自動上料機械手設(shè)計【立式精鍛機配套自動送取鍛料設(shè)備】【圓柱坐標(biāo)式】【全液壓驅(qū)動】【4個自由度】【夾持外圓件】,立式精鍛機配套自動送取鍛料設(shè)備,圓柱坐標(biāo)式,全液壓驅(qū)動,4個自由度,夾持外圓件,自動上料機械手設(shè)計【立式精鍛機配套自動送取鍛料設(shè)備】【圓柱坐標(biāo)式】【全液壓驅(qū)動】【4個自由度】【夾持外圓件】,自動,機械手 緒 論 在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域里，材料的搬運、機床的上下料、整機的裝配等是十分重要的工作環(huán)節(jié)，而實現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動化將大大提高生產(chǎn)效率，減少成本。用自動化機械代替人的工作可以減少事故的發(fā)生。工業(yè)機械手就是為了實現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動化而設(shè)計的。 自動化上下料裝置是散亂的中小型工件毛坯經(jīng)過定向機構(gòu)實現(xiàn)定向排列，然后順次地由上、下料機構(gòu)把它送到機床或工作位置去，并把工件取走。如工件教大，形狀復(fù)雜，很難實現(xiàn)自動定向，則往往通過人工定位后，再有上下料機構(gòu)送到工作地點去。 在成批大量生產(chǎn)中，尤其要求在生產(chǎn)率很高，機動工時很短的情況下，單純的上下料裝置很難滿足要求，機械手就是在上下料機構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機械裝置。開始主要用來實現(xiàn)自動上下料和搬運工件，完成單機自動化和生產(chǎn)線自動化。隨著應(yīng)用范圍不斷擴大，現(xiàn)已用來操作工具和完成一定工作，減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高生產(chǎn)效率。 目前我國研制使用的工業(yè)機械手大多數(shù)是屬于專用機械手，僅有少量的通用機械手。由于通用機械手改變工作程序比較方便，特別適用于多品種、小批量的生產(chǎn)。 通用機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用只有二十來年的歷史。這些裝置在國外得到相當(dāng)重視，到七十年代，其品種和數(shù)量都有很大的發(fā)展，并且研制出了各種具有感覺器官的工業(yè)機器人。 我所設(shè)計的是生產(chǎn)線用上料機械手。是為精鍛機設(shè)計的配套自動送取鍛料設(shè)備。屬于圓柱坐標(biāo)式，全液壓驅(qū)動機械手，具有手臂升降，收縮，回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)4個自由度，執(zhí)行機構(gòu)由手部,手腕，手臂伸縮機構(gòu)，手臂升降機構(gòu)，手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成。它開始工作是被加熱的坯料由運輸車送2到上料位置后，自動上料機械手3將熱坯料搬運到立式精鍛機1上鍛打，其成品鍛件由下料機械手4從立式精鍛機上取下并送到轉(zhuǎn)換機械手5上，轉(zhuǎn)換機械手先把鍛件翻轉(zhuǎn)成水平位置，由炳烷切割裝置6將兩端切齊，切割完畢，轉(zhuǎn)換機械手的手臂再水平回轉(zhuǎn)，將鍛件水平放置到下料運輸裝置7上，運送到車間外面的料倉庫進行冷卻。自動上料機械手3在此精鍛生產(chǎn)線上可以完成取料、喂料和變換工位等動作。其配置如圖。 自動上料機械手配置示意圖1 工業(yè)機械手的概述 1．1、工業(yè)機械手的分類 工業(yè)機械手目前在國內(nèi)是專用機械手和通用機械手的統(tǒng)稱。 專用機械手是指附屬于主機、動作程序固定，一般沒有獨立控制系統(tǒng)，只做專門用途的自動抓取或操作裝置。 通用機械手（國外泛稱工業(yè)機器人）是指程序可變的、獨立的、自動化的抓取或操作裝置。 目前多機械手尚無明確的分類標(biāo)準(zhǔn)，全國各地區(qū)尚未統(tǒng)一，我們按目前應(yīng)用比較多的兩方面進行分類： （一） 按搬運的工件重量（或稱臂力）分類 1． 小型的——臂力在1公斤以下； 2． 中型的——臂力在1~30公斤以內(nèi)： 3． 大型的——臂力在30公斤以上。 目前大多數(shù)的工業(yè)機械手其搬運重量為中型的。 （二） 按機能分類 1． 簡易型通用機械手 有固定程序和可變程序兩種。固定程序由擋塊或凸輪轉(zhuǎn)鼓控制；可變程序用插銷板來給定程序。 這種機械手多為氣動或液壓驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，改變程序較容易。只適用于程序較簡單的點位控制，實現(xiàn)重復(fù)性操作作為一般單機服務(wù)的搬運工作也完全夠。目前這種機械手的數(shù)量最多。 2． 示教再現(xiàn)型通用機械手 這種機械手由人工通過示教裝置領(lǐng)動一遍，或者預(yù)先操作給定一遍，稱為示教。它由磁鼓（或磁帶、磁芯）把程序記錄下來，以后機械手就自動按記憶的程序，重復(fù)地進行循環(huán)動作。 這種機械手多為電液伺服控制。與前者比較，這種機械手可有較多的自由度，有可能實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，能進行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較大。 3． 具有視覺、觸覺的通用機械手 這種機械手由電子計算機控制，裝有電視攝像管和傳感器等，因而具有視覺、熱感、觸覺等。 1.2、工業(yè)機械手的組成 工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)有簡單的也有復(fù)雜的。但從結(jié)構(gòu)形式分析，主要有執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、位置檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。 （一） 執(zhí)行機構(gòu) 它包括手部、腕部、臂部、立柱和基體等構(gòu)件組成： 1．手部——是夾持工件的構(gòu)件。它由手爪和夾緊裝置兩部分組成。手爪有夾緊和松開動作。夾持式手爪的形式和人的手指相仿。另外還有真空和電磁吸盤（相當(dāng)于手爪），用來吸取表面光滑的零件或薄板。有的手爪還可以夾持一些專用工具，如噴槍、扳手、焊接工具等。 2．腕部——是聯(lián)接手部和臂部的構(gòu)件，起支撐手部的作用。它可以有俯仰、左右擺動和回轉(zhuǎn)三個運動。特殊情況下可以增加一個橫向移動。有的機械手沒有手腕動作。 3．臂部——是支撐手部、腕部的構(gòu)件。機械手的臂部是為了取代人的手臂而研究設(shè)計的，但是它卻達不到象人手臂的靈巧和適應(yīng)功能。因此，只有把結(jié)構(gòu)簡化，把運動軌跡分為沿三坐標(biāo)軸線方向往復(fù)移動和繞三坐標(biāo)軸線進行回轉(zhuǎn)。一般手臂具有前后伸縮、左右回轉(zhuǎn)、上下升降或上下擺動等幾個運動。根據(jù)需要可選其中一個、二個或三個運動。 4．立柱——是支撐手臂等構(gòu)件的。一般機械手的立柱為固定不動的，也有的因工作需要立柱作橫向移動，此種稱可移動式立柱。 5．行走機構(gòu)——機械手要求完成較遠距離的操作時，可增加滾輪、軌道等行走機構(gòu)。 （二）驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動臂部、腕部、手部的動力源。它有氣動、液壓、電力和機械式等四中形式，由直線缸、回轉(zhuǎn)缸、各種閥、管及管接頭等組成。 （三）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機械手的重要組成部分，它是支配機械手按規(guī)定程序、行程和速度進行運動的裝置。它必須保存或記憶人們給予機械手的指令信息（如動作順序，到達位置和時間信息）。機械手工作時根據(jù)這些信息對機械手的執(zhí)行機構(gòu)按程序發(fā)出控制指令，必要時還可以多機械手的動作進行監(jiān)測，當(dāng)動作錯誤或發(fā)生故障時可發(fā)出警告信號。 （四）行程位置檢測裝置 行程位置檢測裝置的作用是控制機械手每個運動的運動位置，或?qū)⑦\動系統(tǒng)的位置反饋給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使機械手實現(xiàn)位置精度的要求。 （五）輔助裝置 1．基體——是機械手的基礎(chǔ)部分。機械手的執(zhí)行機構(gòu)各部件，驅(qū)動系統(tǒng)都安裝在基體上，它起支撐作用。 2．油箱——用來儲存油和供油的裝置，并使油散熱和雜質(zhì)沉淀。 3．氣缸——貯存壓縮空氣。 1.3、機械手的自由度與坐標(biāo)形式 機械手的運動可分為整機運動、本體運動、臂部運動、腕部運動、每個運動坐標(biāo)稱為自由度。 一個機械手有幾個運動就叫有幾個自由度。手爪的抓取動作（指的是手爪的夾緊和松開）不計在自由度數(shù)目內(nèi)。 1．整機運動 是指整個機械手作為一個整體運動，如整機行走。 2．本體運動 是指機械手的本體部分運動，如本體橫向運動（整個手臂沿Y坐標(biāo)軸的移動），可參看圖1-1。 3．臂部運動 臂部一般有三個自由度，即臂部直線運動、回轉(zhuǎn)運動和上下擺動運動。它分四種坐標(biāo)形式，即： 圖1-2 四種坐標(biāo)形式示意圖 直角坐標(biāo)式用（X、Y、Z）表示，機械手的臂部可做前后、左右、升降三個移動，如圖1-2a所示。這種坐標(biāo)形式直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，但慣性較大，占用的空間也較大，一般多安裝在架空的梁上。 圓柱坐標(biāo)式用（X、Z、C）表示，見圖1-2b，它有二個移動（伸縮和升降）和一個轉(zhuǎn)動。這種坐標(biāo)直觀性較好，結(jié)構(gòu)簡單，所占空間較小，動作范圍較大，是應(yīng)用最多的一種。 球坐標(biāo)式用（X、B、C）表示，見圖1-2c，它有一個移動（手臂伸縮）和兩個轉(zhuǎn)動（左右回轉(zhuǎn)和上下擺動）。這種坐標(biāo)形式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但慣性不大，本體所占的空間較小，動作范圍比圓柱坐標(biāo)式更大，在通用機械手中應(yīng)用較多。 多關(guān)節(jié)式用（、、）表示，見圖1-2d，它有三個轉(zhuǎn)動（左右旋轉(zhuǎn)、兩個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)）。這種坐標(biāo)形式運動件的慣性較小，本體占空間不大，而動作范圍大，并且可以繞過障礙物抓區(qū)工件，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置精度難于控制，故應(yīng)用比較少。 4．腕部運動 基本上有三個自由度，如圖1-3所示。繞X軸的運動叫回轉(zhuǎn)運動；繞Y軸轉(zhuǎn)動叫俯仰運動；繞Z軸運動叫左右擺動。 要確定抓區(qū)工件的空間點位及方位坐標(biāo)，有臂部三個自由度和腕部三個自由度就足夠了。 圖1-3 手腕運動示意圖 2 上下料機械手的總功能原及各部分的設(shè)計 2.1、功能原理設(shè)計 功能原理設(shè)計是針對某一確定的功能要求，尋求一些物理效應(yīng)并且借助某些作用原理來求得一些實現(xiàn)該原理的解法原理。其特點是對于某一產(chǎn)品的特定的工作能力進行抽象化描述，是指某一機器所有的轉(zhuǎn)化能量特性和其他物理特性。其描述方法較像工程學(xué)中常用的“黑箱”法來描述。 任何一個技術(shù)系統(tǒng)中都有輸入和輸出，把技術(shù)系統(tǒng)抽象成黑箱。起輸入用物料流M、信息流S、和能量流E、來描述其輸出用相應(yīng)的M`、S`和E`來描述。 操作指令 S S’ 顯 示 物 料M M’送到機床 電 氣 能E 功能原理設(shè)計是一種綜合。綜合是不能有任何方法可循的。它能要求解決的問題是有很多 解的問題。它既不是只有唯一解，又不是絕對無解，而且也很難得到絕對理想的解。一般來說，在構(gòu)思階段，應(yīng)盡可能收集各種可能的解法，以便在眾多的解法中選出較多滿意的解決方法來。 總功能分解成若干個功能元素為： 夾持 → 松開 → 上升 → 下降 伸 → 縮 → 轉(zhuǎn)位 → 復(fù)位 根據(jù)仿生學(xué)的原理，機械手的功能單元可以分為： A：手指——夾緊、松開工件； B：手腕——回轉(zhuǎn)、平移、俯仰等功能； C：手臂——伸縮使工件沿直線運動； D：底座（機身）——升降手臂，回轉(zhuǎn)手臂； E：緩沖器于定位——回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、緩沖、定位； F：電氣控制部分——控制各部分協(xié)調(diào)動作； 2.2、手部設(shè)計 機械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機械手的性能，是機械手的關(guān)鍵部件之一。 2.2.1手部設(shè)計要求： 1．手部應(yīng)有足夠的夾緊力。除工件的重力外，還要能不使工件在傳遞過程中松動或脫落； 2．夾持范圍要與工件相適應(yīng)。手爪的開閉角度（手爪張開或閉合時的極限位置所擺動的角度）應(yīng)能適應(yīng)夾緊較大的直徑范圍； 3．夾持精度要高。既要求工件在手爪內(nèi)定位準(zhǔn)確，又不夾壞工件的表面。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu)：如圓柱形工件應(yīng)采用帶V形槽的手爪來定位；對于工件表面光潔度要求較高的，應(yīng)在手爪上鑲銅、夾布膠木或其它軟質(zhì)墊片等； 4．夾持動作要迅速、靈活； 5．手部結(jié)構(gòu)要簡單緊湊、剛性好、自重輕、易磨損處應(yīng)該便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。 2.2.2手部的結(jié)構(gòu) 手爪的類型大致分為下列三種： 1．夾持式手爪：根據(jù)手爪的動作可分為回轉(zhuǎn)型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指式和多指式；根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內(nèi)脹式兩種。 2．吸附式手爪：分為真空吸盤式和電磁吸盤式兩種。真空吸盤式又可分為真空泵式和氣流負(fù)壓式。 3．帶視覺或觸覺的手爪。 根據(jù)所設(shè)計課題的要求，該機械手是用于生產(chǎn)線上下料的，其抓取的工件是外圓件，所以可以不考慮吸附式手爪和帶視覺或觸覺的手爪。所以重點在于夾持式手 圖2-1杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu) 爪。 下面介紹一些常用的夾持式手爪結(jié)構(gòu)。 1． 杠桿滑槽式手抓結(jié)構(gòu) 圖2-1是其一種杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)，它通過活塞桿1的銷2推動手爪使之張開，活塞向右移動使手爪閉合。圖2-2也是一種杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)，其原理同圖2-1一樣，只是工件形狀不同 手爪夾持部分改變相應(yīng)形狀。 圖2-3是適用于夾持模鍛或鑄造的毛坯的杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)。毛坯上的拔模斜度往往造成夾緊后在移動過程中從手爪中甩掉，所以增加了一塊背板，并用平頭螺釘壓住，調(diào)整合理的間隙，使其手爪只能按夾緊的方向運動而不致扭動。在背板上安裝三個彈性定位銷，以保證工件的穩(wěn)定 圖2-2 夾持菱形工件 定位，在手爪上安裝的V形活動鉗口，可根據(jù)夾持不同直徑的工件進行更換。 杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)應(yīng)用的比較多，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、動作靈活、手爪開閉角度大、夾持工件范圍較大。 2． 連桿式手爪結(jié)構(gòu) 圖2-4是其一種連桿手爪結(jié)構(gòu)，它有兩副手爪，分別抓在已加工的兩個軸頸上，手爪的夾緊與松開，由油缸和杠桿機構(gòu)帶動，杠桿連接于活塞桿末端，當(dāng)活塞上下運動時通過杠桿的作用驅(qū)使手爪夾緊與松開，以便完成抓取動作，工件在手爪內(nèi)可以自由擺動，借其本身重心位置，使彎頭總是向下方。 圖2-3 杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu) 圖2-4連桿式手爪結(jié)構(gòu) 圖2-5是抓取兩個工件的連桿式手爪結(jié)構(gòu)，設(shè)計應(yīng)用單向活塞以簡化油路。圖示位置為夾緊狀態(tài)，靠彈簧松開工件。 圖2-6是為抓取短臺階式圓形零件而設(shè)計的連桿式手爪結(jié)構(gòu)，為了減少由于偏重力矩而引起夾緊不穩(wěn)的情況，在手爪上設(shè)計了一個支持小圓柱形臺階的托板。 圖2-5 抓取兩個工件的連桿式手爪結(jié)構(gòu) 圖2-6連桿式手爪結(jié)構(gòu) 圖2-7是為既可抓取大直徑的工件，又可以抓取小直徑的圓柱形工件而設(shè)計的雙活塞連桿式手爪結(jié)構(gòu)。從圖2-7中看出，活塞的運動在抓取不同直徑的工件時是不一樣的。當(dāng)抓取小直徑工件時，活塞是向下夾緊，向上是松開，如圖2-7b，當(dāng)抓取大直徑工件時，如圖2-7a所示，則活塞向上是夾緊，向下是松開。 上面介紹的幾種結(jié)構(gòu)所夾持的工件，都是圓形或者是對稱物體，對于非對稱或者異形的工件， 需要對手爪做相應(yīng)的設(shè)計。圖2-8是夾持非對稱工件的手爪結(jié)構(gòu)圖，為了簡化管路設(shè)計，采用單向活塞，用彈簧推動活塞使手爪松開。 圖2-7 雙活塞連桿式手爪結(jié)構(gòu) 連桿式手爪結(jié)構(gòu)的特點是夾緊力大，各機件間的連接用圓柱銷，磨損較小，若設(shè)計得當(dāng)可自鎖。但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，手爪開閉角度較小，適用于抓取重量較大的工圖2-8連桿式手爪結(jié)構(gòu) 件。 3．齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu) 圖2-9是齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)圖，可用液壓或氣壓驅(qū)動，夾緊油缸圖2-9 齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu) 活塞桿上加工出齒條，當(dāng)活塞向左移動推動中間齒輪旋轉(zhuǎn)，中間齒輪又帶動扇形輪夾緊工件。圖示位置為夾緊狀態(tài)，若前腔進油則使手爪松開。 圖2-10是夾持板塊用齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)，為了保持較大的夾緊力和手爪運動時保持平行移動，采用了雙支承板結(jié)構(gòu)。 圖2-11是用彈簧復(fù)位的齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)圖。它是由活塞桿上的齒條，直接推動扇形輪爪，而使輪爪松開。在彈簧的拉力下使手爪常處于夾緊狀態(tài)。 圖2-12是另外一種常彈簧復(fù)位的齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)。它 圖2-10 夾持方形工件齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu) 是在活塞桿上安裝圓形齒條，當(dāng)活塞向右移動，齒條推動軸上的小齒輪旋轉(zhuǎn)，而在軸上的小齒輪上鑲個扇形輪，扇形輪旋轉(zhuǎn)帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪帶動爪體往中心平行移動，使手爪卡緊工件。當(dāng)需要松開時，驅(qū)動源壓力消失，由于爪體內(nèi)兩個彈簧力推動向外移動，推動相應(yīng)齒輪系反響旋轉(zhuǎn)，與活塞內(nèi)彈簧力一起使手爪松開。 圖2-11 齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu) 齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)特點是動作靈活，手爪開閉角度大，夾持范圍大，但 是齒輪齒條結(jié)構(gòu)，兩個齒輪對稱性的調(diào)整比較困難，這種結(jié)構(gòu)夾緊力小，因此多適用于中小型重量的工件。 除了以上幾種手爪結(jié)構(gòu)外，還有錐體圖2-12 齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu) 杠桿式手爪，長軸多爪式手爪結(jié)構(gòu)，平移式手爪結(jié)構(gòu)，錐體杠桿式內(nèi)孔夾持手爪等。 2.2.3 夾持式手爪的計算 1．夾緊力的計算 夾緊力 式中： ——安全系數(shù)一般取1.2~2； ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可以近似 的按下式估算，，其中為被抓取工件的最大加速度，為重力加速度； ——方位系數(shù)； ——被抓取工件的重量 kg。 根據(jù)本次所設(shè)計的手爪結(jié)構(gòu) 設(shè) =1.5， 所以 =2.56 KN 取 2．確定油缸直徑D 因為 選取活塞桿直徑d=0.47D，壓力油工作壓力， 所以 mm 根據(jù)油缸內(nèi)徑系列（GB2348-80）取油缸內(nèi)徑為 則活塞桿直徑為： 2.3、腕部設(shè)計 腕部是連接手部和臂部的構(gòu)件，它有獨立的自由度，使機械手適應(yīng)復(fù)雜動作的要求。 腕部的動作有繞X軸運動稱為回轉(zhuǎn)；繞Y軸運動稱為俯仰；繞Z軸運動稱為左右擺動；還可有沿Y軸方向移動的自由度。 2.3.1腕部的設(shè)計要求： 1．腕部自由度的選取 在臂部運動的范圍內(nèi)，當(dāng)可以滿足抓取工件和傳送工件等要求時，應(yīng)盡可能不設(shè)計腕部的運動。這樣，則可使機械手結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和成本降低。 根據(jù)抓取對象和機械手的坐標(biāo)形式的需要，可增加腕部的自由度。如腕部的回轉(zhuǎn)運動，這是在手爪夾持工件后，需要翻轉(zhuǎn)角度，或者機械手從一個工位轉(zhuǎn)到另一個工位時，需要工件翻轉(zhuǎn)。若是采用臂部回轉(zhuǎn)則使機械手的穩(wěn)定性降低，因為，臂部長度大，回轉(zhuǎn)時少有偏心（特別是高速回轉(zhuǎn)時），使機械手的離心力增加，臂部振動加大，影響定位精度。因此，應(yīng)設(shè)計腕部的回轉(zhuǎn)。若機械手是球坐標(biāo)形式，腕部應(yīng)設(shè)計具有俯仰運動，以保證手爪處于水平位置，不影響手爪的工作。 還要根據(jù)加工工藝的要求，設(shè)計腕部在Y軸方向的移動運動。如機械手將工件送到某一工位后，需要把工件定位夾緊，為使機床運動簡化，而要求腕部沿Y軸方向做少量的移位的運動。如用頂尖支承的軸類零件，在用機械手取下工件時，為脫離主軸頂尖而需要有腕部的橫移運動。 總之，腕部自由度的選取應(yīng)在臂部自由度確定以后，再根據(jù)工件的料道位置、工藝要求、應(yīng)用范圍及制造成本等方面的綜合分析，以確定最佳的方案，確定出腕部合適的自由度數(shù)。 2．腕部的動作要靈活、自重要輕 在設(shè)計腕部結(jié)構(gòu)時，應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單緊湊，減輕結(jié)構(gòu)的重量。機械手配合機器運轉(zhuǎn)，腕部的動作時間往往在幾秒鐘以內(nèi)，甚至不超過一秒，所以腕部一定要靈活，在保證構(gòu)件的強度和剛度的條件下，回轉(zhuǎn)件盡量采用滾動軸承或滾柱，減少阻力，降低摩擦。 3． 腕部運動位置要準(zhǔn)確 手腕的回轉(zhuǎn)、俯仰與左右擺動等運動位置都要求準(zhǔn)確，除對零部件配合精度嚴(yán)格要求以外，要采取措施消除傳動部件之間的間隙。根據(jù)需要可設(shè)置位置檢測元件，來控制手腕的準(zhǔn)確位置。 2.3.2腕部的結(jié)構(gòu)： 1．腕部回轉(zhuǎn)運動結(jié)構(gòu) （1）用回轉(zhuǎn)缸實現(xiàn)小于的回轉(zhuǎn)運動 用回轉(zhuǎn)缸的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)，圖2-13是其 圖2-13手腕回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖 應(yīng)用的一例。圖中件號9為回轉(zhuǎn)油缸的動片，它的回轉(zhuǎn)帶動兩手爪6驅(qū)使工件翻轉(zhuǎn)或。應(yīng)用回轉(zhuǎn)缸使腕部回轉(zhuǎn)的機械手較多，因其結(jié)構(gòu)簡單。 （2）用齒輪齒條實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 圖2-11是其中一種結(jié)構(gòu)圖，它的動作過程是：兩個手爪與齒輪軸7連在一起，當(dāng)發(fā)出回轉(zhuǎn)信息后，液壓油推動活塞桿8移動，活塞桿的齒條推動齒輪軸7使手爪回轉(zhuǎn)。 2．腕部左右擺動結(jié)構(gòu) 根據(jù)工件的工藝要求，需要手腕做左右擺動。對于抓取非中心對稱的工件，當(dāng)手臂回轉(zhuǎn)時，工件方位變化，往往需要用手腕左右擺動予以補償。 本次設(shè)計的機械手，它的腕部只需實現(xiàn)小于的回轉(zhuǎn)運動，因此可以采用回轉(zhuǎn)油缸。圖2-14是實現(xiàn)該腕部運動的回轉(zhuǎn)油缸的截面圖?；剞D(zhuǎn)油缸的兩個油孔分別進壓力油時，推動動片連同轉(zhuǎn)套一起回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)套的端部通過牙嵌 式聯(lián)軸器把旋轉(zhuǎn)運動傳遞到回轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸端部的法蘭盤與手部用螺釘聯(lián)結(jié)，故手部和轉(zhuǎn)套即實現(xiàn)手部的回轉(zhuǎn)運動。手腕回轉(zhuǎn)油缸其擺角可達，實際使用為，其位置檢測由行程開關(guān)實現(xiàn)，并由擋塊定位。 圖2-14 手腕回轉(zhuǎn)油缸截面圖 為了使手部夾持熱工件的手指遠離油缸，此處采用了隔離套，減少熱鍛件的熱量對油液的影響，以保證油缸的正常工作和密封。 2.4、臂部設(shè)計 臂部是機械手完成各項動作的執(zhí)行機構(gòu)，也是其運動部分的主體。 在上面分析了機械手的四種坐標(biāo)形式，綜合這四種坐標(biāo)形式運動的目的，是想達到人的手臂的功能，但是目前技術(shù)還是做不到的，因而把運動方式轉(zhuǎn)化為直線移動和旋轉(zhuǎn)運動，這樣臂部的結(jié)構(gòu)也就比較簡單了。臂部和機座相連，可固定在地面上、機器上或懸掛在橫梁滑道上以及可行走的機架上。臂部前端連接腕部或直接連接手部。 臂部的作用在于將手爪移動到所需的位置和承受工件、手部和腕部的重量。所以，臂部的結(jié)構(gòu)性能、工作范圍、承載能力和動作位置精度直接影響機械手的工作性能。 臂部一般有以下幾部分組成： （1）動作元件：如直線缸、回轉(zhuǎn)缸、齒輪齒條、連桿凸輪……等，它是驅(qū)動手臂運動的元件。動作元件與驅(qū)動源相配合，就能實現(xiàn)手臂的各種運動。 （2）導(dǎo)向裝置：手臂在靜止?fàn)顟B(tài)，要承受由夾持工件重量所產(chǎn)生的彎曲力，以及由于載荷不平衡而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩M。在運動時又有一個慣性力，為保證手爪的正確位置和動作元件不受較大的彎曲力，手臂必須設(shè)置導(dǎo)向裝置。 （2）臂：手臂上的動作元件、導(dǎo)向裝置和其他裝置都要安裝在臂上，起支承、連接和承受外力的作用。所以需要臂具有足夠的剛性，以免承重后發(fā)生形變產(chǎn)生顫動。 （4）其他裝置：如管路、冷卻裝置、位置檢測機構(gòu)……等。 2.4.1 臂部設(shè)計要求 臂部設(shè)計首先要求實現(xiàn)所要求的運動，為了實現(xiàn)這些運動，需要滿足下列幾項要求。 1．臂部應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕 根據(jù)上述要求，在設(shè)計手臂時，要對其進行撓度計算，其變形量應(yīng)小于許可變形量。我們知道懸臂梁（應(yīng)當(dāng)指出機械手的手臂結(jié)構(gòu)不是懸臂梁）的撓度計算公式為： 式中：——撓度； ——彈性模數(shù)； ——載荷； ——慣性矩； ——懸臂長。 從上式可知，撓度與載荷、懸臂長成正比，而與彈性模數(shù)、慣性矩成反比。在與值已確定的情況下，只有增大值，才能減少梁的彎曲變形，而碳鋼和合金鋼的值差別不大，在之間。所以，為了提高剛度，從材質(zhì)上考慮意義不大，主要應(yīng)選用慣性矩大的梁?，F(xiàn)把幾種常用梁的慣性矩列表比較如下（見表2-1）。 從表2-1可知，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多，所以，機械手中常用無縫鋼管作導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作支撐板。這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重。 名稱 截 面 形 狀 截 面 積（） 每米重量 慣性矩 為圓鋼的幾倍 圓鋼 鋼管 工字鋼 （16號斷面） 槽鋼 （20號斷面） 表2-1 幾種常用梁的慣性矩比較（以一種截面為例） 為了加大剛性，還應(yīng)該采取以下措施： （1）在設(shè)計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單。要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定補償環(huán)，以減少重要部位的間隙，從而提高剛性。 （2）全面分析手臂的受力情況，合理分配給手臂的各個部件，避免不利的受力情況出現(xiàn)； （3）水平放置的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度，同時提高其配合和相對位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或大部分自重和抓取重量； （4）提高活塞和剛體內(nèi)部配合精度，可以提高手臂在前伸縮時的剛性。 2．臂部運動速度要高，慣性要小機械手的運動速度一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定的。確定了生 圖2-15手臂運動過程曲線 產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運動速度（或角速度）。在一般情況下，手臂的移動和回轉(zhuǎn)均要求勻速運動（V和ω為常數(shù)），但在手臂的起動和終止的瞬間，運動是變化的。為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。手臂的運動過程曲線如圖2-15所示。 圖中所示的A點為起動位置；B點為開始緩沖位置；C點為行程終點；和為起動時間；和為制動（緩沖）時間；和為運動周期。 圖2-15a所示，為機械手的運動部分到達行程終點的瞬間，加速度的值依然很大（圖示的或），因此，慣性力必然很大，這勢必引起強烈的沖擊，這樣的運動曲線應(yīng)該設(shè)法消除的。 若將該機械手的運動過程按圖b所示，并設(shè)=，行程相等（即兩條速度曲線，所包含的面積相等），則（或）必然大于（或）。按圖b所示的過程運動時（或）小于（或），并且在行程終點的加速度值為零，因此停止的瞬間是無沖擊的，這是較理想的運動方式，但是，因加速度是變化的，設(shè)計時也比較復(fù)雜。 對于高速運動的機械手，為了滿足動作節(jié)拍的要求，其最大移動速度設(shè)計在1000~1500毫米/秒，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在180度/秒內(nèi)，在大部分行程距離上平均移動速度為1000毫米/秒左右，平均回轉(zhuǎn)角速度為90度/秒左右。 如果在圖2-15中減少起動時間和制動（緩沖）時間，則可縮短整個運動時間，提高生產(chǎn)率。但是縮短和就會增加沖擊力，影響機械手的定位精度。所以，必須采取減少慣性沖擊力的有效措施。 手臂伸縮時產(chǎn)生的慣性力為： 式中： m ——質(zhì)量； a ——加速度； G ——手臂運動件重量； g ——重力加速度（9.81米/秒2）； ——起動或制動前后的速度差； ——起動或制動所需的時間； 手臂回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性力矩為： 式中： ——角加速度； ——起動或制動前后的角速度差； J ——臂部回轉(zhuǎn)對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量； ——臂部零件對其重心的轉(zhuǎn)動慣量； ——臂部零件作為其重心位置的質(zhì)點對臂部回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。 ——回轉(zhuǎn)半徑。 計算時，可以把形狀復(fù)雜的零件劃分為幾個簡單的幾何形狀來計算。在有關(guān)書中可分別查出其的計算公式。 從上述公式可知，減少慣性力矩，可采用下列措施： （1） 減少手臂運動部件的重量，如采用鋁合金等輕質(zhì)材料； （2） 減少手臂運動件的輪廓的尺寸，使手臂結(jié)構(gòu)緊湊小巧； （3） 減少回轉(zhuǎn)半徑，在按排動作順序時，一般是先縮會再回轉(zhuǎn)或盡可能在較小前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作。 （4） 驅(qū)動系統(tǒng)中加緩沖裝置。 3．臂部動作要靈活 要使手臂運動輕快靈活，手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊小巧，或在運動臂上加滾動軸承或采用滾珠導(dǎo)軌。對于懸臂式機械手手臂上零件的布置要合理，以減少回轉(zhuǎn)升降支撐中心的偏重力矩。不然，會引起手臂振動，嚴(yán)重時會使手臂與立柱卡住別壞。對于雙臂同時操作的機械手，應(yīng)使兩臂布置盡量對稱以達到平衡。 4．位置精度要高 手臂的剛性好，偏重小，慣性力小，則位置精度就容易控制，所以設(shè)計手臂時要周密考慮和計算，還要合理的選擇機械手的坐標(biāo)形式。一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)式機械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機械手的位置最難控制，精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和自動檢測機構(gòu)，來控制手臂運動的位置精度；還要減少或消除各傳動、嚙合件的間隙。 2.4.2臂部結(jié)構(gòu) 手臂的運動是整個機械手運動的關(guān)鍵。本次設(shè)計的機械手，手臂需要完成三個運動，即手臂的伸縮、回轉(zhuǎn)和升降運動。 2.4.2.1 臂部伸縮運動結(jié)構(gòu) 手臂的伸縮運動是一種往復(fù)的直線運動，實現(xiàn)這種運動可以采用往復(fù)直線液壓缸結(jié)構(gòu)、多級油缸結(jié)構(gòu)、滾珠絲杠結(jié)構(gòu)、直線缸和齒輪齒條傳動機構(gòu)等。 （1） 往復(fù)直線缸結(jié)構(gòu) 圖2-16 往復(fù)式直線油缸結(jié)構(gòu) 在機械手中，實現(xiàn)往復(fù)運動采用直線缸結(jié)構(gòu)的最多。圖2-16所示為該機械手所采用的一種手臂，它也是往復(fù)直線油缸結(jié)構(gòu)?；钊麠U的一端固定在中間架體上，油缸固定在滑枕上。當(dāng)壓力油經(jīng)油孔a、b分別進入油缸的兩腔時，油缸體帶動滑枕在燕尾形導(dǎo)軌內(nèi)實現(xiàn)手臂的往復(fù)運動，其行程大小靠擋塊和組合行程開關(guān)來調(diào)整，伸出端裝有可調(diào)式定位螺釘 ，確保定位精度。手臂伸縮的導(dǎo)向裝置采用燕尾形滑枕，導(dǎo)向性好，手臂剛度大，工作是運動平穩(wěn)。油缸的輸油管路采用伸縮油管型式，保護了油管，但是工藝性較差。 （2）多級油缸結(jié)構(gòu) 這種油缸用在傳送機構(gòu)上較好，用在機械手上，其活塞桿的剛性不好，撓度大，影響位置精度。 （3）滾珠絲杠結(jié)構(gòu) 有的機械手用電機帶動滾珠絲杠，實現(xiàn)手臂的直線傳動。 滾珠絲杠與油缸驅(qū)動相比有下述優(yōu)點： 滾珠絲杠的摩擦損失小，一般其傳動效率在90%以上；滾珠絲杠靈敏性高，不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，定位精度高；由于電機直接（或經(jīng)減速齒輪組）連接絲杠，絲杠直接傳動，故油缸剛性好；用于同樣的距離，滾珠絲杠占用空間更小。 滾珠絲杠的缺點是成本高，由于滾珠絲杠的傳動效率高，所以基本上沒有自鎖作用。 2.4.2.2．臂部伸縮油缸的計算 （1）液壓缸主要參數(shù)的確定 液壓缸的工作壓力為p=2.94Mpa，推力F=12000N ——液壓缸的機械效率，一般取=0.95 ， 則 按標(biāo)準(zhǔn)取 d=40mm ；D=80mm 則液壓缸的有效面積 無桿腔 有桿腔 （2）缸筒壁厚計算 一般按薄壁缸筒計算，壁厚按下式確定 式中 D——液壓缸內(nèi)徑（m）； p——液壓缸最高工作壓力（MPa）； ——缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa），=； ——材料的抗拉強度極限（MPa）； n ——安全系數(shù)，一般可取5。 設(shè)計壁厚為，足以滿足要求。 （3）活塞桿直徑計算 取d=40mm 按強度條件校核 現(xiàn)d=40mm>9.28 所以強度滿足要求。 （4）液壓缸的流量計算 流量 有桿腔 則 2.4.2.3．臂部回轉(zhuǎn)運動 臂部的運動，除了手臂的前后伸縮運動外還有回轉(zhuǎn)運動。本次設(shè)計的機械手，它的臂部的回轉(zhuǎn)運動是一種單回轉(zhuǎn)運動。有的機械手不是單回轉(zhuǎn)運動而是復(fù)合式的運動，在此不考慮復(fù)合運動。實現(xiàn)單回轉(zhuǎn)運動可以有以下幾種方案。 （1）回轉(zhuǎn)缸 回轉(zhuǎn)缸又稱擺動缸。應(yīng)用回轉(zhuǎn)油缸要比齒輪齒條帶動機械手回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)簡單，輕巧美觀。但是，由于回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體之間配合精度要求較高，加工比較困難，如果精度達不到要求，就會造成嚴(yán)重泄漏，影響正常運轉(zhuǎn)，必須嚴(yán)加密封。 （2）齒輪齒條直線缸回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)齒輪齒條結(jié)構(gòu)是通過齒條的往復(fù)運動，帶動齒輪回轉(zhuǎn)，其驅(qū)動源可以是液壓或氣壓驅(qū)動。 （3）回轉(zhuǎn)油缸行星齒輪結(jié)構(gòu) 它是由回轉(zhuǎn)油缸（擺角），動片與轉(zhuǎn)軸固接在一起，轉(zhuǎn)軸用鍵與行星齒輪聯(lián)結(jié)，中心輪套在基座上，中心輪是固定不動的?；剞D(zhuǎn)油缸與手臂固結(jié)在一起。驅(qū)動回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)又帶動手臂繞O-O軸回轉(zhuǎn)，形成轉(zhuǎn)臂，故行星輪，中心輪和手臂組成一個行星輪系。這個傳動是降速的，如行星輪回轉(zhuǎn)為角度，則手臂轉(zhuǎn)角為： 式中： ——行星輪的齒數(shù)； ——中心輪的齒數(shù)。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：由于它的回轉(zhuǎn)傳動是降速的，因此扭矩大，同時定位精度也較高；它裝在外部調(diào)整使用方便，維修容易。 （4）鏈條鏈輪結(jié)構(gòu) 圖2-19是單缸驅(qū)動的鏈條鏈輪回轉(zhuǎn)運動示意圖。若壓力油從缸的左側(cè)進入，推動活塞向右運動，這樣，驅(qū)使輸出回轉(zhuǎn)順時針回轉(zhuǎn)。反之，壓力油從油缸右側(cè)進入，推動活塞左移，鏈條經(jīng)鏈輪使輸出軸沿逆時針回轉(zhuǎn)。 通過對以上幾種方案的了解和論證，回轉(zhuǎn)油缸行星齒輪結(jié)構(gòu)的方案最優(yōu)。該機械手的臂部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采用行星齒輪結(jié)構(gòu)。 2.4.2.4．臂部升降運動 一般圓柱坐標(biāo)式，直角坐標(biāo)式有升降運動，球坐標(biāo)式有時為了增加提高高度，也有升降運動。由于本次設(shè)計的機械手采用的圓柱坐標(biāo)式，所以，手臂的升降運動是必不可少的。 （1）升降運動機構(gòu)配置形式 a．升降機構(gòu)設(shè)在機座內(nèi) 對于中小型規(guī)格機械手，多采用這種結(jié)構(gòu)，手臂靠自重下降。 b．升降機構(gòu)設(shè)在機座上方 一些機械手的升降行程比較大，需設(shè)計立柱式結(jié)構(gòu)，支撐升降運動機構(gòu)，其輪廓尺寸相對比較大。但是在升降行程較大的情況下，手臂懸伸在最大位置時，使手臂對驅(qū)動點的偏重力矩很大，不利于升降運動。圖2-20為其機構(gòu)示意圖。 c．升降機構(gòu)放在可縮放的 機構(gòu)的平臺上 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是整個機形高度可以較低，手臂的高度大致就是機械手的高度，手臂回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量可以較小，不需升降導(dǎo)向支撐，結(jié)構(gòu)比較緊湊，提升行程大。 圖2-21 升降機構(gòu)設(shè)在機座上方 d．升降機構(gòu)采用直線缸 本次設(shè)計的機械手手臂升降機構(gòu)也采用直線缸，它的結(jié)構(gòu)如圖2-21，它設(shè)有導(dǎo)向套，其導(dǎo)向性能好，剛性大，工作平穩(wěn)，活塞桿頂部為球鉸 圖2-21機械手的升降液壓缸結(jié)構(gòu)圖 鏈連接，當(dāng)導(dǎo)套因負(fù)載偏斜時，不致于活塞桿歪斜。 2.4.2.5．臂部升降油缸的計算 （1）液壓缸主要參數(shù)的確定 液壓缸的工作壓力為p=2.94Mpa，推力F=24000N ——液壓缸的機械效率，一般取=0.95 ， 則 按標(biāo)準(zhǔn)取 d=115mm ；D=60mm 則液壓缸的有效面積 無桿腔 有桿腔 （2）缸筒壁厚計算 一般按薄壁缸筒計算，壁厚按下式確定 式中 D——液壓缸內(nèi)徑（m）； p——液壓缸最高工作壓力（MPa）； ——缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa），=； ——材料的抗拉強度極限（MPa）； n ——安全系數(shù)，一般可取5。 設(shè)計壁厚為，足以滿足要求。 （3）活塞桿直徑計算 取d=60mm 按強度條件校核 現(xiàn)d=40mm>13.1mm 所以強度滿足要求。 （4）液壓缸的流量計算 流量 有桿腔 則 3 機械手的其它部分裝置 3.1、行程位置檢測裝置 行程位置檢測裝置的作用，是控制機械手的運動位置，或是利用檢測裝置，通過控制系統(tǒng)對機械手的運動位置進行控制。如把運動系統(tǒng)的位置反饋個控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使其運動停止在規(guī)定的位置上，以保證對機械手運動的定位精度。現(xiàn)舉一個應(yīng)用電液比例閥（或電液伺服閥）的反饋控制為例，用方框圖表示： 檢測裝置把實際位置信號反饋給控制系統(tǒng)進行比較，差值送入放大器，控制電液比例閥的流量或壓力，使機械手平穩(wěn)準(zhǔn)確停在預(yù)定位置上。檢測裝置應(yīng)用有電位器、編碼器和剛性機構(gòu)等。 機械手的定位精度指的是頻繁的往復(fù)運動中的重復(fù)定位精度。影響保持一定的定位精度的誤差是很多的：如手臂的剛性、油液的溫度變化、位置檢測元件的類型及執(zhí)行環(huán)節(jié)的誤差等，都對重復(fù)定位的精度有嚴(yán)重影響。 由于機械手應(yīng)用在不同的環(huán)境，而且大多數(shù)是應(yīng)用在周圍環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場中，因此，對行程位置檢測裝置有以下幾點要求： 在機械性能方面：要結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、體積小、壽命長和維修方便； 在使用環(huán)境方面：要能在振動、油污等條件下穩(wěn)定和可靠地工作； 在電氣性能方面：要有高的抗干擾能力，高精度，長期使用是精度不變。行程位置檢測裝置有機械的、模擬的和數(shù)字的三種。 在本次設(shè)計的機械手中采用了機械式的位置行程檢測裝置。 3.2、緩沖定位裝置 專用機械手以及簡易的通用機械手常用的緩沖方法，可大致分為內(nèi)緩沖和外緩沖兩種。 內(nèi)緩沖是在驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置緩沖環(huán)節(jié)，例如在油路中設(shè)置緩沖回路、緩沖元件，在油缸設(shè)置緩沖機構(gòu)。大多數(shù)液壓驅(qū)動的機械手采用內(nèi)緩沖的方法。 外緩沖是在驅(qū)動系統(tǒng)之外設(shè)置緩沖機構(gòu)，如液壓緩沖器等。氣壓驅(qū)動的機械手由于空氣的可壓縮性大，速度平穩(wěn)性差的特點，大多數(shù)采用外緩沖的方法。 在該機械手中，采用了圖3-1所示的緩沖機構(gòu)。該機構(gòu)有緩沖室，可調(diào) 節(jié)流閥（緩沖調(diào)節(jié)閥）、單向閥組成。當(dāng)活塞桿前進到圖示位置時，油被封閉在緩沖室內(nèi)，因而產(chǎn)生背壓力，在此壓力作用下活塞減速， 圖3-1可調(diào)式油缸端部緩沖機構(gòu) 即運動部分的動能逐漸被緩沖腔內(nèi)的油所吸收。調(diào)節(jié)針狀螺釘就可以改變緩沖腔內(nèi)油的溢出情況，從而使活塞的速度能按所要求的方式衰減。當(dāng)反向運動時，高壓油推動緩沖柱塞，并頂開鋼珠進入油缸，因此，起動力大而縮短了起動時間。 4 機械手總體方案總結(jié) 4.1、傳動方案的確定 考慮到圓柱坐標(biāo)式的占地面積小而動作范圍大的特點，決定采用圓柱坐標(biāo)式。該機械手的抓取工件為外圓形棒料，由于棒料有定長和掉頭的要求，姑機械手應(yīng)設(shè)計一個手腕180度的回轉(zhuǎn)運動，這樣此機械手就需由手臂升降，伸縮，回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)四個自由度，才能滿足上料的動作要求。 4.2、規(guī)格參數(shù) 臂力 60千克 定位精度 ±3毫米 自由度 范圍 速度 停止位置數(shù) 手臂伸縮 手臂回轉(zhuǎn) 手臂升降 手腕回轉(zhuǎn) 500毫米 200度 600毫米 180度 200毫米/秒 30度/秒 150毫米/秒 120度/秒 2 2 2 2 坐標(biāo)形式 圓柱坐標(biāo) 驅(qū)動源 液壓驅(qū)動 控制方式 程序控制 4.3、結(jié)構(gòu)特點 1.機械手伸縮運動結(jié)構(gòu) 此機械手手臂伸縮采用雙作用式單杠活塞油缸，伸縮動作是由缸體運動實現(xiàn)的，活塞桿固定不動，其伸縮行程為500毫米，伸縮缸體安裝在帶燕尾型的滑枕上，他們一起由手臂坐支承，燕尾型滑枕還有導(dǎo)向作用，手臂的剛度大，工作時運動平穩(wěn)。油缸的輸油管路采用伸縮油管形式，避免外露且安裝方便。在手臂伸出端安裝可調(diào)的定位螺釘，確保送料精度。 2．手臂的回轉(zhuǎn)運動結(jié)構(gòu) 手臂的回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)油缸，油缸擺角為230度，使用在220度以內(nèi)，回轉(zhuǎn)油缸的動片與輸出軸固聯(lián)，輸出軸通過鍵與行星齒輪聯(lián)結(jié)，回轉(zhuǎn)油缸的殼體與手臂坐固聯(lián)，當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的動片回轉(zhuǎn)時，帶動輸出軸和行星齒輪自轉(zhuǎn)。由于行星 齒輪與相對固定的中心輪捏合，迫使行星齒輪又產(chǎn)生一個公轉(zhuǎn)，從而帶動手臂坐也繞O——O軸線回轉(zhuǎn)，即為手臂的水平回轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)油缸露出機體外部，安裝維修方便，并增加了支撐手臂回轉(zhuǎn)部分的剛性。當(dāng)手爪夾持工件回轉(zhuǎn)時，該回轉(zhuǎn)油缸還能起到部分的平衡作用。 3．手臂的升降運動機構(gòu) 手臂的升降采用了雙作用式單桿活塞油缸。其升降行程為600毫米，為了增加升降部分結(jié)構(gòu)的剛性，導(dǎo)向性能好，采用了直徑為450毫米的導(dǎo)套，工作時能平穩(wěn)升降?；钊麠U的頂端為球形鉸鏈連接，可自動彌補因夾持工作而手臂又懸伸時造成導(dǎo)套的傾斜所引起的偏差。此外，由于導(dǎo)套的存在使活塞桿免受因偏重力矩所造成的彎曲，在此處活塞桿只受到壓力作用。 4．手腕的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 手腕的回轉(zhuǎn)用回轉(zhuǎn)油缸，油缸的擺角為230度，使用范圍為180度，靠死擋塊定位，定位精度較高。 當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸輸入壓力油液后，壓力油推動動片回轉(zhuǎn)，與動片固定連接的回轉(zhuǎn)軸也一同轉(zhuǎn)動，再通過牙嵌式離合器帶動主軸回轉(zhuǎn)，抓取機構(gòu)與主軸端部法蘭固定聯(lián)結(jié)，至使抓取機構(gòu)和手腕一同回轉(zhuǎn)180度。在前坐上裝有死定位塊，在主軸端部法蘭上裝有兩塊動塊，以實現(xiàn)死擋塊定位。 5．抓取機構(gòu) 因夾持工件范圍大，故選用滑槽杠桿式抓取機構(gòu)，其驅(qū)動手爪夾緊松開的拉緊裝置，采用雙作用式單桿活塞油缸。手爪設(shè)計為自動調(diào)整式，手爪可繞自身的回轉(zhuǎn)軸線有一個小擺動，用以減少因工件直徑變化所引起的定位誤差，其調(diào)整范圍在10毫米以內(nèi)。為了能夾持不同規(guī)格的鍛件，有一套V型塊，它分為、、、等幾種規(guī)格，在產(chǎn)品尺寸改變時，更換手爪的V型塊即可。 此拉緊油缸的活塞在手腕回轉(zhuǎn)時也一起轉(zhuǎn)動，使活塞上的O形密封圈雙向受力容易損壞，同時活塞桿的尾部與油缸端蓋里面接觸時又造成研磨，易造成零件損壞，為防止上述情況的出現(xiàn)，現(xiàn)在將活塞的結(jié)構(gòu)改進。 6．其它裝置 為使機械手的臂部作回轉(zhuǎn)運動時能夠精確定位，在臂部坐上裝有定位油缸，它是單作用式活塞油缸，在活塞桿的端部作成斜楔式。當(dāng)臂部在起始位置和轉(zhuǎn)過95度后的終止位置，通過電信號控制二位三通電磁閥接通工作油路，使起定位銷作用的活塞桿動作，插入到裝在中心齒輪上的帶有斜楔槽的定位擋塊中，使手臂精確定位。此結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活。 為了使油缸盡可能遠離手爪（因夾持溫度高達1100度的工件），以防油液受熱使油的黏度下降，影響正常工作或損壞密封。設(shè)計此手臂前端的回轉(zhuǎn)油缸距手爪為770毫米。 4.4、機械手的液壓傳動系統(tǒng) 1．機械手的動作順序 機械手的動作順序：待料（起始位置；手爪閉合；待夾料立放）→插定位銷→手臂前伸→手爪張開→手爪夾料→手臂上升→手臂縮回→手腕回轉(zhuǎn)180度→拔定位銷→手臂回轉(zhuǎn)95度→插定位銷→手臂前伸→手臂中?！^夾料大泵卸荷→手爪松料→手爪閉合→手臂下降→手腕反轉(zhuǎn)（復(fù)位）→拔定位銷→手臂復(fù)位→待料卸荷。 上述動作均由電磁換向閥實現(xiàn)，用行程開關(guān)和時間繼電器、步進選線器等電器控制電磁鐵線圈通斷電，使電磁鐵按程序動作，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。 2．液壓控制原理 此系統(tǒng)選用功率N=7.5千瓦的電動機，帶動雙聯(lián)葉片泵YB-35/18，公稱壓力為63公斤/厘米，流量為35升/分+18升/分=53升/分，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為30公斤力/厘米，油箱容積選為250升。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時，兩個油泵同時供油；手臂及手腕的回轉(zhuǎn)油缸和手爪松緊夾用的拉緊油缸及手臂回轉(zhuǎn)定位油缸工作時，只有小泵供油，大泵自動卸荷。 手臂前伸、升降、回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)油路采用單向調(diào)速閥（QI-10B，QI-25B，QI-63B）回程節(jié)流，因而速度可調(diào)，工作平穩(wěn)。 升降缸支路設(shè)置有單向順序閥（XI-63B），可以調(diào)整順序閥的彈簧力，使之在活塞、活塞桿及其所支承的手臂等自重所引起的油液壓力作用下仍保持?jǐn)嗦?。工作時，油泵輸出的壓力油進入升降油缸上腔，作用在順序閥的壓力增加，使之接通，活塞便向下運動。當(dāng)活塞要上升時，壓力油液經(jīng)單向閥進入升降油缸下腔，這樣采用單向順序閥克服機身（全部參與升降運動的部件）自重，防止了下滑，性能穩(wěn)定可靠。 手爪夾緊油缸支路裝有液控單向閥（1Y-25B），使手爪夾緊工件時不受系統(tǒng)壓力波動的影響（尤其是系統(tǒng)壓力下降時，壓力油缸內(nèi)的壓力油不能反向流動），保證手爪夾持工件牢靠，當(dāng)反向進油時，油液通過控制油路將單向閥芯頂開，使回油路接通，油液流回油箱。 在手臂回轉(zhuǎn)后，定位所用的定位油缸支路的壓力需比系統(tǒng)壓力低，為此在定位油缸支路前串有減壓閥（J-10），使定位油缸獲得適應(yīng)壓力為15-18公斤力/厘米，同時還給電液換向閥（34DY-63B）的控制油路供油。 液壓系統(tǒng)的雙聯(lián)葉片泵的卸荷，均用二位二通的換向閥（22D-25B）打開溢流閥（Y-18-J和Y-36-J）來實現(xiàn)，空載卸荷不致使油溫升的太高。 系統(tǒng)中的三個單向閥（兩個I-25和一個I-40），其中一個單向閥（I-25）和單向閥（I-40）是在油泵停止工作時，防止液壓系統(tǒng)的油液倒流而進入空氣，否則影響再啟動時油缸工作的平穩(wěn)性。另一個單向閥是為了將需要的油液量大小不同的主油路分開，同時在大泵自動卸荷時，不使大泵卸荷油路影響小泵的工作油路。 先介紹其動作循環(huán)如下： 當(dāng)電動機起動時，帶動雙聯(lián)葉片泵回轉(zhuǎn)，油液從油箱中通過網(wǎng)式濾油器，經(jīng)過葉片泵被送到工作油路中去，如果機械手還未起動，則油液通過二為二通電磁閥（電磁鐵11DT和12DT有電）進行卸荷。 當(dāng)棒料由運輸車運到上料位置時。由于1100度的熱棒料使光電繼電器發(fā)出電信號，經(jīng)步進選線器跳步，使機械手開始按程序動作，此時卸荷停止（二位二通電磁閥和電磁鐵斷電）。電磁鐵8DT通電，壓力油進到定位油缸左腔進行定位動作，定位后此支油路系統(tǒng)壓力升高，壓力繼電器發(fā)出電訊號，經(jīng)步進選線器跳步使電磁鐵1DT通電，電液換向閥變成通路，壓力油經(jīng)油泵和單向閥，通過電液換向閥右邊的通道，進入手臂伸縮油缸的右腔，使缸體前伸運動（因活塞桿固定），手臂前伸到適應(yīng)位置，裝在手臂上的碰塊碰行程開關(guān)發(fā)出電訊號，經(jīng)過步進選線器跳步和時間繼電器，延時使電磁鐵3DT通電，手爪張開；手臂靠慣性滑行到待上料的中心位置，在延時結(jié)束時，3DT斷電，手爪夾緊棒料；并同時發(fā)訊、跳步，使電磁鐵4DT通電，壓力油從工作油路經(jīng)電液換閥右邊通過，單向調(diào)速閥的單向閥及單向順序閥的單向閥進入手臂升降油缸的下腔，推動手臂上升，在手臂上升到預(yù)定位置，碰行程開關(guān)，使電磁鐵4DT斷電，電液換向閥復(fù)位成“O”型滑閥機能狀態(tài)；并發(fā)出電訊號經(jīng)步進選線器跳步，使電磁鐵2DT通電，電液換向閥左邊接通油路，壓力油從電液換向閥左邊通過，經(jīng)過單向調(diào)速閥的單向閥，進入手臂伸縮油缸左腔，使手臂縮回。當(dāng)手臂上的碰鐵碰行程開關(guān)，使2DT斷電，并發(fā)出電訊號和跳步，使6DT通電，則換向閥右邊接通油路，壓力油通過QI的單向閥進入手腕回轉(zhuǎn)油缸一腔，使手腕回轉(zhuǎn)180度沒，手腕上的碰鐵碰行程開關(guān)，使6DT斷電，換向閥復(fù)位成“O”型滑閥機能狀態(tài)，同時亦使8DT斷電，定位油缸復(fù)位（拔銷）；壓力繼電器復(fù)位，發(fā)出電訊號，并經(jīng)步進選線起跳步，使電磁鐵9DT通電，電磁換向閥右邊通路接通油路，壓力油經(jīng)QI的單向閥進入手臂回轉(zhuǎn)油缸一腔，使手臂回轉(zhuǎn)95度。當(dāng)手臂的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)，使9DT斷電，換向閥復(fù)位成“O”型滑閥機能狀態(tài)；并發(fā)出電訊號，經(jīng)步進選線器跳步，使8DT通電，定位油缸工作，插定位銷，壓力繼電器發(fā)出電訊號，經(jīng)步進選線器跳步，使電磁鐵1DT通電，手臂前伸；當(dāng)手臂將棒料送到工作臺和夾頭軸線前的適當(dāng)距離處，并發(fā)出電訊號、步進選線器跳步、使工作機夾頭下降，行程開關(guān)發(fā)信，通過時間繼電器使夾頭閉合，將棒料夾牢，電控系統(tǒng)發(fā)訊，經(jīng)步進選線器跳步，時間繼電器延時使3DT通電，機械手手爪松開，延時到3DT斷電手爪閉合，并發(fā)出電訊號，步進選線器跳步，電磁鐵2DT通電，手臂縮回，當(dāng)手臂碰鐵碰行程開關(guān)時，2DT斷電（下降停），并發(fā)出電訊號、跳步，使7DT通電，電磁換向閥的左邊通道接通油路，壓力油經(jīng)QI的單向閥進入手腕回轉(zhuǎn)油缸的另一油腔，使手腕反轉(zhuǎn)180度；手腕上的碰鐵碰行程開關(guān)，使7DT斷電，并發(fā)出電訊號，步進選線器跳步，使電磁鐵10DT通電，電磁換向閥左邊的通道接通油路，壓力油經(jīng)QI的單向閥和行程節(jié)流閥進入手臂回轉(zhuǎn)油缸的另一油腔，使手臂反轉(zhuǎn)90度（機械手復(fù)位）。當(dāng)手臂上的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)時，10DT斷電（機械手停在原始位置上），并發(fā)出電訊號、步進選線器跳步，使11DT