【正文】 低，改變程序較容易。目前這種機械手數(shù)量最多。它由磁鼓（或磁帶、磁芯 )把程序記錄下來，此后機械手就自動按記憶的程序，重復地進行鵝環(huán)動作。與前者比較，這種機械手可有較多的自由度，有可能實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較大。這種機械手我網(wǎng)日前還處于研制階段。 第二章 工 業(yè)機械手 4 按使用范圍分為專用機械手和通用機械手 專業(yè)機械手：一般附屬于工作機器設(shè)備，動作程序固定，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨立，亦可附屬于工作機器設(shè)備。在規(guī)格性能的 范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同的場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。 液壓機械手：輸出力大，傳動平穩(wěn)。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴格，又問對油的粘度影響大。但工作不太穩(wěn)定，沖擊大，在同樣的抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大。目前這種工業(yè)機械手尚在發(fā)展之中。但動作固定不可變。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。特點是設(shè)定點時無限的，整個運動過程都要求處在控制之下。 機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。 工業(yè)機械手的驅(qū)動方式 工業(yè)機械手的驅(qū)動方法，按驅(qū)動源分為氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電力驅(qū)動和機械驅(qū)功四種。 (一 )氣壓驅(qū)動的特點 氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是 。維修方使，特別是和射流控制很容易結(jié)臺起來使用。壓縮性大，阻尼緩沖效果差，較難實現(xiàn)中間位置的停止，若要求較高的定位精度，必須增設(shè)較復雜的緩沖、定位機構(gòu)。目前所謂氣動元件，是指氣壓傳動中應用的各種控制閥和執(zhí)行元件。 分水濾氣器 :功用是清除空氣中的水、油及灰塵 。 ，其功用是控制空氣的壓力、流量及流動方向，保證氣動系統(tǒng)按規(guī)定的程序、速度進行工作。 （ 2）流且控制閥 :包括節(jié)流閥、單向節(jié)流閥等。包括電磁換向閥、氣動換向閥 ,電磁氣閥、單向閥、梭閥、延時閥 .脈沖閥等。 第二章 工 業(yè)機械手 5 ，是 一種重要的元件，一般分為單作用氣缸和雙作用氣缸兩種。 4 氣動馬達 是實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行元件。其結(jié)構(gòu)類似小型閥門。 另 外，還有一些氣液裝置，如氣一液泵、氣一液缸、氣一液增壓裝置等，一般也屬于氣動元件的范圍。利用油缸、 油 馬 達和齒條齒輪實現(xiàn)直線運動，利用回轉(zhuǎn)油缸、油馬達與齒輪齒條或鏈輪鏈條實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動?？梢垣@得較大的操作力。 (3)壓力、流量容易調(diào)節(jié)，控制性能好，可以實現(xiàn)中間位置的 停 止，定位精度高。 （ 5）可無級變速 （ 6）液壓油有良好的潤滑性 2 液壓驅(qū)動的特點 （ 1）需單獨配備液壓源 （ 2）管線系統(tǒng)比較復雜，成本較高 （ 3）液壓系統(tǒng)的泄露會嚴重影響其使用性能 （ 4）油的粘度對溫度的變化敏感 3 液壓系統(tǒng)的組成 1 動力元件 油泵 2 執(zhí)行元件 油缸，油馬達 第二章 工 業(yè)機械手 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)機械手的設(shè)計方法 機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。 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 )應能適應夾緊較大的直徑范圍 。既耍求工件在手爪內(nèi)定位準確，又不夾壞工件表而。 、靈活 。 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 。 。真空吸盤式又分為真空泵式和氣流負壓式。這樣，則可使機械乎結(jié)構(gòu)簡單、制造方使和成本降低。如腕部的回轉(zhuǎn)運動，這是在手爪夾持工件后，需要翻轉(zhuǎn)角度，或者機械手從一個工位轉(zhuǎn)到另一個工位時，需要工件翻轉(zhuǎn)。因此，應設(shè)計腕部的回轉(zhuǎn)。 還要根據(jù)加工工藝的要求，設(shè)計腕部都 在 Y 軸力向的移動運動。如用頂尖支承的軸類零件。 總之 .腕部白由度的選取應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)。機械手配合機器運轉(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 腕部運動位置要準確 手腕的回轉(zhuǎn)、俯仰與左右擺動等運動位置都要求準確，除對零部件配合精度嚴格要求以外，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，來控制手腕的準確位置。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。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，機械于中常用無縫鋼管作導向桿，用工字鋼或槽鋼作支撐板。要全而分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定調(diào)整補償環(huán)節(jié)，以減少重要部位的間隙，從而提高剛性。 ，要增加導向桿的剛度 .同時提高其配合精度和相對位置精度，使導向桿承受部分或大部分自重和抓取重量。 （二）臂部運動速度要高，慣性要小 機械手的運動速度一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定的。在一般情況下，手臂的移動和回轉(zhuǎn)均要求勻速運動 (v 和 ? 為常數(shù)〕，但在手 臂的起動和終止瞬間，運動是變化的。 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行回轉(zhuǎn)動作。 （三）臂部動作要靈 活 要使手臂運動輕快靈活，手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊小巧，或在運動臂上加滾動軸承或采用滾珠導軌。不然，會引起手臂振動，嚴重時會使手臂與立柱卡住別壞。應使兩臂布置盡量對稱以達到平衡。還要合理的選擇機械手的坐標形式，一般說來，直角和元柱坐標式機械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機械手的位置最難控制，精度差 。還要減少或消除各傳動，嚙合件的間隙。用于熱加工的機械手，還要考慮熱輻射的影響，手臂要長些，使驅(qū)動部分遠離熱源，并裝上冷卻裝置 。 上面這些要求，往往是互相影響和互相制約的，設(shè)計時應全面分析各方面因素，綜合考慮，以設(shè)計出性能良好的機械手。如把運動系統(tǒng)的位置反饋給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使其運動停止在規(guī)定位置上，以便保證對機械手運動的定位精度。檢測裝置應用有電位器、編碼器和剛性機構(gòu)等。影響保持一定的定位精度的因素是很多的。 由于機械手應用在不同的環(huán)境，而且大多數(shù)是應用在周圍環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場中。要結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、體積小，壽命長和維修方便 。 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。 （一） 機械式行程位置檢測裝置主要由機械擋塊 可調(diào)擋塊 限位開關(guān)等。在運動過程中，執(zhí)行元件上的檢測器不斷地將實際值第二章 工 業(yè)機械手 11 發(fā)送給控制系統(tǒng)與規(guī)定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果，調(diào)整運動系統(tǒng)，使運動達到規(guī)定的位置。 （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 車床上下料機械手 12 第三章 車床上下料機械手方案比較 3. 1 工業(yè)機械手概述 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的的傳動裝置?？刂葡到y(tǒng)由電器控制和射流控制兩種。位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度到達設(shè)定位置。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。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)，其它運動均計為自由度數(shù)。機械手的自由度數(shù)和坐標形式應根據(jù)機械手現(xiàn)場具體的生產(chǎn)情況和工藝的要求而定。手臂的運動速度大小與機械手的驅(qū)動方式、定位方式、抓重大小和行程距離有關(guān)。 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)。 機械手由機座、機械臂、手爪、 PLC 可編程控制器及氣源等部分組成。在機 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 , 機械手各部分的空間幾何位置以及工作空間、運動狀態(tài)等即可確定 ,各個動作即可按給定順序和運動學、動力學要求完成。 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。生產(chǎn)中，是人工將工件從設(shè)備的運送槽中搬出再安裝到數(shù)控機床上。因此，在本設(shè)計中采用工業(yè)機械手和相關(guān)的輔助分析現(xiàn)有設(shè)備及工廠的實際生產(chǎn)狀況，提出本方案。仍采用壓縮空氣作為動力源，氣缸做動作執(zhí)行元件。 第三章 車床上下料機械手 14 圖 1 方案一 其動作過程依次為：制動缸前送，推動滑塊將機械手送到工件上方，升降缸下放，將機械手放置到工件 上，此時機械手是張開狀態(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。采用圓柱坐標式機械手，手爪為鉗爪式。如圖 5 所示： 第三章 車床上下料機械手 17 圖 5 方案二機械手結(jié)構(gòu)示意圖 圖 6為機械手工作原理 圖 6 方案二機械手功能原理 第三章 車床上下料機械手 18 動作順序為：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋轉(zhuǎn)至合適位置，手爪抓緊工件，手臂收縮，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動帶動手臂轉(zhuǎn)至車床卡盤前，手臂前伸至卡盤與頂尖之間，手爪松開工件，手臂回縮，旋轉(zhuǎn)缸反轉(zhuǎn)，立柱下降。如圖 7 所示： 圖 7 方案 3 機械手結(jié)構(gòu)示意圖 動作順序為：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋轉(zhuǎn)至合適位置，手爪抓緊工件，手臂收縮，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動帶動手臂轉(zhuǎn)至車床卡盤前，手臂前伸至卡盤與頂尖之間，手爪松開工件，手臂回縮，旋轉(zhuǎn)缸反轉(zhuǎn)，立柱下降，然后重復先前動作順序。 方案 2 采用的是圓柱坐標式機械手，優(yōu)點是這種形式的機械手臂均具有回轉(zhuǎn)、伸縮與升降三個自由度，其運動范圍的圖形為一個圓柱體，它與直角坐標型比較，占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，并能達到較高的定位精度，應用廣泛，運動直觀性較強。氣動驅(qū)動特點是氣源方便、維修簡單、易于獲得高速度、低成本、防火防爆、漏氣對環(huán)境無影響。因此，設(shè)計中采用氣動機械手。 第四章 手部計算與分析 20 第四章 手部 計算與分析 手部 計算與分析 手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。 夾鉗式手部是由手指，傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸，盤，套類零件，一般情況下多采用兩個手指。 (2)手指應具有一定的開閉范圍。 (4)要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。 手部的計算和分析 （ 1） 手部受力分析 第四章 手部計算與分析 21 圖 手部受力圖 (1) 圖 手部受力圖 (2) （ 2） 手指尺寸初步設(shè)定 此處省略 NNNNNNNNNNNN字。 第四章 手部計算與分析 22 活塞的寬度 B一般取 B=( )D==15mm。 彈簧工作載荷 F=50N 最大軸直徑 max 18D mm? 最小筒直徑 min 25D mm? 彈簧剛度 0 .7 6 9F Nk mmf?? 查機械設(shè)計手冊表 － 8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得 材料直徑 d=,彈簧中徑 D=25mm,節(jié)距 P= . 單圈彈簧工作極限載荷下變形量為 ，單圈彈簧剛度 Nk mm? ? 。 腕部 計算與分析 腕部設(shè)計的基本要求 手腕部件置于手部 和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，適應性更強。手腕回轉(zhuǎn)第四章 手部計算與分析 23 運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸，擺動也采用回轉(zhuǎn)油缸。 ，它連同手部的動靜載荷均由臂部承受。因此在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 （如熱膨脹，壓力油的粘度和燃點，有關(guān)材料及電控電測元件的耐熱性等問題）。 f軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 f= 為簡化計算取 M摩 ? 總 阻 力 矩 第四章 手部計算與分析 24 圖 腕部回轉(zhuǎn)支承處的受力圖 1G 工件重量（ kgf）， 2G 手部重量（ kgf）， 3G －手腕轉(zhuǎn)動件重量（ kgf） 1G 重心偏置所引起的力矩 M偏 M偏 ＝ 1G e? （ kgf） 式中 e－工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（ m） ，所需的力矩 M慣 啟動過程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角加速度 ? 及啟動所用的角速度?起 ： M慣