【文章內(nèi)容簡介】 案 對 氣動 機械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地搬運工件，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定位等特性。設(shè)計 氣動 機械手的原則是 :充分分析作業(yè)對象 (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、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求 。盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，增強專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。 本科畢業(yè)設(shè)計 5 本次設(shè)計的機械手是 車床 專用 氣動 上下料機械手，專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點。 機械手的座標(biāo)型式與自由度和工作范圍 按機械手手臂的 不同運動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。 圖 21所示為機械手的手臂的運動示意圖和工作范圍圖。 圖 21 機械手的運動示意圖和工作范圍圖 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 為了適應(yīng) 車床 ，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成夾持式手部，可以準(zhǔn)確的夾取工件。 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)和升降 (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)。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計 由于 氣 傳動系統(tǒng)的工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實現(xiàn)頻繁換向，因此選用 氣 傳動系統(tǒng)。 機械手的控制方案設(shè)計 考慮到機械手的專用性，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) 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 400mm,最大工作半徑約為 1300mm，手臂安裝前后可 調(diào) 200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為 240(應(yīng)大于 180 否則需安裝多只手臂 )，又由于該機械手設(shè)計成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為 150mm。 定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為土 ～177。 lmm 機械手的技術(shù)參數(shù)列表 本部分參考常見機器的參數(shù) ,進行的自設(shè)定的參數(shù) . 一、用途 : 用于 車床 上下料。 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù) : 抓重 10 公斤 (夾持式手部 ) 自由度數(shù) 本科畢業(yè)設(shè)計 7 4 個自由度 座標(biāo)型式 圓柱座標(biāo) 最大工作半徑 1300mm 手臂最大中心高 1200mm 手臂運動參數(shù) 伸縮行程 400mm 伸縮速度 300mm/s 升降行程 200mm 升降速度 300mm/s 回轉(zhuǎn)范圍 0176?！? 240176。 手指夾持范圍 工件 : 80～ 150mm 定位方式 行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等 定位精度 士 10,緩沖方式 氣 緩沖器 氣 壓傳動 第 3 章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了使機械手的專用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成夾持式手部 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 手部設(shè)計 手指的形狀和分類 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。回轉(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。 設(shè)計時考慮的幾個問題 (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 本科畢業(yè)設(shè)計 9 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 . 手部夾緊 氣 缸的設(shè)計 本課題氣動機械手的手 部結(jié)構(gòu)如圖 31所示： 圖 31齒輪齒條式手部 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 )(245 N? (3)實際驅(qū)動力 : 畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 ? 21KKpp ?實際 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 )(1563 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) . 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 ?? 本科畢業(yè)設(shè)計 11 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 ?fG nDGd31418? 4333915)1030(8 )( ??? ??? ?? )/( mN? )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 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。 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 ???? 畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 第 4 章 手臂結(jié)構(gòu)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)和升降 (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)。 手臂伸縮 結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復(fù)運動采用的是 氣 驅(qū)動的活塞 氣 缸。由于活塞氣 缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時 ， 氣 驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮 (或升降 )運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作 用，以增加手臂的剛性