某旋轉(zhuǎn)機械手的初步機械部件設計目錄TOC\o"1-3"\h\u22297某旋轉(zhuǎn)機械手的初步機械部件設計 1239581.1旋轉(zhuǎn)式機械手的應用 1132021.2旋轉(zhuǎn)機械手的傳動方式 1183601.3旋轉(zhuǎn)機械手的設計要求 245181.4旋轉(zhuǎn)機械手的機械部件 317061.4.1同步帶傳動 3157161.4.2步進電動機 3279861.4.3計數(shù)器 5248041.4.4氣動件 6156271.5材料、構(gòu)件、與輕量化設計 73011.5.1材料與構(gòu)件 7295531.5.2輕量化設計 71.1旋轉(zhuǎn)式機械手的應用從實際應用上初步發(fā)現(xiàn)設計的創(chuàng)新點。在現(xiàn)代工業(yè)自動化的設計和控制領(lǐng)域中，我們會頻繁地看到一些旋轉(zhuǎn)型的機械手。這種旋轉(zhuǎn)型的機械手能夠做到諸如高溫下的工作、油漆霧霾、放射性的影響、帶電系統(tǒng)、砂、灰等等繁重勞動和強度較大、單調(diào)、重復等特殊情況下的工作。(1)在重工業(yè)方面的應用重工業(yè)如鋼鐵、制鋁，工作環(huán)境高溫還伴隨著危險，最終會淘汰人力。為保護人身安全，提高工作效率水平，相信會更加需要機械手的幫助。(2)在輕工業(yè)方面的應用機械手是專門用于貨物的運輸和裝配大批量的工件使用的，它屬于在中國現(xiàn)代輕工業(yè)技術(shù)方面的一個應用，這種行業(yè)的優(yōu)勢就在于它體積小、件數(shù)多，在這樣的加工制造線上，人力就會疲勞，而機械手能夠一直很好地工作，工廠受益顯著增加。在進一步發(fā)展到自動化的反饋和程序管理中，其作用己經(jīng)不容忽視?？梢?，從其應用上看，選擇什么方式驅(qū)動以及支撐能更加長久有效，承重時不發(fā)生損壞尤為重要。1.2旋轉(zhuǎn)機械手的傳動方式根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)與技術(shù)顧問人員咨詢現(xiàn)場技術(shù)人員工人后，發(fā)現(xiàn)目前的液壓旋轉(zhuǎn)式傳動機械手大部分都用的是直接采用臥式液壓動力傳動，液壓動力傳動操作方法主要存在著以下的重大缺點：(1)能量損失巨大。(2)對溫度的影響。當液壓傳動機械正常工作的時候，油溫若是變大，油的黏度就可能會隨之變大，進而導致油的運動性質(zhì)發(fā)生改變。(3)易發(fā)生泄漏。(4)在制造和設備的工藝水平上這兩個方面都有很大的要求，而且在使用和維修上也是有比較高的技術(shù)。本研究課題中的旋轉(zhuǎn)式機械手臂規(guī)劃采用氣壓驅(qū)動。這種機械手往往所抓取的部位都是邊緣，力臂也變長，對于支撐手手臂的強度和支持力也增大許多，加重了步進電機與螺旋絲桿的作用功率，關(guān)鍵在于抓取不牢固,這種機械手所抓取的方式就是不予以考慮，氣動式就相對好一些了。氣壓傳動具有許多優(yōu)點：(1)動作準，響應快速；(2)氣體在管道中受到的阻力?。?3)提取介質(zhì)與處理便捷提取介質(zhì)與處理便捷；(4)不受惡劣環(huán)境的影響；(5)氣動技術(shù)成本低。1.3旋轉(zhuǎn)機械手的設計要求(1)具有足夠的夾緊力除了我們要同時充分考慮到一個工件的承載重量、空氣量和泄露物的排放數(shù)量、效率等的提升，還要同時充分考慮到一個工件在正常運輸和輸送傳遞物料過程中所受的隨時產(chǎn)生的各種機械慣性運動壓力和機械振動，防止一個工件在正常運輸中不會突然發(fā)生任何松動或者說就是工件脫落。(2)抓取合適的位置抓取不同工件的工作位置都一定是優(yōu)先應該把它放到工作距離正線的中心不遠處，抓取不同鋼板長度和工作直徑的不同工件時，優(yōu)先考慮最大工作距離的抓取位置。(3)工件準確的定位按照所有者需要的尺寸抓取各種小型工件的具體工作尺寸，選擇一個與其相同或?qū)男⌒蜋C械手。這主要目的是為了能夠確保被用力夾持的電動機械手與被用力夾持的機械工件之間相互配合正確。在此次產(chǎn)品設計中它在旋轉(zhuǎn)式的機械手上主要就是采用了同步帶輪，其主要作用也就是直接用來實現(xiàn)對移動工件快速、準確地移動定位。(4)具有足夠的強度和剛度旋轉(zhuǎn)式機械手的設計要求具有足夠的運動強度、剛性、韌性以及防止打折或彎曲成型，所設計的旋轉(zhuǎn)式機械手具有良好的結(jié)構(gòu)和重量輕、簡單、配合緊密。并且要使機械手的手部中心線位于支撐桿上的回轉(zhuǎn)軸線。1.4旋轉(zhuǎn)機械手的機械部件1.4.1同步帶傳動同步帶輪的傳動主要是由一個帶在橡膠帶上面的帶有齒及其相對應的齒輪所進行配合。它主要是以鋼絲材質(zhì)為主要的抗拉體，外面通過包覆了塑料或者橡膠制成的嚙合式運動，工作時，同步帶輪的齒槽和同步帶輪相互地嚙合來傳遞運動和驅(qū)動力。由于同步帶和同步帶的帶輪并非無相對方向滑動，兩個圓周轉(zhuǎn)矩速度也就是即速比可以確定一樣，因此又稱為同步帶傳動。它主要具有以下幾個特點：(1)傳動扭矩系數(shù)比恒定；(2)整體結(jié)構(gòu)相對緊湊；(3)薄而輕、耐拉強度高；(4)效率高。圖1.1同步帶的三維建模1.4.2步進電動機圖1.2步進電動機步進驅(qū)動電機就是把一個電脈沖的驅(qū)動信號經(jīng)過改換后形成角位移或者在一個線性上的方向位移的。開環(huán)驅(qū)動控制器該單元就是步進驅(qū)動電機的一組。通過直接控制一個驅(qū)動脈沖的輸入大小和輸出個數(shù)即可來自行手動進行調(diào)整一個角位移的自動測量，旨在精確地進行定位；也通過對一個脈沖輸出頻率的自動控制器原理來直接自動控制一個驅(qū)動式發(fā)電機高速運行時的靜加速度與自動加速度,可以直接進行手動調(diào)速。其原理：當定子電流從一個定子供電繞組中徑向流過，定子供電繞組將自動產(chǎn)生一個徑向矢量的定子磁場。這種方向磁場將一個轉(zhuǎn)子在空中連續(xù)旋轉(zhuǎn)一個特定角度，使得一個轉(zhuǎn)子的一對方向磁場運動方向和一個定子的一對方向磁場運動方向始終保持一致。當固體定子的一個向量場和磁場在某一點上高速旋轉(zhuǎn)時達到一個十度角。而且這個轉(zhuǎn)子還可能會繼續(xù)跟著這個球的磁場繼續(xù)運行并旋轉(zhuǎn)一個45度角。這里引入剎片。在電機主軸的最后一個末端，通過同步帶輪的連接器作為聯(lián)軸器附加一個電子剎車裝置，當其正常運行并達到所規(guī)定的速度和位置時，通過程序的控制，讓剎片自動通電，同時也讓電機停電，從而使其鎖緊并達到準確定位的目標。圖1.3剎片剎片能夠通過控制發(fā)動機所具有的運動慣性，達到準確定位的目標，也能夠達到螺母和旋轉(zhuǎn)機械手的連續(xù)運動。用于旋轉(zhuǎn)式機械手操縱控制系統(tǒng)的高速起動離合和換向。1.4.3計數(shù)器計數(shù)器系統(tǒng)包括基本的自動計數(shù)控制單元和所有控制自動閥門所有必需的各個參數(shù)單元，是在一種數(shù)值式自動計數(shù)控制系統(tǒng)，根據(jù)控制脈沖的最大個數(shù)而實時進行自動計數(shù)。大多數(shù)都主要是為了方便地用來實現(xiàn)測量儀表的自動測量、計數(shù)及自動控制等多種功能，且它們都主要是為了兼具測量分頻等多種功能。計數(shù)器根據(jù)使用進位制不同，分為兩種：一向十進制公式計數(shù)器和雙向二十進制公式計數(shù)器；按照其運算計數(shù)方式和工作功能不同，分為雙向加法公式計數(shù)器、減法公式計數(shù)器和可逆式加法計數(shù)器。它可以實時顯示出產(chǎn)品的正常工作情況和狀態(tài)，用來代表產(chǎn)品已經(jīng)按時間內(nèi)完成了多少工作。計數(shù)器技術(shù)在各種數(shù)字系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，例如在各種電子計算機控制器中針對指令和地址信號進行了計數(shù)。圖1.3計數(shù)器三維建模（連在轉(zhuǎn)盤上）1.4.4氣動件氣動元件是一種機械通過對壓縮氣體內(nèi)部進行壓強或者壓力膨脹所致而產(chǎn)生的氣動力相互作用而自動做功的一種機械氣動元件，被用于壓縮空氣過程中的各種彈性氣動能量轉(zhuǎn)變成彈性動能的場合。例如柴油氣缸、氣動馬達、蒸汽發(fā)電器等。氣動元件轉(zhuǎn)換是空氣動力學技術(shù)中的一種傳動轉(zhuǎn)換方法，利用特定氣體的運動壓力值來傳輸氣動能量。升降機構(gòu)中常常用氣動件，在《氣動可伸縮折疊旋轉(zhuǎn)機械手設計》中機械手的升降部分的工作原理：垂直升降氣缸提供機械手的垂直上下移動動力，機械手的伸縮運動依靠水平氣缸提供動力；旋轉(zhuǎn)氣缸為機械臂機身的回轉(zhuǎn)提供動力。機械手的末端執(zhí)行器依靠氣缸驅(qū)動，將動力傳遞給手指，從而實現(xiàn)夾緊和松開。該機械手只有一個夾鉗式機械手，且只有三個自由度，空間姿態(tài)受到限制；沒有吸附機械手，只能抓取不能吸附板類工件，結(jié)構(gòu)單一[2]。圖1.4氣動件三維建模（1）氣動裝置結(jié)構(gòu)簡單、輕便，且安裝維護簡單。介質(zhì)為空氣，使用安全。（2）排氣系統(tǒng)處理簡便，不會嚴重污染室內(nèi)環(huán)境，成本相對較低。（3）對輸出能量和工作頻率可進行調(diào)整。氣缸的運動速度通常應該是小于1m/s,而且要比采用液壓或者電氣驅(qū)動的方式更快。（4）可靠性高，使用壽命長。（5）利用了空氣的低壓縮性，可以儲存大量的能源，實現(xiàn)了集中式供氣?？啥虝旱蒯尫懦龃罅康哪茉?，以便于獲得間歇運動時的高速反應。（6）采用全氣動控制器來實現(xiàn)防火、抗爆、耐熱、防水。與傳統(tǒng)的液壓方法相比，氣動式這種方法更適合于高溫環(huán)境下的使用。1.5材料、構(gòu)件、與輕量化設計1.5.1材料與構(gòu)件我們在實踐中，工業(yè)上在產(chǎn)品的質(zhì)量和安全上也受到了嚴格的規(guī)范和限制，因此選擇哪種材料組成的機械或者是哪種機器都是我們在設計過程中碰到的難點。一個電動機構(gòu)件的設計不只是從其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、相互配合、應用對象等多個方面進行設計，還要考慮切向能力、形變、載重等等。下面為大家介紹一些簡單的輕量化處理方法，比如打孔和優(yōu)化橫截面的形狀。1.5.2輕量化設計對于所需使用的主體材料與專用型材，零部件的設計制造首先需要充分考慮其整體質(zhì)量，為了達到減輕產(chǎn)品質(zhì)量的目的，常見的一種解決辦法就是在質(zhì)量能夠充分滿足保證整體鋁塑結(jié)構(gòu)的機械強度和結(jié)構(gòu)剛性的需要前提下，對鋁塑原材料內(nèi)部部件進行分層開洞式的處理，這樣經(jīng)過設計后所得出的未來的鋁塑產(chǎn)品不但不僅質(zhì)量輕便而且造型美觀大方。與一般機械裝置相比，旋轉(zhuǎn)式機械手的運動和物理特征顯得尤為重要，這也就是材料選擇的主要出發(fā)點。材料選擇的主要出發(fā)點也就是：高強度、彈性模數(shù)量大、質(zhì)量輕、阻尼較大、運行經(jīng)濟性好。旋轉(zhuǎn)式運動機械手常見的結(jié)構(gòu)材料主要包括有：(1)鋼和碳素一體結(jié)構(gòu)的不銹鋼；(2)鋁或者其他鋁合金；(3)鋼和碳纖維；(4)可鍛鑄鐵。旋轉(zhuǎn)式的運動機械手在較大載重與重力搬運運動過程中一般不宜使其產(chǎn)生任何嚴重的運動變化，如塑性變形和斷裂。在對于旋轉(zhuǎn)式機械手所需設計的各種主體機械構(gòu)架的內(nèi)部材料選擇上，一方面我們需要充分注意保證它們及其整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的堅實性和牢固性，以及它的耐沖擊碰撞性，另一方面則是還需要充分考慮到機械裝置與移動設備的內(nèi)部連接方便可靠。綜上所述經(jīng)過種種考慮，盡量選擇優(yōu)質(zhì)可鍛鑄鐵、普通碳鋼。材料的主體截面大小會對各種構(gòu)件的整體質(zhì)量和機械剛度性能施加重要的直接影響，因此通過合理抉擇選取各種構(gòu)件的主體材料及其截面使它能夠充分滿足性能要求，像打孔兩個空心圓矩形截面、工字矩形截面、空心矩形立體截面等。表1.1空心矩形截面與空心圓截面對比空心矩形截面空心圓截面相同條件L=a壁厚h=tR=a 壁厚h=t優(yōu)劣空心正方形截面比空心圓截面的慣性矩高。壁厚越薄，則效果越明顯表