冲床上料机械手设计【气流负压式吸盘机构】（全套含CAD图纸）
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购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 摘 要 I 摘 要 工业机械手是近几十年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。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。本设计是针对冲床的工作特点进行的专用机械手设计。冲床加工多为板材件，因此在本设计中机械手的手部采用气流负压式吸盘机构，方便吸取材料。整个机械手采用圆柱坐标结构，手臂用水平和竖直两个气压缸推动，能够快速完成将工件吸取到工作位置的动作，提高工作效率。 关键词： 冲床 机械手 自动化 I is in a of be to of in is at of so in in of to of 录 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 业机械手概述 . 1 业机械手的国内外研究现状和发展趋势 . 2 动机械手的发展 . 3 械手的组成 . 6 次设计的目的 . 9 2 机械手的总体设计 . 10 械手总体结构类型 . 10 计具体采用方案 . 12 械手腰部结构 . 14 部结构具体采用方案 . 14 械手手臂结构 . 15 臂结构具体采用方案 . 16 械手手部结构 . 20 空系统的组成 . 20 部真空发生器的原理 . 21 3 基本参数的确定 . 24 数确定 . 24 重（即臂力） . 24 由度、工作行程及转角 . 24 作速度 . 24 位精度 . 25 4 机械手机械结构设计 . 26 部的设计计算 . 26 件的基本参数 . 26 目 录 真空吸盘的计算选择 . 26 臂的设计计算 . 29 直手臂的设计计算 . 29 平手臂的设计计算 . 34 部的设计计算 . 39 结 论 . 43 参考文献 . 44 致 谢 . 45 目 录 V 1 绪论 1 1 绪论 业机械手概述 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生产设备。特别适合多品种、变批量的柔性生产。它对提高产品质量，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。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了认得特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，即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，从某种意义上讲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备，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，按给定的程序、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。尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放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了越来越广泛的应用。 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应用。 1 绪论 2 业机械手的国内外研究现状和发展 趋势 机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手在未来的发展主要是向着以下四个方面来进行革新： 精度是指机器人机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。 重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此 可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。 有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块 化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。 智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型 岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械手中的移动模块。 为了适应食品、医药、生物工程 、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 1 绪论 3 由 “可编程序控制器 气动元件 ”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从 “开关控制 ”进入到高精度的 “反馈控制 ”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大 大提高了系统的可靠性 。 而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而 输出功率在增大，由 接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开 阀岛技术的发展，又使 气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。 国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。 总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 随着科学与技术的发展，机 械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。 动机械手的发展 气动机器人与气动机械手是在已有的机器人和机械手的基础上发展起来的。二者的区别在于气动机器人的发展起点颇高，它的发展方向趋向于第二代智能型机器人（强调感觉、识别、判断并作相应的反应），而气动机械手则强调模块化的形式，把专用机械手和通用机械手两大类型结合起来。更为突出的是，现代传输技术的气 动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术（可重复编程等），气动伺服系统1 绪论 4 （可实现任意位置上的精确定位）在可重复编程上全部采用模块化的拼装结构，因此可以代替一些抓取力不大的第一代工业机器人的地位。 由于机器人或机械手都需要能快速、准确的搬运重物，实际上对机器人或机械手提出了一个基本要求，即他们必须具有高精度、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。传统观点认为：由于气体具有可压缩性，因此，运动不够平稳，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难（尤其在高速情况下，更难想 象）。此外，气源工作压力较低，抓举例较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统也已被接受。但对于气动机器人这一体系已经取得的一系列进展过去介绍的不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手和气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。下面介绍一下最新发展起来的模块化机械手。 下图为 90 年代初，由布鲁塞尔皇家军事学院 授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人 “阿基里斯”六脚勘探员，也被称为 “六足动物”。 授采用了世界上著名的德国 司生产的气动元件、可编程控制器和传感器等，创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇猛的希腊英雄 阿基里斯。它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦查。六脚电子 /气动机器人的上方安装了一个照相机来“探视”障碍物，能安全地绕过它，并在行走过程中收集和记录数据。六脚电子 /气动活动机器人行走的所有程序 编程器控制， 在 6 个不同方向控制机器人的运动，s。通常如果由三个脚保持与地面接触，机器人便能以一种平稳的姿态行 走。六个脚中的每一个脚都有三个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展退回运动，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做回转之用。每个气缸都装备了调节速度用的单向节流阀，是机械驱动部件在运动时保持平稳，即在无极调速状态下工作。控制气缸的阀内置在机器人体内，由 编程控制器控制。当接通电源时，气动阀被接切换到工作状态位置，当关闭电源时它们便回到初始状态。此外，操作者可在任意一点上停止机器的运动。如果机器中的传感器在它的有效范围内检测到障碍物，机器人也会自动停止。 1 绪论 5 图 1 电子 “阿基里斯”六脚勘探员 下图所示的气动攀墙机器人，是由汉诺威大学材料科学研究院设计的。它能在两个相互垂直的表面行走（包括从地面到墙面，或从墙面到屋顶天花板上）。该机器人轴心的圆周边上装备着几排等距离（根据步距设置）的吸盘和气缸。一组吸盘的吸力与另一组吸盘的吸力交替变换，类似脚踏实地运动方式，是机器人产生旋转步进运动。这种攀墙式的机器被用作工具搬运，或执行多种操作，如在核能发电站、高等建筑物或船舶上进行检验、清扫和安装等工作。机器人用遥控方式进行半自动操作操作者只需输入所需运行的目 标距离然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控。 1 绪论 6 图 2 气动攀墙机器人 械手的组成 机械手主要由执行机构驱动机构控制系统以及位，置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图 1 所示。 控制系统 驱动系统 执行机构 被抓取工件 位置检测装置 图 3 机械手的组成方框图 1 绪论 7 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。 1） 手部 即与物件接触的部件。由于与无间接触的形式不同，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部件，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 造容易，故应用较广泛。平移式应用较少，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无间的表面形状、被抓取部位（是外廓或是内孔）和物件的重量和尺寸。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。传力机构形式较常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。 吸附式手部主要由吸盘构成， 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吸盘两类。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，以及有网孔装的板料等，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、吸附力大小可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）等形 式。 2）手腕 是连接手部和手臂的部件，并可以用来调整被抓取物件的方位（即姿势）。 3）手臂 手臂是支撑被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定位置。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）和驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。 1 绪论 8 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，是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、燕尾槽等导向装置。 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，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 5）行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大适用范围时，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。滚轮式行走机构可分为有轨和无轨两种。驱动滚动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种部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 两回转运动的组合（即空间曲面运动） 基本运动 复合运动 直线运动：如伸缩、升降 、横移运动 回转运动：如水平回转、左右摆动运动 直线运动与回转运动的组合（即螺旋运动） 两直线运动的组合（即平面运动） 手臂运动 1 绪论 9 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置组成。常用的液压系统、气动系统、电力传动和机械传动等四种形式。 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有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。 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调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 次设计的目的 毕业设计是学生完成本科专业教学计划的最后一个极为重要的实 践性教学环节，是使学生综合运用所学的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定的意义。 其主要目的： 培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维。掌握工程设计的一般程序规范和方法。培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。培养学生进行调查研究，面向实际， 面向生产，向工人和技术员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。 2 机械手的总体设计 10 2 机械手的总体设计 械手总体结构类型 工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构四种 .。各种结构形式及其相应的特点如下： 直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动组合而成。 图 4 直角坐标式 圆柱坐标机械手的空间运动是由两个直线运动和一个回转运动组合而成的。 2 机械手的总体设计 11 图 5 圆柱坐标式 手臂的运动是由一个运动和两个回转运动组合而成。 图 6 球坐标式 2 机械手的总体设计 12 手臂的运动是由三个回转运动组合而成的。关节式的手臂类似人的手臂，有大臂和小臂之分，并用“肘关节”联结，大臂和机座用“肩关节”联结。它是通过增加铰链来实现多个自由度的。 图 7 关节坐标式 以上四图均截取自工业机械手图册 计具体采用方案 具体到本设计，因为设计要求搬运的待加工工件的质量为 且考虑到冲压机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本，提高可靠度。本设计的机械手工作布局如下图所示 ： 2 机械手的总体设计 13 本设计的整体结构模型如下图： 图 9 机械手整体结构 原点位置 机床 自动送料带 图 8 机械手工作布局 2 机械手的总体设计 14 械手腰部结构 工业机器手的腰部就是圆柱坐标机械手、球坐标机械手及关节坐标机械手的回转基座。它是机械手的第一个回转关节，机械手的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机械手的全部重量。在设计机械手腰部结构的时候，要注意一下设计原则： 保证机械手在工作时整体的稳定性。 此，机械手的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。 对机械手末端的运动精度影响最大，因此在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。 包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器 及制动器。 部与手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。 高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重 较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。 部结构具体采用方案 腰部回转的驱动形式一般为电机通过减速机构来实现，或者是通过摆动缸或摆动马达来实现。本设计采用摆动气缸来完成腰部的回转动作。摆动气缸是一种在小于 360角度范围内作往复摆动的气缸，它是将压缩空气的压力能转成机械能的装置，输出力矩使机构实现往复摆动。常用的摆动气缸的最大摆动角度分别为 90、180、 270三种规格。摆动气缸输出轴承受扭矩，对冲击的耐力小，因此，如摆动气缸速度过快或受到驱动物体时的冲击作用，将容易损 坏，故需要采用缓冲机构或安装制动器。 腰部回转结构的具体形式如下图： 2 机械手的总体设计 15 图 10 腰部二维结构图 械手手臂结构 机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求的空间内的运动。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则： 互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。 作空间的形状和大小与机械手手臂的长度、手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作 空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。 在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，国外也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的 1/4，相当于铝的 2/3），但其价格昂贵。且在性能稳定性及制造复杂形状工件的 工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效地办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度和刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。 2 机械手的总体设计 16 对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。 及驱动装置， 传动机构及其他元件的安装。 臂结构具体采用方案 机械手的垂直手臂升降和水平手臂伸缩运动都为直线运动，考虑到机械手的动态性能两手臂均选用气压驱动方式。选用气压驱动方式有如下的优点： 缸作为线性驱动器可在空间的任意位置组建它所需的运动轨迹，安装维护简单。 之不竭的空气，空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。压力等级低，使用安全。 0500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快，其间，通过单向节流阀，可使气缸速度无级调节。近 代气动技术发展，气缸最低速度可在3mm/s 平行运动，高速可达 3m/s,甚至可达 17m/s，对于高速气缸必须设有效缓冲。 用寿命长。电器元件的有效动作次数约为数百万次，而进口的一般电磁阀的寿命大于 3000 万次，小型阀超过 1 亿次。 贮存能量，实现集中供气。可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲。对冲击载荷和过载荷有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自我保护能力。 爆、耐潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。 损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。 具体到本设计，采用水平伸缩气缸和竖直升降缸，其中水平气缸行程为 200直气缸的行程为 80平与竖直气缸的三维模型图如下所示： 2 机械手的总体设计 17 水平气缸 图 11 水平气缸三维图 图 12 水平气缸二维示意图 2 机械手的总体设计 18 图 13 水平气缸三维剖视图 竖直气缸 图 14 竖直气缸三维示意图 2 机械手的总体设计 19 图 15 竖直气缸三维剖视图 图 16 竖直气缸二维示意图 2 机械手的总体设计 20 械手手部结构 由于机械手抓取的零件为板材，因此使用真空吸盘吸取工件会更 为方便。所以本设计采用负压式真空吸盘吸取工件。 空系统的组成 真空系统一般由真空发生器（真空压力源）、吸盘（执行元件）、真空阀（控制元件，有手动阀、机控阀、气控阀及电磁阀）及辅助元件（管件接头、过滤器和消声器）组成。有些元件在正压系统和负压系统中是能通用的，如管件接头、过滤器和消声器，以及部分控制元件。 下图所示为典型真空回路，实际上，用真空发生器构成的真空回路，往往是正压系统的一部分，同时组成一个完整的气动系统。如在气动机械手装置中，下图所示的吸盘真空回路仅是其气动系统的一部分，吸盘是机械手 的抓取机构，随着机械手手臂动作。 图 17 典型真空回路 真空发生器结构简单，无可动机械部件，使用寿命长，体积小，重量轻，安装使用方便，真空度可达 88产生的真空抽吸流量较小，若真空系统稍有不慎，易造成真空度不足而影响系统工作。因此，使用时更应彻底防止管件接头等处的泄露。 2 机械手的总体设计 21 以真空发生器为核心构成的真空发生系统适合任何具有光滑表面的工件，特别是对于非金属制品且不适合夹紧的工件，如易碎的玻璃制品，柔软而薄的纸张、塑料以及各种电子精密零件。已广泛用于轻工、食品、印刷、医疗、塑料制品以及自动搬运和机械手 等各种机械，如玻璃的搬运、装箱，机械手抓取工件，印刷机械中的纸张检测、运输，真空包装机械中包装纸的吸附、送标、贴标、包装袋的开启，精密零件的输送，塑料制品的真空成型，电子产品的加工、运输、装配等各种工序作业。 部真空发生器的原理 为吸盘提供负压的原件采用真空发生器。真空发生器的工作原理如下图所示： 图 18 真空发生器工作原理 它由工作喷嘴、负压室、接收室组成。 压缩空气通过收缩的喷嘴后，从喷嘴内喷射出来的一束流动的流体称为射流。射流能卷吸周围的静止流体和它一起向前流动，称为射流的卷吸作用 。负压室限制了射流与外界接触，但从喷嘴流出的主射流还是要卷吸一部分周围的流体向前运动，于是在射流的周围形成一个低压区。若在喷嘴两端的压差达到一定值时，气流则为超声速流动，于是在负压室内可获得一定的负压。 对于真空发生器，若在负压室由通道接真空吸盘，当吸盘与平板工件接触，只要将吸盘腔室内的气体抽吸完并达到一定真空度，就可将平板吸持住。 2 机械手的总体设计 22 图 19 真空发生器三维结构 真空吸盘是真空系统中的执行元件，用于将表面光滑且平整的工件吸起并保持住，柔软又有弹性的吸盘确保不会损坏工件。下图所示为常用吸盘结构。通常吸盘是由橡 胶材料与金属骨架压制而成的。橡胶材料有丁腈橡胶、聚氨酯和硅橡胶等，其中硅橡胶吸盘适用于食品工业。 图 20 真空吸盘 2 机械手的总体设计 23 图 21 真空发生器与真空吸盘 图 22 真空发生器与吸盘剖视图 3 基本参数的确定 24 3 基本参数的确定 数确定 机械手的基本参数有抓重（即臂力）、自由度、工作行程（或转角）、工作速度和定位精度。 升降行程： 80 毫米 手臂伸缩行程： 200 毫米 手臂回转角度： 090 驱动方式：气压驱动 控制方式：点位程序控制 重（即臂力） 抓重是指机械手所能搬运物件的重量。抓重可根据被抓取 物件的重量并考虑适当的安全系数来做决定。考虑带手臂结构的强度等因素，安全系数 K 取 2。 由度、工作行程及转角 根据实际生产需求自由度定为一个回转自由度和两个平移自由度。其中回转角为 90，水平平移最大行程为 200 毫米，竖直平移最大行程为 80 毫米。 作速度 在各个分解运动的最大行程确定后，根据动作节拍确定各动作时间的分配，从而确定各动作的工作速度。 机械手的动作节拍是指机械手完成一个动作循环所需要的时间。它可以等于机械设备的生产节拍，与冲床联动，随冲头的上下进行机械手的退出和上料。本设计采用的动作节拍为 8 /分。 机械手完成整个动作由竖直手臂下降、吸盘吸取工件、竖直手臂上升、手臂回转、水平手臂伸长、竖直手臂下降、吸盘松开工件等一系列动作组成。 按动作节拍要求进行各种动作时间分配时，要考虑下列问题： 动作指令发出到开始动作需要一段时间，因此单个动作时间不宜少于 。 3 基本参数的确定 25 。 转、升降运动的时间是机械手动作节拍的主要组成，考虑的问题有被吸附工件的重量、行程大小和驱动方式等等。 确定了动作时间和行程 之后，工作速度就可以通过 V=S/T 求得了。 本设计所采用的机械手节拍如图 2 所示： 图中 6 分别代表着手臂下降、吸取材料、手臂上升、手臂回转、手臂平移和放松材料。 位精度 机械手的定位精度是由加工工艺要求、机械手本身的结构特点（如制造精度、结构刚性）、抓重、工作行程、工作速度以及驱动控制方式和缓冲定位方式等诸多因素所决定的，但加工工艺要求是主要的因素。设计机械手时，应力求保证各种不同的加工工艺对定位精度的要求。 具体到本设计，冲床上料机械手的精度为： 米 2=3=4=1s s 6=3=4=1s s 图 23 机械手动作节拍示意图 4 机械手机械结构设计 26 4 机械手机械结构设计 部的设计计算 手部是机械手的重要部件，它具有类似人手的功能，可以吸取工件。手部的设计应根据被吸取的工件而定。具体到本设计，被加工工件为 矽钢片，表面带有油渍，综合选取采用气流负压式吸盘形式的手部结构。 件的基本参数 材料：硅钢片 带油 质量： m=状： =130h=5 真空吸盘的计算选择 FV= 安全系数 n=， 静态吸力 n= .1）回转情况下： 角加速度： 222 / .速度： .心力： 2 . 4向力： 2 4 机械手机械结构设计 27 矢量 222 算吸力 根据真空吸盘在水平位置时力的平衡状态： 0 0 F ，即 F 0 0 ,即 因为摩擦力 于密封
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