機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)—氣動(dòng)機(jī)械手

1、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)2010-2011 第 2 學(xué)期某某：班級(jí)：指導(dǎo)教師:成績(jī)：日期：2011年7月、八,、刖言工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)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(dòng)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(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量， 提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)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(jì)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(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不

2、是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反響和分析判斷能力，又有機(jī)器 可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、準(zhǔn)確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn) 化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以與非產(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(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的局部動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要某某現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)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(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率：可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì) 量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在咼溫、咼壓、低溫、低壓、粉塵、

3、易爆、有毒氣體和放射性 等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)展正常的工作，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、裝配以與輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到 越來(lái)越廣泛的引用機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比擬簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)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)的開展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí) 現(xiàn)重復(fù)操作，適用X圍比擬廣的“程序控制通用機(jī)械手，簡(jiǎn)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。目錄摘要5第一章機(jī)械手概況7機(jī)械手的組成和分類7第二章機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案13 機(jī)械手的座

4、標(biāo)型式與自由度14 2.2機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)15 2.3機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)15 2.4機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)15 2.5機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)16 2.6機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)16 機(jī)械手的主要參數(shù)16 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表17第三章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)193. 1手部設(shè)計(jì)19第四章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)28手腕的自由度284.2手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算28第五章手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)局部34手臂升降和回轉(zhuǎn)局部37 手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì)38 手臂伸縮、升降用液壓緩沖器42 手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器42第六章氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)43 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖43 第七章機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì)457.1可編程序控

5、制器的選擇與工作過(guò)程 45 可編程序控制器的使用步驟47 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 49結(jié)論51摘要本文簡(jiǎn)要地介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，機(jī)械手的自由度和 座標(biāo)型式，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，PLC空制的特點(diǎn)與國(guó)內(nèi)外的開展?fàn)顩r。本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)展了總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度，確定了 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，分別設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)以與吸附式手部結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計(jì)算出了手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力 矩;設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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。設(shè)計(jì)出了機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原

6、理圖。利用可編程序 控制器對(duì)機(jī)械手進(jìn)展控制，選取了適宜的 PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定了可編 程序控制器的控制方案，畫出了機(jī)械手的工作時(shí)序圖和梯形圖，并編制了可編程序控 制器的控制程序。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人，機(jī)械手，氣動(dòng)，可編程序控制器(PLC)ABSTRACTThis article briefly in troduces the con cept of in dustrial robots, robot formati on an dclassificati on of degrees of freedom and the coord in ates of the man ipula

7、tor model, the characteristics of pn eumatic tech no logy,PLC con trolfeatures and stateof developme nt at home and abroad .In this paper, the overall mecha ni cal desig n in hand, to determ ine the coord in ates of the man ipulator types and degrees of freedom to determ ine the tech ni cal paramete

8、rs of the man ipulator. At the same time, were desig ned man ipulator gripper-type hand structure and the adsorption of hand structure; designed manipulator wrist structure, calculated the wrist rotation required driving torque and the rotary cylinderdrivingtorque;designed a manipulatorarmstructure,

9、 designed telescopic arm, liftingthe hydraulic shock absorberand the rotary hydraulic shock absorberarm.Desig nedpn eumaticman ipulator system, ren deri ng the work of the mecha ni cal hand pressure system schematic. Programmable logic con troller tocon trolthemanipulator,select the appropriatePLC t

10、ype, according to the workflowmanipulatordeveloped PLC control program, draw a timing diagrammanipulatorand ladder work, and prepared to programmed controllercon trol program.KEY WORDSndustrial robot, robot, pn eumatic, programmable logic con troller (PLC)氣動(dòng)機(jī)械手機(jī)械手的組成和分類機(jī)械手的組成第一章機(jī)械手概況機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)

11、、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以與 位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框 圖2-1所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)（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(dòng)形式有回 轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng) 用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比擬復(fù)雜， 但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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 X圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的外表形狀、被抓部位 （是外廓或

12、是內(nèi)孔）和物件的重量與尺寸。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)如此通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放 物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，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 彈簧式和重力式等。吸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(duì)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(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以與有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸

13、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 手的澆包局部）、托式（如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手 部）等型式.2、手腕手腕手臂是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物 件的方位（即姿勢(shì)）。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(dòng)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(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)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(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，

14、 以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。am 時(shí)和就上下圜驗(yàn)mt4兩88詡齡合【艸駆祝1誦醮6躺齡（瑙砒起姒手臂可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)如下立柱手臂在進(jìn)展伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線 的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能 承當(dāng)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以與手臂回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件 受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有：?jiǎn)螆A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局 部，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)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(dòng)的，但因工作 需要，有時(shí)也可作橫向

15、移動(dòng)，即稱為可移式立柱。行走機(jī)構(gòu)機(jī)座驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)位置檢測(cè)裝置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X圍時(shí)，可在機(jī)座上安 裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn) 動(dòng)。滾滾輪輪式式布行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無(wú)軌的兩 種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)如此應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。6機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的根底局部，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部 件和驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力 裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。 常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī) 械傳動(dòng)。（三）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手

16、按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)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。控制系統(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(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令 信息（如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間），同時(shí) 按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令， 必要時(shí)可對(duì) 機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)展監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即 發(fā)出報(bào)警信號(hào)。（四）位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī) 構(gòu)的實(shí)際位置反響給控制 系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)展比擬，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn) 展調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手的分類以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。機(jī)械手的分類工業(yè)機(jī)械手的種類很

17、多，關(guān)于分類的問(wèn)題，目前在 國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用 X圍、驅(qū)動(dòng)方 式和控制系統(tǒng)等進(jìn)展分類。（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(wú)獨(dú)立控制系 統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和 造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī) 械手和“加口工中心"附屬的自動(dòng)換刀機(jī)械手。2、通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作 靈活多樣的機(jī)械手。在規(guī)格性能 X圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是 可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和 控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手

18、的工作 X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(dòng)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(jiǎn)易 型和伺服型兩種：簡(jiǎn)易型以“開一關(guān)式控制定位，只 能是點(diǎn)位控制：伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可 以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)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。液壓傳動(dòng)機(jī)械 手氣壓傳動(dòng)機(jī)械 手機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械 手電力傳動(dòng)機(jī)械 手（一）按驅(qū)動(dòng)方式分1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：抓重可達(dá)幾 百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密 封裝置要求嚴(yán)格，不然油 的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、

19、低溫下工作。假如機(jī)械 手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)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咼，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，本錢咼。2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械 手。其主要特點(diǎn)是：介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣 動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本錢低。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)展工作。3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如凸輪、連桿、齒輪和齒條、 間歇機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工

20、作主機(jī) 的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要 特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)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(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、 直線電機(jī)或功率步進(jìn) 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的 運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目點(diǎn)位控制連續(xù)軌跡控制機(jī)械手的設(shè)計(jì) 萬(wàn)案前還不多，但有開展前途。（三）按控制方式分1、點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng) 過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。假如欲控 制的點(diǎn)數(shù)多，如此必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目

21、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(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線， 其特點(diǎn)是設(shè) 定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn) 平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用 X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(jì)算機(jī)進(jìn)展控制。第二章機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的根本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放 和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反響、一定的承載能力、足夠的工 作空間和靈活的自由度與在任意位置都能自動(dòng)疋位等特性。 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原 如此是：充分分析作業(yè)對(duì)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

22、特性，定位精機(jī)械手的座標(biāo) 型式與自由度度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確疋對(duì)機(jī)械 手結(jié)構(gòu)與運(yùn)行控制的要求；盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)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.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動(dòng)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(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng) 強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。它可用于操作環(huán)境 惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式與其組合情況，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(shí)手臂具有升降、收縮與 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此

23、，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具 有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增 加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度圖2-1所示為機(jī)械手的手指、手腕、手臂的運(yùn)動(dòng)示 意圖。機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)圖2-1機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖2.2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(shí)，使用夾持式 手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，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(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(dòng)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)

24、動(dòng)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(jì)機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)機(jī)械手的主要參數(shù)按照 抓 取 工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè) 自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。 手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫 向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí) 現(xiàn)。2.5機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反響靈敏，阻力損 失和泄漏較小，本錢低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方 式。2.6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(shí)使用點(diǎn)位控制，因此 我們采用可編程序控制器（PLC）對(duì)機(jī)械手進(jìn)展控制。當(dāng) 機(jī)械手的動(dòng)作流

25、程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)， 非常方便快捷。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(dòng)作時(shí)抓重減半。使 用吸盤式手部時(shí)可吸附5公斤的重物。2、根本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的根本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求， 設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制 了它的使用X圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是 手臂伸縮與回轉(zhuǎn)的速度。機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為/S ,最大回轉(zhuǎn)速度設(shè) 計(jì)為1200° /s，平均移動(dòng)速度為lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度 為 900° /s。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的

26、加、減速度存在， 用速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c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(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的根本參數(shù)還有伸縮 行程和工作半徑。大局部機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著 或站著且略有走動(dòng)操作的空間。 過(guò)大的伸縮行程和工作 半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況 下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比擬，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X圍 定為2400（應(yīng)大于180否如此需安裝多只手臂），又由于 該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝 X圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使 用X圍。手

27、臂升降行程定為150mm定位精度也是根本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度 為土 0.5 土 lmm一、用途：用于100噸以上沖床上下料。二、設(shè)計(jì)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)P 2bN RPN =49R0 N4個(gè)自由度3、坐標(biāo)型式圓柱坐標(biāo)4、最大工作半徑1500mm5、手臂最大中心高1380mm6手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程600mm伸縮速度 500mm/s升降行程200mm升降速度 300mm/s回轉(zhuǎn)X圍 0。240 °回轉(zhuǎn)速度90°7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)回轉(zhuǎn)X圍 0。180 °回轉(zhuǎn)速度 180° /s8、手指夾持X圍棒料：

28、80150mm片料：面積不大于Z9、定位方式行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等10、定位精度士11、緩沖方式液壓緩沖器氣壓傳動(dòng)13、控制方式點(diǎn)位程序控制（采用PLC）1.5 2P實(shí)際4900.941563 N圖2- 6機(jī)械手的工作X圍CfGdi438D1 n=3677.46N/m第三章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)D=65.23(mm)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)工活塞桿直徑 d=18mm件是棒料時(shí)，使用夾持式手部：當(dāng)工件是板料時(shí)，使用 氣流負(fù)壓式吸盤。3. 1手部設(shè)計(jì)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)手部結(jié)構(gòu)

29、設(shè)計(jì)手指的形狀和 分類設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題卡式（或內(nèi)漲式）和外夾式兩種：按模仿人手手指的動(dòng) 作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型 （或稱直進(jìn)型），其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為根本型式。當(dāng)二 支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小 時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指；同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn) 型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn) 型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。 移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比擬復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指 夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題（一）具有足夠的握力（即夾緊力）在確疋手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考

30、 慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證 工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。（二）手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指X開與閉合的兩個(gè)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，假如夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件 考慮。對(duì)于移動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的DPp/2D =80 mm手部夾緊氣缸 的設(shè)計(jì)手部

31、驅(qū)動(dòng)力計(jì) 算慣性力和振動(dòng)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(jiǎn)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。（五）考慮被抓取對(duì)象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比擬，我們采用的機(jī) 械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn) 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成 V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示.手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖 3-2所示，其工 件重量G=10公斤，“V"形手指的角度2 =120°， b=120mm R=24mm摩擦系數(shù)為 f=0.10 。圖3-2齒輪齒條式手部氣缸的直徑(1)

32、根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為：P竺NR(2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式：N 0.5Gtg()0.5 10 tg 605 4250 N所以：PN =490 NR(3) 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力：KiK2P實(shí)際P丄三因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取=0.94，并取K,=1.5.假如被抓取工件的最大加速度取 a=g時(shí)，如此：K21 a 2g所以：1 5 2P實(shí)際 4901563 N0.94所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為1563N2、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制彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為：F1 嚴(yán) Ft F

33、z4式中：F1 活塞桿上的推力，NFt 彈簧反作用力，NFz氣缸工作時(shí)的總阻力，NP氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算：Ft Cf 1 SCGdi4f 8D13 nDt D2 d1式中：Cf彈簧剛度，N/mL彈簧預(yù)壓縮量，mS活塞行程，md1 彈簧鋼絲直徑，mDt 彈簧平均直徑，mD2彈簧外徑，mn彈簧有效圈數(shù)G彈簧材料剪切模量，一般取G-79.4X1護(hù)Pa在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率幾的影響，如此：F1D4PFt4由以上分析得單向作用氣缸的直徑：114 F1 FtD ¥r代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得：CGd14f 8D13 nD=16.92(cm)缸筒壁厚的設(shè)93 4379.4 1 09 3

34、.5 1 0 3 / 8 30 1 0 3 1 53677.46 N /mFt Cf 1 S33367.6 60 10220.6N4 F1 Ft所以：D 1 P6 1/24490 220.6 /0.5 106 0.465.23 mm查有關(guān)手冊(cè)圓整，得D=65 mm由d/D=0.20.3 , 可得活塞桿直徑:d=(0.20.3)D=13 19.5 mm圓整后，取活塞桿直徑d=18 mm校核，按公式 Ft 2/4d2有：d 4Ft/1/2其中 =120MPa, Ft=750N如此:d (4 490/120)1/2=2.28 18滿足設(shè)計(jì)要求。3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì)缸筒直接承受壓縮空氣壓力， 必須有一定

35、厚度。 一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于 1/10，其壁 厚可按溥壁筒公式計(jì)算：DPp/2式中：6缸筒壁厚mmD氣缸內(nèi)徑，咖Pp實(shí)驗(yàn)壓力，取PptPa材料為：ZL3, =3MPa代入己知數(shù)據(jù)，如此壁厚為：DPp/2=65 6 105/ 2 3 10610 3=6.5 mm取 =7.5 mm 2 =80 mm。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 X以與薄壁易碎 的玻璃器皿、弧形殼體零件等，尤其是玻璃器皿與非金 屬薄片，吸附效果更 為明顯。氣流負(fù)壓式吸盤氣流負(fù)壓式與鉗爪式手部相比擬，氣流負(fù)壓式手部

36、具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，外表吸附力分布均勻，但要求所吸附外表平整光滑、無(wú) 孔和無(wú)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)疋流動(dòng)狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)氣體 經(jīng)過(guò)噴嘴的每一個(gè)截面的氣體質(zhì)量均相等。因此，在最 簡(jiǎn)單的情況下，低流速（咼壓強(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(dòng)方向截面收縮到最小處 X時(shí)即臨界面積）

37、，流速達(dá) 到臨界速度即音速，此時(shí)壓力近似為噴嘴進(jìn)口處的壓力 之半，即- 0.52 8P,。為了使噴嘴出口處的壓力低于 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。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(shí)，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(shí)，離

38、噴射氣體越遠(yuǎn)的 氣體被帶著向前運(yùn)動(dòng)的速度就越低，同時(shí)間隙過(guò)大，從 噴嘴套出口處反流回來(lái)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(duì)位置是可以調(diào)節(jié)的，以便 改變間隙的大小。 下面計(jì)算吸盤的直徑.吸盤吸力的計(jì)算公式為：P= n D24K1K2K3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分吸盤數(shù)量，本機(jī)械手吸盤數(shù)量為1;Ki吸盤吸附工件在起動(dòng)時(shí)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)。假如板料間有油膜存在如此要求

39、吸附力大些；假如裝有分料器，如此吸附力就可小些。另外工件 從模具取出時(shí)，也有摩擦力的作用，同時(shí) 還應(yīng)考慮吸盤在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于加速運(yùn)動(dòng) 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（13）的X圍內(nèi)選取。在此，取K2=2 :K3方位系數(shù)，吸盤垂直吸附時(shí)，如此K3=1/f，f為摩擦系數(shù)，橡膠吸盤吸附金屬材料時(shí)， 取戶0.50.8;當(dāng)吸盤水平吸附時(shí)，取K3=l。在此，取K3=5.代入數(shù)據(jù)得：|'P 4 K1 K2 K3D T*n'50 4 1.5 2 1.5V1 3.14=16.92 cm3手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手腕的自由度第四章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，

40、同時(shí)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(dòng)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(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或 改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械 手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)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(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要 求。目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn) 油（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。4.2手

41、腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算手腕的驅(qū)動(dòng)力 矩的計(jì)算腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所愉的驅(qū)動(dòng)力矩手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所愉的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng) 手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克制手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以 與由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)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。圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：W = M慣 + M 偏 + M 摩 +M封 cm (4-1)式中：M驅(qū)驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩(Kg cm);M慣慣性力矩(Kg cm);M偏參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手

42、部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片)對(duì)轉(zhuǎn) 動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 (Kg cm),.M摩手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩(Kg cm);M封手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與疋片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 (Kg cm );下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì) 算：1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣假如手腕起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角 速度為，起動(dòng)過(guò)程所用的 時(shí)間為t，如此：M 慣=J J (N.cm)假如手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度為，如此：2M 慣=J J1 £(N.cm)式中：J參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(N cm- s2);J1工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸

43、線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2(N cm- s );。假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為：G12J1 J g8gJ g工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2(N cm- s );G 工件的重量(N);e工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm)-,手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s);t起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間(S),起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度(弧度)。2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重 力矩M偏M偏=G1 qG3e3式中：G 3手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N);e 3手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm).當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，如此GeO .3、 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩M摩M摩=f RAd2 RBd!式

44、中：d 1、d2手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm);f軸承摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承f=0.01 ，對(duì)于滑動(dòng)軸承f=0.1;RA、Rb軸頸處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解， 根據(jù) mA F 0得：RB l+G3l 3=G2l 2 + G1l 1回轉(zhuǎn)氣缸同理，根據(jù)mB F0得：Gili G2I2 G3I3Ra =l式中:G 2手部的重量(N)1、丨2、丨3如圖4-1所示的長(zhǎng)度尺寸(cm).4、回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)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。回轉(zhuǎn)氣缸在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉 片回轉(zhuǎn)氣缸，它的二理如圖4-2所

45、示，定片1與缸體2 固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分隔 成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4 回轉(zhuǎn)，如此低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順 時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。單葉J氣缸的壓力p和驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān) 系為：pb R2 r2.M 4-92十2M或：P -2廠b R r圖4-2回轉(zhuǎn)氣缸簡(jiǎn)圖式中：M-回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩(N cm);P-回 轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力(N cm);R-缸 體 內(nèi)壁 半徑(cm);r-輸出軸半徑(cm);b 動(dòng)片寬度(cm).上述驅(qū)動(dòng)矩和壓力的關(guān)系式是對(duì)于低壓腔背壓為 零的情況下而言的。假如低壓腔有一定的背壓，如此上 式中的P應(yīng)代以工作壓力Pi與背壓R之差第

46、五章手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由 度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手 臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向 移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂的伸縮是直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)米用的 是氣壓驅(qū)動(dòng)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)用比擬多。 同時(shí)，氣 壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)展伸縮（或升降）運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了 防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向

47、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(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部 件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)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。該機(jī) 械 手 的手臂結(jié)構(gòu)如附圖所示，現(xiàn)將其工作 過(guò)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(gè)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(shí)，空心活塞套桿6帶動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)缸 5和手部一同往復(fù)移動(dòng)。在空心活塞套桿6中通有二根伸縮氣管，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

48、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(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)，上料時(shí)：F=15401.2=1850(N)下料時(shí):F=9351.2=1120(N)以保證手部的手指按正確的方向運(yùn)動(dòng)。為了保證手嘴伸縮的快速運(yùn)動(dòng)。在雙作用 式氣缸1的兩個(gè)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(dòng)的行程大 小，通過(guò)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(dòng)的緩沖采用液壓緩沖器實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)是由回轉(zhuǎn)氣缸5實(shí)現(xiàn)，并采用氣缸端部節(jié) 流緩沖，其結(jié)構(gòu)見A-A 剖面；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

49、氣管結(jié)構(gòu)， 其特點(diǎn)是機(jī)械手外觀清晰、 整齊，并可防止氣管的損傷，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(dòng)速度。氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)展伸縮（或升降）運(yùn)動(dòng) 時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少 運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)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)

50、向桿來(lái)增加手臂的剛 性和導(dǎo)向性。手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算D=100mm手臂作水平伸縮時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力手臂伸縮驅(qū)動(dòng) 力的計(jì)算圖4-3手嘴伸出時(shí)的受力狀態(tài)圖4- 3所示為活塞氣缸驅(qū)動(dòng)手臂前伸時(shí)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(dòng)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(shí)，驅(qū)使手臂前伸（或縮回），其驅(qū)動(dòng)力 應(yīng)克制手臂在前伸（或縮回）起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力，手 臂運(yùn)動(dòng)件外表之間的密封裝置處的摩擦阻力，以與回油 腔壓力（即背壓）所造成的阻力，因此，驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式 為：P驅(qū)=P慣+ P摩+ P密+ P背N5-1式中:P慣手伶在起動(dòng)過(guò)程中的慣性力（N

51、）;P摩一一摩擦阻力（包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之 間的摩擦阻力）（N）;FfFzP密一一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。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)P背一一氣 缸 非工 作腔壓力（即背壓）所造成的 阻力（N），假如非工作腔與油箱或大氣相連時(shí)，如此P背=0。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,

52、 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(dòng)升降缸體 3上升，并 由兩個(gè)導(dǎo)向桿14進(jìn)展導(dǎo)向，同時(shí)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(dòng)定位拉桿6,緩沖撞鐵7向上移動(dòng)碰觸升降用液壓緩沖 器進(jìn)展緩沖。當(dāng)J, K兩面接觸時(shí)而定位。上升行程大小通過(guò)調(diào)整可調(diào)定位塊5來(lái)實(shí)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(dòng)速度的要求亦可 調(diào)整，其X圍為15-30mm,故上升行程最大值為200mm手臂下降靠自重實(shí)現(xiàn)。<<Fk女全。設(shè)計(jì)付 合要求。=12 mm手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣 的，常用

53、的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng) 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(dòng)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(guò)管路分別進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的兩腔時(shí)，推動(dòng)動(dòng)片連同 轉(zhuǎn)軸一同回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過(guò)平鍵而帶動(dòng)升降氣缸活塞軸、 疋位塊聯(lián)接盤、導(dǎo)向桿、疋位拉桿、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(dòng)。手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來(lái)密封，密封性能較 好，對(duì)氣缸孔的機(jī)械加工 精度也易于保證。手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用多點(diǎn)定位緩沖裝置，其工作原理 見回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器局部。手臂回轉(zhuǎn)角度的大小，通過(guò) 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。1 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算根據(jù)手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力公式：F=Ff + -一t其中，由于手臂運(yùn)動(dòng)從靜止開始，所以 v=v, 摩攘系數(shù):設(shè)計(jì)氣缸材料為ZL3,活塞材料為45鋼， 查有關(guān)手冊(cè)可知f=0.17.質(zhì)量計(jì)算：手臂伸縮局部主要 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、手爪與相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標(biāo) 準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國(guó)某某氣動(dòng)元件廠的產(chǎn)品樣本可估氣缸的直徑其質(zhì)量，同時(shí)測(cè)量設(shè)計(jì)的有關(guān)尺寸，得