氣動通用上下料機械手的設計——機械結(jié)構(gòu)設計

氣動通用上下料機械手的設計——機械結(jié)構(gòu)設計,氣動通用上下料機械手的設計——機械結(jié)構(gòu)設計,氣動,通用,上下,機械手,設計,機械,結(jié)構(gòu)設計 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 頁 共 頁 1 緒論 1 1.1 機械手概述 .1 1.2 機械手的組成和分類 .2 1.2.1 機械手的組成 .2 1.2.2 機械手的分類 .4 1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況 .6 1.4 課題的提出及主要任務 .8 1.4.1 課題的提出 .8 1.4.2 課題的主要任務 .9 2 機械手的設計方案 10 2.1 機械手的座標型式與自由度 .10 2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計 .10 2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計 .10 2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計 .10 2.5 機械手的驅(qū)動方案設計 .11 2.6 機械手的控制方案設計 .11 2.7 機械手的主要參數(shù) .11 2.8 機械手的技術參數(shù)列表 .11 3 手部結(jié)構(gòu)設計 14 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) .14 3.1.1 手指的形狀和分類 .14 3.1.2 設計時考慮的幾個問題 .14 3.1.3 手部夾緊氣缸的設計 .15 3.2 氣流負壓式吸盤 .18 4 手腕結(jié)構(gòu)設計 21 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 I 頁 共 頁 4.1 手腕的自由度 .21 4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 .21 4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 .21 5 手臂結(jié)構(gòu)設計 25 5.1 手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分 .25 5.1.1 結(jié)構(gòu)設計 .25 5.1.2 導向裝置 .26 5.1.3 手臂伸縮驅(qū)動力的計 .26 5.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分 .27 5.2.1 結(jié)構(gòu)設計 .27 5.3 手臂伸縮氣缸的設計 .28 5.4 手臂伸縮、升降用液壓緩沖器 .31 5.5 手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器 .32 6 結(jié)論 33 參考文獻 34 致謝 36 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 0 頁 共 36 頁 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。 機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術、人工智能、 仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。 機器人應用情況，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)和服務性設各，也 是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 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)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。 生產(chǎn)中應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。 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 1 頁 共 36 頁 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)相互之間的關系如方框圖 1.1 所示。 控制系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng) 被抓取工件執(zhí)行機構(gòu) 位置檢測裝置 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，故應用較廣泛平移型應用較少，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。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 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 36 頁 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: 手臂運動 基本運動 復合運動 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 ) 回轉(zhuǎn)運動:如水平回轉(zhuǎn)、左右擺動運動 直線運動:如伸縮、升降、橫移運動 兩回轉(zhuǎn)運動的組合(即空間曲面運動 )。 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 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 頁 共 36 頁 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)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 6、機座 機座是機械手的基礎部分，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。控制系統(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: 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 36 頁 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”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 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 36 頁 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 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 36 頁 感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、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來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳 感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(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用的領域。我國的 工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下通過“七五”、 “八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng) 硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件， 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)模應用，弧焊機器人己應用 在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的 水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應用工程起步較 晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(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)都是應用戶的要求，“一客戶，一次 重新設計”，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)化前期的關鍵技術，對 產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，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、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有 了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 36 頁 控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國 外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成 系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(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 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，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 36 頁 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 本課題將要完成的主要任務如下: (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、手臂等部件的設計。為 了使通用性更強，手部設計成可更換結(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。 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 36 頁 2 機械手的設計方案 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、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。 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 36 頁 2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計 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 有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(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)動方案設計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，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計為 1. 2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設計為 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，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 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 36 頁 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(應大于 1800，否則需安裝多只手臂)，又由于該機械手設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. 51 mm。 2.8 機械手的技術參數(shù)列表 一、用途: 用于 100 噸以上沖床上下料。 二、設計技術參數(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) 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 36 頁 回轉(zhuǎn)范圍 0 0-1800 回轉(zhuǎn)速度 1800/s 8、手指夾持范圍 棒料:80150mm 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) 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 共 36 頁 3 手部結(jié)構(gòu)設計 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，應用廣泛。移動 型應用較少，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，能適應不同直徑的工件。 3.1.2 設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)手指間應具有一定的開閉角 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 36 頁 P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。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應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 2 =120 0，b=120mm，R=24mm,摩擦系數(shù)為 f=0. 1。 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 15 頁 共 36 頁 2bpNR00.5()0.51(6542)(NGtgtgN29bpNR12KP實 際 2ag1.549063pN 實 際 214tzDPFF1 tfFcS4318fGdCDn2 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 =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:F 1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:C f彈簧剛度，N/m 1彈簧預壓縮量，m 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 36 頁 214tDpF1tp413879.0.534/801356/fGdCDnNm 3137.4026tfFS1tDp1/42Fd 1 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 在設計中，必須考慮負載率 的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關數(shù)據(jù)，可得 所以： =4(490+220.6)/( 0.51060.4) =65.23 (mm) 查有關手冊圓整，得 D=65 mm 由 d/D=0.20.3，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 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 36 頁 /2DP/2DP BP2K10 =20MPa, F1=750N 則:d (4 490/ 120) =2.2818 滿足設計要求。 3、缸筒壁厚的設計 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:缸筒壁厚， D氣缸內(nèi)徑， P 實驗壓力，取 P =1.5P, Pa 材料為:ZL3, =3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: =656105/（2310 6）10 -3 =6.5 取 =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。 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 18 頁 共 36 頁 23416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)截面的噴嘴應當具有大面積，而高流速(低壓強)截面的噴嘴應當具有小面積。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。 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 19 頁 共 36 頁 2134nDpK 123450.516.92PKDncm 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: 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=0.50.8;當吸盤水平吸附時，取 K3=l。在此， 取 K3=0.5. 代入數(shù)據(jù)得: _ 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 36 頁SGSGRLLCddsCR 4 手腕結(jié)構(gòu)設計 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 有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(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。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) 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 36 頁 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。 1.工件 2.手部 3.腕部 圖 4.1 手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài) 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 ，起動過程所用的 時間為t，則: 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 22 頁 共 36 頁 1MJt慣 21MJ慣 211cGJeg （4.2） 若手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為 ，起動過程所轉(zhuǎn)過的角度為，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 (Ns 2); J1工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 (Ns 2)。 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:J c工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量(Ns 2): G1工件的重量(N); e1工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm), 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); 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:G 3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. 13MGe偏偏 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 23 頁 共 36 頁 21ABfMRdNcm摩 321BRGL3N 213AGLLGR 2pbRrM 3 3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M 摩 (4.6) 式中:d 1d2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)M A(F)=0 得: （4.7） 同理，根據(jù)M B (F)=0 得: （N） （4.8） 式中:G 2手部的重量(N) L，L 1，L 2，L 3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，應根據(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 的關系為: （4.9） 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 24 頁 共 36 頁 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 應代以工作壓力 P1與背壓 P2之差。 5 手臂結(jié)構(gòu)設計 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，在設計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應根據(jù)手臂的安裝形 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 25 頁 共 36 頁 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)設計和布局上應盡量減 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，在設計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應根據(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)設計和布局上應盡 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: 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 26 頁 共 36 頁 sG ZXORF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。 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 27 頁 共 36 頁 fmvFt 5.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分 5.2.1 結(jié)構(gòu)設計 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） 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 28 頁 共 36 頁 fmvFtfmvFt 14DpF22d 其中，由于手臂運動從靜止開始，所以v=v。 摩攘系數(shù):設計氣缸材料為 ZL3，活塞材料為 45 鋼，查有關手冊可知 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，同時測量設計的有關尺寸，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:F f =7010 0. 5=350 (N) =350+70 600 10-3/0.05 =1540(N) 下料時:F f =55 100. 5=275 (N) =275+55 600 10-3/0.05 =935 (N) 考慮安全因素，應乘以安全系數(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:F 1活塞桿伸出時的推力，N 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 29 頁 共 36 頁 14FDp 12kfAFaLn F2活塞桿縮入時的拉力, N d活塞直徑， P氣缸工作壓力，Pa 代入有關數(shù)據(jù)，得:當推力做功時 =4 1850/(510 50.4) =108.5 (mm) 當拉力做功時 D= (1.01-1.09)(4F2/p) =(1.011.09) (4 1122/(510 50.4) =92.12 (mm) 圓整后，取 D=100mm 3、活塞桿直徑的計算 24 根據(jù)設計要求，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。有關公式為: 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 30 頁 共 36 頁 204dk4016A12kfAFaLn 722332323491010561057424tzFDp2DP 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 代入有關數(shù)據(jù)，得: =573 (KN) 推力負載為: 代入有關數(shù)據(jù)，得: F t+ Fz=/40.410 6(10010-3)2=3142 (N) Ft+ Fz=Fk 所以，安全。設計符合要求。 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=0.6106 Pa 材料為 ZL3，則 =3MPa 中北大學 2007 屆畢業(yè)設計說明書 第 31 頁 共 36 頁 3610.102則 =10 mm 取 =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