夾緊裝置及其氣壓系統(tǒng)設計

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1、 夾緊裝置及其氣壓系統(tǒng)設計 摘要 世界工業(yè)化程度的進行中，很多的生產勞動都與自動化息息相關，在眾多的生產加工以及其他活動中，越來越離不開自動化設備。工業(yè)機器人的出現(xiàn)代替人類完成了很多繁重的生產勞動，由于工業(yè)生產環(huán)境復雜，很多工序由機械手完成。 對比近些年來機械手的發(fā)展歷程，結合實際的生產需要，在對比眾多的驅動方式和控制系統(tǒng)下，最終選擇采用PLC控制系統(tǒng)控制以及氣壓傳動方式驅動這一設計方案。此方案充分兼顧了機械手的軟件和硬件上的優(yōu)缺點，在對其進行了系統(tǒng)優(yōu)化后 ，最后提出一種簡易、易于實現(xiàn)、理論明確的設計方案。 本文的設計內容是零件自動存放裝置的夾緊機構以

2、及氣壓驅動系統(tǒng)。根據(jù)生產環(huán)境和勞動強度，設計出一臺以控制系統(tǒng)控制、氣壓系統(tǒng)驅動的工業(yè)機械手，該裝置將結合機床，完成工件的抓取和放置。 關鍵詞：氣壓，工業(yè)機械手，夾緊 Abstract In the process of industrialization in the world, a lot of production labor is closely related to automation. In many production and processing and other activities, it is increasingly insepara

3、ble from automation equipment. The emergence of industrial robots has replaced a lot of heavy production work for humans. Due to the complex industrial production environment, many processes are completed by robots. Compared with the development process of the manipulator in recent years, combined

4、with the actual production needs, under the comparison of many driving methods and control systems, the PLC control system control and pneumatic transmission method were finally selected to drive this design scheme. This scheme fully takes into account the advantages and disadvantages of the softwar

5、e and hardware of the manipulator. After optimizing the system, a simple, easy to implement, and theoretically clear design scheme is finally proposed. The design content of this article is the clamping mechanism and pneumatic drive system of the parts automatic storage device. According to the pro

6、duction environment and labor intensity, an industrial manipulator designed by the control system and driven by the pneumatic system is designed. This device will be combined with the machine tool to complete the grasping and placement of the workpiece. Keywords: air pressure, industrial robot，Clam

7、ping 目錄 摘要 3 Abstract 4 目錄 5 一、緒論 7 1.1研究的目的及意義 7 1.2.機械手的分類 7 1.3國內外機械手的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 10 1.4機械手的主要特點 11 二、機械手總體設計方案 11 2.1機械手的組成 11 2.2機械手的技術參數(shù)列表 13 2.2.1執(zhí)行機構 14 2.2.2驅動機構 16 2.2.3控制機構 16 三、 機械手氣壓系統(tǒng)設計 17 四、夾爪驅動力及氣缸選擇 20 4.1夾爪驅動力和氣缸選擇 20 4.1.1手部驅動力計算 20 4.1.2氣缸的直徑 22 4.1.3缸筒壁厚的設計 24

8、五、整體結構 25 六、結論 26 參考文獻 27 致 謝 29  一、緒論 1.1研究的目的及意義 機械手已經(jīng)滲透在人們生活的方方面面，在社會不斷進步和科技不斷發(fā)展的今天，它已經(jīng)可以代替人們完成單調的普通工作，例如：搬運貨物、下料。此外也可以替人們完成高精度的工作，例如：焊接、無塵床房操作。在各行各業(yè)，機械手正成為舉足輕重的加工生產器械。由于它還可以與自動化相結合，所以被廣泛應用于制造、冶金、電子、輕工業(yè)等部門。 機械手的出現(xiàn)，替代了人類在極度危險環(huán)境下工作，此外也從瑣碎重復無趣的體力勞動中解放了人類。它不僅促進了生產效益，還提高了產品的生產效率。在我國很多地方，輕

9、工業(yè)以及小型汽車生產中，一個零件的擺放和抓取工序還需要依靠人工完成，這大大降低了生產效率，而且還浪費人力。出于這個原因，設計一臺取代取代人力的機械手。該機械手采用氣動系統(tǒng)提供動力，采用PLC控制系統(tǒng)進行自動化控制。它可以在復雜的工作環(huán)境中正常運行，并在很大程度上替代了工人。 1.2.機械手的分類 工業(yè)機械手有很多種。目前國內尚無官方一致的分類準則，所以在這里按照使用的領域、提供動力的方式、控制系統(tǒng)對它們進行分類。 （1）按使用領域分類 1.專用機械手 這種機械手沒有獨立運行的控制系統(tǒng)，通常只有已經(jīng)編輯好的運行程序。它結構簡單、制作成本低下，常常被安裝在機械或者生產線上，被用來輸送

10、物件或者進行單一操作，例如“用來進行上下料的機械手”。由于其動作單一和普通，適用于大批量生產的生產線上。 2.通用機械手 與專用機械手相反，通用機械手擁有獨立的控制系統(tǒng)并且可以進行單獨驅動，不用依附外在機器上，同樣也可以完成輸送物件或者進行單一操作。通用機械手可分簡易型和伺服型，簡易型由程序進行控制，只能進行點位控制；而伺服型屬于數(shù)字控制，可以點位也可以連續(xù)軌跡控制。 （2）按驅動方式分類 1.液壓機械手 液壓機械手顧名思義是由液壓傳動提供動力運行的機械手。液壓傳動用液壓油進行驅動，它的優(yōu)點是提供的驅動力大、傳動較為和平穩(wěn)當、靈敏性能較高。缺點是，對使用環(huán)境有很大要求，首先必須保證液

11、壓裝置的密封性能好，否則泄露對系統(tǒng)穩(wěn)定性起很大的影響，降低驅動能力，因此液壓驅動對環(huán)境有較高的要求，例如不能在高溫或者低溫下工作。 2.氣動機械手 氣動機械手的動力源來自空氣，其工作原理是通過壓縮外界空氣來驅動機械手?？諝饧礊閭鲃咏橘|，空氣易于提取，排放也無污染，所以傳動成本地下，操作方便快捷。缺點是空氣需要進行壓縮，驅動機械手速度的穩(wěn)定性相對較差，所以氣壓傳動可以拾取的重量比液壓傳動小很多。優(yōu)點是氣壓傳動的結構較為簡單，相同條件下，首選氣壓驅動。 3.機械傳動機械手 機械傳動主要通過純機械結構間的相互運動來進行力的傳播，機械傳動的機構有很多種，例如齒輪和齒條、蝸輪蝸桿、凸輪等。它們的

12、動力統(tǒng)一由主機傳遞，如電機、馬達等。機械傳動機械手，結構復雜，動作單一，一般被用來進行簡單的上下料工作。 4.電力機械手 電力機械手的驅動方式是通過電動機，而驅動電動機可分為直線電動機和步進電動機，兩種電動機各有千秋，使用條件不同。不同于機械傳動機械手，電力機械手沒有機械結構的相互作用，它直接由電動機提供動力，所以它結構相對簡單，維護和使用非常方便。 （3）按控制方式分類 1.點位控制 點位控制即機械手只能進行點到點間的運動，稱為直線運動，而無法進行曲線運動，倘若通過增加點數(shù)來描繪曲線運動，則增加了控制系統(tǒng)的復雜和電氣元件的使用，成本較高。 2.連續(xù)軌跡控制 連續(xù)軌跡控制即機

13、械手進行曲線運動，這種運動是通過增加點位來描繪運動軌跡，通常機械手采用這種控制，但缺點是這種運動的控制系統(tǒng)較為復雜，成本較高。 1.3國內外機械手的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 機械手技術是一個多學科集合技術，分別集合了計算機、機械機構、自動化控制、人工智能、仿生學等學科，大家稱機器手技術為當今火熱、應用廣泛的高新型技術。衡量一個國家的自動化水平，無疑是比較機械手技術。某種意義上，機器人代替了人類完成人工生產勞動，它還是一種既擁有人的行為特長也擁有機器特長的一種先進自動化機械設備。目前國外的機械人水平不斷提高，他們追求機器的高精度、高速度以及便于操作。出現(xiàn)了可進行重組的俗稱“模塊化”機械手，例如用組成機

14、械手關節(jié)的模塊和連桿模塊即可重組機器人。機械手的傳感技術也逐漸完善，多樣化和復雜化，傳統(tǒng)的傳感器只應用在測量位置、速度、加速度上，而多樣化后，傳感器還包括視覺、聲覺以及力覺傳感器，大大提高了機械手的感應水平。虛擬現(xiàn)實機器人也在發(fā)展中，它是一種用于模擬遠程操作環(huán)境的機器人，讓使用者感受置身與工作環(huán)境。 我國機械手經(jīng)歷了多年的發(fā)展，從70年代初，到90年代，前后經(jīng)歷了萌芽、開發(fā)和應用階段。但是我國機械手在國內外的市場不容樂觀，目前國內市場依舊被國外企業(yè)占據(jù)著，中國的制造業(yè)要參與國際分工，必須繼續(xù)推行科技創(chuàng)新，改善我國自動化水平的狀況。此外機械手的發(fā)展也依賴政府的政策支持和資金投入。 機械手已經(jīng)

15、在眾多領域得到發(fā)展應用，從最初的汽車制造領域轉到非制造領域。例如，維護和維修機器人，建筑水電機器人。此外機械手也廣泛遍布國防、軍事、食品加工等領域。 1.4機械手的主要特點 1）它具有很強的適應環(huán)境的能力，可以代替人們在復雜而有害的環(huán)境中長時間工作。 2）該機械手堅固耐用，可以使人們免于繁重而單調的工作，并擴展和擴展了人體功能。 3）穩(wěn)定和有助于提高產品質量，此外還可以免去人為操作錯誤 4）機械手的應用，可提升生產效率和生產效益，減少人工成本 二、機械手總體設計方案 2.1機械手的組成 圖2.1所示工業(yè)機械手由控制、驅動和執(zhí)行三大機構組成。 圖2.1機械手工作原理

16、圖 合格的氣壓驅動機械手應具備快速反應的能力，工作時候對加工工件進行夾取和放置，機械手本身需能夠及時響應并且精度不受影響，此外工作的區(qū)域足夠和靈活也是重點。對待機械手的設計，需要經(jīng)過慎重驗證和考慮，首先需要了解機械手作用的環(huán)境、對象、技術要求，綜合各條件再提出最后的設計方案，使制造的機械手符合生產工藝的操作要求，并且適應操作環(huán)境。對機械手工作也有基本要求，首先工作前需要先了解被加工工件的基本特性，例如工件的結構特征、材料特征等，其次是工件的精度要求和尺寸質量參數(shù)，基于以上條件再對機械手的結構和控制需要進行設計，精準制造，減免不必要的設計累贅。本文設計的機械手為通用機械手，它的主要功能是進行零

17、件的夾取和安放，該機械手為通用機機械手，所以適合中小批量化的生產，通過改變程序，可以進行不同的工作內容，在不同環(huán)境場合工作。 對機械手能力評估就是其能夠夾取物品的最大重量，相比液壓機械手，氣壓機械手能夠夾取的物品不能太重。查詢相關設計手冊，再結合實際設計需求，本設計擬定氣動機械手能夾取物品的重量為5kg。 此外還需考慮機械手的工作移動速度，太快和太慢都影響加工工作，本機械手最大移動速度設為1.0m/s，平均速度設為0.8m/s。 圖2.2夾爪模塊 圖2.3夾爪俯視圖 2.2機械手的技術參數(shù)列表 一、用途:用于自動拾取和擺放工件。 二、設計技術參數(shù): （1）抓

18、重: （2）自由度數(shù):2個自由度 （3）平均移動速度： （4）定位方式:行程開關或可調機械擋塊等 （5）定位精度: （6）驅動方式:氣壓傳動 （7）控制方式:PLC 2.2.1執(zhí)行機構 執(zhí)行機構為機械手夾爪處，夾爪用來進行夾緊。對夾爪的要求是，能夠快速反應，并且反應準確可靠。在設計夾爪機構時有很多考量。首先需要考慮的三個參數(shù)分別為機械手的速度、加速度和坐標位置，其次要通過夾緊重量來計算夾緊力、慣性大小。由于該機械手為通用機械手，夾爪處應該設計成可以進行裝卸的結構，使其可以根據(jù)工件的結構大小特性換取不用的夾爪機構來進行工作，從而做到機械手通用性。需要注意的是，夾緊力不適宜過大

19、，否則容易夾壞工件，因此在控制夾緊力范圍的前提下，也需要在夾爪處安裝軟墊片或者彈性墊片，用來防止工件被破壞?？紤]到極端環(huán)境機器斷電情況下，還需要考慮突然斷電工件不能掉下的情況，因此需要設計一種自鎖結構，在突然斷電情況下，工件被鎖緊在機械手里不能掉落。夾緊機構結構簡單，便于靈活設計和應用。 夾緊方案有很多種，常見的有機械夾緊、吸盤夾緊和電磁夾緊等類型。本設計的機械手處于夾緊狀態(tài)時，其上方有存儲空間。處理后的零件通過導軌滑到機械手。 機械手是模仿人的手指，具有人手部的運動特性。機械手夾緊分為內部支撐、外部支撐和自鎖型三種。常見的有二指型、三指型和四指型。本設計用四指型，即氣動夾緊爪。 電磁動作

20、由PLC控制，以控制夾具的打開和關閉。 圖2.4單個夾爪 圖2.5機械主視圖 2.2.2驅動機構 由于氣動控制的介質提取以及排放處理較為方便，結合機械手的控制系統(tǒng)，本設計選用氣動系統(tǒng)進行驅動。夾爪部位主要缸進行夾緊。 圖2.6夾緊氣缸 2.2.3控制機構 PLC控制系統(tǒng)控制 編程設計主要包括手動編程，停止，緊急停止，復位，報警編程和自動操作編程 1）為了滿足設備調試和維護的需要，系統(tǒng)需要一步控制每個氣缸，并且可以在觸摸屏界面上設置相應的手動控制按鈕。 2）為了滿足設備的正常安全運行，必須設置停機，急停，故障報警等功能。按下停止按鈕后，系統(tǒng)將在當前循環(huán)結束后停止為

21、零。當按下緊急停止按鈕時，系統(tǒng)立即停止所有動作。如果系統(tǒng)運行期間發(fā)生任何故障，則應立即停止所有動作并發(fā)出警報信號。 3）系統(tǒng)根據(jù)設定的程序自動運行，只需啟動，根據(jù)程序的設定，機械手可以進行工件抓取、搬運和放置。 3、 機械手氣壓系統(tǒng)設計 驅動是機械手設計中重要的一環(huán)，動力源有氣動驅動、液壓驅動、電動驅動和機械驅動四種。由于氣動控制介質的提取和處理方便，阻損失和泄漏小，動作快，響應靈敏，工作環(huán)境適應性好，成本低。 目前很多機械手使用液壓進行驅動，但液壓傳動有它的局限性，常見有以下幾種： （1） 液壓傳動能量容易損耗，比如摩擦的損耗和泄露的損耗，能量損耗會導致機械手運行不穩(wěn)定，降低其

22、操作精度。此外液壓傳動對密封性有較高要求，液壓油容易泄露，泄露的油污染了操縱車間，嚴重還會引起火災。 （2） 因為液壓傳動驅動的重量較大，所以工作時候溫度的變化較大，而溫度影響液體的粘度，油溫產生變化時，運動特性也會隨著變化，從而導致運動特性變化。 （3） 液壓油中難免混合著空氣，導致液壓傳動過程中噪音較大。 （4） 高度的密封性要求就意味著更高精密度的零部件，隨即運行成本也提高，不符合經(jīng)濟效益。 同等條件下，首先氣壓驅動，相比液壓驅動，氣壓驅動具有眾多優(yōu)勢。 （1） 更容易獲取工作介質，氣壓傳動工作介質為空氣，空氣可以直接從大氣中獲取，方便快捷成本低。此外氣壓工作介質排放到大氣中不

23、造成污染，符合環(huán)保要求。 （2） 氣壓傳動的阻力損失和泄漏比液壓小很多?？諝膺m合進行長距離的輸送，并且一般不會泄露，即使泄露也不會導致工作不穩(wěn)定，其次泄露對環(huán)境無影響。 （3） 氣壓傳動系統(tǒng)反應靈敏，在很少的時間內就可以達到工作要求的壓力和速度，一般只需0.02~0.3s即可。此外還可以在氣壓系統(tǒng)中設置過載保護裝置，避免出現(xiàn)過載損壞，用來保護系統(tǒng)，方便控制。 （4） 氣壓系統(tǒng)中設立的儲氣罐可以儲存壓縮空氣，以保證在沒電情況下機器系統(tǒng)也能正常運行。 （5） 因為工作介質的原因決定了氣壓系統(tǒng)在惡劣的工作環(huán)境下也能正常運行，例如易燃易爆、高輻射的環(huán)境。在極端的工作條件下相比液壓、電氣、機械驅

24、動，首選氣壓驅動。 （6） 氣壓系統(tǒng)投入低，成本低下，不同的壓力要求對氣動元件的要求也低，相同條件下，氣動驅動需要的壓力不會太高，因此組成氣壓系統(tǒng)的材料和氣動元件的精度要求也就相應不高，制作成本降低。 圖2.7機械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 序號 1 氣源 2 儲氣罐 3 三聯(lián)件（空氣過濾器、減壓閥、油霧器） 4 二位五通電磁閥 5 夾緊氣缸 圖2.8氣壓系統(tǒng)表 圖2.7所示為機械手的氣壓系統(tǒng)運行原理圖。從圖所示1為氣源，氣源通過從大氣經(jīng)過壓縮機，空氣進行壓縮后進入2儲氣罐進行儲存，然后通過三聯(lián)件即空氣過濾器、減壓閥、油霧器對壓縮空氣進行除濕減壓處理，最

25、后通過電磁閥控制夾緊氣缸以此來控制機械手動作。 四、夾爪驅動力及氣缸選擇 4.1夾爪驅動力和氣缸選擇 4.1.1手部驅動力計算 氣動機械手的手部結構如圖3-1所示。 工件的重量為G= 10kg，b = 120mm，R = 24mm，摩擦系數(shù)為f = 0.10。“ V”形手指的角度為2 = 120°， 圖4-1機械手主視圖 根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅動力為: 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: 所以： =490（N） 實際驅動力: 取=0.

26、94 ，并取=1.5. 若被抓取工件的最大加速度取a=g 時，則: 所以： 因此，夾緊缸的驅動力為1563N。 4.1.2氣缸的直徑 由力的平衡原理可知，氣缸在工作時，活塞桿上的輸出推力必須為總阻力。 公式為： 式中: ——活塞桿上的推力，N ——氣缸工作時的總阻力，N P——氣缸工作 壓力，Pa 考慮到負載率幾的影響，則: 由以上分析得作用氣缸的直徑:

27、 代入有關數(shù)據(jù)，可得： 所以： 通過查詢有關手冊，得D=65 mm 由于d/D=O.2～0.3， 得出活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=13～19.5 mm 因此取活塞桿直徑d=18 mm 校核，按公式 有: 其中=120MPa, F=750N 則:d (4490/120) =2.28 18 此設計滿足設計要求。 4.1.3缸筒壁厚的設計 氣缸如果承受壓縮空

28、氣的壓力，則需要具有一定的厚度。 通常，缸筒的壁厚與內徑之比小于或等于1/10，可以根據(jù)薄壁筒的公式計算出壁厚： 式中: 6—— 缸筒壁厚 mm D——氣缸內徑 P——實驗壓力，取P=1.5PPa 材料為 : ZL3,[] =3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: = =6.5 mm 取=7.5 mm，則缸筒外徑為:D=65+7.52 =80 mm。 五、整體結構 圖5三維圖  六、結論 1.通用機械手的應用范圍比專用機械手廣泛。通用機械手可以通過不同的程序進行不同的加工活動，而專用機械手則只

29、能進行單一活動，范圍狹小。 2.機械手可以配備普通的抓手來抓緊普通工件；它也可以用噴射負壓吸盤代替，以吸收玻璃，墻壁和地板磚以及薄的氣密性工件（如圓盤和圓盤），從而使機械手更加有用和廣泛使用。該機械手還可以用來進行教學演示，搬運一些重量較小的小零件。 3.氣壓傳動系統(tǒng)反應靈敏，在很少的時間內就可以達到工作要求的壓力和速度，一般只需0.02~0.3s即可。此外還可以在氣壓系統(tǒng)中設置過載保護裝置，避免出現(xiàn)過載損壞，用來保護系統(tǒng)，方便控制。 4.機械手通過PLC控制，可以根據(jù)不同運行程序進行不同的加工操作，程序的可變性較高。PLC可以兼容時間控制、行程控制和混合控制，只需要編輯相應程序即可實現(xiàn)

30、。  參考文獻 [1]郝立偉. 在工業(yè)生產中關于氣動機械手的設計[J]. 民營科技, 2013(08):40-40. [2]袁野. 機械手功能實現(xiàn)及其控制方式設計[J]. 裝備制造技術, 2012(03):216-217. [3]諸小麗. 竹簽成型機中破竹機的技改研究[J]. 現(xiàn)代制造技術與裝備, 2014(03):18-21. [4]古永祥. 淺析工業(yè)機械手應用[J]. 中國科技博覽, 2015(2):1-1. [5]夏鯤 徐濤 李靜鋒 孔斌. 工業(yè)機器人的發(fā)展與應用研究[J]. 廣西輕工業(yè), 2008(08):68-69. [6]賀東坤 田明. 氣動通用上下料機械手結構設

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