車床上下料機(jī)械手設(shè)計【6張圖紙】
車床上下料機(jī)械手設(shè)計【6張圖紙】,6張圖紙,車床,上下,機(jī)械手,設(shè)計,圖紙
摘 要
摘 要
工業(yè)機(jī)器人一般可理解為：在工業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域中的一種自動控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)（固定式的或是移動式的），用于搬運(yùn)材料、工件、操持工具或檢測裝置，完成各種作業(yè)。
近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門新興的學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視。
機(jī)床上料機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它可自動地為機(jī)床抓取工件，取代操作人員頻繁取料，降低勞動強(qiáng)度，提高工作效率。
機(jī)械手自1999 年投入運(yùn)行, 工作安全可靠, 效果良好, 可用做數(shù)控機(jī)床自動上料設(shè)備和生產(chǎn)線上的自動抓取設(shè)備。幾年來, 逐步開發(fā)了相關(guān)實驗、實訓(xùn)教學(xué)項目, 以機(jī)械手作為實驗(訓(xùn)) 載體, 逐步形成了以學(xué)生為主體、理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式, 激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性和動手能力, 為提高學(xué)生的工程素質(zhì)、全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。
關(guān)鍵詞：車床上下料機(jī)械手 氣壓系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)設(shè)計
I
Abstract
Abstract
Industrial robot can generally be understood as: in industrial automation applications in the field of a kind of automatic control, can repeat programming, multi-function, many of the freedom of CaoZuoJi (fixed or movable), used for material handling, workpiece, conducted tools or detection device, finish all kinds of assignments.
In recent years with the development of industrial automation manipulator gradually become a new discipline, and the rapid development. Manipulator is widely used in forging press, stamping, forging, welding, assembling, and machining, paint, heat treatment, and other industries. Especially in heavy, high temperature, toxic and dangerous, radioactive, many dust etc of bad labor environment, due to its advantages of significant manipulator by special attention.
Machine feeding manipulator is typical of electromechanical equipment, it can automatically grab for machine tools, to replace the operators frequently take material, the reduction of labor intensity, improve work efficiency.
Manipulator since 1999 are put into operation, safe and reliable work, the effect is good, can be used as nc machine tools automatic feeding equipment and production line acquirement equipment. For several years, and gradually developed related experiment, practice teaching program in experiments (training) as a manipulator carrier, and gradually formed a take the student as the main body, the theory and the practice teaching mode, stimulate the students' creativity and practical ability, to improve the students' project quality, improve the students' comprehensive quality created the basic conditions.
KeyWords：
Lathe up-down material manipulator
Pneumatic system
Structure design
IV
目 錄
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 概述 1
1. 1機(jī)械手的發(fā)展歷史 1
1. 2機(jī)械手的發(fā)展意義 1
1. 3機(jī)械手在機(jī)械制造中的應(yīng)用 2
1. 3.1國外應(yīng)用 2
1. 3.2國內(nèi)應(yīng)用 3
第二章 工業(yè)機(jī)械手 4
2.1 工業(yè)機(jī)械手的分類 4
2.2工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動方式 4
2.2.1氣壓驅(qū)動 4
2.2.2液壓驅(qū)動 5
2.3 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計方法 6
2.3.1手部的設(shè)計 6
2.3.2腕部的設(shè)計 7
2.3.3臂部的設(shè)計要求 8
2.3.4機(jī)械手的行程位置檢測裝置 9
第三章 車床上下料機(jī)械手方案比較 12
3. 1工業(yè)機(jī)械手概述 12
3. 2方案設(shè)計和對比 13
3. 2.1方案1 13
3. 2.2方案2 16
3. 2.3方案3 18
3. 2.4方案對比 19
第四章 手部計算與分析 20
4.1 手部計算與分析 20
4.1.1 滑槽杠桿式手部設(shè)計的基本要求 20
4.1.2 手部的計算和分析 20
4.2 腕部計算與分析 27
4.2.1 腕部設(shè)計的基本要求 27
4.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 28
4.2.3 腕部擺動油缸設(shè)計 31
4.2.4 選鍵并校核強(qiáng)度 33
4.3 臂部計算與分析 34
4.3.1 臂部設(shè)計的基本要求 34
4.3.2 手臂的設(shè)計計算 37
4.4 機(jī)身計算與分析 45
4.5本章小結(jié) 45
結(jié) 論 46
參考文獻(xiàn) 47
致 謝 48
附 錄 50
第一章 概述
第一章 概述
1. 1機(jī)械手的發(fā)展歷史
人類在改造自然的歷史進(jìn)程中，隨著對材料、能源和信息這三者的認(rèn)識和用，不斷創(chuàng)造各種工具（機(jī)器），滿足并推動生產(chǎn)力的發(fā)展。
工業(yè)社會向信息社會發(fā)展，生產(chǎn)的自動化，應(yīng)變性要求越來越高，原有機(jī)器系統(tǒng)就顯得龐雜而不靈活，這時人們就仿造自身的集體和功能，把控制機(jī)、動力機(jī)、傳動機(jī)、工作機(jī)綜合集中成一體，創(chuàng)造了“集成化”的機(jī)器系統(tǒng)——機(jī)器人。從而引起了生產(chǎn)系統(tǒng)的巨大變革，成為“人——機(jī)器人——勞動對象”，或者“人——機(jī)器人——動力機(jī)——工作機(jī)——勞動對象”。
機(jī)器人技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，雖然只有短短三十幾年的歷史，但是它卻顯示了旺盛的生命力。近年來，世界上對于發(fā)展機(jī)器人的呼聲更是有增無減，發(fā)達(dá)國家競相爭先，發(fā)展中國家急起直追。許多先進(jìn)技術(shù)國家已先后把發(fā)展機(jī)器人技術(shù)列入國家計劃，進(jìn)行大力研究。我國的機(jī)器人學(xué)的研究也已經(jīng)起步，并把“機(jī)器人開發(fā)研究”和柔性制造技術(shù)系統(tǒng)和設(shè)備開發(fā)研究等與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的研究課題列入國家“七五”、“八五”科技發(fā)展計劃以及“八六三”高科技發(fā)展計劃。
工業(yè)機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸形成一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。
1. 2機(jī)械手的發(fā)展意義
機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識：其一、它能部分地代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大地改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。
近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門新興的學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視。
機(jī)床上料機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它可自動地為機(jī)床抓取工件，取代操作人員頻繁取料，降低勞動強(qiáng)度，提高工作效率。
總之，機(jī)械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強(qiáng)度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段，國內(nèi)外都很重視它的應(yīng)用和發(fā)展。
1. 3機(jī)械手在機(jī)械制造中的應(yīng)用
1. 3.1國外應(yīng)用
美國制造155毫米的鋼彈體洛克福特軍械廠，從胚料加工開始到加工完畢直至彈體包裝都自動進(jìn)行，不用人手去接觸，達(dá)到全自動生產(chǎn)。
工業(yè)機(jī)械手還能用來代替人工進(jìn)行打磨、拋光、去毛刺和清理切屑等工作。例如，瑞典一家工廠打磨和拋光不銹鋼子彎頭時，采用ASEA機(jī)械手，提高加工效率30%以上，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，不傷害工人。又如：瑞典沃爾沃（Valov）公司在機(jī)械手上裝了三個環(huán)形磨輪裝置，用來對傳動箱外表面去毛刺，比手工方法節(jié)省工時50%。
1. 3.2國內(nèi)應(yīng)用
國內(nèi)在金屬切削加工中，用機(jī)械手來完成刀具的自動更換。如北京第二機(jī)床廠，北京第八機(jī)床廠，上海第二機(jī)床廠，上海第八機(jī)床廠，寧夏大河機(jī)床廠等單位研制的自動換刀機(jī)床，均用機(jī)械手自動更換刀具。在生產(chǎn)自動線上，用機(jī)械手完成的傳遞和上下料，如：沈陽水泵廠深井泵體加工自動線，無錫柴油機(jī)廠和甘肅汽車齒輪廠的齒胚的加工自動線都采用了機(jī)械手。大連工礦車輛廠的800Kg側(cè)架的加工，采用機(jī)械手抓取、傳遞和安放并與一些機(jī)床組合成側(cè)架切削加工自動線，提高效率10倍。
1. 4機(jī)械手的發(fā)展趨勢
國內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械手基礎(chǔ)性能的實驗以及基礎(chǔ)理論研究，克服和解決制造技術(shù)及其它存在的問題。提高機(jī)械手運(yùn)動速度。尤其是應(yīng)用于沖壓行業(yè)中的機(jī)械手，以適應(yīng)提高生產(chǎn)率和符合生產(chǎn)節(jié)拍的需要。要研究解決機(jī)械手的運(yùn)動速度和緩沖、定位技術(shù)。引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，培訓(xùn)專門技術(shù)人才，普及機(jī)械手有關(guān)知識。盡快解決機(jī)械手的定型設(shè)計、定點、定量生產(chǎn)以及配套件的生產(chǎn)和供應(yīng)問題，推進(jìn)機(jī)械手設(shè)計制造中的現(xiàn)代化（CAD/CAM）、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化工作，以滿足國內(nèi)外市場的需求。目前工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，技術(shù)性能不斷提高，其發(fā)展趨勢是：擴(kuò)大機(jī)械手在工業(yè)上的應(yīng)用、提高工業(yè)機(jī)械手的工作性能、發(fā)展組合式機(jī)械手、研制具有“視覺”和“觸覺”的“智能機(jī)器人”。
53
第二章 工業(yè)機(jī)械手
第二章 工業(yè)機(jī)械手
2.1 工業(yè)機(jī)械手的分類
目前對機(jī)械手尚無明確的分類標(biāo)準(zhǔn)，全國各她區(qū)尚未統(tǒng)一，我們按目前應(yīng)用比較多的兩個方面進(jìn)行分類:
（一)按所搬運(yùn)的工件重量(或稱臂力)分類
1.小型的—臂力在1公斤以下;
2.中型的--—臂力在1~30公斤以內(nèi)、
3.大型的—臂力在30公斤以上。
目前大多數(shù)下業(yè)機(jī)械手其搬運(yùn)的重量為中型的。
(二)按機(jī)能分類
1 簡易型通用機(jī)械手
有固定程序和可變程序兩種。固定程序由擋塊或凸輪轉(zhuǎn)鼓控制；可變程序用插銷板來給定程序。這種機(jī)械手多為氣動或液壓驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，改變程序較容易。只適用于程序較簡單的點位控制，實現(xiàn)重復(fù)性操作作為一般單機(jī)服務(wù)的搬運(yùn)工作也完全夠。目前這種機(jī)械手?jǐn)?shù)量最多。
2示教再現(xiàn)通用機(jī)械手
這種機(jī)械由人工通過示教裝置領(lǐng)動一遍，或者予先操作給定一遍，稱為示教。它由磁鼓（或磁帶、磁芯)把程序記錄下來，此后機(jī)械手就自動按記憶的程序，重復(fù)地進(jìn)行鵝環(huán)動作。這種機(jī)械手多為電液伺服控制。與前者比較，這種機(jī)械手可有較多的自由度，有可能實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，能進(jìn)行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較大。
3，具有視覺、觸覺的通用機(jī)械手
這種機(jī)械手由電子計算機(jī)控制，裝備有電視攝像管和傳感器等，因而具有視覺、熱感.觸覺等。這種機(jī)械手我網(wǎng)日前還處于研制階段。
再次按使用范圍，驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。
按使用范圍分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手
專業(yè)機(jī)械手：一般附屬于工作機(jī)器設(shè)備，動作程序固定，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨立，亦可附屬于工作機(jī)器設(shè)備。
通用機(jī)械手：獨立工作的自動化機(jī)械設(shè)備。在規(guī)格性能的范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同的場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。
按驅(qū)動方式分為液壓機(jī)械手，氣壓機(jī)械手，電動機(jī)械手，機(jī)械式機(jī)械手。
液壓機(jī)械手：輸出力大，傳動平穩(wěn)。如采用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴(yán)格，又問對油的粘度影響大。
氣壓機(jī)械手：氣源方便，輸出力小，氣壓傳動速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但工作不太穩(wěn)定，沖擊大，在同樣的抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大。
電動機(jī)械手‘直接用直線電機(jī)，功率步進(jìn)電機(jī)和具有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)等來驅(qū)動，動力源簡單，不需要能量裝換機(jī)構(gòu)，維護(hù)使用方便。目前這種工業(yè)機(jī)械手尚在發(fā)展之中。
機(jī)械式機(jī)械手：由工作機(jī)構(gòu)帶動機(jī)械手運(yùn)動，工作可靠，動作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但動作固定不可變。
按控制系統(tǒng)可分為點位控制和連續(xù)控制
點位控制：只能控制工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動的幾個點的位置，運(yùn)動軌跡不受控制。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。
連續(xù)控制：工業(yè)機(jī)械手按給定的速度沿給定的線路（軌跡）實現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確的運(yùn)動。特點是設(shè)定點時無限的，整個運(yùn)動過程都要求處在控制之下。這來工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計算機(jī)控制。
機(jī)械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機(jī)械手的性能，是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
2.2工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動方式
工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動方法，按驅(qū)動源分為氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電力驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)功四種。
2.2.1氣壓驅(qū)動
氣壓驅(qū)動是一種簡單、可靠.經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動方式，是以壓縮空氣為動力沉來驅(qū)動機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在機(jī)械加工行業(yè)中的機(jī)械手普遍采用氣壓驅(qū)動，用來完成零件的傳送工作。
(一)氣壓驅(qū)動的特點
氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是;容易獲得快速運(yùn)動，機(jī)械手可引用一般工廠都有的壓縮空氣源，因此結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，空氣不象油那樣怕熱和易燃;維修方使，特別是和射流控制很容易結(jié)臺起來使用。其缺點是:氣限低，出力小，執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積人;壓縮性大，阻尼緩沖效果差，較難實現(xiàn)中間位置的停止，若要求較高的定位精度，必須增設(shè)較復(fù)雜的緩沖、定位機(jī)構(gòu)。
(二)氣動元件簡介
氣動元件種類很多，應(yīng)用范圈也各不相同。目前所謂氣動元件，是指氣壓傳動中應(yīng)用的各種控制閥和執(zhí)行元件。一般不包括空氣壓縮機(jī)。
1.氣源三大件
分水濾氣器:功用是清除空氣中的水、油及灰塵;
調(diào)壓閥、亦稱減壓閥，能將管道中的空氣壓力保持在某一定數(shù)值:
油霧器:為保證氣動裝置可靠地工作，用壓縮空氣將油液噴成霧狀，隨空氣一起流入氣動裝置，進(jìn)行潤滑。
2.空氣控制閥這是氣動元件中主要的一大類，其功用是控制空氣的壓力、流量及流動方向，保證氣動系統(tǒng)按規(guī)定的程序、速度進(jìn)行工作。
主要分為:
（1）壓力控制閥:包括壓力順序閥、卸荷閥等。
（2）流且控制閥:包括節(jié)流閥、單向節(jié)流閥等。
（3）方向控制閥。包括電磁換向閥、氣動換向閥,電磁氣閥、單向閥、梭閥、延時閥.脈沖閥等。
（4）其他閥:包括各種手動閥、腳踏操作閥、氣動開關(guān)、按鈕、行程閥、轉(zhuǎn)閥等。
3.氣缸作為氣動執(zhí)行元件，是一種重要的元件，一般分為單作用氣缸和雙作用氣缸兩種。其結(jié)構(gòu)形式很多，可完成往復(fù)直線運(yùn)動和擺動。
4 氣動馬達(dá) 是實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的執(zhí)行元件。
5氣動邏輯元件這是近年來新發(fā)展的一種氣動元件，帶有可動部件，其作用類似繼電器，可實現(xiàn)各種邏輯功能，直接對氣動裝置進(jìn)行控制。其結(jié)構(gòu)類似小型閥門。
6.管路附件包括各種管接頭、消聲器、壓力繼電器、安個閥.壓力表等。
另外，還有一些氣液裝置，如氣一液泵、氣一液缸、氣一液增壓裝置等，一般也屬于氣動元件的范圍。
2.2.2液壓驅(qū)動
在機(jī)械手中液壓驅(qū)動是用的最多的方式。利用油缸、油馬達(dá)和齒條齒輪實現(xiàn)直線運(yùn)動，利用回轉(zhuǎn)油缸、油馬達(dá)與齒輪齒條或鏈輪鏈條實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。
(一)液壓驅(qū)動的特點
1.液壓驅(qū)動的優(yōu)點
(1)壓力高，油壓可達(dá)10- I40公斤/厘米的壓力。可以獲得較大的操作力。
（2)液體的壓縮比較小，可以認(rèn)為沒有壓縮性，因此控制系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，動作平穩(wěn)，快速反應(yīng)性好。
(3)壓力、流量容易調(diào)節(jié)，控制性能好，可以實現(xiàn)中間位置的停止，定位精度高。
（4)液壓操縱裝置形體小而且牢固，可耐振動和沖擊。
（5）可無級變速
（6）液壓油有良好的潤滑性
2 液壓驅(qū)動的特點
（1）需單獨配備液壓源
（2）管線系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高
（3）液壓系統(tǒng)的泄露會嚴(yán)重影響其使用性能
（4）油的粘度對溫度的變化敏感
3液壓系統(tǒng)的組成
1動力元件--油泵
2執(zhí)行元件--油缸，油馬達(dá)
3控制元件 各種控制閥等
4輔助元件--如郵箱，濾油器，油管和管接頭等
2.3 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計方法
機(jī)械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機(jī)械手的性能，是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
2.3.1手部的設(shè)計
手部的設(shè)計要求：
1.手部應(yīng)有足夠的夾緊力，除工件的重力外，還要能不使工件在傳送過程中松動或脫落;
2.夾持范國要與工件相適應(yīng)。手爪的張開角度（手爪張開或閉合時兩個極限位置所擺動的角度 )應(yīng)能適應(yīng)夾緊較大的直徑范圍 ;
3.夾持精度要高。既耍求工件在手爪內(nèi)定位準(zhǔn)確，又不夾壞工件表而。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu):如元住形工件應(yīng)采用帶V形槽的手爪來定位，對于工件表面光潔度較高的，應(yīng)在手爪上鑲銅、夾布膠木或其他軟質(zhì)墊片等;
4.夾持動作要迅速、靈活;
5.手部結(jié)構(gòu)要簡單緊湊，剛性好、自重輕、易磨損處應(yīng)便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。
手部結(jié)構(gòu)
手爪的類型大致分為下列三種:
1.夾持式手爪，根據(jù)手爪的動作可分為回轉(zhuǎn)型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指和多指式;根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內(nèi)脹式兩種。
2.吸附式手爪。分為真空吸盤式和電磁吸盤式兩種。真空吸盤式又分為真空泵式和氣流負(fù)壓式。
3帶觸覺或視覺的手爪
2.3.2腕部的設(shè)計
1 腕部自由度的選取
在臂部運(yùn)動的范圍內(nèi)，當(dāng)可以滿足抓取工件和傳送工件等要求時，應(yīng)盡可能不設(shè)計腕部的運(yùn)動。這樣，則可使機(jī)械乎結(jié)構(gòu)簡單、制造方使和成本降低。
根據(jù)抓取對象和機(jī)械手的坐標(biāo)形式的需要，可增加腕部的自由度。如腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，這是在手爪夾持工件后，需要翻轉(zhuǎn)角度，或者機(jī)械手從一個工位轉(zhuǎn)到另一個工位時，需要工件翻轉(zhuǎn)。若是采用臂部回轉(zhuǎn)則使機(jī)械手的穩(wěn)定性降低，因為，臂部長度大，回轉(zhuǎn)時稍有偏心(特別是高速回轉(zhuǎn)時〕，使機(jī)械手的離心力增加，臂部震動加大，影響定位精度。因此，應(yīng)設(shè)計腕部的回轉(zhuǎn)。若機(jī)械手是球坐標(biāo)形式，腕部應(yīng)設(shè)計具有俯仰運(yùn)動，以保持手爪處于水平位置，不影響手爪的工作。
還要根據(jù)加工工藝的要求，設(shè)計腕部都在Y軸力向的移動運(yùn)動。如機(jī)械手將工件送到某一工位后，需要把工件定位夾緊，為使機(jī)床運(yùn)動簡化，而要求腕部沿Y抽方向做少量的移位的運(yùn)動。如用頂尖支承的軸類零件。在用機(jī)械手取下工件時，為脫離主軸頂尖,而需要有腕部的橫移運(yùn)功。
總之.腕部白由度的選取應(yīng)在臂部自由度確定以后，再根據(jù)工件的料道位置、工藝要求、應(yīng)用范圍及制造成本等方面綜合分析，以確定最佳的方案，確定出腕部合適的自由度數(shù)。
2 腕部的動作要靈活、自重要輕
在設(shè)計腕部結(jié)構(gòu)時，應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單緊湊，減輕結(jié)構(gòu)的重量。機(jī)械手配合機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，腕部的動作時間往往在幾秒鐘以內(nèi)，甚至不超過一秒，所以腕部一定要靈活，在保證構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度的條件下，回轉(zhuǎn)件盡量采用滾動軸承或滾柱，減少阻力，降低摩擦.
3 腕部運(yùn)動位置要準(zhǔn)確
手腕的回轉(zhuǎn)、俯仰與左右擺動等運(yùn)動位置都要求準(zhǔn)確，除對零部件配合精度嚴(yán)格要求以外，要采取措施消除傳動部件之間的間隙，根據(jù)需要可設(shè)置位置檢測元件，來控制手腕的準(zhǔn)確位置。
2.3.3臂部的設(shè)計要求
(一)臂部應(yīng)承受能力大，剛性好，自重輕
根據(jù)公式 懸臂梁的撓度公式式中
Y-----撓度
E-----彈性模數(shù)
Q-----載荷
J-----慣性矩
L-----懸臂長
撓度與載荷、懸臂長成正比，而與彈性模數(shù)，慣性矩成反比。在Q與L值已確定的情況下，只有增大EJ值，才能減少梁的彎曲變形，而碳鋼和合金鋼的E值差別不大，在~之間。所以、為了提高剛度，從材質(zhì)上考慮意義不大.
主要應(yīng)選用慣性矩]大的梁。在載面積和單位重量基本相同的情祝下，鋼管，工字鋼和槽鋼的慣性矩要比元鋼大得多，所以，機(jī)械于中常用無縫鋼管作導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作支撐板。這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的白重 為增加剛性，還應(yīng)采取以下措施:
1.在設(shè)計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低，囚此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單。要全而分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定調(diào)整補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以減少重要部位的間隙，從而提高剛性。
2.全而分析手臂的受力情況，合理分配給手臂的各個部件，避免不利的受力情況出現(xiàn)。
3.水平放且的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度.同時提高其配合精度和相對位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或大部分自重和抓取重量。
4.提高活塞和缸體內(nèi)徑配合精度，可以提高手臂在前伸時的剛性。
（二）臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小
機(jī)械手的運(yùn)動速度一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定的。確定了生產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運(yùn)行速度〔或角速度）。在一般情況下，手臂的移動和回轉(zhuǎn)均要求勻速運(yùn)動(v和為常數(shù)〕，但在手臂的起動和終止瞬間，運(yùn)動是變化的。為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。
從上述公式可知，減少慣性力矩，可采取下列措施:
1.減少手臂運(yùn)動件的重量，如采用鋁合金等輕質(zhì)材料、
2.減少手臂運(yùn)動件的輪廓尺寸，使手臂結(jié)構(gòu)緊湊小巧，
3減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動作順序時，一般是先縮回再回轉(zhuǎn)或盡可能在較小前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作。
4，驅(qū)動系統(tǒng)中加設(shè)緩沖裝置。
（三）臂部動作要靈活
要使手臂運(yùn)動輕快靈活，手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊小巧，或在運(yùn)動臂上加滾動軸承或采用滾珠導(dǎo)軌。對于懸臂式的機(jī)械手手臂上零部件的布置要合理，以減少回轉(zhuǎn)升降支承中心的偏重力矩。不然，會引起手臂振動，嚴(yán)重時會使手臂與立柱卡住別壞。對于雙臂同時操作的機(jī)械手。應(yīng)使兩臂布置盡量對稱以達(dá)到平衡。
(四)位置精度要高
手臂的剛性好、偏重小、慣性力小，則位置精度就容易控制，所以設(shè)計手臂時要周密考慮和計算;還要合理的選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式，一般說來，直角和元柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和自動檢測機(jī)構(gòu)，來控制手臂運(yùn)動的位置精度;還要減少或消除各傳動，嚙合件的間隙。
除了上述幾點外，機(jī)械手的通用性要好，以適應(yīng)多種作業(yè)的要求，工藝性要好，便于加工和安裝;用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮熱輻射的影響，手臂要長些，使驅(qū)動部分遠(yuǎn)離熱源，并裝上冷卻裝置;用子作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手，還要設(shè)置防塵裝置等。
上面這些要求，往往是互相影響和互相制約的，設(shè)計時應(yīng)全面分析各方面因素，綜合考慮，以設(shè)計出性能良好的機(jī)械手。
2.3.4機(jī)械手的行程位置檢測裝置
行程位置檢測裝置的作用，是控制機(jī)械手的運(yùn)動位置，或者利用檢測裝置，通過控制系統(tǒng)對機(jī)械手的運(yùn)動位置進(jìn)行控制。如把運(yùn)動系統(tǒng)的位置反饋給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其運(yùn)動停止在規(guī)定位置上，以便保證對機(jī)械手運(yùn)動的定位精度。
圖2-1
檢測裝置把實際位置信號反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，差值送入放大器，控制電液比例潤的流最或壓力，使機(jī)械手平穩(wěn)準(zhǔn)確停在一定的位置上。檢測裝置應(yīng)用有電位器、編碼器和剛性機(jī)構(gòu)等。
機(jī)械手的定位精度指的是頻繁的往復(fù)運(yùn)功中的重復(fù)定位精度。影響保持一定的定位精度的因素是很多的。如手臂的剛性、油液的做度變化.位置檢測元件的類型及執(zhí)行環(huán)節(jié)的誤差等，都時重復(fù)定位精度有嚴(yán)重影響。
由于機(jī)械手應(yīng)用在不同的環(huán)境，而且大多數(shù)是應(yīng)用在周圍環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場中。因此.對行程位置檢測裝置育下列幾點要求:
在機(jī)械性能方面。要結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、體積小，壽命長和維修方便;
在使用環(huán)境方面，要能在振動、油污等條件下穩(wěn)定和可靠地工作;
在電氣性能方面:要有高抗干擾能力，高精度，長期使用時精度不變。
行程位置檢測裝置有機(jī)械的、模擬的和數(shù)字的三種。
（一） 機(jī)械式行程位置檢測裝置主要由機(jī)械擋塊 可調(diào)擋塊 限位開關(guān)等。
（二）模擬式行程位置檢測裝置
模擬式行程位置檢測裝置是用電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器或者感應(yīng)同步器等裝置，將規(guī)定值予先發(fā)送給控制系統(tǒng)。在運(yùn)動過程中，執(zhí)行元件上的檢測器不斷地將實際值發(fā)送給控制系統(tǒng)與規(guī)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，調(diào)整運(yùn)動系統(tǒng)，使運(yùn)動達(dá)到規(guī)定的位置。
包括電位器自整角機(jī)，旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器組成。
（三） 數(shù)字式行程位置檢測裝置
包括光電信號轉(zhuǎn)變器，光柵檢測器和光電式雙碼盤編輯器
第三章 車床上下料機(jī)械手
第三章 車床上下料機(jī)械手方案比較
3. 1工業(yè)機(jī)械手概述
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)。驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)械傳動等四種形式。控制系統(tǒng)由電器控制和射流控制兩種。它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動。位置檢測裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度到達(dá)設(shè)定位置。設(shè)計機(jī)械手時應(yīng)考慮的因素很多，但從機(jī)械手的特點來分析有以下幾點：
1）抓重：是機(jī)械手所能抓取或搬運(yùn)的最大重量。一般抓重1kg 以下的定為微型，1-5kg的定為小型，5-30kg 的定為中型，30kg 以上的定為大型。
2）自由度和坐標(biāo)型式：自由度是機(jī)械手的每一個構(gòu)件相對固定坐標(biāo)系所具有的獨立運(yùn)動自由度。因手指的夾放動作不能改變工件的位置和方位，故它不不計為自由度數(shù)，其它運(yùn)動均計為自由度數(shù)。按機(jī)械手的不同運(yùn)動形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。機(jī)械手的自由度數(shù)和坐標(biāo)形式應(yīng)根據(jù)機(jī)械手現(xiàn)場具體的生產(chǎn)情況和工藝的要求而定。
3）運(yùn)動速度：它反應(yīng)了機(jī)械手的生產(chǎn)水平，影響機(jī)械手動作快慢的主要運(yùn)動是手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動。手臂的運(yùn)動速度大小與機(jī)械手的驅(qū)動方式、定位方式、抓重大小和行程距離有關(guān)。手臂的運(yùn)動對機(jī)械手的速度影響最大，因此，手臂的運(yùn)動速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時間長短、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確定。
4）行程范圍：主要受手臂的伸縮行程影響，其行程范圍大多在500-1000mm 范圍內(nèi)。
除上述主要參數(shù)外，還應(yīng)考慮定位方式和位置檢測裝置的選用。
機(jī)械手由機(jī)座、機(jī)械臂、手爪、PLC 可編程控制器及氣源等部分組成。可以完成水平臂的擺動和伸縮、垂直臂的伸縮、手爪的旋轉(zhuǎn)和抓取物料等動作, 準(zhǔn)確地把物料送到指定位置。在機(jī)床的送料高度、物料的擺放位置、抓取高度、工件的重量等確定后, 機(jī)械手各部分的空間幾何位置以及工作空間、運(yùn)動狀態(tài)等即可確定,各個動作即可按給定順序和運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)要求完成。氣動系統(tǒng)考慮了使用載荷、機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、動態(tài)及靜態(tài)性能等因素, 水平臂的擺動和伸縮、垂直臂的伸縮、手爪的擺動的運(yùn)動速度均可調(diào)節(jié)。
3. 2方案設(shè)計和對比
3. 2.1方案1
目前工廠中的設(shè)備是采用壓縮空氣作為動力源，氣缸做動作執(zhí)行元件。但現(xiàn)有的設(shè)備中沒有上下料機(jī)械手。生產(chǎn)中，是人工將工件從設(shè)備的運(yùn)送槽中搬出再安裝到數(shù)控機(jī)床上。這樣生產(chǎn)的節(jié)拍受到限制，不能發(fā)揮出設(shè)備的最佳生產(chǎn)效率。因此，在本設(shè)計中采用工業(yè)機(jī)械手和相關(guān)的輔助分析現(xiàn)有設(shè)備及工廠的實際生產(chǎn)狀況，提出本方案。
見圖-1 上下料機(jī)械手方案1。仍采用壓縮空氣作為動力源，氣缸做動作執(zhí)行元件。用制動氣缸1通過滑塊2帶動機(jī)械手實現(xiàn)機(jī)械手的水平運(yùn)動，升降氣缸3控制實現(xiàn)機(jī)械手抓取動作的上下運(yùn)動，夾緊氣缸4控制實現(xiàn)手指的張開和閉合。
圖1 方案一
其動作過程依次為：制動缸前送，推動滑塊將機(jī)械手送到工件上方，升降缸下放，將機(jī)械手放置到工件上，此時機(jī)械手是張開狀態(tài)，夾緊缸夾緊工件，升降缸上升至安全高度，制動缸拉動滑塊帶動手臂回至車床上方，升降缸下放手爪，使工件處于車床頂尖與卡盤之間，夾緊缸松開工件。
圖2 方案一抓取動作
圖3 方案一提升動作
3. 2.2方案2
采用液壓缸作為執(zhí)行元件。采用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，手爪為鉗爪式。
圖4 方案二設(shè)計思路
將機(jī)械手設(shè)置在車床旁邊，以液壓缸為執(zhí)行元件，用升降油缸實現(xiàn)立柱的上升和下降，用回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)手臂的旋轉(zhuǎn)，用手臂伸縮油缸實現(xiàn)手臂的前伸與收回，用碗部回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)。如圖5所示：
圖5 方案二機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖
圖6為機(jī)械手工作原理
圖6 方案二機(jī)械手功能原理
動作順序為：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋轉(zhuǎn)至合適位置，手爪抓緊工件，手臂收縮，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動帶動手臂轉(zhuǎn)至車床卡盤前，手臂前伸至卡盤與頂尖之間，手爪松開工件，手臂回縮，旋轉(zhuǎn)缸反轉(zhuǎn)，立柱下降。
3. 2.3方案3
仍采用壓縮空氣為動力源，氣缸為執(zhí)行元件，采用與方案二相似的結(jié)構(gòu)，采用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，結(jié)構(gòu)與方案二大致相同，省去了碗部的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。如圖7所示：
圖7 方案3機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖
動作順序為：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋轉(zhuǎn)至合適位置，手爪抓緊工件，手臂收縮，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動帶動手臂轉(zhuǎn)至車床卡盤前，手臂前伸至卡盤與頂尖之間，手爪松開工件，手臂回縮，旋轉(zhuǎn)缸反轉(zhuǎn)，立柱下降，然后重復(fù)先前動作順序。
3. 2.4方案對比
方案1采用的是懸掛式機(jī)械手臂設(shè)計，但是考慮到生產(chǎn)環(huán)境的因素，懸掛式占據(jù)空間比較大且工作范圍小，慣性大且靈活性差，且維修不方便，故不采用方案1。
方案2采用的是圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，優(yōu)點是這種形式的機(jī)械手臂均具有回轉(zhuǎn)、伸縮與升降三個自由度，其運(yùn)動范圍的圖形為一個圓柱體，它與直角坐標(biāo)型比較，占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，并能達(dá)到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，運(yùn)動直觀性較強(qiáng)。
方案3與方案2不同之處是方案3采用的是氣動驅(qū)動方式。氣動驅(qū)動特點是氣源方便、維修簡單、易于獲得高速度、低成本、防火防爆、漏氣對環(huán)境無影響。液壓驅(qū)動特點是操作力大體積小，動作平穩(wěn)、耐沖擊耐振動，但漏油對系統(tǒng)的工作性能影響較大，且與氣動比較起來成本較高。因此，設(shè)計中采用氣動機(jī)械手。
綜上所述，最后選用方案3。
第四章 手部計算與分析
第四章 手部計算與分析
4.1 手部計算與分析
手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見的主要有夾鉗式，本設(shè)計主要考慮夾鉗式手部設(shè)計。
夾鉗式手部是由手指，傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸，盤，套類零件，一般情況下多采用兩個手指。
4.1.1 滑槽杠桿式手部設(shè)計的基本要求
(1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。
(2)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍。
(3)應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度。
(4)要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。
(5)應(yīng)考慮通用性和特殊要求。
4.1.2 手部的計算和分析
?。?）手部受力分析
圖4.1 手部受力圖(1)
圖4.2手部受力圖(2)
（2）手指尺寸初步設(shè)定
由拉桿的力平衡條件：
得
由得
又由工件的平均半徑
mm
初取V型手指的夾角2
mm，，，，滑桿總長h=170
(3)夾緊力計算
又由于工件的直徑不影響其軸心的位置即定位誤差為零，手指水平位置夾取水平位置放置的工件。
由工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)表2－1查得
握力 N＝0.5G=0.5×25=12.5kg
又因為
（4.1）
當(dāng)取最小值時，則增力比較大，手指走到最小行程時則有
則
又因為2amin=19.88kg
取安全系數(shù)，工作情況系數(shù)
傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率
(4.2)
手指夾緊時：夾緊缸活塞移動范圍L＝130mm，其動作時間t=1.5s（由機(jī)械手的動作節(jié)拍時間得之），所以夾緊活塞移動得平均速度v為：
運(yùn)動部件得總重估算G＝10kg
夾緊力N與驅(qū)動力P的關(guān)系：
由于結(jié)構(gòu)左右對稱，在驅(qū)動力P的作用下，每一滑槽杠桿受力相等
圖4.3夾緊力與驅(qū)動力的關(guān)系圖
在不計摩擦力的情況下
，為夾緊狀態(tài)得傾斜角＝50夾緊工件半徑為50mm為例
＝38.9kg (4.3)
根據(jù)各力對回轉(zhuǎn)支點的力矩平衡條件，同樣在不計摩擦力的情況下
，c為杠桿動力臂，即驅(qū)動銷對滑槽杠桿作用力對支點的垂直距離。
又因為a=50mm
C=
則 Nb=
當(dāng)夾緊半徑為25mm的工件時，＝
則Nb=
(4)動作特性和傳動特點
定位到最大行程時，
則取
又因為，
滑槽杠桿手指最大開閉角為
滑槽傾斜角的變化范圍可以為
可見機(jī)構(gòu)傳動比將在下列范圍內(nèi)變化
，
所以開始所初步取的a，b與均符合要求。
（5）確定夾緊油缸外徑D
驅(qū)動桿行程與手指開閉范圍關(guān)系
?。謩e為手指夾緊工件范圍值時，滑槽相對于兩支點連接的傾斜角。
機(jī)構(gòu)效率
考慮到機(jī)構(gòu)效率，傳力比N/P的公式應(yīng)力
＝0.9
又因為G=250N,夾緊力F=500N,
-工作負(fù)載即為重物重力＝250N。
－導(dǎo)軌摩擦阻力負(fù)載，對于平導(dǎo)軌
－垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，＝0。
f-導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.1。
，
，一般?。?.010.5s，時間內(nèi)速度變化量
啟動：
穩(wěn)態(tài)：
工作壓力P的確定，工作壓力根據(jù)負(fù)載大小及機(jī)器的類型來初步確定。參閱機(jī)械設(shè)計手冊表37.5按載荷選擇工作壓力為1。
計算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d，由負(fù)載可知最大負(fù)載F為275N。
根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計手冊表2－2可取為0.5，為0.95，d/D為0.7。
又因為
(4.4)
根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計手冊表2－4，將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑D=25mm,活塞桿直徑按d/D＝0.7及表2－5活塞直徑系列取d=18mm。
按工作要求夾緊力為一個夾緊缸提供，考慮到夾緊力的穩(wěn)定性。夾緊缸的工作壓力應(yīng)大于復(fù)位彈簧的彈力。
又因為進(jìn)油缸在有桿腔，則其有效工作面積
(4.5)
液壓缸壁厚和外徑計算
，為最大工作壓力的1.5倍，＝1.5。
高強(qiáng)度鑄鐵，＝60
液壓缸工作行程的確定，并參照表2－6中的系列尺寸選取標(biāo)準(zhǔn)值S=100mm。
缸蓋厚度的確定
一般液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度t按強(qiáng)度要求計算。
(4.6)
現(xiàn)取t=20mm。
活塞的寬度B一般取B=()D=0.6D=15mm。
夾緊缸彈簧的確定。
彈簧工作載荷F=50N
最大軸直徑
最小筒直徑
彈簧剛度
查機(jī)械設(shè)計手冊表30.2－8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得
材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm .
單圈彈簧工作極限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度。
(4.7)
曲度系數(shù)＝1.14，G－彈簧材料的剪切彈性模量，鋼材G=
Z=110mm,則活塞缸總長L=120mm。
4.2 腕部計算與分析
4.2.1 腕部設(shè)計的基本要求
手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕具有獨立的自由度，此設(shè)計手腕有繞X軸轉(zhuǎn)動和沿X軸左右擺動兩個自由度。手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸，擺動也采用回轉(zhuǎn)油缸。他的結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，自由度符合設(shè)計要求，它要求嚴(yán)格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。
1.腕部處于臂部的前端，它連同手部的動靜載荷均由臂部承受。腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)動性能。因此在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
2.腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)聯(lián)接和支承作用，除了保證力和運(yùn)動的要求以及具有足夠的強(qiáng)度和剛度外還應(yīng)綜合考慮合理布局腕部和手部的連接、腕部自由度的檢測和位置檢測、管線布置以及潤滑、維修調(diào)整等問題。
3.腕部設(shè)計應(yīng)充分估計環(huán)境對腕部的不良影響（如熱膨脹，壓力油的粘度和燃點，有關(guān)材料及電控電測元件的耐熱性等問題）。
4.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算
腕部回轉(zhuǎn)時，需要克服以下幾種阻力：
1.腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩
從圖3.4可知：＝××-軸承直徑（m）
式中：－軸承處支反力；可靜力學(xué)平衡方程求得。
f-軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承f=
為簡化計算取
圖3.4 腕部回轉(zhuǎn)支承處的受力圖
-工件重量（kgf），-手部重量（kgf），－手腕轉(zhuǎn)動件重量（kgf）
2.克服由于重心偏置所引起的力矩
＝（kgf）
式中e－工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）
3.克服啟動慣性，所需的力矩
啟動過程近似等加速運(yùn)動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角加速度及啟動所用的角速度：
＝ (4.8)
式中：－工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量
J－手腕回轉(zhuǎn)部分對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量
－手腕回轉(zhuǎn)過程的角加速
－啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（度）
手腕回轉(zhuǎn)所需要的驅(qū)動力矩應(yīng)當(dāng)?shù)扔谏鲜鋈椫汀?
(4.9)
因為手腕回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量不是很大，手腕起動過程所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩也不大，為了簡化計算，可以將計算，適當(dāng)放大，而省略掉，這時
(1)設(shè)手指，手指驅(qū)動油缸及回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)動件為一個等效圓柱體，L=50cm，直徑D=10cm，則m=27.5kg。
(2)摩擦阻力矩＝0.1
(3)設(shè)起動過程所轉(zhuǎn)過的角度＝,等速轉(zhuǎn)動角速度
計算：求＝
查型鋼表有：
代入＝256（N·m）
＝0;＝0.1;＝0.1+265
M=
確定轉(zhuǎn)軸的最小尺寸
，－抗扭剖面模量
，查得
，，取轉(zhuǎn)軸直徑d=40mm。
4.回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩計算
回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力矩，機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動
所采用的單葉片回轉(zhuǎn)油缸，定片1與缸體2固連，動片3與轉(zhuǎn)軸5固連，當(dāng)a,b口分別進(jìn)出油時，動片帶動轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)達(dá)到手腕回轉(zhuǎn)目的。
M= (4.10)
式中：—手腕回轉(zhuǎn)總的阻力矩（N·m）
P—回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力
r—缸體內(nèi)徑半徑（cm）
R—輸出軸半徑（cm）
b—動片寬度
注：可按外形要求或安裝空間大小，先設(shè)定b,R,r中兩個：
=1.5—2.5,,取=2，=3
又因為d=40mm，則D=80mm，b=60mm
去頂回轉(zhuǎn)油缸工作壓力：
(4.11)
由于系統(tǒng)工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此壓力，因此回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力足以克服摩擦力。
4.2.3 腕部擺動油缸設(shè)計
偏離重心e的計算及
圖4.5 腕部擺動油缸設(shè)計尺寸圖
估計L=45cm，，
=30cm
克服重心偏置所需的力矩
克服摩擦所需力矩
=0.1cm
克服運(yùn)動慣性所需的力矩
=0.7654(kg-m-)
==25=5.1(kg-m-)
=5.8654(kg-m-)
=JW/t
設(shè)w=,
=0.0175/=12.83(kgf·m)
則擺動所需的驅(qū)動力矩
=32.14(kgf·m)
確定轉(zhuǎn)軸的最小直徑
抗拒剖面摸量
所需驅(qū)動力矩
(4.12)
取d=50mm
所以機(jī)械手的擺動采用單葉片回轉(zhuǎn)油缸，定片與缸體固連，動片與轉(zhuǎn)軸固連，當(dāng)兩油口分別進(jìn)出油時，動片帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動達(dá)到腕部擺動目的。
(4.13)
又因為：=1.5—2.5,，取=2，=3
所以：d=50mm，所以D=100mm，b=75mm
確定回轉(zhuǎn)油缸工作壓力
(4.14)
由于系統(tǒng)工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此壓力，因此該缸的工作壓力足以克服摩擦力。
4.2.4 選鍵并校核強(qiáng)度
轉(zhuǎn)軸直徑d=40mm,由GB1095-79選鍵為bh=128
轉(zhuǎn)軸直徑d=50mm,由GB1095-79選鍵為bh=2010
鍵校核如下公式
=2T/kld[]，K——接觸面的高度
取接方式：靜連接，輕微沖擊，查得=100
所以滿足要求
4.3 臂部計算與分析
4.3.1 臂部設(shè)計的基本要求
手臂部件是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶動它們作空間轉(zhuǎn)動。
臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點。因此，臂部具有兩個自由度才能滿足基本要求：即手臂，左右回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動由油缸驅(qū)動和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的靜動載荷，而且自身運(yùn)動又較多，故受力復(fù)雜。因而，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機(jī)械手的工作性能。
機(jī)身是固定的，它直接承受和傳動手臂的部件，實現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運(yùn)動。臂部要實現(xiàn)所要求的運(yùn)動，需滿足下列各項基本要求：
1.機(jī)械手臂式機(jī)身的承載
機(jī)械手臂式機(jī)身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對于機(jī)械手的運(yùn)動性能，位置精度和負(fù)荷能力等影響很大。為可提高剛度，盡量縮短臂桿的懸伸長度，還應(yīng)注意：
(1)根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸
臂部和機(jī)身既受彎曲（而且不僅是一個方向的彎曲）也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。所以機(jī)械手常用工字鋼或槽鋼作為支撐板，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動裝置，傳動機(jī)構(gòu)以及管道，有利于結(jié)構(gòu)的緊湊，外形整齊。
(2)高支承剛度和選擇支承間的距離
臂部和機(jī)身的變形量不僅與本身剛度有關(guān)，而且同支撐的剛度和支撐件間距離有很大關(guān)系，要提高剛度，除從支座的結(jié)構(gòu)形狀，底板的剛度以及支座與底版的連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的接觸剛度。
(3)合理布置作用力的位置和方向
在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合具體受力情況，設(shè)法使各作用力的變形相互抵消。
(1)設(shè)計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理，確定調(diào)整補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以及減少重要不見的間隙，從而提高剛度。
(2)水平放置的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度，同時提高其配合精度和相對位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或者大部分自重。
(3)提高活塞和剛體內(nèi)徑配合精度，以提高手臂俯仰的剛度。
2.臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小
機(jī)械手臂的運(yùn)動速度是機(jī)械手主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平，一般時根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉(zhuǎn)俯仰均要求均速運(yùn)動，（V和w為常數(shù)），但在手臂的啟動和終止瞬間，運(yùn)動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動。
對于告訴運(yùn)動的機(jī)械手，其最大移動速度設(shè)計在1000～1500mm/s，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在內(nèi)，在大部分行程距離上平均移動速度為1000mm/s內(nèi)，平均回轉(zhuǎn)角速度為內(nèi)。
為減少轉(zhuǎn)動慣量的措施：
(1)減少手臂運(yùn)動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。
(2)減少手臂運(yùn)動件的尺寸輪廓。
(3)減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸），
盡可能在前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作，并且驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。
3.手臂動作應(yīng)靈活
為減少手臂運(yùn)動件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動摩擦代替滑動摩擦。
對于懸臂式的機(jī)械手，其傳動件，導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動過程盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死”的現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。
(1)計算零件重量，可分解為規(guī)則的體形進(jìn)行計算。
(2)計算零件重心位置，求出重心至回轉(zhuǎn)軸線的距離。
(3)求重心位置并計算偏重力臂
(4.15)
(4.16)
(4)計算偏重力矩
(4.17)
4.位置精度要高
一般說來，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度教高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，精度差；在手冊上加設(shè)定位裝置和自檢測機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運(yùn)動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動，嚙合件的間隙。
除此之外，要求機(jī)械手同用性要好，能適合做種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手，還要設(shè)置防塵裝置等。
4.3.2 手臂的設(shè)計計算
通常先進(jìn)行粗略的估算，根據(jù)運(yùn)動參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，在進(jìn)行校核計算，修正設(shè)計。
為了便于進(jìn)行液壓機(jī)械手的設(shè)計計算，分別俯仰缸回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計敘述如下：
1.小臂設(shè)計
設(shè)小臂L=40cm,D=60cm
則m=
則手臂總重，L=100mm
=0.79kg
俯仰缸的設(shè)計計算
圖4.6 仰俯缸的設(shè)計尺寸圖
設(shè)，，
當(dāng)手臂處在仰角為的位置時，驅(qū)動力P通過連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩為
因為，
又因為
=，=，
而P=
P—油缸的工作壓力（）
D—油缸內(nèi)徑（cm）
—活塞缸與缸徑，活塞桿與端差的密封裝置處的摩擦阻力（kg）
—通油箱，=0
10590.3kg取=10600kg
106000.8=60356.601kg·cm
當(dāng)手臂處在俯角為的位置時，驅(qū)動力P通過連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力
因為：
所以
則
當(dāng)手臂處在水平位置即為驅(qū)動力矩時
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