多用途机械手结构的设计

朱 英 宋开功 李 姣 张荣芳/山东协和学院

多用途机械手结构的设计

朱 英 宋开功 李 姣 张荣芳/山东协和学院

本课题设计为一种四自由度多用途机械手，主要用于车间、货场等自动搬运，以代替人力作业。针对该多用途机械手的特点，对其整体方案、结构部件系统进行设计，并对其各个组成部分，如驱动装置、执行装置等进行了详细的分析设计计算，使其结构布局和受力合理。其中包括液压缸、齿轮齿条等标准件的选择、计算。并采用先进的工程软件Solidworks、AutoCAD进行二维、三维视图的绘制。

四自由度；机械手；液压驱动；AutoCAD

1.引 言

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，模仿人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作动作的自动化执行装置。具有自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用，它是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性[1]。

2.系统组成及设计参数

2.1系统组成

该系统由机械手（执行装置）、机身（驱动装置）两部分组成；都是由液压来完成动作。本机械手具有机身旋转、升降、手臂伸缩以及旋转四个自由度。驱动方式为液压驱动，系统压力为4MPa，共有机身升降油缸、机身旋转油缸、手臂伸缩油缸、手臂旋转油缸以及机械手夹紧油缸5个液压缸[2]。机械手由执行系统，驱动系统和控制系统组成以及位置检测装置等组成。

2.2设计参数

抓重量50公斤手臂伸缩行程1200mm手腕回转范围0°-180°自由度4个手臂伸缩速度200mm/s手腕回转速度45°/s最大工作半径1400mm升降行程120mm驱动方式液压手臂最大中心高1250mm升降速度120mm/s夹持范围100-180mm

3.总体方案设计

方案一、四自由液压机械手

该机械手通过液压驱动，通过液压缸实现手臂伸缩、手臂旋转、机身升降、旋转四个自由度，速度快、灵活方便、便于控制，负载较大。

方案二、四自由度气压传动机械手

此机械手由气缸提供动力，实现X轴、Y轴、Z轴移动以及手部转动四个自由度，优点是反应快、动作迅速，缺点是负载较小。

方案三、电动液压混合驱动

该方案手臂之间的动力传动靠齿轮传动来实现，抓手工作通过液压传动实现，抓手上部通过伺服电机驱动，配合转盘实现360°回转，灵活方便。

出于设计人的能力有限，此次设计所选择的方案为方案一。在该方案中，动力全部由液压缸提供，这样在工作时系统稳定，且可以很好的完成任务要求。

4.设计计算

4.1夹紧液压缸主要尺寸参数的确定

（1）液压缸内径D的计算

由单活塞杆式液压缸的推理公式：

按照GB/T2348-1993标准系列直径回整，取D=25mm。

（2）活塞杆直径d的计算

活塞杆直径可按工作压力确定，对于常速比的液压缸可根据已定的缸径D查下表确定：液压缸工作压力（MPa）≤5，取(0.5～0.6) D；液压缸工作压力～7取(0.6～0.7)D；液压缸工作压力>7取0.7D[3]。

4.2机械手臂运动机构的设计

根据任务书要求，手臂的伸缩长度为1200mm，所以，根据GB2349-1980，选择液压缸活塞行程L为1250mm，又根据要求L≤（20～30）D0，可以D0≥40mmmm，因此，取液压缸外径D0=40mm，而液压缸内径D的值根据GB/T2348-1993取为30mm；查表确定活塞杆的直径d=0.6D=0.6×30mm=18mm，根据GB/T2348-1993，确定活塞杆的外径为22mm。

4.3齿轮齿条的计算

由齿轮传动的设计参数、许用应力大小、齿轮的设计计算最终确定齿轮数据：模数m=2 、齿数z=20 、分度圆直径d=40mm 、齿高h=4.25mm、齿宽b=24mm[4]。

5.结构设计与三维造型

5.1总体设计

图1 总装图

图1中，机身总共有四个液压缸，通过1手腕旋转液压缸、6升降缸、17手臂伸缩缸以及23手臂旋转液压缸实现四个自由度。设计中，机身2可以起到手腕抗弯的作用，16导杆、21连杆可以起到手臂的抗弯的作用，在其跟7机身套筒的相互配合中，应该及时添加润滑油。其中，21连杆可以再机械手套筒上滑动，既能起到抗弯的作用，又能实现设计本身对于自由度的设定要求。

5.2机械手抓手设计

图2 机械手抓手及三维造型