【文章內容簡介】 業(yè)設計 第 4 頁 業(yè)機械手的定位精度很低，更無法實現(xiàn)在任意位置的起停，只能靠氣缸兩個終點位置來實現(xiàn)定位，或者采用多位 氣缸，而多位氣缸的定位長度，也已經(jīng)由氣缸的行程確定，同樣無法實現(xiàn)機械手在任意位置的起停。如果要多加一個定位位置，或者是要改變預先確定的兩個定位位置之間的距離，則需要另外再設計一個多位氣缸，這樣就會導致氣缸的滑塊導向機構更加復雜。所以，早期的氣動工業(yè)機械手不能實現(xiàn)任意位置的定位，因此限制氣動工業(yè)機械手的發(fā)展。 研究意義 自動送、取料技術幾乎滲透到國民經(jīng)濟的各行各業(yè)，在許多發(fā)達國家，從作為支柱產業(yè)之一的汽車制造業(yè)到注塑業(yè)，化工業(yè)，鑄件業(yè)等等，直到航空航天、軍事兵器各個門類，都占據(jù)著相當重要的地位。隨著我國工業(yè)的 發(fā)展，在各種惡劣環(huán)境下、由于工藝的復雜化以及人性化生產要求，生產過程中的手工送、取原料和加工成型料，在生產中由于存在著效率、速度、精度、安全等方面的一系列問題，已逐步由自動送料、取料機構所取代，從而進一步滿足了生產自動化的要求，大幅度提高生產了效率、生產質量也達到保證。 本文是為 6135 柴油機油泵 凸輪 軸 加工自動線 而設計的 送料機械手。它綜合了普通機械手的技術又針對凸輪 軸的性狀特點，在充分發(fā)揮液壓控制的特點和基礎上，對 送 料機械手整體機械結構、傳動系統(tǒng)、驅動裝置和控制系統(tǒng)進行了分析和設計，提出了一套經(jīng)濟型設計方案 。采用球坐標機械結構形式，這種方式能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操作靈活性。傳動裝置的作用是將驅動元件的動力傳遞給機器人機械手相應的執(zhí)行機構，以實現(xiàn)各種必要的運動，在傳動方式上采用結構緊湊的活塞桿傳動。機械手驅動系統(tǒng)的設計往往受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時也要考慮價格因素的影響以及能夠達到的技術水平。在完成機械結構和驅動系統(tǒng)設計的基礎上，對物料抓取機械手運動學和動力學進行了分析。 遼寧科技大學本科 生 畢業(yè)設計 第 5 頁 2 總體設計方案的論證 機械手的總體設計 機械手的結構形式 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構、圓柱坐標結構，、球坐標結構、關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下。 1）直角坐標機器人結構 直角坐標機器人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 21a。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（ m? 級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。 直角坐標機器人的 工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。 2） 圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人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21b。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3） 球坐標機器人結構 球坐標機器人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 21c。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 4） 關節(jié)型機 器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖 21d。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(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器人。 關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 遼寧科技大學本科 生 畢業(yè)設計 第 6 頁 圖 四種機器人坐標形式 本次設計采用的方案 具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件為凸輪軸其形狀特殊，同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結構 ，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中需要 3 種運動 ,包括機械手的前后、升降、橫向移動，所以自由度數(shù)目取為 3，坐標形式選擇直角坐標、懸掛式。其優(yōu)點為： 1）多臂懸掛式的機械手對剛性聯(lián)結的自動生產線非常實用，可以在各工位間傳遞工件，各臂均懸掛在生產線上方的橫梁上，臂間距離和工位距離相等，手臂可同步地沿橫梁平移一個工位間距，把工件從一個工位移動到下一個工位，可以減少隨行夾具和其他裝置，提高自動化程度。 2）懸掛式機械手占地面積小，能有效的利用空間。 3）懸掛式機械手結構簡單，成本底。 該凸輪軸加工自動線上 的送料機械手采用液壓驅動， PLC 控制，其中采取液壓驅動有以下優(yōu)點： 1）壓力高，可實現(xiàn)較大的驅動力，且機構可以做的輕小，緊湊。 2）可實現(xiàn)無級變速，定位精度高，系統(tǒng)固有頻率小，壓力、容量調節(jié)容易。 3）重量小，慣性小，可以做到快速的變速和換向，控制容易，動作平穩(wěn)，滯后小。 主要技術參數(shù)的確定 機械手的主要技術參數(shù)包括抓重、自由度、定位精度、重復定位精度、工作范圍、最大速度及承載能力。 主要參數(shù)如下： 遼寧科技大學本科 生 畢業(yè)設計 第 7 頁 抓重： 3kg 自由度： 3 個 工作范圍： 前后移動： 1800mm 上下升降： 350mm 橫移：最大 50mm 驅動方式： 液壓驅動 控制方式： PLC 控制 定位方式： 機械擋塊 機械手的配置和工作原理 圖 送料機械手簡圖 該 凸輪軸 加工自動線上有五只送料 機械手，它們的結構完全相同，均能作前后移動、上下升降和橫移運動，送料機械手簡圖如 圖 所示。 前后移動、升降和橫移運動 ，其前后運動是同步動作的，由一個伸縮缸帶動，升降和橫移 是 由 各自的油缸帶動 。 自動線的各工序按照加工順序（ 右 向 左 ）依次排列的。如圖 所示 。 遼寧科技大學本科 生 畢業(yè)設計 第 8 頁 圖 油泵凸輪軸自動線機械手配置 該送料機械手的動作順序為： 原位 ——向后移動 ——下降 ——左移 （放料） ——上升 ——向前移動 ——右移 ——下降 （抓料） ——上升 ——原位。 遼寧科技大學本科 生 畢業(yè)設計 第 9 頁 3 送料機械手 的 結構設計及校核 送料機械手的總體 結構 送料機械手由幾個主要組成部分：（ 1）前后行走機構（帶滾輪的三角形支架）；（ 2）橫移油缸及其滾輪機構；（ 3）升降油缸；（ 4）手部支承板；（ 5）兩個夾持式手部；（ 6）定位手部；（ 7）定向塊 等組成。 送料機 機械手 的升降油缸和橫移油缸用螺栓聯(lián)接， 橫移油缸帶著滾輪（四個）被支撐在滾道上，滾道通過一個聯(lián)接板固定安裝在前后行走機構上，從而使兩部分結合起來。前后行走機構安裝在橫梁上，它由 6 個滾輪和三角形支架 組成 ，其滾輪安裝在懸掛支架橫梁的滾道上，使機械手成懸掛式。前后行走機構三角形支架與拉桿用螺紋聯(lián)接成一體，當機械手工作時 ， 由前后移動油缸的活塞桿，通過支架和拉桿（兩桿固定聯(lián)接）帶動 六只送料機械手的前后行走機構，同步 地 實現(xiàn)各工序間的前后移動，其行程為 1800mm。 送料機械手的升降和橫移運動是由其升降油缸和橫移油缸來實現(xiàn)的，以便將工件送到機床的頂尖處，在升降 油缸活塞桿的端部固定安裝著手部支撐板， 其上裝有兩對彈簧夾持式手部及彈簧式定位手部，以便加緊工件，并保證手部和凸輪外表面的相對位置。當機械手往機床主軸處安裝凸輪軸時，用定位塊保證定位用凸輪輪廓對稱面與機床主軸鉛垂線在同一平面內。 手部結構的設計 手部結構 的分類 手部機構是機械手直接用于抓取和握緊（或吸附）或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機械手前端。根據(jù)手部所抓持的工件的性狀、尺寸、重量、材料和表面狀況等的不同，手部具有多種結構形式。一般按按其握持工件的原理可分為夾持和吸附兩大類 。 夾持類常見的主要有夾鉗式、鉤托式、彈簧式。 手部按手指的運動形式可分為回轉型和平移型。回轉型有分為單支點和雙支點兩種?；剞D型手部多用于抓持圓柱形工件，平移型用于抓持方形工件。 手部設計應注意的問題 1）應具有足夠的的夾緊力 機械手的手部機構靠 手指 夾緊工件后便把工件從一個位置移動到另一個位置，由于工件本身的重量以及移動過程中產生的慣性和振動等， 手指 必須有足夠大的夾緊力才能 遼寧科技大學本科 生 畢業(yè)設計 第 10 頁 防止工件在移動過程中脫落，一般要求夾緊力 N 為工件重量的 23 倍。 2）應具有足夠的張開角 手指 為了抓取和松開工件，必須具有足夠大的張開角度 來適應較大的直徑范圍，而且夾持工件的中心位置變化要?。炊ㄎ徽`差要?。瑢τ谝苿邮?手指 要有足夠大的移動范圍。 3）應能保證工件的可靠定位 為了使 手指 和被夾持的工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取的工件的形狀，選用相應的 手指 形狀來定位。 4）應具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所受到的慣性力和振動的影響，要有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但盡量使結構盡量緊湊、重量輕，并使手部的重心在手腕的回轉軸上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。 5）應適應被抓取對象的要求 適應工作的形狀：工件的形狀為 方 形，可采用帶“ V”型口的手爪 ； 工件為圓柱狀，可選用圓弧形二指或三指爪，對于特殊形狀的工件應設計與工件相適應的手爪。 適應工件被抓取部位的尺寸：工件被抓取部位的尺寸可能是不變的，若加工尺寸略有變化，那么 手指 應能適應尺寸變化的要求。工件表面質量要求高的，對 手指 應采取相應的措施，如加軟墊等。 要適應工作位置的狀況：如工作位置較窄小可用薄片形 手指 。 6） 盡可能具有一定的通用性 手指 是 專用性較強的部件，為適應小批量多品種工件的不同形狀尺寸的要求，可制成組合式的手指。對于這種手指要求結構簡 單，安裝維修方便，更換迅速和準確，以便擴大機械手的應用范圍。 本次設計采用的手部結構 根據(jù)所要夾持的工件，本次設計選用 彈簧 式手部 ，其最大的特點就是結構簡單。 因工件較長，故選用雙手雙指式來夾持工件的兩端，其工作原理為：當機械手向下運動時，手指內側的斜面碰觸工件表面而使手指張開，工件進入手指上的圓弧面處，靠彈簧力 控制手指的張開和閉和。 手指和工件相接觸的部分，我們將之設計為圓弧狀，這是由于該機械夾緊手部所要 遼寧科技大學本科 生 畢業(yè)設計 第 11 頁 夾持的工件為圓柱形，可使工件與手指接觸更為緊密，減小運送過程中的振動，提高可靠性。為了保證凸輪軸的可靠定 位，在手部支撐板的中間裝有一個定位手部。 如圖 手部設計的計算 1）手部 夾緊力的計算 夾緊力必須克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 夾緊力的計算公式： FN ≥ K1K2K3G （ 31） 式中 K1 ——安全系數(shù)，通常取 ～ ； K2 —— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 K2 可近視按下式估算 K2 ＝ 1＋ga 其中 a—— 運載工件時重力方向的最大上升加速度； g —— 重力加速度， g≈ ； a＝響tvmax vmax——運載工件時重力方向的最大上升速度； t 響 ——系統(tǒng)達到最高速度的時間；根據(jù)設計參數(shù)選取，一般取 K3——方位系數(shù)，根據(jù)手指與 工件位置不同進行選定 G——被抓取工件所受重力（ N） 計算步驟： 取 K1= ， a=2 m/s2 則 K2=1＋ = 查表 22（出自參考文獻 [4]，以下查表相同）知 K3=5 已知 G=mg=3 = ∴ FN= 5 = 彈簧力 F 彈 的計算： 受力分析 遼寧科技大學本科 生 畢業(yè)設計 第 12 頁 圖 手部結構受力示意圖 FN