【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 位置檢測(cè)裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與 設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置 。 第 三 章 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案 對(duì)液壓機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾 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)液壓機(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)械手是通用液壓上下料機(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)作強(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)境惡劣的場(chǎng)合。 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)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(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此， 采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增 加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度。 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)， 把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)， 當(dāng)工件是棒料時(shí)， 使用夾持式手部 。當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)。 機(jī)械手的 手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(yùn)動(dòng) 才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸。 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降 (或 俯仰 )運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 由于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)械 手采用液壓傳動(dòng)方式。 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械 手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變 PLC 程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)械手的抓重 機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù) 由于是采用液壓方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為 50 公斤。 基本 運(yùn)動(dòng) 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 /s。 最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 90 / s 。平均移動(dòng)速度為 / s 。平均回轉(zhuǎn)速度為 60 / 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，用速度一行程曲線來(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 1400mm 。手臂升降行程定為 120mm 。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為 177。 1mm。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇 手部的選擇及計(jì)算 手部形式的確定 手部就是用來(lái)握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同 ，手部機(jī)構(gòu)也是多種多樣。常用的手部結(jié)構(gòu)按其握持原理可以分為如下兩類 : 1）夾持式 夾持式手部的結(jié)構(gòu)與人手類似，是工業(yè)機(jī)械廣泛應(yīng)用的一種手部形式。它主要由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其又可分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動(dòng)作方向相反。 夾持式手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： （ 1）手指應(yīng)有一定的開(kāi)閉范圍。 （ 2）手指應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力。 （ 3）要保證工件在手指內(nèi)的定位精度。 （ 4）結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。 （ 5）通用性和可換性。 2）氣吸式 氣吸式手部又稱 為真空吸盤(pán)式手部，它是通過(guò)吸盤(pán)內(nèi)產(chǎn)生真空或負(fù)壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機(jī)械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤(pán)、吸盤(pán)架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點(diǎn)；但要求工件上與吸盤(pán)接觸的部位光滑平整、清潔、被吸 附工件材質(zhì)致密，沒(méi)有透氣空隙。主要適應(yīng)于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。 氣吸式又可分為： 負(fù)壓吸盤(pán)：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤(pán)。 磁力吸盤(pán)：永磁吸盤(pán)、電磁吸盤(pán)。 真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真 空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當(dāng)壓縮空氣高速進(jìn)入噴嘴時(shí)，由于管路的開(kāi)始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在管路的最小截面處，氣流速度達(dá)到臨界速度，此時(shí)的氣體受壓，密度加大。在排氣管路中因界面逐漸增大，氣流膨脹減壓而使密度大大下降，致使氣流速度繼續(xù)增高，在吸氣口處形成負(fù)壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤(pán)的工作原理是將軟質(zhì)吸盤(pán)按壓在工件的表面，擠出吸盤(pán)內(nèi)的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導(dǎo)磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來(lái)吸附材料工件。磁 吸式手部不會(huì)破壞被吸附表面質(zhì)量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影響正常工作。 通過(guò)以上對(duì)手部的分析真空式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機(jī)械手的正常工作等優(yōu)點(diǎn)。而且滿足所設(shè)計(jì)機(jī)械手的要求，所以選用真空式吸盤(pán)。 手臂結(jié)構(gòu)的選擇 手臂是機(jī)械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。手臂一般有三個(gè)運(yùn)動(dòng) — 伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。手臂的基本動(dòng)作是將手部移動(dòng)到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。 手臂的組成： (1)動(dòng)作元件，如油缸、液壓缸 等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。 (2)導(dǎo)向裝置，是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。 (3)手臂，起著連接和承受外力的作用。 手臂設(shè)計(jì)的要求： (1)手臂承載能力大、剛性好、自重輕。 (2)手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小。 (3)手臂的動(dòng)作要靈活。 (4)位置精度要高。 (5)通用性要強(qiáng)。 手臂的結(jié)構(gòu) 手臂的伸縮和升降運(yùn)動(dòng)一般采用直線油（氣）缸驅(qū)動(dòng)。手臂作直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置所組成。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。往復(fù)直線油（氣）缸可以分為以下幾種。 雙作用單活塞桿油缸 :液壓機(jī)械手中實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)運(yùn)動(dòng)用得最多的是雙作 用單活塞桿油缸?；钊谟蛪合伦麟p向運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞桿運(yùn)動(dòng)；也可以是活塞桿固定，而缸體運(yùn)動(dòng)。 雙作用雙活塞桿油缸：當(dāng)需要很大的行程時(shí)，將油缸做的很長(zhǎng)、體積很大，則加工上有困難。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程要求，油缸的體積又小。其缺點(diǎn)是一次行程有兩種速度。 絲桿螺母機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的特點(diǎn)是易于自鎖，但傳動(dòng)效率低。如采用滾 珠絲杠，效率可以提高，但因其較長(zhǎng)，制造比較困難。 本機(jī)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單 性和設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動(dòng)的單作用單活塞桿油 缸。 真空吸盤(pán)的計(jì)算 吸盤(pán)對(duì)于工件上的吸力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對(duì)其大小、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，吸力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。 吸盤(pán)對(duì)工件的吸力可按下列公式計(jì)算： FN=K1K2K3G 式中： K1 — 安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定 ,通常取 —— ，取 ； K2 — 工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計(jì)算最大加速度，得出工作情況系數(shù) K 2。 K2 = 1 + ga = 1 + a 為機(jī)器人搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度或減速度的絕對(duì) 值（ m/s）； K3 — 方位系數(shù)，根據(jù)吸盤(pán)與工件形狀以及吸盤(pán)與工件位置不同進(jìn)行選定， 吸盤(pán)與工件位置：吸盤(pán)垂直放置 工件垂直放置； 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) K3=4 G— 被抓取工件的重量為 50KG 求得吸力 FN： FN =K1K2K3mg= 4 5 0 =2946N ， 取整為 2950N。 吸盤(pán)的額定吸重為 900N， 4 900=3600N，故選擇 4 個(gè)真空吸盤(pán)。 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 （ 1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 ： 腕部處于手臂的最前端，它連同 手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 （ 2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 ： 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 （ 3）必須考慮工作條件 ： 對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影 響，沒(méi)有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒(méi)有太多不利因素。 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 腕部是連接手部與臂部的部件，起支撐手部的作用。其功能是利用自身的活動(dòng)度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說(shuō)是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故腕部也稱作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。 典型的腕部結(jié)構(gòu) 有： (1) 具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣腕部回 轉(zhuǎn)，總力矩 M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動(dòng)慣性所用?；剞D(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定（一般小于 270 ） 。 (2) 齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于 270 的情況下，可采用 齒條活塞驅(qū)動(dòng)的 腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。 (3) 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。 (4) 機(jī) 液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn) 90 度，綜合以上的分析，綜合考慮各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部機(jī)構(gòu) ，采用液壓驅(qū)動(dòng)。 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) ： 夾取工件重量 60Kg ，回轉(zhuǎn) 90 度 。 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 （ 1）腕部的驅(qū)動(dòng)力矩需要的力矩 M 慣 。 （ 2）腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩 M 摩 。 機(jī)械手 吸取玻璃的 重量 為 60Kg，當(dāng)手部回轉(zhuǎn) 90 度 時(shí)，計(jì)算力矩： 吸盤(pán) 、 吸盤(pán) 驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，高為 220mm，直徑 120mm，其重力估算 G G = π 7800 Kg/m3 N/ Kg = 190 N 擦力矩 M 摩 = 。 （ 3） 啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 φ 啟 = 180 =，等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 ω = 。 M 慣 = ( J + J 工件 )啟φω22 查取 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式有： J=21MR2 =21KgMN/ 190 Nms2 = J 工件 =121 gG(l2+3R2)=121 (12 + 3 ) = N m s2 代入： M 慣 = ( + ) 2 = 55 N m M = M 慣 + M 摩 = M 慣 + M= = m 腕部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 表 31 液壓缸的內(nèi)徑系列（ JB82666） （ mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表 31 設(shè)缸體內(nèi)空半徑 R=110mm，外徑根據(jù)表 選擇