套類零件自動上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計

1、目錄1. 緒論01.1白動上下料機(jī)構(gòu)概述01.2白動上下料的組成分類及特點02. 1.3白動上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計的意義2總體方案設(shè)計42.1機(jī)械手的基本形式的選擇42.2白動上下料機(jī)構(gòu)方案的擬定52.3 CK6150型數(shù)控車床的主要參數(shù)62.4 驅(qū)動方式的確定73. 2.5機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表9機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計113.1手部的設(shè)計11錯誤!未定義書簽。3.1.2機(jī)械手部的典型結(jié)構(gòu)123.1.3機(jī)械式手爪設(shè)計133.1.4手部驅(qū)動力計算133.2.1臂部設(shè)計的基本要求173.2.2手臂的常用機(jī)構(gòu)174. 3.3機(jī)身設(shè)計22概述223.3.2俯仰與回轉(zhuǎn)機(jī)身的設(shè)計22機(jī)械手的運(yùn)動分析294.1機(jī)械手的運(yùn)

2、動規(guī)劃294.2機(jī)械手的主要部件和運(yùn)動294.2.1機(jī)械手的手爪的運(yùn)動304.2.2機(jī)械手的臂部的運(yùn)動305. 4.3機(jī)械手的整體運(yùn)動分析31氣動控制系統(tǒng)設(shè)計32氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的擬定32錯誤!未定義書簽。5.2機(jī)械手的PLC控制設(shè)計（本設(shè)計中選用S7200PLQ335.2.1機(jī)械手白動上下料過程335.2.2機(jī)械手的PLC控制設(shè)計34圖5.3梯形圖35結(jié)論與展望36參考文獻(xiàn)錯誤！未定義書簽。指導(dǎo)教師簡介38緒論1.1自動上下料機(jī)構(gòu)概述在自動化加工，裝配生產(chǎn)線中，能自動完成將工件向加工或裝配機(jī)械供給并上下料的裝置，稱為自動上下料裝置。自動上下料裝置就是為實現(xiàn)將毛坯自動選入加工位置，準(zhǔn)確的定位

3、，夾緊以及取下加工完的零件所必須的許多功能機(jī)構(gòu)的總和。統(tǒng)計表明，在工件的加工裝配過程中，工件的供給，上料，下料及搬運(yùn)等工序所需費用約占全部費用的三分之一，所費工時約占全部工時的三分之二以上，而且絕大多數(shù)的事故都發(fā)生在這些工序中。在當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國家，自動上下料裝置在各類制造業(yè)中比比皆是，生產(chǎn)過程的自動化不僅僅大大提高了生產(chǎn)率，把人們從繁重的勞動中解脫出來，而且對提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理化起到了積極的作用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在自動化上下料裝置已越來越多的采用傳感器等電子設(shè)備，這樣不僅能提高精度，而且能減小設(shè)備大小，降低成本。1.2自動上下料的組成分類及特點(1)自動上下料裝置

4、的類型卷料(或帶料)自動上下料裝置、棒料(管料)自動上下料裝置多用丁沖壓設(shè)備、自動機(jī)、單件坯料自動上下料裝置用丁各種機(jī)床，可分為料倉式半自動上下料裝置、料斗式自動上下料裝置。料倉式半自動上下料裝置用丁尺寸和重量較大或形狀較復(fù)雜而難丁自動定向排列的工件，或單件工序時間較長的工件，如連桿、曲軸、齒輪等，工件靠人工定向成批排列在料倉中，然后自動送出。料斗式自動上下料裝置用丁形狀簡單、尺寸和重量較小、工序較短的工件，如各種緊固標(biāo)準(zhǔn)件、小型軸、銷、套、環(huán)類零件，工件任意堆放在裝料容器中，由抓取定向機(jī)構(gòu)實現(xiàn)自動定向排列和自動送出。(2)自動上下料裝置的組成自動上下料裝置的組成如下表所示自動上下料裝置組成表

5、名稱主要作用料倉式料斗式1.裝料容器貯存二件必有必有2.料道將工件從佇料器上傳送至上料機(jī)構(gòu)可能有必有3.上料機(jī)構(gòu)將定向好的工件按一定的生產(chǎn)節(jié)拍送往機(jī)床或夾具必有可能有4.下料機(jī)構(gòu)將加工完畢的工件從機(jī)床或夾具中卸下并運(yùn)出可能有可能有5.抓取定向機(jī)構(gòu)使散亂的工件定向排列并送出無有6.二次（或多次）定向機(jī)構(gòu)使杲些料斗送出的工件最終達(dá)到完全定向無有7.隔料器逐個的從料道中放出工件（可由上料機(jī)構(gòu)兼）有有8.攪拌器（消除堵塞機(jī)構(gòu)）消除工件堵塞或攪拌工件，增加定向或然率可能有有9.剔除器（拋料機(jī)構(gòu)）將7E向不正確或多余的工件拋回料斗無可能有10.檢測機(jī)構(gòu)檢測工件定向情況并發(fā)出指令控制自動上下料裝置的工件一般

6、無可能有11.驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動抓取定向機(jī)構(gòu)或其他機(jī)構(gòu)運(yùn)動有有12.安全機(jī)構(gòu)當(dāng)發(fā)生故障或料道中工件積存過多時自動停車一般無有與上述自動上下料裝置相比，用程序控制裝備起來的工業(yè)機(jī)器人，是一種更加萬能而可快速調(diào)節(jié)的自動化工具。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。1.3自動上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計的意義由丁工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對工件效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動化機(jī)械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機(jī)械手是發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一。在機(jī)械工業(yè)中，自動上下料機(jī)構(gòu)的意義可

7、以概括如下：1、改善勞動條件，避免人身事故在局溫、局壓、低壓、有灰塵、噪聲、有放射性或者其他蠹性污染的場合中，用人工操作是有危險或者不可能的，而應(yīng)用自動上下料裝置可以代替或者部分代替人安全的完成工作，改善勞動條件，避免由丁操作疲勞或疏忽造成的人身事故。2、可以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度它有利于實現(xiàn)材料的傳送，工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化的程度，從而提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。3、減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)綜上所述，有效的應(yīng)用自動化上下料裝置，是發(fā)展工業(yè)的必然趨勢1. 總體方案設(shè)計本課題是一個套類零件自動上下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計，本設(shè)計主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計，以及氣動回

8、路的設(shè)計。在本意中對機(jī)械手的坐標(biāo)形式，自由度，驅(qū)動機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。2.1機(jī)械手的基本形式的選擇機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可看成是有一些連桿通過關(guān)節(jié)組裝起來的。通常有兩種關(guān)節(jié)，即轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。連桿和關(guān)節(jié)按不同坐標(biāo)形式組裝，機(jī)械手可分為四種：直角坐標(biāo)形式，圓柱坐標(biāo)形式，球坐標(biāo)形式，關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式。如下圖：圖2.1機(jī)械手的基本形式其中，圓柱坐標(biāo)形式機(jī)器人除了簡單的“抓-放”作業(yè)外還可以用在許多其他生產(chǎn)領(lǐng)域。這種形式的機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，在垂直方向和徑向有兩個往復(fù)運(yùn)動，定位精度高。在本次設(shè)計中，當(dāng)料臺放出一個套類零件，氣動機(jī)械手抓取工件，送入機(jī)床卡盤，然后退回到一定位置，等到工件加工完后，氣動機(jī)械手動作抓

9、取零件放回料臺上，這些工作都是用電磁鐵和行程開關(guān)來實現(xiàn)簡單的控制。從而完成上下料的總過程。考慮到機(jī)械手的工作空間和人工操作空間，通過定性的分析，按下開關(guān)，啟動工作后，機(jī)械手手臂在伸縮氣缸的驅(qū)動下伸長185mm手爪在氣缸的驅(qū)動下夾緊料臺上的一個工件后，機(jī)械手手臂由正下方的升降氣缸驅(qū)動，手臂軸線上升300mm手臂到位后，機(jī)械手在旋轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動控制下逆時針旋轉(zhuǎn)180°。這樣，機(jī)械手手臂伸向數(shù)控機(jī)床的主軸方向，將工件直接送入車床三爪卡盤，手爪在氣缸驅(qū)動下松開工件，機(jī)械手手臂縮回，下降并且停止到一個安全位置。數(shù)控機(jī)床開始加工工件，加工完畢后，機(jī)械手手臂上升300mm手臂在伸縮缸的驅(qū)動下再次伸長1

10、85mm手爪在氣缸驅(qū)動下夾緊已加工完的工件，車床三爪卡盤松開，機(jī)械手由旋轉(zhuǎn)缸驅(qū)動順時針旋轉(zhuǎn)180°后回到料臺方向。手臂下降，手爪松開,將工件放于料臺上，手臂由伸縮氣缸驅(qū)動退回到初始位置。由于本設(shè)計針對數(shù)控車床的上下料機(jī)構(gòu),主要實現(xiàn)的功能是毛坯的抓取,自動定位,工件的夾緊和回放。該機(jī)械手在上下料時手臂具有升降，伸縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此，本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)形式機(jī)械手，相應(yīng)的機(jī)械手具有三個自由度。2.2自動上下料機(jī)構(gòu)方案的擬定根據(jù)生產(chǎn)線布局，可以得到以下三種上下料系統(tǒng)布局位置圖圖2.21輸送帶2機(jī)床3手爪4伸縮缸5升降缸6旋轉(zhuǎn)缸(3)機(jī)械手放在車床與料臺中間圖2.31數(shù)控機(jī)床2伸縮缸3手爪4升

11、降缸5旋轉(zhuǎn)缸6料臺對丁第一種方案，要在每一臺機(jī)床前設(shè)一立柱來支撐機(jī)械手，并且機(jī)械手在水平方向移動時，所需的驅(qū)動比較麻煩，而且成本高，不宜采用。對丁第二種方案雖可以實現(xiàn)對工件的抓取和回放，但是僅適用丁普通車床上的零件加工上下料，占用空間較大，手臂的運(yùn)動較第三種方案較多，比較復(fù)雜，不宜采用。第三種方案針對數(shù)控車床自動上下料，車床與料臺平行布置，機(jī)械手在中間位置，與前兩種相比，此種方案在可以完成任務(wù)的情況下，造價相對低，所占用的空間小，簡單易行，且執(zhí)行速度起來效率更高，所以本次設(shè)計采用第三種方案。2.3CK6150型數(shù)控車床的主要參數(shù)床身上最大回轉(zhuǎn)直徑mmF520最大工件長度（二頂尖問距離）mm10

12、00最大車削長度（最大加工長度）mm1000最大車削直徑（臥式刀架）mm400滑板上最大回轉(zhuǎn)直徑（臥式刀架）mm280滑板上最大回轉(zhuǎn)直徑（立式刀架）mm300主軸端部形式及代號-A8主軸通孔直徑mm82主軸前端錐孔錐度莫氏1:20主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)-標(biāo)配雙速電機(jī)：12級；選配變頻電機(jī)：自動三檔無級主軸轉(zhuǎn)速范圍r/min標(biāo)配雙速電機(jī)：40-1800;選配變頻電機(jī)：22-220,71-710.215-2000卡盤直徑-手動mmF250（標(biāo)配）卡盤直徑-氣動mmF250（選配）卡盤直徑-液壓mmF250（選配）X軸行程mm150Z軸行程mm1000X/Z軸重復(fù)定位精度mm0.012/0.016中心高mm距

13、床身：250;距地面；1130床身導(dǎo)軌寬度（導(dǎo)軌跨度）mm400主電機(jī)功率kw標(biāo)配雙速電機(jī)：6.5/8;選頻變頻電機(jī)：7.5機(jī)床凈重kg2800機(jī)床毛重kg3000機(jī)床輪廓尺寸（長x寬x高）mm-2490x1360x15102.4驅(qū)動方式的確定機(jī)械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動三種類型。這三種驅(qū)動方式各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見下表：驅(qū)動方案對比表內(nèi)容驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動輸出功率很大，壓力范為514Mpa大，壓力范圍為0.40.7Mpa較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果

14、差，低速不易控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)局速、高精度的連續(xù)控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜響應(yīng)速度很高較局很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化，模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量大，體積小，密封問題較大結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，通用化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)里大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小伺服電機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動機(jī)外，難以直接驅(qū)動，無密封問題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險防爆性能好，高于1000kpa時應(yīng)注息設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)的危險，直流有刷電動機(jī)換

15、向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染排氣時有噪聲無在工業(yè)機(jī)械手中的應(yīng)用范圍適用于重載，低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、點焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手適用于中小負(fù)載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機(jī)械手，如沖壓機(jī)械手本體的啟動平衡及裝配機(jī)械手氣動夾具適用于中小負(fù)載，要求具有較局的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較局的機(jī)械手，如AC伺服噴涂機(jī)械手、點焊機(jī)械手?；『笝C(jī)械手等成本液壓兀件成本較局成本低成本高維修及使用方便，但油液對環(huán)境方便，使用壽命長，較復(fù)雜溫度有一定要求可靠性高手驅(qū)動系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，通常對機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：1）驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，

16、單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；2）反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起動，制動，正、反轉(zhuǎn)切換；3）驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；4）安全可靠；5）操作和維護(hù)方便；6）對環(huán)境無污染，噪聲??；7）經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。基丁上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和本次設(shè)計的機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求，本設(shè)計選用氣壓驅(qū)動的方式對機(jī)械手進(jìn)行驅(qū)動。2.5機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途：車間皮帶機(jī)與皮帶機(jī)、料臺與料臺間的零件的搬運(yùn)二、設(shè)計技術(shù)參數(shù)1、抓重：4kg，缸套外徑在100400mm之間，內(nèi)徑在80380mm之間2、自由度數(shù)：3個自由度3、坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)4、最

17、大工作半徑：300mm5、手臂最大中心高：600mm6、主要運(yùn)動參數(shù)手臂伸縮行程：185mm機(jī)身升降行程：300mm機(jī)身回轉(zhuǎn)范圍：0180手臂伸縮速度：185mm/s機(jī)身升降速度：100mm/s機(jī)身回轉(zhuǎn)速度：600/s7、驅(qū)動方式：氣壓驅(qū)動機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1手部的設(shè)計工業(yè)機(jī)器人的手部也叫做末端操作器，它是裝在工業(yè)機(jī)器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。1、工業(yè)機(jī)器人手部的特點如下。(1) 手部與手腕相連處可拆卸。(2) 手部是工業(yè)機(jī)器人末端操作器。(3) 手部的通用性比較差。(4) 手部是一個獨立的部件。2、手部的分類手爪應(yīng)具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件，握持工件，釋放工件

18、。(1) 按夾持原理分按夾持原理可分為機(jī)械類，磁力類和真空類三種手爪。機(jī)械類手爪有靠摩擦力夾持和吊鉤承重兩類，前者是有指手爪，后者是無指手爪。磁力類手爪主要是磁力吸盤，有電磁吸盤和永磁吸盤兩種。真空類手爪是真空式吸盤，根據(jù)形成真空的原理可分為真空吸盤，氣流負(fù)壓吸盤，擠氣負(fù)壓吸盤三種。按手指或吸盤數(shù)目機(jī)械手手爪按手指或吸盤數(shù)目可分為：二指手爪、多指手爪。機(jī)械手爪按手指關(guān)節(jié)分：單關(guān)節(jié)手指手爪、多關(guān)節(jié)手指手爪。吸盤式手爪按吸盤數(shù)目分：單吸盤式手爪、多吸盤式手爪。按智能化分手部按智能化分為手爪不具備傳感器的普通式手爪和手爪具備一種或多種傳感器的智能化手爪。手部設(shè)計和選用最主要的是滿足功能上的要求，由于

19、本課題中套類零件的尺寸很小，重量輕，設(shè)計中采用二指機(jī)械式手爪夾持工件的外圓柱表面。(1) 1、設(shè)計機(jī)械手部應(yīng)注意的問題機(jī)械手手部是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來設(shè)計的。(2) 機(jī)械手手部的重量、被抓取物體的重量及操作力和機(jī)械手容許的負(fù)荷力。所以，要求機(jī)械手手部體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。(3) 機(jī)械手手部的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至難以實現(xiàn)。(4) 通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的手部可以適用于不同的機(jī)械手，這就要求手部要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口，使手部實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。(5) 機(jī)械手手部要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機(jī)控制。3.1.2機(jī)械手部的典

20、型結(jié)構(gòu)楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松開和夾緊，來實現(xiàn)抓取工件。(1) 滑槽式手爪當(dāng)活塞向前運(yùn)動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力,當(dāng)活塞向右運(yùn)動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。連桿杠桿式手爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊(放松)運(yùn)動,由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作(2) 平行杠桿式手爪采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩指保持平行運(yùn)動，比帶有導(dǎo)軌的平移手爪的摩擦力要小很多。3.1.

21、3機(jī)械式手爪設(shè)計(1) 驅(qū)動。機(jī)械式手爪通常采用氣動，液動，電動和電磁來驅(qū)動手指的開合。氣動手爪目前得到廣泛的應(yīng)用，因為氣動手爪有許多突出的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易維修，而且開合迅速，重量輕，所以本設(shè)計中決定采用氣動手爪。(2) 傳動。驅(qū)動源的驅(qū)動力通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)使爪鉗開合病產(chǎn)生夾緊力。對于傳動機(jī)構(gòu)有運(yùn)動要求和夾緊力要求。比如平行連桿式手爪和齒輪齒條式手爪可保持爪鉗平行運(yùn)動，夾持寬度變化大。對夾緊力要求是爪鉗開合度不同時夾緊力能保持不變。(3) 爪鉗。爪鉗是與工件直接接觸的部分，它們的形狀和材料對夾緊力有很大的影響。夾緊工件的接觸點越多，所要求的夾緊力越小，對夾持工件來說更顯得安全。3.1

22、.4手部驅(qū)動力計算(1) 設(shè)缸套重量G=4kg,a=80°,b=5mmc=70mmf=0.2.(2) 當(dāng)工件被豎直夾持時，手指握住工件的夾緊力最大，可得握力的計算式：N=mxg=4x9.8=39.2N3.1手爪受力圖由手部結(jié)構(gòu)傳動示意圖，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，其驅(qū)動力為0.5Pbtga=N-cP=2Nc/b-tga=2x39.2x70/5xtg80=193.54N（4）氣缸的有關(guān)計算本氣缸屆丁單作用氣缸，由力的平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必需克服活塞桿工作時的阻力，其公式為：式中：Fi活塞桿上的推力（工作載荷），N;F2活塞桿上的拉力（工作載荷）,N;Fz氣缸工作時的總阻力，

23、N;D活塞直徑，md活塞桿直徑，mi氣缸工作時的總阻力Fz眾多因素有關(guān)，如運(yùn)動部件慣性力，背壓阻力，密封處摩擦力等；另一個方面所設(shè)計的氣缸不但要保證其靜特性，也要保證其運(yùn)動特性符合要求。綜合考慮后，為方便設(shè)計與計算，將以上的因素以載荷率的形式計入公式，則：F1=兀/4D2ptNF2=兀/4(D2-d2)prN可一載荷率，主要考慮保證氣缸動態(tài)特性參數(shù)及總阻力，氣缸動態(tài)參數(shù)要求一股，工作頻率低，基本上為勻速運(yùn)動，則載荷當(dāng)推力做功時，D4FiP當(dāng)拉力做功時，D.4F2d2mP在此以推力做功計算,/曰D得：4193.540.631060.8=31.32mm根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列的數(shù)值進(jìn)行圓整后，D=32m

24、mp=0.63x106pa,氣缸工作壓力，由d/D=0.20.3,可得活塞桿直徑：d=(0.20.3)Dd=6.49.8mm取活塞桿直徑d=8mm。按強(qiáng)度條件計算活塞桿直徑d,Fi氣缸的推力，Nbp活塞桿材料的許用應(yīng)力，bp=120Mpabp=bb/Sbb材料的抗拉強(qiáng)度，paS安全系數(shù),SA1.4(5) 缸筒壁厚的設(shè)計缸筒直接承受壓力，需要有一定的厚度。由丁一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比a/D<1/10,所以?？砂幢”谕补接嬎悖篴=DP72b缸筒材料為ZL(鋁合金)，b=3Mpaa氣缸筒壁厚,mD-一氣缸同內(nèi)徑（缸徑）R-一氣缸試驗壓力，一般取Pt=1.5PP-氣缸工作壓力3缸筒材料許用應(yīng)

25、力，b=bb/sbb-一材料抗拉強(qiáng)度S-安全系數(shù)，一般取S=8帶入數(shù)值得，壁厚a=5.04mm,取a=6mm則缸筒外徑為Di=32+6x2=44mm。故該缸筒壁厚滿足強(qiáng)度要求。（6）氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑的確定氣缸進(jìn)排氣口螺孔大小與空氣消耗量（缸徑、活塞桿直徑、活塞的平均速度等）及供氣壓力均有關(guān)系，故難于準(zhǔn)確計算。由機(jī)械設(shè)計手冊，按缸徑查取。根據(jù)D=32mm查得進(jìn)排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M14x1.5.（7）活塞的厚度取決于密封圈的種類和排數(shù)。氣缶工筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缶工筒與氣缶工蓋，活塞桿與氣缸蓋之間均選用O形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值。（8）連接螺栓直徑的確定與驗算根據(jù)螺栓材料

26、與載荷，初定螺栓直徑d=6mm螺栓材料Q23§性能等級4.6,查表得屈服極限bs=240MpaS=1.5,b=bs/S=160Mpa故螺栓符合要求。3.2臂部設(shè)計工業(yè)機(jī)器人的臂部一般具有23個自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或俯仰。臂部總重量較大，受力較復(fù)雜，在運(yùn)動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的精、動載荷，尤其高速運(yùn)動時，將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性力矩），引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性。3.2.1臂部設(shè)計的基本要求臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動形式、抓取重量、動作自由度、運(yùn)動精度等因素來確定。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況，油(氣)缸及導(dǎo)向裝置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因

27、此設(shè)計手臂時一般要滿足以下要求。(1) 剛度要求高為防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。(2) 導(dǎo)向性要好為防止手臂在直線運(yùn)動中，沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。(3) 重量要輕為提高機(jī)器人的運(yùn)動速度，熬盡量減小臂部運(yùn)動部分的重量，以減小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。(4) 運(yùn)動要平穩(wěn)，定位精度要高由于臂部運(yùn)動速度越高，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動既不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設(shè)計上要求結(jié)

28、構(gòu)緊湊、重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。3.2.2手臂的常用機(jī)構(gòu)(1) 手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)機(jī)器人手臂的伸縮、橫向移動均屆于直線運(yùn)動。實現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油(氣)缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)等。由于活塞油(氣)缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。（2）手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動機(jī)構(gòu)、活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。3.2.3臂部運(yùn)動驅(qū)動力計算計算臂部運(yùn)動驅(qū)動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)器人工作時，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等

29、。（1）臂部水平伸縮運(yùn)動驅(qū)動力的計算臂部做水平伸縮運(yùn)動時，首先要克服摩擦阻力，包括油（氣）缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。 驅(qū)動力Pq（N）可按下式計算：Pq=Fm+Fg式中：Fm各支承處的摩擦阻力（NN；Fg啟動過程中的慣性力（卬，其大小可按下式計算：Fg=ma式中：m包括負(fù)載質(zhì)量在內(nèi)的手臂伸縮部件的總質(zhì)量（kg）；a啟動過程中的平均加速度（m/s2）,其大小可按下式計算：a=v/t式中：3速度增量（m/s）,如果臂部從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度v時，則這個過程的速度變化量就等于臂部的工作速度；t升降速過程所用時間（s）,一股為0.010.5s

30、。由上面公式：工件質(zhì)量m=4kg摩擦系數(shù)：設(shè)計氣缸材料為ZL,活塞材料為45鋼，查閱相關(guān)手冊可知，f=0.17標(biāo)準(zhǔn)氣爪材料為鋁合金ZL,密度p=2.75x103kg/m3,則氣爪的質(zhì)量為：3m爪=pV爪=2.75x10=0.76kg連接板材料為45鋼，p=7.85x103kg/m3,3m板=pV板=7.85x10=2.7004kg另外，伸縮手臂導(dǎo)桿伸出件質(zhì)量約為0.5kg。根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計技術(shù)參數(shù)，伸縮手臂的行程為250mm。氣爪抓重為4kg，加上末端執(zhí)行器(氣爪)和連接板的重量，總質(zhì)量約為8kgoFm=uFN=0.17xmg=Fg=ma=8x(v/t)設(shè)要求手臂平動時，V=250mm/s在

31、計算慣性力時設(shè)置啟動時間t=0.1s,則啟動速度v=v=250mm/s貝UFg=ma=8x0.25/0.1=20N所以，驅(qū)動力Fq=Fm+Fg=13.328+20=33.328N由機(jī)械設(shè)計手冊，由預(yù)算確定的所需氣缸驅(qū)動力為33.328No由上述可得，活塞式氣缸內(nèi)徑D4FqP=12.67mm根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列的數(shù)值進(jìn)行圓整后，D=25mm活塞桿直徑的確定與長度的驗算取活塞桿直徑d=16mm,L=360mm當(dāng)活塞桿長徑比L/d>10時，一般按壓桿穩(wěn)定性來計算活塞桿直徑，而活塞桿直徑穩(wěn)定性條件是Fpu<Fk/nk氣缶工的壓桿穩(wěn)定極限力與氣缶工的安裝型式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。當(dāng)長細(xì)比K/

32、L>85Vm時，F(xiàn)k=m兀2EJ/L2fA當(dāng)長細(xì)比K/L<85Vm時，F(xiàn)kG1Kma對丁實心活塞，由上式:LK85Wm時，LkL2mEdnkFpu8其中，F(xiàn)pu氣缸承受的軸向負(fù)荷，即氣缸的理論輸出推力，NFk氣缶工的壓桿穩(wěn)定極限力，Nnk氣缸壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取nk=26Lk活塞桿的計算長度K活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，mK=d/4J活塞桿橫截面慣性矩,m4J=兀d4/64A活塞桿橫截面面積，A=兀d2/4m由安裝連接條件決定的系數(shù)（固定皎支m=2）f材料試驗強(qiáng)度值，pa,鋼材取f=4.91x108paa系數(shù)，鋼材取a=1/5000E活塞桿材料彈性模量pa,鋼材取E=2.1x101

33、1pa=兀x122x10-6/8x(兀x2x2.1x1011/4x197.92)=2308mmL<Lk故活塞桿長度滿足要求。 缸筒壁厚的確定與驗算一般氣缸筒壁厚與內(nèi)徑之比a/d<1/10at=DPt/2°=1.5PD/2bb=3Mpa=3.15mm經(jīng)過圓整之后，取a=3mm。 氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑的確定由機(jī)械設(shè)計手冊，按缸徑D=25mm,查得氣缸最小氣口螺紋為M10x1。氣缶工筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缶工筒與氣缶工蓋，活塞桿與氣缶工蓋之間均選用O形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值?；钊暮穸热Q丁密封圈的排數(shù)。連接螺栓直徑的確定與驗算根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=

34、6mm,40.6310646=1.3mm160X106故螺栓直徑符合要求。為使設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化和簡便化，在本設(shè)計中，水平伸縮手臂采用CM2系列雙作用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，如下圖所示。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負(fù)載能力強(qiáng)，耐扭矩能力強(qiáng)，不回轉(zhuǎn)精度高，安裝方便。根據(jù)以上所計算的數(shù)據(jù)，查取機(jī)械設(shè)計手冊，選擇缸徑為25mm型號為CM2B25-300的氣缸為機(jī)械手的水平伸縮手臂。3.3機(jī)身設(shè)計3.3.1 概述工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)有三大部分：機(jī)身、手臂(包括手腕)、手部。機(jī)身，乂稱立柱。機(jī)器人必須有一個便于安裝的基礎(chǔ)件，這就是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)座，機(jī)座往往與機(jī)身做成一體。機(jī)身是支撐臂部的部件，一般實現(xiàn)升降、回轉(zhuǎn)和俯仰等運(yùn)動，常

35、有13個自由度。機(jī)身設(shè)計時要注意下列問題：(1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性；(2) 運(yùn)動要靈活，升降運(yùn)動的導(dǎo)套長度不宜過短，避免發(fā)生卡死現(xiàn)象，一般要有導(dǎo)向裝置；(3) 機(jī)身布置要合理。3.3.2俯仰與回轉(zhuǎn)機(jī)身的設(shè)計(1)升降臂部的設(shè)計機(jī)械手升降手臂是直接支撐和驅(qū)動水平伸縮手臂的部件，實現(xiàn)機(jī)械手的豎直升降運(yùn)動。這些運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀十與底座相連。按照設(shè)計要求，機(jī)械手要實現(xiàn)豎直方向300mnfi勺升降運(yùn)動，實現(xiàn)該運(yùn)動的機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在機(jī)身處。為了設(shè)計合理的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，要和回轉(zhuǎn)臂一起綜合考慮、分析。常用的機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)有一下幾種：回轉(zhuǎn)臂置于升降手臂之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是

36、能夠承受較大偏重力矩。其缺點是升降手臂在回轉(zhuǎn)臂之上，回轉(zhuǎn)臂需承受較大的壓力?；剞D(zhuǎn)臂置于升降手臂之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)臂與伸縮手臂一起升降，運(yùn)動部件較大?；钊缀妄X條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動時通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，齒條的往復(fù)運(yùn)動帶動手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)臂置于升降手臂之下的結(jié)構(gòu)。(2)臂部升降運(yùn)動氣缸的設(shè)計計算 俯仰運(yùn)動驅(qū)動力的計算作垂直運(yùn)動時，除克服機(jī)身自身運(yùn)動部件的重力和其承受的手臂，手腕，手部、工件等總重力以及升降運(yùn)動的全部部件慣性力，故其驅(qū)動力F驅(qū)可按下式計算：F驅(qū)=Fm+FgWF各支撐處的摩擦

37、力，NFg啟動時總慣性力，NW運(yùn)動部件的總重力，N土一一上升時為正，下降時為負(fù)。手臂的升降運(yùn)動用的活塞桿位于手臂下方，其活塞桿和手臂用皎鏈連接。缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱連接。 氣缸舉重的總質(zhì)量M舉=8+1.919+9.38+2.26+0.5=22.05kgW=M舉g=NFm=uFN=uW=36.74N其中慣性力可以忽略不計。運(yùn)動部件包括升降運(yùn)動氣缸，水平伸縮氣缸，氣爪，夾持重物以及連接各個氣缸的連接板。上邊已計算過氣爪，水平伸縮氣缶工、夾持物以及連接各個氣缶工的連接板的重量，總質(zhì)量約為8kg。水平伸縮氣缸，旋轉(zhuǎn)缸和氣爪的制造材料是一樣的，為鋁合金,其密度p=2.75x103kg/

38、m3，連接板材料為45鋼，密度p45=7.85x103Kg/帝。 水平伸縮氣缸質(zhì)量m=p鋁合金vi=1.919kg豎直升降氣缸質(zhì)量m=p鋁合金V2=9.38kg連接板質(zhì)量為m=p鋁合金V3=2.26kg所以，驅(qū)動力F驅(qū)=216.09+36.74=252.83N活塞式氣缶工內(nèi)徑根據(jù)雙作用氣缸計算公式：q35.74mm 經(jīng)過圓整后，D=40mm活塞桿直徑的確定與驗算 取活塞桿直徑d=20mm,按強(qiáng)度條件計算活塞桿直徑，=1.8mm氣缸筒壁厚的確定與驗算氣缸內(nèi)徑確定后，由機(jī)械設(shè)計手冊，選取壁厚為t=8mm,按下式進(jìn)行強(qiáng)度驗算: t>DP/2b=1.5PD/2b氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑確定 由機(jī)械設(shè)

39、計手冊，按缸徑D=40m選取，進(jìn)排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M14x1.5氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋，活塞桿與氣缸蓋之間均選用。形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值?；钊暮穸热Q于密封圈的排數(shù)。 連接螺栓直徑的確定與驗算由螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6mm按下式驗算：=2.5mm成立，故符合要求。根據(jù)前面部分的設(shè)計和機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸可知，機(jī)械手升降速度為100mm/§本設(shè)計的升降手臂選用MB系列的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，如下圖所示。缸徑為D=40mm型號為MBB40-200的氣缸。(3) 回轉(zhuǎn)臂的設(shè)計回轉(zhuǎn)臂位于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的最低底端，它承擔(dān)著機(jī)械手的全部重量，因此對回轉(zhuǎn)臂的承載能力要求

40、較高。乂由于回轉(zhuǎn)臂要帶動整個機(jī)械手轉(zhuǎn)動，因此要求在回轉(zhuǎn)時要保證其平穩(wěn)性。按照設(shè)計要求，機(jī)械手要實現(xiàn)180°范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在機(jī)身處和底座固定。(4) 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動氣動裝置的設(shè)計計算回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩只包括兩項：回轉(zhuǎn)部件的摩擦總力矩，機(jī)身自身運(yùn)動部件和其攜帶的手臂、手腕、手部、工件等總慣性力矩。故其驅(qū)動力矩Mq可按下式計算：Mq=Mm+MgM總摩擦阻力距，NmM各回轉(zhuǎn)部件總慣性力矩(Nm,其大小可按下式計算：Mg=JA3/t3在升速或者制動過程中角速度增量（1/S）t回轉(zhuǎn)運(yùn)動升速或者制動過程時間（S）Jo全部回轉(zhuǎn)零件對機(jī)身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（kg-m2）,如

41、果零件外廓尺寸不大，重心到回轉(zhuǎn)軸線距離乂遠(yuǎn)時，可按質(zhì)點計算它對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量?；剞D(zhuǎn)部件的總質(zhì)量Mg=26.974+9.9+2.26+2.26+0.5=41.68kgJo=Mgr2=41.68x（40x10-3）2=6.67kgm2那么，Mg=JA3/At=6.67x0.1/0.1=6.67N-m回轉(zhuǎn)氣缸的質(zhì)量：M回=pV回=9.9kg連接板的質(zhì)量：M連=2.26kgR=0.08kgMm=0RvN2兀r2/兀Rdr=?°089.8x2xttr2/ttx0.082=21699.65?0煥r2dr=3.70N-m則驅(qū)動力矩為：Mq=Mm+Mg=3.70+6.67=10.37N-m氣缸驅(qū)

42、動力F驅(qū)=Mq/Ll偏重力臂(臂部重心到機(jī)身立柱軸的距離，mF驅(qū)=10.37/(2x10°)=324.1N根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，由預(yù)算確定的所需氣缸軸向輸出力一一推力Q=345.7N活塞式氣缶工內(nèi)徑4345.70.631060.4=40.4mm根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系歹0圓整得：D=40mm缸筒壁厚的確定與驗算根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，選其壁厚為a=8mm,由下式進(jìn)行強(qiáng)度計算,a>DPt/2b=1.5PD/2b=6.3mm所以，缸筒壁厚符合要求。 氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑確定 由機(jī)械設(shè)計手冊，按缸徑D=40m選取，進(jìn)排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M14x1.5氣缶工筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缶工筒與氣缶工蓋

43、，活塞桿與氣缸蓋之間均選用。形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值。活塞的厚度取決丁密封圈的排數(shù)。 連接螺栓直徑的確定與驗算由螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6mm按下式驗算：=2.5mm成立，故螺栓直徑符合要求。本設(shè)計的回轉(zhuǎn)臂葉片式擺動氣缸DSM®，如下圖所示，此類回轉(zhuǎn)氣缸結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，模塊化設(shè)計，有多種安裝形式，整個轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)可以實現(xiàn)無級轉(zhuǎn)角調(diào)速，終端位置可安裝液壓緩沖裝置已吸收能量，終端位置擋塊上止動螺釘可進(jìn)行微調(diào)，轉(zhuǎn)動力矩大。此種氣缸有基本型和派生型，基本型的成本較低，運(yùn)動精度能滿足本設(shè)計要求，因此選用基本型即可。根據(jù)以上的計算值，在此選用缸徑D=40mm型號為DSM-1

44、2-180-P的擺動氣缸。機(jī)械手的運(yùn)動分析4.1機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃機(jī)械手運(yùn)動規(guī)劃包括序列規(guī)劃、路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃3各部分。序列規(guī)劃是指在一個特定的工作區(qū)域自動生成一個從起始作業(yè)點開始，經(jīng)過一系歹0作用點，再回到起始點的最有工作序歹0。路徑規(guī)劃是指在相鄰序歹0點之間通過一定的算法搜索一條無碰撞的機(jī)械手運(yùn)動路徑；軌跡規(guī)劃是指通過插補(bǔ)函數(shù)獲得路徑上的插補(bǔ)點，再通過求解運(yùn)動學(xué)逆解轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間，形成各關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡。序列規(guī)劃為機(jī)械手的所有作業(yè)點生成一個最優(yōu)的工作序歹0。作業(yè)點是機(jī)械手為完成工作必須達(dá)到的位置和姿態(tài)。機(jī)械手的一次作業(yè)任務(wù)往往有幾十個到上白個作業(yè)點，這些作業(yè)點的加工次序通常是任意的，或者僅僅

45、存在局部的限制（即某幾個作業(yè)點之間存在著固定的前后關(guān)系），序列規(guī)劃的目標(biāo)就是通過某種算法生成一個能滿足作業(yè)限制的最優(yōu)作業(yè)序列，一般以時間作為規(guī)劃優(yōu)劣的度量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)機(jī)械手再有障礙物的環(huán)境中運(yùn)動時，為了從當(dāng)前作業(yè)位置到達(dá)下一個位置，需要在機(jī)械手工作空間確定一條無碰撞的運(yùn)動路徑，即這條路徑應(yīng)處于機(jī)械手的自由空間中。因此，路徑規(guī)劃的過程實際上是一個帶幾何約束的問題求解過程。從上面的論述的可以看出，機(jī)械手運(yùn)動規(guī)劃主要包括兩個方面，一是生成所有作業(yè)點的最優(yōu)工作序列的序列規(guī)劃，二是在相鄰作業(yè)點的之間生成無碰撞路徑的路徑規(guī)劃。序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃的總體目標(biāo)是作業(yè)時間最短，規(guī)劃的約束條件是作業(yè)順序的限制以及碰撞的

46、避免。目前，兩個剛性物體之間的距離計算有很多算法，其中對凸多面體的計算最為成熟。凸多面體之間的距離有兩類：分離距離和嵌入距離。目前，凸多面體問的距離范數(shù)主要有平移距離，成長距離，收縮距離、偽平移距離等。在現(xiàn)實環(huán)境中，機(jī)器人及障礙物一股是凹幾何體，可以采用分割的方法把凹幾何體分割為多個凸幾何體，如球、圓柱等，可以緊包圍它的凸多面體來近似。4.2機(jī)械手的主要部件和運(yùn)動在本設(shè)計中，自動上下料裝置已經(jīng)確定為圓柱坐標(biāo)形式機(jī)械手的方案，根據(jù)設(shè)計的任務(wù)，為滿足設(shè)計要求，此設(shè)計的機(jī)械手具有3個自由度：手臂伸縮；機(jī)身回轉(zhuǎn)；機(jī)身升降。本設(shè)計的機(jī)械手主要由3個大部件和4個氣缸組成：（1）手部，采用一連桿式氣動手爪，

47、通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實現(xiàn)手爪的張開和閉合。（2）臂部，采用直線往復(fù)氣缸來實現(xiàn)手臂的伸縮。（3）機(jī)身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)氣缸來實現(xiàn)手臂的升降和回轉(zhuǎn)。4.2.1 機(jī)械手的手爪的運(yùn)動機(jī)械手手爪多為多指手爪，按手指的運(yùn)動方式可以分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式分為外夾式和內(nèi)撐式兩種。本機(jī)械手手爪采用氣動驅(qū)動方式，由于被抓取的工件是圓柱形的，所以手爪采用V字形結(jié)構(gòu)，即手爪的內(nèi)表面設(shè)計成與圓柱斜度相同的表面，保證了抓取的穩(wěn)定乂不影響套類零件的表面質(zhì)量，機(jī)械手部采用連桿式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，傳動可靠。當(dāng)無桿腔輸入壓縮空氣時，有桿腔排氣，壓縮空氣作用在活塞右端面上的力克服各種反作用力，推動活塞桿前進(jìn)，使活塞桿伸出；

48、當(dāng)活塞桿排氣時，有桿腔進(jìn)氣時，活塞桿縮回到初始位置。通過活塞桿的往復(fù)運(yùn)動來實現(xiàn)手爪的張開與閉合。如下文圖4.1中，夾緊氣缸15驅(qū)動手爪，抓取和放開工件。4.2.2 機(jī)械手的臂部的運(yùn)動機(jī)械手手臂運(yùn)動的主要目的就是：把手部送到空間運(yùn)動范圍的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位）則用腕部的自由度實現(xiàn)。因此，一般來說，臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求，即手臂伸縮，左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)個各種驅(qū)動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受手部和工件的靜、動載荷，而且自身運(yùn)動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。在本設(shè)計中機(jī)械手手臂采

49、用直線往復(fù)氣缸來實現(xiàn)手臂的伸縮，機(jī)身結(jié)構(gòu)采用回轉(zhuǎn)裝置置于升降手臂之下的結(jié)構(gòu)，豎直升降手臂是完成氣動機(jī)械手豎直方向運(yùn)動的動力元件?；剞D(zhuǎn)裝置位于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的最低底端，它承擔(dān)著機(jī)械手的全部重量，因此對回轉(zhuǎn)臂的承載能力要求較高。乂由于回轉(zhuǎn)臂要帶動整個機(jī)械手轉(zhuǎn)動，因此要求在回轉(zhuǎn)時要保證其平穩(wěn)性。按照設(shè)計要求，機(jī)械手要實現(xiàn)180°范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在機(jī)身處和底座固定。如下圖4.1中水平伸縮氣缸16驅(qū)動手臂水平伸縮，旋轉(zhuǎn)氣缸18驅(qū)動立柱旋轉(zhuǎn)，帶動手臂旋轉(zhuǎn)180。，升降氣缸17驅(qū)動大臂升降來帶動手臂升降來完成所要求的任務(wù)。4.3機(jī)械手的整體運(yùn)動分析套類零件自動上下線大多

50、數(shù)為一臺機(jī)床配備兩臺結(jié)構(gòu)完全相同的單臂機(jī)械手，分別承擔(dān)工件的上下料運(yùn)動，也有設(shè)計在一臺機(jī)械手上采用了兩只機(jī)械臂的形式，這樣一臺雙臂機(jī)械手就能承擔(dān)兩臺單臂機(jī)械手的工作。在本設(shè)計中，為了減少機(jī)械手的數(shù)量的同時由于要加工的零件尺寸和質(zhì)量不大，僅采用一臺單臂機(jī)械手來承擔(dān)工件的上下料運(yùn)動。圖4.1機(jī)械手整體裝配圖如上圖所示，本設(shè)計所采取的結(jié)構(gòu)中，機(jī)械手工作時，首先機(jī)械手手臂伸長，手爪從料臺夾緊工件之后，手臂上升，然后機(jī)身逆時針旋轉(zhuǎn)180。，將工件送入數(shù)控機(jī)床三爪卡盤上夾緊，手臂縮回后俯下降到料臺高度完成上料過程，此時數(shù)控機(jī)床開始對工件進(jìn)行加工。當(dāng)機(jī)床加工完工件后，機(jī)械手手臂上升一定高度后，手臂伸出到機(jī)床

51、主軸中心線的高度，然后手爪夾緊工件，機(jī)床三爪卡盤松開后，機(jī)械手順時針旋轉(zhuǎn)180°后，手臂下降到料臺高度并將工件放在料臺上，手臂縮回，機(jī)械手回到原來位置，從而完成下料過程。上下料過程循環(huán)進(jìn)行，實現(xiàn)工件的連續(xù)加工。上述的運(yùn)動過程可以知道，機(jī)械手的三個自由度：機(jī)身旋轉(zhuǎn)，手臂升降，手臂伸縮。具體的分析過程從第二部分的數(shù)控機(jī)床的有關(guān)參數(shù)以及確定的機(jī)械手和機(jī)床之間的位置關(guān)系可以知道，料臺高830mm而機(jī)床主軸中心線高為1130mm因此機(jī)械手手爪的升降高度應(yīng)為300mm機(jī)械手位于數(shù)控機(jī)床和料臺的中間位置，而機(jī)床主軸與料臺之間問隔為1700mm所以機(jī)械手手臂伸長之后應(yīng)為850mm這樣才能在旋轉(zhuǎn)180

52、°后準(zhǔn)確的將工件放入機(jī)床三爪卡盤內(nèi)或放在料臺上。氣動控制系統(tǒng)設(shè)計5.1氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的擬定氣壓傳動系統(tǒng)原理圖是表示氣壓傳動系統(tǒng)的組成和工作原理的重要技術(shù)文件，它對生產(chǎn)裝備自動化、省力化，對系統(tǒng)的性能及設(shè)計方案的合理，經(jīng)濟(jì)有重要影響。本設(shè)計中的機(jī)械手由大臂伸縮夾緊，立柱升降，立柱回旋等執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)用氣缸驅(qū)動。由丁氣缸中的活塞在接近末端時，如果未采取任何緩沖裝置，則會應(yīng)為沒有降低速度，活塞可能與氣缸發(fā)生沖擊，引起振動，磨損機(jī)件，或引起薄壁工件變形。因此大多數(shù)氣缸都用緩沖裝置，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可設(shè)緩沖裝置，由丁本設(shè)計中氣缸直徑都較小，則選用外緩沖裝置。機(jī)械手氣動回路的設(shè)

53、計主要是選擇合適的控制閥，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缶工壓縮空氣的壓力，流量和方向使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力。動作和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作。5.1.1工作程序執(zhí)行元件為四個氣缸，實現(xiàn)大臂伸出，縮回，工件夾緊、松開，立柱下降、上升，立柱旋轉(zhuǎn)等動作。氣動機(jī)械手的工作程序如下圖所示：啟動大臂伸出T手抓夾緊工件T立柱上升T立柱旋轉(zhuǎn)立柱上升。立柱下降。手臂縮回。手爪松開工件。卡盤手臂伸出T手爪火緊工件，卡盤松開工件T立柱旋轉(zhuǎn)手臂縮回手爪松開工件立柱下降氣壓傳動系統(tǒng)的具體工作原理如下圖所示。由丁手機(jī)床布局限制，為了使機(jī)床的X,Z軸均回零參考點出，才可氣動氣壓系統(tǒng)進(jìn)行自動上下料。本設(shè)計的氣動機(jī)械手完成各

54、個選擇兩位五通的換向閥控制，各個氣缸的運(yùn)動方向，氣缸的進(jìn)出口回路各設(shè)置一個單向節(jié)流閥通過控制進(jìn)出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運(yùn)動速度。圖5.1氣壓傳動系統(tǒng)圖1一氣源2一氣動三聯(lián)件3、4、5、6一減壓閥7、8、9、10、11、12、13、14一單向節(jié)流閥15一手臂伸縮缸16一手爪夾緊缸17一升降缸18-旋轉(zhuǎn)缸氣源啟動后，缸15動作，向外伸出閥控制的行程后，缸16動作，手爪夾緊工件，然后缸17動作使機(jī)械手手臂上升一定的行程后，缸18動作，機(jī)械手帶動工件旋轉(zhuǎn)180°,三爪卡盤夾緊工件，缸16動作，手爪松開工件，接著機(jī)械手在缸15和缸17的動作下回到一個指定位，機(jī)床加工零件。上料過程完畢。下料過程：工件加工完后，機(jī)械手要完成工件下料。首先缸17動作，手臂上升一定行程，缸15動作，手臂伸出達(dá)到機(jī)床主軸中心線的高度，缸16動作，手爪夾緊工件，三爪卡盤松開工件，然后缸18旋轉(zhuǎn)180°,缸17動作，機(jī)械手下降至初始位置，將工件放在料臺上。此時缸16動作，手爪松開工件，缸15動作后，手臂縮回。機(jī)械手回到最初上料時的位置。接著機(jī)械手乂進(jìn)入下一個循環(huán)，這對零件的加工效率顯著提高。5.2機(jī)械手的PLC控制設(shè)計（本設(shè)計中選用S7200PLQ氣動系統(tǒng)在工業(yè)自動化中越來越廣泛的應(yīng)用，機(jī)械手的控制和驅(qū)動方式基本上都是采用高精度的伺服電機(jī)，