一种用于中小型物件传输的夹持机械手及其方法与流程

本发明属于机械手
技术领域：
，具体涉及一种用于中小型物件传输的夹持机械手及其方法。
背景技术：
：目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学的建立，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。20世纪70年代以来，许多大学开设了机器人课程，开展了机器人学的研究工作，如美国的mit、rpi、stanford、carnegie-mellon、conell、purdue、univofcalifornia等大学都是研究机器人学富有成果的著名学府。随着机器人学的发展，相关的国际学术交流活动也日渐增多，目前最有影响的国际会议是ieee每年举行的机器人学及自动化国际会议，此外还有国际工业机器人会议(isir)和国际工业机器人技术会议(cirt)等。出版的相关期刊有“robottoday”、“roboticsresearch”、“roboticsandautomation”等多种。我国的机器人技术起步较晚，约于20世纪70年代末、80年代初开始。20世纪90年代中期，6000m以下深水作业机器人试验成功，以后的近10年中，在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。随着社会的进步与发展，工业机器人正逐步在人类社会中大显身手。它主要由类似人的手臂组成以代替人的繁重劳动，从而实现生产的机械化和自动化。机械手有多种结构形式，比如夹持型，托持型和吸附型等。机械手的种类，按驱动方式课分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手。目前，国内的机械手多为液压与电动式的。液压式的机械手有着结构复杂，维修成本高的缺点。而电动式的机械手有着可靠性差，寿命短的缺点。尤其是在高温高压环境下，很难达到预想的效果。其次，现有的机械手作用比较单一，只能夹持某一特定直径的物料，具有很大的局限性。夹持机械手是机械手大家族中的一员，夹持机械手因为需要克服物体重力的作用而传输物件并自主移动，完成特定条件下的作业。机械手是传递机构中的重要部分。通过夹持机构将物料从某一位置和方位，按一定运动轨迹传递到另一位置和方位。在某些特定场合中，比如玻璃模具预热或者等离子焊接预热的工况下，需要将批次不同直径不同的模具夹持传输到锅炉当中。现有的夹持机械手结构复杂，维修不方便，而且大多不能调节以适应物料直径的变化。此外，在高温环境下，电动式的机械手寿命大大降低，而且可靠性也有所下降，会有失灵的情况出现。方便快捷的夹持机械手已然成为现今的重点研究对象。技术实现要素：发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于中小型物件传输的夹持机械手及其方法，本设计旨在应用机械手在高温高压等恶劣环境中实现材料的传送，工件的装夹持，让工作人员免除热害威胁，并且提高劳动生产率和降低生产成本。技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于中小型物件传输的夹持机械手，由在夹持机械手装置的下底板上水平方向设置的滑动装置，及垂直方向设置的向前进给装置和夹持装置三部分组成；所述滑动装置包括对称水平设置的两组滑块1号和设置在下底板后方中间位置的电机2号和齿轮齿条；每组滑块1号由两个滑块沿装置轴线对称设置在一根导辊上组成，并分别对应固定连接所述夹持装置；所述齿轮齿条设置在两组滑块1号之间并与其连接，电机2号驱动齿轮齿条转动，带动滑块1号沿导辊在水平方向上相反方向滑动，并带动夹持装置同步移动；所述向前进给装置包括沿垂直方向设置在下底面两侧边上的方形轨道和其上设置的导轨及其内部中间位置的电机1号，所述导轨上的对称设置有两组滑块2号，并固连有进给板，所述滑块2号带动所述进给板沿两侧导轨滑动；所述夹持装置由气缸与v型块及两个对称的夹持板组成，所述夹持板末端与进给板前端固连，前端内侧对称固连所述v型块；所述滑块1号与夹持板连接，两块夹持板之间沿水平方向设置有气缸。进一步的，所述v型块(1)下部呈三角契状作固定端，其外侧与所述夹持板(11)内侧面贴合固连；上部内侧呈内凹的v型状，开口角度为120°；所述v型块耐高温不低于800℃。设置为此形状的好处一方面是可拆卸；另一方面是使得垂直方向的力相互抵消，工件只受水平方向的夹紧力，使得工件能被稳定的运输。进一步的，所述v型块可夹工件为外形尺寸类柱状工件，直径为：φ25～φ200mm。进一步的，所述滑块2号(9)通过凹槽与所述导轨(6)的凸起间隙配合，其间用油脂润滑。进一步的，所述导轨(6)选用圆形导轨及其导轨副，圆形导轨和直线轴承均为全金属结构；所述气缸(2)为浮动可调缓冲型迷你气缸，其型号为mac20x200-s-ca，对应选择浮动接头m8。上述的型物件传输的夹持机械手的方法，包括以下步骤：1)滑块1号(3)在电机2号(7)的作用下，带动整个夹持机械手沿滑动导轨水平滑动至指定位置；2)进给板(10)在电机1号(5)的带动下，携带着板上的导轨(6)以及板前的夹持装置向前运动至工件模型处；3)调节气缸(2)，带动齿轮齿条(4)中的齿轮转动，齿轮带动齿条移动，从而两块夹持板(11)在齿条的带动下向中间靠拢，带动v型块(1)向中间靠拢，夹住工件模型，进行传输工作。进一步的，所述v型块(1)具有两个自由度即x向平动和y向平动，其中y向平动是步骤3)中一对v型块(1)相向运动，为等距移动，平动距离：y≤200mm；x向平动是步骤3)中实行传输工作的送料和回退，平动距离：x≤400mm。进一步的，步骤3)中，所述气缸(2)的选择根据所述合力计算气缸压力得来，公式如下：其中，f1和f2分别代表夹持板在夹持过程中上下部分分别给工件的夹紧力，两力矢量方向之间所差的角度为θ；夹住工件所需提供的力的大小：f安全夹紧力＝f夹紧力×1.2气缸选取标准为：压入时的最大受压力满足：f'受压力＝s'压入×p＞f安全夹紧力气缸压入受力面积公式如下：s压入＝0.25×π×(d2-d2)其中，d表示活塞直径，单位mm；d表示活塞杆直径，单位mm；p表示气缸的工作压力，即气源气压。进一步的，校核所述导轨(6)所受压强是否满足许用平均压强，压强计算公式如下：其中，p表示压强，f表示导轨压力，s表示导轨与导轨副接触面积。进一步的，所述电机的选配方法为：分析惯量匹配，理论上负载折算到电机轴的惯量与电机转子惯量比<5。有益效果：本发明提供的一种用于中小型物件传输的夹持机械手及其方法，本机构机械手的主要工作内容是对工作台上的外形尺寸类柱状工件进行定位检测和完成自动夹紧工件的动作，可待处理工件准确定位传输，解放劳动力。本设计旨在应用机械手在高温高压等恶劣环境中实现材料的传送，工件的装夹持，让工作人员免除热害威胁，并且提高劳动生产率和降低生产成本。此外，本设计可以有效改观现有技术无法适应工件直径大小的问题，在机械手终端加入小块，可以有效改变夹持间距，适应各种批次的工件。附图说明图1为本发明整体效果示意图；图2为夹持机械手透视示意图；图3为夹持局部示意图；图4为夹持机械手俯视图；图5为夹持机械手仰视图；图6为夹持力计算示意图；图7为导轨示意图；图8为步进电机示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。如图1-5所示为一种用于中小型物件传输的夹持机械手，本机构要求机械手完成自动定位、自动夹紧工件、将工件送入预热炉、待加热完毕后夹取工件的工作过程。由于机械手对工件的夹紧需达到一定的夹紧力，夹紧过程中要求两边夹住的移动距离相同，故选用气缸控制机械手对工件进行夹紧和释放，选用齿轮齿条的配合控制夹爪的移动距离。因本设计要求机械手在多个工位之间准确定位，而气缸只能控制机械到达两个位置，而步进电机可以根据电脉冲信号转变为角位移或者线位移，则满足机械手需到达多个工位的要求，故选用步进电机控制机械手搬运工件过程中的移动距离。本发明的中小型物件传输的夹持机械手，包括水平设置的滑动装置，向前进给装置及夹持装置三部分组成；其中，水平方向的滑动装置包括方形的滑动导轨6及设置在其内部中间位置的电机2号7及围绕设置其外侧的滑块1号3，其中，滑块1号3与机械手下底面由螺栓连接。滑块1号3在电机2号7的作用下带动整个机械手沿滑动导轨水平滑动，滑板2号9通过凹槽与导轨凸起间隙配合，其间可用油脂润滑；向前进给装置包括滑块2号9及其连接导轨6以及进给板10组成。其中，导轨6与进给板10由螺栓连接，滑块2号9用螺栓连接固定在机械手下底板。滑块2号9通过凹槽与导轨6间隙配合，其间可用油脂润滑。进给板10在电机1号5的带动下，携带着板上的导轨6以及板前的夹持板11、气缸2、齿轮齿条4与v型块1向前运动。夹持装置由夹持板11、气缸2、齿轮齿条4与v型块1组成。其中夹持板11和进给板10，v型块与夹持板均由螺栓连接。齿轮与夹持板11中间夹着一块中间连接板，三部分由圆柱销连接。连接板通过浮动接头与气缸2连接。由此，气缸2可带动齿轮转动，齿轮带动齿条移动。由此，两块夹持板11在齿条的带动下向中间靠拢，带动v型块1向中间靠拢。当v型块1中间有物件时，可通过夹持力将物件夹紧。此外，可以根据物件的大小选择合适的v型块1。并且，v型块1的形状经过受力计算与分析，发现此形状能在运用最少的材料的情况下，保证夹紧力要求，如图3所示。两个夹持板中间由一个齿轮连带两个齿条的结构，因此两个夹持板同时运动同时停止。在传统的夹持板的基础上，本发明额外设计了一个小零件即气缸2，可供选择是否装配到原来的夹持板上。如果不装配，那么相对来说夹持板的开口比较大，如果装配了，就可以使得夹持板的开口变小。实施例机械手结构设计机械手结构设计主要包括机架的设计、电机的选择、机械手夹紧机构的设计。其机械动作主要完成工件的抓取、释放以及搬运工作。各工位均采用机械手自动定位、夹取和释放与搬运。机械手功能是到达指定位置夹取工件，并将工件搬运至高温高压等恶劣工况环境中。当工件到达一定要求，再由机械手将工件取出，并进行运输。机械手的夹持机构是指安装于机械手臂末端，直接作用于工作对象的装置，力加持机构的结构、尺寸、材料、夹紧方式、驱动方式和运动的极限位置将取决于工件的尺寸、形状、材料、重量、温度。因此，根据工件的结构特征，结合具体实际情况，其夹持机构的设计应满足一下几点要求：(1)夹紧力大小要适宜，必须保证能夹紧工件且不会使工件产生过度变形；(2)手爪间应具有足够的开比角或开闭距离，应考虑工件的尺寸范围；(3)应能保证工件的可靠定位；(4)应适应被抓去对象的要求：适应工件的形状和被抓取部位的尺寸；(5)需耐高温800℃左右。(6)应尽量做到结构紧凑、质量小、效率高。本机构机械手的主要工作内容是对工作台上的外形尺寸类柱状工件进行定位检测和完成自动夹紧工件的动作，可待处理工件准确定位传输，解放劳动力。1工件重力计算此非标自动化设备针对的对象是中小型物件。要实现中小型物件的夹持与传输工作，因此夹持工件的重力式设计时必须要考虑的内容之一。假设被夹持工件的材料为灰铸铁，其密度为ρ＝7.2×103kg/m3，根据重力计算公式：g＝m×g，质量计算公式：m＝ρ×v，以及圆柱体体积计算公式：v＝πr2h，我们可以得出工件的最大重量，计算过程如下：v＝π×952×10-6×25×10-3＝7.084625×10-4m3m＝7.2×103×7.084625×10-4＝5.1kgg＝5.1×9.8＝49.989n≈50n2夹紧v块的结构及运动特性本送料机构针对工件的夹持部位为圆柱体，圆柱体工件的直径范围为：φ25～φ190mm。采用v块作为机械手夹持部分，可夹持一定范围尺寸的工件，又能保证工件在被夹持过程中不出现轴向摆动的问题。2.1夹紧v块的结构设计同一型号的v型块能夹持的工件范围尺寸有限，为增加可夹持工件的尺寸范围，设计了不同型号的v型块，如图3所示有两种型号的v型块。大v型块可夹工件的直径为：φ100～φ200mm，小v型块可夹工件的直径为φ25～φ100mm，根据所要加工的工件的大小，可以选用不同型号的v型块。但工件的重量不能超过v型块所能夹持的最大重量。2.2v型块的运动特性本结构v型块具有两个自由度即x向平动和y向平动，其中y向平动是一对v型块相向运动，且要求两边v型块是等距移动，故采用滑块导轨机构实现平动，齿轮齿条实行等距移动，具体结构见图2。x向平动是实行送料和回退，平动的距离：x≤400mm，y向平动是一对v型块相向靠近或相互远离，用于夹取工件和释放工件，平动距离：y≤200mm。3工件夹紧力计算机械手在搬运工件的过程中，必须达到足够的夹紧力以保证工件不脱落，且能平稳到达各个工位。本机构针对的工件直径范围为φ25～190mm，在工件高度不变的条件下，工件的直径越大，工件的质量越大，所需要的夹紧力也就越大，因此，计算工件夹紧力时，选取最大直径d＝190mm。工件受力示意图及合力分析图如图6所示。摩擦力的计算公式如下：f摩擦＝μ×f0＝g其中，μ为铸铁静摩擦系数，已知：μ＝0.2，故：又因为f1＝f2，且f1+f2＝f0，故：f1＝f2＝125n合力计算公式如下：其中，θ为f1和f2的夹角，由图6可知：θ＝60°，解得f夹紧力＝216.5n。4夹紧气缸选型本机械手对工件的夹紧力将由所选的气缸提供，所提供的夹紧力必须保证能够夹紧工件、使工件平稳不掉落，故夹紧气缸的选型时由工件所需夹紧力所决定，必须乘以安全系数。已知一般工厂体用的气源气压p为0.8mpa，可根据实际工作需要使用调压阀进行调压。因此，可得出所选气缸所可以提供的力的大小：f安全夹紧力＝f夹紧力×1.2＝259.8n气缸推出受力面积公式如下：s推出＝0.25×π×(d2-d2)气缸压入受力面积公式如下：s压入＝0.25×π×(d2-d2)其中，d表示活塞直径，单位mm；d表示活塞杆直径，单位mm；p表示气压缸的工作压力，即气源气压。气缸推力计算公式如下：f推力＝s推出×p气缸拉力计算公式如下：f受压力＝s压入×p根据以上公式可推出：其中，f受压力为气缸选型的主要决定参数，将直接影响工件夹紧力的大小。考虑工件最大直径和机械手的夹紧行程，选用气缸为迷你气缸(浮动可调缓冲型)，其型号为mac20x200-s-ca。根据所选气缸型号，选择浮动接头m8。气缸的选型以及浮动接头如图7所示。根据以上公式，计算此气缸压入时的受力面积和最大受压力：s'压入＝0.25×(202-82)＝264mm2f'受压力＝s'压入×p＝264n＞f安全夹紧力故该型号气缸满足使用要求。气缸的理论出力值和规格参数如表1和表2所示：表1气缸的理论出力值气源压力(mpa)0.70.80.91.0推出力219.8251.2282.6314压入力184.7211.04237.42263.8表2气缸的规格参数5导轨的选型本机构要求机械手在工作时，需保证能在某一自由度上的运动平稳。导轨是将运动构件约束到只有一个自由度的装置，故在本机构的设计过程中，根据零件的所受压强选用不同型号的导轨约束机械手的各运动构件在某方向上的自由度。5.1夹紧机械手的导轨的选择计算本机械手工作环境温度高，工件可达到600℃～800℃高温，虽然夹紧导轨工作过程中并无与高温工件直接接触，但因机械手皆为金属结构，导热率高，夹紧导轨离机械手夹紧部分较近，受热影响较大，一般的矩形导轨其导轨副部分结构为塑料材料，而一般塑料材料在到达80℃时会产生热形变，将严重影响机械手的正常工作。因此，选用圆形导轨及其导轨副，圆形导轨和直线轴承均为全金属结构，可避免出现因导轨和导轨副受热变形而影响机械手工作效率的情况。考虑机械手的夹紧行程、汽缸的安装位置和行程、导轨和直线轴承的结构布置，所选导轨及直线轴承如图7所示：对于所选的导轨及直线轴承需进行交割，检验是否满足使用要求。校核圆形导轨所受压强是否满足许用平均压强，压强计算公式如下：一般导轨的许用压强如表3所示：表3导轨的许用压强(mpa)导轨所受压力取决于滑动部分的质量：m＝27.2kg。且圆形导轨及直线轴承工作环境温度较高，则选取安全系数为：1.5。圆形导轨与导轨副接触面积为：s＝8000mm2根据以上参数可得，圆形导轨所受压力和压强的计算过程如下：f＝g＝mg＝27.2×9.8＝266.56n查表3已知，许用平均压强为：0.5mpa，故所选用的圆形导轨及其直线轴承符合使用要求。5.2纵向进给导轨及导轨副的选择计算纵向进给部分导轨离工件较远，受热影响较小，故选用常用的矩形导轨及其导轨副，考虑机械手纵向进给的行程要求，选择导轨长为：820mm。所选矩形导轨及其导轨副hiwin-hgh25ca如图6所示：对于所选的矩形导轨及其导轨副需进行校核，校核矩形导轨及其导轨副所受压强是否满足使用要求，压强计算公式如下：导轨所受压力取决于滑动部分的质量：m＝27.2kg。矩形导轨及导轨副的工作环境受温度影响很小，则选择安全系数为：1.2.矩形导轨与导轨副接触面积为：s＝7728mm2根据以上参数可得，矩形导轨所受压力和压强的计算过程如下：f＝g＝mg＝27.2×9.8＝266.56n查表3已知，需用平均压强为：0.4～0.5mpa，故所选用的导轨符合使用要求。5.3横向进给导轨及导轨副的选择计算横向进给部分导轨离工件较远，受热影响小，且承受压力较大，故选用常用的矩形导轨及其导轨副hiwin-hgh25ca，考虑机械手横向进给的行程要求，选择导轨长为：2860mm。对于所选的矩形导轨及其导轨副需进行压强校核，检验矩形导轨及其导轨副所受压强是否满足需用平均压强，压强计算公式如下：导轨所受压力取决于滑动部分质量：m＝30kg。矩形导轨及导轨副的工作环境受温度影响很小，则选择安全系数为：1.2.矩形导轨与导轨副接触面积为：s＝7728mm2导轨所受压力和压强的计算过程如下：f＝g＝mg＝30×9.8＝294n查表3已知，需用平均压强为：0.4～0.5mpa,故所选用的导轨符合使用要求。6步进电机的选型本结构要去机械手能够自动定位，故选择电机时，哟求电机能带动机械手完成后退，前进，停止等动作及定位功能。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的u/v/w三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，工作时为连续运转，难以精确定位。步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，故选用步进电机作为机械手的进给驱动力。在根据使用条件和拖动对象选择步进电机时，要求电源电压与步进电机额定电压满足使用条件。进行步进电机选型时，应注意以下两点：1)电机扭矩的计算，包括客服驱动机构的摩擦转矩tl以及客服负载的电子转子惯量的启动转矩ts两部分；2)分析惯量匹配，理论上负载折算到电机轴的惯量与电机转子惯量比<5。进行步进电机的选型计算时，应考虑步进电机要带动机械手纵向和横向的进行所需的转矩，已知参数：滑动部分质量m＝27.2kg，联轴器质量mc＝2kg，联轴器直径dc＝0.04m，摩擦系数μ＝0.2，移动距离l＝3m，移动方向与水平轴夹角a＝0°，g＝9.8m/s,π＝3.1416。1)根据以下参数：定位时间t＝1s,加速时间比a＝25％，得加速时间为：t0＝t×a＝0.25s速度：v1＝10m/min，可得电机转速为：2)因为摩擦负载极小，可忽略，故可得负荷转矩为：tl＝0n.m3)e＝0，ηg＝0.8，x＝560mm，y＝780mm，克服惯量的加速转矩(启动转矩)计算如下所示：工作台惯量：总负荷惯量：j＝jt＝0.228661333kg.m2电机轴启动转矩：4)根据已知参数：安全系数s＝1.2，可得必须转矩为：tm＝(tl+ts)×s＝(0+84.351939)×1.2＝101.222327n.m5)考虑以上的参数和机械手的结构紧凑，选用步进电机型号：86byg-l113，如图8所示：步进电机86byg-l113各项参数如表4所示：表486byg-l113的各项参数6)根据以上参数，计算得出负荷与电机惯量比为：i＝1.48481383，因i<5，故满足使用要求。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12