31山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 姓名： 論 文 摘 要本次畢業(yè)設(shè)計的題目為四自由度工業(yè)機械手的設(shè)計。本設(shè)計是根據(jù)三年?？扑鶎W(xué)的課程進行的，主要有：機械零件設(shè)計，機械零件圖測繪，液壓與氣動技術(shù)，PLC電子編程技術(shù)，理論力學(xué)，工程力學(xué)等。設(shè)計共分為六章，第一章緒論是說明本次畢業(yè)設(shè)計的目的，意義，研究范圍及要達到的技術(shù)要求，簡述本課題在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題。第二章總體設(shè)計以及總體說明，對工業(yè)機械手的工作原理、組成及其種類型式進行介紹，確定整個機械手的總體方案。第三章工業(yè)機械手的機械部分設(shè)計，是介紹各部件的選擇及相關(guān)數(shù)據(jù)的確定、性能的分析和各參數(shù)的計算；第四章工業(yè)機械手驅(qū)動系統(tǒng)（氣動系統(tǒng)）的設(shè)計，包括：回路設(shè)計，執(zhí)行元件選擇，控制元件選擇以及動作順序表等進行介紹。第五章工業(yè)機械手的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要介紹了PLC的程序梯形圖。第六章是設(shè)計的總結(jié)。在本次的畢業(yè)設(shè)計中，能順利的完成，最重要的是由三位優(yōu)秀的，具有豐富經(jīng)驗的導(dǎo)師王曉初和李克天老師的詳細耐心的解說，教導(dǎo)。而本人也通過畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)書、機械設(shè)計手冊、可編程序控制器以及參考其它有關(guān)機械手設(shè)計的專業(yè)書籍,經(jīng)過十三周的努力終于把此畢業(yè)設(shè)計編制而成。關(guān)鍵字：機械手，氣動系統(tǒng)，PLC，目 錄1 緒論 - 3 11 課題設(shè)計的論述 - 3111 工業(yè)機械手的技術(shù)概述 - 3112現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 - 412 工業(yè)機械手設(shè)計的基本步驟 - 52 總體設(shè)計 621 設(shè)計的基本內(nèi)容 6211總體說明 6212驅(qū)動方式的選擇和設(shè)計 6213整體機構(gòu)的確定 - 73 工業(yè)機械手的機械部分設(shè)計- 83.1 工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù) 83.2 工業(yè)設(shè)計手的參數(shù)計算 - 83.2.1 手部質(zhì)量計算 - 8 3.2.2 機械手的爪部夾緊氣缸的選擇 - 93.2.3 腕部傳動氣缸的選擇 - 103.2.4 伸縮氣缸的選擇 - 113.2.5 對伸縮導(dǎo)桿的校核 - 123.2.6 配重計算 - 133.2.7 升降部分計算 - 143.2.8 對升降導(dǎo)桿的核算 - 153.2.9撓度計算 - 153.2.10轉(zhuǎn)臺型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動氣缸的計算 - 16 4 工業(yè)機械手的控制部分設(shè)計 17 41 回路計算 - 1742 執(zhí)行元件選擇 1743 控制元件選擇 18 44 執(zhí)行元件用氣量的計算和空壓機的選擇 2145 氣動元件的清單 224.6 動作順序表 235 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 2551電氣控制方案設(shè)計和元件的選擇 25 52 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計及PLC及I/O端口分配圖的設(shè)計 2553 PLC梯形圖的設(shè)計 2554 PLC的控制程序 25總結(jié) 致謝參考文獻 1 緒論11 課題設(shè)計的論述機械是現(xiàn)代社會進行生產(chǎn)的主要要素之一，機械制造工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)化國家的基礎(chǔ)工業(yè)，是我國社會主義現(xiàn)代化的重要領(lǐng)域之一。機械設(shè)計是從使用要求等出發(fā)，對機械的工作原理，結(jié)構(gòu)，運動形式，力和能量的傳遞方式，以至各個零件的材料和形狀尺寸，以及使用維修等問題進行構(gòu)思，分析和決策的工作過程，這種過程的結(jié)構(gòu)一般要表達成設(shè)計圖紙，說明書以及各種技術(shù)文件。機械設(shè)計是機械生產(chǎn)的第一步，是決定產(chǎn)品性能及影響產(chǎn)品制造過程的首要環(huán)節(jié)。因此，機械設(shè)計課程是講授一般工作條件和常用參數(shù)范圍內(nèi)的通用設(shè)計的課程。111 工業(yè)機械手的技術(shù)概述 工業(yè)機械手的工作原理和分類 原理 機械手是一種模仿人手動作，并按設(shè)定的程序、軌跡和要求代替人手抓搬運工件或操持工具或進行操作的自動化裝置。 分類 工業(yè)機械手的種類很多按使用范圍可分為：專用機械手、通用機械手。 專用機械手 一般附屬于工作機器設(shè)備，動作程序固定，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨立，亦可以附屬與工作機械設(shè)備。 通用機械手 獨立工作的自動化機械裝置。在規(guī)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。 按驅(qū)動方式可分為：液壓機械手、氣壓機械手、電動機械手和機械式機械手。 液壓機械手 輸出力大，傳動平穩(wěn)。如采用電液伺服機構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴格，油溫對油的粘度影響較大。 氣壓機械手 氣源方便，輸出力小，氣壓傳動速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但工作不大穩(wěn)定，沖擊大，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大。 電動機械手 直接用直線電機，功率步進電機和具有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機等來驅(qū)動，動力源簡單，不需要能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，維護使用方便。 機械式機械手 由工作機械帶動機械手運動，工作可靠，動作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但動作固定不可變。按控制系統(tǒng)可分為：點位控制、連續(xù)控制。 點位控制 只能控制工業(yè)機械手運動的幾個點的位置，運動軌跡不受控制。目前使用的專用和通用的工業(yè)機械手均屬于此類。 連續(xù)控制 工業(yè)機械手按給定的速度沿給定的路線（軌跡）實現(xiàn)平穩(wěn)準確的運動。特點是設(shè)定點是無限的，整個運動過程都要求在控制之下。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 工業(yè)機械手的自由度 所謂工業(yè)機械手的自由度就是整機、手臂和手腕相對于固定坐標所具有的獨立運動。有幾個獨立運動就有幾個自由度。手指的抓取動作不計在自由度數(shù)目內(nèi)。 工業(yè)機械手自由度數(shù)的多少，決定著工業(yè)機械手動作多樣化的程度。自由度數(shù)越多，它的動作越靈活，應(yīng)用越廣。但同時也使控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，定位精度難以保證，整機的造價高，自重大。所以，應(yīng)按生產(chǎn)實際需要選用最少的自由度數(shù)。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的工業(yè)機械手的自由度數(shù)目為個。4工業(yè)機械手手臂的坐標形式按照工業(yè)機械手手臂所具有的運動及其組合情況，若以坐標形式可分為下列四種：（1）直角坐標式 手臂的運動是由三個直線運動組合而成。（2）圓柱坐標式 手臂的運動是由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組成。（3）球坐標式 手臂運動是由一個直線運動和兩個回轉(zhuǎn)運動組成。（4）關(guān)節(jié)式 手臂運動是由三個回轉(zhuǎn)運動組成。 工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)組成 目前國內(nèi)工業(yè)機械手的種類和型式比較多。從結(jié)構(gòu)型式分析，主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。 執(zhí)行機構(gòu) 由手部、手腕、手臂和行走機構(gòu)等運動部件組成。 手部 它具有人手某種單一動作的功能。是機械手直接用于抓取和握緊工件進行操作的部件，要求其抓取工件牢固、定位準確、小損傷工件。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等型式。 夾持式手部是由手指和傳力機構(gòu)組成。手指是直接與物件接觸的構(gòu)件。常用的手指運動型式有回轉(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；平移型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，應(yīng)用較少。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，因此適宜夾持變化范圍大的工件。 手腕 手腕是連接手部和手臂的部件，用來改變或調(diào)整工作的方位（即姿勢）。它可以有上下擺動、左右擺動和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個運動，如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等），手腕還可以有小距離的橫移。也有的工業(yè)機械手沒有手腕。 手臂 手臂是機械手執(zhí)行結(jié)構(gòu)中的部件。其作用是將被抓住工件傳送到規(guī)定位置上，它具有手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)三個自由度。 工業(yè)機械手的手臂是支撐通常由驅(qū)動手臂運動的部件（如油、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。 行走機構(gòu) 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作時，可在機座輪，軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。 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。通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。 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（或機械擋位）系統(tǒng)組成。112 現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢國外機器人領(lǐng)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10.3萬美元降至03年的5.3萬美元。2機械結(jié)構(gòu)向模塊化，可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)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(guān)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PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化，網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度高，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(yīng)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(yīng)用。5虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真，預(yù)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。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(yīng)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(yīng)用的領(lǐng)域。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)，目前已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)和軌道規(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，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，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，我國已安裝的國產(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)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化，通用化，模化設(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，6000米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)應(yīng)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)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。12 工業(yè)機械手設(shè)計的基本步驟 工業(yè)機械手設(shè)計的步驟包括以下：1根據(jù)機械手的功能要求，選定其的類型2分析機械手的工作情況，確定作用在機械手上的載荷。3根據(jù)工作情況分析，判定機械手的失效形式，從而確定其計算準則。4進行主要的參數(shù)選擇，根據(jù)計算準則求出零件的主要尺寸，選擇材料，考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求。5進行對機械手結(jié)構(gòu)分析。6繪制零件圖，制訂技術(shù)要求。2 總體設(shè)計21 總體設(shè)計211 總體設(shè)計工業(yè)機械手是一種模仿人手動作，并按設(shè)定的程序，軌跡和要求代替人手抓搬 運或操作工具或進行操作自動化裝置。機械手的總體設(shè)計要進行全面綜合考慮，盡可能使之做到結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，容易操作安全可靠，安裝維修方便，經(jīng)濟性好。為了提高機械手的運動速度和控制精度，在保證機械手有足夠強度與剛度的條件下，盡可能從結(jié)構(gòu)與材料上設(shè)法減輕機械手的重量，力求選高強度，輕質(zhì)材料，通常用高強度鋁合金制造。據(jù)設(shè)計題目給出的坐標形式和基本參數(shù)確定該設(shè)計和各項結(jié)構(gòu)，其中已確定的各項有：1本工業(yè)機械手是通用機械手，是一種具有獨立控制系統(tǒng)的，程序可變，動作靈活多樣的機械手。通用機械手工作的范圍大，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生產(chǎn)。本工業(yè)機械手的控制定位方式是簡易型的點定位控制，因此，其控制系統(tǒng)不是很復(fù)雜。2本工業(yè)機械手是圓柱坐標的坐標型式，其手臂的運動系由兩個直線運動和兩個回轉(zhuǎn)運動所組成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。特點：占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，并能達到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，但因機械手結(jié)構(gòu)關(guān)系，沿Z軸方向移動的最低位置限制，故不能抓取地面上的物體。3 本工業(yè)機械手是四自由度機械手。所謂工業(yè)機械手的自由度就是整機手臂和手腕相對于固定坐標所具有的獨立運動：1 手臂的升降；2 手臂的升縮；3 手腕部回轉(zhuǎn)；4手臂回轉(zhuǎn)。根據(jù)給出的工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù)，還需確定其余各部件的設(shè)計。212 驅(qū)動方式的選擇和設(shè)計根據(jù)有關(guān)資料的顯示，現(xiàn)在機械手驅(qū)動方式的成熟控制方式有多種，主要以下幾種方式，并進行比較選擇：1 液壓傳動機械手，是以油液的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的機械手，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：介質(zhì)來源極方便，不污染環(huán)境，工作可靠，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，操作維修方便。但是由于空氣具有可壓縮的特點，工作速度的穩(wěn)定性較差，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，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：既由機械傳動機構(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。它的特點是運動準確可靠，動作頻率高，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。常被用于為工作主機的上，下料。 4電力傳動機械手：即由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機，直線電機或步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的機械手，因為不需中間的轉(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，有發(fā)展前途。 綜合上述四種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點結(jié)合本設(shè)計之工業(yè)機械手的各項規(guī)格要求，應(yīng)選用氣壓傳動來實現(xiàn)，則其抓重和定位都可達到，且結(jié)構(gòu)可簡單，其傳動平穩(wěn)和動作靈敏性可達到設(shè)計要求。 因此，本設(shè)計的四自由度工業(yè)機械手選用氣壓傳動機械手作為驅(qū)動方式。213 整體機構(gòu)的確定 1 執(zhí)行機構(gòu) （1）手部：既與物體直接接觸的部件，采用夾持式手部。夾持式手部由手指（或手爪）和傳力機構(gòu)構(gòu)成。手指直接與物體接觸，傳力機構(gòu)采用斜楔杠桿式結(jié)構(gòu)，通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件，其由氣缸實現(xiàn)。 （2）手腕：是聯(lián)接手部和手臂的部件，起調(diào)整或改變工件方位的作用。本系統(tǒng)則通過由回轉(zhuǎn)氣缸使手腕實現(xiàn)回轉(zhuǎn)擺動，實現(xiàn)方位的改變。 （3）手臂：支撐手腕和手部的部件，以改變工件的位置。其作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬到設(shè)定位置，本系統(tǒng)采用氣缸和回轉(zhuǎn)氣缸分別實現(xiàn)手臂的升降回轉(zhuǎn)以及伸縮的動作。（4）立柱：以手臂的升降氣缸兼作立柱，以便實現(xiàn)該機械手的緊湊和簡潔。 （5）機座：是機械手的基礎(chǔ)部分，各結(jié)構(gòu)部件均安裝其上，起支撐和連接作用。2 驅(qū)動系統(tǒng)：系統(tǒng)才用氣壓傳動方式。3 控制系統(tǒng)：是支配工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。系統(tǒng)由可編程序控制器系統(tǒng)和行程開關(guān)電氣定位以及相關(guān)的繼電器系統(tǒng)組成的系統(tǒng)控制。4 位置檢測盒的放置：為操作和安全，把電氣控制箱置于機座上，而把操縱盒以長距離，遠距離的操縱方式。操控人員可遠離機械手操作。 整個機構(gòu)的位置布置初定大概如下所示：爪部+夾緊缸+手腕轉(zhuǎn)動缸+伸縮缸升降缸（回轉(zhuǎn)缸）回轉(zhuǎn)缸（升降缸）為了使整個機構(gòu)盡量趨向于輕便簡單，在此我們盡量選取葉片型回轉(zhuǎn)氣缸，將回轉(zhuǎn)氣缸放在升降缸之上，但這一構(gòu)想取決于葉片型回轉(zhuǎn)缸的工作壓力是否達到系統(tǒng)的壓力要求，所以此部分將留待往后再作決定。5 手部結(jié)構(gòu)根據(jù)已知的規(guī)格參數(shù)，我們選擇爪部通過汽缸推動楔塊帶動爪部杠桿運動的結(jié)構(gòu)，以此實現(xiàn)爪部張合的夾緊運動。杠桿與楔塊接觸的一端用彈簧連起，以保證楔塊縮回時杠桿端部始終與楔塊接觸。爪部的張合弧度可通過改變楔塊的斜面角度和杠桿的長度和比例來調(diào)節(jié)。結(jié)構(gòu)緊湊簡潔，受力性能良好，定位誤差小。3 直角坐標式工業(yè)機械手的機械部分設(shè)計31 機械手的規(guī)格參數(shù)1 抓重：50 N （額定抓取重量或額定負荷）2 自由度： 43 坐標形式： 圓柱坐標4 最大工作半徑：12005 手臂最大中心高（下降時）：8006 手臂運動參數(shù) 伸縮行程：500 伸縮速度：250s 升降行程：300 升降速度：200s 回轉(zhuǎn)范圍： 回轉(zhuǎn)速度：180s7 手腕參數(shù). 回轉(zhuǎn)范圍：.回轉(zhuǎn)速度：s8 手指夾持范圍：9 定位精度：10 驅(qū)動方式：氣壓傳動11電氣控制方式：PLC點位程序控制12電氣操作方式：手動和自動32 工業(yè)機械手的參數(shù)總體計算321 機械手的質(zhì)量工件的材質(zhì)為鋼結(jié)構(gòu)鋼=.k0.00783工件的質(zhì)量工件 （31） .102Kg2工件的體積 工件工件鋼 （32）5102/0.0078654103 mm當工件取時，面積應(yīng)為5（5/2） （33） 3.14625.5mm 長度應(yīng)為5工件5 （34）654103.5 .3mm 當工件取時，面積應(yīng)為 70（02） （35） （2）.mm 長度應(yīng)為 70工件70 （36）654103.5mm手部各部分質(zhì)量估算如下：爪部21.59102=4000mm桿3514202=19600mmV螺栓=r2L=3.144460=3000mm3手部爪桿+2V螺栓40004+196002+30002=65000mm手部650000.0078507楔塊1221.551.5=13000mm楔塊130000.0078101.4支承板54049800mm支承板498000.0078776缸3.5所以，總的質(zhì)量總工件爪部爪部缸工件手部楔塊缸支承板 （37）2507101.47767766.4322 機械手的爪部夾緊氣缸的選擇 氣缸夾緊力計算如下：手指的角度：，b35 C=17根據(jù)手部結(jié)構(gòu),其驅(qū)動力為：P=NC （38）（1） 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力公式：N0.5N （39）.5N 60500.1216.5 N則：P=N 235216.5150/17 236 N據(jù)公式：實 PK1K2/ （310）式中：手部的機械效率，一般取（0.850.95）K1 安全系數(shù)，一般取（1.2）工作條件系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估算：其中為被抓取工件運動時的最大加速度，為重力加速度（.米秒）f為被夾持工件與手指接觸的磨擦系數(shù)在這取f=0.1 一般手爪傳動機構(gòu)的傳動效率取=0.850.9，故.0，.若被抓取工件的最大加速度取，則：=1+/=1+1=2實2361.52/0.90=787 N所以，夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為787 N則根據(jù)公式：氣缸 （311）氣缸.（）5105/4 .5 N氣缸.N >彈簧實際 .5 +787929.5 N式中: D為氣缸直徑假設(shè)為50mm P為氣壓假設(shè)為5105Pa所以選用MDBB50-35氣缸合適夾緊323 腕部傳動氣缸的選擇 當工件取時，.>. 則根據(jù)公式：工件（L）得： （312） 工件（L）（）Kgm 當工件取時，<. 則根據(jù)公式：工件L得： （313） 工件L Kgm 因此工件取工件Kg計算 根據(jù)公式：J手爪（）得： （314） J手爪（） （35） Kgm 慣（工件J手爪） （315）（）Nm 根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)受力圖 , 得：驅(qū)慣偏摩封 （316） 為簡化計算可不計密封裝置處的摩擦阻力矩，因此乘安全系數(shù)即可驅(qū)慣.Nm 所以選用大型葉片式回轉(zhuǎn)擺動氣缸 其參數(shù)為：驅(qū)Nm 則，由以上結(jié)果可得手腕回轉(zhuǎn)受力如圖31圖31 手腕回轉(zhuǎn)受力圖324 伸縮氣缸的選擇1 計算摩擦力：彎矩M的計算 工件：（mm） 爪部：（mm） 腕部：（mm） 導(dǎo)桿：mm Kg Kg (約為3.0 取3.2)Kg (約為1.4 取1.5)Kg (約為3.8 取4.0) (3-17)5.10.8749.8+3.20.7749.8+1.50.6169.8+80.259.8 96.6 N 根據(jù)手臂伸出時的受力狀態(tài)得： (3-18) （5.1+3.2+1.5+8）9.817.89.8N 根據(jù)： NN（） N=/f（） 解得：N0.1596.50.15N N（N）（.44） .22N根據(jù)公式：摩2fN2 (3-19)731.220.152219.4 N（其中：鋼青銅0.10.15（潤） 摩1fN0.152.2N摩摩摩193.2219.4412.6 N 2 慣性力計算 慣 (3-20)（1234）17.81.2522.25N其中， 2500.2mmS1.25 摩慣412.622.25434.85N 缸驅(qū)工作（缸4） 51.01106（4010-3）23.14/4 507.5 N 所以SMC MB系列標準氣缸 MDBB50-500合適，查資料得：材料為鋁合金的MDBB50-500氣缸行程為零時質(zhì)量為1140g，每增加10mm行程則質(zhì)量增加40g 伸縮缸1140+50403140g325 對伸縮導(dǎo)桿的校核 PN2S （321）731.22(0.030.03)0.0812106Pa0.812MPa所以，P<P15MPa V0.25 0.08121060.250.203106Pa0.203MPa<PV15MPa （322）（87.50.5）/（/32）（3010-3）318.210 18.2MPa 所以，<100MPa （45鋼100 MPa） 伸縮導(dǎo)桿（4）伸縮缸 （323）（3.143024） 7207.8103968326 配重計算 偏重力矩即手臂及其上所支承的全部零件的重量（作用在各自重心上）對手臂回轉(zhuǎn)軸的靜力矩，用偏表示，手臂前伸時則偏重力矩為最大。若和分別為工件，手部、手腕、手臂之重量和重心位置至手臂回轉(zhuǎn)軸的距離，則手臂，手腕等部件的總重量為： （324） 式中表示工件、手部、手腕、手臂等零部件的順序號。 各零部件的總重心位置距手臂回轉(zhuǎn)軸軸線的距離為，其值為： （）（） 厘米 （325） 其偏重力矩偏為：偏公斤厘米 當手臂處于伸長和回縮狀態(tài)時，立柱所受偏重力矩分別為： 縮(工件工件手爪手爪腕部回轉(zhuǎn)缸腕部回轉(zhuǎn)缸伸縮導(dǎo)向伸縮導(dǎo)向 伸縮缸伸縮缸)（工件手爪腕部回轉(zhuǎn)缸伸縮導(dǎo)向伸縮缸） （326） （5.17003.25701.24509131.8183）（5.13.21.291.81） 5900.77/20.31290.5 mm 縮(工件/工件手爪/手爪腕部回轉(zhuǎn)缸/腕部回轉(zhuǎn)缸伸縮導(dǎo)向/伸縮導(dǎo)向 伸縮缸/伸縮缸)（工件手爪腕部回轉(zhuǎn)缸伸縮導(dǎo)向伸縮缸） （327）（5.112003.210701.295093551.8130） /(5.13.21.291.81)670.1 mm 縮縮20.319.8290.557.8 N伸伸20.319.8670.1133.4 N由于要將偏重力矩減至最小，因此配重取兩者的中間值。中間值95.6 N 中間值450mm0.45mm則：配重中間值中間值95.60.45212.4 N 配重配重212.49.821.7 kgV配重配重鋼21.7/(7.810-6)2.78106mm（： ： h：）327 升降部分計算 工業(yè)機械手的回轉(zhuǎn)和升降機構(gòu)安裝在底座上，它們支承著手臂伸縮機構(gòu)，手腕和手部。升降導(dǎo)向立柱不自鎖的條件因為手臂在總重量的作用下有一順時針方向傾斜的趨勢，而導(dǎo)套卻阻止手臂這種趨勢，若導(dǎo)套對升降立柱的作用力為和，根據(jù)升降立柱的力平衡條件得： （） h 則：h （328） 所謂不自鎖的條件就是升降立柱能在導(dǎo)套內(nèi)自由下滑。從力的觀點分析必須使 > h 所以：h> 式中：摩擦系數(shù)。一般取0.1，這里考慮到摩擦的副作用則取0.16。 偏重力臂即手臂等部件總重量的重心到立柱軸線間的距離。 托板863200127.810-616.2 kg 總120.31+16.2+21.758.21 kg慣總158.210.2/0.1116.42 N 總伸配重133.49538.4 Nm 總總總38.4/(58.219.8)0.0673 m67.3 mm (h150 mm>2f總20.267.326.92 mm) 托連103.1410027.810-32449.2 g2.45 kg R總h38.4/0.15256 N 摩2Rf22560.1576.8 N 驅(qū)1.2(慣摩)總連 1.2(116.4276.8) 58.219.82.459.8826.332 N 缸驅(qū)(d/4)p工作壓力3.14500.510/4 981.25 N >驅(qū)826.332 N所以，可選用MDBB-328 對升降導(dǎo)桿的核算 當手臂伸出到最大范圍時，回轉(zhuǎn)中心所受的彎矩最大。根據(jù)公式：。 （329） 38.4(32) (3010-3)3 12.5 MPa<100 MPa 45鋼100 MPa 校核升降氣缸缸頭銷： P升降缸3.14500.510/4981.25 N (d/4) （330） (981.254)/3.14(810-3)2 19.5 MPa<58 MPa bb981.25/(815)10-68.17 MPa<b100 MPa 所以此銷安全。329 撓度計算考慮導(dǎo)桿在全伸出時撓度最大。 G工件=5.19.8=50N G手爪=3.29.8=31.36N 800mmG手腕=1.29.8 =11.76NG手部和工件=工件+手爪+手腕 =93N G手部和工件工件重心到導(dǎo)向套端面距離=1200324=876 mm手爪重心到導(dǎo)向套端面距離=1070324=746 mm手腕重心到導(dǎo)向套端面距離=950324=626 mm工件及手部總重心到導(dǎo)向套端面距離= 5.1876 +3.2 746+ 1.2626)/9.5=800 mm將導(dǎo)桿看作是懸臂梁,根據(jù)撓度計算公式： y（手部）= G（C2/6EI）(3LC) （331） 考慮到是雙導(dǎo)桿, 每個導(dǎo)桿的徑向受力為1/2 G手部和工件查表得 E鋼材=2.11011Pa導(dǎo)桿的極慣性矩I=D4/64=304 /64=39760 mm4C=800 mm手爪夾持中心到導(dǎo)向套端面距離L=345+500=845 mmy（手部）= 1/2G手部和工件(C2/6EI)(3LC)=46.5(8002/62.11011 39760) (3845800)=1 mm經(jīng)過核算,導(dǎo)桿撓度基本符合要求。3210 轉(zhuǎn)臺型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動氣缸的計算 根據(jù)公式： 總工件爪部腕部回轉(zhuǎn)缸伸縮缸伸縮導(dǎo)向配重托板 （332）總工件爪部腕部回轉(zhuǎn)缸伸縮缸伸縮導(dǎo)向配重托板5.1+2.67+1.3+9+23.2+15.256.5 kg 總(7005.1+6222+4421.5-5010.3-40023.2-6815.2)/56.5-130.21 mm0.132 m J總(/12)/(L2+) （333） J總(/12)/(L2+)56.5(11702+2002)/12 6.65106 kgmm26.65kgm2 J0J總+總總26.65+56.5(-0.132)27.63 kgm2 升降2.9+2.5+0.6+6.4+113.4 kg J升降(/12)/(12+)13.4(5842+602)/12 0.3910106 kgmm20.39 kgm2 J總J升降+J07.63+0.398.02kgm2 慣J總(/)(8.023.14/2)/0.342.34 Nm 驅(qū)1.1慣1.142.3446.57 Nm 手臂回轉(zhuǎn)缸66.6 Nm > 46.57 Nm 可選用SMC MSQ系列轉(zhuǎn)臺型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動氣缸氣缸MSQB200A。4 直角坐標式工業(yè)機械手的控制部分計算41 回路計算氣動執(zhí)行元件的工作順序圖：1）第一次上升 2）手臂伸出 3) 手爪夾緊4）延 時5）手臂縮回 14）手腕反轉(zhuǎn) 6）第一次下降 13）回轉(zhuǎn)臺反轉(zhuǎn) 7）手腕正轉(zhuǎn) 12）第二次手臂縮回11）延時10）手爪松開 9)第二次手臂伸出8）回轉(zhuǎn)臺正轉(zhuǎn)42 執(zhí)行元件選擇 1 類型與主要尺寸參數(shù)如下表（表41）氣缸或馬達標號內(nèi)徑mm活塞桿直徑mm行程mm全行程需要時（s）耗氣量cm3/s指部夾緊缸MDBB50-35500350.587.92腕部葉片馬達CDRB1BW50-180S500 180臂部伸縮缸CDA1BN40-50040105002118.335升降缸MDBB50-30050163001.5352.308齒輪齒條馬達QGK-1RSD80T180-E2800 180表41 類型與主要尺寸參數(shù)2 耗氣量計算查機械設(shè)計手冊-5，可得計算公式有桿腔：Q=(D2-d2)S/(4t) （41） 無桿腔：Q= D2S/(4t) （42） Q每秒鐘壓縮空氣消耗量 D氣缸內(nèi)徑(大徑) d氣缸活塞桿直徑(小徑) S氣缸行程 t桿單向伸縮時間1)夾緊缸：已知缸徑D=0.040米，行程s=0.035米，全行程需時間t1=0.5秒，代入42式，可算出壓縮空氣量： Qa=0.0420.035/(40.5)87.92cm3/s 2)伸縮缸：已知缸徑D=0.050米，小徑d=0.016米，行程s=0.5米，全行程需時間t2=2秒，代入41式，可算出壓縮空氣量： Qb=(0.042-0.012)0.5/(42)297.375cm3/s 3)升降缸：已知缸徑D=0.050米，小徑d=0.01米，行程s=0.3米，全行程需時間t2=2秒，代入41式，可算出壓縮空氣量： Qc=(0.052-0.0162)0.3/(41.5)352.308cm3/s 4) 腕部馬達耗氣量：根據(jù)公式可可算出壓縮空氣量:G=pznV1/(RT1) （43）Q=GRT0/P0 （44） Qd=pznV1/(RT1)RT0/P0 =5.0105Z30 V1/(1.013105) =148ZV1 m3/min 注意：由于Z和V1的具體參數(shù)不全,故具體的數(shù)據(jù)不能算出.舉有關(guān)資料顯示其值小于352 cm3/s5) 臂部馬達耗氣量：Qd=pznV1/(RT1)RT0/P0 =5.0105Z30 V1/(1.013105)=148ZV1 m3/min由于Z和V1的具體參數(shù)不全,故具體的數(shù)據(jù)不能算出.舉有關(guān)資料顯示其值小于352 cm3/s 43 控制元件的選擇1)選擇類型 根據(jù)系統(tǒng)對控制元件的工作能力及流量要求，按照氣動回路原理圖，初選各控制閥如下： 主控電磁換向閥：為SMC之VF5000系列和SMC之S