【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量轉(zhuǎn)換，但大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 具體設(shè)計(jì)方案在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個(gè)因素，機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要一定的定位控制精度，因此采用氣壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著機(jī)床加工的工件的不同，通過(guò)程序?qū)ζ淇刂?，結(jié)合氣壓驅(qū)動(dòng)可增加其通用性。 機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)械手可以通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷，同時(shí)縮短啟動(dòng)時(shí)間。 平衡機(jī)構(gòu)的形式（1）配重平衡機(jī)構(gòu)西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)7這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。（2）彈簧平衡機(jī)構(gòu)彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。（3）活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)活塞式平衡系統(tǒng)分為兩種，一是液壓平衡系統(tǒng)，二是氣動(dòng)平衡系統(tǒng)。其中液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；而氣動(dòng)平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT(mén)的液壓或氣動(dòng)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價(jià)高，設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場(chǎng)合。 具體設(shè)計(jì)方案因?yàn)楸緳C(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問(wèn)題，通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。 因?yàn)闄C(jī)械手設(shè)計(jì)為圓柱坐標(biāo)形式，且具有 4 個(gè)自由度，一個(gè)為腰座的轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)為手臂的移動(dòng)和手部的抓取。同時(shí)考慮機(jī)械手的工作環(huán)境和載荷對(duì)其布局和定位精度的要求，以及計(jì)算機(jī)的控制的因素，機(jī)械手的腰座的轉(zhuǎn)動(dòng)、水平伸縮手臂、垂直升降手臂、手部抓取都采用單活塞桿液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)83 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手爪是用來(lái)進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運(yùn)用、加工用、測(cè)量用等。搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置，用來(lái)抓取或吸附被搬運(yùn)的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)械手附加裝置，用來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)；測(cè)量用手爪是裝有測(cè)量頭或傳感器的附加裝置，用來(lái)進(jìn)行測(cè)量及檢驗(yàn)作業(yè)。對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(yùn)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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)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(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求；盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是沖床氣動(dòng)上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。該機(jī)械手主要應(yīng)用于棒料的拾取，故采用齒輪齒條夾持式，當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒輪和齒條的嚙合推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)。西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)9 手指的形狀?yuàn)A持式中常用的有兩指式、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)卡式和外夾式兩種，用于模仿人手手指的動(dòng)作，該種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。鑒于本文的機(jī)械手的用途，選擇兩指夾持式。 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題(1)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。(2)手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)。(3)保證工件準(zhǔn)確定位使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置。(4)具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，應(yīng)當(dāng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算該動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，其工件重量 ， “V”形手指KgG50?的角度 176。， ， ,摩擦系數(shù)為 。2?10?mb2R24?西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)10圖 31 齒輪齒條式手部(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: （3NRbP2?1）(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式: )(????Gtg ???N504260. `???所以： )(92NRbP?(3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: (32)?21K?實(shí) 際取 = ，并取 =。?1K若被抓取工件的最大加速度取 a=g 時(shí)，則:西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)11 212??gaK所以： ????實(shí) 際所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)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(shí)的總阻力，其公式為: （3ztFpDF??421?3）式中: 活塞桿上的推力，1FN彈簧反作用力，t氣缸工作時(shí)的總阻力，z——?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ?PaP彈簧反作用按下式計(jì)算: （3??SlCFft??4） （3nDGdf31485） （312dt??6）式中: 彈簧剛度，fCmNL 彈簧預(yù)壓縮量，西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)12S 活塞行程， md 彈簧鋼絲直徑，1D 彈簧平均直徑，tD 彈簧外徑，1 彈簧失效率?n 彈簧有效圈數(shù)G 彈簧材料剪切模量，一般取 ，??在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載的影響，則: tFpD??421??由以上分析代入公式得單向作用氣缸的直徑: ??pDt????????1由公式（35）代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得： nGdCf3148 ??????15038/105..79343????? mN/63 ??SlCFft? ??? )(62N所以： ??pFDt????????14 ??????2/./??西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)13 )(?查有關(guān)手冊(cè)圓整，得 D由 ，??d ??).02(??圓整后，取活塞桿直徑 ，??m18?校核，按公式 ?????24/dFt有: ??2/1t?其中 , F???MPa120?tN90?則:(4 490/ 120)d???2/1 28.??滿足設(shè)計(jì)要求，則取氣缸直徑為 。m65 缸筒壁厚的設(shè)計(jì)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(jì)算: (37)????2/PD?式中: 缸筒壁厚，?m氣缸內(nèi)徑，D實(shí)驗(yàn)壓力，取 = Pa。PP5106?材料為 : ZL3,[ ] ?Ma3?代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: ????2/PD = ??36510106???= .)(m西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)14查設(shè)計(jì)手冊(cè)，取 = ，則缸筒外徑為: 。? ???4 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)是通過(guò)齒輪與齒條的嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)，升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱升降來(lái)實(shí)現(xiàn)的，手臂的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)15氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。 手臂伸縮 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂的伸縮是直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用的是氣壓驅(qū)動(dòng)的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時(shí) ， 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在本機(jī)械手中，采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 導(dǎo)向裝置氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。目前常采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿等，在本機(jī)械手中采用單導(dǎo)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算手臂作水平伸縮時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力: 圖 41 手嘴伸出時(shí)的受力狀態(tài)西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)16圖 4 1 所示為活塞氣缸驅(qū)動(dòng)手臂前伸時(shí)的示意圖。在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅(qū)動(dòng)力和壓力之間的關(guān)系式不一樣。當(dāng)壓力油(或壓縮空氣)輸入工作腔時(shí)，驅(qū)使手臂前伸(或縮回)，其驅(qū)動(dòng)力應(yīng)克服手臂在前伸(或縮回)起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力，手臂運(yùn)動(dòng)件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力，因此，驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為: （414321PP??）式中: 手伶在起動(dòng)過(guò)程中的慣性力,1PN摩擦阻力 (包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力) ,2 N密封裝置處的摩擦阻力 ，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻3力不同；氣缸非工作腔壓力 (即背壓 )所造成的阻力 ，若非工作腔與油箱4PN或大氣相連時(shí)，則 。04? 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)如附圖所示。手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱 、升降缸活塞桿 、升降缸體 、立柱回轉(zhuǎn)缸等組成。其中立柱回轉(zhuǎn)缸有兩個(gè)活塞，分別裝在帶齒條的活塞桿兩頭，齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)立柱上的齒輪旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)立柱的旋轉(zhuǎn)。 手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算根據(jù)手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力公式: + （42fF?tm??）其中，由于手臂運(yùn)動(dòng)從靜止開(kāi)始，所以 , 摩擦系數(shù):設(shè)計(jì)氣缸材料為 ZL3，活塞材料為 45 鋼，查有關(guān)手冊(cè)可知f=。手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、手臂回轉(zhuǎn)氣缸、夾緊氣缸、手爪及相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國(guó)煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠的《產(chǎn)品西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)17樣本》可估其質(zhì)量，同時(shí)測(cè)量設(shè)計(jì)的有關(guān)尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時(shí)其質(zhì)量為 70kg，放松物件后其質(zhì)量為 :S= 2則上料時(shí)： ??NFf ?? = + ftm?? = ?? )(140N?下料時(shí)： ??Ff 275.? = + ftm?? = 05./165273?? )(93N?考慮安全因素，應(yīng)乘以安全系數(shù) 則上料時(shí)，所需驅(qū)動(dòng)力: )(18501540NF??下料時(shí)，所需驅(qū)動(dòng)力: .93 氣缸的直徑根據(jù)雙作用氣缸的計(jì)算公式: