【正文】 。 （ 三 ） 橫移 氣缸的尺寸設計與校核 1． 橫移 氣缸的尺寸設計 氣缸運行長度設計為 l =120mm,氣缸內(nèi)徑為 1D =210mm,半徑 R=105mm,軸徑 2D =40mm，半徑 r=20mm， 氣缸運 行 角 速 度 ? =90? /s， 加速度時間 t? =,壓強 p=,則 力矩： 22()2pb R rM ?? 6 2 10 2( 05 20 )2? ? ?? 255NM?? 2． 橫移 氣缸的尺寸校核 測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 1m =120kg，分析部件的質(zhì)量分布與密度，得質(zhì)量密度等效分布在一個半徑 r=200mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： 212mrJ? 2120 ?? m?? = =1 0 8tJM N M?? ??慣 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數(shù) k= =kMM?摩 慣 多工位沖床專用機械手及送料機構 設計 –26– = 108? = M? 總驅(qū)動力矩： =M M M?總 慣 摩 =108+ = M? 225 即 MM?總 所以設計尺寸符合實際使用要求。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下： 1． 定位方式 不同的定位方式影響因素不同。 運動件重量的變化對定位精度影響較大。 本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位。利用節(jié)流的原理使緩沖室產(chǎn)生臨時背壓阻力，以使運動減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱為油缸端部緩沖裝置。升降氣缸采用進氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降 ，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥 排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。步驟如下： 通常， amax 值按機械手類型和結構特點選取，同時要考慮速度與載荷大小。內(nèi)緩沖的優(yōu)點是結構簡單，緊湊。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)油溫措施。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅(qū)動系統(tǒng)使運動部件適時減速。一般可高于177。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 : ][2/f ?? DP? 式中 : ? 缸筒壁厚， mm D 氣缸內(nèi)徑 ， mm fP 實驗壓力 ， 取 PaPf ? 材料為 :ZL3， [? ]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則 壁厚為 : 多工位沖床專用機械手及送料機構 設計 –22– ][2/f ?? DP? )1032/(1066565? ????? 取 ?? ，則缸筒外徑為 : mmD ???? 多工位沖床專用機械手及送料機構 設計 –23– 四 、手臂伸縮，升降，橫移的尺寸設計與校核 （一）手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核 1． 手臂伸縮氣缸的尺寸設計 帶動 手臂伸縮 、升降、橫移所采用的 氣缸 均為 CTA系列 標準氣缸，結合本設計的實際要求 尺寸系列初選內(nèi) 徑為 φ 63， 外徑為 φ 100，半徑 R=，設計使用壓強為 。 (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。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(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型 (或稱直進型 )，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。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。除此之外，液壓緩沖器還有 消除非機械運動 的 震動和碰撞破壞等沖擊 ； 大幅減少噪音，提供安靜之工作環(huán)境 ； 加速機械作動頻率，增加產(chǎn)能 ； 高效率生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品 ； 延長機械壽命，減少售后服務 等優(yōu)點。 (2)采用緩沖回路 采用緩沖回路就是當氣缸伸出或縮回接近行程末端時，利用機控閥或電磁閥使氣缸 的排氣通道轉(zhuǎn)換到另一個流量更小的排氣回路，通過更大的排氣阻力降低氣缸的速度，達到緩沖的效果。 (2)彈簧平衡機構 彈簧平衡機構，機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應用廣泛。 (6)限位器 氣動機械手各運動軸的制動和定位點到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，或由限位開關發(fā)訊。氣缸的內(nèi)徑，行程大小可根據(jù)對機械手的運動分析和動力分析進行計算。 (2)氣動三聯(lián)件 由分水濾氣器，調(diào)壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯(lián)組裝式的，多數(shù)情況下用三聯(lián)組裝式結構。 5． 機械手氣壓驅(qū)動系統(tǒng)總體設計 氣動驅(qū)動系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式點位控制 或有限點位控制的中、小機械手 作業(yè) 。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟性及可靠性后進行最終的選擇。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 及其控制系統(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和控制性能。 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。且使用維護需要較高技術水平。手指的最小開 度由加工工件的直徑來調(diào)節(jié) 。目前比較有效的辦法 仍然是進行機械手手臂結構的優(yōu)化設計， 在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機械手手臂的重量。在進行機械手手臂設計時，要遵循下述原則； (1)應盡可能使機械手手臂各關節(jié)軸相互平行， 相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化，有利于機 械手的控制。 (3)機械手手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標準的聯(lián)接法蘭，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 本機械手采用的是連桿杠桿式手爪 。機械手的自由度以及運動示意圖如圖 。 3． 球坐標機械手結構 球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 。各結構形式及其相應的特點 ，分別介紹如下 ： 圖 機械手的四種坐標形式 1． 直角坐標機械手結構 直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖 。 在國外，一些國家正在研究 具有某種智能的機械手， 它 具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作 出 相應 的變更， 如位置發(fā) 生稍許偏差時，即能更正并自行檢測。隨著微電子技 術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。聯(lián)邦德國 KnKa 公司 也研制出 一種點焊機械手，采用關節(jié)式 結構和程序控制。在這樣的 背景下， 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出 了 第一臺機械手，它的結構是 在 機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂， 并在長臂頂部裝配了 工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。若欲控制的點數(shù)多，則必然使電氣控制系統(tǒng)變的越加復雜。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。通用機械 手按其控制定位方式的不同可分為 簡易型和伺服型兩種，簡易型以“開 —關”式控制定位，只能是點位控制； 伺服型具有伺服 定位控制系統(tǒng)，可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型?？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 等 )，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。 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，可在機座上安裝行走機構 以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。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， 手指有外夾式和內(nèi)撐式 ，常用的指形有平面 、 V 形面和曲面 ，指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等 。各系統(tǒng)相互之間的關系如圖 所示。 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而機械手可部分或全部代替人 工， 安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用 。 該 機械手 采用 PLC 系統(tǒng)進行控制，在設計中繪制出了氣壓系統(tǒng)工作原理圖和 PLC 控制器的控制程序。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業(yè)論文（設計 ）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得遼東學院或其他單位的學位或證書所使用過的材料。 該機械手是用于多工位 沖床 上加工零件，用機械手向 沖床 自動上 、下 料，并實現(xiàn) 半成品零件在七個工位之間的轉(zhuǎn)換。 在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中 ， 機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中， 而工業(yè)機器人的高速研制更是促進了機械手的發(fā)展， 使得機械手能更好 的 實現(xiàn) 機械化 與 自動化的有機結合 。 綜上所述，在機械工業(yè)中 應用機械手的意義可以概括如下： (1)提高生產(chǎn)過程中的自動 化程度 。 目前我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā) 將直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平，從經(jīng)濟與技術方面考慮都十分必要。手指是與物件直接接觸的部 件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)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(qū)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。常用的 驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、 電動機驅(qū)動 和機械驅(qū)動 。它具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量自動化生產(chǎn)，如自動機床的上、下料機械手。 氣壓傳動機械手是以壓縮空氣來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。此類機械手目前還不多，但很有發(fā)展前途。 （三） 工業(yè)機械手的 發(fā)展 1． 工業(yè) 機械手的發(fā)展 歷 史 機械手是在早期就有的古機關 人基礎上發(fā)展起來的，我國古代的機關人制造者是最多工位沖床專用機械手及送料機構 設計 –5– 早研究有關機械手、關節(jié)活動等問題的 。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。重復精度是指如果動作重復次數(shù)多，機械手到達同樣位置的精確程度。隨著材料技術的進步，新型材料的出現(xiàn)， 用構造特殊、 自潤滑材料制造的無潤滑元件 組成的機械手 ，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。工作時機 械手首先伸出手指尋找工件 ，通過 安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件， 手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小 的目的 。 2． 圓柱坐標機械手結構 圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖。此種機械手在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機械手。 多工位沖床專用機械手及送料機構 設計 –9– (3)連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放 松）運動，由于杠桿的力放大作用 ， 手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力， 通常與彈簧聯(lián)合使用。 (2)機械手腕部安裝在機械手手臂的末端，在設計機械手手腕時，應 盡量 減少其重量和體積，結構力求緊湊。機械手手腕是機械手 操作機的最末端，它與機械手手臂配合運動，實現(xiàn) 安裝在手腕上 末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 機械手在高強度 輕質(zhì)材料 的選擇上，通常選用高強度鋁合金制造機械手手臂。 (6)機械手手臂在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關 ， 具有一定緩沖能力的機械限位塊，驅(qū)動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。 油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (3)氣動驅(qū)動系統(tǒng) 氣動驅(qū)動系統(tǒng) 適用于中、小負荷的機械手 ，它有如下優(yōu)點： 介質(zhì)提取和處理方便。 能源可儲存。 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 ) [2]。點焊、弧焊機械手多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。 (1)氣源 由 壓縮空氣站提供。直線氣缸分單動式和雙動式兩類，除個別用單動式氣缸外（如手爪機構上用的），多數(shù)采用雙動氣缸。氣缸活塞的 允 許運動速度 達 ，如果以 1m/s 的速度計算，電磁氣閥以較大關閉時間 70ms 計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為 70mm， 兩個停點的步長應大于這個數(shù)值。 導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中 采 用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。 使用氣緩沖氣缸的大都是 小缸徑長行程氣缸，沒有緩沖閥 ， 在端蓋上開有很小 的橫節(jié)流孔。 液 壓緩沖器 的 主要結構為 ： 本體、軸心、軸承、內(nèi)管、活塞、液壓軸、彈簧等組成 。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低 會限制 它的使用范圍。 ， 驅(qū)動方式為氣壓驅(qū)動， 控制方式為繼 電器控制。 (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。 2． 氣缸 直徑 的計算 本氣缸屬于單向作用氣缸。 多工位沖床專用機械手及送料機構 設計 –27– 五 、機械手的定位與平穩(wěn)性 （一） 常用的定位方式 機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關 。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。 （三）機械手運動的緩沖裝置 緩沖裝置分為內(nèi)緩沖和外 緩沖兩種形式。 在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為