344車床上下料機械手

344車床上下料機械手,車床,上下,機械手 摘 要I摘　　要工業(yè)機器人一般可理解為：在工業(yè)自動化應用領(lǐng)域中的一種自動控制、可重復編程、多功能、多自由度的操作機（固定式的或是移動式的），用于搬運材料、工件、操持工具或檢測裝置，完成各種作業(yè)。近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興的學科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應用于鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視。機床上料機械手是典型的機電一體化設(shè)備，它可自動地為機床抓取工件，取代操作人員頻繁取料，降低勞動強度，提高工作效率。機械手自 1999 年投入運行, 工作安全可靠, 效果良好, 可用做數(shù)控機床自動上料設(shè)備和生產(chǎn)線上的自動抓取設(shè)備。幾年來, 逐步開發(fā)了相關(guān)實驗、實訓教學項目 , 以機械手作為實驗(訓) 載體 , 逐步形成了以學生為主體、理論與實踐相結(jié)合的教學模式, 激發(fā)了學生的創(chuàng)造性和動手能力, 為提高學生的工程素質(zhì)、全面提高學生的綜合素質(zhì)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。關(guān)鍵詞：車床上下料機械手 氣壓系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)設(shè)計AbstractIIAbstractIndustrial robot can generally be understood as: in industrial automation applications in the field of a kind of automatic control, can repeat programming, multi-function, many of the freedom of CaoZuoJi (fixed or movable), used for material handling, workpiece, conducted tools or detection device, finish all kinds of assignments.In recent years with the development of industrial automation manipulator gradually become a new discipline, and the rapid development. Manipulator is widely used in forging press, stamping, forging, welding, assembling, and machining, paint, heat treatment, and other industries. Especially in heavy, high temperature, toxic and dangerous, radioactive, many dust etc of bad labor environment, due to its advantages of significant manipulator by special attention.Machine feeding manipulator is typical of electromechanical equipment, it can automatically grab for machine tools, to replace the operators frequently take material, the reduction of labor intensity, improve work efficiency.Manipulator since 1999 are put into operation, safe and reliable work, the effect is good, can be used as nc machine tools automatic feeding equipment and production line acquirement equipment. For several years, and gradually developed related experiment, practice teaching program in experiments (training) as a manipulator carrier, and gradually formed a take the student as the main body, the theory and the practice teaching mode, stimulate the students' creativity and practical ability, to improve the students' project quality, improve the students' comprehensive quality created the basic conditions.KeyWords：Lathe up-down material manipulatorPneumatic systemStructure design目 錄III目　　錄摘　　 要 .........................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II第一章 概述 ..............................................................................................................11. 1 機械手的發(fā)展歷史 ..........................................................................................11. 2 機械手的發(fā)展意義 ..........................................................................................11. 3 機械手在機械制造中的應用 ..........................................................................21. 3.1 國外應用 ................................................................................................21. 3.2 國內(nèi)應用 ................................................................................................3第二章 工業(yè)機械手 ....................................................................................................42.1 工業(yè)機械手的分類 ..........................................................................................42.2 工業(yè)機械手的驅(qū)動方式 ...................................................................................42.2.1 氣壓驅(qū)動 .................................................................................................42.2.2 液壓驅(qū)動 .................................................................................................52.3 工業(yè)機械手的設(shè)計方法 ..................................................................................62.3.1 手部的設(shè)計 .............................................................................................62.3.2 腕部的設(shè)計 .............................................................................................72.3.3 臂部的設(shè)計要求 .....................................................................................82.3.4 機械手的行程位置檢測裝置 .................................................................9第三章 車床上下料機械手方案比較 ........................................................................123. 1 工業(yè)機械手概述 ............................................................................................123. 2 方案設(shè)計和對比 ............................................................................................133. 2.1 方案 1 ...................................................................................................133. 2.2 方案 2 ...................................................................................................163. 2.3 方案 3 ...................................................................................................183. 2.4 方案對比 ..............................................................................................19第四章 手部計算與分析 ............................................................................................204.1 手部計算與分析 ............................................................................................20目 錄IV4.1.1 滑槽杠桿式手部設(shè)計的基本要求 ......................................................204.1.2 手部的計算和分析 ..............................................................................204.2 腕部計算與分析 ............................................................................................274.2.1 腕部設(shè)計的基本要求 ..........................................................................274.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 ..........................................................................284.2.3 腕部擺動油缸設(shè)計 ..............................................................................314.2.4 選鍵并校核強度 ..................................................................................334.3 臂部計算與分析 ............................................................................................344.3.1 臂部設(shè)計的基本要求 ..........................................................................344.3.2 手臂的設(shè)計計算 ..................................................................................374.4 機身計算與分析 ............................................................................................454.5 本章小結(jié) .........................................................................................................45結(jié) 論 ..........................................................................................................................46參考文獻 ...............................................................................................................47致 謝 ...................................................................................................................48附 錄 ............................................................................................................................50第一章 概述1第一章 概述1. 1 機械手的發(fā)展歷史人類在改造自然的歷史進程中，隨著對材料、能源和信息這三者的認識和用，不斷創(chuàng)造各種工具（機器），滿足并推動生產(chǎn)力的發(fā)展。工業(yè)社會向信息社會發(fā)展，生產(chǎn)的自動化，應變性要求越來越高，原有機器系統(tǒng)就顯得龐雜而不靈活，這時人們就仿造自身的集體和功能，把控制機、動力機、傳動機、工作機綜合集中成一體，創(chuàng)造了“集成化”的機器系統(tǒng)——機器人。從而引起了生產(chǎn)系統(tǒng)的巨大變革，成為“人——機器人——勞動對象”，或者“人——機器人——動力機——工作機——勞動對象”。機器人技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，雖然只有短短三十幾年的歷史，但是它卻顯示了旺盛的生命力。近年來，世界上對于發(fā)展機器人的呼聲更是有增無減，發(fā)達國家競相爭先，發(fā)展中國家急起直追。許多先進技術(shù)國家已先后把發(fā)展機器人技術(shù)列入國家計劃，進行大力研究。我國的機器人學的研究也已經(jīng)起步，并把“機器人開發(fā)研究”和柔性制造技術(shù)系統(tǒng)和設(shè)備開發(fā)研究等與機器人技術(shù)有關(guān)的研究課題列入國家“七五”、“八五”科技發(fā)展計劃以及“八六三”高科技發(fā)展計劃。工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已經(jīng)成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸形成一門新興的學科——機械手工程。1. 2 機械手的發(fā)展意義機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分地代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置第一章 概述2來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配。從而大大地改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應用。近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興的學科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應用于鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視。機床上料機械手是典型的機電一體化設(shè)備，它可自動地為機床抓取工件，取代操作人員頻繁取料，降低勞動強度，提高工作效率?？傊瑱C械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段，國內(nèi)外都很重視它的應用和發(fā)展。1. 3 機械手在機械制造中的應用1. 3.1 國外應用美國制造 155 毫米的鋼彈體洛克福特軍械廠，從胚料加工開始到加工完畢直至彈體包裝都自動進行，不用人手去接觸，達到全自動生產(chǎn)。工業(yè)機械手還能用來代替人工進行打磨、拋光、去毛刺和清理切屑等工作。例如，瑞典一家工廠打磨和拋光不銹鋼子彎頭時，采用 ASEA 機械手，提高加工效率30%以上，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，不傷害工人。又如：瑞典沃爾沃（Valov）公司在機械手上裝了三個環(huán)形磨輪裝置，用來對傳動箱外表面去毛刺，比手工方法節(jié)省工時50%。第一章 概述31. 3.2 國內(nèi)應用國內(nèi)在金屬切削加工中，用機械手來完成刀具的自動更換。如北京第二機床廠，北京第八機床廠，上海第二機床廠，上海第八機床廠，寧夏大河機床廠等單位研制的自動換刀機床，均用機械手自動更換刀具。在生產(chǎn)自動線上，用機械手完成的傳遞和上下料，如：沈陽水泵廠深井泵體加工自動線，無錫柴油機廠和甘肅汽車齒輪廠的齒胚的加工自動線都采用了機械手。大連工礦車輛廠的 800Kg 側(cè)架的加工，采用機械手抓取、傳遞和安放并與一些機床組合成側(cè)架切削加工自動線，提高效率 10倍。1. 4 機械手的發(fā)展趨勢國內(nèi)應加強機械手基礎(chǔ)性能的實驗以及基礎(chǔ)理論研究，克服和解決制造技術(shù)及其它存在的問題。提高機械手運動速度。尤其是應用于沖壓行業(yè)中的機械手，以適應提高生產(chǎn)率和符合生產(chǎn)節(jié)拍的需要。要研究解決機械手的運動速度和緩沖、定位技術(shù)。引進國外先進技術(shù)，培訓專門技術(shù)人才，普及機械手有關(guān)知識。盡快解決機械手的定型設(shè)計、定點、定量生產(chǎn)以及配套件的生產(chǎn)和供應問題，推進機械手設(shè)計制造中的現(xiàn)代化（CAD/CAM）、標準化、系列化工作，以滿足國內(nèi)外市場的需求。目前工業(yè)機械手的應用逐步擴大，技術(shù)性能不斷提高，其發(fā)展趨勢是：擴大機械手在工業(yè)上的應用、提高工業(yè)機械手的工作性能、發(fā)展組合式機械手、研制具有“視覺”和“觸覺”的“智能機器人”。第二章 工業(yè)機械手4第二章 工業(yè)機械手2.1 工業(yè)機械手的分類目前對機械手尚無明確的分類標準，全國各她區(qū)尚未統(tǒng)一，我們按目前應用比較多的兩個方面進行分類:（一)按所搬運的工件重量(或稱臂力)分類1.小型的—臂力在 1 公斤以下;2.中型的--— 臂力在 1~30 公斤以內(nèi)、3.大型的—臂力在 30 公斤以上。目前大多數(shù)下業(yè)機械手其搬運的重量為中型的。(二)按機能分類1 簡易型通用機械手有固定程序和可變程序兩種。固定程序由擋塊或凸輪轉(zhuǎn)鼓控制；可變程序用插銷板來給定程序。這種機械手多為氣動或液壓驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，改變程序較容易。只適用于程序較簡單的點位控制，實現(xiàn)重復性操作作為一般單機服務的搬運工作也完全夠。目前這種機械手數(shù)量最多。2 示教再現(xiàn)通用機械手這種機械由人工通過示教裝置領(lǐng)動一遍，或者予先操作給定一遍，稱為示教。它由磁鼓（或磁帶、磁芯)把程序記錄下來，此后機械手就自動按記憶的程序，重復地進行鵝環(huán)動作。這種機械手多為電液伺服控制。與前者比較，這種機械手可有較多的自由度，有可能實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較大。3，具有視覺、觸覺的通用機械手這種機械手由電子計算機控制，裝備有電視攝像管和傳感器等，因而具有視覺、熱感.觸覺等。這種機械手我網(wǎng)日前還處于研制階段。再次按使用范圍，驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。第二章 工業(yè)機械手4按使用范圍分為專用機械手和通用機械手專業(yè)機械手：一般附屬于工作機器設(shè)備，動作程序固定，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨立，亦可附屬于工作機器設(shè)備。通用機械手：獨立工作的自動化機械設(shè)備。在規(guī)格性能的范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同的場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。按驅(qū)動方式分為液壓機械手，氣壓機械手，電動機械手，機械式機械手。液壓機械手：輸出力大，傳動平穩(wěn)。如采用電液伺服機構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴格，又問對油的粘度影響大。氣壓機械手：氣源方便，輸出力小，氣壓傳動速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但工作不太穩(wěn)定，沖擊大，在同樣的抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大。電動機械手‘直接用直線電機，功率步進電機和具有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機等來驅(qū)動，動力源簡單，不需要能量裝換機構(gòu)，維護使用方便。目前這種工業(yè)機械手尚在發(fā)展之中。機械式機械手：由工作機構(gòu)帶動機械手運動，工作可靠，動作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但動作固定不可變。按控制系統(tǒng)可分為點位控制和連續(xù)控制點位控制：只能控制工業(yè)機械手運動的幾個點的位置，運動軌跡不受控制。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。連續(xù)控制：工業(yè)機械手按給定的速度沿給定的線路（軌跡）實現(xiàn)平穩(wěn)準確的運動。特點是設(shè)定點時無限的，整個運動過程都要求處在控制之下。這來工業(yè)機械手一般采用小型計算機控制。機械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準確和牢靠程度，直接影響到機械手的性能，是機械手的關(guān)鍵部件之一。2.2 工業(yè)機械手的驅(qū)動方式工業(yè)機械手的驅(qū)動方法，按驅(qū)動源分為氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電力驅(qū)動和機械驅(qū)功四種。第二章 工業(yè)機械手42.2.1 氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動是一種簡單、可靠.經(jīng)濟的驅(qū)動方式，是以壓縮空氣為動力沉來驅(qū)動機械手的執(zhí)行機構(gòu)，在機械加工行業(yè)中的機械手普遍采用氣壓驅(qū)動，用來完成零件的傳送工作。(一)氣壓驅(qū)動的特點氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是;容易獲得快速運動，機械手可引用一般工廠都有的壓縮空氣源，因此結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，空氣不象油那樣怕熱和易燃;維修方使，特別是和射流控制很容易結(jié)臺起來使用。其缺點是:氣限低，出力小，執(zhí)行機構(gòu)體積人 ;壓縮性大，阻尼緩沖效果差，較難實現(xiàn)中間位置的停止，若要求較高的定位精度，必須增設(shè)較復雜的緩沖、定位機構(gòu)。(二)氣動元件簡介氣動元件種類很多，應用范圈也各不相同。目前所謂氣動元件，是指氣壓傳動中應用的各種控制閥和執(zhí)行元件。一般不包括空氣壓縮機。1.氣源三大件分水濾氣器:功用是清除空氣中的水、油及灰塵;調(diào)壓閥、亦稱減壓閥，能將管道中的空氣壓力保持在某一定數(shù)值:油霧器:為保證氣動裝置可靠地工作，用壓縮空氣將油液噴成霧狀，隨空氣一起流入氣動裝置，進行潤滑。2.空氣控制閥這是氣動元件中主要的一大類，其功用是控制空氣的壓力、流量及流動方向，保證氣動系統(tǒng)按規(guī)定的程序、速度進行工作。主要分為:（1）壓力控制閥:包括壓力順序閥、卸荷閥等。（2）流且控制閥:包括節(jié)流閥、單向節(jié)流閥等。（3）方向控制閥。包括電磁換向閥、氣動換向閥,電磁氣閥、單向閥、梭閥、延時閥.脈沖閥等。（4）其他閥:包括各種手動閥、腳踏操作閥、氣動開關(guān)、按鈕、行程閥、轉(zhuǎn)閥等。第二章 工業(yè)機械手53.氣缸作為氣動執(zhí)行元件，是一種重要的元件，一般分為單作用氣缸和雙作用氣缸兩種。其結(jié)構(gòu)形式很多，可完成往復直線運動和擺動。4 氣動馬達 是實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行元件。5 氣動邏輯元件這是近年來新發(fā)展的一種氣動元件，帶有可動部件，其作用類似繼電器，可實現(xiàn)各種邏輯功能，直接對氣動裝置進行控制。其結(jié)構(gòu)類似小型閥門。6.管路附件包括各種管接頭、消聲器、壓力繼電器、安個閥.壓力表等。另外，還有一些氣液裝置，如氣一液泵、氣一液缸、氣一液增壓裝置等，一般也屬于氣動元件的范圍。2.2.2 液壓驅(qū)動在機械手中液壓驅(qū)動是用的最多的方式。利用油缸、油馬達和齒條齒輪實現(xiàn)直線運動，利用回轉(zhuǎn)油缸、油馬達與齒輪齒條或鏈輪鏈條實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。(一)液壓驅(qū)動的特點1.液壓驅(qū)動的優(yōu)點(1)壓力高，油壓可達 10- I40 公斤/厘米 的壓力。可以獲得較大的操作力。2（2)液體的壓縮比較小，可以認為沒有壓縮性，因此控制系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，動作平穩(wěn)，快速反應性好。(3)壓力、流量容易調(diào)節(jié)，控制性能好，可以實現(xiàn)中間位置的停止，定位精度高。（4)液壓操縱裝置形體小而且牢固，可耐振動和沖擊。（5）可無級變速（6）液壓油有良好的潤滑性2 液壓驅(qū)動的特點（1）需單獨配備液壓源（2）管線系統(tǒng)比較復雜，成本較高（3）液壓系統(tǒng)的泄露會嚴重影響其使用性能（4）油的粘度對溫度的變化敏感3 液壓系統(tǒng)的組成1 動力元件--油泵2 執(zhí)行元件--油缸，油馬達第二章 工業(yè)機械手63 控制元件 各種控制閥等4 輔助元件--如郵箱，濾油器，油管和管接頭等2.3 工業(yè)機械手的設(shè)計方法機械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準確和牢靠程度，直接影響到機械手的性能，是機械手的關(guān)鍵部件之一。2.3.1 手部的設(shè)計手部的設(shè)計要求：1.手部應有足夠的夾緊力，除工件的重力外，還要能不使工件在傳送過程中松動或脫落;2.夾持范國要與工件相適應。手爪的張開角度（手爪張開或閉合時兩個極限位置所擺動的角度 )應能適應夾緊較大的直徑范圍 ;3.夾持精度要高。既耍求工件在手爪內(nèi)定位準確，又不夾壞工件表而。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應的手爪結(jié)構(gòu):如元住形工件應采用帶 V 形槽的手爪來定位，對于工件表面光潔度較高的，應在手爪上鑲銅、夾布膠木或其他軟質(zhì)墊片等;4.夾持動作要迅速、靈活;5.手部結(jié)構(gòu)要簡單緊湊，剛性好、自重輕、易磨損處應便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。手部結(jié)構(gòu)手爪的類型大致分為下列三種:1.夾持式手爪，根據(jù)手爪的動作可分為回轉(zhuǎn)型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指和多指式;根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內(nèi)脹式兩種。2.吸附式手爪。分為真空吸盤式和電磁吸盤式兩種。真空吸盤式又分為真空泵式和氣流負壓式。3 帶觸覺或視覺的手爪第二章 工業(yè)機械手72.3.2 腕部的設(shè)計1 腕部自由度的選取在臂部運動的范圍內(nèi)，當可以滿足抓取工件和傳送工件等要求時，應盡可能不設(shè)計腕部的運動。這樣，則可使機械乎結(jié)構(gòu)簡單、制造方使和成本降低。根據(jù)抓取對象和機械手的坐標形式的需要，可增加腕部的自由度。如腕部的回轉(zhuǎn)運動，這是在手爪夾持工件后，需要翻轉(zhuǎn)角度，或者機械手從一個工位轉(zhuǎn)到另一個工位時，需要工件翻轉(zhuǎn)。若是采用臂部回轉(zhuǎn)則使機械手的穩(wěn)定性降低，因為，臂部長度大，回轉(zhuǎn)時稍有偏心(特別是高速回轉(zhuǎn)時〕，使機械手的離心力增加，臂部震動加大，影響定位精度。因此，應設(shè)計腕部的回轉(zhuǎn)。若機械手是球坐標形式，腕部應設(shè)計具有俯仰運動，以保持手爪處于水平位置，不影響手爪的工作。還要根據(jù)加工工藝的要求，設(shè)計腕部都在 Y 軸力向的移動運動。如機械手將工件送到某一工位后，需要把工件定位夾緊，為使機床運動簡化，而要求腕部沿 Y 抽方向做少量的移位的運動。如用頂尖支承的軸類零件。在用機械手取下工件時，為脫離主軸頂尖,而需要有腕部的橫移運功?？傊?腕部白由度的選取應在臂部自由度確定以后，再根據(jù)工件的料道位置、工藝要求、應用范圍及制造成本等方面綜合分析，以確定最佳的方案，確定出腕部合適的自由度數(shù)。2 腕部的動作要靈活、自重要輕在設(shè)計腕部結(jié)構(gòu)時，應力求結(jié)構(gòu)簡單緊湊，減輕結(jié)構(gòu)的重量。機械手配合機器運轉(zhuǎn)，腕部的動作時間往往在幾秒鐘以內(nèi)，甚至不超過一秒，所以腕部一定要靈活，在保證構(gòu)件的強度和剛度的條件下，回轉(zhuǎn)件盡量采用滾動軸承或滾柱，減少阻力，降低摩擦.3 腕部運動位置要準確手腕的回轉(zhuǎn)、俯仰與左右擺動等運動位置都要求準確，除對零部件配合精度嚴格要求以外，要采取措施消除傳動部件之間的間隙，根據(jù)需要可設(shè)置位置檢測元件，來控制手腕的準確位置。第二章 工業(yè)機械手82.3.3 臂部的設(shè)計要求(一)臂部應承受能力大，剛性好，自重輕根據(jù)公式 懸臂梁的撓度公式 式中3QLYEJ?Y-----撓度E-----彈性模數(shù)Q-----載荷J-----慣性矩L-----懸臂長撓度與載荷、懸臂長成正比，而與彈性模數(shù)，慣性矩成反比。在 Q 與 L 值已確定的情況下，只有增大 EJ 值，才能減少梁的彎曲變形，而碳鋼和合金鋼的 E 值差別不大，在 ~ 之間。所以、為了提高剛度，從材質(zhì)上考慮意義不大 .52.01?5.0主要應選用慣性矩]大的梁。在載面積和單位重量基本相同的情祝下，鋼管，工字鋼和槽鋼的慣性矩要比元鋼大得多，所以，機械于中常用無縫鋼管作導向桿，用工字鋼或槽鋼作支撐板。這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的白重 為增加剛性，還應采取以下措施:1.在設(shè)計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低，囚此應盡可能使結(jié)構(gòu)簡單。要全而分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定調(diào)整補償環(huán)節(jié)，以減少重要部位的間隙，從而提高剛性。2.全而分析手臂的受力情況，合理分配給手臂的各個部件，避免不利的受力情況出現(xiàn)。3.水平放且的手臂，要增加導向桿的剛度.同時提高其配合精度和相對位置精度，使導向桿承受部分或大部分自重和抓取重量。4.提高活塞和缸體內(nèi)徑配合精度，可以提高手臂在前伸時的剛性。（二）臂部運動速度要高，慣性要小機械手的運動速度一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定的。確定了生產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運行速度〔或角速度）。在一般情況下，手臂的移動和回轉(zhuǎn)均要求勻速運動(v 和 為常數(shù)〕，但在手臂的起動和終止瞬間，運動是變化的。?第二章 工業(yè)機械手9為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。從上述公式可知，減少慣性力矩，可采取下列措施:1.減少手臂運動件的重量，如采用鋁合金等輕質(zhì)材料、2.減少手臂運動件的輪廓尺寸，使手臂結(jié)構(gòu)緊湊小巧，3 減少回轉(zhuǎn)半徑 ，在安排機械手動作順序時，一般是先縮回再回轉(zhuǎn)或盡可能?在較小前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作。4，驅(qū)動系統(tǒng)中加設(shè)緩沖裝置。（三）臂部動作要靈活 要使手臂運動輕快靈活，手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊小巧，或在運動臂上加滾動軸承或采用滾珠導軌。對于懸臂式的機械手手臂上零部件的布置要合理，以減少回轉(zhuǎn)升降支承中心的偏重力矩。不然，會引起手臂振動，嚴重時會使手臂與立柱卡住別壞。對于雙臂同時操作的機械手。應使兩臂布置盡量對稱以達到平衡。(四)位置精度要高手臂的剛性好、偏重小、慣性力小，則位置精度就容易控制，所以設(shè)計手臂時要周密考慮和計算;還要合理的選擇機械手的坐標形式，一般說來，直角和元柱坐標式機械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機械手的位置最難控制，精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和自動檢測機構(gòu)，來控制手臂運動的位置精度; 還要減少或消除各傳動，嚙合件的間隙。除了上述幾點外，機械手的通用性要好，以適應多種作業(yè)的要求，工藝性要好，便于加工和安裝;用于熱加工的機械手，還要考慮熱輻射的影響，手臂要長些，使驅(qū)動部分遠離熱源，并裝上冷卻裝置;用子作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手，還要設(shè)置防塵裝置等。上面這些要求，往往是互相影響和互相制約的，設(shè)計時應全面分析各方面因素，綜合考慮，以設(shè)計出性能良好的機械手。第二章 工業(yè)機械手102.3.4 機械手的行程位置檢測裝置行程位置檢測裝置的作用，是控制機械手的運動位置，或者利用檢測裝置，通過控制系統(tǒng)對機械手的運動位置進行控制。如把運動系統(tǒng)的位置反饋給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使其運動停止在規(guī)定位置上，以便保證對機械手運動的定位精度。圖 2-1檢測裝置把實際位置信號反饋給控制系統(tǒng)進行比較，差值送入放大器，控制電液比例潤的流最或壓力，使機械手平穩(wěn)準確停在一定的位置上。檢測裝置應用有電位器、編碼器和剛性機構(gòu)等。機械手的定位精度指的是頻繁的往復運功中的重復定位精度。影響保持一定的定位精度的因素是很多的。如手臂的剛性、油液的做度變化.位置檢測元件的類型及執(zhí)行環(huán)節(jié)的誤差等，都時重復定位精度有嚴重影響。由于機械手應用在不同的環(huán)境，而且大多數(shù)是應用在周圍環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場中。因此.對行程位置檢測裝置育下列幾點要求:在機械性能方面。要結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、體積小，壽命長和維修方便;在使用環(huán)境方面，要能在振動、油污等條件下穩(wěn)定和可靠地工作;在電氣性能方面:要有高抗干擾能力，高精度，長期使用時精度不變。行程位置檢測裝置有機械的、模擬的和數(shù)字的三種。（1）機械式行程位置檢測裝置主要由機械擋塊 可調(diào)擋塊 限位開關(guān)等。（二）模擬式行程位置檢測裝置模擬式行程位置檢測裝置是用電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器或者感應同步器等裝置，將規(guī)定值予先發(fā)送給控制系統(tǒng)。在運動過程中，執(zhí)行元件上的檢測器不斷地將實際值第二章 工業(yè)機械手11發(fā)送給控制系統(tǒng)與規(guī)定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果，調(diào)整運動系統(tǒng)，使運動達到規(guī)定的位置。包括電位器自整角機，旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器組成。（三） 數(shù)字式行程位置檢測裝置包括光電信號轉(zhuǎn)變器，光柵檢測器和光電式雙碼盤編輯器第三章 車床上下料機械手12第三章 車床上下料機械手方案比較3. 1 工業(yè)機械手概述機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。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(shè)行走機構(gòu)。驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式?？刂葡到y(tǒng)由電器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。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(shè)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)以一定的精度到達設(shè)定位置。設(shè)計機械手時應考慮的因素很多，但從機械手的特點來分析有以下幾點：1）抓重：是機械手所能抓取或搬運的最大重量。一般抓重 1kg 以下的定為微型，1-5kg 的定為小型，5-30kg 的定為中型，30kg 以上的定為大型。2）自由度和坐標型式：自由度是機械手的每一個構(gòu)件相對固定坐標系所具有的獨立運動自由度。因手指的夾放動作不能改變工件的位置和方位，故它不不計為自由度數(shù)，其它運動均計為自由度數(shù)。按機械手的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關(guān)節(jié)式。機械手的自由度數(shù)和坐標形式應根據(jù)機械手現(xiàn)場具體的生產(chǎn)情況和工藝的要求而定。3）運動速度：它反應了機械手的生產(chǎn)水平，影響機械手動作快慢的主要運動是手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)運動。手臂的運動速度大小與機械手的驅(qū)動方式、定位方式、抓重大小和行程距離有關(guān)。手臂的運動對機械手的速度影響最大，因此，手臂的運動速度應根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時間長短、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確定。4）行程范圍：主要受手臂的伸縮行程影響，其行程范圍大多在 500-1000mm 范圍內(nèi)。除上述主要參數(shù)外，還應考慮定位方式和位置檢測裝置的選用。機械手由機座、機械臂、手爪、PLC 可編程控制器及氣源等部分組成?？梢酝瓿伤奖鄣臄[動和伸縮、垂直臂的伸縮、手爪的旋轉(zhuǎn)和抓取物料等動作, 準確地把物料送到指定位置。在機床的送料高度、物料的擺放位置、抓取高度、工件的重量等確定后, 機械手各部分的空間幾何位置以及工作空間、運動狀態(tài)等即可確定 ,各個動作即可按給定順序和運動學、動力學要求完成。氣動系統(tǒng)考慮了使用載荷、機器第三章 車床上下料機械手13人機械本體結(jié)構(gòu)、動態(tài)及靜態(tài)性能等因素, 水平臂的擺動和伸縮、垂直臂的伸縮、手爪的擺動的運動速度均可調(diào)節(jié)。3. 2 方案設(shè)計和對比3. 2.1 方案 1目前工廠中的設(shè)備是采用壓縮空氣作為動力源，氣缸做動作執(zhí)行元件。但現(xiàn)有的設(shè)備中沒有上下料機械手。生產(chǎn)中，是人工將工件從設(shè)備的運送槽中搬出再安裝到數(shù)控機床上。這樣生產(chǎn)的節(jié)拍受到限制，不能發(fā)揮出設(shè)備的最佳生產(chǎn)效率。因此，在本設(shè)計中采用工業(yè)機械手和相關(guān)的輔助分析現(xiàn)有設(shè)備及工廠的實際生產(chǎn)狀況，提出本方案。見圖-1 上下料機械手方案 1。仍采用壓縮空氣作為動力源，氣缸做動作執(zhí)行元件。用制動氣缸 1 通過滑塊 2 帶動機械手實現(xiàn)機械手的水平運動，升降氣缸 3 控制實現(xiàn)機械手抓取動作的上下運動，夾緊氣缸 4 控制實現(xiàn)手指的張開和閉合。第三章 車床上下料機械手14圖1 方案一其動作過程依次為：制動缸前送，推動滑塊將機械手送到工件上方，升降缸下放，將機械手放置到工件上，此時機械手是張開狀態(tài)，夾緊缸夾緊工件，升降缸上升至安全高度，制動缸拉動滑塊帶動手臂回至車床上方，升降缸下放手爪，使工件處于車床頂尖與卡盤之間，夾緊缸松開工件。第三章 車床上下料機械手15圖2 方案一抓取動作圖3 方案一提升動作第三章 車床上下料機械手163. 2.2 方案 2采用液壓缸作為執(zhí)行元件。采用圓柱坐標式機械手，手爪為鉗爪式。圖 4 方案二設(shè)計思路將機械手設(shè)置在車床旁邊，以液壓缸為執(zhí)行元件，用升降油缸實現(xiàn)立柱的上升和下降，用回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)手臂的旋轉(zhuǎn)，用手臂伸縮油缸實現(xiàn)手臂的前伸與收回，用碗部回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)。如圖 5 所示：第三章 車床上下料機械手17圖 5 方案二機械手結(jié)構(gòu)示意圖圖6為機械手工作原理圖6 方案二機械手功能原理第三章 車床上下料機械手18動作順序為：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋轉(zhuǎn)至合適位置，手爪抓緊工件，手臂收縮，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動帶動手臂轉(zhuǎn)至車床卡盤前，手臂前伸至卡盤與頂尖之間，手爪松開工件，手臂回縮，旋轉(zhuǎn)缸反轉(zhuǎn)，立柱下降。3. 2.3 方案 3仍采用壓縮空氣為動力源，氣缸為執(zhí)行元件，采用與方案二相似的結(jié)構(gòu)，采用圓柱坐標式機械手，結(jié)構(gòu)與方案二大致相同，省去了碗部的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。如圖 7 所示：圖 7 方案 3 機械手結(jié)構(gòu)示意圖動作順序為：升降缸上升，手臂前伸，手爪旋轉(zhuǎn)至合適位置，手爪抓緊工件，手臂收縮，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動帶動手臂轉(zhuǎn)至車床卡盤前，手臂前伸至卡盤與頂尖之間，手爪松開工件，手臂回縮，旋轉(zhuǎn)缸反轉(zhuǎn)，立柱下降，然后重復先前動作順序。第三章 車床上下料機械手193. 2.4 方案對比方案 1 采用的是懸掛式機械手臂設(shè)計，但是考慮到生產(chǎn)環(huán)境的因素，懸掛式占據(jù)空間比較大且工作范圍小，慣性大且靈活性差，且維修不方便，故不采用方案1。方案 2 采用的是圓柱坐標式機械手，優(yōu)點是這種形式的機械手臂均具有回轉(zhuǎn)、伸縮與升降三個自由度，其運動范圍的圖形為一個圓柱體，它與直角坐標型比較，占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，并能達到較高的定位精度，應用廣泛，運動直觀性較強。方案 3 與方案 2 不同之處是方案 3 采用的是氣動驅(qū)動方式。氣動驅(qū)動特點是氣源方便、維修簡單、易于獲得高速度、低成本、防火防爆、漏氣對環(huán)境無影響。液壓驅(qū)動特點是操作力大體積小，動作平穩(wěn)、耐沖擊耐振動，但漏油對系統(tǒng)的工作性能影響較大，且與氣動比較起來成本較高。因此，設(shè)計中采用氣動機械手。綜上所述，最后選用方案 3。第四章 手部計算與分析 20第四章 手部計算與分析4.1 手部計算與分析手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見的主要有夾鉗式，本設(shè)計主要考慮夾鉗式手部設(shè)計。夾鉗式手部是由手指，傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸，盤，套類零件，一般情況下多采用兩個手指。4.1.1 滑槽杠桿式手部設(shè)計的基本要求(1)應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。(2)手指應具有一定的開閉范圍。(3)應保證工件在手指內(nèi)的夾持精度。(4)要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。(5)應考慮通用性和特殊要求。4.1.2 手部的計算和分析（1）手部受力分析第四章 手部計算與分析 21圖4.1 手部受力圖(1)圖 4.2 手部受力圖(2)（2）手指尺寸初步設(shè)定由拉桿的力平衡條件：得0.yF??112sinP?0xF?12P'1第四章 手部計算與分析 22由 得()0MF??'1ABPhNLcos??*pbtgN又由工件的平均半徑mm50237.cpR?初取V型手指的夾角2 1o??mm， ， ， ，滑桿總長 h=1705ABL?20Cm53b53CDLm?(3)夾緊力計算又由于工件的直徑不影響其軸心的位置即定位誤差為零，手指水平位置夾取水平位置放置的工件。由工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)表 2－1 查得握力 N＝0.5G=0.5×25=12.5kg又因為（4.1）2cosbP??當 取最小值時，則增力比較大，手指走到最小行程時則有? min ?則 o min 30?又因為 2amin=19.88kgcsNbP理12k??理實取安全系數(shù) ，工作情況系數(shù)1.5?21.5k?傳動機構(gòu)的機械效率 0.9(4.2)×50Pkg?實 .8.＝ 9第四章 手部計算與分析 23手指夾緊時：夾緊缸活塞移動范圍 L＝130mm，其動作時間 t=1.5s（由機械手的動作節(jié)拍時間得之），所以夾緊活塞移動得平均速度 v 為：138.675lvcmst?運動部件得總重估算G＝10kg夾緊力N與驅(qū)動力P的關(guān)系：由于結(jié)構(gòu)左右對稱，在驅(qū)動力P的作用下，每一滑槽杠桿受力相等圖 4.3 夾緊力與驅(qū)動力的關(guān)系圖在不計摩擦力的情況下， 為夾緊狀態(tài)得傾斜角 ＝50夾緊工件半徑為50mm為121cosP?? 1?例＝38.9kg (4.3)121cosP??根據(jù)各力對回轉(zhuǎn)支點 的力矩平衡條件，同樣在不計摩擦力的情況下1O，c為杠桿動力臂，即驅(qū)動銷對滑槽杠桿作用力 對支112osPCNb?? 1p點 的垂直距離。1O第四章 手部計算與分析 24又因為a=50mmC= 1507.8cosoam???則 Nb= 112pP0578.cosb??3.92431m?當夾緊半徑為25mm的工件時， ＝1?70?1546.217cosam????則Nb= 121cosp??21Nab21.50cos5???43bm?(4)動作特性和傳動特點定位到最大行程時， 50???maxacosL則 取axax80sL???max130?又因為 ，ma1co2?ax6??滑槽杠桿手指最大開閉角為 maax120r???:滑槽傾斜角的變化范圍可以為 6???第四章 手部計算與分析 25可見機構(gòu)傳動比將在下列范圍內(nèi)變化，2aNbP??0.1.4P??所以開始所初步取的a，b與 均符合要求。?（5）確定夾緊油缸外徑 D驅(qū)動桿行程與手指開閉范圍關(guān)系－分別為手指夾緊工件范圍值時，滑槽相對于兩支點連接的傾斜角。12.?278Latgtm???機構(gòu)效率考慮到機構(gòu)效率，傳力比N/P的公式應力＝0.921cosNaPb???又因為G=250N,夾緊力F=500N, 60??-工作負載即為重物重力 ＝250N。WFWF－導軌摩擦阻力負載，對于平導軌f ()fRnGF??－垂直于導軌的工作負載， ＝0。Rn Rnf-導軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.1。，0.25fsFN??.125fFN???，一般取 ＝0.01 0.5s， 時間內(nèi)速度變化量aGvgt?t:vt??254.239.806aF???啟動： 54.3fsaFN??穩(wěn)態(tài)： 27fW第四章 手部計算與分析 26工作壓力P的確定，工作壓力根據(jù)負載大小及機器的類型來初步確定。參閱機械設(shè)計手冊表37.5按載荷選擇工作壓力為1 。aMP計算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d，由負載可知最大負載F為275N。根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計手冊表2－2可取 為0.5 ， 為0.95，d/D為0.7。2acm?又因為 (4.4)211240.3cmFDPdD??????????????????????????根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計手冊表2－4，將液壓缸內(nèi)徑圓整為標準系列直徑D=25mm,活塞桿直徑按d/D＝0.7及表2－5活塞直徑系列取d=18mm。按工作要求夾緊力為一個夾緊缸提供，考慮到夾緊力的穩(wěn)定性。夾緊缸的工作壓力應大于復位彈簧的彈力。又因為進油缸在有桿腔，則其有效工作面積(4.5)??220.184ADdcm???液壓缸壁厚和外徑計算， 為最大工作壓力 的1.5倍， ＝1.5 。??2yPD???y1PyaMP高強度鑄鐵， ＝60???aM3.25m??143D???液壓缸工作行程的確定，并參照表2－6中的系列尺寸選取標準值S=100mm。缸蓋厚度的確定一般液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度t按強度要求計算。第四章 手部計算與分析 27(4.6)??20.43yPtD??.7tm現(xiàn)取t=20mm?；钊膶挾菳一般取B=( )D=0.6D=15mm。0.61:夾緊缸彈簧的確定。彈簧工作載荷F=50N最大軸直徑 max18D?最小筒直徑 in25彈簧剛度 0.769FNkf查機械設(shè)計手冊表30.2－8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm .單圈彈簧工作極限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度 。24.5Nkm??max10PN?(4.7)ax38GdZC?10D?曲度系數(shù) ＝1.14，G－彈簧材料的剪切彈性模量，鋼材G=1k ??25810kgcm?Z=110mm,則活塞缸總長L=120mm。第四章 手部計算與分析 284.2 腕部計算與分析4.2.1 腕部設(shè)計的基本要求手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，適應性更強。手腕具有獨立的自由度，此設(shè)計手腕有繞X軸轉(zhuǎn)動和沿X軸左右擺動兩個自由度。手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸，擺動也采用回轉(zhuǎn)油缸。他的結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，自由度符合設(shè)計要求，它要求嚴格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。1.腕部處于臂部的前端，它連同手部的動靜載荷均由臂部承受。腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運動性能。因此在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。2.腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔聯(lián)接和支承作用，除了保證力和運動的要求以及具有足夠的強度和剛度外還應綜合考慮合理布局腕部和手部的連接、腕部自由度的檢測和位置檢測、管線布置以及潤滑、維修調(diào)整等問題。3.腕部設(shè)計應充分估計環(huán)境對腕