工业机械手设计论文

工业机械手设计论文内容摘要：

回转 φ 行程范围 0— 180186。 速度 小于 90186。 /s 手指夹持范围：棒料 半 径 40— 70mm， 棒料 长度 450— 1200mm ，重量 30kg 机械手的工作 过程 机械手的结构和各部分动作示意图，如 图 所示。 机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。 分析工作 过程。 机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降 —— 加紧工 件 —— 上升 —— 右移 —— 再下降 —— 放松工件 —— 在上升 —— 左移八个 作，完成一个工作 周期。 机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。 5 为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。 为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。 图 机械手的结构和各部分动作示意图 1伸缩液压缸 2夹持器液压缸 3机械手手部 4大梁 5电机 控制方面的要求 ： 为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周期和连续 工作方式。 (1)手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。 例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。 手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。 (2)单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。 (3)单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。 (4)连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连续工作方式下设置两种停车状态： 正常停车：在 正常工作状态下停车。 按下复位按钮，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。 紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。 按下紧急停车按钮，机械手停止在当前状态。 当故障排除后，需手动回到原点。 工业机械手的设计 6 抓取机构设计 手部设计计算 、对手部设计的要求 （ 1） 有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏棒料的已加工表面。 对于刚性很差的棒料夹紧力大小应该设计得可以调节，对于本应考虑采用自锁安全装置。 （ 2） 有足够的开闭范围 本机械手手部的 手指有张开和闭合装置。 工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。 手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如 图 所示： 图 机械手手部图 1销 2连接杆 3夹持板 （ 3）力求结构简单，重量轻，体积小 手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。 因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。 （ 4）手指应有一定的强度和刚度 （ 5） 其它要求 对于夹紧机械手，根据工件的形状为圆形棒料，因此最常采用的是外卡式两 指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。 此种结构较为简单，制造方便。 手部力学分析 通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧 7 装置采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手抓张开。 下面对其结构进行力学分析： 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，两手指的滑槽对销轴的反作用力为 1F 和 2F ， 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 和 B。 ［ 6］ 由  0xF 得 21 FF  0yF 得cos21 FF   11 FF 由  0)(FM 得 bFhF N1 又因为 cosah 所以 NFabF 2cos2 a — 手指的回转支点到对称中心线的距离 （ 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  40~30。 图 滑槽杠杆式手部结构原理图 1—— 手指 2—— 销轴 3—— 杠杆 夹紧力与驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向与作用点进行分析、计算。 一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生动的载荷，以使工件保持可靠的加紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下式计算： ［ 7］ GKKKFN 321 式中 1K — 安全系数，通常 ~ ； 工业机械手的设计 8 2K — 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按gaK 12,其中 a 是重力方向的最大上升加速度，响tVa max ， g 是重力加速度， 2/ smg。 maxV —— 运载时工件最大上升速度； 响t — 系统达到最高速度的时间，一般选取 ~ ； 3K — 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择； G — 被抓取工件所受重力； 表 驱动力与液压缸工作压力关系图 ［ 1］ 作用在活塞上外力 F(N) 液压缸工作压力 MPa 作用在活塞上外力 F(N) 液压缸工作压力 MPa 5000 ～ 1 20200～ 30000 ～ 5000～ 10000 ～ 30000～ 50000 ～ 10000～ 20200 ～ 50000 ～ 设  30,80,40 mmbmma ,机械手达到最高响应时间为 ， 求夹紧力 NF ，驱动力 F 和驱动液压缸的尺寸。 （ 1）设 K gaK 12 设 smmV /70max  st 响 因此 2m a x / smtVa  响 所以 2 K 设 K 根据以上公式得： NF N  （ 2）根据驱动力 公式得： NFabF N 30c o s802c o s2 22  计算 由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率  ， 一般取~。 （ 3）取  NFF 5 3 0  计算实际 即 NF 驱 （ 4）确定液压缸的直径 D 因为 4 )( 22 PdDF  实际 9 选取活塞杆直径 Dd  ，选择液压缸工作压力 MPaP 1~。 所以 mP FD )( )(4 262    实际 根据液压缸内径系列（ JB82666），选取液压缸的内径为： mmD 50 则活塞杆直径为： mmDd  . 所以手部夹紧液压缸的主要参数为： 表 手部夹紧液压缸的主要参数 液压缸内径 D 活塞杆直径 d 工作压力 p 驱动力 F 50mm 25mm 手抓夹持范围计算 为了保证手抓张开角为 120 ,设手抓长为 mm100 ， 当手抓没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径 mmR 40min  ,当张开角为 120 时 ,根据双支点回转型手抓的误差分析，取最大夹持半径 mmR 60max 。 所以机械手的夹持半径为 mm60~40。 手抓夹持精度的分析计算 机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也与机械手夹持误差大小有关，特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。 ［ 2］ 图 手抓夹持误差分析示意图 以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持半径为 mm60~40 ， 一般夹持 误差不超过 mm1 ,分析如下： 工件的平均半径： 工业机械手的设计 10 mmR 502 6040 平均 手抓长 mmL 100 ， 取 V 型夹角 1202 偏转角  按最佳偏转角确定：   50cossincos 1平均1  L R 计算得 mmLR o s60s in100c o ss in0   式中 0R — 理论平均半径 因为 min0max RRR  2222m a x2m a x21 s inc o ss in2s in aLaRLRL   ）（ 222222 i o s60s i n 601002)60s i n 60(100   2222m i n2m i n22 s inc o ss in2s in aLaRLRL   ）（ 222222 i o s60s i n 401002)60s i n 40(100  a  所以  夹持误差满足设计要求。 机械手腕部设计计算 腕部设计的基本要求 （ 1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能，因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 （ 2） 结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支撑作用，除保证力和运动的要求外， 要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的联接。 11 （ 3） 工作条件 对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。 腕部的结构选择 腕部的结构有四种，分别为： （ 1） 具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构 直接用回转液压缸驱动，实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛使用。 （ 2） 用齿条活塞驱动的腕部结构 在要求回转角大于 270176。 的情况下，可采 用齿条活塞驱动腕部结构。 （ 3）具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构 它使腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度。 （ 4） 机 — 液结合的腕部结构 此手腕具有传动简单、轻巧等特点，但结构有点复杂。 本设计要求手腕回转180176。 ，综合以上分析考虑，腕部结构选择具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构。 腕部回转力矩计算 腕部在回转时一般需要克服以下三种阻力： （ 1） 腕部回转支承处的摩擦力矩 摩M 为简化计算，一般取 总力矩摩 MM  （ 2） 克服由于工件重心偏置所需的力矩 偏M eGM 1偏 式中 1G — 夹持工件重量 )(N ； e— 工件重心到手腕回转轴线的垂直距离 )(m ； （ 3） 克服启动惯性所需的力矩 惯M 启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度  及启动所需时间 启t ， 按下式计算： 启工件惯 tJJ)(M  工业机械手的设计 12 或者根据腕部角速度  及启动过程转过的角度 启 计算： 启工件惯 2)(M 2JJ  式中 工件J — 工件对手腕回转轴线的转动惯量 )( 2smN  ； J— 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量 )( 2smN  ； — 手腕回转过程的角速度 )/( srad ； 启t — 启动过程。