【文章內(nèi)容簡介】 個手臂上下擺動的自由度 . 四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn) 14 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(dāng)工件是棒料時， 使用夾持式手部 。當(dāng)工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn) 15 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(dāng)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 是機械手主要的基本參數(shù)。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 sm/ 。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為 s/90? 。平均移動速度為 sm/ 。平均回轉(zhuǎn)速度為 s/60? 。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(dāng)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mm1400 。手臂升降行程定為 mm120 。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為 mm1? 。 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。 四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn) 16 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù) : 抓重 : kg5 自由度數(shù) :4個自由度 座標(biāo)型式 :圓柱座標(biāo) 最大工作半徑 : mm1400 手臂最大中心高 : mm1250 手臂運動參數(shù) : 伸縮行程 mm1200 伸縮速度 smm/400 升降行 程 mm120 升降速度 smm/250 回轉(zhuǎn)范圍 ?? 1800 ? 回轉(zhuǎn)速度 s/90? 手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 ?? 1800 ? 回轉(zhuǎn)速度 s/90? 手指夾持范圍 :棒料 : mmmm 15080 ?? ? 定位方式 :行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等 定位精度 : mm1? 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 四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn) 17 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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)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(dāng)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。 的設(shè)計 手部驅(qū)動力計算 四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn) 18 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 ?1202 ?? ， mmRmmb 241 2 0 ??? ,摩擦系數(shù)為 ?f (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為 : Rbp 2? N (2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式 : )( ?? ?? tgN )(25 )42560(39。N tg? ?????? 所以 Rbp 2? N )(245N? 四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn) 19 (3)實際驅(qū)動力 : ? 21KKpp ?實際 I,因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取 ?? ，并取 ?K 。若被抓取工件的最大加速度取 ga 3? 時，則 : 412 ??? gaK 所以 )( Np ????實際 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為 N1563 。 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 : zt FFPDF ??? 421 ? 式中 : 1F 活塞桿上的推力， N tF 彈簧反作用力， N zF 氣缸工作時的總阻力， N P 氣缸工作壓力， Pa 彈簧反作用按下式計算 : )1( sGF ft ?? nDGdGf 3141? Gf =nDGd31418 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預(yù)壓縮量， m s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， . n 彈簧有效圈數(shù) . 四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn) 20 G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設(shè)計中，必須考慮負載 率 ?的影響，則 : tFpDF ?? 421 ?? 由以上分析得單向作用氣缸的直徑 : ??p FtFD )(4 1 ?? 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 ?fG nDGd31418? 4333915)1030(8 )( ??? ??? ?? )/( 77 mN? )1( sGF ft ?? )( 7 73N? ???? 所以 : ?DpnFtF? )1(4 ?? )(4 ?? ??? )( mm? 查有關(guān)手冊圓整，得 mmD 65? 由 ??Dd ,可得活塞桿直徑 : mmDd )( ???? 圓整后，取活塞桿直徑 mmd 18? 校核，按公式 ][)4//( 21 ?? ?dF 有 : ])[/14( ??Fd ? 其中， [? ] MPa120? ， NF 7501 ? 則 : )120/4904( ??? ?d ?? 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 : 四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn) 21 ][2/ ?? pDP? 式中 :6 缸筒壁厚， mm D 氣缸內(nèi)徑， mm pP 實驗壓力，取 PPp ? , Pa 材料為 :ZL3,[? ]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )( )1032/(1066565mm? ????? 取 ?? ，則缸筒外徑為 : )( mmD ???? 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 ?360 ，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)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由 于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩 .圖四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn) 22 41所示為手腕受力的示意圖。 圖 41手腕回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài) Bear Force Condition of Wrist When Rotating 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算 : 封摩偏慣驅(qū) MMMMM ???? 式中 : 驅(qū)M 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 ( cmN? )。 慣M 慣性力矩 ( cmN? )。 偏M 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片 )對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 ( cmN? )., 。 封M 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的 摩擦阻力 矩 ( cmN? )。 下面以圖 41所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算 : 手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M悅 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為 ? ，起動過程所用的時間為 t? ，則 : 四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn) 23 ).(1 cmNtJJM ??? ?）（慣 式中 :J 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 )..( 2scmN 。 1J 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 )..( 2scmN `。 若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量 1J 為 : gGJJ c 11 ?? 21e 式中 : cJ 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量 )..( 2scmN : 1G 工件的重量 (N)。 1e 工件的重心到轉(zhuǎn)