【文章內容簡介】 關鍵部件之一。 如蛇形機械手的出現，幫助人類完成了許多危險區(qū)域的任務 [4]。 其中的工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認識：它能部分地代替人工操作；能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；廣泛的應用機械手，可以逐步改善勞動條件，更強與可控的生產能力，加快產品更新換代，提高生產效率和保證產品質量，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動力，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，減少勞動風險，提高機床，減少工藝過程中的工作量及基于 PLC控制四自由度氣動式機械手 6 降低停產時間和 庫存，顯著地提高勞動生產率，提高企業(yè)競爭力，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐 [5]。 巴雷特機械手就是其中的典型代表， 一個在運行中能調整自己適應環(huán)境并安全的變成各種各樣形狀的一個智能化、高度靈活的八軸夾持器 [6]。 2 機械手的總體設計方案 機械手的工作原理及系統組成 機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。在 PLC 程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡， 有一定速度和時間的動作 [7]。 （ 1）執(zhí)行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 基于 PLC控制四自由度氣動式機械手 7 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指 (或手爪 )和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決 于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內孔 )和物件的重量及尺寸。傳力機構通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構的型式較多時常用的有 :滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等 )與驅動源 (如液壓、氣壓或電機等 )相配合，以實現手臂的各種運動。 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降 (或俯仰 )運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 （ 2）驅動系統 驅動系統是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。 （ 3）控制系統 控制系統是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統。目前工業(yè)機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位 (或機械擋塊定位 )系統組成。該機械手采用的是PLC 程序控制系統，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息 (如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間 )，同時按其控制系統的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 （ 4）位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置 [8]。 基于 PLC控制四自由度氣動式機械手 8 機械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據手臂的動作形態(tài) ,按坐標形式大致可以分為以下 4 種 : a 直角坐標型機械手； b 圓柱坐標型機械手； c 球坐標 (極坐標 )型機械手； d 多關節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，容易實現 [7]。因此，本設計采用圓柱坐標型。 圖 21 是機械手 外觀輪廓圖 。 圖 21 機械手外觀輪廓圖 驅動機構的選擇 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分 , 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據動力源的 不同 , 機械手的驅動方式共有三種方式：氣動方式 ,液壓方式 ,電驅動方式 [9]。 （ 1）氣動方式：成本低 ,出力小 ,噪聲大 ,控制簡單。但難以準確控制位置和速度。屬于簡單非伺服型。 （ 2）液壓方式： 功率重量比大 ,低速平穩(wěn) ,需液壓動力源 ,漏油和油性變化會影響系統 ,各軸耦合較強 ,成本較高。可用于易爆的環(huán)境。 （ 3）電驅動方式： 基于 PLC控制四自由度氣動式機械手 9 ： 功率小 ,開環(huán)控制 ,控制簡單 ,可能失步。 ： 調速性能好 ,功率較大 ,效率較高 ,但換向器需維護 ,不易用于易爆 ,多粉塵的環(huán)境。 ： 維護簡單 ,使用環(huán)境不受限制 ,成本較低 ,調速性差。 根據課題要求確定圓柱坐標型機械手，利用雙作用氣缸驅動實現手臂上下運動；雙作用氣缸驅動實現手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用夾持式手部結構，用小型單作用氣壓缸驅動夾緊；手腕和機座的旋轉用旋轉氣缸驅動實現。 機械手詳細設計參數 機械手的設計參數如下所示： ? 機械手（重復）定位精度：177。 ； ? 機械手最大抓重： 1kg； ? 工件尺寸：直徑約 2～ 3cm，圓柱形，材料是鐵質； ? 支座旋轉角度為： 90 度（最大速度： 90 度每秒）； ? 物料盤（采用步進電機控制）每工步旋轉角度： 30 度（最大轉度： 30 度每秒）； ? Y 軸大臂上下移動距離為： 20cm（最大速度 10cm/s）； ? Y 軸小臂上下移動距離為： 10cm（最大速度 10cm/s）； ? X 軸小臂伸縮距離： 10cm （最大速度 10cm/s）； ? 手指開合角度為： 60 度（最大速度 60 度每秒），手爪旋轉角度為 180 度； ? 料槽小臂（推動工件的推桿）伸縮距離為： 15cm（最大速度 10cm/s）。 本章小結 本章主要講述了機械手的工作原理和系統組成，并且簡要介紹了執(zhí)行部分。機械手動作形態(tài)采用圓柱坐標式，四自由度的運動執(zhí)行均由氣缸驅動完成。 3 機械手手部結構設計及 計算 手部結構 四自由度氣動機械手采用夾持式手部結構，由手爪和傳力機構所組成。其傳力結構形式多樣，有楔塊杠桿式、滑槽杠桿式、連桿杠桿式、齒輪齒條平行連桿式、左右旋絲杠平移型 [10]，本設計采用滑槽杠桿式的傳力機構。 端執(zhí)行器的要求 （ 1）不論是夾持或是吸附，末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)要求的足夠的夾持力和所基于 PLC控制四自由度氣動式機械手 10 需的夾持位置精度。 （ 2）應盡可能使末端執(zhí)行器結構簡單，緊湊、重量輕，以減輕手臂的負荷。專用的末端執(zhí)行器機構簡單，工作效率高，而能完成多種作業(yè)的萬能末端執(zhí)行器可能具有結構復雜、費用昂貴的缺 點，因此提倡設計可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器 [10]。 手爪的分類和選取 工業(yè)機器人中應用的機械式夾持器多為雙指手爪式，按其手爪的運動方式可分為平移型和回轉型?；剞D型手爪又可分為單支點回轉和雙支點回轉型，按夾持方式可分為外夾式和內撐式，按驅動方式有電動、液壓和氣動三種。 回轉型夾持器結構較簡單，但當所夾持的工件直徑有變化時，將引起工件的軸心偏移。這個偏移量稱為夾持誤差。 平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置，但其架構復雜，體積大，制造精度要求高。 當設計機械式夾持器式，在滿 足工件定位精度要求的條件下，盡可能采用結構較簡單的回轉型夾持器。 [10] 結合機械手設計任務書中要求：手爪開合角為 60 度，且能夠抓取重約 1kg 的圓柱形鐵質工件。所以本設計采用雙支點回轉型滑槽杠桿式手爪。 機械手手爪設計計算 手爪的力學分析 下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿，如圖 31 為常見的滑槽杠桿式手部結構。 基于 PLC控制四自由度氣動式機械手 11 αααα αα 圖 31 滑槽杠桿式手部結構、受力分析 1—— 手指 2—— 銷軸 3—— 杠桿 PF = 22 cos Nb Fa ? （ 31） 式中： PF —— 驅動力； NF —— 夾緊力； a —— 手指的回轉支點到對稱中心的距離； b —— 手指長度； ? —— 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。 由分析可知，當驅動力PF一定時， ? 角增大，則夾緊力 NF 也隨之增大，但 ? 角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好 ? = 030 ~ 040 。 夾緊力及驅動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 （ 1）手指對工件的夾緊力可按公式計算： 基于 PLC控制四自由度氣動式機械手 12 sin 22XNakPF ?? （ 32） 式中 : K —— 安全 系數，通常 ~； xP—— 軸向力； a—— V形手抓的開合角； ? —— 工件和手抓間的摩擦系數； 計算：設 a=10mm,b=30mm, ? = 035 ，求夾緊力 NF 和驅動力PF 。 設 K=， x mgP? ， ?? 根據公式，將已知條件帶入得： 2 .5 1 9 .8 s in 6 03 5 .3 6 4 00 .6NF N N?? ? ?? ? ? （ 2）根據驅動力公式得： 2 2p 2 b c o s 4 0 2 3 0 c o s 3 51 6 1 . 0 4a 1 0NFFN??? ? ? ?? ? ? 由于實際采用的氣壓缸驅動力大于計算，把手抓的機械效率考慮在內，一般取 ~ ? ? 。 （ 3）取 ?? p 1 6 1 .0 41 7 8 .9 1 8 00 .9FFN?? ? ? ?實 （ 33） 夾緊氣缸的設計 主要尺寸的確定 （ 1）氣缸工作壓力的確定 由表 31 取氣缸工作壓力 0. 4p MPa? 基于 PLC控制四自由度氣動式機械手 13 表 31 氣壓負載常用的工作壓力 負載 F/N 5000 5000~ 10000 10000~ 20200 20200~ 30000 30000~ 50000 50000 工作壓力 p/MPa ~1 ~2 ~3 3~4 4~5 5~7 （ 2）氣缸內徑 D 和活塞桿直徑 d 的確定 可由下式推算出氣壓缸的內徑 D： ? ?224F D d p???實 際 （ 34） ? ?624 4 1 8 0 0 .0 2 7 60 .4 1 0 0 .7 51 0 .5FDp ?? ?? ? ?? ?