，f為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，為常數(shù)，而是機(jī)械角速度，p為同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)，c為電角速度，e0為空載反電動(dòng)勢(shì)，其值為每項(xiàng)繞組反電動(dòng)勢(shì)的倍。(3)轉(zhuǎn)

56、矩方程：把它帶入上式可得:對(duì)于上式，前一項(xiàng)是定子電流和永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為永磁轉(zhuǎn)矩；后一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子突極效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩，若Ld=Lq，則不存在磁阻轉(zhuǎn)矩，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩方程為：這里，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，。(4)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：其中，是電機(jī)轉(zhuǎn)速，是負(fù)載轉(zhuǎn)矩，是總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(包括電機(jī)慣量和負(fù)載慣量)，是摩擦系數(shù)。直線電機(jī)原理永磁直線同步電機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的一種演變，相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和動(dòng)子沿軸向剖開，然后將電機(jī)展開成直線，由定子演變而來的一側(cè)稱為初級(jí)，轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級(jí)。由此得到了直線電機(jī)的定子和動(dòng)子，圖1為其轉(zhuǎn)變過程。直線電機(jī)不僅在結(jié)構(gòu)上是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的演變，在工作原理上也與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似。

57、在旋轉(zhuǎn)的三相繞組中通入三相正弦交流電后，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣隙磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（又叫同步轉(zhuǎn)速）為： （1-1）其中，交流電源頻率，電機(jī)的極對(duì)數(shù)。如果用表示氣隙磁場(chǎng)的線速度，則有： （1-2）其中，為極距。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開成直線電機(jī)形式以后，如果不考慮鐵芯兩端開斷引起的縱向邊端效應(yīng)，此氣隙磁場(chǎng)沿直線運(yùn)動(dòng)方向呈正弦分布，當(dāng)三相交流電隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)由原來的圓周方向運(yùn)動(dòng)變?yōu)檠刂本€方向運(yùn)動(dòng)，次級(jí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和初級(jí)的磁場(chǎng)相互作用從而產(chǎn)生電磁推力。在直線電機(jī)當(dāng)中我們把運(yùn)動(dòng)的部分稱為動(dòng)子，對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。這個(gè)原理和旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，二者的差異是：直線電機(jī)的磁場(chǎng)是平移的，而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為

58、行波磁場(chǎng)。這時(shí)直線電機(jī)的同步速度為v=2f,旋轉(zhuǎn)電機(jī)改變電流方向后，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變，同樣的方法可以使得直線電機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖1永磁直線同步電機(jī)的演變過程 圖2 直線電機(jī)的基本工作原理 對(duì)永磁同步直線電機(jī)，初級(jí)由硅鋼片沿橫向疊壓而成，次級(jí)也是由硅鋼片疊壓而成，并且在次級(jí)上安裝有永磁體。根據(jù)初級(jí)，次級(jí)長(zhǎng)度不同，可以分為短初級(jí)-長(zhǎng)次級(jí)結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)初級(jí)-短次級(jí)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)部分可以是電機(jī)的初級(jí)，也可以是電機(jī)的次級(jí)，要根據(jù)實(shí)際的情況來確定。基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，永磁同步直線電機(jī)的速度等于電機(jī)的同步速度： （1-3）圖3 PMLSM的基本結(jié)構(gòu) 矢量控制（磁場(chǎng)定向控制技術(shù)）矢量控制技術(shù)是（磁場(chǎng)定向控制技

59、術(shù)）是應(yīng)用于永磁同步伺服電機(jī)的電流（力矩）控制，使得其可以類似于直流電機(jī)中的電流（力矩）控制。矢量控制技術(shù)是通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的。坐標(biāo)變換需要坐標(biāo)系，變化整個(gè)過程給出三個(gè)坐標(biāo)系：靜止坐標(biāo)系（a，b，c）：定子三相繞組的軸線分別在此坐標(biāo)系的a，b，c三軸上；靜止坐標(biāo)系（，）：在（a，b，c）平面上的靜止坐標(biāo)系，且軸與a軸重合，軸繞軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）:以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。矢量控制技術(shù)對(duì)電流的控制實(shí)際上是對(duì)合成定子電流矢量的控制，但是對(duì)合成定子電流矢量的控制的控制存在以下三個(gè)方面的問題：是時(shí)變量，如何轉(zhuǎn)換為時(shí)不變量？如何保證定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間始終保持垂直？是虛擬量，力矩T的控制最終還是要落實(shí)到三相電流的控制上，如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)換？從靜止坐標(biāo)系（a，b，c）看是以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的，而從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）上看是靜止的，也就是從時(shí)變量轉(zhuǎn)化為時(shí)不變量，交流量轉(zhuǎn)化為直流量。所以，通過Clarke和Park坐標(biāo)變換（即3/2變換），實(shí)現(xiàn)了對(duì)勵(lì)磁電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq的解耦。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）中，已經(jīng)成為了一個(gè)標(biāo)量。令在q軸上（即讓id=0），使轉(zhuǎn)子的磁極在d軸上。這樣，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）中，我們就可以象直流電機(jī)一樣，通過控制電流來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。