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機器人機械手爪綜述
目 錄
工業(yè)機器人的手部(亦稱機械爪或抓取機構)是用來直接握持工件的部件,由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同,所以工業(yè)機械手的手部結構是多種多樣的,大部分的手部結構是根據(jù)特定的工件要求而設計的。
常用的手部,按其握持工件的原理,大致可分成夾持和吸附兩大類。夾持類常見的主要有夾鉗式,此外還有鉤托式和彈簧式。夾持類手部按其手指夾持工件時的運動方式,可分為手指回轉型和手指平移型兩種,如圖1所示。吸附類中,有氣吸式和磁吸式。
a
2、)回轉型內撐式 b)回轉型外夾式 c)平移型外夾式 d)鉤托式 e)彈簧式 f)氣吸式 g)磁吸式
圖1 機械爪類型
夾鉗式手部是由手指、傳動機構和驅動裝置三部分組成的,它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性,可以抓取軸、盤、套類零件。一般情況下,多采用兩個手指,少數(shù)采用三指或多指。驅動裝置為傳動機構提供動力,驅動源有液壓、氣動和電動等幾種形式。常見的傳動機構往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機構實現(xiàn)夾緊或松開。
平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,適于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時,不會引起中心位置的偏移。但這種手指結構比較復雜、體積大,要求加工精度高。
回轉型
3、手指的張開閉合靠手指根部(以樞軸支點為中心)的回轉運動來完成。樞軸支點為一個的,稱為單支點回轉型;為兩個的,稱為雙支點回轉型。這種手指結構簡單,形狀小巧,但夾持不同工件會產(chǎn)生夾持定位偏差。
a)單支點回轉型 b)雙支點回轉型 C)平移型(平直指)
圖2 回轉型和平移型手指
一、夾鉗式手部設計的基本要求
1. 應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力。手指握力(夾緊力)大小要適宜,力量過大則動力消耗多,結構龐大,不經(jīng)濟,甚至會損壞工件;力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力時,除考慮工件重量外,還應考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動,以保證工件夾持安全可靠
4、。
而對手部的驅動裝置來說,應有足夠的驅動力。應當指出,由于機構傳力比不同,在一定夾持力條件下,不同的傳動機構所需驅動力的大小是不同的。
2. 手指應具有一定的開閉范圍。手指應具有足夠的開閉角度(手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度)或開閉距離(對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離),以便于摘取或退出工件。
3. 應保證工件在手指內的夾持精度。應保證每個被夾持的工件,在手指內都有準確的相對位置。這對一些有方位要求的場合更為重要,如曲拐、凸輪軸一類復雜的工件,在機床上安裝的位置要求嚴格,因此機械手的手部在夾持工件后應保持相對的位置精度。
4. 要求結構緊湊、重量輕、效率高在保證本身剛度、
5、強度的前提下,盡可能使結構緊湊、重量輕,以利于減輕手臂的負載。
5. 應考慮通用性和特殊要求一般情況一下,手部多是專用的,為了擴大它的使用范圍,提高它的通用化程度,以適應夾持不同尺寸和形狀的工件需要,通常采取手指可調整的辦法。如更換手指甚至更換整個手部。此外,還要考慮能適應工作環(huán)境提出的特殊要求,如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛錘沖擊力等。
二、典型機械爪結構
1)回轉型
1. 滑槽杠桿式。
圖3為常見的滑槽杠桿式手部結構。在杠桿3作用下,銷軸2向上的拉力為F,并通過銷軸中心O點,兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1、F2,其力的方向垂直于滑槽的是中心線OO1和OO2并指向O點,F(xiàn)1和
6、F2的延長線交O1 O2于A及B。
1一手指 2一銷軸 3一杠桿
圖3 滑槽杠桿式手部結構、受力分析
由 Fx=0 得 F1=F2
由 Fy=0 得 F1=F2cosα
由MO1=0 得 F1h=FNb
最后可得:
F=2bacos2αFN (2-1)
式中 a—手指的回轉支點到對稱中心線的距離;
b—工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角。
由式(2-1)可知,當驅動力F一定時,α角增大,則握力FN也隨之增加,但α角過大會導致拉桿的行程過大,以及
7、手指滑槽尺寸長度增大,使結構加大,因此建議α=30°~40°。
2. 連桿杠桿式。圖4為連桿杠桿式手部結構,作用在拉桿3上的驅動力為F,兩連桿2對拉桿的反作用力為F1、F2,其方向沿連桿兩鉸鏈中心的連線,指向O點并與水平方向成α角。
1一調整墊片指 2一連桿 3一拉桿
圖4 連桿杠桿式手部結構、受力分析
通過分析可得:
F=2bctanα?FN (2-2)
由式(2-2)可知,若結構尺寸c、b和驅動力F一定時,握力FN與α角正切成反比。顯然當α角小時,可獲得較大的握力。當α=0時,
8、是使手指閉合到最小的位置,即為自鎖位置,這時如果撤去驅動力,工件也不會自行脫落。若拉桿再向下移動,則手指反而會松開,為了避免出現(xiàn)上述情況,對于不同規(guī)格尺寸的工件可以更換手指。如果工件允許少量的尺寸變化時,可更換調整墊片1,使夾緊工件后α≥0。
2)移動型
1. 簡單移動型
簡單移動型即兩手指相對支座作往復移動。如圖5所示,其驅動力為:
F=2FN (2-3)
圖5 簡單移動型手部結構、受力分析
2. 平面平行移動型
平面平行移動型,如圖6所示。若
9、拉桿5的驅動力為F,兩連桿4、6對拉桿的反作用力F45=F65,經(jīng)分析可得:
1—手指 2、3、4、6—連桿 5—拉桿
圖6 平面平行移動盈手部結構
同樣可推出各類運動型式的機構的驅動力如表1。
表1 各種機械爪傳動機構一覽表
表1 各種機械爪傳動機構一覽表(續(xù))
三、夾鉗式手部的計算與分析
1)夾緊力的計算
手指加在工件上的夾緊力,是設計手部的主要依據(jù)。必須對其大小、方向和作用點進行分析、計算。一般來說,夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷(慣性力或慣
10、性力矩),以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
手指對工件的夾緊力可按下式計算:
(3-1)
式中 K1——安全系數(shù),通常取1.2~2.0;
K2——工作情況系數(shù),主要考慮慣性力的影響。K2可近似按下式估算
其中 g—重力加速度;
a——運載工件時重力方向的最大上升加速度;
vmax——運載工件時重力方向的最大上升速度;
t響 ——系統(tǒng)達到最高速度的時間;根據(jù)設計參數(shù)選取。一般取
0.03~0.5s。
K3——方位系數(shù),根據(jù)手指與工件形狀以及手
11、指與工件位置不同進行選定。按表2選取。
G——被抓取工件所受重力(N)。
表2 夾緊力的方位系數(shù)
手指與工件位置
手指與工件形狀
平直指端夾方形件
V形指端夾圓形件
手指水平放置;
夾水平放置工件
手指水平放置;
夾水平懸臂放置工件
手指水平放置;
夾垂直放置工件
手指垂直放置;
夾水平放置工件
手指垂直放置;
夾垂直放置工件
2)夾緊缸驅動力計算
1. 夾緊裝置 夾緊裝置是使手爪開、閉動作的動力裝置。其動力源可以是液壓或氣動。圖7是夾緊裝置的三種
12、結構型式的原理示意圖。手爪殼和缸殼連成一體,當壓力油(或壓縮空氣)從液壓缸右邊油管進油時,活塞桿向左運動,推動手爪閉合;當壓力油從液壓缸左邊進油時,拉動手爪張開。
圖7 夾緊裝置原理圖
圖7所示缸的拉力(或推力)(N)為:
式中 D——活塞直徑(m);
d—活塞桿直徑(m);
p—驅動壓力(Pa)。
圖7b所示,由壓縮彈簧使爪牙張開,稱之為常開式夾緊裝置。圖7c所示,壓縮彈簧使手爪閉合夾住工件,稱之為常閉式夾緊裝置。
2. 各種夾緊裝置驅動力計算手爪的結構很多,在設計和確定手爪的結構方案時,一方面應根據(jù)實際要求選取具體的結構,另一方面必須進行力的分
13、析,以便在設計選取時進行比較,才能正確選擇手爪結構方案,確定各構件的尺寸,以滿足夾持工件的具體要求。
設計者可根據(jù)表1所列的機構進行選取。
3)計算步驟
1. 首先根據(jù)對機械手的工藝及設計要求確定安全系數(shù)K1;計算出最大加速度,確定工作情況系數(shù)K2,根據(jù)手爪夾持方位從表2查出方位系數(shù)K3,求出夾緊力FN 。
2. 根據(jù)手爪的結構方案,由表1查出驅動力的計算公式,求出液壓(氣)缸應具有的驅動力F計算。
3. 實際所采取的液壓(氣)缸驅動力F實際大于F計算??紤]手爪的機械效率,一般取0.8~0.9。
4)手爪的夾持誤差分析與計算
機械手能否準確夾持工件,把工件送到指定位置,不僅取決于
14、機械手定位精度(由臂部和腕部等運動部件確定),而且也與手指的夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中,為了適應工件尺寸在一定范圍內變化,一避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差,必須注意選用合理的手部結構參數(shù) (參見圖8) ,從而使夾持誤差控制在較小的范圍內。在機械加工中,通常情況使手爪的夾持誤差不超過±1mm就可以了。這就可以在滿足定位精度的條件下,采用簡單的回轉型手爪。而避免單純追求自動定心,而使設計出的結構過分復雜。
現(xiàn)以常見的V形指夾持圓棒為例,分析工件尺寸的改變與夾持誤差之間的關系,同時還討論V形指的幾何尺寸的選擇與減小夾持誤差的關系。當然手部最終的夾持誤差將決定于手部裝置加工精度和
15、控制系統(tǒng)補償能力。
1. 平移型手指的夾持誤差 平移型手指,工件直徑的變化不影響其軸心的位置(圖8),即理論夾持誤差為零。但是其結構比較復雜,體積較大,故一般應用不多。
圖8 平移型手指
2. 單支點回轉型手指的夾持誤差 圖9為單支點回轉型手指分別夾持兩種半徑不同工件時的情形,其中:lAB為手指長,即回轉點A到V形槽頂點B的距離;2θ為V形槽的夾角;β為偏轉角,即V形槽的角平分線BC與手指AB間的夾角;R為工件半徑。
圖9 單支點回轉型手指
工件的軸心位置C與手爪的回轉支點A間的距離X,以下式求出:
為了看出半徑R的變化對x的影響,將土式簡化為:
或
16、
此方程為雙曲裁方程。如圖10所示。
圖10 工件半徑與夾持誤差關系曲線
從圖10可以看出,當工件半徑為R0時,X取最小值Xmin。又從上式可以求出:
若工件的半徑Rmax變化到Rmin時,X值的最大變化量,即為夾持誤差,用△表示。
在設計時,希望按給定的Rmax和Rmin來確定手爪各部分尺寸,為了減少夾持誤差,一方面可加長手指長度,但手指過長,使其結構增大;另一方面可選取合適的偏轉角β,使夾持誤差最小,這時的偏轉角稱為最佳偏轉角。
不難看出,只有當工件的平均半徑Rcp取為R0時,夾持誤差最小。而此時最佳偏轉角s則為:
工件直徑變化時手指夾持的夾持誤差,
17、可采用以下方法解決:
1)使手指支承桿長度可調,指態(tài)可變。例如采用連桿夾持與凸輪組合的新型機構,使夾持裝置和姿態(tài)得到控制。其結構特點:在連桿上固定一凸輪;V形手指與支承桿的聯(lián)接是鉸接而不是固接;在V形手指與支承桿之間裝有調節(jié)桿。當夾持器工作時,連桿通過凸輪驅動調節(jié)桿,使調節(jié)桿長度因端部滑槽運動而得到改變,從而使v形手指的偏轉角也隨之改變,只要計算求得的凸輪曲線方程滿足特定的關系式,即可保證指形夾角的中心線位置妒終保持不變,內切圓保持同心,以消除夾持誤差。
2)采用三指機構,三個手指同時在半徑方向.伸縮運動,宛如三爪卡盤。
3)用控制程序補償已知的夾持誤差使定位誤差趨于零。
18、四、常用氣爪
氣動手指又名氣動機械夾或氣動夾指或者手指氣缸,是用壓縮空氣的軸向力轉為手指的橫向力,從而夾起或者抓起所需要完全能抓取的工件。氣動機械夾起源于日本,現(xiàn)在已經(jīng)被我國輕工業(yè)普遍應用。根據(jù)機械夾的樣式可以分為V型夾與U型夾(平等夾)兩種,一般常用缸徑有6mm,10 mm,16 mm,20 mm,32 mm,40 mm等。主要作用是夾取工作,多數(shù)都配合其它直線傳動氣缸,或者旋轉氣缸一起使用,可以有效的提高生產(chǎn)效率,以及減少人工操作的危險性。SMC氣動手指目前在市場上最為多見。其它氣動手指機械夾也比較常見。
1)氣動手指氣缸具有如下特點:
1、外形緊湊,體積小,重量輕;安裝方式多樣
19、可裝載在其它裝夾或氣缸上使用。
2、動作方式有雙作用與單作用,大部份的結構以雙作用居多,可以實現(xiàn)雙向抓取;可自動對中,重復精度高。
3、抓取力矩恒定,以保證使用穩(wěn)定。
4、氣爪樣式多樣,有兩爪,三爪,四爪;抓取方式有平行開閉型,支點開閉型,圓柱型爪體等多種氣爪樣式與開閉形式。
5、裝載磁性開關可實現(xiàn)自動化的控制
6、可適用特殊環(huán)境下使用。
2)氣動手指氣缸主要類型與型號
1. 平行開閉型氣爪
平行氣爪的手指氣缸是通過兩個活塞動作的,每一活塞由一個滾輪和一個雙曲炳與氣功手指相連,形成一個特殊的驅動單元。實現(xiàn)氣動手指總是軸向對心移動,每個手指是不能單獨移動的。如果手指反向移
20、動,則先前受壓的活塞處于排氣狀態(tài),而另一個活塞處于受壓狀態(tài)。主要有平行軌道式氣爪與寬形平行開閉型氣爪。
1、雙曲炳 2、滾輪
2. 支點開閉形-Y形氣爪
Y形夾爪的活塞桿上有一個環(huán)槽,由于手指耳軸與環(huán)形槽相連,因而手指可同時移動且居中對中,并確保抓取力矩始終恒定。主要有C形開閉氣爪和凸輪式180度開閉氣爪。
3、環(huán)形槽 4、耳軸 5、環(huán)形槽(3條) 6驅動輪 7環(huán)形槽 8、曲柄
3. 旋轉夾爪
如圖(c)所示旋轉夾爪的動作是按照齒條的嚙合原理工作的,活塞與一根可以上下移動的軸固定在一起,軸的末端有三個環(huán)形槽,這些槽與兩個驅動輪的嚙合。因而,氣動手指可同時移動并自動對中,齒輪齒條原理確保了抓取力度始終恒定。
4. 圓柱形爪體的氣爪
圓柱形爪體的氣爪有兩爪,三爪和四爪;楔形凸輪結構可增加夾持力;可自動對中,重復精度高。活塞上有一個環(huán)形槽,每一個曲柄與一個氣功手指相連,活塞運動能馬上驅動三個曲柄動作,因而可控制三個手指同時打開和合攏。
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