机械创新设计—气动机械手

1、机械创新设计2010-2011 第 2 学期某某：班级：指导教师:成绩：日期：2011年7月、八,、刖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。机器人并不

2、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响和分析判断能力，又有机器 可长时间持续工作、准确度高、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，它是工业以与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局部动作，按给定程序、轨迹和要某某现自动抓取、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；尤其在咼温、咼压、低温、低压、粉尘、

3、易爆、有毒气体和放射性 等恶劣的环境中，它代替人进展正常的工作，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、装配以与轻工业、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拟简单，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。随着工业技术的开展，制成了能够独立的按程序控制实 现重复操作，适用X围比拟广的“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第一章机械手概况7机械手的组成和分类7第二章机械手的设计方案13 机械手的座

4、标型式与自由度14 2.2机械手的手部结构方案设计15 2.3机械手的手腕结构方案设计15 2.4机械手的手臂结构方案设计15 2.5机械手的驱动方案设计16 2.6机械手的控制方案设计16 机械手的主要参数16 机械手的技术参数列表17第三章手部结构设计193. 1手部设计19第四章手腕结构设计28手腕的自由度284.2手腕的驱动力矩的计算28第五章手臂结构设计33手臂伸缩与手腕回转局部34手臂升降和回转局部37 手臂伸缩气缸的设计38 手臂伸缩、升降用液压缓冲器42 手臂回转用液压缓冲器42第六章气动系统设计43 气压传动系统工作原理图43 第七章机械手的PLC控制设计457.1可编程序控

5、制器的选择与工作过程 45 可编程序控制器的使用步骤47 机械手可编程序控制器控制方案 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空制的特点与国内外的开展状况。本文对机械手进展了总体方案设计，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与吸附式手部结构 设计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

6、理图。利用可编程序 控制器对机械手进展控制，选取了适宜的 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)ABSTRACTThis article briefly in troduces the con cept of in dustrial robots, robot formati on an dclassificati on of degrees of freedom and the coord in ates of the man ipula

7、tor model, the characteristics of pn eumatic tech no logy,PLC con trolfeatures and stateof developme nt at home and abroad .In this paper, the overall mecha ni cal desig n in hand, to determ ine the coord in ates of the man ipulator types and degrees of freedom to determ ine the tech ni cal paramete

8、rs of the man ipulator. At the same time, were desig ned man ipulator gripper-type hand structure and the adsorption of hand structure; designed manipulator wrist structure, calculated the wrist rotation required driving torque and the rotary cylinderdrivingtorque;designed a manipulatorarmstructure,

9、 designed telescopic arm, liftingthe hydraulic shock absorberand the rotary hydraulic shock absorberarm.Desig nedpn eumaticman ipulator system, ren deri ng the work of the mecha ni cal hand pressure system schematic. Programmable logic con troller tocon trolthemanipulator,select the appropriatePLC t

10、ype, according to the workflowmanipulatordeveloped PLC control program, draw a timing diagrammanipulatorand ladder work, and prepared to programmed controllercon trol program.KEY WORDSndustrial robot, robot, pn eumatic, programmable logic con troller (PLC)气动机械手机械手的组成和分类机械手的组成第一章机械手概况机械手的组成机械手主要由执行机构

11、、驱动系统、控制系统以与 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。执行机构（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，制造容易，故应 用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比拟复杂， 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 X围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的外表形状、被抓部位 （是外廓或

12、是内孔）和物件的重量与尺寸。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。而传力机构如此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，以与有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸

13、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 手的浇包局部）、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，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，

14、 以实现手臂的各种运动。am 时和就上下圜驗mt4两88詡齡合【艸駆祝1诵醮6躺齡（瑙砒起姒手臂可能实现的运动如下立柱手臂在进展伸缩或升降运动时，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 承当手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以与手臂回转运 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局 部，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。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作 需要，有时也可作横向

15、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X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。驱动滚轮运动如此应另外增设机械传动装置。6机座机座是机械手的根底局部，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

16、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、运动速度与时间），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 机械手的动作进展监视，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 构的实际位置反响给控制 系统，并与设定的位置进展比拟，然后通过控制系统进 展调整，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。机械手的分类工业机械手的种类很

17、多，关于分类的问题，目前在 国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用 X围、驱动方 式和控制系统等进展分类。（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 X围内，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

18、的工作 X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（一）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、

19、低温下工作。假如机械 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咼，油液过滤要求严格，本钱咼。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，本钱低。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展工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构（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

20、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 万案前还不多，但有开展前途。（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，不能控制其运动轨迹。假如欲控 制的点数多，如此必然增加电气控制系统的复杂性。目

21、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 X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展控制。第二章机械手的设计方案对气动机械手的根本要求是能快速、准确地拾一放 和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反响、一定的承载能力、足够的工 作空间和灵活的自由度与在任意位置都能自动疋位等特性。 设计气动机械手的原 如此是：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

22、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，从而进一步确疋对机械 手结构与运行控制的要求；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，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。按机械手手臂的不同运动形式与其组合情况，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、收缩与 回转运动，因此

23、，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。机械手的手部结构方案设计机械手的手腕结构方案设计图2-1机械手的运动示意图2.2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

24、动的机构为回转气缸。2.4机械手的手臂结构方案设计机械手的手臂结构方案设计机械手的驱动方案设计机械手的控制方案设计机械手的主要参数按照 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，反响灵敏，阻力损 失和泄漏较小，本钱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（PLC）对机械手进展控制。当 机械手的动作流

25、程改变时，只需改变PLC程序即可实现， 非常方便快捷。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、根本参数运动速度是机械手主要的根本参数。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X围。而影响机械手动作快慢的主要因素是 手臂伸缩与回转的速度。机械手的技术参数列表该机械手最大移动速度设计为/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

26、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，手臂设计的根本参数还有伸缩 行程和工作半径。大局部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。根据统计和比拟，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X围 定为2400（应大于180否如此需安装多只手臂），又由于 该机械手设计成手臂安装 X围可调，从而扩大了它的使 用X围。手

27、臂升降行程定为150mm定位精度也是根本参数之一。该机械手的定位精度 为土 0.5 土 lmm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P 2bN RPN =49R0 N4个自由度3、坐标型式圆柱坐标4、最大工作半径1500mm5、手臂最大中心高1380mm6手臂运动参数伸缩行程600mm伸缩速度 500mm/s升降行程200mm升降速度 300mm/s回转X围 0。240 °回转速度90°7、手腕运动参数回转X围 0。180 °回转速度 180° /s8、手指夹持X围棒料：

28、80150mm片料：面积不大于Z9、定位方式行程开关或可调机械挡块等10、定位精度士11、缓冲方式液压缓冲器气压传动13、控制方式点位程序控制（采用PLC）1.5 2P实际4900.941563 N图2- 6机械手的工作X围CfGdi438D1 n=3677.46N/m第三章手部结构设计D=65.23(mm)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，当工活塞杆直径 d=18mm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手部设计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手部结构

29、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根本型式。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，其结构比拟复杂庞大，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。设计时考虑的几个问题（一）具有足够的握力（即夹紧力）在确疋手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考

30、 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X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，假如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DPp/2D =80 mm手部夹紧气缸 的设计手部

31、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，通过比拟，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.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齿轮齿条式手部气缸的直径(1)

32、根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：P竺NR(2) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式：N 0.5Gtg()0.5 10 tg 605 4250 N所以：PN =490 NR(3) 实际驱动力：KiK2P实际P丄三因为传力机构为齿轮齿条传动，故取=0.94，并取K,=1.5.假如被抓取工件的最大加速度取 a=g时，如此：K21 a 2g所以：1 5 2P实际 4901563 N0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N2、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制弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为：F1 严 Ft F

33、z4式中：F1 活塞杆上的推力，NFt 弹簧反作用力，NFz气缸工作时的总阻力，NP气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算：Ft Cf 1 SCGdi4f 8D13 nDt D2 d1式中：Cf弹簧刚度，N/mL弹簧预压缩量，mS活塞行程，md1 弹簧钢丝直径，mDt 弹簧平均直径，mD2弹簧外径，mn弹簧有效圈数G弹簧材料剪切模量，一般取G-79.4X1护Pa在设计中，必须考虑负载率几的影响，如此：F1D4PFt4由以上分析得单向作用气缸的直径：114 F1 FtD ¥r代入有关数据，可得：CGd14f 8D13 nD=16.92(cm)缸筒壁厚的设93 4379.4 1 09 3

34、.5 1 0 3 / 8 30 1 0 3 1 53677.46 N /mFt Cf 1 S33367.6 60 10220.6N4 F1 Ft所以：D 1 P6 1/24490 220.6 /0.5 106 0.465.23 mm查有关手册圆整，得D=65 mm由d/D=0.20.3 , 可得活塞杆直径:d=(0.20.3)D=13 19.5 mm圆整后，取活塞杆直径d=18 mm校核，按公式 Ft 2/4d2有：d 4Ft/1/2其中 =120MPa, Ft=750N如此:d (4 490/120)1/2=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

35、厚度。 一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，其壁 厚可按溥壁筒公式计算：DPp/2式中：6缸筒壁厚mmD气缸内径，咖Pp实验压力，取PptPa材料为：ZL3, =3MPa代入己知数据，如此壁厚为：DPp/2=65 6 105/ 2 3 10610 3=6.5 mm取 =7.5 mm 2 =80 mm。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 X以与薄壁易碎 的玻璃器皿、弧形壳体零件等，尤其是玻璃器皿与非金 属薄片，吸附效果更 为明显。气流负压式吸盘气流负压式与钳爪式手部相比拟，气流负压式手部

36、具有结构简单，重量轻，外表吸附力分布均匀，但要求所吸附外表平整光滑、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，气体在稳疋流动状态下，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（咼压强）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）

37、，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

38、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.吸盘吸力的计算公式为：P= n D24K1K2K3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;Ki吸盘吸附工件在起动时的安全系数，可取K,月2-2，在此取K1=1.5;K2工作情况系数。假如板料间有油膜存在如此要求

39、吸附力大些；假如装有分料器，如此吸附力就可小些。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X围内选取。在此，取K2=2 :K3方位系数，吸盘垂直吸附时，如此K3=1/f，f为摩擦系数，橡胶吸盘吸附金属材料时， 取户0.50.8;当吸盘水平吸附时，取K3=l。在此，取K3=5.代入数据得：|'P 4 K1 K2 K3D T*n'50 4 1.5 2 1.5V1 3.14=16.92 cm3手腕结构设计手腕的自由度第四章手腕结构设计考虑到机械手的通用性，

40、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。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3600,并且要求严格的密封。4.2手

41、腕的驱动力矩的计算手腕的驱动力 矩的计算腕转动时所愉的驱动力矩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制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 与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。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：W = 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(Kg cm);M惯惯性力矩(Kg cm);M偏参与转动的零部件的重量(包括工件、手

42、部、手腕回转缸的动片)对转 动轴线所产生的偏重力矩 (Kg cm),.M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩(Kg cm);M封手腕回转缸的动片与疋片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 (Kg cm );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惯假如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，如此：M 惯=J J (N.cm)假如手腕转动时的角速度为，起动过程所转过的角度为，如此：2M 惯=J J1 £(N.cm)式中：J参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量(N cm- s2);J1工件对手腕转动轴

43、线的转动惯量2(N cm- s );。假如工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J为：G12J1 J g8gJ g工件对过重心轴线的转动惯量2(N cm- s );G 工件的重量(N);e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=G1 qG3e3式中：G 3手腕转动件的重量(N);e 3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，如此GeO .3、 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M摩M摩=f RAd2 RBd!式

44、中：d 1、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 mA F 0得：RB l+G3l 3=G2l 2 + G1l 1回转气缸同理，根据mB F0得：Gili G2I2 G3I3Ra =l式中:G 2手部的重量(N)1、丨2、丨3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。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

45、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，如此低压腔的气从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：pb R2 r2.M 4-92十2M或：P -2厂b R r图4-2回转气缸简图式中：M-回转气缸的驱动力矩(N cm);P-回 转气缸的工作压力(N cm);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。假如低压腔有一定的背压，如此上 式中的P应代以工作压力Pi与背压R之差第

46、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局部结构设计结构设计手臂的伸缩是直线运动，实现直线往复运动米用的 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拟多。 同时，气 压驱动的机械手手臂在进展伸缩（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

47、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中通有二根伸缩气管，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

48、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，上料时：F=15401.2=1850(N)下料时:F=9351.2=1120(N)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

49、气管结构， 其特点是机械手外观清晰、 整齐，并可防止气管的损伤，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。气压驱动的机械手手臂在进展伸缩（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

50、向杆来增加手臂的刚 性和导向性。手臂伸缩驱动力的计算D=100mm手臂作水平伸缩时所需的驱动力手臂伸缩驱动 力的计算图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。在单杆活塞气缸中，由于气缸的两腔有效工作面积不相等，所以左右两边的驱 动力和压力之间的关系式不一样。当压力油（或压缩空气）输入工作腔时，驱使手臂前伸（或缩回），其驱动力 应克制手臂在前伸（或缩回）起动时所产生的惯性力，手 臂运动件外表之间的密封装置处的摩擦阻力，以与回油 腔压力（即背压）所造成的阻力，因此，驱动力计算公式 为：P驱=P惯+ P摩+ P密+ P背N5-1式中:P惯手伶在起动过程中的惯性力（N

51、）;P摩一一摩擦阻力（包括导向装置和活塞与缸壁之 间的摩擦阻力）（N）;FfFzP密一一密封装置处的摩擦阻力（N），用不同形状的 密封圈密封，其摩擦阻力不同。结构设计P背一一气 缸 非工 作腔压力（即背压）所造成的 阻力（N），假如非工作腔与油箱或大气相连时，如此P背=0。其结构如附图所示。手臂升降装置由转柱1、升降缸活塞轴2、升降缸体3,碰铁4、可调定位块5、定位拉杆6、缓冲撞铁7、定位 块联接盘13和导向杆14等组成。转柱1上钻有a, b, c, d, e和f六条气路，在转柱上端用管接头和气管分别将压缩空气引到手腕回转气缸（用a, b气路）， 手部夹紧气缸（用d气路）和手臂伸缩气缸（用c,

52、 e气路），转柱下端的f气路， 将压缩空气引到升降缸上腔，当压缩空气进入上腔后，推动升降缸体 3上升，并 由两个导向杆14进展导向，同时碰铁4随升降缸体3 一同上移，当碰触上边的 可调定位块5后，即带动定位拉杆6,缓冲撞铁7向上移动碰触升降用液压缓冲 器进展缓冲。当J, K两面接触时而定位。上升行程大小通过调整可调定位块5来实现。最大可调行程为170mm缓冲行程根据抓重和手臂移动速度的要求亦可 调整，其X围为15-30mm,故上升行程最大值为200mm手臂下降靠自重实现。<<Fk女全。设计付 合要求。=12 mm手臂伸缩气缸的设计实现机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样 的，常用

53、的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动 机构、连杆机构等。在本机械手中，手臂回转装置由回 转缸体10、转轴11（它与动片焊接成一体，见E-E剖面）、 定片12、回转定位块8、回转中间定位块9和回转用液 压缓冲器（此部件位置参见附图）等组成。当压缩空气通 过管路分别进入手臂回转气缸的两腔时，推动动片连同 转轴一同回转，转轴通过平键而带动升降气缸活塞轴、 疋位块联接盘、导向杆、疋位拉杆、升降缸体和转柱等 同步回转。因转柱和手臂用螺栓连接，故手胃亦作回转 运动。手臂回转气缸采用矩形密封圈来密封，密封性能较 好，对气缸孔的机械加工 精度也易于保证。手臂回转运动采用多点定位缓冲装置，其工作原理 见回转用液压缓冲器局部。手臂回转角度的大小，通过 调整两块回转定位块 8和回转中间定位块9的位置而 定。1 驱动力计算根据手臂伸缩运动的驱动力公式：F=Ff + -一t其中，由于手臂运动从静止开始，所以 v=v, 摩攘系数:设计气缸材料为ZL3,活塞材料为45钢， 查有关手册可知f=0.17.质量计算：手臂伸缩局部主要 由手臂伸缩气缸、手臂回转气缸、夹紧气缸、手臂伸缩 用液压缓冲器、手爪与相关的固定元件组成。气缸为标 准气缸，根据中国某某气动元件厂的产品样本可估气缸的直径其质量，同时测量设计的有关尺寸，得