【文章內(nèi)容簡介】 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，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，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)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。本課題將要完成的主要任務(wù)如下:(1)機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面相對較廣.(2)選取機械手的座標型式和自由度(3)設(shè)計出機械手的各執(zhí)行機構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。為了使通用性更強，手部設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。(4)氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計本課題將設(shè)計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設(shè)計，并繪出氣動原理圖。(5)對氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的參數(shù)化繪制進行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質(zhì)量。(6)機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計本機械手擬采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。2 機械手的設(shè)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(yīng)、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(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)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(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求。盡量選用定型的標準組件，簡化設(shè)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(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。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(guān)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(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應(yīng)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(gòu)，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(jié)構(gòu)方案設(shè)計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)方案設(shè)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(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)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(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)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(xiàn)。 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)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(shè)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(xiàn)，非常方便快捷。 機械手的主要參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為5公斤。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)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(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設(shè)計為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。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(guān)，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(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設(shè)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(jù)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。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。 機械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途:用于自動輸送線的上下料。二、設(shè)計技術(shù)參數(shù):抓重:自由度數(shù):4個自由度座標型式:圓柱座標最大工作半徑:手臂最大中心高:手臂運動參數(shù): 伸縮行程 伸縮速度 升降行程 升降速度 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 手腕運動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度手指夾持范圍:棒料:定位方式:行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等定位精度:1驅(qū)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 3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu). 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)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(nèi)卡式(或內(nèi)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(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指。同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(yīng)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(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。(二)手指間應(yīng)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(yīng)保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)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(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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(chǎn)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(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。(五)考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。手部驅(qū)動力計算本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)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，,摩擦系數(shù)為(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:所以 (3)實際驅(qū)動力: I,因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則:所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)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:式中: 活塞桿上的推力，N 彈簧反作用力，N 氣缸工作時的總阻力，N 氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算:Gf = 式中: 彈簧剛度，N/m 彈簧預(yù)壓縮量，m 活塞行程，m 彈簧鋼絲直徑，m 彈簧平均直徑，. 彈簧有效圈數(shù). 彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計中，必須考慮負載率的影響，則:由以上分析得單向作用氣缸的直徑:代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以:查有關(guān)手冊圓整，得由,可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式有:其中，[]，則:滿足實際設(shè)計要求。3,缸筒壁厚的設(shè)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(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:式中:6 缸筒壁厚，mm 氣缸內(nèi)徑，mm 實驗壓力，取, Pa材料為:ZL3,[]=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:取，則缸筒外徑為:4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)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(diào)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(yīng)復(fù)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(guān)。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(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴格的密封。4. 2手腕的驅(qū)動力矩的計算手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手