【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 應(yīng)用范圍廣 。 體積小、重量輕、功耗低等有點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于類似機(jī)械手的控制動(dòng)作復(fù)雜的場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)正是以 PLC 控制為基礎(chǔ)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各種動(dòng) 作 。 第二章 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì) 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)械手是通用氣動(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，動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。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。 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu) 機(jī)械手是一個(gè)水平、垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用來(lái)將工件由左工作臺(tái)搬到右工作臺(tái)。有上升、下 降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制。簡(jiǎn)易機(jī)械手在各類全自動(dòng)和半自動(dòng)生產(chǎn)線上應(yīng)用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動(dòng)，替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來(lái)控制，電磁閥由 PLC 控制。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。圖 為機(jī)械手簡(jiǎn)圖 ,其中 1豎直氣缸， 2執(zhí)行氣爪， 3工件， 4水平氣缸， 5旋轉(zhuǎn)軸， 6支架， 7底座 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 圖 21 機(jī)械手簡(jiǎn)圖 圖 21 中工件所處位置為原點(diǎn)位置，根據(jù)課題設(shè)計(jì)的要求：機(jī)械手初始位置在原點(diǎn)位置，每次循環(huán)動(dòng)作都從原點(diǎn)位置開(kāi)始， 完成上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式 。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)位置下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，左傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物品后，左傳送帶停止運(yùn)行 根據(jù)分析可得出機(jī)械手的工作流程圖，如圖 22 所示。 可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)要求功能需要如下條件： (1)底座與橫梁之間需要旋轉(zhuǎn)盤(pán)，旋轉(zhuǎn)盤(pán)的驅(qū)動(dòng)由電機(jī)來(lái)完成，普通電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，需要考慮安裝減速機(jī)， 在這種頻繁啟動(dòng)制動(dòng)的場(chǎng)合下，選用直流步進(jìn)電機(jī)會(huì)更方便。 原位 下降 夾緊 上升 右移 停止 左移 上升 松開(kāi) 下降 下限 延時(shí) 上限 左限 啟動(dòng) 右限 1 2 5 6 7 3 左 右 4 工件 下限 延時(shí) 上限 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 圖 22 機(jī)械手工作流程圖 (2)橫梁在普通情況下，長(zhǎng)度是固定的，如果工作臺(tái)不進(jìn)行調(diào)整，橫梁長(zhǎng)度可永遠(yuǎn)不變。 (3)豎直方向上是頻繁上下工作的機(jī)構(gòu)，可選用電機(jī)傳動(dòng)的齒輪齒條嚙合機(jī)構(gòu)，也可選用執(zhí)行氣缸，后者是新技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、噪音低，也更符合課題要求。 (4)抓緊機(jī)構(gòu)也可選用氣動(dòng)執(zhí)行爪和執(zhí)行氣缸并用組成氣動(dòng)執(zhí)行模塊 根據(jù)以上分析，機(jī)械構(gòu)造方案基本固定。整個(gè)機(jī)械手一共用到三個(gè)氣缸，橫梁長(zhǎng) 氣缸進(jìn)行橫向移動(dòng)，執(zhí)行氣爪進(jìn)行夾持與放松、豎導(dǎo)桿氣缸執(zhí)行升降運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械手的主要參數(shù) 主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機(jī)械手最大抓重以 10公斤左右的為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為 3 公斤，高速動(dòng)作時(shí)抓重減半。 基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。 該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為 ，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 90176。 /s，平均移動(dòng)速度為 50mm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為 45176。 /s。 機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在，用速度 — 行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c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(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為 600mm,最大工作半徑約為 1500mm，手臂安裝前后可調(diào) 200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為 2400(應(yīng)大于 180否則需安裝多只手臂 )。手臂升降行程定為 150mm。 定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土 ～177。 lmm。 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手部設(shè)計(jì)基本要求 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 1. 手部應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過(guò)程中的動(dòng)載荷。 2. 手部應(yīng)有一定的開(kāi)閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線及其方位的影響。 3. 應(yīng)能保證工件在手部準(zhǔn)確定位。 4. 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 5. 根 據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。 典型的手部結(jié)構(gòu) 1. 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 2. 移動(dòng)型 移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 。 本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張合角 ?? = 060 ，夾取重量為 3Kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部 ,按握持工件的原理 ,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體 ,不適合 用于本方案。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指 ,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開(kāi)閉合靠手指的平行移動(dòng) ,這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 適于夾持平板方料 , 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置 , 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指 , 驅(qū)動(dòng)力需加在手指移動(dòng)方向上 ,這樣會(huì)使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。 通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開(kāi)式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機(jī)械手手抓閉合，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機(jī)械手 手指張開(kāi)。 下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿 圖 31（ a）為常見(jiàn)的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 αααα αα 圖 31 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析 1—— 手指 2—— 銷軸 3—— 杠桿 在杠桿 3 的作用下，銷軸 2 向上的拉力為 F，并通過(guò)銷軸中心 O 點(diǎn)，兩手指 1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為 F1 和 F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線 001 和 002并指向 0 點(diǎn)，交 F1 和 F2 的延長(zhǎng)線于 A 及 B。 由∑ Fx =0 得 F1=F2 ∑ Fy=0 得 1 2cosFF ?? 39。11FF?? 由 01M? ??F =0 得 39。1 NFF? h cosah ?? F= 2cos Nb Fa ? 式中 a—— 手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離（ mm） . 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 ? —— 工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。 由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 F 一定時(shí)， ? 角增大，則握力 NF 也隨之增大，但 ? 角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好 ? = 030 ~ 040 。 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠 的夾緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： 1 2 3NF K K K G? 式中 K1—— 安全系數(shù)，通常 ； K2—— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦? 1 bK a?? 其中 a為重力方向的最大上升加速度；即： maxva t?響 maxv —— 運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度 t響 —— 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取 2s K3— 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定， 手指與工件位置：手指水平放置 工件垂直放置； 手指與工件形狀： V 型指端夾持圓柱型工件， 3 f ?? ， f 為摩擦系數(shù)， ? 為 V 型手指半角，此處粗略計(jì)算 3 4K? . 表 31 液壓缸的工作壓力 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 作用在活塞上外力 F（ N） 液壓缸工作壓力 Mpa 作用在活塞上外力 F（ N） 液壓缸工作壓力 Mpa 小于 5000 1 20210 30000 5000 10000 30000 50000 10000 20210 50000以上 表 31 計(jì)算：設(shè) a=100mm,b=500mm, 010 ? 040 。機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為 2s，求夾緊力 NF 和驅(qū)動(dòng)力 F 和 驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸 。 設(shè) K1= 2 1 bK a?? =? = K3=4 根據(jù)公式，將已知條件帶入： ? NF == 取整為： 177N （ 2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得： 根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和夾緊力之間的關(guān)系式： 2 sinN FcF ba? 式中： c— 滾子至銷軸之間的距離； b— 爪至銷軸之間的距離； a — 楔塊的傾斜角 可得2 s in 1 7 7 2 8 6 s in 1 6 1 9 5 . 1 534NF b aFNc ? ? ?? ? ?，得出 F 為理論計(jì)算值，實(shí)際采取的液壓缸驅(qū)動(dòng)力 39。F 要大于理論計(jì)算值，考慮手爪的機(jī)械效率 ? ，一般取 ～ ，此處取 ，則： 39。 1 9 5 .1 5 2 2 1 .7 6 20 .8 8FFN?? ? ? ，取 39。 500FN? 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 （ 3）取 ?? F實(shí)際 = F計(jì)算 /η = （ 4）確定液壓缸的直徑 D ? ?224F D d p???實(shí) 際 選取活塞桿直徑 d=,選擇液壓缸壓力油工作壓力 P=, ? ? ? 524 4 1 6 2 1 0 . 5 8 70 . 8 1 0 0 . 7 51 0 . 5Fp ?? ???? ? ??實(shí) 際 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 液壓缸的內(nèi)徑系列（ JB82666）（ mm） 根據(jù)表（ JB82666），選取液壓缸內(nèi)徑為： D=63mm 則活塞桿內(nèi)徑為 : D=63?=，選取 d=32mm 手抓夾持范圍的計(jì)算 為了保證手抓張開(kāi)角為 060 ，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為 34mm。 手抓夾持范圍，手指長(zhǎng) 100mm,當(dāng)手抓沒(méi)有張開(kāi)角的時(shí)候，如圖 33（ a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑 1R 40? mm，當(dāng)張開(kāi) 060 時(shí)，如圖 33（ b）所示，最 大夾持半徑 2R 計(jì)算如下： 002 1 0 0 3 0 4 0 c o s 3 0 9 0R tg? ? ? ?mm ?機(jī)械手的夾持半徑從 4090mm 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 圖 33 手抓張開(kāi)示意圖 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算 機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確 ,抓取精度高 ,重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好 ,并有足夠的抓取能力。 機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來(lái)決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差 。 βθ 圖 34 手抓夾持誤差分析示意圖 圖 34 手抓夾持誤差分析示意圖 該設(shè)計(jì)以棒料來(lái)分析機(jī)械手的夾持誤差精度。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 機(jī)械手的夾持范圍為 80mm— 180mm。 一 般夾持誤差不超過(guò) 1mm,分析如下： 工件的平均半徑： 90 402cpR ?? 65mm? 手指長(zhǎng) 100l mm? ,取 V型夾角