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摘 要
現(xiàn)代制造業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)了沖壓生產(chǎn)向高速化、自動化和智能化方向的發(fā)展。傳統(tǒng)的沖壓生產(chǎn)多采用專機(jī)操作和人工上下料,而這種生產(chǎn)方式已不能滿足日益快速發(fā)展的工業(yè)要求。如今,在沖壓生產(chǎn)中引進(jìn)自動化生產(chǎn)單元和建立柔性自動化生產(chǎn)線, 不僅可以實(shí)現(xiàn)沖壓設(shè)備的高效、高速化,還可以提高產(chǎn)品加工的質(zhì)量和精度,同時(shí)也開辟了沖壓生產(chǎn)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。沖床機(jī)械手是在自動化設(shè)備的基礎(chǔ)上,專門為實(shí)現(xiàn)沖壓自動化無人生產(chǎn)而研發(fā)的智能設(shè)備,它能夠間接或直接地代替人工在相關(guān)沖壓工位上進(jìn)行物料的取放、搬運(yùn)和沖壓上下料等工作,從而極大地提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。相比于電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動，氣壓傳動與控制的機(jī)械手在響應(yīng)速度以及自動化控制上具有很大的優(yōu)勢。氣動技術(shù)使用氣體為動力傳輸介質(zhì)。首先，氣源來源廣泛， 可直接從空氣中汲取，廉價(jià)便捷。其次，氣動傳動迅速，穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量也較其他機(jī)構(gòu)更輕。在末端執(zhí)行效果來看，使用氣動可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有很好的柔性， 這樣在使用過程中更加的安全，對所工作對象的損傷也較小。另外，由于氣體無害， 清潔，其在維修、檢查等方面都較為方便。
機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為當(dāng)前裝備制造業(yè)的主流和發(fā)展趨向，機(jī)電一體化是現(xiàn)代化機(jī)械和技術(shù)的重要特征之一，為適應(yīng)機(jī)電一體化的應(yīng)用，氣壓傳動與控制技術(shù)更應(yīng)順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。氣動機(jī)械手的探索創(chuàng)新將是一個(gè)很好的拓展方向。
根據(jù) 100 噸沖床自動上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)要求,對總體方案設(shè)計(jì)和驅(qū)動方式進(jìn)行對比選優(yōu)。著重針對機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對軸類工件以及薄板工件的抓取方式進(jìn)行對比選擇。對于機(jī)械手對工件的搬運(yùn)、翻面等工序有針對性的采用伸縮氣缸以及擺動馬達(dá)，并對其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、校核對于滿足設(shè)計(jì)要求的元件優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)件。在機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上，用 SolidWorks 軟件完成了機(jī)械手手腕回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、機(jī)械手臂伸縮升降結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的三維建模。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，氣壓傳動，Solidworks 三維建模，沖壓。
ABSTRACT
The progress of modern manufacturing technology has promoted the development of stamping production in the direction of high speed, automation and intelligence. The traditional stamping production uses the special machine operation and the manual loading and unloading, but this kind of production method cannot meet the increasingly rapid development of the industrial requirements. Nowadays, the introduction of automated production units and the establishment of flexible automated production lines in stamping production can not only achieve high efficiency and high speed of stamping equipment, but also improve the quality and precision of product processing. And at the same time, it also opens up an important development direction of stamping production technology. The punch manipulator is a smart device developed specifically for automation of unpressurized stamping on the basis of automation equipment. It can directly or indirectly replace the manual picking and placing, handling and punching of materials on the relevant stamping stations, so the production efficiency and product quality have been greatly increased. Compared to the motor-driven, hydraulically-driven pneumatic transmission and control manipulators, it has great advantages in response speed and automation control. Pneumatic technology uses gas-powered transmission media. First of all, the source of gas is wide and it can be directly extracted from the air, which is cheap and convenient. Second, pneumatic transmission is rapid, stable, reliable, simple in structure, and lighter in quality than other mechanisms. In the end of the implementation of the effect of view, the use of pneumatic actuators can have a very good flexibility, so that in the use of more secure, less damage to the work of the object. In addition, because the gas is harmless and clean, it is convenient for maintenance, inspection.
The combination of mechanical technology and electronic technology has become the current mainstream and development trend of the equipment industry. Mechanical and electrical integration is one of the important features of modern machinery and technology. In order to adapt to the application of mechatronics, the pneumatic transmission and control technology should adapt to the times. The exploration and innovation of pneumatic robots will be a good development direction.
According to the design requirements, the robot's overall program design and drive methods are compared and selected. Emphasis will be placed on the selection of the
gripping method for the shaft-type workpiece and the thin-plate workpiece by the end effector of the robot. For telescopic cylinders and oscillating motors, the manipulator's handling of workpieces, turning and other processes are targeted, and their design calculations and verifications are performed. Components that meet the design requirements are given preference for standard parts. On the basis of calculation and design of manipulator structure, the three-dimensional modeling of manipulator, wrist rotation structure, telescopic lifting structure of manipulator arm and guide mechanism using SolidWorks software was completed.
Key words：Robot,Pneumatic transmission Solidworks, 3D modeling,Stamping
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目 錄
1. 緒 論 1
1.1 前言 1
1.2 國內(nèi)工業(yè)機(jī)械手現(xiàn)狀 1
1.3 國外工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀 2
1.4 項(xiàng)目意義 2
2. 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2.1 機(jī)械手基本形式的選擇 4
2.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 4
2.3 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4
3. 手部設(shè)計(jì) 6
3.1 手部結(jié)構(gòu)分類 6
3.2 夾持式手部設(shè)計(jì)的基本要求 6
3.3 手部驅(qū)動力計(jì)算 6
3.4 氣缸直徑計(jì)算 9
3.5 校核活塞桿強(qiáng)度 11
3.6 活塞桿技術(shù)要求 11
3.7 夾緊氣缸缸筒壁的設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.8 氣缸技術(shù)要求 12
3.9 活塞技術(shù)要求 12
3.10 氣缸緩沖計(jì)算 13
4. 吸盤機(jī)械手 15
4.1 吸盤機(jī)械手概況 15
4.2 噴氣式氣流負(fù)壓式吸盤原理 16
4.3 計(jì)算吸盤的直徑 17
5. 手腕設(shè)計(jì) 18
5.1 機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
5.2 葉片式擺動馬達(dá)結(jié)構(gòu)原理 18
5.3 手腕擺動氣缸的驅(qū)動力矩計(jì)算 19
5.4 手腕轉(zhuǎn)動所需的實(shí)際驅(qū)動力 19
6. 手臂設(shè)計(jì) 22
6.1 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
6.2 機(jī)械手臂伸縮設(shè)計(jì) 22
6.3 機(jī)械臂的導(dǎo)向設(shè)計(jì) 23
6.4 機(jī)械手臂驅(qū)動力計(jì)算 23
6.5 伸縮氣缸校核計(jì)算 25
6.6 缸筒壁厚計(jì)算 26
6.7 活塞桿直徑的計(jì)算 26
6.8 機(jī)械手臂的升降以及回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 27
6.9 伸縮氣缸驅(qū)動力計(jì)算 28
6.10 升降氣缸的直徑計(jì)算 28
6.11 缸筒壁厚計(jì)算 30
7. 輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 31
7.1 機(jī)械手轉(zhuǎn)動的緩沖結(jié)構(gòu)示意圖 31
7.2 氣壓控制原理 31
7.3 模擬機(jī)械手的工作流程 32
結(jié) 論 34
參考文獻(xiàn) 35
附錄 1. 外文翻譯 36
附錄 2. 外文原文 44
致謝 55
1. 緒 論
1.1 前言
機(jī)械手的組成部件通常是動力驅(qū)動，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。機(jī)械爪是整個(gè)機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器，它直接與工件接觸。一般的它是根據(jù)被夾持工件的形狀、材料、質(zhì)量， 或者工作條件等特定條件設(shè)計(jì)的，都具有特定性。機(jī)械手臂部分是連接機(jī)械爪的部分其主要功能是為了使機(jī)械手能夠自由的到達(dá)合適的空間坐標(biāo)之內(nèi)，并且能夠控制機(jī)械手末端機(jī)構(gòu)伸長、旋轉(zhuǎn)。為了在任何位置和方向上抓取物體，必須有 6 個(gè)自由度。自由度是指機(jī)械手在空間內(nèi)運(yùn)動的自由程度，并將其以精確地?cái)?shù)字表達(dá)出來，以顯示其靈活成度。自由度越高，那么機(jī)械手的可用性及其靈活性也會大大的提高。最后機(jī)械手的控制系統(tǒng)是指通過各種各樣的控制硬件并配合其相應(yīng)的軟件編程，合理的完成對相應(yīng)的控制部件的控制。
沖壓設(shè)備由于其本身的高效性和實(shí)用性，在制造業(yè)中有著不可替代的作用[1]。針對沖床上下料氣動機(jī)械手，主要是考慮到?jīng)_床的快速發(fā)展以及加工環(huán)境的惡劣以及人力搬運(yùn)沖床下料的危險(xiǎn)性，使得設(shè)計(jì)一種可以代替人工進(jìn)行上下料的機(jī)械手成為大勢所趨。這類機(jī)械手通過控制由壓縮空氣驅(qū)動的氣動元件，實(shí)現(xiàn)全方位的物品夾持與放下。
把空氣作為它的主要驅(qū)動源，使得安全可靠，清潔無害成為了它的突出特點(diǎn)。并且多工位使得它可以一次完成多個(gè)工件的夾持與釋放，體現(xiàn)出了它的高效節(jié)能。將這類機(jī)械手運(yùn)用到?jīng)_床，必定可以實(shí)現(xiàn)更加自動化，安全化，綠色化的工業(yè)現(xiàn)代化。
1.2 國內(nèi)工業(yè)機(jī)械手現(xiàn)狀
沖壓自動線在國外發(fā)展已經(jīng)數(shù)十年，在國內(nèi)環(huán)境中，自動化控制的沖壓生產(chǎn)線中上下料過程也獲得了快速的發(fā)展[1]。目前我國已生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點(diǎn)焊、碼垛、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機(jī)器人[2]。但就我國現(xiàn)在的技術(shù)水平自主設(shè)計(jì)制作出精密度高、響應(yīng)速度、加工速度高、大負(fù)載的機(jī)械手難度還是很大。另外引進(jìn)國外先進(jìn)機(jī)械手價(jià)格高的原因，不僅在數(shù)量上，甚至在質(zhì)量上都與國外先進(jìn)的技術(shù)存在著很大差距?，F(xiàn)在我國用的最多的是直角坐標(biāo)系機(jī)械手且主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樯舷铝系陌徇\(yùn)。工業(yè)上同樣也會引用關(guān)節(jié)型機(jī)械手，但由于技術(shù)的不成熟其主要運(yùn)用于加工中心。即使困難重重，但在不停地探索學(xué)習(xí)以及拓展下，我國家
63
的工業(yè)機(jī)器人在針對特殊機(jī)械裝畳、不同的加工工藝、特定的加工場合下因地制宜， 設(shè)計(jì)出有針對性的機(jī)器人。雖然該類機(jī)械手使用范圍不像６自由度機(jī)械手那么廣，但其專注性設(shè)計(jì)具有很大優(yōu)勢。
1.3 國外工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀
機(jī)器人最早出現(xiàn)于美國，在 1962 年世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人就已經(jīng)被研制出[2]。美國大力經(jīng)濟(jì)的投入以及研發(fā)使得機(jī)器人工業(yè)在技術(shù)的更新?lián)Q代和加工經(jīng)驗(yàn)有著巨 大的優(yōu)勢。日本的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)數(shù)量和生產(chǎn)密度優(yōu)勢明顯，德國的工業(yè)機(jī)器人在很 多危險(xiǎn)性崗位應(yīng)用較多，且發(fā)揮著較大的功能和作用[3]。
工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用于沖壓生產(chǎn)線也是從 20 世紀(jì) 60 年代開始[1]。機(jī)械手的投入主要由于制造業(yè)的快速發(fā)展和國家政策的扶持，傳統(tǒng)工業(yè)方在日趨激烈的市場競爭下處于劣勢，同時(shí)也存在著勞動力等人工成本的增加。
20 世紀(jì) 70 年代，由于現(xiàn)代控制技術(shù)和氣動技術(shù)的進(jìn)步，沖壓上下料向高速化、自動化和精度化發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械手沖壓生產(chǎn)線不能適應(yīng)工業(yè)的發(fā)展需求，因此逐漸發(fā)展成熟的工業(yè)機(jī)械手迅速滲透入沖壓行業(yè)[4]。
進(jìn)入 21 世紀(jì)，美國等技術(shù)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)成熟等國家，逐步將視覺傳感器、力傳感器、觸覺傳感器、嗅覺傳感器的技術(shù)引用，使工業(yè)機(jī)器人逐步向高智能發(fā)展，如美國的火星探測器，Gantry3000 模塊機(jī)器人和梅林多聯(lián)機(jī)器人，美國工業(yè)機(jī)器人正在朝著更先進(jìn)、更可靠和更智能化的方向前進(jìn)[5]。
1.4 項(xiàng)目意義
基于我國的工業(yè)基礎(chǔ)以及不斷的探索創(chuàng)新學(xué)習(xí)，作為一個(gè)發(fā)展中的工業(yè)強(qiáng)國，氣 動行業(yè)在工業(yè)快速發(fā)展的帶動下迅速發(fā)展。并且由于氣動本身就具有節(jié)能、高效、無 污染、低成本、結(jié)構(gòu)簡單等各種優(yōu)點(diǎn)，日漸成熟的氣動技術(shù)運(yùn)用在不同的領(lǐng)域上?，F(xiàn) 在加工企業(yè)對氣壓傳動與控制技術(shù)的引用，不僅提高了機(jī)械手針對不同環(huán)境的適應(yīng)性， 同樣相比于液壓傳動與電力傳動在強(qiáng)磁、易燃易爆危險(xiǎn)環(huán)境、粉塵空間等諸多惡劣環(huán) 境下具備很大的優(yōu)勢且機(jī)械手的工作效率不會因環(huán)境的改變而降低。由于壓縮空氣的 特殊性以及氣壓控制工作壓力低，氣動元件的加工精度、制作工藝、制作成本都相對 低。氣壓傳動與自動化控制的優(yōu)勢和技術(shù)的日益成熟對沖壓機(jī)械手在上下料方面具有 很大推動作用。
由勞動密集型升級到技術(shù)密集型，實(shí)現(xiàn)沖壓的自動化高效生產(chǎn)才是沖壓行業(yè)未來
發(fā)展的必然趨勢[6]。在大勢所趨下，針對不同的工業(yè)領(lǐng)域很多機(jī)器人針對特定的需求被設(shè)計(jì)。作為一種仿人機(jī)械，工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)本體、自動控制部分、伺服驅(qū)動和位置檢測反饋結(jié)構(gòu)構(gòu)成，能夠針對不同的工作需求而編制程序提高機(jī)械手的通用性。工業(yè)機(jī)械爪模仿手部的結(jié)構(gòu)動作，按照不同環(huán)境下設(shè)定的程序完成在設(shè)定運(yùn)動軌跡下工件的抓取搬運(yùn)。機(jī)械手的投入讓現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)的工作效率降低，產(chǎn)品質(zhì)量提高。同樣現(xiàn)有的沖壓公司也希望通過現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)上，以升級改造后的設(shè)備替代和減少購置新設(shè)備，起到事半功倍的效果[6]。如果工業(yè)機(jī)械手技術(shù)能在工業(yè)生產(chǎn)中得到普及并進(jìn)一步提高、完善性能，那么中國機(jī)械制造業(yè)一定會發(fā)展得更快[7]。
2. 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械手基本形式的選擇
機(jī)械手型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種基本型式：
1） 直角坐標(biāo)機(jī)械手——直角坐標(biāo)系機(jī)械手機(jī)器機(jī)關(guān)簡略，可以很準(zhǔn)確的定位。但該機(jī)械手體積龐大不易隨意移動。
2） 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手——該機(jī)械手所用機(jī)械機(jī)關(guān)結(jié)構(gòu)龐大，體積小。由于圓柱坐標(biāo)機(jī)械手三個(gè)軸方向的運(yùn)動，不僅可以使機(jī)械手的工作范圍擴(kuò)大還可以讓機(jī)械手準(zhǔn)確定位到合適位置。該機(jī)械的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且 Z 軸的運(yùn)動部件主要集中在整個(gè)機(jī)構(gòu)的上方導(dǎo)致機(jī)械手在 Z 軸方向上下降高度收到限制。
3） 球坐標(biāo)機(jī)械手——機(jī)械構(gòu)造體積小，工作范圍大。由于機(jī)械手復(fù)雜的構(gòu)造， 機(jī)械手臂擺角的誤差會因?yàn)楣ぷ鞣秶臄U(kuò)大而定位不準(zhǔn)確。
4） 關(guān)節(jié)式機(jī)械手——該機(jī)械手動作靈敏，安全工作區(qū)域大且機(jī)械手體積小。但此類機(jī)械手關(guān)節(jié)多，很難將每個(gè)關(guān)節(jié)的位置都精確地檢測到，位置精度相對來說較低。
本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。
2.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇
每一個(gè)機(jī)器人的正常運(yùn)行都需要提供動力，而動力源源不斷地提供需要驅(qū)動機(jī)構(gòu) 的工作。并且機(jī)械設(shè)備的高昂的價(jià)格以及應(yīng)用范圍很大程度上是受到驅(qū)動機(jī)構(gòu)的限制。在工業(yè)上，一般的驅(qū)動機(jī)構(gòu)有電動、氣動以及液動。對于這三種驅(qū)動方式，在選擇驅(qū) 動機(jī)構(gòu)的時(shí)候要考慮到實(shí)際的工作狀況。綜合考慮它們之間的利弊，尋找一種最經(jīng)濟(jì)、最安全的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。
本機(jī)械手設(shè)計(jì)采取氣壓驅(qū)動的方式。
2.3 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
為了擴(kuò)大機(jī)械手的工作范圍和符合本設(shè)計(jì)的根本理念，本次設(shè)計(jì)結(jié)合齒輪傳動， 并配以直線氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸，模擬人體手指關(guān)節(jié)自由活動。同時(shí)完成機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)與夾持動作，末端執(zhí)行器的兩邊采用完全對稱的手指，以便于在抓取工件的過程中達(dá)到受力均勻。并且在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與機(jī)械手臂間以一個(gè)伸縮氣缸連接，這樣就可以達(dá)到末端機(jī)構(gòu)橫向移動抓取工件的效果，并配合機(jī)械手臂的升高、降落、擺完成整搬運(yùn)的
過程。
用升降氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸承擔(dān)機(jī)械臂的升高和降低，左右擺動和抓取工件并能夠翻轉(zhuǎn)的任務(wù)。并配備導(dǎo)向裝置完成氣缸的升降，增加了氣缸的剛性，同時(shí)防止了氣缸桿繞軸心的偏轉(zhuǎn)。機(jī)械爪抓取工件時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證手指快、準(zhǔn)、穩(wěn)。在使用過程中，由于所加持工件、工具等不同的形狀、尺寸、材料、重量，工業(yè)機(jī)器手部的特征也大不相同。
3. 手部設(shè)計(jì)
3.1 手部結(jié)構(gòu)分類
按握持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類結(jié)構(gòu)有夾持式、鉤托式、彈簧式。
吸附類結(jié)構(gòu)有氣吸式和磁吸式。
本次設(shè)計(jì)對 100 噸沖床自動上下料機(jī)械手采用夾持式，機(jī)械爪由手指、動力傳動部分和動力驅(qū)動三部分。該機(jī)械手可以抓取各種形狀的工件，可以應(yīng)對不同場合。動力驅(qū)動有氣壓、氣動和電動等幾種情勢。常見的傳動機(jī)構(gòu)主要有滑槽、斜楔、齒輪齒條和連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)夾緊和松開[8]。
平移手指的打開和關(guān)閉取決于手指的平行運(yùn)動，這樣的設(shè)計(jì)適合夾持平板和規(guī)整的塊狀物。但是這種手指的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且由于其工作狀態(tài)較為苛刻，加工精度也要求較高，加工成本較其他較高。
3.2 夾持式手部設(shè)計(jì)的基本要求
1） 合適的力量大小，夾緊力太大夾壞工件，并且能量浪費(fèi)，力度太小工件抓取不牢固。
2） 合理的手指伸開角度，機(jī)械手指在抓取工件時(shí)要有充足的空間去伸開手指并且逐漸靠近工件。
3） 精準(zhǔn)的定位精度，機(jī)械手在不停地往復(fù)抓取工件、放下工件的過程中應(yīng)保證每一次的抓取位置與松開位置不存在很大偏差，確保工作精度。
4） 保證機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊不復(fù)雜，追求簡單有實(shí)效，機(jī)械手自身質(zhì)量小，工作效率高。
5） 提高通用性，要求手指夾持規(guī)?？烧{(diào)節(jié)，手腕可更換。
3.3 手部驅(qū)動力計(jì)算
沖床上下料機(jī)械手采用夾緊氣缸的活塞桿末端采用齒輪條結(jié)構(gòu)，V 形塊的最末端通過與兩個(gè)半圓形的齒輪接觸。氣缸通過壓縮空氣帶動活塞桿前后活動，桿末端由于齒輪嚙合帶動半圓形齒輪活動，完成齒輪的張開閉合。圖 3.1 為機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖，機(jī)械手指夾緊的工件重量 G=10 ㎏，機(jī)械手指末端的“V”形塊兩者之間的角度 2θ=1200，
V 形塊中心到手指旋轉(zhuǎn)中心直線距離 b=120mm，齒輪齒條結(jié)構(gòu)中齒輪節(jié)度圓半徑R=25mm，摩擦系數(shù)為 f=0.1。
圖 3.1 機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)夾持式齒輪齒條機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖，如圖 3.1 所示，所需要的驅(qū)動力：
P=2?? ? ?? （3.1）
??
式中：
N-機(jī)械手握力大小（N）； R-齒輪半徑大小（mm）；
b-齒輪回轉(zhuǎn)軸到工件距離（mm）。
根據(jù)二指夾持式機(jī)械手夾持工件的方位，其握力大小公式：
所以理論驅(qū)動力：
p = 2?? ? ?? = 2 × 120 × 50 = 496??
??
夾持式機(jī)械手實(shí)際的驅(qū)動力滿足
??實(shí)際
25
≥ ?? ? ??1??2
??
（3.2）
該機(jī)械手根據(jù)齒輪齒條進(jìn)行動力的傳輸與V 形塊的驅(qū)動，所以取 n=0.94，??1=1.5。假設(shè)當(dāng)機(jī)械手抓緊工件后搬運(yùn)到下一位置的整個(gè)過程中加速完成。取最大的加速度a=9.8m/??2，則：
所以機(jī)械手的實(shí)際驅(qū)動力：
?? ?? ? ??1??2 = 496 × 1.5×2 ≈ 1600（N）
實(shí)際 ??
0.94
所以齒輪齒條機(jī)械手夾持時(shí)需要夾緊氣缸提供的驅(qū)動力為 1600N 1)手指轉(zhuǎn)角計(jì)算
機(jī)械手停止時(shí)兩手指保持平行時(shí)，兩指間夾持距離在 94mm，在機(jī)械手加持Φ = 150mm棒料時(shí)，兩手指升高 40mm，則兩手指旋轉(zhuǎn)過的角度：
arcos1 = 70°53
3
則齒輪轉(zhuǎn)過 19°47，為滿足工作需求，取齒輪轉(zhuǎn)過的角度為 25°，根據(jù)弧長公式：
式中：
n-圓弧對應(yīng)的圓心角（°）； r-圓弧半徑（mm）。
L=??????
180
（3.3）
L=25×25×3.14 ≈ 11????
180
為滿足工作需求，夾緊氣缸的活塞桿上齒條長度 15mm 即可滿足手指齒輪的旋轉(zhuǎn)要求。根據(jù)生產(chǎn)要求夾緊氣缸的活塞進(jìn)程為 50mm，因此為滿足活塞進(jìn)程可適當(dāng)加長齒條長度至 30mm。
2）彈簧選擇
根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境限制，將作用在氣缸的載荷相比實(shí)際載荷取大化，設(shè)定最大工作載荷???? =500N,同樣將作用在氣缸的載荷相比于實(shí)際最小載荷擴(kuò)大化，設(shè)最小工作載荷??1 =200N。載荷類型為沖擊載荷，擬采用彈簧直徑為 4.5mm，并且經(jīng)過油淬火、回火加工工藝來提高彈簧強(qiáng)度的碳素彈簧鋼絲，彈簧的始末兩端并緊，并磨平為一個(gè)圓整的面，彈簧的支承圈數(shù)為 1 圈。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[8]可得???? = 1422，???? = 0.4， 彈簧的許用應(yīng)力值為 568.8?？紤]到實(shí)際工作狀況，單作用氣缸彈簧收到的工作載荷為循環(huán)載荷，變化次數(shù)較少，對其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算：
??
安全系數(shù) S=??0+0.75???????? ≥ ?? （3.4）
????????
式中：
??0-彈簧在脈動循環(huán)載荷下的剪切疲勞強(qiáng)度[8]。
通過查表??0=0.3????=0.3× 1422 ≈ 426；
????3
????????-彈簧在最大載荷下的切應(yīng)力[8]。????????=8????1 ? ????；
????3
????????-彈簧在最小載荷下的切應(yīng)力[8]。????????=8????1 ? ??1；
C-彈簧旋繞比，C=32 =7.1；
4.5
K-曲度系數(shù)，K=4???1 + 0.615=1.21。
4??+4 ??
所以彈簧安全系數(shù) S=??0+0.75???????? = 420+0.75×216 =1.29≈ ???? = 1.3~1.7
所以該彈簧滿足要求。
3.4 氣缸直徑計(jì)算
????????
541
夾持式齒輪齒條機(jī)械手的夾緊氣缸采用彈簧復(fù)位式單作用氣缸[8]。由力平衡原理可以知道，氣缸的輸出力主要由活塞桿克服彈簧的反彈力與活塞與缸體的摩擦力之和之外的力。機(jī)械手指輸出力過大對于脆性工件容易夾壞，對于硬度大的工件雖然不存在夾壞工件的現(xiàn)象,但提供的能量多造成能量浪費(fèi)。機(jī)械手輸出力度過小導(dǎo)致機(jī)械手不能夾緊工件進(jìn)行工件的搬運(yùn)，甚至夾緊力過小讓工件在搬運(yùn)過程中，由于震動使工件掉落損壞拖慢工作進(jìn)程。其輸出力為：
?? = ????2?? ? ??
（3.5）
式中：
1 4 ??
??1-單作用氣缸的輸出力（N）；
????-彈簧彈力大小（N）；
P-驅(qū)動氣缸工作的壓力(pa)。彈簧作用力大小計(jì)算：
????=C?(L+S) （3.6）
????4
1
C= 1
（3.7）
式中：
C-彈簧剛度（N/mm）； L-彈簧預(yù)壓縮量（mm）； S-氣缸運(yùn)動行程（mm）；
8??3??
??1 = ??2 ? ??1 （3.8）
??1-彈簧絲直徑尺寸（mm）；
??1-彈簧中徑尺寸（mm）；
??2-彈簧大徑尺寸（mm）； n-彈簧有效圈數(shù)；
G-彈簧切變模量，G=79× 109??a。
根據(jù)實(shí)際工作狀況考慮夾緊氣缸的實(shí)際載荷影響，取η=0.4，依據(jù)公式（3.5）推出氣缸直徑：
由上推理，彈簧剛度大?。?
????4
D=√4（??1+ ????）
??????
79×109×（4.5×10?3 4
(3.9)
C= 1 = ） =3681.53N/m
1
8??3??
8×（30×10?3）3
????=C?(L+S)=3681.53=3681.53× 60 × 10?3=220.8N
推出氣缸直徑：D=√4（??1+ ????）=√4×（220.8+500）=67.75mm
??????
3.14×0.5×0.4×106
表 3.1 氣缸內(nèi)徑系列 （mm）
25
32
40
50
63
70
80
200
（220）
250
320
400
450
500
括號內(nèi)的直徑優(yōu)先采用查表 3.1 取 D=70mm
根據(jù)?? = 0.2~0.3，可以推理出活塞桿直徑：d=（0.2~0.3）D=16-24mm。
??
表 3.2 活塞桿直徑系列 （mm）
10
12
14
16
18
20
22
25
28
50
56
63
70
80
90
100
110
125
查表 3.2 得活塞桿直徑 d=20mm。
為增加活塞桿的強(qiáng)度，活塞桿采用 45 鋼，[σ]=???? = 600=300Mpa。
???? 2
式中：
????-45 號鋼抗拉強(qiáng)度；
????-材料的安全系數(shù)。材料安全系數(shù)可分為兩種，一種是脆性材料，一種是塑性材料[8]。45 號鋼為塑性材料，所以n=1.5~2.0。
所以，活塞桿的拉壓強(qiáng)度：
= ??實(shí)際
= 1600
=6.3Mpa≤[σ] （3.10）
?? ??
2 3.14×92
（2）
所以直徑 18 mm 的 45 號鋼的活塞桿，強(qiáng)度滿足需要。
3.5 校核活塞桿強(qiáng)度
活塞桿往復(fù)伸縮活動，受到了機(jī)械手以及重物和旋轉(zhuǎn)氣缸自身重力的原因，活塞桿上豎直方向上容易發(fā)生彎曲?；钊麠U的能否正常使用必須對其考強(qiáng)度校核。
機(jī)械手和工件的質(zhì)量之和為 20Kg。機(jī)械手夾持部件以最大的加速度完成升降， 取 a=g=10m/s 。
F = ma = 2mg = 2 × 20 × 10 = 400（N）
σ'=??= 400
=1.27MPa≤[σ]=355=177.5MPa
?? 3.14×102 2
式中：
F-部件以及機(jī)械手最大的重力（N）。
所以 45 號鋼的活塞桿的許用應(yīng)力滿足機(jī)械手以及重物的加持。
3.6 活塞桿技術(shù)要求
活塞桿與活塞孔的尺寸相差過小將導(dǎo)致由于孔直徑偏小活塞桿插不進(jìn)去安裝困難，尺寸相差過大增加了他們兩個(gè)之間的縫隙，氣缸會漏氣。為了防止活塞漏氣以及活塞插不進(jìn)去，所以兩者配合公差采用 f8，同樣特制活塞桿的表面粗糙度 Ra=0.8μm。活塞上安置活塞桿的裝配孔與活塞桿的同軸度偏差不能超過 0.02mm，活塞桿的端面與裝配孔的垂直度誤差同樣不能超過 0.02。考慮到工作環(huán)境等外界因素對活塞桿的腐蝕以及機(jī)械手以及配件的使用壽命，活塞桿表面鍍鉻、拋光，鉻層厚度0.01mm~0.02mm[8]。
3.7 夾緊氣缸缸筒壁的設(shè)計(jì)計(jì)算
由于壓縮氣體的壓力直接作用于氣缸壁，所以氣缸必須有一定的厚度滿足工作需求，防止氣壓過高造成爆缸的安全隱患，同樣氣缸壁不能過厚增加設(shè)備成本。按氣缸筒內(nèi)徑和外徑之間的差值與內(nèi)徑之比：
?? ≤ 1
氣缸壁厚計(jì)算：
?? 10
δ = ??????
2[??]
(3.11)
式中：
δ-夾緊氣缸壁的厚度（m）；
D-夾緊氣缸的內(nèi)徑尺寸（m）；
????-試驗(yàn)壓力，通常取????=1.5p； P-氣缸的實(shí)際工作壓力 Pa；
[σ]-氣缸材料的許用應(yīng)力[σ] =????；
??
????-氣缸材料的抗拉強(qiáng)度（Pa）； S-安全系數(shù)，通常取 6-8。
考慮到氣缸的材料不漏氣的特性，缸體的材料選用 ZL106，????=235MPa。該鋁合金成分增加的 Mn，以及工晶體的原因抵消了材料中混入的鐵的有害作用，該鋁合金材料有很好的氣密性以及很適合鑄造。該鋁合金材料的切削性能滿足了氣缸胚料在車床加工的工藝要求。所以氣缸壁厚：
2×235
δ = 70×1.5×0.5=1.2mm
8
表 3.3 氣缸筒壁厚表 (mm)
材料
氣缸直徑
50
80
100
125
壁厚
鑄鐵 HT150
7
8
10
10
鋼 Q235A、45、20 無縫管
5
6
7
7
鋁合金
8~12
12~14
經(jīng)過查表 3.3，取氣缸壁厚 5mm，所以D = 70 + 5 × 2 = 80mm。
3.8 氣缸技術(shù)要求
對于夾緊式氣缸與活塞的密封采用 O 形橡膠密封圈，所以針對氣缸的技術(shù)要求采用三級精度，表面粗糙度 Ra=0.4μm。缸體兩端采用 15°的倒角的設(shè)計(jì)可以使氣缸蓋與缸體更好的配合。同樣缸體的內(nèi)徑的圓度、圓柱度不能超過尺寸公差的 1/2。高溫潮濕等惡劣環(huán)境會對機(jī)械手的部件腐蝕，導(dǎo)致機(jī)械手部件不耐用，為保證機(jī)械手部件堅(jiān)固耐用，缸內(nèi)表面可鍍鉻，在拋光或研磨，鉻層厚度 0.01~0.03mm[8]。
3.9 活塞技術(shù)要求
活塞的四周采用 45°角的倒角的設(shè)計(jì)可以使活塞更便捷的裝配到氣缸內(nèi)，避免活塞直徑過大導(dǎo)致活塞安裝不進(jìn)去?；钊习惭b活塞桿的裝配孔的同軸度與氣缸外徑的同軸度誤差不能超過 0.02mm?；钊c內(nèi)筒直接組裝二者間的縫隙使得氣缸漏氣， 并且兩者之間摩擦系數(shù)大會加重活塞與內(nèi)筒的摩擦損耗，使得活塞與內(nèi)筒間隙越來越
大、越來越漏氣氣缸噪音也越來越大。為避免活塞漏氣也較少兩者間的摩擦，活塞與內(nèi)腔的密封采用 O 形橡膠密封圈，活塞與內(nèi)徑的配合公差與活塞桿與孔的配合都采用f8。
3.10 氣缸緩沖計(jì)算
氣缸的快速運(yùn)動不停的碰撞氣缸的兩端，為制止活塞桿快速活動對氣缸端蓋碰撞的破壞，增添一個(gè)吸取震動能量裝置，平衡活塞運(yùn)動產(chǎn)生的能量，經(jīng)由吸震裝置吸收多余沖擊能量減小對氣缸的損壞。緩沖能量計(jì)算：
??1 = ???? + ???? ± ???? ? ???? （3.12）
式中：
????-工作氣壓作用在活塞的能量（J）；
????-活塞由于慣性產(chǎn)生的能量（J）；
????-垂直氣缸的重力產(chǎn)生的能量（J）；
???? ?相反作用力的摩擦能（J）。
2 ??
??1 = ??1??1??1 + 1 ?? ??2 ± 0 ? ??????1 （3.13）
式中：
??1-氣缸工作時(shí)的氣體壓力（pa）；
??1-緩沖裝置的活塞面積(??2)；取緩沖器缸徑 0.02m；
??1-緩沖器緩沖頭的行程(m)；取??1 = 0.015??。數(shù)據(jù)代入公式（3.13）得：
??1
= 0.5 × 106 × 3.14 × (4.× 10?3)
= 2512.35J
× 15 +
1 ? 200 × 0.05 ± 0 ? 10 × 0.015
2 10
緩沖裝置吸收的能量：
2
?? = ??
???1
???1
2 2
?? ?? [(??3) ?? ? 1] （3.14）
??2
式中：
??2-機(jī)械手氣缸的絕對壓力（pa）；
??2-緩沖氣缸的緩沖桿堵住氣缸孔的容積（??3）；
??3-緩沖氣缸所能容許的最大壓力時(shí)（pa）； k-絕熱指數(shù)，取 k=1.4。
??2
數(shù)據(jù)代入公式（3.14）：
3.14×10?4
= 3.5 × 0.2 × 106 × 3.14 × 10?4 × 40 × 10?3 [( 7000
0.2×10?6
0.286
)
? 1] = 3247.6??
因?yàn)??1 ≤ ??2，所以緩沖氣缸對能量的吸收足夠支撐工作需求。查找機(jī)械手冊[8]， 優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)件，緩沖氣缸采用 AD2450 型號，結(jié)構(gòu)如圖 3.2 所示，每小時(shí)吸收能量80000J。
夾緊氣缸耗氣計(jì)算：
圖 3.2 緩沖氣缸結(jié)構(gòu)圖
?? = ?? ? ??2??
（3.15）
??1
4 ??1
?? = ?? ? (??2???2)??
（3.16）
式中：
??2 4
??2
????1-氣缸活塞桿伸出時(shí)沒有活塞桿腔的壓縮空氣消耗量（m /s）；
????2-氣缸活塞桿收回時(shí)有活塞桿腔的壓縮空氣消耗量（m /s）；
s-氣缸行程（m）；
??1，??2-氣缸伸出，收回所需要的時(shí)間（s）。
3.14 5×10?2(80×10?3)2
????1= 4 ? 1 =2.51 m /s
4. 吸盤機(jī)械手
4.1 吸盤機(jī)械手概況
真空吸盤式機(jī)械手在工業(yè)上最多用于搬運(yùn)個(gè)頭大、重量輕的殼體工件比如用于汽車加工廠中的汽車外殼搬運(yùn)，洗衣機(jī)、電視機(jī)等殼體的運(yùn)輸搬運(yùn)。甚至在電子加工產(chǎn)業(yè)也廣泛的應(yīng)用到，比如液晶顯像板、鋼化屏等所有的平板玻璃的搬運(yùn)。通過吸盤式的機(jī)械手的工作用途，可以推斷出，吸盤式機(jī)械手的工作條件限制，要求工件與吸盤接觸的地方平整，表面光滑。同樣還要考慮到，工件表面存在的工件加工殘留的碎屑， 空氣粉塵顆粒物會影響到吸碗的工作。因?yàn)楣ぜ砻娌磺鍧崒?dǎo)致工件夾持不穩(wěn)定引起工件搬運(yùn)損壞，拖慢加工進(jìn)程。吸盤式機(jī)械手的劃分主要通過真空環(huán)境產(chǎn)生的手段， 主要有以下幾種：
（1） 真空吸盤：真空吸盤吸附力的大小主要取決于吸盤橡膠碗與工件的接觸表面的大小，以及工件與橡膠碗接觸的內(nèi)外的氣壓壓強(qiáng)差。影響真空吸盤最主要的因素就是工件表面的質(zhì)量狀況，工件表面殘留的工件加工碎屑，或者工件表面過于粗糙、過于臟都將影響真空吸盤的吸力大小。同樣工件表面存在的油漬或者其他氧化物長時(shí)間的與吸盤皮碗接觸會導(dǎo)致橡膠碗的快速老化。當(dāng)然真空吸盤相比其他機(jī)械手最大的優(yōu)勢就是吸盤機(jī)械手配備真空泵，它的加入盡管增加了成本但它的吸附力相比去他的大。
（2） 擠氣式吸盤：當(dāng)吸盤向工件表面接近時(shí)，吸盤機(jī)械手臂持續(xù)下降導(dǎo)致吸盤 皮碗容積減小，皮碗內(nèi)的空氣被排擠出。當(dāng)機(jī)械手臂撤去外力，吸盤皮碗由于受到擠 壓需要恢復(fù)彈性形變形成負(fù)壓空間將工件吸緊。工件通過機(jī)械手臂搬運(yùn)到指定位置后， 通過額外的碰撞使皮碗的負(fù)壓空間破壞，讓重物落下。另外也可以通過電磁氣壓開關(guān) 控制吸盤皮碗與外界大氣壓的氣壓差。擠氣式吸盤機(jī)械手相對于其他兩種相比，該機(jī) 械手不需要專門配備真空泵以及空壓機(jī)提供額外的氣源，裝置簡單便捷。因?yàn)闆]有特 意增加額外的氣源裝置提供充足的能量擠氣式吸盤機(jī)械手對工件的吸附穩(wěn)定性差，存 在抓取工件不牢固的現(xiàn)象。
（3） 氣流負(fù)壓式吸盤：外源空氣經(jīng)過壓縮流入噴嘴，由伯努利效應(yīng)知道，橡膠皮碗內(nèi)產(chǎn)生一塊區(qū)域的氣壓低于大氣壓。配備氣流負(fù)壓式吸盤機(jī)械手的設(shè)施都配備空壓機(jī)提供，不需要提供專門的真空泵并且壓縮的空氣比較容易得到。
真空吸盤的直徑大小從Φ2-200mm，吸盤的形狀結(jié)構(gòu)主要分為規(guī)整圓形、加深圓
形、鈴形、1.5 褶波紋形、3.5 褶波紋形、橢圓形。對于工件表面滑膩而且不透氣的工件適合采用標(biāo)準(zhǔn)圓形吸盤；對于夾持物表面不平、弧形或者傾斜的表面適宜采用波形吸盤。所以應(yīng)根據(jù)不同工件表面與吸盤接觸的實(shí)際情況以及不同的工作環(huán)境，選擇不同材質(zhì)不同形狀結(jié)構(gòu)的真空吸盤。主要材質(zhì)有適用于常規(guī)領(lǐng)域但不適合帶油高壓、高溫環(huán)境低成本的丁腈橡膠；適用于粗糙表面耐撕扯、耐磨損聚氨酯、用于食品行業(yè)的硅橡膠；用于玻璃制品搬運(yùn)的耐化學(xué)腐蝕和經(jīng)受得住高溫考研的氟橡膠；用于汽車行業(yè)帶油工件的耐磨損、耐油污的淮邦聚氨酯 Vullkollan。
對于平板工件，采用噴氣式氣流負(fù)壓式吸盤。氣流負(fù)壓式與夾持式機(jī)械手相比， 氣流負(fù)壓式機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單輕巧，并采用噴氣式橡膠碗，吸附力在工件表面均勻分散， 同樣要求工件表面不能過于粗糙、不存在油漬。
4.2 噴氣式氣流負(fù)壓式吸盤原理
根據(jù)流體力學(xué)，氣體在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)的氣體經(jīng)過噴嘴的每一個(gè)截面的氣體質(zhì)量相等[8]。所以針對不同的情況，噴嘴的橫截面積有所不同。在高氣壓的噴嘴應(yīng)具備較大面積，相反低氣壓的噴嘴截面應(yīng)占較小的面積。
空氣經(jīng)過壓縮后，由輸氣管進(jìn)入 A 噴嘴，由于輸氣管接口處到噴嘴末端由大到小的特殊設(shè)計(jì)，使輸氣管道逐漸減小導(dǎo)致氣流的速度逐漸增大，當(dāng)氣流沿噴嘴流動方向到達(dá)噴嘴面積最小時(shí)，氣體流動速度達(dá)到最大。此時(shí)的輸出空氣壓力近似為由 A 處氣管接口處進(jìn)入噴嘴的壓力一半，即????=0.5??1。為了使氣流負(fù)壓式機(jī)械手噴嘴最末尾的出口壓力??2低于???? ，在氣流負(fù)壓式噴嘴最后的一部分增加一段逐漸擴(kuò)大的橡膠碗。通過吸盤橡膠碗增加在負(fù)壓式吸盤噴嘴出口處，就可以得到比音速還要大許多的超音速。超音速區(qū)域的建立可以在此形成低于大氣壓的低壓區(qū)域，使 C 處的氣體以高速度的形式被沖走，以高速度帶走的氣體使 C 處形成密封空腔，這樣就可以使吸盤橡膠碗內(nèi)腔壓力下降直至低于大氣壓而形成負(fù)壓。當(dāng)在 C 處吸盤觸碰到工件即可吸住工件。
圖 4.1 所展示的構(gòu)造為可調(diào)式噴氣式氣流負(fù)壓式吸盤機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了增加噴嘴的工作面積與效率，特意將噴嘴口與噴嘴套之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成存有適當(dāng)?shù)拈g隙，目的是將氣體快速抽走，增加工作效率。當(dāng)噴嘴與噴嘴套之間間隙過小時(shí)， 經(jīng)過 A 口噴出的高速氣流和需要被抽出的氣體經(jīng)過時(shí)，氣體與外壁摩擦變大讓氣流的運(yùn)動速度下降，影響了工作效率，延緩抽氣速度;相反間隙過大時(shí)，靠近 A 口噴射氣體的氣體被快速的向前帶走，離得遠(yuǎn)的氣體由于損耗一部分能量以低速度帶走。并且兩者之間的縫隙過大，將導(dǎo)致噴嘴套出口處有一部分氣體反流，二者的影響讓抽氣速
率降低。
圖 4.1 噴嘴機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖
4.3 計(jì)算吸盤的直徑
1） 計(jì)算吸盤吸力大小:
式中：
P = ??????2 4???1???2???3
(4.1)
P—按工件質(zhì)量設(shè)定 P=50N； D—橡膠碗直徑（mm）；
n—橡膠碗個(gè)數(shù)；
??1—安全系數(shù)，取??1=1.5;
??2—工作情況系數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)吸盤橡膠碗實(shí)際工作狀況，取??2=2。
??3—橡膠吸盤吸附金屬平板，取 f=0.5-0.8。代入數(shù)據(jù)得:
?? × 4 × ??1 × ??2 × ??3
4 × 50 × 1.5 × 2 × 1.5
D = √
???? = √
1 × 3.14 = 169.2????
所以吸盤直徑 D=170mm。
5. 手腕設(shè)計(jì)
5.1 機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
沖床自動上下料機(jī)械手需要滿足夾持式和氣流負(fù)壓式機(jī)械手，同樣也為了提高機(jī)械手的通用性，機(jī)械手的手腕部分設(shè)計(jì)成便于拆卸更換的結(jié)構(gòu)。為了滿足工件搬運(yùn)過程中完成工件的翻面，所以機(jī)械手的手腕設(shè)計(jì)需要滿足翻轉(zhuǎn)運(yùn)動。針對翻轉(zhuǎn)運(yùn)動手腕采用擺動馬達(dá)。
擺動馬達(dá)擺動是因?yàn)閮蓚€(gè)氣閥開關(guān)同時(shí)打開，一個(gè)負(fù)責(zé)進(jìn)氣，一個(gè)負(fù)責(zé)排氣，進(jìn)氣處的壓力大于排氣處，所以空氣推動葉片轉(zhuǎn)動。擺動馬達(dá)軸承受轉(zhuǎn)矩，對沖擊的耐力小，因此當(dāng)收到驅(qū)動機(jī)構(gòu)停止時(shí)由于慣性的沖擊力容易損壞，所以對于擺動氣缸需要配備緩沖裝置。
5.2 葉片式擺動馬達(dá)結(jié)構(gòu)原理
圖 5.1 擺動馬達(dá)結(jié)構(gòu)原理圖（剖視圖） 圖 5.2 擺動馬達(dá)三維結(jié)構(gòu)圖
圖 5.1、5.2 展示擺動馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理以及三維結(jié)構(gòu)圖。擺動馬達(dá)中間的擋塊和缸體是固定在一起的且他們之間用密封圈密封防止漏氣，葉片的左右偏擺是因?yàn)榕c轉(zhuǎn)動軸固定在一起。為了使葉片軸的密封性能增加，將密封圈硫化在葉片軸上，將止動擋塊上的密封件鑲嵌在缸體上，葉片滑動部分采用低阻尼 IDE 特殊唇形密封件。前后端蓋有滾動軸承。在氣缸缸體上有兩條氣路，當(dāng)左側(cè)輸氣管路進(jìn)氣時(shí)，右輸氣管排出氣體，從而擺動馬達(dá)針轉(zhuǎn)動。
5.3 手腕擺動氣缸的驅(qū)動力矩計(jì)算
葉片式擺動馬達(dá)產(chǎn)生的理論力矩計(jì)算公式：
M = ??2???2 ? ?????? × 106 （5.1）
8
式中;
M-擺動馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩（N?m）； D-擺動馬達(dá)內(nèi)徑（m）；
d-轉(zhuǎn)子直徑（m）；
b-轉(zhuǎn)子軸的長度（m）； n-葉片數(shù)；
p-工作壓力（MPa）。
采用擺動馬達(dá)標(biāo)準(zhǔn)件，選用型號 CRBU2WU80-270S。
(80×10?3)2?(24×10?3)2
M= 8
× 126.5 × 10?3
× 1 × 0.5 × 106
=27.5N?m
5.4 手腕轉(zhuǎn)動所需的實(shí)際驅(qū)動力
圖 5.3 展示手臂夾緊回轉(zhuǎn)示意圖。手腕驅(qū)動時(shí)必須克服所有的阻力力矩，包括手腕由靜止開始啟動的慣性力矩，轉(zhuǎn)動軸與軸承之間以及轉(zhuǎn)動軸和端蓋上孔的摩擦力矩， 葉片底部在端蓋表面上的的摩擦力矩以及回轉(zhuǎn)中心不重合產(chǎn)生的偏重力矩。
圖 5.3 手臂夾緊回轉(zhuǎn)示意圖
腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服以下幾種阻力： 1）腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩??磨
?? 磨 = 0.1??總 （5.2）
2） 克服由于工件重心偏置所需的力矩??偏
??偏 = ??1?? （5.3）
式中：
e—工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）。 3）克服啟動慣性所需的力矩??慣
式中：
??慣
= (?? ± ??工件
) ??
??啟
（5.4）
工件
?? — 工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量(Nms2)；
J— 手腕回轉(zhuǎn)部分對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量(Nms2)；
ω— 手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度(1/s)；
??啟— 啟動過程所需要的時(shí)間。一般取 0.05-0.3s。4）總驅(qū)動力矩??總
??總 = ??磨 + ??偏 + ??慣 （5.5）
手爪、工件、手夾緊氣缸等效為一個(gè)高 100mm、外徑為 80mm、重量為 30Kg 的圓柱體。
1） 摩擦阻力矩由公式（5.2）知：
??磨 = 0.1??總
2） 啟動過程時(shí)間，?。?
?? 啟 = 0.2??s
等速轉(zhuǎn)動角速度
3） 克服慣性力矩
1 2
201
ω = 180 = 5.58??????/?? 0.2
2 2
J = 2 ??腕??腕 = 0.5 × 132.01 × 0.074
= 0.323??????
??件
= 1 ??
12 件
?? = 0.083 × 100 × 0.01 = 0.083??????2
代入公式（5.4）有：
100 噸沖床自動上下料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)
??慣
= (?? ± ??工件
) ??
??啟
= (0.323 + 0.083) × 5.58=11.88N? m
0.2
4） 克服工件偏心所需要的力矩
由于夾持工件的部位為工件的中心，所以：
?? 偏 = 0
5） 總驅(qū)動力矩
??總 = ??磨 + ??偏 + ??慣 = 0.1??總 + 11.88 + 0N·m
所以
??總
= 11.88=13.21N·m 0.9
擺動氣缸缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力矩??總，即：
M = ????(??2???2) ≥ ??
（5.6）
又因?yàn)?
2 總
2??總
P ≥ ??(??2 ? ??2)
式中：
??總—手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的總阻力矩(Nm); P—擺動氣缸的工作壓力(pa);
R—缸體內(nèi)孔半徑(m)； r—輸出軸半徑(m)； b—?jiǎng)悠瑢挾?m)。
將R = 55mm，r = 25mm，b = 125mm，代入公式（4.5）得：
P ≥
2??總
??(??2???2)
2×13.21
=
0.125×(0.0552?0.0252)
= 0.0415??????
100 噸沖床自動上下料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)
6. 手臂設(shè)計(jì)
6.1 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由工作狀況限定，該機(jī)械手的自由度為 4 自由度。兩個(gè)伸縮氣缸和擺動氣缸完成機(jī)械爪的翻轉(zhuǎn)，手臂水平方向的伸出、縮回以及旋轉(zhuǎn)，以及豎直方向上的升高降低、回轉(zhuǎn)。
6.2 機(jī)械手臂伸縮設(shè)計(jì)
機(jī)械手臂的往復(fù)伸縮動作的實(shí)現(xiàn)需要采用直線氣缸，壓縮空氣由氣缸的前后兩個(gè)輸氣孔進(jìn)入，壓縮空氣驅(qū)動活塞下完成直線往復(fù)運(yùn)動。考慮到活塞氣缸結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、壓縮空氣干凈實(shí)惠來源廣泛，所以機(jī)械手臂采用直線氣缸完成特定動作。機(jī)械手臂采用氣缸的往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)工件的橫向移動以及手臂的升降過程中，適當(dāng)增加一定的導(dǎo)向裝置。導(dǎo)向裝置的增加不僅防止了氣缸活塞在壓縮空氣的驅(qū)動下發(fā)生的繞軸線扭轉(zhuǎn)，活塞的扭轉(zhuǎn)將導(dǎo)致機(jī)械手抓的位置不準(zhǔn)確。同樣橫向活塞桿導(dǎo)向裝置的增加， 避免了工件以及機(jī)械手對活塞桿的彎曲力矩的影響，增加了裝置的剛性。
機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)采用雙