【正文】 設計油缸端部恒節(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。因此，設計時不僅 要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。當機械手經(jīng)減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。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。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。當活塞運動到行程末端，由于排氣不暢而形成較大背壓， 可起到氣緩沖作用，這種結構稱為不可調(diào)氣緩沖氣缸。對于小流量的電磁氣閥，吸合關閉時間較小，停點的步長也要相應縮短。氣源部分包括空氣壓縮機，儲氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過濾器等。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。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)及補充的問題 。 本設計按照工件的直徑為 50mm 來設計 ，結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。 考慮到機械手的優(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。 (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，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。這種機械手構造比較簡單，精度尚可 ，常用于搬運作業(yè)。 (4)機電一體化 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 發(fā)展的重要方向 ， 發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制液壓元件，使液壓技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制” 。 1978年美國 Unima公司與斯坦福大學、 麻省理工學院聯(lián)合研制一種 UnimateVicarm型工業(yè)機械手， 通過 小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于177。 (3)按控制方式分，機械手可分為點位控制機械手和連續(xù)控制機械手兩種。 通用機械手是 一種具有獨立控制與驅動系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手， 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。 立柱是支撐 手臂的部件，它也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降 (或俯仰 )運動均與立柱有密切的聯(lián)系。 所以， 有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”，它 可以提高生產(chǎn)的自動化水平和 勞動生產(chǎn)率 ，也 可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(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，它代替人進行正常的工作，意義更為重大 [1]。 遼 東 學 院 本 科 畢 業(yè) 論 文（設 計） 多工位沖床專用機械手及送料機構 設計 Design of special Manipulator and Feeding mechanism for multi station punch 遼 東 學 院 Eastern Liaoning University 獨創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明：本畢業(yè)論文（設計）是我個人在指導教師指導下進行的研究工作及取得研究成果。 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力 量 大的特點 。 （二）機械手的組成和分類 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 組成。機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。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(chǎn)品種的中小批量的自動化生多工位沖床專用機械手及送料機構 設計 –4– 產(chǎn)。 點位控制機械手的移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。 1mm。 節(jié)省配線的復合集成系統(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。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 (5)平行杠桿式手爪 這種手爪 采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。 多工位沖床專用機械手及送料機構 設計 –10– 3． 機械手的手臂結構方案設計 機械手手臂的作用是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機械手所要求 工作空間內(nèi)的運動。 通過驅動活塞往復移動，活塞桿端部齒條，中間齒條 及扇形齒條使手指張開或閉合。 阻力損失和泄漏較小。 設計 機械手時，驅動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機械手的用途、作業(yè)要求、 性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功 耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。如果沒有壓縮空氣站，可以按機械手及 其 配套的其他氣動設備 的 需要 ， 配置相應供氣量的氣源設備。因此對機械手一個單自由度而言，停點數(shù)目最多 69個， 為增加定位點數(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。 但對于 運動件質(zhì)量大、運動速度很高的氣缸，僅靠氣緩沖不能完全吸收過大的沖擊能 。該機械手最大移動速度設計為 ， 平均移動速度為 ， 除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程、橫移行程和升降。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 若定位前已減速，定位時驅動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復精度。 6． 驅動源 多工位沖床專用機械手及送料機構 設計 –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械手的重復定位精度。通常采用的辦法是先選定其中一個參數(shù)，然后校驗其余兩個參數(shù)。 在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。 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。 (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。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。 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。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。 (1)氣源 由 壓縮空氣站提供。 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]。 (3)氣動驅動系統(tǒng) 氣動驅動系統(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。 (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，驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。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。 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． 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運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖。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。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。此類機械手目前還不多，但很有發(fā)展前途。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。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。 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。 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 。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。 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 。各系統(tǒng)相互之間的關系如圖 所示。 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。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。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。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。 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運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖 。 本機械手采用的是連桿杠桿式手爪 。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。手指的最小開 度由加工工件的直徑來調(diào)節(jié) 。 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。在注意各類驅動系統(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。 (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。 (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。 (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。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。 (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。一般可高于177。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)油溫措施。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。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。 運動件重量的變化對定位精度影響較大。 （ 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。 2．設計時需注意的問題 (1)具有足夠的夾緊力 在確定手 指的夾緊力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 多工位沖床專用機械手及送料機構 設計 –17– 運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。 8． 機械手的緩沖方案設計 (1)采用氣緩沖氣缸 氣缸在行程末端的運動速度較大時，僅靠緩沖墊已不足以吸收活塞對端蓋的沖擊力，可