【文章內(nèi)容簡介】 各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據(jù)不同物料的夾緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的運動機構和夾緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。本機械手是針對故抓取鋸片實現(xiàn)鋸片的上料和下料的專用機械手，是將機械手與柔性制造系統(tǒng)和柔性制作單元相結合，使機械能與鋸片磨床系統(tǒng)相結合或與加工中心系統(tǒng)相結合，此機械手為典型的抓取薄片大面積的機械手，同類機械手在國內(nèi)和國外都已有生產(chǎn)，但是多數(shù)同類機械手為通用機械手，價格較昂貴，結構復制，自由度大，但是針對中小型企業(yè)，企業(yè)人員在機械手的選型時考慮機械手要完成基本的功能的同時還極力追求在機械手價格低廉，故設計一只針對鋸片磨床機械手在鋸片生產(chǎn)行業(yè)是很有前景的。同時對國內(nèi)機械手市場也起到了促進的作用。以下結機械手由構：執(zhí)行機構——驅動傳動機構——控制系統(tǒng)——智能系統(tǒng)四部分組成。機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是第一類通用機械手，國外稱為機器人。本課題所做的機械手是屬于第三類機械手。隨著科學技術的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實例。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應用。在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：應用機械手有利于實現(xiàn)物料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 改善勞動條件，避免人身事故在高溫、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，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，機械手以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。由上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。2 機械手總體設計鋸片磨床機械手所要達到的功能：所設計的機械手是鋸片在鋸片磨床上或加工中心上加工時，完成鋸片的上料和下料。：鋸片的尺寸（直徑250mm500mm），厚4mm 材料：合金鋼 鋸片示意圖：本機械手設計以加工中心工作臺尺寸為設計依據(jù)，該機械手設計成可拆卸式，即可安裝在加工中心上，也可安裝在鋸片磨床等其他類似尺寸的機床實現(xiàn)鋸片的上下料加工中心工作臺示意圖如下圖所示：實地調(diào)查加工中心工作臺，其四個角落都可安裝機械手，機械手總體高度在850mm，砂輪離鋸片夾具的空間在50mm左右，即設計機械手時上下移動量要控制在30mm左右。鋸片夾具體離可安裝機械手的位置范圍在800mm左右。（1）方案一：考慮用一只機械手安裝在加工中心工作臺，靠前門位置的左或右角落。以靠門右角落為例，機械手要完成取料搬運下料返回（等待加工完成）空運轉取料搬運下料返回。等待時間及空運轉降低了工作效率，將鋸片分成三個區(qū)：未加工的鋸片放入毛坯區(qū)，正在加工的鋸片的工作區(qū)稱為工作區(qū)，已加工的鋸片放入已加工區(qū)。若將三個區(qū)從左往右安排如圖所示，此設置直觀，不妨礙人員觀察檢驗工作情況，但一只機械手的行程就加長，整個送料過程穩(wěn)定性要求高，所驅動的手臂也過長，手臂要走很長的直線路程，即要設計成直角坐標型如圖，驅動所需的力及驅動方式都將變得困難。（2）方案二：考慮到上述方案中，機械手手臂過長的問題，將機械手設計成圓柱坐標型。其手臂長度不變。鋸片的三個區(qū)分布在以機械手安裝的位置為中心，手臂為半徑的弧線上如圖所示：注：工作臺可以左右前后移動。這種設計雖然解決了機械手的行程過長的問題，整只機械手占據(jù)空間范圍小，但是鋸片的已加工區(qū)分布在靠門位置，不利于人員觀察，一只機械手即要完成（毛坯區(qū)）上料（工作區(qū)）下料（空運轉至毛坯區(qū)）等待（空運轉至工作區(qū)）上料（已加工區(qū)）下料，機械手路程來回復雜，機械手位置精度要求變高所驅動各種運動的驅動部件變多，控制方式也將變的復雜。（3）方案三：考慮到上述兩個方案的利弊，我們考慮用兩只機械手分布在加工中心兩個角落，一只機械手負責上料，另一只機械手負責下料，機械手分工明確。兩只機械手都分別安裝在工作臺后部的左角落和右角落。鋸片的三個區(qū)分部在工件臺中心如圖所示，上料機械手要完成（毛坯區(qū)）上料（運載鋸片）回轉（工作區(qū)）下料空載返回。下料機械手要完成空載回轉（工作區(qū)）取料（運載鋸片）回轉（已加工區(qū)）下料為使機械手提高效率，上料機械手收到下料手取物料時的信號就啟動，兩只機械手時間相互嵌套，降低總運行時間。第三個方案兩只機械手分工明確，每只機械手都有上料與下料的過程，兩只機械手可以做成相同的機械本體，只要對機械手驅動過程的控制進行變化，就會產(chǎn)生不同的效果。本機械手采用PCL對機械手的控制系統(tǒng)進行設計，編寫相應的控制程序實現(xiàn)機械手相應的功能。對比各個方案，采用方案三。最終確定鋸片磨床機械手的總體方案：采用圓柱坐標機器人結構。這種構造比較簡單，精度一般，適于搬運作業(yè)，機構簡圖。采用兩個自由度（Z軸上下，θ回轉）即能達到要求，結構簡單，緊湊，易驅動控制。 機械手所要到達的性能參數(shù)： 最大負荷重量60N 回轉速度 ω=30176。/s θ軸最大運動范圍60176。 Z軸最大運動范圍30mm 自由度：2個自由度3 鋸片磨床機械手機械本體設計 末端執(zhí)行器的結構設計機械手末端的執(zhí)行器是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設計的。本機械手要抓取直徑為250mm500mm，厚度4mm，重為60N的鋸片盤。為抓取鋸片，末端執(zhí)行器提出三個方案。方案一：夾鉗式取料夾鉗式取料通過手指的開合動作實現(xiàn)對物體的夾持。手指是直接與工件接觸的部件。手部的取料和卸料就是通過手指的開張與閉合實現(xiàn)的。若用夾鉗式取料手抓取直徑250mm500mm的重為60N的鋸片盤。夾鉗手指張開范圍很大（如圖所示），夾鉗手指的開合范圍必定要選取可調(diào)裝置，由于鋸片是圓盤形狀，用兩個夾鉗手指取圓盤時，必定重心不穩(wěn)，即要設計三個手指均勻分布，取料與卸料才可靠。三個手指同時開合，增加了驅動的難度，設計三個手指增加了末端執(zhí)行器的復雜程度。三個手指的末端執(zhí)行器還要設計可調(diào)裝置，此手爪結構復雜。因此，若要用夾鉗式取料手取鋸片圓盤，要設計開合范圍在120度 的手指，設計三個開合手指保證取料可靠。所需夾緊力為：，Q：被加持物體的重量；f：手指接觸面的摩擦系數(shù)。在計算手爪驅動力 時，除了要考慮被夾持的重力外，還要考慮夾持物在運動中產(chǎn)生慣性力、振動等因素。實際上的驅動力為：，其中：:安全系數(shù)，一般?。?工作條件系數(shù)，一般??；F：理論驅動力；η：手爪傳動機構的傳動效率，~。三個取料手指的長度L＞3250，取料手指的重量太重，驅動手手指開合難度加大，手指是向下懸空，取料時，抓取物體，除了要抓取物體，還要克服自身手指的重力。所以夾鉗式取料手的方案不合適。方案二：磁吸式吸附手磁吸式吸附手是用接通和切斷電磁鐵電流的方法來吸，放具有磁性的物體。吸取鋸片圓盤時，為使鋸片在運送中可靠，選取三個電磁吸盤吸住鋸片。電磁吸盤可以吸取不同直徑規(guī)格的圓盤，只要求得吸取圓盤所需的電磁吸力即可，選用公式，以提取最大負荷重量60N計算得所需的吸力。若直徑小500mm的圓盤，其重量也小于60N。在吸取其他規(guī)格的鋸片時吸力有剩余，吸盤可能會吸附其他金屬材料的東西。若吸力剩余量又可以吸附一個鋸片盤，那么一次吸附就吸附了兩個鋸片。吸物取料時，鋸片毛坯盤是一個疊放在未加工區(qū)，磁吸式取料手吸力控制不好，就會引起一次吸取物料會吸取多盤鋸片毛坯。卸料時，磁吸式取料手從加工區(qū)域將一盤已加工的鋸片吸取放入已加工區(qū)，若吸力剩余較多，還未將鋸片卸下，其他已加工好的鋸片都會從已加工區(qū)下方，吸到機械手。由于鋸片的尺寸規(guī)格在變，對于吸力的控制比較難，所以選取磁吸式取料手的方案也是不合適的。方案三：氣吸式吸附手氣吸式吸附手是由吸盤，吸盤架及氣路系統(tǒng)組成。氣吸式吸附機械手的原理是：當吸盤內(nèi)抽成負壓時，吸盤外部的大氣壓力將把吸盤靜靜地壓在被吸物體上。吸盤的吸力是由吸盤皮碗的內(nèi)、外壓力造成的。應用氣吸式吸附手的特點是：鋸片的端面有略微的內(nèi)凹，鋸片的重量屬于輕型物料，采用橡膠材料的吸盤，通過橡膠的緩沖壓力壓向鋸片端面，能迅速使吸盤內(nèi)腔與鋸片端面形成封閉空間，一旦形成密閉空間后，對吸盤進行抽氣，使吸盤內(nèi)腔達到所需的負壓，提起物料。這種方法即簡單又方便。通過試驗，選取橡膠吸盤吸取略帶內(nèi)凹的端面能形成密封空間，采用三個50mm直徑的吸盤足以提起60N的鋸片，通過計算驗證所選吸盤的可靠性。要吸取直徑為250mm500mm，厚4mm的鋸片圓盤（中間有直徑50mm 孔作為磨床上磨削定位孔）。為使60N的鋸片在運送中可靠，初選三個直徑為50的吸盤。吸盤的吸力公式為,吸盤的吸力F要大于被吸附物體的重力。選吸盤吸力F＞60N,F取70N。其中：大氣壓力 P：內(nèi)腔壓力 :安全系數(shù)，一般取；:工作條件系數(shù)，一般?。?姿態(tài)系數(shù)，當吸附表面處于水平位置時??；S：吸盤負壓腔再工件表面積上的吸附面積吸物時，吸盤內(nèi)要產(chǎn)生負壓。負壓的產(chǎn)生方法有：（1）擠壓排氣式吸盤。該種方式是靠外力將吸盤皮碗壓向被吸物體表面，吸盤內(nèi)腔空氣被擠壓出去，形成吸盤內(nèi)腔負壓，吸盤從而吸住物體。這種方式形成吸力不大，而且不可靠。這種吸盤適用于日常生活中的吸盤掛鈞，靠力將吸盤吸在瓷磚上，但對于我們機械手的末端執(zhí)行器，吸取鋸片一定要可靠，而且這種吸盤要靠外力控制，鋸片規(guī)格很多，重量不等，設置及控制較困難。（2）真空泵排氣式吸盤。真空排氣吸盤是利用真空泵將盤內(nèi)空氣抽出，形成吸盤內(nèi)腔負壓，吸盤吸住物體。當控制閥將與大氣連通時，吸盤失去吸力，被吸附物體靠自重，脫離吸盤。所以若選取真空泵排氣式吸盤，就要在洗盤外連接一個真空泵，這個真空泵的作用就是將吸盤內(nèi)空氣抽出，使盤內(nèi)真空度達到所需的真空度。由于選取三個吸盤吸取鋸片時所需的真空度達 真空度以絕對壓力P表示 真空度=大氣壓力絕對壓力 負壓為 （kg），吸盤直徑約為50mm，數(shù)量為三個。（3）氣流負壓式：工作原理為控制閥將來自氣泵的壓縮空氣接通至噴嘴，壓縮空氣通過噴嘴形成高速射流，吸盤腔內(nèi)的空氣被帶走形成負壓，吸盤吸住物體，雖然這樣方式真空度很高，吸物很可靠，但是價格昂貴，設計時要考慮經(jīng)濟性，初步確定末端執(zhí)行器：真空泵排氣式吸附手。原理圖如下圖所示：將三個吸盤接同一管路，當取物料時，真空泵抽氣時三個吸盤內(nèi)同時形成負壓。在物料運送過程中真空泵達到極限壓力，這樣就不須要安裝保壓閥。在物料的取料過程中，一種方法是將真空泵放氣，使吸盤腔內(nèi)的氣壓值達到與大氣壓一致時，物料就由自身重力作用卸下。另一種方法是為使吸盤內(nèi)的大氣壓值與大氣壓一致，可以在吸盤與真空泵的連接處設計一個開口裝置在下料過程中，將這個裝置開口使管內(nèi)與管外連通，這樣吸盤內(nèi)也就有與外界同樣的大氣壓。這個裝置由控制系統(tǒng)控制，當機械手在進行上料與運送過程中，這個裝置一直是關著的，沒有與大氣相連。當接到下料的信號時，這個裝置打開與大氣相連，使物料卸下，其安裝位置如圖所示由于真空泵選型要根據(jù)吸盤所達到的真空度，真空泵的價格相對較高，并且考慮到我們設計所需的真空度并不高，利用真空泵不經(jīng)濟，設計一種的裝置用活塞對密閉容器抽氣達到所需真空度，這種設計經(jīng)濟，結構簡單，能達到本機械手吸取鋸片的要求。原理圖為： 機械手手臂結構的設計機械手采用圓柱型坐標式結構，其簡圖如圖所示：機械手采用圓柱形坐標式結構，由于機械手手臂長800mm左右，手臂上下移動范圍僅30mm，若整只手臂上下移動如圖c，800mm長的手臂、物料重量，末端執(zhí)行機構的重量都需要驅動部件驅動，勢必增加該運動部件的負擔，圖a上下運動部件（移動副）更增加了回轉副部件的重量，圖a亦不合理。圖b上下移動副設置在手臂末端，其承擔僅物料和末端執(zhí)行機構的重量，結構簡單，方便可行。手臂部分長約800mm，為減輕機械手自身重量，采用直徑60mm，厚5mm的無縫鋼管。手臂末端移動副上下行程僅為30mm，采用行程為30mm的小型氣缸即可。 機械手腰座結構的設計由于機械手采用圓柱型坐標式結構，腰座是機械手第一個回轉關節(jié)，它承載了機械手的全部重量。腰座的設計要求:腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機械手工作穩(wěn)定，腰座要承載機械手全部重量和載荷并傳動轉矩，因此