【文章內容簡介】 設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾 放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、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定位等特性。設計氣動機械手的原則是 :充分分析作業(yè)對象 (工件 )的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件 。明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求 。盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現柔性轉換和編程控制 .本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動強度大和操 作單調頻繁的生產場合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 11 圖 21 機械手的運動示意圖 Sketch Map of the Motion of Manipulator 機械手的手部結構方案設計 12 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部 。當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 機械手的手腕結構方案設計 考慮到機械手的通用性，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，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。 機械手的手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右 回轉和 降 (或俯仰 )運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來 實現的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現。 機械手的驅動方案設計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。 機械手的控制方案設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變 PLC程序即可實現，非常方便快捷。 機械手的主要參數 ，由于是采用氣動方式驅動，因此考慮抓取的物體不應該太重 ，查閱相關機械手的設計參數，結合工業(yè)生產的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為 5公斤 。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。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。該機械手最大移動速度設計為 sm/ 。 最大回轉速度設計為 s/90? 。平均移動速度為 sm/ 。 平均回轉速度為 s/60? 。 機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數還有伸縮行程和工作半徑。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。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為 600mm,最大工作半徑約為 mm1400 。 手臂升降行程定為 mm120 。 定位精度也是基本參數之一。該機械手的定位精度為 mm1? 。 機械手的技術參數列表 一、用途 : 用于自動輸送線的上下料。 13 二、設計技術參數 : 抓重 kg5 自由度數 4個自由度 座標型式 圓柱座標 最大工作半徑 mm1400 手臂最大中心高 mm1250 手臂運動參數 伸縮行程 mm1200 伸縮速度 smm/400 升降行程 mm120 升降速度 smm/250 回轉范圍 ?? 1800 ? 回轉速度 s/90? 手腕運動參數 回轉范圍 ?? 1800 ? 回轉速度 s/90? 手指夾持范圍 棒料 : mmmm 15080 ?? ? 定位方式 行程開關或可調機械擋塊等 定位精度 mm1? 1 驅動方式 氣壓傳動 1控制方式 點位程序控制 (采用 PLC) 14 圖 26 ‘ 機械手的工作范圍 Work Range of Manipulator 第三章 手部結構設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部 :如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結構， 夾持式手部結構由手指 (或手爪 )和傳力機構所組 成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 夾持式是最常見的一種，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卡式 (或內漲式 )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型，二支點回轉型和移動型 (或稱直進型 )，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指 。同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡 單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 問題 (一 )具有足夠的握力 (即夾緊力 ) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣 15 性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 (二 )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。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。對于移動型手指只 有開閉幅度的要求。 (三 )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，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“ V”形面的手指，以便自動定心。 (四 )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產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。 (五 )考慮被抓取對象的要求 根據機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手 的手部結構是一支點 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成 V型，其結構如附圖所示。 手部驅動力計算 本課題氣動機械手的手部結構如圖 32所示， 16 圖 32 齒輪齒條式手部 Gear Wheel Hand 其工件重量 G=5公斤， V形手指的角度 ?1202 ?? ， mmRmmb 24120 ??? ,摩擦系數為 ?f (1)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為 : Rbp 2? N (2)根據手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式 : )( ?? ?? tgN )(25 )42560(39。N tg? ?????? 所以 Rbp 2? N )(245 N? (3)實際驅動力 : ? 21KKpp ?實際 I,因為傳力機 構為齒輪齒條傳動，故取 ?? ，并取 ?K 。 若被抓取工件的最大加速度取 ga 3? 時，則 : 412 ??? gaK 所以 )( Np ????實際 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為 N1563 。 氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據力平衡原理，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 : zt FFPDF ??? 421 ? 式中 : 1F 活塞桿上的推力， N tF 彈簧反作用力， N zF 氣缸工作時的總阻力 ， N P 氣缸工作壓力， Pa 17 彈簧反作用按下式計算 : )1( sGF ft ?? nDGdGf 3141? Gf =nDGd31418 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預壓縮量， m s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， . n 彈簧有效圈數 . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設計中，必須考慮負載率 ? 的影響，則 : tFpDF ?? 421 ?? 由以上分析得單向作用氣缸的直徑 : ??p FtFD )(4 1 ?? 代入有關數據，可得 ?fG nDGd31418? 4333915)1030(8 )( ??? ??? ?? )/( mN? )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 所以 : ?DpnFtF? )1(4 ?? )(4 ?? ??? )( mm? 18 查有關手冊圓整，得 mmD 65? 由 ??Dd ,可得活塞桿直徑 : mmDd )( ???? 圓整后，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 實際 設計要求 。 3,缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算 : ][2/ ?? pDP? 式中 :6 缸筒壁厚， mm D 氣缸內徑， mm pP 實驗壓力，取 PPp ? , Pa 材料為 :ZL3,[? ]=3MPa 代入己知數據，則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )( )1032/(1066565mm? ????? 取 ?? ，則缸筒外徑為 : )( mmD ???? 第四章 手腕結構設計 考慮到機械手的通用性，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，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動 作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞 x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實 19 現手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉油 (氣 )缸，因此我們選用回轉氣缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于 ?360 ，并且要求嚴格的密封。 4. 2手腕的驅動力矩的計算 需 的驅動力矩 手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服 手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋