機(jī)械手的設(shè)計(jì)

1、摘要：針對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，因此本文簡(jiǎn)要的介紹了機(jī)械手手指的形狀和分類、對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)以及吸附式手部結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部:當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。關(guān)鍵詞：機(jī)械手，手部夾緊氣缸，氣流負(fù)壓式吸盤。目錄第一章 緒論1第二章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22.1手指的形狀和分類22.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題22.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)32.4氣流負(fù)壓式吸盤7第三章 結(jié)束語(yǔ)9參考文獻(xiàn)：10第一章 緒論機(jī)械手是模仿著人手

2、的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用.第二章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾

3、式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。2.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題(一)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。(

4、二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。(三)保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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(dòng)定心。(四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)

5、力矩最小為佳。(五)考慮被抓取對(duì)象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示.2.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，其工件重量G=10公斤，“V”形手指的角度2=120，b=120mm， R=24mm,摩擦系數(shù)為f=0.10 。圖2.3 齒輪齒條式手部(1) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: (2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式: 所以：=490（N）(3) 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取=0.94 ，并取=1.5.

6、若被抓取工件的最大加速度取a=g 時(shí)，則: 所以： 所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為1563N。2、氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為: 式中: 活塞桿上的推力，N彈簧反作用力，N氣缸工作時(shí)的總阻力，NP氣缸工作 壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算: 式中: 彈簧剛度，N/mL 彈簧預(yù)壓縮量，mS活塞行程，md彈簧鋼絲直徑，mD彈簧平均直徑，mD彈 簧外徑，m n 彈 簧 有效 圈數(shù)G 彈簧 材料剪切模量，一般取G=79.4X 1 護(hù)Pa在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率幾的影響，則: 由以上分析得單向作

7、用氣缸的直徑: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得： 所以： 查有關(guān)手冊(cè)圓整，得D=65 mm由d/D=O.20.3， 可得活塞桿直徑:d=(0.20.3)D=1319.5 mm圓整后，取活塞桿直徑d=18 mm校核，按公式有: 其中=120MPa, F=750N則:d (4490/120)=2.28 18滿足設(shè)計(jì)要求。3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì)缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: 式中: 6 缸筒壁厚 mmD氣缸內(nèi) 徑 ，咖P實(shí)驗(yàn)壓力，取P=1.5PPa材料為 : ZL3, =3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: = =6.5 mm取=7.5

8、 mm，則缸筒外徑為:D=65+7.52 =80 mm。2.4氣流負(fù)壓式吸盤氣流負(fù)壓式吸盤是利用吸盤(即用橡膠或軟性塑料制成皮腕)內(nèi)形成負(fù)壓將工件吸住。它適用于搬運(yùn)一些薄片形狀的工件，如薄鐵片、板材、紙張以及薄壁易碎的玻璃器皿、弧形殼體零件等，尤其是玻璃器皿及非金屬薄片，吸附效果更為明顯。氣流負(fù)壓式與鉗爪式手部相比較，氣流負(fù)壓式手部具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，表面吸附力分布均勻，但要求所吸附表面平整光滑、無(wú)孔和無(wú)油。按形成負(fù)壓(或真空)的方法，氣流負(fù)壓式手部可分為真空式、氣流負(fù)壓式和擠壓排氣式吸盤。在本機(jī)械手中，擬采用噴射式氣流負(fù)壓吸盤。圖 2.4 .1 噴 射 氣 流 原 理 圖噴射式氣流負(fù)壓吸盤

9、的工作原理如圖2.4.1所示，根據(jù)流體力學(xué)，氣體在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)氣體經(jīng)過(guò)噴嘴的每一個(gè)截面的氣體質(zhì)量均相等。因此，在最簡(jiǎn)單的情況下，低流速(高壓強(qiáng))截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有大面積，而高流速(低壓強(qiáng))截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有小面積。所以，壓縮空氣由噴嘴進(jìn)口處A進(jìn)入后，噴嘴開始一段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當(dāng)沿氣流流動(dòng)方向截面收縮到最小處X時(shí)即臨界面積)，流速達(dá)到臨界速度即音速，此時(shí)壓力近似為噴嘴進(jìn)口處的壓力之半，即Pk= 0.52 8P,。為了使噴嘴出口處的壓力 P2低于Pk，必須在噴嘴臨界面以后再加一段漸擴(kuò)段，這樣可以在噴嘴出口處獲得比音速還要大的流速即超音速，并在該處建立低壓區(qū)域，

10、使C處的氣體不斷的被高速流體卷帶走，如C處形成密封空腔，就可使腔內(nèi)壓力下降而形成負(fù)壓。當(dāng)在C處連接橡膠皮腕吸盤，即可吸住工件。圖 2.4.2所示為可調(diào)的噴射式負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu)圖。為了使噴嘴更有效地工作，噴嘴口與噴嘴套之間應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)拈g隙，以便將被抽氣體帶走。當(dāng)間隙太小時(shí)，噴射氣流和被抽氣體將由于與套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽氣速率;當(dāng)間隙太大時(shí)，離噴射氣體越遠(yuǎn)的氣體被帶著向前運(yùn)動(dòng)的速度就越低，同時(shí)間隙過(guò)大，從噴嘴套出口處反流回來(lái)的氣體就越多，這就使抽氣速率大大的降低。因此，間隙要適宜，最好使噴嘴與噴嘴套之間的間隙可以調(diào)節(jié)， 以便噴嘴有效地工作。在圖2.4.2中，噴嘴5與噴嘴套6的相對(duì)位置是

11、可以調(diào)節(jié)的，以便改變間隙的大小。1. 株膠吸盤2.吸盤芯子3.通氣壞打4.吸盤體5.噴嘴6.噴嘴套圖 2.4.2可 調(diào)噴 射 式 負(fù) 壓 吸 盤 結(jié)構(gòu)下面計(jì)算吸盤的直徑.吸盤吸力的計(jì)算公式為: P= 式中:P吸盤吸力(N)，本機(jī)械手的吸盤吸力為50N，故P=50N;D吸盤直徑 (cm).N分吸盤數(shù)量，本機(jī)械手吸盤數(shù)量為1;吸盤吸附工件在起動(dòng)時(shí)的安全系數(shù)，可取K,月2-2，在此取=1.5;工作情況系數(shù)。若板料間有油膜存在則要求吸附力大些;若裝有分料器 ， 則 吸附力就可小些。另外工件從模具取出時(shí)，也有摩擦力的作用， 同 時(shí) 還應(yīng)考慮吸盤在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于加速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力影響。 因 此 ，應(yīng)根

12、據(jù)工作條件的不同，選取工作情況系數(shù)，一般可在(13)的范圍內(nèi)選取。在此，取=2 :方位系數(shù)，吸盤垂直吸附時(shí)，則=1/f，f為摩擦系數(shù)，橡膠吸盤吸附金屬材料時(shí)，取戶0.50.8;當(dāng)吸盤水平吸附時(shí)，取=l。 取=5.代入數(shù)據(jù)得: = =16.92 （cm）第三章 結(jié)束語(yǔ)1、 本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)通用機(jī)械手，相對(duì)于專用機(jī)械手，通用機(jī)械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。2、該機(jī)械手可以選擇配置普通的夾持手指，以抓取一般工件;也可更換噴射式氣流負(fù)壓吸盤，以吸附玻璃、墻地磚等板料及光盤、磁盤等薄型不透氣工件，使機(jī)械手的用途更多，使用范圍更廣。另外，該機(jī)械手既可以用于搬運(yùn)小型零件，也可供教學(xué)、實(shí)驗(yàn)使

13、用。3、 采用氣壓傳動(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。參考文獻(xiàn)：1 吳宗澤,羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版M.北京:高等教育出版社,1999.2廖念釗,莫雨松,李碩根,楊興駿.互換性與技術(shù)測(cè)量第四版M.北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2000.3陳錦昌,劉就女,劉林.計(jì)算機(jī)工程制圖M.廣州:華南理工大學(xué)出版社,1999.4馮辛安,黃玉美,杜君文.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.5周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.6濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京:高等教育出版社,1995.7龔振幫.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社,1995.8 何立民.單片機(jī)高級(jí)教程:應(yīng)