(整理)機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)

精品文檔精品文檔第1章機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)機(jī)械手的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)按機(jī)械手手臂的不同形式及組合情況其活動(dòng)范圍也是不同的，基本上可以分為四種運(yùn)動(dòng)形式：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式。根據(jù)工作要求可選擇直角坐標(biāo)式，具體設(shè)計(jì)成懸掛式。其優(yōu)點(diǎn)為：（1）多臂懸掛式的機(jī)械手對(duì)剛性聯(lián)結(jié)的自動(dòng)生產(chǎn)線非常實(shí)用，可以在各工位間傳遞工件，各臂均懸掛在生產(chǎn)線上方的橫梁上，臂間距離和工位距離相等，手臂可同步地沿橫梁平移一個(gè)工位間距，把工件從一個(gè)工位移動(dòng)到下一個(gè)工位，可以減少隨行夾具和其他裝置，提高自動(dòng)化程度。（2）懸掛式機(jī)械手占地面積小，能有效的利用空間。（3）懸掛式機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本底。該凸輪軸加工自動(dòng)線上的送料機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)，PLC控制，其中采取液壓驅(qū)動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）壓力高，可實(shí)現(xiàn)較大的驅(qū)動(dòng)力，且機(jī)構(gòu)可以做的輕小，緊湊。（2）可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，定位精度高，系統(tǒng)固有頻率小，壓力、容量調(diào)節(jié)容易。（3）重量小，慣性小，可以做到快速的變速和換向，控制容易，動(dòng)作平穩(wěn)，滯后小。主要技術(shù)參數(shù)的確定機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)包括抓重、自由度、定位精度、重復(fù)定位精度、工作范圍、最大速度及承載能力。主要參數(shù)如下：抓重：3kg自由度：3個(gè)工作范圍：前后移動(dòng)：1800mm上下升降：350mm橫移：50mm驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)

控制方式：PLC控制緩沖方式：節(jié)流回路1.3機(jī)械手的配置和工作原理圖一上下料機(jī)械手簡(jiǎn)圖該加工自動(dòng)線上有五只送料機(jī)械手，它們的結(jié)構(gòu)完全相同，均能作前后移動(dòng)、上下升降和橫移運(yùn)動(dòng)。（上下料機(jī)械手簡(jiǎn)圖如圖一）前后移動(dòng)、升降和橫移運(yùn)動(dòng)是各自的伸縮油缸帶動(dòng)的，自動(dòng)線的各工序按照加工順序（從左向右）依次排列的。如圖二所示：

圖二凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手配置圖該送料機(jī)械手的動(dòng)作順序?yàn)椋涸弧陆担ㄗチ希蜃髾M移——上升

向后橫移——下降——向右橫移（放料）——上升——向后橫移——原位第2章上下料機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1上下料機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)上下料機(jī)械手由幾個(gè)主要組成部分：（1）前后行走機(jī)構(gòu)（帶滾輪的三角形支架）；（2）橫移油缸及其滾輪機(jī)構(gòu)；（3）升降油缸；（4）手部支撐板；（5）機(jī)械

手手部（兩個(gè)夾持式手部）。送料機(jī)的升降油缸和橫移油缸用螺栓聯(lián)接，橫移油缸上帶有四個(gè)滾輪，它們被支撐在滾道上，滾道通過一個(gè)聯(lián)接板固定安裝在前后行走機(jī)構(gòu)上，從而使兩部分結(jié)合起來。前后行走機(jī)構(gòu)安裝在橫梁上，它由6個(gè)滾輪和三角形支架，其滾輪安裝在懸掛支架橫梁的滾道上，使機(jī)械手成懸掛式。前后行走機(jī)構(gòu)三角形支架與拉桿用螺紋聯(lián)接成一體，當(dāng)機(jī)械手工作時(shí)由前后移動(dòng)油缸的活塞桿，通過支架和拉桿（兩桿固定聯(lián)接）從而帶動(dòng)五只送料機(jī)械手的前后行走機(jī)構(gòu)，同步的實(shí)現(xiàn)各工序間的前后移動(dòng)，其行程為1800mm.。送料機(jī)械手的升降和橫移運(yùn)動(dòng)是由其升降油缸和橫移油缸來實(shí)現(xiàn)的，以便將工件送到機(jī)床的頂尖處，在升降油缸活塞桿的端部固定安裝著手部支撐板，支撐板上裝有兩對(duì)齒輪齒條式手部及齒輪齒條式定位手部，從而保證將工件夾緊且定位。2.2位。2.2上下料機(jī)械手的手部設(shè)計(jì)手部機(jī)構(gòu)是機(jī)械手直接用于抓取和握緊（或吸附）或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)械手前端。根據(jù)所要夾持的工件，選用鉗爪式手部，其選用時(shí)應(yīng)考慮：應(yīng)具有足夠的的夾緊力機(jī)械手的手部機(jī)構(gòu)靠鉗爪夾緊工件后便把工件從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，由于工件本身的重量以及移動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性和振動(dòng)等，鉗爪必須有足夠大的夾緊力才能防止工件在移動(dòng)過程中脫落，一般要求夾緊力N為工件重量的2-3倍。手部夾緊力的計(jì)算：手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算：fn>k1k2k3g式中K]—安全系數(shù)，通常取1.2?2.0；k2—工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。K2可近似按下式估算：K2=1+a/g,a=Vmax/t響k3—方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定。按表選取G—被抓取工件所受重力（N）這里K1=1.8K2=l+a/g=l+200xl0（-3）/9.8x0.1=1.2K3=1G=3x9.8N.??Fn=1.8x1.2x1x3x9.8N=63.5N驅(qū)動(dòng)力為F,由FN=RxF/2b，其中R為扇形齒輪的半徑，這里R=18mm,b=100mm貝VF=2bFN/R=2x100x63.5/18N=705.6N應(yīng)具有足夠的張開角鉗爪為了抓取和松開工件，必須具有足夠大的張開角度來適應(yīng)較大的直徑范圍，而且夾持工件的中心位置變化要?。炊ㄎ徽`差要小），對(duì)于移動(dòng)式鉗爪要有足夠大的移動(dòng)范圍。應(yīng)能保證工件的可靠定位為了使鉗爪和被夾持的工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取的工件的形狀，選用相應(yīng)的鉗爪形狀來定位。應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度鉗爪除受到被夾持工件的反作用外，還受到機(jī)器人手部在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，若沒有足夠的強(qiáng)度和剛度貝會(huì)發(fā)生折斷或彎曲變形，因此對(duì)于受力較大的鉗爪應(yīng)進(jìn)行必要的強(qiáng)度和剛度計(jì)算。應(yīng)適應(yīng)被抓取對(duì)象的要求適應(yīng)工作的形狀：工件的形狀為圓柱形，可采用帶“V”型鉗口的手爪：工件為圓柱狀，可選用圓弧形二指或三指爪，對(duì)于特殊形狀的工件應(yīng)設(shè)計(jì)與工件相適應(yīng)的手爪。適應(yīng)工件被抓取部位的尺寸：工件被抓取部位的尺寸可能是不變的，若加工尺寸略有變化，那么鉗爪應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求。工件表面質(zhì)量要求高的，對(duì)鉗爪應(yīng)采取相應(yīng)的措施，如加軟墊等。要適應(yīng)工作位置的狀況：如工作位置較窄小可用薄片形鉗爪。盡可能具有一定的通用性鉗爪一般專用性較強(qiáng)，在可能的情況下，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件的更換，為適應(yīng)不同形狀和尺寸的要求?？蓪Q爪制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的鉗爪部件及附件來擴(kuò)大手部機(jī)構(gòu)的使用范圍。由此，根據(jù)所夾持的凸輪軸的外形，可初選齒輪傳動(dòng)的回轉(zhuǎn)型手指。其最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因工件較長，故選用雙手雙指式來夾持工件的兩端，其工作原理為：當(dāng)機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指內(nèi)側(cè)的斜面碰觸工件表面而使手指張開，工件進(jìn)入手指上的圓弧面處，靠電磁閥控制手指的張開和閉和。手指和工件相接觸的部分，我們將之設(shè)計(jì)為圓弧狀，這是由于該機(jī)械夾緊手部所要夾持的工件為圓柱形，可使工件與手指接觸更為緊密，減小運(yùn)送過程中的振動(dòng)，提高可靠性。為了保證凸輪軸的可靠定位，在手部支撐板的中間裝有一個(gè)定位手部。機(jī)械手的手臂設(shè)計(jì)由于所設(shè)計(jì)的送料機(jī)械手的手部沒有回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，所以沒有手腕的設(shè)計(jì)。1.手臂的組成和作用臂部是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分，其作用是支撐手部和腕部，改變手部在空間的位置，臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一起安裝在機(jī)身上，機(jī)身可以是固定式的，也可以是行走式的，即可沿地面或?qū)к夁\(yùn)動(dòng)。手臂的組成部分如管路、冷卻裝置、行程定位裝置、油缸、反饋裝置等直接影響機(jī)械手的工作性能。因此在設(shè)計(jì)過程中要注意以下幾點(diǎn)：⑴臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕手臂的的截面形狀要選擇合理合理布置作用力的位置和方向在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該結(jié)合具體受力情況，使個(gè)作用力引起的變形相互抵消。注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。提高配合精度⑵臂部速度要高，慣性要小應(yīng)盡量減少手臂的重量，減少手臂運(yùn)動(dòng)的輪廓尺寸，減少回轉(zhuǎn)半徑。⑶手臂動(dòng)作應(yīng)靈活為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的云工阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動(dòng)過程盡可能平衡，以減少對(duì)升降支承軸線的偏心力矩，以防卡死。2.手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算⑴升降油缸的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算其受力分析如圖三：圖三升降油缸受力圖驅(qū)動(dòng)力上升時(shí)Pq=F摩+F慣+F回+G下降時(shí)Pq=F摩+F慣+F回-G式中G—臂部運(yùn)動(dòng)部件的重量(N)升降油缸手臂重量計(jì)算：工件：3kg；手部：4kg；導(dǎo)向桿：1kg；

活塞桿：1/4xnxD2xhxp=l/4xnx202x428x7.8xl0-6=l.lkg缸體：壁厚取8=8mm,2xnxRxhx8xp=2xnx20x360x8x7.8x10-6=2.8kg油：nxD2xhxp=nx402x350x0.8x10-6=1.4kg活塞：l/4xnxD2xhxp=l/4xnx402x10x7.8x10-6=0.1kg總重量：3+4+1.1+1.4+0.1=9.6k考慮到安全系數(shù)，取總重量M為20kg,則G=20x9.8=196NF慣一起動(dòng)的慣性力(N)；可按如下近似計(jì)算：式中，AV—速度變化量(m/s)，又AV最大為200mm/s,At—啟動(dòng)過程的時(shí)間(s)，—般為0.01?0.15；At對(duì)于輕載低速部件取小值，對(duì)于重載高速部件取大值，由于該機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)速度不高，且工作載荷不大，取At=0.08s.1960.2F慣=-N=50N慣9.80.08F回—油缸回腔低壓油液所造成的阻力，一般背壓力較小，可按F回=0.05G計(jì)算,F回=0.05x196N=9.8NF摩—各支承處的摩擦力(N)；當(dāng)量摩擦系數(shù)『=(1.27?1.57)卩對(duì)于靜摩擦且無潤滑時(shí)，銅對(duì)青銅：卩=0.1?0.25鋼對(duì)鑄鐵：卩=0.18?0.3，取卩=0.2則『=(1.27?1.57)x0.2=0.25?0.31升降導(dǎo)向立柱不自鎖，必須G>F+F=2F=2Ff，GxR=FR2xhR2121R1由平衡條件：FR1=FR2，GxR=FR2xhR2摩擦力為：取h=10m，滿足不自鎖條件，則

2x196x2x196x20x0.1610N二125.44N油缸上升時(shí)的驅(qū)動(dòng)力：Pq=F摩+F慣+F回+G=125.44+50+9.8+196=380.24N油缸下降時(shí)的驅(qū)動(dòng)力：Pq=F摩+F慣+F回-G=125.44+50+9.8-196=-10.76N⑵橫移油缸的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算：受力分析如圖五。橫移油缸帶著滾輪被支承在滾道上，橫移油缸來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的橫向伸縮運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)下面的升降油缸一起運(yùn)動(dòng)。其受力圖五如下:-■'L——'冋一VJ—q\f、

圖五橫移油缸受力分析其驅(qū)動(dòng)力Pq=F摩+F封+F慣+F回式中F摩—各支承處的摩擦阻力；橫移油缸手臂重量計(jì)算，由前面計(jì)算可得總重量為：總重量：3+4+1.1+1.4+0.1+5=14.6kg考慮到安全系數(shù)，G取30kg,又N=G=30x9.8=294N入=f-N二0.2x294N=58.8N摩F封—密封處的摩擦力(N),這里F封=F封］+F封2式中F封］,F封2分別為活塞桿和缸蓋處，活塞與缸壁處密封裝置的摩擦阻力,其值隨密封結(jié)構(gòu)的不同而異。由于該機(jī)械手升降油缸采用O形密封圈,活塞桿直徑為液壓缸直徑的一半,當(dāng)油缸工作壓力小于10MPa時(shí)，液壓缸密封處的總的摩擦力為：F封i+F封2=0.03pqF回—油缸回腔低壓油液所造成的阻力，一般背壓力較小，可按F回=0.05G計(jì)算，F(xiàn)回=0.05x294N=14.7NF慣一啟動(dòng)過程中的慣性力；〔慣=294〔慣=294x0.29.8x0.08N=75Pq=F摩+F封+F慣+F回二F摩+0?03Pq+F慣+F回Pq=10.97(F摩Pq=10.97(F摩+F慣+F回)二58.8+75+14.70.97N=149N⑶前后移動(dòng)油缸的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算此前后移動(dòng)油缸是要布置在懸掛支架的橫梁上，其活塞桿的端部與一個(gè)拉桿固定連接，又因?yàn)樗闹凰土蠙C(jī)械手都固定在拉桿上，因此由油缸活塞桿帶動(dòng)四只送料機(jī)械手進(jìn)行前后的同步移動(dòng)，由于要實(shí)現(xiàn)的行程較長(l=1800mm),故將油缸設(shè)計(jì)為雙節(jié)伸縮缸。受力分析如圖五。驅(qū)動(dòng)力Pq=F摩+F封+F慣+F回

式中F摩—各支承處的摩擦阻力；橫移油缸手臂重量計(jì)算，由前面計(jì)算可得總重量為：總重量：3+4+1.1+1.4+0.1+5+5=19.6kg考慮到安全系數(shù)，G取40kg,又N=G=40x9.8=392N字?N二0.2x392N=78,4NF=F+F=0.03P封封1封2q392x392x0.29.8x0.08N=100F二0.05G二0.05x392N二19.5N回Pq=F摩+F封+F慣+F回二F摩+0.03Pq+F慣+F178.4+100+19.60.97Pq=（F摩+F慣+F回、-N=204.10.97t097、摩慣回）由于帶動(dòng)四個(gè)機(jī)械手同時(shí)運(yùn)動(dòng)，則總驅(qū)動(dòng)力為Pq=204.1X4=816.4N3?手臂的配置形機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局，運(yùn)動(dòng)要求、操作系統(tǒng)、工作對(duì)象的不同，手臂的配置形式也不完全相同。根據(jù)工作要求，我們選擇懸掛式配置。其種類和優(yōu)點(diǎn)分別為：⑴機(jī)座式：多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)器上可以裝上獨(dú)立的驅(qū)