沖床上下料氣動機(jī)械手的設(shè)計(jì),沖床上下料氣動機(jī)械手的設(shè)計(jì),沖床,上下,氣動,機(jī)械手,設(shè)計(jì) I 沖床上下料氣動機(jī)械手的設(shè)計(jì) 摘 要 機(jī)械手在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配、 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。本文的機(jī)械手用于沖床上 下料，介紹它的組成和分類、自由度和座標(biāo)型式、氣動技術(shù)的特點(diǎn)、PLC 控制 的特點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，對機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定機(jī)械手的座標(biāo) 型式和自由度，確定機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出機(jī)械 手的氣動系統(tǒng)，繪制機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編程序控制器對機(jī)械 手進(jìn)行控制，選取合適的 PLC 型號，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定可編程序控制 器的控制方案，畫出機(jī)械手的工作時的順序功能圖和梯形圖，并編制可編程序 控制器的控制程序。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手設(shè)計(jì)；沖床上下料；氣動；PLC I Punch discharging pneumatic manipulator design Abstract Mechanical hand in machining, stamping, casting, forging, welding, heat treatment, plating, painting, assembly and light industry, transportation industry has been more and more widely applied. In this paper, the mechanical hand for punching baiting, introduces its composition and classification, degree of freedom and coordinate type, the characteristics of pneumatic technology, PLC control characteristics and the domestic and foreign development condition of the manipulator, the overall scheme design, the manipulator to determine the coordinate type and degree of freedom, identifying the mechanical the technical parameters, the design of the manipulator arm structure, design of manipulator pneumatic system, rendering the manipulator pneumatic system working principle diagram. Using programmable controller to control the mechanical hand, the appropriate selection of PLC models, according to the manipulator workflow developed programmable controller control scheme, draw the mechanical hand work order function diagram and ladder diagram, and the preparation of PLC control program. Key words: Design of manipulator; Punch blanking; Pneumatic; PLC I 目錄 1 前言 .1 1.1 選題背景 .1 1.2 設(shè)計(jì)目的 .2 1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 .3 1.4 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 .3 2 機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì) .7 2.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) .7 2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型 .7 2.2 機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .8 2.2.1 設(shè)計(jì)要求 .8 2.2.2 驅(qū)動方式 .8 2.2.3 典型結(jié)構(gòu) .9 2.2.4 具體設(shè)計(jì)方案 .10 2.3 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .10 2.3.1 手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 .10 2.3.2 具體設(shè)計(jì)方案 .10 2.4 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .11 2.4.1 腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 .11 2.4.2 具體設(shè)計(jì)方案 .11 2.5 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) .11 2.5.1 常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點(diǎn) .11 2.5.2 具體設(shè)計(jì)方案 .12 2.6 機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .12 2.6.1 平衡機(jī)構(gòu)的形式 .12 2.6.2 具體設(shè)計(jì)方案 .13 3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .14 3.1 手指的形狀 .14 3.2 設(shè)計(jì)時考慮的幾個問題 .14 3.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) .15 3.3.1 手部驅(qū)動力計(jì)算 .15 3.3.2 氣缸的直徑 .16 3.3.3 缸筒壁厚的設(shè)計(jì) .18 4 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .20 4.1 手臂伸縮 .20 4.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .20 II 4.1.2 導(dǎo)向裝置 .20 4.1.3 手臂伸縮驅(qū)動力的計(jì)算 .20 4.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .21 4.3 手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì) .21 4.3.1 驅(qū)動力計(jì)算 .21 4.3.2 氣缸的直徑 .22 4.3.3 活塞桿直徑的計(jì)算 .23 4.3.4 缸筒壁厚計(jì)算 .24 5 氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì) .25 5.1 主要元器件的選擇 .25 5.1.1 氣動三聯(lián)件 .25 5.1.2 換向閥 .25 5.1.3 節(jié)流閥 .28 5.2 擬定執(zhí)行元件運(yùn)動控制回路 .29 5.3 氣源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .29 5.4 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 .30 5.5 機(jī)械手運(yùn)行順序及電氣控制 .30 6 機(jī)械手的 PLC 控制設(shè)計(jì) .32 6.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 .32 6.1.1 可編程序控制器的選擇 .32 6.1.2 可編程序控制器的工作過程 .32 6.2 可編程序控制器的使用步驟 .33 6.3 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 .34 6.3.1 系統(tǒng)簡介 .34 6.3.2 工業(yè)機(jī)械手的工作流程 .34 6.3.3 I/0 分配 .34 6.3.4 機(jī)械手工作時序圖 .36 6.3.5 梯形圖設(shè)計(jì)(如附圖所示) .36 7 結(jié)論 .38 參考文獻(xiàn) .39 致謝 .40 附錄 1 .41 附錄 2 .42 附錄 3 .43 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 前言 1.1 選題背景 由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對工作效率的提高迫 在眉睫。單純的手工勞作已滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進(jìn) 設(shè)備生產(chǎn)自動化機(jī)械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機(jī)械手是 其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類 完成高強(qiáng)度、危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。 在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工 工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目 前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個重要組成 部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以 節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。但目前我國的工業(yè)機(jī) 械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水 平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)水平的提高， 從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)具有重 要意義。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，我把上下料機(jī)械手作為我研究的課題。 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(diǎn): (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 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 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(diǎn): (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(shí)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。 1.2 設(shè)計(jì)目的 目前，我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞 動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動化的 發(fā)展趨勢。為了提高工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適 應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)的要求,針對具體生產(chǎn)工藝,結(jié)合機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)， 利用機(jī) 械手技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機(jī) 械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過程的自動化和無人化。 1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 目前，國內(nèi)外各種機(jī)械手和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn) 狀和大體趨勢如下： 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 （1）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。 （2）工業(yè)機(jī)械手控制系統(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，結(jié)構(gòu)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，而且維修方便。 （3）機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，使其向智能化方向發(fā)展。 （4）關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、 模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)械手開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿 形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； （5）焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、 模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機(jī)械手的智能化，多傳感器，多控制 器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，性價 比高，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工 業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 1.4 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖1-1所示。 控制系統(tǒng) （PLC） 驅(qū)動系統(tǒng) （氣壓傳動） 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位置檢測裝置 手部 手腕 手臂 立柱 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 圖1-1機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖 機(jī)械手的工作原理：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。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動軌跡，有一定速度和時間 的動作。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。位置檢測裝置隨 時將執(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）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)。 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 式手在本設(shè)計(jì)中采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。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，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。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)型式較多時常用的有: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。 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)。 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(如氣缸、液壓缸、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(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動。 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 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 升降(或俯仰)運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時也 可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 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。 （2）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。它由動力裝置、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、機(jī)械傳動。 （3）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。該機(jī) 械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，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。 （4）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(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。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 2 機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐 標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下： （1）直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用三個相互垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。由于 直線運(yùn)動易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運(yùn)動位置精度高，但此種類型 機(jī)械手的運(yùn)動空間相對較小，如要達(dá)到較大運(yùn)動空間，則要求機(jī)械手的尺寸足 夠大。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn) 作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 （2）圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。 其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度相對較高， 常用于搬運(yùn)作業(yè)。 （3）球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。其 工作空間是一個類球形的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很 高，主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。 （4）關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的。相對機(jī)械手本體尺寸， 其工作空間比較大，動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)械手在工業(yè)中 應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平 關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 2.1.2 具體采用方案 如圖 2-1 所示機(jī)械手模擬工作布局圖，根據(jù)實(shí)際操作的需要，該機(jī)械手在 工作中需要 3 種運(yùn)動,其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運(yùn)動,另一個為手臂的 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 回轉(zhuǎn)運(yùn)動,因此其自由度數(shù)目為 3，綜合考慮，應(yīng)選擇圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，其 結(jié)構(gòu)簡單，工作范圍相對較大，且有較高的精度，滿足設(shè)計(jì)要求。 圖 2-1 機(jī)械手模擬工作布局圖 2.2 機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.1 設(shè)計(jì)要求 手爪是用來進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的 不同，分為搬運(yùn)用、加工用、測量用等。搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置，用來 抓取或吸附被搬運(yùn)的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工 工具的機(jī)械手附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭 或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測量及檢驗(yàn)作業(yè)。 機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)有如下要求： （1）機(jī)械手手爪是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。既根據(jù)其應(yīng)用場合設(shè)計(jì) 手爪，在滿足作業(yè)要求的前提下，機(jī)械手手爪還要求體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊 湊。 （2）機(jī)械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜， 甚至很難實(shí)現(xiàn)，從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)械 手手爪，加之以快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的多種作業(yè)功能，而不主張用一 個萬能的手爪去完成多種作業(yè)，以考慮設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 （3）機(jī)械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機(jī)械 手，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn) 標(biāo)準(zhǔn)化。 （4）機(jī)械手手爪要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。 2.2.2 驅(qū)動方式 一般工業(yè)機(jī)械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動方式，可分為回轉(zhuǎn)型 和移動型；按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。 機(jī)械手夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種： （1）氣動驅(qū)動方式 這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其 運(yùn)動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普 遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運(yùn)動具有一定的柔順性， 這一點(diǎn)是抓取動作十分需要的。 （2）電動驅(qū)動方式 電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn) 電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實(shí)現(xiàn)手爪 的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡?機(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 （3）液壓驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動方式是利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，傳動剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控 制。 2.2.3 典型結(jié)構(gòu) 機(jī)械手手爪的典型結(jié)構(gòu)有以下五種： （1）楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。 （2）滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力， 當(dāng)活塞向后運(yùn)動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的 物體。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 （3）連桿杠桿式手爪 在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動，由于杠桿的 力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 （4）齒輪齒條式手爪 通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。 （5）平行杠桿式手爪 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行 運(yùn)動，且比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。 2.2.4 具體設(shè)計(jì)方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用齒輪齒條式的手爪。驅(qū)動活塞往復(fù)移動， 通過活塞桿端部齒條與齒輪的嚙合來實(shí)現(xiàn)手指張開或閉合。手指的最小開度由 加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為 50mm 來設(shè)計(jì)。 2.3 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.3.1 手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 機(jī)械手的手臂在工作時，要承受一定的載荷，且其運(yùn)動本身具有一定的速 度，因此，機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)需要遵循以下設(shè)計(jì)要求： （1）工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有 密切的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)合理，一般滿足其工作空間即可。 （2）為了提高機(jī)械手的運(yùn)動速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠 強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。 （3）應(yīng)盡可能使機(jī)械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相 交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)械手運(yùn)動學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)械手的控制。 （4）機(jī)械手各關(guān)節(jié)的間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動誤差。 （5）為提高機(jī)械手手臂運(yùn)動的速度、減小電機(jī)負(fù)載，機(jī)械手的手臂相對其 關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡。 2.3.2 具體設(shè)計(jì)方案 由于機(jī)械手手臂運(yùn)動為直線運(yùn)動，且考慮到搬運(yùn)工件的重量較大（質(zhì)量達(dá) 50Kg），以及機(jī)械手的動態(tài)性能及運(yùn)動的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求， 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 因此選擇氣壓驅(qū)動方式。通過氣缸的直接驅(qū)動，氣缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行 運(yùn)動件，因此不用再額外設(shè)計(jì)執(zhí)行件；而且氣缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，控制簡單，易 于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。 由于氣壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都較容易實(shí) 現(xiàn)，其關(guān)鍵在于機(jī)械手運(yùn)動的穩(wěn)定性和剛度的設(shè)計(jì)。因此手臂氣缸的設(shè)計(jì)原則 是氣缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。 同時，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅 僅通過增大氣缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè) 計(jì)時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個導(dǎo)桿，盡量增加其剛度；為減小質(zhì) 量，各個導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動剛度 和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。 2.4 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.4.1 腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 機(jī)械手的腰座，就是機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)， 承受了機(jī)械手的全部重量。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)時，有以下設(shè)計(jì)要求： （1）由于腰座要承受機(jī)械手全部的重量和載荷，因此，機(jī)械手腰座的結(jié)構(gòu) 要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力，且腰座是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié)，它對機(jī)械手末端的運(yùn)動精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時要特別注意腰部 軸系及傳動鏈的精度與剛度。 （2）腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。要有可靠的定位基準(zhǔn)面和調(diào)整機(jī)構(gòu)。且 腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機(jī)械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 （4）腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器及減速器。驅(qū)動 裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。 （5）為了減輕機(jī)械手運(yùn)動部分的慣量，提高控制精度，要求回轉(zhuǎn)運(yùn)動部分 由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 2.4.2 具體設(shè)計(jì)方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式主要有三種，一是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，二是通 過擺動液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，三是通過氣缸來實(shí)現(xiàn)。考慮到腰座是機(jī)械手 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，且整個系統(tǒng)都用氣壓驅(qū)動， 故采用氣壓驅(qū)動齒條與齒輪的嚙合來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 2.5 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.5.1 常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點(diǎn) 工業(yè)常用驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也 可將這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特 點(diǎn)如下。 （1）液壓驅(qū)動系統(tǒng) 具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動、 精度高等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的 機(jī)械手。 （2）氣動驅(qū)動系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù) 荷的機(jī)械手中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中。 （3）電動驅(qū)動系統(tǒng) 具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點(diǎn)。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn) 換，但大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動機(jī)構(gòu)。 2.5.2 具體設(shè)計(jì)方案 在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需 要一定的定位控制精度，因此采用氣壓傳動來實(shí)現(xiàn)。隨著機(jī)床加工的工件的不 同，通過程序?qū)ζ淇刂疲Y(jié)合氣壓驅(qū)動可增加其通用性。 2.6 機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)械手可以通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)械手手臂一般都需要平衡裝置，以 減小驅(qū)動器的負(fù)荷，同時縮短啟動時間。 2.6.1 平衡機(jī)構(gòu)的形式 （1）配重平衡機(jī)構(gòu) 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī) 械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)械手手臂的不平衡力矩比較小的情 況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。 （2）彈簧平衡機(jī)構(gòu) 彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因 此應(yīng)用廣泛。 （3）活塞推桿平衡機(jī)構(gòu) 活塞式平衡系統(tǒng)分為兩種，一是液壓平衡系統(tǒng)，二是氣動平衡系統(tǒng)。其中 液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；而氣動平衡系統(tǒng)，具有 很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT的液壓或氣動裝 置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價高，設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果 好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。 2.6.2 具體設(shè)計(jì)方案 因?yàn)楸緳C(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個機(jī) 械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu) 化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿足， 則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。 因?yàn)闄C(jī)械手設(shè)計(jì)為圓柱坐標(biāo)形式，且具有 4 個自由度，一個為腰座 的轉(zhuǎn)動，兩個為手臂的移動和手部的抓取。同時考慮機(jī)械手的工作環(huán)境和載荷 對其布局和定位精度的要求，以及計(jì)算機(jī)的控制的因素，機(jī)械手的腰座的轉(zhuǎn)動、 水平伸縮手臂、垂直升降手臂、手部抓取都采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手爪是用來進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的 不同，分為搬運(yùn)用、加工用、測量用等。搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置，用來 抓取或吸附被搬運(yùn)的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工 工具的機(jī)械手附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭 或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測量及檢驗(yàn)作業(yè)。對氣動機(jī)械手的基本要求是 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(jì)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(jì)制造過程，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)械手是沖床氣動上下料機(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。該機(jī)械手主要應(yīng)用于棒料的拾取，故 采用齒輪齒條夾持式，當(dāng)活塞向前運(yùn)動時，齒輪和齒條的嚙合推動手爪合并， 產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動時，手爪松開。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 3.1 手指的形狀 夾持式中常用的有兩指式、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)卡式和外夾式兩種，用于模仿人手手指的動作，該種手指結(jié)構(gòu)簡單， 制造容易，應(yīng)用廣泛。鑒于本文的機(jī)械手的用途，選擇兩指夾持式。 3.2 設(shè)計(jì)時考慮的幾個問題 (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。 (2)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。 (3)保證工件準(zhǔn)確定位 使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置。 (4)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，應(yīng)當(dāng)盡 量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。 3.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 3.3.1 手部驅(qū)動力計(jì)算 該動機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示，其工件重量 ， “V”形手指KgG50 的角度 ， ， ,摩擦系數(shù)為 。210mb2R241.f 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 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: （3-NRbP2 1） (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式: )(5.0Gtg N504260. 所以： )(92NRbP (3)實(shí)際驅(qū)動力: (3-2)21K實(shí) 際 取 =0.94 ，并取 =1.5。1K 若被抓取工件的最大加速度取 a=g 時，則: 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 212gaK 所以： NP156394.0實(shí) 際 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為 。 3.3.2 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: （3-ztFpDF421 3） 式中: -活塞桿上的推力，1FN -彈簧反作用力，t -氣缸工作時的總阻力，z 氣缸工作壓力，PaP 彈簧反作用按下式計(jì)算: （3-SlCFft 4） （3-nDGdf31 48 5） （3-12dt 6） 式中: -彈簧剛度，fCmN L -彈簧預(yù)壓縮量， 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 S -活塞行程， m d -彈簧鋼絲直徑，1 D -彈簧平均直徑，t D -彈簧外徑，1 -彈簧失效率 n -彈簧有效圈數(shù) G -彈簧材料剪切模量，一般取 ，PaG9104.7 在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載的影響，則: tFpD421 由以上分析代入公式得單向作用氣缸的直徑: pDt1 由公式（3-5）代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得： nGdCf3148 15038/105.79343 mN/63 SlCFft 310.7 )(62N 所以： p FDt14 2/164.05./6.209 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 )(23.65m 查有關(guān)手冊圓整，得 D 由 ，可得活塞桿直徑3.02d mDd5.193).02( 圓整后，取活塞桿直徑 ，m18 校核，按公式 24/dFt 有: 2/1t 其中 , FMPa120tN90 則: (4 490/ 120)d2/1 28. 滿足設(shè)計(jì)要求，則取氣缸直徑為 。m65 3.3.3 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 之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: (3-7)2/PD 式中: -缸筒壁厚，m -氣缸內(nèi)徑，D -實(shí)驗(yàn)壓力，取 = Pa。PP5106 材料為 : ZL3, Ma3 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 2/PD = 36510106 = .)(m 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 查設(shè)計(jì)手冊，取 = ，則缸筒外徑為: 。m5.7 mD8025.76 4 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左 右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)是通過齒輪與齒條的嚙合來實(shí)現(xiàn)，升降運(yùn)動是 通過立柱升降來實(shí)現(xiàn)的，手臂的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動由 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 氣缸來實(shí)現(xiàn)。 4.1 手臂伸縮 4.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手臂的伸縮是直線運(yùn)動，實(shí)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(jì)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(jì)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。 4.1.2 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(jì)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(jì)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。 4.1.3 手臂伸縮驅(qū)動力的計(jì)算 手臂作水平伸縮時所需的驅(qū)動力: 圖 4-1 手嘴伸出時的受力狀態(tài) 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 圖 4- 1 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，因此， 驅(qū)動力計(jì)算公式為: （4-14321PP ） 式中: -手伶在起動過程中的慣性力,1PN -摩擦阻力(包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力) ,2 N -密封裝置處的摩擦阻力 ，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻3 力不同； -氣缸非工作腔壓力(即背壓)所造成的阻力 ，若非工作腔與油箱4PN 或大氣相連時，則 。04 4.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 其結(jié)構(gòu)如附圖所示。手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱 、升降缸活塞桿 、升降缸體 、 立柱回轉(zhuǎn)缸等組成。其中立柱回轉(zhuǎn)缸有兩個活塞，分別裝在帶齒條的活塞桿兩 頭，齒條的往復(fù)運(yùn)動帶動立柱上的齒輪旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)立柱的旋轉(zhuǎn)。 4.3 手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì) 4.3.1 驅(qū)動力計(jì)算 根據(jù)手臂伸縮運(yùn)動的驅(qū)動力公式: + （4-2fFtm ） 其中，由于手臂運(yùn)動從靜止開始，所以 , 摩擦系數(shù):設(shè)計(jì)氣缸材料為 ZL3，活塞材料為 45 鋼，查有關(guān)手冊可知 f=0.17。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 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 樣本可估其質(zhì)量，同時測量設(shè)計(jì)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=O.5m 2 則上料時： NFf 350.170 = + ftm = 05.6353 )(140N 下料時： Ff 275. = + ftm = 05./165273 )(93N 考慮安全因素，應(yīng)乘以安全系數(shù) 2.K 則上料時，所需驅(qū)動力: )(18501540NF 下料時，所需驅(qū)動力: .93 4.3.2 氣缸的直徑 根據(jù)雙作用氣缸的計(jì)算公式: （4-3）41DpF （4-4） 22d 其中: F -活塞桿伸出時的推力,1 N F -活塞桿縮入時的拉力,2 D-活塞直徑, m P-氣缸工作壓力, Pa 由公司（4-3）和（4-4）代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: 當(dāng)推力做功時: pFD14 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 = 2/134.051804 = )(.m 當(dāng)拉力做功時: 2409.1FD2/1p ).( 2/154.0/ 129m 圓整后，取氣缸直徑 。 0 4.3.3 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根伸縮氣管。 因此，活塞桿內(nèi)徑要盡可能大，假設(shè)取 , 。md70056 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F 以后，活塞桿會產(chǎn)生軸向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)k 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1z 限力F 。k 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: （4-5）21kLnafAFK 式中:L-活塞桿計(jì)算長度， m K-活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，空心桿 ，4 20dKm d -空心活塞桿內(nèi)孔直徑，0 A -活塞桿橫截面面積，空心桿 ，1 6401dA2 f-材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對鋼取f=2.1 10 ，7Pa a-材料系數(shù)，對鋼a=1/5000。 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 21kLnafAFK = 4/1056107/305/149 23233 7 = )(KN 推力負(fù)載為: PDFzf 24 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: =zf )(314201.06 N zfk 所以，活塞桿的直徑設(shè)計(jì)受力安全，設(shè)計(jì)符合要求。 則取活塞桿直徑為 ，內(nèi)孔直徑為 。m70m56 4.3.4 缸筒壁厚計(jì)算 根據(jù)公式： （4-62pDP ） 式中P 為實(shí)驗(yàn)壓力，取P =1.5P=0.6 10 Pa，材料為ZL3，則 pp6 =3MPa， 由前面得： =100mm，則：D2pP = 6 310. = )(m 查手冊，取氣缸筒壁厚 。2 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 5 氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 主要元器件的選擇 5.1.1 氣動三聯(lián)件 氣 源 處 理 三 聯(lián) 件 包 括 空 氣 減 壓 閥 、 過 濾 器 、 油 霧 器 三 大 件 ， 減 壓 閥 可 對 氣 源 進(jìn) 行 穩(wěn) 壓 ， 使 氣 源 處 于 恒 定 狀 態(tài) ， 可 減 小 因 氣 源 氣 壓 突 變 時 對 閥 門 或 執(zhí) 行 器 等 硬 件 的 損 傷 。 過 濾 器 用 于 對 氣 源 的 清 潔 ， 可 過 濾 壓 縮 空 氣 中 的 水 份 ， 避 免 水 份 隨 氣 體 進(jìn) 入 裝 置 。 油 霧 器 可 對 機(jī) 體 運(yùn) 動 部 件 進(jìn) 行 潤 滑 ， 可 以 對 不 方 便 加 潤 滑 油 的 部 件 進(jìn) 行 潤 滑 ， 大 大 延 長 機(jī) 體 的 使 用 壽 命 。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 （ 1） 安 裝 安 裝 時 請 注 意 清 洗 連 接 管 道 及 接 頭 ， 避 免 臟 物 帶 入 氣 路 。 安 裝 時 請 注 意 氣 體 流 動 方 向 與 本 體 上 箭 頭 所 指 方 向 是 否 一 致 ， 注 意 接 管 及 接 頭 牙 型 是 否 正 確 。 過 濾 器 、 調(diào) 壓 閥 （ 調(diào) 壓 過 濾 器 ） 給 油 器 的 固 定 ； 將 固 定 支 架 的 凸 槽 與 本 體 上 凹 糟 匹 配 ， 再 用 固 定 片 及 螺 絲 鎖 緊 即 可 。 單 獨(dú) 使 用 調(diào) 壓 閥 、 調(diào) 壓 過 濾 器 時 的 固 定 ； 旋 轉(zhuǎn) 固 定 環(huán) 使 之 鎖 緊 附 帶 的 專 用 固 定 片 即 可 。 （ 2） 注 意 事 項(xiàng) 部 分 零 件 使 用 PC 材 質(zhì) ， 禁 止 接 近 或 在 有 機(jī) 劑 環(huán) 境 中 使 用 。 PC 杯 清 洗 請 用 中 性 清 洗 劑 。 使 用 壓 力 請 勿 超 過 其 使 用 范 圍 。 當(dāng) 出 口 風(fēng) 量 明 顯 減 少 時 ， 應(yīng) 及 時 更 換 濾 芯 。 5.1.2 換向閥 電 磁 換 向 閥 是 用 電 磁 鐵 的 推 力 來 推 動 閥 芯 運(yùn) 動 以 變 換 氣 體 流 動 方 向 的 控 制 閥 ， 簡 稱 電 磁 閥 。 電 磁 換 向 閥 有 滑 閥 和 球 閥 兩 種 結(jié) 構(gòu) ， 通 常 所 說 的 電 磁 換 向 閥 為 滑 閥 結(jié) 構(gòu) ， 稱 球 狀 或 錐 狀 閥 芯 的 電 磁 換 向 閥 為 電 磁 換 向 座 閥 ， 也 稱 電 磁 球 閥 。 常 用 的 換 向 閥 閥 芯 在 閥 體 內(nèi) 作 往 復(fù) 滑 動 ， 成 為 滑 閥 。 滑 閥 是 一 個 有 多 段 環(huán) 形 槽 的 圓 柱 體 ， 其 直 徑 大 的 部 分 稱 凸 肩 ,凸 肩 與 閥 體 內(nèi) 孔 相 配 合 ， 閥 體 內(nèi) 孔 中 加 工 有 若 干 段 環(huán) 形 槽 ， 閥 體 上 有 若 干 個 與 外 部 想 通 的 油 口 ， 并 與 相 應(yīng) 的 環(huán) 形 槽 相 通 。 （ 1） 工 作 原 理 換 向 閥 滑 閥 的 工 作 置 數(shù) 稱 為 “位 ”， 于 氣 壓 系 統(tǒng) 中 氣 路 相 連 通 的 氣 口 數(shù) 稱 為 “通 ”， 如 圖 5-1： 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 5-1 換 向 閥 的 工 作 原 理 當(dāng) 閥 工 作 在 中 位 時 ， P、 A、 B、 T， 四 個 氣 口 互 不 相 通 ， 處 于 截 止 。 當(dāng) 閥 工 作 在 左 位 時 ， 閥 的 氣 口 P 和 A 相 通 ， B 和 T 相 通 。 當(dāng) 閥 工 作 在 右 位 時 ， 氣 口 P 和 B 相 通 ， A 和 T 相 通 。 控 制 時 滑 閥 在 閥 體 內(nèi) 作 軸 向 移 動 ， 通 過 改 變 各 氣 口 間 的 連 接 關(guān) 系 ， 實(shí) 現(xiàn) 氣 體 流 動 方 向 的 改 變 ， 這 就 是 滑 閥 的 工 作 原 理 。 （ 2） 種 類 電 磁 換 向 閥 的 品 種 繁 多 ， 按 其 工 作 位 置 數(shù) 和 通 路 數(shù) 的 多 少 可 分 為 二 位 三 通 、 二 位 四 通 、 三 位 四 通 等 ； 按 其 復(fù) 位 和 定 位 形 式 可 分 為 彈 簧 復(fù) 位 式 、 鋼 球 定 位 式 、 無 復(fù) 位 彈 簧 式 ； 按 其 閥 體 與 電 磁 鐵 的 連 接 形 式 可 分 為 法 蘭 連 接 和 螺 紋 連 接 ； 按 其 所 配 電 磁 鐵 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 可 分 為 干 式 和 濕 式 ， 每 一 類 又 有 交 流 、 直 流 、 本 整 等 形 式 ， 而 且 所 需 電 源 電 壓 又 有 好 多 種 ， 因 而 在 其 結(jié) 構(gòu) 上 存 在 很 多 差 別 。 （ 3） 結(jié) 構(gòu) 在 氣 壓 傳 動 系 統(tǒng) 中 廣 泛 采 用 的 是 滑 閥 式 換 向 閥 ， 在 這 里 主 要 介 紹 這 種 換 向 閥 的 幾 種 結(jié) 構(gòu) 。 手 動 換 向 閥 ： 手 動 換 向 閥 是 利 用 手 動 杠 桿 來 改 變 閥 芯 位 置 實(shí) 現(xiàn) 換 向 的 。 主 要 有 彈 簧 復(fù) 位 和 鋼 球 定 位 兩 種 形 式 。 機(jī) 動 換 向 閥 ： 又 稱 行 程 閥 ,它 主 要 用 來 控 制 液 壓 機(jī) 械 運(yùn) 動 部 件 的 行 程 ， 它 是 借 助 于 安 裝 在 工 作 臺 上 的 擋 鐵 或 凸 輪 來 迫 使 閥 芯 移 動 ， 從 而 控 制 油 液 的 流 動 方 向 。 機(jī) 動 換 向 閥 通 常 是 二 位 的 ,有 二 通 、 三 通 、 四 通 和 五 通 幾 種 ,其 中 二 位 二 三 通 機(jī) 動 閥 又 分 常 閉 和 常 開 兩 種 。 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 電 磁 換 向 閥 ： 利 用 電 磁 鐵 的 通 、 斷 電 而 直 接 推 動 閥 芯 來 控 制 油 口 的 連 通 狀 態(tài) 。 操 縱 方 便 ， 布 局 靈 活 ， 有 利 于 提 高 自 動 化 程 度 ， 廣 泛 應(yīng) 用 。 電 液 換 向 閥 ： 由 電 磁 換 向 閥 和 液 動 換 向 閥 組 合 而 成 。 電 磁 換 向 閥 起 先 導(dǎo) 作 用 ， 它 可 以 改 變 控 制 液 流 的 方 向 ， 從 而 改 變 液 動 換 向 閥 的 位 置 。 由 于 操 縱 液 動 換 向 閥 的 液 壓 推 力 可 以 很 大 ， 所 以 主 閥 可 以 做 得 很 大 ， 允 許 有 較 大 的 流 量 通 過 。 這 樣 用 較 小 的 電 磁 鐵 就 能 控 制 較 大 的 液 流 。 比 例 式 電 磁 換 向 閥 ： 比 例 方 向 閥 是 以 在 閥 芯 外 裝 置 的 電 磁 線 圈 所 產(chǎn) 生 的 電 磁 力 ， 來 控 制 閥 芯 的 移 動 ， 依 靠 控 制 線 圈 電 流 來 控 制 方 向 閥 內(nèi) 閥 芯 的 位 移 量 ， 故 可 同 時 控 制 油 流 動 的 方 向 和 流 量 。 綜 上 所 訴 ， 根據(jù)具體的工作及其原理選擇三位五通電磁換向閥。 5.1.3 節(jié)流閥 節(jié)流閥的啟閉件大多為圓錐流線型，通過它改變通道截面積而達(dá)到調(diào)節(jié)流 量和壓力。節(jié)流閥供在壓力降極大的情況下作降低介質(zhì)壓力之用。介質(zhì)在節(jié)流 閥瓣和閥座之間流速很大，以致使這些零件表面很快損壞即所謂汽蝕現(xiàn)象。 為了盡是減少汽蝕影響，閥瓣采用耐汽蝕材料（合金鋼制造）并制成頂尖角為 140-180 的流線型圓錐體，這還能使閥瓣能有較大的開啟高度，一般不推薦在 小縫隙下節(jié)流。 （1）工作原理 油液流經(jīng)小孔時，會產(chǎn)生較大的液阻，通流面積越小，油液受到的液阻越 大，通過閥口的流量就越小，因此，改變節(jié)流口的通流面積，使液阻發(fā)生變化， 就可以調(diào)節(jié)流量的大小。 （2）特點(diǎn) 構(gòu)造較簡單，便于制造和維修，成本低； 調(diào)節(jié)精度不高，不能作調(diào)節(jié)使用； 密封面易沖蝕，不能作切斷介質(zhì)用； 密封性好較差。 （3）分類和安裝注意事項(xiàng) 節(jié)流閥按通道方式可分為直通式和角式兩種。 節(jié)流閥的安裝注意以下事項(xiàng)： 該閥經(jīng)常需要操作，因此應(yīng)安裝在易于方面便操作的位置上； 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 安裝時要注意介質(zhì)方向與閥體所標(biāo)箭頭方向保持一致。 5.2 擬定執(zhí)行元件運(yùn)動控制回路 執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動速度和運(yùn)動方向的控制是氣壓回路的核心問題。 速度控制通過改變氣壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變 化來實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào) 速。方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)，對于一般中小流量的系統(tǒng)， 通過換向閥的有機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插 裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)的速度控制主要采用節(jié)流調(diào)速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)， 而方向控制采用電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)。 5.3 氣源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 氣壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由氣源來提供，氣源的核心是氣壓泵。節(jié)流調(diào)速 系統(tǒng)一般用定量泵供氣，在無其他輔助氣源的情況下，氣壓泵的供氣壓要大于 系統(tǒng)的所需氣壓，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定氣源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng) 多用變量泵供氣，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。 氣源的凈化裝置是氣壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝氣動三聯(lián)件， 進(jìn)入系統(tǒng)的氣體根據(jù)要求，通過氣動三聯(lián)件凈化。 本設(shè)計(jì)的氣壓系統(tǒng)采用定量泵供氣，由溢流閥來調(diào)定系統(tǒng)壓力。為了保證 氣源的潔凈，避免氣源帶入污染物，故在氣源出口安裝氣動三聯(lián)件對循環(huán)的氣 源進(jìn)行凈化。 5.4 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 附錄 2 為該機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī) (排氣壓力大于 0.4-0.6M Pa) 通過快換接頭進(jìn)入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓 閥、油霧器，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。該裝置由 五個氣壓缸組成，可在三個空間方向工作。圖中 A 缸為夾緊缸，其活塞桿退回 時夾緊工件，活塞桿伸出時松開工件。B 缸為長臂伸縮缸