【正文】 恒節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小 [21]。通常采用的辦法是先選定其中一個參數(shù)，然后校驗(yàn)其余兩個參數(shù)。外緩沖形式有彈性機(jī)械元件和液壓緩沖器。 6． 驅(qū)動源 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –28– 液壓、氣壓的壓力波動及電壓、油溫、氣溫的波動都會影響機(jī)械手的重復(fù)定位精度。這是因?yàn)槎ㄎ凰俣炔煌瑫r，必須耗散的運(yùn)動部件的能量不同。 若定位前已減速，定位時驅(qū)動壓力未撤除，在這種情況下，機(jī)械擋塊定位能達(dá)到較高的重復(fù)精度。 3． 缸筒壁厚的設(shè)計 缸筒 直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 夾持式是 機(jī)械手 最常見的一種 形式 ，手部結(jié)構(gòu)由手指 (或手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)所組成。該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計為 ， 平均移動速度為 ， 除了運(yùn)動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程、橫移行程和升降。 所以 ， 液 壓緩沖器能把移動中的物體有效的停止 。 但對于 運(yùn)動件質(zhì)量大、運(yùn)動速度很高的氣缸，僅靠氣緩沖不能完全吸收過大的沖擊能 。一般在機(jī)械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。因此對機(jī)械手一個單自由度而言，停點(diǎn)數(shù)目最多 69個， 為增加定位點(diǎn)數(shù)，除采用多位置氣缸外 ， 可采用的制動方法還有：反壓制動，制動裝置制動。氣缸的結(jié)構(gòu)形式以及與機(jī)械手機(jī)構(gòu)的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設(shè)計 機(jī)械手時根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定。如果沒有壓縮空氣站，可以按機(jī)械手及 其 配套的其他氣動設(shè)備 的 需要 ， 配置相應(yīng)供氣量的氣源設(shè)備。 由于本次設(shè)計的機(jī)械手為多工位沖床上下料機(jī)械手，抓重為 3kg，屬于輕負(fù)荷，且氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉 ， 故應(yīng)選擇氣動驅(qū)動系統(tǒng)。 設(shè)計 機(jī)械手時，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機(jī)械手的用途、作業(yè)要求、 性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功 耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。 工作環(huán)境適應(yīng)性好。 阻力損失和泄漏較小。 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 。 通過驅(qū)動活塞往復(fù)移動，活塞桿端部齒條，中間齒條 及扇形齒條使手指張開或閉合。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的 1/4，相當(dāng)于鋁合金的 2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –10– 3． 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 機(jī)械手手臂的作用是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)械手所要求 工作空間內(nèi)的運(yùn)動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而 不采用直接驅(qū)動，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。 (5)平行杠桿式手爪 這種手爪 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。 由于本機(jī)械手在工作時手臂具有伸縮、橫移和升降運(yùn)動，符合直角坐標(biāo)形式，因此，采用直角座標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –7– 二、機(jī)械手 總體設(shè)計方案 （一）機(jī)械手的坐標(biāo)形 式與自由度 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式 如圖 所示， 主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和 關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。 節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)， 不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，如今 電磁閥的線圈功率越來越小，而 PLC 的輸出 功率在 不斷 增大，由 PLC 直接控制線圈 也 變得越來越可能。重復(fù)精度限定的是一個隨機(jī)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手來測定。 1mm。另一方面 ，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。 點(diǎn)位控制機(jī)械手的移動為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動，只能控制運(yùn) 動過程中幾個點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動軌跡。 機(jī)械傳動機(jī)械手是由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu) (如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等 )驅(qū)動的機(jī)械手。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量的自動化生多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –4– 產(chǎn)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位 )系統(tǒng)組成。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)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。 （二）機(jī)械手的組成和分類 1．機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動 系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置 組成。 (2)改善勞動條件，避免人身事故 。 機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力 量 大的特點(diǎn) 。 本文 在 對機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計 時 ，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度 及其技術(shù)參數(shù)，同時 設(shè)計了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的手腕 和手臂 結(jié)構(gòu)，計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩。 遼 東 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計） 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 Design of special Manipulator and Feeding mechanism for multi station punch 遼 東 學(xué) 院 Eastern Liaoning University 獨(dú)創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明：本畢業(yè)論文（設(shè)計）是我個人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得研究成果。 機(jī)械手主要由氣缸驅(qū)動，使手臂 進(jìn)行 伸縮、橫移和升降運(yùn)動，并分別用液壓緩沖器實(shí)現(xiàn)緩沖。 在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”，它 可以提高生產(chǎn)的自動化水平和 勞動生產(chǎn)率 ，也 可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn) ， 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(jìn)行正常的工作，意義更為重大 [1]。 機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等 ，使生產(chǎn)線的自動化 程度 提高，從而 降低生產(chǎn)成本 ， 提高勞動生產(chǎn)率。 所以， 有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。 立柱是支撐 手臂的部件，它也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和升降 (或俯仰 )運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。 (3)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配機(jī)械手按規(guī)定 要求運(yùn)動的系統(tǒng)。 通用機(jī)械手是 一種具有獨(dú)立控制與驅(qū)動系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手， 在性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用。其主要特 點(diǎn)是介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低， 缺點(diǎn)是由于空氣具有可壓縮的特性，所以機(jī)械手工作速率的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30kg 以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適合在高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中 工作。 (3)按控制方式分，機(jī)械手可分為點(diǎn)位控制機(jī)械手和連續(xù)控制機(jī)械手兩種。 現(xiàn)代機(jī) 械手的研究始于 20 世紀(jì)中期，隨著計算機(jī) 技術(shù)的發(fā)展，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進(jìn)展， 也 為機(jī)械手 的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 1978年美國 Unima公司與斯坦福大學(xué)、 麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 UnimateVicarm型工業(yè)機(jī)械手， 通過 小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于177。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機(jī)械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。 (4)機(jī)電一體化 由“可編程控制器 — 傳 感器 — 液壓元件”組成的典型控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù) 發(fā)展的重要方向 ， 發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制” 。 總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展 ，機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高，更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從 根本 上 改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度尚可 ，常用于搬運(yùn)作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 (4)齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪 旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。 為了減輕機(jī)械手腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器采用分離傳動。 考慮到機(jī)械手的優(yōu)化，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(yùn)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)。目前在國外，也在 研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)械手手臂。 本設(shè)計按照工件的直徑為 50mm 來設(shè)計 ，結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式的手爪。 因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。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 且 介質(zhì)清潔，管道不易堵 ，不 存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題 。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(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。此外 ，氣源工作壓力較低，抓舉力較小， 因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。重負(fù)荷的任意點(diǎn)位控制的點(diǎn)焊 及搬運(yùn)機(jī)械手 一般 選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。氣源部分包括空氣壓縮機(jī)，儲氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過濾器等。為實(shí)現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點(diǎn)緩沖的氣缸。對于小流量的電磁氣閥，吸合關(guān)閉時間較小，停點(diǎn)的步長也要相應(yīng)縮短。 7． 機(jī)械手平衡裝置的選擇 通常，機(jī)械手所采用的平衡機(jī)構(gòu)主要有以下幾種： (1)配重平衡機(jī)構(gòu) 這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。當(dāng)活塞運(yùn)動到行程末端，由于排氣不暢而形成較大背壓， 可起到氣緩沖作用，這種結(jié)構(gòu)稱為不可調(diào)氣緩沖氣缸。 當(dāng)軸心受外力沖擊將帶動活塞擠壓內(nèi)管 的 液壓油，液壓油受壓后將由內(nèi)管 的 排油孔一一排出，同時 經(jīng) 內(nèi)管排出 的 液壓油也由內(nèi)管 的 回油孔回流 到內(nèi)管；當(dāng)外力消失時，彈簧將活塞彈回始點(diǎn)等待下次的動作。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –18– 三、手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 （一） 手指 結(jié)構(gòu) 的設(shè)計 1．手指的形狀和分類 由于本次設(shè)計的沖床工件為圓柱形，所以機(jī)械手選擇夾持式結(jié)構(gòu)。手指的開閉角應(yīng)保證工件 能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。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 : 212i 4 FFPDF ??? ? 式中 : iF 活塞桿上的推力， N 1F 彈簧反作用力， N 2F 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 : )1( sGF ft ?? 41318f GdG Dn? 式中 : fG 彈簧剛度， /Nm i 彈簧預(yù)壓縮量， m s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， .m n 彈簧有效圈數(shù) ， G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率 ?的影響， 則 : 12i 4 FpDF ?? ?? 多工位沖床專用機(jī)械手及送料機(jī)構(gòu) 設(shè)計 –21– 由以上分析得單向作用氣缸的直徑 : ??p FtFD )(4 1 ?? 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 4 9 3 413 3 31 7 9 . 4 1 0 ( 3 . 5 1 0 ) 3 6 7 7 . 4 68 8 ( 3 0 1 0 ) 1 5f GdGNDn??? ? ?? ? ?? ? ? )i(i sGF f ?? 6 773? ???? 所以 : 1 64 ( ) 4 ( 4 9 0 2 2 0 . 6 ) 6 5 . 2 30 . 5 1 0iFFD m mpm??? ??? ? ??? 查有關(guān)手冊 整 圓，得 mmD 65? 由 ??Dd ,可得活塞桿直徑 : mmDd )( ???? 整 圓后，取活塞桿直徑 mmd 18? 校核，按公式 ][)4//( 21 ?? ?dF 有 : ])[/14( ??Fd ? 其中， [? ] MPa120? ， NF 7501 ? 則 : )120/4904( ??? ?d ?? 滿足實(shí)際設(shè)計要求。當(dāng)機(jī)械手經(jīng)減速運(yùn)行到終點(diǎn)時，緊靠擋塊而定位。 2． 定位速度 定位速度對定位精度影響很大。因此，設(shè)計時不僅 要減小運(yùn)動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。內(nèi)緩沖形式有油缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。 設(shè)計油缸端部恒節(jié)流緩沖裝 置時 ， amax（最大加速度）、 Pmax（緩沖腔最大沖擊壓力）和 Vr（殘余速度）三個參數(shù)是受工作條件限制的。 圖 機(jī)械手氣壓傳動系統(tǒng)原理圖 為簡化氣路，減少電磁 閥 的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩 沖器，這樣可以省去電磁閥和 行程節(jié)流