氣動通用上下料機械手設計[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,設計,自由度,cad,圖紙,以及,文檔,終稿可,編輯,編纂 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 I 頁 共 Ⅱ 頁 目錄 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 ..........................................................................................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 3.2 氣流負壓式吸盤 ......................................................................................................18 4 手腕結構設計 ............................................................................................................21 4.1 手腕的自由度 ..........................................................................................................21 4.2 手腕的驅動力矩的計算 ..........................................................................................21 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 II 頁 共 Ⅱ 頁 4.2.1 手腕轉動時所需的驅動力矩 ..............................................................................21 5 手臂結構設計 ............................................................................................................25 5.1 手臂伸縮與手腕回轉部分 .....................................................................................25 5.1.1 結構設計 ..............................................................................................................25 5.1.2 導向裝置 ..............................................................................................................26 5.1.3 手臂伸縮驅動力的計 ..........................................................................................26 5.2 手臂升降和回轉部分 .............................................................................................27 5.2.1 結構設計 ..............................................................................................................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 手臂回轉用液壓緩沖器 .........................................................................................32 6 結論 ............................................................................................................................33 參考文獻 ..........................................................................................................................34 致謝 ..................................................................................................................................36 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 1 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設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、 提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?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 也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設各，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)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。 生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、 保證產品質量、實現(xiàn)安全生產；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 產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用 [2]。 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 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、驅動系統(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) 驅動系統(tǒng) 被抓取工件執(zhí)行機構 位置檢測裝置 圖 1.1 機械手的組成方框圖 (一)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，可分為夾持式和吸附式 手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構所構成。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。回轉型手指結構簡單，制造容易 構件，故應用較廣泛平移型應用較少，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:手指有外夾式和內撐式;指 數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較 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成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產生電吸磁 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 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 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。 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 ) 回轉運動:如水平回轉、左右擺動運動 直線運動:如伸縮、升降、橫移運動 兩回轉運動的組合(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 和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件 受力狀態(tài)簡單。 導向裝置結構形式，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，手臂的回轉運動和升 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 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 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，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分 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。 (二)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，通常由動力源、控制 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、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 [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。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 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、結構簡單、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 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 調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和格性能范圍內，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 變換生產品種的中小批量自動化的生產。 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)按驅動方式分 1、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，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動執(zhí)行機構運動的機械手。其主 要特點是:介質來源極為方便，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 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。它主要特 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 36 頁 點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，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，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、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已 有模塊化裝配機器人產品問市。 (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 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 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:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較 晚，應用領域窄，生產線系統(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 有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“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業(yè)化前期的關鍵技術，對 產品進行全面規(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 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 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 大大提高勞動生產率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產以及輕工業(yè)生產 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，管道不易堵塞 不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(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 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 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 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，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，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。 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 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；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頻繁的生產場合。 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，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。 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 36 頁 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，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右 回轉和升降(或俯仰)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 是手臂伸縮及回轉的速度。 該機械手最大移動速度設計為 1. 2m/s，最大回轉速度設計為 120o/s。平均 移動速度為 lm/s，平均回轉速度為 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 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 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 200mm。手臂回轉行程范圍定為 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，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 回轉范圍 00 -2400 回轉速度 900/s 7、手腕運動參數(shù) XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 共 36 頁 回轉范圍 0 0--1800 回轉速度 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) XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 36 頁 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:當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 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卡式(或內漲式)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?；剞D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 (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 產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 (二)手指間應具有一定的開閉角 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 15 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 [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，其結構如附圖所示。3.1.3 手部夾緊氣缸的設計1、手部驅動力計算 [9]本課題氣動機械手的手部結構如圖 3.2 所示，其工件重量 G=10㎏，“V”形手指的角度 2θ =120 0，b=120mm，R=24mm,摩擦系數(shù)為 f=0. 1。 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 36 頁 2bpNR??00.5()0.51(6542')(NGtgtgN???????29bpNR??12KP??實 際 2ag????1.549063pN?? 實 際 214tzDPFF?????1 tfFcS??4318fGdCDn2? 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： (3)實際驅動力: 因為傳力機構為齒輪齒條傳動，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 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 36 頁 214tDpF??????1tp???????413879.0.534/801356/fGdCDnNm?????????? 3137.4026tfFS?????1tDp????????1/42Fd??? 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 η 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)/( π×0.5×106×0.4)) ? =65.23 (mm) 查有關手冊圓整，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 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 18 頁 共 36 頁 ??? ??/2DP??????/2DP ???? BP2K10 =20MPa, F1=750N 則:d≥ (4 × 490/π × 120) ?=2.28≤18 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/（2×3×10 6）×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構簡單，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。 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 19 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，單位時間內氣體經過噴嘴的每一個截面的氣體質量均相等。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 所示為可調的噴射式負壓吸盤結構圖。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節(jié)的，以便改變間隙的大小 [11]。 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 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 可調噴射式負壓吸盤結構 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: _ XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 36 頁SGSGRLLCddsCR 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 [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 3600，并且要求嚴格的 密封 [14]。 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 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 22 頁 共 36 頁 動軸線不重合所產生的偏重力矩.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 手碗回轉時受力狀態(tài) 手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算 [15]: M 驅 = M 慣 +M 偏 +M 摩 +M 封 ㎏·㎝ （4.1） 式中: M 驅 —驅動手腕轉動的驅動力矩(㎏·cm); M 慣 —慣性力矩(Kg -cm); 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) 對轉動軸線所產生的偏重力矩(㎏·㎝)., M 摩 —手腕轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(㎏·cm); 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 (㎏· 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生的慣性力矩 M 慣 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為 ω，起動過程所用的 時間為△t，則: XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 23 頁 共 36 頁 ??1MJt????慣 ??21MJ?????慣 211cGJeg?? （4.2） 若手腕轉動時的角速度為 ω，起動過程所轉過的角度為△φ，則: (4.3) 式中:J—參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量 (N·㎝·s 2); J1—工件對手腕轉動軸線的轉動慣量 (N·㎝·s 2)。 若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量 J1為: （4.4 ） 式中:J c—工件對過重心軸線的轉動慣量(N·㎝·s 2): G1—工件的重量((N); e1—工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm), ω—手腕轉動時的角速度(弧度/s); △t 一起動過程所需的時間(S); △φ—起動過程所轉過的角度(弧度)。 2、手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩 M 偏 (N·㎝) （4.5） 式中:G 3—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(㎝). 當工件的重心與手腕轉 動軸線重合時，則 G1 e1=0. 13MGe??偏偏 XX 大學 200X 屆畢業(yè)設計說明書 第 24 頁 共 36 頁 ???21ABfMRdNcm???摩 321BRGL????3N??????? 213AGLLGR?????? 2pbRrM?? 3 3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M 摩 (4.6) 式中:d 1d2—手腕轉動軸的軸頸直徑(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運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉氣缸，它的原理如 圖 4.2 所示，定片 1 與缸體 2 固連，動片 3 與回轉軸 5