氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)完整講解

1、氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課 題 名 稱： 氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì) 專 業(yè) 班 級(jí)：13 機(jī)械電子工程 學(xué) 生 姓 名： 鐘 國 森 指 導(dǎo) 教 師：201 年 月氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)目錄468899999911111414191920222323242525262626272727摘要 第一章 前言1.1 機(jī)械手概述 1.2 機(jī)械手的組成和分類1.2.1 機(jī)械手的組成 1.2.2 機(jī)械手的分類 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案2.1 機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 2.6 機(jī)械手

2、的控制方案設(shè)計(jì) 2.7 機(jī)械手的主要參數(shù) 2.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 3.1.1 手指的形狀和分類 3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 手腕的自由度 4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 4.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計(jì)與校核5.1 手臂伸縮部分 尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1.1 尺寸設(shè)計(jì) 5.1.2 尺寸 校核5 .1 .3 導(dǎo)向裝置5 .1 .4 平衡裝置5.2 手臂升降部分 尺寸設(shè)計(jì)與校核5.2.1 尺寸設(shè)計(jì) 5.2.2

3、尺寸 校核5.3 手臂回轉(zhuǎn)部分尺寸設(shè)計(jì) 與校核5.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 5.3.2 尺寸 校核ii氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)第六章 機(jī)械手的 PLC控制設(shè)計(jì) 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 第七章 結(jié)論 24 致謝29 參考文獻(xiàn)30 專業(yè)相關(guān)的資料31iii氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)摘要在設(shè)計(jì)機(jī)械手臂座的時(shí)候，用兩個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力。左邊一電機(jī)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(dòng)作的動(dòng)力， 由右邊一電機(jī) 提供。電機(jī) 2同樣也是通過諧波減速器減速后，通過一個(gè)長

4、軸，把動(dòng)力傳到底部 的小齒輪上， 再由小齒輪與大齒輪的嚙合， 把動(dòng)力傳到那豎直的錐齒輪上， 又通 過錐齒輪之間的嚙合，把動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)傳遞到橫軸上，這樣，再通過鍵連接，就能 把動(dòng)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(dòng)力。在設(shè)計(jì)臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)時(shí)， 我們用兩個(gè)同步齒形帶輪來傳遞動(dòng)力， 而帶輪又與軸 和機(jī)械式離合器的左半邊相連， 這樣，就使軸與左半邊相連的離合器轉(zhuǎn)動(dòng)。 在右 半邊為一電磁制動(dòng)器， 制動(dòng)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(shí)，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，制動(dòng)器吸合，這時(shí)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

5、電時(shí)， 由于彈簧力的作用， 把制動(dòng)器推 開，同時(shí)離合器在彈簧力的作用下自動(dòng)嚙合，手臂恢復(fù)原有的運(yùn)動(dòng)。 注：機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)范圍手其結(jié)構(gòu)的限制， 在手臂的運(yùn)動(dòng)到達(dá)結(jié)構(gòu)位置之前， 必 須使其自動(dòng)停止。機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(dòng)停止， 反向運(yùn)行的條件完全是靠離合齒上的凸起部分 與滑塊的接觸實(shí)現(xiàn)的。 為了使離合齒輪能順利的脫開和嚙合， 對離合齒上的凸起 部分斜面的升角 arctg 。只有滿足這個(gè)條件，離合齒上凸起部分的斜面 與滑塊在滑動(dòng)時(shí)才不會(huì)發(fā)生自鎖。這樣手臂才能自動(dòng)停止和反向動(dòng)作！此方案在臂關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與方案一有所不同。這里設(shè)計(jì)成中心軸不轉(zhuǎn)

6、動(dòng)。改在同步帶輪處裝兩個(gè)軸承。這樣，帶輪可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)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(qiáng)度。 其余與方案一相同。關(guān)鍵詞 ：機(jī)械手臂；極限位置；嚙合；氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)第一章 前言1.1. 工業(yè)機(jī)械手概述工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī) （機(jī)械本體 ） 、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置 構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作 業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)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(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新 換代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、 信息

7、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(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng) 化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合 了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)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(jī)器可長時(shí)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(jī)器的進(jìn)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(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè) 備. 機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作， 按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、 搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被

8、稱為“工業(yè)機(jī)械 手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率 : 可以減輕 勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)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(jìn)行正常的工作， 意義更為重大。因此，在機(jī)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(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用 . 機(jī)械手的 結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬 于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控 制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī) 械手。由于通用機(jī)械手

9、能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，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(jī)械手的組成和分類1.2.1. 機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 驅(qū)動(dòng)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。氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)機(jī)械手組成方框圖 :1-1（ 一 ） 執(zhí)行機(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)形式有

10、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(shí)，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(jī)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(jī)構(gòu)型式較多時(shí)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

11、，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(dòng)手指 去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置 . 工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū) 動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件 （ 如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪 機(jī)構(gòu)等）與驅(qū)動(dòng)源 （如液壓、氣壓或電機(jī)等 ）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng) 和升降 （ 或俯仰）運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立 I 因工作需要，有時(shí) 也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。5、行走機(jī)構(gòu) : 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使

12、用范圍時(shí)，可在機(jī)座 上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、 軌道等行走機(jī)構(gòu)， 以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn) 動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。 驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)6、機(jī)座: 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝 于機(jī)座上 ，故起支撐和連接的作用。（ 一 ） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助 裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支 配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。 目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位 ） 系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制

13、和射流 控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)， 并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息 （ 如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間 ） ， 同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令， 必要時(shí)可對機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān) 視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。（ 二 ） 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。 目前工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)， 并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息 （ 如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí) 間） ，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出

14、指令，必要時(shí)可對機(jī)械手的 動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。1.2.2 . 機(jī)械手的分類工業(yè)機(jī)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(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。（ 一 ） 按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種 :1、專用機(jī)械手 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用 機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)， 適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、 下料機(jī)械手和加工中心。2、通用機(jī)械手 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)

15、械手。在性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。 通用機(jī)械手的工作范圍大、 定位精度高、 通用性強(qiáng)， 適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。 通用機(jī)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(diǎn)位控制，伺服型可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)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(jī)械手屬于數(shù)控類型 。（ 二 ） 按驅(qū)動(dòng)方式分1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是 : 抓重可氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)達(dá)幾百公斤以上、 傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、 動(dòng)作靈敏。

16、但對密封裝置要求嚴(yán)格， 不然油的泄漏對機(jī)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(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通 用性擴(kuò)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(dòng)機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是 : 介 質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)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(jī)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(jìn)行工作。3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械

17、傳動(dòng)機(jī)構(gòu) （如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等 ） 驅(qū)動(dòng)的機(jī) 械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手， 其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。 它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但 結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。4、電力傳動(dòng)機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī) 構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電 機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多， 但有發(fā)展前途。（ 三 ） 按控制方式分1、點(diǎn)位控制 它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位 置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的

18、點(diǎn)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(jī)械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線， 其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的， 整個(gè) 移動(dòng)過程處于控制之下， 可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)， 并且使用范圍廣， 但電氣 控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案對氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾 - 放和搬運(yùn)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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)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

19、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(yùn)時(shí)的受 力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求 ; 盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件， 簡化設(shè)計(jì)制造過程， 兼顧通用性和專用性， 并能實(shí)現(xiàn) 柔性轉(zhuǎn)換和編程控制 . 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動(dòng)上下料機(jī)械手，是一種適合 于成批或中、小批生產(chǎn)的、 可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備， 勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)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

20、坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、 收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為 了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)， 增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)， 從而增加一個(gè)手臂上下擺 動(dòng)的自由度圖 2-1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)2.2 . 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng) 工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部 ; 當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。2.3 . 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。 因此， 手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，

21、實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。2.4 . 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左 右回轉(zhuǎn)和降 ( 或俯仰 )運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱 的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。2.5 . 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。2.6 . 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制 器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變 PLC程序即 可實(shí)現(xiàn)，非常方便

22、快捷。2.7 . 機(jī)械手的主要參數(shù)2.7.1. 機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)， 由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)， 因 此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重， 查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)， 結(jié)合工業(yè)生產(chǎn) 的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為 5公斤2.7.2. 基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度 提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的 主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為 1.0m/ s 。 最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 90 / s 。平均移動(dòng)速度為 0.8m/ s。平均回轉(zhuǎn)速度為60 /s 。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過程的加、減速度存在，用

23、速度一行程 曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c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(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù) 還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略 有走動(dòng)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 剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī) 械手手臂的伸縮行程定為 600mm最, 大工作半徑約為 1400 mm 。手臂升降行程定 為120mm 。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為1mm。10氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)2.8. 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表、用途 :用于自動(dòng)輸送線的上下料、設(shè)計(jì)

24、技術(shù)參數(shù) :1、抓重: 5kg2、自由度數(shù) :4 個(gè)自由度3、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 : 1250 mm6、手臂運(yùn)動(dòng)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 /s7、手腕運(yùn)動(dòng)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(jī)械擋塊等10、定位精度 : 1mm11、驅(qū)動(dòng)方式 : 氣壓傳動(dòng)12、控制方式 :11氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)機(jī)械手臂剖視圖圖 2-612

25、氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部 : 如果有實(shí)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 ）和傳力機(jī)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(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型 （或稱直進(jìn)型 ） ， 其中以二支

26、點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。 當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離 縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指 ; 同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的 手指長度變成無窮長時(shí)，就成為移動(dòng)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(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指 夾持直徑變化的零件時(shí)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(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題（ 一 ） 具有足夠的握力 （ 即夾緊力 ） 在確定手指的握力時(shí)， 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(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)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(gè)極

27、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(jìn)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(dòng)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(dòng)定心。（ 四 ） 具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外， 還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的 慣性力和振動(dòng)的影響， 要求有足夠的強(qiáng)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

28、最小為佳。13氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)(五) 考慮被抓取對象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要， 通過比較， 我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn) 兩指回轉(zhuǎn)型， 由于工件多為圓柱形， 故手指形狀設(shè)計(jì)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(jì)3.1.3.1 、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 本課題氣動(dòng)機(jī)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 2 120 ， 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(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為2bN(2) 根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計(jì)算公式N 0.5tg( )0.5 5 tg(60 5

29、 42 )25(N)所以 p 2b N 245( N )R14氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)(3) 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 :K1K2p實(shí)際 pI, 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取0.94 ，并取 K1 1.5。若被抓取工件的最大加a速度取 a 3g 時(shí)，則 : K2 1 4g1.5 4所以 p實(shí)際 245 1.5 4 1563( N )0.94所以夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為 1563N 。3.1.3.2 、氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。 根據(jù)力平衡原理， 單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為 :F1D 2P4Ft F式中 : F1 - 活塞桿上的推力， N

30、Ft - 彈簧反作用力， NFz - 氣缸工作時(shí)的總阻力， NP - 氣缸工作壓力， Pa 彈簧反作用按下式計(jì)算 :Ft Gf (1 s)GfGd14D13n4Gf =Gd13 8D1 n式中: Gf - 彈簧剛度， N/m1- 彈簧預(yù)壓縮量， m s- 活塞行程， m d1 - 彈簧鋼絲直徑， mD1- 彈簧平均直徑，15氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)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(jì)中，必須考慮負(fù)載率 的影響，則 :2DpF1D pFt4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 GfGd14 79.4 109 (3.5 10

31、3) 48D13n8 (30 10 3)3 153677.46(N /m)Ft Gf (1 s)3677.46 60 10 3220.6(N)所以: D4(F1 Ft) 4 (490 220.6)pn 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 13 19.5mm 圓整后，取活塞桿直徑 d 18mm校核，按公式 F1 /( /4d2) 有: d (4F1/ ) 0.5其中， 120MPa ，F(xiàn)1 750N 則 : d (4 490/ 120)0.52.28 18滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。16氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)3

32、.1.3.3 、缸筒壁厚的設(shè)計(jì)般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之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(jì)算 :DPp /2 式中 :6- 缸筒壁厚， mmD - 氣缸內(nèi)徑， mmPp- 實(shí)驗(yàn)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 5665 6 105 /(2 3 106 )6.5( mm)取 7.5mm ，則缸筒外徑為 : D1 65 7.5 2 80(mm)17氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性， 同時(shí)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(yùn)動(dòng)才可滿足工

33、作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(dú)立的自由度， 以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。 手腕自由度的選用與 機(jī)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(jī)械手抓取的工件是水平放置， 同時(shí)考慮到通用性， 因此給手腕設(shè)一繞 x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(dòng)力矩的計(jì)算4.2.

34、1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、 上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩 必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力 矩，動(dòng)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(dòng)件的中 心與轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)受力狀態(tài)18氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算M驅(qū) M慣 M 偏 M摩 M封式中: M驅(qū)- 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 ( N cm);M慣 - 慣性力矩 ( N cm);M 偏 - 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量 ( 包括工件、手部、

35、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片 ) 對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 ( N cm).,; M封 - 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)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(jì)算 : 1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 M悅?cè)羰滞笃饎?dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)， 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ，起動(dòng)過程所用的 時(shí)間為 t ，則 :M 慣 (J J1) (N.cm) 式中: J - 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (N.cm.s2 ) ;J1- 工件對手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( N.cm.s2 ) 。若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1 為:G1 2J1 Jce

36、12g式中: Jc- 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (N.cm.s2 ) :G1 - 工件的重量 (N);e1 - 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 (cm),- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度 ( 弧度 /s);t - 起動(dòng)過程所需的時(shí)間 (s); 起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度 ( 弧度 )。2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 M偏19氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)M 偏 G1e1 + G3e3 ( N cm)式中: G3 - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量 (N);e3- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 (cm)當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則 G1e1 0.3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M 封M封 f (RA

37、d2 RBd1)( N cm)2式中: d1 ，d2 - 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑 (cm);f - 摩擦系數(shù)，對于滾動(dòng)軸承 f 0.01，對于滑動(dòng)軸承 f 0.1;RA, RB- 處的支承反力 (N) ，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，根據(jù) M(A F) 0, 得:RBl G3l3 G2l2 G1lG1l1 G2l 2 G3l3RB11 2l 2 3 3同理，根據(jù) M B(F) 0, 得:G1(l l1) G2(l l 2) G3(l l 3)RAl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(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 M封，

38、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(dòng)力矩計(jì)算 在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)片 3與回轉(zhuǎn)軸 5固連。動(dòng)片封圈 4把氣腔分 隔成兩個(gè) . 當(dāng)壓縮氣體從孔 a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí) 4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從 b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力 P驅(qū)動(dòng)力矩 M的關(guān)系20氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)為:M22pb(R2 r2 )2或p2M22b(R2 r 2)21氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)第五章 手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1.1 手

39、臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 手臂伸縮氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸， 參看各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 尺寸參數(shù)， 結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)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(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑 D1 =63mm半, 徑 R=31.5mm的氣缸的尺寸 滿足使用要求即可 , 設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) P 0.4MPa ,則驅(qū)動(dòng)力：F P R20.4 106 3.14 0.03152 1246(N)測定手腕質(zhì)量為 50kg,設(shè)計(jì)加速度 a 10( m / s) ，則慣性力F1 ma50 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 k.F10.2 5

40、00100(N)總受力 F0 F1 Fm500 100 600(N)F0 F所以標(biāo)準(zhǔn) CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求要求。22氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)5.1.3. 導(dǎo)向裝置氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物 體重量等因素來確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)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(jì)中才 用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性

41、。5.1.4 平衡裝置在本設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)與校核5.2.1 尺寸設(shè)計(jì)氣缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為 l =118mm氣, 缸內(nèi)徑為 D1 =110mm半, 徑R=55mm氣,缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間 t =0.1s, 壓強(qiáng) p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力2G0 p. R620.4 106 3.14 0.05523799(N)5.2.2 尺寸校核1測定手腕質(zhì)量為 8

42、0kg, 則重力G mg80 10800(N)1，設(shè)計(jì)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 0.1，23氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)Gm k.G10.1 40040(N)總受力 Gq G G1 Gm800 400 401240( N )Gq G0所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸長度設(shè)計(jì)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(yùn)行角速度 =90 / s ，加速度時(shí)間 t 0.5s, 壓強(qiáng) P 0.

43、4MPa ,22則力矩： M pb(R r )20.4 106 0.12(0.1052 0. 020 2 )2255( N.m)5.3.2 尺寸校核1測定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 m1 120kg , 分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 r 200mm 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：2m1r2120 0.10220.6 ( kg.m2 )M 慣 J.t24氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)0.6900.5k 0.2,108(N.m)考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)M 摩 k.M 慣0.2 1085.（4 N.m）總驅(qū)動(dòng)力矩M 驅(qū) M慣 M摩108 5.4113.（4 N.m）M 驅(qū) M設(shè)計(jì)尺寸

44、滿足使用要求25氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)第六章 機(jī)械手的 PLC控制設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性， 同時(shí)使用點(diǎn)位控制， 因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制 . 當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變 PLC程序即可實(shí) 現(xiàn)，非常方便快捷。6. 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OMRON立(石) 公司的 C型、P型 PC等。考慮到本機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡單，同時(shí)考慮到制 造成本，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇了 OMRO公N司的 C

45、28P型可編程序控制器。6.1.2 可編程序控制器的工作過程可編程序控制器是通過執(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(gè)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(jī)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(gè)專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)。 其中存放輸入狀態(tài)信息 的存儲(chǔ)器叫輸入狀態(tài)暫存器 ; 存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存器。 開機(jī)時(shí)， CPU首先使I/0 狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正 常后，進(jìn)入下一階段。

46、第二階段是處理輸入信號(hào)階段。在處理輸入信號(hào)階段， CPU對輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入端子 的狀態(tài)信息送到 I/0 狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài) 在I/0 狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)變化的影響，因 此不能造成運(yùn)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(jìn)入 I/0 狀態(tài)表后， CPU工作進(jìn)入到第三個(gè)階段。在 這個(gè)階段中，可編程序控制器對用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各 I/0 狀態(tài)和 有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果寫入 I/0 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

47、掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到 I/0 狀態(tài)表狀態(tài) 暫存器中。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路， 驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。然后， CPU又返回 執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。26氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)6.2 機(jī)械手可編程序控制器控制方案27氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)第七章 結(jié)論1、本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)通用機(jī)械手，相對于專用機(jī)械手，通用機(jī)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(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。 工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。 阻力損失和泄漏較小， 不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。3、通過對

48、氣壓傳動(dòng)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(shí)間和避免了不必要的重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。4、機(jī)械手采用 PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無論是進(jìn) 行時(shí)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(shí)現(xiàn)。可以根據(jù) 機(jī)械手的動(dòng)作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。28氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)1 張建民. 工業(yè)機(jī)器人 .北京: 北京理工大學(xué)出版社， 2007年2 蔡自興. 機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略 . 機(jī)器人技術(shù)， 2003年3 金茂青，曲忠萍，張桂華 . 國外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展勢態(tài)分析 . 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2005年4 王雄耀. 近代氣動(dòng)機(jī)器人（氣動(dòng)機(jī)械手）的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動(dòng)與密封， 2004年5 嚴(yán)學(xué)高， 孟正大.機(jī)器人原理.南京:東南大學(xué)出版社， 2003年6 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊 . 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2006年7 黃錫愷， 鄭文偉.機(jī)械原理 .北京:人民教育