機械手-沖床上下料氣動機械手的設計（含CAD圖紙）,機械手,沖床,上下,氣動,設計,cad,圖紙
I 沖床上下料氣動機械手的設計 摘 要 機械手在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配、 輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。本文的機械手用于沖床上 下料，介紹它的組成和分類、自由度和座標型式、氣動技術的特點、PLC 控制 的特點及國內外的發(fā)展狀況，對機械手進行總體方案設計，確定機械手的座標 型式和自由度，確定機械手的技術參數，設計機械手的手臂結構，設計出機械 手的氣動系統，繪制機械手氣壓系統工作原理圖。利用可編程序控制器對機械 手進行控制，選取合適的 PLC 型號，根據機械手的工作流程制定可編程序控制 器的控制方案，畫出機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。 關鍵詞：機械手設計；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 設計目的 ......................................................2 1.3 發(fā)展現狀和趨勢 ................................................3 1.4 機械手的系統工作原理及組成 ....................................3 2 機械手各部件的設計 ................................................7 2.1 機械手的總體設計 ..............................................7 2.1.1 機械手總體結構的類型 ......................................7 2.2 機械手手爪結構設計 ............................................8 2.2.1 設計要求 ..................................................8 2.2.2 驅動方式 ..................................................8 2.2.3 典型結構 ..................................................9 2.2.4 具體設計方案 .............................................10 2.3 機械手手臂結構的設計 .........................................10 2.3.1 手臂結構的設計要求 .......................................10 2.3.2 具體設計方案 .............................................10 2.4 機械手腰座結構的設計 .........................................11 2.4.1 腰座結構的設計要求 .......................................11 2.4.2 具體設計方案 .............................................11 2.5 機械手驅動系統設計 ...........................................11 2.5.1 常用驅動系統及其特點 .....................................11 2.5.2 具體設計方案 .............................................12 2.6 機械手手臂的平衡機構設計 .....................................12 2.6.1 平衡機構的形式 ...........................................12 2.6.2 具體設計方案 .............................................13 3 手部結構設計 .....................................................14 3.1 手指的形狀 ...................................................14 3.2 設計時考慮的幾個問題 .........................................14 3.3 手部夾緊氣缸的設計 ...........................................15 3.3.1 手部驅動力計算 ...........................................15 3.3.2 氣缸的直徑 ...............................................16 3.3.3 缸筒壁厚的設計 ...........................................18 4 手臂結構設計 .....................................................20 4.1 手臂伸縮 .....................................................20 4.1.1 結構設計 .................................................20 II 4.1.2 導向裝置 .................................................20 4.1.3 手臂伸縮驅動力的計算 .....................................20 4.2 手臂升降和回轉部分的結構設計 .................................21 4.3 手臂伸縮氣缸的設計 ...........................................21 4.3.1 驅動力計算 ...............................................21 4.3.2 氣缸的直徑 ...............................................22 4.3.3 活塞桿直徑的計算 .........................................23 4.3.4 缸筒壁厚計算 .............................................24 5 氣動系統設計 .....................................................25 5.1 主要元器件的選擇 .............................................25 5.1.1 氣動三聯件 ...............................................25 5.1.2 換向閥 ...................................................25 5.1.3 節(jié)流閥 ...................................................28 5.2 擬定執(zhí)行元件運動控制回路 .....................................29 5.3 氣源系統的設計 ...............................................29 5.4 氣壓傳動系統工作原理圖 .......................................30 5.5 機械手運行順序及電氣控制 .....................................30 6 機械手的 PLC 控制設計 .............................................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 機械手可編程序控制器控制方案 .................................34 6.3.1 系統簡介 .................................................34 6.3.2 工業(yè)機械手的工作流程 .....................................34 6.3.3 I/0 分配 ..................................................34 6.3.4 機械手工作時序圖 .........................................36 6.3.5 梯形圖設計(如附圖所示) ...................................36 7 結論 .............................................................38 參考文獻 ...........................................................39 致謝 ...............................................................40 附錄 1 .............................................................41 附錄 2 .............................................................42 附錄 3 .............................................................43 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 1 1 前言 1.1 選題背景 由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學技術的不斷提高，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 設備生產自動化機械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機械手是 其發(fā)展過程中的重要產物之一，它不僅提高了勞動生產的效率，還能代替人類 完成高強度、危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。 在機械行業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工 工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更為普遍。目 前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統 FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個重要組成 部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統或柔性制造單元，可以 節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。但目前我國的工業(yè)機 械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水 平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機械行業(yè)自動化生產水平的提高， 從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計具有重 要意義。隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現場的很多易燃、易爆等高危及重 體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一 方面可以大大提高勞動生產率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產以及 輕工業(yè)生產中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影 響效率。為此，我把上下料機械手作為我研究的課題。 現在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點: (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，限制其應用范圍，可能引起失火事故， 而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(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，引起運動特 性變化。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產生噪聲。 (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 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 2 用 維護需要較高技術水平。 鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動，氣動技術有以下優(yōu)點: (1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而 后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器:介質清潔，管道不易堵 塞，不存在介質變質及補充的問題. （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)，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳 動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。 (3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所 需的壓力和速度。氣動系統也能實現過載保護，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，機器及其工藝流程不致突然中斷。 (5) 工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等 惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統比機械、電器及液壓系統優(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。由于氣動系統工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的 材質和加工精度要求，制造容易，成本較低。 1.2 設計目的 目前，我國大多數工廠的生產線上數控機床裝卸工件仍由人工完成，其勞 動強度大、生產效率低，而且具有一定的危險性，已經滿足不了生產自動化的 發(fā)展趨勢。為了提高工作效率,降低成本,并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統,適 應現代機械行業(yè)自動化生產的要求,針對具體生產工藝,結合機床的實際結構， 利用機 械手技術，設計用一臺上下料機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。本機 械手主要與數控機床組合最終形成生產線，實現加工過程的自動化和無人化。 1.3 發(fā)展現狀和趨勢 目前，國內外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現 狀和大體趨勢如下： 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 2 （1）機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。 （2）工業(yè)機械手控制系統向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標 準化、網絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了 系統的可靠性、易操作性，而且維修方便。 （3）機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）關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產品標準化、通用化、 模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿 形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統開發(fā)； （5）焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機械手產品的標準化、通用化、 模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統動態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機械手的智能化，多傳感器，多控制 器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統；其二是與生產加工相聯系，性價 比高，在滿足工作要求的基礎上，追求系統的經濟、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 機械手的系統工作原理及組成 機械手的系統工作原理框圖如圖1-1所示。 控制系統 （PLC） 驅動系統 （氣壓傳動） 執(zhí)行機構 位置檢測裝置 手部 手腕 手臂 立柱 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 3 圖1-1機械手的系統工作原理框圖 機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統、控制系統以及位 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，來實現執(zhí) 行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間 的動作。同時按其控制系統的信息對執(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。位置檢測裝置隨 時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通 過控制系統進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。 （1）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 式手在本設計中采用夾持式手部結構。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型和平移 型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，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(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手 指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構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。 ②手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調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 動手臂運動的部件(如氣缸、液壓缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸 輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。 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，手臂的回轉運動和 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 2 升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機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。 ⑤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動系統均安裝于 機座上，故起支撐和連接的作用。 （2）驅動系統 驅動系統是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調節(jié)裝置和 輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。 （3）控制系統 控制系統是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統。目前工業(yè)機械手 的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。該機 械手采用的是PLC程序控制系統，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。 （4）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，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執(zhí)行 機構以一定的精度達到設定位置。 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 2 2 機械手各部件的設計 2.1 機械手的總體設計 2.1.1 機械手總體結構的類型 工業(yè)機械手的結構形式主要有四種：直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐 標結構和關節(jié)型結構。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下： （1）直角坐標機械手結構特點 直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的。由于 直線運動易于實現全閉環(huán)的位置控制，因此，其運動位置精度高，但此種類型 機械手的運動空間相對較小，如要達到較大運動空間，則要求機械手的尺寸足 夠大。直角坐標機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 作業(yè)。直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。 （2）圓柱坐標機械手結構特點 圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的。 其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機械手構造比較簡單，精度相對較高， 常用于搬運作業(yè)。 （3）球坐標機械手結構特點 球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的。其 工作空間是一個類球形的空間。這種機械手結構簡單、成本較低，但精度不很 高，主要應用于搬運作業(yè)。 （4）關節(jié)型機械手結構特點 關節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉運動實現的。相對機械手本體尺寸， 其工作空間比較大，動作靈活，結構緊湊，占地面積小。此種機械手在工業(yè)中 應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)。關節(jié)型機械手又分為水平 關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 2.1.2 具體采用方案 如圖 2-1 所示機械手模擬工作布局圖，根據實際操作的需要，該機械手在 工作中需要 3 種運動,其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運動,另一個為手臂的 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 3 回轉運動,因此其自由度數目為 3，綜合考慮，應選擇圓柱坐標機械手結構，其 結構簡單，工作范圍相對較大，且有較高的精度，滿足設計要求。 圖 2-1 機械手模擬工作布局圖 2.2 機械手手爪結構設計 2.2.1 設計要求 手爪是用來進行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據操作及作業(yè)方式的 不同，分為搬運用、加工用、測量用等。搬運用手爪是指各種夾持裝置，用來 抓取或吸附被搬運的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工 工具的機械手附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭 或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。 機械手手爪設計有如下要求： （1）機械手手爪是根據機械手作業(yè)要求來設計的。既根據其應用場合設計 手爪，在滿足作業(yè)要求的前提下，機械手手爪還要求體積小、重量輕、結構緊 湊。 （2）機械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結構上很復雜， 甚至很難實現，從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機械 手手爪，加之以快速更換裝置，以實現機械手的多種作業(yè)功能，而不主張用一 個萬能的手爪去完成多種作業(yè)，以考慮設計的經濟效益。 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 4 （3）機械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機械 手，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現 標準化。 （4）機械手手爪要便于安裝和維修，易于實現計算機控制。 2.2.2 驅動方式 一般工業(yè)機械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型 和移動型；按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。 機械手夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種： （1）氣動驅動方式 這種驅動系統是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節(jié)閥來調節(jié)其 運動速度。由于氣動驅動系統價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普 遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性， 這一點是抓取動作十分需要的。 （2）電動驅動方式 電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進 電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現手爪 的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電 機有可能產生火花和發(fā)熱。 （3）液壓驅動方式 液壓驅動方式是利用液壓系統進行控制，傳動剛度大，可實現連續(xù)位置控 制。 2.2.3 典型結構 機械手手爪的典型結構有以下五種： （1）楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現手爪的松、開，來實現抓取工件。 （2）滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力， 當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的 物體。 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 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生夾緊（放松）運動，由于杠桿的 力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯合使用。 （4）齒輪齒條式手爪 通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。 （5）平行杠桿式手爪 采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行 運動，且比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。 2.2.4 具體設計方案 結合具體的工作情況，本設計采用齒輪齒條式的手爪。驅動活塞往復移動， 通過活塞桿端部齒條與齒輪的嚙合來實現手指張開或閉合。手指的最小開度由 加工工件的直徑來調定。本設計按照工件的直徑為 50mm 來設計。 2.3 機械手手臂結構的設計 2.3.1 手臂結構的設計要求 機械手的手臂在工作時，要承受一定的載荷，且其運動本身具有一定的速 度，因此，機械手手臂的設計需要遵循以下設計要求： （1）工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有 密切的關系，因此手臂尺寸設計應合理，一般滿足其工作空間即可。 （2）為了提高機械手的運動速度與控制精度，應在保證機械手手臂有足夠 強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。 （3）應盡可能使機械手手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相 交于一點，這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化，有利于機械手的控制。 （4）機械手各關節(jié)的間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。 （5）為提高機械手手臂運動的速度、減小電機負載，機械手的手臂相對其 關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡。 2.3.2 具體設計方案 由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件的重量較大（質量達 50Kg），以及機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求， 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 6 因此選擇氣壓驅動方式。通過氣缸的直接驅動，氣缸既是驅動元件，又是執(zhí)行 運動件，因此不用再額外設計執(zhí)行件；而且氣缸實現直線運動，控制簡單，易 于實現計算機的控制。 由于氣壓系統能提供很大的驅動力，因此驅動力和結構的強度都較容易實 現，其關鍵在于機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的設計。因此手臂氣缸的設計原則 是氣缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。 同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅 僅通過增大氣缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統剛度要求的。因此，在設 計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，盡量增加其剛度；為減小質 量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度 和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。 2.4 機械手腰座結構的設計 2.4.1 腰座結構的設計要求 機械手的腰座，就是機械手的回轉基座。它是機械手的第一個回轉關節(jié)， 承受了機械手的全部重量。因此在設計機械手腰座結構時，有以下設計要求： （1）由于腰座要承受機械手全部的重量和載荷，因此，機械手腰座的結構 要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力，且腰座是機械手的第一個回轉 關節(jié)，它對機械手末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部 軸系及傳動鏈的精度與剛度。 （2）腰部結構要便于安裝、調整。要有可靠的定位基準面和調整機構。且 腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。 （4）腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器及減速器。驅動 裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。 （5）為了減輕機械手運動部分的慣量，提高控制精度，要求回轉運動部分 由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 2.4.2 具體設計方案 腰座回轉的驅動形式主要有三種，一是電機通過減速機構來實現，二是通 過擺動液壓缸或液壓馬達來實現，三是通過氣缸來實現。考慮到腰座是機械手 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 7 的第一個回轉關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，且整個系統都用氣壓驅動， 故采用氣壓驅動齒條與齒輪的嚙合來實現腰部的回轉運動。 2.5 機械手驅動系統設計 2.5.1 常用驅動系統及其特點 工業(yè)常用驅動系統，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據需要也 可將這三種基本類型組合成復合式的驅動系統。這三類基本驅動系統的主要特 點如下。 （1）液壓驅動系統 具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動、 精度高等特點。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 機械手。 （2）氣動驅動系統 具有速度快，系統結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負 荷的機械手中采用。但是因難于實現伺服控制，多用于程序控制的機械手中。 （3）電動驅動系統 具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點。這類驅動系統不需要能量轉 換，但大多數電機后面需安裝精密的傳動機構。 2.5.2 具體設計方案 在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機械手腰部的旋轉運動需 要一定的定位控制精度，因此采用氣壓傳動來實現。隨著機床加工的工件的不 同，通過程序對其控制，結合氣壓驅動可增加其通用性。 2.6 機械手手臂的平衡機構設計 直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機械手可以通過合理布局，優(yōu)化設計 結構，使得手臂本身可能達到平衡。關節(jié)機械手手臂一般都需要平衡裝置，以 減小驅動器的負荷，同時縮短啟動時間。 2.6.1 平衡機構的形式 （1）配重平衡機構 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 8 這種平衡裝置結構簡單，平衡效果好，易于調整，工作可靠，但增加了機 械手手臂的慣量與關節(jié)軸的載荷。一般在機械手手臂的不平衡力矩比較小的情 況下采用這種平衡機構。 （2）彈簧平衡機構 彈簧平衡機構，機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因 此應用廣泛。 （3）活塞推桿平衡機構 活塞式平衡系統分為兩種，一是液壓平衡系統，二是氣動平衡系統。其中 液壓平衡系統平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；而氣動平衡系統，具有 很好的阻尼作用，但體積比較大。活塞式平衡需要配備有專門的液壓或氣動裝 置，系統復雜，因此造價高，設計、安裝和調試都增加了難度，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 具體設計方案 因為本機械手采用圓柱坐標型的結構，而且在手臂的結構設計以及整個機 械手的設計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu) 化設計結構，使得手臂本身盡可能達到平衡。若實際工作中平衡結果不滿足， 則設置彈簧平衡機構進行平衡。 因為機械手設計為圓柱坐標形式，且具有 4 個自由度，一個為腰座 的轉動，兩個為手臂的移動和手部的抓取。同時考慮機械手的工作環(huán)境和載荷 對其布局和定位精度的要求，以及計算機的控制的因素，機械手的腰座的轉動、 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現。 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 9 3 手部結構設計 手爪是用來進行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據操作及作業(yè)方式的 不同，分為搬運用、加工用、測量用等。搬運用手爪是指各種夾持裝置，用來 抓取或吸附被搬運的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工 工具的機械手附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭 或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。對氣動機械手的基本要求是 能快速、準確地拾一放和搬運物件，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、尺寸和質量參 數等，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，并能實現柔性轉換和編程控 制。 本次設計的機械手是沖床氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小 批 生產的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，它可用于操作環(huán)境惡劣， 勞動強度大和操作單調頻繁的生產場合。該機械手主要應用于棒料的拾取，故 采用齒輪齒條夾持式，當活塞向前運動時，齒輪和齒條的嚙合推動手爪合并， 產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 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 又可分為內卡式和外夾式兩種，用于模仿人手手指的動作，該種手指結構簡單， 制造容易，應用廣泛。鑒于本文的機械手的用途，選擇兩指夾持式。 3.2 設計時考慮的幾個問題 (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，還應考慮在傳送或操作過程中 所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 (2)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。 (3)保證工件準確定位 使手指和被夾持工件保持準確的相對位置。 (4)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，應當盡 量使結構簡單緊湊，自重輕。 3.3 手部夾緊氣缸的設計 3.3.1 手部驅動力計算 該動機械手的手部結構如圖 3-1 所示，其工件重量 ， “V”形手指KgG50? 的角度 °， ， ,摩擦系數為 。2?10?mb2R24?1.f 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 11 圖 3-1 齒輪齒條式手部 (1)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為: （3-NRbP2? 1） (2)根據手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: )(5.0????Gtg ???N504260. `??? 所以： )(92NRbP? (3)實際驅動力: (3-2)?21K?實 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: 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 12 212??gaK 所以： ??NP156394.0??實 際 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為 。 3.3.2 氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據力平衡原理，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-ztFpDF??421? 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算: （3-??SlCFft?? 4） （3-nDGdf31 48 5） （3-12dt?? 6） 式中: -彈簧剛度，fCmN L -彈簧預壓縮量， 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 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 G -彈簧材料剪切模量，一般取 ，PaG9104.7?? 在設計中，必須考慮負載的影響，則: tFpD??421?? 由以上分析代入公式得單向作用氣缸的直徑: ??pDt????????1 由公式（3-5）代入有關數據，可得： nGdCf3148 ??????15038/105..79343????? mN/63 ??SlCFft? 310.7??? )(62N 所以： ??p FDt????????14 ??????2/164.05./6.209?? 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 14 )(23.65m? 查有關手冊圓整，得 D 由 ，可得活塞桿直徑3.02??d ??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 , F???MPa120?tN90? 則: (4 490/ 120)d???2/1 28.?? 滿足設計要求，則取氣缸直徑為 。m65 3.3.3 缸筒壁厚的設計 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徑 之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: (3-7)????2/PD? 式中: -缸筒壁厚，?m -氣缸內徑，D -實驗壓力，取 = Pa。PP5106? 材料為 : ZL3,[ ] ?Ma3? 代入己知數據，則壁厚為: ????2/PD = ??36510106??? = .)(m 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 15 查設計手冊，取 = ，則缸筒外徑為: 。?m5.7 mD8025.76??? 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 右回轉和升降運動。手臂的回轉是通過齒輪與齒條的嚙合來實現，升降運動是 通過立柱升降來實現的，手臂的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 16 氣缸來實現。 4.1 手臂伸縮 4.1.1 結構設計 手臂的伸縮是直線運動，實現直線往復運動采用的是氣壓驅動的活塞氣缸。 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，必須采用適當的導向裝置。它應根據 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中心的轉動慣量。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。 4.1.2 導向裝置 氣壓驅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，必須采用適當的導向裝置。它應根據手 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中心的轉動慣量。 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。 4.1.3 手臂伸縮驅動力的計算 手臂作水平伸縮時所需的驅動力: 圖 4-1 手嘴伸出時的受力狀態(tài) 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 17 圖 4- 1 所示為活塞氣缸驅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，驅使手臂前伸(或縮回)，其 驅動力應克服手臂在前伸(或縮回)起動時所產生的慣性力，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， 驅動力計算公式為: （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 手臂升降和回轉部分的結構設計 其結構如附圖所示。手臂升降裝置由轉柱 、升降缸活塞桿 、升降缸體 、 立柱回轉缸等組成。其中立柱回轉缸有兩個活塞，分別裝在帶齒條的活塞桿兩 頭，齒條的往復運動帶動立柱上的齒輪旋轉，從而實現立柱的旋轉。 4.3 手臂伸縮氣缸的設計 4.3.1 驅動力計算 根據手臂伸縮運動的驅動力公式: + （4-2fF?tm?? ） 其中，由于手臂運動從靜止開始，所以 , 摩擦系數: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。手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、手臂回轉氣缸、夾緊氣缸、手爪 及相關的固定元件組成。氣缸為標準氣缸，根據中國煙臺氣動元件廠的《產品 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 18 樣本》可估其質量，同時測量設計的有關尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時其質 量為 70kg，放松物件后其質量為 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，應乘以安全系數 2.K 則上料時，所需驅動力: )(18501540NF?? 下料時，所需驅動力: .93 4.3.2 氣缸的直徑 根據雙作用氣缸的計算公式: （4-3）41??DpF? （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）代入有關數據，得: 當推力做功時: ??pFD14? 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 19 = ?? 2/134.051804????????? = )(.m 當拉力做功時: 2409.1~FD???2/1??p ).( ?2/154.0/?? 129m 圓整后，取氣缸直徑 。 0? 4.3.3 活塞桿直徑的計算 根據設計要求,此活塞桿為空心活塞桿，目的是桿內將裝有3根伸縮氣管。 因此，活塞桿內徑要盡可能大，假設取 , 。md70?056 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F 以后，活塞桿會產生軸向彎曲，出現不穩(wěn)k 定現象。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。有關公式為: （4-5）21????????kLnafAFK 式中:L-活塞桿計算長度， m K-活塞桿橫截面回轉半徑，空心桿 ，4 20dK??m d -空心活塞桿內孔直徑，0 A -活塞桿橫截面面積，空心桿 ，1 ??6401dA???2 f-材料強度實驗值，對鋼取f=2.1 10 ，?7Pa a-材料系數，對鋼a=1/5000。 代入有關數據，得: 西南科技大學應用型自學考試畢業(yè)設計 20 21????????kLnafAFK = ??????4/1056107/305/149 23233 7 ???????? = )(KN 推力負載為: PDFzf 24??? 代入有關數據，得: =zf ??)(314201.06 N???? <
收藏