摘要：在吸收有關(guān)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)方面知識的基礎(chǔ)上，介紹了工業(yè)機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)。該機(jī)械手采用步進(jìn)電機(jī)控制伸縮臂的精確穩(wěn)定，液壓控制楔塊帶動連桿，夾持力大且輕便。
機(jī)器人是自動完成作業(yè)的機(jī)器裝置，執(zhí)行的是協(xié)助或是替代人類工作的工作。目前在工業(yè)、醫(yī)學(xué)以及軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。在工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的主要矛盾促使采用新的技術(shù)設(shè)備，即操作機(jī)（操作工具）。機(jī)器特別是機(jī)床的裝卸，操作過程中一些工件的傳送，工件的儲存和取出，部件安裝、焊接、鍛造、壓制、噴漆和其他許多工藝操作工程等，這些操作表面看來并不復(fù)雜，通常不需要有特別技能的工人，但卻要由人的手和手臂結(jié)合運(yùn)動過程操作。所以各國都在研究程序控制系統(tǒng)的自動化工業(yè)操作機(jī)——機(jī)械手。
本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括電動伸縮臂和液壓控制夾持器的設(shè)計(jì)。使用步進(jìn)電動機(jī)作為伸縮臂的動力源，步進(jìn)電動機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確定位，取代了以往靠定位柱來定位的方式。夾持器采用液壓驅(qū)動楔塊帶動連桿機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是磨損輕以及加工容易。
1.總設(shè)計(jì)方案
機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)以及位置檢測機(jī)構(gòu)等組成，驅(qū)動機(jī)構(gòu)可以采取液壓傳動、氣動傳動、電氣傳動和機(jī)械傳動等形式，而多數(shù)采用電機(jī)液聯(lián)合傳動。
該機(jī)械手是將圓柱形零件從傳送帶上夾送到專用機(jī)床上，待加工完成后再夾裝回傳送帶的專用機(jī)械手。機(jī)械手總體分為夾持器、伸縮臂、升降臂和底座4部分，如圖1所示。夾持器安裝在伸縮臂上，伸縮臂安裝在升降臂上，升降臂安裝在底座上，聯(lián)接方式均為法蘭盤螺栓聯(lián)接。
機(jī)械手完成一次傳遞和取回動作過程如下：從原位開始，工件經(jīng)傳送帶傳送到指定位置時(shí)，通過預(yù)先編輯好的程序使機(jī)械手執(zhí)行命令，升降臂下降，夾持器夾緊工件后，升降臂上升，到達(dá)指定高度后，底座快速回轉(zhuǎn)，隨后底座向工件的加工機(jī)床慢進(jìn)，到指定位置伸縮臂伸出，夾持器松開，工件被放在機(jī)床的相應(yīng)位置，而后伸縮臂縮回；待加工完成后，伸縮臂再次伸出，夾持器夾緊加工完成后的工件，伸縮臂縮回，底座回轉(zhuǎn)，底座向傳送帶一側(cè)慢退到指定位置，升降臂開始下降，到達(dá)傳送帶上方，夾持器松開，將工件放在傳送帶上后，升降臂上升到原位停止，準(zhǔn)備下次循環(huán)。
圖1 機(jī)械手總體方案圖
1.夾持器 2.伸縮臂 3.升降臂 4.底座
2.夾持器的設(shè)計(jì)
楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器（見圖2）由活塞桿、楔塊、滾輪、輔助桿、夾持器手爪、夾持器臂和彈簧等組成。工作時(shí)，由液壓缸活塞桿1推動楔塊2向前運(yùn)動，從而使夾持器臂6左端的兩個(gè)滾輪3互相分開，使夾持器手爪實(shí)現(xiàn)夾緊，夾持器處于夾持狀態(tài)；活塞桿縮回，在彈簧的作用下，夾持器張開。
圖2 夾持器結(jié)構(gòu)圖
1.活塞桿 2.楔塊 3.滾輪 4.輔助桿 5夾持器手爪 6.夾持器臂 7.彈簧
根據(jù)夾持器的驅(qū)動力由液壓缸提供的原則，選用液壓缸已滿足該工作場合的使用。本方案選用了W70/140L-1系列輕型拉桿液壓缸，與同等壓力等級液壓缸相比，該液壓缸具有結(jié)構(gòu)簡單、零件通用化程度高和安裝形式多樣等特點(diǎn)，該液壓缸符合本方案結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的設(shè)計(jì)思想。夾持器部分用一對主夾持器臂外加一對輔助臂的設(shè)計(jì)，可以保證工作時(shí)手爪的工作面始終與工件在同一平面上，提高了機(jī)器的安全性。
夾持器的手爪采用V形爪結(jié)構(gòu)，材料選用鋁合金，因此該V形爪不易變形和斷裂，且質(zhì)量輕，加工方法為鑄造，結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 夾持器手爪示意圖
V形爪兩內(nèi)側(cè)加工出條狀溝痕，用來增加夾持工件時(shí)的摩擦力，使夾持工件更牢固，此外，為防止V形爪夾持損傷工件表面，還可以在V形爪的工作面上粘貼上一面有粗糙波紋的橡膠板，這樣可以起到保護(hù)作用，要求橡膠板與V形爪粘接處的黏膜牢固防止橡膠板脫落。
3.電動伸縮臂的設(shè)計(jì)
機(jī)械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝機(jī)械手，完成直線伸縮動作。電動伸縮臂主要包括電動機(jī)、傳動齒輪、軸承組、滾珠絲杠和導(dǎo)軌等組成。交流力矩電動機(jī)通過傳動齒輪驅(qū)動滾珠絲杠，推動導(dǎo)桿運(yùn)動，利用電動機(jī)正反向轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)伸縮，雙向止推軸承組合保證了絲杠的穩(wěn)定性，通過導(dǎo)桿上撞塊撞擊限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)最大伸縮定位，當(dāng)撞塊撞擊右端開關(guān)達(dá)到最大伸出位移，當(dāng)撞塊撞擊左端達(dá)到最大收縮位移。
伸縮臂采用交流力矩電動機(jī)驅(qū)動，力矩電動機(jī)通過調(diào)整工作電壓，改變堵轉(zhuǎn)力矩的大小，達(dá)到工作平穩(wěn)、動作快捷以及定位準(zhǔn)確的要求。傳動部分伸縮臂采用滾珠絲杠傳動，滾珠絲杠與其他傳動件如梯形螺紋絲杠相比，明顯的優(yōu)點(diǎn)是使此機(jī)械手控制精確、收縮平穩(wěn)靈活、動作快捷以及工作協(xié)調(diào)。執(zhí)行部件伸縮臂的伸出和縮回運(yùn)動通過導(dǎo)向桿的伸縮來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)向桿部分采用雙導(dǎo)向桿方式設(shè)計(jì)，這樣可以進(jìn)一步提高伸縮臂的機(jī)械性能和精度要求。
圖4 電動伸縮機(jī)構(gòu)示意圖
電動機(jī) 2.傳動齒輪 3.雙向止推軸承組合 4.緩沖彈簧 5.滾珠絲杠 6.軸承 7.法蘭 8.限位開關(guān) 9.直線導(dǎo)軌 10.撞塊 11.聯(lián)接板 12.底板
4.結(jié)語
本次設(shè)計(jì)要完成的任務(wù)是將工件從傳送帶轉(zhuǎn)移到機(jī)床上，待加工完成后再把工件放回傳送帶，該機(jī)械手臂投入生產(chǎn)使用后，首先是提高了生產(chǎn)效率，減少了人工成本，使生產(chǎn)過程更加流暢有序。同時(shí)，也有效地避免了因人工搬運(yùn)過程帶來的安全隱患，減少了工傷的發(fā)生和工件在搬運(yùn)過程中發(fā)生磕碰的概率，對企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)效益有很大幫助。