【文章內容簡介】 、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， ，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。 / s 。最大回轉速度設計為90o / s 。平均移動 速度為 / s 。平均回轉速度為 60o / s 。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1400mm 。手臂升降行程定為120mm 。定位精度也是基本參數之一。 該機械手的定位精度為 177。1mm 。 機械手的技術參數列表 一、用途: 用于自動輸送線的上下料。二、設計技術參數:抓重5kg 自由度數4個自由度座標型式 圓柱座標最大工作半徑1400mm手臂最大中心高1250mm手臂運動參數伸縮行程1200mm 伸縮速度 400mm / s 升降行程120mm 升降速度 250mm / s回轉范圍 0o 180o回轉速度 90o / s手腕運動參數回轉范圍0o 180o回轉速度 90o / s手指夾持范圍棒料:f80mm f150mm定位方式行程開關或可調機械擋塊等定位精度177。1mm1驅動方式 氣壓傳動1控制方式 點位程序控制(采用PLC)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。(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，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 2J = 120o ， b = 120mm R = 24mm ,摩擦系數為 f(1)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為:= p = 2b NR(2)根據手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式:N = (q j )= 180。 5 180。 tg(60o 5o 4239。 )= 25(N )所以p = 2b NR= 245(N )(3)實際驅動力:p 179。 p K1 K 2實際 hI,因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取h = ，并取 K1 = 。若被抓取工件的最大加a速度取 a = 3g 時，則: K 2 = 1 + = 4g所以 p實際= 245 180。 180。 4 = 1563( N )所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為1563N 。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:pD 2 PF1 = Ft Fz4式中:F1 活塞桿上的推力，NFt 彈簧反作用力，NFz 氣缸工作時的總阻力，NP 氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算:Ft = G f (1 + s)=G4Gd1f 3Gf =D1 n1Gd 418D 3 n式中: G f 彈簧剛度，N/m1 彈簧預壓縮量，ms 活塞行程，md1 彈簧鋼絲直徑，mD1 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 G = 180。109 Pa在設計中，必須考慮負載率h 的影響，則:pD 2 phF1 = Ft4由以上分析得單向作用氣缸的直徑:D = 4(F1 + Ft)pph代入有關數據，可得Gd 4 93 41 180。10180。 ( 180。10 )G f ==18D 3 n8 180。 (30 180。103 )3180。15= ( N / m)Ft = G f (1 + s)= 180。 60 180。103= (N )所以: D =4(F1 + Ft) =ppn4 180。 (490 + 220 .6)p 180。 180。10 6= (mm)查有關手冊圓整，得 D = 65mm由 d / D = ,可得活塞桿直徑: d = ( )D = 13 圓整后，取活塞桿直徑 d = 18mm 校核，按公式 F1/(p / 4d 2 ) 163。 [s ]有: d 179。 (4F1 / p [s ]) 其中，[s ] = 120MPa， F1 = 750 N則: d 179。 (4 180。 490 / p 180。120 ) = 163。 18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:d = DPp / 2[s ]式中:6 缸筒壁厚，mmD 氣缸內徑，mmPp 實驗壓力，取 Pp= , Pa材料為:ZL3,[s ]=3MPa代入己知數據，則壁厚為:d = DPp / 2[s ]= 65 180。 6 180。105 /(2 180。 3 180。106 )= (mm)取 d = ，則缸筒外徑為: D1 = 65 + 180。 2 = 80(mm)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