工业机械手的设计系统工作原理及组成

工业机械手的设计系统工作原理及组成内容摘要：

，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。 手部夹紧气缸的设计 手部驱动力计算 本课题气动机械手的手部结构如图 31所示 ： 图 31齿轮齿条式手部 其工件重量 G=5公斤， V形手指的角度 1202  ， mmRmmb 24120  ,摩擦系数为 f (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为 : 10 Rbp 2 N (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式 : )(25)42560()( 39。 NtgtgN   所以 : )(2452 NNRbp  (3)实际驱动力 :  21KKpp 实际 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取  ，并取 K。 若被抓取工件的最大加速度取 ga 3 时，则 : 412  gaK 所以 )( Np 实际 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 N1563。 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 : zt FFPDF  421  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 P 气缸工作压力， Pa 弹簧反作用按下式计算 : )1( sGF ft  nDGdGf 3141 nDGdGdf 31418 式中 : fG 弹簧刚度， N/m 11 1 弹簧预压缩量， m s 活塞行程， m 1d 弹簧钢丝直径， m 1D 弹簧平均直径， . n 弹簧有效圈数 . G 弹簧材料剪切模量，一般取 PaG  在设计中，必须考虑负 载率  的影响，则 : tFpDF  421  由以上分析得单向作用气缸的直径 : p FtFD )(4 1  代入有关数据，可得 )/( 6 7715)1030(8 )( 433 393141 mNnDGdGf    )()1( 3 NsGF ft   所以 : )( )(4)1(4 6 mmpn FtFD    查有关手册圆整，得 mmD 65 由 Dd ,可得活塞杆直径 : mmDd )(  圆整后，取活塞杆直径 mmd 18 校核，按公式 ][)4//( 21  dF 有 : ])[/14( Fd  其中， [ ] MPa120 ， NF 7501  则 : )1 2 0/4 9 04(  d 满足实际设计要求。 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 12 D 气缸内径， mm pP 实验压力，取 PPp  , Pa 材料为 :ZL3,[ ]=3MPa 代入己知数据，则壁厚为 : )()1032/(10665][2/ 65 mmDP p   取  ，则缸筒外径为 : )( mmD  13 第四章 手腕结构设计 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 360 ，并且要求严格的密封。 手腕的驱动力矩的计算 手腕转动时所需的驱动力矩 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 41所示为手腕受力的示意图。 图 41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 : 封摩偏惯驱 MMMMM  式中 : 驱M 驱动手腕转动的驱动力矩 ( cmN )。 14 惯M 惯性力矩 ( cmN )。 偏M 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 ( cmN ). 封M 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 ( cmN )。 下面以图 41所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算 : 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 : ).(1 cmNtJJM  ）（惯 式中 :J 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 )..( 2scmN。 1J 工件对手腕转动轴线的转动惯量 )..( 2scmN。 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 1J 为 : 211 1egGJJ c  式中 : cJ 工件对过重心轴线的转动惯量 )..( 2scmN : 1G 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)。  — 起动过程所转过的角度 (弧度 )。 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 )(3311 cmNeGeGM 偏 式中 : 3G 手腕转动件的重量 (N)。 3e 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 011 eG . 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 封M ）（封 cmNdRdRfM BA  )(2 12 式中 : 1d ， 2d 转动轴的轴颈直径 (cm)。 f 摩擦系数，对于滚动轴承 f ，对于滑动轴承 f。 AR , BR 处的支承反力 (N)，可按手腕转动轴的受力分析求解， 根据 0 ）（ FMA ,得 : lGlGlGlR B 12233  15 l lGlGlGR B 332211  同理，根据 0 (F) BM ,得 : l llGllGllGR A )()()( 332211  式中 : 2G 的重量 (N) 321 , llll ,— 如图 41所示的长度尺寸 (cm). 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，它的原理如图 42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。 单叶气缸的压力 P驱动力矩 M的关系为 : )( 2 22 rRb Mp  或 2 )(22 rRpbM  手腕回转缸的尺寸及其校核 气缸长度设计为 mmb 100 ,气缸内径为 1D =96mm,半径 mmR 48 ,轴径mmD 262  2D =26mm,半径 mmR 13 ,气缸运行角速度  = s/90 ，加速度时间 16 t =, 压强 MPaP  , 则力矩 ： ).( )( )( 22622 mNrRpbM  （ 1） 测定参与手腕转动的部件的质量 kgm 101  ,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径 mmr 50 的圆盘上，那么转动惯量： ）（ 2221 .0 1 2 mkgrmJ  工件的质量为 5kg ,质量分 布于长 mml 100 的棒料上，那么转动惯量 ： ).(0 0 4 222 mkgmlJ c  假如工件中心与转动轴线不重合，对于长 mml 100 的棒料来说，最大偏心距 mme 501  ，其转动惯量为 : ).( 22211 mkgemJJ c  ).()0 1 1 ()( 1 mNtJJM  惯 （ 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为 M偏，考虑手腕转动件重心 与转动轴线重合， 01e ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 mme 503  ,则 ： ).( mNeGeGM 偏 （ 3） 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 摩M ，对于滚动轴承 f ，对于滑动轴承 f =， 1d ， 2d 为手腕转动轴的轴颈直径， mmd 301  , mmd 202  , AR , BR 为轴颈处的支承反力，粗略估计 NRA 300 , NRB 150 , ).()()(2 12 mNdRdRfM BA 摩 （ 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。 在此处估计 封M 为 摩M的 3倍， 17 ).( mNMM  摩封。