气动通用上下料机械手的总体方案设计-手部结构设计doc51页

气动通用上下料机械手的总体方案设计-手部结构设计doc51页内容摘要：

(采用 PLC) 18 图 2 6机械手的工作范围 Work Range of Manipulator 19 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。 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。 设计时考虑的几个问题 (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。 20 (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 32所示，其工件重量 G=10 公斤， “ V” 形手指的角度 2 =120176。 ， b=120mm， R=24mm,摩擦系数为 f=。 图 32 齿轮齿条式手部 Gear Wheel Hand 21 (1)根据手部结构的 传动示意图，其驱动力为 : NR2bP (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式 :    NtgG t gN )( `   所以： NR2bP =490（ N） (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 1K =. 若被抓取工件的最大加速度取 a=g 时，则 : 212  gaK 所以：  NP 实际 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 1563N。 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 : 22  SlCF ft  nDGdCf 31418 12 dDDt  式中 : fC —— 弹簧刚度， N/m L—— 弹簧预压缩量， m S—— 活塞行程， m d1 —— 弹簧钢丝直径， m Dt —— 弹簧平均直径， m D2—— 弹 簧外径， m n —— 弹 簧 有效 圈数 G—— 弹簧 材料剪切模量，一般取 G= 1 护 Pa 在设计中，必须考虑负载率几的影响，则 : tFpDF  421  由以上分析得单向作用气缸的直径 : p FFD t  14 代入有关数据，可得 ： nDGdCf 31418      mN / 1510308/3439  23  SlCF ft  3  所以： p FFD t  14       2/16   查有关手册圆整，得 D=65 mm 由 d/D=～ ， 可得活塞杆直径 :d=(～ )D=13～ mm 圆整后，取活塞杆直径 d=18 mm 校核，按公式   24/ dFt 有 :    2/1/4 tFd  其中  =120MPa, Ft =750N 则 :d  (4490/ 120) 2/1 =  18 满足设计要求。 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 D—— 气缸内 径 ，咖 Pp —— 实验压力，取 Pp = Pa 24 材料为 : ZL3,[ ] =3MPa 代入己知数据，则壁厚为 :   2/pDP =   365 101032/10665  = mm 取  = mm，则缸筒外径为 :D=65+ 2 =80 mm。 气流负压式吸盘 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 Principium Diagram Of Eject Airflow 25 喷射式气流负压吸盘的工作原理如图 33 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 = 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 34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。 26 1. 株胶吸盘 图 3 4 可 调喷 射 式 负 压 吸 盘 结构 Structure of Adjustable Ejective Minus Pressure Cupula 下面计算吸盘的直径 . 吸盘吸力的计算公式为 : P=32124 KKK Dn 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。 1K —— 吸盘吸附工件在起动时的安全系数，可取 K,月 22，在此取 1K =。 2K —— 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 27 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 2K =2 : 3K —— 方位系数，吸盘垂直吸附时， 则 3K =1/f， f 为摩擦系数，橡胶吸 盘吸附金属材料时，取户 ～。 当吸盘水平吸附时，取 3K =l。 在此， 取 3K = : n KKKPD  3214  =   = （ cm） 28 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。 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 3600，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 41 所示为手腕受力的示意图。 29 图 41 手碗回转时受力状态 Bear Force Condition of Wrist When Rotating 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算 : M驱 = M惯 + M偏 + M摩 +M封 cm (41) 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、手部、手腕回转缸的动片 )对转 动 轴 线 所 产生 的 偏 重 力 矩 (Kg﹒ cm),.。