【正文】 第二章機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、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(dòng)定位等特性。圖 21 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖 Sketch Map of the Motion of Manipulator 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為 了使 機(jī) 械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部。 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為1200176。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)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?；剞D(zhuǎn)速度 90176?；剞D(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。(四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。氣流負(fù)壓式吸盤(pán)是利用吸盤(pán)(即用橡膠或軟性塑料制成皮腕)內(nèi)形成負(fù)壓將工件吸住。為了使噴嘴出口處的壓力低于Pk，必須在噴嘴臨界面以后再加一段漸擴(kuò)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(fù)壓。1. 圖 3 4 可 調(diào)噴 射 式 負(fù) 壓 吸 盤(pán) 結(jié)構(gòu) Structure of Adjustable Ejective Minus Pressure Cupula下面計(jì)算吸盤(pán)的直徑.吸盤(pán)吸力的計(jì)算公式為: P= 式中:P——吸盤(pán)吸力(N)，本機(jī)械手的吸盤(pán)吸力為50N，故P=50N。在此，取=2 :——方位系數(shù)，吸盤(pán)垂直吸附時(shí)，則=1/f，f為摩擦系數(shù)，橡膠吸盤(pán)吸附金屬材料時(shí)，～。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于3600，并且要求嚴(yán)格的密封。s)?！ぜ闹匦牡睫D(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的偏心距(cm),——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s)。推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。雙作用式氣缸1的缸體固定，當(dāng)壓縮空氣分別從進(jìn)出氣孔c, e進(jìn)入雙作用式氣缸1的兩腔時(shí)，空心活塞套桿6帶動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)缸5和手部一同往復(fù)移動(dòng)。直線(xiàn)氣缸1內(nèi)的三根氣管采用了伸縮氣管結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是機(jī)械手外觀(guān)清晰、整齊，并可避免氣管的損傷，但加工工藝性較差。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)。最大可調(diào)行程為170mm,緩沖行程根據(jù)抓重和手臂移動(dòng)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。手臂回轉(zhuǎn)角度的大小，通過(guò)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。4,缸筒壁厚計(jì)算根據(jù)公式：式中P為實(shí)驗(yàn)壓力，取P==材料為ZL3，則[]=3MPa，則： = =10 mm 取12 mm.、升降用液壓緩沖器 手劈伸縮 、升降用的是兩級(jí)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。第一級(jí)緩沖的阻尼力可分別調(diào)節(jié)節(jié)流閥a, b來(lái)實(shí)現(xiàn)，第二級(jí)緩沖的阻尼力可以調(diào)節(jié)節(jié)流閥c來(lái)實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)緩沖工作原理圖)。經(jīng)實(shí)踐使用，效果較好。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來(lái)調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。具體的工作過(guò)程可分為4個(gè)階段。第二階段是處理輸入信號(hào)階段。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線(xiàn)圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。對(duì)簡(jiǎn)易編程器，則往往要經(jīng)過(guò)下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過(guò)程。系統(tǒng)簡(jiǎn)介控制對(duì)象為圓柱座標(biāo)氣動(dòng)機(jī)械手。另外 ，除抓放外，其余六個(gè)動(dòng)作末端均放置一限位開(kāi)關(guān)，以檢測(cè)動(dòng)作是否到位，如果某動(dòng)作沒(méi)有到位，則出錯(cuò)指示燈亮。 12個(gè)輸出點(diǎn)，標(biāo)號(hào)為05000511.梯形圖設(shè)計(jì)(如附圖所示)根據(jù)機(jī)械手的邏輯時(shí)序圖及1/0分配，畫(huà)出控制梯形圖，如附圖所示。 采用氣壓傳動(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。45 / 45。也可更換噴射式氣流負(fù)壓吸盤(pán)，以吸附玻璃、墻地磚等板料及光盤(pán)、磁盤(pán)等薄型不透氣工件，使機(jī)械手的用途更多，使用范圍更廣。機(jī)械手工作時(shí)序圖如附圖所示。其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用一組齒輪齒條，使氣缸的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如IBMPC機(jī)，只要這個(gè)機(jī)器配有相應(yīng)的軟件。(3)畫(huà)梯形圖 它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達(dá)了系統(tǒng)中全部動(dòng)作的相互關(guān)系。第四階段是輸出處理階段。開(kāi)機(jī)時(shí)， CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。 可編程序控制器的工作過(guò)程可編程序控制器是通過(guò)執(zhí)行用戶(hù)程序來(lái)完成各種不同控制任務(wù)的。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個(gè)快速排氣閥，可加快起動(dòng)速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。28mm。有關(guān)公式為: 式中: L——活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度，mK——活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，空心桿，md——空心活塞桿內(nèi)孔直徑，mA——活塞桿橫截面面積，空心桿，mf——材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取f=a——系數(shù)，對(duì)鋼a=1/5000代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: = =573(KN)推力負(fù)載為: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: = =3142(N) 所以，安全。手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來(lái)密封，密封性能較好，對(duì)氣缸孔的機(jī)械加工精度也易于保證。當(dāng)J, K兩面接觸時(shí)而定位。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(dòng)力和壓力之間的關(guān)系式不一樣。在附圖中所示的接氣管口a、b是接到手腕回轉(zhuǎn)氣缸的。在本機(jī)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。b— 動(dòng) 片 寬度 (cm).上述驅(qū)動(dòng) 矩和壓力的關(guān)系式是對(duì)于低壓腔背壓為零的情況下而言的。R、R——軸頸處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，根據(jù)得:Rl+Gl=Gl+ Gl同理，根據(jù)得: R=式中: G——手部的重量(N)l、l——如圖41所示的長(zhǎng)度尺寸(cm).回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M，與選用的密襯裝置的類(lèi)型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。s)。下面以圖41所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算:手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M若手腕起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為△t，則: M= ()若手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度為△，則: M= ()式中: J——參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(N由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿(mǎn)足工作的要求。另外工件從模具取出時(shí)，也有摩擦力的作用， 同 時(shí) 還應(yīng)考慮吸盤(pán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于加速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力影響。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。因此，在最簡(jiǎn)單的情況下，低流速(高壓強(qiáng))截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有大面積，而高流速(低壓強(qiáng))截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有小面積。缸筒壁厚的設(shè)計(jì)缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。(三)保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指。二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):抓重10公斤 (夾持式手部)5公斤 ( 氣流負(fù)壓式吸盤(pán))自由度數(shù)4個(gè)自由度座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)最大工作半徑1500mm手臂最大中心高1380mm手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程 600mm伸縮速度 500mm/s升降行程 200mm升降速度 300mm/s回轉(zhuǎn)范圍 0176。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。(4)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，包括氣動(dòng)元器件的選取，氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)，并繪出氣動(dòng)原理圖。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動(dòng)，氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)介質(zhì)提取和處理方便。例如，目前在我國(guó)的許多中小型汽車(chē)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，又影響效率。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距。多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。這類(lèi)工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。(一)按用途分機(jī)械手可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:專(zhuān)用機(jī)械手它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。手臂可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)如下:手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤(pán)吸料。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，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。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了手臂伸縮、升降用液壓緩沖器和手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器。設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計(jì)算出了手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱(chēng)通用機(jī)械手。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。吸附式手部主要由吸盤(pán)等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤(pán)內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤(pán)和電磁盤(pán)兩類(lèi)。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。工業(yè)機(jī)械手的種類(lèi)很多，關(guān)于分類(lèi)的問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類(lèi)。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，