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(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)產(chǎn)業(yè)。機械手臂可以提升產(chǎn)品技術(shù)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?，F(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(shù)水平，都會推廣機器人產(chǎn)業(yè)與創(chuàng)立相關(guān)聯(lián)盟，并且特別針對工業(yè)以外的領(lǐng)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(jié)合顯微影像顯示系統(tǒng)所結(jié)合的手術(shù)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(shù)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(gòu)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(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領(lǐng)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(shù)領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(shù)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(gòu)、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(guān)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(gòu)
位置檢測裝置
圖1.1機械手的組成方框圖
(一)執(zhí)行機構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構(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，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易構(gòu)件，故應用較廣泛平移型應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)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(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。
而傳力機構(gòu)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(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(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)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(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(gòu)
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(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構(gòu)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(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。
（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(gòu)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(gòu)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(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(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。
（3） 機械傳動機械手
即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)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(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(jié)構(gòu)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(guān)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(gòu)，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(jié)構(gòu)方案設計
為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
2.4機械手的手臂結(jié)構(gòu)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(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(shù)參數(shù)列表
一、用途:
用于100噸以上沖床上下料。
二、設計技術(shù)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(jié)構(gòu)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(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，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(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。
(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(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，其結(jié)構(gòu)如圖所示。
本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)，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(jié)構(gòu)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(guān)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(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P1與背壓P2之差。
2.9.4手臂結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)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(guān)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(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。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(guān)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(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，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(guān)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(guān)。有關(guān)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(guān)數(shù)據(jù)，得:
=573 (KN)
推力負載為:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: Ft+ Fz=π/4×0.4×106(100×10-3)2=3142 (N)
Ft+ Fz=<
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