毕业设计(论文)机械手的设计.doc

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1、毕业设计(论文)机械手的设计 机械手的设计本文简要地介绍了工业机器人的概念机械手的组成和分类机械手的自由度和座标型式气动技术的特点PLC控制的特点及国内外的发展状况本文对机械手进行了总体方案设计确定了机械手的座标型式和自由度确定了机械手的技术参数同时分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构设计了机械手的手腕结构计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩设计了机械手的手臂结构设计了手臂伸缩升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器设计出了机械手的气动系统绘制了机械手气压系统工作原理图利用可编 程序控制器对机械手进行控制选取了合适的PLC型号根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器

2、的控制方案画出了机械手的工作时序图和梯形图并编制了可编程序控制器的控制程序关键词工业机器人机械手气动可编程序控制器 PLC Design on the Currency Pneumatic Loadingand Unloading ManipulatorABSTRACTAt firstthe paper introduces the conception of the industrial robot and the elertary information of the development briefly Whats morethe paper accounts for backgrou

3、nd and the primary mission of thetopicThe paper introduces the functioncomposing and classification of the manipulatortells out the free-degree and the form of coordinateAt the same timethe paper gives out the primary specification parameter of this manipulatorThis paper designs the structure of the

4、 hand and the equipment of the drive of the manipulatorand analyzes the error of the orientation of the fingersThe paper designs the structure of the wristcomputes the neededmoment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pumpThe paper designs the structure of the armand

5、 designs the hydraulic pressure buffer when the manipulators arm flexesascenddescend and wheels The paper designs the system of air pressured rive and draws the work principle chairThe manipulator uses PLC to controlThe paper institutes two controls chemes of PLC acordine to the work flow of the man

6、ipulatorThe paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chartWhats morethe paper work out the control program of the PLCKEY WORDS industrial robot manipulator pump air pressure drive PLC第一章 绪 论11机械手概述工业 机 器 人由操作机 机械本体 控制器伺服驱动系统和检测传感装置构成是一种仿人操作自动控制可重复编程能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备特别适合于

7、多品种变批量的柔性生产它对稳定提高产品质量提高生产效率改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用机器人技术是综合了计算机控制论机构学信息和传感技术人工智能仿生学等多学科而形成的高新技术是当代研究十分活跃应用日益广泛的领域机器人应用情况是一个国家工业自动化水平的重要标志机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力又有机器可长时间持续工作精确度高抗恶劣环境的能力从某种意义上说它也是机器的进化过程产物它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备机械手是模仿着人手的部分动

8、作按给定程序轨迹和要求实现自动抓取搬运或操作的自动机械装置在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率可以减轻劳动强度保证产品质量实现安全生产尤其在高温高压低温低压粉尘易爆有毒气体和放射性等恶劣的环境中它代替人进行正常的工作意义更为重大因此在机械加工冲压铸锻焊接热处理电镀喷漆装配以及轻工业交通运输业等方面得到越来越广泛的引用机械手的结构形式开始比较简单专用性较强仅为某台机床的上下料装置是附属于该机床的专用机械手随着工业技术的发展制成了能够独立的按程序控制实现重复操作适用范围比较广的程序控制通用机械手简称通用机械手由于通用机械手能很快的改变工作程序

9、适应性较强所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用12机械手的组成和分类121机械手的组成机械手主要由执行机构驱动系统控制系统以及位置检测装置等所组成各系统相互之间的关系如方框图2-1所示图1-1机械手的组成方框图Figl-1 Pane Chart of Composition of Manipulator 一 执行机构包括手部 手腕手臂和立柱等部件有的还增设行走机构1手部即与物件接触的部件由于与物件接触的形式不同可分为夹持式和吸附式手部夹持式手部由手指 或手爪 和传力机构所构成手指是与物件直接接触的构件常用的手指运动形式有回转型和平移型回转型手指结构简单制造容易故应用较广泛平移

10、型应用较少其原因是结构比较复杂但平移型手指夹持圆形零件时工件直径变化不影响其轴心的位置因此适宜夹持直径变化范围大的工件手指结构取决于被抓取物件的表面形状被抓部位 是外廓或是内孔 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夹式和内撑式指数有双指式多指式和双手双指式等而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务传力机构型式较多常用的有滑槽杠杆式连杆杠杆式斜面杠杆式齿轮齿条式丝杠螺母弹簧式和重力式等吸附式手部主要由吸盘等构成它是靠吸附力 如吸盘内形成负压或产生电磁力 吸附物件相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类对于轻小片状零件光滑薄板材料等通常用负压吸盘吸料造成负压的方式有

11、气流负压式和真空泵式对于导磁性的环类和带孔的盘类零件以及有网孔状的板料等通常用电磁吸盘吸料电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生用负压吸盘和电磁吸盘吸料其吸盘的形状数量吸附力大小根据被吸附的物件形状尺寸和重量大小而定此外根据特殊需要手部还有勺式 如浇铸机械手的浇包部分 托式 如冷齿轮机床上下料机械手的手部 等型式2手腕是连接手部和手臂的部件并可用来调整被抓取物件的方位 即姿势 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带动手指去抓取物件并按预定要求将其搬运到指定的位置工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 如油缸气缸齿轮齿条机构连杆机构螺旋机构和凸轮机构等 与驱动源 如液压气

12、压或电机等 相配合以实现手臂的各种运动手臂可能实现的运动如下手臂在进行伸缩或升降运动时为了防止绕其轴线的转动都需要有导向装置以保证手指按正确方向运动此外导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动制动瞬间产生的惯性力矩使运动部件受力状态简单导向装置结构形式常用的有单圆柱双圆柱四圆柱和V形槽燕尾槽等导向型式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转运动和升降 或俯仰 运动均与立柱有密切的联系机械手的立往通常为固定不动的但因工作需要有时也可作横向移动即称为可移式立柱5行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作或扩大使用范围时可在机座上安装滚轮轨道等行走机构

13、以实现工业机械手的整机运动滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置6机座机座是机械手的基础部分机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上故起支撑和连接的作用 二 驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置通常由动力源控制调节装置和辅助装置组成常用的驱动系统有液压传动气压传动电力传动和机械传动 三 控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 或机械挡块定位 系统组成控制系统有电气控制和射流控制两种它支配着机械手按规定的程序运动并记忆人们给予机械手的指令信息 如动作顺序运动轨

14、迹运动速度及时间 同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令必要时可对机械手的动作进行监视当动作有错误或发生故障时即发出报警信号 四 位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统并与设定的位置进行比较然后通过控制系统进行调整从而使执行机构以一定的精度达到设定位置122机械手的分类工业机械手的种类很多关于分类的问题目前在国内尚无统一的分类标准在此暂按使用范围驱动方式和控制系统等进行分类 一 按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种1专用机械手它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机械装置专用机械手具有动作少工作对象单一结构简单使用可靠和造价低等特点

15、适用于大批量的自动化生产如自动机床自动线的上下料机械手和加口工中心附属的自动换刀机械手2通用机械手它是一种具有独立控制系统的程序可变的动作灵活多样的机械手在规格性能范围内其动作程序是可变的通过调整可在不同场合使用驱动系统和控制系统是独立的通用机械手的工作范围大定位精度高通用性强适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种简易型以 开一关式控制定位只能是点位控制 伺服型具有伺服系统定位控制系统可以是点位的也可以实现连续轨迹控制一般的伺服型通用机械手属于数控类型 二 按驱动方式分1 液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手其主要

16、特点是抓重可达几百公斤以上传动平稳结构紧凑动作灵敏但对密封装置要求严格不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响且不宜在高温低温下工作若机械手采用电液伺服驱动系统可实现连续轨迹控制使机械手的通用性扩大但是电液伺服阀的制造精度高油液过滤要求严格成本高2 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手其主要特点是介质李源极为方便输出力小气动动作迅速结构简单成本低但是由于空气具有可压缩的特性工作速度的稳定性较差冲击大而且气源压力较低抓重一般在30公斤以下在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大所以适用于高速轻载高温和粉尘大的环境中进行工作3机械传动机械手即由机械传动机构 如凸轮连杆齿轮和齿

17、条间歇机构等 驱动的机械手它是一种附属于工作主机的专用机械手其动力是由工作机械传递的它的主要特点是运动准确可靠动作频率大但结构较大动作程序不可变它常被用于工作主机的上下料4电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手因为不需要中间的转换机构故机械结构简单其中直线电机机械手的运动速度快和行程长维护和使用方便此类机械手目前还不多但有发展前途 三 按控制方式分1点位控制它的运动为空间点到点之间的移动只能控制运动过程中几个点的位置不能控制其运动轨迹若欲控制的点数多则必然增加电气控制系统的复杂性目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类2连续轨迹控制它的运动轨迹

18、为空间的任意连续曲线其特点是设定点为无限的整个移动过程处于控制之下可以实现平稳和准确的运动并且使用范围广但电气控制系统复杂这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制13国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势 1 工业机器人性能不断提高 高速度高精度高可靠性便于操作和维修 而单机价格不断下降平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元 2 机械结构向模块化可重构化发展例如关节模块中的伺服电机减速机检测系统三位一体化由关节模块连杆模块用重组方式构造机器人整机国外已有模块化装配机器人产品问市 3 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展便于标准化网络化器件集成度提

19、高控制柜日见小巧且采用模块化结构大大提高了系统的可靠性易操作性和可维修性 4 机器人中的传感器作用日益重要除采用传统的位置速度加速度等传感器外装配焊接机器人还应用了视觉力觉等传感器而遥控机器人则采用视觉声觉力觉触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用 5 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人 6 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统而是致力于操作者与机器人的人机交互控制即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统使智能机器人走出实验室进入实用化阶

20、段美国发射到火星上的索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例 7 机器人化机械开始兴起从94年美国开发出虚拟轴机床以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一纷纷探索开拓其实际应用的领域我国的工业机器人从80年代七五科技攻关开始起步在国家的支持下通过七五八五科技攻关目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术生产了部分机器人关键元器件开发出喷漆弧焊点焊装配搬运等机器人其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线 站 上获得规模应用弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上但总的来看我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一

21、定的距离如可靠性低于国外产品机器人应用工程起步较晚应用领域窄生产线系统技术与国外比有差距在应用规模上我国己安装的国产工业机器人约200台约占全球已安装台数的万分之四以上原因主要是没有形成机器人产业当前我国的机器人生产都是应用户的要求一客户一次重新设计品种规格多批量小零部件通用化程度低供货周期长成本也不低而且质量可靠性不稳定因此迫切需要解决产业化前期的关键技术对产品进行全面规划搞好系列化通用化模块化设计积极推进产业化进程我国的智能机器人和特种机器人在863计划的支持下也取得了不少成果其中最为突出的是水下机器人6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平还开发出直接遥控机器人双臂协调控制机器人爬壁

22、机器人管道机器人等机种在机器人视觉力觉触觉声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作有了一定的发展基础但是在多传感器信息融合控制技术遥控加局部自主系统遥控机器人智能装配机器人机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步与国外先进水平差距较大需要在原有成绩的基础上有重点地系统攻关才能形成系统配套可供实用的技术和产品以期在十五后期立于世界先进行列之中14课题的提出及主要任务141课题的提出随着 工 业 自动化程度的提高工业现场的很多易燃易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替这一方面可以减轻工人的劳动强度另一方面可以大大提高劳动生产率例如目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中往往冲压成型这一工

23、序还需要人工上下料既费时费力又影响效率为此我们把上下料机械手作为我们研究的课题现在的机械手大多采用液压传动液压传动存在以下几个缺点 1 液压传动在工作过程中常有较多的能量损失 摩擦损失泄露损失等 液压传动易泄漏不仅污染工作场地限制其应用范围可能引起失火事故而且影响执行部分的运动平稳性及正确性 2 工作时受温度变化影响较大油温变化时液体粘度变化引起运动特性变化 3 因液压脉动和液体中混入空气易产生噪声 4 为了减少泄漏液压元件的制造工艺水平要求较高故价格较高且使用维护需要较高技术水平鉴于以上这些缺陷本机械手拟采用气压传动气动技术有以下优点 1 介质提取和处理方便气压传动工作压力较低工作介质提取容

24、易而后排入大气处理方便一般不需设置回收管道和容器介质清洁管道不易堵塞不存在介质变质及补充的问题2 阻力损失和泄漏较小在压缩空气的输送过程中阻力损失较小 一般仅为油路的千分之一 空气便于集中供应和远距离输送外泄漏不会像液压传动那样造成压力明显降低和严重污染 3 动作迅速反应灵敏气动系统一般只需要002s-03s即可建立起所需的压力和速度气动系统也能实现过载保护便于自动控制 4 能源可储存压缩空气可存贮在储气罐中因此发生突然断电等情况时机器及其工艺流程不致突然中断 5 工作环境适应性好在易燃易爆多尘埃强磁强辐射振动等恶劣环境中气压传动与控制系统比机械电器及液压系统优越而且不会因温度变化影响传动及控

25、制性能 6 成本低廉由于气动系统工作压力较低因此降低了气动元辅件的材质和加工精度要求制造容易成本较低传统 观 点 认为由于气体具有可压缩性因此在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难 尤其在高速情况下似乎更难想象 此外气源工作压力较低抓举力较小虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受而且对于不太复杂的机械手用气动元件组成的控制系统己被接受但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够因此在工业自动化领域里对气动机械手气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑142课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下 1 机械手为通用机械手因此相对于专用机械手来说它的适用面必须更

26、广 2 选取机械手的座标型式和自由度 3 设计出机械手的各执行机构包括手部手腕手臂等部件的设计为了使通用性更强手部设计成可更换结构既可以用夹持式手指来抓取棒料工件又可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件 4 气压传动系统的设计本课题将设计出机械手的气压传动系统包括气动元器件的选取气动回路的设计并绘出气动原理图 6 机械手的控制系统的设计本机械手拟采用可编程序控制器 PLC 对机械手进行控制本课题将要选取PLC型号根据机械手的工作流程编制出PLC程序并画出梯形图第二章机械手的设计方案对气动机械手的基本要求是能快速准确地拾一放和搬运物件这就要求它们具有高精度快速反应一定的承载能力足够的工作空间和灵活的

27、自由度及在任意位置都能自动定位等特性设计气动机械手的原则是充分分析作业对象 工件 的作业技术要求拟定最合理的作业工序和工艺并满足系统功能要求和环境条件明确工件的结构形状和材料特性定位精度要求抓取搬运时的受力特性尺寸和质量参数等从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求尽量选用定型的标准组件简化设计制造过程兼顾通用性和专用性并能实现柔性转换和编程控制本次设计的机械手是通用气动上下料机械手是一种适合于成批或中小批生产的可以改变动作程序的自动搬运或操作设备动强度大和操作单调频繁的生产场合它可用于操作环境恶劣劳动强度大和操作单调频繁的生产场合21机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组

28、合情况其座标型式可分为直角座标式圆柱座标式球座标式和关节式由于本机械手在上下料时手臂具有升降收缩及回转运动因此采用圆柱座标型式相应的机械手具有三个自由度为了弥补升降运动行程较小的缺点增加手臂摆动机构从而增加一个手臂上下摆动的自由度图2-1所示为机械手的手指手腕手臂的运动示意图图 2-1 机械手的运动示意图Fig2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator22 机械手的手部结构方案设计为 了使 机 械手的通用性更强把机械手的手部结构设计成可更换结构当工件是棒料时使用夹持式手部当工件是板料时使用气流负压式吸盘23 机械手的手腕结构方案设计考虑 到 机 械手

29、的通用性同时由于被抓取工件是水平放置因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求因此手腕设计成回转结构实现手腕回转运动的机构为回转气缸24 机械手的手臂结构方案设计按照 抓 取 工件的要求本机械手的手臂有三个自由度即手臂的伸缩左右回转和升降 或俯仰 运动手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的立柱的横向移动即为手臂的横移手臂的各种运动由气缸来实现25 机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速反应灵敏阻力损失和泄漏较小成本低廉因此本机械手采用气压传动方式26 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性同时使用点位控制因此我们采用可编程序控制器 PLC 对机械手进行控制当机械手的动作流程改变时只需

30、改变PLC程序即可实现非常方便快捷27机械手的主要参数1主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多故该机械手主参数定为10公斤高速动作时抓重减半使用吸盘式手部时可吸附5公斤的重物2基本参数运动速度是机械手主要的基本参数操作节拍对机械手速度提出了要求设计速度过低限制了它的使用范围而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度该机械手最大移动速度设计为12ms最大回转速度设计为1200s平均移动速度为lms平均回转速度为900s机械手动作时有启动停止过程的加减速度存在用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面因为平均速度与行程有关故用平均速度表示速度的快慢更

31、为符合速度特性除了运动速度以外手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间过大的伸缩行程和工作半径必然带来偏重力矩增大而刚性降低在这种情况下宜采用自动传送装置为好根据统计和比较该机械手手臂的伸缩行程定为600mm最大工作半径约为1500mm手臂安装前后可调200mm手臂回转行程范围定为2400 应大于180否则需安装多只手臂 又由于该机械手设计成手臂安装范围可调从而扩大了它的使用范围手臂升降行程定为150mm定位精度也是基本参数之一该机械手的定位精度为土05lmm28机械手的技术参数列表一用途用于 100 吨以上冲床上下料二设计技术参数1抓

32、重10公斤 夹持式手部 5公斤 气流负压式吸盘 2自由度数4个自由度3座标型式圆柱座标4最大工作半径1500mm5手臂最大中心高1380mm6手臂运动参数伸缩行程 600mm伸缩速度 500mms升降行程 200mm升降速度 300mms回转范围 0 240回转速度907手腕运动参数回转范围 0 180回转速度 180s8手指夹持范围棒料 80150mm片料 面 积不大于05m Z9定位方式行程 开 关 或可调机械挡块等10定位精度士05mml1缓冲方式液压缓冲器12驱动方式气压传 动13控制方式点位程序控制 采用PLC 图2- 6机械手的工作范围Fig2-6 Work Range of Ma

33、nipulator第三章手部结构设计为了使机械手的通用性更强把机械手的手部结构设计成可更换结构当工件是棒料时使用夹持式手部当工件是板料时使用气流负压式吸盘311手指的形状和分类夹持式是最常见的一种其中常用的有两指式多指式和双手双指式按手指夹持工件的部位又可分为内卡式 或内涨式 和外夹式两种按模仿人手手指的动作手指可分为一支点回转型二支点回转型和移动型 或称直进型 其中以二支点回转型为基本型式当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时就变成了一支点回转型手指同理当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时就成为移动型回转型手指开闭角较小结构简单制造容易应用广泛移动型应用较少其结构比较复杂庞

34、大当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置能适应不同直径的工件312设计时考虑的几个问题 一 具有足够的握力 即夹紧力 在确定手指的握力时除考虑工件重量外还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动以保证工件不致产生松动或脱落 二 手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开若夹持不同直径的工件应按最大直径的工件考虑对于移动型手指只有开闭幅度的要求 三 保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置必须根据被抓取工件的形状选择相应的手指形状例如圆柱形工件采用带V形面的手指以便自动定心 四 具有足够的强

35、度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形当应尽量使结构简单紧凑自重轻并使手部的中心在手腕的回转轴线上以使手腕的扭转力矩最小为佳 五 考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要通过比较我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型由于工件多为圆柱形故手指形状设计成V型其结构如附图所示313手部夹紧气缸的设计1手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如图3-2所示其工件重量G 10公斤V形手指的角度2 120b 120mm R 24mm摩擦系数为f 010 图3-2 齿轮齿条式手部Fig3-2 Gear Whee

36、l Hand根据手部结构的传动示意图其驱动力为根据手指夹持工件的方位可得握力计算公式所以 490N实际驱动力因为传力机构为齿轮齿条传动故取 094 并取 15若被抓取工件的最大加速度取a g 时则所以所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N2气缸的直径本气缸属于单向作用气缸根据力平衡原理单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力其公式为式中 活塞杆上的推力N弹簧反作用力N气缸工作时的总阻力NP气缸工作 压力Pa弹簧反作用按下式计算式中 弹簧刚度NmL 弹簧预压缩量mS活塞行程md弹簧钢丝直径mD弹簧平均直径mD弹 簧外径m n 弹 簧 有效 圈数G 弹簧

37、材料剪切模量一般取G 794X 1 护Pa在设计中必须考虑负载率几的影响则由以上分析得单向作用气缸的直径代入有关数据可得所以查有关手册圆整得D 65 mm由dD O203 可得活塞杆直径d 0203 D 13195 mm圆整后取活塞杆直径d 18 mm校核按公式有 其中 120MPa F 750N则d 4490120 228 18满足设计要求3缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力必须有一定厚度一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于110其壁厚可按薄壁筒公式计算 式中 6 缸筒壁厚 mmD气缸内 径 咖P实验压力取P 15PPa材料为 ZL3 3MPa代入己知数据则壁厚为 65 mm取 75 m

38、m则缸筒外径为D 65752 80 mm32气流负压式吸盘气流负压式吸盘是利用吸盘 即用橡胶或软性塑料制成皮腕 内形成负压将工件吸住它适用于搬运一些薄片形状的工件如薄铁片板材纸张以及薄壁易碎的玻璃器皿弧形壳体零件等尤其是玻璃器皿及非金属薄片吸附效果更为明显气流负压式与钳爪式手部相比较气流负压式手部具有结构简单重量轻表面吸附力分布均匀但要求所吸附表面平整光滑无孔和无油按形成负压 或真空 的方法气流负压式手部可分为真空式气流负压式和挤压排气式吸盘在本机械手中拟采用喷射式气流负压吸盘图 3- 3 喷 射 气 流 原 理 图Fig3-3 Principium Diagram Of Eject Airf

39、low喷射式气流负压吸盘的工作原理如图3-3所示根据流体力学气体在稳定流动状态下单位时间内气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量均相等因此在最简单的情况下低流速 高压强 截面的喷嘴应当具有大面积而高流速 低压强 截面的喷嘴应当具有小面积所以压缩空气由喷嘴进口处A进入后喷嘴开始一段由大到小逐渐收缩而气流速度逐渐增大当沿气流流动方向截面收缩到最小处X时即临界面积 流速达到临界速度即音速此时压力近似为喷嘴进口处的压力之半即 052 8P为了使喷嘴出口处的压力低于Pk必须在喷嘴临界面以后再加一段渐扩段这样可以在喷嘴出口处获得比音速还要大的流速即超音速并在该处建立低压区域使C处的气体不断的被高速流体卷带走如

40、C处形成密封空腔就可使腔内压力下降而形成负压当在C处连接橡胶皮腕吸盘即可吸住工件图 3- 4 所示为可调的喷射式负压吸盘结构图为了使喷嘴更有效地工作喷嘴口与喷嘴套之间应当有适当的间隙以便将被抽气体带走当间隙太小时喷射气流和被抽气体将由于与套壁的摩擦而使速度降低因而降低了抽气速率当间隙太大时离喷射气体越远的气体被带着向前运动的速度就越低同时间隙过大从喷嘴套出口处反流回来的气体就越多这就使抽气速率大大的降低因此间隙要适宜最好使喷嘴与喷嘴套之间的间隙可以调节 以便喷嘴有效地工作在图3-4中喷嘴5与喷嘴套6的相对位置是可以调节的以便改变间隙的大小株胶吸盘2吸盘芯子3通气坏打4吸盘体5喷嘴6喷嘴套图 3

41、- 4 可 调喷 射 式 负 压 吸 盘 结构Fig3-4 Structure of Adjustable Ejective Minus Pressure Cupula下面计算吸盘的直径吸盘吸力的计算公式为 P 式中P吸盘吸力 N 本机械手的吸盘吸力为50N故P 50ND吸盘直径 cm N分吸盘数量本机械手吸盘数量为1吸盘吸附工件在起动时的安全系数可取K月2-2在此取 15工作情况系数若板料间有油膜存在则要求吸附力大些若装有分料器 则 吸附力就可小些另外工件从模具取出时也有摩擦力的作用 同 时 还应考虑吸盘在运动过程中由于加速运动而产生的惯性力影响 因 此 应根据工作条件的不同选取工作情况系数

42、一般可在 13 的范围内选取在此取 2 方位系数吸盘垂直吸附时则 1ff为摩擦系数橡胶吸盘吸附金属材料时取户0508当吸盘水平吸附时取 l在此 取 5代入数据得 1692 cm第四章手腕结构设计考虑到机械手的通用性同时由于被抓取工件是水平放置因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求因此手腕设计成回转结构实现手腕回转运动的机构为回转气缸41手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件它的作用是调整或改变工件的方位因而它具有独立的自由度以使机械手适应复杂的动作要求手腕自由度的选用与机械手的通用性加工工艺要求工件放置方位和定位精度等许多因素有关由于本机械手抓取的工件是水平放置同时考虑到通用性因此给手腕设

43、一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构应用最多的为回转油 气 缸因此我们选用回转气缸它的结构紧凑但回转角度小于3600并且要求严格的密封42 手腕的驱动力矩的计算421手腕转动时所愉的驱动力矩手腕的回转上下和左右摆动均为回转运动驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩动片与缸径定片端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩图4-1所示为手腕受力的示意图1工件 2手部 3手腕图4-1 手碗回转时受力状态Fig4-1 Bear Force Condition of Wrist Whe

44、n Rotating手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算M M M MMcm 4-1 式中 M驱动手腕转动的驱动力矩 Kgcm M 惯性力矩 Kgcm M 参与转动的零部件的重量 包括工件手部手腕回转缸的动片 对转 动 轴 线 所 产生 的 偏 重 力 矩 Kgcm M 手 腕转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩 Kgcm M 手 腕回转缸的动片与定片缸径端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 Kgcm 下面以图4-1所示的手腕受力情况分析各阻力矩的计算1手腕加速运动时所产生的惯性力矩M若手腕起动过程按等加速运动手腕转动时的角速度为起动过程所用的时间为t则 M Ncm 若手腕转动时的角速度为起动过程所转过的角度

45、为则 M Ncm 式中 J参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 Ncms J工件对手腕转动轴线的转动惯量 Ncms 若工件中心与转动轴线不重合其转动惯量J为 J工件对过重心轴线的转动惯量 Ncms G工件的重量 N 工件的重心到转动轴线的偏心距 cm -手腕转动时的角速度 弧度s 起动过程所需的时间 S 起动过程所转过的角度 弧度 2手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M M 式中 G手腕转动件的重量 N e手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距 cm 当工件的重心与手腕转动轴线重合时则 0 3手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M M 式中 dd手腕转动轴的轴颈直径 cm f轴承摩擦系数

46、对于滚动轴承f 001 对于滑动轴承f 01RR轴颈处的支承反力 N 可按手腕转动轴的受力分析求解根据得RlGl Gl Gl同理根据得 R 式中 G手部的重量 N 11ll如图4-1所示的长度尺寸 cm 4回转缸的动片与缸径定片端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M与选用的密衬装置的类型有关应根据具体情况加以分析422回转气缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸它的二理如图4-2所示定片1与缸体2固连动片3与回转轴5固连动片封圈4把气腔分隔成两个当压缩气体从孔a进入时推动输出轴作逆时4回转则低压腔的气从b孔排出反之输出轴作顺时针方向回转单叶J气缸的压力p和驱动力矩M的关系为 4-9 或 图4-2 回转气缸简图Fig4-2 Sketch of Rotating Gas Vat式中 M-