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1、目录目录摘要IVABSTRACTV1 前言1.1 工业机械手的分类.- 1 -1.1.1 按规格所搬运的工件重量分类.- 1 -1 微型的搬运重量在 1kg 以下。 .- 2 -1.1.2 按功能分类.- 2 -1.1.3 按用途分类.- 2 -1.2 工业机械手的组成.- 3 -1.2.1 执行机构.- 4 -驱动机构.- 4 -控制系统.- 5 -基体机身.- 5 -1.3 工业机械手在生产中的作用.- 5 -建造旋转体零件轴类、盘类、环类自动线.- 5 -在实现单机自动化方面.- 5 -铸、锻、焊、热处理等加工方面.- 6 -1.4 工业机械手设计的目的.- 6 -1.5 工业机械手设计
2、的内容.- 7 -1.6 工业机械手的技术发展方向.- 8 -2 机械手总体设计方案2.1 原始数据主要参数.- 9 -2.2 工业机器人总图及其技术特性 .- 10 -2.3 选择电动机 .- 12 -选择电动机的类型和结构型式.- 12 -2.3.2 确定电动机的容量.- 13 -确定电动机转速.- 14 -3 机械手手部的设计计算3.1 手部设计基本要求 .- 14 -3.2 典型的手部结构.- 15 -3.3 机械手手抓的设计计算 .- 15 -选择手抓的类型及夹紧装置.- 15 -3.3.2 手抓的力学分析.- 15 -夹紧力及驱动力的计.- 17 -手抓夹持范围计算.- 19 -3
3、.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 .- 19 -3.5 弹簧的设计计算 .- 21 -4 手臂伸缩机构载荷的计算.- 23 -5 初选系统工作压力.- 24 -6 轴的设计6.1 轴的材料和热处理的选择.- 25 -6.2 轴几何尺寸的设计计算 .- 25 -按照扭转强度初步设计轴的最小直径.- 25 -6.2.2 轴的结构设计.- 26 -强度计算：.- 27 -7 液压系统的设计7.1 液压系统简介.- 29 -7.2 液压系统的组成 .- 29 -7.3 机械手液压系统的控制回路.- 30 -7.3.1 压力控制回路.- 30 -7.3.2 速度控制回路.- 30 -7.4 液压系统元
4、件的选择.- 31 -7.5 液压系统回路的分析.- 31 -7.5.1 调压回路.- 31 -7.5.2 缓冲回路.- 32 -7.5.3 调速回路.- 32 -7.5.4 换向回路.- 33 -7.5.5 锁紧回路.- 33 -7.5.6 保压回路.- 34 -结论.- 35 -谢 辞- 36 -参考文献.- 37 -附 录.- 38 -摘 要在当今大规模的制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的自动化程度,工业机械手作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业认同并采用。工业机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家的工业自动化水平。目前,工业机器人主要承担着
5、焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重要性并且劳动强度极大的工作,工作方式一般采取试教在线的方式。本文将设计一台五自由度的工业机械手,用于在带有数控装置的机床时,工业机器人用以取下毛坯和零件,更换刀具和其他辅助操作。全面详尽地讨论了直角坐标机械手的手部,腕部,手臂以及机身等主要部件的结构设计,其中包括机械部分的零部件,比如滚珠丝杠,联轴器,单轴驱动器的使用条件,种类选型,设计基本要求,优点特点分析,结构设计,基本参数的选定,计算与校核,以及安全性的分析。还有控制部分的各电机的马达型号,种类,简介,控制步骤分析,部分控制程序的编写,运行特性分析,基本参数的计算和校核。最终实现的目标包括：实现步进电机的开环
6、控制,通过手臂的执行机构实现空间任意位置的抓取,实现手部快速,有效的抓取物体,有良好的传感和限位功能使每个自由度上的运停快速,准确。做到尽量体积小,重量轻,功耗低,维护方便,外形美观,动作灵敏,传动平稳,程序简洁,运行误差小等优点。关键词关键词：机械手；示教编程；伺服；制动Design of mechanical structure for CNC machine tool industry robot ABSTRACTIn todays large-scale manufacturing enterprises to improve production efficiency, ensuri
7、ng product quality, universal attention degree of automation of the production process, industrial robots as an important member of automated production lines, and gradually recognized and adopted by businesses. Technical level and degree of application of industrial robots to a certain extent, refl
8、ect a countrys level of industrial automation. At present, the importance of industrial robots is mainly responsible for welding, painting, handling and palletising and labor-intensive work great, work in general, try to teach online.This paper will design a five degrees of freedom of the industrial
9、 robot, when used with the machine in the numerical control device, industrial robots and to remove the blank parts, replace tools and other support operations. Comprehensive and detailed discussion of the structural design of rectangular coordinates robot hand, wrist, arm and body and other major c
10、omponents, including parts of the mechanical parts, such as ball screws, couplings, single-axis drive conditions of use, species selection, basic design requirements, advantages Characteristics of selected structural design, basic parameters, calculation and verification, and analysis of security. T
11、here controlling each motor section of the motor model, type, profile, controlling step analysis, the preparation part of the control program, the operating characteristics of the analysis, the basic parameters of the calculation and verification.Goal ultimately include: stepper motor open loop cont
12、rol, crawl space anywhere through the arm actuator to achieve the hand quickly and effectively crawl objects, good sense and limit functions make every DOF on transport stop fast and accurate. Do as much as possible small size, light weight, low power consumption, easy maintenance, beautiful appeara
13、nce, quick action, smooth transmission, the program is simple, run error is small.Key Words:manipulator；teaching programming; se1 前 言机械工业是国民的装备部,是为国民经济提供装备和为人民提供耐用消费品的产业,不论是传统产业,还是新兴产业,都离不开各种各样的机械设备。机械工业所提供装备的性能、质量和成本,对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要指标。因此,世界各国都把发展机械工业作为发展本
14、国经济战略重点之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备,工业机械手的工业机器人的一个重要分支,它的特点是通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性,机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置,在现代化生产过程中,机械手被广泛的运用于自动化生产线中,机器人的研制和生产已成为高技术领域内,迅速发展起来的一门新兴技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它
15、具有能不断重复和劳动,不知疲劳,不惧危险,抓举重物的力量比人手大的特点,因此机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛的得到了应用。机器人并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备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手技术涉及到力学,机械学,电气液压技术,自动控制技术,传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨多种学科的综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重
16、新编程序以变动的多功能机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。1.1 工业机械手的分类目前,我国对工业机械手尚无交统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功能或用途等来分类。1.1.1 按规格所搬运的工件重量分类1 微型的搬运重量在 1kg 以下。2 小型的搬运重量在 10kg 以下。3 中型的搬运重量在 50kg 以下。4 大型的搬运重量在 500kg 以下。目前大多数工业机械手能搬运的重量为 1-30kg。最小的为 0.5kg,最大的已达800kg。1.1.2 按功能分类1 简易型工业机械手 有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓或挡块转鼓控制,可变程序用插销板
17、或转鼓控制来给定程序。近年来,普遍采用可编程序控制器PC 组成控制系统。这种机械手多为气动或液动,结构简单,价格便宜,改变程序较容易。只适用于程序较简单的点位控制,但作为一般单服务的搬运作业已足够。所以,目前这种工业机械手数量最多。2 记忆再现型工业机械手 这种工业机械手有人工通过示教装置领动一遍,有记忆元件如磁盘、磁带或存储器把程序记录下来,以后机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这是采用较多的一种,多为电液伺服驱动。与前者相比较,有较多的自由度,能进行程序较复杂的作业,通用性较强。3 计算机数字控制的工业机械手 可通过更换穿孔带或其它记忆介质来改变工业机械手的动作程序,还可以进行多机
18、控制DNC。计算机可以是可编程序控制器或微型计算机。4 智能工业机械手 有计算机通过各种传感元件等进行控制,具有视觉、热觉、触觉、行走机构等。1.1.3 按用途分类1 专用机械手附属于主机的,具有固定的程序而无独立的控制系统的机械装置。这种机械手工作对象不变,动作固定,结构简单,实用可靠,适用于成批、大量生产的生产自动线或专机作为自动上、下料用。2 通用机械手 具有独立控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大,定位精度高,通用性强,使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。1.2 工业机械手的组成工业机械手是由执行机构、驱动机构和控制系统所组成的,各部分关系如图1.1
19、所示,机械手的组成示意图如图1.2 所示。图 1.1 工业机械手组成框图图 1.2 工业机械手组成示意图1手指 2手部 3手腕回转液压缸 4导向杆 5手臂伸缩液压缸6手臂回转液压缸 7手臂升降液压缸 8液压系统控制阀9液压泵电动机 10液压泵 11油箱1.2.1 执行机构执行机构由抓取部分手部、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。1 手部 详见第三章,即直接与工件接触的部分,一般是回转型或平移型多为回转型,因其结构简单。手爪多为两指也有多指；根据需要分为外抓式或内抓式两种；也可用负压或真空式的空气吸盘它主要用于吸取冷的,光滑表面的零件或薄板零件和电磁吸盘。传力机构型式较多,常用的有：滑槽杠杆式
20、、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮杠杆式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。2 腕部 详见第四章,是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓物体的方位即姿态。3 臂部 手臂是支撑被抓物体、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物体,并按预定要求将其搬运到给定的位置。手臂有三个自由度,可采用直角坐标系前后、上下、左右都是直线,圆柱坐标系前后、上下直线往复运动和左右旋转,球坐标系前后伸缩、上下摆动和左右旋转和多关节手臂能任意伸缩四种方式。直角坐标占空间大,工作范围小,惯性小,所以一般不多用,只有在自由度数较少时用之。圆柱坐标占空间较小,工作范围较大,但惯性也大,且不能抓取底面物体。球坐标式和多关节式
21、占用空间小,工作范围较大,惯性小,所需动力小,能抓取底面物体,多关节还可以绕障碍物选择途径,但多关节式结构较复杂,所以也不多用。目前常用的是球坐标式和圆柱坐标式的工业机械手。4 行走机构 有的工业机械手带有行走机构。1.2.2 驱动机构有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快,结构简单,成本低。采用点位控制或机械挡块定位控制时,有较高的重复定位精度,但臂力一般在 300N 以下。液动式的臂力可达 1000N 以上,且可用电液伺服机构,可实现连续控制,使工业机械手的用途和通用性更广,定位精度一般在 1mm 范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型,机械式只用于动作简单的场合
22、。1.2.3 控制系统有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。1.2.4 基体机身基体是整个机械手的基础。1.3 工业机械手在生产中的作用机械手在工业生产中的应用极为广泛,可以归纳为以下一些方面。1.3.1 建造旋转体零件轴类、盘类、环类自动线一般都采用机械手在机床之间传送工件。国内已建成的这类自动线很多,如 XX 水泵厂的深井泵轴承体加工自动线环类,XX 电机厂的 4 号和 5 号电动机轴加工自动线轴类,上海拖拉机齿轮厂的齿柸加工自动线盘类等。加工
23、箱体类零件的组合机床自动线,一般采用随行夹具传送工件,也有采用机械手的,如上海动力机厂的气缸盖加工自动线转位机械手。1.3.2 在实现单机自动化方面1 各类半自动车床,有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能,但仍需人工上下料；装上机械手,可实现全自动生产,一人看管多台机床。目前,机械手在这方面应用最多,如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手,XX 第二机床厂的自动循环液压仿形车床机械手,XX 第三机床厂的 Y38 滚齿机械手,XX 第二机床厂的滚齿花键机床机械手等。由于这方面使用已有成熟的经验,国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械手,或为用户自行安装机械手提供条件。2 注
24、塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环,装上机械手自动装卸工件,可实现全自动生产。3 冲床有自动上下料冲压循环,装上机械手上下料,可实现冲压生产自动化。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是 160t 以上的冲床用机械手的较多。如 XX 低压开关厂 200t 冲床磁力起动器壳体下料机械手和天津拖拉机厂 400t 冲床的下料机械手等；一是用于多工位冲床,用作冲压件工位间步进,如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手生产线中有两台多工位冲床和天津二轻局技术研究所制作的 12t 和 40t 多工位冲床机械手等。1.3.3 铸、锻、焊、热处理等加工方面在模锻方面,国内大批量生产的 3t、5t、1
25、0t 模锻锤,其所配的转底炉,用两只机械手成一定夹角布置在炉前,实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、XX 拖拉机厂等已有较成熟的经验。总的来说,工业机械手满足了社会生产的需要,其特点是：1 对环境的适应性强,能代替人从事危险、有害的操作,在长时间工作对人体有害的场所,机械手不受影响,只要跟据工作环境进行合理设计,选择适当的材料和结构,机械手就可以在异常的高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下,以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。为了谋求操作安全和彻底防止公害,在工伤事故多的工种,如冲压、压铸、热处理、钢造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊接等作业中,推广工业机械手或机器人
26、。2 由于机械手的动作准确,因为可以稳定和提高产品的质量,同时又可以避免人为的操作错误。3 机械手能持久、耐劳,可以把人从繁重单调的劳动中解放出来,并能扩大和延伸人得功能。人在连续工作几小时后,总会感到疲劳或厌倦,而机械手只要注意维护、检修,即能胜任长时间的单调重复劳动。4 机械手特别是通用工业机械手的通用性,灵活性好,能较好的适应产品品种的不断变化,以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置或轨迹能够十分灵活快速地予以改变,而其众多的自由度,又提供了迅速改变作业内容的可能,在中、小批量的自动化生产中,最能发挥其作用。5 采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。1.4 工业机械
27、手设计的目的工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程机电一体化等专业的一个重要的教学环节,是学完技术基础课程及有关专业课以后的一次专业课程的综合设计。通过设计提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构设计的能力、机电一体化系统设计能力,掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过这一教学环节要求可以达到：1 通过设计,把有关课程机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动机械设计等中所获得的理论知识在实际中综合地加以应用,使这些知识得到巩固和发展,并使理论知识和生产密切的结合起来。因此,工业机械手设计是有关专业基础课和专业课以
28、后的综合性的专业课程设计。2 工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一次比较完整的机电一体化整机设计。通过设计,培养学生独立的机械整机设计的能力,树立正确的设计思想,掌握机电一体化机械产品的基本方法和步骤,为自动机械设计打下良好基础。3 通过设计,使学生能熟练地应用有关资料、计算图表、手册、图册和规范；熟练有关国家标准和部颁标准,已完成一个工程技术人员在机械整机设计方面必须具备的基本技术训练。4 由于整个机械手设计工作量大为了是学生在几个周之内得到一个完整的训练,因此此次设计我们小组四个人分工协作一个完整的工业机械设计。这样既能培养学生独立工作与分工协作完成大型设计的能力,
29、又解决了工作量大、时间短的矛盾。1.5 工业机械手设计的内容要求本设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体化技术,是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。尽管机电一体化的产品名目较多,并由于它们的功能不同而有不同的形成和复杂程度,但做功的机械本体部分包括动力装置和微电子控制部分包括信息处理是其最基本的、必不可少的要素。我们选择工业机械手作为毕业设计题目,无论从内容的深度、份量以及覆盖各科知识面的程度来衡量都是适当的。此设计要就我们组各成员完成以下工作：1 拟定整体设计方案,特别是传感、控制方式与机械本体的有机结合的设计方案。2 根据给定的
30、自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂身和机身的结构。3 各部分的设计计算。4 工业机械手工作装配图的设计与绘制。5 液压系统图的设计与绘制。6 机械手的运动分析。8 编写设计计算说明书。9 就本次设计参加答辩。1.6 工业机械手的技术发展方向现在工业机械手的应用简况：在现在工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程已基本得到解决。但在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的。因此,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计：美国偏重于毛坯的生产。日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展,应用的对象还有所改变。机械手在锻
31、造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件。国内机械手工业,铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料。减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床组合成一个综合的数控系统。采用机械手进行装配更是现在研究的重点,国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起,能确定零件的方位达到镶装的目的。国内外实际上使用的定位控制的机械手,没有视觉和触觉反馈。目前,世界各国正积极研制带有视觉和触觉的工业机械手,使它能对所抓取的工件进行分辨,选取所需要的工件,并正确地夹持工件,进而精确地在机器中定位、定向。为使机械手有眼睛去处理方位变化
32、的工件和法、分辨形状不同的零件,它有视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息,通过计算机进行图形分辨,判别是否是所要抓取的工作。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物体滑落下来,一般采用两种方法：一是检测把握物体手臂的变形,以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物体的滑动位移,来修正握力。因此,这种机械手就具有以下几个方面的性能：1 能准确地抓住方位变化的物体。2 能判断对象的重量。3 能自动避开障碍物。4 抓空或抓力不足时能检测出来。这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手,它是具有发展前途的。现在,工业机械手的使用范围只限于在简单的操作方面节省人力,其效用是代替
33、人从事繁重的工作和危险地工作,在恶劣的环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门,机械手的应用情况决不能说是很好的。虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐,但采用机械手只限于一小部分工序。其原因之一是,工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求,适于机械手工作的范围很狭小。另外经济性问题当然也很重要,采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而,利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求,今后还会持续增长,只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决,机械手的应用必将会飞跃发展。2 机械手总体设计方案2.1 原始数据主要参数1.额定载荷20kg2.自由度数53.最
34、大线位移 mm沿垂直轴500沿水平轴500 800 11004.最大角位移手臂相对垂直轴300手腕相对纵轴90 或 180手腕相对横轴 3.55.线位移速度范围 m/s沿垂直轴沿水平轴6.角位移速度范围 /s手臂相对垂直轴60手腕相对纵轴60手腕相对横轴307.最大定位误差 mm 18.夹持器夹紧力 N350 5009.夹紧松开时间 S210.按外直径被夹持直径范围 mm50-26811.重量数控装置除外 kg5702.2 工业机器人总图及其技术特性工业器人由操作机 l、可换夹持器 2和单独立柜式的数控装置 3 所组成。工业机器人操作机包括以下组合单元,其中可以有各种结构形式：4转动机构；5
35、一提升和下降机构；6手臂伸缩机构；7平衡器；8 一转动组件；空气贮存组件。定位式数控装置保证在圆柱坐标系中手臂位移、手腕的运动循环控制、夹持器的夹紧和松开,同时也传递机床、其它工艺装备工作循环启动指令和接受在这些工作循环后的回答指令。工业机器人可能有三种工作方式：1示教包括回零点、手控和沿每一坐标轴的步进位移、将坐标给定值、位移速度、被加工零件数量和其它引入存贮装置中；2自动机用于按给定的程序自动控制；3调节器主要用于机器人控制数据的准备和校正。工业机器人在数控车床上更换毛坯的典型工作循环包括以下步骤：工业机器人的手臂伸向车床卡盘；夹持加工零件；手臂返回到原点；手臂伸向循环台面；放下零件；夹持
36、下一个毛坯,将毛坯送向机床卡盘；将其在卡盘中夹紧；将毛坯松开；手臂返回到原点；开始在机床上的加工循环。同时被控制的坐标最大位移量可能是：1在定位工作状态或 2在循环工作状态。在工业机器人气动装备组成中有手腕转动驱动组件。转动组件按以下形式工作：在断开电磁铁 YA1 和 YA2 时,空气沿管道 1、2 和 3 进入气动马达 M2 的两腔。当接通气体分配器 P4 的电磁铁 YAI 并断开电磁铁 YA2 时,手腕相对于纵轴按逆时针方向旋转。此时,空气由气动马达 M2 YA2 并断开电磁铁 YAI,同样,手腕按顺时针方向旋转。转动组件按以下情况工作：在接通电磁铁 YA3 时,手腕按顺时针方向转动。此时
37、,空气通过分配器 P4 沿管道 5 进入气动马达 M1。在接通电磁铁 YA5 时,手腕产生加速运动：空气由气动马达 M1 通过分配器 P5,P3、节流阀 P 和消声器 2,沿管道 6、4、7 排放到大气中。当断开电磁铁 YA5,组件就产生减速运动：空气由气动马达 M1 仅通过分配器 P5 和节流阀 P 沿管道 6、4排放空气中。手腕在接通电磁铁 YA4 时,按逆时针方向转动。此时,空气通过分配 P5 沿管道 6 进入气动马达 M1。在接通电磁铁 VA5 时,组件加速转动：空气由气动马达 M1 通过分配器P4 和消声器 2,沿管道 5、4、7 排放到空气中。在断开电磁铁 YA5 时,组件减速转动
38、：空气由气动马达 M1 仅通过分配器 P4 和节流阀 P,沿管道 5、4 排放到空气中。在接通电磁铁 YAl 时,手腕相对其横轴向右转动,此时空气沿管道 2 进入气缸 ,并沿管道 3 通过分配器 P2,由气缸 排出。在接通电磁铁 YA2 时,手腕向左转动此时,空气沿管道 3 进入气缸 ,并沿管道 2通过分配器 Pl 由气缸排出。手臂升降机构作成单独组件形式包括手臂伸缩机构在内的机体 1,沿固定在上支承板 3 和 4 中两个导向柱可上下移动。在上支承板 3 上装有马达基座 5,在其内部装有电磁制动器 6。直流电动机 7 装在马达基座 5 上,通过齿形联轴器 8 与滚珠丝杠 9 相连。滚珠丝杠副的
39、螺母 10 紧固在手臂伸缩组件的机体 1 上。这样,电动机 7 的转动变为手臂的上下往复移动。用皱纹护套 11 来使丝杠防尘和污垢,橡胶缓冲器 12 用以缓和当手臂上下行程终端时的冲击。使用行程开关碰撞挡块 13 和 14 来控制位移速度。手臂伸缩机构在机体 1 后壁上固定着支架 2,支架上面安装直流电动机 3。电动机旋转通过齿形带4 传到滚珠丝杠副的丝杠 5 上,滚珠丝杠副的螺母 6 与支架 7 相连。在此支架上端固接着可在衬套 9 中前后移动的滑杆 8。支架 7 的下端带有滚柱沿着导轨 10 运动,它可防止滑杆 8 转动。在空心滑杆内,通过管 11 将压缩空气传送到内腔,并由此传到手腕和夹
40、持器的转动机构上。 缓冲器 12 用于减小手臂一滑杆 8 行程终点的冲击。为了控制位移速度的手臂位置控制由行程开关 13 来实现。滑杆 8 行程长度依手臂伸缩机构的结构形式而定。 M20.40.01 手腕转动结构转动组件可由结构形式 1 和 2 组成。装在机体 1 中的转动组合件由带从挡块到挡块双定位控制的,相对于纵轴的手腕转动机构和相对于横轴转动机构所组成。手腕转动由非整周转动的气动马达 2 产生,在其前轴端固定有杯形件 3,在杯形件外表面装有驱动手腕转动的气体分配装置 4,而内部在轴承上有衬套 5,它带有法兰以固定可换夹持器。衬套 5 用键与气动马达 2 的轴相连。在转动组件的另一端是止动
41、机构 6,它与气动马达 2 的轴刚性相连。按照装好的可更换的双臂杠杆形式止动机构,可以将手腕的角位置限制在 090方案 l 或在 0180范围之内。在机体 l内装有缓冲器 7,以减小止动机构 6 接近可调挡块 8 时的冲击,另外还有终点位置微动转换开关 12。在转动组件中还有手腕相对于其横轴 9 的摆动角手动调整机构。摆动角用安装在静止的法兰 11 上的螺钉 10 来调节。转动组件可由结构形式 22 气动马达 I 轴的旋转通过驱动的平面齿形带 2 传到轴 3。在此轴上又装有电磁制动器 4,以保证手腕转动急停。在接通电磁铁时,解除轴的制动状态,轴 3 的转动传到谐波齿轮减速器的渡发生器 5上,它
42、能使驱动装置的输出转矩放大。为控制转动组件的角度位置,使用端点和中间位置无触点传感器 6、7,由其发出的脉冲进人工业机器人控制装置。传感器的分辨率为 0.1,以保证在整个-90+180范围内放置手腕转角稳定在0.3范围内。保证手腕相对于横轴在3.5范围内转动是由气缸来实现的。其活塞杆作用在转动组件机体支架中的销钉上。角度位置由行程微动转换开关来控制,并由挡块来调节。2.3 选择电动机2.3.1 选择电动机的类型和结构型式电动机类型和结构型式可以根据电源种类直流、交流、工作条件温度、环境、空间尺寸和载荷特点性质、大小、起动性能和过载情况来选择。工业上广泛应用Y系列三相交流异步电动机。它是我国20
43、世纪80年代的更新换代产品,具有高效、节能、振动小、噪声小、和运行安全可靠的特点,安装尺寸和功率等级符合国际标准,适合于无特殊要求的各种机械设备。对于频繁起动。制动、和换向的机械如起重机械,宜选用转动惯量小、过载能力强、允许有较大振动和冲击的YZ型或YZR型三相异步电动机。为适应不同的安装需要,同一类型的电动机结构又制成若干种安装型式,供设计时选用。2.3.2 确定电动机的容量电动机容量功率选的合适与否,对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时,电动机不能保证工作机的正常工作,或使电动机因长期过载发热量大而过早损坏；容量过大则电动机价格高,能量不能充分利用,经常处于不满载运行,其效
44、率和功率因数都较低,增加电能消耗,造成很大浪费。电动机容量主要根据电动机运行时的发热条件来决定。电动机的发热与其运行状态有关。对于长期连续运转、载荷不变或变化很小、常温下工作的机械,只要所选电动机的额定功率mP等于或略大于所需电动机功率0P,即0mPP ,电动机在工作时就不会过热,而不必校验发热和起动力矩。具体计算步骤如下：1计算工作机所需功率WP工作机所需功率WPkW应由机器的工作阻力和运动参数确定。可由工作参数WF、W、WT、Wn等按下式计算式中,WF是工作机的阻力N；W是工作机的线速度m/s;WT是工作机的转矩Nm；Wn是工作机的转速r/min;WP是工作机的效率,对于带式运输机,一般取
45、96. 094. 0W。2计算电动机所需功率0P电动机所需由工作机所需功率和传动装置的总效率按下式计算式中,为由电动机至工作机的传动装置总效率。传动装置总效率应为组成传动装置的各个运动副效率的乘积,即：321n。n.,321，分别为传动装置中每一级传动副齿轮传动、蜗杆传动、带传动或链传动等、每对轴承或每个联轴器的效率。3确定电动机的额定功率mP电动机的额定功率通常按下式计算mP=1.30P=1.31.05kW =1.365kW2.3.3 确定电动机转速容量相同的同类电动机,其同步转速有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min 4种。电动机转速越高,则磁极数越
46、少,尺寸和重量越小,价格也越低。但电动机转速与工作机转速相差过多势必造成传动系统的总传动比加大,致使传动装置的外廓尺寸和重量增加,价格提高。而选用较低转速的电动机时,则情况正好相反,即传动装置的外廓尺寸和重量减小,而电动机的尺寸和重量增大,价格提高。因此,在确定电动机转速时,应进行分析比较,权衡利弊,选择最优方案,最终选择型号为Y90L-4,额定功率为1.5kW,转速为1440r/min的三项异步电动机。其净重为27kg,在满足技术要求的前提下,大大减小了整体重量。对于专用传动装置,并设计功率按实际需要的电动机功率0P来计算；对于通传动装置,其设计功率按电动机的额定功率mP来计算。传动装置的输
47、入转速可按电动机额定功率时的转速即满载转速mn来计算。3 机械手手部的设计计算3.1 手部设计基本要求1 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下,不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。2 手指应具有一定的张开范围,手指应该具有足够的开闭角度手指从张开到闭合绕支点所转过的角度,以便于抓取工件。3 要求结构紧凑、重量轻、效率高,在保证本身刚度、强度的前提下,尽可能使结构紧凑、重量轻,以利于减轻手臂的负载。4 应保证手抓的夹持精度。3.2 典型的手部结构1 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种2 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动3 平面平移型3.3 机械手手抓的设计计算3
48、.3.1 选择手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计,考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=060,夹取重量为30Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的,因此不选择这种类型。通过
49、综合考虑,本设计选择二指回转型手抓,采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置,它在弹簧的作用下机械手手抓闭和,在压力油作用下,弹簧被压缩,从而机械手手指张开。3.3.2 手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图 3.1a 为常见的滑槽杠杆式手部结构。 图 3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指 2销轴 3杠杆在杠杆 3 的作用下,销轴 2 向上的拉力为 F,并通过销轴中心 O 点,两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为 F1和 F2,其力的方向垂直于滑槽的中心线1oo和2oo并指向o点,交1F和2F的延长线于 A 及 B。由xF=0 得 12FFyF=0 得由01
50、M F=0 得1NFFh2cosNbFFa 3.1式中 a手指的回转支点到对称中心的距离mm.工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知,当驱动力F一定时,角增大,则握力NF也随之增大,但角过大会导致拉杆行程过大,以及手部结构增大,因此最好=030040。3.3.3 夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说,需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷,以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算： 123NFK K K G 3.2式中 1K安全系数,通常 1.22.0
