購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 基與 自由度機械手控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 目錄 .摘 .一章 緒論 .械手概述 .械手的組成和分類 . 機械手的組成 .械手的分類 .內(nèi)外發(fā)展狀況 . .題的提出及主要任務 . 課題的提出 . 課題的主要任務 .二章 機械手的設計方案 .械手的座標型式與自由度 .械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計 .械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計 .械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計 .械手的驅(qū)動方案設計 .械手的控制方案設計 .械手的主要參數(shù) .械手的技術(shù)參數(shù)列表 .三章 手部結(jié)構(gòu)設計 .持式手部結(jié)構(gòu) . 手指的形狀和分類 . 設計時考慮的幾個問題 . 手部夾緊氣缸的設計 .四章 手腕結(jié)構(gòu)設計 .腕的自由度 .腕的驅(qū)動力矩的計算 . 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 . 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 . 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 校核 .五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的設計與校核 .臂伸縮部分 尺寸設計與校核 . 尺寸設計 . 尺寸 校核 . 3 導向裝置 . 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 5 4 平衡裝置 .臂升降部分 尺寸設計與校核 . 尺寸設計 . 尺寸 校核 .臂回轉(zhuǎn)部分尺寸設計 與校核 . 尺寸設計 . 尺寸 校核 .六章 氣動系統(tǒng)設計 .壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 .壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制 .七章 機械手的 制設計 .編程序控制器的選擇及工作過程 . 可編程序控制器的選擇 . 可編程序控制器的工作過程 .編程序控制器的使用 步驟 .械手可編程序控制器控制方案 .論 .謝 .考文獻 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 中文摘要 本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，機械手的自由度和坐標形式，氣動技術(shù)的特點， 本文對機械手進行總體方案設計，確定了機械手的坐標形式和自由度，確定了機械手的技術(shù)參數(shù)。同時，設計了機械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)，設計了機械手的手腕結(jié)構(gòu)，計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩。設計了機械手的手臂結(jié)構(gòu)。 設計出了機械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，對氣壓系統(tǒng)工 作原理圖的參數(shù)化繪制進行了研究，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。 利用可編程序控制器對機械手進行控制，選取了合適的 據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。 關鍵詞 工業(yè)機器人，機械手，氣動，可編程序控制器（ 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 t of of s of of of At of of of of of of of of of to LC to of s of 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 第一章 緒 論 業(yè)機械手概述 工業(yè)機器人由操作機 (機械本體 )、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。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，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重 要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術(shù)領域不可缺少的自動化設備 給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率 :可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn) ;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越 廣泛的引用 用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，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 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 械手的組成和分類 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖 2 機械手組成 方框圖 : of of 一 )執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構(gòu)。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指 (或手爪 )和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影 響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔 )和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、 手指有外夾式和內(nèi)撐式 ;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有 :滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位 (即姿勢 ) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手 臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置 如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等 )與驅(qū)動源 (如液壓、氣壓或電機等 )相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降 (或俯仰 )運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立 時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5、行走機構(gòu) 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構(gòu)可分裝滾 輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 6、機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (二 )驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機械擋塊定位 )系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流 控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動， 并記憶人們給予機械手的指令信息 (如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間 )，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (二 )控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機械擋塊定位 )系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間 )，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四 )位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設定位置 . 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一 )按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種 : 1、專 用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和叻口工中心” 2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位 的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種 :簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制 :可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制， 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)， 一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類 型。 (二 )按驅(qū)動方式分 1、液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是 :抓重可達幾百公斤 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電 液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2、氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是 :介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu) (如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等 )驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手 ，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 4、電力傳動機械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三 )按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng) 的復雜性。目前使用的專用 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 內(nèi)外發(fā)展狀況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢 : (1)工業(yè)機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91年的 7年的 65萬美元。 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可 重構(gòu)化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機 ;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 于標準化、網(wǎng)絡化 ;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行 環(huán)境建模及決策控制 ;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從 94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床 ”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人 ;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)模應用，弧焊機器人己應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 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 :機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距 ;在應用規(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)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，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)化前期的關鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程 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， 6000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、聲覺等基礎技術(shù)的 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。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)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和 產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 進入 21世紀，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動生產(chǎn)率，降低工人的勞動強度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，本設計的目的就是設計一個氣動搬運機械手，應用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運到另外一條生產(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。 現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點 : (1)液 壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失 (摩擦損失、泄露損失等 ):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。 (2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高 ;且使用維護需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動， 氣動技術(shù)有以下優(yōu)點 : 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提 取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器 :介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題 . （ 2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小 (一般不卜澆塞僅為油路的千分之一 )，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。 (3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要 動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流 程不致突然中斷。 (5)工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為 :由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難 (尤其在高速情況下，似乎更難想象 )。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復 雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。 本課題將要完成的主要任務如下 : 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 (1)機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面相對較廣 . (2)選取機械手的座標型式和自由度 (3)設計出機械手的各執(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)，不僅可以應用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需 要的時候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。 (4)氣壓傳動系統(tǒng)的設計 本課題將設計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設計，并繪出氣動原理圖。 (5)對氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的參數(shù)化繪制進行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質(zhì)量。 (6)機械手的控制系統(tǒng)的設計 本機械手擬采用可編程序控制器 (機械手進行控制，本課題將要選取 據(jù)機械手的工作流程編制出 畫出梯形圖。 第二章 機械手的設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾 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 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，動強度大和操作單調(diào)頻 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 圖 2械手的運動示意圖 ap of 械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部 ;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和 降 (或俯仰 )運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 械手的驅(qū)動方案設計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。 械手的控制方案設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變 常方便快捷。 械手的主要參數(shù) 于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質(zhì)量為 5公斤 作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設計為 最大回轉(zhuǎn)速度設計為 s/90 。平均移動速度為 平均回轉(zhuǎn)速度 為 s/60 。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為 600大工作半徑約為 手臂升降行程定為 定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為 。 械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途 : 用于自動輸送線的上下料。 二、設計技術(shù)參數(shù) : 1、抓重 2、自由度數(shù) 3個自由度 3、座標型式 圓柱座標 4、最大工作半徑 5、手臂最大中心高 6、手臂運動參數(shù) 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 伸縮行程 伸縮速度 00 升降行程 升降速度 50 回轉(zhuǎn)范圍 3600 回轉(zhuǎn)速度 s/90 7、手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 3600 回轉(zhuǎn)速度 s/90 8、手指夾持范圍 棒 料 : 5080 9、定位方式 行程開關或可調(diào)機械擋塊等 10、定位精度 11、驅(qū)動方式 氣壓傳動 12、控制方式 點位程序控制 (采用 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 圖 2 機械手的工作范圍 三章 手部結(jié)構(gòu)設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部 :如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)， 構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指 (或手爪 )和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 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 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 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?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結(jié)構(gòu)比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 (一 )具有足夠的握力 (即夾緊力 ) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 (二 )手指間應具有一定的開閉角 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。 (三 )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。 (四 )具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 (五 )考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型， 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成 結(jié)構(gòu)如附圖所示。 1、手部驅(qū)動力計算 本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖 3 圖 3輪齒條式手部 工件重量 G=5公斤， 1202 ， 41 2 0 ,摩擦系數(shù)為 10.0f (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為 : 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 N (2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式 : )( )(25)42560( 所以 N )(245 N (3)實際驅(qū)動力 : 21實際I,因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取 ，并取 K 。若被抓取工件的最大加速度取 時，則 : 412 所以 )(p 實際所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為 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的總阻力，其公式為 : 4 21 式中 : 1F - 活塞桿上的推力， N 簧反作用力， N 氣缸工作時的總阻力， N P - 氣缸工作壓力， 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 彈簧反作用按下式計算 : )1( 141 彈簧剛度， N/m 1 - 彈簧預壓縮量， m s - 活塞行程， m 1d - 彈簧鋼絲直徑， m 1D - 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 在設計中，必須考慮負載率 的影響，則 : 421 由以上分析得單向作用氣缸的直徑 : (4 1 代入有關數(shù)據(jù)，可得 fG 4333915)1030(8) )/( )1( 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 )(N 所以 : 1(4 )( 查有關手冊圓整，得 5 由 可得活塞桿直徑 : ( 圓整后，取活塞桿直徑 8 校核，按公式 )4/( 21 有 : /14( 其中， ， 501 則 : 2 0/4 9 04( d 滿足實際設計要求。 3,缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算 : 2/ 式中 :6- 缸筒壁厚， - 氣缸內(nèi)徑， mm 驗壓力，取 料為 : =3入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為 : 2/ 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 )(032/(10665 65 取 ，則缸筒外徑為 : )( 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方 位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞 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 ，并且要求嚴格的密封。 4. 2手腕的驅(qū)動力矩的計算 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右 擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 圖 4腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算 : 封摩偏慣驅(qū) 式中 : 驅(qū)驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 ( ); 慣慣性力矩 ( ); 偏參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片 )對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 ( )., ; 封手腕回轉(zhuǎn)缸的動 片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩 ( ); 下面以圖 4析各阻力矩的計算 : 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為 ，起動過程所用的時間為 t ，則 : ).(1 ）（慣 式中 :J - 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ).( 2 1J - 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ).( 2。 若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量 1J 為 : c 11 21e 式中 : 件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ).( 2 1G - 工件的重量 (N); 1e - 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距 ( - 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度 (弧度 /s); t - 起動過程所需的時間 (s); 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度 (弧度 )。 2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 偏M 11+ 33( ) 式中 : 3腕轉(zhuǎn)動件的重量 (N); 3腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距 (當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則 11 . 3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩封M 購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔后加 費領取圖 紙 封M )(2 12 A ( ) 式中 : 1d ， 2d - 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑 ( f - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 01.0f ，對于滑動軸承 1.0f ; 處的支承反力 (N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解， 根據(jù) 0 ）（ ,得 : 33 22 l 32211 同理，根據(jù) (F) 0 ,得 : l )()()( 332211 式中 : 2G - 的重量 (N) 321 , 如圖 4 4、轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 選用的密襯裝置的類型有關，應根據(jù)具體情況加以分析。 在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖 4片 1與缸體 2固連，動片 3與回轉(zhuǎn)軸 5固連。動片封圈 4把氣腔分隔成兩個 動輸出軸作逆時 4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從 之，