机械手-P13-1-气动机械手的设计及其PLC控制
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机械手
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机械手-P13-1-气动机械手的设计及其PLC控制,机械手,P13,气动,设计,及其,PLC,控制
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第二章机械手的设计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， 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;尽量选用定型的标准组件， 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。下栩叻峨自移幼下褚幼左右招劝 图2 -1 机械手的运动示意图F i a . 2 - 1 S k e t c h M a p o f t h e M o t i o n o f M a n i p u l a t o r2 . 2 机械手的手部结构方案设计 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 机械手的手腕结构方案设计 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。2 . 4 机械手的手臂结构方案设计 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( P L C ) 对机械手进行控制。当 机械手的动作流程改变时，只需改变P L C 程序即可实现，非常方便快捷。2 . 7机械手的主 要参 数17 1- 1 1l 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1 0 公斤左右的为数最多。 故该机械手主参数定为1 0 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。 该 机械手最大 移动 速度设 计为1 . 2 m / s ， 最大回 转 速度设 计为1 2 0 0 / s 。 平均移动速度为l m / s ， 平均回转速度为9 0 0 / s o2 . 2 机械手的手部结构方案设计 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 机械手的手腕结构方案设计 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。2 . 4 机械手的手臂结构方案设计 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( P L C ) 对机械手进行控制。当 机械手的动作流程改变时，只需改变P L C 程序即可实现，非常方便快捷。2 . 7机械手的主 要参 数17 1- 1 1l 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1 0 公斤左右的为数最多。 故该机械手主参数定为1 0 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。 该 机械手最大 移动 速度设 计为1 . 2 m / s ， 最大回 转 速度设 计为1 2 0 0 / s 。 平均移动速度为l m / s ， 平均回转速度为9 0 0 / s o 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6 0 0 m m ,最大工作半径约为1 8 0 0 ，1 5 0 0 m m ，手臂安装前后可调2 0 0 m m 。手臂回转行程范围定为2 4 0 0( 应大于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1 5 0 m m e定 位精度也是基本参数之一。 该机械手的定位精度为土 0 . 5 - 1 l m m o2 . 8机械手的技术参数列表一、用途: 用于1 0 0 吨以上冲床上下料。二、 设计技术参数:1 、抓重 1 0 公斤 ( 夹持式手部) 5 公斤 ( 气流负压式吸盘)2 、自 由 度数 4 个自由 度3 、座标型式 圆柱座标4 、最大工作半径 1 5 0 0 m m5 、手臂最大中心高 1 3 8 0 m m6 、手臂运动参数 伸缩行程6 0 0 m m 伸缩速度5 0 0 m n / s 升降行程2 0 0 m m 升降 速度3 0 0 m m / s 回 转 范围0 0 - 2 4 0 0 回转速度7 、手 腕运动参数 回转范围9 0 0 / s0 0 1 8 0 0回转速度1 8 0 0 / s一 1 0- 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6 0 0 m m ,最大工作半径约为1 8 0 0 ，1 5 0 0 m m ，手臂安装前后可调2 0 0 m m 。手臂回转行程范围定为2 4 0 0( 应大于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1 5 0 m m e定 位精度也是基本参数之一。 该机械手的定位精度为土 0 . 5 - 1 l m m o2 . 8机械手的技术参数列表一、用途: 用于1 0 0 吨以上冲床上下料。二、 设计技术参数:1 、抓重 1 0 公斤 ( 夹持式手部) 5 公斤 ( 气流负压式吸盘)2 、自 由 度数 4 个自由 度3 、座标型式 圆柱座标4 、最大工作半径 1 5 0 0 m m5 、手臂最大中心高 1 3 8 0 m m6 、手臂运动参数 伸缩行程6 0 0 m m 伸缩速度5 0 0 m n / s 升降行程2 0 0 m m 升降 速度3 0 0 m m / s 回 转 范围0 0 - 2 4 0 0 回转速度7 、手 腕运动参数 回转范围9 0 0 / s0 0 1 8 0 0回转速度1 8 0 0 / s一 1 0-8 、手指夹持范围 棒料:(D 8 0 - (b1 5 0 m m 片料:面积不大于0 . 5 m Z9 、定位方式 行程开关或可调机械挡块等1 0 、定位精度 士0 . 5 m ml 1 , 缓冲方式 液压缓冲器1 2 . 驱动方式 气压传动1 3 、 控制方式 点位程序控制 ( 采用P L C )受 图2 -机械手的工作范围F i g . 2 - 6 W o r k R a n g e o f M a n i p u l a t o r一1 2-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，使用气流负压式吸盘。3 . 1夹持式手部结构, 1- o lp夹持式手部结构由手指 ( 或手爪) 和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。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匹( 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 2 2 12 4 11 、 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 = 1 0 公斤， . V II形手指的角度2 0 = 1 2 0 0 ，b = 1 2 0 m m R = 2 4 m m ,摩擦系数为f = 0 . 1 0图3 -2 齿 轮齿 条式 手 部F i g . 3 - 2 G e a r W h e e l H a n d( 1 )根据手部结构的传动示意图， 其驱动力为: P 二 丝N R( 2 ) 根据手指夹持工件的方 位， 可得握力计算公式: N = O . 5 G t g ( 。 一C= 0 . 5 X 1 0 X t g ( 6 0 0 - 5 0 4 2 ) 5 0 ( N )所以P = 丝N = 4 9 0 ( N ) R( 3 )实际驱动力:P , _ P K I K 2 I ,因 为 传力 机 构为 齿 轮 齿条 传 动， 故 取n = 0 . 9 4 ， 并 取戈= 1 . 5 e若被抓取工件的最大加速度取a = g 时，则:K 2所以P * 19 = 4 9 0 X1 . 5 x 20 . 9 41 5 6 3 ( N )所以 夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1 5 6 3 N .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:F , =r r D 2 夕一F ， 一F ,式 中: F , 活 塞杆 上的 推 力， N F , - 弹 簧 反 作用 力， N F 厂 一气 缸 工 作 时 的 总 阻 力 P - 一气缸工作压力，P a弹簧反作用按下式计算:F , 尤， ( 1 + 5 )C , = G d i4 r S D , n D , = D 2 - d ,式 中 : C f 弹 簧 刚 度 ， N / m 1 弹簧预压缩量，m S 一活塞行程，m d . 弹 簧 钢 丝 直 径， m D , - 弹 簧 平 均 直 径， . D 2 - 弹 簧 外 径， m 。弹簧有效圈数 G 一 弹 簧材 料 剪 切 模 量， 一 般 取G = 7 9 . 4 X 1 护 P a在设计中，必须考虑负载率几 的影响，则:F :二 M p 2 - F 4由以上分析得单向作用气缸的直径:D = 4 ( F + F , )母， 泞代入有关数据，可得 C fF , = C f二 G d ,e 8 D ,3 n= 7 9 . 4 X1 0 9 X( 3 . 5 X 1 0 - 3 ) 4 / C 8 X ( 3 0 X 1 0 - 3 ) X 1 5 1= 3 6 7 7 . 4 6 ( N / m )( 1 + S )= 3 6 7 7 . 4 6 X 6 0 X 1 0 - 3= 2 2 0 . 6 N所以:D =4 ( F , + F ) 甲 叮= 4 X ( 4 9 0 + 2 2 0 . 6 ) / ( 二X 0 . 5 X1 0 6 X 0 . 4 ) ) 1 1 2= 6 5 . 2 3 ( m m )查有关 手册圆 整， 得D = 6 5 m m由 d / D = O . 2 -0 . 3 ，可得活塞杆直径:d = ( 0 . 2 -0 . 3 ) D = 1 3 -1 9 . 5 m m圆整后， 取活塞杆直径d = 1 8 m m校 核， 按 公 式F , / ( 二/ 4 d Z ) -L d 有: d 3 ( 4 F , / n 6 ) ，其 中 ， 。 卜 1 2 0 M P a , F , = 7 5 0 N则: d - ( 4 X 4 9 0 /n X 1 2 0 ) i n = 2 . 2 8 -1 8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 / 1 0 ， 其壁厚可按薄壁筒公式计算: 6 = D P , / 2 o 式中:6 缸筒壁厚， 咖 D - 一一 气缸内 径， 咖 P , 实 验 压 力 ， 取P p = 1 . 5 P , P a 材料为:Z L 3 , o = 3 M P a代入己知数据，则壁厚为:8 = D P , / 2 0 = 6 5 X 6 X1 0 /( 2 X 3 X1 0 ) X1 0 - = 6 . 5取 6 = 7 . 5咖，则缸筒外径为:D = 6 5 + 7 . 5 X 2 = 8 0 m m。3 . 2气流负 压式吸 盘7 1- Ill 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F i g . 3 - 3 P r i n c i p i u m D i a g r a m O f E j e c t A i r f l o w 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P k = 0 . 5 2 8 P , 。 为了 使 喷 嘴出口 处 的 压 力P : 低 于P k , 材料为:Z L 3 , o = 3 M P a代入己知数据，则壁厚为:8 = D P , / 2 0 = 6 5 X 6 X1 0 /( 2 X 3 X1 0 ) X1 0 - = 6 . 5取 6 = 7 . 5咖，则缸筒外径为:D = 6 5 + 7 . 5 X 2 = 8 0 m m。3 . 2气流负 压式吸 盘7 1- Ill 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F i g . 3 - 3 P r i n c i p i u m D i a g r a m O f E j e c t A i r f l o w 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P k = 0 . 5 2 8 P , 。 为了 使 喷 嘴出口 处 的 压 力P : 低 于P k ,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。1 . 株胶吸盘 2 . 吸 盘芯 子 3 . 通气 坏打 4 . 吸 盘体 5 . 喷 嘴 6 . 喷 嘴套 图3 -4可调喷射式负 压吸盘结构F i g . 3 - 4 S t r u c t u r e o f A d j u s t a b l e E j e c t i v e M i n u s P r e s s u r e C u p u l a下面计算吸盘的直径.吸盘吸力的计算公式为:_n f D 2尸 ，一 ， 了 ， 一 甲 尸 - 二 罗 4 K , ， K , - K 3式中: P -吸盘吸力 ( N ) ， 本机械手的吸盘吸力为5 0 N ，故P = 5 0 N ; D -吸盘直径 ( c m) .分 吸盘数量，本机械手吸盘数量为1 ;K , 一吸 盘 吸附 工 件 在 起动 时 的 安 全 系 数， 可取K , 月2 - 2 ， 在 此 取K, = 1 .5 ;K , 一工 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( 1 - 3 )的 范围内 选 取。 在此， 取K , = 2 :K ,一 方 位 系 ” ” 吸 盘 垂 直 吸 附 “ ， 则 K ,二 步 ， f 为 摩 擦 系 数 ， 橡 胶 吸 “ 吸 附 金 属 材 料 时， 取 户0 .5 0 .8 ; 当 吸 盘 水 平 吸附 时， 取K , = l 。 在 此，取K 3 月.5 . 代 入 数 据 得 :D 一 。 I P x 4 x K , x K 2 x K ,D = ,， 5 O x 4 x l .5 x 2 x l .5Y 1 x 3 . 1 4= 1 6 . 9 2 ( c m)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1= a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3 6 0 0 ，并且要求严格的密封。4 . 2手腕的驱动力矩的计算U o l- p ilto l4 . 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 偏重力 矩.图4 - 1 所示为 手腕受力的示意图。. 2 0.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1= a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3 6 0 0 ，并且要求严格的密封。4 . 2手腕的驱动力矩的计算U o l- p ilto l4 . 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 偏重力 矩.图4 - 1 所示为 手腕受力的示意图。. 2 0. 1 . 工件2 . 手部3 . 手腕 困4 -1 手 碗回 转时 受力 状态F i g . 4 - 1 B e a r F o r c e C o n d i t i o n o f W r i s t W h e n R o t a t i n g 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计 算: M . 二 m il + M m + M , + M J4 K g c m ( 4 -1 ) 式 中 : M 姐 -M IK驱 动 手 腕 转 动 的 驱 动 力 矩( K g * c m ) ; M IN - 惯 性 力 矩( K g - c m ) ; 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 ( K g c m ) ., ” 尽 手 腕 转 动 轴 与 支 承 孔 处 的 摩 擦 阻 力 矩( K g - c 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 ( K g * c m ) ;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 性 力 矩M 悦 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= ( J + J , ) 答 凸 r( N c m )( 4 - 2 )若手腕转动时的角速度为m ， 起动过程所转过的角度为v ，则:M , = ( J + J , )竺( N c m ) ( 4 - 3 )2 (p式中: J 参与手腕转动的部件对转动轴线的 转动惯量 ( N - c m - s 2 ) ;J , 工 件对手 腕转 动轴线的 转动惯 量 ( N - c m - s 2 ) 。若工 件中 心与 转 动 轴 线 不 重 合， 其 转 动 惯 量J 。 为:J , = L + 且 e , ，式中 : J , 工 件 对 过 重 心 轴 线 的 转 动 惯 量( N - c m - s 2 ) :G , 工 件的 重量 ( N ) ;e , 工 件的 重 心 到 转动 轴 线的 偏心 距( c m ) -,。 手腕转动时的角速度 ( 弧度/ s ) ;At 一起动过程所需的时间 ( S ) ;Aop 起 动 过 程 所 转 过 的 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 m 二G , e , + G , e , ( N c m ) 式中 : G , 手腕 转 动 件的 重 量( N ) ; e , 手 腕 转 动 件的 重 心 到 转 动 轴 线的 偏 心 距( C M ) . 当 工 件的 重 心与 手 腕 转 动 轴 线重 合时， 则G , e , = 0 .3 、 手 腕 转 动 轴 在 轴 颈 处 的 摩 擦 阻 力 矩M s( 4 -4 )( 4 - 5 )( R , d 2 + R , d , )( N 一 c m )( 4 -6 )式中 : d , , d 2 手 腕 转 动 轴的 轴 颈 直 径( c m ) ;f 一 轴承摩擦系数， 对于滚动轴承f = 0 . 0 1 ， 对于滑动轴承f = 0 . 1 ;R , 、 R B 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E m , ( F ) = 0 得:R , 1 + G , 1 , = G 2 1 , + G , 1 ,R 召 =旦 ,1 , + G 2 1 2 - G ,1 , ( N )同 理， 根 据E m , ( F ) = 0 得:R , =G , ( 1 + 1 , ) + 乓( 1 + 1 2 ) + G , ( 1 二 切 ( 4 -7 )( N ) ( 4 - 8 )式中 : G I 手 部的 重 量( N )1 , 1 , , 1 2 . 1 , 如图4 -1 所 示 的 长 度 尺 寸( c m ) .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回转气缸的 驱动力 矩计算 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:M = p b ( R( 4 -9 )或 否 生 2 MP = b ( R ， 一 ， )( 4 -1 0 )R , 、 R B 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E m , ( F ) = 0 得:R , 1 + G , 1 , = G 2 1 , + G , 1 ,R 召 =旦 ,1 , + G 2 1 2 - G ,1 , ( N )同 理， 根 据E m , ( F ) = 0 得:R , =G , ( 1 + 1 , ) + 乓( 1 + 1 2 ) + G , ( 1 二 切 ( 4 -7 )( N ) ( 4 - 8 )式中 : G I 手 部的 重 量( N )1 , 1 , , 1 2 . 1 , 如图4 -1 所 示 的 长 度 尺 寸( c m ) .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回转气缸的 驱动力 矩计算 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:M = p b ( R( 4 -9 )或 否 生 2 MP = b ( R ， 一 ， )( 4 -1 0 ) 图4 -2回转气 缸简图F i g . 4 - 2 S k e t c h o f R o t a t i n g G a s V a t式中: M - 回转气缸的 驱动力矩 ( N c m ) ; P - 回转气缸的工作压力 ( N c m ) ; R -缸体内 壁半径 ( c m ) ; r -输出轴半径 ( c m ) ; b 动片宽度 ( c m ) . 上述驱动力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P 、 与 背 压P : 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、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。左右立柱5 . 1手臂伸缩与手腕回转部分” 1- f 1 119 15 . 1I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 . ， . z导向装f 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、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。左右立柱5 . 1手臂伸缩与手腕回转部分” 1- f 1 119 15 . 1I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
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