【正文】 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 002s03s 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(fù)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 142 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 4 氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計 本課題將設(shè)計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)包括氣動元器件的選取氣動回路的設(shè)計并繪出氣動原理圖 6 機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計 本機械手擬采用可編程序控制器 PLC 對機械手進行控制本課題將要選取PLC 型號根據(jù)機械手的工作流程編制出 PLC21 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 圖 21 所示為機械手的手指手腕手臂的運動示意圖 圖 21 機械手的運動示意 圖 Fig21 Sketch Map of the Motion of Manipulator 22 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 23 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 24 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) 25 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 26 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 27 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 12ms 最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為 1200176。 lmm 28 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 500mms 升降行程 200mm 升降速度 300mms 回轉(zhuǎn)范圍 0176。～ 180176。 cm M 慣性力矩 Kg178。 cm 下面以圖 41 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 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 M Ncm 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 M Ncm 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 N178。 s 若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合其轉(zhuǎn)動慣量 J 為 J 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量 N178。 cm 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 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 第五章手臂結(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) 51 手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分 511 結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂的伸縮是直線運動實現(xiàn)直線往復(fù)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?dǎo)向裝置它應(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(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性 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(dǎo)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(fù)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(dǎo) 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 AA 剖面 在附圖中所示的接氣管口 ab 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 導(dǎo)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?dǎo)向裝置它應(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(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿雙導(dǎo)向桿四導(dǎo)向桿等在本機械手中采用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性 513 手臂伸縮驅(qū)動力的計算 手臂作水平 伸縮時所需的驅(qū)動力 圖 43 手嘴伸出時的受力狀態(tài) Fig43 Bear Force Condition of Arm When Putting Out 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 所造成的阻力因此驅(qū)動力計算公式為 P 驅(qū) P 慣 P 摩 P 密 P 背 N 51 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(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力 N P 密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 52 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分 521 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(dǎo)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(dǎo)向桿 14 進行導(dǎo) 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 1530mm 故上升行程最大值為 200mm 手臂下降靠自重實現(xiàn) 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