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第二章 执行系统的分析与选择
机器手的执行结构是机械手赖以实现各种运动的实体。执行机构的布局类型直接影响到机械手的工作性能。
2.1 执行机构坐标形式的选择
机械手的基本型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。下面就各型式机械手作简单的分析对比：
1、直角坐标式机械手
直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩、左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。
其工作范围可以是一个直线运动；两个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上个具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。
直角坐标式机械手的优点：
（1） 产量大，节拍短，能满足高速的要求； （2） 容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合； （3） 适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更； （4） 定位精度高，载重发生变化是不回影响精度； （5） 易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。 缺点：机械手的作业范围较小。 2、圆柱坐标式机械手
圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。
圆柱坐标式机械手的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在的平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。
圆柱坐标式机械手有五个基本动作： （1） 手臂水平回转； （2） 手臂伸缩；
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（3） 手臂上下； （4） 手臂回转动作； （5） 手爪夹紧动作。
圆柱式机械手的特点是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可做上下直线运动和水平面内做圆弧状的左右摆动。
3、球坐标式机械手
球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。
球坐标式机械手可实现八个动作： （1） 手臂上下动作，即俯仰动作； （2） 手臂左右动作，即回转动作； （3） 手臂前后动作，即伸缩动作； （4） 手腕上下弯曲； （5） 手腕左右摆动； （6） 手腕旋转运动； （7） 手爪夹紧动作； （8） 机械手的整体移动。
球坐标式机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧状上下俯仰动作，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人的手类似。它的特点能能自动选择最合理的动作路线。所以工作效率高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。
4、关节式机械手
关节式机械手是一种适用于靠近机体操作传动型式。它像人手一样有肘关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄的空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。
关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。它还具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手的操作机能，需要研制最合适的结构。
机械手型式的选择首先是从满足它的运动要求方面进行考虑， 然后从机械手的复
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杂程度以及经济情况等方面来考虑。本设计中的机械手主要动作为机械手手臂的左右移动，升降移动和机械手的整体旋转。
直角坐标式机械手虽然具备手臂的伸缩上下、左右直线运动等动作，但是不具备机械手整体旋转动作，所以不考虑用直角坐标式机械手。
球坐标式机械手和关节式机械手对动作要求方面足够满足要求，但是它们的结构都比较复杂，有很多动作是不必要的，显得浪费和增加了制造的成本和难度。
圆柱坐标式机械手能满足手臂伸缩、手臂上下、手臂回转动等动作。可以将手臂回转动作改换成机械手的整体转动就可以满足本设计中机械手的动作要求。这样的修改并没有改变机械手的总体结构，只是进行了局部变动，使得整个系统经济、实惠，所以确定用圆柱坐标式机械手。
2.2 执行机构的组成
工业机械手的执行系统主要以下机械部分组成： （1）手部 是机械手直接握持工件或工具的部分。
（2）臂部 是机械手用来支持腕部与手部实现较大的运动范围的部件。 （3）立柱 支承手臂并带动它升降、摆动和移动的机构。
（4）机座 是机械手用来支撑臂部，并安装驱动装置及其他装置的部分。
2.3 执行机构各部分的分析与选择
2.3.1 手部的选择 1 手部形式的确定
手部就是用来握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部机构也是多种多样。常用的手部结构按其握持原理可以分为如下两类:
1）夹持式
夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。
夹持式手部设计时应注意以下事项： （1）手指应有一定的开闭范围。
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（2）手指应具有适当的夹紧力。 （3）要保证工件在手指内的定位精度。 （4）结构紧凑，重量轻，效率高。 （5）通用性和可换性。 2）气吸式
气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。
气吸式又可分为：
负压吸盘：真空式、喷气式、自挤式空气吸盘。 磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。
真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在管路的最小截面处，气流速度达到临界速度，此时的气体受压，密度加大。在排气管路中因界面逐渐增大，气流膨胀减压而使密度大大下降，致使气流速度继续增高，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同，故形成真空，以吸住工件。自挤式空气吸盘的工作原理是将软质吸盘按压在工件的表面，挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。磁吸式手部不会破坏被吸附表面质量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑，影响正常工作。
通过以上对手部的分析真空式具有结构简单、质量轻、不损伤工件、使用方便、不影响机械手的正常工作等优点。而且满足所设计机械手的要求，所以选用真空式吸盘。
真空吸盘机构如图2.1所示。
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图2.1 吸盘机构图
2.3.2 手臂结构的选择
手臂是机械手的主要部分，是支撑手腕、手指和工件并使它们运动的机构。手臂一般有三个运动—伸缩、旋转和升降。手臂的基本动作是将手部移动到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。
1 手臂的组成：
(1)动作元件，如油缸、汽缸、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向及承受由工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。
(3)手臂，起着连接和承受外力的作用。 2手臂设计的要求：
(1)手臂承载能力大、刚性好、自重轻。 (2)手臂的运动速度要适当，惯性要小。 (3)手臂的动作要灵活。 (4)位置精度要高。 (5)通用性要强。
3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。
手臂作直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置所组成。驱动机构一般用油缸、油马达加齿轮、齿条来实现直线运动。往复直线油（气）缸可以分为以下几
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