【文章內(nèi)容簡介】 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。 13 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) 14 圖 26 ‘ 機械手的工作范圍 Work Range of Manipulator 第三章 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。 問題 (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 15 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。 手部驅(qū)動力計 算 本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖 32所示， 16 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 24120 ??? ,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? (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 17 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) . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設(shè)計中，必須考慮負(fù)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 )( ??? ??? ?? )/( 7 mN? )1( sGF ft ?? )( 2 0 6 7 73N? ???? 所以 : ?DpnFtF? )1(4 ? ? )(4 ?? ??? )( mm? 18 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 : ][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 ???? 第四章 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 19 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(yán)格的密封。 4. 2手腕的驅(qū)動力矩的計算 需 的驅(qū)動力矩 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41所示為手腕受力的示意圖。 圖 41手碗回轉(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 20 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 : ).(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)動軸線的偏心距 (cm), ? 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度 (弧度 /s)。 t? 起動過程所需的時間 (s)。 ?? — 起動過程所轉(zhuǎn)過的角 度 (弧度 )。 手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 M偏 ?偏M 11eG + 33eG ( cmN? ) 式中 : 3G 手腕轉(zhuǎn)動件的重量 (N)。 3e 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距 (cm) 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則 11eG 0? . 手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 封M ?封M )(2 12 dRdRf BA ? ( cmN? ) 21 式中 : 1d ， 2d 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑 (cm)。 f 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 ?f ，對于滑動軸承 ?f 。 AR , BR 處的支承反力 (N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解， 根據(jù) 0?? ）（ FMA ,得 : 33lGlRB ? ? lGlG 122 ? BR ? l lGlGlG 332211 ?? 同理，根據(jù) BM? (F) 0? ,得 : l llGllGllGR A )()()( 332211 ?????? 式中 : 2G 的重量 (N) 321 , llll ,— 如圖 41所示的長度尺寸 (cm). 轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。 在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所 采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的 原 理如圖 42所示，定片 1與缸體 2固連，動片 3與回轉(zhuǎn)軸 5固連。動片封圈 4把氣腔分隔成兩個 .當(dāng)壓縮氣體從孔 a進入時，推動輸出軸作逆時 4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從 b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力 P驅(qū)動力矩 M的關(guān)系為 : 2 )( 22 rRpbM ?? , 或 )( 2 22 rRb Mp ?? 22 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 氣缸長度設(shè)計為 mmb 100? ,氣缸內(nèi)徑為 1D =96mm,半徑 mmR 48? ,軸徑mmD 262 ? 2D =26mm,半徑 mmR 13? ,氣缸運行角速度 ? = s/90? ，加速度時間 t? =, 23 壓強 MPaP ? , 則力矩 2 )( 22 rRpbM ?? ).( 2)0 2 4 ( 226mN????? 1． 測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 kgm 101 ?,分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個半徑 mmr 50? 的圓盤上， 那么轉(zhuǎn)動慣量： 221rmJ? 2 2?? ? （ ） 工件的 質(zhì)量為 5kg ,質(zhì)量分布于長 mml 100? 的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量 ).(1212222mkgmlJc???? 。 假如 工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合， 對于長 mml 100? 的棒料來說，最大偏心距