【文章內(nèi)容簡介】 2 執(zhí)行元件 油缸，油馬達(dá) 第二章 工 業(yè)機(jī)械手 6 3 控制元件 各種控制閥等 4 輔助元件 如郵箱，濾油器，油管和管接頭等 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計方法 機(jī)械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機(jī)械手的性能 ，是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。 手部的設(shè)計 手部的設(shè)計要求： ，除工件的重力外，還要能不使工件在傳送過程中松動或脫落 。 。手爪的張開角度（手爪張開或閉合時兩個極限位置所擺動的角度 )應(yīng)能適應(yīng)夾緊較大的直徑范圍 。 。既耍求工件在手爪內(nèi)定位準(zhǔn)確，又不夾壞工件表而。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu) :如元住形工件應(yīng)采用帶 V 形槽的手爪來定位，對于工件表面光潔度較高的，應(yīng)在手爪上鑲銅、夾布膠木或其他軟質(zhì)墊片等 。 、靈活 。 ，剛性好、自重輕、易磨損處應(yīng)便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。 手部結(jié)構(gòu) 手爪的類型大致分為下列三種 : ，根據(jù)手爪的動作可分為回轉(zhuǎn)型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指和多指式 。根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內(nèi)脹式兩種。 。分為真空吸盤式和電磁吸盤式兩種。真空吸盤式又分為真空泵式和氣流負(fù)壓式。 3 帶觸覺或視覺的手爪 第二章 工 業(yè)機(jī)械手 7 腕部的設(shè)計 1 腕部自由度的選取 在臂部運(yùn)動的范圍內(nèi)，當(dāng)可以滿足抓取工件和傳送工件等要求時，應(yīng)盡可能不設(shè)計腕部的 運(yùn)動。這樣，則可使機(jī)械乎結(jié)構(gòu)簡單、制造方使和成本降低。 根據(jù)抓取對象和機(jī)械手的坐標(biāo)形式的需要，可增加腕部的自由度。如腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，這是在手爪夾持工件后，需要翻轉(zhuǎn)角度，或者機(jī)械手從一個工位轉(zhuǎn)到另一個工位時，需要工件翻轉(zhuǎn)。若是采用臂部回轉(zhuǎn)則使機(jī)械手的穩(wěn)定性降低，因為，臂部長度大，回轉(zhuǎn)時稍有偏心 (特別是高速回轉(zhuǎn)時〕，使機(jī)械手的離心力增加，臂部震動加大，影響定位精度。因此，應(yīng)設(shè)計腕部的回轉(zhuǎn)。若機(jī)械手是球坐標(biāo)形式，腕部應(yīng)設(shè)計具有俯仰運(yùn)動，以保持手爪處于水平位置，不影響手爪的工作。 還要根據(jù)加工工藝的要求，設(shè)計腕部都 在 Y 軸力向的移動運(yùn)動。如機(jī)械手將工件送到某一工位后，需要把工件定位夾緊，為使機(jī)床運(yùn)動簡化，而要求腕部沿 Y 抽方向做少量的移位的運(yùn)動。如用頂尖支承的軸類零件。在用機(jī)械手取下工件時，為脫離主軸頂尖 ,而需要有腕部的橫移運(yùn)功。 總之 .腕部白由度的選取應(yīng)在臂部自由度確定以后，再根據(jù)工件的料道位置、工藝要求、應(yīng)用范圍及制造成本等方面綜合分析，以確定最佳的方案，確定出腕部合適的自由度數(shù)。 2 腕部的動作要靈活、自重要輕 在設(shè)計腕部結(jié)構(gòu)時，應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單緊湊，減輕結(jié)構(gòu)的重量。機(jī)械手配合機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，腕部的動作時間往往在 幾秒鐘以內(nèi)，甚至不超過一秒，所以腕部一定要靈活，在保證構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度的條件下，回轉(zhuǎn)件盡量采用滾動軸承或滾柱，減少阻力，降低摩擦 . 3 腕部運(yùn)動位置要準(zhǔn)確 手腕的回轉(zhuǎn)、俯仰與左右擺動等運(yùn)動位置都要求準(zhǔn)確，除對零部件配合精度嚴(yán)格要求以外，要采取措施消除傳動部件之間的間隙，根據(jù)需要可設(shè)置位置檢測元件，來控制手腕的準(zhǔn)確位置。 第二章 工 業(yè)機(jī)械手 8 臂部的設(shè)計要求 (一 )臂部應(yīng)承受能力大，剛性好，自重輕 根據(jù)公式 懸臂梁的撓度公式 33QLY EJ? 式中 Y撓度 E彈性模數(shù) Q載荷 J慣性矩 L懸臂長 撓度與載荷、懸臂長成正比，而與彈性模數(shù)，慣性矩成反比。在 Q 與 L 值已確定的情況下，只有增大 EJ 值，才能減少梁的彎曲變形，而碳鋼和合金鋼的 E 值差別不大，在 10? ~ 10? 之間。所 以、為了提高剛度，從材質(zhì)上考慮意義不大 . 主要應(yīng)選用慣性矩 ]大的梁。在載面積和單位重量基本相同的情祝下，鋼管，工字鋼和槽鋼的慣性矩要比元鋼大得多，所以，機(jī)械于中常用無縫鋼管作導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作支撐板。這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的白重 為增加剛性，還應(yīng)采取以下措施 : ，元件越多，間隙越大，剛性就越低，囚此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單。要全而分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定調(diào)整補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以減少重要部位的間隙，從而提高剛性。 ，合理分配給手臂的各個部件 ，避免不利的受力情況出現(xiàn)。 ，要增加導(dǎo)向桿的剛度 .同時提高其配合精度和相對位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或大部分自重和抓取重量。 ，可以提高手臂在前伸時的剛性。 （二）臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小 機(jī)械手的運(yùn)動速度一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定的。確定了生產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運(yùn)行速度〔或角速度）。在一般情況下，手臂的移動和回轉(zhuǎn)均要求勻速運(yùn)動 (v 和 ? 為常數(shù)〕，但在手 臂的起動和終止瞬間，運(yùn)動是變化的。第二章 工 業(yè)機(jī)械手 9 為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。 從上述公式可知，減少慣性力矩，可采取下列措施 : ，如采用鋁合金等輕質(zhì)材料、 ，使手臂結(jié)構(gòu)緊湊小巧， 3 減少回轉(zhuǎn)半徑 ? ，在安排機(jī)械手動作順序時，一般是先縮回再回轉(zhuǎn)或盡可能在較小前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作。 4，驅(qū)動系統(tǒng)中加設(shè)緩沖裝置。 （三）臂部動作要靈 活 要使手臂運(yùn)動輕快靈活，手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊小巧，或在運(yùn)動臂上加滾動軸承或采用滾珠導(dǎo)軌。對于懸臂式的機(jī)械手手臂上零部件的布置要合理，以減少回轉(zhuǎn)升降支承中心的偏重力矩。不然，會引起手臂振動，嚴(yán)重時會使手臂與立柱卡住別壞。對于雙臂同時操作的機(jī)械手。應(yīng)使兩臂布置盡量對稱以達(dá)到平衡。 (四 )位置精度要高 手臂的剛性好、偏重小、慣性力小，則位置精度就容易控制，所以設(shè)計手臂時要周密考慮和計算 。還要合理的選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式，一般說來，直角和元柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，精度差 。在 手臂上加設(shè)定位裝置和自動檢測機(jī)構(gòu)，來控制手臂運(yùn)動的位置精度 。還要減少或消除各傳動，嚙合件的間隙。 除了上述幾點(diǎn)外，機(jī)械手的通用性要好，以適應(yīng)多種作業(yè)的要求，工藝性要好，便于加工和安裝 。用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮熱輻射的影響，手臂要長些，使驅(qū)動部分遠(yuǎn)離熱源，并裝上冷卻裝置 。用子作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手，還要設(shè)置防塵裝置等。 上面這些要求，往往是互相影響和互相制約的，設(shè)計時應(yīng)全面分析各方面因素，綜合考慮，以設(shè)計出性能良好的機(jī)械手。 第二章 工 業(yè)機(jī)械手 10 機(jī)械手的行程位置檢測裝置 行程位置檢測裝置的作用，是控制機(jī)械手 的運(yùn)動位置，或者利用檢測裝置，通過控制系統(tǒng)對機(jī)械手的運(yùn)動位置進(jìn)行控制。如把運(yùn)動系統(tǒng)的位置反饋給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其運(yùn)動停止在規(guī)定位置上，以便保證對機(jī)械手運(yùn)動的定位精度。 圖 21 檢測裝置把實(shí)際位置信號反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，差值送入放大器，控制電液比例潤的流最或壓力，使機(jī)械手平穩(wěn)準(zhǔn)確停在一定的位置上。檢測裝置應(yīng)用有電位器、編碼器和剛性機(jī)構(gòu)等。 機(jī)械手的定位精度指的是頻繁的往復(fù)運(yùn)功中的重復(fù)定位精度。影響保持一定的定位精度的因素是很多的。如手臂的剛性、油液的做度變化 .位置檢測元件的類型及執(zhí) 行環(huán)節(jié)的誤差等，都時重復(fù)定位精度有嚴(yán)重影響。 由于機(jī)械手應(yīng)用在不同的環(huán)境，而且大多數(shù)是應(yīng)用在周圍環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場中。因此 .對行程位置檢測裝置育下列幾點(diǎn)要求 : 在機(jī)械性能方面。要結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、體積小，壽命長和維修方便 。 在使用環(huán)境方面，要能在振動、油污等條件下穩(wěn)定和可靠地工作 。 在電氣性能方面 :要有高抗干擾能力，高精度，長期使用時精度不變。 行程位置檢測裝置有機(jī)械的、模擬的和數(shù)字的三種。 （一） 機(jī)械式行程位置檢測裝置主要由機(jī)械擋塊 可調(diào)擋塊 限位開關(guān)等。 （二）模擬式行程位置檢測裝置 模擬式行程位置檢測 裝置是用電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器或者感應(yīng)同步器等裝置，將規(guī)定值予先發(fā)送給控制系統(tǒng)。在運(yùn)動過程中，執(zhí)行元件上的檢測器不斷地將實(shí)際值第二章 工 業(yè)機(jī)械手 11 發(fā)送給控制系統(tǒng)與規(guī)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，調(diào)整運(yùn)動系統(tǒng)，使運(yùn)動達(dá)到規(guī)定的位置。 包括電位器自整角機(jī)，旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器組成。 （三） 數(shù)字式行程位置檢測裝置 包括光電信號轉(zhuǎn)變器，光柵檢測器和光電式雙碼盤編輯器 第三章 車床上下料機(jī)械手 12 第三章 車床上下料機(jī)械手方案比較 3. 1 工業(yè)機(jī)械手概述 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕 、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)械傳動等四種形式。控制系統(tǒng)由電器控制和射流控制兩種。它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動。位置檢測裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置，并隨時將執(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)以一定的精度到達(dá)設(shè)定位置。設(shè)計機(jī)械手時應(yīng)考慮的因素很多，但從機(jī)械手的特點(diǎn)來分析有以下幾點(diǎn)： 1）抓重：是機(jī)械手所能抓取或搬運(yùn)的最大重量。一般抓重 1kg 以下的定 為微型， 15kg 的定為小型， 530kg 的定為中型， 30kg 以上的定為大型。 2）自由度和坐標(biāo)型式：自由度是機(jī)械手的每一個構(gòu)件相對固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動自由度。因手指的夾放動作不能改變工件的位置和方位，故它不不計為自由度數(shù)，其它運(yùn)動均計為自由度數(shù)。按機(jī)械手的不同運(yùn)動形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。機(jī)械手的自由度數(shù)和坐標(biāo)形式應(yīng)根據(jù)機(jī)械手現(xiàn)場具體的生產(chǎn)情況和工藝的要求而定。 3）運(yùn)動速度：它反應(yīng)了機(jī)械手的生產(chǎn)水平，影響機(jī)械手動作快慢的主要運(yùn)動是手臂的伸縮和回轉(zhuǎn) 運(yùn)動。手臂的運(yùn)動速度大小與機(jī)械手的驅(qū)動方式、定位方式、抓重大小和行程距離有關(guān)。手臂的運(yùn)動對機(jī)械手的速度影響最大，因此，手臂的運(yùn)動速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時間長短、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確定。 4）行程范圍：主要受手臂的伸縮行程影響，其行程范圍大多在 5001000mm 范圍內(nèi)。 除上述主要參數(shù)外，還應(yīng)考慮定位方式和位置檢測裝置的選用。 機(jī)械手由機(jī)座、機(jī)械臂、手爪、 PLC 可編程控制器及氣源等部分組成?？梢酝瓿伤奖鄣臄[動和伸縮、垂直臂的伸縮、手爪的旋轉(zhuǎn)和抓取物料等動作 , 準(zhǔn)確地把物料送到指定位置。在機(jī) 床的送料高度、物料的擺放位置、抓取高度、工件的重量等確定后 , 機(jī)械手各部分的空間幾何位置以及工作空間、運(yùn)動狀態(tài)等即可確定 ,各個動作即可按給定順序和運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)要求完成。氣動系統(tǒng)考慮了使用載荷、機(jī)器第三章 車床上下料機(jī)械手 13 人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、動態(tài)及靜態(tài)性能等因素 , 水平臂的擺動和伸縮、垂直臂的伸縮、手爪的擺動的運(yùn)動速度均可調(diào)節(jié)。 3. 2 方案設(shè)計和對比 3. 方案 1 目前工廠中的設(shè)備是采用壓縮空氣作為動力源，氣缸做動作執(zhí)行元件。但現(xiàn)有的設(shè)備中沒有上下料機(jī)械手。生產(chǎn)中，是人工將工件從設(shè)備的運(yùn)送槽中搬出再安裝到數(shù)控機(jī)床上。這樣生產(chǎn) 的節(jié)拍受到限制，不能發(fā)揮出設(shè)備的最佳生產(chǎn)效率。因此，在本設(shè)計中采用工業(yè)機(jī)械手和相關(guān)的輔助分析現(xiàn)有設(shè)備及工廠的實(shí)際生產(chǎn)狀況，提出本方案。 見圖 1 上下料機(jī)械手方案 1。仍采用壓縮空氣作為動力源，氣缸做動作執(zhí)行元件。用制動氣缸 1 通過滑塊 2 帶動機(jī)械手實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的水平運(yùn)動，升降氣缸 3 控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取動作的上下運(yùn)動，夾緊氣缸 4 控制實(shí)現(xiàn)手指的張開和閉合。 第三章 車床上下料機(jī)械手 14 圖 1 方案一 其動作過程依次為：制動缸前送，推動滑塊將機(jī)械手送到工件上方，升降缸下放，將機(jī)械手放置到工件 上，此時機(jī)械手是張開狀態(tài)，夾緊缸夾緊工件，升降缸上升至安全高度，制動缸拉動滑塊帶動手臂回至車床上方，升降缸下放手爪，使工件處于車床頂尖與卡盤之間，夾緊缸松開工件。 第三章 車床上下料機(jī)械手 15 圖 2 方案一抓取動作 圖 3 方案一提升動作 第三章 車床上下料機(jī)械手 16 3. 方案 2 采用液壓缸作為執(zhí)行元件。采用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，手爪為鉗爪式。 圖 4 方案二設(shè)計思路 將機(jī)械手設(shè)置在車床旁邊，以液壓缸為執(zhí)行元件， 用升降油缸實(shí)現(xiàn)立柱的上升和下降，用回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)手臂的旋轉(zhuǎn)，用手臂伸縮油缸實(shí)現(xiàn)手臂的前伸與收回，用碗部回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)。如圖 5 所示： 第三章 車床上下料機(jī)械手 17 圖 5 方案二機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖 圖 6為機(jī)械手工作原理 圖 6 方案二機(jī)械手功能原理 第三章 車床上下料機(jī)械手 18 動作順序為：升降缸上升，手臂前伸，手