玉環雙山機械有限公司
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機(ji)械手(shou)是(shi)一種自動(dong)控制(zhi)設備,它模仿人的手(shou)的結構,按照人的要求(qiu)和程序(xu),在(zai)規定(ding)的時(shi)間(jian)內完成物(wu)料(liao)的收集、物(wu)料(liao)的傳遞或一定(ding)動(dong)作的執行。在(zai)自動(dong)化生產中得到了廣泛的應用。
本(ben)文設計(ji)了驅(qu)動輪軸的(de)動力機(ji)械(xie)手,包括機(ji)械(xie)部件(jian)和(he)(he)結構件(jian)的(de)設計(ji)以(yi)及驅(qu)動機(ji)構的(de)選(xuan)擇。確定(ding)了機(ji)械(xie)手的(de)坐標系、自由(you)度問題和(he)(he)驅(qu)動機(ji)構,為(wei)機(ji)械(xie)手的(de)設計(ji)和(he)(he)使(shi)用(yong)提供了理論依(yi)據。
2.1 機(ji)械手(shou)各部(bu)位的運動分析
根據臂(bei)(bei)的(de)(de)運動(dong)形狀,根據坐(zuo)標系(xi)(xi)定位(wei)理(li)論,將工業(ye)機(ji)(ji)械手分(fen)為四種類型:極坐(zuo)標系(xi)(xi)統(tong)、直(zhi)(zhi)(zhi)角坐(zuo)標系(xi)(xi)統(tong)、圓柱坐(zuo)標系(xi)(xi)和多關節坐(zuo)標系(xi)(xi)。在本設計(ji)中,機(ji)(ji)械手主要(yao)由以下(xia)幾(ji)個部分(fen)組成:(1)采用(yong)直(zhi)(zhi)(zhi)線(xian)氣動(dong)缸(gang)驅動(dong)運動(dong)機(ji)(ji)構(gou),實現(xian)夾具的(de)(de)夾緊。(2)旋(xuan)轉(zhuan)滾筒實現(xian)手的(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)運動(dong)。(3)腕關節采用(yong)軸(zhou)承連桿,減(jian)小阻力,實現(xian)小臂(bei)(bei)的(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)運動(dong)。(4)彎(wan)頭(tou)采用(yong)軸(zhou)承連桿減(jian)小阻力,實現(xian)彎(wan)頭(tou)在平面內的(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)。(5)臂(bei)(bei)由直(zhi)(zhi)(zhi)線(xian)氣動(dong)缸(gang)驅動(dong),驅動(dong)上(shang)下(xia)臂(bei)(bei),實現(xian)臂(bei)(bei)繞(rao)腰部的(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan),實現(xian)執(zhi)行器垂直(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)向的(de)(de)定位(wei)。(6)腰部采用(yong)軸(zhou)承連桿減(jian)阻,實現(xian)整個機(ji)(ji)構(gou)的(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)動(dong)作。腰部、肘部和手部三對旋(xuan)轉(zhuan),使整個機(ji)(ji)構(gou)的(de)(de)工作范圍(wei)實現(xian)了(le)立柱周圍(wei)直(zhi)(zhi)(zhi)徑3米以內任意方(fang)向的(de)(de)夾緊件。
2.2 機械手各部位介紹
1.驅動機構(gou)
驅動(dong)(dong)(dong)機(ji)構可分(fen)為(wei)氣動(dong)(dong)(dong)、液壓(ya)、電動(dong)(dong)(dong)和(he)機(ji)械驅動(dong)(dong)(dong)等四類(lei).因為(wei)工(gong)廠一般都有氣源,所(suo)以氣動(dong)(dong)(dong)成本相對較低(di),而(er)且安(an)裝方便,因此工(gong)業中啟動(dong)(dong)(dong)選擇較多.
2.執行機構(gou)
(1)手一般為旋轉(zhuan)機構,多為雙指機械手,常見形式有:動槽輪結(jie)構、連桿結(jie)構、齒(chi)輪齒(chi)條結(jie)構和重力結(jie)構等。
(2)手腕用于將(jiang)手指(zhi)與手臂連接(jie),改變夾緊工件的位(wei)置,手腕一般(ban)由旋(xuan)轉結構組成。
(3)手(shou)臂與手(shou)腕(wan)相連(lian),驅動手(shou)腕(wan)及其后續部分在工(gong)作范圍(wei)內移動。
3.控制系統分類
機械(xie)手的主要控制因素是空間坐標(biao)位置(zhi),并注意(yi)其加速(su)度、速(su)度等(deng)特性(xing).
3.1 基本要求
(1)具有足夠的夾(jia)緊力;(2)手(shou)指(zhi)的張開角(jiao)度必須(xu)(xu)在使用(yong)范圍之內;(3)要(yao)求結構必須(xu)(xu)緊湊(cou)、重量相對(dui)較輕(qing)、效率要(yao)高.
3.2 機(ji)械手手抓的設計(ji)計(ji)算
圖1 手部結構(gou)、受力分析
1.選(xuan)(xuan)擇(ze)(ze)手(shou)抓形式及(ji)夾緊裝置選(xuan)(xuan)擇(ze)(ze)
本設(she)計為驅動輪和軸助力(li)機械手(shou),手(shou)柄(bing)直徑在30~80 mm之(zhi)間,最大重量為60 kg。采用(yong)夾持式(shi)雙指背變換手(shou)抓握方式(shi).在氣缸的(de)作用(yong)下,機械手(shou)的(de)手(shou)指打開。
2.手抓力(li)學分析
圖1為(wei)常見的連桿杠桿式手部結(jie)構的卡具夾緊和松開狀態.
手部(bu)結構、受(shou)力分析(xi):
A——手(shou)指 B——銷軸(zhou) C——氣(qi)壓(ya)缸(gang)
拉力(li)F在B點,方向向上且過(guo)銷軸的(de)(de)中心點,兩手指A的(de)(de)對銷軸的(de)(de)反作用(yong)力(li)分(fen)別(bie)為F1和F2,其力(li)的(de)(de)方向垂直于手指向外,拉力(li)F由下(xia)式計算.
對(dui)受力分析可知(zhi),最好角(jiao)度(du)選為30度(du)到60度(du)之間.
3.手抓夾持(chi)范圍(wei)計(ji)算
手抓(zhua)張開直徑大于50mm,活塞桿行(xing)程最(zui)小(xiao)為13.5mm.
手(shou)指的長度(du)為(wei)a=80mm加上定位內b=40mm,中(zhong)間連(lian)接桿長度(du)為(wei)c=40mm.拉桿長度(du)d=20mm.支架(jia)(jia)寬度(du)為(wei)e=80mm.當拉桿與(yu)支架(jia)(jia)平齊時手(shou)指張開最大.如圖3.2(b)所示.所以最大半徑(jing)
Rmax=(((e-d)/2+e/2-20)*3^0.5)/2
=50*1.732/2=43.3mm,取43mm.
所以當兩手指碰到(dao)一起(qi)時,手指為夾(jia)角(jiao)120度角(jiao),長(chang)度為30mm,如圖3.2(a)所示.內部可夾(jia)取(qu)的軸(zhou)半(ban)徑為Rmin,Rmin=30/2/2*3^0.5=12.99mm,取(qu)13mm.
手抓(zhua)夾(jia)(jia)持(chi)(chi)、范(fan)圍為(wei)直徑(jing)(jing)26mm到直徑(jing)(jing)86mm.圖2(a)中,手指長(chang)80mm,手抓(zhua)張(zhang)開角為(wei)0,此時最小夾(jia)(jia)持(chi)(chi)直徑(jing)(jing)為(wei)26mm. 圖2(b)為(wei)手指張(zhang)開時的情況(kuang),其中夾(jia)(jia)持(chi)(chi)半徑(jing)(jing)為(wei)86mm.
圖(tu)2 手抓夾持范圍計算(suan)
圖3 手(shou)抓張開示(shi)意圖
機械手的(de)手臂(bei)部件的(de)運(yun)動(dong)包括回轉、伸縮和升(sheng)降運(yun)動(dong)3種運(yun)動(dong)方式,本次(ci)設計為(wei)手臂(bei)的(de)回轉運(yun)動(dong).
4.1 大臂的尺寸與(yu)結(jie)構
大臂(bei)要(yao)保證整(zheng)體(ti)的(de)(de)高(gao)度運動(dong)范圍在0—1000mm以上,運動(dong)的(de)(de)角度最大不(bu)得超過(guo)90度,即(ji)上下不(bu)能大于45度,為(wei)取大臂(bei)有(you)效長(chang)度為(wei)1800mm.
因為其沒有配合等要求,所以采(cai)用鑄鐵(tie)直接鑄造(zao).截面采(cai)用矩形空心(xin)結構,能夠承受(shou)更(geng)大的彎曲應力.如圖4所示:
4.2 彎臂尺寸與(yu)結構
彎臂為第二段手臂,長(chang)度決定(ding)著水(shui)平(ping)工作范圍,由大(da)臂確定(ding)其有效長(chang)度1200mm,為了使受力較為均勻,采用鑄造矩形空心截面,豎直尺寸為450mm.如圖(tu)5所示:
圖4 大臂結構
圖5 彎臂結構(gou)
4.3 小臂尺寸與結構
小臂直(zhi)接連接著腕部,小臂長度選為1580mm.因小臂不受彎力影響,所以(yi)選取圓形空心截面鑄造生產.
5.1 腰部(bu)的整體設計
在(zai)本(ben)設(she)計中,驅(qu)動上(shang)(shang)、下臂的氣動缸(gang)安裝在(zai)腰部(bu)(bu),腰部(bu)(bu)由氣缸(gang)向上(shang)(shang)推以(yi)向上(shang)(shang)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)。兩臂桿的頂部(bu)(bu)位(wei)置固定(ding)在(zai)兩個銷軸(zhou)(zhou)上(shang)(shang),使其(qi)只能繞(rao)其(qi)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)。腰部(bu)(bu)的底端直接安裝在(zai)支(zhi)架上(shang)(shang),軸(zhou)(zhou)承連桿用(yong)于(yu)確保腰部(bu)(bu)可以(yi)圍(wei)繞(rao)支(zhi)架旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)。腰圍(wei)設(she)定(ding)在(zai)2300 mm以(yi)上(shang)(shang),總高度為3300 mm,腰圍(wei)為1000。
5.2 支(zhi)架整體設(she)計
支架(jia)起(qi)支撐整個機構(gou)的作用,與腰部用軸承鏈接(jie)無其(qi)他配合尺寸,采(cai)用鑄(zhu)造(zao)圓(yuan)形空心截(jie)面.高度為(wei)2300mm.
介(jie)紹(shao)了(le)(le)機(ji)械手的功(gong)能和組(zu)成,重點介(jie)紹(shao)了(le)(le)機(ji)械手爪和臂的設(she)計計算,并簡要介(jie)紹(shao)了(le)(le)腰部和支座的設(she)計。分析了(le)(le)機(ji)械手各部分的運(yun)動規律,為機(ji)械手的設(she)計和應(ying)用提供了(le)(le)理論依據。