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黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第33頁
單位代碼 0 2
學 號
分 類 號
密 級
畢業(yè)設計說明書
通用工業(yè)機器人結構設計設計
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
學生姓名
指導教師
2012年 5 月 15 日
通用工業(yè)機器人結構設計
摘要
在工業(yè)生產(chǎn)和其他領域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。機械手就在這樣的環(huán)境下誕生了,機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務執(zhí)行機構，是機器人的關鍵部件之一。機械手的機械結構采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸等機械器件組成；電氣方面有步進電機、驅動模塊、傳感器、開關電源、電磁閥、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術，位置控制技術、氣動技術、檢測技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。
本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，工業(yè)機器人的組成和分類，工業(yè)機器人的自由度和坐標形式，氣動技術的特點及國內(nèi)外的發(fā)展狀況。
在設計中本文對通用工業(yè)機器人進行總體結構方案設計，確定了機器人的坐標形式和自由度，及機器人的相關技術參數(shù)。同時，設計了機械手的夾持式手部結構，機械手的手腕結構，機械手的手臂結構。計算出了手腕轉動時所需的驅動力矩和回轉氣缸的驅動力矩。
關鍵字：機械手，機械結構，機電一體化
Universal industrial robot structure design
Author: Wang Peilin
Tutor: Xue Dongbing
Abstract
In the industrial production and other fields, as a result of the need, people are often subjected to high temperature, corrosive and toxic gases and other factors, an increase of labor intensity, and even life-threatening. Mechanical hand in this environment was born, the manipulator is a industrial robot system the traditional task of implementing agencies, is one of the key parts of a robot. Robot mechanical structure of the ball screw, rod, cylinder and other mechanical components; there are electrical stepping motor, driver module, sensors, switching power supply, electromagnetic valve, and other electronic components. This equipment has covered the programmable control technology, control technology, pneumatic technology, detection technology, is the typical electromechanical represents one of instruments.
This paper briefly introduces the concept of industrial robots, robot components and classification of industrial robot, degree of freedom and coordinates form, the characteristics of pneumatic technology and the domestic and foreign development condition.
In the design of the general industrial robot for the overall structure design, determine the robot coordinate form and degree of freedom robot, and the related technical parameters. At the same time, the design of the manipulator clamping type hand structure, the structure of robot wrist, the structure of the arm. The wrist to calculate the rotation of the driving torque required for driving torque and rotary cylinder.
Keywords: manipulator, mechanical structure, mechanical and electrical integration
目錄
1緒論 1
1.1工業(yè)機器人概述 1
1.2工業(yè)機器人的組成和分類 1
1.2.1工業(yè)機器人的組成 1
1.2.2 機械手的分類 3
1.3國內(nèi)外發(fā)展狀況 5
1.4 課題的提出及主要任務 7
1.4.1 課題的提出 7
1.4.2 課題的主要任務 8
2 機械手的設計方案 9
2.1 機械手的座標型式與自由度 9
2.2 機械手的手部結構方案設計 10
2.3 機械手的手腕結構方案設計 10
2.4 機械手的手臂結構方案設計 10
2.5 機械手的驅動方案設計 10
2.6 機械手的主要參數(shù) 11
2.7 機械手的技術參數(shù)列表 11
3 手部結構設計 14
3.1 夾持式手部結構 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
4 手腕結構設計 20
4.1手腕的自由度 20
4.2手腕的驅動力矩的計算 20
4.2.1手腕轉動時所需的驅動力矩 20
4.2.2 回轉氣缸的驅動力矩計算 22
4.2.3 手腕回轉缸的尺寸及其校核 23
5 手臂伸縮，升降，回轉氣缸的尺寸設計與校核 26
5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核 26
5.1.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計 26
5.1.2 尺寸校核 26
5.1.3.導向裝置 27
5.1.4 平衡裝置 27
5.2 手臂升降氣缸的尺寸設計與校核 27
5.2.1 尺寸設計 27
5.2.2 尺寸校核 28
5.3 手臂回轉氣缸的尺寸設計與校核 28
5.3.1 尺寸設計 28
5.3.2 尺寸校核 28
6 結論 30
致 謝 31
參考文獻 32
1緒論
1.1工業(yè)機器人概述
工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，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進化過程的產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非工業(yè)領域的重要生產(chǎn)和服務性設備，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”。工業(yè)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，由它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，工業(yè)機械手在機械加工、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應用。工業(yè)機械手的結構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)中獲得廣泛的應用。
1.2工業(yè)機器人的組成和分類
1.2.1工業(yè)機器人的組成
機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖1.1所示。
控制系統(tǒng)
驅動系統(tǒng)
位置檢測裝置
執(zhí)行機構
圖1.1 機器人組成系統(tǒng)
1、執(zhí)行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
(1)手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式手部和吸附式手部。在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳動機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型手指應用較少，其原因是結構比較復雜，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。手指結構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。而傳動機構則是向手指傳遞運動和動力。傳動機構型式較多常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒 條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。
(2)手腕
手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調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動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。
(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。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
(5)行走機構
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，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式分為有軌的和無軌的兩種。驅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)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。
2、驅動系統(tǒng)
驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動?，F(xiàn)在工業(yè)機械手的驅動系統(tǒng)大多采用液壓傳動。
3、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。
4、位置檢測裝置
控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構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)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。
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、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。
1、按用途分
(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、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。
(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。在其性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和控制系統(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；伺服型可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。
2、按驅動方式分
(1)液壓傳動機械手
液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是：抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，否則液壓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
氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是：介質源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，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構大，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
機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。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。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。
(4)電力傳動機械手
電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。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，很有發(fā)展前途。
3、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。
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6.5萬美元。
(2)機械結構向模塊化、可重構化發(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、連桿模塊重組方式構造機器人整機，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，且采用模塊化結構，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動化系統(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。
1.4 課題的提出及主要任務
1.4.1 課題的提出
進入21世紀，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動生產(chǎn)率，降低工人的勞動強度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，本設計的目的就是設計一個氣動搬運機械手，應用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運到另外一條生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕工人大量的重復性勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。
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，采用氣動技術有以下優(yōu)點:
(1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器，介質清潔，管道不易堵存在介質變質及補充的問題。
(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，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，因此降低了氣動元件、輔件的材質和加工精度要求，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。
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，它的適用面相對較廣。
(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，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構，不僅可以應用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。
2 機械手的設計方案
對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地抓-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:
(1)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；明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求。
(2)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，動強度大和操作單調頻繁的生產(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、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有立柱轉動，立柱上下升降運動，手臂前后伸縮運動，和手腕回轉運動四個自由度。
圖2.1 機械手的運動示意圖
2.2 機械手的手部結構方案設計
為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，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 機械手的手腕結構方案設計
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運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。
2.4 機械手的手臂結構方案設計
按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有兩個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉運動。手臂的回轉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 機械手的主要參數(shù)
1、機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為10公斤
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的速度。該機械手最大移動速度設計為。最大回轉速度設計為。平均移動速度為。平均回轉速度為。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。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。
2.7 機械手的技術參數(shù)列表
1、用途:
用于自動輸送線的上下料。
2、設計技術參數(shù):
(1)抓重：
(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：
(5)手臂最大中心高：
(6)手臂運動參數(shù)：
伸縮行程
伸縮速度
升降行程
升降速度
回轉范圍
回轉速度
(7)手腕運動參數(shù)：
回轉范圍
回轉速度
(8)手指夾持范圍：
棒料:
(9)定位方式：行程開關或可調機械擋塊等
(10)定位精度：
(11)驅動方式：氣壓傳動
圖2.2 機械手的工作范圍
3 手部結構設計
為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部。如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結構，
3.1 夾持式手部結構
夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，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型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，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
(1)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。
(2)手指間應具有一定的開閉角
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。
(3)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。
(4)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，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。
(5)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構是一支點兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如附圖3.1所示。
3.1.3 手部夾緊氣缸的設計
1、手部驅動力計算
本課題氣動機器人的手部結構如圖3-2所示，其工件重量M=10kg，根據(jù)被夾持工件的直徑80~150mm，選定V形手指的角度2=120°b=120mm>R=24mm
摩擦系數(shù)為=0.3
圖3.1 齒輪齒條式手部
(1)根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅動力為:
(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:
所以：
=471.5
(3)實際驅動力:
式中：—齒輪齒條傳動效率，取
—安全系數(shù)，由機械手的工藝及設計要求確定,通常在1.2~2.0，取1.5；
—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，若被抓取工件的最大加速度取 時，則:
所以：
夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為。
2、氣缸的直徑
本氣缸屬于預縮型單作用氣缸。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: - 活塞桿上的推力/N
- 彈簧反作用力/N
- 氣缸工作壓力，選為0.4MPa
彈簧反作用按下式計算:
式中:- 彈簧剛度，N/m
- 彈簧預壓縮量/mm
- 活塞行程/mm
- 彈簧材料直徑/mm
- 彈簧中徑/mm
- 彈簧有效圈數(shù)
- 彈簧材料剪切模量，一般取
查《機械設計手冊—彈簧》，此處選用材料直徑為3.5mm，中徑為30mm，有效圈數(shù)為15的彈簧，可得：
=3677.46×60×10
=220.6（N）
有公式:
分析得單向作用氣缸的直徑:
其中=代入有關數(shù)據(jù)，可得：
查《機械設計手冊—氣壓傳動》圓整，得
由的范圍在0.2~0.3之間,可得活塞桿直徑:
取活塞桿直徑校核，按公式有:
其中，[]，則:
因此符合要求
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。缸體材料選用鋁合金其=120MPa。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
式中: - 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 實驗壓力，取=0.6MPa
-缸體材料許用應力，Pa，其計算公式為：
—安全系數(shù)，一般取=6~8
==15 MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
由于計算所得的壁厚很薄不易加工，故查《機械設計手冊—氣壓傳動》選用壁厚為3.5mm，則：
缸筒外徑為: D1 = 75 + 3.5 ′ 2 = 82(mm)
4 手腕結構設計
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運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。
4.1手腕的自由度
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，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軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉油(氣)缸，因此我們選用回轉氣缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于360°，并且要求嚴格的密封。
4.2手腕的驅動力矩的計算
4.2.1手腕轉動時所需的驅動力矩
手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅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動件的中心與轉動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.下圖為手腕受力的示意圖。
圖4.1 1.工件2.手部3.手腕
手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算:
M 驅 = M 慣 + M 偏 + M 摩 + M 封
式中: M 驅—驅動手腕轉動的驅動力矩（N）;
M 慣—慣性力矩（N）;
M 偏—參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉缸的動片)對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩（N）;
M 摩—轉動軸與支承孔處產(chǎn)生的摩擦阻力矩（N）;
M 封—手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩（N）;
下面以圖2-1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悅 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為 ，起動過程所用的時間為 t ，則
M 慣
式中: - 參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量 ( N .cm.s 2 ) ;
2
- 工件對手腕轉動軸線的轉動慣量
若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量為:
2
式中: —工件對過重心軸線的轉動慣量( N .cm.s 2 )
G1— 工件的重量(N)
—工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm)
(2)手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M 偏
M 偏 = G1e1+ G3e3 ( N × cm )
式中：G3—手腕轉動件的重量(N);
e3—手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距(cm)
當工件的重心與手腕轉動軸線重合時， G1e1=0
(3)手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩M 封
M 封
式中: ， - 轉動軸的軸頸直徑(cm);
- 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承=0.01,對于滑動軸承=0.1
根據(jù)得
同理根據(jù)得
式中: —轉動軸的重量(N)
— 如圖4.1所示的長度尺寸(cm).
(4) 轉缸的動片與缸徑、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。
4.2.2 回轉氣缸的驅動力矩計算
在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是葉片回轉氣缸，它的原理如圖2-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸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4回轉，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針 方向回轉。單葉氣缸的壓力P驅動力矩M的關系為:
圖2-2 回轉氣缸簡圖
或
式中：—回轉氣缸的驅動力矩（N）
P—回轉氣缸的工作壓力（Pa）
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應為工作壓力與背壓之差。
4.2.3 手腕回轉缸的尺寸及其校核
1、尺寸設計
氣缸長度設計為，氣缸內(nèi)徑為，半徑，軸徑,半徑r=13mm，氣缸運行角速度，加速時間，壓強P=0.4MPa，則力矩：
M=
2、尺寸校核
(1)測定參與手腕轉動的部件的質量，分析部件的質量分布情況，質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量：
工件的質量為10kg ,質量分布于長 的棒料上，那么轉動慣量
假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距，其轉動慣量為：
(2)手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉動件重心與轉動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線,則：
(3)手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 M 摩 ，對于滾動軸承,對于滑動軸承,為手腕轉動軸的軸頸直徑，,,為軸頸處的支承反力，粗略估計=300N, =150N,則：
(4)回轉缸的動片與缸徑、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。在此處估計 為 的3倍，則：
所以：
=46.32
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