FMC物料搬運機械手設(shè)計

1、 摘 要 本課題是為完成車間搬運工作而設(shè)計的搬運機械手。機械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。本課題的機械手是采用氣壓傳動裝置，PLC控制機械手，它的基本作用是從指定位置抓取工件運送到另一個指定的位置。主要完成的是氣壓傳動式機械手臂的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計，以及用PLC軟件進行簡單的控制編程設(shè)計，使機械手具備手爪張合、手部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂回轉(zhuǎn)、手臂升降5個主要運動。機械手分別采用了兩個直線氣缸，一個擺動氣缸和滾珠絲杠來

2、實現(xiàn)以上5個運動。對于機械手準確、高效的工作是當今生產(chǎn)上一個具有很現(xiàn)實意義的課題，于是利用步進電機滾珠絲杠來控制機械手的手臂升降運動，達到了定位精度較高的效果。關(guān)鍵詞：機械手；PLC(可編程控制器)；步進電機；滾珠絲杠副ABSTRACT The issue is supporting the workshop designed carrying manipulator. Industrial machinery hand is the inevitable product of industrial production, which is a part of imitating human

3、upper limb function, scheduled in accordance with the requirements of transportation tools. Hold the workpiece or the operation of automation technology equipment, the realization of industrial automation, and promote the further development of industrial production plays an important role. Hence, i

4、t has strong vitality by the extensive attention of the people and welcome.This subject is adopted pneumatic transmission device robot manipulator, PLC control, basic function of it from the designated position grab workpiece to another location. The main type of mechanical arm pneumatic transmissio

5、n is the structure design, and the use of PLC control software programming design, make robots have hand piece; hand again; arm expansion; turning arm; arm movements of five main movement.Robots are used for the two straight cylinder, a swing cylinder and ball screw to achieve the above five movemen

6、t. For manipulator is accurate and efficient work today in a production of practical significance, and using the step-motor ball screw to control the movement of the manipulator arm positioning accuracy, high effect.Key words: manipulator； Programmable Logic Controller；step-motor； ball screw assembl

7、y 目 錄1 緒論- 1 1.1機器人的起源- 1 1.2我國搬運機器人基本情況- 1 1.3國外搬運機械手發(fā)展情況- 2 1.4工業(yè)機器人發(fā)展的趨勢和展望- 3 1.5本章小結(jié)- 52 設(shè)計的總體思想- 6 2.1 機械手預(yù)計達到的目標- 6 2.2 基本結(jié)構(gòu)框架- 6 2.3 本章小結(jié)- 83 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計- 9 3.1手部抓取機構(gòu)的設(shè)計- 9 3.2腕部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計- 14 3.3臂部伸縮機構(gòu)的設(shè)計- 20 3.4手臂升降機構(gòu)的設(shè)計- 22 3.5機身旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計- 29 3.6本章小結(jié)- 334 氣壓系統(tǒng)的設(shè)計- 34 4.1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理- 34 4.2 氣動元件的選擇-

8、 34 4.3 本章小結(jié)- 355 PLC控制機械手設(shè)計- 36 5.1可編程序控制器的選擇及工作過程- 36 5.2可編程序控制器的使用步驟- 37 5.3機械手可編程序控制器控制方案- 37 5.4本章小結(jié)- 50結(jié)束語- 51參考文獻- 52致謝- 531 緒論1.1機器人的起源機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人的問世都是近幾十年的事。然而人們對機器人的幻想與追求卻已有3000多年的歷史。人類希望制造一種像人一樣的機器，以便代替人類完成各種工作。機器人的誕生先后經(jīng)歷了從古代的神話幻想到此后數(shù)千年的艱苦探索、設(shè)計和試驗的漫長道路。自古以來，幻想就是人類創(chuàng)造力的源泉，從人類最早的發(fā)明到

9、當今的人間奇跡無一不是如此。人們在辛苦的勞動生產(chǎn)中渴望著有“人”來幫助自己戰(zhàn)勝困難、創(chuàng)造幸福。西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機器人；春秋后期，我國著名的木匠魯班，在機械方面也是一位發(fā)明家，據(jù)墨經(jīng)記載，他曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”，體現(xiàn)了我國勞動人民的聰明智慧；公元前2世紀，亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機器人自動機。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像，它可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌；1800年前的漢代，大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而且發(fā)明了計里鼓車。計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下；后漢三國時期，

10、蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。其實，在幾百年甚至幾千年以前，人類就制造出了許多可以幫助自己工作的“機器人”，只是還不成熟，僅僅是一個“雛形”。所以說，機器人發(fā)展的起源，是因為人們?yōu)榱烁佑行实模庸?jié)約人力的進行生產(chǎn)。而人類豐富的想象力和智慧造就了今日的“機器人”。1.2我國搬運機器人基本情況我國的工業(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

11、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)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應(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)

12、，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)運用方面則剛剛起步，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)

13、品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中1。搬運作業(yè)在現(xiàn)代企業(yè)的物流管理中占有重要地位。近幾年來隨著物流業(yè)的發(fā)展，特別是自動倉庫的出現(xiàn)，加速了搬運機器人的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。我國在“七五”、“八五”期間已有許多單位研制出搬運碼垛機器人，如上海大學(xué)研制的用于銀行金庫的直角坐標型碼垛搬運機器人，哈工大研制的堆垛機器人。物料搬運機器人的操作和使用推廣屬于自動化技術(shù)中增值最快的領(lǐng)域之一。在帶有微型機電一體化元件的小型盤、套、罩形零部件的自動化封裝運送中, 借助于物料搬運機器人的圖像識別技術(shù)和復(fù)雜的編程技術(shù), 物料搬運機器人可以完成迄今為止人力所無法完成的艱巨任務(wù)?，F(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性

14、制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。1.3國外搬運機械手發(fā)展情況現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)生。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國機械鑄造公司在上述工件抓放機構(gòu)方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少

15、球坐標式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)

16、構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學(xué)和

17、國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機器人在工作2。1.4工業(yè)機器人發(fā)展的趨勢和展望工業(yè)機器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實踐證明，它在提高生產(chǎn)自動化水平、提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量

18、提高經(jīng)濟效益、改善工人勞動條件等方面，有著令世人矚目的作用，引起了世界各國和社會各層人士的廣泛興趣。在新的世紀，機器人工業(yè)必將得到更加快速的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。從近幾年世界機器人推出的產(chǎn)品來看，未來工業(yè)機器人具有如下的發(fā)展趨勢： (1) 高智能化未來工業(yè)機器人與今天的相比最突出的差異在于其具有更高的智能。隨計算機技術(shù)、模糊控制技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能工程技術(shù)等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，必將大大提高工業(yè)機器人學(xué)習(xí)知識和運用知識解決問題的能力，并具有視覺、聽覺、感覺等功能，能感知環(huán)境的變化，做出相應(yīng)反應(yīng)，有很高的自適應(yīng)能力，幾乎能象人一樣去干更多的工作。 (2) 結(jié)構(gòu)一體化工業(yè)機器人

19、的本體采用桿臂結(jié)構(gòu)或細長臂軸向式腕關(guān)節(jié)，并與關(guān)節(jié)機構(gòu)、電動機、減速器、編碼器等有機結(jié)合，全部電、管、線不外露，形成十分完整的防塵、防漏、防暴、防水全封閉的一體化結(jié)構(gòu)。 (3) 組件、構(gòu)件通用化標準化和模塊化工業(yè)機器人是一種高科技產(chǎn)品，其制造、使用維護成本較高，操作機和控制器采用通用元器件，讓機器人組件、構(gòu)件實現(xiàn)標準化、模塊化是降低成本的重要途徑之一。大力制訂和推廣“三化”，將使工業(yè)機器人產(chǎn)品更能適應(yīng)國際市場價格競爭的環(huán)境。 (4) 高精度 高可靠性隨著人類對產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高的發(fā)展趨勢，對從事制造業(yè)的工業(yè)機器人的要求也相應(yīng)提高，開發(fā)高精度、高可靠性工業(yè)機器人是必然的發(fā)展結(jié)果。采用最新

20、交流伺服電動機或DD電動機直接驅(qū)動，以進一步改善機器人的動態(tài)特性，提高可靠性采用64位數(shù)字伺服驅(qū)動單元和主機采用32位以上CPU控制，不僅可使工業(yè)機器人精度大為提高，也可以提高插補運算和坐標變換的速度。目前，工業(yè)機器人的應(yīng)用主要還是集中在焊接、裝配、工件搬運、機床上下料和噴漆(涂)等作業(yè)領(lǐng)域，對于去毛刺，鑄件清理、切削加工和拋光等很有應(yīng)用潛力的這些作業(yè)，工業(yè)機器人的應(yīng)用數(shù)量目前還較少，主要原因是尚缺少合適的傳感器，阻礙了工業(yè)機器人在這些領(lǐng)域里的迅速增長。同樣，對于目前應(yīng)用量較大的弧焊和裝配機器人，進一步擴大應(yīng)用也需要有傳感器技術(shù)的支持。如進行弧焊作業(yè)時，傳感器用來識別和跟蹤焊縫，進行零件裝配時

21、，工業(yè)機器人需采用裝有測力傳感器和柔性手爪，用于識別零件及其位置的圖象處理系統(tǒng)等。顯然，傳感器系統(tǒng)的進一步開發(fā)和完善、控制系統(tǒng)和驅(qū)動技術(shù)的進一步改進，對擴大工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍和保證其作業(yè)質(zhì)量越來越具有重要意義。新的加工工藝的開發(fā)和改進(如激光加工)，為工業(yè)機器人開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，應(yīng)用裝有CO 激光器的工業(yè)機器人進行激光焊接和切割等3。另外，工業(yè)機器人在其它一些領(lǐng)域用于代替人的工作或從事人們所難以完成的一些工作也有一定的潛在市場。例如，采用工業(yè)機器人在海洋進行深水作業(yè)。值得提及的是，近幾年來采用工業(yè)機器人在超凈環(huán)境里制造高性能高集成度電路芯片已引起人們的重視。隨著工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)智能化，

22、工業(yè)機器人將從工業(yè)應(yīng)用擴大到生活服務(wù)應(yīng)用。據(jù)報道，美國一家從事生活服務(wù)的企業(yè)打算采用工業(yè)機器人進行清潔打掃工作，以便在大企業(yè)里代替人的勞動。目前，在北美一些醫(yī)院里，已開始應(yīng)用機器人來自動送食品或藥物。不斷提高工業(yè)機器人的性能，重視系統(tǒng)配套，同時努力降低成本，這是進一步擴大工業(yè)機器人應(yīng)用的幾個重要條件。鑒于目前大量應(yīng)用工業(yè)機器人的主要是一些大型企業(yè)，為在中小企業(yè)里推廣應(yīng)用工業(yè)機器人， 一些制造廠提出了低成本自動化(LowcostAutomation)策略，以便為中小企業(yè)提供一種具有一定專用性和價格特別合適的工業(yè)機器人系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，在21世紀中，隨著柔性自動化技術(shù)的進一步發(fā)展，各企業(yè)對工業(yè)機器人

23、的需求將會有較大幅度的增長4。綜上所述，工業(yè)機器人是典型的機電一體化高科技產(chǎn)品。自從20世紀50年代美國制造第一臺機器人以來，工業(yè)機器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，它對于提高生產(chǎn)自動化水平、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動條件等方面的作用日益顯著。工業(yè)機器人代替人力勞動是必然的發(fā)展趨勢。和計算機技術(shù)一樣，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用，正在日益改變著人類的生產(chǎn)方式和生活方式。機器人工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。隨著工業(yè)機器人在今后不斷的向智能化發(fā)展，工業(yè)機器人必定會走向一個更加繁榮的時代。1.5本章小結(jié)本章介紹了機器人的起源，國內(nèi)外搬運機器人的基本情況以及工業(yè)機器人發(fā)展的趨勢和展望。2 設(shè)計的

24、總體思想2.1 機械手預(yù)計達到的目標采用氣壓傳動裝置，PLC控制機械手，它的基本作用是從指定位置抓取工件運送到另一個指定的位置。主要完成機械手結(jié)構(gòu)方面設(shè)計以及用PLC軟件進行簡單的控制編程設(shè)計，使機械手具備手爪張合、手部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂回轉(zhuǎn)、手臂升降5個主要運動。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。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，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系

25、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5。（如圖2-1所示）圖2-1 機械手系統(tǒng)控制圖2.2 基本結(jié)構(gòu)框架2.2.1機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可以分為以下4種： (1)直角坐標型機械手；(2)圓柱坐標型機械手；(3)球坐標(極坐標)型機械手；(4)多關(guān)節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標型6。2.2.2機械手執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計本機械手機械系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)主要由以下部分組成： （1） 手部，采用一個直線氣壓缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手爪的張合，采用夾持式手部。抓重：，棒料直徑：。 （2） 腕部，

26、采用一個擺動氣缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)范圍：，回轉(zhuǎn)速度： （3） 臂部，采用直線氣缸來實現(xiàn)手臂平動。伸縮行程：，伸縮速度：。 （4） 機身，采用電機驅(qū)動實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。升降行程：，回轉(zhuǎn)范圍：，回轉(zhuǎn)速度: 2.2.3驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)機械手的重要組成部分,工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。工業(yè)機械手的驅(qū)動大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用氣壓驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、控制方便，無污染等優(yōu)點。因此，本設(shè)計機械手的手爪張合、手部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮運動均采用氣壓傳動驅(qū)動系統(tǒng)。此外，機械手的手臂升降、手臂回轉(zhuǎn)運動采用電機驅(qū)動系統(tǒng)7。2.2.4控制系統(tǒng)的選擇本機械

27、手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（初定三菱的PLC裝置），根據(jù)機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。預(yù)定工作流程如圖2-2所示。支座右轉(zhuǎn)手臂下降手臂伸長手爪夾緊手臂縮回手臂上升手臂下降支座左轉(zhuǎn)手部左轉(zhuǎn)手爪放松手部右轉(zhuǎn)手臂上升圖2-2 機械手循環(huán)動作流程圖2.3 本章小結(jié)本章介紹了本課題的總體方案設(shè)計分別采用了兩個直線氣缸，一個擺動氣缸，滾珠絲杠和減速電機來實現(xiàn)機械手具備手爪張合、手部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂回轉(zhuǎn)、手臂升降5個主要運動。驅(qū)動系統(tǒng)選擇氣壓傳動與電動驅(qū)動系統(tǒng)；控制系統(tǒng)選擇可編程序控制器(PLC)。另附機械手的技術(shù)參數(shù)。3 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計3

28、.1 手部抓取機構(gòu)的設(shè)計3.1.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求手部處于腕部的最前端，工作時運動變化頻率高，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個機械手的結(jié)構(gòu)，定位精度，運動速度等性能。因此，在設(shè)計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。故采用如圖3-1所示單活塞桿伸出，活塞式氣缸，該結(jié)構(gòu)較為簡單制造方便8。3.1.2 抓取裝置原理如圖3-1所示，氣缸右腔進氣時，產(chǎn)生壓力夾緊工件，氣缸右腔停止進氣時彈簧伸展松開工件。圖3-1 手爪受力圖3.1.3 手部抓取氣缸的設(shè)計 （1）已知工件質(zhì)量 （2）受力分析計算手指握力 （3-1） 活塞桿拉力 (3-2） 右腔推力 (3-3)輸出力 (3-4)設(shè)彈簧加緊狀態(tài)彈力為:=

29、50N （3）缸徑計算（參考機械設(shè)計手冊氣壓傳動單行本22-114）可得缸徑： =51.7mm (3-5)取D=55mm則 （4）壁厚的計算 （3-6）則按照公式算出的壁厚較薄，設(shè)計過程中按工藝要求取檢驗，故滿足要求。（參照機械設(shè)計手冊氣壓傳動單行本22-115） （5）活塞桿的計算 （3-7）根據(jù)實際情況，取檢驗滿足條件 （6）活塞桿行程的計算 （3-8） 手爪張開的角度 活塞桿的位移量 （3-9）故查有關(guān)手冊圓整為 （7）彈簧的設(shè)計計算I材料的選擇根據(jù)工作條件選擇油淬火回火高疲勞級鋼絲V-DCrV-A(50CrVA)查得材料切變模量G=79MPa，（參考機械設(shè)計手冊袖珍第三版，表21-11

30、）初設(shè)d=2mm參考機械設(shè)計手冊袖珍第三版表21-13得抗拉強度根據(jù)表21-15按I類負荷取許用應(yīng)力II材料直徑計算鋼絲直徑d按旋繞比： （3-10）由圖21-3得， （3-11）則取d=2mm（表21-4），根據(jù)GB/T 1358的系列值，并與假定值相符。III彈簧所需的剛度圈數(shù)彈簧所需剛度 （3-12）有效圈數(shù)： （3-13）取，取支撐圈則總?cè)?shù)圈校核， （3-14）與所需剛度k=2.5N/mm相符，則滿足條件。IV高度的確定自由高度（查表21-8） （3-15）則夾緊狀態(tài)時高度V彈簧疲勞強度校核根據(jù)， （3-16）因此， （3-17）所以符合條件。（參考機械設(shè)計手冊袖珍第三版P1134安

31、全系數(shù)取值）3.1.4 氣壓回路設(shè)計1氣源設(shè)備 2減壓閥 3壓力表 4消音器 5二位三通電磁換向閥 6單向節(jié)流閥 7單作用氣缸圖3-2 手部抓取氣缸氣壓原理圖工作方式：手爪電磁閥失電，氣缸右腔進氣，產(chǎn)生壓力夾緊工件；手爪電磁閥得電，氣缸右腔停止進氣，彈簧伸展松開工件。 （1）手部右腔工作壓力計算 （3-18） （2）手部右腔流量活塞移動速度為60mm/s則， （3-19）3.2 腕部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計3.2.1 腕部設(shè)計要求腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部的轉(zhuǎn)動主要是用來改變被夾物體的方位。本課題腕部需有一個回轉(zhuǎn)自由度，則可采用一個擺動氣缸來實現(xiàn)該自由度9。要求：回轉(zhuǎn)范圍： 回轉(zhuǎn)速度：3.2.2

32、手腕的驅(qū)動力矩的計算驅(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)生的慣性負載轉(zhuǎn)矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處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10。圖3-3所示為手腕回轉(zhuǎn)示意圖。 1.工件2.手部3.手腕 圖3-3手碗回轉(zhuǎn)示意圖手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算: （3-20）式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩()；- 慣性負載轉(zhuǎn)矩()；- 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()；-手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩；下面以圖3-3所示，分析各阻力矩的計算： (1)手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性負載轉(zhuǎn)矩若手腕起動過程按

33、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，則: （3-21）式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量；- 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為: （3-22）式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量：- 工件的重量(N)；- 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(m),- 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s)；- 起動過程所需的時間(s)； 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。估算抓取部分結(jié)構(gòu)部件總質(zhì)量約為6kg，根據(jù)特殊情況將抓取部分等效成半徑約為60mm的圓柱體，則有已知工件質(zhì)量為5kg，半徑R=40mm，高h=100mm的圓柱體，抓取位置為工件h/2處，

34、且工件中心過轉(zhuǎn)動軸線，則有 （3-23）（公式參考袖珍版機械設(shè)計師手冊表2-12）已知手腕轉(zhuǎn)動時角速度為90°/s，加減速時間為0.1s，則帶入公式3-19，得 (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 +() （3-24）式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N)；- 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)。當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則。通過質(zhì)量特性估算測得重心坐標，得出則有， + (3)手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩的計算查機械設(shè)計課程設(shè)計手冊深溝球軸承的摩擦系數(shù)為取。令氣缸軸的半徑 則有， 綜上， 3.2.3 擺動氣缸的選擇 根據(jù)驅(qū)動力矩選擇合適的擺動氣缸

35、，選定型號為DSM-25-270-P-CC。表3-4氣缸型號圖3-5 轉(zhuǎn)動慣量與時間T的關(guān)系 表3-6 基本尺寸 主要技術(shù)尺寸缸徑，氣缸輸出效率為。3.2.4氣壓回路設(shè)計1氣源設(shè)備 2減壓閥3 壓力表4消聲器5消聲器 6三位五通電磁換向閥 7單向節(jié)流閥8擺動氣缸9節(jié)流調(diào)速閥圖3-7 手部回轉(zhuǎn)氣缸氣壓原理圖工作方式：手部電磁閥（左邊）得電，電磁閥（右邊）失電，氣缸左腔進氣，手部右轉(zhuǎn)；手部電磁閥（右邊）得電，電磁閥（左邊）失電，氣缸右腔進氣，手部左轉(zhuǎn)。 （1）計算工作壓力 （3-25）活塞平均線速度 （3-26） （2）流量的計算 （3-27） 3.3 臂部伸縮機構(gòu)的設(shè)計3.3.1 手臂伸縮機構(gòu)的

36、設(shè)計 手臂的設(shè)計要求 （1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求 （2）根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料。 （3）盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應(yīng)速度。 （4）要設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度11。本設(shè)計手臂伸縮通過采用一個直線氣缸來實現(xiàn)該運動。已知氣缸最大行程500mm，氣缸型號定為163394 DNC-30-500-PPV。使用行程為L=450mm，缸徑為D=30mm，活塞桿直徑為d=15

37、mm。3.3.2 相關(guān)參數(shù)的計算 （1）摩擦力的計算考慮活塞等的摩擦力，查機械設(shè)計課程設(shè)計手冊表1-10定摩擦系數(shù)。（鋼與鋼）利用質(zhì)量特性估算出腕部與抓取部分的總質(zhì)量為。則， （3-28） （2）慣性力的計算已知則， （3-29）總受力 （3-30） （3）左腔工作壓力的計算 （3-31） （4）左腔流量的計算勻速時活塞移動速度為，則 （3-32） （5）右腔工作壓力的計算 （3-33）則控制壓力位0.212MPa。 （6）右腔流量的計算 （3-34） 3.3.3 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

38、手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，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12。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)計中才用雙導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。3.3.4 氣壓回路設(shè)計 1氣源設(shè)備 2減壓閥3壓力表4消聲器5三位五通電磁換向閥6單向節(jié)流閥7擺動氣缸圖3-8 臂部伸縮氣壓原理圖工作方式：手臂電磁閥（左邊）得電，電磁閥（右邊）失電，氣缸左腔進氣，手臂伸長；手臂電磁閥（右邊）得電，電磁閥（左邊）失電，氣缸右腔進氣，手臂縮回。3.4 手臂升降機構(gòu)的設(shè)計本機械手采用滾珠絲杠副來控制手臂的升降運動。3.4.1工作要求工作部件質(zhì)量約（

39、利用質(zhì)量特性估算得工作部件質(zhì)量包含工件），上下行程為,進給最大速度為,重復(fù)定位精度，最小進給，壽命，電機轉(zhuǎn)速為。3.4.2滾珠螺母結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計選擇根據(jù)本題的工作情況及要求選擇內(nèi)循環(huán)浮動式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副截面形狀為雙圓弧形13。 （1）內(nèi)循環(huán)浮動式結(jié)構(gòu)特點：滾珠循環(huán)鏈較短，反向靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，使用可靠，工作壽命長，螺母配合外徑較小，扁圓形反相器螺母螺母軸向尺寸較短。使用場合：適用于各種高精度，高靈敏，高剛度的進給定位系統(tǒng)。（2）墊片預(yù)緊結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)簡單，軸向剛性好，預(yù)緊可靠，不可調(diào)整，軸向尺寸適中，工藝性好。使用場合：廣泛用于高速或重載場合 （3）雙圓弧形 特點：傳動效率、承

40、載能力和軸向剛度比較穩(wěn)定，成型較復(fù)雜。3.4.3滾珠絲桿副主要參數(shù)、型號及絲桿軸向承載能力計算 （1）初步計算導(dǎo)程在本課題的設(shè)計中，我直接把步進電動機通過聯(lián)軸節(jié)與絲杠直接連接，即I=1。工作手臂快速升降的最高速度要求達到。取電動機的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的最高轉(zhuǎn)速也應(yīng)該為。那么絲杠的基本導(dǎo)程： （3-35）初選 （2）計算平均軸向載荷根據(jù)條件絲杠的最大軸向載荷即為工作時手臂重力（已算工件重力）加摩擦力；已知手臂重力為 ，螺母副間摩擦力及導(dǎo)柱與手臂間的摩擦力通過查機械設(shè)計課程設(shè)計手冊表1-10，可知鋼與鋼材料之間的摩擦系數(shù)為0.1（無潤滑）深溝球軸承的摩擦系數(shù)為0.003，則估算。絲杠最大軸向載荷 （

41、3-36）絲杠工作時最小軸向載荷即最大工作載荷減去工件重力，已知工件重力為50N絲杠最小軸向載荷 （3-37）根據(jù)機械設(shè)計師手冊袖珍第三版所查公式計算得 (3-38) （3）計算平均轉(zhuǎn)速機械手工作時升降速度基本保持不變，故升降時平均速度估算為最大速度=300r/min。 （4）計算載荷 （3-39）查機械設(shè)計師手冊袖珍第三版得： （5）工作壽命根據(jù)設(shè)計要求定使用壽命。 （6）計算動載荷根據(jù)壽命條件求必須的基本額定動載荷： （3-40）則， （7）靜載荷 （3-41）查機械設(shè)計師手冊袖珍第三版得：查機械設(shè)計師手冊表19-23，選擇型號為FDM4012-7-P3內(nèi)循環(huán)浮動雙螺母墊片預(yù)緊導(dǎo)管埋入式公

42、稱直徑為40mm導(dǎo)程12mm精度等級7級的定位滾動螺旋副滾珠絲桿副。尺寸參數(shù):技術(shù)參數(shù)：滿足設(shè)計要求。3.4.4絲杠支承軸承的選擇 (1)當量動載荷的計算(參考機械設(shè)計機手冊單行本軸承公式6-2-2) 由于本設(shè)計單向推力球軸承受軸向推力較大，而徑向力較小可忽略。則有： （3-42）其中，根據(jù)要求定絲桿長度0.88m，直徑0.04m,密度。考慮到絲桿兩端加工后去除部分材料，故取。 (2)基本額定動載荷的計算（參考機械設(shè)計機手冊單行本軸承公式6-2-1） （3-43） (3)當量靜載荷的計算 （3-44） (4)基本額定靜載荷的計算根據(jù)額定動靜載荷和加工工藝的要求選擇單向推力球軸承51305尺寸參

43、數(shù): 技術(shù)參數(shù): (5)計算軸承的基本額定壽命 （3-45）滿足要求因為絲桿承受徑向力較小，所以采用一對圓錐滾子軸承與一對深溝球軸承來防止絲桿徑向竄動且滿足工藝要求14。3.4.5步進電機的選擇與設(shè)計步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率15。     步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機、傳真機等。     選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力