自動取料機(jī)械手修改

1、1 引言12 總體方案設(shè)計(jì)42.1 明確設(shè)計(jì)要求42.2 傳動方案的確定52.3 基本參數(shù)的確定53 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案73.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度83.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)93.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)93.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)93.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計(jì)93.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)93.7 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)94 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11手指的形狀和分類114.2 設(shè)計(jì)時注意的幾個問題114.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)125 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)155.1 手腕的自由度155.2 手腕的驅(qū)動力矩的計(jì)算166 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核206.1 手臂伸縮氣缸的尺

2、寸設(shè)計(jì)與校核206.2 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核216.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核22總結(jié)與致謝24參考文獻(xiàn)25附 錄261 引言隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等工作的自動化，已愈來愈引起人們的重視。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(shí)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” ，它是近幾十年來出現(xiàn)的一種技術(shù)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是在電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)和自動控制技術(shù)相互滲透的基礎(chǔ)上發(fā)展期來的，是電子和機(jī)械高度結(jié)合的技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，而機(jī)械手技術(shù)本身

3、又是促進(jìn)工業(yè)實(shí)現(xiàn)高度自動化的先導(dǎo)技術(shù)，因而在生產(chǎn)應(yīng)用中可以提高生產(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(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，意義更加重大。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應(yīng)用。因?yàn)闄C(jī)械手對國民經(jīng)濟(jì)和社會生活都產(chǎn)生了很大的影響，因此機(jī)械手已成為工業(yè)先進(jìn)國家重要的技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域之一。 氣動機(jī)械手由操作機(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)

4、的機(jī)電一體化自動化設(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(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

5、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(shí)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(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)等方面得到越來越廣泛的引用.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)

6、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。從二十世紀(jì)四十年代中期，美國開始研制應(yīng)用在核能領(lǐng)域的機(jī)械手開始，機(jī)械手先后經(jīng)歷了單臂機(jī)械手、雙臂機(jī)械手、電隨動機(jī)械手、行走式機(jī)械手等時代。經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，機(jī)械手已經(jīng)有了多種規(guī)格并且廣泛應(yīng)用在多種工業(yè)領(lǐng)域。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性強(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(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，使

7、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。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

8、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(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)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

9、統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)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(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)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(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)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(diǎn)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

10、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(jì)”，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(jì)，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(jì)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，600

11、0m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(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)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。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是自動取料系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要為機(jī)械手的設(shè)計(jì)工作，主要是根據(jù)生產(chǎn)的具體要求進(jìn)行接受方案的設(shè)計(jì)，以便選擇和確定機(jī)械手的坐標(biāo)形式、

12、基本參數(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式及系統(tǒng)原理圖和控制方式及線路圖等工作。在現(xiàn)代工業(yè)自動化領(lǐng)域里，材料的搬運(yùn)、機(jī)床的取料、整體的裝配等是十分重要的環(huán)節(jié)，而實(shí)現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動化將大大提高生產(chǎn)效率，減少成本。用自動化機(jī)械代替人的工作可以減少事故的發(fā)生。工業(yè)機(jī)械手就是為了實(shí)現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動化而設(shè)計(jì)的。2 總體方案設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手設(shè)計(jì)的具體工作，是不可能有一整套固定不便的設(shè)計(jì)步驟和工作內(nèi)容的，必須根據(jù)具體情況作具體的分析。現(xiàn)將本次自動取料機(jī)械手設(shè)計(jì)時的有關(guān)工作內(nèi)容和一般需要考慮的問題分析一下。2.1 明確設(shè)計(jì)要求2.1.1 被抓對象的情況被抓對象的情況就是被抓取物件的重量、形狀、尺寸、材料、表面加工情況、易碎性

13、及數(shù)量等，以便選擇手部的結(jié)構(gòu)及計(jì)算必要的加緊力或吸附力大小。2.1.2 工作現(xiàn)場的情況同位素自動取料機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。它是一種能自動控制并可以從新編程以變動的多功能機(jī)器，它有多個自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。新型同位素自動取料機(jī)不僅提高了分裝計(jì)量精度和工作效率，而且改善了工人的勞動條件，避免了同位素對人體輻射的危害，工作安全可靠。同位素自動取料機(jī)械手所附屬于工作主機(jī)或自動線的工作場地面積和空間大小，工作主機(jī)的排列情況，決定著機(jī)械手的安裝情況。如場地允許可選擇地面固定式；若因場地面積窄小或

14、其它原因不宜把機(jī)械手固定在地面，則可以采用懸掛式或固定在工作主機(jī)機(jī)身上某適當(dāng)位置；若利用一臺機(jī)械手進(jìn)行多機(jī)床管理，則可選擇懸掛軌道式或地面軌道式。2.1.3 上、下料道和儲料裝置與工作主機(jī)的配置情況上、下料道和儲料裝置與工作主機(jī)的相對位置，決定了工件在上料前和下料后在空間所處的位置和姿勢，這直接影響手臂的坐標(biāo)形式。2.1.4 生產(chǎn)工藝和工作機(jī)械對機(jī)械手的要求由于產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程的不同和工作機(jī)械的不同生產(chǎn)特點(diǎn)，影響機(jī)械手的自由度、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度和定位精度的確定，因此必需對生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，比較工藝的先進(jìn)性和穩(wěn)定性，最后按先進(jìn)的工藝，設(shè)計(jì)必要的機(jī)械手，以完成輔助工作。2.1.5 工作環(huán)境及其它

15、特殊要求如在高溫環(huán)境工作的機(jī)械手，由于有熱的傳導(dǎo)和輻射問題，手部要采取冷卻與隔熱措施；如在粉塵的環(huán)境工作的機(jī)械手，應(yīng)加防護(hù)罩及密封裝置；如在有腐蝕性的環(huán)境里工作的機(jī)械手，應(yīng)選擇耐酸或耐堿的材料或涂敷耐酸、堿的橡膠。2.2 傳動方案的確定確定傳動方案是設(shè)計(jì)機(jī)械手首先要進(jìn)行的工作。隨著傳動方案的確定，機(jī)械手的總體布局也就有了概貌。確定傳動個方案的主要內(nèi)容有兩個：一是確定機(jī)械手的驅(qū)動方式。究竟是用液壓、氣壓、電動，還是機(jī)械傳動，這要根據(jù)生產(chǎn)工藝過程、生產(chǎn)節(jié)拍和工作環(huán)境，結(jié)合工廠具體條件確定，本次設(shè)計(jì)采用氣壓傳動驅(qū)動方式。二是確定運(yùn)動路線（即運(yùn)動軌跡）。專用機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需的動作要求，例如把工件從

16、一個位置傳送到另一個位置，往往可有好幾個運(yùn)動路線，需要通過分析比較最后確定一個路線最短、動作最少的方案?？紤]運(yùn)動路線時，一般可參照人的手臂和手腕的動作進(jìn)行模擬類比，較直觀的擬定方案，同時參照手臂坐標(biāo)形式來進(jìn)行方案比較。 總之，在確定運(yùn)動路線時，主要根據(jù)動作要求，并結(jié)合其它設(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面分析比較，使手臂、手腕、手指分工配合協(xié)同動作，達(dá)到運(yùn)動路線既短，結(jié)構(gòu)又簡單、緊湊、合理、可靠。2.3 基本參數(shù)的確定機(jī)械手的基本參數(shù)有抓重（即臂力）、自由度、工作行程（或轉(zhuǎn)角）、工作速度和定位精度。2.3.1 抓重抓重是指機(jī)械手所能搬運(yùn)物件的重量。抓重可以根據(jù)被抓取物件的重量并考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)來作決定?？紤]到

17、手臂機(jī)構(gòu)強(qiáng)度等因素，通常安全系數(shù)K可在23范圍內(nèi)選取。2.3.2 自由度、工作行程或轉(zhuǎn)角在確定了機(jī)械手運(yùn)動路線后，對運(yùn)動路線進(jìn)行分析，將復(fù)雜的運(yùn)動路線分解成若干個簡單的直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動，每一個簡單的獨(dú)立運(yùn)動即是一個自由度。結(jié)合機(jī)械手安裝的位置和工作機(jī)器、上下料道或儲料裝置的相對位置的尺寸，就能確定運(yùn)動路線分解后的各段工作行程和轉(zhuǎn)角，考慮到行程、轉(zhuǎn)角調(diào)整的需要，適當(dāng)加大其數(shù)值后，機(jī)械手的各個運(yùn)動的最大行程便可據(jù)此確定。2.3.3 工作速度在各個分解運(yùn)動的最大行程確定后，便可根據(jù)動作節(jié)拍確定各動作時間的分配，從而確定各動作的工作速度。機(jī)械手的動作節(jié)拍是指機(jī)械手完成一個動作循環(huán)所需的時間。它可以直

18、接等于機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍。如沖床上料機(jī)械手與沖床聯(lián)動，沖頭上、下運(yùn)行時，機(jī)械手退出和送料。亦有機(jī)械手的節(jié)拍占整個生產(chǎn)節(jié)拍的一部分。如切削機(jī)床用的上下料機(jī)械手，在機(jī)床加工時機(jī)械手時不動作的，當(dāng)某一工序加工結(jié)束時機(jī)械手開始動作，這時機(jī)械手的動作節(jié)拍應(yīng)按需要和可能加以確定。若某機(jī)械手要完成某一上料動作，需完成夾緊工件、手臂上升、手腕回轉(zhuǎn)、手臂回轉(zhuǎn)、伸出、下降、放松工件、手臂縮回、反轉(zhuǎn)、手臂反轉(zhuǎn)等一系列動作，這些動作都需要在節(jié)拍所規(guī)定的時間內(nèi)完成。令節(jié)拍為T，各動作時間分別設(shè)為、，則T（各動作依次進(jìn)行）或 T（如手腕回轉(zhuǎn)時間<手臂回轉(zhuǎn)時間）在按動作節(jié)拍要求進(jìn)行各動作時間分配時，要考慮下列問題：1

19、由于繼電器、電磁滑閥以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有一定的慣性，從動作指令發(fā)出到開始動作需要一段時間，因此單個動作時間不宜少于0.2秒（直流電磁閥的打開響應(yīng)時間直0.10.15秒，交流電磁閥的打開響應(yīng)時間交0.010.07秒）。2夾緊或放松動作時間一般可定為0.20.3秒。3手臂伸縮、水平回轉(zhuǎn)和升降的時間，是機(jī)械手動作節(jié)拍的主要部分，要考慮抓重和行程大小、驅(qū)動方式、緩沖和定位方式而加以確定。在動作時間和行程確定后就可以求出機(jī)械手各動作的速度。2.3.4 定位精度表2-1 定位精度數(shù)值表普通搬運(yùn)作業(yè)±3±5 mm或無定位精度要求切削機(jī)床上下料±1 mm沖床上下料±1 mm

20、點(diǎn)焊、弧焊±1 mm噴漆±2 mm模鍛 水平方向?yàn)?±0.5 mm 垂直方向?yàn)?±1 mm裝配、測量±0.1±0.01 mm機(jī)械手的定位精度是由加工工藝要求、機(jī)械手本省的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（如制造精度、結(jié)構(gòu)剛度）、抓重、工作行程、工作速度以及驅(qū)動、控制方式和緩沖定位方式諸因素所決定。但是，加工工藝要求是主要的因素。設(shè)計(jì)機(jī)械手時，應(yīng)力求保證各種不同的加工工藝對定位精度的要求。3 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案,如圖3-1所示，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，動作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場

21、合。圖3-1 機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)3.1 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(diǎn)，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。如圖3-2所示 圖3-2 機(jī)械手的運(yùn)動示意圖3.2 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，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。3.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械

22、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(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。3.4 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)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(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(shí)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(shí)現(xiàn)。3.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計(jì)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。3.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械

23、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(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。3.7 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)1.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為5公斤。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(jì)速度過低限制了它的使用范圍。（如圖3-2所示）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(jì)為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。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

24、程曲線來說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(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。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為。3. 用途:用于自動輸送線的上下料。4設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表3-1所示:表3-1 設(shè)計(jì)參數(shù)抓重自由度數(shù)4個自由度座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)最大工作半徑手臂最大中心高手

25、臂運(yùn)動參數(shù)伸縮行程伸縮速度升降行程升降速度回轉(zhuǎn)范圍回轉(zhuǎn)速度手腕運(yùn)動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍回轉(zhuǎn)速度手指夾持范圍棒料:定位方式行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等定位精度驅(qū)動方式氣壓傳控制方式點(diǎn)位程序控制(采用PLC)圖3-3 機(jī)械手的工作范圍4 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。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(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本

26、型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時，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。4.2 設(shè)計(jì)時注意的幾個問題 1.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。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

27、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。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。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。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(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)動力計(jì)

28、算本課題氣動機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖4-1所示：圖4-1 齒輪齒條式手部其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: （4-1）(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式: （4-2）所以(3)實(shí)際驅(qū)動力:（4-3）1）因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則:所以所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。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:（4-4）式中: - 活塞桿上的推力（N） - 彈簧反作用力（N）- 氣缸

29、工作時的總阻力（N）- 氣缸工作壓力（Pa）彈簧反作用按下式計(jì)算:（4-5）（4-6）（4-7）式中:- 彈簧剛度（N/m）- 彈簧預(yù)壓縮量（m）- 活塞行程（m）- 彈簧鋼絲直徑（m）- 彈簧平均直徑（m）- 彈簧有效圈數(shù).- 彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:（4-8）由以上分析得單向作用氣缸的直徑: （4-9）代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 （4-10） （4-11）所以:查有關(guān)手冊圓整，得由,可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式（4-12）有:其中，則:滿足實(shí)際設(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，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于

30、或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:（4-13）式中:- 缸筒壁厚(mm)- 氣缸內(nèi)徑(mm)- 實(shí)驗(yàn)壓力，取(Pa)材料為:ZL3,=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: （4-14）取，則缸筒外徑為:5 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1 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(shí)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)油(氣)缸，

31、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，并且要求嚴(yán)格的密封。5.2 手腕的驅(qū)動力矩的計(jì)算手腕的回轉(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5-1所示為手腕受力的示意圖。圖5-1 手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)1工件；2手部；3手腕手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計(jì)算:（5-1）式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩();- 慣性力矩();- 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)

32、生的偏重力矩()。- 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();下面以圖5-1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)動時所產(chǎn)生的慣性力矩M悅?cè)羰滞笃饎舆^程按等加速運(yùn)動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則: （5-2）式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量;- 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為: （5-3）式中:- 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm),- 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s);- 起動過程所需的時間(s); 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度

33、)。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（5-4）式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N);- 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則.3.手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩() （5-5）式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm);- 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承;,- 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),得:同理，根據(jù)(F),得: （5-6）式中:- 的重量(N), 如圖4-1所示的長度尺寸(cm).4.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。5.

34、2.2 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核氣缸長度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時間=0.1s,壓強(qiáng), 則力矩：（5-7）（1）測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：（5-8）（）工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量：（5-9）假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距，其轉(zhuǎn)動慣量為:（5-10）（5-11）（2）手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心與轉(zhuǎn)動軸線重合，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線,則： +（5-12）

35、（3）手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于滾動軸承，對于滑動軸承=0.1， ，為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì),（5-13）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。在此處估計(jì)為的3倍，3 (5-14) (5-15)設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。6 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核6.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核6.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸

36、系列初選內(nèi)徑為100/63。 6.1.2 尺寸校核1. 在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng),則驅(qū)動力： （6-1）2測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力： （6-2）3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), （6-3） 總受力 所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動力要求。6.1.3 導(dǎo)向裝置氣壓驅(qū)動的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時，為了防止手臂繞軸線轉(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(jì)手臂結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素

37、來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。6.1.4 平衡裝置在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。6.2 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 6.2.1 尺寸設(shè)計(jì)氣缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為=118mm,氣缸內(nèi)徑為=110mm,半徑R=55mm,氣缸運(yùn)行速度，加速度時間=0.1s,

38、壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動力：（6-4）6.2.2 尺寸校核1測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力： （6-5）2設(shè)計(jì)加速度，則慣性力： （6-6）3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)， （6-7） 總受力所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。6.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核6.3.1 尺寸設(shè)計(jì)氣缸長度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時間0.5s,壓強(qiáng),則力矩： （6-8）6.3.2 尺寸校核測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：（6-9）（） （6-10）考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù), （6-11）總驅(qū)動力矩： （6-12） 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。總結(jié)與致謝我本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容為自動取料系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在這一學(xué)期的時間里，經(jīng)過王智慧老師的悉心指導(dǎo)下，順利地完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。經(jīng)過這一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我解決問題的能力在原來理論知識的基礎(chǔ)上又得到了