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氣動(dòng)式機(jī)械手(畢業(yè)論文)
黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：氣動(dòng)式機(jī)械手設(shè)計(jì) 氣動(dòng)式機(jī)械手設(shè)計(jì) 式機(jī)械手學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 部 （系） ： 學(xué) 習(xí) 專(zhuān)業(yè)：程琳機(jī)械工程系 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2012 年2月15 日1黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造目 錄 摘要.........................................................3第一章 前言 1.1 機(jī)械手概述...............................................4 1.2 機(jī)械手的組成和分類(lèi).......................................4 1.2.1 機(jī)械手的組成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.2.2 機(jī)械手的分類(lèi)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 2.1 機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度．．．．．．．．．．．．．．． 8 ．．．．．．．．．．．．．．． 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．． 8 ．．．．．．．．．．．．．．． 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．． 9 ．．．．．．．．．．．．．．． 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．9 ．．．．．．．．．．．．．．． 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 ．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 ．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.7 機(jī)械手的主要參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 ．．．．．．．．．．．．．．．．． 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.1.1 手指的形狀和分類(lèi)．．．．．．．．．．．．．．．．．11 ．．．．．．．．．．．．．．．．2黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題．．．．．．．．．．．．．．．14 ．．．．．．．．．．．．．． 3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．14 ．．．．．．．．．．．．．．． 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 手腕的自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 ．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩．．．．．．．．．．．． 15 ．．．．．．．．．．．． 4.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算．．．．．．．．．．．．．．17 ．．．．．．．．．．．．． 第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計(jì)與校核 5.1 手臂伸縮部分尺寸設(shè)計(jì)與校核．．．．．．．．．．．．．．．19 ．．．．．．．．．．．．．． 5.1.1 尺寸設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.1.2 尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5 .1 .3 導(dǎo)向裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5 .1 .4 平衡裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.2 手臂升降部分尺寸設(shè)計(jì)與校核．．．．．．．．．．．．．．．20 ．．．．．．．．．．．．．． 5.2.1 尺寸設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.2.2 尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.3 手臂回轉(zhuǎn)部分尺寸設(shè)計(jì)與校核．．．．．．．．．．．．．．．21 ．．．．．．．．．．．．．． 5.3.1 尺寸設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.3.2 尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第六章 機(jī)械手的 PLC 控制設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．22 ．．．．．．．．．．．．．．．．． 6.1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程．．．．．．．．．．．．．22 ．．．．．．．．．．．． 6.1.1 可編程序控制器的選擇．．．．．．．．．．．．．．．22 ．．．．．．．．．．．．．． 6.1.2 可編程序控制器的工作過(guò)程．．．．．．．．．．．．．22 ．．．．．．．．．．．． 6.2 可編程序控制器的使用步驟．．．．．．．．．．．．．．．．23 ．．．．．．．．．．．．．．．3黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第七章 結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24 參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造摘 要在設(shè)計(jì)機(jī)械手臂的時(shí)，用兩個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力。左邊電機(jī)通過(guò)諧波減速器減速 后，通過(guò)齒輪來(lái)控制手臂的回轉(zhuǎn)，手臂彎曲動(dòng)作的動(dòng)力由右邊電機(jī)提供。電機(jī)2 同樣也是通過(guò)諧波減速器減速后，通過(guò)長(zhǎng)軸，把動(dòng)力傳到底部的小齒輪，再由小 齒輪與大齒輪的嚙合，把動(dòng)力傳到豎直的錐齒輪上，又通過(guò)錐齒輪之間的嚙合， 把動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)傳遞到橫軸上，再通過(guò)鍵連接，把動(dòng)力傳到帶輪上。帶輪以一定的 速度不停的轉(zhuǎn)，以給臂關(guān)節(jié)通過(guò)同步齒型帶傳遞動(dòng)力。 臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：用兩個(gè)同步齒形帶輪來(lái)傳遞動(dòng)力，帶輪與軸和機(jī)械式離合 器的左半邊相連，使軸與左半邊相連的離合器轉(zhuǎn)動(dòng)。右半邊為電磁制動(dòng)器，制動(dòng) 器的左半邊與離合器的右半邊相連，且通過(guò)盤(pán)與上臂相連。當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，制 動(dòng)器吸合，離合器分開(kāi)。上臂停止在所要求的位置上。當(dāng)電磁鐵失電時(shí)，由于彈 簧力的作用，把制動(dòng)器推開(kāi)，同時(shí)離合器在彈簧力的作用下自動(dòng)嚙合，手臂恢復(fù) 原有的運(yùn)動(dòng)。 注：機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)范圍手其結(jié)構(gòu)的限制，在手臂的運(yùn)動(dòng)到達(dá)結(jié)構(gòu)位置之前，必 須使其自動(dòng)停止。 機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)機(jī)械位置是有關(guān)節(jié)處牙嵌離合齒上的突起部分 而定。手臂在極限位置自動(dòng)停止，反向運(yùn)行的條件完全是靠離合齒上的凸起部分 與滑塊的接觸實(shí)現(xiàn)的。為了使離合齒輪能順利的脫開(kāi)和嚙合，對(duì)離合齒上的凸起 部分斜面的升角β≥arctgμν。只有滿足這個(gè)條件，離合齒上凸起部分的斜面與滑 塊在滑動(dòng)時(shí)才不會(huì)發(fā)生自鎖。這樣手臂才能自動(dòng)停止和反向動(dòng)作！ 方案二 此方案在臂關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與方案一有所不同。這里設(shè)計(jì)成中心軸不轉(zhuǎn) 動(dòng)。改在同步帶輪處裝兩個(gè)軸承。這樣，帶輪可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)影響軸，且把5黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造離合器的左半邊加工在帶輪上，這樣，不僅可以縮小空間，而且可以提高強(qiáng)度。 其余與方案一相同。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手臂；PLC；極限位置；第一章1.1. 工業(yè)機(jī)械手概述前言工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置 構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作 業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。 它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新 換代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、6黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研 究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng) 化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合 了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快 速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)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(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)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(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè) 備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作， 按給定程序、 軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、 搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)械 手”。 生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞 動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)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(jìn)行正常的工作， 意義更為重大。因此，在機(jī)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(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用.機(jī)械手的 結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬 于該機(jī)床的專(zhuān)用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控 制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作， 適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”， 簡(jiǎn)稱(chēng)通用機(jī)械手。 由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，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。1.2 .機(jī)械手的組成和分類(lèi)1.2.1.機(jī)械手的組成7黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。 各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示�？刂葡到y(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置檢測(cè)裝置機(jī)械手組成方框圖:1-1 (一)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)形式有回 轉(zhuǎn)型和平移型�；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng) 用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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、V形面的和曲面的: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(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完 成夾放物件的任務(wù)。 傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)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(lái)調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))8黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造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(dòng)手指 去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū) 動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪 機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 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(yùn)動(dòng) 和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立I因工作需要，有時(shí) 也可作橫向移動(dòng)，即稱(chēng)為可移式立柱。 5、行走機(jī)構(gòu): 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座 上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn) 動(dòng)。 滾輪式布為有軌的和無(wú)軌的兩種。 驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。6、機(jī)座: 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝 于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助 裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)。控制系統(tǒng)是支 配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。 目前工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，9黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)， 同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令， 必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān) 視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 (二)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)， 并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí) 間)， 同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令， 必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng) 作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。1.2.2 .機(jī)械手的分類(lèi)工業(yè)機(jī)械手的種類(lèi)很多，關(guān)于分類(lèi)的問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類(lèi) 標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類(lèi)。 (一)按用途分 機(jī)械手可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種: 1、專(zhuān)用機(jī)械手 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專(zhuān)用 機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)， 適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、 下料機(jī)械手和加工中心。 2、通用機(jī)械手 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。 在性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系10黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。 通用機(jī)械手的工作范圍大、 定位精度高、 通用性強(qiáng)， 適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定 位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以“開(kāi)一關(guān)”式控制定位，只 能是點(diǎn)位控制，伺服型可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)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(jī)械手屬于數(shù)控類(lèi)型。 (二)按驅(qū)動(dòng)方式分 1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。 其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá) 幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格， 不然油的泄漏對(duì)機(jī)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(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通 用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高。 2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。 其主要特點(diǎn)是:介質(zhì) 李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)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(jìn)行工作。 3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手 即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī) 械手。 它是一種附屬于工作主機(jī)的專(zhuān)用機(jī)械手， 其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。 它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但 結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。11黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造4、電力傳動(dòng)機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī) 構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電 機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類(lèi)機(jī)械手目前還不多， 但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點(diǎn)位控制 它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位 置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的 復(fù)雜性。目前使用的專(zhuān)用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類(lèi)。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè) 移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣 控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類(lèi)工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。12黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造13黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第二章氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)物件，要求它們具 有高精度、快速反應(yīng)、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(dòng)定位等特性。 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)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(yùn)時(shí)的受力特性、 尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用 定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專(zhuān)用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換 和編程控制.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動(dòng)上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或 中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作 單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。也可用于操作環(huán)境惡劣的生產(chǎn)場(chǎng)合。2.1．機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo) 式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、 收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為 了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺 動(dòng)的自由度14黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造圖2-1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖2.2 .機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng) 工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)。2.3 .機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須 設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。2.4 .機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左 右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。 手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 立柱的 橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.5 .機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低15黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。2.6 .機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制 器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即 可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。 2.7 .機(jī)械手的主要參數(shù) 1.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮 抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際 情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為5公斤 2.基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了 要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因 素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為 1.0m / s 。最大回 轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 90 o / s 。平均移動(dòng)速度為 0.8m / s 。平均回轉(zhuǎn)速度為 60 o / s 。機(jī) 械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明 速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快 慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行 程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作 的空間。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。 在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的 伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為 1400mm 。手臂升降行程定為120mm 。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為 ± 1mm 。16黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2.8. 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途: 用于自動(dòng)輸送線的上下料。 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 1、抓重: 5kg 2、自由度數(shù):4個(gè)自由度 3、坐標(biāo)型式:圓柱坐標(biāo) 4、最大工作半徑: 1400mm 5、手臂最大中心高: 1250mm 6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù): 伸縮行程 1200mm 伸縮速度 400mm / s 升降行程 120mm 升降速度 250mm / s 回轉(zhuǎn)范圍 0 o ? 180 o 回轉(zhuǎn)速度 90 o / s 7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù): 回轉(zhuǎn)范圍 0 o ? 180 o 回轉(zhuǎn)速度 90 o / s 8、手指夾持范圍:棒料: φ 80mm ? φ150mm 9、定位方式:行程開(kāi)關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等 10、定位精度: ± 1mm 11、驅(qū)動(dòng)方式:氣壓傳動(dòng) 12、控制方式:17黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造機(jī)械手臂剖視圖圖2-618黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第三章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng) 工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部:如果有實(shí)際需要，還可以換成氣壓吸盤(pán)式結(jié) 構(gòu)， 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)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。 3.1.1手指的形狀和分類(lèi) 夾持式是最常見(jiàn)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(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱(chēng)直進(jìn)型)， 其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。 當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離 縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的 手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。回轉(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指 夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。19黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造3.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中 所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 (二)手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角 兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。 手指的開(kāi) 閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工 件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。 (三)保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀， 選擇相應(yīng)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(dòng)定心。 (四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外， 還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的 慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量 使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn) 兩 指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。 3.1.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，20黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造圖3-2 齒輪齒條式手部 其工件重量G=5公斤， V形手指的角度 2? = 120 o ， b = 120mm > R = 24mm ,摩擦系數(shù)為 f = 0.10 (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為:p= 2b N R(2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計(jì)算公式:N = 0.5tg (θ ? ? )= 0.5 × 5 × tg (60 o ? 5 o 42 ' ) = 25( N ) 所以 p = 2b N = 245( N ) R(3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:p實(shí)際 ≥ p K1 K 2ηI,因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取 η = 0.94 ，并取 K 1 = 1.5 。若被抓取工件的 最大加21黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造速度取 a = 3 g 時(shí)，則: K 2 = 1 + 所以 p實(shí)際 = 245 ×a =4 g1 .5 × 4 = 1563( N ) 0.94所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為 1563 N 。 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(shí)的總阻力，其公式為:F1 =πD 2 P4? Ft ? Fz式中: F1 - 活塞桿上的推力，NFt - 彈簧反作用力，NFz - 氣缸工作時(shí)的總阻力，NP - 氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算:Ft = G f (1 + s )Gf =Gd134D1 nGd14Gf =8 D1 n3式中: G f - 彈簧剛度，N/m1 - 彈簧預(yù)壓縮量，ms - 活塞行程，m d1 - 彈簧鋼絲直徑，m D1 - 彈簧平均直徑，. n - 彈簧有效圈數(shù).22黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造G - 彈簧材料剪切模量，一般取 G = 79.4 × 10 9 Pa在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率 η 的影響，則: F1 =π D 2 pη4? Ft由以上分析得單向作用氣缸的直徑:D= 4( F1 + Ft ) πpη79.4 × 10 9 × (3.5 × 10 ?3 ) 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 G f = = 3 8 × (30 × 10 ?3 ) 3 × 15 8 D1 nGd1= 3677.46( N / m)44Ft = G f (1 + s )= 3677.46 × 60 × 10 ?3 = 220.6( N )所以: D =4( F1 + Ft ) = πpn = 65.23(mm)4 × (490 + 220.6) π × 0.5 × 10 6查有關(guān)手冊(cè)圓整，得 D = 65mm 由 d / D = 0.2 ? 0.3 ,可得活塞桿直徑: d = (0.2 ? 0.3) D = 13 ? 19.5mm 圓整后，取活塞桿直徑 d = 18mm 校核，按公式 F1 /(π / 4d 2 ) ≤ [σ ] 有: d ≥ (4 F1 / π [σ ]) 0.5 其中，[ σ ] = 120 MPa ， F1 = 750 N 則: d ≥ (4 × 490 / π × 120) 0.5= 2.28 ≤ 18滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。 3,缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 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23黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:δ = DPp / 2[σ ]式中:6- 缸筒壁厚，mmD - 氣缸內(nèi)徑，mm Pp - 實(shí)驗(yàn)壓力，取 Pp = 1.5 P , Pa材料為:ZL3,[ σ ]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:δ = DPp / 2[σ ]= 65 × 6 × 10 5 /( 2 × 3 × 10 6 ) = 6.5(mm)取 δ = 7.5mm ，則缸筒外徑為: D1 = 65 + 7.5 × 2 = 80( mm)24黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第四章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須 設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。4.1 手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(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與 機(jī)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(guān)。 由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞 x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)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 o ，并且要求嚴(yán)格的密封。4. 2手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算4.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須 克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng) 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(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng) 軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。25黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造1.工件2.手部3.手腕 圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算:M驅(qū) = M慣 + M偏 + M摩 + M封式中: M 驅(qū) - 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩( N ? cm );M慣 M偏 -慣性力矩( N ? cm ); 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩( N ? cm )., ;M封 -手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩( N ? cm );下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算: 1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M悅 若手腕起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ω ，起動(dòng)過(guò)程所用的 時(shí)間為 ?t ，則:26黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造M 慣 = J + J 1） ( N .cm) （ ?tω式中: J - 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( N .cm.s 2 ) ;J 1 - 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( N .cm.s 2 ) `。若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 1 為: J1 = J c + G1 2 e1 g式中: J c - 工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( N .cm.s 2 ) :G1 - 工件的重量(N);e1 - 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm),ω - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s);?t - 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間(s);?? — 起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度(弧度)。2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏M 偏 = G1e1 + G3 e3 ( N ? cm )式中:G3 - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N);e3 - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm)當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則 G1e1 = 0 . 3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M 封M封 = f ( R A d 2 + RB d1 ) ( N ? cm ) 227黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造式中: d1 ， d 2 - 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm);f - 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承 f = 0.01 ，對(duì)于滑動(dòng)軸承 f = 0.1 ;R A , R B - 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，根據(jù) ∑ M （F） 0 ,得: = A RB l + G3l 3 = G2 l 2 + G1lRB =G1l1 + G2 l 2 ? G3l 3 l同理，根據(jù) ∑ M B (F) = 0 ,得:RA = G1 (l + l1 ) + G2 (l + l 2 ) + G3 (l ? l3 ) l式中: G2 - 的重量(N)l , l1 , l 2 , l3 ,— 如圖4-1所示的長(zhǎng)度尺寸(cm).4、轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的 密襯裝置的類(lèi)型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理 如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分 隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從 b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān) 系為:M = pb( R 2 ? r 2 ) 2M , 或p= 2 b( R 2 ? r 2 )28黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造29黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第五章 手臂伸縮、 升降、 回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 手臂伸縮氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合 本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為 φ 100/63： 5.1.2 尺寸校核 1.在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑 D1 =63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺 寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) P = 0.4 MPa , 則驅(qū)動(dòng)力：F = P ? πR 2= 0.4 × 10 6 × 3.14 × 0.0315 2 = 1246( N ) 測(cè)定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計(jì)加速度 a = 10(m / s ) ，則慣性力F1 = ma= 50 × 10 = 500( N )2.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) k = 0.2 ,30黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造Fm = k .F1= 0.2 × 500 = 100( N )∴總受力 F0 = F1 + Fm= 500 + 100 = 600( N )F0 所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求要求。 5.1.3.導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，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，以增加手臂的剛性， 在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)， 應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物 體重量等因素來(lái)確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量 和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。 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(jì)中才 用單導(dǎo)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 5.1.4 平衡裝置 在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè) 重力矩對(duì)性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼， 砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)， 務(wù)求 使兩端盡量接近平衡。 5.2 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 5.2.1 尺寸設(shè)計(jì)31黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造氣缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 l =118mm,氣缸內(nèi)徑為 D1 =110mm,半徑R=55mm,氣缸運(yùn) 行速度，加速度時(shí)間 ?t =0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力G0 = p.πR 2``= 0.4 × 10 6 × 3.14 × 0.055 2 = 3799( N )5.2.2 尺寸校核 1．測(cè)定手腕質(zhì)量為80kg,則重力= 80 × 10 = 800( N )G = mg2.設(shè)計(jì)加速度 a = 5(m / s ) ，則慣性力 G1 = ma= 80 × 5 = 400( N )3. 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) k = 0.1 ， Gm = k .G1 = 0.1 × 400 = 40( N )∴總受力 Gq = G + G1 + Gm= 800 + 400 + 40 = 1240( N )G q 5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 b = 120mm ,氣缸內(nèi)徑為 D1 = 210mm ,半徑R=105mm, 軸徑 D2 = 40mm 半徑 R = 20mm ,氣缸運(yùn)行角速度 ω = 90 o / s ，加速度時(shí)間?t = 0.5s,壓強(qiáng) P = 0.4 MPa ,32黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造則力矩： M ==pb( R 2 ? r 2 ) 20.4 × 10 6 × 0.12(0.105 2 ? 0.020 2 ) 2 = 255( N .m)5.3.2 尺寸校核 1．測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 m1 = 120kg ,分析部件的質(zhì)量分布 情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 r = 200mm 的圓盤(pán)上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J= m1 r 2 2120 × 0.10 2 = = 0.6 （ kg .m 2 ） 2M 慣 = J.ω?t90 0 .5 = 108( N .m) = 0 .6 ×考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) k = 0.2 ,M 摩 = k .M 慣= 0.2 × 108 = 5.（N.m） 4總驅(qū)動(dòng)力矩M驅(qū) = M慣 + M摩 = 108 + 5.4 = 113.（N.m） 4 M驅(qū) M 〈∴設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。第六章機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì)33黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)， 只需改變PLC程序即可實(shí) 現(xiàn)，非常方便快捷。6. 1可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程6.1.1 可編程序控制器的選擇 目前，國(guó)際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列 PC,德國(guó)西門(mén)子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、 P型PC等�？紤]到本機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡(jiǎn)單，同時(shí)考慮 到制造成本，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制 器。6.1.2 可編程序控制器的工作過(guò)程 可編程序控制器是通過(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)完成各種不同控制任務(wù)的。為此 采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過(guò)程可分為4個(gè)階段。 第一階段是初始化處理。 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連，CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài) 的詢問(wèn)是針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱(chēng)為I/0狀 態(tài)表.該表是一個(gè)專(zhuān)門(mén)存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信 息的存儲(chǔ)器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存 器。開(kāi)機(jī)時(shí)，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工 作正常后，進(jìn)入下一階段。 第二階段是處理輸入信號(hào)階段。34黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造在處理輸入信號(hào)階段，CPU對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入端 子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài) 在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)變化的影響，因此 不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。 第三階段是程序處理階段。 當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個(gè)階段。在 這個(gè)階段中，可編程序控制器對(duì)用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和 有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果寫(xiě)入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。 第四階段是輸出處理階段。 段CPU對(duì)用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)入到I/0狀態(tài)表狀態(tài) 暫存器中。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路， 驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。然后，CPU又返 回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。6.2 機(jī)械手可編程序控制器控制方案35黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造36黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第七章結(jié)論1、本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)通用機(jī)械手，相對(duì)于專(zhuān)用機(jī)械手，通用機(jī)械手的自由 度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。 2、采用氣壓傳動(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。 工作環(huán)境適應(yīng)性好， 不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。 阻力損失和泄漏較小， 不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。 3、通過(guò)對(duì)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度， 節(jié)省了大量時(shí)間和避免了不必要的重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。 4、機(jī)械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是進(jìn) 行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制，都可通過(guò)設(shè)定PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以根據(jù) 機(jī)械手的動(dòng)作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。37黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造參考文獻(xiàn)：[1] 張建民.工業(yè)機(jī)器人.北京:北京理工大學(xué)出版社，2007 [2] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展戰(zhàn)略.機(jī)器人技術(shù)，2003 [3] 金茂青，曲忠萍，張桂華.國(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展勢(shì)態(tài)分析.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ， 2005 [4] 王雄耀.近代氣動(dòng)機(jī)器人(氣動(dòng)機(jī)械手)的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動(dòng)與密封，2004 [5] 嚴(yán)學(xué)高，孟正大.機(jī)器人原理.南京:東南大學(xué)出版社，200338黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造[6] 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006 [7] 黃錫愷，鄭文偉.機(jī)械原理.北京:人民教育出版社，2006 [8] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社 [9] 鄭洪生.氣壓傳動(dòng)及控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007 [10] 吳振順.氣壓傳動(dòng)與控制.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004 [11] 徐永生.氣壓傳動(dòng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002 [12]傅祥志，機(jī)械原理（第二版） ，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.10 [13]吳昌林等，機(jī)械設(shè)計(jì)（第二版） ，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.2致謝本次設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師悉心指導(dǎo)下完成的。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求 精的工作作風(fēng)使我受益匪淺。在此，我首先向?qū)煴硎菊\(chéng)摯的感謝，并致以崇高 的敬意! 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，通過(guò)這次設(shè)計(jì)把所學(xué)的 基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)課程作了一個(gè)總結(jié)和回顧，加深了對(duì)理論的理解，能夠掌握機(jī)械 設(shè)計(jì)的全套思路，為即將走上工作崗位和以后的發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我查閱了大量的圖書(shū)資料以及網(wǎng)絡(luò)上的資料，包括機(jī)械零 件、材料力學(xué)、液壓控制、幾何量公差與測(cè)量、機(jī)械制圖、機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等等， 尤其是在從對(duì)各類(lèi)設(shè)計(jì)手冊(cè)的查閱中，我的知識(shí)面得到了很大的提高；通過(guò)對(duì)該 課題的獨(dú)立設(shè)計(jì)，使我對(duì)機(jī)械知識(shí)有了一個(gè)更加深入的了解，對(duì)機(jī)械這門(mén)學(xué)科有 了進(jìn)一步的理解。也使我獨(dú)立設(shè)計(jì)的能里有了極大的提高。 在課題的研究和開(kāi)發(fā)階段，我得到了機(jī)械工程系老師的大力支持和幫助， 在此一并向他們表示衷心的感謝。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到不懂的地方，我也經(jīng)常與 同事、同學(xué)進(jìn)行討論，解決難題。感謝所有關(guān)心我的朋友和老師，同時(shí)感謝黃石 理工的良好的學(xué)習(xí)環(huán)境是我避免了很多的彎路。 當(dāng)然，由于本人設(shè)計(jì)水平有限、在課程中沒(méi)有接觸過(guò)機(jī)械手的相關(guān)課程，實(shí)39黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造際經(jīng)驗(yàn)的不足，以及時(shí)間上的限制，在設(shè)計(jì)中難免存在一些錯(cuò)誤。懇請(qǐng)老師給予 以批評(píng)以及指正。 再次表示感謝！程琳 2012-2-1540
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