【文章內(nèi)容簡介】 。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高 。且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。 鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動， 氣動技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn) : (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器 :介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題 . （ 2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小 (一般不卜澆塞僅為油路的千分之一 )，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。 (3)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要 。氣 動系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。 (5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 7 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為 :由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難 (尤其在高速情況 下，似乎更難想象 )。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑 慮。 課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下 : (1) 進(jìn)行 氣動機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運(yùn)動方式設(shè)計(jì)； (2) 設(shè)計(jì)氣動機(jī)械手氣路設(shè)計(jì)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算； (3) 用 PLC對機(jī) 械手控制的 總體 設(shè)計(jì) ； 8 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 對氣動機(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定位等特性。設(shè)計(jì)氣動機(jī)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(yùn)時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(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 ，簡化設(shè)計(jì)制造過程，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 . 機(jī)械手的 坐標(biāo) 型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動形式及其組合情況，其 坐標(biāo) 型式可分為直角 坐標(biāo) 式、圓柱 坐標(biāo) 式、球 坐標(biāo) 式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此，采用圓柱 坐標(biāo) 型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有 四 個自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 9 圖 21 機(jī)械手的運(yùn)動示意圖 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，使用夾持式手部 。當(dāng)工件是板料時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。 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)動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 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 四 個自由度，即手臂的伸縮、左右 回轉(zhuǎn)和 升降 運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動由氣缸來實(shí)現(xiàn)。 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè) 計(jì) 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動方式。 10 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變 PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。 機(jī)械手的主要參數(shù) ，由于是采用氣動方式驅(qū)動，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 1公斤 。 數(shù)運(yùn)動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計(jì)為 。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 s/90? 。平均移動速度為 。平均回轉(zhuǎn)速度為 s/60? 。 機(jī)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。 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) : 抓重 1千克 自由度數(shù) 4個自由度 坐標(biāo) 型式 圓柱 坐標(biāo) 手臂運(yùn)動參數(shù) 伸縮行程 100mm 伸縮速度 40mm/s 升降行程 150mm 升降速度 100mm/s 回轉(zhuǎn)范圍 ?? 1800 ? 11 回轉(zhuǎn)速度 s/90? 手腕運(yùn)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 : 248。10248。40 定位方式 行程開關(guān) 定位精度 mm1? 1 驅(qū)動方式 氣壓傳動 1控制方式 點(diǎn)位程序控制 (采用 PLC) 前法蘭式氣缸的簡介 氣缸是使機(jī)械裝置進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動的氣動執(zhí)行元件。氣缸的類型有很多種，根據(jù)使用的需要進(jìn)行選擇。前法蘭式氣缸的特點(diǎn)：它是用螺釘緊固，易于安裝，它的缺點(diǎn)是螺釘所承受的軸向力較大！ 12 第三 章 手臂 伸 縮、 回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸 設(shè)計(jì) 與校核 手 臂 伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求， 手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣缸用 CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為 ? 63/63. (1).在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑 1D =63mm,半徑 R=要求即可 ,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) MPaP ? , 則驅(qū)動力： 2RPF ??? )(1246 26N? ???? （ 2） . 測定手腕質(zhì)量 和重物的質(zhì)量之和 為 7kg,設(shè)計(jì)加速度 )/(10 sma? ，則慣性力 maF?1 =10 7=70 （ 3） .考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ?k , ? =70 =14 ? 總受力 mFFF ?? 10 =70+14=84 FF?0 所以標(biāo)準(zhǔn) CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動力要求 （ 2）活塞桿的計(jì)算 1）按強(qiáng)度條件計(jì)算 當(dāng)活塞桿的長度 L較小時（ L≤ 10d），可以只按強(qiáng)度條件計(jì)算活塞桿直徑 d 式中 氣缸的推力（ N）； 13 活塞桿材料的許用應(yīng)力 (Pa), 材料的抗拉強(qiáng)度（ Pa）； 安全系數(shù)， S≥ 。 按縱向彎曲極限力計(jì)算 氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當(dāng)縱向力達(dá)到極限力 以后，活塞桿會產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。 當(dāng)長細(xì)比 時 當(dāng)長細(xì)比 時 式中 活塞桿計(jì)算長度（ m） 活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑， 實(shí)心桿 空心桿 活塞桿橫截面慣性矩， 實(shí)心桿 空心桿 空心活塞桿內(nèi)徑直徑（ m）； 活塞桿截面積 實(shí)心桿 空心桿 系數(shù)， 材料彈性模量，對鋼取 材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對鋼取 系數(shù)，對鋼取 a=1/5000 14 平衡裝 置 在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。 手腕 回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 尺寸設(shè)計(jì) 此部分選用單片葉片式擺動氣馬達(dá)需設(shè)計(jì)其葉片內(nèi)直徑與葉片軸直徑計(jì)算公式如下： T=（ R178。r178。） bpn/8 葉片寬度設(shè)計(jì)為 b=9mm,氣缸內(nèi)徑為 D1=53mm, 軸徑 D2=13mm, ,葉片 數(shù) n=1, MPaP ? , 則理論驅(qū)動力矩 ： T=（ D1178。D2178。） bpn/8 = 尺寸校核 1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 m1=2kg,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 r=53mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： 221rmJ? =2 =（ ） tJM ?? ?.慣 = (180/1)= 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ?k , 慣摩 MkM .? = = 總驅(qū)動力矩 摩慣驅(qū) MMM ?? =+= 15 TM ? 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。 16 第四章 氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4． 1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 圖 41為該機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī)（排氣壓力大于 ）通過快換接頭進(jìn)入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器 ，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。 圖 41 機(jī)械手氣壓傳動原理圖 17 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)速。凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都 在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進(jìn)行調(diào)速，這種方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可以加快啟動速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進(jìn)氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。 為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工