2881 基于PLC的自動化車間物料搬運裝置的控制設計,基于,plc,自動化,車間,物料,搬運,裝置,控制,節(jié)制,設計 第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 7 -第三章 機械手總體結(jié)構(gòu)設計3.1 動作工況與分析氣 動 機 械 手 是 以 壓 縮 空 氣 的 壓 力 來 驅(qū) 動 執(zhí) 行 機 構(gòu) 運 動 的 機 械 手 。 其 主 要特 點 是 :介 質(zhì) 源 極 為 方 便 ， 輸 出 力 小 ， 氣 動 動 作 迅 速 ， 結(jié) 構(gòu) 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(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 行 工 作 。機 械 手 的 全 部 動 作 由 電 磁 閥 控 制 的 氣 缸 驅(qū) 動 。 其 中 ,上 升 /下 降 、 左 移 /右 移 以 及 擺 動 分 別 由 雙 線 圈 兩 位 電 磁 閥 控 制 ,機 械 手 的 放 松 /夾 緊 由 一 個單 線 圈 兩 位 電 磁 閥 (夾 緊 電 磁 閥 )控 制 。 機 械 手 的 任 務 是 將 A 工 作 臺 上 的 工件 搬 運 到 B 工 作 臺 （ 或 B 到 A） ， 機 械 手 示 意 圖 如 圖 3-1 所 示 ：圖 3-1 機 械 手 示 意 圖在 連 續(xù) 自 動 工 作 方 式 的 狀 態(tài) 下 機 械 手 的 順 序 實 現(xiàn) 的 動 作 如 圖 1 示 意 圖所 示 ： 手 臂 下 降 → 手 指 夾 緊 → 手 臂 上 升 → 手 臂 右 擺 動 → 手 臂 右 伸 → 手 臂 下降 → 手 指 松 開 → 手 臂 上 升 → 手 臂 左 伸 → 手 臂 左 擺 動 （ 回 到 初 始 位 ） ， 機 械手 可 以 反 復 不 斷 的 進 行 上 述 循 環(huán) 動 作 。第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 8 -3.2 機械手各部分結(jié)構(gòu)設計3.2.1 機械手底座的設計底 座 是 機 械 手 的 基 礎 部 分 ， 機 械 手 執(zhí) 行 機 構(gòu) 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 。底 座 的 設 計 是 根 據(jù) 各 個 零 件 的 尺 寸 及 有 助 于 拆 裝 方 便 來 設 計 的 如 圖2-2 所 示 ： 圖 3-2 箱 座箱 座 內(nèi) 壁 不 需 要 與 其 他 零 件 有 配 合 的 關(guān) 系 ， 所 以 內(nèi) 表 面 不 需 要 加 工 。 左右 厚 壁 上 端 有 M10 的 螺 紋 孔 ， 要 求 加 工 表 面 粗 糙 度 ， 連 接 軸 承 下 座 的 ， 底版 的 光 孔 是 用 來 固 定 整 個 裝 置 的 ， 材 料 為 鑄 鐵 HT200。3.2.2 立柱結(jié)構(gòu)設計立 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 動和 升 降 (或 俯 仰 )運 動 均 與 立 柱 有 密 切 的 聯(lián) 系 。 機 械 手 的 立 往 通 常 為 固 定 不動 的 ， 但 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 。 a.立 柱 的 材 料 及 熱 處 理由 于 設 計 功 率 不 是 太 大 ， 對 其 重 量 和 尺 寸 無 特 殊 要 求 ， 故 選 擇 常 用 材 料45 鋼 ， 調(diào) 質(zhì) 處 理 。b.初 估 軸 徑按 扭 矩 初 估 軸 的 直 徑 ， 根 據(jù) [1]查 表 10-2， 得 C=106~117， 考 慮 倒 安第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 9 -裝 軸 承 受 扭 矩 作 用 ， 取 C=106， 則3minPd?（ 3-1）式 中 ： C——由 軸 承 的 材 料 和 承 載 情 況 縮 確 定 的 常 數(shù) ；P——軸 的 輸 出 功 率 ， KW；n——軸 的 轉(zhuǎn) 速 ， r/min.各 參 數(shù) 值 為 C=106、 P=15KW、 n=280， 則33min1569.d???所 以 選 擇 軸 徑 40mm， 軸 上 面 設 計 個 法 蘭 ， 用 法 蘭 來 固 定 軸 承 因 為 軸 是靠 氣 缸 擺 動 來 旋 轉(zhuǎn) 的 ， 所 以 所 受 的 載 荷 很 小 ， 不 需 要 校 核 。3.2.3 軸承的選擇軸 承 是 用 以 支 承 軸 和 軸 上 回 轉(zhuǎn) 或 擺 動 零 件 的 部 件 ,在 各 種 機 械 中 應 用廣 泛 。 根 據(jù) 軸 承 工 作 時 的 摩 擦 性 質(zhì) ， 可 分 為 滾 動 軸 承 和 滑 動 軸 承 兩 大 類 。 滾動 軸 承 依 靠 主 要 元 件 間 的 滾 動 接 觸 來 承 受 載 荷 ， 它 與 滑 動 軸 承 相 比 ， 具 有 摩擦 阻 力 小 、 效 率 高 、 啟 動 容 易 、 潤 滑 簡 便 等 優(yōu) 點 。 同 時 ， 滾 動 軸 承 絕 大 部 分已 經(jīng) 標 準 化 ， 并 由 專 業(yè) 廠 家 生 產(chǎn) ， 選 用 和 更 換 很 方 便 。 其 缺 點 就 是 抗 擊 能 力差 ， 工 作 時 有 噪 聲 ， 以 及 工 作 壽 命 不 及 液 體 摩 擦 的 滑 動 軸 承 。滾 動 軸 承 的 類 型 很 多 ， 按 照 滾 動 體 的 形 狀 ， 滾 動 軸 承 可 分 為 球 軸 承 和 滾子 軸 承 兩 大 類 。 球 軸 承 的 滾 動 體 與 內(nèi) 、 外 圈 是 點 接 觸 ， 運 轉(zhuǎn) 時 摩 擦 耗 損 小 ，但 承 載 能 力 和 抗 擊 能 力 差 ； 滾 子 軸 承 為 線 接 觸 ， 承 載 能 力 和 抗 沖 擊 能 力 較 球軸 承 大 ， 但 運 轉(zhuǎn) 是 耗 損 大 。 按 照 滾 動 軸 承 能 否 自 動 調(diào) 心 ， 可 分 為 調(diào) 心 軸 承 和非 調(diào) 心 軸 承 。 按 照 滾 動 體 列 數(shù) 多 少 ， 可 分 為 單 列 軸 承 、 雙 列 軸 承 和 多 列 軸 承 。按 照 軸 承 能 承 受 的 主 要 載 荷 方 向 和 公 稱 接 觸 角 的 不 同 ， 可 分 為 向 心 軸 承 和 推力 軸 承 兩 大 類 。a.向 心 軸 承向 心 軸 承 主 要 承 受 徑 向 載 荷 ， 0° 45°， 又 可 分 為 ： ① 徑 向 接 觸??軸 承 ， = 0°， 只 能 承 受 徑 向 載 荷 ； ② 角 接 觸 向 心 軸 承 ， 0°< 45°，? ??不 僅 能 承 受 徑 向 載 荷 ,而 且 隨 著 角 的 增 大 ,其 承 受 軸 向 載 荷 的 能 力 隨 之 增大 。b.推 力 軸 承第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 10 -推 力 軸 承 主 要 承 受 軸 向 載 荷 ， 45° 90°， 又 可 分 為 ： ① 軸 向 接??觸 軸 承 ， = 90°， 只 能 承 受 軸 向 載 荷 ； ② 角 接 觸 推 力 軸 承 ， 450°?< <90°， 它 主 要 承 受 軸 向 載 荷 ,同 時 也 能 承 受 較 小 的 徑 向 載 荷 。 隨 著角 的 增 大 ,其 承 受 徑 向 載 荷 的 能 力 將 減 小 。軸 承 所 受 載 荷 的 大 小 、 方 向 和 性 質(zhì) ， 是 選 擇 滾 動 軸 承 的 主 要 依 據(jù) 。 本 設計 中 軸 承 既 承 受 徑 向 力 及 轉(zhuǎn) 矩 ， 又 承 受 軸 向 力 ， 因 此 選 用 推 力 球 軸 承 和 深 溝球 軸 承 ,推 力 軸 承 主 要 受 軸 向 力 ， 球 軸 承 主 要 受 徑 向 力 ， 又 根 據(jù) 外 廓 尺 寸 的條 件 和 軸 的 內(nèi) 徑 選 用 6006 深 溝 球 軸 承 和 51213 推 力 球 軸 承 。3.2.4 上軸承座的選擇6006 深 溝 球 軸 承 : d=30 mm D=55mm B=13mm da=36mm Da=49mm51213 推 力 球 軸 承 : d=65mm D=100mm T=27mm da=86mm Da=100mm根 據(jù) 以 上 的 尺 寸 可 以 確 定 軸 承 上 座 的 尺 寸 ,如 圖 3-3 所 示 :圖 3-3 上 軸 承 座由 于 配 合 接 觸 的 面 比 較 多 ,所 以 對 表 面 粗 糙 度 的 要 求 也 高 ,軸 承 配 合 的地 方 要 求 公 差 等 級 ,軸 承 的 配 合 主 要 是 內(nèi) 圈 與 軸 頸 、 外 圈 與 軸 承 座 孔 的 配 合 。滾 動 軸 承 是 標 準 件 ， 因 此 ， 軸 承 內(nèi) 圈 與 軸 頸 采 用 基 孔 制 配 合 ， 軸 承 外 圈 與 軸承 座 孔 采 用 基 軸 制 配 合 普 通 圓 柱 公 差 標 準 中 基 準 孔 的 公 差 帶 都 在 零 線 之 上 ，第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 11 -故 滾 動 軸 承 內(nèi) 圈 與 軸 頸 的 配 合 要 比 圓 柱 公 差 標 準 中 規(guī) 定 的 基 孔 制 同 名 配 合 要緊 的 多 。 例 如 ， 一 般 圓 柱 體 基 孔 制 的 K6 配 合 為 過 度 配 合 ， 而 在 滾 動 軸 承內(nèi) 圈 配 合 中 則 為 過 盈 配 合 。滾 動 軸 承 內(nèi) 、 外 圈 的 處 的 配 合 ， 既 不 能 過 緊 也 不 能 過 松 。 過 緊 的 配 合 會使 軸 承 的 內(nèi) 、 外 圈 產(chǎn) 生 變 形 ， 可 破 壞 軸 承 的 正 常 工 作 ， 而 增 加 了 裝 拆 的 難 度 。過 松 的 配 合 ， 不 僅 會 影 響 軸 的 旋 轉(zhuǎn) 精 度 ， 甚 至 會 使 配 合 表 面 發(fā) 生 滑 動 。 因 此 ，軸 承 配 合 種 類 的 選 取 ， 應 根 據(jù) 軸 承 的 類 型 與 尺 寸 、 載 荷 的 大 小 、 方 向 和 性 質(zhì)以 及 工 作 環(huán) 境 決 定 。所 以 Φ 30 的 6006 軸 徑 上 安 裝 軸 承 ， 這 個 軸 徑 就 是 根 據(jù) 軸 承 的 d 來 的 ，Φ 36 是 6006 軸 承 的 安 裝 尺 寸 ， 同 樣 根 據(jù) 推 力 軸 承 的 尺 寸 來 確 定 軸 承 座 的 尺寸 。3.2.5 下軸承座的選擇下 軸 承 座 的 尺 寸 是 根 據(jù) 軸 承 尺 寸 來 定 的 。 其 主 要 配 合 的 地 方 也 是 安 裝 軸承 的 地 方 ， 需 要 公 差 的 配 合 。 （ 同 上 ） 如 圖 3-4：圖 3-4 下 軸 承 座在 安 裝 軸 承 的 端 面 上 要 注 明 公 差 配 合 ， 分 別 以 其 為 基 準 面 ， 查 《 機 械設 計 手 冊 》 ， 標 明 幾 個 端 面 的 圓 柱 度 和 相 對 基 準 面 的 圓 跳 動 度 ， 還 有 表 面粗 糙 度 。第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 12 -3.2.6 大臂的結(jié)構(gòu)設計本 設 計 的 手 臂 實 現(xiàn) 的 是 水 平 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(jié)構(gòu) 中 應 用 比 較 多 。本 設 計 手 臂 很 簡 單 ， 在 手 臂 內(nèi) 側(cè) 固 定 個 伸 縮 氣 缸 ， 如 圖 3-5 所 示 ：圖 3-5 大 臂 設 計3.2.7 小臂的結(jié)構(gòu)設計本 設 計 的 手 臂 與 上 述 的 大 臂 實 現(xiàn) 的 運 動 方 式 一 樣 ， 主 要 是 上 下 直 線 運動 。 實 現(xiàn) 直 線 往 復 運 動 采 用 的 也 是 氣 壓 驅(qū) 動 的 活 塞 氣 缸 。本 設 計 手 臂 很 簡 單 ， 在 上 面 固 定 個 夾 緊 氣 缸 ， 如 圖 3-6 所 示 ：圖 3-6 小 臂 設 計3.2.8 氣爪的結(jié)構(gòu)設計夾 持 式 手 部 結(jié) 構(gòu) 由 手 指 (或 手 爪 )和 傳 力 機 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 。第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 13 -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 作 ， 手 指 可 分 為 一 支 點 回 轉(zhuǎn) 型 ， 二 支 點 回 轉(zhuǎn) 型 和 移 動 型 (或 稱直 進 型 )， 其 中 以 二 支 點 回 轉(zhuǎn) 型 為 基 本 型 式 。 當 二 支 點 回 轉(zhuǎn) 型 手 指 的 兩 個 回轉(zhuǎn) 支 點 的 距 離 縮 小 到 無 窮 小 時 ， 就 變 成 了 一 支 點 回 轉(zhuǎn) 型 手 指 ;同 理 ， 當 二支 點 回 轉(zhuǎn) 型 手 指 的 手 指 長 度 變 成 無 窮 長 時 ， 就 成 為 移 動 型 。 回 轉(zhuǎn) 型 手 指 開 閉角 較 小 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 制 造 容 易 ， 應 用 廣 泛 。 移 動 型 應 用 較 少 ， 其 結(jié) 構(gòu) 比 較 復雜 龐 大 ， 當 移 動 型 手 指 夾 持 直 徑 變 化 的 零 件 時 不 影 響 其 軸 心 的 位 置 ， 能 適 應不 同 直 徑 的 工 件 。第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 14 -圖 3-7 氣 爪 設 計本 設 計 是 采 用 兩 指 式 ， 內(nèi) 卡 式 ， 上 下 氣 爪 通 過 銷 來 連 接 ， 過 盈 配 合 ， 如圖 3-7 所 示 。 設 計 時 考 慮 的 幾 個 問 題 ：a.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 。b.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 。c.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 。d.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(jié) 構(gòu) 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 。e.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(jié) 構(gòu) 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 。3.2.9 手部夾緊氣缸設計計算A． 手 部 驅(qū) 動 力 計 算本 課 題 氣 動 機 械 手 的 手 部 結(jié) 構(gòu) 如 圖 3-8 所 示 ， 其 工 件 重 量 G=10 公 斤 ，a=37.5mm,b=70mm,根 據(jù) [1]摩 擦 系 數(shù) 為 f=0. 10。第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 15 -圖 3-8 手 部 結(jié) 構(gòu) 分 析 圖a) 根 據(jù) 手 部 結(jié) 構(gòu) 分 析 示 意 圖 ， 其 驅(qū) 動 力 為 ：aNbP2?（ 3-2）b) 根 據(jù) 手 指 夾 持 工 件 的 方 位 ， 可 得 握 力 計 算 公 式 :）（fG10.（ 3-3）代 入 公 式 （ 3-2） 得 ： )(3.75.3012NP??c)參 照 [17]實 際 驅(qū) 動 力 :?21K?實 際（ 3-4）因 為 傳 力 機 構(gòu) 為 齒 輪 齒 條 傳 動 ， 根 據(jù) [1]故 取 ， 并 取 94.0?5.1?K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g時 ， 參 照 [17]則 ：22??K（ 3-5）第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 16 -代 入 公 式 （ 3-4） 得 ： ）（實 際 NP194.02537???所 以 夾 持 工 件 時 所 需 夾 緊 氣 缸 的 驅(qū) 動 力 為 1191N.B． 氣 缸 的 直 徑本 氣 缸 屬 于 單 向 作 用 氣 缸 。 以 下 公 式 都 參 照 [17]， 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 :FzPDFl??421?（ 3-6）式 中 : —活 塞 桿 上 的 推 力 ， N1F—彈 簧 反 作 用 力 ， Nl—氣 缸 工 作 時 的 總 阻 力 ， Nz—氣 缸 工 作 壓 力 ， PaP彈 簧 反 作 用 按 下 式 計 算 :()lfFCS??（ 3-7）4138fGdDn（ 3-8）121??（ 3-9）式 中 : — 彈 簧 剛 度 ， N/mfC— 彈 簧 預 壓 縮 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS— 彈 簧 鋼 絲 直 徑 ， m1d—彈 簧 平 均 直 徑 ， mD— 彈 簧 外 徑 ， m2— 彈 簧 有 效 圈 數(shù)n第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 17 -一 彈 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP??在 設 計 中 ， 必 須 考 慮 負 載 率 的 影 響 ， 則 :?21lDPF??由 以 上 分 析 得 單 向 作 用 氣 缸 的 直 徑 :14()l????代 入 有 關(guān) 數(shù) 據(jù) ， 可 得 4138fGdCDn???93437.0(.5)8015??????????mN64lfFs??337.01????62所 以 ： 14()lFDP????????16237.20.6.80.94?? ???? ?m659查 有 關(guān) 手 冊 圓 整 ， 得 0由 ， 可 得 活 塞 桿 直 徑 : 3.0~2?Dd ??mDd5.19~3.02??圓 整 后 ， 取 活 塞 桿 直 徑 d18?校 核 ， 按 公 式 ????214F???（ 3-10）有 : ???214d??其 中 ， ,aMP0?N3.71?則 : ??m189.03.7216????第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 18 -所 以 滿 足 設 計 要 求 。C． 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(nèi)徑 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 參 照 [17]， 其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 計 算 :??2pdP???（ 3-11）式 中 : — 缸 筒 壁 厚 ， mm?D—氣 缸 內(nèi) 徑 ， mm—實 驗 壓 力 ， 取 , PapPp5.1?材 料 為 :ZL3, ??aM2?代 入 己 知 數(shù) 據(jù) ， 則 壁 厚 為 : ??pd????365102.10.2????m83取 ， 則 缸 筒 外 徑 為 :m1??D??根 據(jù) 以 上 計 算 選 擇 的 氣 缸 型 號 為 ： QGSD q 32×50 B LB 其 中 ： QGSD- 普 通 型 單 作 用 氣 缸 ；q – 派 生 氣 缸 代 號 ： q=彈 簧 前 置 型 ；32 – 汽 缸 內(nèi) 徑 ；50- 氣 缸 行 程 ；B –緩 沖 ： B=可 調(diào) 緩 沖 ；LB – 安 裝 方 式 ： LB=軸 向 底 座3.2.10 升降氣缸設計計算手 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 。 在 轉(zhuǎn) 柱 上 端 用 管 接頭 和 氣 管 分 別 將 壓 縮 空 氣 引 到 手 腕 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 手 部 夾 緊 氣 缸 和 手 臂 伸 縮 氣 缸 ，轉(zhuǎn) 柱 下 端 的 氣 路 ， 將 壓 縮 空 氣 引 到 升 降 缸 上 腔 ， 當 壓 縮 空 氣 進 入 上 腔 后 ， 推動 升 降 缸 體 上 升 ， 并 由 兩 個 導 向 桿 進 行 導 向 ， 同 時 碰 鐵 隨 升 降 缸 體 一 同 上 移 ，當 碰 觸 上 邊 的 可 調(diào) 定 位 塊 后 ， 即 帶 動 定 位 拉 桿 ,緩 沖 撞 鐵 向 上 移 動 碰 觸 升降 用 液 壓 緩 沖 器 進 行 緩 沖 。 上 升 行 程 大 小 通 過 調(diào) 整 可 調(diào) 定 位 塊 來 實 現(xiàn) ， 手 臂第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 19 -下 降 靠 自 重 實 現(xiàn) 。 結(jié) 構(gòu) 簡 圖 如 圖 3-9 所 示 ：圖 3-9 結(jié) 構(gòu) 分 析 簡 圖A． 驅(qū) 動 力 計 算根 據(jù) 上 圖 力 的 作 用 方 向 ， 可 計 算 活 塞 的 驅(qū) 動 力 F， 參 照 [1]可 知 摩 擦系 數(shù) f=0. 17。a) 根 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 ， 驅(qū) 動 力 公 式 為 ：總GFf??（ 3-12）b) 質(zhì) 量 計 算 :手 臂 升 降 部 分 主 要 由 手 臂 伸 縮 氣 缸 、 夾 緊 氣 缸 、 手 臂 、手 爪 及 相 關(guān) 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(guān) 尺 寸 ， 據(jù) 估 計)(40NG?總所 以 代 入 公 式 （ 3-12） ： 總Ff?總總4017.0??）（ N68第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 20 -c) 參 照 [17]實 際 驅(qū) 動 力 : ?21KF?實 際因 為 傳 力 機 構(gòu) 為 齒 輪 齒 條 傳 動 ， 參 照 [1]故 取 ， 并 取 94.0?5.1?K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g時 ， 根 據(jù) [17]則 ：22??所 以 ）（實 際 NF149.05468??所 以 夾 持 工 件 時 所 需 夾 緊 氣 缸 的 驅(qū) 動 力 為 1494N.B． 氣 缸 的 直 徑本 氣 缸 屬 于 單 向 作 用 氣 缸 。 以 下 公 式 均 參 照 [17]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 : FzPDFl??421?式 中 : —活 塞 桿 上 的 推 力 ， N1F—彈 簧 反 作 用 力 ， Nl—氣 缸 工 作 時 的 總 阻 力 ， Nz—氣 缸 工 作 壓 力 ， PaP彈 簧 反 作 用 按 下 式 計 算 : ()lfFCS??4138fGdDn121?式 中 : — 彈 簧 剛 度 ， N/mfC— 彈 簧 預 壓 縮 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS— 彈 簧 鋼 絲 直 徑 ， m1d—彈 簧 平 均 直 徑 ， mD第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 21 -— 彈 簧 外 徑 ， m2D— 彈 簧 有 效 圈 數(shù)n一 彈 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP??在 設 計 中 ， 必 須 考 慮 負 載 率 的 影 響 ， 則 :?21lDF??由 以 上 分 析 得 單 向 作 用 氣 缸 的 直 徑 :14()lP????代 入 有 關(guān) 數(shù) 據(jù) ， 可 得 4138fGdCDn???93437.410(.5)8015????????3677.46??mNlfFCs??3.01??220.6所 以 ： 14()lFDP???????21694.07.6.2035???m.查 有 關(guān) 手 冊 圓 整 ， 得由 ， 可 得 活 塞 桿 直 徑 :3.0~2?Dd ??mDd5.1~3.?圓 整 后 ， 取 活 塞 桿 直 徑 d18?校 核 ， 按 公 式 ????214F???有 : ??4?其 中 ， , aMP20??N35則 : md 189.35216???所 以 滿 足 設 計 要 求 。第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 22 -C． 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(nèi)徑 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 根 據(jù) [17]其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 計 算 :??2pdP???式 中 : — 缸 筒 壁 厚 ， mm?D—氣 缸 內(nèi) 徑 ， mm—實 驗 壓 力 ， 取 , PapPp5.1材 料 為 :ZL3, ??aM2??代 入 己 知 數(shù) 據(jù) ， 則 壁 厚 為 : ??2pd????563301..210???m87?取 ， 則 缸 筒 外 徑 為 :m5.2??D4.2?根 據(jù) 以 上 計 算 選 擇 氣 缸 型 號 為 ： QGSD q 40×100 B FB其 中 ： QGSD- 普 通 型 單 作 用 氣 缸 ；q –派 生 氣 缸 代 號 ： q=彈 簧 前 置 型 ；40- 汽 缸 內(nèi) 徑 ；100- 氣 缸 行 程 ；B –緩 沖 ： B=緩 沖 可 調(diào) ；FB- 安 裝 方 式 ： FB=后 法 蘭 ；3.2.11 伸縮氣缸設計計算手 臂 伸 縮 裝 置 由 伸 縮 缸 活 塞 軸 、 伸 縮 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 。 在 手 臂 右 端 用 管 接 頭 和 氣 管分 別 將 壓 縮 空 氣 引 到 手 腕 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 手 部 夾 緊 氣 缸 ， 手 臂 左 端 的 氣 路 ， 將 壓 縮空 氣 引 到 伸 縮 缸 上 腔 ， 當 壓 縮 空 氣 進 入 上 腔 后 ， 推 動 升 降 缸 體 右 移 ， 并 由 兩個 導 向 桿 進 行 導 向 ， 同 時 碰 鐵 隨 升 降 缸 體 一 同 右 移 ， 當 碰 觸 上 邊 的 可 調(diào) 定 位塊 后 ， 即 帶 動 定 位 拉 桿 ,緩 沖 撞 鐵 向 右 移 動 碰 觸 左 右 用 液 壓 緩 沖 器 進 行 緩 沖 。右 移 行 程 大 小 通 過 調(diào) 整 可 調(diào) 定 位 塊 來 實 現(xiàn) ， 手 臂 左 移 與 右 移 類 似 。 結(jié) 構(gòu) 簡 圖如 圖 3-10 所 示 ：第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 23 -圖 3-10 結(jié) 構(gòu) 分 析 簡 圖A． 驅(qū) 動 力 計 算根 據(jù) 上 圖 力 的 作 用 方 向 ， 可 計 算 活 塞 的 驅(qū) 動 力 F， 參 照 [1]可 知 摩 擦系 數(shù) f=0. 17。a) 根 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 ， 驅(qū) 動 力 公 式 為 ：fF?b) 質(zhì) 量 計 算 :小 臂 升 降 部 分 主 要 由 夾 緊 氣 缸 、 手 臂 、 手 爪 及 相 關(guān) 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(guān) 尺 寸 ， 據(jù) 估 計)(30NG?總所 以 代 入 公 式 ： fF總3017.??）（ N5c) 參 照 [17]實 際 驅(qū) 動 力 : ?21KF?實 際因 為 傳 力 機 構(gòu) 為 齒 輪 齒 條 傳 動 ， 參 照 [1]故 取 ， 并 取 94.0?5.1?K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g時 ， 根 據(jù) [17]則 ：22??第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 24 -所 以 ）（實 際 NF16394.025???所 以 夾 持 工 件 時 所 需 夾 緊 氣 缸 的 驅(qū) 動 力 為 163N.B． 氣 缸 的 直 徑本 氣 缸 屬 于 單 向 作 用 氣 缸 。 以 下 公 式 均 參 照 [17]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 : FzPDFl??421?式 中 : —活 塞 桿 上 的 推 力 ， N1F—彈 簧 反 作 用 力 ， Nl—氣 缸 工 作 時 的 總 阻 力 ， Nz—氣 缸 工 作 壓 力 ， PaP彈 簧 反 作 用 按 下 式 計 算 : ()lfFCS??4138fGdDn121?式 中 : — 彈 簧 剛 度 ， N/mfC— 彈 簧 預 壓 縮 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS— 彈 簧 鋼 絲 直 徑 ， m1d—彈 簧 平 均 直 徑 ， mD— 彈 簧 外 徑 ， m2— 彈 簧 有 效 圈 數(shù)n一 彈 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP??在 設 計 中 ， 必 須 考 慮 負 載 率 的 影 響 ， 則 :?21lDF??由 以 上 分 析 得 單 向 作 用 氣 缸 的 直 徑 :第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 25 -14()lFDP????代 入 有 關(guān) 數(shù) 據(jù) ， 可 得 4138fGdCn???93437.410(.5)8015????????3677.46??mNlfFCs??3.01??220.6所 以 ： 14()lFDP???????21694.07.6.2035???m.查 有 關(guān) 手 冊 圓 整 ， 得由 ， 可 得 活 塞 桿 直 徑 :3.0~2?Dd ??mDd5.1~3.?圓 整 后 ， 取 活 塞 桿 直 徑 d18?校 核 ， 按 公 式 ????214F???有 : ??4?其 中 ， , aMP20??N35則 : md 189.35216???所 以 滿 足 設 計 要 求 。C． 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(nèi)徑 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 根 據(jù) [17]其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 計 算 :??2pdP???式 中 : — 缸 筒 壁 厚 ， mm?D—氣 缸 內(nèi) 徑 ， mm—實 驗 壓 力 ， 取 , PapPp5.1第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 26 -材 料 為 :ZL3, ??aMP2.1??代 入 己 知 數(shù) 據(jù) ， 則 壁 厚 為 : ??2pd????563301..210???m87?取 ， 則 缸 筒 外 徑 為 :m5.2??D4.2?根 據(jù) 以 上 計 算 選 擇 氣 缸 型 號 為 ： QGSD q 40×100 B LB其 中 ： QGSD- 普 通 型 單 作 用 氣 缸 ；q –派 生 氣 缸 代 號 ： q=彈 簧 前 置 型 ；40- 汽 缸 內(nèi) 徑 ；100- 氣 缸 行 程 ；B –緩 沖 ： B=緩 沖 可 調(diào) ；LB- 安 裝 方 式 ： LB=軸 向 底 座 ；3.2.12 回轉(zhuǎn)氣缸設計計算實 現(xiàn) 機 械 手 手 臂 回 轉(zhuǎn) 運 動 的 機 構(gòu) 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(gòu) 、 鏈 輪 傳 動 機 構(gòu) 、 連 桿 機 構(gòu) 等 。 在 本 機 械 手 中 ， 手 臂 回轉(zhuǎn) 裝 置 由 回 轉(zhuǎn) 缸 體 、 轉(zhuǎn) 軸 、 定 片 、 回 轉(zhuǎn) 定 位 塊 、 回 轉(zhuǎn) 中 間 定 位 塊 和 回 轉(zhuǎn) 用 液壓 緩 沖 器 (此 部 件 位 置 參 見 附 圖 )等 組 成 。 當 壓 縮 空 氣 通 過 管 路 分 別 進 入 手臂 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 的 兩 腔 時 ， 推 動 動 片 連 同 轉(zhuǎn) 軸 一 同 回 轉(zhuǎn) ， 轉(zhuǎn) 軸 通 過 平 鍵 而 帶 動 升降 氣 缸 活 塞 軸 、 定 位 塊 聯(lián) 接 盤 、 導 向 桿 、 定 位 拉 桿 、 升 降 缸 體 和 轉(zhuǎn) 柱 等 同 步回 轉(zhuǎn) 。 因 轉(zhuǎn) 柱 和 手 臂 用 螺 栓 連 接 ， 故 手 胃 亦 作 回 轉(zhuǎn) 運 動 。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 。 手 臂 回 轉(zhuǎn) 角 度 的 大 小 ， 通 過 調(diào) 整 兩 塊 回 轉(zhuǎn) 定 位 塊 和 回 轉(zhuǎn) 中 間 定 位 塊的 位 置 而 定 。 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 3-10所 示 ， 定 片 1與 缸 體 2固 連 ， 動 片 3與 回 轉(zhuǎn) 軸 5固 連 。動 片 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 4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) 。第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 27 -圖 3-10 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 示 意 圖參 照 [17]單 葉 片 氣 缸 的 壓 力 p和 驅(qū) 動 力 矩 M的 關(guān) 系 為 ：??2rRPb??（ 3-13）或 ??2rRb?式 中 : M- 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 的 驅(qū) 動 力 矩 ;cmN?P- 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 的 工 作 壓 力 ;??R- 缸 體 內(nèi) 壁 半 徑 ;?cr- 輸 出 軸 半 徑 ;mb- 動 片 寬 度 .?上 述 驅(qū) 動 力 矩 和 壓 力 的 關(guān) 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 與 背 壓 之 差 。1P2根 據(jù) 以 上 計 算 選 擇 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 型 號 為 ： QGH 2 50×180 B F S R其 中 ： QGH- 齒 桿 式 回 轉(zhuǎn) 擺 動 氣 缸 ；2 - 派 生 氣 缸 代 號 ： 2=雙 出 軸 ；50- 氣 缸 內(nèi) 徑 ；第 三 章 機 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設 計- 28 -180- 回 轉(zhuǎn) 動 擺 動 角 度 ；B –緩 沖 ： B=可 調(diào) 緩 沖 ；F – 法 蘭 ；S – 單 桿 基 本 型 ；R – 耐 熱 型 ； R=采 用 氟 橡 膠 密 封 件 ， 最 高 耐 溫 200°。