齐齐哈尔大学毕业设计（论文）
表2-1 机械手的参数
项目 类型 控制轴数 工作范围 负载 重复精度 定位精度 最大工作效率 J1运动范围与最大速度 J2运动范围与最大速度 J3运动范围与最大速度 M4的转动角度与转矩 质量 功率
参数 全旋回性 四轴
1.2×0.6×0.6m3 10kg ?0.5mm ? 2mm 600件/时
330m（116.88m/s） 100m（17.1m/s） 130m（22.6m/s） 360rad 4.17N·m ≤1000Kg ≤10KW
如果速度和加速度的设计参数不合理，机械手的工作效率就会受到影响，而且会使电机和电机轴的负载加大，因此要对速度和加速度进行合理的分配，应该设计机械手的工作节拍和工作流程。
码垛机械手的工作能力不仅体现在工作节拍上，而且与工作流程是密不可分的，本码垛机械手按照图2-5所示的生产线方式进行布置，工作节拍为3秒/件[5]。
图2-5 码垛机械手生产布线方式
工作节拍循环图是在机械设计的过程中，协调每个部分按一定顺序完成工作的一种技术方案。把每个环节分配工作节拍，可以为后续工作提供设计依据。可以以码垛机械手开始工作的起始点作为工作循环的起点。码垛机械手的结构主要由、大臂和小臂、末端执行器组成，每个动作均分配工作节拍，其具体步骤安排如下：末端执行器抓取物件→臂部抬起→底座转动→臂部放下→末端执行器松开。上述动作可以实现联动，这样可
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以缩短工作周期，但是考虑到在联动的过程中，如果在臂部抬起的同时，底座就开始旋转，可能会因为臂部位置靠下而容易发生碰撞。因此在做联动的时候，可尽量让臂部先动作或提升臂部的速度来避免此情况的发生，当工作后就实现空行程返回。码垛机械手的各个部件的动作分配时间如下：
末端执行器抓取酒箱：1s；臂部抬起：1s；底座旋转：2s；臂部放下：Is；末端机械手爪松开：1s；空行程时间2s (臂部抬起：0.5s，底座回转：1s，臂部下降：0.5s)。
2.4 码垛机械手硬件部分选型与设计
2.4.1 机械手爪的结构设计选型
如下图2-7所示，驱动电机经过联轴器带动丝杠转动，驱动螺母上下移动，带动手爪张合，实现夹持物体，其手爪运动轨迹为曲线。该机械手爪拥有一个平动自由度，依据机械手所要实现的功能，得到手爪的抓取直径范围大多为30cm-50cm机械手爪在夹持物品进行操作任务时手指的长度决定其工作空间的大小，同时手指过长又会带来强度的损失，因此二指的伸出长度取70mm。
由于该机械手机械臂工作在一个平面范围，因此无论物品摆放位置如何，其抓取任务是将物品准确抓取至这个平面上[13]。
图2-6 基于平行四边形机构机械手爪 图2-7 夹持机械手
2.4.2 伺服电机选型
根据电机的静态转矩的设计要求，以手部夹持电机为例，介绍步进电机的计算和选取。
① 手爪伺服电机选型
机械手手爪工作时速度较慢，电机主要克服搬运时的物件重力力矩，假设容许抓取质量为 5kg、外形尺寸为 400mm×260mm×60mm 的物件箱。机械手稳定抓取物件是依靠手指与物件接触部位的摩擦力与物件重力相平衡来实现的。
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物件受力的平衡条件是：
∑F=0，即2F—G=0（物件与手指有2处接触） (2-1) 由于：
F?N?f N?N12sin? (2-2)
所以：
N1?Gf?sin? (2-3)
式中， G =5×10=50N为物件的重力；F 为物体与手指接触处的摩擦力；N 为物件与手指接触处的正压力；f 为物件与手指接触处的摩擦系数，f 取 0.25；N1 为单个手指应具有的计算握力；α 为手指的抓取半角，α 取 30°。实际应用中，为了安全起见，需要的握力为：
N2?N1? (2-4)
将式 (2-3) 代入，可得：
N2?G?Ksin?f?? (2-5)
式中η为手部机械效率，取0.85；K=K1×K2，K1为安全系数，取1.2；K2为工作
情况系数，主要考虑惯性力等的影响，取2.3。
由式(2-4)可得：
N2?50?3.5sin30??411.8Ｎ0.25?0.85
根据手部实际需要的握力N2的大小，由手指的静力矩平衡条件求出所需的传动力P1。假定传动力只分别作用在两个手指上，每个手指上所得到的传动力为二分之一P1。
?P?1M?0即?l?N?l?0???22?? 由力矩平衡条件
可得：
P1?2LN2l 2-6)
由式(2-5)和(2-6)可得：
P1?2L?K?Gsin?l?f?? (2-7)
式(2-7)中，L为物件中心到手指回转中心的距离，取 L=400mm；l为物件中心到手
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指间的距离，即物件的宽度的1/2，l=130mm。经计算得：
P1?2?400?3.5?50sin30??2534Ｎ130?0.25?0.85
下面根据传动力P1来计算所需要的电机转矩。丝杠旋转时，驱动转矩Mq=Mt1+Mt2，螺纹摩擦力矩为
Mt1?1d2?F?tan???p?2 (2-8)
式(2-8)中F 为螺旋传动轴向载荷（螺杆受的力），即传动力P1；λ为螺旋线升角，p为当量摩擦角。根据选用的丝杠导程 s=3mm，螺纹中径d2=8.5mm，由公式：
s??arctan??d2 (2-9)
计算可得：λ=6.41
根据手册选取钢和钢的摩擦因素f=0.17，α取30°，由公式：
p?arctanfcos?2 (2-10)
计算可得：p=9.98°经计算可得Mt1=0.5×8.5×2534×tan(6.41°+9.98°)=3167.6N·mm。 螺杆的径向支撑和轴向支撑使用同一深沟球轴承，而螺旋传动轴向支撑面摩擦力矩公式为：
M12???F?d2 (2-11)
式中，μ为深沟球轴承摩擦系数，取 0.0022；F为轴承载荷，由于径向载荷比较小可以忽略，则F1=P；d为轴承内径，d=10mm。
经计算可得：
M12?故
0.0022?2534?10?27.9Ｎ?mm2
Mq?3195.9Ｎ?mm?3.2Ｎ?m
实际负载转矩：
M=?·Mshi=1.2×3.48=4.17N
综合考虑机械手爪选择110MB075D-001000型号的交流伺服电机。其额定输出功率为750W，额定转矩为5.0N·m，瞬间最大转矩为12.0N·m，额定转速为1500r/m，最大转速2000转，转子惯量8.2kg/cm2，额定相电流为3.2A，重量为5.7kg，编码器为2500P/R，适配驱动为GS0075A[7]。
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