机械手臂的组成部分
一、机械手臂的作用和组成
1、作用
手臂一般有3个运动：
伸缩、旋转和升降。实现旋转、升降运动是由横臂和产柱去完成。手臂的基本作用是将手爪移动到所需位置和承受爪抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量等。
2、组成
手臂由以下几部分组成：
（1）运动元件。如油缸、气缸、齿条、凸轮等是驱动手臂运动的部件。
（2）导向装置。是保证手臂的正确方面及承受由于工件的重量所产生的弯曲和扭转的力矩。
（3）手臂。起着连接和承受外力的作用。手臂上的零部件，如油缸、导向杆、控制件等都安装在手臂上。
此外，根据机械手运动和工作的要求，如管路、冷却装置、行程定位装置和自动检测装置等，一般也都装在手臂上。所以手臂的结构、工作范围、承载能力和动作精度都直接影响机械手的工作性能。
二、设计机械手臂的要求
1、手臂应承载能力大、刚性好、自重轻
手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件时动作的平稳性、运动的速度和定位精度。如刚性差则会引起手臂在垂直平面内的弯曲变形和水平面内侧向扭转变形，手臂就要产生振动，或动作时工件卡死无法工作。为此，手臂一般都采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚度，各支承、连接件的刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱动力。
2、手臂的运动速度要适当，惯性要小
机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要求来决定的，但不宜盲目追求高速度。
手臂由静止状态达到正常的运动速度为启动，由常速减到停止不动为制动，速度的变化过程为速度特性曲线。
手臂自重轻，其启动和停止的平稳性就好。
3、手臂动作要灵活
手臂的结构要紧凑小巧，才能做手臂运动轻快、灵活。在运动臂上加装滚动轴承或采用滚珠导轨也能使手臂运动轻快、平稳。此外，对了悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂上布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降、支撑中心的偏重力矩。偏重力矩对手臂运动很不利，偏重力矩过大，会引起手臂的振动，在升降时还会发生一种沉头现象，还会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计手臂时要尽量使手臂重心通过回转中心，或离回转中心要尽量接近，以减少偏力矩。对于双臂同时操作的机械手，则应使两臂的布置尽量对称于中心，以达到平衡。
4、位置精度高
机械手要获得较高的位置精度，除采用先进的控制方法外，在结构上还注意以下几个问题：
（1）机械手的刚度、偏重力矩、惯性力及缓冲效果都直接影响手臂的位置精
度。
（2）加设定位装置和行程检测机构。
（3）合理选择机械手的坐标形式。直角坐标式机械手的位置精度较高，其结构和运动都比较简单、误差也小。而回转运动产生的误差是放大时的尺寸误差，当转角位置一定时，手臂伸出越长，其误差越大；关节式机械手因其结构复杂，手端的定位由各部关节相互转角来确定，其误差是积累误差，因而精度较差，其位置精度也更难保证。
5、通用性强，能适应多种作业；工艺性好，便于维修调整
以上这几项要求，有时往往相互矛盾，刚性好、载重大，结构往往粗大、导向杆也多，增加手臂自重；转动惯量增加，冲击力就大，位置精度就低。因此，在设计手臂时，须根据机械手抓取重量、自由度数、工作范围、运动速度及机械手的整体布局和工作条件等各种因素综合考虑，以达到动作准确、可靠、灵活、结构紧凑、刚度大、自重小，从而保证一定的位置精度和适应快速动作。此外，对于热加工的机械手，还要考虑热辐射，手臂要较长，以远离热源，并须装有冷却装置。对于粉尘作业的机械手还要添装防尘设施。
三、手臂的结构
手臂的伸缩和升降运动一般采用直线油（气）缸驱动，或由电机通过丝杆、螺母来实现。
手臂的回转运动在转角小于360°的情况下，通常采用摆动油（气）缸；转角大于360°的情况下，采用直线油缸通赤齿条、齿轮或链条、链轮来实现。
（1）手臂直线运动。
（2）手臂的摆动。
（3）手臂的俯仰运动。
滚子链是一种用于传送机械动力的链条，它在工业和农业机械中起着非常重要的作用。如果没有它，许多重要的机械都将缺乏动力。那么滚链是如何制造的呢？
第一、制造滚子链要从这一大卷钢条开始。首先钢条通过冲床，再用500吨的压力在钢条上裁切出需要的链板形状，他将串联滚子链所有的部位。然后链板通过输送带进入下一工序，机器臂会挪动，他们使机前往下一台冲床，冲床会在每块链板上打出两个洞。随后工人把打好洞的电板均匀摊平在浅盘上，传送带将它们送进火炉里，经过淬火加工会增加炼板的强度。接着电板会通过油槽慢慢冷却，再将冷却的电板送进洗涤机里清洗，去除残余的油污。
第二、在工厂的另一边，这台机器展开钢条来制造衬套，也就是炼削的套筒。先用刀片把钢条切成正确的长度，然后机械臂把钢片绕在新轴上，制作好的衬套会掉进下方的桶内，接着给他们进行热加工处理。工人打开火炉。一台轴车把衬套送进火炉中，经过淬火加工后的衬套出炉后会变得更加强烈。接下来就是制作结合他们的插销。这台机器把钢棍送进家具，然后上面的锯子将它切割成适当大小，具体尺寸要根据使用的链条而定。
第三、接着机械手臂将切割好的插销移送到机窗上，两边的旋转头会磨掉插销的末端，再让插销通过沙门把它们磨成特定的口径，并送去清洗。润滑剂和特殊配方的溶剂会洗掉沙膜后的残留物，这是插销在沙膜前后的对比。接下来开始组合所有零件。先将链板和衬套组合在一起，并压机把它们压合起来。工人取下它们后，在装置上再放两个链板，并在上面套上滚子，然后把衬套和链板组插进去。再次用机器把所有零件压制在一起，那么滚子链的链环就制作好了。
第四、接着要将所有的链环连接起来，工人用固定器钳住链环，再插进插销，并机器把插销压进链环组的底部，再把插销放进另一个链环，将它压到定位。一直重复这样的工序，直到滚子链变成想要的长度。为了能让链条应付更大的马力，就需要对链条进行加宽，只需要把单个滚子链叠合在一起，并使用更长的插销把所有链条结合起来。加工程序和前面单排链条一样，一直重复这样的加工过程。一小时后，一条可以承受400匹马力的多排滚子链就制造好了。最后把制作好的滚子链侵入一桶热油中来润滑链条的结合处。经过润滑后的滚子链就可以打包发往全国各地的机械修理厂。
挖掘机是一种特殊的工程车辆，是由旋转平台、大型铲子以及机械手臂组成。一般是以履带或车轮行进。由于它的样子特殊，行内对其有各种称呼，如怪手、反铲、挖机等。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，挖掘机已经成为工程建设中最主要的工程机械之一。 挖掘机最重要的三个参数：操作重量（质量），发动机功率和铲斗斗容。
六轴：第六轴起到末端夹具部分旋转功能，可以360°旋转。
五轴：第五轴控制和微调机械臂上下翻转动作，通常是当产品抓取后可以进行产品翻转的动作。
四轴：四轴是控制机器人上面的圆形管的部分可自由旋转的部位，活动范围相当于人的小臂。
三轴：三轴辅助二轴控制机器人主臂前后摆动功能。
二轴：控制机器人主臂的前后摆动和整个主臂上下的运动。
一轴：第一轴是连接底座的部位，主要是承载上面轴的重量与底座的左右旋转。
设计二自由度关节式热镦挤送料机械手，由电动机驱动，夹送圆柱形镦料，往40吨镦头机送料。以方案A为例，它的动作顺序是：手指夹料，手臂上摆15º，手臂水平回转120º，手臂下摆15º，手指张开放料。手臂再上摆，水平反转，下摆，同时手指张开，准备夹料。主要要求完成手臂上下摆动以及水平回转的机械运动设计。图3.1为机械手的外观图。技术参数见表3.1。
3.2 功能分解[5]
夹料机构：靠平面连杆机构做间歇的直线往复运动
送料机构：送料机构由2种动作的组合，一是间歇的回转运动，二是做上下摆动。
夹料机构：通过凸轮对手臂上平面连杆机构的控制来调整手指间的间隙从而达到对物料的夹紧和松开。
送料机构：当料被抓紧后，通过凸轮对连杆一端的位置的改变进行对杆的摆角进行调整，从而实现对物料的拿起和放下的动作。手臂的回转通过回转机构进行实现。
3.3 选用机构
夹料机构与摆动机构：根据动作要求，由表2.1设计实例库A3、A1=，由于机构要具有停歇功能，且要进行运动变换，故选择直动从动件盘形凸轮。
送料机构2：由表2.1设计实例库A2=,由工艺动作可得，该机构选用齿轮机构a14。
3.4 机构组合
为使机构能够顺利工作，采用串联和并联结合的结构组合，其中A1为夹料机构，A2为摆动机构，A3为回转机构。如图3.2所示：
A3
A1
A2
图3.2 机构组合图
3.4.1 机构运动简图
方案一：
图3.3 传动方案一
方案二：
图3.4 传动方案二
3.4.2 方案评价
方案一：该机器依靠两盘状凸轮及连杆机构实现手指的张合与手臂的上下摆动。而圆柱凸轮的旋转带动链轮回转从而实现手臂的回转。这种虽然方案简单易行，但结构较大，链传动是挠性的拉拽，难于定位；而且链条及链轮布置在水平面内，链条不宜过长。定位精度不能保证，故不宜采用此方案。
方案二：该方案在手指的动作和手臂的仰俯方面与方案一采取同种设计，在手臂的回转上采用了不同机构，它通过轴上的圆柱形凸轮12来带动齿条13的运动，通过齿条来实现齿轮6和7的运动从而完成手臂的回转。此方案结构简单，各运动部件之间的运动都易于实现，不会出现干涉现象。由于传动链较短，累积误差也不会太大，从而可以满足
3.5 传动设计
3.5.1 传动比计算
已知电动机的转速为1440r/min，送料频率为15次/min即i总=1440/15=96
3.5.2 运动循环设计
机械手的动作顺序：
手指夹料——手臂上摆15°——手臂回转120°——手臂下摆15°——手指松开——手臂上摆15°——手臂反转120°——手臂下摆15°
机械手工作的频率为15次/min，T=4s。轴转一次要完成一个循环，转角分配如表3.3所示:
表3.3 转角分配表
2.5.3凸轮设计[6][7]
1) 手指凸轮设计：由连杆机构（如图3.5所示）可计算出凸轮尺寸。杆AC=200mm，AB=90mm，ED=215mm。此凸轮为摆动从动件盘状凸轮。基圆半径r=35mm，摆杆为70mm。
图3.5 手指连杆机构
取基圆半径r=35，由作图法得到凸轮如图3.6所示:
图3.6 手指凸轮
2) 手臂凸轮设计：由连杆机构（如图3.7所示）可计算出凸轮尺寸。杆AC=684mm，AB=580mm，ED=150mm。此凸轮为摆动从动件盘状凸轮。基圆半径r=65mm，摆杆为50mm。
图3.7 手臂连杆机构
取基圆半径r=65mm，由作图法得到手臂凸轮如图3.8所示:
图3.8 手臂凸轮
3）圆柱形凸轮设计：
XD=2*3.14*30=188.4mm；
升程h=56.72mm；
圆柱半径rP=30mm；
由作图法得到圆柱凸轮如图3.9所示：
图3.9 圆柱凸轮
参考：
