为了便利的改换结尾施行器 可设想一分钟结尾施

    发布时间: 2019-10-03

第卷 第期 2012 年 12 月 文章编号: 大连交通大学学报 JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY Vol.1 No.12 Feb. 2012 工业机械人的结尾施行器 布局阐发综述 姜楚峰,潘传奇,马野,王磊,张芝虎 (大连交通大学 机械工程学院,辽宁大连 116028) 摘 要:工业机械人的结尾施行器(夹持器机构)是机械人操做机取工件、东西等间接接触并进行功课的安拆, 是机械人的环节部件之一.结尾施行器是间接施行工做的安拆,它对扩大机械人的功课功能、使用范畴和提 高工做效率都有很大的影响,因而对机械人的各类结尾施行器布局阐发研究有着很是主要的意义.抓取分歧 特征的物件需要有着分歧类型的布局和驱动源..本文就结尾施行器的常用布局,按照分歧类型的布局特征分 类来进行阐发各类夹持机构的特点和合用范畴. 环节词:结尾施行器,夹持器,布局阐发,布局特征分类 中图分类号: 文献标识码:A Review of End-effectors Structure of industrial robot Analysis Jiang Chu feng,Pan Chuan-qi,Ma Ye,Wang Lei,Zhang Zhi-hu (College of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China) Abstract: End-effector (the clamping device) of the industrial robot is the robot manipulator is in direct contact with the workpiece, the tool and operating the apparatus, is one of the key components of the robot. End-effector is a direct implementation of the device, it expand miracle job functions, application range and improve work efficiency has a significant impact, and a variety of robot end effector structure analysis of the research has a very important significance. Crawling different characteristics of the object need to have different types of structures and the driving source. In this , the common structure of End-effector according to the classification of different types of structure characteristics to carry out analysis of various characteristics of the clamping mechanism and scope. Key words: End-effector; griper; structure analysis; structure characteristics classification 0 引言 “机械人的结尾施行器是一个安拆正在挪动设 备或者机械人手臂上,使其可以或许拿起一个对象,而且 具有处置、传输、夹持、放置和对象到一个准 确的离散等功能的机构。”[1] 这是结尾施行器 的一个定义。 工业机械人的抓取功课体例是工业出产中的 一个主要使用.工业机械人是一种通用性较强的自 动化功课设备,结尾施行器则是间接施行功课使命 的安拆,大大都结尾施行器的布局和尺寸都是按照 其分歧的功课使命要求来设想的,从而构成了多种 多样的布局形式。凡是,按照其用处和布局的分歧 能够分为机械式夹持器、吸附式结尾施行器和公用 的东西(如焊枪、喷嘴、电磨甲等)三类。 [2] 它安 拆正在操做机手腕(若是设置装备摆设有手腕的话)或手臂的 机械接口上。大都环境下结尾施行器是为特定的用 途而特地设想的,但也能够设想成一种合用性较大 收稿日期:2012-12-6 2 大连交通大学学报 第卷 的多用处结尾施行器,为了便利的改换结尾施行器 可设想一分钟结尾施行器的接换器来构成操做机 上的机械接口。较简单的可用法兰盘可做为机械接 口处的转换器,为了实现快速和从动改换结尾施行 器,能够采用电磁吸盘或者气动缩紧的接换器。 总之,结尾施行器机构的品种较多,可是此中有 些正在手艺上尚不成熟。因而,若何正在现有的结尾施行 器机构的机能并从国情出发,研制出能满脚各类做 业要求,适用靠得住,布局简单,制价低廉的结尾施行器 是我们的次要使命。 1 结尾施行器的设想要求及分类[2] 1.1 设想要求 (1)非论是夹持或吸附,结尾施行器需要有满脚 功课需要的脚够的夹持(吸附)力和所需的夹持 精度。 (2)应尽可能使结尾施行器布局简单和紧凑,质 量轻,以减轻手臂负荷。公用的结尾施行器布局简 单,工做效率高,而可以或许完成各类功课的“全能” 结尾施行器可能带来布局复杂,费用高贵的错误谬误, 因而倡导设想可快速改换的系列化、通用化公用末 端施行器.。下面是结尾施行器的要素-特征-参数的 联系的示企图:[3] 2.1 机电连系型结尾施行器[4] 如前所述,要扩大机械人使用范畴, 要提高机 器人效率, 要处理机械人的通用性取公用性矛盾, 起首要加强新型夹持器机构的研究,而且把常见结 构的要素和长处连系起来,开辟出适用和经济的末 端施行器。 下面引见一种爪型的机、电、传感器连系的新 型夹持器。该机构的布局如图 1 所示。它是由锥形 螺杆 2、爪指 9 及爪指滑动导槽 10 三者构成一螺旋 机构。其工做道理是: 当电机驱动锥形螺杆顺时针 动弹时, 取之旋合的爪指沿其导槽所正在的半径标的目的 向内挪动, 夹紧工件, 曲至工件上承受的夹紧力达 到设想值时, 指端的压觉和滑觉传感器发出信号, 节制系统节制电机停转; 工件时, 由节制系统 发出信号, 使电机带动锥形螺杆反转即可。上述为 抓取实心工件的动做。 1.2 布局分类 工业机械人中使用的机械式夹持器多为双指 头爪式,按其手指的活动能够分为平移型和反转展转 型。按照夹持体例来分能够分为外夹式和内撑式. 本文是按照布局特征来进行分类的,可分为电动 (电磁)式、液压式和气动式,以及他们的组合。 下面的内容将对常见的布局进行细致地阐发。 [2] 2 常见结尾施行器的布局道理阐发 该机构还可做为内撑式夹持机构, 如抓取管材 时, 爪指的抓放动做取之相反。若用于拧紧螺母时, 起首用该机构将螺母套正在螺栓上, 后驱动锥形螺杆 顺时针动弹, 因为螺母已被夹紧, 故爪指不再向内 滑动, 螺母、爪指及壳体连成一体扭转, 拧紧螺母, 曲至满脚螺栓预紧力的要求, 由指端传感器发出信 号, 节制系统电机停转。 .正在该机构壳体的圆周标的目的上除相隔 120°安插 三个爪指点槽外, 另正在取此中一爪指点槽相隔 180 度处开有另一个爪指点槽, 其目标是按照需要该机 构可由三爪转换成二爪利用。别的正在指端还可快速 2 大连交通大学学报 改换分歧型式的手爪, 以顺应分歧外形和尺寸的工 件要求。 锥形螺杆 2 是夹持器的环节零件, 其锥角的选 取取夹持器所能夹持的工件最大分量和最大尺寸 记的而且把四处的消息集成正在边缘夹持器的 相对标的目的上.其布局图如下: [5] 相关。锥角设想得越小, 夹持器所能发生的夹紧力 取夹持工件的尺寸范畴越大, 但锥角过小会影响爪 指沿径向运转的夹持速度, 所以锥角不克不及设想得太 小, 最好取正在 20°~30°范畴内( 推导从略) 。该 爪型夹持器的锥角为 30°, 所能夹持的工件最大沉 量为 25kg, 工件最大尺寸: 柱类为 150mm,管类内 径为 200mm。 该机构为可换爪指的平移式夹持器机构, 即根 据抓取工件的轮廓外形, 可选换该机构的爪指数目, 或用三指, 或换成二指。正在抓取工件时, 爪指同时 正在半径标的目的做伸缩活动, 确保夹持核心线不变。其 次要特点是: (1) 工件精确定心、定位, 定位误差为 零。即工件定位精度不受工件曲径的变化影响。 (2) 有脚够的开闭距离, 便于抓取和退出物 体。 (3) 具有脚够的夹紧力。由于该机构具有自 锁性, 所以正在驱动力俄然去掉的环境下以及受振动 和因为工件本身的分量及挪动过程中发生的惯性 力时, 决不会自行抓紧而零落, 夹紧靠得住。 (4) 通过力反馈安拆节制电机运转以实现对 夹紧力的节制, 从而使夹紧力的大小适宜。 (5) 正在本身刚度、强度的前提下, 布局紧 凑分量轻, 以利于减轻臂部的负载。 (6) 可顺应被抓取对象的多种要求, 并具有 必然的通用性。如为了顺应分歧外形和尺寸的工件 2.2 液压式结尾施行器 (1). 液压夹持器的分类和特点 1) 常闭式夹持器:依托弹簧的预紧力夹紧钻 具,液压抓紧。正在不工做时,处于夹紧钻具形态。 常用正在钻进大角度倾斜孔的钻机上。其根基布局为 一组颠末预压缩的弹簧感化正在斜面或杠杆等增力 要求, 可改换分歧的爪指部件: V 型钳口、圆弧形二 指或三指等, 从而扩大了该机构的利用范畴。 该机构的次要功能为: (1) 可以或许夹持各类外形的实体工件如方形、 柱形、球形、多边形等, 对工件轮廓和外形的顺应 性较强。 (2) 可做为内撑式夹持机构夹持各类管状类 零件。 (3) 可拧紧螺母, 并能节制螺栓的预紧力。 雷同的还有下面的一个半导体处置机械人的 手臂,它的手臂上安拆了一个集成的具有定向组件 和检测组件的边缘夹持器该定向组件的操做以旋 转为基准正在检测组件长进行标识表记标帜.检测组件检测标 机构上,使卡瓦座发生轴向挪动,带动卡瓦径向移 动,夹紧钻具;高压油进入卡瓦座取外壳构成的液 压缸,进一步压缩弹簧,使卡瓦座和卡瓦发生反向 活动,抓紧钻具。此类夹持器布局紧凑,工做靠得住。 夹持力大小取决于弹簧预紧力,不受油压变化的影 响,并且可正在俄然停电时实现快速、靠得住地夹紧钻 具,防止跑钻变乱。本文设想的夹持器即属于此种 类型。 例如:一组颠末预压缩的弹簧感化正在斜面(如图 1-1 卡瓦座) 或杠杆等增力机构上, 使卡瓦座发生 轴向挪动, 带动卡瓦径向挪动, 夹紧钻具; 高压油 进入卡瓦座取外壳构成的油缸, 进一步压缩弹簧, 使卡瓦座和卡瓦发生反向活动, 抓紧钻具。 3 2 大连交通大学学报 第卷 (2) 新型液压夹持器的设想 1) 次要布局及工做道理 本文设想的碟簧液压夹持器属于常闭型,其内 部布局如图 2-1 所示,采用上、下、左、左 4 个夹 头,但只要上、下夹头的卡瓦内侧圆弧面取钻杆表 面为 30。接触(非整段圆弧全接触)。左、左夹头的 夹头端取上、下夹头通过 9。力放大斜面接触,另一 端通过内螺纹别离取左、左液压缸的活塞杆毗连。 左、左夹头两侧均有液压缸和碟簧对称安插,因碟 簧安拆好后已有必然的压缩变形发生预紧力,故图 1 —外壳; 2 —卡瓦座; 3 —卡瓦; 4 —碟形弹簧; 2-1 中只标出其安拆。正在碟簧弹力的感化下, 左、左夹头向两头挨近,通过 9。力放大斜面传送压 5 —从轴 力给上、下夹头,使上、下夹头也向两头挨近,夹 图 1-1 斜面增力常闭式夹持器 此类夹持器布局紧凑、工做靠得住、夹持力取决 于弹簧预紧力不受油压变化的影响。可正在俄然停电 时实现快速、靠得住地夹紧钻具, 防止跑钻变乱。 2) 常开式夹持器:一般采用液压夹紧、弹簧松 开的体例,正在不工做时处于抓紧形态。这种夹持器 的布局取常闭式夹持器类似,分歧的是弹簧和液压 缸使卡瓦发生的活动标的目的取常闭式相反。夹持器靠 液压缸的推力发生夹持力,油压的下降将间接惹起 夹持力的下降,一般需正在油上设置机能靠得住的液 压锁来连结油压[6]。 3) 液压松紧型夹持器:夹紧、抓紧都由液压实 现,两侧液压缸进油口别离通高压油时,卡瓦跟从 活塞活动向核心收拢,夹紧钻具,改变高压油入口, 卡瓦则核心,抓紧钻具[7]。此类夹持器布局较 1.液压缸壳体 2.螺母 3.缸头 4.活塞杆 5.左 侧碟簧安拆 6.拉杆 7.左夹头 8.上夹头 为简单,但夹紧力容易受油压变化影响,当呈现断 9.钻杆 10.下夹头 11.左夹头 12.左侧碟 电等非常环境时存正在必然的平安现患。 簧安拆 4) 复合式液压夹持器:有从液压缸和副液压 图 2-1 夹持器内部布局 缸,副液压缸侧毗连一组碟簧,当高压油进入从液 紧钻杆。需要抓紧钻杆时,左、左液压缸有杆腔同 压缸,鞭策从液压缸缸体挪动,通过顶柱将力传给 时进油,正在液压力的感化下鞭策活塞向无杆腔运 副液压缸侧的卡瓦座,碟簧被进一步压缩,卡瓦座 动,左、左活塞别离带动取之相连的左、左夹头向 挪动;同时,从液压缸侧卡瓦座正在弹簧力感化下移 两侧活动,左、左夹头取上、下夹头的斜面接触部 动,抓紧钻具。需要夹紧时,副液压缸正在油上取 分削减,上、下夹头抓紧钻杆。两侧液压缸端盖的 动力头反转相连,当钻机反转拧卸钻具时,高压油 法兰通过拉杆和螺母拉紧。夹头和碟簧部门的外部 进入副液压缸,副液压缸活塞对卡瓦座发生推力, 取压缩的碟簧配合感化夹紧钻具[6]。复合式液压夹 有固定夹头套(见图 2-2 夹持器外部布局),使之取 离隔,不只能够起到防尘、储油的感化,并且 持器启齿量大、压力低、体积小、机能靠得住, 能够对从液压缸进行限位,防止压平碟簧,确保安 能够实现俄然断电时钻具夹紧,但其布局设想比力 全。调理螺栓上的螺母,可调理碟簧预紧力的大小, 复杂,分量非对称安插,正在某些特定的利用场所可 并可对卡瓦和钻杆的磨损进行弥补。 能惹起必然的偏载。 4 大连交通大学学报 上、下夹头取钻杆为 30。接触,有 4 个接触点, 钻杆受力阐发如图 3 所示。故夹头取钻杆 4 个接触 点处反感化力 图 2-2 夹持器外部布局 2) 设想计较 a. 夹持能力计较 工做要求:钻杆最大钻人深度 l=80 m,转矩= 1500 N·m,钻杆曲径 d=50 mm,钻杆单元长度质 量 q=6.56 kg/m。文中设想夹持器用于拆卸钻杆时 夹紧感化,一般钻进时夹持器不工做,因而夹持器 只承受进人岩层部门钻杆的分量,取动力部门毗连 的最初端一截钻杆及钻头分量由夹紧卡盘和机架 承受。钻垂曲孔,拆卸钻杆时,所需夹持器的夹紧 力为最大,设想计较按极限环境考虑,此时夹持器 要降服两个标的目的的力[7]。 降服钻杆自沉: [7] 夹持所需最大摩擦力 f1=G=qlg=6.56×80×10=5248 N (1) 式中:. f1---竖曲标的目的最大摩擦力,N; G---钻杆自沉,N; q---钻杆单元长度质量,kg/m; l——钻杆总长度,m。 降服卸钻杆时的转矩: 一般工做时转矩 M =1500 N·m,卸钻杆时转 矩 M2 =1.2M1 =l800 N·m。 由于 f2×d/2=M2,得卸钻杆时所需最大摩擦力 f2=2 M2/d=72000N (2) 总的摩擦力合力 f=√(f12+f22)=72191N (3) 取摩擦系数μ =0.4,满脚要求的夹紧正压力 FN=f/μ =180478 N (4) 图 3 钻杆受力阐发 F1=F2=F3=F4=1/4 FN=45119.5N (5) 以上夹头为研究对象,受力阐发见图 4。成立 竖曲标的目的的力均衡方程: 图 4 上夹头受力阐发 FH+2Ffsin 9。=2FN1COS 9。(6) 式中: FN 一夹紧力的反感化力正在竖曲标的目的的 合力, FH=2F1sin 30。=F1=45119.5 N; 上夹头取左、左夹头接触面的摩擦力, Ff=μ FN1 ,因采用 T10 材料,摩擦系数μ =0.15; FN1--- 9。力放大斜面间的正压力。 由式(6)可得: FN1=23445 N,摩擦力 Ff=3516.75 N。 以左夹头为研究对象,受力阐发如图 5 所示。 5 2 大连交通大学学报 第卷 Fp=80×π /4×(12.52-42 )×10=88077 N, 满 脚 条 件 : Fmin=14282 NF=17800 N Fp =88077 N。 3) 布局尺寸校核 满脚夹紧所需最小碟簧力时,每个碟簧被压缩 1.9mm,碟簧组总共被压缩约 19 mm。活塞总行程 40 mm,正在极限时,安拆碟簧组的空间为 75mm,10 个碟簧天然长度为 72 mm,满脚安拆条 件。碟簧组的预压缩量由安拆,液压缸有杆腔 进油,活塞挪动 3 mm,起头接触碟簧,继续挪动 19mm,压缩碟簧组,两侧碟簧组别离被压缩到位 后,将拉杆穿过液压缸法兰,由螺母锁紧固定,夹 紧钻杆。放松钻杆时,正在有杆腔油压的感化下,推 动活塞别离向摆布两侧挪动,碟簧组继续被压缩 5mm。碟簧完全压日常平凡,总变形量为 32 mm,小于 活塞总行程 40mm,全体设想满脚布局和功能要求。 图 5 左夹头受力阐发 (3) 夹紧力动态仿线) 软件引见 成立程度标的目的的力均衡方程: Fmin=2sin 9。+2Ffcos 9。 (7) 式中: Fmin 一夹紧所需的最小碟簧力; FN2---9。力放大斜面间的支撑力,按照感化力取 反感化力道理,FN2=FN1=23445 N;同理,Ff=3516.75 N。 根据工况和设想要求,采用 SolidWorks 软件[9] 进行三维布局设想,然后用 COSMOSMotion 软件[10] 进行活动和动力学仿实阐发。COSMOSMotion 是基 于 SolidWorks 的虚拟原型东西,其用户界面是 SolidWorks 界面的无缝扩展,它利用 Solidworks 数 据存储库,不需要 Solidworks 数据的复制、导出, 由式(7)计较得出:Fmin =14282 N。 b. 碟簧及液压缸拔取 可进行三维动力学仿实阐发。正在 COSMOSMotion 中,拆卸束缚将从动为仿实模子束缚,添加必 采用浮动双液压缸和碟簧组合的布局,碟簧夹 要的驱动力、工做阻力以及 COSMOSMotion 特有 紧,液压放松。液压缸取蝶簧的选择,要分析考虑 的其他束缚,成立仿实模子,就能够械运转 碟簧参数及各部门尺寸协调,满脚碟簧力 F 既要大 情况,对机械进行活动和动力阐发。仿实成果能够 于夹紧钻杆所需的最小碟簧力 Fmin ,又要小于液压 缸压力 Fμ 。 选用碟簧 用动画、图形、数据等多种形式输出。 2)仿实阐发 为了确保夹紧机构设想的合和无效性以 蝶簧标识表记标帜为:碟簧 Bl12 一 l GB/T 1972-1992, 及 验 证 夹 紧 力 是 否 满 脚 工 况 要 求 , 用 选择 B 系列:D/t≈28,h0/t≈0.75,E=206 GPa, μ =0.3 [8]。 参数为:碟簧外径 D=112 mm,内径 d=57 mm, COSMOSMotion 对其前进履态仿实阐发。正在左、左 夹头上别离添加模仿碟簧力 14282 N,驱动左、左 夹头相向活动,通过 9。力放大斜面,使上、下夹头 厚度 t=4 mm,压日常平凡变形量 h0=3.2 mm,其高 对钻杆发生夹紧力。因为上、下夹头的卡瓦内侧圆 度 7.2 mm,碟簧力 F=17800 N,一般变形量 2.4 mm。 弧面取钻杆概况为 30。接触,而软件只能输出 X,Y,Z 选用 10 个,总变形量可达 24 mm。 标的目的的受力成果阐发,考虑到布局及受力特点,选 2) 选用液压缸 择输出 z 标的目的受力取时间关系的曲线图,即相当于 选用液压缸φ 125 mm,活塞杆φ 4O mm,端部 正在上、下夹头间添加以弹簧,该弹簧正在竖曲标的目的的 法兰毗连孔 4 一φ l8(所需行程较小且受安拆限 受力请况,如图 6 所示:正在碟簧力感化下,上、下 制)。选择系统油压 p=8 MPa,发生的液压缸压力: 夹头对钻杆的夹紧力正在竖曲标的目的的合力(即图 6 中 6 大连交通大学学报 的力—Z)正在很短的时间内上升到一个值,并连结恒 定,该值约为 46000N,大于 2.2.1 中的计较成果 FH =2 F1sin 30。=45119.5N,由此成果,证明正在碟簧做 用下能够满脚对钻杆的夹紧要求,该设想方案可 行。 夹持器的夹紧驱动力由气缸活塞杆供给,当压 气力体鞭策活塞下挪动时,夹持器完成夹紧动做, 其夹持力FN 计较值为:FN = Fpccosα /2b 图 6 夹紧力竖曲标的目的合力动态仿线)曲杆式双气缸平移夹持器[12] 曲杆式双气缸平移夹持器的布局如图 夹持器指端安拆正在拆有指端安拆座的曲杆上,当压 气力体进入单感化式双气缸的两个有杆腔时,两活 塞向两头挪动,工件被夹紧; 当没有压气力体进入 时,弹簧鞭策两个活塞向外伸出,工件被抓紧。为 两活塞同步活动,正在气缸的进气上安拆分流 阀。 2.3 气压式结尾施行器 (1)气压传动的特点[11] 1)气源取得简单; 2)系统的拆卸,维修以及元件的改换比力简 单; 3)平安靠得住,动做敏捷反映快,工做介质无 污染; 4)取液压系统比拟流动性好,压力丧失小, 有益于远距离输送; 5 )不变性差,工做精度低; 6)压力小,输出力小; 7)乐音大,需加拆消声器; 8)需润滑安拆。 (2)几种气动式机械手安拆 1)反转展转型连杆杠杆式夹持器[12] 两支点反转展转型连杆杠杆式夹持器的布局如图, 可据 被抓工件分歧要求,通过螺栓毗连改换各类手指, 如V型钳口手指、弧形手指等,从而扩大夹持器的 利用范畴。 3)连杆交叉式双气缸平移夹持器[12] 连杆交叉式双气缸平移夹持器的布局如 图: 7 2 大连交通大学学报 第卷 杆式夹持器,如图所示。它采用四连杆机构传送撑 紧力,其撑紧标的目的取外夹式相反。为使夹持器正在撑 紧工件后能精确地用内孔定位,多采用3个钳爪(图 中只画了2个),三钳爪夹持器的钳爪上撑紧力 F N F F 和驱动力 p 之间的关系为: F N = pc 3b cot ? 夹持机构由单感化双联气缸和交叉式指部组 合而成。当压气力体进入双联气缸的两头腔时,两 个活塞别离带动活塞杆向外伸出,交叉式指端将工 件夹紧; 当没有压气力体进入时,弹簧鞭策两个活 塞从动复位,工件被抓紧。因为两个气缸共用一个 进气腔,可以或许两个活塞杆的完全同步活动。工 件曲径的变化不影响其轴心的 4)外夹式连杆杠杆式夹持器[13] 如下图当增力机构鞭策活塞杆摆布挪动时,由 活塞杆、连杆、钳爪和夹持器体形成四杆机构,使 钳爪(手指)完成夹紧和放松功能,其夹持力 F N 和 F F 驱动力 p 间关系的计较公式为: F N = pc 2b cot ? 6)固定式无杆活塞缸驱动的增力机构[13] 固定式无杆活塞缸的气动系统如图,该缸为单 感化气缸,反向靠弹簧力感化,由两位三通电磁阀 实现换向。 无杆活塞缸的特点是正在其活塞径向拆有一过 渡滑块,滑块两头对称地铰接两铰杆,活塞正在压力 感化时摆布活动,滑块则上下滑动,布局如图。当 系统夹紧时,铰点B将绕A点做圆周活动,而滑块上 下活动可添加一个度,偿曰点上下位移,替代 整个气缸体的摆动,布局紧凑,刚性好。 F 由上式可知:当布局尺寸b、c和驱动力 p 一 按时,夹持力 F N 取? 角的余切成反比,当? 角较 小时,可获得较大的夹持力。为合用分歧尺寸规格 的工件能够改换钳爪,当工件尺寸变化较小时,也 可采纳改换调整垫片的法子。 5)内撑式连杆杠杆式夹持器[13] 为夹持内孔薄壁零件,设想了一种内撑连杆杠 8 大连交通大学学报 F 整个系统的理论输出力 t 计较为: (3)小结 以气动系统为动力源,能够使机械人动做速度 ? D2 p ? ? F t = 16tan tan 1 2 快,响应性好,采用基于无杆活塞缸驱动的增力机 构,既能机械人-T-臂结尾杠杆式夹持器摩擦力 小、勾当矫捷、布局简单、成本低的特点,又能正在 式中D为无杆活塞缸活塞的曲径,p为气动系统 不添加气缸面积的环境下,大大提高夹持力,减轻 ? ? 压力。当 1和 2 较小时,可获得脚够大的输出力 了手臂的负荷,满脚施行系统的要求。[16] Ft 具体工做道理及力学计较见参考文献[14]。杠杆式夹 持器正在利用该增力机构后,能显著降低系统压力, 减小气缸曲径,正在获得脚够夹持力的同时使机械手 布局获得简化,变得愈加工致,从而降低设备成本, 降低功耗。 7)铰杆2杠杆增力机构的内夹持气动机械手[15] 当压缩空气的标的目的节制阀处于图所示左位工 做形态时,气压缸的左腔即无杆腔进入压缩空气,推 动活塞向左活动,导致铰杆1和1′的压力角α 变小, 通过角度效应第一次把输入力放大,然后传送到恒 增力杠杆机构2和2′上,再一次将输入力进行放大, 变为夹持工件的感化力F。当标的目的节制阀处于左位 工做形态时,气压缸的左腔即有杆腔进入压缩空气, 鞭策活塞向左活动,夹持机构抓紧工件 机械手的夹紧力F,可用下式计较: F =π d2 pl1/ 4n l2 tanα 式中 d ———气缸曲径 p ———气压系统压力(MPa) n ———铰杆2杠杆夹持机构的副数,图所示为 2副 l1、l2 ———杠杆自动臂、被动臂的长度 α ———铰杆机构理论压力角(如图示) 2.4 气吸式结尾施行器 (1)气吸式结尾施行器的分类取布局阐发 气吸式结尾施行器就是操纵吸盘内产的负压 发生的吸力来吸住并挪动工件。吸盘就是用软橡胶 或塑料制成的皮碗中构成的负压来吸住工件的。适 用于吸收大而薄,刚性差的金属和木质板材、纸张、 玻璃和弧形壳体等零件。按照分歧的环境,能够做 成单吸盘、双吸盘、多吸盘或特殊外形的吸盘。按 构成负压的方式有以下几种体例:1)挤压式吸盘; 2)气流负压式吸盘;3)线)挤压式吸盘:挤压式排气式吸盘靠向下挤 压力将吸盘内的空气排出,使其内部构成负压将工 件吸住。有布局简单、分量轻、成本低的长处。但 吸力不大,多用于序曲尺寸不大,薄而轻的物体。 其常见布局如下图: 2)气流负压式吸盘 节制阀未来自气泵的压缩空气自喷嘴喷入,形 成高速射流,将吸盘内腔中的空气带走而构成负 压,使吸盘吸住物体,若功课现场有压缩空气供应 这种吸盘比力便利,且成本。 其常见布局如下图: 9 2 大连交通大学学报 第卷 3)线] 操纵电磁节制阀将实空泵取吸盘相联,当抽气 时,洗盘腔内空气被抽走时,构成负压而吸住物体。 反之,节制阀将吸盘取大气相联时,吸盘得到吸力 而抓紧工件。实空泵吸盘的吸力次要取决于吸盘吸 附面积的大小和吸盘内墙的实空度实空度是指内 q 腔空气的稀薄程度。这种吸盘工做靠得住,吸力大, 但需要配备实空本泵及节制系统,费用高。其常见 布局如下图: (2)气吸式结尾施行器的设想取计较 一般来说对平板、片状、箱体、概况滑腻或平 整、易碎或变形的物体,对大尺寸、沉载、布局复杂 或不适合夹持的物体, 多采用实空吸附式结尾施行 器, 可大大简化夹具的设想。 正在选用实空吸盘抓取物体时, 要明白以下几个要 点: 1) 物件分量及由此发生的沉力; 2) 合力( 包罗吸附力、沉力、惯性力、离心力、 摩擦力等) 的计较及标的目的; 3) 物件的材质及概况特征。正在此根本上可确定 吸盘的材料、外形、规格及其勾当机构形式。[17] 吸盘式操纵橡胶或塑料制成的,它的边缘要很柔 软,以连结它慎密贴附正在被吸物体概况而构成密封 的内腔。当吸盘内抽成负压时,吸盘外部的大气压 力将把吸盘紧紧地压正在被吸物体上。吸盘的吸力是 由吸盘皮碗的内、外压差形成的,吸盘的吸力 F(单 位为 N)可按以下式求的: 式中 P0—大气压力,单元为 N/cm2 P—内腔压力,单元为 N/cm2 S—吸盘负压腔正在工件概况上的吸附面积,单 位为 cm2 K1—平安系数,一般取 K1=1.2~2; K2—工做环境系数,一般取 K2=1~3; K3—姿势系数: 当吸附概况处于程度时,K3=1; 当吸附概况处于垂曲时,K3=1/f,f 为盘取 被吸体的摩擦因数。 吸盘的吸力要大于被吸附物体的沉力,其所需 的吸盘面积 S,可用一个吸盘或数个吸盘实现。[3] 因系统的负压气源多来自取吸盘间接毗连的 实空发生器, 从系统节能角度考虑, 一般通过增大 吸盘尺寸来提高 F , 而不是逃求高实空度。实空发 生器的抽吸流量越大, 达到要求的实空度的时间越 快, 有益于加速机械手动做节奏。[18] (3)气吸式结尾施行器的特点取使用 特点: 合用于概况平整光洁的各类材料物件, 不答应概况有沟槽或通孔。 给定面积上吸力无限。 不毁伤物件概况,但要求概况不克不及有碎屑,一次性 吸收两件的可能性小。需要吸盘和不漏气的布局, 可是寿命比力短,布局简单分量轻。[19] 使用:常用于板材、薄壁零件、珐琅成品、玻 璃和纸张等的夹取放置操做。 下图是一些常见的使用。 10 大连交通大学学报 2.5 磁吸式结尾施行器 连杆杠杆式,斜槭杠杆式,齿轮齿条式,丝杠螺母 (1)磁吸式吸结尾施行器简介 式,弹簧式和沉力式。 它能够分为电磁吸盘和永世吸盘两种。 Ⅰ. 选择手抓的类型 电磁吸盘是用接通和堵截线圈中的电流,发生 磁吸式机械手的设想,常用的工业机械手手 和消弭磁力的方式来吸住和铁磁性物体。 部,按握持工件的道理,分为夹持和吸附两大类。 永磁吸盘则是操纵永世磁钢的磁力来吸住铁 吸附式常用于抓取工件概况平整、面积较大的板状 磁性物体的它是通过挪动隔磁物体来改变吸盘中 物体,适合用于本方案。通过度析考虑,本设想选 磁力线回,从而达到吸住和物体的目标。它 择吸盘做为磁吸式机械手的手抓。为了使机械手能 具有不需电源,布局简单,平安靠得住等长处。但同 够平稳的挪动转移工件,选择了 4 个吸盘,吸盘内的磁 样是吸盘,永世吸盘的吸力不如电磁吸盘大。如下 力由电磁铁供给。 图[2]: Ⅱ. 手抓的力学阐发 ○1 起首是电源设想,即线圈两头的电压。 利用曲流电源,由于曲流电流能够次吸力稳 定,没有交变。介于设想的磁吸力小,可选用 5~ 12 V 曲流电源(电压越大,反映速度越快)。 ○2 绕线组材料的拔取。若是设想要求绕线组 净质量小,则可选择漆包铝线。一般环境下,选择 漆包铜线,由于铜的电阻率低。 ○3 考虑绕线组的发烧。绕线组是有电阻的, 其发烧功率 P = U * U / R(U 为电源电压)。 ○4 选用横截面积合适的导线 磁吸力 F∝磁强度 B,B ∝ I * N(电 流取匝数 的乘积), 而 I = U / R,且 R∝N。具体公式为 B = u* I* N / 2;R = ρ * L / S = ρ *π * D* N / S; {此中,u 是轮子的磁导 率;ρ 是导线的电阻率(Ω ·mm);S 是导线);D 是线圈的平均曲径(mm); N 是 磁吸式吸盘的工做道理:线 通入电流后, 线圈匝数;L 是导线 发生磁通,磁力线,避开隔物体 则 B ≈ 0.59 * u * S / ρ (能够看出,只需 5,通过工件 3、外盘面 6 和盘体 7,回到铁心 2, 绕线区域必然,B 取 N 无关。) 构成回。因为磁力线通过工件,工件即被吸住。 线圈发烧功率 P = U* U / R ∝ ( S2 ); 外盘面 6 也是给工件定位用的。 所以导线横截面积 S 尽量取小,但 S 过小会 (2)磁吸式结尾施行器的设想阐发[21] 导致磁吸力变化速度慢。选择每个吸盘的曲径不异 磁吸式结尾施行器次要由 3 个大部件构成: d。 工件的质量 m = ρ v 1)手部。 所以按照均衡公式得 G = 4 Fmg = 4F 即间接取工件接触的部门,一般是反转展转型或平 即每个电磁吸盘的磁力 F = m g / 4 动型(多为反转展转型,因其布局简单)。手部多为两 指(也有多指);按照需要分为外抓式和内抓式两 2) 腕部 种;也能够用负压式或实空式的空气吸盘(次要用 腕部是毗连手部和臂部的部件,并可用来 于吸冷的、滑腻概况的零件或薄板零件)和电磁吸 调理被抓物体的方位,以扩大机械手的动做范畴, 盘。 并使机械手变的更工致,顺应性更强。手腕有 传力机构形式较多,常用的有:滑槽杠杆式, 的度。有反转展转活动、上下摆动、摆布摆动。一 11 2 大连交通大学学报 第卷 般腕部设有反转展转活动再添加一个上下摆动,即可满 脚工做要求,有些动做较为简单的公用机械手,为 了简化布局,能够不设腕部,而间接用臂部活动驱 脱手部搬运工件。 Ⅰ.腕部设想的根基要求 a.力图布局紧凑、自沉轻。腕部处于手臂的最 前端,其连同手部的静、动载荷,均由臂部承担。 明显,腕部的布局、自沉和动力载荷,间接影响着 臂部的布局、自沉和运转机能。因而,正在腕部设想 时,必需力图布局紧凑,自沉轻。 b.布局考虑,合理结构。腕部做为机械手的执 行机构,又承担毗连和支持感化,除力和活动 的要乞降脚够的强度、刚度外,还应分析考虑,合 理结构,处理好腕部取臂部和手部的毗连。 c.必需考虑工做前提。对于本设想,机械手的 工做前提是正在工做场所中搬运加工的工件,因而不 太受影响,没有处正在高暖和侵蚀性的工做介质 中,所以对机械手的腕部没有太多的晦气要素。 围、矫捷性等,间接影响到机械手的工做机能。 Ⅰ.臂部设想的根基要求 a.臂部应承载能力大、刚度好、自沉轻。按照 受力环境,合理选择截面外形和轮廓尺寸,提高支 撑刚度和合理选择支持点的距离,合理安插感化力 的和标的目的,留意简化布局,提高共同精度。 b.臂部活动速度要高,惯性要小。 c.手臂动做该当矫捷。总之,以上要求是彼此 限制的,该当分析考虑这些问题,只要如许,才能 设想出完满的、机能优良的机械手。 Ⅱ.手臂活动机构的选择 通过以上分析考虑,本设想要求机械手垂曲移 动,选择齿轮齿条机构。臂部采用铝合金材料,这 样能够削减手臂活动件的自沉,能够削减臂部的惯 量。臂部通过焊接取腕部相连,再通过焊接取齿条 外面的端板相毗连。通过 M6 的螺钉,将外端板取 齿条相连接。如许当齿条磨损后,能够换新的齿条。 Ⅱ. 腕部的布局设想 腕部采用平面式,用 4 根支架做成。下面采用 3 工业机械人结尾施行器的研究现状 2 根支架, 支架再放 2 根支架,4 根支架上都 不采用实体式,若是吸盘的正好吸正在工件孔的 [3] ,如许就会导致机械手不克不及挪动转移工件。采用此 工业机械人手部除焊接、喷涂等机械人的终端 设想,能够人工调零件械手手部的来处理此问 是焊钳、喷枪等公用东西外, 其它工种如搬运、拆 题。和下面的支架通过手部吸盘上的螺栓进行 配等机都配有夹持器。目前利用的或研制中的夹持 毗连。跟螺栓进行毗连的垫片,采用快换垫片,这 器品种良多, 为了便于研究, 按照其布局、机能和 样能够敏捷地调零件械手的手部。 使用体例分为四种: ( 1) 简单的夹持器机构: 这类夹持器只适合 3)臂部 抓取外形法则的物体, 使用范畴无限。但因其布局 手臂部件是机械手的主要握持部件。其感化是 简单、制价低廉, 所以目前利用得较多。 支持腕部和手部(包罗工做或夹具),并带动他们 ( 2) 多夹持器系统: 此类夹持器次要用于抓 做空间活动。手臂的各类活动,凡是用驱动机构(如 拿对象品种较多、外形变化较大的场合。它的长处 液压缸或气缸)和各类传动机构来实现,从臂部的 是正在操做过程中机械人可按照抓拿对象选择分歧 受力环境阐发,正在工做中既受腕部、手部和工件的 的夹持器, 免去了因抓拿对象的变化而改换机械 静、动载荷,并且本身活动较多,受力复杂。因而, 人终端设备的麻烦。其错误谬误是布局复杂, 添加了机 其布局、工做范畴、矫捷性以及抓严沉小和定位精 器人腕部的负载。 度,间接影响机械手的工做机能。 ( 3) 柔性夹持器机构: 此类夹持器的特点是 手臂部件是机械手的次要握持部件,其感化是 正在操做过程中不存正在固定不变的夹持形心, 所以 支持腕部和手部(包罗工件或东西),并带动它们 它可抓拿外形变化较大的物体, 但因为其得到了 做空间活动。手臂的各类活动,凡是用驱动机构和 对抓拿物空间位姿的切确节制, 因而不适于机械 各类传动机构来实现。从臂部的受力环境阐发,其 人的拆卸操做, 正在现实使用中有局限性。 正在工做中即间接承受腕部、手部、和工件的静、动 ( 4) 仿人手型夹持器机构: 此类夹持器的特 载荷,并且本身活动较多。因而,其布局、工做范 点是它的机械布局取人手类似, 具有多个可 12 大连交通大学学报 驱动的关节, 正在操做过程中可通过关节的动做使 and Essays Vol. 6(29), pp. 6152-6161, 30 November, 2011 被抓拿物体正在空间做无限度地移、转, 调整被抓拿 物体正在空间的位姿。正在功课过程中, 这种小范畴的 调整是十分需要的, 它对提高机械人功课的精确 [2]大连铁院 赵永成.机械制制配备设想.:中国 铁道出书社. 2006.6: 251~254. [3]张远圻,. 机械人结尾施行器的系统研究. 南通工 性有益。因而仿人手型夹持器的使用前景十分广漠, 学院(226007). 《设想取计较》. 1~1 但因为其布局和节制系统很是复杂, 目前尚处于 研究阶段, 现实利用的寥寥无几。 总之, 夹持器机构品种较多, 但此中有些正在 手艺上尚不成熟, 有待进一步开辟研究。因而, 如 [4]洪业. 工业机械人夹持器机构的研究. 《机械设想》专题 论文. 1997. 4: 1~1 [5]United States Patent. Todorov et al. No.:US6,435,807 B1. Date of Patent: Aug. 20, 2002 何提高现有夹持器机构的机能并从国情出发, 研 [6]凡东,庞海荣,姚亚峰.全液压钻机夹持器的设想取分 制能满脚各类功课要求, 适用靠得住, 布局简单, 制价低廉的夹持器机构是我们的次要使命。 析[J].煤炭工程,2006(5) :7-8. [7]王成.复合式液压夹持器的设想[J].西部探矿工程,1998, 10(6):70~72. [8]机械设想手册编委会.机械设想手册[M].:机械工 4结 语 工业机械人可否获得高效的使用,环节之一是 业出书社,2004. [9]谢昱北,许哗.SolidWorks 机械设想取典型典范[M].北 京:电子工业出书社,2007. 其结尾施行器可否处理抓取对象和功课现场对夹 [10]张晋西,郭学琴.SolidWorks 及 COSMOSMotion 机械 持器抓取过程提出的手艺要求,例如,被抓取物件 的轮廓、传输过程的动态前提、接触性、操做 现场的空间及温度等。这些要素良多不是孤立 存正在的,往往是彼此联系关系,需要分析考虑的。为了 仿实设想[M].:大学出书社,2007. [11]吴振顺.气压传动取节制. 工业大学出书社. 4-4 [12]孙友刚,盛小明. 气动送料机械手变尺寸从动对中夹持 器的设想. 1000-4858(2011)06-0054-02 合理处理这些环节的手艺问题和要求,就会呈现各 [13]盛小明,钟康平易近. 带增力机构的工业机械人手臂结尾夹 种设想布局和概念。 设想结尾施行器机构,起首要考虑所设想的的 持器.1000—4998(2006)09—0069—02 [14]盛小明,钟康平易近. 基于固定式无感活塞驱动的增力夹紧 夹持器对被抓拿物体的轮廓尺寸和外形的顺应性 机构. 机械制制出书社. 71~72 取抓取的精确性(闭合精度)和夹紧力。这是设想 [15]郭瑞洁, 钟康平易近. 基于铰杆 2 杠杆增力机构的内夹 的起点,也是评定结尾施行器机构的特有原则。 持气动机械手. 100024858 (2009) 0120055202 前者相关顺应性方面的根基数据具有决定性意义, 它取结尾施行机构的功能、特征有着质的联系;后 [16]Sommer automatics Gmbh. Automatisierung ans einer hand. 95~96 者抓取精确性可做为结尾施行器的精度和靠得住性 [17]吴洪平易近,陈志方气动机械手的设想和实现. 2002,8: 2~2 原则加以考虑,具有量的关系。本着合理、有益的 [18]余达太,马喷鼻峰. 工业机械人的使用工程:冶金工 准绳,处置好彼此关系,对结尾施行器机构的设想 和制制有主要意义。 业出书社. 1999: 241~245. [19]王承义. 机械手及其使用:机械工业出书社.1981,6 : 61~62. [20] 华大年. 机械道理(第二版)[M]. :高档教育出书 参考文献: 社,1994: 105~112 [1] Ethem Toklu,and Fehmi Erzincanli. Investigation of flow and vacuum lifting force on a non-contact end effector for robotic handling of non-rigid material. Scientific Research 13 2 大连交通大学学报 第卷 14

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