搬運機器人結(jié)構(gòu)設計 畢業(yè)設計正文

———————————————————————————————————————————————搬運機器人結(jié)構(gòu)設計畢業(yè)設計正文南昌航空大學學士學位論文4-DOF搬運機器人的結(jié)構(gòu)設計學生姓名：指導老師：班級：摘要：在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平。目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作。本文研究了國內(nèi)外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學習機械手的工作原理，熟悉了搬運機器人的運動機理。在此基礎上，確定了四自由度搬運機器人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機器人的結(jié)構(gòu)進行了簡單的強度計算，完成了搬運機器人機械方面的設計（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）和簡單的三維實體造型工作。本設計為四自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人，其工作方向為兩個直線方向、一個旋轉(zhuǎn)方向和一個氣爪運動。機器人的機械結(jié)構(gòu)主要包括由三個電磁閥控制的氣缸來實現(xiàn)機器人的上升下降運動及夾緊工件的動作，一個步進電機控制機器人的正反轉(zhuǎn)。在控制器的作用下，搬運機器人執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡單的動作。設計的搬運機器人運用于自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復性勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率，本文是對整個設計工作較全面的介紹和總結(jié)。關(guān)鍵詞：搬運機器人，強度計算，結(jié)構(gòu)設計指導老師簽名：1南昌航空大學學士學位論文Structuredesigningof4-DOFhandlingrobotStudentname:Supervisor:Class:Abstract：Inthemodernlarge-scalemanufacturingindustry,enterprisestoimproveproductivity,and,guaranteeproductquality,asanimportantpartoftheautomationproductionline,industrialrobotsaregraduallyapprovedandadoptedbyenterprises.Industrialrobottechnologystandardsandapplicationlevel,toacertainextent,reflectalevelofnationalindustrialautomation.Currently,Industrialrobotmainlytaskedwithwelding,spraying,handlingandstacking,repetitiveandintensityofsignificantwork.Thispaperstudiesthecurrentsituationofthedevelopmentofmechanicalhand,bystudyingtheworkingprincipleoftherobot,familiarwithhandlingrobotlocomotionmechanism.Onthisbasis,identified4-DOFofhandlingrobot'sbasicsystemarchitecture,simplestrengthcalculationwasmadeonhandlingrobotstructure,finishhandlingrobotmechanicaldesign(includingtransmissionpart,operativ，achievetheincreaseddeclineinsportsandworkpiececlampingaction,asteppermotorcontrolmanipulatorpositiveinversion.Controlleronlyallowsthesedevicesmovefromoneassemblylinetootherassemblylineinspace,performrelativelysimpletaskes.Designedofthehandlingrobotusedinautomaticproductionline,realizingtheautomaticproduction,reduceindustrialworkersmuchrepetitivework,alsocanimprovelaborproductivity.Thispaperismorecomprehensiveintroductionandsumming-upfortheforthewholedesignwork.Keywords：Transferrobot,Strengthcalculation,Structuredesign2南昌航空大學學士學位論文SignatureofSupervisor:目錄摘要.............................................................................................................................................1Abstract.........................................................................................................................................2目錄.............................................................................................................................................31緒論.....................................................................................................................................4搬運機器人概述...............................................................................................................4搬運機械人的應用簡況...................................................................................................6搬運機器人的應用意義...................................................................................................7機械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢.......................................................................................7本論文的主要工作...........................................................................................................92搬運機械手總體設計方案...............................................................................................10自由度和坐標系的選擇.................................................................................................10搬運機器人的組成.........................................................................................................11搬運機器人的技術(shù)參數(shù).................................................................................................13搬運機器人結(jié)構(gòu)簡圖.....................................................................................................143零部件結(jié)構(gòu)設計..............................................................................................................15夾持式手部結(jié)構(gòu).............................................................................................................15臂部的設計及有關(guān)計算.................................................................................................16步進電機的選型.............................................................................................................21聯(lián)軸器的選擇設計.........................................................................................................22機座設計及電磁閥的選擇............................................................................................244結(jié)構(gòu)強度計算、尺寸設計與校核...................................................................................28手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核.................................................................................28手臂升降氣缸的尺寸設計與校核.................................................................................29步進電機的尺寸設計與校核.........................................................................................30總體結(jié)構(gòu)圖、實體圖的繪制.........................................................................................325控制系統(tǒng)...........................................................................................................................34的主要特點.............................................................................................................343南昌航空大學學士學位論文的發(fā)展階段.............................................................................................................35的選擇.....................................................................................................................35機械手的循環(huán)工作說明.................................................................................................366結(jié)論...................................................................................................................................37參考文獻.......................................................................................................................................39致謝...............................................................................................................................................41附錄A4-DOF搬運機器人的結(jié)構(gòu)設計1緒論搬運機器人概述搬運機器人在實際的工作中就是一個機械手，機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。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。4南昌航空大學學士學位論文機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“MechanicalHand”，它是為主機服務的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu)——執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1-1所示。圖1-1機器人的一般組成對于現(xiàn)代智能機器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙5南昌航空大學學士學位論文物，以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機器人的。要實現(xiàn)機器人所期望實現(xiàn)的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2所示。圖1-2機器人各組成部分之間的關(guān)系機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。搬運機械人的應用簡況在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75％是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5％。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動線。國內(nèi)外機械工業(yè)機搬運械手主要應用于以下幾方面：1）熱加工方面的應用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。6南昌航空大學學士學位論文2）冷加工方面的應用冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯(lián)接的重要于段。3）拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機械手，可用以對客車內(nèi)部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。近些年，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機械手中越來越多的應用，工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。搬運機器人的應用意義在機械工業(yè)中，搬運機器人的應用意義可以概括如下：1）可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。2）可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3）可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應用機械人代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工7南昌航空大學學士學位論文自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。綜上所述，有效地應用機器人是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。機械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領(lǐng)域也在不斷地擴大。機器手發(fā)展概況早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機械手。50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型。60～70年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術(shù)進入了應用階段。80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應用。90年代以后，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等的快速發(fā)展，機械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展?？傊?，目前機械手的主要經(jīng)歷分為三代：第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一環(huán)。隨著現(xiàn)代化科學技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計8南昌航空大學學士學位論文算機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。機械手的發(fā)展趨勢目前國內(nèi)工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，國內(nèi)主要是逐步擴大機械手應用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機構(gòu)，設計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機械手裝配。現(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)9南昌航空大學學士學位論文合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。本論文的主要工作本文研究了國內(nèi)外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學習機械手的工作原理，熟悉了搬運機器人的運動機理。在此基礎上，確定了四自由度搬運機器人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機器人的結(jié)構(gòu)進行了簡單的強度計算，完成了搬運機器人機械方面的設計（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）和簡單的三維實體造型工作。本課題將要完成的主要工作如下:1)選取機械手的座標型式和自由度；2)確定四自由度搬運機器人驅(qū)動系統(tǒng)的類型；3)確定四自由度搬運機器人的整體結(jié)構(gòu)設計方案；4)設計出機械人的各執(zhí)行機構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。為了使通用性更強，手部設計成可更換結(jié)構(gòu)；5)零部件結(jié)構(gòu)強度計算與校核；6)繪制機器人的各零部件圖，并完成搬運機器人裝配圖，最后運用三維軟件畫出實體圖；7）控制方案的設計。2搬運機器人總體設計方案對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、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；盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。本次設計的機械手是氣動上下料機械手，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備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。自由度和坐標系的選擇機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當于固定坐標系所具有的獨10南昌航空大學學士學位論文立運動數(shù)，對于一個構(gòu)件來說，它有幾個運動坐標就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機器人的自由度數(shù)。機器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19個關(guān)節(jié)組成，共有27個自由度。而生產(chǎn)實踐中不需要機器人的手有這么多的自由度一般為3-6個（不包括手部）。本次設計的搬運機器人為4自由度即：手爪張合；臂部伸縮；臂部升降；臂部回轉(zhuǎn)。工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)、圓柱坐標結(jié)構(gòu)、球坐標結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應的特點，分別介紹如下：1)直角坐標機器人結(jié)構(gòu)直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。2)圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。3)球坐標機器人結(jié)構(gòu)球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。4)關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。根據(jù)要求及在實際生產(chǎn)中的用途，本次設計的搬運機器人采用圓柱坐標。11南昌航空大學學士學位論文(a)直角坐標型（b）圓柱坐標型（c）球坐標型（d）關(guān)節(jié)型圖2-1四種機器人坐標形式搬運機器人的組成搬運機器人由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。執(zhí)行機構(gòu)1）手部手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設計的手部選擇氣動手爪手部結(jié)構(gòu)。本次設計的搬運機器人手部執(zhí)行部件如圖2-2。12南昌航空大學學士學位論文圖2-2搬運機器人手部執(zhí)行部件示意圖如圖2-2的機構(gòu)簡圖，手部執(zhí)行依靠氣缸的伸縮運動來實現(xiàn)其張合運動，結(jié)構(gòu)緊湊，產(chǎn)生的驅(qū)動力也必將大。2）腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。3）臂部手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精13南昌航空大學學士學位論文度直接影響機械手的工作性能。本次設計實現(xiàn)臂部的上下移動、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運動。手臂的運動參數(shù)：伸縮行程：100mm；伸縮速度：200mm/s；升降行程：200mm；升降速度：250mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：0~180。機器人手臂的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在圓柱坐標式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。4）機座機座是機身機器人的基礎部分，起支撐作用。對固定式機器人，直接聯(lián)接在地面上，對可移動式機器人，則安裝在移動結(jié)構(gòu)上。機身由臂部運動（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機構(gòu)及其相關(guān)的導向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動越多，機身的結(jié)構(gòu)和受力越復雜。本次畢業(yè)設計的搬運機器人的機身選用升降回轉(zhuǎn)型機身結(jié)構(gòu)；臂部和機身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動源來自步進電機。驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)是搬運機器人的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同，工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。液壓驅(qū)動壓力高，可獲得大的輸出力，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便，但是，液壓元件成本高，油路比較復雜。氣動驅(qū)動壓力低，輸出力較小如需要輸出力大時，其結(jié)構(gòu)尺寸過大，阻尼效果差低速不易控制，但結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低。電動機驅(qū)動有：異步電動機、步進電動機為動力源，電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動機性能也逐漸提高。本次設計的搬運機器人的驅(qū)動機構(gòu)采用氣動和步進電機相結(jié)合驅(qū)動的方式。控制機構(gòu)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。搬運機器人的技術(shù)參數(shù)1)用途：用于車間搬運2)設計技術(shù)參數(shù)：a)抓重：1Kg(平行氣爪)；b)自由度數(shù)：4個自由度（手爪張合；臂部伸縮；臂部回轉(zhuǎn)；臂部升降4個運動）；14南昌航空大學學士學位論文c)坐標型式：圓柱坐標系；d)最大工作半徑：300mm；e)手臂最大中心高：591mm；f)手臂運動參數(shù):伸縮行程：100mm；伸縮速度：200mm/s升降行程：200mm升降速度：250mm/s回轉(zhuǎn)范圍：0～180°回轉(zhuǎn)速度：45°/s搬運機器人結(jié)構(gòu)簡圖結(jié)構(gòu)簡圖如下圖2-3圖2-3四自由度搬運機器人結(jié)構(gòu)簡圖1-步進電機2-標準氣缸3-標準氣缸4-平行氣爪3零部件的結(jié)構(gòu)設計15南昌航空大學學士學位論文夾持式手部結(jié)構(gòu)機器人的手部是機器人最重要的部件之一，從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機器人的手部和類人機器人的手部。目前前者應用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。工業(yè)機器人的手部夾持器（亦稱抓取機構(gòu)）是用來握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同。其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設計的，按握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類：1）夾持式：包括內(nèi)撐式與外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。2）吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。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。設計時考慮的幾個問題1)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。2)手指間應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。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應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。3)保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。4)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，當應盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。16南昌航空大學學士學位論文5)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)是平行氣動手爪。搬運工件是小于一千克的物體，所以我們選擇MHZ2-40C型氣動手爪。夾緊裝置依靠氣缸的伸縮實現(xiàn)手爪的張開和閉合，這種型號的氣爪夾持力范圍在300-800N,足夠夾緊1千克的工件。平行氣動手爪其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1平行氣動手爪結(jié)構(gòu)圖臂部的設計及有關(guān)計算手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括3個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本節(jié)敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動設置在機身處，將在下一節(jié)詳述。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)17南昌航空大學學士學位論文和各種傳動機構(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腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。臂部設計的基本要求臂部設計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為此，需要滿足下列各項基本要求：1)臂部應承載能力大、剛度好、自重輕對于機械手臂部或機身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應注意以下幾方面：a)根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸；b)提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離；c)合理布置作用力的位置和方向；d)注意簡化結(jié)構(gòu)；e)提高配合精度。2)臂部運動速度要高，慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在250mm/s最大回轉(zhuǎn)角速度設計在90/s內(nèi)，大部分平均移動速度為200mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在45/s。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個途徑：a)減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料；b)減少臂部運動件的輪廓尺寸；c)減少回轉(zhuǎn)半徑ρ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作；d)在驅(qū)動系統(tǒng)中設緩沖裝置。3)手臂動作應該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。18南昌航空大學學士學位論文4)位置精度要求高一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度要求較高；關(guān)節(jié)式機械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設定位裝置和檢測結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。5)設計合理合理設計與腕和機身的連接部位，臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機器人的強度、剛度和承載能力，而且還直接影響到機器人的外觀?？偨Y(jié)：除此之外，要求機械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手還要設置防塵裝置等。以上要求是相互制約的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設計出完美的、性能良好的機械手。手臂的典型機構(gòu)及結(jié)構(gòu)的選擇1)手臂的典型運動機構(gòu)常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種：a)雙導桿手臂伸縮機構(gòu)；b)手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)；c)雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)；d)活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。2)手臂運動機構(gòu)的選擇通過以上，綜合考慮，本次設計選擇氣缸伸縮機構(gòu)，使用氣壓驅(qū)動，水平伸縮氣缸選用伸縮式氣缸。伸縮手臂氣缸直徑選擇本設計氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸2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的總阻力，其公式為:?D2PF1??Ft?Fz上式中:F1-活塞桿上的推力，N（3-1）19南昌航空大學學士學位論文Ft-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:Ft?Gf?s4G?GdfD1n4Gf=Gd18D1n上式中:Gf-彈簧剛度，N/m1-彈簧預壓縮量，ms-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?109Pa在設計中，必須考慮負載率?的影響，則:F?D2p?1?4?Ft由以上分析得單向作用氣缸的直徑:D???p?Gd4179.4?1094代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得G?f?(3.5?10?3)8D?1n8?(30?10?3)3?50?1103.24(N/m)Ft?Gf?s?1103.24?100?10?3?110.3(N)20(3-4)（3-2）（3-3）南昌航空大學學士學位論文所以:D???????0.5?10?23.14(mm)查有關(guān)手冊圓整，得D?20mm升降手臂氣缸直徑選擇設計氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸1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的總阻力，其公式為:?D2PF1??Ft?Fz4上式中:F1-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:Ft?Gf?(3-5)(3-6)Gf=1上式中:Gf-彈簧剛度，N/m1-彈簧預壓縮量，ms-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?109Pa在設計中，必須考慮負載率?的影響，則:21南昌航空大學學士學位論文?D2p?F1??Ft4由以上分析得單向作用氣缸的直徑:D???p?Gd144（3-7）（3-8）79.4?109?(3.5?10?3)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得Gf??38?(30?10?3)3?1008D1n?551.62(N/m)Ft?Gf?s?551.62?200?10?3?110.3(N)所以:D???????0.5?10?39.43(mm)查有關(guān)手冊圓整，得D?40mm步進電機選型步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機流行于20世紀70年代,70年代中期以后多用寬調(diào)速直流伺服電機,進入80年代以來,交流伺服電機調(diào)速技術(shù)取得了突破性進展,并大舉進入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域,占據(jù)了絕對優(yōu)勢。但是,步進電機結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、容易控制、維修方便,而且隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,其驅(qū)動控制除功率放大電路外,都可以由軟件實現(xiàn)。因此,本設計選用步進電機來帶動氣缸的回轉(zhuǎn)。工作原理步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)22南昌航空大學學士學位論文動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。步進電機的特點與選用步進電機具有如下特點1)一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。2）步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4）步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。本設計是一個小型的氣動機械手，需要的轉(zhuǎn)矩不大，查閱相關(guān)資料，同時根據(jù)步進電機的特點我們選用二相混合式步進電機，初步定為拓達步進電機型號為TDA332-S。聯(lián)軸器的選擇設計聯(lián)軸器的類型根據(jù)聯(lián)軸器有無彈性元件、對各種相對位移有無補償能力，即能否在發(fā)生相對位移條件下保持聯(lián)接功能以及聯(lián)軸器的用途等，聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器，撓性聯(lián)軸器和安全聯(lián)軸器。聯(lián)軸器的主要類型、特點及其在作用，詳見表3-1。表3-1聯(lián)軸器類型23南昌航空大學學士學位論文類別在傳動系統(tǒng)中的作用備注剛性聯(lián)軸只能傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，不具備其包括凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾器他功能殼聯(lián)軸器等無彈性元件的撓性聯(lián)軸器，不僅能傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，而且具有不包括齒式聯(lián)軸器、萬向聯(lián)軸器、同程度的軸向、徑向、角向補償性鏈條聯(lián)軸器、滑塊聯(lián)軸器等能撓性聯(lián)軸有彈性元件的撓性聯(lián)軸器，能器包括各種非金屬彈性元件撓性傳遞運動和轉(zhuǎn)矩；具有不同程度的聯(lián)軸器和金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器，軸向、徑向、角向補償性能；還具各種彈性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)不同，差異較有不同程度的減振、緩沖作用，改大，在傳動系統(tǒng)中的作用亦不盡相同善傳動系統(tǒng)的工作性能傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，過載安全保安全聯(lián)軸包括銷釘式、摩擦式、磁粉式、護。撓性安全聯(lián)軸器還具有不同程器離心式、液壓式等安全聯(lián)軸器度的補償性能聯(lián)軸器類型的選擇選擇聯(lián)軸器類型時，應考慮：1)所需傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和性質(zhì)、對緩沖、減振功能的要求以及時否可能發(fā)生共振等。2)由制造和裝配誤差、軸受載和熱膨脹變形以及部件之間的相對運動等引起兩軸軸線的相對位移程度。3)許用的外形尺寸和安裝方法，為了便于裝配、調(diào)整和維修所必需的操作空間。對于大型的聯(lián)軸器，應能在軸不需作軸向移動的條件下實現(xiàn)裝拆。此外，還應考慮工作環(huán)境、使用壽命以及潤滑和密封和經(jīng)濟性等條件，再參考各類聯(lián)軸器特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。聯(lián)軸器的選擇與繪制由于設計的氣動式機械手的轉(zhuǎn)矩很小，我采用的是自己設計的安全聯(lián)軸器，外形尺寸有利于安裝、調(diào)整和維修，而且聯(lián)軸器不容易松動。CAD繪制聯(lián)軸器如圖3-2所示24南昌航空大學學士學位論文圖3-2聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖機座設計及電磁閥的選擇機座是直接支撐手臂的部件。臂部的運動越多，機座的受力情況就越復雜，負載也越大。機座是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。本設計的是小型氣動機械手，結(jié)構(gòu)比較簡易，重量也很小，所以機座的設計也很簡單。機座的整體設計按照設計要求，機械手要實現(xiàn)手臂180的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構(gòu)，就要綜合考慮分析。機座承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運動，是機械手的重要組成部分。經(jīng)過綜合考慮，本設計選用步進電機置于升降缸之下的結(jié)構(gòu)。手臂部件與步進電機的軸聯(lián)接。機座具體結(jié)構(gòu)見圖3-3。25南昌航空大學學士學位論文圖3-3機座結(jié)構(gòu)圖電磁閥的選擇電磁閥是用來控制流體方向的自動化基礎元件，屬于執(zhí)行器；通常用在機械控制和工業(yè)閥門上面，通過一個電磁線圈來控制閥芯位置，切斷或接通氣源以達到改變流體流動方向的目的，來對介質(zhì)方向進行控制，從而達到對閥門開關(guān)的控制。當有電流通過線圈時,固定鐵芯吸合動鐵芯,改變滑閥芯的位置，發(fā)生勵磁作用,動鐵芯帶動滑閥芯并壓縮彈簧,從而改變流體的方向。當線圈失電時，依靠彈簧的彈力推動滑閥芯，頂回動鐵芯，使流體按原來的方向流動。電磁閥從原理上分為三大類：1）直動式電磁閥。它分常開、常閉兩種。圖為直動常閉電磁閥，在斷電時,電磁閥呈關(guān)閉狀態(tài),當電磁閥線圈通電后,產(chǎn)生的電磁力使動鐵芯與靜鐵芯吸合,直接開啟閥口,介質(zhì)從進口流向出口,當線圈斷電后,動鐵芯在復位彈簧的作用下復位,直接關(guān)閉閥口,而切斷了介質(zhì)的流通。常開式則斷電時閥門開啟,通電時,閥門關(guān)閉。特點：結(jié)構(gòu)簡26南昌航空大學學士學位論文單、動作可靠,在零壓差或真空下能正常工作,可任意方向安裝,但一般適用于通徑在25mm以下。2）分步直動式電磁閥。它由主閥與導閥組成,動作分步實現(xiàn),而電磁力直接吸合動鐵芯到主閥芯。如圖3-4為常閉式,當電磁線圈通電后,產(chǎn)生的電磁力使動鐵芯與靜鐵芯吸合,導閥口開啟而導閥口設在主閥芯上,動鐵芯與閥芯通過機械方式直接連續(xù)一起。此時,主閥上腔的壓力通過導閥口卸荷,由于壓力差和電磁力的聯(lián)合作用,使主閥芯向上運動,開啟主閥介質(zhì)流通。當線圈斷電時,電磁力消失,動鐵芯因自重脫離靜鐵芯,并關(guān)閉了導閥孔,此時介質(zhì)從平衡孔進入主閥芯上腔,使上腔壓力升高,在主閥芯自重的作用下,閥門關(guān)閉,介質(zhì)斷流。特點：在壓差等于零及抽真空時亦能可靠動作,但功率消耗較大,通徑受一定限制,且應豎直安裝。圖3-4常閉分步直動式電磁閥3）先導式電磁閥。它由先導閥與主閥組成,兩者有通道聯(lián)系著,如圖3-5當電磁線圈通電,動鐵芯與靜鐵芯吸合而導閥孔①開放,閥芯背腔②的壓力通過導閥孔①流向出口,此時閥芯背腔②的壓力低于進口側(cè)的壓力,利用壓差使得閥芯脫離主閥座③,介質(zhì)從進口流向出口。當線圈斷電,動鐵芯與靜鐵芯脫離,關(guān)閉了導閥孔①,閥芯背腔②壓力受進口側(cè)壓力關(guān)閉了導閥孔①,閥芯背腔②壓力受進口側(cè)壓力的補充逐漸趨于和進口側(cè)平衡,閥芯因彈簧作用把閥門關(guān)閉。先導閥也可配常開式。特點：功率消耗低、27南昌航空大學學士學位論文通徑較大,而結(jié)構(gòu)簡單、安裝方向任意,但只能用于電磁閥兩端有一定壓差的場合。圖3-5先導式電磁閥在生產(chǎn)中常用的電磁閥有二位二通、二位三通、二位四通、二位五通等。二位二通（1個進氣、1個出氣）二位三通（1個進氣、1個出氣、1個排氣）二位四通（1個進氣、2個出氣、1個排氣）二位五通（1個進氣、2個出氣、2個排氣）電磁閥分為常閉型和常開型兩種，常閉型指線圈沒通電時氣路是斷的，常開型指線圈沒通電時氣路是通的。電磁閥選型應該依次遵循安全性，可靠性，適用性，經(jīng)濟性四大原則和六個現(xiàn)場工況要求。本設計為標準單作用氣缸，查閱相關(guān)資料，應該選擇而位三通直動式電磁閥比較合適。電磁閥1控制氣缸1，電磁閥2控制氣缸2，電磁閥3控制氣動手爪，電磁閥型號都為VKF332。28南昌航空大學學士學位論文4結(jié)構(gòu)強度計算、尺寸設計與校核手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核手臂伸縮氣缸的尺寸設計手臂伸縮氣缸采用標準氣缸，參看各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設計的實際要求，尺寸系列初選內(nèi)徑為?20，氣缸用CM2C20-100S型氣缸：尺寸校核1.在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑D1=20mm,半徑R=10mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強P?0.4MPa,則驅(qū)動力：F?P??R2?125.6(N)（4-1）手爪質(zhì)量約為1kg,物體重量1kg,設計加速度a?5(m/s)，G=mg=2x10=20(N)則慣性力F1?ma?2?5?10(N)（4-2）2.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù)k?0.2,?0.2?10?2(N)?（4-3）總受力F0?F1?Fm?10?2?12(N)F0?F所以標準CM2C20-100S型號氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。氣缸圖形繪制氣缸2的CAD圖如圖4-129南昌航空大學學士學位論文圖4-1氣缸2結(jié)構(gòu)尺寸圖手臂升降氣缸的尺寸設計與校核4.手臂升降氣缸的尺寸設計手臂升降氣缸采用標準氣缸，參看各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設計的實際要求，尺寸系列初選內(nèi)徑為?40，氣缸用CM2B40-200S型氣缸：尺寸校核氣缸運行長度設計為l=200mm,氣缸內(nèi)徑為D1=40mm,半徑R=20mm,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.?R2``?502.4(N)（4-4）1．氣爪質(zhì)量約為1kg,工件質(zhì)量為1kg，氣缸2重量約為3kg，則重力?5?10?50(N)G?mg2.設計加速度a?5(m/s)，則慣性力G1?ma?5?5?25(N)30南昌航空大學學士學位論文3.考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)，?0.1?25?2.5(N)?總受力Gq?G?G1?Gm?77.5(N)Gq?G0所以設計尺寸符合實際使用要求。氣缸的圖形繪制氣缸1的CAD圖如圖4-2圖4-2氣缸1結(jié)構(gòu)尺寸圖步進電機的尺寸設計與校核尺寸設計本設計選擇的是2相拓達步進電機，型號為TDA332-S各參數(shù)分別為步距角：°電壓：電流：4A電阻：Ω電感：31南昌航空大學學士學位論文長度：80mm保持力矩M：．M步進電機運行角速度：45°/s適配驅(qū)動器：DA6280尺寸校核參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量約為m1?9kg,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?40mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：J?m1r22（）M慣?J.??t?0.0072?90?0.51.296(N.m)考慮軸承間的摩擦力，設定摩擦系數(shù)k?0.2,M摩慣（）總驅(qū)動力矩M驅(qū)?M慣?M摩（）M驅(qū)〈M?設計尺寸滿足使用要求。步進電機的圖形繪制步進電機的CAD圖如圖4-332（4-6）（4-5）（4-7）（4-8）南昌航空大學學士學位論文圖4-3拓達步進電機TDA332-S總體結(jié)構(gòu)圖的繪制繪制總體結(jié)構(gòu)圖如下圖4-433南昌航空大學學士學位論文圖4-4總體結(jié)構(gòu)尺寸圖1-機座2-拓達步進電機3-聯(lián)軸器4-氣缸16-螺母M207-單耳環(huán)8-螺母M149-螺母M30345-氣缸210-螺栓南昌航空大學學士學位論文5控制系統(tǒng)的主要特點1)高可靠性a)所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。b)各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10~20ms。（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。c)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。d)對采用的器件進行嚴格的篩選。e)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。f)大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠性更進一步提高。2)豐富的I/O接口模塊PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。3)采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4)編程簡單易學PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5)安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。35南昌航空大學學士學位論文的發(fā)展階段雖然PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進步，PLC也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個階段：1)早期的PLC（60年代末—70年代中期）早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。這時的PLC多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。它在硬件上以準計算機的形式出現(xiàn)，在I/O接口電路上作了改進以適應工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。裝置中的器件主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。其中PLC特有的編程語言—梯形圖一直沿用至今。2)中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）在70年代，微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為PLC的中央處理單元(CPU)。這樣，使PLC得功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使PLC得應用范圍得以擴大。3)近期的PLC（80年代中、后期至今）進入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的PLC所采用的微處理器的當次普遍提高。而且，為了進一步提高PLC的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。的選擇可編程邏輯控制器（PLC）是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，又稱可編程控制器。它使用可編程存儲器存儲用戶設計的程序指令，這些指令用來實現(xiàn)邏輯運算、順序操作、定時、計數(shù)及算術(shù)運算和通過數(shù)字或模擬輸入/輸出來控制各種機電一體化，程序可變、抗干擾能力強、可靠性高、功能強、體積小、耗電低，特別是易于控制、價格便宜等特點。因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制.當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。36南昌航空大學學士學位論文機械人循環(huán)動作說明電磁閥3得電，氣動手指張開；延遲2s后電磁閥2得電，汽缸2伸長；延遲2s后電磁閥3斷電，氣動手指閉合夾緊工件；延遲2s后電磁閥1得電，汽缸1上升；延遲2s后步進電機順時針轉(zhuǎn)動2s剛好轉(zhuǎn)90°；停頓1s鐘后電磁閥3得電，氣動手指張開松開工件；然后電磁閥2斷電汽缸2回縮，電磁閥3斷電氣動手指閉合，電磁閥1斷電，汽缸1下降，步進電機逆時針轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)90°回原點。根據(jù)動作要求得出流程圖，如圖4-1所示。在運用中可根據(jù)實際需要修改電路和程序。原點氣動手指張開機械臂伸長夾緊工件機械臂上升機械手正轉(zhuǎn)90°機械手反轉(zhuǎn)90°機械臂下降氣動手指閉合機械臂回縮松開工件圖4-1機械手搬運工件流程圖可編程邏輯控制器（PLC）又稱可編程控制器。它是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)。它使用可編程存儲器存儲用戶設計的程序指令，這些指令用來實現(xiàn)邏輯運算、順序操作、定時、計數(shù)及算術(shù)運算和通過數(shù)字或模擬輸入，輸出來控制各種機電一體化，程序可變、抗干擾能力強、可靠性高、功能強、體積小、耗電低，特別是易于、價格便宜等特點，具有廣泛的應用前景。正是基于PLC這些特點，遠遠可以滿足該套工業(yè)機械手的要求。6結(jié)論37南昌航空大學學士學位論文為了改善勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，快速實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的機械化和自動化，搬運機器人受到很多國家的重視，并被廣泛運用。本文研究了國內(nèi)外機器人發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學習機器人的工作原理，熟悉了搬運機器人的運動機理。在此基礎上，確定了搬運機器人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完成了機器人機械方面的設計（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）工作。文章從搬運機器人的實用方面入手，提出了一套總體設計方案，并根據(jù)機器人自由度的要求選取圓柱坐標系為本次設計坐標系。同時，就搬運機器人的組成（執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)）以及現(xiàn)實作業(yè)，給出了具體的手部、腕部、臂部和機座的結(jié)構(gòu)形式；并選擇氣壓驅(qū)動作為本次設計的驅(qū)動機構(gòu)。最后用三維軟件畫出實體圖，如圖6-1、圖6-2所示。本設計還有很多不足之處，由于自身的知識儲備還很淺薄，所以在結(jié)構(gòu)設計、力的計算及系統(tǒng)分析上還有很多漏洞，這些都需要自己在以后的生活中不斷學習研究并通過實踐加以完善。38南昌航空大學學士學位論文圖6-1三維實體圖圖6-2三維實體圖參考文獻［1］吳振彪主編.工業(yè)機器人[M].武漢：華中科技大學出版社，2004［2