【文章內容簡介】 案 對 氣動 機械手的基本要求是能快速、準確地搬運工件，這就要求它們具有高精度、快速反應、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 。明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求 。盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，增強專用性，并能實現柔性轉換和編程控制。 本科畢業(yè)設計 5 本次設計的機械手是 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、結構簡單、使用可靠和造價低等特點。 機械手的座標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，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應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，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 機械手的手部結構方案設計 為了適應 車床 ，把機械手的手部結構設計成夾持式手部，可以準確的夾取工件。 機械手的手臂結 構方案設計 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、左右回轉和升降 (或俯仰 )運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，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。 畢業(yè)設計（論文） 6 機械手的驅動方案設計 由于 氣 傳動系統(tǒng)的工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實現頻繁換向，因此選用 氣 傳動系統(tǒng)。 機械手的控制方案設計 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。當機械手的動作流程改變時，只需改變 PLC 程序即可實 現，非常方便快捷。 機械手的主要參數 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，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，手臂設計的基本參數還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當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 200mm。手臂回轉行程范圍定為 240(應大于 180 否則需安裝多只手臂 )，又由于該機械手設計成手臂安裝范圍可調，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之一。該機械手的定位精度為土 ～177。 lmm 機械手的技術參數列表 本部分參考常見機器的參數 ,進行的自設定的參數 . 一、用途 : 用于 車床 上下料。 二、設計技術參數 : 抓重 10 公斤 (夾持式手部 ) 自由度數 本科畢業(yè)設計 7 4 個自由度 座標型式 圓柱座標 最大工作半徑 1300mm 手臂最大中心高 1200mm 手臂運動參數 伸縮行程 400mm 伸縮速度 300mm/s 升降行程 200mm 升降速度 300mm/s 回轉范圍 0176。～ 240176。 手指夾持范圍 工件 : 80～ 150mm 定位方式 行程開關或可調機械擋塊等 定位精度 士 10,緩沖方式 氣 緩沖器 氣 壓傳動 第 3 章手部結構設計 為了使機械手的專用性更強，把機械手的手部結構設計成夾持式手部 畢業(yè)設計（論文） 8 手部設計 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卡式 (或內漲式 )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型，二支點回轉型和移動型 (或稱直進型 )，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指 。同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 設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，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 (二 )手指間應具有一定的開閉角 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。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應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 )保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。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，當應盡量 使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭 轉力矩最小為佳。 (五 )考慮被抓取對象的要求 本科畢業(yè)設計 9 根據機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成 V型，其結構如附圖所示 . 手部夾緊 氣 缸的設計 本課題氣動機械手的手 部結構如圖 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 ??? ,摩擦系數為 ?f (1)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為 : Rbp 2? N (2)根據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)實際驅動力 : 畢業(yè)設計（論文） 10 ? 21KKpp ?實際 因為傳力機構為齒輪齒條傳動，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動力為 N1563 。 氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據力平衡原理，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 . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設計中，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 ?? 本科畢業(yè)設計 11 代入有關數據，可得 ?fG nDGd31418? 4333915)1030(8 )( ??? ??? ?? )/( mN? )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 所以 : ?DpnFtF? )1(4 ? ? )(4 ?? ??? )( mm? 查有關手冊圓整，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 ?? 滿足實際設計要求。 缸筒壁厚的設計 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 氣缸內徑， mm pP 實驗壓力，取 PPp ? , Pa 材料為 :ZL3,[? ]=3MPa 代入己知數據，則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )( )1032/(1066565mm? ????? 取 ?? ，則缸筒外徑為 : )( mmD ???? 畢業(yè)設計（論文） 12 第 4 章 手臂結構設 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、左右回轉和升降 (或俯仰 )運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，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。 手臂伸縮 結構設計 手臂的伸縮是直線運動，實現直線往復運動采用的是 氣 驅動的活塞 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構中應用比較多。同時 ， 氣 驅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