第第頁鉗工技師論文：曲軸鍵槽加工機械手結構設計設計目錄TOC\o"1-3"\h\u94691引言 419452曲軸鍵槽加工機械手總體結構設計 4323192.1臂力的確定 45892.2工作范圍的確定 5132642.3確定運動速度 5177162.4手臂的配置形式 6170032.5位置檢測裝置的選擇 633412.6驅動與控制方式的選擇 689613手部結構設計 724393.1概述 7325093.2設計時應考慮的幾個問題 7319903.3驅動力的計算 870883.4兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析 1067864機械手腕部的結構設計 11241174.1概述 1179564.2腕部的結構形式 1149324.3手腕驅動力矩的計算 12169625機械手臂部的結構設計 15171015.2手臂直線運動機構 15184446.2.1手臂伸縮運動 15218526.2.2導向裝置 153086.2.3手臂的升降運動 16167775.3手臂回轉運動 17141765.4手臂的橫向移動 17271435.5臂部運動驅動力計算 18111326.5.1臂水平伸縮運動驅動力的計算 18227996.5.2臂垂直升降運動驅動力的計算 19163676.5.3臂部回轉運動驅動力矩的計算 19113198結論 2230104參考文獻 231引言用于再現人手的功能的技術裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為機械手。機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制造生產系統中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。2曲軸鍵槽加工機械手總體結構設計曲軸鍵槽大小：曲軸重量3kg，鍵槽寬度5mm，深度3.2mm。2.1臂力的確定目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內現有的機械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機械手的臂力為N臂=1650（N），安全系數K一般可在1.5~3，本機械手取安全系數K=2。定位精度為±1mm。2.2工作范圍的確定機械手的工作范圍根據工藝要求和操作運動的軌跡來確定。一個操作運動的軌跡是幾個動作的合成，在確定的工作范圍時，可將軌跡分解成單個的動作，由單個動作的行程確定機械手的最大行程。本機械手的動作范圍確定如下：手腕回轉角度±115°手臂伸長量150mm手臂回轉角度±115°手臂升降行程170mm手臂水平運動行程100mm2.3確定運動速度機械手各動作的最大行程確定之后，可根據生產需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間，進而確定各動作的運動速度。液壓上料機械手要完成整個上料過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉，平移等一系列的動作，這些動作都應該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內完成，具體時間的分配取決于很多因素，根據各種因素反復考慮，對分配的方案進行比較，才能確定。機械手的總動作時間應小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進行，要按時間長的計算，分配各動作時間應考慮以下要求：=1\*GB3①給定的運動時間應大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間；=2\*GB3②伸縮運動的速度要大于回轉運動的速度，因為回轉運動的慣性一般大于伸縮運動的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應盡量選取較低的運動速度。機械手的運動速度與臂力、行程、驅動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關系，應根據具體情況加以確定。=3\*GB3③在工作拍節(jié)短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行。為此驅動系統要采取相應的措施，以保證動作的同步。液壓上料機械手的各運動速度如下：手腕回轉速度V腕回=40°/s手臂伸縮速度V臂伸=50mm/s手臂回轉速度V臂回=40°/s手臂升降速度V臂升=50mm/s立柱水平運動速度V柱移=50mm/s手指夾緊油缸的運動速度V夾=50mm/s2.4手臂的配置形式機械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運動要求、操作環(huán)境、工作對象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機械手采用機座式。機座式結構多為工業(yè)機器人所采用，機座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運與安放，機座底部也可以安裝行走機構，已擴大其活動范圍，它分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在機座立柱上兩種形式，本機械手采用手臂配置在機座立柱上的形式。手臂配置在機座立柱上的機械手多為圓柱坐標型，它有升降、伸縮與回轉運動，工作范圍較大。2.5位置檢測裝置的選擇機械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關式、模擬式和數字式。本機械手采用行程開關式。利用行程開關檢測位置，精度低，故一般與機械檔塊聯合應用。在機械手中，用行程開關與機械檔塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故應用也是最多的。2.6驅動與控制方式的選擇機械手的驅動與控制方式是根據它們的特點結合生產工藝的要求來選擇的，要盡量選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本低的方式。控制系統也有不同的類型。除一些專用機械手外，大多數機械手均需進行專門的控制系統的設計。驅動方式一般有四種：氣壓驅動、液壓驅動、電氣驅動和機械驅動。參考《工業(yè)機器人》，按照設計要求，本機械手采用的驅動方式為液壓驅動，控制方式為固定程序的PLC控制。3手部結構設計3.1概述手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結構型式不像人手，它的手指形狀也不像人的手指，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結構及型式根據它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質以及被抓取部位等的不同而設計各種類型的手部結構，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結構由手指和傳力機構組成。其傳力機構形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，這里采用滑槽杠桿式。3.2設計時應考慮的幾個問題=1\*GB3①應具有足夠的握力（即夾緊力）在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。=2\*GB3②手指間應有一定的開閉角兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。=3\*GB3③應保證工件的準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動定心。=4\*GB3④應具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應盡量使結構簡單緊湊，自重輕。=5\*GB3⑤應考慮被抓取對象的要求應根據抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數量的不同，來設計和確定手指的形狀。3.3驅動力的計算如圖所示為滑槽式手部結構。圖4.1滑槽杠桿式手部受力分析1.手指2.銷軸3.拉桿4.指座在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據銷軸的力平衡條件，即：∑Fx=0，P1=P2;∑Fy=0P=2P1cosαP1=P/2cosα銷軸對手指的作用力為p1′。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內，并設兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得P1′h=Nb因h=a/cosα所以P=2b(cosα)N/a式中a——手指的回轉支點到對稱中心線的距離（毫米）。α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角。由上式可知，當驅動力P一定時，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過大會導致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結構加大，因此，一般取α=30°~40°。這里取角α=30度。這種手部結構簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查《工業(yè)機械手設計基礎》可知，V形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅動力的計算方法，可求出驅動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產生的慣性力、振動以及傳力機構效率的影響，其實際的驅動力P實際應按以下公式計算，即：P實際=PK1K2/η式中η——手部的機械效率，一般取0.85~0.95；K1——安全系數，一般取1.2~2K2——工作情況系數，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°，α=30°時，拉緊油缸的驅動力P和P實際計算如下：根據鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當量夾緊力計算公式N=0.5G把已知條件代入得當量夾緊力為N=49（N）由滑槽杠桿式結構的驅動力計算公式P=2b(cosα)N/a得P=P計算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N)P實際=P計算K1K2/η取η=0.85，K1=1.5，K2=1+1000/9810≈1.1則P實際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)3.4兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析圖4.2帶浮動鉗口的鉗爪鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯結，如圖示幾何關系，若設鉗爪對稱中心O到工件中心O′的距離為x，則x=當工件直徑變化時，x的變化量即為定位誤差△，設工件半徑R由Rmax變化到Rmin時，其最大定位誤差為=∣-∣其中l(wèi)=45mm，b=5mm，a=27mm，2=120°，Rmin=15mm，Rmax=30mm代入公式計算得最大定位誤差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8故符合要求。4機械手腕部的結構設計4.1概述腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設計腕部時要注意以下幾點：①結構緊湊，重量盡量輕。②轉動靈活，密封性要好。③注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調整等問題④要適應工作環(huán)境的需要。另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內部通過，以便手腕轉動時管路不扭轉和不外露，使外形整齊。4.2腕部的結構形式本機械手采用回轉油缸驅動實現腕部回轉運動，結構緊湊、體積小，但密封性差，回轉角度為±115°。如下圖所示為腕部的結構，定片與后蓋，回轉缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當回轉油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉動，即為手腕的回轉運動。圖5.1機械手的腕部結構4.3手腕驅動力矩的計算驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動的重心與軸線不重合所產生的偏重力矩。手腕轉動時所需要的驅動力矩可按下式計算：M驅=M慣+M偏+M摩（N.m）式中M驅——驅動手腕轉動的驅動力矩M慣——慣性力矩（N.m）M偏——參與轉動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉缸體的動片）對轉動軸線所產生的偏重力矩（N.m）M摩——手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩（N.m）圖5.2腕部回轉力矩計算圖（1）摩擦阻力矩M摩M摩=（N1D1+N2D2）（N.m）式中f——軸承的摩擦系數，滾動軸承取f=0.02，滑動軸承取f=0.1；N1、N2——軸承支承反力（N）；D1、D2——軸承直徑（m）由設計知D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200NG1=98Ne=0.020時M摩=0.1*（200*0.035+800*0.054）/2得M摩=2.50（N.m）（2）工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏M偏=G1e（N.m）式中G1——工件重量（N）e——偏心距（即工件重心到碗回轉中心線的垂直距離），當工件重心與手腕回轉中心線重合時，M偏為零當e=0.020，G1=98N時M偏=1.96（N·m）（3）腕部啟動時的慣性阻力矩M慣①當知道手腕回轉角速度時，可用下式計算M慣M慣=（J+J工件）（N·m）式中——手腕回轉角速度（1/s）T——手腕啟動過程中所用時間（s），（假定啟動過程中近為加速運動）J——手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（kg·m）J工件——工件對手腕回轉軸線的轉動慣量（kg·m）按已知計算得J=2.5，J工件=6.25，=0.3m/m，t=2故M慣=1.3（N·m）=2\*GB3②當知道啟動過程所轉過的角度時，也可以用下面的公式計算M慣：M慣=（J+J工件）（N·m）式中——啟動過程所轉過的角度（rad）;——手腕回轉角速度（1/s）?？紤]到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取M=1.1∽1.2（M慣+M偏+M摩）（N.m）M=1.2*（2.5+1.96+1.3）=6.9（N.m）5機械手臂部的結構設計5.2手臂直線運動機構機械手手臂的伸縮、升降及橫向移動均屬于直線運動，而實現手臂往復直線運動的機構形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構、絲桿螺母機構以及活塞缸和連桿機構。6.2.1手臂伸縮運動這里實現直線往復運動是采用液壓驅動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂機構中應用比較多。如下圖所示為雙導向桿手臂的伸縮結構。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿2（即手臂）作往復直線運動。導向桿3在導向套4內移動，以防止手臂伸縮時的轉動（并兼做手腕回轉缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結構緊湊?？捎糜谧ブ卮?、行程較長的場合。圖6.1雙導向桿手臂的伸縮結構6.2.2導向裝置液壓驅動的機械手手臂在進行伸縮（或升降）運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩的作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂的結構時，必須采用適當的導向裝置。它根據手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。目前采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿和其他的導向裝置，本機械手采用的是雙導向桿導向機構。雙導向桿配置在手臂伸縮油缸兩側，并兼做手部和手腕油路的管道。對于伸縮行程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導向桿尾部增設輔助支承架，以提高導向桿的剛性。如圖6.1所示，對于伸縮行程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導向桿尾部增設輔助支承架，以提高導向桿的剛性。在導向桿1的尾端用支承架4將兩個導向桿連接起來，支承架的兩側安裝兩個滾動軸承2，當導向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動時，支承架上的滾動軸承就在支承板3的支承面上滾動。圖6.2雙導向桿手臂結構6.2.3手臂的升降運動如圖6.2所示為手臂的升降運動機構。當升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠4做上下運動，活塞缸體2固定在旋轉軸上。由活塞桿帶動套筒3做升降運動。其導向作用靠立柱的平鍵9實現。圖中6為位置檢測裝置。圖6.3手臂升降和回轉機構圖5.3手臂回轉運動實現手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的，常用的有回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、連桿機構等。本機械手采用齒條缸式臂回轉機構，如圖6.2所示，回轉運動由齒條活塞桿8驅動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉動，再通過缸體上的平鍵9帶動外套一起轉動實現手臂的回轉。5.4手臂的橫向移動如圖6.3所示為手臂的橫向移動機構。手臂的橫向移動是由活塞缸5來驅動的，回轉缸體與滑臺1用螺釘聯結，活塞桿4通過兩塊連接板3用螺釘固定在滑座2上。當活塞缸5通壓力油時，其缸體就帶動滑臺1，沿著燕尾形滑座2做橫向往復運動。圖6.4手臂橫向移動機構5.5臂部運動驅動力計算計算臂部運動驅動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負荷考慮進去。機械手工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。6.5.1臂水平伸縮運動驅動力的計算手臂做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅動力Pq可按下式計算：Pq=Fm+Fg(N)式中Fm——各支承處的摩擦阻力；Fg——啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算：Fg=a(N)式中W——手臂伸縮部件的總重量（N）；g——重力加速度（9.8m/s）;a——啟動過程中的平均加速度（m/s），而a=(m/s)△v——速度變化量。如果手臂從靜止狀態(tài)加速到工作速度V時，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度；△t——啟動過程中所用的時間，一般為0.01∽0.5s。當Fm=80N，W=1098（N），△V=500mm/s時，Pq=80+*=80+112=192(N)6.5.2臂垂直升降運動驅動力的計算手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅動力Pq可按下式計算：Pq=Fm+Fg±W(N)式中Fm——各支承處的摩擦力（N）；Fg——啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運動時的情況計算；W——臂部運動部件的總重量（N）；±——上升時為正，下降時為負。當Fm=40N，Fg=100N，W=1098N時Pq=40+100+1098=1238（N）6.5.3臂部回轉運動驅動力矩的計算臂部回轉運動驅動力矩應根據啟動時產生的慣性力矩與回轉部件支承處的摩擦力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運動，故最大驅動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅動力矩Mq可按下式計算：Mq=1.3(Mm+Mg)(N·m)式中Mm——各支承處的總摩擦力矩；Mg——啟動時慣性力矩，一般按下式計算：Mg=J(N·m)式中J——手臂部件對其回轉軸線的轉動慣量（kg·m）;——回轉手臂的工作角速度（rad/s）;△t——回轉臂啟動時間（s）當Mm=84(N·m)，Mg=8=32(N·m)Mq=1.3*116=150.8(N·m)對于活塞、導向套筒和油缸等的轉動慣量都要做詳細計算，因為這些零件的重量較大或回轉半徑較大，對總的計算結果影響也較大，對于小零件則可作為質點計算其轉動慣量，對其質心轉動慣量忽略不計。對于形狀復雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分別進行計算，其中有的部分可當作質點計算。可以參考《工業(yè)機器人》。8