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中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 頁(yè) 共 Ⅱ 頁(yè) 1 緒論 1 1.1 機(jī)械手概述 ................................................................................................................1 1.2 機(jī)械手的組成和分類 ................................................................................................2 1.2.1 機(jī)械手的組成 ........................................................................................................2 1.2.2 機(jī)械手的分類 ........................................................................................................4 1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r ........................................................................................................6 1.4 課題的提出及主要任務(wù) ............................................................................................8 1.4.1 課題的提出 ............................................................................................................8 1.4.2 課題的主要任務(wù) ....................................................................................................9 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 10 2.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 ..................................................................................10 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) ..................................................................................10 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) ..................................................................................10 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) ..................................................................................10 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) ..........................................................................................11 2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) ..........................................................................................11 2.7 機(jī)械手的主要參數(shù) ..................................................................................................11 2.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 ..........................................................................................11 3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) ......................................................................................................14 3.1.1 手指的形狀和分類 ..............................................................................................14 3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 ......................................................................................14 3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) ..........................................................................................15 3.2 氣流負(fù)壓式吸盤 ......................................................................................................18 4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 I 頁(yè) 共 Ⅱ 頁(yè) 4.1 手腕的自由度 ..........................................................................................................21 4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 ..........................................................................................21 4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 ..............................................................................21 5 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 5.1 手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分 .....................................................................................25 5.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..............................................................................................................25 5.1.2 導(dǎo)向裝置 ..............................................................................................................26 5.1.3 手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì) ..........................................................................................26 5.2 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分 .............................................................................................27 5.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..............................................................................................................27 5.3 手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì) .............................................................................................28 5.4 手臂伸縮、升降用液壓緩沖器 .............................................................................31 5.5 手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器 .........................................................................................32 6 結(jié)論 33 參考文獻(xiàn) 34 致謝 36 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 0 頁(yè) 共 36 頁(yè) 1 緒論 1.1 機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu) 成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī) 電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、 提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)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(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特 長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)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(zhǎng)時(shí)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(dòng)化設(shè)備。 機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、 搬運(yùn)或操作的自動(dòng)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(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)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 [1]。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)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，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)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 [2]。 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 1 頁(yè) 共 36 頁(yè) 1.2 機(jī)械手的組成和分類 1.2.1 機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。 各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖 1.1 所示。 控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 被抓取工件執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位置檢測(cè)裝置 圖 1.1 機(jī)械手的組成方框圖 (一)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)。 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(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(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易 構(gòu)件，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(shí)，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。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(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 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(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁 力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。 對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 2 頁(yè) 共 36 頁(yè) 式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。 對(duì)于導(dǎo)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(fù)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(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷 齒輪機(jī)床上下料機(jī)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(shì))。 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(dòng)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(dòng)手 臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、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(dòng)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(dòng)。 手臂可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)如下: 手臂運(yùn)動(dòng) 基本運(yùn)動(dòng) 復(fù)合運(yùn)動(dòng) 直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合(即螺旋運(yùn)動(dòng)) 兩直線運(yùn)動(dòng)的組合(即平面運(yùn)動(dòng) ) 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):如水平回轉(zhuǎn)、左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng) 直線運(yùn)動(dòng):如伸縮、升降、橫移運(yùn)動(dòng) 兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合(即空間曲面運(yùn)動(dòng) )。 手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝 置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩 和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件 受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和 V 形槽、燕尾槽等 導(dǎo)向型式。 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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁(yè) 共 36 頁(yè) 降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動(dòng)的，但因 工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。 5、行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安 裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分 為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。 6、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(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī) 座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制 調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和 機(jī)械傳動(dòng)等四中形式。 （三）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(dòng)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?？刂葡到y(tǒng) 有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給 予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制 系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有 錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 (四)位置檢測(cè)裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)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 [3]。 1.2.2 機(jī)械手的分類 工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國(guó)內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)， 在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。 (一)按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種: 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁(yè) 共 36 頁(yè) 1、專用機(jī)械手 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械 手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大 附屬，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和‘加工中心”批量的自動(dòng)化生產(chǎn) 的自動(dòng)換刀機(jī)械手。 2、通用機(jī)械手 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。通過 調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，控制 系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷 變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。 通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以 “開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)， 可以點(diǎn)位控制，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類 型。 (二)按驅(qū)動(dòng)方式分 1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百 公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的 泄漏對(duì)機(jī)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(jī)械手 采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電 液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。 2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主 要特點(diǎn)是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)大， 所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手 即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。 它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它主要特 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁(yè) 共 36 頁(yè) 點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。它常被用于工 作主機(jī)的上、下料。 4、電力傳動(dòng)機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn) 動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械 手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展 前途。 (三)按控制方式分 1、點(diǎn)位控制 它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不 能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目 前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng) 過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制 系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制 [4]。 1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì): (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(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 10.3 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(cè)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(guó)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 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁(yè) 共 36 頁(yè) 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(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器 人就是這種系統(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(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種 新型裝置已成為國(guó)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(guó)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(guó)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(dòng)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(tái)套噴漆機(jī)器人在 二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)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(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的 水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)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(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的 國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)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(guó)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(zhǎng)、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(duì) 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(guó)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，6000m 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 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁(yè) 共 36 頁(yè) 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(guó) 外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)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 [5]。 1.4 課題的提出及主要任務(wù) 1.4.1 課題的提出 隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的很多易燃、易爆等高危及重體力勞 動(dòng)場(chǎng)合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以 大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。例如，目前在我國(guó)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(shí)費(fèi)力，又影響效率。為此， 我們把上下料機(jī)械手作為我們研究的課題。 現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn): (1)液壓傳動(dòng)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(dòng)易泄漏，不僅污染工作場(chǎng)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(dòng)平穩(wěn)性及正確性。 (2)工作時(shí)受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn)動(dòng)特性 變化。 (3)因液壓脈動(dòng)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(jià)格較高;且使用 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(dòng)，氣動(dòng)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(dòng)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(huì)像液壓傳動(dòng)那 樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。 (3)動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁(yè) 共 36 頁(yè) 的壓力和速度。氣動(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。 (4)能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)， 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(dòng)等惡劣 環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)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(huì)因溫度變 化影響傳動(dòng)及控制性能。 (6)成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)元、輔件的材質(zhì) 和加工精度要求，制造容易，成本較低。 傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精 度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低， 抓舉力較小。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受， 而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng) 機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動(dòng)化 領(lǐng)域里，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮 [6]。 1.4.2 課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下: (1)機(jī)械手為通用機(jī)械手，因此相對(duì)于專用機(jī)械手來說，它的適用面必須更廣。 (2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度。 (3)設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)。為 了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，既可以用夾持式手指來抓取棒料工件， 又可以用氣流負(fù)壓式吸盤來吸取板料工件。 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁(yè) 共 36 頁(yè) 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾放和搬運(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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)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(shí)的受力特性、 尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)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(jiǎn)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)械手是通用氣動(dòng)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(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞 動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。 2.1 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(dòng)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(shí)手臂具有升降、收縮 及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌 補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的 自由度。 2.2 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(shí)，使用夾持式手部；當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁(yè) 共 36 頁(yè) 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(dòng)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(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 2.4 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(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右 回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的 橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)方式。 2.6 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(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變 PLC 程序即可實(shí) 現(xiàn)，非常方便快捷 [7]。 2.7 機(jī)械手的主要參數(shù) 1、主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機(jī)械手最大抓重以 10 公斤左右的為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為 10 公斤，高速動(dòng)作時(shí)抓重減半。使 用吸盤式手部時(shí)可吸附 5 公斤的重物。 2、基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)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。而影響機(jī)械手動(dòng)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(dòng)速度設(shè)計(jì)為 1. 2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 120o/s。平均 移動(dòng)速度為 lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為 900/s。 機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、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?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(dòng)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(dòng)操作的空間。過大的伸縮行程和 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁(yè) 共 36 頁(yè) 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(dòng)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 1500mm，手臂安裝前后可調(diào) 200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為 2400(應(yīng)大于 1800，否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò) 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(jī)械手的定位精度為土 0. 5—±1 mm。 2.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途: 用于 100 噸以上沖床上下料。 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 1、抓重 10 公斤(夾持式手部) 5 公斤(氣流負(fù)壓式吸盤) 2、自由度數(shù) 4 個(gè)自由度 3、座標(biāo)型式 圓柱座標(biāo) 4、最大工作半徑 1500mm 5、手臂最大中心高 1380mm 6、手臂運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)參數(shù) 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁(yè) 共 36 頁(yè) 回轉(zhuǎn)范圍 0 0--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(dòng)方式 氣壓傳動(dòng) 12、控制方式 點(diǎn)位程序控制(采用 PLC) 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁(yè) 共 36 頁(yè) 3 手部結(jié)構(gòu)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(shí)，使用夾持式手部:當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 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。 3.1.1 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(dòng)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(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn) 回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)， 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(zhǎng)度變成無窮長(zhǎng)時(shí)， 就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng) 型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響 其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時(shí)，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(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 (二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁(yè) 共 36 頁(yè) P兩手指張開與閉合的兩個(gè)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，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。 (三)保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)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(dòng)定心。(四)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(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)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(jiǎn)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 [8]。(五)考慮被抓取對(duì)象的要求根據(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。3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 [9]本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖 3.2 所示，其工件重量 G=10㎏，“V”形手指的角度 2θ =120 0，b=120mm，R=24mm,摩擦系數(shù)為 f=0. 1。 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁(yè) 共 36 頁(yè) 2bpNR??00.5()0.51(6542')(NGtgtgN???????29bpNR??12KP??實(shí) 際 2ag????1.549063pN?? 實(shí) 際 214tzDPFF?????1 tfFcS??4318fGdCDn2? 圖 3.1 齒輪齒條式手部 （1）根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: （2）根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式: 所以： (3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取 η=0. 94，并取 K1=1. 5 。若被抓取工 件的最大加速度取 a= g 時(shí)，則: 所以： 所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為 1563N。 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(shí)的總阻力，其公式為: 式中:F 1—活塞桿上的推力，N Ft—彈簧反作用力，N Fz—?dú)飧坠ぷ鲿r(shí)的總阻力,N P—?dú)飧坠ぷ鲏毫?，Pa 彈簧反作用按下式計(jì)算: 式中:C f—彈簧剛度，N/m 1—彈簧預(yù)壓縮量，m 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁(yè) 共 36 頁(yè) 214tDpF??????1tp???????413879.0.534/801356/fGdCDnNm?????????? 3137.4026tfFS?????1tDp????????1/42Fd??? 1? S—活塞行程，m d1—彈簧鋼絲直徑，m D1—彈簧平均直徑，. D2—彈簧外徑，m n—彈簧有效圈數(shù) G—彈簧材料剪切模量，一般取 G=79. 4 X 109Pa 在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率 η 的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以： =[4×(490+220.6)/( π×0.5×106×0.4)) ? =65.23 (mm) 查有關(guān)手冊(cè)圓整，得 D=65 mm 由 d/D=0.2—0.3，可得活塞桿直徑:d= (0. 2-0. 3) D=13-19. 5 mm 圓整后， 取活塞桿直徑 d=18 mm 校核，按公式 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 17 頁(yè) 共 36 頁(yè) ??? ??/2DP??????/2DP ???? BP2K10 =20MPa, F1=750N 則:d≥ (4 × 490/π × 120) ?=2.28≤18 滿足設(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)徑比 小或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: 式中:δ—缸筒壁厚， D—?dú)飧變?nèi)徑， Pρ —實(shí)驗(yàn)壓力，取 Pρ =1.5P, Pa 材料為:ZL3,[ σ]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: =65×6×105/（2×3×10 6）×10 -3 =6.5㎜ 取 δ=7. 5㎜，則缸筒外徑為:D=65+7. 5 ×2=80 mm。 3.2 氣流負(fù)壓式吸盤 氣流負(fù)壓式吸盤是利用吸盤(即用橡膠或軟性塑料制成皮腕)內(nèi)形成負(fù)壓將工 件吸住。它適用于搬運(yùn)一些薄片形狀的工件，如薄鐵片、板材、紙張以及薄壁易 碎的玻璃器皿、弧形殼體零件等，尤其是玻璃器皿及非金屬薄片，吸附效果更為 明顯。 氣流負(fù)壓式與鉗爪式手部相比較，氣流負(fù)壓式手部具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕， 表面吸附力分布均勻，但要求所吸附表面平整光滑、無孔和無油。按形成負(fù)壓(或 真空)的方法，氣流負(fù)壓式手部可分為真空式、氣流負(fù)壓式和擠壓排氣式吸盤。在 本機(jī)械手中，擬采用噴射式氣流負(fù)壓吸盤。 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 18 頁(yè) 共 36 頁(yè) 23416圖 3.3 噴射氣流原理圖噴射式氣流負(fù)壓吸盤的工作原理如圖 3.3 所示，根據(jù)流體力學(xué)，氣體在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)氣體經(jīng)過噴嘴的每一個(gè)截面的氣體質(zhì)量均相等。因此，在最簡(jiǎn)單的情況下，低流速(高壓強(qiáng))截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有大面積，而高流速(低壓強(qiáng))截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有小面積。所以，壓縮空氣由噴嘴進(jìn)口處 A 進(jìn)入后，噴嘴開始一段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當(dāng)沿氣流流動(dòng)方向截面收縮到最小處 K 時(shí)〔即臨界面積)，流速達(dá)到臨界速度即音速，此時(shí)壓力近似為噴嘴進(jìn)口處的壓力之半，即 PK =0. 528P1。為了使噴嘴出口處的壓力 P2低于 PK 必須在噴嘴臨界面以后再加一段漸擴(kuò)段，這樣可以在噴嘴出口處獲得比音速還要大的流速即超音速，并在該處建立低壓區(qū)域，使 C 處的氣體不斷的被高速流體卷帶走，如C 處形成密封空腔，就可使腔內(nèi)壓力下降而形成負(fù)壓。當(dāng)在 C 處連接橡膠皮腕吸盤，即可吸住工件 [10]。圖 3.4 所示為可調(diào)的噴射式負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu)圖。為了使噴嘴更有效地工作，噴嘴口與噴嘴套之間應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)拈g隙，以便將被抽氣體帶走。當(dāng)間隙太小時(shí)，噴射氣流和被抽氣體將由于與套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽氣速率;當(dāng)間隙太大時(shí)，離噴射氣體越遠(yuǎn)的氣體被帶著向前運(yùn)動(dòng)的速度就越低，同時(shí)間隙過大，從噴嘴套出口處反流回來的氣體就越多，這就使抽氣速率大大的降低。因此，間隙要適宜，最好使噴嘴與噴嘴套之間的間隙可以調(diào)節(jié)，以便噴嘴有效地工作。在圖 3.4 中，噴嘴 5 與噴嘴套 6 的相對(duì)位置是可以調(diào)節(jié)的，以便改變間隙的大小 [11]。 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 19 頁(yè) 共 36 頁(yè) 2134nDpK??? ??123450..516.92PKDncm??? 1.橡膠吸盤 2.吸盤芯子 3.通氣螺釘 4.吸盤體 5.噴嘴 6.噴嘴套 圖 3.4 可調(diào)噴射式負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu) 下面計(jì)算吸盤的直徑 [12]: 吸盤吸力的計(jì)算公式為: 式中:P—吸盤吸力(N)，本機(jī)械手的吸盤吸力為 50N，故 P=50N; D — 吸盤直徑((cm). n — 吸盤數(shù)量，本機(jī)械手吸盤數(shù)量為 1; K1—吸盤吸附工件在起動(dòng)時(shí)的安全系數(shù)，可取 K,月 2-2，在此取 K1=1.5; K2—工作情況系數(shù)。若板料間有油膜存在則要求吸附力大些;若裝有分 料器，則吸附力就可小些。另外工件從模具取出時(shí)，也有摩擦力的作用， 同時(shí)還應(yīng)考慮吸盤在運(yùn)動(dòng)過程中由于加速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力影響。因 此，應(yīng)根據(jù)工作條件的不同，選取工作情況系數(shù)，一般可在(1-3 的范 圍內(nèi)選取。在此，取 K2=2。 K3—方位系數(shù).當(dāng)吸盤垂直吸附時(shí)，則 K3=1/f，f 為摩擦系數(shù)，橡膠吸盤 吸附金屬材料時(shí)，取 f=0.5~0.8;當(dāng)吸盤水平吸附時(shí)，取 K3=l。在此， 取 K3=0.5. 代入數(shù)據(jù)得: _ 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 20 頁(yè) 共 36 頁(yè)SGSGRLLCddsCR 4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(dòng)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(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸 [13]。 4.1 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(dòng)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(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞 x 軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)才可滿足工作的要求。目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)氣缸， 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 3600，并且要求嚴(yán)格的 密封 [14]。 4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必 須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩， 動(dòng)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(dòng)件的中心與轉(zhuǎn) 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 21 頁(yè) 共 36 頁(yè) 動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖 4.1 所示為手腕受力的示意圖。 1.工件 2.手部 3.腕部 圖 4.1 手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算 [15]: M 驅(qū) = M 慣 +M 偏 +M 摩 +M 封 ㎏·㎝ （4.1） 式中: M 驅(qū) —驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩(㎏·cm); M 慣 —慣性力矩(Kg -cm); M 偏 —參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片) 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩(㎏·㎝)., M 摩 —手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩(㎏·cm); M 封 —手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩 (㎏· cm); 下面以圖 4.1 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(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 M 慣 若手腕起動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ω，起動(dòng)過程所用的 時(shí)間為△t，則: 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 22 頁(yè) 共 36 頁(yè) ??1MJt????慣 ??21MJ?????慣 211cGJeg?? （4.2） 若手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ω，起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度為△φ，則: (4.3) 式中:J—參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (N·㎝·s 2); J1—工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (N·㎝·s 2)。 若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1為: （4.4 ） 式中:J c—工件對(duì)過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(N·㎝·s 2): G1—工件的重量((N); e1—工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm), ω—手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s); △t 一起動(dòng)過程所需的時(shí)間(S); △φ—起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。 2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 M 偏 (N·㎝) （4.5） 式中:G 3—手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N); e3—手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(㎝). 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn) 動(dòng)軸線重合時(shí)，則 G1 e1=0. 13MGe??偏偏 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 23 頁(yè) 共 36 頁(yè) ???21ABfMRdNcm???摩 321BRGL????3N??????? 213AGLLGR?????? 2pbRrM?? 3 3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M 摩 (4.6) 式中:d 1d2—手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm); f 一軸承摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承 f=0. 01，對(duì)于滑動(dòng)軸承 f=0.1； RARB—軸頸處的支承反力((N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解， 根據(jù)∑M A(F)=0 得: （4.7） 同理，根據(jù)∑M B (F)=0 得: （N） （4.8） 式中:G 2—手部的重量(N) L，L 1，L 2，L 3—如圖 4-1 所示的長(zhǎng)度尺寸(cm). 4．回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)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 [16]。 在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如 圖 4.2 所示，定片 1 與缸體 2 固連，動(dòng)片 3 與回轉(zhuǎn)軸 5 固連。動(dòng)片封圈 4 把氣腔 分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔 a 進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)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(shí)針方向回轉(zhuǎn)。單葉 J 氣缸的壓力 p 和驅(qū)動(dòng) 力矩 M 的關(guān)系為: （4.9） 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 24 頁(yè) 共 36 頁(yè) 圖 4.2 回轉(zhuǎn)氣缸簡(jiǎn)圖 式中:M—回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩((N·㎝); P—回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力((N·㎝); R—缸體內(nèi)壁半徑(cm); r—輸出軸半徑(cm); b—?jiǎng)悠瑢挾?cm). 上述驅(qū)動(dòng)力矩和壓力的關(guān)系式是對(duì)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(yīng)代以工作壓力 P1與背壓 P2之差。 5 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(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右 回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的立柱的橫 向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。 5.1 手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分 5.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手臂的伸縮是直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用的是氣壓驅(qū)動(dòng)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(shí)， 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn) 動(dòng)，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(shí)，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 中北大學(xué) 2007 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 25 頁(yè) 共 36 頁(yè) 式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減 少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)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 [17]。 該機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)如附圖所示，現(xiàn)將其工作過程描述如下: 手臂主要由雙作用式氣缸 1、導(dǎo)向桿 2、定位拉桿 3 和兩個(gè)可調(diào)定位塊 4 等組 成。雙作用式氣缸 1 的缸體固定，當(dāng)壓縮空氣分別從進(jìn)出氣孔 c、e 進(jìn)入雙作用式 氣缸 1 的兩腔時(shí)，空心活塞套桿 6 帶動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)缸 5 和手部一同往復(fù)移動(dòng)。在空 心活塞