氣動通用上下料機械手設(shè)計[四自由度]【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】

氣動通用上下料機械手設(shè)計[四自由度]【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】,四自由度,CAD圖紙和文檔終稿可編輯,氣動,通用,上下,機械手,設(shè)計,自由度,cad,圖紙,以及,文檔,終稿可,編輯,編纂 氣動通用上下料機械手的設(shè)計 --機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,目錄 1 緒論 1.1 機械手概述 1.2 機械手的組成和分類 1.2.1 機械手的組成 1.2.2 機械手的分類 1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況 1.4 課題的提出及主要任務(wù) 1.4.1 課題的提出 1.4.2 課題的主要任務(wù) 2 機械手的設(shè)計方案 2.1 機械手的座標型式與自由度 2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 2.5 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計 2.6 機械手的控制方案設(shè)計 2.7 機械手的主要參數(shù) 2.8 機械手的技術(shù)參數(shù)列表 3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 3.1.1 手指的形狀和分類 3.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題 3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計 3.2 氣流負壓式吸盤 4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 手腕的自由度 4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 5 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.1 手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分 5.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.1.2 導向裝置 5.1.3 手臂伸縮驅(qū)動力的計 5.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分 5.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.3 手臂伸縮氣缸的設(shè)計 5.4 手臂伸縮、升降用液壓緩沖器 5.5 手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器 6 結(jié)論 參考文獻 致謝,1 緒論 1.1 機械手概述 工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用[1]。,機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用[2]。 1.2 機械手的組成和分類 1.2.1 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1.1所示。,圖1.1機械手的組成方框圖,(一)執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易構(gòu)件，故應(yīng)用較廣泛平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。 手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母多，式彈簧式和重力式等。 附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。,對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 手臂可能實現(xiàn)的運動如下:,手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。 導向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5、行走機構(gòu) 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。,6、機座 機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四中形式。 （三）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置[3]。,1.2.2 機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1、專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大附屬，如自動機床、自動線的上、下料機械手和‘加工中心”批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手。 2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。 通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)， 可以點位控制，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅(qū)動方式分,1、液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。,4、電力傳動機械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制[4]。 1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、,檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。,(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器,人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中[5]。 1.4 課題的提出及主要任務(wù) 1.4.1 課題的提出 隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題。,現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點: (1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。 (2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技術(shù)水平。 鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動，氣動技術(shù)有以下優(yōu)點: (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器：介質(zhì)清潔，管道不易堵塞不存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題。 (2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。 (3)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。,(4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。 (5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。 傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮[6]。 1.4.2 課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下: (1)機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面必須更廣。 (2)選取機械手的座標型式和自由度。,(3)設(shè)計出機械手的各執(zhí)行機構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。為了使通用性更強，手部設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，既可以用夾持式手指來抓取棒料工件，又可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。 2 機械手的設(shè)計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求；盡量選用定型的標準組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。 本次設(shè)計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。,2.1 機械手的座標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關(guān)節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應(yīng)的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。 2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部；當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。,2.5 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。 2.6 機械手的控制方案設(shè)計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷[7]。 2.7 機械手的主要參數(shù) 1、主參數(shù)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。故該機械手主參數(shù)定為10公斤，高速動作時抓重減半。使用吸盤式手部時可吸附5公斤的重物。 2、基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。 該機械手最大移動速度設(shè)計為1. 2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為120o/s。平均移動速度為lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為900/s。 機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。 除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設(shè)計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(應(yīng)大于1800，否則需安裝多只手臂)，又由于該機械手設(shè)計成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為土0. 5—±1 mm。,2.8 機械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途: 用于100噸以上沖床上下料。 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù): 1、抓重 10公斤(夾持式手部) 5公斤(氣流負壓式吸盤) 2、自由度數(shù) 4個自由度 3、座標型式 圓柱座標 4、最大工作半徑 1500mm 5、手臂最大中心高 1380mm,6、手臂運動參數(shù) 伸縮行程600mm 伸縮速度500mn/s 升降行程200mm 升降速度300mm/s 回轉(zhuǎn)范圍00 -2400 回轉(zhuǎn)速度900/s 7、手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 00--1800 回轉(zhuǎn)速度1800/s 8、手指夾持范圍 棒料:Ф80—Ф150mm 片料:面積不大于0. 5㎡ 9、定位精度 士0. 5mm 10、緩沖方式 液壓緩沖器 11、傳動方式 氣壓傳動,12、控制方式 點位程序控制(采用PLC) 3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部:當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1 手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。,3.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 (二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 (三)保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 (四)具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳[8]。 (五)考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。,3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計 1、手部驅(qū)動力計算[9] 本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，其工件重量G=10㎏，“V”形手指的角度2θ =1200，b=120mm，R=24mm,摩擦系數(shù)為f=0. 1。,,圖3.1齒輪齒條式手部,（1）根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:,（2）根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:,所以：,(3)實際驅(qū)動力:,因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取η=0. 94，并取K1=1. 5 。若被抓取工件的最大加速度取a= g時，則:,,所以： 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1563N。 2、氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用 氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活 塞桿工作時的總阻力，其公式為:,式中:F1—活塞桿上的推力，N Ft—彈簧反作用力，N Fz—氣缸工作時的總阻力,N P—氣缸工作壓力，Pa,彈簧反作用按下式計算:,,,式中:Cf—彈簧剛度，N/m 1—彈簧預(yù)壓縮量，m S—活塞行程，m d1—彈簧鋼絲直徑，m D1—彈簧平均直徑，. D2—彈簧外徑，m n—彈簧有效圈數(shù),G—彈簧材料剪切模量，一般取G=79. 4 X 109Pa 在設(shè)計中，必須考慮負載率η的影響，則:,,由以上分析得單向作用氣缸的直徑:,代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得,,所以： =[4×(490+220.6)/( π×0.5×106×0.4))? =65.23 (mm),查有關(guān)手冊圓整，得D=65 mm 由d/D=0.2—0.3，可得活塞桿直徑:d= (0. 2-0. 3) D=13-19. 5 mm圓整后，取活塞桿直徑d=18 mm,校核，按公式,=20MPa, F1=750N 則:d≥ (4 × 490/π × 120)?=2.28≤18 滿足設(shè)計要求。 3、缸筒壁厚的設(shè)計,缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑比小或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:,式中:δ—缸筒壁厚， D—氣缸內(nèi)徑， Pρ—實驗壓力，取Pρ=1.5P, Pa 材料為:ZL3,[ σ]=3MPa,代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: =65×6×105/（2×3×106）×10-3 =6.5㎜ 取δ=7. 5㎜，則缸筒外徑為:D=65+7. 5 ×2=80 mm。 3.2 氣流負壓式吸盤 氣流負壓式吸盤是利用吸盤(即用橡膠或軟性塑料制成皮腕)內(nèi)形 成負壓將工件吸住。它適用于搬運一些薄片形狀的工件，如薄 鐵片、板材、紙張以及薄壁易碎,的玻璃器皿、弧形殼體零件等，尤其是玻璃器皿及非金屬薄片，吸附效果更為明顯。,氣流負壓式與鉗爪式手部相比較，氣流負壓式手部具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，表面吸 附力分布均勻，但要求所吸附表面平整光滑、無孔和無油。按形成負壓(或真空) 的方法，氣流負壓式手部可分為真空式、氣流負壓式和擠壓排氣式吸盤。在本機 械手中，擬采用噴射式氣流負壓吸盤。,圖3.3 噴射氣流原理圖,噴射式氣流負壓吸盤的工作原理如圖3.3所示，根據(jù)流體力學，氣體在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，單位時間內(nèi)氣體經(jīng)過噴嘴的每一個截面的氣體質(zhì)量均相等。因此，在最簡單的情況下，低流速(高壓強)截面的噴嘴應(yīng)當具有大面積，而高流速(低壓強)截面的噴嘴應(yīng)當具有小面積。所以，壓縮空氣由噴嘴進口處A進入后，噴嘴開始一段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當沿氣流流動方向截面收縮到最小處K時〔即臨界面積)，流速達到臨界速度即音速，此時壓力近似為噴嘴進口處的壓力之半，即PK =0. 528P1。為了使噴嘴出口處的壓力P2低于PK 必須在噴嘴臨界面以后再加一段漸擴段，這樣可以在噴嘴出口處獲得比音速還要大的流速即超音速，并在該處建立低壓區(qū)域，使C處的氣體不斷的被高速流體卷帶走，如C處形成密封空腔，就可使腔內(nèi)壓力下降而形成負壓。當在C處連接橡膠皮腕吸盤，即可吸住工件[10]。 圖3.4所示為可調(diào)的噴射式負壓吸盤結(jié)構(gòu)圖。為了使噴嘴更有效地工作，噴嘴口與噴嘴套之間應(yīng)當有適當?shù)拈g隙，以便將被抽氣體帶走。當間隙太小時，噴射氣流和被抽氣體將由于與套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽氣速率;當間隙太大時，離噴射氣體越遠的氣體被帶著向前運動的速度就越低，同時間隙過大，從噴嘴套出口處反流回來的氣體就越多，這就使抽氣速率大大的降低。因此，間隙要適宜，最好使噴嘴與噴嘴套之間的間隙可以調(diào)節(jié)，以便噴嘴有效地工作。在圖3.4中，噴嘴5與噴嘴套6的相對位置是可以調(diào)節(jié)的，以便改變間隙的大小[11]。,1.橡膠吸盤2.吸盤芯子3.通氣螺釘4.吸盤體5.噴嘴6.噴嘴套 圖3.4 可調(diào)噴射式負壓吸盤結(jié)構(gòu) 下面計算吸盤的直徑[12]:,下面計算吸盤的直徑[12]:,吸盤吸力的計算公式為: 式中:P—吸盤吸力(N)，本機械手的吸盤吸力為50N，故P=50N; D — 吸盤直徑((cm). n — 吸盤數(shù)量，本機械手吸盤數(shù)量為1; K1—吸盤吸附工件在起動時的安全系數(shù)，可取K,月2-2，在此取K1=1.5; K2—工作情況系數(shù)。若板料間有油膜存在則要求吸附力大些;若裝有分 料器，則吸附力就可小些。另外工件從模具取出時，也有摩擦力的作 用，同時還應(yīng)考慮吸盤在運動過程中由于加速運動而產(chǎn)生的慣性力影 響。因此，應(yīng)根據(jù)工作條件的不同，選取工作情況系數(shù)，一般可在 (1-3的范圍內(nèi)選取。在此，取K2=2。,K3—方位系數(shù).當吸盤垂直吸附時，則K3=1/f，f為 摩擦系數(shù)，橡膠吸盤吸附金屬材料時，取f=0.5~0.8; 當吸盤水平吸附時，取K3=l。在此，取K3=0.5. 代入數(shù)據(jù)得:,_,4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸[13]。 4.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)氣缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于3600，并且要求嚴格的密封[14]。 4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片,與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸 線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4.1所示為手腕受力的示意圖。 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算[15]: M驅(qū)= M慣+M偏+M摩+M封 ㎏·㎝ （4.1）,手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算[15]: M驅(qū)= M慣+M偏+M摩+M封 ㎏·㎝ （4.1） 式中: M驅(qū)—驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(㎏·cm); M慣—慣性力矩(Kg -cm); M偏—參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩(㎏·㎝)., M摩—手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(㎏·cm); M封—手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 (㎏· cm); 下面以圖4.1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算: 1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為ω，起動過程所用的 時間為△t，則:,（4.2）,若手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為ω，起動過程所轉(zhuǎn)過的角度為△φ，則:,(4.3) 式中:J—參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 (N·㎝·s2); J1—工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 (N·㎝·s2)。,若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量J1為: （4.4） 式中:Jc—工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量(N·㎝·s2): G1—工件的重量((N); e1—工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm), ω—手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s); △t一起動過程所需的時間(S); △φ—起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。,2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏,(N·㎝) （4.5） 式中:G3—手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N); e3—手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(㎝). 當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則G1 e1=0.,3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩M摩 (4.6) 式中:d1d2—手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm); f一軸承摩擦系數(shù)，對于滾動軸承f=0. 01，對于滑動軸承f=0.1； RARB—軸頸處的支承反力((N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解，,根據(jù)∑MA(F)=0得:,（4.7） 同理，根據(jù)∑MB (F)=0得:,（N） （4.8）,式中:G2—手部的重量(N) L，L1，L2，L3—如圖4-1所示的長度尺寸(cm). 4．回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處 密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝 置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析[16]。,在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸， 它的原理如圖4.2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5 固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體從孔a 進入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣 從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉J氣缸的 壓力p和驅(qū)動力矩M的關(guān)系為: （4.9） 圖4.2 回轉(zhuǎn)氣缸簡圖,式中:M—回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩((N·㎝); P—回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力((N·㎝); R—缸體內(nèi)壁半徑(cm); r—輸出軸半徑(cm); b—動片寬度(cm). 上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的 情況下而言的。若低壓腔有一定 的背壓，則上式中的P應(yīng)代以工作壓力P1與背壓P2之差。 5 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有 三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn) 和升降(或俯仰)運動。 手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱 來實現(xiàn)的立柱的橫向移動即為手臂的橫移。 手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。,5.1 手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分 5.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復運動采用的是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時，氣壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。在本機械手中采用的是單導向桿作為導向裝置，它可以增加手臂的剛性和導向性[17]。 該機械手的手臂結(jié)構(gòu)如附圖所示，現(xiàn)將其工作過程描述如下: 手臂主要由雙作用式氣缸1、導向桿2、定位拉桿3和兩個可調(diào)定位塊4等組成。雙作用式氣缸1的缸體固定，當壓縮空氣分別從進出氣孔c、e進入雙作用式氣缸1的兩腔時，空心活塞套桿6帶動手腕回轉(zhuǎn)缸5和手部一同往復移動。在空心活塞套桿6中通有三根伸縮氣管，其中兩根把壓縮空氣通往手腕回轉(zhuǎn)氣缸5，一根把壓縮空氣通往手部的夾緊氣缸。在雙作用式氣缸1缸體上方裝置著導向桿2，用,它防止活塞套桿6在做伸縮運動時的轉(zhuǎn)動，以保證手部的手指按正確的方向運動。為了保證手嘴伸縮的快速運動。在雙作用式氣缸1的兩個接氣管口c、e出分別串聯(lián)了快速排氣閥.手臂伸縮運動的行程大小，通過調(diào)整兩塊可調(diào)定位塊4的位置而達到。手臂伸縮運動的緩沖采用液壓緩沖器實現(xiàn).手腕回轉(zhuǎn)是由回轉(zhuǎn)氣缸5實現(xiàn)，并采用氣缸端部節(jié)流緩沖，其結(jié)構(gòu)見剖面圖;在附圖中所示的接氣管口a、b是接到手腕回轉(zhuǎn)氣缸的;d是接到手部夾緊氣缸的。直線氣缸1內(nèi)的三根氣管采用了伸縮氣管結(jié)構(gòu)，其特點是機械手外觀清晰整齊，并可避免氣管的損傷，但加工工藝性較差。另外活塞套桿6做成筒狀零件可增大活塞套桿的剛性，并能減少充氣容積，提高氣缸活塞套桿的運動速度。 5.1.2 導向裝置 氣壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。,目前常采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿等，在本機械手中 采用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性[18]。 5.1.3 手臂伸縮驅(qū)動力的計 手臂作水平伸縮時所需的驅(qū)動力:,圖4.3所示為活塞氣缸驅(qū)動手臂前伸時的示意圖。 在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等， 所以左右兩邊的驅(qū)動力和壓力之間的關(guān)系式不一樣。 當壓力油(或壓縮空氣)輸入工作腔時， 驅(qū)使手臂前伸(或縮回)，其驅(qū)動力應(yīng)克服手臂在前伸 (或縮回)起動時所產(chǎn)生的慣性力，手臂運動件表面 之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力[19]。 圖5.3 手臂伸出時的受力狀態(tài),因此，驅(qū)動力計算公式為[20]: P驅(qū)= P慣+P摩+P封+P背 N （5.1) 式中: P慣—手伶在起動過程中的慣性力(N); P摩—摩擦阻力(包括導向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N); P封—密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀 的密封圈密封，其摩擦阻力不 同。 P背—氣缸非工作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(N)， 若非工作腔與油箱或大氣相連時，則 P背=0。 5.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分 5.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 其結(jié)構(gòu)如附圖所示。手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱1、 升降缸活塞軸2、升降缸體3、碰鐵4、可調(diào)定位塊5、 定位拉桿6、緩沖撞鐵7、定位塊聯(lián)接盤13和導向桿14等組成。 轉(zhuǎn)柱1上鉆有a、b、c、d、e和f六條氣路，在轉(zhuǎn)柱上端用管接頭和氣,管分別將壓縮空氣引到手腕回轉(zhuǎn)氣缸(用a、b氣路)，手部夾緊氣缸( 用d氣路)和手臂伸縮氣缸(用c、e氣路)，轉(zhuǎn)柱下端的f氣路，將壓縮空氣引到升降缸上腔，當壓縮空氣進入上腔后，推動升降缸體3上升，并由兩個導向桿14進行導向，同時碰鐵4隨升降缸體3一同上移，當碰觸上邊的可調(diào)定位塊5后，即帶動定位拉桿6、緩沖撞鐵7向上移動碰觸升降用液壓緩沖器進行緩沖。當J、K兩面接觸時而定位。上升行程大小通過調(diào)整可調(diào)定位塊5來實現(xiàn)。最大可調(diào)行程為170mm,緩沖行程根據(jù)抓重和手臂移動速度的要求亦可調(diào)整，其范圍為15-30㎜，故上升行程最大值為200mm。手臂下降靠自重實現(xiàn)[21]。 實現(xiàn)機械手手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的， 常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。在本機械手中，手臂回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)缸體10、轉(zhuǎn)軸11 (它與動片焊接成一體，見E-E剖面)、定片12、回轉(zhuǎn)定位塊8、回轉(zhuǎn)中間定位塊9和回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器(此部件位置參見附圖) 等組成。當壓縮空氣通過管路分別進入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的兩腔時，推動動片連同轉(zhuǎn)軸一同回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通,過平鍵而帶動升降氣缸活塞軸、定位塊聯(lián)接盤、導向桿、 定位拉桿、升降缸體和轉(zhuǎn)柱等同步回轉(zhuǎn)。因轉(zhuǎn)柱和手臂 用螺栓連接，故手胃亦作回轉(zhuǎn)運動。 手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好， 對氣缸孔的機械加工精度也易于保證。 手臂回轉(zhuǎn)運動采用多點定位緩沖裝置。手臂回轉(zhuǎn)角度的 大小，通過調(diào)整兩塊回轉(zhuǎn)定位塊8和回轉(zhuǎn)中間定位塊9的 位置而定[22]。 5.3 手臂伸縮氣缸的設(shè)計 1、驅(qū)動力計算[23],根據(jù)手臂伸縮運動的驅(qū)動力公式: （N） 其中，由于手臂運動從靜止開始，所以△v=v。,摩攘系數(shù):設(shè)計氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查有關(guān)手冊可知f=0.17。 質(zhì)量計算:手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、手臂回轉(zhuǎn)氣缸、夾緊氣缸、 手臂伸縮用液壓緩沖器、手爪及相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標準氣缸， 根據(jù)中國煙臺氣動元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時測量設(shè)計的 有關(guān)尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時其質(zhì)量為70kg，放松物件后其質(zhì)量 為55kg.接觸面積:S=0. 5㎡ 則上料時:Ff =70×10 ×0. 5=350 (N),=350+70 × 600 × 10-3/0.05 =1540(N) 下料時:Ff =55 ×10×0. 5=275 (N),=275+55 ×600 ×10-3/0.05 =935 (N),考慮安全因素，應(yīng)乘以安全系數(shù)K=1.2 則上料時:F=1540 ×1. 2=1850 (N) 下料時:F=935 × 1. 2=1120 (N) 2、氣缸的直徑,根據(jù)雙作用氣缸的計算公式:,其中:F1—活塞桿伸出時的推力，N F2—活塞桿縮入時的拉力, N d—活塞直徑，㎜ P—氣缸工作壓力，Pa 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:當推力做功時,=[4 ×1850/(π×5×105×0.4)]? =108.5 (mm),當拉力做功時 D= (1.01-1.09)·(4F2/πpη) ? =(1.01～1.09) (4 × 1122/(π×5×105×0.4)) ? =92.12 (mm) 圓整后，取D=100mm 3、活塞桿直徑的計算[24] 根據(jù)設(shè)計要求，此活塞桿為空心活塞桿，目的是桿內(nèi) 將裝有3根伸縮管。因此，活塞桿內(nèi)徑要盡可能大， 假設(shè)取d=70mm, d0=56mm.校核如下:(按縱向彎曲極 限力計算) 氣缸承受縱向推力達到極限力Fk以后，活塞桿會產(chǎn) 生軸向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，必須使推力 負載(氣缸工作負載F，與工作總阻力F:之和)小于 極限力Fk。 該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有 關(guān)。有關(guān)公式為:,,,式中:L—活塞桿計算長度，m K—活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑,空心桿 m d0—空心活塞桿內(nèi)孔直徑，m,A1—活塞桿橫截面積, 空心桿,㎡ f—材料強度實驗值，對鋼取f=2.1 ×107 Pa a—系數(shù)，對鋼a=1/5000,代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:,,,=573 (KN),推力負載為: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: Ft+ Fz=π/4×0.4×106(100×10-3)2=3142 (N) Ft+ Fz=Fk 所以，安全。設(shè)計符合要求。,4缸筒壁厚計算[25] 根據(jù)公式:,式中PP為實驗壓力，取Pp=1.5P=0.6×106 Pa材料為ZL3，則[σ ]=3MPa 則,=10 mm 取δ=12 mm.,5.4 手臂伸縮、升降用液壓緩沖器 手劈伸縮、升降用的是兩級節(jié)流阻尼的液壓緩沖器，其工作原理相同，結(jié)構(gòu)略有差異，手臂伸縮用液壓緩沖器結(jié)構(gòu)和工作原理如附圖所示。在緩沖器缸體1上，裝置了可調(diào)節(jié)流閥a和b，每個節(jié)流閥各自并聯(lián)兩只單向閥組成第一級緩沖油路，由可調(diào)節(jié)流閥c單獨組成第二級緩沖油路。當手臂運動到定位前的減速位置時(對于伸縮運動定位前的20-40mm;對于升降運動定位前的15-30mm)，運動部件接觸緩沖器油缸的活塞桿5，使油缸左腔里的油液通過節(jié)流閥a、單向閥d、e(見原理圖)流到油缸的右腔，油液受阻產(chǎn)生阻力抵消運動件(手臂)的部分驅(qū)動力和慣性力，使手臂減速運動。當活塞桿5的活塞堵住油口A時，左腔的油液經(jīng)油口B和節(jié)流閥c流到右腔，油液繼續(xù)受阻，手臂繼續(xù)減速并最后定位。緩沖器的級沖行程范圍為0~39mm(第一級緩沖行程范圍為0~28mm; 第二級緩沖行程范圍為28-39mm)。第一級緩沖的阻尼力可分別調(diào)節(jié)節(jié)流閥a、 b來實現(xiàn)，第二級緩沖的阻尼力可以調(diào)節(jié)節(jié)流閥c來實現(xiàn) (見緩沖工作原理圖)。當緩沖行程為30mm時，該緩沖器可以達到平均減速度約為24m/s2，阻尼時間約為0.03s[26]。,5.5 手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器 工作原理如附圖所示，手臂回轉(zhuǎn)運動的液壓緩沖器是雙缸兩級節(jié)流阻尼管路連接式的液壓緩沖器，緩沖器第一級節(jié)流阻尼由單向節(jié)流閥完成，第二級節(jié)流阻尼由裝在緩沖油缸端蓋上的可調(diào)緩沖閥完成。擋塊氣缸1的活塞桿作為中間位置定位用，其動作由雙電磁鐵滑閥A控制。每當手臂旋轉(zhuǎn)要求有中間定位點時，擋塊氣缸活塞桿作一次伸縮運動，其動作時間與手臂回轉(zhuǎn)動作的指令時間無關(guān)。圖示為手臂回轉(zhuǎn)中間定位塊在某工位即將碰到擋塊氣缸活塞桿時的位置。當手臂轉(zhuǎn)動到該工位即將停止時，回轉(zhuǎn)中間定位塊碰擋塊氣缸1，使擋塊氣缸向左移動，左邊緩沖油缸2中的油經(jīng)過兩次節(jié)流回到氣一液轉(zhuǎn)換缸3中，從而起到緩沖作用.當此工位工作完畢，發(fā)出信號雙電磁鐵滑閥A換向，擋塊氣缸1上部進氣使活塞桿下降，同時壓縮空氣通過電磁滑閥B進入氣一液轉(zhuǎn)換缸3的右腔，使壓力油進入處于定位狀態(tài)的左邊緩沖油缸2中，使活塞桿伸出把擋塊氣缸1推回到中間位置，為下一工位的定位緩沖做好準備.在手臂從第一工位轉(zhuǎn)到第二工位或再轉(zhuǎn)到第三工位…，亦可重復上述兩次緩沖動作過程，因此此液壓緩沖器可以實現(xiàn)多個定位點的緩沖和定位。經(jīng)實踐使用，效果較好。擋塊氣缸從定位緩沖位置回到中間位置的這一復位動作在0.2s以內(nèi)。這個液壓緩沖器的緩沖行程最大為40mm。緩沖油缸的阻尼力在第一段行程0-24㎜范圍時，調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥4,阻尼力約為1500-2000N;在第二段行程24-40mm范圍時，調(diào)節(jié)阻尼螺釘，阻尼力約為700-1000N[27]。,6 結(jié)論 1、機械手為通用機械手，它的適用面廣。選用圓柱座標和四自由度。機械手的各執(zhí)行機構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部。手部可更換，既可以用夾持式手指來抓取棒料工件，又可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。 2、該機械手可以選擇配置普通的夾持手指，以抓取一般工件;也可更換噴射式氣流負壓吸盤，以吸附玻璃、墻地磚等板料及光盤、磁盤等薄型不透氣工件，使機械手的用途更多，使用范圍更廣。另外，該機械手既可以用于搬運小型零件，也可供教學、實驗使用。 3、腕部采用回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，手臂采用雙作用式汽缸，可以實現(xiàn)伸縮、升降、回轉(zhuǎn)運動。手臂可以實現(xiàn)直線運動:伸縮、升降、橫移運動；回轉(zhuǎn)運動:水平回轉(zhuǎn)、左右擺動運動；直線運動與回轉(zhuǎn)運動的組合(即螺旋運動)；兩直線運動的組合(即平面運動)；兩回轉(zhuǎn)運動的組合(即空間曲面運動)。 4、各汽缸運動都采用液壓緩沖器，通過定位塊，定位拉桿，實現(xiàn)緩沖與定位。液壓緩沖器定位準確，精度高。,參考文獻 [1]徐元昌.工業(yè)機器人.北京:中國輕工業(yè)出版社，1996 [2]張建民.工業(yè)機器人.北京:北京理工大學出版社，1988 [3]蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術(shù)，2001, 4 [4]周洪.氣動技術(shù)的新發(fā)展.液壓氣動與密封，1999, 5 [5]金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機器人發(fā)展勢態(tài)分析.機器人技術(shù)與應(yīng)用2001, 2 [6]王雄耀.近代氣動機器人(氣動機械手)的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動與密，1999，5 [7]周伯英.工業(yè)機器人設(shè)計.北京:機械工業(yè)出版社，1995 [8]龍立新.工業(yè)機械手的設(shè)計分析.焊工之友，1999, 3 [9]王承義.機械手及其應(yīng)用.北京:機械工業(yè)出版社，1981 [l0]工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ).天津大學《工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組編.天津: 天津科學技術(shù)出版社，1979 [1l]李哲.沖壓床自動上、下料機械手的研制，研究與設(shè)計，2001, 5 [12]趙麗萍.氣動機械手應(yīng)用事例分析.上海輕工業(yè)高等?？茖W校學報，1993, 1 [13]嚴學高，孟正大.機器人原理.南京:東南大學出版社，1992 [14]張新華.沖床自動送料機的原理及設(shè)計.鍛壓技術(shù)，1993, 5 [15]機械設(shè)計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1986,[17]黃錫愷，鄭文偉.機械原理.北京:人民教育出版社，1981 [18]成大先.機械設(shè)計圖冊.北京:化學工業(yè)出版社，1985 [19]王宣銀.氣動機械臂的控制原理及其實現(xiàn).機械工程師，2001, 2 [20]錢東海，馬毅瀟，趙錫芳.雙臂機器人時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃研究.機器人， 1999, 21 [21]瞻啟賢.自動機械設(shè)計.北京:輕工業(yè)出版社，1987 [22]徐湘.機械設(shè)計手冊.北京:化工業(yè)出版社，1991 [23]關(guān)多友.關(guān)節(jié)式機械手位置的計算式和程序.山