液压机械手

我要设计的机械手臂力的确定目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本液压机械手的臂力为N臂=1650（N），安全系数K一般可在1.5~3，本机械手取安全系数K=2。定位精度为±1mm。工作范围的确定机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下：手腕回转角度±115°手臂伸长量150mm手臂回转角度±115°手臂升降行程170mm手臂水平运动行程100mm确定运动速度机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。液压上料机械手要完成整个上料过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求：①给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间；②伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。③在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。液压上料机械手的各运动速度如下：手腕回转速度V腕回=40°/s手臂伸缩速度V臂伸=50mm/s手臂回转速度V臂回=40°/s手臂升降速度V臂升=50mm/s立柱水平运动速度V柱移=50mm/s手指夹紧油缸的运动速度V夹=50mm/s手臂的配置形式机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。位置检测装置的选择机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采用行程开关式。利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机械挡块联合应用。在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。驱动与控制方式的选择机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。参考《工业机器人》表9-6和表9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的PLC控制。手部结构概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。设计时应考虑的几个问题①应具有足够的握力（即夹紧力）在确定手指的握力时，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手指间应有一定的开闭角两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。③应保证工件的准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心。④应具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。⑤应考虑被抓取对象的要求应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。驱动力的计算1.手指2.销轴3.拉杆4.指座图1滑槽杠杆式手部受力分析如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件，即∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0P=2P1cosαP1=P/2cosα销轴对手指的作用力为p1′。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即∑m01(F)=0得P1′h=Nb因h=a/cosα所以P=2b(cosα)2N/a式中a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°。这里取角α=30度。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：P实际=PK1K2/η式中η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95；K1——安全系数，一般取1.2~2K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒2，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式N=0.5G把已知条件代入得当量夹紧力为N=49（N）由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式P=2b(cosα)2N/a得P=P计算=2*45/27(cos30°)2*49=122.5(N)P实际=P计算K1K2/η取η=0.85,K1=1.5,K2=1+1000/9810≈1.1则P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)两支点回转式钳爪的定位误差的分析图2带浮动钳口的钳爪钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O′的距离为x,则x=22)sin/(abRl当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差△,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为△=∣22)sinmax/(abRl-22)sinmin/(abRl∣其中l=45mm,b=5mm,a=27mm,2=120°,Rmin=15mm,Rmax=30mm代入公式计算得最大定位误差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8故符合要求.腕部的结构概述腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点：①结构紧凑，重量尽量轻。②转动灵活，密封性要好。③注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题④要适应工作环境的需要。另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。腕部的结构形式本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为±115°.如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。图3机械手的腕部结构手腕驱动力矩的计算驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算：M驱=M惯+M偏+M摩（N.m）式中M驱——驱动手腕转动的驱动力矩M惯——惯性力矩（N.m）M偏——参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩（N.m）M摩——手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩（N.m）图4腕部回转力矩计算图⑴摩擦阻力矩M摩M摩=2f（N1D1+N2D2）（N.m）式中f——轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，滑动轴承取f=0.1；N1、N2——轴承支承反力（N）；D1、D2——轴承直径（m）由设计知D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200NG1=98Ne=0.020时M摩=0.1*（200*0.035+800*0.054）/2得M摩=2.50（N.m）⑵工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏M偏=G1e（N.m）式中G1——工件重量（N）e——偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零当e=0.020，G1=98N时M偏=1.96（N·m）⑶腕部启动时的惯性阻力矩M惯①当知道手腕回转角速度时，可用下式计算M惯M惯=（J+J工件）t（N·m）式中——手腕回转角速度（1/s）T——手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动）J——手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kg·m2）J工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（kg·m2）按已知计算得J=2.5，J工件=6.25，=0.3m/m2,t=2故M惯=1.3（N·m）②当知道启动过程所转过的角度时，也可以用下面的公式计算M惯：M惯=（J+J工件）22（N·m）式中——启动过程所转过的角度（rad）;——手腕回转角速度（1/s）。臂部的结构概述臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求：①刚度要大为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实