摘要：在吸收有關工業機器人系統方面知識的基礎上，介紹了工業機械手臂的設計。該機械手采用步進電機控制伸縮臂的精確穩定，液壓控制楔塊帶動連桿，夾持力大且輕便。
機器人是自動完成作業的機器裝置，執行的是協助或是替代人類工作的工作。目前在工業、醫學以及軍事等領域中均有重要用途。在工業生產中出現的主要矛盾促使采用新的技術設備，即操作機（操作工具）。機器特別是機床的裝卸，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合運動過程操作。所以各國都在研究程序控制系統的自動化工業操作機——機械手。
本設計的主要內容包括電動伸縮臂和液壓控制夾持器的設計。使用步進電動機作為伸縮臂的動力源，步進電動機最大的優點是能夠準確定位，取代了以往靠定位柱來定位的方式。夾持器采用液壓驅動楔塊帶動連桿機構，連桿機構的優點是磨損輕以及加工容易。
1.總設計方案
機械手一般由執行機構、驅動機構、控制機構以及位置檢測機構等組成，驅動機構可以采取液壓傳動、氣動傳動、電氣傳動和機械傳動等形式，而多數采用電機液聯合傳動。
該機械手是將圓柱形零件從傳送帶上夾送到專用機床上，待加工完成后再夾裝回傳送帶的專用機械手。機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，聯接方式均為法蘭盤螺栓聯接。
機械手完成一次傳遞和取回動作過程如下：從原位開始，工件經傳送帶傳送到指定位置時，通過預先編輯好的程序使機械手執行命令，升降臂下降，夾持器夾緊工件后，升降臂上升，到達指定高度后，底座快速回轉，隨后底座向工件的加工機床慢進，到指定位置伸縮臂伸出，夾持器松開，工件被放在機床的相應位置，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，底座向傳送帶一側慢退到指定位置，升降臂開始下降，到達傳送帶上方，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，準備下次循環。
圖1 機械手總體方案圖
1.夾持器 2.伸縮臂 3.升降臂 4.底座
2.夾持器的設計
楔塊杠桿式回轉型夾持器（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，由液壓缸活塞桿1推動楔塊2向前運動，從而使夾持器臂6左端的兩個滾輪3互相分開，使夾持器手爪實現夾緊，夾持器處于夾持狀態；活塞桿縮回，在彈簧的作用下，夾持器張開。
圖2 夾持器結構圖
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
根據夾持器的驅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，該液壓缸具有結構簡單、零件通用化程度高和安裝形式多樣等特點，該液壓缸符合本方案結構緊湊、質量輕的設計思想。夾持器部分用一對主夾持器臂外加一對輔助臂的設計，可以保證工作時手爪的工作面始終與工件在同一平面上，提高了機器的安全性。
夾持器的手爪采用V形爪結構，材料選用鋁合金，因此該V形爪不易變形和斷裂，且質量輕，加工方法為鑄造，結構如圖3所示。
圖3 夾持器手爪示意圖
V形爪兩內側加工出條狀溝痕，用來增加夾持工件時的摩擦力，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.電動伸縮臂的設計
機械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝機械手，完成直線伸縮動作。電動伸縮臂主要包括電動機、傳動齒輪、軸承組、滾珠絲杠和導軌等組成。交流力矩電動機通過傳動齒輪驅動滾珠絲杠，推動導桿運動，利用電動機正反向轉動實現伸縮，雙向止推軸承組合保證了絲杠的穩定性，通過導桿上撞塊撞擊限位開關來實現最大伸縮定位，當撞塊撞擊右端開關達到最大伸出位移，當撞塊撞擊左端達到最大收縮位移。
伸縮臂采用交流力矩電動機驅動，力矩電動機通過調整工作電壓，改變堵轉力矩的大小，達到工作平穩、動作快捷以及定位準確的要求。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，明顯的優點是使此機械手控制精確、收縮平穩靈活、動作快捷以及工作協調。執行部件伸縮臂的伸出和縮回運動通過導向桿的伸縮來實現，導向桿部分采用雙導向桿方式設計，這樣可以進一步提高伸縮臂的機械性能和精度要求。
圖4 電動伸縮機構示意圖
電動機 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 9.直線導軌 10.撞塊 11.聯接板 12.底板
4.結語
本次設計要完成的任務是將工件從傳送帶轉移到機床上，待加工完成后再把工件放回傳送帶，該機械手臂投入生產使用后，首先是提高了生產效率，減少了人工成本，使生產過程更加流暢有序。同時，也有效地避免了因人工搬運過程帶來的安全隱患，減少了工傷的發生和工件在搬運過程中發生磕碰的概率，對企業提升經濟效益有很大幫助。