工業(yè)機械手設(shè)計-說明書

1、第一章 緒 論1.1 工業(yè)機械手概述工業(yè)機器人由操作機 （機械本體 ）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置 構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作 業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)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(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新 換代起著十分重要的作用。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、 信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研 究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動 化水平的重要標(biāo)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

2、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(yīng)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(wù)性設(shè)各，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè) 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(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械 手”。生產(chǎn)中應(yīng)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(zhì)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

3、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(jié)構(gòu)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(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控 制實現(xiàn)重復(fù)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(yīng)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。機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機械手是一種能自

4、動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。1.2機械手的組成和分類1.2.1機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)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(guān)系如方框圖2-1所示。機械手組成方框圖（一）執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。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(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指 （或手爪）和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣

5、泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(jié)構(gòu) 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(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完 成夾放物件的任務(wù)。 傳力機構(gòu)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(diào)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

6、的重要部件。手臂的作用是帶動手指 去抓取物件，并按預(yù)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(qū) 動手臂運動的部件 （如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪 機構(gòu)等）與驅(qū)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(zhuǎn)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I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(gòu)當(dāng)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(gòu)可分裝滾輪、 軌道等行走機構(gòu)， 以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有

7、軌的和無軌的兩種。 驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。6、機座機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝 于機座上，故起支撐和連接的作用。（二）驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助 裝置組成。常用的驅(qū)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， 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)

8、的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令， 必要時可對機械手的動作進行監(jiān) 視，當(dāng)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(gòu)發(fā)出指令， 必要時可對機械手的動 作進行監(jiān)視，當(dāng)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(gòu)的運動位置， 并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給

9、控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使 執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置 .1.2.2機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類 標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)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(jié)構(gòu)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

10、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(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)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(guān)”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， 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類（二）按驅(qū)動方式分1、液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格， 不然

11、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(qū)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、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。 其主要特點是 :介質(zhì) 李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu) （如凸輪、連桿、齒

12、輪和齒條、間歇機構(gòu)等 ）驅(qū)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(zhǔn)確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但 結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)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(fù)雜性。目前

13、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(shè)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(zhǔn)確的運動， 并且使用范圍廣， 但電氣 控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國外機器人領(lǐng)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(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)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(guān)節(jié)

14、模塊、 連桿模塊用重組方式構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化 ;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :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(yīng)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(shù)來進行環(huán)境 建模及決策控制 ;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制， 如使遙控

15、機器人操作者產(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(dāng)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(gòu)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(yīng)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(yīng)用的領(lǐng) 域。我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的 支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人 操作機的設(shè)計制造

16、技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡 規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)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(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)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(shù)及其工程應(yīng)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(yīng)用工 程起步較晚， 應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距 ;在應(yīng)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(dāng)前我國的機器人生產(chǎn) 都是

17、應(yīng)用戶的要求， “一客戶，一次重新設(shè)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(zhì)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(guān)鍵技術(shù)， 對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃， 搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)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(lǐng)先水 平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)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(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng) 用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合

18、 控制技術(shù)、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(yīng)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(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用 的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4 課題的提出及主要任務(wù)1.4.1課題的提出 進入21世紀(jì)，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，本設(shè)計的目的就是設(shè)計一個氣動搬運機械手， 應(yīng)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)，

19、 減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)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(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且 影響執(zhí)行部分的運動平穩(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(shù)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(shù)有以下優(yōu)點 :(1)介質(zhì)

20、提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排 入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器 :介質(zhì)清潔，管道不易堵存 在介質(zhì)變質(zhì)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(yīng)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(yīng)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)

21、工作環(huán)境適應(yīng)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(zhì)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(shù)作為機器 人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)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

22、展過去介紹得不夠， 因此在工業(yè)自動化領(lǐng)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。1.4.2課題的主要任務(wù)本課題將要完成的主要任務(wù)如下 :(1) 機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面相對較廣 .(2)選取機械手的座標(biāo)型式和自由度(3)設(shè)計出機械手的各執(zhí)行機構(gòu)，包括 :手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。為了使 通用性更強，手部設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來抓取棒 料工件，在工業(yè)需要的時候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。(4)氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計 本課題將設(shè)計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路 的設(shè)計，并繪出氣動原理圖。(5)

23、對氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的參數(shù)化繪制進行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質(zhì)量。（6）機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計本機械手擬采用可編程序控制器（PLC）對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。第二章 機械手的設(shè)計方案對氣動機械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾 -放和搬運物件，這就要求它 們具有高精度、 快速反應(yīng)、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(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度

24、要求，抓取、搬運時的受 力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求 ; 盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件， 簡化設(shè)計制造過程， 兼顧通用性和專用性， 并能實現(xiàn) 柔性轉(zhuǎn)換和編程控制 .本次設(shè)計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合 于成批或中、小批生產(chǎn)的、 可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備， 動強度大 和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。2.1 機械手的座標(biāo)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(biāo)型式可分為直角座標(biāo) 式、圓柱座標(biāo)式和關(guān)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(zhuǎn) 運動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機械手具有三個自由度，為了彌補升降

25、運動行程較小的缺點， 增加手臂擺動機構(gòu)， 從而增加一個手臂上下擺動的自由度圖2-1機械手的運動示意圖2.2機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使用夾持式手部 ;當(dāng)工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。2.3機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)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(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。 因此， 手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)， 實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn) 運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。2.4機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)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(zhuǎn)和降 (或俯仰 )運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降

26、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)。2.5機械手的驅(qū)動方案設(shè)計由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)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。2.6機械手的控制方案設(shè)計考慮到機械手的通用性， 同時使用點位控制，因此采用可編程序控制器 (PLC) 對機械手進行控制。當(dāng)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。2.7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(qū)動，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重， 查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)， 結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為 3-

27、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(shè)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(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設(shè)計為1.0m/ s 。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為90 /s。平均移動速度為0.8m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為60 /s。機 械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明 速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快 慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行 程和工作半徑。大部分機械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作 的空間。過大的伸縮行程

28、和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。 在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的 伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1400mm。手臂升降行程定為 120m m。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為1mm。2.8機械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途 :用于自動輸送線的上下料。二、設(shè)計技術(shù)參數(shù) :1 、抓重3- 5kg2、自由度數(shù)4個自由度3、座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑1400mm5、手臂最大中心高1250mm6、手臂運動參數(shù)伸縮行程 1200mm伸縮速度 400mm/ s升降行程 120mm升降速度 250mm/ s回轉(zhuǎn)范圍 0 180回轉(zhuǎn)速度 9

29、0 /s7、手腕運動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍 0 180回轉(zhuǎn)速度 90 /s8、手指夾持范圍棒料 : 80mm 150mm9、定位方式行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等10 、定位精度1mm11、驅(qū)動方式氣壓傳動12、控制方式點位程序控制（采用PLC）圖2-6機械手的工作范圍第三章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，件為棒料，使用夾持式手部。3.1夾持式手部結(jié)構(gòu)夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指（或手爪）和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。3.1.1 手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾

30、持工件的部位又可分為內(nèi)卡式 （或內(nèi)漲式 ）和外夾式兩種 : 按模仿人手手 指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型（或稱直進型 ），其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。 當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離 縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指 ;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的 手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單， 制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指 夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。3.1.2設(shè)計時考慮的幾個問題（一）具有足夠的握力 （即夾緊力 ）在確定手指的握力時， 除考慮工件重量外，

31、還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中 所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。（二）手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。 手指的開 閉角應(yīng)保證工件能順利進入或脫開， 若夾持不同直徑的工件， 應(yīng)按最大直徑的工 件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。（三）保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀， 選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“ V ”形面的手指，以便自動定心。（四）具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外， 還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的 慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度

32、和剛度以防折斷或彎曲變形， 當(dāng)應(yīng)盡量 使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上， 以使手腕的扭 轉(zhuǎn)力矩最小為佳。（五）考慮被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成 V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。3.1.3手部夾緊氣缸的設(shè)計1、手部驅(qū)動力計算本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，圖3-2齒輪齒條式手部4假設(shè)其工件重量G=5公斤,V形手指的角度2120 , b 120mm R 24mm,摩擦系數(shù)為f 0.10(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為2bR(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計

33、算公式N 0.5tg()0.5 5 tg(605 42)25(N)所以p N 245(N)R(3)實際驅(qū)動力：K1K2P實際 p I,因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取0.94，并取K1 1.5。若被抓取工件的最大加速度取a 3g時，此時向上運動。則：K21旦4gF1D1 2PFtFzFtGfGf =FiD2p4Ft式中：Fi -活塞桿上的推力，NFt -彈簧反作用力，NFz-氣缸工作時的總阻力，NP-氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算：Gf(1 s)Gdi4Di3n4Gdi38D1 n式中:Gf-彈簧剛度，N/m1-彈簧預(yù)壓縮量，ms-活塞行程，mdi-彈簧鋼絲直徑，mDi-彈簧平均直徑,

34、n-彈簧有效圈數(shù).G-彈簧材料剪切模量，一般取 G 79.4 109 Pa在設(shè)計中，必須考慮負載率的影響，則:由以上分析得單向作用氣缸的直徑D二巴代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得Gf4934Gdi 79.4 109 (3.5 10 3)8D jn8 (30 10 3)3 153677.46( N /m)Ft Gf(1 s)3677.46 60 10220.6(N)所以:D4(F1 Ft)pn4 (490 2206)0.5 10665.23( mm)查有關(guān)手冊圓整，得D 65mm由d/D 0.2 0.3,可得活塞桿直徑：d (0.2 0.3)D取活塞桿直徑d 18mm校核，按公式F1 /( /4d2)有:d

35、(4F1/ )0.51319.5mm其中，120MPa, F1750N0 5則:d (4 490/120).2.28 18滿足實際設(shè)計要求。3,缸筒壁厚的設(shè)計缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:DPp/2般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之式中:6-缸筒壁厚，mmD -氣缸內(nèi)徑，mmPp-實驗壓力，取Pp 1.5P, Pa材料為 :ZL3, =3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為 :DPp /2 65 6 105 /(2 3 106)6.5( mm)取7.5mm，則缸筒外徑為：Di 65 7.5 2 80(mm)第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮到機械手的通用性， 同時

36、由于被抓取工件是水平放置， 因此手腕必須 設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回 轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。4.1 手腕的自由度手腕是連接手部和手臂的部件， 它的作用是調(diào)整或改變工件的方位， 因而 它具有獨立的自由度， 以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。 手腕自由度的選用與 機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。 由于本機械手抓取的工件是水平放置， 同時考慮到通用性， 因此給手腕設(shè)一繞 x 軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最 多的為回轉(zhuǎn)油 （氣）缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小 于 360

37、 ，并且要求嚴格的密封。4. 2 手腕的驅(qū)動力矩的計算421手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須 克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩， 動 片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動 軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩圖4-1所示為手腕受力的示意圖h1.工件2.手部3.手腕圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算：M驅(qū) M慣 M偏 M摩 M封式中：M驅(qū)-驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩（N cm）;M慣-慣性力矩（N cm）;M偏-參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕

38、回轉(zhuǎn)缸的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩（N cm）.,JiJc; M封-手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(N cm);下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算：1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M悅?cè)羰滞笃饎舆^程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的時間為t，則：M 慣(J Jj - (N .cm)式中:J -參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量(N.cm.s2);Ji-工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量(N.cm.s2)。若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量Ji為:G1 2 ei g式中：Jc-工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量(N.cm.s2):

39、Gi-工件的重量(N);e -工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm),-手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s);t-起動過程所需的時間(s);起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏M 偏 Gc +Gse3 ( N cm)式中：G3 -手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N);e3 -手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則GG 0.3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩M封M封f(Rad2 RBdJ(N cm)2式中:di ，d2-轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm);f -摩擦系數(shù)，對于滾動軸承f 0.01，對于滑動軸承f 0.1 ；RA ,RB -

40、處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解，根據(jù) MA(F)0,得：RB l G3I3 G2I2 G1IG1I1 G22 G3l 3RBl同理，根據(jù) MB(F) 0得:R G(l h) G2(l l2)G3(l l3)式中:G2-的重量(N)l,l1,l2,l3,如圖4-1所示的長度尺寸(cm).4、轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.

41、當(dāng)壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動力矩M的關(guān)系為:pb(R2 r2)22M22b(R r )若低于圖4-2回轉(zhuǎn)氣缸簡圖式中：M 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩（N cm ）P回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力（N cm ）R缸體內(nèi)壁半徑（cm）r -輸出軸半徑（cm）b-動片寬度（cm）上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓力為零的情況下而言 壓腔有一定的背壓，則上式中的p應(yīng)代以工作壓力pl與背壓p2之差 4.2.3手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核1尺寸設(shè)計氣缸長度設(shè)計為b 100mm,氣缸內(nèi)徑為D!=96mm,半徑R 48mm,軸徑工件

42、的質(zhì)量為5 kg，質(zhì)量分布于長l100mm的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量ml2D2 26mm D2 =26mm,半徑R 13mm,氣缸運行角速度=90 /s，加速度時間t=0.1s, 壓強 P 0.4MPa,則力矩2 2M Pb(R r)26220.4 100.1(0.0480.026 )232.6( N.m)2尺寸校核1 .測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 m1 10kg ,分析部件的質(zhì)量分布情況,質(zhì)量密度等效分布在一個半徑r 50m m的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量:2m1r210 0.052220.0125 ( kg.m )120.0042(kg.m2)假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長l 100mm的棒

43、料來說，最大偏心距e150mm ,其轉(zhuǎn)動慣量為：J Jc mi20.0042 5 0.0520.0167(kgm2)M 慣(J Ji) t51290 (0.01250.0167)一0.126.3(N.m)2、 手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn) 動件重心與轉(zhuǎn)動軸線重合，U 0，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線 e3 50mm ,則M 偏 Giei + G3e310 10 05 10 0.052.5( N.m)3、 手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 M摩，對于滾動軸承f 0.01，對于滑 動軸承f =0.1， d1 ，d2為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，d1 30mm

44、, d? 20mm, RA , RB為軸頸處的支承反力，粗略估計 RA 300N ,RB 150N ,M 摩一(RAd2 RBd1)20.01(300 0.02 150 0.03)20.05( N.m)4 回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 M封，與選用 的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計 M封為M摩的3 倍，M封 3 M摩3 0.050.15(N.m)M驅(qū) M慣 M偏 M摩 M封26.3 2.5 0.05 0.15 29( N .m)M 驅(qū) M設(shè)計尺寸符合使用要求，安全第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核

45、5.1.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計 手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種 型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)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 。5.1.2尺寸校核1在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑 D!=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可 ,設(shè)計使用壓強 P 0.4MPa,則驅(qū)動力：F P R20.4 106 3.14 0.031521246(N)1， 測定手腕質(zhì)量為 50kg, 設(shè)計加速度 a 10(m/s) ，則慣性力F1 ma50 10500( N )2.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) k 0.2,Fm

46、 k.F10.2 500100(N)總受力 F0 F1 Fm500 100600(N)F0 F所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求要求。5.1.3.導(dǎo)向裝置氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)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(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計的具 體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)該盡量減少 運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計中才 用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。5.1

47、.4 平衡裝置在本設(shè)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(cè) 重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼， 砝碼塊的質(zhì)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(diào)節(jié)， 務(wù)求 使兩端盡量接近平衡。5.2手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核5.2.1尺寸設(shè)計氣缸運行長度設(shè)計為 l =118mm, 氣缸內(nèi)徑為 D1=110mm, 半徑R=55mm,氣缸運行速度，加速度時間 t=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅(qū)動力Go p. R2620.4 106 3.14 0.05523799( N )5.2.2尺寸校核1 測定手腕質(zhì)量為 80kg, 則重力G

48、mg80 10800(N)2，設(shè)計加速度 a 5(m/s) ，則慣性力G1 ma80 5400(N)3. 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) k 0.1，Gm k.G10.1 40040(N)總受力Gq G Gi Gm800400401240(N)Gq G0所以設(shè)計尺寸符合實際使用要求。5.3手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核5.3.1尺寸設(shè)計氣缸長度設(shè)計為b 120mm,氣缸內(nèi)徑為D1 210mm,半徑R=105mm,軸徑D2 40mm半徑R 20mm,氣缸運行角速度 =90 / s，加速度時間t 0.5s,壓強 P 0.4MPa,22貝切矩：MPb(R)26220.4 100.12(0.1050

49、.020 )2255(N.m)5.3.2尺寸校核1 .測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 m1120kg，分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑r 200mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量:m1 r2J 22120 0.10220.6 (kg.m )900.60.5108(N.m)考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)k 0.2 ,M摩 k.M慣0.2 1085.4( N .m)總驅(qū)動力矩M驅(qū) M慣 M摩108 5.4113.4( N.m)M M設(shè)計尺寸滿足使用要求。第六章氣動系統(tǒng)設(shè)計6.1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖(見附圖1)附圖1所示為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機

50、(排氣力大于0.4-0.6Mpa )通過快換接頭進入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作序號型號規(guī)格名稱數(shù)量1QF-44手動截止閥12儲氣罐23QSL-26-S1分水濾氣器14QTY-20-S1減壓閥15QIU-20-S1油霧器16YJ-1壓力繼電器17Q24DH-10-S1二位五通電磁滑閥18Q24D2H-10-S1二位五通電磁滑閥49Q24D2H-15-S1二位五通電磁滑閥110單向節(jié)流閥211L1-25單向節(jié)流閥212快速排氣閥213氣液轉(zhuǎn)換器1個執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)速，凡是能采用排氣氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口 安裝節(jié)流阻尼螺釘進行調(diào)速，這

51、種方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單，效果尚好。如手臂伸 縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可加快起動速度，也可調(diào)節(jié)全程上的 速度。升降氣缸采用進氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可以來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器， 這 樣可以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件電磁閥的通徑， 是根據(jù)各工作氣缸的尺寸、 行程、速度計算出所需壓縮空氣 流量，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定。第七章 機械手的 PLC 控制

52、設(shè)計 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(dāng)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。7. 1 可編程序控制器的選擇及工作過程7.1.1可編程序控制器的選擇目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等?？紤]到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮 到制造成本， 因此在本次設(shè)計中選擇了 OMRON 公司的 C28P 型可編程序控制 器。7.1.2可編程序控制器的工作過程 可編程序控

53、制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為 4個階段。 第一階段是初始化處理?？删幊绦蚩刂破鞯妮斎攵俗硬皇侵苯优c主機相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為 I/0 狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器 ;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時，CPU首先使I/O狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當(dāng)確認其硬件工 作正常后，進入下一階段。第二階段是處理輸入信號階段。在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸入端

54、子的狀態(tài)信息送到 I/O 狀態(tài)表中存放。 在同一掃描周期內(nèi)， 各個輸入點的狀態(tài) 在I/O狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。第三階段是程序處理階段。當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進入I/O狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在 這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各I/O狀態(tài)和有關(guān)指令進行運算和處理，最后將結(jié)果寫入 I/O 狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。 第四階段是輸出處理階段。段CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結(jié)果寫入到I/O狀態(tài)表狀態(tài) 暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存

55、電路， 驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進行各種相應(yīng)的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。7.2可編程序控制器的使用步驟在可編程序控制器與被控對象 (機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程 )構(gòu)成一個自動控制系 統(tǒng)時，通常以七個步驟進行 :(1)系統(tǒng)設(shè)計即確定被控對象的動作及動作順序。(2)I/0 分配即確定哪些信號是送到可編程序控制器的，并分配給相應(yīng)的輸入端號;哪些信號是由可編程序控制器送到被控對象的，并分配相應(yīng)的輸出端號 .此外， 對用到的可編程序控制器內(nèi)部的計數(shù)器、定時器等也要進行分配?？删幊绦?控制器是通過編號來識別信號的。(3)畫梯形圖 它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達了系統(tǒng)中全

56、部動作的相互 關(guān)系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT),則畫出梯形圖相當(dāng)于編制出了程序， 可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對簡易編程器，則往往要經(jīng)過下一步 的助記符程序轉(zhuǎn)換過程。(4)助記符機器程序相當(dāng)于微機的助記符程序，是面向機器的 (即不同廠家的可編程序控制器， 助記符指令形式不同 )，用簡易編程器時，應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序，才 能將其輸入到可編程序控制器中。(5)編制程序即檢查程序中每條語法錯誤，若有則修改。這項工作在編程器上進行。(6)調(diào)試程序即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，可以在編程器上修改。 程序設(shè)計 (包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試 )也可在別的工具

57、上進 行。如 IBM-PC 機，只要這個機器配有相應(yīng)的軟件。(7)保存程序調(diào)試通過的程序，可以固化在 EPROM 中或保存在磁盤上備用7.3機械手可編程序控制器控制方案7.3.1系統(tǒng)簡介控制對象為圓柱座標(biāo)氣動機械手。它的手臂具有三個自由度，即水平方 向的伸、縮;豎直方向的上、 下;繞豎直軸的順時針方向旋轉(zhuǎn)及逆時針方向旋轉(zhuǎn)。 另外，其末端執(zhí)行裝置 機械手，還可完成抓、放功能。以上各動作均采用 氣動方式驅(qū)動，即用五個二位五通電磁閥 （每個閥有兩個線圈，對應(yīng)兩個相反 動作 ）分別控制五個氣缸，使機械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機械手抓放 動作。其中旋轉(zhuǎn)運動用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運

58、動。這樣，可用PLC的8個輸出端與電磁閥的8個線圈相連，通過編程，使電磁閥 各線圈按一定序列激勵，從而使機械手按預(yù)先安排的動作序列工作.如果欲改變機械手的動作，不需改變接線，只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即 可。另外，除抓放外，其余六個動作末端均放置一限位開關(guān)，以檢測動作是 否到位，如果某動作沒有到位，則出錯指示燈亮。7.3.2工業(yè)機械手的工作流程此機械手用于自動輸送線的上下料。當(dāng)按下機械手啟動按鈕之后，機械手有如下動作 :先右轉(zhuǎn)至右限位開關(guān)動作（1DT通電）下降至下限位開關(guān)（5DT通電）手腕逆時針轉(zhuǎn)動90 （7DT通電）手臂伸長至限位開關(guān)（3DT通電） 檢查有無物品，若有物品，手爪抓緊（

59、9DT通電）手臂收縮至限位開關(guān)（4DT通電）上升至上限位開關(guān)（6DT通電）左轉(zhuǎn)至左限位開關(guān)動作（2DT通電） 手腕順時針轉(zhuǎn)動900 （8DT通電）手臂伸長至最長（3DT通電）手爪松開（IODT通電）延時手臂收縮最短（4DT通電）。至此，一個工作循環(huán)完畢。7.3.3機械手工作時序圖如附圖所示4, 1/0分配（見附圖2）根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點的數(shù)目，選用 OMRON C28P型PC，它有16個輸入點,標(biāo)號為0000-0015; 12 個輸出點，標(biāo)號為0500-0511.輸入輸出啟動0000手臂左轉(zhuǎn)0500停止0001手臂右轉(zhuǎn)0501手爪抓緊0002手臂伸長0502左轉(zhuǎn)限位開關(guān)0003手臂收縮0503右

60、轉(zhuǎn)限位開關(guān)0004手臂上升0504伸長限位開關(guān)0005手臂下降0505收縮限位開關(guān)0006手臂逆轉(zhuǎn)0506上升限位開關(guān)0007手臂順轉(zhuǎn)0507下降限位開關(guān)0008手爪抓緊0508逆轉(zhuǎn)限位開關(guān)0009手爪放松0509順轉(zhuǎn)限位開關(guān)0010物品檢測00115、梯形圖設(shè)計（見附圖 3 ） 根據(jù)機械手的邏輯時序圖及 1/0 分配，畫出控制梯形圖，如附圖所示。由梯形圖 可以看出 :手臂左轉(zhuǎn)的條件：左轉(zhuǎn)不到位（0003為OFF），收縮到位（0006為ON）,上升到位（0007為ON），手腕逆轉(zhuǎn)到位（0009為ON），手爪抓緊（0002為ON）,無右轉(zhuǎn)命令 （0501 為 OFF）.手臂右轉(zhuǎn)的條件：右轉(zhuǎn)不到位