机械创新设计之气动机械手.pdf

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1、 机械创新设计 2010-2011 第 2 学期 姓名：班级：指导教师：成绩：日期：2011 年 7 月 前言 工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并

2、不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放

3、射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。目录 摘要 5 第一章机械手简况 7 1.1 机械手的组成和分类 7 第二章机械手的设计技术方案 13 2.1 机

4、械手的座标型式与自由度 14 2.2 机械手的手部结构技术方案设计 15 2.3 机械手的手腕结构技术方案设计 15 2.4 机械手的手臂结构技术方案设计 15 2.5 机械手的驱动技术方案设计 16 2.6 机械手的控制技术方案设计 16 2.7 机械手的主要参数 16 2.8 机械手的技术参数列表 17 第三章手部结构设计 19 31 手部设计 19 第四章手腕结构设计 28 4.1 手腕的自由度 28 4.2 手腕的驱动力矩的计算 29 第五章手臂结构设计 33 5.1 手臂伸缩与手腕回转部分 34 5.2 手臂升降和回转部分 37 5.3 手臂伸缩气缸的设计 38 5.4 手臂伸缩、升

5、降用液压缓冲器 42 5.5 手臂回转用液压缓冲器 43 第六章气动系统设计 44 6.1 气压传动系统工作原理图 44 第七章机械手的 PLC 控制设计 46 7.1 可编程序控制器的选择及工作过程 46 7.2 可编程序控制器的使用步骤 48 7.3 机械手可编程序控制器控制技术方案 49 结论 51 摘要 本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，气动技术的特点，PLC控制的特点及国内外的发展状况。本文对机械手进行了总体技术方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构。设计

6、了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制技术方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。关键词：工业机器人，机械手，气动，可编程序控制器(PLC)ABSTRACT This article briefly introduces the concept of industrial robots

7、,robot formation andclassification of degrees of freedom and the coordinates of the manipulator model,the characteristics of pneumatic technology,PLC control features and state of development at home and abroad.In this paper,the overall mechanical design in hand,to determine the coordinates of the m

8、anipulator types and degrees of freedom to determine the technical parameters of the manipulator.At the same time,were designed manipulator gripper-type hand structure and the adsorption of hand structure。designed manipulator wrist structure,calculated the wrist rotation required driving torque and

9、the rotary cylinder driving torque。designed a manipulator arm structure,designed telescopic arm,lifting the hydraulic shock absorber and the rotary hydraulic shock absorber arm.Designed pneumatic manipulator system,rendering the work of the mechanical hand pressure system schematic.Programmable logi

10、c controller to control the manipulator,select the appropriate PLC type,according to the workflow manipulator developed PLC control program,draw a timing diagram manipulator and ladder work,and prepared to programmed controller control program.KEY WORDS:industrial robot,robot,pneumatic,programmable

11、logic controller(PLC)机械手的组成和分类 机械手的组成 执行机构 气动机械手 第一章 机械手简况 1.1 机械手的组成和分类 1.1.1 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图 2-1 所示。图 1-1 机械手的组成方框图 (一)执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不 同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造

12、容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)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:手指有外夹式和内撑式。指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁

13、盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式.2、手腕 手腕 手臂 立柱 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件

14、，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下:手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装 置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件 受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和 V 形槽、燕尾槽等导向型式。4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运

15、动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。行走机构 机座 驱动系统 控制系统 位置检测装置 5、行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安 装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机 座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装

16、置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。(三)控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制 系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行

17、调整，从而使执行机构 机械手的分类 以一定的精度达到设定位置。1.1.2 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类规范，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械 手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大 批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。2、通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内

18、，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和 控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于 不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类 型。液压传动机械手 气压传动机械手 机械传动机械手 电力传动机械手 (二)按驱动方式分 1、液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几 百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但

19、对密封装置要求严格，不然油 的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械 手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是 电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手 即由机械传动机构(

20、如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手 即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目 点位控制 连续轨迹控制 机械手的设计技术方案 前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分 1、点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其

21、运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。第二章 机械手的设计技术方案 对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它 们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及 在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，

22、并满足系统功能要求 和环境条件。明确工件的结构形状和材料特性，定位精 机械手的座标型式与自由度 度要求，抓取、搬运时的 受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求。尽量选用定型的规范组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现 柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批 生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。2.1 机械手的座标型式与自由度 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标

23、式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度 图 2-1 所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。机械手的手部结构技术方案设计 机械手的手腕 图 2-1 机械手的运动示意图 2.2 机械手的手部结构技术方案设计 为 了使 机 械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2.3 机械手的手腕结构技术方案设计 考虑 到 机 械手的通用性，同时由于被抓取工件

24、是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.4 机械手的手臂结构技术方案设计 结构技术方案设计 机械手的手臂结构技术方案设计 机械手的驱动技术方案设计 机械手的控制技术方案设计 按照 抓 取 工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。2.5 机械手的驱动技术方案设计 由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。2.6 机械手的控制

25、技术方案设计 考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变 PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.7 机械手的主要参数 1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以 10 公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为 10 公斤，高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部时可吸附 5 公斤的重物。2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。机械手的主要参数 该机械手最大移动速度设计为 1

26、.2m/s，最大回转速度设计为 1200/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为900/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为 600mm,最大工作半径约为1500mm，手臂安装前后可调 200mm。手臂回转行程范围定为

27、 2400(应大于 180 否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为 150mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土 0.5lmm 2.8 机械手的技术参数列表 一、用途:用于 100 吨以上冲床上下料。二、设计技术参数:1、抓重 10 公斤(夹持式手部)5 公斤(气流负压式吸盘)2、自由度数 NR2bP NR2bP=490（N）机械手的技术参数列表 4 个自由度 3、坐标型式 圆柱坐标 4、最大工作半径 1500mm 5、手臂最大中心高 1380mm 6、手臂运动参数 伸缩行程 600mm 伸缩速度 500mm/s 升

28、降行程 200mm 升降速度 300mm/s 回转范围 0 240 回转速度 90 7、手腕运动参数 回转范围 0 180 回转速度 180/s 8、手指夹持范围 棒料:80150mm 片料:面 积不大于 0.5m Z 9、定位方式 行程 开 关 或可调机械挡块等 10、定位精度 士 0.5mm l1,缓冲方式 液压缓冲器 12.驱动方式 气压传 动 13、控制方式 点位程序控制(采用 PLC)NP156394.025.1490实际 图 2-6 机械手的工作范围 第三章手部结构设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工 件是棒料时，使用夹持式手部:当工件是板料时，

29、使用气流负压式吸盘。31 手部设计 3.1.1 手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内 nDGdCf31418=3677.46（N/m）pFFDt14=65.23(mm)活 塞 杆直 径d=18 mm 手部结构设计 手指的形状和分类 设计时考虑的几个问题 卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指。同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就

30、成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.2 设计时考虑的几个问题 (一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位 为使手指和

31、被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的 2/pDP=6.5mm D=80 mm 手部夹紧气缸的设计 手部驱动力计算 惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量 使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭 转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设

32、计成V 型，其结构如附图所示.3.1.3 手部夹紧气缸的设计 1、手部驱动力计算 本课题气动机械手的手部结构如图 3-2 所示，其工件重量 G=10 公斤，“V”形手指的角度 2=120，b=120mm，R=24mm,摩擦系数为 f=0.10。图 3-2 齿轮齿条式手部 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:NR2bP (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:NtgGtgN5042560105.0)(5.0 所以：NR2bP=490（N）(3)实际驱动力:21KKPP实际 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取=0.94，并取1K=1.5.若被抓取工件的最大加速度取 a=g 时，则:2

33、12gaK 所以：NP156394.025.1490实际 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 1563N。2、气缸的直径 本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:ztFFpDF421 式中:1F活塞杆上的推力，N tF弹簧反作用力，N zF气缸工作时的总阻力，N 气缸的直径 P气缸工作 压力，Pa 弹簧反作用按下式计算:SlCFft nDGdCf31418 12dDDt 式中:fC弹簧刚度，N/m L弹簧预压缩量，m S活塞行程，m d1弹簧钢丝直径，m Dt弹簧平均直径，m D2弹簧外径，m n 弹簧有效

34、圈数 G弹簧材料剪切模量，一般取 G=79.4X 1 护 Pa 在设计中，必须考虑负载率几的影响，则:tFpDF421 由以上分析得单向作用气缸的直径:pFFDt14 代入有关数据，可得：nDGdCf31418 D=16.92(cm)mN/46.36771510308/105.3104.793439 SlCFft N6.22010606.33673 所以：pFFDt14 mm23.654.0105.0/6.22049042/16 查有关手册圆整，得 D=65 mm 由 d/D=O.20.3，可得活塞杆直径:d=(0.20.3)D=1319.5 mm 圆整后，取活塞杆直径 d=18 mm 校核，

35、按公式 24/dFt 有:2/1/4tFd 其中=120MPa,Ft=750N 则:d(4490/120)2/1=2.28 18 满足设计要求。3、缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:2/pDP 式中:6 缸筒壁厚 mm D气缸内 径，咖 缸筒壁厚的设计 气流负压式吸盘 Pp实验压力，取Pp=1.5PtPa 材料为:ZL3,=3MPa 代入己知数据，则壁厚为:2/pDP=365101032/10665=6.5 mm 取=7.5 mm，则缸筒外径为:D=65+7.52=80 mm。3.2 气流负压式吸

36、盘 气流负压式吸盘是利用吸盘(即用橡胶或软性塑料制成皮腕)内形成负压将工件吸住。它适用于搬运一些薄片形状的工件，如薄铁片、板材、纸张以及薄壁易碎的玻璃器皿、弧形壳体零件等，尤其是玻璃器皿及非金属薄片，吸附效果更 为明显。气流负压式与钳爪式手部相比较，气流负压式手部具有结构简单，重量轻，表面吸附力分布均匀，但要求所吸附表面平整光滑、无孔和无油。按形成负压(或真空)的方法，气流负压式手部可分为真空式、气流负压式和挤压排气式吸盘。在本机械手中，拟采用喷射式气流负压吸盘。图 3-3 喷 射 气 流 原 理 图 喷射式气流负压吸盘的工作原理如图 3-3 所示，根据流体力学，气体在稳定流动状态下，单位时间

37、内气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量均相等。因此，在最简单的情况下，低流速(高压强)截面的喷嘴应当具有大面积，而高流速(低压强)截面的喷嘴应当具有小面积。所以，压缩空气由喷嘴进口处 A 进入后，喷嘴开始一段由大到小逐渐收缩，而气流速度逐渐增大，当沿气流流动方向截面收缩到最小处 X 时即临界面积)，流速达到临界速度即音速，此时压力近似为喷嘴进口处的压力之半，即=0.52 8P,。为了使喷嘴出口处的压力低于 Pk，必须在喷嘴临界面以后再加一段渐扩段，这样可以在喷嘴出口处获得比音速还要大的流速即超音速，并在该处建立低压区域，使 C 处的气体不断的被高速流体卷带走，如 C 处形成密封空腔，就可使腔内压

38、力下降而形成负压。当在 C 处连接橡胶皮腕吸盘，即可吸住工件。图 3-4 所示为可调的喷射式负压吸盘结构图。为了使喷嘴更有效地工作，喷嘴口与喷嘴套之间应当有适当的间隙，以便将被抽气体带走。当间隙太小时，喷射气流和被抽气体将由于与套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽气速率。当间隙太大时，离喷射气体越远的气体被带着向前运动的速度就越低，同时间隙过大，从 喷嘴套出口处反流回来的气体就越多，这就使抽气速率大大的降低。因此，间隙要适宜，最好使喷嘴与喷嘴套之间的间隙可以调节，以便喷嘴有效地工作。在图 3-4中，喷嘴 5 与喷嘴套 6 的相对位置是可以调节的，以便改变间隙的大小。下面计算吸盘的直径.吸盘吸力

39、的计算公式为:P=32124KKKDn 式中:P吸盘吸力(N)，本机械手的吸盘吸力为 50N，故 P=50N。D吸盘直径(cm).N分吸盘数量，本机械手吸盘数量为 1。1K吸盘吸附工件在起动时的安全系数，可取K,月 2-2，在此取 1K=1.5。2K工作情况系数。若板料间有油膜存在则要求吸附力大些。若装有分 料器，则 吸附力就可小些。另外工件从模具取出时，也有摩擦力的作用，同 时 还应考虑吸盘在运动过程中由于加速运动而产生的惯性力影响。因 此，应根据工作条件的不同，选取工作情况系数，一般可在(13)的范围内选取。在此，取2K=2:3K方位系数，吸盘垂直吸附时，则3K=1/f，f 为摩擦系数，橡

40、胶吸盘吸附金属材料时，取户 0.50.8。当吸盘水平吸附时，取 手腕结构设计 3K=l。在此，取3K=5.代入数据得:nKKKPD3214=14.315.125.1450=16.92（cm）第四章手腕结构设计 考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设 有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运 动的机构为回转气缸。4.1 手腕的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位 精度等许多因素有关。由于本

41、机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕 x轴转动回转运动才可满足工作的要 手腕的自由度 手腕的驱动力矩的计算 腕转动时所愉的驱动力矩 求。目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于 3600，并且要求严格的密封。4.2 手腕的驱动力矩的计算 4.2.1 手腕转动时所愉的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必 须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转 动轴线不重合所产生的偏

42、重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。1.工件 2.手部 3.手腕 图 4-1 手碗回转时受力状态 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:M驱=M惯+M偏+M摩+M封cm(4-1)式中:M驱驱动手腕转动的驱动力矩(Kgcm)。M惯 惯性力矩(Kgcm)。M偏 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转 动 轴 线 所 产生 的 偏 重 力 矩(Kgcm),.M摩 手 腕转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩(Kgcm)。M封 手 腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(Kgcm)。下面以图4-1 所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯

43、性力矩 M惯 若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的 时间为t，则:M惯=tJJ1 (N.cm)若手腕转动时的角速度为，起动过程所转过的角度为，则:M惯=221JJ (N.cm)式中:J参与手腕转动的部件对转动轴线 的转动惯量(Ncms2)。J1工件对手腕转动轴线的转动惯量(Ncms2)。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1,为:2111egGJJg Jg 工 件 对 过 重 心 轴 线 的 转 动 惯 量(Ncms2)。G1工件的重量(N)。1e工件的重心到转动轴线的偏心距(cm)-,手腕转动时的角速度(弧度/s)。t起动过程所需的时间(S)。起动过程所转过的

44、角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 M偏 M偏=3311eGeG 式中:G3手腕转动件的重量(N)。e3手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm).当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则11eG=0.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 M摩 M摩=122dRdRfBA 回转气缸 式中:d1、d2手腕转动轴的轴颈直径(cm)。f轴承摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01，对于滑动轴承 f=0.1。RA、RB轴颈处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据 0FmA得:RBl+G3l3=G2l2+G1l1 同理，根据 0FmB得:RA=llGlGlG332211

45、 式中:G2手部的重量(N)1、11、l2、l3如图4-1所示的长度尺寸(cm).4、回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用 的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。4.2.2回转气缸 在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的二理如图4-2 所示，定片 1 与缸体 2固连，动片 3 与回转轴 5 固连。动片封圈 4 把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔 a 进入时，推动输出轴作逆时 4回转，则低压腔的气从 b 孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶 J 气缸的压力 p 和驱动力矩 M 的关系为:222rRpbM （4-9）或：222rRbM

46、p 图4-2 回转气缸简图 式中:M-回转气缸的驱动力矩(Ncm)。P-回 转气缸的工作压力(Ncm)。R-缸 体 内壁 半径(cm)。r-输 出 轴半 径(cm)。b 动 片 宽度(cm).上述驱动 矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的 P 应代以工作压力 P1与背压 P2之差 第五章手臂结构设计 按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。手臂结构设计 手臂伸缩与手腕回转部分 结构设计 5.1 手臂

47、伸缩与手腕回转部分 5.1.1 结构设计 手臂的伸缩是直线运动，实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。同时，气 压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。在本机械手中，采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。该机 械 手

48、的手臂结构如附图所示，现将其工作过程描述如下:手臂主要由双作用式气缸1、导向杆 2、定位拉杆 3和两个可调定位块4 等组成。双作用式气缸1 的缸体固定，当压缩空气分别从进出气孔c,e 进入双作 用式气缸 1 的两腔时，空心活塞套杆6 带动手腕回转缸5 和手部一同往复移动。在空心活塞套杆6 中通有三根伸缩气管，其中两根把压缩空气通往手腕回转气缸 5，一根把压缩空气通往手部的夹紧气缸。在双作用式气缸 1 缸体上方装置着导 上料时:F=15401.2=1850(N)下料时:F=9351.2=1120(N)向杆 2，用它防止活塞套杆 6 在做伸缩运动时的转动，以保证手部的手指按正确 的方向运动。为了保

49、证手嘴伸缩的快速运动。在双作用式气缸 1 的两个接气管口 c,e 出分别串联了快速排气阀.手臂伸缩运动的行程大小，通过调整两块可调定位块 4 的位置而达到。手臂伸缩运动的缓冲采用液压缓冲器实现.手腕回转是由回转气缸 5 实现，并采用气缸端部节流缓冲，其结构见 A-A 剖面。在附图中所示的接气管口 a、b 是接到手腕回转气缸的。d 是接到手部夹紧气 缸的。直线气缸 1 内的三根气管采用了伸缩气管结构，其特点是机械手外观清晰、整齐，并可避免气管的损伤，但加工工艺性较差。另外活塞套杆 6 做成筒状零件 可增大活塞套杆的刚性，并能减少充气容积，提高气缸活塞套杆的运动速度。5.导向装置 气压驱动的机械手

50、手臂在进行伸缩(或升降)运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。D=100mm 手臂伸缩驱动力的计算 5.1.3 手臂伸缩驱动力的计算 手臂作水平伸缩时所需的驱动力:图4-3 手嘴伸出时的受力状态 图 4-3 所示为活塞气缸驱动手臂前伸时的示意图