機電一體化專業(yè)-機械設(shè)計與制造專業(yè)大學(xué)設(shè)計

1、機電一體化專業(yè)畢業(yè)論文設(shè)計內(nèi)容：氣動機械手的設(shè)計學(xué)生姓名： _保密學(xué)號： 0903050330學(xué)部（系）：應(yīng)用工程系專業(yè) 年級： 機電一體化-機械設(shè)計與制造指導(dǎo)教師： _黃2010年6月15 日摘要.3第 一 章 前 言1.1機械手概述 .41.2機械手的組成和分類 .41.2.1機 械 手 的 組 成 41.2.2機 械 手 的 分 類 6第二章 機械手的設(shè)計方案2.1機械手的坐標(biāo)型式與自由度 82.2機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 82.3機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 92.4機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 92.5機 械 手 的 驅(qū) 動 方 案 設(shè) 計 92.6機 械 手 的 控 制 方 案 設(shè) 計 9

2、2.7機 械 手 的 主 要 參 數(shù) 92.8機 械 手 的 技 術(shù) 參 數(shù) 列 表 9第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1夾 持 式 手 部 結(jié) 構(gòu) 113.1.1手 指 的 形 狀 和 分 類 1 13.1.2設(shè) 計 時 考 慮 的 幾 個 問 題 143.1.3手 部 夾 緊 氣 缸 的 設(shè) 計 14 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1手 腕 的 自 由 度4.2 算 算 19手腕的驅(qū)動力矩的算 第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計與校核5.1 手 臂 伸 縮 部 分 尺核設(shè)計與 234.2.1手 腕 轉(zhuǎn) 動 時 所 需 的 驅(qū) 動 204.2.2回 轉(zhuǎn) 氣 缸 的 驅(qū) 動 力 矩 22 255.2手

3、臂 升 降 部 分 尺 寸 設(shè) 計 與 校 核 265.2.1尺 寸 設(shè)計 265.2.2尺 寸 校 核 265.3手 臂 回 轉(zhuǎn) 部 分 尺 寸 設(shè) 計 與 校 核 275.3.1尺 寸 設(shè)計 275.3.2尺 寸 校 核 27第 六 章 機 械 手 的 PLC 控 制 設(shè) 計 276.1可編 程 序控 制 器的 選擇 及工 作過程 276.1.1可 編 程 序 控制 器 的選5.1.223尺寸校245.1.3導(dǎo)向裝 255.1.4平衡裝寸設(shè)尺5.1.1核置置擇 276.1.2可 編 程 序 控 制 器 的 工 作 過 程 276.2可 編 程 序 控 制 器 的 使 用 步 驟 23 第

4、七 章 結(jié) 論 24致 謝 25 參考文 獻 26摘要在設(shè)計機械手臂座的時候，我們用兩個電機提供動力。左邊一電機通過諧 波減速器減速后，通過齒輪來控制手臂的回轉(zhuǎn)，而手臂彎曲動作的動力，由右 邊一電機提供。電機 2同樣也是通過諧波減速器減速后，通過一個長軸，把動力 傳到底部的小齒輪上，再由小齒輪與大齒輪的嚙合，把動力傳到那豎直的錐齒 輪上，又通過錐齒輪之間的嚙合，把動力與運動傳遞到橫軸上，這樣，再通過 鍵連接，就能把動力傳到那帶輪上。這樣，帶輪就以一定的速度不停的轉(zhuǎn)，以 給臂關(guān)節(jié)通過同步齒型帶傳遞動力。 在設(shè)計臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)時，我們用兩個同步齒形帶輪來傳遞動力，而帶輪又與軸和 機械式離合器的左半邊相

5、連，這樣，就使軸與左半邊相連的離合器轉(zhuǎn)動。在右 半邊為一電磁制動器，制動器的左半邊與離合器的右半邊相連，而且通過盤與 上臂相連。這時，當(dāng)電磁鐵通電時，制動器吸合，這時離合器也分開。這樣， 上臂就停止在所要求的位置上了。當(dāng)電磁鐵失電時，由于彈簧力的作用，把制 動器推開，同時離合器在彈簧力的作用下自動嚙合，手臂恢復(fù)原有的運動。 注：機械手臂的運動范圍手其結(jié)構(gòu)的限制，在手臂的運動到達結(jié)構(gòu)位置之前， 必須使其自動停止。機械手臂的運動機械位置是有關(guān)節(jié)處牙嵌離合齒上的突起 部分而定。手臂在極限位置自動停止，反向運行的條件完全是靠離合齒上的凸 起部分與滑塊的接觸實現(xiàn)的。為了使離合齒輪能順利的脫開和嚙合，對離

6、合齒 上的凸起部分斜面的升角arctg yv。只有滿足這個條件，離合齒上凸起部 分的斜面與滑塊在滑動時才不會發(fā)生自鎖。這樣手臂才能自動停止和反向動 作！ 此方案在臂關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計上與方案一有所不同。這里設(shè)計成中心軸不轉(zhuǎn)動。 改在同步帶輪處裝兩個軸承。這樣，帶輪可自由轉(zhuǎn)動，而不會影響軸，且把離 合器的左半邊加工在帶輪上，這樣，不僅可以縮小空間，而且可以提高強度。其余與方案一相同第一章前言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、

7、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?lián)Q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

8、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

9、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。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?？刂葡到y(tǒng)一亜動索統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)*i位置檢測馥置一_機械手組成方框圖:1-1（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，

10、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。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。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

11、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

12、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(yuǎn)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。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

13、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)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。（ 二 ） 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?？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

14、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。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、下料機械手和加工中心。2

15、、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。在性能范圍內(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，伺服型可以是點位的，也可以實現(xiàn)連 續(xù)控制，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(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

16、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(yán) 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(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(yán)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

17、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

18、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。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，

19、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，勞動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。也可用于操作環(huán)境惡劣的生產(chǎn)場合。2.1機械手的坐標(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，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo) 式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由

20、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HR*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(fù)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

21、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。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

22、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 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

23、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。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而 岡性降低。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120mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為-1mm 02.8.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：5kg2、自由度數(shù):4個自由度,X Ir-LJM-卜二-X71j3、坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)4、最大工作半徑：1400 mm5、手臂最大中心高：1

24、250mm6、手臂運動參數(shù)：伸縮行程1200 mm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90 7 s7、手腕運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍0丄180，回轉(zhuǎn)速度90 7 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:機械手臂剖視圖圖2-6第二章在手部結(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)， 當(dāng)工件是棒料時，使用夾持式手部：如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式 結(jié)構(gòu)，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

25、） 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 H J W 疋 EP-4P-4 Vurl*Vurl* HruHru 川亡 MJSII I I LdLEULdLEU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

26、手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉(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，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

27、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

28、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齒輪齒條式手部其工件重量G=5公斤，V形手指的角度2二=120 , 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2b .p NR(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式N =0.5tg-)= 0.5 5 tg(60 -5 42)= 25(N)所以 p N =245(N)R(3)實際驅(qū)動力：KEP實際一 P -1,因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取=0.94，并取心=1.5。若被抓取工件的最大加速度取a=

29、3g時，則：a “ 旦=4gFiGfGdi4一 D13nGf =Gdi438Di n式中：Gf-彈簧剛度，N/m仁彈簧預(yù)壓縮量，m s-活塞行程，md1-彈簧鋼絲直徑，mD1-彈簧平均直徑，.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(fù)載率的影響，則：F1 十-Ft由以上分析得單向作用氣缸的直徑4(F1 Ft)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得Gf4Gd9_3 479.4 109 (3.5 10 )8D1 n8 (30 10丁 15- Ft - Fz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

30、簧反作用按下式計算：Ft =Gf(1 s)= 3677.46(N /m)Ft =Gf(1 s)=3677.46 60 10= 220.6(N)所以：D = 4(F1 Ft) = 4 (49 22.6)Ynpn* 兀漢 0.5x 16二 65.23( mm)查有關(guān)手冊圓整，得D = 65mm由 d /D =0.2 一0.3,可得活塞桿直徑：d =(0.2 _0.3)D =13 -19.5mm圓整后，取活塞桿直徑d =18mm校核，按公式R/(二/4d2)空匚有:d _(4F1/十)0.5其中，二=120MPa，R = 750N則:d _(4 490/二 120)05=2.28 _18滿足實際設(shè)計

31、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。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑 之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算：:=DPp/2；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)?。?= 7.5mm，則缸筒外徑為：Dr = 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)

32、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，并且要求嚴(yán)格的密封。4. 2手腕的驅(qū)動力矩的計算4.2.1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，

33、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。1.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、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩（N cm）.,。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

34、 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）Lt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.cms2）。Ji-工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量（N.cms2）。若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量Ji為：,G1 2J1 = J ceig式中：Jc-工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量（N.cm.s2）:G1-工件的重量（N）。ei -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

35、（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扁M偏二 Ge + G3Q （ 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Ge1=0.3、 手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M封M封f （RAd2 RBd1）（ N cm）2式中：d1 ， 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 -處的支承反力（N），可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解,GihG2* IG3I 32 2pb(R -r )2

36、Mb(R2 _r2)RBI G3I3 = G2I2 Gil同理，根據(jù) M B(F) =0,得:c Gi(lli)G2(l I2) G3(l3)回轉(zhuǎn)Fig.4-2Fig.4-2 SketchSketch ofof RoutingRouting GasGas VatVat式中；M回轉(zhuǎn)氣虹的驅(qū)朋力拒bfcn)irr_回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力(Wcro),R缸體內(nèi)壁羋徑(cm)fr -輸出軸半徑(cm)ib動片寬度(cm),上述鑒動力拒和壓力的黃系式是對于低壓舵背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應(yīng)代以工柞壓力h與背壓Pz之差。第五章 手臂仲縮、升降、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核5.1手臂

37、伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核5.1.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計手臂伸縮氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看各種型號的結(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CT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 D1=63mm半徑R=31.5mr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 二R2= 0.4 106 3.14 0.03152= 1246(N)測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計加速度a=10(m/s)，則慣性力F1 = ma=50 10-500(N)2.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) k =0.2,Fm 二 k.

38、R-0.2 500=100(N)二總受力F0 =片+Fm-500100-600(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。5.1.4

39、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Di=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G0 = p.iR2-0.4 1063.14 0.0552=3799(N)5.2.2尺寸校核1 測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力G = mg=80 10= 800(

40、N)1,設(shè)計加速度a =5(m/s)，則慣性力G1 二 ma=80 5-400(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.G= 0.1 400= 40(N)二總受力 Gq =G + G1 +Gm= 800400 40=1240(N)Gq ： G0所以設(shè)計尺寸符合實際使用要求布情況，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: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D 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

41、=0.5s,壓強 P 二 0.4MPa ,22貝山矩：Mb（R 一）26 2 20.4 100.12(0.105 -0.020 )- 2= 255(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 m1 = 120kg,分析部件的質(zhì)量分2m1r22120 0.102二 0.6 ( kg.m2)90 0.5-108(N.m)考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)k =0.2,M摩=k.M慣 =0.2 108=5.( N .m)總驅(qū)動力矩M驅(qū)-M慣 M摩= 108 5.4= 113.4(N.m)M驅(qū)M設(shè)計尺寸滿足使用要求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)暫存器也稱為壬

42、k卞I狀態(tài)表態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器暫存器件工作正常后，進第二階段開機時，I 進入下一階 !是處理輸入信號階子的狀 態(tài)在 因此不態(tài)信息送到O,放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)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。右込込論I賓甘 沖，可編程序控制器對用皿序進行 孑令進行運算和處理，最后將結(jié)果寫入這個階段 和有關(guān)扌 中。第四階段是輸出處理階次掃描，并根據(jù)各第六章 機械手的PLC空制設(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。6

43、. 1可編程序控制器的選擇及工作過程6.1.1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OMRO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司的C28P型可編程序控制器。6.1.2采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為 第一階段是初始化處理。上眼徳一| k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

44、環(huán)的掃描周期。6.2機械手可編程序控制器控制方案第七章 結(jié)論1、本次設(shè)計的是氣動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由 度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。2、采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較 小，不會污染環(huán)境。同時成本低廉。3、通過對氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度， 節(jié)省了大量時間和避免了不必要的重復(fù)勞動，同時做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。4、機械手采用PLC空制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定 PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù) 機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強。參考文獻：1張建民.工業(yè)機器人 .北京:北京理工大學(xué)出版社， 20072蔡自興.機器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略 .機器人技術(shù)， 20033金茂青，曲忠萍，張桂華 . 國外工業(yè)機器人發(fā)展勢態(tài)分