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第一章 概述
1、引言
隨著氣動(dòng)技術(shù)獲得了快速發(fā)展，利用成本性能比低，同時(shí)具有許多優(yōu)點(diǎn)的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)備來(lái)滿足社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐需要越來(lái)越多的受到重視。氣動(dòng)機(jī)械手與其他控制方式的機(jī)械手相比，具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率體積比高、無(wú)污染及抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)。
1、2機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展
機(jī)械手臂在產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，因?yàn)楦鱾€(gè)國(guó)家產(chǎn)業(yè)分布的不同，以及各產(chǎn)業(yè)對(duì)于機(jī)械手臂的需求量也有差異。主要是使用于人工無(wú)法進(jìn)行或者會(huì)耗費(fèi)較多時(shí)間來(lái)做的工作，機(jī)械手臂在精度與耐用性上可以減少許人為的不可預(yù)知問(wèn)題。自從第一臺(tái)產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人發(fā)明以來(lái)，機(jī)械手臂的應(yīng)用也從原本的汽車(chē)工業(yè)、模具制造、電子制程等相關(guān)產(chǎn)業(yè)，更拓展到農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)…等等。
多軸機(jī)械手臂研發(fā)方面，多軸式機(jī)械手臂廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造商、汽車(chē)零組件與電子相關(guān)產(chǎn)業(yè)。機(jī)械手臂可以提升產(chǎn)品技術(shù)與品質(zhì)，而這些初期工作大多可以借由機(jī)械手臂來(lái)完成。機(jī)械手臂的精準(zhǔn)、零誤差，對(duì)于產(chǎn)品的品質(zhì)掌握自然擁有其優(yōu)勢(shì)，減少品管所花費(fèi)的時(shí)間與人力。 工業(yè)應(yīng)用上，以裝配、加工、熔接、切削、加壓、貨物搬運(yùn)、檢測(cè)…等，全球目前產(chǎn)業(yè)使用量是以汽車(chē)、汽車(chē)零組件、化工、橡膠和塑料等最大。現(xiàn)在，ROBOT的應(yīng)用已越來(lái)越多元化，依據(jù)國(guó)際機(jī)器人協(xié)會(huì)（IFR）的統(tǒng)計(jì)，至2007年底機(jī)械手臂除了工業(yè)以外，最多應(yīng)用于救援、保全與野地（田野、牧場(chǎng)等），近年來(lái)，各先進(jìn)國(guó)家為了提升臺(tái)機(jī)器人的技術(shù)水平，都會(huì)推廣機(jī)器人產(chǎn)業(yè)與創(chuàng)立相關(guān)聯(lián)盟，并且特別針對(duì)工業(yè)以外的領(lǐng)域進(jìn)行推廣，例如：醫(yī)療、服務(wù)、生活方面…等。以醫(yī)療為例，有許多大型醫(yī)學(xué)中心使用以手動(dòng)操控方式之機(jī)械手臂，結(jié)合顯微影像顯示系統(tǒng)所結(jié)合的手術(shù)型機(jī)器人。 機(jī)械手臂的研發(fā)也朝向節(jié)省人力、減少人類暴露在危險(xiǎn)的工作環(huán)境、甚至進(jìn)行更加精密的工作或是輔助操作。機(jī)械手臂的技術(shù)發(fā)展都是為了讓人類在工作與生活中更加便利。
1、3氣動(dòng)機(jī)械手概述
氣動(dòng)機(jī)械手由操作機(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)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)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(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)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(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)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(lái)越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(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)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“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。
1、4機(jī)械手的組成和分類
1、4、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(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。
控制系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
被抓取工件
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
位置檢測(cè)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(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(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(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(pán)等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤(pán)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(pán)和電磁盤(pán)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(pán)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(pán)類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤(pán)吸料。電磁吸盤(pán)的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負(fù)壓吸盤(pán)和電磁吸盤(pán)吸料，其吸盤(pán)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(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，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。
手臂可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)如下:
手臂運(yùn)動(dòng)
基本運(yùn)動(dòng)
復(fù)合運(yùn)動(dòng)
直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合(即螺旋運(yùn)動(dòng))
兩直線運(yùn)動(dòng)的組合(即平面運(yùn)動(dòng))
回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):如水平回轉(zhuǎn)、左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)
直線運(yùn)動(dòng):如伸縮、升降、橫移運(yùn)動(dòng)
兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合(即空間曲面運(yùn)動(dòng))。
手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(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(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: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
立柱也可以是手臂的一部分，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)械豐的立往通常為固定不動(dòng)的，但機(jī)械手的立柱是支承手臂的部件，因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，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(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)。滾輪式行走機(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)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。
6、機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，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)。
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)速度及時(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)行監(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)。
（三）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)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)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.
1.4.2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(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。
1、 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。
（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)格性能范圍內(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(dòng)化的生產(chǎn)。
2、 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、低溫下工作。若機(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高，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高。
（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)來(lái)源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(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)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。
3、 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。若欲控制的點(diǎn)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(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(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。
第二章 氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)
對(duì)氣動(dòng)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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是: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)形狀和材料特性，定位精度要求，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)一步確定對(duì)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(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。
2.1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度
按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(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、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱坐標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有四個(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。
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(pán)。
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)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)
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(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)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
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(dòng)作時(shí)抓重減半。使用吸盤(pán)式手部時(shí)可吸附5公斤的重物。
2、基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(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)低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)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(dòng)速度設(shè)計(jì)為1. 2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為120o/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(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(jì)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，旋轉(zhuǎn)角度為180°。
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(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(pán))
2、自由度數(shù)
4個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)方式
氣壓傳動(dòng)
12、控制方式
點(diǎn)位程序控制(采用PLC)
2.9機(jī)械手裝配
2.9.1手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)針對(duì)的是工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部。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，本設(shè)計(jì)選擇齒輪齒條式。
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)
在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(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(kāi)閉角
兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若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(kāi)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)比較，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)如圖所示。
本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，其工件平均重量G=2公斤，V形手指的角度2θ=120°，b=50mm， R=10mm,摩擦系數(shù)為f=0. 10。
其中：N = 0.5G*10*tg(θ±5°) ≈ 0.5*20*tg60°=17.3N
夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為P = N = 173 N。
圖2.1齒輪齒條式手部
2.9.2手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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。
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360°，并且要求嚴(yán)格的密封。
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)力矩必須克服手腕起動(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及由于轉(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2.2所示為手腕受力的示意圖。
1.工件 2.手部 3.手腕
圖2.2 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:
M驅(qū) =M慣+ M偏+ M摩+ M封
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)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(Kg *cm)。
2.9.3回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
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，它的工作原理如圖2.3所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片3及密封圈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)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。單葉片回轉(zhuǎn)氣缸的壓力p和驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為: P =
圖2.3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)力矩和壓力的關(guān)系式是對(duì)于低壓腔背壓為零的情況下而言的。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。
2.9.4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)。
（1） 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)采用的是氣壓驅(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)用比較多。
同時(shí)，氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(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。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。
（2） 導(dǎo)向裝置
氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(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)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。
（3） 手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手臂作水平伸縮時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力：
圖2.4手臂伸出時(shí)的受力狀態(tài)
圖2.4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)克服手臂在前伸(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，因此，驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為:
P驅(qū) = P慣+ P摩+ P封+ P背
式中: P慣 - 手伶在起動(dòng)過(guò)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(shí)，則P背=0 。
2.9.5手臂升降和回轉(zhuǎn)部分
手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱、升降缸活塞軸、升降缸體,碰鐵、可調(diào)定位塊、定位拉桿、緩沖撞鐵、定位塊聯(lián)接盤(pán)和導(dǎo)向桿等組成。
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。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(jiàn)回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器部分。
2.9.6手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì)
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: （N）
其中，由于手臂運(yùn)動(dòng)從靜止開(kāi)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(guó)煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時(shí)測(cè)量設(shè)計(jì)的有關(guān)尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時(shí)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(shí):Ff =70×10 ×0. 5=350 (N)
=350+70 × 600 × 10-3/0.05
=1540(N)
下料時(shí):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(shí):F=1540 ×1. 2=1850 (N)
下料時(shí):F=935 × 1. 2=1120 (N)
2、氣缸的直徑
根據(jù)雙作用氣缸的計(jì)算公式:
其中:F1—活塞桿伸出時(shí)的推力，N
F2—活塞桿縮入時(shí)的拉力, N
d—活塞直徑，㎜
P—?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ琍a
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:當(dāng)推力做功時(shí)
=[4 ×1850/(π×5×105×0.4)]?
=108.5 (mm)
當(dāng)拉力做功時(shí)
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(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)算)
氣缸承受縱向推力達(dá)到極限力Fk以后，活塞桿會(huì)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(jì)算長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取f=2.1 ×107 Pa
a—系數(shù)，對(duì)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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