機械手回轉臂結構設計-fff.pdf

1 摘摘要要 本文簡要介紹了機器人的概念，機械手的組成和分類，機械手的自由度和坐標形式， 氣 動技術的特點，PLC控制的特點及國內(nèi)外的發(fā)展狀況。 本文對機械手進行總體方案設計， 確定了機械手的坐標形式和自由度， 確定了機械手的 技術參數(shù)。同時，計算并設計出了回轉氣缸、伸縮手臂的機械機構。 設計出了機械手的氣動系統(tǒng)， 繪制了機械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖， 對氣壓系統(tǒng)工作原理 圖的參數(shù)化繪制進行了研究，大大提高了繪圖效率和圖紙質量。 利用可編程序控制器對機械手進行控制， 根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器 的控制方案，設計出了人工移動式（無動力）點位示教控制軟件，并畫出了機械手的工作時 序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。 關鍵詞：關鍵詞：工業(yè)機器人；機械手；氣動； 2 AbstractAbstractAbstractAbstract At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dary information of the development briefly . Whats more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator , tells out the free-degree and the form of coordinate . At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator, The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator , This paper designs the structure ofthe wrist , computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump. The paper designs the structure of the arm. The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses PLCto control . The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator . The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart . Whats more , the paper workout the control program of the PLC , Keywork:Keywork:Keywork:Keywork: industrial robot；manipulator；pump；air pressure drive；PLC 3 目目錄錄 摘要（中文）摘要（中文）. （英文）（英文）. 第一章第一章緒論緒論 1.1 機械手概述.1 1.2 機械手的組成和分類.1 1.2.1 機械手的組成.1 1.2.2 機械手的分類.3 1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況.4 1.4 課題的提出及主要任務.5 1.4.1 課題的提出.5 1.4.2 課題的主要任務.6 第二章第二章 機械手的設計方案機械手的設計方案 2.1 機械手的座標型式與自由度7 2.2 機械手的手部結構方案設計8 2.3 機械手的手腕結構方案設計8 2.4 機械手的手臂結構方案設計8 2.5 機械手的驅動方案設計8 2.6 機械手的控制方案設計8 2.7 機械手的主要參數(shù)9 2.8 機械手的技術參數(shù)列表9 第三章第三章 手臂伸縮，回轉氣缸的設計與校核手臂伸縮，回轉氣缸的設計與校核 3.1 手臂伸縮部分尺寸設計與校核11 3.1.1 手臂伸縮部分方案一的尺寸設計與校核11 3.1.2 手臂伸縮部分方案二的尺寸設計與校核11 3.1.3 導向裝置14 3.1.4 平衡裝置14 3.2 手臂回轉部分尺寸設計與校核14 3.2.1 尺寸設計14 3.2.2 尺寸校核14 第四章第四章 氣動系統(tǒng)設計氣動系統(tǒng)設計16 4 第七章第七章 結論結論.31 結束語結束語.32 參考文獻參考文獻.33 5 第一章第一章概述概述 1.11.1 氣動機械手概述氣動機械手概述 氣動機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一 種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化 設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效 率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計 算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技 術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自 動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特 長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能 力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也 是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制 造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作， 按給定程序、 軌跡 和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為 “工業(yè)機械手” 。 生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕 勞動強度、保證產(chǎn)品質量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、 有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此， 在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸 業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比較簡單， 專用性較強， 僅為某 臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能 夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱 通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換 生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1 1.2.2 機械手的組成和分類機械手的組成和分類 1 1.2.1.2.1機械手的組成機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相 互之間的關系如方框圖1-1所示。 圖1-1機械手組成方框圖: Pane chart of composition of manipulator 6 (一)執(zhí)行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本 課題中我們采用夾持式手部結構。 夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。 手指 是與物件直接接觸的構件， 常用的手指運動形式有回轉型和平移型。 回轉型手指結構簡 單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手 指夾持圓形零件時， 工件直徑變化不影響其軸心的位置， 因此適宜夾持直徑變化范圍大 的工件。 手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、 被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的 重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有 雙指式、 多指式和雙手雙指式等。 而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的 任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒 條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件， 并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油 缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電 機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件， 立柱也可以是手臂的一部分， 手臂的回轉運動和升降(或俯 仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱 為可移式立柱。 5、行走機構 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式 行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的 和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 6、機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上， 故起支撐和連接的作用。 (二)驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調節(jié)裝置和輔助裝置組成。 常 用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要 求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定 位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動， 7 并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控 制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令， 必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視， 當動作有錯誤或發(fā) 生故障時即發(fā)出報警信號。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。 目前工業(yè)機械手的控制系 統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。 控制系統(tǒng)有電氣控制和 射流控制兩種， 它支配著機械手按規(guī)定的程序運動， 并記憶人們給予機械手的指令信息 (如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出 指令， 必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視， 當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)， 并與設定的位置進行比較， 然后通過控制系統(tǒng)進行調整， 從而使執(zhí)行機構以一定的精度 達到設定位置. 1.2.21.2.2 機械手的分類機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此 暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1、專用機械手 它是附屬于主機的、 具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。 專用機械手具有 動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化 生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和叻口工中心” 2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍 內(nèi)， 其動作程序是可變的， 通過調整可在不同場合使用， 驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。 通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批 量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡 易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控 制；同時還可分為伺服型和一般型的機械手，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般 的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅動方式分 1、液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤 以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械 手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動 系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高， 油液過濾要求嚴格，成本高。 2、氣壓傳動機械手 8 是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李源極為 方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特 性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下， 在 同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán) 境中進行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是 一種附屬于工作主機的專用機械手， 其動力是由工作機械傳遞的。 它的主要特點是運動 準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。 4、電力傳動機械手 即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的械 手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快 和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動， 只能控制運動過程中幾個點的位置， 不能控制 其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用 和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線， 其特點是設定點為無限的， 整個移動過程處 于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工 業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 1.31.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機 價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。 (2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系 統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、 連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化 裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化; 器件集成度提高， 控制柜日見小巧， 且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、 易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外， 裝配、 焊接機器人還應用了視覺、 力覺等傳感器， 而遙控機器人則采用視覺、 聲覺、 力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置 技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、 預演發(fā)展到用于過程控制， 如使遙控機 9 器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)， 而是致力于操作者與機器人 的人機交互控制， 即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)， 使智能機 器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種 系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已 成為國際研究的熱點之一， 紛紛探索開拓其實際應用的領域。 我國的工業(yè)機器人從 80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五” 科 技攻關， 目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、 控制系統(tǒng)硬件和軟件設 計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、 弧 焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用， 弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝 線上。 但總的來看， 我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定 的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線 系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺， 約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。 以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)， 當前我國 的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量 小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。 因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、 通 用化、 模塊化設計， 積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在 “863” 計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無 纜機器人的成果居世界領先水平， 還開發(fā)出直接遙控機器人、 雙臂協(xié)調控制機器人、 爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的 開發(fā)應用上開展了不少工作， 有了一定的發(fā)展基礎。 但是在多傳感器信息融合控制 技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā) 應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重 點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立 于世界先進行列之中。 1.41.4課題的提出及主要任務課題的提出及主要任務 1 1.4.1.4.1課題的提出課題的提出 進入21世紀，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現(xiàn)在大量的 缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動生產(chǎn)率，降低工人的勞動強度，提高我國工業(yè)自動化水平 勢在必行，將機械手，應用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運到另外一條 生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復性勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。 現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點: (1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏， 不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平 10 穩(wěn)性及正確性。 (2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 (4)為了減少泄漏， 液壓元件的制造工藝水平要求較高， 故價格較高;且使用維護需要較高技 術水平。 鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動， 氣動技術有以下優(yōu)點: (1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣，處 理方便， 一般不需設置回收管道和容器:介質清潔， 管道不易堵存在介質變質及補充的問 題. （2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油 路的千分之一)，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成 壓力明顯降低和嚴重污染。 (3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。 氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工 藝流程不致突然中斷。 (5)工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓 傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性 能。 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質和加工精度要 求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系 統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓 力較低， 抓舉力較小。 雖然氣動技術作為機器人中的驅動功能已有部分被工業(yè)界所接受， 而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人 這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣 動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。 1.4.21.4.2課題的主要任務課題的主要任務 本課題將要完成的主要任務如下: (1) 進行氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設計； (2) 設計氣動機械手氣路設計，進行關鍵部件的設計計算； (3) 設計氣動機械伸縮、回轉臂部分結構，進行關鍵部件的設計計算； (4) 人工移動式（無動力）點位示教部分控制軟件設計與上位監(jiān)控系統(tǒng)設計 11 第二章第二章機械手的設計方案機械手的設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精 度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定 位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合 理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性， 定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結 構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件， 簡化設計制造過程， 兼顧通用性和專用性， 并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制. 2.12.1機械手的座標型式與自由度機械手的座標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況， 其座標型式可分為直角座標式、 圓柱座標 式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此， 采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點， 增 加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 12 圖2-1 機械手的運動示意圖 Fia.2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator 2.22.2 機械手的手部結構方案設計機械手的手部結構方案設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料 時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 2.32.3 機械手的手腕結構方案設計機械手的手腕結構方案設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運 動才可滿足工作的要求。 因此， 手腕設計成回轉結構， 實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。 2.42.4 機械手的手臂結構方案設計機械手的手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求， 本機械手的手臂有三個自由度， 即手臂的伸縮、 左右回轉和降(或 俯仰)運動。 手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的， 立柱的橫向移動即為手臂的橫移。 手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 2.52.5 機械手的驅動方案設計機械手的驅動方案設計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機 械手采用氣壓傳動方式。 2.62.6 機械手的控制方案設計機械手的控制方案設計 13 考慮到機械手的通用性， 同時使用點位控制， 因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機 械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 2.72.7 機械手的主要參數(shù)機械手的主要參數(shù) 1.機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)， 由于是采用氣動方式驅動， 因此考慮抓取的物體 不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取 的工件質量為0.5公斤 2.基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。 操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求， 設計 速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的 速度。該機械手最大移動速度設計為0.1m/s。最大回轉速度設計為s/90。平均移動速 度為0.08m/s。平均回轉速度為s/60。 2.82.8 機械手的技術參數(shù)列表機械手的技術參數(shù)列表 一、用途: 用于自動輸送線的上下料。 二、設計技術參數(shù): 1、抓重 0.kg5 2、自由度數(shù) 4個自由度 3、座標型式 圓柱座標 4、手臂運動參數(shù) 伸縮行程100mm 伸縮速度40mm/s 升降行程50mm 升降速度100mm/s 回轉范圍 1800 回轉速度s/90 5、手腕運動參數(shù) 回轉范圍 1800 回轉速度s/90 6、手指夾持范圍 棒料: 5 20 14 9、定位方式 行程開關 10、定位精度 mm1 11、驅動方式 氣壓傳動 12、控制方式 點位程序控制(采用PLC) 15 第三章第三章手臂伸縮，回轉氣缸的尺寸設計與校核手臂伸縮，回轉氣缸的尺寸設計與校核 3.13.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核 3.1.13.1.1手臂伸縮氣缸方案一的尺寸設計與校核手臂伸縮氣缸方案一的尺寸設計與校核 為方便大規(guī)模生產(chǎn)需求以及采購，根據(jù)實驗設計要求，手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動 元件廠生產(chǎn)的標準氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結構特點，尺寸參數(shù)，結合本設 計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63. (1).在校核尺寸時， 只需校核氣缸內(nèi)徑 1 D=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要 求即可,設計使用壓強MPaP4 . 0=, 則驅動力： 2 RPF= )(1246 0315 . 0 14 . 3 104 . 0 26 N= = （2）. 測定手腕質量為5kg,設計加速度)/(10sma=，則慣性力 maF= 1 =105=50 （3）.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù)2 . 0=k, 1 .FkFm= =500.2 =10 總受力 m FFF+= 10 =50+10=60 FF 0 所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅動力要求要求。 3.1.23.1.2 手臂伸縮部分方案二的尺寸手臂伸縮部分方案二的尺寸設計與校核設計與校核 為使所設計的機械手擁有更高精度，同時便于安裝調試，現(xiàn)設計手臂伸縮部分第二套方案。 (1) 活塞桿上輸出力和缸徑的計算 活塞左行時活塞桿產(chǎn)生推力 1 F ,活塞右行時產(chǎn)生拉力 2 F 。 2 1 4 z D p FF = 16 22 2 () 4 z FDdpF = 式中活塞桿的推力(N); 活塞桿的拉力(N); 活塞直徑(m); 活塞桿直徑(m); 氣缸工作壓力(Pa); 氣缸工作總阻力(N); 氣缸工作時的總阻力 z F 與眾多因素有關,如運動部件慣性力,背壓阻力,密封處摩擦力等. 以上因素可以載荷率的形式計入公式,如要求氣缸的靜推力 1 F 和靜拉力 2 F ,則計入載荷率 后 計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特征.若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高;且工作頻率高,其 載荷率一般取,速度高時取小值,速度低時取大值.若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般, 且工作頻率低,基本是勻速運動,其載荷率可取。根據(jù)要求本次設計中,我們?nèi)?0.8= ?；钊麠U拉力 2 F 為克服機械手的自重（1.5KG）和克服抓取物的重量(0.5KG)所用的 力為 2 (1.50.5) 1020FN=+= 可求得氣缸直徑D。 當推力作功時 活塞桿d可根據(jù)氣缸拉力預先估定。估定活塞桿直徑可按計算得 =85mm 式中系數(shù)在缸徑較大時取小值，缸徑較小時取大值。 以上公式計算出的氣缸內(nèi)徑D應圓整為標準值。 根據(jù)可估算得 d=12cm 17 （2）活塞桿的計算 1）按強度條件計算當活塞桿的長度L較小時（L10d），可以只按強度條件計算活 塞桿直徑d 式中氣缸的推力（N）； 活塞桿材料的許用應力(Pa), 材料的抗拉強度（Pa）； 安全系數(shù)，S1.4。 按縱向彎曲極限力計算氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當縱向力達到 極限力以后，活塞桿會產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方 式、活塞桿直徑及行程有關。 當長細比時 當長細比時 式中活塞桿計算長度（m），見表3-3 活塞桿橫截面回轉半徑， 實心桿 空心桿 活塞桿橫截面慣性矩， 實心桿 空心桿 空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）； 活塞桿截面積 實心桿 空心桿 系數(shù)，見表3-3 18 材料彈性模量，對鋼取 材料強度實驗值，對鋼取 系數(shù)，對鋼取a=1/5000 3.1.3.3.1.3.3.1.3.3.1.3.導向裝置導向裝置導向裝置導向裝置 氣壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，以保證手指的正 確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時， 應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來 確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。 導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿 來增加手臂的剛性和導向性。 3.1.43.1.43.1.43.1.4 平衡裝置平衡裝置平衡裝置平衡裝置 在本設計中， 為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)， 減少手抓一側重力矩對性 能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質量根據(jù)抓取 物體的重量和氣缸的運行參數(shù)視具體情況加以調節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。 3.23.2手臂回轉氣缸的尺寸設計與校核手臂回轉氣缸的尺寸設計與校核 3.2.1 尺寸設計 氣缸長度設計為mmb120=,氣缸內(nèi)徑為mmD210 1 =,半徑R=105mm,軸徑 mmD40 2 =半徑mmR20=,氣缸運行角速度=s/90，加速度時間t=0.5s, 壓強MPaP4 . 0=, 則力矩： 2 )( 22 rRpb M = ).(255 2 )020 . 0 105 . 0 (12 . 0 104 . 0 226 mN= = 3.2.2 尺寸校核 1測定參與手臂轉動的部件的質量m1=20kg,分析部件的質量分布情況， 質量密度等效分布在一個半徑mmr200=的圓盤上，那么轉動慣量： 2 2 1r m J= =200.1/2 19 =0.1（ 2 .mkg） t JM = . 慣 =0.1(90/0.5)=18 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)2 . 0=k, 慣摩 MkM.= =0.218=3.6 總驅動力矩 摩慣驅 MMM+= =18+3.6=21.6 MM 驅 設計尺寸滿足使用要求。 20 第四章第四章 氣動系統(tǒng)設計氣動系統(tǒng)設計 4 41 1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖氣壓