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中北大學(xué)2007屆畢業(yè)設(shè)計說明書
氣動通用上下料機(jī)械手的設(shè)計——機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘要：本文通過對機(jī)械手的組成和分類，及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r的了解，進(jìn)行了總體方案設(shè)計，確定了機(jī)械手用四自由度和圓柱坐標(biāo)型式。
本機(jī)械手為通用機(jī)械手，故同時設(shè)計了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)和吸附式手部結(jié)構(gòu)，可以更換使用。計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)汽缸的驅(qū)動力矩，確定了相關(guān)尺寸，設(shè)計了機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu)；設(shè)計了機(jī)械手的手臂結(jié)結(jié)構(gòu)；設(shè)計了手臂伸縮，升降用液壓緩沖器和手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器。
關(guān)鍵詞 上下料，機(jī)械手，氣缸。
Mechanical Structural Design of Air Pressure Drive Upper and Lower Material Manipulator
Abstract: At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the information of the development briefly. What's more, the paper accounts for background and the primary mission of the topic.The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.
This paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator，and analyzes the error of the orientation of the fingers. the paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump. the paper designs the structure of the arm, and designs the hydraulic pressure buffer when the manipulator's arm flexes, ascend, descend and wheels.
Key words: upper and lower material, manipulator, air cylinder.
XX大學(xué)200X屆畢業(yè)設(shè)計說明書
目錄
1 緒論 1
1.1 機(jī)械手概述 1
1.2 機(jī)械手的組成和分類 2
1.2.1 機(jī)械手的組成 2
1.2.2 機(jī)械手的分類 4
1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 6
1.4 課題的提出及主要任務(wù) 8
1.4.1 課題的提出 8
1.4.2 課題的主要任務(wù) 9
2 機(jī)械手的設(shè)計方案 10
2.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 10
2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 10
2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 10
2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 10
2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計 11
2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計 11
2.7 機(jī)械手的主要參數(shù) 11
2.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 11
3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 14
3.1.1 手指的形狀和分類 14
3.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題 14
3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計 15
3.2 氣流負(fù)壓式吸盤 18
4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 21
4.1 手腕的自由度 21
4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 21
4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 21
5 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 25
5.1 手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分 25
5.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 25
5.1.2 導(dǎo)向裝置 26
5.1.3 手臂伸縮驅(qū)動力的計 26
5.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分 27
5.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 27
5.3 手臂伸縮氣缸的設(shè)計 28
5.4 手臂伸縮、升降用液壓緩沖器 31
5.5 手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器 32
6 結(jié)論 33
參考文獻(xiàn) 34
致謝 36
第 II 頁 共 Ⅱ 頁
1 緒論
1.1 機(jī)械手概述
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機(jī)器人技術(shù)是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。
機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。
機(jī)械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用[1]。
機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用[2]。
1.2 機(jī)械手的組成和分類
1.2.1 機(jī)械手的組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1.1所示。
控制系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)
被抓取工件
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
位置檢測裝置
圖1.1機(jī)械手的組成方框圖
(一)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)。
1、手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易構(gòu)件，故應(yīng)用較廣泛平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母多，式彈簧式和重力式等。
附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。
對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式。
2、手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動。
手臂可能實現(xiàn)的運(yùn)動如下:
手臂運(yùn)動
基本運(yùn)動
復(fù)合運(yùn)動
直線運(yùn)動與回轉(zhuǎn)運(yùn)動的組合(即螺旋運(yùn)動)
兩直線運(yùn)動的組合(即平面運(yùn)動)
回轉(zhuǎn)運(yùn)動:如水平回轉(zhuǎn)、左右擺動運(yùn)動
直線運(yùn)動:如伸縮、升降、橫移運(yùn)動
兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動的組合(即空間曲面運(yùn)動)。
手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動部件受力狀態(tài)簡單。
導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。
4、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和升降(或俯仰)運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
5、行走機(jī)構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運(yùn)動則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動裝置。
6、機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。
(二)驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)械傳動等四中形式。
（三）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣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，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
(四)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)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置[3]。
1.2.2 機(jī)械手的分類
工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。
(一)按用途分
機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:
1、專用機(jī)械手
它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大附屬，如自動機(jī)床、自動線的上、下料機(jī)械手和‘加工中心”批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機(jī)械手。
2、通用機(jī)械手
它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，控制系統(tǒng)是獨立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。
通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)， 可以點位控制，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。
(二)按驅(qū)動方式分
1、液壓傳動機(jī)械手
是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。
2、氣壓傳動機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。
3、機(jī)械傳動機(jī)械手
即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它主要特點是運(yùn)動準(zhǔn)確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。
4、電力傳動機(jī)械手
即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。
(三)按控制方式分
1、點位控制
它的運(yùn)動為空間點到點之間的移動，只能控制運(yùn)動過程中幾個點的位置，不能控制其運(yùn)動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。
2、連續(xù)軌跡控制
它的運(yùn)動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計算機(jī)進(jìn)行控制[4]。
1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:
(1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。
(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。
(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
(4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
(5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。
(6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。
(7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中[5]。
1.4 課題的提出及主要任務(wù)
1.4.1 課題的提出
隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費(fèi)時費(fèi)力，又影響效率。為此，我們把上下料機(jī)械手作為我們研究的課題。
現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點:
(1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動平穩(wěn)性及正確性。
(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運(yùn)動特性變化。
(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:
(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，管道不易堵塞不存在介質(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0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(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。
(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)器人的實用性和前景存在不少疑慮[6]。
1.4.2 課題的主要任務(wù)
本課題將要完成的主要任務(wù)如下:
(1)機(jī)械手為通用機(jī)械手，因此相對于專用機(jī)械手來說，它的適用面必須更廣。
(2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度。
(3)設(shè)計出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，既可以用夾持式手指來抓取棒料工件，又可以用氣流負(fù)壓式吸盤來吸取板料工件。
2 機(jī)械手的設(shè)計方案
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)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。
本次設(shè)計的機(jī)械手是通用氣動上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運(yùn)或操作設(shè)備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。
2.1 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)械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動行程較小的缺點，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。
2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
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。
2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
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)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動由氣缸來實現(xiàn)。
2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計
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。
2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計
考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點位控制，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程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷[7]。
2.7 機(jī)械手的主要參數(shù)
1、主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機(jī)械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為10公斤，高速動作時抓重減半。使用吸盤式手部時可吸附5公斤的重物。
2、基本參數(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)計為1. 2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為120o/s。平均移動速度為lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為900/s。
機(jī)械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(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)動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(應(yīng)大于1800，否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土0. 5—±1 mm。
2.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表
一、用途:
用于100噸以上沖床上下料。
二、設(shè)計技術(shù)參數(shù):
1、抓重
10公斤(夾持式手部)
5公斤(氣流負(fù)壓式吸盤)
2、自由度數(shù)
4個自由度
3、座標(biāo)型式
圓柱座標(biāo)
4、最大工作半徑
1500mm
5、手臂最大中心高
1380mm
6、手臂運(yùn)動參數(shù)
伸縮行程600mm
伸縮速度500mn/s
升降行程200mm
升降速度300mm/s
回轉(zhuǎn)范圍00 -2400
回轉(zhuǎn)速度900/s
7、手腕運(yùn)動參數(shù)
回轉(zhuǎn)范圍 00--1800
回轉(zhuǎn)速度1800/s
8、手指夾持范圍
棒料:Ф80—Ф150mm
片料:面積不大于0. 5㎡
9、定位精度
士0. 5mm
10、緩沖方式
液壓緩沖器
11、傳動方式
氣壓傳動
12、控制方式
點位程序控制(采用PLC)
3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
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。
3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)
夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。
3.1.1 手指的形狀和分類
夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。
3.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題
(一)具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
(二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
(三)保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
(四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳[8]。
(五)考慮被抓取對象的要求
根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。
3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計
1、手部驅(qū)動力計算[9]
本課題氣動機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，其工件重量G=10㎏，“V”形手指的角度2θ =1200，b=120mm，R=24mm,摩擦系數(shù)為f=0. 1。
圖3.1齒輪齒條式手部
（1）根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:
（2）根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:
所以：
(3)實際驅(qū)動力:
因為傳力機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取η=0. 94，并取K1=1. 5 。若被抓取工件的最大加速度取a= g時，則:
所以：
所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1563N。
2、氣缸的直徑
本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為:
式中:F1—活塞桿上的推力，N
Ft—彈簧反作用力，N
Fz—氣缸工作時的總阻力,N
P—氣缸工作壓力，Pa
彈簧反作用按下式計算:
式中:Cf—彈簧剛度，N/m
1—彈簧預(yù)壓縮量，m
S—活塞行程，m
d1—彈簧鋼絲直徑，m
D1—彈簧平均直徑，.
D2—彈簧外徑，m
n—彈簧有效圈數(shù)
G—彈簧材料剪切模量，一般取G=79. 4 X 109Pa
在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率η的影響，則:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
所以：
=[4×(490+220.6)/( π×0.5×106×0.4))?
=65.23 (mm)
查有關(guān)手冊圓整，得D=65 mm
由d/D=0.2—0.3，可得活塞桿直徑:d= (0. 2-0. 3) D=13-19. 5 mm圓整后，取活塞桿直徑d=18 mm
校核，按公式
=20MPa, F1=750N
則:d≥ (4 × 490/π × 120)?=2.28≤18 滿足設(shè)計要求。
3、缸筒壁厚的設(shè)計
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑比小或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
式中:δ—缸筒壁厚，
D—氣缸內(nèi)徑，
Pρ—實驗壓力，取Pρ=1.5P, Pa 材料為:ZL3,[ σ]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
=65×6×105/（2×3×106）×10-3
=6.5㎜
取δ=7. 5㎜，則缸筒外徑為:D=65+7. 5 ×2=80 mm。
3.2 氣流負(fù)壓式吸盤
氣流負(fù)壓式吸盤是利用吸盤(即用橡膠或軟性塑料制成皮腕)內(nèi)形成負(fù)壓將工件吸住。它適用于搬運(yùn)一些薄片形狀的工件，如薄鐵片、板材、紙張以及薄壁易碎的玻璃器皿、弧形殼體零件等，尤其是玻璃器皿及非金屬薄片，吸附效果更為明顯。
氣流負(fù)壓式與鉗爪式手部相比較，氣流負(fù)壓式手部具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，表面吸附力分布均勻，但要求所吸附表面平整光滑、無孔和無油。按形成負(fù)壓(或真空)的方法，氣流負(fù)壓式手部可分為真空式、氣流負(fù)壓式和擠壓排氣式吸盤。在本機(jī)械手中，擬采用噴射式氣流負(fù)壓吸盤。
圖3.3 噴射氣流原理圖
噴射式氣流負(fù)壓吸盤的工作原理如圖3.3所示，根據(jù)流體力學(xué)，氣體在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，單位時間內(nèi)氣體經(jīng)過噴嘴的每一個截面的氣體質(zhì)量均相等。因此，在最簡單的情況下，低流速(高壓強(qiáng))截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有大面積，而高流速(低壓強(qiáng))截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有小面積。所以，壓縮空氣由噴嘴進(jìn)口處A進(jìn)入后，噴嘴開始一段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當(dāng)沿氣流流動方向截面收縮到最小處K時〔即臨界面積)，流速達(dá)到臨界速度即音速，此時壓力近似為噴嘴進(jìn)口處的壓力之半，即PK =0. 528P1。為了使噴嘴出口處的壓力P2低于PK 必須在噴嘴臨界面以后再加一段漸擴(kuò)段，這樣可以在噴嘴出口處獲得比音速還要大的流速即超音速，并在該處建立低壓區(qū)域，使C處的氣體不斷的被高速流體卷帶走，如C處形成密封空腔，就可使腔內(nèi)壓力下降而形成負(fù)壓。當(dāng)在C處連接橡膠皮腕吸盤，即可吸住工件[10]。
圖3.4所示為可調(diào)的噴射式負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu)圖。為了使噴嘴更有效地工作，噴嘴口與噴嘴套之間應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)拈g隙，以便將被抽氣體帶走。當(dāng)間隙太小時，噴射氣流和被抽氣體將由于與套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽氣速率;當(dāng)間隙太大時，離噴射氣體越遠(yuǎn)的氣體被帶著向前運(yùn)動的速度就越低，同時間隙過大，從噴嘴套出口處反流回來的氣體就越多，這就使抽氣速率大大的降低。因此，間隙要適宜，最好使噴嘴與噴嘴套之間的間隙可以調(diào)節(jié)，以便噴嘴有效地工作。在圖3.4中，噴嘴5與噴嘴套6的相對位置是可以調(diào)節(jié)的，以便改變間隙的大小[11]。
1.橡膠吸盤2.吸盤芯子3.通氣螺釘4.吸盤體5.噴嘴6.噴嘴套
圖3.4 可調(diào)噴射式負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu)
下面計算吸盤的直徑[12]:
吸盤吸力的計算公式為:
式中:P—吸盤吸力(N)，本機(jī)械手的吸盤吸力為50N，故P=50N;
D — 吸盤直徑((cm).
n — 吸盤數(shù)量，本機(jī)械手吸盤數(shù)量為1;
K1—吸盤吸附工件在起動時的安全系數(shù)，可取K,月2-2，在此取K1=1.5;
K2—工作情況系數(shù)。若板料間有油膜存在則要求吸附力大些;若裝有分 料器，則吸附力就可小些。另外工件從模具取出時，也有摩擦力的作用，同時還應(yīng)考慮吸盤在運(yùn)動過程中由于加速運(yùn)動而產(chǎn)生的慣性力影響。因此，應(yīng)根據(jù)工作條件的不同，選取工作情況系數(shù)，一般可在(1-3的范圍內(nèi)選取。在此，取K2=2。
K3—方位系數(shù).當(dāng)吸盤垂直吸附時，則K3=1/f，f為摩擦系數(shù)，橡膠吸盤吸附金屬材料時，取f=0.5~0.8;當(dāng)吸盤水平吸附時，取K3=l。在此，取K3=0.5.
代入數(shù)據(jù)得:
_
4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計
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)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸[13]。
4.1 手腕的自由度
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求。目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)氣缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于3600，并且要求嚴(yán)格的密封[14]。
4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算
4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩
手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4.1所示為手腕受力的示意圖。
1.工件2.手部3.腕部
圖4.1手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)
手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算[15]:
M驅(qū)= M慣+M偏+M摩+M封 ㎏·㎝ （4.1）
式中: M驅(qū)—驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(㎏·cm);
M慣—慣性力矩(Kg -cm);
M偏—參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩(㎏·㎝).,
M摩—手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(㎏·cm);
M封—手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 (㎏· cm);
下面以圖4.1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:
1、手腕加速運(yùn)動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣
若手腕起動過程按等加速運(yùn)動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為ω，起動過程所用的
時間為△t，則:
（4.2）
若手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為ω，起動過程所轉(zhuǎn)過的角度為△φ，則:
(4.3)
式中:J—參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 (N·㎝·s2);
J1—工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 (N·㎝·s2)。
若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量J1為:
（4.4）
式中:Jc—工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量(N·㎝·s2):
G1—工件的重量((N);
e1—工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm),
ω—手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s);
△t一起動過程所需的時間(S);
△φ—起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。
2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏
(N·㎝) （4.5）
式中:G3—手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N);
e3—手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(㎝). 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則G1 e1=0.
3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩M摩
(4.6)
式中:d1d2—手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm);
f一軸承摩擦系數(shù)，對于滾動軸承f=0. 01，對于滑動軸承f=0.1；
RARB—軸頸處的支承反力((N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解，
根據(jù)∑MA(F)=0得:
（4.7）
同理，根據(jù)∑MB (F)=0得:
（N） （4.8）
式中:G2—手部的重量(N)
L，L1，L2，L3—如圖4-1所示的長度尺寸(cm).
4．回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析[16]。
在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖4.2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉J氣缸的壓力p和驅(qū)動力矩M的關(guān)系為:
（4.9）
圖4.2 回轉(zhuǎn)氣缸簡圖
式中:M—回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩((N·㎝);
P—回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力((N·㎝);
R—缸體內(nèi)壁半徑(cm);
r—輸出軸半徑(cm);
b—動片寬度(cm).
上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應(yīng)代以工作壓力P1與背壓P2之差。
5 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計
按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實現(xiàn)的立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動由氣缸來實現(xiàn)。
5.1 手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分
5.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
手臂的伸縮是直線運(yùn)動，實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動采用的是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時，氣壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運(yùn)動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。在本機(jī)械手中采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性[17]。
該機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)如附圖所示，現(xiàn)將其工作過程描述如下:
手臂主要由雙作用式氣缸1、導(dǎo)向桿2、定位拉桿3和兩個可調(diào)定位塊4等組成。雙作用式氣缸1的缸體固定，當(dāng)壓縮空氣分別從進(jìn)出氣孔c、e進(jìn)入雙作用式氣缸1的兩腔時，空心活塞套桿6帶動手腕回轉(zhuǎn)缸5和手部一同往復(fù)移動。在空心活塞套桿6中通有三根伸縮氣管，其中兩根把壓縮空氣通往手腕回轉(zhuǎn)氣缸5，一根把壓縮空氣通往手部的夾緊氣缸。在雙作用式氣缸1缸體上方裝置著導(dǎo)向桿2，用它防止活塞套桿6在做伸縮運(yùn)動時的轉(zhuǎn)動，以保證手部的手指按正確的方向運(yùn)動。為了保證手嘴伸縮的快速運(yùn)動。在雙作用式氣缸1的兩個接氣管口c、e出分別串聯(lián)了快速排氣閥.手臂伸縮運(yùn)動的行程大小，通過調(diào)整兩塊可調(diào)定位塊4的位置而達(dá)到。手臂伸縮運(yùn)動的緩沖采用液壓緩沖器實現(xiàn).手腕回轉(zhuǎn)是由回轉(zhuǎn)氣缸5實現(xiàn)，并采用氣缸端部節(jié)流緩沖，其結(jié)構(gòu)見剖面圖;在附圖中所示的接氣管口a、b是接到手腕回轉(zhuǎn)氣缸的;d是接到手部夾緊氣缸的。直線氣缸1內(nèi)的三根氣管采用了伸縮氣管結(jié)構(gòu)，其特點是機(jī)械手外觀清晰整齊，并可避免氣管的損傷，但加工工藝性較差。另外活塞套桿6做成筒狀零件可增大活塞套桿的剛性，并能減少充氣容積，提高氣缸活塞套桿的運(yùn)動速度。
5.1.2 導(dǎo)向裝置
氣壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運(yùn)動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。
目前常采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿等，在本機(jī)械手中采用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性[18]。
5.1.3 手臂伸縮驅(qū)動力的計
手臂作水平伸縮時所需的驅(qū)動力:
圖4.3所示為活塞氣缸驅(qū)動手臂前伸時的示意圖。在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅(qū)動力和壓力之間的關(guān)系式不一樣。當(dāng)壓力油(或壓縮空氣)輸入工作腔時，驅(qū)使手臂前伸(或縮回)，其驅(qū)動力應(yīng)克服手臂在前伸(或縮回)起動時所產(chǎn)生的慣性力，手臂運(yùn)動件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力[19]。
圖5.3 手臂伸出時的受力狀態(tài)
因此，驅(qū)動力計算公式為[20]:
P驅(qū)= P慣+P摩+P封+P背 N （5.1)
式中: P慣—手伶在起動過程中的慣性力(N);
P摩—摩擦阻力(包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N);
P封—密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻力不 同。
P背—氣缸非工作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與油箱或大氣相連時，則 P背=0。
5.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分
5.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
其結(jié)構(gòu)如附圖所示。手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱1、升降缸活塞軸2、升降缸體3、碰鐵4、可調(diào)定位塊5、定位拉桿6、緩沖撞鐵7、定位塊聯(lián)接盤13和導(dǎo)向桿14等組成。轉(zhuǎn)柱1上鉆有a、b、c、d、e和f六條氣路，在轉(zhuǎn)柱上端用管接頭和氣 管分別將壓縮空氣引到手腕回轉(zhuǎn)氣缸(用a、b氣路)，手部夾緊氣缸( 用d氣路)和手臂伸縮氣缸(用c、e氣路)，轉(zhuǎn)柱下端的f氣路，將壓縮空氣引到升降缸上腔，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入上腔后，推動升降缸體3上升，并由兩個導(dǎo)向桿14進(jìn)行導(dǎo)向，同時碰鐵4隨升降缸體3一同上移，當(dāng)碰觸上邊的可調(diào)定位塊5后，即帶動定位拉桿6、緩沖撞鐵7向上移動碰觸升降用液壓緩沖器進(jìn)行緩沖。當(dāng)J、K兩面接觸時而定位。上升行程大小通過調(diào)整可調(diào)定位塊5來實現(xiàn)。最大可調(diào)行程為170mm,緩沖行程根據(jù)抓重和手臂移動速度的要求亦可調(diào)整，其范圍為15-30㎜，故上升行程最大值為200mm。手臂下降靠自重實現(xiàn)[21]。
實現(xiàn)機(jī)械手手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的， 常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。在本機(jī)械手中，手臂回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)缸體10、轉(zhuǎn)軸11 (它與動片焊接成一體，見E-E剖面)、定片12、回轉(zhuǎn)定位塊8、回轉(zhuǎn)中間定位塊9和回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器(此部件位置參見附圖) 等組成。當(dāng)壓縮空氣通過管路分別進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的兩腔時，推動動片連同轉(zhuǎn)軸一同回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過平鍵而帶動升降氣缸活塞軸、定位塊聯(lián)接盤、導(dǎo)向桿、定位拉桿、升降缸體和轉(zhuǎn)柱等同步回轉(zhuǎn)。因轉(zhuǎn)柱和手臂用螺栓連接，故手胃亦作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。
手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好，對氣缸孔的機(jī)械加工精度也易于保證。
手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動采用多點定位緩沖裝置。手臂回轉(zhuǎn)角度的大小，通過調(diào)整兩塊回轉(zhuǎn)定位塊8和回轉(zhuǎn)中間定位塊9的位置而定[22]。
5.3 手臂伸縮氣缸的設(shè)計
1、驅(qū)動力計算[23]
根據(jù)手臂伸縮運(yùn)動的驅(qū)動力公式: （N）
其中，由于手臂運(yùn)動從靜止開始，所以△v=v。
摩攘系數(shù):設(shè)計氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查有關(guān)手冊可知f=0.17。
質(zhì)量計算:手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、手臂回轉(zhuǎn)氣缸、夾緊氣缸、手臂伸縮用液壓緩沖器、手爪及相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國煙臺氣動元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時測量設(shè)計的有關(guān)尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時其質(zhì)量為70kg，放松物件后其質(zhì)量為55kg.接觸面積:S=0. 5㎡
則上料時:Ff =70×10 ×0. 5=350 (N)
=350+70 × 600 × 10-3/0.05
=1540(N)
下料時:Ff =55 ×10×0. 5=275 (N)
=275+55 ×600 ×10-3/0.05
=935 (N)
考慮安全因素，應(yīng)乘以安全系數(shù)K=1.2
則上料時:F=1540 ×1. 2=1850 (N)
下料時:F=935 × 1. 2=1120 (N)
2、氣缸的直徑
根據(jù)雙作用氣缸的計算公式:
其中:F1—活塞桿伸出時的推力，N
F2—活塞桿縮入時的拉力, N
d—活塞直徑，㎜
P—氣缸工作壓力，Pa
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:當(dāng)推力做功時
=[4 ×1850/(π×5×105×0.4)]?
=108.5 (mm)
當(dāng)拉力做功時
D= (1.01-1.09)·(4F2/πpη) ?
=(1.01～1.09) (4 × 1122/(π×5×105×0.4)) ?
=92.12 (mm)
圓整后，取D=100mm
3、活塞桿直徑的計算[24]
根據(jù)設(shè)計要求，此活塞桿為空心活塞桿，目的是桿內(nèi)將裝有3根伸縮管。因此，活塞桿內(nèi)徑要盡可能大，假設(shè)取d=70mm, d0=56mm.校核如下:(按縱向彎曲極限力計算)
氣缸承受縱向推力達(dá)到極限力Fk以后，活塞桿會產(chǎn)生軸向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，必須使推力負(fù)載(氣缸工作負(fù)載F，與工作總阻力F:之和)小于極限力Fk。
該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。有關(guān)公式為:
式中:L—活塞桿計算長度，m
K—活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑,空心桿 m
d0—空心活塞桿內(nèi)孔直徑，m
A1—活塞桿橫截面積, 空心桿,㎡
f—材料強(qiáng)度實驗值，對鋼取f=2.1 ×107 Pa
a—系數(shù)，對鋼a=1/5000
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:
=573 (KN)
推力負(fù)載為:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: Ft+ Fz=π/4×0.4×106(100×10-3)2=3142 (N)
Ft+ Fz=<
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