機械手-氣動機械手設計,機械手,氣動,設計
第一章 概述
1、引言
隨著氣動技術獲得了快速發(fā)展，利用成本性能比低，同時具有許多優(yōu)點的氣動機械手設備來滿足社會生產(chǎn)實踐需要越來越多的受到重視。氣動機械手與其他控制方式的機械手相比，具有價格低廉、結構簡單，功率體積比高、無污染及抗干擾性能強等特點。
1、2機械手的應用與發(fā)展
機械手臂在產(chǎn)業(yè)自動化的應用已經(jīng)相當廣泛，因為各個國家產(chǎn)業(yè)分布的不同，以及各產(chǎn)業(yè)對于機械手臂的需求量也有差異。主要是使用于人工無法進行或者會耗費較多時間來做的工作，機械手臂在精度與耐用性上可以減少許人為的不可預知問題。自從第一臺產(chǎn)業(yè)用機器人發(fā)明以來，機械手臂的應用也從原本的汽車工業(yè)、模具制造、電子制程等相關產(chǎn)業(yè)，更拓展到農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務業(yè)…等等。
多軸機械手臂研發(fā)方面，多軸式機械手臂廣泛應用于汽車制造商、汽車零組件與電子相關產(chǎn)業(yè)。機械手臂可以提升產(chǎn)品技術與品質(zhì)，而這些初期工作大多可以借由機械手臂來完成。機械手臂的精準、零誤差，對于產(chǎn)品的品質(zhì)掌握自然擁有其優(yōu)勢，減少品管所花費的時間與人力。 工業(yè)應用上，以裝配、加工、熔接、切削、加壓、貨物搬運、檢測…等，全球目前產(chǎn)業(yè)使用量是以汽車、汽車零組件、化工、橡膠和塑料等最大。現(xiàn)在，ROBOT的應用已越來越多元化，依據(jù)國際機器人協(xié)會（IFR）的統(tǒng)計，至2007年底機械手臂除了工業(yè)以外，最多應用于救援、保全與野地（田野、牧場等），近年來，各先進國家為了提升臺機器人的技術水平，都會推廣機器人產(chǎn)業(yè)與創(chuàng)立相關聯(lián)盟，并且特別針對工業(yè)以外的領域進行推廣，例如：醫(yī)療、服務、生活方面…等。以醫(yī)療為例，有許多大型醫(yī)學中心使用以手動操控方式之機械手臂，結合顯微影像顯示系統(tǒng)所結合的手術型機器人。 機械手臂的研發(fā)也朝向節(jié)省人力、減少人類暴露在危險的工作環(huán)境、甚至進行更加精密的工作或是輔助操作。機械手臂的技術發(fā)展都是為了讓人類在工作與生活中更加便利。
1、3氣動機械手概述
氣動機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化設備。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。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機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器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(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器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(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，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，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機械手的組成和分類
1、4、1機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖1-1所示。
控制系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)
被抓取工件
執(zhí)行機構
位置檢測裝置
圖1.1機械手的組成方框圖
(一)執(zhí)行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
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) 和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結構簡單，制造容易構件，故應用較廣泛平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，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。
手指結構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。
而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較常用的有: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等構成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。
對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負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(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。
2、手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。
手臂可能實現(xiàn)的運動如下:
手臂運動
基本運動
復合運動
直線運動與回轉(zhuǎn)運動的組合(即螺旋運動)
兩直線運動的組合(即平面運動)
回轉(zhuǎn)運動:如水平回轉(zhuǎn)、左右擺動運動
直線運動:如伸縮、升降、橫移運動
兩回轉(zhuǎn)運動的組合(即空間曲面運動)。
手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。
導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。
4、立柱
立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械豐的立往通常為固定不動的，但機械手的立柱是支承手臂的部件，因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
5、行走機構
當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。
6、機座
機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。
（二）驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置。通常由動力源、控制調(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、電力傳動和機械傳動。
控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
（三）位置檢測裝置
控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置.
1.4.2機械手的分類
工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。
1、 按用途分
機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:
（1） 專用機械手
它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)，如自動機床、自動線的上、下料機械手。
（2） 通用機械手
它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。
2、 按驅(qū)動方式分
（1） 液壓傳動機械手
是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。
（2） 氣壓傳動機械手
是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，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械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。
（3） 機械傳動機械手
即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。
（4） 電力傳動機械手
即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。
3、 按控制方式分
（1） 點位控制
它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。
（2） 連續(xù)軌跡控制
它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。
第二章 氣動機械手的設計
對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、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。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，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;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。
2.1機械手的坐標型式與自由度
按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱坐標型式。相應的機械手具有四個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。
2.2機械手的手部結構方案設計
為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部；當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。
2.3機械手的手腕結構方案設計
考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結構，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構為回轉(zhuǎn)氣缸。
2.4機械手的手臂結構方案設計
按照抓取工件的要求，本機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(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。
2.5機械手的驅(qū)動方案設計
由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。
2.6機械手的控制方案設計
考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。
2.7機械手的主要參數(shù)
1、主參數(shù)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。故該機械手主參數(shù)定為10公斤，高速動作時抓重減半。使用吸盤式手部時可吸附5公斤的重物。
2、基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。
該機械手最大移動速度設計為1. 2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設計為120o/s。平均移動速度為lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為900/s。
機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。
除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當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)計和比較，該機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(應大于1800，否則需安裝多只手臂)，又由于該機械手設計成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為土0. 5—±1 mm，旋轉(zhuǎn)角度為180°。
2.8機械手的技術參數(shù)列表
一、用途:
用于100噸以上沖床上下料。
二、設計技術參數(shù):
1、抓重
10公斤(夾持式手部)
5公斤(氣流負壓式吸盤)
2、自由度數(shù)
4個自由度
3、座標型式
圓柱座標
4、最大工作半徑
1500mm
5、手臂最大中心高
1380mm
6、手臂運動參數(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、手腕運動參數(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、傳動方式
氣壓傳動
12、控制方式
點位程序控制(采用PLC)
2.9機械手裝配
2.9.1手部結構設計
設計針對的是工件是棒料時，使用夾持式手部。夾持式手部結構由手指 (或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，本設計選擇齒輪齒條式。
設計時考慮的幾個問題：
(一) 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。
(二) 手指間應具有一定的開閉角
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。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應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。
(三) 保證工件準確定位
為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
(四)具有足夠的強度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，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。
(五) 考慮被抓取對象的要求
根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如圖所示。
本課題氣動機械手的手部結構如圖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
夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為P = N = 173 N。
圖2.1齒輪齒條式手部
2.9.2手腕結構設計
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，因而具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。
由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。
目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構，應用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結構緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于360°，并且要求嚴格的密封。
手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，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)時受力狀態(tài)
手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算:
M驅(qū) =M慣+ M偏+ M摩+ M封
式中:M驅(qū) — 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(Kg *cm)；
M慣 — 慣性力矩(Kg *cm)；
M偏 — 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)生的偏重力矩(Kg *cm)；
M摩 — 手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(Kg *cm)；
M封— 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(Kg *cm)。
2.9.3回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算
在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(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，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片3及密封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉片回轉(zhuǎn)氣缸的壓力p和驅(qū)動力矩M的關系為: P =
圖2.3回轉(zhuǎn)氣缸簡圖
式中:M - 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩(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 - 動片寬度 (cm).
上述驅(qū)動力矩和壓力的關系式是對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應代以工作壓力P1與背壓P2之差。
2.9.4手臂結構設計
按照抓取工件的要求，本機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 (或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。
（1） 結構設計
手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復運動采用的是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂結構中應用比較多。
同時，氣壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，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，在設計手臂結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。在本機械手中采用的是單導向桿作為導向裝置，它可以增加手臂的剛性和導向性。
（2） 導向裝置
氣壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，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，在設計手臂結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。
目前常采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿等，在本機械手中采用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。
（3） 手臂伸縮驅(qū)動力的計算
手臂作水平伸縮時所需的驅(qū)動力：
圖2.4手臂伸出時的受力狀態(tài)
圖2.4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系式不一樣。當壓力油(或壓縮空氣)輸入工作腔時，驅(qū)使手臂前伸(或縮回)，其驅(qū)動力應克服手臂在前伸(或縮回)起動時所產(chǎn)生的慣性力，手臂運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)動力計算公式為:
P驅(qū) = P慣+ P摩+ P封+ P背
式中: P慣 - 手伶在起動過程中的慣性力(N)；
P摩 - 摩擦阻力(包括導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，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)接盤和導向桿等組成。
實現(xiàn)機械手手臂回轉(zhuǎn)運動的機構形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、連桿機構等。手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好，對氣缸孔的機械加工精度也易于保證。手臂回轉(zhuǎn)運動采用多點定位緩沖裝置，其工作原理見回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器部分。
2.9.6手臂伸縮氣缸的設計
1、驅(qū)動力計算
根據(jù)手臂伸縮運動的驅(qū)動力公式: （N）
其中，由于手臂運動從靜止開始，所以△v=v。
摩攘系數(shù):設計氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查有關手冊可知f=0.17。
質(zhì)量計算: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、手爪及相關的固定元件組成。氣缸為標準氣缸，根據(jù)中國煙臺氣動元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時測量設計的有關尺寸，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=0. 5㎡
則上料時:Ff =70×10 ×0. 5=350 (N)
=350+70 × 600 × 10-3/0.05
=1540(N)
下料時:Ff =55 ×10×0. 5=275 (N)
=275+55 ×600 ×10-3/0.05
=935 (N)
考慮安全因素，應乘以安全系數(shù)K=1.2
則上料時:F=1540 ×1. 2=1850 (N)
下料時:F=935 × 1. 2=1120 (N)
2、氣缸的直徑
根據(jù)雙作用氣缸的計算公式:
其中:F1—活塞桿伸出時的推力，N
F2—活塞桿縮入時的拉力, N
d—活塞直徑，㎜
P—氣缸工作壓力，Pa
代入有關數(shù)據(jù)，得:當推力做功時
=[4 ×1850/(π×5×105×0.4)]?
=108.5 (mm)
當拉力做功時
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、活塞桿直徑的計算
根據(jù)設計要求，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，假設取d=70mm, d0=56mm.校核如下:(按縱向彎曲極限力計算)
氣缸承受縱向推力達到極限力Fk以后，活塞桿會產(chǎn)生軸向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，必須使推力負載(氣缸工作負載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。有關公式為:
式中:L—活塞桿計算長度，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—材料強度實驗值，對鋼取f=2.1 ×107 Pa
a—系數(shù)，對鋼a=1/5000
代入有關數(shù)據(jù)，得:
=573 (KN)
推力負載為:
代入有關數(shù)據(jù)，得: Ft+ Fz=π/4×0.4×106(100×10-3)2=3142 (N)
Ft+ Fz=<
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