贵州大学本科毕业论文(设计) 第 5 页
第2章 硬件设计
2.1 机械手夹持结构
2.1.1 夹紧机构——手爪
机械手手爪是用来抓取工件的部件。其构造模仿人的手指，分为无关节、固定关节
和自由关节三种。手指数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得较多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作。手爪抓取工件时应具有迅速性、灵活性、准确性和可靠性。
设计过程中应根据需要对机械手的运行速度、加速度、夹持物体重量、惯性和冲击
力、开口尺寸进行校核，且能够自锁，防止断电或设备故障造成被抓物掉落。 2.1.2 结构
假定被夹持工件为有凹槽回转体，且自重不超过机械手允许安全负载，作以下结构
设计①。
图2.1 机械手手爪示意图
1.手爪 2.转轴 3.压缩弹簧 4.电磁铁心5.电磁线圈 6.螺母 7.机械手手爪壳体 8.定位销 9.限位螺钉 10.橡胶防滑垫
①
此方案未进行具体参数校核，结构仅适用于部分工作环境。
贵州大学本科毕业论文(设计) 第 6 页
工作理论：杠杆原理、胡克定律及安培定律。
工作方式：机械手的夹紧与放松由电磁线圈控制。若线圈得电，手臂端产生磁力矩，
当磁力矩大于弹簧被压缩所产生的力矩时，手臂吸合，手爪张开；若线圈失电，手臂端无磁力矩，机械手手爪将在弹簧预压缩力所产生的力矩作用下，保持夹紧状态，实现自锁功能，避免因偶然断电导致被抓物掉落。
特点：最小夹持半径可调，设定夹持点半径，可减小夹紧力对夹持物表面的破坏。
由于夹紧的为钢性工件，为了提高安全性能，防止损坏工件，我们可以在夹紧部分加上一层橡胶，这样可以通过增大工件和手指之间的摩擦系数来增加安全性．通过橡胶的弹性变形来缓冲对工件的冲击，可以减轻乃至消除对工件的损坏。
2.2 机械手躯干
2.2.1 组成
机械手躯干包括立柱、机座、手臂及手腕四部分。
立柱是支撑手臂带动它升降、摆动和移动的机构，立柱与机座相联可固定在地面上、
机床设备上、或者悬挂在横梁上，可固定在行走机座上。本设计中机座为落地固定式机座。
机座是支撑机械手全部重量的构建，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作
方便和造型美观。
手臂是机械手的主要部分，它支持手腕、手指和工件使他们运动的机构。手臂应承
载能力大、刚性好、自重轻、灵活、位置精度高、通用性强等特点。主要结构有伸缩式和关节式，本文优选伸缩式。 2.2.2 传动定位机构
1） 手臂直线运动的结构
手臂直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置组成。文中选用步进电机作
为动力，故选用丝杠螺母机构或齿轮齿条机构。现就两者作以下分析：
? 丝杠螺母机构：位移较准确、降速比大，运平稳、无噪音、易自锁，但高精度的丝杠制造比较困难，传动效率低。矩形、梯形螺纹结构，因传动力大，应用广泛。滚珠丝杆效率高，但成本高。
? 齿轮齿条机构：传动效率高，速度快、无自锁。一般用于机械手的传动机构，不作为定位机构。
贵州大学本科毕业论文(设计) 第 7 页
为满足自锁要求，优先选用丝杠螺母机构。 2） 手臂回转机构
由于采用步进电机作为驱动元件，回转机构相对简单，成本相对较低。可直接采用
齿轮减速以实现回转。
图2.2 机械手机构图
1.基座 2.卡环 3.轴承 4.步进电机 5.圆柱主动齿轮 6.圆柱从动齿轮 7.摇臂 8.联轴器 9.螺母 10.导向轴 11.丝杠滑块 12.丝杠轴 13.轴承 14.机械手
贵州大学本科毕业论文(设计) 第 8 页
2.3 传动系统
2.3.1 传动方式
电气传动使利用电动机直接驱动执行机构，以获得机械手的各种运动。
采用步进电机驱动，机械手的位移和运动速度，可由电控系统发出脉冲信号数量及
脉冲信号频率来控制。步进电机能够达到比较高的重复定位精度。 2.3.2 步进电机及其驱动器
步进电动机(stepping motor)是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动
器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机 ，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。
步进电动机分为机电式及磁电式两种基本类型。
机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产生磁力，
推动其铁心心子运动，通过齿轮机构使输出轴转动一角度，通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置；线圈再通电，转轴又转动一角度，依次进行步进运动。
磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。
永磁式步进电动机由四相绕组组成。A相绕组通电时，转子磁钢将转向该相绕组所
确定的磁场方向;A相断电、B相绕组通电时，就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大。缺点是起动频率和运行频率较低。
反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，
利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。这种步进电动机步矩角可做到1°～15°，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低。
永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。是永磁式步进电动机和反应式步
进电动机两者的结合，并兼有两者的优点。
步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱
动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良
贵州大学本科毕业论文(设计) 第 9 页
好配合。
选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用
功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。
选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到设备所需的脉冲当量。
在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。
选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和设备要求的启动频率，使之
与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足快速移动的需要。
选择步进电机需要进行以下计算：
1） 计算齿轮的减速比，根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下：
i???S360? （式2.1）
式中: φ ---步进电机的步距角（o/脉冲） S ---丝杆螺距（mm) Δ---(mm/脉冲）
2） 计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。
21?W?s??Jt?J1??J2?JS???? （式2.2）
2i?g?2?????
式中： Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg?cm?s2)
J1、J2 ---齿轮惯量(Kg?cm?s2)
Js ---丝杆惯量(Kg?cm?s2) W---工作台重量（N） S ---丝杆螺距（cm）
3） 计算电机输出的总力矩M
M?Ma?Mf?Mt （式2.3）