小型气动机械手的设计

1小型气动机械手的设计摘要：本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。气动机械手作为机械手的一种,它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。关键词：气动机械手；气缸；控制阀；回路；设计DesignofSmallPneumaticManipulatorAbstract:Thisarticlemainlyhascarriedontheoverallstructuraldesignandaerodynamicdesignofpneumaticmanipulator.Robotmechanicalstructureiscomposedofacylinder,apneumaticclawandaconnectingpiece,accordingtoapredeterminedtrajectory,onaworkpiecegripping,conveyingandunloading.Pneumaticmainpartofthedesignistochooseappropriatecontrolvalve,therationaldesignofpneumaticcontrolcircuit,thecontrolandregulationofeachcylinderofcompressedairpressure,flowanddirectiontothepneumaticactuatortoobtainthenecessaryforce,speedofactionandchangethedirectionofmovement,andaccordingtotheprescribedprocedureswork.Pneumaticmachineryasamanipulator,whichhastheadvantagesofsimplestructure,lightweight,quickaction,stable,reliable,energysavingandnopollutiontoenvironmenthasbeenwidelyused.Keywords:Pneumaticmanipulator;cylinder;controlvalve;Circuit;thedesign1前言机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的2战略重点之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。气动机械手作为机械手的一种,它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。气动机械手强调模块化的形式,现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术(可重复编程等),气动伺服系统(可实现任意位置上的精确定位),在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。90年代初,由布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人——“阿基里斯”六脚勘探员,是气动技术、PLC控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物”。6个脚中的每一个脚都有3个自由度,一个直线气缸把脚提起、放下,一个摆动马达控制脚伸展/退回运动,另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人,它集遥感技术和真空技术于一体,成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。Tron-X电子气动机器人,能与人亲切地握手,它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动,并且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下(或通过自身的3编程控制)能与人进行对话,或作自我介绍等。Tron-X电子气动机器人集电子技术、气动技术和人工智能为一体,它告诉我们,气动技术能够实现机器人中最难解决的灵活的自由度,具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺是焊接的生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。2气动机械手的总体设计方案2.1机械手的基本结构机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。执行机构主要是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。2.1.1手部手部又称末端执行器，是工业机械手直接进行工作的部分，可以是各种夹持器。有时人们也把诸如电焊枪、油漆喷头等划作机器手的手部。气动手指是模拟人的手指抓紧工件，以实现机械手的动作的气缸。按结构特点可分为旋转驱动型、平行开闭型、支点开闭型和三爪开闭型。2.1.2腕部腕部与手部相连，主要功能是带动手部完成预定姿态，是操作机的中结构最为复杂的部分。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的4专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转气压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小，一般小于270度,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。2.1.3臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。2.2机械手的基本形式选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:(1)直角坐标型机械手；(2)圆柱坐标型机械手；(3)球坐标(极坐标)型机械手；(4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。2.3机械手的主要部件及运动参数设计在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计的机械手具有4个自由度：手臂伸缩；手臂回转；机身回转；机身升降。本设计的机械手主要由3个大部件和4个气缸组成：手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的张合。臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上5取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用在生产自动化的各个行业。因此，机械手的驱动方案选择气压驱动[1]。设计技术参数:（1）抓重:2Kg(夹持式手部)（2）自由度数:4个自由度（3）座标型式:圆柱座标（4）最大工作半径:600mm（5）手臂最大中心高:400mm（6）手臂运动参数伸缩行程：350mm伸缩速度：200mm/s升降行程：250mm升降速度：100mm/s回转范围：0~360°回转速度：60mm/s3手部的设计3.1手部的基本要求为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是圆柱形式时，使用夹持式手部；如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构。本次设计采用的是夹持式手部结构。3.1.1夹持式手部结构夹持式手部结构由手指和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜锲杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.2对手部的基本要求（1）具有足够的夹紧力；在确定手指的夹紧力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。（2）手指间应具有一定的开闭角；6两手指张开和闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。（3）保证工件准确定位；在设计的过程中总会出现些许偏差，所以在选用配合的时候都采用IT8级，能满足工件的定位。（4）具有足够的强度和刚度；手部的材料通常采用强度和刚度都要同时能满足抓取物件的大小，但同时也考虑到是气压传动，力比较小，所以不会采用钢材类等。（5）考虑被抓工件的形状要求。3.2手部的结构设计根据本机械手的使用范围，本机械手采用手指式机械手部。根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便如图1。图1齿轮齿条式手部Fig1Thehandofgearwheel之所以不选用平行开闭手指是因为其所夹紧的工件直径较大，开闭行程比较难满足。3.3手部的计算3.3.1手指夹紧力的计算手指夹在工件上的夹紧力时设计手部的主要依据，一般来说手指对工件的夹紧力可按下式计算：GKKKFN321（1）7式中：1K——安全系数，有机械手的工艺及设计要求确定，通常在1.2~2.0，故取1.5；2K——工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工件情况系数2