【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (采用 PLC) 18 圖 2 6機(jī)械手的工作范圍 Work Range of Manipulator 19 第三章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了使機(jī)械 手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工 件是棒料時(shí)，使用夾持式手部 :當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)。 手指的形狀和分類(lèi) 夾持式是最常見(jiàn)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(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型 (或稱(chēng)直進(jìn)型 )，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指 。同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮 長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 (一 )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。 (二 )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(chēng)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)，若夾持不同 直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。 (三 )保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)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(dòng)定心。 20 (四 )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，當(dāng)應(yīng)盡量 使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn) 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成 V 型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示 . 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖 32所示，其工件重量 G=10 公斤， “ V” 形手指的角度 2? =120176。 ， b=120mm， R=24mm,摩擦系數(shù)為 f= 。 圖 32 齒輪齒條式手部 Gear Wheel Hand 21 (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的 傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為 : NR2bP? (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式 : ? ? ? ?NtgG t gN )( ` ??????? ???? 所以： NR2bP? =490（ N） (3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 : ? 21KKPP ?實(shí)際 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取 ? = ，并取 1K =. 若被抓取工件的最大加速度取 a=g 時(shí)，則 : 212 ??? gaK 所以： ? ?NP ????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 1563N。 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 : 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(shí)的總阻力 ， N P—— 氣缸工作 壓力， Pa 彈簧反作用按下式計(jì)算 : 22 ? ?SlCF ft ?? nDGdCf 31418? 12 dDDt ?? 式中 : fC —— 彈簧剛度， N/m L—— 彈簧預(yù)壓縮量， m S—— 活塞行程， m d1 —— 彈簧鋼絲直徑， m Dt —— 彈簧平均直徑， m D2—— 彈 簧外徑， m n —— 彈 簧 有效 圈數(shù) G—— 彈簧 材料剪切模量，一般取 G= 1 護(hù) Pa 在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率幾的影響，則 : tFpDF ?? 421 ?? 由以上分析得單向作用氣缸的直徑 : ??p FFD t ???????? ??14 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 ： nDGdCf 31418? ? ? ? ?? ?? ?mN / 1510308/3439? ????????? 23 ? ?SlCF ft ?? 3? ???? 所以： ??p FFD t ???????? ??14 ? ? ? ?? ?? ? 2/16? ?????? ? 查有關(guān)手冊(cè)圓整，得 D=65 mm 由 d/D=～ ， 可得活塞桿直徑 :d=(～ )D=13～ mm 圓整后，取活塞桿直徑 d=18 mm 校核，按公式 ? ??? ?24/ dFt 有 : ? ?? ? 2/1/4 ??tFd ? 其中 ??? =120MPa, Ft =750N 則 :d ? (4?490/? ?120) 2/1 = ? 18 滿足設(shè)計(jì)要求。 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 : ? ??? 2/pDP? 式中 : 6—— 缸筒壁厚 mm D—— 氣缸內(nèi) 徑 ，咖 Pp —— 實(shí)驗(yàn)壓力，取 Pp = Pa 24 材料為 : ZL3,[? ] =3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為 : ? ??? 2/pDP? = ? ? 365 101032/10665 ?????? = mm 取 ? = mm，則缸筒外徑為 :D=65+? 2 =80 mm。 氣流負(fù)壓式吸盤(pán) 氣流負(fù)壓式吸盤(pán)是利用吸盤(pán) (即用橡膠或軟性塑料制成皮腕 )內(nèi)形成負(fù)壓將工件吸住。它適用于搬運(yùn)一些薄片形狀的工件，如薄鐵片、板材、紙張以及薄壁易碎的玻璃器皿、弧形殼體零件等，尤其是玻璃器皿及非金屬薄片，吸附效果更 為明顯。 氣流負(fù)壓式與鉗爪式手部相比較，氣流負(fù)壓式手部具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕， 表面吸附力分布均勻，但要求所吸附表面平整光滑、無(wú)孔和無(wú)油。 按形成負(fù)壓 (或真空 )的方法，氣流負(fù)壓式手部可分為真空式、氣流負(fù)壓式和擠壓排氣式吸盤(pán)。在本機(jī)械手中，擬采用噴射式氣流負(fù)壓吸盤(pán)。 圖 3 3 噴 射 氣 流 原 理 圖 Principium Diagram Of Eject Airflow 25 噴射式氣流負(fù)壓吸盤(pán)的工作原理如圖 33 所示，根據(jù)流體力學(xué)，氣體在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)氣體經(jīng)過(guò)噴嘴的每一個(gè)截面的氣體質(zhì)量均相等。因此，在最簡(jiǎn)單的情況下，低流速 (高壓強(qiáng) )截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有大面積，而高流速 (低壓強(qiáng) )截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有小面積。所以，壓縮空氣由噴嘴進(jìn)口處 A 進(jìn)入后，噴嘴開(kāi)始一段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當(dāng)沿氣流流動(dòng)方向截面收縮到最小處 X 時(shí)〔即臨界面積 )，流 速達(dá)到臨界速度即音速，此時(shí)壓力近似為噴嘴進(jìn)口處的壓力之半，即 = 8P,。為了使噴嘴出口處的壓力 低于 Pk，必須在噴嘴臨界面以后再加一段漸擴(kuò)段，這樣可以在噴嘴出口處獲得比音速還要大的流速即超音速，并在該處建立低壓區(qū)域，使 C處的氣體不斷的被高速流體卷帶走，如 C處形成密封空腔，就可使腔內(nèi)壓力下降而形成負(fù)壓。當(dāng)在 C 處連接橡膠皮腕吸盤(pán)，即可吸住工件。 圖 3 4 所示為可調(diào)的噴射式負(fù)壓吸盤(pán)結(jié)構(gòu)圖。為了使噴嘴更有效地工作，噴嘴口與噴嘴套之間應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)拈g隙，以便將被抽氣體帶走。當(dāng)間隙太小時(shí)，噴射氣流和被抽 氣體將由于與套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽氣速率 。當(dāng)間隙太大時(shí)，離噴射氣體越遠(yuǎn)的氣體被帶著向前運(yùn)動(dòng)的速度就越低，同時(shí)間隙過(guò)大，從噴嘴套出口處反流回來(lái)的氣體就越多，這就使抽氣速率大大的降低。因此，間隙要適宜，最好使噴嘴與噴嘴套之間的間隙可以調(diào)節(jié)， 以便噴嘴有效地工作。在圖 34中，噴嘴 5 與噴嘴套 6的相對(duì)位置是可以調(diào)節(jié)的，以便改變間隙的大小。 26 1. 株膠吸盤(pán) 圖 3 4 可 調(diào)噴 射 式 負(fù) 壓 吸 盤(pán) 結(jié)構(gòu) Structure of Adjustable Ejective Minus Pressure Cupula 下面計(jì)算吸盤(pán)的直徑 . 吸盤(pán)吸力的計(jì)算公式為 : P=32124 KKK Dn? 式中 :P—— 吸盤(pán)吸力 (N)，本機(jī)械手的吸盤(pán)吸力為 50N，故 P=50N。 D—— 吸盤(pán)直徑 (cm). N—— 分吸盤(pán)數(shù)量，本機(jī)械手吸盤(pán)數(shù)量為 1。 1K —— 吸盤(pán)吸附工件在起動(dòng)時(shí)的安全系數(shù)，可取 K,月 22，在此取 1K =。 2K —— 工作情況系數(shù)。若板料間有油膜存在則要求吸附力大些 。若裝有分 27 料器 ， 則 吸附力就可小些。另外工件從模具取出時(shí)，也有摩擦力的作用， 同 時(shí) 還應(yīng)考慮吸盤(pán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于加速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力影響。 因 此 ，應(yīng)根據(jù)工作條件的不同，選取工作情況系數(shù)，一般可在 (1～ 3)的范圍內(nèi)選取。在此，取 2K =2 : 3K —— 方位系數(shù)，吸盤(pán)垂直吸附時(shí)， 則 3K =1/f， f 為摩擦系數(shù)，橡膠吸 盤(pán)吸附金屬材料時(shí)，取戶 ～ 。當(dāng)吸盤(pán)水平吸附時(shí)，取 3K =l。在此， 取 3K = : n KKKPD ? 3214 ????? = ? ???? = （ cm） 28 第四章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)的機(jī)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(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。 手腕自由度的選用與機(jī)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(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性， 因此給手腕設(shè)一繞 x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求 。 目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)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 3600，并且要求嚴(yán)格的密封。 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所愉的驅(qū)動(dòng)力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必 須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩， 動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件 的中心與轉(zhuǎn) 動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩 .圖 41 所示為手腕受力的示意圖。 29 圖 41 手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài) Bear Force Condition of Wrist When Rotating 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算 : M驅(qū) = M慣 + M偏 + M摩 +M封 cm (41) 式中 : M驅(qū) —— 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 (Kg﹒ cm)。 M慣 —— 慣性力矩 (Kg﹒ cm)。 M偏 —— 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片 )對(duì)轉(zhuǎn) 動(dòng) 軸 線 所 產(chǎn)生 的 偏 重 力 矩 (Kg﹒ cm),.