【文章內(nèi)容簡介】 書越多，性能越好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。絕大部分機械手是點位控制型。這種機械手的運動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復(fù)雜的動作。工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜?？刂品绞椒譃殚_關(guān)式和伺服式兩種。 課題 七桿二自由度機械手設(shè)計內(nèi)容及基本要求設(shè)計一個機械手，用于工廠機床邊抓取圓棒料和餅類零件，實現(xiàn)從地面到機床卡盤和從機床卡盤到地面的運動。最大活動半徑 2m 最大活動高度 2m 回轉(zhuǎn)活動范圍 0176?！?60176。 最大抓取重量 40kg 抓取規(guī)格 棒料φ120mm，盤類φ300mm動力：盡可能采用機械傳動、電磁力或氣動。必要時可以采用液壓，但不宜使用高壓液壓設(shè)備。 工作量要求：〈1〉整套機械手圖紙（含外構(gòu)件、標準件匯總）（含電器圖、PLC圖） 〈2〉使用說明書 〈3〉設(shè)計說明書 〈4〉英文翻譯成漢文（5000字）： 機械、機構(gòu)、機電一體化功能零部件；機械手、機械夾持、運動傳遞和動力傳送。強電電控、弱電電控、弱電反饋、PLC控制。本次設(shè)計的對象是湖南省湘潭江麓機械有限公司所設(shè)計制造的七桿機械手，主要是對此機械手進行實體改造。我們這次設(shè)計主要是針對此機械手，而且還要對機械手的整體布局及工作原理和過程做一些介紹。在外型上，我們要解決的問題主要是我們設(shè)計出來的實體要和實物相同或相近。在大的方面，一個機械手可以分為大臂、小臂和手爪手腕等部分。而手腕部分是我們所重點要求的，對其中的每一個零件、部件及組合體的尺寸和形體都有嚴格的要求，因為江麓的機械手是有人力動作部分的，而且沒有手腕，取而代之的是一個吊鉤，為了將其改造成為可自動抓取的機械手，每個零件的配合都要很考究。而油路的布置也要合理。整體要整齊美觀。機構(gòu)實用且經(jīng)濟。第 二 章 平衡臂機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算 機械手要像人的手一樣完成各種動作是比較困難的。因為人的手指、手長、手腕、手臂由十九個關(guān)節(jié)所組成，并具有27個自由度，而生產(chǎn)實踐中機械手不需要這么多自由度。下面按機械手所具有的主運動和輔助運動來分析其自由度。手臂和立柱的運動成為主運動，因為它們能改變抓取工件在空間的位置。手腕和手指的運動成為輔助運動，因為手腕的運動只能改變被抓取工件的方位，而手指的夾放運動不能改變工件的位置和方位，故它不計為自由度數(shù)，其他運動都算作自由度數(shù)。 這次參考了江麓機械廠的機械手，在確定了被抓取工件所在的空間位置，及將工件搬運到規(guī)定的位置時所需要的運動。得知我們改造的機械手包括了大臂的回轉(zhuǎn)和升降兩個運動，而將要設(shè)計的手腕的自由度僅僅是為了配合手臂完成工件的預(yù)定裝卸方位要求加以增設(shè)的，故只算成兩個自由度。 圖一由圖可知，此機械手在XY平面內(nèi)有回轉(zhuǎn)運動，且在Z方向和X方向有直線運動，故做出它的運動軌跡圖，由于存在了安全工作區(qū)域，故選了300度旋轉(zhuǎn)范圍，如下： 圖二自由度數(shù)多少是衡量機械手技術(shù)水平的指標之一，自由數(shù)越多，可以完成的動作越復(fù)雜，通用性越強，應(yīng)用范圍也越廣，但是響應(yīng)的帶來了技術(shù)難度大，控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機械手本身的體積和重量增加，成本高和維修困難。自由度少，通用性越差，但是技術(shù)上容易達到，結(jié)構(gòu)簡單，使用和維修方便。所以在此次設(shè)計中，二自由度已經(jīng)足夠，沒有必要盲目的加入自由度。如一圖所示的機械手，其手臂的運動由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)所組成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種坐標型式的機械手成為圓柱坐標式機械手。它與指教坐標式相比較，占地面積大而活動范圍大，結(jié)構(gòu)較為簡單，并能達到較高的定位精度，因此得到廣泛的應(yīng)用。 圖三在江麓機械廠的實地測繪，要進行改造的機械手機構(gòu)簡圖如上圖所示 。為一個七桿二自由度機械手。其各部件的尺寸如下：桿件一250mm桿件二1250mm桿件三250mm桿件四1250mm桿件五1250mm 此機械手的尺寸恰能滿足回轉(zhuǎn)半徑1m~3m和提升工件高度≤2m的要求，所以在這次設(shè)計過程中不做改動。由圖一計算其他尺寸：圖中虛線所示位置就是當機械手將工件舉到最高時候的位置，實線所示的位置就是機械手在地面高度抓取工件的位置。設(shè)計手臂在這兩個位置時，桿件與水平所成的角度都為30。則Ae長度等于250=125mm，bf長度也為125mm，bC長度等于BC=250=125mm，cc產(chǎn)度等于bcbC=250125=125mm，Bb長度等于BC=250=216mm，所以確定Aa等于Ae+bf+Bb=125+125+216=466mm。即為大臂升降油缸的行程取l=500mm。其工作高度即離地面高度為H=2458mm，其支撐點b離地面的高度H2=1708mm，其B點的高度為H3=1925mm。第 三 章 平衡臂機械手總體設(shè)計方案3．1機械手總體系統(tǒng)的設(shè)計綜合考慮了幾種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，由于要求的抓取重量較大（40公斤），生產(chǎn)節(jié)拍較長，為了得到較大的輸出力和握力，還要求傳動平穩(wěn)，所以我們決定采用液壓驅(qū)動的方式。此機械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)化成機械能。手臂在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中的油掖的容積的多少。這種借助于醞釀動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都是屬于容積式液壓傳動。 本次設(shè)計的液壓機械手，相當于一臺專用液壓自動機械，由執(zhí)行機構(gòu)，液壓系統(tǒng)、電氣控制三大部分組成。液壓傳動系統(tǒng)概括如下：圖四 由上圖可知，液壓系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成： 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。2. 液動機 壓力油驅(qū)動運動部分對外工作的部分。如：做回轉(zhuǎn)運動的液壓馬達，做回轉(zhuǎn)角度為360度的回轉(zhuǎn)油缸，控制手臂伸縮的伸縮油缸。 如單向閥、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等。各起一定的作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所需要的運動。 4． 輔助裝置 如油箱、濾油器、蓄能器、管路和管接頭以及壓力表等。 機械手采用液壓傳動比較采用氣壓傳動有如下特點： 1. 能得到較大的輸出力或力矩 一般要得到20~70公斤/厘米的油液壓力是比較方便的，而通常工廠的壓縮空氣均為4~6公斤/厘米。因此，在活塞面積相同的條件下，液壓機械手可比氣動機械手負荷大得多。目前，液壓機械好艘搬運重量（即抓重）已達800公斤，而氣動機械手一般搬運重量小于30公斤。2. 液壓傳動滯后現(xiàn)象小，反應(yīng)較靈敏，傳動平穩(wěn) 與空氣相比，油液的壓縮性極小，所以傳動的滯后現(xiàn)象小，傳動平穩(wěn)。氣壓傳動雖易于得到較高速度（如1米/秒以上），但空氣粘性比油低、傳動中沖擊較大，不利于精確定位。 輸出力和運動速度在一定的油缸結(jié)構(gòu)尺寸下，主要決定于油液的壓力和流量，通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的壓力和流量控制閥，能比較方便地控制輸出功率。4． 可達到較高的定位精度 目前一般液壓機械手，在速度低于400毫米/秒、抓重較輕時，采用適宜的緩沖措施和定位方式，定位精度可達到1~。若采用電液伺服系統(tǒng)控制，不僅定位精度高，而且可連續(xù)任意定位，適用于高速、重負荷的通用機械手。 但是，液壓傳動也有其缺點： （1）系統(tǒng)的泄漏難以避免，影響工作效率和系統(tǒng)的工作性能。工作要求越高，對密封裝置和配合件制造精度的要求就越高。 （2）油液的黏度對溫度的變化很敏感，當溫度升高時，油的黏度即顯著降低，油液黏度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量。另外在高溫田間下工作時，必須注意油液著火等危險。 我們設(shè)計的機械手是一個上下料的機械手，它的工作流程簡圖如下：圖五上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信號控制相應(yīng)的電磁換向閥，按程序依次步進動作而實現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進控制環(huán)節(jié)采用步進選線器，其步進動作是在每一步動作完成后，使行程開關(guān)的觸點閉合或依據(jù)每一步動作的預(yù)設(shè)停留時間，使時間繼電器動作而發(fā)信，使步進器順序“跳步”控制電磁閥的電磁鐵線圈斷通電，使電磁鐵按程序動作實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。 圖八上圖所看到的方案是本人了解了各種資料和參考了機械實物所設(shè)計的初步方案。平衡臂機械手工作時要一個穩(wěn)定的基礎(chǔ)且不需移動，所以該地基設(shè)計為嵌入水泥地里，這樣的平衡性和穩(wěn)定性好。本次設(shè)計我們沒將伸縮油缸和回轉(zhuǎn)油缸放置在同一個立柱中，因為如果這樣放置，一個是裝配時十分不方便，二個是在機械手夾持工件進行回轉(zhuǎn)時，回轉(zhuǎn)中心將更加遠離回轉(zhuǎn)油缸的中心，那樣對支撐軸的扭矩將增大，且對立柱的彎曲應(yīng)力更大，機械手的壽命將縮短。所以，我們設(shè)計的是將伸縮油缸和液壓站用支撐板固定在遠離工件的立柱的另側(cè)，這樣，當機械手回轉(zhuǎn)時，回轉(zhuǎn)中心將比較靠近回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)中心，這樣，即減少了支撐軸的彎曲應(yīng)力，又可以使的機械手在裝配和設(shè)置油管路線時更加方便。橫向擴展一下，本人聯(lián)想到深圳沙田海港的集裝箱的起吊手臂，它在空間運行的時候，保證了集裝箱的水平放置，那樣手臂的設(shè)計將更加復(fù)雜。本人設(shè)計的機械手，在空間的運動位置是不定的，則在橫向伸縮的導(dǎo)桿中加入一個伸縮油缸，用來精確控制工件被夾取后在空間中的運動位置。第 四 章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計（1）壓力控制回路 為了控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力（即油泵的工作壓力），并將多余的油液流回油箱。因它還能在液壓系統(tǒng)過載時被打開，使油液排回油箱，以保證系統(tǒng)的安全，其回路如圖所示： 在機械手各 油缸不工作的時候，油泵電機又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負荷下工作，可采用卸荷回路。本系統(tǒng)是不需要保壓的卸荷回路，所以都采用二位四通電磁閥M型中位機能的卸荷回路。當油缸停止運動時，二位四通電磁閥PT相連，使油泵輸出油液經(jīng)二位四通閥流回油箱，油泵卸荷。 機械手為了保證動作的先后順序，除了用電器控制系統(tǒng)（如采用行程控制和時間控制）實現(xiàn)順序控制外，也可由液壓系統(tǒng)的順序控制回路來實現(xiàn)。在本系統(tǒng)設(shè)計中，機械手的動作全部由電氣來控制。故在此不做贅述。 在機械手液壓系統(tǒng)中，為了防止垂直機構(gòu)因為自重和工件的重量而任意下降，可采用平衡回路將垂直機構(gòu)的輜重給以平衡。為了使機械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運動并鎖緊。如圖所示： 1. 油缸 采用了單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。當手指夾緊油缸1帶動重物停在上升位置時，換向閥2的電磁鐵線圈全部斷電時，由于順序閥3的調(diào)整壓力大于手指參與運動的部件的自重G所產(chǎn)生的背壓，油缸1的下腔油液被封死，因而手臂不