1670-自動上料機械手

1670-自動上料機械手,自動,機械手 沈陽理工大學學士學位論文第 I 頁 摘 要隨著科學技術的發(fā)展，人類社會進入了一個以自動化和電子技術為標志的新時代。自動化機械大量應用于工業(yè)工程中，其中工業(yè)機械手的應用最為廣泛。工業(yè)機械手是一種模仿人手動作的機器，可以取代很多的人工操作，并可以取得更高的效率。本論文介紹了用于夾持外圓件的上下料機械手的設計。它采用液壓驅動，點位程序控制，動作平穩(wěn)，控制方便。本論文主要闡述該機械手的升降和回轉的設計和計算。首先從機械手的基礎知識介紹有關機械手的組成、分類、腕部及臂部設計、液壓控制的多種方案，再從本次設計所要求的功能原理設計開始，對于不同的方案加以比較和論證，從中可確定出最優(yōu)方案，并采用其方案，在對其的結構設計的基礎上，對其驅動力和驅動力力矩進行計算。著重闡述了機身的設計，具體闡述了機械手的設計原則和步驟，分析了設計時應注意的問題，并對機械手的平穩(wěn)性及定位精度給予詳細的論述。設計并分析了該機械手所用的液壓控制的方法和過程。由于經(jīng)驗不足，知識有限，難免有誤，有待改進。關鍵詞 機械手；液壓；驅動力；定位精度沈陽理工大學學士學位論文第 II 頁 ABSTRACTWith the development of technology, the human society entered a modern ear for with automation with electronics technique for marking. Automation machine large quantity is applied in industry engineering inside, among them the application of the industry machine hand is the most extensive. The industry machine of a kind of mimicry hand action, can replace a lot of artificials operate, combining can obtain the higher efficiency.This thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand. It adopts the liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience.This thesis expatiates the rise and fall of the machine’s hand primarily with the design of the turn-over with compute. Constitute, divide into section form the relevant machine in introduction in knowledge in foundation of the machine hand first, wrist a various projects for and arm department designing, liquid pressing control, start from this design a function for requesting principle, take into the comparison to the different project with the argument, can make sure the superior project from the inside, combine to adopt its project, in as to it’s of the foundation of the construction design, as to it’s driver force and moment proceed the calculation. Emphasize the design that expatiated the fuselage, expatiated the design principle of the machine hand in a specific way with the step, analyzed the problem of design should notice, and give to the steady and fixed position accuracy of the machine hand detailed treatise. Because of experience shortage, the knowledge is limited, difficult do not need the mistake, treat to improve.Key phrase manipulator； liquid presses； driving force； fixed position accuracy沈陽理工大學學士學位論文第 III 頁 目 錄摘要 ………………………………………………………………………… I緒論 ………………………………………………………………………… 11 工業(yè)機械手的概述 ………………………………………………… 31.1 工業(yè)機械手的分類 ……………………………………………… 31.2 工業(yè)機械手的組成 ……………………………………………… 41.3 機械手的自由度和坐標形式 ……………………………………… 52 自動上下料機械手的總功能原理及各部分設計 …………………… 72.1 功能原理設計 ……………………………………………………… 72.2 手部設計 …………………………………………………………… 72.2.1 手部設計要求 ………………………………………………… 82.2.2 手部結構 ……………………………………………………… 82.2.3 夾持式手爪的計算 …………………………………………… 112.3、腕部設計 ………………………………………………………… 132.3.1 腕部設計要求 ………………………………………………… 132.3.2 腕部結構 ……………………………………………………… 142.4 臂部設計 ………………………………………………………… 152.4.1 臂部的設計要求 ……………………………………………… 152.4.2 臂部的結構 …………………………………………………… 202.4.2.1 臂部的伸縮運動結構 ………………………………… 202.4.2.2 臂部的伸縮油缸的計算 ……………………………… 212.4.2.3 臂部的回轉運動 ……………………………………… 232.4.2.4 臂部的升降運動 ……………………………………… 242.4.2.5 臂部升降油缸的計算 …………………………… 253 機械手的其它部分裝置……………………………………………… 283.1 行程限位裝置 ……………………………………………… 283.2 緩沖定位裝置 ……………………………………………… 28沈陽理工大學學士學位論文第 IV 頁 4 機械手的總體方案總結 ………………………………………………… 304.1 傳動方案的確定 ………………………………………………… 304.2 規(guī)格參數(shù) …………………………………………………… 304.3 結構特點 …………………………………………………… 304.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng) …………………………………… 324.5 機械手的緩沖與定位 ……………………………………… 34參考文獻 ………………………………………………………… 35致謝 ……………………………………………………………… 36附錄 沈陽理工大學學士學位論文1本設計已經(jīng)通過答辯，如果需要圖紙請聯(lián)系 QQ 251133408 另專業(yè)團隊代做畢業(yè)設計，質量速度有保證。緒 論在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)領域里，材料的搬運、機床的上下料、整機的裝配等是十分重要的工作環(huán)節(jié)，而實現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動化將大大提高生產(chǎn)效率，減少成本。用自動化機械代替人的工作可以減少事故的發(fā)生。工業(yè)機械手就是為了實現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動化而設計的。自動化上下料裝置是散亂的中小型工件毛坯經(jīng)過定向機構實現(xiàn)定向排列，然后順次地由上、下料機構把它送到機床或工作位置去，并把工件取走。如工件教大，形狀復雜，很難實現(xiàn)自動定向，則往往通過人工定位后，再有上下料機構送到工作地點去。在成批大量生產(chǎn)中，尤其要求在生產(chǎn)率很高，機動工時很短的情況下，單純的上下料裝置很難滿足要求，機械手就是在上下料機構的基礎上發(fā)展起來的一種機械裝置。開始主要用來實現(xiàn)自動上下料和搬運工件，完成單機自動化和生產(chǎn)線自動化。隨著應用范圍不斷擴大，現(xiàn)已用來操作工具和完成一定工作，減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高生產(chǎn)效率。目前我國研制使用的工業(yè)機械手大多數(shù)是屬于專用機械手，僅有少量的通用機械手。由于通用機械手改變工作程序比較方便，特別適用于多品種、小批量的生產(chǎn)。通用機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應用只有二十來年的歷史。這些裝置在國外得到相當重視，到七十年代，其品種和數(shù)量都有很大的發(fā)展，并且研制出了各種具有感覺器官的工業(yè)機器人。我所設計的是生產(chǎn)線用上料機械手。是為精鍛機設計的配套自動送取鍛料設備。屬于圓柱坐標式，全液壓驅動機械手，具有手臂升降，收縮，回轉和手腕回轉 4 個自由度，執(zhí)行機構由手部,手腕，手臂伸縮機構，手臂升降機構，手臂回轉機構組成。它開始工作是被加熱的坯料由運輸車送 2 到上料位置后，自動上料機械手 3 將熱坯料搬運到立式精鍛機 1 上鍛打，其成品鍛件由下料機械手 4 從立式精鍛機上取下并送到轉沈陽理工大學學士學位論文2換機械手 5 上，轉換機械手先把鍛件翻轉 成水平位置，由炳烷切割裝置 6 將兩端切?90齊，切割完畢，轉換機械手的手臂再水平回轉 ，將鍛件水平放置到下料運輸裝置 787上，運送到車間外面的料倉庫進行冷卻。自動上料機械手 3 在此精鍛生產(chǎn)線上可以完成取料、喂料和變換工位等動作。其配置如圖。自動上料機械手配置示意圖沈陽理工大學學士學位論文31 工業(yè)機械手的概述1．1、工業(yè)機械手的分類工業(yè)機械手目前在國內(nèi)是專用機械手和通用機械手的統(tǒng)稱。專用機械手是指附屬于主機、動作程序固定，一般沒有獨立控制系統(tǒng)，只做專門用途的自動抓取或操作裝置。通用機械手（國外泛稱工業(yè)機器人）是指程序可變的、獨立的、自動化的抓取或操作裝置。目前多機械手尚無明確的分類標準，全國各地區(qū)尚未統(tǒng)一，我們按目前應用比較多的兩方面進行分類：（一） 按搬運的工件重量（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)的工業(yè)機械手其搬運重量為中型的。（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動，結構簡單，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。目前這種機械手的數(shù)量最多。2．示教再現(xiàn)型通用機械手這種機械手由人工通過示教裝置領動一遍，或者預先操作給定一遍，稱為示教。它由磁鼓（或磁帶、磁芯）把程序記錄下來，以后機械手就自動按記憶的程序，重復地進行循環(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，裝有電視攝像管和傳感器等，因而具有視覺、熱感、觸覺等。沈陽理工大學學士學位論文41.2、工業(yè)機械手的組成工業(yè)機械手的結構有簡單的也有復雜的。但從結構形式分析，主要有執(zhí)行機構、驅動機構、位置檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。（一）執(zhí)行機構它包括手部、腕部、臂部、立柱和基體等構件組成：1．手部——是夾持工件的構件。它由手爪和夾緊裝置兩部分組成。手爪有夾緊和松開動作。夾持式手爪的形式和人的手指相仿。另外還有真空和電磁吸盤（相當于手爪） ，用來吸取表面光滑的零件或薄板。有的手爪還可以夾持一些專用工具，如噴槍、扳手、焊接工具等。2．腕部——是聯(lián)接手部和臂部的構件，起支撐手部的作用。它可以有俯仰、左右擺動和回轉三個運動。特殊情況下可以增加一個橫向移動。有的機械手沒有手腕動作。 3．臂部——是支撐手部、腕部的構件。機械手的臂部是為了取代人的手臂而研究設計的，但是它卻達不到象人手臂的靈巧和適應功能。因此，只有把結構簡化，把運動軌跡分為沿三坐標軸線方向往復移動和繞三坐標軸線進行回轉。一般手臂具有前后伸縮、左右回轉、上下升降或上下擺動等幾個運動。根據(jù)需要可選其中一個、二個或三個運動。 4．立柱——是支撐手臂等構件的。一般機械手的立柱為固定不動的，也有的因工作需要立柱作橫向移動，此種稱可移動式立柱。5．行走機構——機械手要求完成較遠距離的操作時，可增加滾輪、軌道等行走機構。（二）驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)是驅動臂部、腕部、手部的動力源。它有氣動、液壓、電力和機械式等四中形式，由直線缸、回轉缸、各種閥、管及管接頭等組成。（三）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機械手的重要組成部分，它是支配機械手按規(guī)定程序、行程和速度進行運動的裝置。它必須保存或記憶人們給予機械手的指令信息（如動作順序，到達位置和時間信息） 。機械手工作時根據(jù)這些信息對機械手的執(zhí)行機構按程序發(fā)出控制指令，必要時還可以多機械手的動作進行監(jiān)測，當動作錯誤或發(fā)生故障時可發(fā)出警告信號。（四）行程位置檢測裝置沈陽理工大學學士學位論文5行程位置檢測裝置的作用是控制機械手每個運動的運動位置，或將運動系統(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)，使機械手實現(xiàn)位置精度的要求。（五）輔助裝置1．基體——是機械手的基礎部分。機械手的執(zhí)行機構各部件，驅動系統(tǒng)都安裝在基體上，它起支撐作用。2．油箱——用來儲存油和 供油的裝置，并使油散熱和雜質沉淀。3．氣缸——貯存壓縮空氣。1.3、機械手的自由度與坐標形 式機械手的運動可分為整機運 動、本體運動、臂部運動、腕部運動、每 個運動坐標稱為自由度。一個機械手有幾個運動就叫有幾個自由度。手爪的抓取動作（指的是手爪的夾緊和松開）不計在自由度數(shù)目內(nèi)。1．整機運動是指整個機械手作為一個整體運動，如整機行走。2．本體運動是指機械手的本體部分運動，如本體橫向運動（整個手臂沿 Y 坐標軸的移動） ，可參看圖 1-1。3．臂部運動臂部一般有三個自由度，即臂部直線運動、回轉運動和上下擺動運動。它分四種坐標形式，即：圖1-2 四種坐標形式示意圖直角坐標式用（X、 Y、Z）表示，機械手的臂部可做前后、左右、升降三個移動，如圖 1-2a 所示。這種坐標形式直觀性好，結構簡單，但慣性較大，占用的空間也較大，一般多安裝在沈陽理工大學學士學位論文6架空的梁上。圓柱坐標式用（X、Z、C）表示，見圖 1-2b，它有二個移動（伸縮和升降）和一個轉動。這種坐標直觀性較好，結構簡單，所占空間較小，動作范圍較大，是應用最多的一種。球坐標式用（X、B、C）表示，見圖 1-2c，它有一個移動（手臂伸縮）和兩個轉動（左右回轉和上下擺動） 。這種坐標形式結構較復雜，但慣性不大，本體所占的空間較小，動作范圍比圓柱坐標式更大，在通用機械手中應用較多。多關節(jié)式用（ 、 、 ）表示，見圖 1-2d，它有三個轉動（左右旋轉、兩個1B2關節(jié)旋轉） 。這種坐標形式運動件的慣性較小，本體占空間不大，而動作范圍大，并且可以繞過障礙物抓區(qū)工件，但是其結構復雜，位置精度難于控制，故應用比較少。4．腕部運動基本上有三個自由度，如圖 1- 3 所示。繞 X 軸的運動叫回轉運動；繞 Y 軸 轉動叫俯仰運動；繞 Z 軸運動叫左右擺動。要確定抓區(qū)工件的空間點位及 方位坐標，有臂部三個自由度和腕部三個 自由度就足夠了。圖 1-3 手腕運動示意圖沈陽理工大學學士學位論文72 上下料機械手的總功能原及各部分的設計2.1、功能原理設計功能原理設計是針對某一確定的功能要求，尋求一些物理效應并且借助某些作用原理來求得一些實現(xiàn)該原理的解法原理。其特點是對于某一產(chǎn)品的特定的工作能力進行抽象化描述，是指某一機器所有的轉化能量特性和其他物理特性。其描述方法較像工程學中常用的“黑箱”法來描述。任何一個技術系統(tǒng)中都有輸入和輸出，把技術系統(tǒng)抽象成黑箱。起輸入用物料流M、信息流 S、和能量流 E、來描述其輸出用相應的 M`、S`和 E`來描述。操作指令 S S’ 顯 示物 料 M M’送到機床電 氣 能 E 功能原理設計是一種綜合。綜合是不能有任何方法可循的。它能要求解決的問題是有很多 解的問題。它既不是只有唯一解，又不是絕對無解，而且也很難得到絕對理想的解。一般來說，在構思階段，應盡可能收集各種可能的解法，以便在眾多的解法中選出較多滿意的解決方法來?？偣δ芊纸獬扇舾蓚€功能元素為：夾持 → 松開 → 上升 → 下降 伸 → 縮 → 轉位 → 復位根據(jù)仿生學的原理，機械手的功能單元可以分為：A： 手指——夾緊、松開工件；B： 手腕——回轉、平移、俯仰等功能；C： 手臂 ——伸縮使工件沿直線運動；D： 底座（機身）——升降手臂，回轉手臂；E： 緩沖器于定位——回轉、升降、伸縮、緩沖、定位；F： 電氣控制部分——控制各部分協(xié)調(diào)動作；2.2、手部設計沈陽理工大學學士學位論文8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，是機械手的關鍵部件之一。2.2.1 手部設計要求：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遞過程中松動或脫落；2．夾持范圍要與工件相適應。手爪的開閉角度（手爪張開或閉合時的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。既要求工件在手爪內(nèi)定位準確，又不夾壞工件的表面。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應的手爪結構：如圓柱形工件應采用帶 V 形槽的手爪來定位；對于工件表面光潔度要求較高的，應在手爪上鑲銅、夾布膠木或其它軟質墊片等；4．夾持動作要迅速、靈活；5．手部結構要簡單緊湊、剛性好、自重輕、易磨損處應該便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。2.2.2 手部的結構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型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指式和多指式；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。真空吸盤式又可分為真空泵式和氣流負壓式。3．帶視覺或觸覺的手爪。根據(jù)所設計課題的要求，該機械 手是用于生產(chǎn)線上下料的，其抓取的工件是 外圓件，所以可以不考慮吸附式手爪和帶視 覺或觸覺的手爪。所以重點在于夾持式手 圖 2-1 杠桿滑槽式手爪結構爪。 下面介紹一些常用的夾持式手爪結構。1．杠桿滑槽式手抓結構圖 2-1 是其一種杠桿滑槽式手爪結構，它通過活塞桿 1 的銷 2 推動手爪使之張開，沈陽理工大學學士學位論文9活塞向右移動使手爪閉合。圖 2-2 也是一種杠桿滑槽式手爪結構，其原理同圖 2-1 一樣，只是工件形狀不同 手爪夾持部分改變相應形狀。 圖 2-3 是適用于夾持模鍛或鑄造的毛坯的杠桿滑槽式手爪結構。毛坯上的拔模斜度往往造成夾緊后在移動過程中從手爪中甩掉，所以增加了一塊背板，并用平頭螺釘壓住，調(diào)整合理的間隙，使其手爪只能按夾緊的方向運動而不致扭動。在背板上安裝三個彈性定位銷，以保證工件的穩(wěn)定圖 2-2 夾持菱形工件 定位，在手爪上安裝的 V 形活動鉗?120口，可根據(jù)夾持不同直徑的工件進行更換。杠桿滑槽式手爪結構應用的比較多，其特點是結構簡單、動作靈活、手爪開閉角度大、夾持工件范圍較大。 2．連桿式手爪結構圖 2-4 是其一種連桿手爪結構，它有兩副手爪，分別抓在已加工的兩個軸頸上，手爪的夾緊與松開，由油缸和杠桿機構帶動，杠桿連接于活塞桿末端，當活塞上下運動時通過杠桿的作用驅使手爪夾緊與松開，以便完成抓取動作，工件在手爪內(nèi)可以自由擺動，借其本身重心位置，使彎頭總是向下方。圖 2-3 杠桿滑槽式手爪結構 圖 2-4 連桿式手爪結構圖 2-5 是抓取兩個工件的連桿式手爪結構，設計應用單向活塞以簡化油路。圖示位置為夾緊狀態(tài)，靠彈簧松開工件。圖 2-6 是為抓取短臺階式圓形零件而設計的連桿式手爪結構，為了減少由于偏重力矩而引起夾緊不穩(wěn)的情況，在手爪上設計了一個支持小圓柱形臺階的托板。圖 2-5 抓取兩個工件沈陽理工大學學士學位論文10的連桿式手爪結構 圖 2-6 連桿式手爪結構圖 2-7 是為既可抓取大直徑的工件，又可以抓取小直徑的圓柱形工件而設計的雙活塞連桿式手爪結構。從圖 2-7 中看出，活塞的運動在抓取不同直徑的工件時是不一樣的。當抓取小直徑工件時，活塞是向下夾緊，向上是松開，如圖 2-7b，當抓取大直徑工件時，如圖 2-7a 所示，則活塞向上是夾緊，向下是松開。上面介紹的幾種結構所夾持的工件，都是圓形或者是對稱物體，對于非對稱或者異形的工件， 需要對手爪做相應的設計。圖 2-8 是夾持 非對稱工件的手爪結構圖，為了簡化管路設計，采用 單向活塞，用彈簧推動活塞使手爪松開。圖 2-7 雙活塞連桿式手爪結構連桿式手爪結構的特點是夾緊力大，各機件間的連接用圓柱銷，磨損較小，若設計得當可自鎖。但結構比較復雜，手爪開閉角度較小，適用于抓取重量較大的工圖 2-8 連桿式手爪結構 件。3．齒輪齒條式手爪結構圖 2-9 是齒輪齒條式手爪結構圖，可用液壓或氣壓驅動，夾緊油缸圖 2-9 齒輪齒條式手爪結構活塞桿上加工出齒條，當活塞向左移動推動中間齒輪旋轉，中間齒輪又帶動扇形輪夾緊工件。圖示位置為夾緊狀態(tài)，若前腔進油則使手爪松開。圖 2-10 是夾持板塊用齒輪齒條式手爪結構，為了保持較大的夾緊力和手爪運動時保持平行移動，采用了雙支承板結構。沈陽理工大學學士學位論文11圖 2-11 是用彈簧復位的齒輪齒條式手爪結構圖。它是由活塞桿上的齒條，直接推動扇形輪爪，而使輪爪松開。在彈簧的拉力下使手爪常處于夾緊狀態(tài)。圖 2-12 是另外一種常彈簧復位的齒輪齒條式手爪結構。它 圖 2-10 夾持方形工件齒輪齒條式手爪結構 是在活塞桿上安裝圓形齒條，當活塞向右移動，齒條推動軸上的小齒輪旋轉，而在軸上的小齒輪上鑲個扇形輪，扇形輪旋轉帶動小齒輪旋轉，小齒輪帶動爪體往中心平行移動，使手爪卡緊工件。當需要松開時，驅動源壓力消失，由于爪體內(nèi)兩個彈簧力推動向外移動，推動相應齒輪系反響旋轉，與活塞內(nèi)彈簧力一起使手爪松開。 圖 2-11 齒輪齒條式手爪結構齒輪齒條式手爪結構特點是動作靈活，手爪開閉角度大，夾持范圍大，但 是齒輪齒條結構，兩個齒輪對稱性的調(diào)整比較困難，這種結構夾緊力小，因此多適用于中小型重量的工件。除了以上幾種手爪結構外，還有錐體圖 2-12 齒輪齒條式手爪結構 杠桿式手爪，長軸多爪式手爪結構，平移式手爪結構，錐體杠桿式內(nèi)孔夾持手爪等。 2.2.3 夾持式手爪的計算1．夾緊力的計算夾緊力 GKN???321kg式中：——安全系數(shù)一般取 1.2~2；1沈陽理工大學學士學位論文12——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 可以近似2K 2K的按下式估算， ，其中 為被抓取工件的最大加速gaK??12度， 為重力加速度 ； g28.9秒米?——方位系數(shù)；3K——被抓取工件的重量 kg。G根據(jù)本次所設計的手爪結構設 =1.5，159.842???gaK52.018624.3.05.03 ???????????????tgbt?所以 =2.56 KN5891??N????KNNaP 15.96.2.54cos60cos22 ?????計 算取 85.0?K8.1.9?計 算實 際2．確定油缸直徑 D因為 ??PdP24??實 際選取活塞桿直徑 d=0.47D，壓力油工作壓力 ，2294厘 米牛 頓?P所以 mm??6078.147.0132???????D實 際根據(jù)油缸內(nèi)徑系列（GB2348-80）取油缸內(nèi)徑為 m6則活塞桿直徑為：d2.847.0??2.3、腕部設計 沈陽理工大學學士學位論文13腕部是連接手部和臂部的構件，它有獨立的自由度，使機械手適應復雜動作的要求。腕部的動作有繞 X 軸運動稱為回轉；繞 Y 軸運動稱為俯仰；繞 Z 軸運動稱為左右擺動；還可有沿 Y 軸方向移動的自由度。2.3.1 腕部的設計要求：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，應盡可能不設計腕部的運動。這樣，則可使機械手結構簡單、制造方便和成本降低。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。如腕部的回轉運動，這是在手爪夾持工件后，需要翻轉角度，或者機械手從一個工位轉到另一個工位時，需要工件翻轉。若是采用臂部回轉則使機械手的穩(wěn)定性降低，因為，臂部長度大，回轉時少有偏心（特別是高速回轉時） ，使機械手的離心力增加，臂部振動加大，影響定位精度。因此，應設計腕部的回轉。若機械手是球坐標形式，腕部應設計具有俯仰運動，以保證手爪處于水平位置，不影響手爪的工作。還要根據(jù)加工工藝的要求，設計腕部在 Y 軸方向的移動運動。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 軸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動?？傊?，腕部自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的綜合分析，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、自重要輕在設計腕部結構時，應力求結構簡單緊湊，減輕結構的重量。機械手配合機器運轉，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，在保證構件的強度和剛度的條件下，回轉件盡量采用滾動軸承或滾柱，減少阻力，降低摩擦。沈陽理工大學學士學位論文143．腕部運動位置要準確手腕的回轉、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)需要可設置位置檢測元件，來控制手腕的準確位置。2.3.2 腕部的結構：1．腕部回轉運動結構（1）用回轉缸實現(xiàn)小于 的回轉運動?360用回轉缸的結構實現(xiàn)腕部的回轉，圖 2-13 是其 圖 2-13 手腕回轉結構圖應用的一例。圖中件號 9 為回轉油缸的動片，它的回轉帶動兩手爪 6 驅使工件翻轉或 。應用回轉缸使腕部回轉的機械手較多，因其結構簡單。?90?18（2）用齒輪齒條實現(xiàn)腕部的回轉結構圖 2-11 是其中一種結構圖，它的動作過程是：兩個手爪與齒輪軸 7 連在一起，當發(fā)出回轉信息后，液壓油推動活塞桿 8 移動，活塞桿的齒條推動齒輪軸 7 使手爪回轉。?1802．腕部左右擺動結構根據(jù)工件的工藝要求，需要手腕做左右擺動。對于抓取非中心對稱的工件，當手臂回轉時，工件方位變化，往往需要用手腕左右擺動予以補償。本次設計的機械手，它的腕部只需實現(xiàn)小于的回轉運動，因此?360可以采用回轉油缸。圖2-14 是實現(xiàn)該腕部運動的回轉油缸的截面圖?；剞D油缸的兩個油孔分別進壓力油時，推動動片連同轉套一起回轉，轉套的端部通過牙嵌式聯(lián)軸器把旋轉運動傳遞到回轉軸，轉軸端部沈陽理工大學學士學位論文15的法蘭盤與手部用螺釘聯(lián)結，故手部和轉套即實現(xiàn)手部的回轉運動。手腕回轉油缸其擺角可達 ，實際使用為 ，其位置檢測由行程開關實現(xiàn)，并由擋塊定位。?230?180圖 2-14 手腕回轉油缸截面圖為了使手部夾持熱工件的手指遠離油缸，此處采用了隔離套，減少熱鍛件的熱量對油液的影響，以保證油缸的正常工作和密封。2.4、臂部設計臂部是機械手完成各項動作的執(zhí)行機構，也是其運動部分的主體。在上面分析了機械手的四種坐標形式，綜合這四種坐標形式運動的目的，是想達到人的手臂的功能，但是目前技術還是做不到的，因而把運動方式轉化為直線移動和旋轉運動，這樣臂部的結構也就比較簡單了。臂部和機座相連，可固定在地面上、機器上或懸掛在橫梁滑道上以及可行走的機架上。臂部前端連接腕部或直接連接手部。臂部的作用在于將手爪移動到所需的位置和承受工件、手部和腕部的重量。所以，臂部的結構性能、工作范圍、承載能力和動作位置精度直接影響機械手的工作性能。臂部一般有以下幾部分組成：（1）動作元件：如直線缸、回轉缸、齒輪齒條、連桿凸輪……等，它是驅動手臂運動的元件。動作元件與驅動源相配合，就能實現(xiàn)手臂的各種運動。（2）導向裝置：手臂在靜止狀態(tài)，要承受由夾持工件重量所產(chǎn)生的彎曲力 ，彎 曲F以及由于載荷不平衡而產(chǎn)生的扭轉力矩 M。在運動時又有一個慣性力，為保證手爪的正確位置和動作元件不受較大的彎曲力，手臂必須設置導向裝置。（2）臂：手臂上的動作元件、導向裝置和其他裝置都要安裝在臂上，起支承、連接和承受外力的作用。所以需要臂具有足夠的剛性，以免承重后發(fā)生形變產(chǎn)生顫動。（4）其他裝置：如管路、冷卻裝置、位置檢測機構……等。2.4.1 臂部設計要求臂部設計首先要求實現(xiàn)所要求的運動，為了實現(xiàn)這些運動，需要滿足下列幾項要求。1．臂部應承載能力大、剛性好、自重輕根據(jù)上述要求，在設計手臂時，要對其進行撓度計算，其變形量應小于許可變形量。我們知道懸臂梁（應當指出機械手的手臂結構不是懸臂梁）的撓度計算公式為：沈陽理工大學學士學位論文16EJQLY3?式中： ——撓度；——彈性模數(shù)；——載荷；——慣性矩；J——懸臂長。L從上式可知，撓度與載荷、懸臂長成正比，而與彈性模數(shù)、慣性矩成反比。在與 值已確定的情況下，只有增大 值，才能減少梁的彎曲變形，而碳鋼和合金QEJ鋼的 值差別不大，在 之間。所以，為了提高剛度，從材質上考慮E6610.2~0.?意義不大，主要應選用慣性矩 大的梁?，F(xiàn)把幾種常用梁的慣性矩列表比較如下（見表 2-1） 。從表 2-1 可知，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多，所以，機械手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自重。沈陽理工大學學士學位論文17表 2-1 幾種常用梁的慣性矩比較（以一種截面為例） 為了加大剛性，還應該采取以下措施：（1）在設計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低因此應盡可能使結構簡單。要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定補償環(huán)，以減少重要部位的間隙，從而提高剛性。（2）全面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）水平放置的手臂，要增加導向桿的剛度，同時提高其配合和相對位置精度，使導向桿承受部分或大部分自重和抓取重量；（4）提高活塞和剛體內(nèi)部配合精度，可以提高手臂在前伸縮時的剛性。名稱 截 面 形 狀 截 面 積（ ）2m每米重量 kg慣性矩 4m為圓鋼的幾倍圓鋼 )6(3.8?DF19.G6.3?J鋼管 )8(63.2?dDF19.2G5.84?J.?工字鋼3.28?F（16 號斷面）5.0G180?XJ).93(Y?)5.(槽鋼83.2?F（20 號斷面）6.2G)1784(?XJ2Y)(?沈陽理工大學學士學位論文182．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。確定了生圖 2-15 手臂運動過程曲線產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運動速度（或角速度） 。在一般情況下，手臂的移動和回轉均要求勻速運動（V 和 ω 為常數(shù)） ，但在手臂的起動和終止的瞬間，運動是變化的。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。手臂的運動過程曲線如圖 2-15 所示。圖中所示的 A 點為起動位置；B 點為開始緩沖位置； C 點為行程終點； 和 為1t3起動時間； 和 為制動（緩沖）時間； 和 為運動周期。2t4 1T2圖 2-15a 所示，為機械手的運動部分到達行程終點的瞬間，加速度的值依然很大（圖示的 或 ） ，因此，慣性力必然很大，這勢必引起強烈的沖擊，這樣的運max1ax1?動曲線應該設法消除的。若將該機械手的運動過程按圖 b 所示，并設 = ，行程相等（即兩條速度曲線，1T2所包含的面積相等） ，則 （或 ）必然大于 （或 ） 。按圖 b 所示的過程運動時1T2v2?v?（或 ）小于 （或 ） ，并且在行程終點的加速度值為零，因此停止的max2ax2?max1ax1?瞬間是無沖擊的，這是較理想的運動方式，但是，因加速度是變化的，設計時也比較復雜。對于高速運動的機械手，為了滿足動作節(jié)拍的要求，其最大移動速度設計在1000~1500 毫米 /秒，最大回轉角速度設計在 180 度 /秒內(nèi)，在大部分行程距離上平均移沈陽理工大學學士學位論文19動速度為 1000 毫米/秒左右，平均回轉角速度為 90 度/ 秒左右。如果在圖 2-15 中減少起動時間 和制動（緩沖）時間 ，則可縮短整個運動時間，3t 4t提高生產(chǎn)率。但是縮短 和 就會增加沖擊力，影響機械手的定位精度。所以，必須3t4采取減少慣性沖擊力的有效措施。手臂伸縮時產(chǎn)生的慣性力為：tgvGmaF??慣式中： m ——質量；a ——加速度；G ——手臂運動件重量； g ——重力加速度（9.81 米/秒 2） ；——起動或制動前后的速度差；v?——起動或制動所需的時間；t手臂回轉時產(chǎn)生的慣性力矩為：tJtJMc?????)(?慣式中：——角加速度；?——起動或制動前后的角速度差； ??J ——臂部回轉對回轉中心的轉動慣量；——臂部零件對其重心的轉動慣量；C——臂部零件作為其重心位置的質點對臂部回轉中心的轉動慣量。?2?gGJ?——回轉半徑。計算 時，可以把形狀復雜的零件劃分為幾個簡單的幾何形狀來計算。在有關書CJ中可分別查出其 的計算公式。從上述公式可知，減少慣性力矩，可采用下列措施：（1） 減少手臂運動部件的重量，如采用鋁合金等輕質材料；（2） 減少手臂運動件的輪廓的尺寸，使手臂結構緊湊小巧；（3） 減少回轉半徑，在按排動作順序時，一般是先縮會再回轉或盡可能在較小沈陽理工大學學士學位論文20前伸位置下進行回轉動作。（4） 驅動系統(tǒng)中加緩沖裝置。3．臂部動作要靈活要使手臂運動輕快靈活，手臂的結構必須緊湊小巧，或在運動臂上加滾動軸承或采用滾珠導軌。對于懸臂式機械手手臂上零件的布置要合理，以減少回轉升降支撐中心的偏重力矩。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。4．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。一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度較高；關節(jié)式機械手的位置最難控制，精度差；在手臂上加設定位裝置和自動檢測機構，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。2.4.2 臂部結構手臂的運動是整個機械手運動的關鍵。本次設計的機械手，手臂需要完成三個運動，即手臂的伸縮、回轉和升降運動。2.4.2.1 臂部伸縮運動結構手臂的伸縮運動是一種往復的直線運動，實現(xiàn)這種運動可以采用往復直線液壓缸結構、多級油缸結構、滾珠絲杠結構、直線缸和齒輪齒條傳動機構等。（1） 往復直線缸結構圖 2-16 往復式直線油缸結構在機械手中，實現(xiàn)往復運動采用直線缸結構的最多。圖 2-16 所示為該機械手所采用的一種手臂，它也是往復直線油缸結構?；钊麠U的一端固定在中間架體上，油缸固定在滑枕上。當壓力油經(jīng)油孔 a、b沈陽理工大學學士學位論文21分別進入油缸的兩腔時，油缸體帶動滑枕在燕尾形導軌內(nèi)實現(xiàn)手臂的往復運動，其行程大小靠擋塊和組合行程開關來調(diào)整，伸出端裝有可調(diào)式定位螺釘，確保定位精度。手臂伸縮的導向裝置采用燕尾形滑枕，導向性好，手臂剛度大，工作是運動平穩(wěn)。油缸的輸油管路采用伸縮油管型式，保護了油管，但是工藝性較差。（2）多級油缸結構這種油缸用在傳送機構上較好，用在機械手上，其活塞桿的剛性不好，撓度大，影響位置精度。（3）滾珠絲杠結構有的機械手用電機帶動滾珠絲杠，實現(xiàn)手臂的直線傳動。滾珠絲杠與油缸驅動相比有下述優(yōu)點：滾珠絲杠的摩擦損失小，一般其傳動效率在 90%以上；滾珠絲杠靈敏性高，不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，定位精度高；由于電機直接（或經(jīng)減速齒輪組）連接絲杠，絲杠直接傳動，故油缸剛性好；用于同樣的距離，滾珠絲杠占用空間更小。滾珠絲杠的缺點是成本高，由于滾珠絲杠的傳動效率高，所以基本上沒有自鎖作用。2.4.2.2．臂部伸縮油缸的計算（1）液壓缸主要參數(shù)的確定液壓缸的工作壓力為 p=2.94Mpa，推力 F=12000NFpAcm??——液壓缸的機械效率，一般取 =0.95cm?2226 430.95.1094.2 cNCM ??，DA??mc74.43??—往 返 速 比?.12?dD?則 d6.3974.1????沈陽理工大學學士學位論文22按標準取 d=40mm ；D=80mm則液壓缸的有效面積 無桿腔 2225.0648mDA????有桿腔 222 9.37)()(d??（2）缸筒壁厚計算一般按薄壁缸筒計算，壁厚 按下式確定)(m????2pD?式中 D——液壓缸內(nèi)徑（m） ；p——液壓缸最高工作壓力（MPa） ；——缸筒材料的許用應力（MPa） ， = ；?????nb/?——材料的抗拉強度極限（MPa） ；bn ——安全系數(shù)，一般可取 5。??mpD48.23209.51??????設計壁厚為 ，足以滿足要求。m8（3）活塞桿直徑計算Dd6.391???取 d=40mm按強度條件校核 ??mFd28.9103546??????現(xiàn) d=40mm >9.28所以強度滿足要求。（4）液壓缸的流量計算流量 AVQ??沈陽理工大學學士學位論文23有桿腔 222 9.3764)08(4)( mdDA????????smV/176伸 smV/3縮則 in6.3/.1.917642 LsQ???伸伸85200????縮縮2.4.2.3．臂部回轉運動臂部的運動，除了手臂的前后伸縮運動外還有回轉運動。本次設計的機械手，它的臂部的回轉運動是一種單回轉運動。有的機械手不是單回轉運動而是復合式的運動，在此不考慮復合運動。實現(xiàn)單回轉運動可以有以下幾種方案。（1）回轉缸回轉缸又稱擺動缸。應用回轉油缸要比齒輪齒條帶動機械手回轉結構簡單，輕巧美觀。但是，由于回轉缸的動片與缸體之間配合精度要求較高，加工比較困難，如果精度達不到要求，就會造成嚴重泄漏，影響正常運轉，必須嚴加密封。（2）齒輪齒條直線缸回轉結構齒輪齒條結構是通過齒條的往復運動，帶動齒輪回轉，其驅動源可以是液壓或氣壓驅動。（3）回轉油缸行星齒輪結構它是由回轉油缸（擺角 ） ，動片與轉軸固接在一起，轉軸用鍵與行星齒輪聯(lián)結，?230中心輪套在基座上，中心輪是固定不動的?；剞D油缸與手臂固結在一起。驅動回轉油缸回轉又帶動手臂繞 O-O 軸回轉，形成轉臂，故行星輪，中心輪和手臂組成一個行星輪系。這個傳動是降速的，如行星輪回轉為 角度，則手臂轉角為：行?????????中行 行行臂 Z?式中：——行星輪的齒數(shù)；行——中心輪的齒數(shù)。中這種結構的優(yōu)點是：由于它的回轉傳動是降速的，因此扭矩大，同時定位精度也較高；它裝在外部調(diào)整使用方便，維修容易。（4）鏈條鏈輪結構圖 2-19 是單缸驅動的鏈條鏈輪回轉運動示意圖。若壓力油從缸的左側進入，推動活塞向右運動，這樣，驅使輸出回轉順時針回轉。反之，壓力油從油缸右側進入，推動活塞左移，鏈條經(jīng)鏈輪使輸出軸沿逆時針回轉。沈陽理工大學學士學位論文24通過對以上幾種方案的了解和論證，回轉油缸行星齒輪結構的方案最優(yōu)。該機械手的臂部回轉結構采用行星齒輪結構。2.4.2.4．臂部升降運動一般圓柱坐標式，直角坐標式有升降運動，球坐標式有時為了增加提高高度，也有升降運動。由于本次設計的機械手采用的圓柱坐標式，所以，手臂的升降運動是必不可少的。（1）升降運動機構配置形式a．升降機構設在機座內(nèi)對于中小型規(guī)格機械手，多采用這種結構，手臂靠自重下降。b．升降機構設在機座上方一些機械手的升降行程比較大，需設計立柱式結構，支撐升降運動機構，其輪廓尺寸相對比較大。但是在升降行程較大的情況下，手臂懸伸在最大位置時，使手臂對驅動點的偏重力矩很大，不利于升降運動。圖2-20 為其機構示意圖。c．升降機構放在可縮放的 機構的平臺上這種結構的優(yōu)點是整個機形高度可以較低，手臂的高度大致就是機械手的高度，手臂回轉的轉動慣量可以較小，不需升降導向支撐，結構比較緊湊，提升行程大。圖 2-21 升降機構設在機座上方d．升降機構采用直線缸本次設計的機械手手臂升降機構也采用直線缸，它的結構如圖 2-21，它設有導向套，其導向性能好，剛性大，工作平穩(wěn)，活塞桿頂部為球鉸 沈陽理工大學學士學位論文25圖 2-21 機械手的升降液壓缸結構圖鏈連接，當導套因負載偏斜時，不致于活塞桿歪斜。2.4.2.5．臂部升降油缸的計算（1）液壓缸主要參數(shù)的確定液壓缸的工作壓力為p=2.94Mpa，推力 F=24000NFpAcm??——液壓缸的機械效率，一般取 =0.95cm?cm?2226 860.95.1094.2 cNpFACM ???，D?mcA105.864???—往 返 速 比?4.2?dD?則 d56104.1????按標準取 d=115mm ；D=60mm則液壓缸的有效面積 無桿腔 2229.1038645mDA????沈陽理工大學學士學位論文26有桿腔 222 5.794)6015(4)( mdDA?????（2）缸筒壁厚計算一般按薄壁缸筒計算，壁厚 按下式確定)(m????2p?式中 D——液壓缸內(nèi)徑（m） ；p——液壓缸最高工作壓力（MPa） ；——缸筒材料的許用應力（MPa） ， = ；?????nb/?——材料的抗拉強度極限（MPa） ；bn ——安全系數(shù)，一般可取 5。??mpD7.32194.5??????設計壁厚為 ，足以滿足要求。0（3）活塞桿直徑計算mDd561???取 d=60mm按強度條件校核 ??Fd1.32035446??????現(xiàn) d=40mm >13.1mm所以強度滿足要求。（4）液壓缸的流量計算流量 AVQ??有桿腔 222 5.794)6015(4)( mdD???????sm/102升 sm/降則 in.46/..79024LsAV????伸伸沈陽理工大學學士學位論文27min69/15.0.7591024LsAVQ???????縮縮沈陽理工大學學士學位論文283 機械手的其它部分裝置3.1、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，或是利用檢測裝置，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)的位置反饋個控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使其運動停止在規(guī)定的位置上，以保證對機械手運動的定位精度?，F(xiàn)舉一個應用電液比例閥（或電液伺服閥）的反饋控制為例，用方框圖表示：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，控制電液比例閥的流量或壓力，使機械手平穩(wěn)準確停在預定位置上。檢測裝置應用有電位器、編碼器和剛性機構等。機械手的定位精度指的是頻繁的往復運動中的重復定位精度。影響保持一定的定位精度的誤差是很多的：如手臂的剛性、油液的溫度變化、位置檢測元件的類型及執(zhí)行環(huán)節(jié)的誤差等，都對重復定位的精度有嚴重影響。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有以下幾點要求：在機械性能方面：要結構簡單、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：要有高的抗干擾能力，高精度，長期使用是精度不變。行程位置檢測裝置有機械的、模擬的和數(shù)字的三種。在本次設計的機械手中采用了機械式的位置行程檢測裝置。 3.2、緩沖定位裝置 專用機械手以及簡易的通用機械手常用的緩沖方法，可大致分為內(nèi)緩沖和外緩沖兩種。內(nèi)緩沖是在驅動系統(tǒng)內(nèi)設置緩沖環(huán)節(jié)，例如在油路中設置緩沖回路、緩沖元件，在油缸設置緩沖機構。大多數(shù)液壓驅動的機械手采用內(nèi)緩沖的方法。外緩沖是在驅動系統(tǒng)之外設置緩沖機構，如液壓緩沖器等。氣壓驅動的機械手由于空氣的可壓縮性大，速度平穩(wěn)性差的特點，大多數(shù)采用外緩沖的方法。沈陽理工大學學士學位論文29在該機械手中，采用了圖 3-1 所示的緩沖機構。該機構有緩沖室，可調(diào)節(jié)流閥（緩沖調(diào)節(jié)閥） 、單向閥組成。當活塞桿前進到圖示位置時，油被封閉在緩沖室內(nèi)，因而產(chǎn)生背壓力，在此壓力作用下活塞減速，圖 3-1 可調(diào)式油缸端部緩沖機構即運動部分的動能逐漸被緩沖腔內(nèi)的油所吸收。調(diào)節(jié)針狀螺釘就可以改變緩沖腔內(nèi)油的溢出情況，從而使活塞的速度能按所要求的方式衰減。當反向運動時，高壓油推動緩沖柱塞，并頂開鋼珠進入油缸，因此，起動力大而縮短了起動時間。沈陽理工大學學士學位論文304 機械手總體方案總結4.1、傳動方案的確定考慮到圓柱坐標式的占地面積小而動作范圍大的特點，決定采用圓柱坐標式。該機械手的抓取工件為外圓形棒料，由于棒料有定長和掉頭的要求，姑機械手應設計一個手腕 180 度的回轉運動，這樣此機械手就需由手臂升降，伸縮，回轉和手腕回轉四個自由度，才能滿足上料的動作要求。4.2、規(guī)格參數(shù)臂力 60 千克定位精度 ±3 毫米自由度 范圍 速度 停止位置數(shù)手臂伸縮手臂回轉手臂升降手腕回轉500 毫米200 度600 毫米180 度200 毫米/秒30 度/秒150 毫米/秒120 度/秒2222坐標形式 圓柱坐標驅動源 液壓驅動控制方式 程序控制4.3、結構特點1.機械手伸縮運動結構此機械手手臂伸縮采用雙作用式單杠活塞油缸，伸縮動作是由缸體運動實現(xiàn)的，活塞桿固定不動，其伸縮行程為 500 毫米，伸縮缸體安裝在帶燕尾型的滑枕上，他們一起由手臂坐支承，燕尾型滑枕還有導向作用，手臂的剛度大，工作時運動平穩(wěn)。油缸的輸油管路采用伸縮油管形式，避免外露且安裝方便。在手臂伸出端安裝可調(diào)的定位螺釘，確保送料精度。2．手臂的回轉運動結構手臂的回轉采用回轉油缸，油缸擺角為 230 度，使用在 220 度以內(nèi)，回轉油缸的動片與輸出軸固聯(lián)，輸出軸通過鍵與行星齒輪聯(lián)結，回轉油缸的殼體與手臂坐固聯(lián)，沈陽理工大學學士學位論文31當回轉油缸的動片回轉時，帶動輸出軸和行星齒輪自轉。由于行星 齒輪與相對固定的中心輪捏合，迫使行星齒輪又產(chǎn)生一個公轉，從而帶動手臂坐也繞 O——O 軸線回轉，即為手臂的水平回轉運動?；剞D油缸露出機體外部，安裝維修方便，并增加了支撐手臂回轉部分的剛性。當手爪夾持工件回轉時，該回轉油缸還能起到部分的平衡作用。3．手臂的升降運動機構手臂的升降采用了雙作用式單桿活塞油缸。其升降行程為 600 毫米，為了增加升降部分結構的剛性，導向性能好，采用了直徑為 450 毫米的導套，工作時能平穩(wěn)升降。活塞桿的頂端為球形鉸鏈連接，可自動彌補因夾持工作而手臂又懸伸時造成導套的傾斜所引起的偏差。此外，由于導套的存在使活塞桿免受因偏重力矩所造成的彎曲，在此處活塞桿只受到壓力作用。4．手腕的回轉結構手腕的回轉用回轉油缸，油缸的擺角為 230 度，使用范圍為 180 度，靠死擋塊定位，定位精度較高。當回轉油缸輸入壓力油液后，壓力油推動動片回轉，與動片固定連接的回轉軸也一同轉動，再通過牙嵌式離合器帶動主軸回轉，抓取機構與主軸端部法蘭固定聯(lián)結，至使抓取機構和手腕一同回轉 180 度。在前坐上裝有死定位塊，在主軸端部法蘭上裝有兩塊動塊，以實現(xiàn)死擋塊定位。5．抓取機構因夾持工件范圍大，故選用滑槽杠桿式抓取機構，其驅動手爪夾緊松開的拉緊裝置，采用雙作用式單桿活塞油缸。手爪設計為自動調(diào)整式，手爪可繞自身的回轉軸線有一個小擺動，用以減少因工件直徑變化所引起的定位誤差，其調(diào)整范圍在 10 毫米以內(nèi)。為了能夾持不同規(guī)格的鍛件，有一套 V 型塊，它分為 、 、 、120?10?等幾種規(guī)格，在產(chǎn)品尺寸改變時，更換手爪的 V 型塊即可。90?此拉緊油缸的活塞在手腕回轉時也一起轉動，使活塞上的 O 形密封圈雙向受力容易損壞，同時活塞桿的尾部與油缸端蓋里面接觸時又造成研磨，易造成零件損壞，為防止上述情況的出現(xiàn)，現(xiàn)在將活塞的結構改進。6．其它裝置為使機械手的臂部作回轉運動時能夠精確定位，在臂部坐上裝有定位油缸，它是單作用式活塞油缸，在活塞桿的端部作成斜楔式。當臂部在起始位置和轉過 95 度后的終止位置，通過電信號控制二位三通電磁閥接通工作油路，使起定位銷作用的活塞桿動作，插入到裝在中心齒輪上的帶有斜楔槽的定位擋塊中，使手臂精確定位。此結構沈陽理工大學學士學位論文32簡單，動作靈活。為了使油缸盡可能遠離手爪（因夾持溫度高達 1100 度的工件） ，以防油液受熱使油的黏度下降，影響正常工作或損壞密封。設計此手臂前端的回轉油缸距手爪為 770毫米。4.4、機械手的液壓傳動系統(tǒng)1．機械手的動作順序機械手的動作順序：待料（起始位置；手爪閉合；待夾料立放）→插定位銷→手臂前伸→手爪張開→手爪夾料→手臂上升→手臂縮回→手腕回轉 180 度→拔定位銷→手臂回轉 95 度→插定位銷→手臂前伸→手臂中?！^夾料大泵卸荷→手爪松料→手爪閉合→手臂下降→手腕反轉（復位）→拔定位銷→手臂復位→待料卸荷。上述動作均由電磁換向閥實現(xiàn)，用行程開關和時間繼電器、步進選線器等電器控制電磁鐵線圈通斷電，使電磁鐵按程序動作，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。2．液壓控制原理此系統(tǒng)選用功率 N=7.5 千瓦的電動機，帶動雙聯(lián)葉片泵 YB-35/18，公稱壓力為 63公斤/厘米 ，流量為 35 升/分+18 升/分=53 升/分，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為 30 公斤力/厘米 ，2 2油箱容積選為 250 升。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時，兩個油泵同時供油；手臂及手腕的回轉油缸和手爪松緊夾用的拉緊油缸及手臂回轉定位油缸工作時，只有小泵供油，大泵自動卸荷。手臂前伸、升降、回轉和手腕回轉油路采用單向調(diào)速閥（QI-10B，QI-25B，QI-63B）回程節(jié)流，因而速度可調(diào)，工作平穩(wěn)。升降缸支路設置有單向順序閥（XI-63B） ，可以調(diào)整順序閥的彈簧力，使之在活塞、活塞桿及其所支承的手臂等自重所引起的油液壓力作用下仍保持斷路。工作時，油泵輸出的壓力油進入升降油缸上腔，作用在順序閥的壓力增加，使之接通，活塞便向下運動。當活塞要上升時，壓力油液經(jīng)單向閥進入升降油缸下腔，這樣采用單向順序閥克服機身（全部參與升降運動的部件）自重，防止了下滑，性能穩(wěn)定可靠。手爪夾緊油缸支路裝有液控單向閥（1Y-25B） ，使手爪夾緊工件時不受系統(tǒng)壓力波動的影響（尤其是系統(tǒng)壓力下降時，壓力油缸內(nèi)的壓力油不能反向流動） ，保證手爪夾持工件牢靠，當反向進油時，油液通過控制油路將單向閥芯頂開，使回油路接通，油液流回油箱。在手臂回轉后，定位所用的定位油缸支路的壓力需比系統(tǒng)壓力低，為此在定位油缸支路前串有減壓閥（J-10） ，使定位油缸獲得適應壓力為 15-18 公斤力/厘米 ，同時2沈陽理工大學學士學位論文33還給電液換向閥（34DY-63B）的控制油路供油。液壓系統(tǒng)的雙聯(lián)葉片泵的卸荷，均用二位二通的換向閥（22D-25B）打開溢流閥（Y-18-J 和 Y-36-J）來實現(xiàn)，空載卸荷不致使油溫升的太高。系統(tǒng)中的三個單向閥（兩個 I-25 和一個 I-40） ，其中一個單向閥（I-25）和單向閥（I-40）是在油泵停止工作時，防止液壓系統(tǒng)的油液倒流而進入空氣，否則影響再啟動時油缸工作的平穩(wěn)性。另一個單向閥是為了將需要的油液量大小不同的主油路分開，同時在大泵自動卸荷時，不使大泵卸荷油路影響小泵的工作油路。先介紹其動作循環(huán)如下：當電動機起動時，帶動雙聯(lián)葉片泵回轉，油液從油箱中通過網(wǎng)式濾油器，經(jīng)過葉片泵被送到工作油路中去，如果機械手還未起動，則油液通過二為二通電磁閥（電磁鐵 11DT 和 12DT 有電）進行卸荷。當棒料由運輸車運到上料位置時。由于 1100 度的熱棒料使光電繼電器發(fā)出電信號，經(jīng)步進選線器跳步，使機械手開始按程序動作，此時卸荷停止（二位二通電磁閥和電磁鐵斷電） 。電磁鐵 8DT 通電，壓力油進到定位油缸左腔進行定位動作，定位后此支油路系統(tǒng)壓力升高，壓力繼電器發(fā)出電訊號，經(jīng)步進選線器跳步使電磁鐵 1DT 通電，電液換向閥變成通路，壓力油經(jīng)油泵和單向閥，通過電液換向閥右邊的通道，進入手臂伸縮油缸的右腔，使缸體前伸運動（因活塞桿固定） ，手臂前伸到適應位置，裝在手臂上的碰塊碰行程開關發(fā)出電訊號，經(jīng)過步進選線器跳步和時間繼電器，延時使電磁鐵3DT 通電，手爪張開；手臂靠慣性滑行到待上料的中心位置，在延時結束時，3DT 斷電，手爪夾緊棒料；并同時發(fā)訊、跳步，使電磁鐵 4DT 通電，壓力油從工作油路經(jīng)電液換閥右邊通過，單向調(diào)速閥的單向閥及單向順序閥的單向閥進入手臂升降油缸的下腔，推動手臂上升，在手臂上升到預定位置，碰行程開關，使電磁鐵 4DT 斷電，電液換向閥復位成“O”型滑閥機能狀態(tài)；并發(fā)出電訊號經(jīng)步進選線器跳步，使電磁鐵 2DT 通電，電液換向閥左邊接通油路，壓力油從電液換向閥左邊通過，經(jīng)過單向調(diào)速閥的單向閥，進入手臂伸縮油缸左腔，使手臂縮回。當手臂上的碰鐵碰行程開關，使 2DT 斷電，并發(fā)出電訊號和跳步，使 6DT 通電，則換向閥右邊接通油路，壓力油通過 QI 的單向閥進入手腕回轉油缸一腔，使手腕回轉 180 度沒，手腕上的碰鐵碰行程開關，使 6DT 斷電，換向閥復位成“O”型滑閥機能狀態(tài)，同時亦使 8DT 斷電，定位油缸復位（拔銷） ；壓力繼電器復位，發(fā)出電訊號，并經(jīng)步進選線起跳步，使電磁鐵 9DT 通電，電磁換向閥右邊通路接通油路，壓力油經(jīng) QI 的單向閥進入手臂回轉油缸一腔，使手臂回轉 95 度。當手臂的回轉碰鐵碰行程開關，使 9DT 斷電，換向閥復位成“O”型滑閥機能狀態(tài)；并沈陽理工大學學士學位論文34發(fā)出電訊號，經(jīng)步進選線器跳步，使 8DT 通電，定位油缸工作，插定位銷，壓力繼電器發(fā)出電訊號，經(jīng)步進選線器跳步，使電磁鐵 1DT 通電，手臂前伸；當手臂將棒料送到工作臺和夾頭軸線前的適當距離處，并發(fā)出電訊號、步進選線器跳