【文章內容簡介】 計要求 手臂最基本的要求是承載能力大，要剛度強并且輕便。手臂的承載能力不夠就可能產生事故，而剛度不夠強就不能保證手臂工作的精度和平穩(wěn)，可能在工作時會產生振動，并且長期工作還有可能出現變形的情況，這就會影響到正常的工作生產手臂太重會影響到手臂的運動速度，也就會影響到機械手的生產效率。也要注意手臂連接件和支撐件的剛度，來保證承載 所需要的驅動力。 手臂的定位精度要高。要為了使手爪能準確的抓到工件，手臂的定位精度就要有一定要求，那就需要采用先進的控制方法。但也可以通過其他方法來提高手臂的定位精度。手臂的剛度較強就可以抵消慣性力和偏重力矩等來保證定位精度；合理選擇機械手的坐標形式也可以提高機械手的定位精度。直角坐標式機械手的位置精度較高，其結構和運動都比較簡單，誤差也小。而回轉產生的誤差，是放大式的尺寸誤差，當轉角位置一定時，手臂伸出越長，產生的誤差越大。關節(jié)式機械手，因其結構復雜，手端的定位是由各關節(jié)相互轉角來確定，其誤差也是積累 誤差，因而精度較差，其位置精度也更難保證。 手臂的動作要靈活。手臂的結構要緊湊小巧，才能使手臂動作輕快、靈活。如在運動臂上加裝滾動軸承或采用滾珠導軌也能使手臂動作輕快，平穩(wěn)。此外對于懸臂式的機械手，還要考慮零件在手臂上的布置。就是要計算手臂移動零件時重量對回轉、升降、支撐中心的偏重力矩。偏重力矩對手臂動作很不利，偏重力矩過大，會引起手臂的振動，在升降時會產生一種沉頭現象，也會影響運動的靈活性，嚴重時手臂與立柱會卡死。所以在設計時要盡量事手臂重心通過回轉中心，或離回轉中心盡量近，以減少偏重力矩，對于雙臂同 時操作的機械手，則使兩臂的布置盡量對稱于中心，以達到平衡。 雖然手臂要求靈活，但運動速度不能過高。速度過快產生很大的慣性，會影響到工作的穩(wěn)定。機械手手臂在啟動和制動過程中的速度也都要遵循速度特性曲線來變化，再加上手臂自重設計的較輕，在啟動和停止時的平穩(wěn)性就會更好。 機械手的通用性強，工藝性好，便于維修。這樣的機械手的使用范圍就比較廣闊，而是使用和維修都要很方便，非常實用。 這些要求會有一些矛盾，剛性大，還要求承載能力大，那結構也就會較大，靈巧就很難滿足了：動作靈巧，轉動速度快，慣性和沖擊力也就較大， 那定位精度就會較低。由于這么矛盾，在設計時就要求綜合各種因素，綜合考慮，從而設計出在保證定位精度和工作 7 效率的情況下，更準確，更可靠，更靈活的機械手。還要考慮機械手的工作環(huán)境，考慮到溫度、濕度、粉塵等等。 手臂的結構設計 機械手的手臂有三種運動方式：伸縮，升降和回轉，伸縮運動和升降一般都采用直線油缸驅動，或由電動機通過絲杠、螺母來實現。手臂的回轉運動轉角小于 360176。的情況下，通產采用轉動油缸；轉角大于 360176。的情況下，采用直線油缸通過齒條、齒輪或鏈條、滾輪來實現。機械手的手臂還可以做俯仰運動，那就需 要用直線油缸帶動鉸接杠桿機構來實現。 手臂直線運動的結構設計 手臂直線運動的結構，基本上是油驅動機構和導向裝置兩部分所組成。驅動機構一般用油缸、油馬達加齒輪。齒條來實現直線運動。往復直線油缸又可分為以下幾種： （ 1）雙作用單活塞桿油缸：液壓機械手中實現手臂往復運動用的最多的是雙作用單活塞桿?；钊谟蛪合伦麟p向運動。結構上可以是油缸體固定、活塞桿運動；也可相反。 （ 2）雙作用雙活塞桿油缸：當需要很大行程時，將油缸做的很長、體積很大，則加工上有困難。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程需求，體積又小。缺點 是一次行程有兩個速度。 手臂的俯仰運動機構 由于手臂的結構較長，所以它的偏重力矩較大，故須采用強有力的俯仰驅動機構。通用機械手的手臂俯仰機構，往復直線油缸可繞其支撐筒軸擺動，當油缸活塞桿做往復運動時，通過鉸鏈帶動支架上下擺動，而手臂安裝在支架上。 手臂的擺動機構 采用擺動油缸行星齒輪機構、齒輪齒條機構、鏈條鏈輪機構和油馬達驅動擺動機構等?；剞D角小于 360176。時也可采用葉片式擺動缸，結構為定片與缸體固聯，有時也可以相反。再用減速機構來控制擺動的速度，即可得到需要的手臂擺動速度。 圖 為機械手的手臂機 構 手臂行程位置檢測方法 采用行程位置檢測裝置來控制機械手的運動位置，并可以利用檢測裝置來配合控制系統(tǒng)完成對機械手的運動位置控制。 8 機械手的工作環(huán)境惡劣，所以手臂的行程檢測裝置也要適應不同的環(huán)境，因此也要來做到以下幾點： 在機械性能方面：要結構簡單、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)定和可靠的工作； 在電器性能方面：要有高的抗干擾能力，高精度，長期使用精度不變。行程位置檢測裝置有機械的、模擬的和數字的。 由于本次設計的機械手是兵工加工用的組合 式機械手，所以根據情況考慮我們應該采用機械式的位置行程檢測系統(tǒng)。 圖 機械手臂的旋轉升降裝置 按照設計要求，機械手要實現手臂 1800的回轉運動，實現手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮，分析。 機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種： 9 （ 1） 回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。 （ 2） 回轉缸置于升降之上的結構。這種 結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。 活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。 分析： 經過綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降。如上圖所示，回轉機構置于升降缸之上的機身結構。手臂部件與回轉缸的上端蓋連接，回轉缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉運動?；剞D缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內裝一花鍵套與花鍵軸配 合，活塞升降由花鍵軸導向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結構是導向桿在內部，結構緊湊。具體結構見下圖。 圖 控制手臂升降回轉裝置 此裝置的驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分 10 別通向回轉葉片的兩側來實現葉片回轉。回轉角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉?180 。其 回轉機構示意圖如圖 — 3 所示。 圖 手臂的緩沖定位裝置 機械手常采用的緩沖方法大致可分為：內緩沖和外緩沖。 內緩沖是在驅動系統(tǒng)內設置緩沖環(huán)節(jié)，例如在油路中設置緩沖回路、緩沖元件、在油缸設置緩沖機構。大多數液壓驅動的機械手采用內緩沖方法。 外緩沖是在驅動系統(tǒng)之外設置緩沖機構，如液壓緩沖器等。 圖 11 手臂設計計算 （ 1）手臂活塞桿的計算 D2 1 活塞桿直徑計算 222dD D??? = （ ） φ為往返速比 mmDd ??????? ?? 取 d=22mm 按強度校核 ? ?mmFd 210355120214 ????????? 現 2?d 2mm＞ 所以強度滿足要求 （ 2）手臂伸縮速度的計算 經查表流量控制閥的主要技術規(guī)格： 通徑 —— 15mm 工作壓力 —— — 額定流量 —— hm310 手臂最大行程 660mm，則前進時最大體積： 3622 mmDV ?????? ? 由流量公式： V=Qt SQVt 6 0 01010 96 ?????? （ ） 手臂均勻前進時速度為： 12 smmtsv ??? （ ） 油缸同壁厚： ???? 2 tDP? （ ） 油缸材料： 45 無縫鋼管，故 60mm 缸徑厚 12mm（標準） （ 3）手臂伸縮運動受力分析 因使手臂做伸縮運動的驅動件一般是直動缸，參數可根據給定條件先估算出來，然后進行受力分析修正。重點討論手臂水平布置的情況 0ag ????? ??? ? 伸管摩推 WPFTP （ ） 0ag ????? ???? 縮管摩拉 WPFTP （ ） 拉推 、 PP —— 不計摩擦時缸內推力和拉力。 ? ?kgd4 22 PDP ??? ）（推 ? （ ） ? ?kgDP ??? )d4 22（拉 ? （ ） NP 22 ???? ）（推 ? NP 22 ???? ）（拉 ? 式中： D—— 缸體內徑（ cm） d1—— 在缸體上固定的伸縮套管外徑（ cm） d—— 活塞桿外徑（ cm） ?P—— 兩腔壓力差 ? ?3cmkg ?T —— 有壓驅動時油缸，導向桿等密封處摩擦阻力之和（ kg）如對于 y 型圈 ? ?kgndhpT ???????? ?? 式中： ? —— 摩擦系數，一般取 —— p—— 作用于密封圈上的壓力 ? ?2cmkg d—— 密封處直徑（ cm） 1h —— 密封圈密封的有效高度（ cm） 13 n— — 密封圈的數量 對于 O 型圈、 V 型圈、活塞桿等摩擦阻力計算查手冊。 ?摩F —— 手臂伸縮運動件的自重和抓重在各支撐處所產生的摩擦阻力之和。根據平衡力的關系： 0????? bNLW B （ ） b LWN B ? ??? ?? ?? ?????? ?????? b LbWbWLWNWN BA （ ） ? ?? ??????? ffb2ff WWLNNFFF BABA摩 這個摩擦力和伸縮運動件自重與抓重之和、伸縮行程、導向桿兩支撐間距有關。一般輕載，伸縮行程小時，這個力比較小，可以忽略不計。 ?