一種取料機(jī)械手的設(shè)計(jì)及研究

摘 要：機(jī)械手在最近幾十年發(fā)展迅速，作為一種新技術(shù)被廣泛用于工程機(jī)械中，機(jī)械手能模仿人肢體的一些功能，雖然不夠靈活，但是能解決很多生產(chǎn)中面對(duì)的問題。如何準(zhǔn)確地抓取工件是取料機(jī)器人的關(guān)鍵所在，所以對(duì)它的設(shè)計(jì)要求要嚴(yán)格把關(guān)，提高取料機(jī)器人的抓取精度是本文的重中之重，本文主要著重設(shè)計(jì)取料機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：取料機(jī)械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；機(jī)器人

一、 引言

經(jīng)過這幾年的不斷發(fā)展，我們在各行各業(yè)都可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械手正在代替工人進(jìn)入生產(chǎn)線，而且應(yīng)用非常廣泛，隨處能見其身影。隨著我國人口老齡化嚴(yán)重，越來越多的企業(yè)出現(xiàn)用工難，而且勞動(dòng)力成本不斷上升，因此機(jī)械手逐漸發(fā)展起來，而且其智能化要求越來越高，機(jī)械手能代替勞動(dòng)力在復(fù)雜的工況中作業(yè)，因此被廣泛使用。中國老齡化越來越嚴(yán)重，而機(jī)械手的出現(xiàn)能夠大大減少勞動(dòng)力。因此機(jī)械手性能的好壞、結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，將直接影響其工作進(jìn)度，進(jìn)而影響著產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。隨著中國綜合實(shí)力的飛躍，許多企業(yè)對(duì)機(jī)械手的需求也越來越大，從而在機(jī)械手市場上形成強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)，也只有不斷開發(fā)出更好的機(jī)器，受到普遍企業(yè)的好評(píng)，才能夠迅速占領(lǐng)市場。中國是一個(gè)人口大國，隨著勞動(dòng)成本的越來越高，尤其是我國的北方民族，人民生活水平在不斷提高，在中國龐大的人口基數(shù)下，研究一款實(shí)用的取料機(jī)械手具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。機(jī)械手行業(yè)是一個(gè)技術(shù)要求相對(duì)較高的市場行業(yè)，改革開放以來，隨著科學(xué)技術(shù)的提高以及國外機(jī)器人的引進(jìn)，同時(shí)注重市場的研發(fā)，繼而擴(kuò)大市場份額，對(duì)中國的小型機(jī)械化行業(yè)具有一定的影響。

二、 取料機(jī)械手的主要組成

工業(yè)機(jī)器人按其運(yùn)動(dòng)形式分為四種，每種機(jī)器人根據(jù)其工作場所不同，運(yùn)動(dòng)方式不同。有的是通過液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種機(jī)器人一般需要承受較大的力，有的是通過氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)像取料機(jī)械人，還有對(duì)精度要求較高的是采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因此在對(duì)取料機(jī)械人基座進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要保證其足夠的剛度和強(qiáng)度。

取料機(jī)械手主要由伺服電機(jī)、基座、手臂、手腕、夾持裝置和控制系統(tǒng)組成。取料機(jī)械手和其他類型的機(jī)械手不一樣，它要求夾取時(shí)能夠保證整體穩(wěn)定性好，這樣才能保證夾取的平穩(wěn)性，探頭的設(shè)計(jì)也尤為重要，根據(jù)不同類型的工件需要設(shè)計(jì)不同自由度的夾取機(jī)械手，對(duì)于工件比較復(fù)雜的工況對(duì)機(jī)械手的要求更加高。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)形式也是各種各樣，有些采用液壓驅(qū)動(dòng)，像搬運(yùn)機(jī)械手，有些采用氣壓驅(qū)動(dòng)像採抓機(jī)械手，本次設(shè)計(jì)的取料機(jī)械手是采用伺服驅(qū)動(dòng)，由于取料機(jī)械手比其他機(jī)械手的要求高，所以各個(gè)關(guān)節(jié)是采用伺服電機(jī)進(jìn)行控制。

三、 取料機(jī)械手的原理

取料機(jī)械手就是根據(jù)工件的位置，通過轉(zhuǎn)動(dòng)其轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)械手臂和機(jī)械手腕來調(diào)節(jié)抓取的角度和方位。每一個(gè)關(guān)節(jié)位置都裝了液壓缸，看似一個(gè)簡單的動(dòng)作，需要復(fù)雜的程序和算法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位，保證能夠準(zhǔn)確抓取工件。

到目前為止，機(jī)械手的種類已經(jīng)有成千上萬種，影響我們生活的方方面面，具有操作方便、可靠性高、安全、舒適等特點(diǎn)。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)主要是通過調(diào)節(jié)其各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其操作要求，其種類也各不相同。

機(jī)械手按矢量封閉圖表示圖

由于取料機(jī)械手需要多角度多方位對(duì)工件進(jìn)行夾持，因此本次設(shè)計(jì)的取料機(jī)械手自由度多，而且需要靈活性好。取料機(jī)械手首先對(duì)取料的位置進(jìn)行踩點(diǎn)，通過傳感器把信號(hào)反饋給PLC，然后通過收集的信息進(jìn)行反饋，抓手開始對(duì)工件進(jìn)行抓取。本次設(shè)計(jì)的取料機(jī)械手采用關(guān)節(jié)型，因?yàn)槊總€(gè)關(guān)節(jié)能夠進(jìn)行不同方位的運(yùn)動(dòng)，通過伺服電機(jī)的控制達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)要求。當(dāng)抓取的工件較為復(fù)雜時(shí)，抓取的時(shí)間長，而且抓取精度會(huì)略低，當(dāng)抓取的工件形狀簡單，這樣抓取的質(zhì)量好，時(shí)間短，因此我們要根據(jù)實(shí)際抓取工況選擇不同類型的取料機(jī)械手，對(duì)于有些工件不能用機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)的，必須用人力進(jìn)行夾持，這樣才能夠做到物極所用。

四、 取料機(jī)器人的受力計(jì)算

根據(jù)人臂運(yùn)動(dòng)的不同，驅(qū)動(dòng)力可分為兩種情況來計(jì)算。

當(dāng)機(jī)器人的手臂進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其主要計(jì)算公式為P驅(qū)=F摩+F慣。其中F摩表示在運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力，這里包括在空氣中的阻力以及各個(gè)零部件的摩擦力，F(xiàn)慣表示機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中的慣性力矩。其大小可按下式計(jì)算；

F慣=GΔVgΔt（2-1）

其中G——人臂移動(dòng)部件的重量（公斤），

g——重力加速度9.81（米/秒2）

ΔV——?jiǎng)偲鸩綍r(shí)的運(yùn)動(dòng)速度

Δt——起動(dòng)或制動(dòng)所需的時(shí)間（秒）。

五、 總結(jié)

伴隨著人類社會(huì)全面而又高速的發(fā)展，現(xiàn)代化、智能化水平的不斷提升，人類的社會(huì)和人們的生活正在發(fā)生著日新月異的變化。首先分析了取料機(jī)械手在國內(nèi)外的使用情況，并且對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析，通過其工作原理，并對(duì)其各個(gè)部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且對(duì)其受力情況進(jìn)行分析。

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作者簡介：

朱龍飛，江蘇省常州市，常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校。