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1、 工業(yè)機(jī)器人末端夾持器設(shè)計 1工業(yè)機(jī)器人背景與發(fā)展趨勢 工業(yè)機(jī)器人是一種高自動化的機(jī)電一體化設(shè)備，具有很高的技術(shù)附加值。在大規(guī)模工業(yè)制造過程中，工業(yè)機(jī)器人是不可缺少的自動化裝備。目前國內(nèi)大型加工制造企業(yè)對工業(yè)機(jī)器人的需求在日益增加。 機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。主要進(jìn)行焊接、裝配、搬運(yùn)、加工、噴涂、碼垛等復(fù)雜作業(yè)。由于機(jī)器人及自動化成套裝備對提高制造業(yè)自動化水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、增強(qiáng)企業(yè)市場競爭力、改善勞動條件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增長速度較快。 以機(jī)器人為核心的自動化生產(chǎn)線適應(yīng)

2、了現(xiàn)代制造業(yè)多品種、少批量的柔性生產(chǎn)發(fā)展方向，具有廣闊的市場發(fā)展前景和強(qiáng)勁生命力，已開發(fā)出多種面向汽車、電氣機(jī)械等行業(yè)的自動化成套裝備和生產(chǎn)線產(chǎn)品。在發(fā)達(dá)國家，機(jī)器人自動化生產(chǎn)線已形成一個巨大的產(chǎn)業(yè)，像國際上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是機(jī)器人自動化生產(chǎn)線及物流與倉儲自動化設(shè)備的集成供應(yīng)商。 機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高，

3、功能越來越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展。機(jī)器人應(yīng)用從傳統(tǒng)制造業(yè)向非制造業(yè)轉(zhuǎn)變，向以人為中心的個人化和微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動的各個領(lǐng)域。 我國的機(jī)器人研究開發(fā)工作始于20世紀(jì)70年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關(guān)計劃，發(fā)展比較快。在機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面：諸如機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析與綜合研究，機(jī)器人運(yùn)動的控制算法及機(jī)器人編程語言的研究，機(jī)器人內(nèi)外部傳感器的研究與開發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術(shù)、遙控機(jī)器人的控制技術(shù)等均取得長足進(jìn)展，并在實(shí)際工作中得到應(yīng)用。

4、 在機(jī)器人的單元技術(shù)和基礎(chǔ)元部件的研究開發(fā)方面：諸如交直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)、測速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、液壓（氣動）元部件、滾珠絲杠、直線滾動導(dǎo)軌、諧波減速器、RV減速器、十字交叉滾子軸承、薄壁軸承等均開發(fā)出一些樣機(jī)或產(chǎn)品。但這些元部件距批量化生產(chǎn)還有一段距離。 在機(jī)器人的應(yīng)用工程方面：目前國內(nèi)已建立了多條弧焊機(jī)器人生產(chǎn)線，裝配機(jī)器人生產(chǎn)線，噴涂生產(chǎn)線和焊裝生產(chǎn)線。國內(nèi)的機(jī)器人技術(shù)研發(fā)力量已經(jīng)具備了大型機(jī)器人工程設(shè)計和實(shí)施的能力，整體性能已達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，具有很好的性能價格比和市場競爭力。 我國近幾年機(jī)器人自動化生產(chǎn)線已經(jīng)不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國

5、工業(yè)企業(yè)自動化水平的不斷提高，機(jī)器人自動化線的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要方式。我國機(jī)器人自動化生產(chǎn)線裝備的市場剛剛起步，而國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時期，這就給機(jī)器人自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)者帶來巨大商機(jī)。據(jù)預(yù)測，目前我國僅汽車行業(yè)、電子和家電行業(yè)、煙草行業(yè)、新能源電池行業(yè)等，年需求此類自動化線就達(dá)300多條，產(chǎn)值約為上百億元人民幣。 我國現(xiàn)有主要生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人廠家其生產(chǎn)規(guī)模較小，這與當(dāng)前市場需求有較大差距。生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到大批量生產(chǎn)能力，才能提高機(jī)器人的穩(wěn)定性、可靠性及降低成本，才能占領(lǐng)國內(nèi)市場。目前主要生產(chǎn)第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人。隨著建筑施工

6、、石化、食品、核工業(yè)、水下、高空及微加工行業(yè)的需求，將推出一批新機(jī)型，如大負(fù)載、高精度、無人飛行器以及家用等。目前正在逐步建立上海、沈陽、北京機(jī)器人及其自動化生產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)基地，開發(fā)出一批有市場前景的，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人及其自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品。進(jìn)一步加強(qiáng)與外企合作，引入先進(jìn)技術(shù)及資金使我國成為國際生產(chǎn)機(jī)器人基地，占領(lǐng)國內(nèi)市場，走向世界。 2設(shè)計要求 1應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A持力與驅(qū)動力； 2手指應(yīng)具有一定的開閉范圍； 3應(yīng)保持工件在手指內(nèi)的夾持精度； 4要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高； 5應(yīng)考慮通用性和特殊性。 設(shè)計參數(shù)及要求 1采用手指式夾持器，執(zhí)行動作為

7、抓緊-放松； 2所要抓緊的工件直徑為80mm，放松時的兩爪的最大距離為110-120mm,1s抓緊，夾持速度為20mm/s; 3工件的材料為45鋼，質(zhì)量為5kg; 4夾持器具有足夠的夾持力； 5夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上，由液壓缸提供動力。 3夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖1-1 契塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 1-杠桿 2-彈簧 3-滾子 4-契塊 5-液壓缸 圖1-1的驅(qū)動器采用

8、液壓缸。當(dāng)液壓缸5將栔塊4向前推進(jìn)時，栔塊4上的斜面推動杠桿1，是兩個手爪產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力。但栔塊4后移時，考彈簧2的拉力使手指松開。裝在杠桿1上端的滾子3與栔塊4為滾動接觸。 4夾緊裝置設(shè)計 4.1夾緊力計算 手指加在工件上的夾緊力是設(shè)計手部的主要依據(jù)，必須對其大小，方向，作用點(diǎn)進(jìn)行分析，計算。一般來說，夾緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按下列公式計算： Fn≥K1K2K3G 式中： K1-

9、安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計要求確定，通常取1,2-2,0，取1.5： K2-工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，計算最大速度，得出工作情況系數(shù)，K2=1+a/g=1+0.02/9.8=1.002,a為機(jī)器人搬運(yùn)工件的加速度或減速度的絕對值（m/s）： K3-方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件的形狀及手指與工件位置不同進(jìn)行選定， 手指與工件位置：手指水平放置 工件豎直放置； 手指與工件形狀：V型指端加持圓柱型工件， K3=0.5sin? /f,f為摩擦系數(shù)， 為V型手指半角，此處粗略計算K3=4，如圖 圖1-2 G

10、-被抓去工件的重量 球的夾緊力Fn=K1K2K3Mg=176.75N,取整為177N。 4.2驅(qū)動力計算 根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關(guān)系式； Fn=Fc/2bsina 式中： c-滾子至銷軸之間的距離； b-爪至銷軸之間的距離； a-塊的傾斜角 可得F=2Fnbsina/c=177x2x86xsin16/34=195.15N,得出F為理論計算值，實(shí)際采取的液壓缸驅(qū)動力F要大于理論值，考慮手爪的機(jī)械效率η,一般取0.8-0.9，此處取0.88，則： F=F/η =195.15/0.88=221.752，取F=500N

11、 5液壓傳動設(shè)計 5.1液壓缸驅(qū)動力計算 設(shè)計方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾持器，液壓缸為單作用缸，提供推了： F推= πDp/4 式中D—活塞直徑 d—活塞桿直徑 P—驅(qū)動力矩， F推=F,已知液壓缸動力F，且F=500N<10KN 由于F<10KG,故選工件壓力P=1MPa 據(jù)公式計算可得液壓缸內(nèi)徑： D= √4F/πP= √4500/3.14 =25.213mm 根據(jù)液壓缸設(shè)計手冊，見表5.1圓整后取D=32mm。 表5.1液壓缸的內(nèi)徑系列（JB82

12、6—66）（mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 活塞桿直徑d=0.15D=0.4x40mm=16mm 活塞厚B=（0.6—1.0D 取B=0.8d=0.7x32mm=22.4mm.取23mm. 缸筒長度L<(20-30)D取L為123mm 活塞行程，當(dāng)抓取80mm工件時，即手爪從張開120mm減小到80mm，契塊向前移動大約40mm。去液壓缸行程S=40mm。 液壓缸流量計算： 放松時流量

13、 Q=π(D-d)s/4τ qV1=A2V1=π(32-16)2060/10ˉ=0.724L/min 夾緊是流量 qV1=A1V1=πDs/4τ=0.965L/min 5.2選用夾持器液壓缸 根據(jù)數(shù)據(jù)綜合比較選擇輕型拉桿液壓缸，型號為：MOB-B-83-FB,結(jié)構(gòu)簡圖，外形尺寸及技術(shù)參數(shù)如下： 表5.2夾持器液壓缸技術(shù)參數(shù) 工作 壓力 使用溫度范圍 允許最大速度 效率 傳動介子 缸徑 受壓面積（cm） 無桿腔 有桿腔 速度比 1MPa -10—+80 3

14、00m/s 90% 常規(guī)礦物液壓油 32mm 12.5 8.6 1.45 油壓缸‘MOB’系列結(jié)構(gòu)簡圖 圖1-3結(jié)構(gòu)簡圖 NO 零件名 材料 1 活塞桿 S45C 2 軸用油杯 NBR 3 軸用油封 NBR 4 O型環(huán) NBR 5 橡膠活塞環(huán) NBR 6 彈簧滑絲 S45C 7 螺帽 S45C NO 零件名

15、 材料 1 前蓋 FC-25 2 鋼管 STKM-13 3 固定柱子 S20C 4 O型環(huán) NBR 5 活塞本體 FC-25 6 后蓋 FC-25 缸徑 A B C D DE E F G H N I J K S Z PT 32 35 16 M14X1.5 52 36 28 10 15 25 25 53 100 M8 50 153 ZG1/4 40 40

16、 20 M16X1.5 64 45 28 17 20 30 30 65 110 M8 50 175 ZG3/8 50 45 20 M16X1.5 70 50 28 17 20 30 30 65 110 M10 50 175 ZG3/8 63 55 25 M22X1.5 85 60 40 20 30 31 31 90 112 M10 50 202 ZG3/8 80 62 32 M26X1.5 106 74 40 20 32 37 37 92 129 M12 55

17、 221 ZG1/2 100 78 40 M30X1.5 122 89 45 20 32 37 37 97 154 M14 80 251 ZG1/2 125 85 50 M40X2 147 110 55 25 35 44 44 115 168 M16 80 283 ZG1/2 160 100 60 M52X2 188 145 65 30 35 55 55 130 190 M20 80 320 ZG3/4 MOB系列B型標(biāo)準(zhǔn)油缸

18、 圖1-4外形尺寸 5.3液壓驅(qū)動過程 圖1-5 6手爪的加持誤差即分析 機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手定位精度（由手部和腕部等運(yùn)動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多產(chǎn)品種的中，小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，見圖1-6，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機(jī)械加工中，通常情況是手爪的加持誤差不超過1mm，手部的最終誤差取決于手部裝置

19、加工精度和控制系統(tǒng)補(bǔ)償能力。 圖1-6 加持不同直徑工件時的夾持誤差 R1、R2-工件半徑 C1C2=Δ 工件直徑為80mm，尺寸偏差5mm，則Rmax=42.5mm,Rmin=37.5mm,Rcp=40mm. 本設(shè)計為砌塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，屬于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指夾持，如圖1-7 圖1-7 若把工件軸心位置C到手爪兩支點(diǎn)

20、連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關(guān)系有： X=√lab+(R/sin?)-2labRcosβ/sin?-a X= 該方程為雙曲線方程，如圖1-8： 圖1-8 工件半徑與夾持誤差Δ關(guān)系曲線 由上圖得，當(dāng)工件半徑為Ro時，X取最小值。Xmin，又從上式可以求出： Ro=labxsin?xcosβ, 通常取2? =120? Xmin=labxsinβ 若工件半徑Rmax變化Rmin到時

21、，X值得最大變化量，即為夾持誤差，用Δ表示。 在設(shè)計中，希望按給定的Rmax和來Rmin確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結(jié)構(gòu)增大，另一方面可選取合適的偏轉(zhuǎn)角β，使夾持誤差最小，這時的偏轉(zhuǎn)角稱為最佳偏轉(zhuǎn)角。只有當(dāng)工件平均半徑Rcp取為Ro時，夾持誤差最小。此時最佳偏轉(zhuǎn)角的選擇對于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪（尤其當(dāng)a值較大時），偏轉(zhuǎn)角β的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪BE和BE邊平行，抓不著工件。為了避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑Rcp，以∠BCD為條件確定兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角β，即下式:

22、 其中2a=90mm,lab86mm,V型鉗的夾角2?=120? 代入得出： β=56.57? 則Ro=labsin?cosβ=86sin60?cos56.57?=41.02mm 則Rmin

23、 圖1-9 上圖1-9中 θ-斜栔角，θ<30?時有增力作用； —滾子與斜契面間當(dāng)量摩擦角，tan?2=(d/D)tan?2,?2為滾子與轉(zhuǎn)軸間的摩擦角，d為轉(zhuǎn)軸直徑，D為滾子外徑，tan=f2,f2為滾子與轉(zhuǎn)軸間摩擦系數(shù)； γ-支點(diǎn)O至斜面垂線與杠桿的夾角； l-驅(qū)動端桿長； l-杠桿夾緊端桿長； η-杠桿傳動機(jī)械效率 7.2斜栔的傳動效率 斜栔的傳動效率可以由下式表示: η=sinθ/sin(θ+?2) tan?2=dtan?2

24、/D 杠桿傳動機(jī)械效率η取0.834，tan?2取0.1，d/D取0.5，則可得θ=14.036?， ?2<γ<90?,取整的θ=14? 7.3動作范圍分析 陰影部分杠桿手指的活動范圍，即?2<γ<90?，見圖2-1 圖2-1 如果，則栔面對杠桿的作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀態(tài)，所以必須大于。此外，當(dāng)時，杠桿與斜面平行，成直線接觸，且與回轉(zhuǎn)支點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上干涉，即為手指動作的理論極限位置。 7.4斜栔驅(qū)動行程與手指開閉范圍 當(dāng)斜栔從松開位置向下移動至夾緊位置時，沿兩斜面對稱中心線方向的

25、驅(qū)動行程為L,此時對應(yīng)的杠桿手指由位置轉(zhuǎn)到位置，其驅(qū)動行程可用下式表示： L=(lcosγ1-lcosγ2)/sinθ 杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為： Δs=l[cos(γ1+θ)-cos(γ1+θ)] 通常狀態(tài)下，γ2在90?-θ左右范圍內(nèi)，γ1則由手指需要的開閉范圍來確定。由給定的條件可知Δs最大為55-60mm，最小設(shè)定為30mm。 即30<Δs<(50-60).以知，可得，有圖關(guān)系； 圖

26、2-2 可知：栔塊下邊為60mm，支點(diǎn)O 距離中心線30mm,且有30/(l+l)=tanθ 解的：l+l=120 7.5l與l的確定 斜栔傳動比i可由下式表示： I=（Δl）/L=(lsinθ)/(lsinγ) 可知θ一定時，l/l愈大，i愈大，且杠桿手指的轉(zhuǎn)角γ在γ<90?范圍內(nèi)增大是，傳動比減小，即斜栔等速前進(jìn)，杠桿手指轉(zhuǎn)速逐漸減小，則由l+l=120分配距離為：l=50,l=70。 7.6γ1確定 由前式的： Δs=（60-30)=30 Δs=70[cos(γ1+14?)-cos(76?+14?)],γ1=50.623?,取整γ1=50

27、?。 7.7L確定 L為沿斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程，有下圖中關(guān)系 圖2-3 L=50(cos50?-cos76?)/sin14?=82.850,取L=83，則栔塊上邊長為18.686，取19mm. 8材料及連接件選擇 V型指與夾持器連接選用圓柱銷GB/T119.1，d=8mm,需要使用2個 杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷GB/T119.1，d=8mm,需要使用2個 滾子與手指連接選用圓柱銷GB/T119.1，d=6mm,需使用2個 以上材料均為鋼，無淬火和表面處理 栔塊與活塞桿采用螺紋連接，基本尺寸為公稱直徑12mm，螺距p=1,旋和長度為10mm。