畢業(yè)設計說明書1機電一體化的思路和對策機電一體化技術發(fā)展歷程及其趨勢 自電子技術一問世，電子技術與機械技術的結合就開始了，只是出現了半導體集成電路，尤其是出現了以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后， “機電一體化” 技術之后有了明顯進展，引起了人們的廣泛注意。 （一） “機電一體化” 的發(fā)展歷程 1.數控機床的問世，寫下了“機電一體化 ”歷史的第一頁； 2.微電子技術為 “機電一體化''帶來勃勃生機； 3.可編程序控制器、 “電力電子” 等的發(fā)展為 “機電一體化”提供了堅強基礎； 4.激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使“機電一體化” 躍上新臺階。 “機電一體化”發(fā)展趨勢 1.光機電一體化。一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機械結構等部件組成的。因此，引進光學技術，實現光學技術的先天優(yōu)點是能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源（動力）系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。光機電一體化是機電產品發(fā)展的重要趨勢。 2.自律分配系統(tǒng)化——柔性化。未來的機電一體化產品，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“ 冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應付突發(fā)事件，被設計成“自律分配系統(tǒng) ”。在自律分配系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務，同時具有本身的“自律性” ，可根據不同的環(huán)境條件作出不同反應。其特點是子系統(tǒng)可產生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應能力（柔性） ，又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。 3.全息系統(tǒng)化——智能化。今后的機電一體化產品“ 全息” 特征越來越明顯，智能化水平越來越高。這主要收益于模糊技術、信息技術（尤其是軟件及芯片技術）的發(fā)展。除此之外，其系統(tǒng)的層次結構，也變簡單的“ 從上到下 ”的形勢而為復雜的、有較多冗余度的雙向聯系。 4.“生物一軟件 ”化 —仿生物系統(tǒng)化。今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大，并且往往在結構上是處于“靜態(tài)” 時不穩(wěn)定，但在動態(tài)（工作）時卻是穩(wěn)定的。這有點類似于活的生物：當控制系統(tǒng)（大腦）停止工作時，生物便“死亡”，而當控制系統(tǒng)（大腦）工作時，生物就很有活力。仿生學研究領域中已發(fā)現的一些生物體優(yōu)良的機構可為機電一體化產品提供新型機體，但如何使這些新型機體具有活的“生命” 還有待于深入研究。這一研究領域稱為 “生物——軟件”或“生物系統(tǒng)”，而生物的特點是硬 件（肌體）——軟件（大腦）一體，不可分割?？磥?，機電一體化產品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨，但有一段漫長畢業(yè)設計說明書2的道路要走。 5.微型機電化——微型化。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當將這一成果用于實際產品時，就沒有必要區(qū)分機械部分和控制器了。屆時機械和電子完全可以“融合”，機體、執(zhí)行機構、傳感器、 CPU 等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機械學是機電一體化的重要發(fā)展方向。 三、典型的機電一體化產品 機電一體化產品分系統(tǒng)（整機）和基礎元、部件兩大類。典型的機電一體化系統(tǒng)有：數控機床、機器人、汽車電子化產品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM 系統(tǒng)等。典型的機電一體化元、部件有：電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機、傳感器、專用集成電路、伺服機構等。這些典型的機電一體化產品的技術現狀、發(fā)展趨勢、市場前景分析從略。 四、北京發(fā)展“機電一體化”而臨的形勢和任務 機電一體化工作主要包括兩個層次：一是用微電子技術改造傳統(tǒng)產業(yè)，其目的是節(jié)能、節(jié)材，提高工效，提高產品質量，把傳統(tǒng)工業(yè)的技術進步提高一步；二是開發(fā)自動化、數字化、智能化機電產品，促進產品的更新換代。 前者是面上的工作，普及工作；后者是提高工作，深層次工作。 （一）北京“機電一體化” 工作面臨的形勢 1.北京用微電子技術改造傳統(tǒng)工業(yè)的工作量大而廣 （1）在700余家北京市屬工業(yè)系統(tǒng)的企業(yè)中，有60%以上的企業(yè)用微電子技術改造機床設備、工業(yè)窯爐、風機電泵、生產過程的任務還未完成需要量的一半。 （2）北京工業(yè)系統(tǒng)還有2000余臺機床設備亟需用微電子技術進行改造；在已改造的近6500臺機床設備中，大約有15%需進一步改造。 （3）北京工業(yè)系統(tǒng)尚有近250座工業(yè)爐窯亟需用電子信息技術進行改造；且610座已改造過的工業(yè)爐窯也很有進一步應用模糊技術進行二次改造的必要。 （4）北京工業(yè)系統(tǒng) CAD應用還有較大差距。目前，北京工業(yè)品設計，CAD 應用率僅17%（而美、日等國已超過85%；國內先進地區(qū)也超過了30%） ；CAD 的覆蓋率才達到11%（而全國 CAD 應用工程領導小組指出， “八五”期間大中型企業(yè)要達到35%，中小型骨干企業(yè)要達到15%—20% ；到 “九五”時，按國務委員宋健的要求，基本上要甩掉繪圖板） 。 （5）北京工業(yè)系統(tǒng)共有改造價值的各種風機電泵裝機容量50萬千瓦，尚49萬多千瓦用變調速技術進行改造的任務，占總任務量的99.5%左右。 （6）工業(yè)是全市能源消耗大戶。1992年，北京工業(yè)系統(tǒng)占全市能耗總量的59.5%.而北京是一個能源嚴重缺乏的城市，1992年北京工業(yè)系統(tǒng)萬元產值能耗折合標畢業(yè)設計說明書3煤為2.47噸，比上海的1.57噸高57%，比天津的2.15噸高14%，比先進的工業(yè)化國家高近9倍。因此，北京工業(yè)系統(tǒng)節(jié)能降耗的任務非常重，而電力電子技術是節(jié)能降耗的王牌。 2.北京用機電一體化技術加速產品更新換代，提高市場占有率的呼聲高，有壓力。北京市的工業(yè)產品大約有3萬種，每年約開發(fā)試制新產品3000種，更新周期很長。由于更新換代速度跟不上市場變化的需要，影響了北京工業(yè)產品的競爭能力。 1993年，北京市工業(yè)系統(tǒng)生產的機電一體化產品約837種，在當年生產的產品品種總數中僅占7.8%左右。其中：機械局系統(tǒng)主要產品約1200種，機電一體化產品不到150種機電一體化產品所占比例僅4%強；儀器儀表總公司系統(tǒng)主要產品350種，機電一體化產品210種，機電一體化產品所占比例為60%；輕工系統(tǒng)主要產品總數為649種，機電一體化、智能化產品15種，機電一體化、智能化產品所占比例約2.3%；汽車工業(yè)總公司系統(tǒng)平均每輛汽車的總成本為3.5萬元，每輛汽車平均裝用電子產品的費用約300元，不是總成本的1%；與國外約28%的先進水平相差甚遠；與國內先進水平相差一半左右。 3.北京用機電一體化產品取代技術含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、擾民產品的責任重，有意義。在北京工業(yè)系統(tǒng)中，能耗、耗水大戶，對環(huán)境污染嚴重的企業(yè)還占相當大的比重，且不少地處城區(qū)和近郊區(qū)。近年來北京的工業(yè)結構、產品結構雖然幾經調整，但由于多種原因，成效一直不夠明顯。這里面固然有上級領導部門的政出多門問題，有企業(yè)的“故土難離”“死守故業(yè)”問題，但不可否認也有優(yōu)化不出理想的產業(yè)，優(yōu)選不出中意的產品問題。上佳的答案早就擺在了這些企業(yè)的面前，這就是發(fā)展機電一體化，開發(fā)和生產有關的機電一體化產品。機電一體化產品功能強、性能好、質量高、成本低，且具有柔性，可根據市場需要和用戶反映時產品結構和生產過程做必要的調整、改革，而無須改換設備。這是解決機電產品多品種、少批量生產的重要出路。同時，可為傳統(tǒng)的機械工業(yè)注入新鮮血液，帶來新的活力，把機械生產從繁重的體力勞動中解脫出來，實現文明生產。 另外，從市場需求的角度看，由于我國研制、開發(fā)機電一體化產品的歷史不長，差距較大，許多產品的品種、數量、檔次、質量都不能滿足需求，每年進口量都比較大，因此亟需發(fā)展。畢業(yè)設計說明書4Mechanical and electrical integration of the train of thought and countermeasureElectromechanical integration technology development history and tendency since the electron technology publication, electronic technology and mechanical technology integration started, just the emergence of semiconductor integrated circuit, particularly in a microprocessor as the representative of the large scale integrated circuit, “an integrated“ technology has made obvious progress, caused the wide attention of people.(a) “mechatronics“ development course 1 CNC machine tools come out, wrote “mechatronics“ the first page of history; the 2 microelectronic technology as “mechatronics“ vitality; 3 programmable controller, “power electronics“ for the development of “mechatronics“ provides a strong basis; 4 laser technology, fuzzy technology, information technology and other new technologies to “mechatronics“ up to a new stage.“Mechatronics“ trend of development 1 light mechanical and electrical integration.General mechanical and electrical integration system is composed of sensor systems, energy systems, information processing system, mechanical parts.Therefore, the introduction of optical technology, optical technology can effectively improve the innate advantages of mechatronics system sensing system, energy (power) system and information processing system.Light mechanical and electrical integration is an important trend in the development of mechanical and electrical products.The 2 Discipline Distribution System -- flexibility.Future integration of mechanical and electrical products, control and the implementation of the system has enough “redundant“, there is a strong “flexible“, better able to cope with unexpected events, are designed to be “self-discipline distribution system“.The discipline distribution system, each subsystem is independent of each other's work, a 畢業(yè)設計說明書5subsystem for the total system services, at the same time have their own “self-discipline“, according to different environmental conditions to make different responses.Its characteristic is the subsystem can generate its own information and additional information given, in the overall premise, specific “action“ can be changed.Thus, significantly increase the system's ability to adapt (flexible), and not because of the failure of a subsystem of the whole system.The 3 holographic system -- intelligent.Future integration of mechanical and electrical products “holographic“ feature is more and more apparent, more and more high-level intelligence.The main income in the fuzzy technology, information technology (especially software and chip technology) development.In addition, the system hierarchy, also become simple “from the top down“ situation is complex, there are many redundant bidirectional link.4 “software“ - a bionic system.Future integration of mechanical and electrical equipment on the dependence of great information, and often the structure is in a “static“ instability, but in a dynamic (work) when is stable.This is a bit like living organisms: when the control system (the brain) to stop working when the creature, “death“, and when the control system (the brain) work, the biological vitality.Bionics research in the field of number of organisms have been found good mechanism for the integration of mechanical and electrical products provide a new body, but how to live with these new body of “l(fā)ife“ has to be in-depth study.This field of research called “creature -- software“ or “systems biology“, and the biological features are hardware (the body) -- software (brain) one, indivisible.It seems, the integration of mechanical and electrical products although there are more systematic development, but there is a long way to go.5 miniature electrical -- miniature.At present, using the semiconductor device manufacturing process etching technology, in the laboratory have produced submicron mechanical components.When will the results for the actual product, there is no need to distinguish between a mechanical part and a controller.When the mechanical and electronic can “fusion“, body, actuators, sensors, CPU can be integrated together, the volume is small, and the composition of an autonomic components.Such a mechanism is the important development direction of mechanical and electrical integration.畢業(yè)設計說明書6In three, a typical mechatronic products mechatronics products system (machine) and basic element, element two kinds big.A typical mechatronics system are: CNC machine tools, robots, automotive electronic products, intelligent instrumentation, electronic typesetting printing system, CAD / CAM system.Typical electromechanical integration element, parts are: power electronic devices and device, programmable controller, fuzzy controller, micro motor, sensor, ASIC, servo mechanism.These typical mechatronics product technology current situation, development trend, market prospect analysis from.Four, the development of Beijing “mechatronics“ and face the situation and tasks of mechanical and electrical integration mainly includes two levels: one is using the microelectronic technology to transform traditional industries, its purpose is energy saving, material saving, improve work efficiency, improve product quality, the traditional industries of technological progress in improving step; two is the development of automation, digital, intelligent mechanical and electrical products, promote the upgrading of products.The former is the work surface, to popularize the job; the latter is to improve the work, in-depth work.(a) Beijing “mechatronics“ working situation 1 Beijing microelectronics technology to transform traditional industries workload is big and wide (1) in the 700 Beijing municipal industrial system in the enterprise, there are more than 60% enterprises with microelectronics technical reformation of machine equipment, industrial furnace, blower pump, production process task the unfinished requires half the amount.(2) the Beijing industrial system has more than 2000 Taiwan machine tool equipment to use microelectronics technology to transform; in the remodeled nearly 6500 sets of machine equipment, there are approximately 15% needs further improvement.(3) the Beijing industrial system still has nearly 250 industrial furnace to the use of electronic information technology to transform; and 610 have been remodeled industrial furnace are further applications of fuzzy technology are two necessary to transform.(4) the Beijing industrial system CAD application still has bigger difference.At present, Beijing industrial design, CAD application rate of only 17% (and the United States, Japan and 畢業(yè)設計說明書7other countries have more than 85%; domestic advanced area of more than 30%); CAD coverage to reach 11% (compared to the national CAD application project leading group points out, during “eight five“ the large and medium-sized enterprises to reach 35%, small and medium-sized enterprises to reach 15% - 20%; to “Nine Five“ when, according to a Chinese State Councilor Song Jian requirements, basically want to throw drawing board).(5) the Beijing industrial system has transformed the value of various electrical and mechanical wind pump installed capacity of 500000 kilowatts, is 49 Wanduoqian tile with variable speed control technology to transform the task, about 99.5% of the volume of total tasks.(6) industry is the city's energy consumption.In 1992, Beijing industry system representing the city's total energy consumption of the 59.5%. Beijing is a serious lack of energy city, 1992 Beijing industry system energy consumption yuan output value of 2.47 tons of standard coal equivalent, compared to Shanghai's 1.57 tons higher than 57%, Tianjin high of 2.15 tons in 14%, than the advanced industrialized country is nearly 9 times higher than.Therefore, Beijing industry system energy saving task very heavy, and the power electronic technology is energy-saving fall bad news.2 Beijing used electromechanical integration technology to accelerate the upgrading of products, improve the voice of the market share, there is pressure.Beijing city industrial products, there are about 30000 species, each year about development of trial production of new products 3000, update cycle is very long.The update could not keep pace with the changing needs of the market, affected Beijing industrial product competition ability.In 1993, Beijing city industrial production system integration of mechanical and electrical products of about 837, in the product breed of production accounted for only about 7.8% of the total. 畢 業(yè) 設 計 任 務 書課 題 名 稱 工業(yè)機械手設計 指 導 教 師 職 稱 副研究員 指 導 教 師 職 稱 指 導 教 師 職 稱 助理研究員 專 業(yè) 名 稱 機電一體化技術 班 級 學 生 姓 名 學 號 課題需要完成的任務： 1、對工業(yè)機械手工況進行分析，確定設計方案；2、對裝載機械手小車的相關零部件進行設計；3、對機械手的控制方案進行設計；4、圖紙要求：至少 1 張 A0 號圖紙的機械總裝配圖。須有電氣原理圖、部件圖及能夠說明設計方案的各類零件圖若干，要求 CAD 制圖；5、畢業(yè)設計論文、調研報告、外文翻譯各一篇。課題計劃：時 間 內 容 備注12.10.15——12.10.20 畢業(yè)設計動員、完成畢業(yè)設計選題及前期其它準備工作12.10.21——12.10.27 完成課題前期調研及資料查閱工作，設定工作條件及參數12.10.28——12.11.3 繪制草圖，確定外文翻譯內容12.11.4——12.11.10 繪制零件圖、電氣原理圖12.11.11——12.11.24 完成部件圖、裝配圖12.11.25——12.12.8 編寫設計說明書、完成外文翻譯資料12.12.9——12.12.12 答辯資料送指導教師進行審查12.12.15 論文答辯年 10 月 畢業(yè)設計說明書0 0第一章 緒 論1.1 工業(yè)機械手概述工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，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設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，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物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產;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.機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，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)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，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品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它畢業(yè)設計說明書1 1有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。1.2 機械手的組成和分類1.2.1機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(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2-1所示。機械手組成方框圖:(一)執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。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構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，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。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)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:手指有外夾式和內撐式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構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.工業(yè)機械手的手臂通常由驅畢業(yè)設計說明書2 2動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。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，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構當工業(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可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅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)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(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。(三)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?？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)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構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)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置.1.2.2 機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(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、專用機械手畢業(yè)設計說明書3 3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、結構簡單、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，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統(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品種的中小批量自動化的生產。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控類型。(二)按驅動方式分1、液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、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動系統(tǒng)，可實現連續(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動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，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構大，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(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。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，但結構較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。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畢業(yè)設計說明書4 4置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(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。1.3 國內外發(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10.3萬美元降至97年的65萬美元。(2)機械結構向模塊化、可重構化發(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造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。(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、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構: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來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。(5)虛擬現實技術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、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產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:可靠性低于國外畢業(yè)設計說明書5 5產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“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，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(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，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(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、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和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4課題的提出及主要任務1.4.1課題的提出進入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在大量的缺工現象，迫切要求我們提高勞動生產率，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)自動化生產線，把工業(yè)產品從一條生產線搬運到另外一條生產線，實現自動化生產，減輕產業(yè)工人大量的重復性勞動，同時又可以提高勞動生產率?！，F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，氣動技術有以下優(yōu)點:(1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器:介質清潔，管道不易堵存在介質變質及補充的問題.（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。外泄漏不會畢業(yè)設計說明書6 6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0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現過載保護，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。雖然氣動技術作為機器人中的驅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。1.4.2課題的主要任務本課題將要完成的主要任務如下:(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，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構，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)原理圖的參數化繪制進行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質量。(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(PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號，根據機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。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-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;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的畢業(yè)設計說明書7 7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，并能實現柔性轉換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產的、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頻繁的生產場合。2.1機械手的座標型式與自由度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，從而增加一個手臂上下擺動的自由度畢業(yè)設計說明書8 8圖2-1 機械手的運動示意圖2.2 機械手的手部結構方案設計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，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。2.3 機械手的手腕結構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運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。2.4 機械手的手臂結構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、左右回轉和降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，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。2.5 機械手的驅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。2.6 機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程序即可畢業(yè)設計說明書9 9實現，非常方便快捷。2.7 機械手的主要參數1.機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數，由于是采用氣動方式驅動，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，結合工業(yè)生產的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為3-5公斤2.基本參數運動速度是機械手主要的基本參數。操作節(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的速度。該機械手最大移動速度設計為 。最sm/0.1大回轉速度設計為 。平均移動速度為 。平均回轉速度為 。s/90? sm/8.06?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。根據統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為 。手臂升降行程定為 。m140m120定位精度也是基本參數之一。該機械手的定位精度為 。1?2.8 機械手的技術參數列表一、用途:用于自動輸送線的上下料。二、設計技術參數:1、抓重3- kg52、自由度數4個自由度3、座標型式圓柱座標4、最大工作半徑 m105、手臂最大中心高 26、手臂運動參數伸縮行程 10伸縮速度 s/4升降行程 m2升降速度 5畢業(yè)設計說明書10 10回轉范圍 ??180?回轉速度 s/9?7、手腕運動參數回轉范圍 ??180?回轉速度 s/9?8、手指夾持范圍棒料: m150??9、定位方式行程開關或可調機械擋塊等10、定位精度 1?11、驅動方式氣壓傳動12、控制方式點位程序控制(采用PLC)圖2-6 機械手的工作范圍畢業(yè)設計說明書11 11第三章 手部結構設計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，工件為棒料，使用夾持式手部。 3.1夾持式手部結構夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，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卡式(或內漲式)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型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，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。3.1.2設計時考慮的幾個問題(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生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。(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，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。(五)考慮被抓取對象的要求根據機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如附圖所示。3.1.3手部夾緊氣缸的設計1、手部驅動力計算本課題氣動機械手的手部結構如圖3-2所示，畢業(yè)設計說明書12 12圖3-2 齒輪齒條式手部假設其工件重量G=5公斤，V形手指的角度 ， ,摩擦系數為?120??mRb24??10.?f(1)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為: Rbp2?N(2)根據手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式:)(5.0???tg)(2426. 'N???所以 Rbp)(245?(3)實際驅動力:畢業(yè)設計說明書13 13?21Kp?實 際I,因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取 ，并取 。若被抓取工件94.0??5.1?K的最大加速度取 時，此時向上運動。則:ga3? 42?ga所以 )(15694.025Np?實 際所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為 。15632、氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。根據力平衡原理，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: ztFPDF??421?式中: - 活塞桿上的推力，N1- 彈簧反作用力，Nt- 氣缸工作時的總阻力，NzF- 氣缸工作壓力，PaP彈簧反作用按下式計算: )1(sGft??nDdf314Gf = 3148式中: - 彈簧剛度，N/mfG- 彈簧預壓縮量，m- 活塞行程，ms- 彈簧鋼絲直徑，m1d- 彈簧平均直徑， .D畢業(yè)設計說明書14 14- 彈簧有效圈數 .n- 彈簧材料剪切模量，一般取GPaG9104.7??在設計中，必須考慮負載率 的影響，則:?tFpD??421??由以上分析得單向作用氣缸的直徑: ??pt)(1?代入有關數據，可得 ?fGnDd314843915)0(7??/6.mN)(sFft?)(6.2014373???所以: DpnFt???6105.).249(??)(23.65m查有關手冊圓整，得 6由 ,可得活塞桿直徑:.0/??d mDd5.193).02(???取活塞桿直徑 校核，按公式18][4/1???F有: 5.0])[/4(??F?其中，[ ] ，MPa2?N701?則: 5.0)/9(?d8.?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徑畢業(yè)設計說明書15 15之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: ][2/??pDP?式中:6- 缸筒壁厚，mm- 氣缸內徑，mm- 實驗壓力，取 , PapPPp5.1?材料為:ZL3,[ ]=3MPa?代入己知數據，則壁厚為: ][2/?pD?)(5.6)103(65m??取 ，則缸筒外徑為:7?? )(8025.71mD???第四章 手腕結構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運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。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x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實現手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉油(氣)缸，因此我們選用回轉氣缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于 ，并且要求嚴格的密封。?3604. 2手腕的驅動力矩的計算4.2.1手腕轉動時所需的驅動力矩手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，畢業(yè)設計說明書16 16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動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。1.工件2.手部3.手腕圖4-1手碗回轉時受力狀態(tài)手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算:封摩偏慣驅 MM??式中: - 驅動手腕轉動的驅動力矩( );驅 cmN?- 慣性力矩( );慣 c?- 參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉缸的動片)偏對轉動軸線所產生的偏重力矩( ).,cN?; - 手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力封M矩( );cm?下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:1、手腕加速運動時所產生的慣性力矩M悅若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為 ，起動過程所用?的時間為 ，則 :t?).(1cNtJ???）（慣畢業(yè)設計說明書17 17式中: - 參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量 ;J ).(2scmN- 工件對手腕轉動軸線的轉動慣量 `。1 ).(2sc若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量 為:1JgGJc1??21e式中: - 工件對過重心軸線的轉動慣量 :c ).(2scmN- 工件的重量 (N);1- 工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm),e- 手腕轉動時的角速度(弧度/s);?- 起動過程所需的時間(s);t?— 起動過程所轉過的角度(弧度)。?2、手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩M偏+ ( )?偏 1eG3cmN?式中: - 手腕轉動件的重量(N);3- 手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距(cm)e當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則 .1eG0?3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 封M( )?封M)(21dRfBA?cmN?式中: ， - 轉動軸的軸頸直徑(cm);1d- 摩擦系數，對于滾動軸承 ，對于滑動軸承 ;f 01.?f 1.0?f, - 處的支承反力(N)，可按手腕轉動軸的受力分析求解，ARB根據 ,得:0??）（ FM3lGB?l12畢業(yè)設計說明書18 18BR?llG321??同理，根據 (F) ,得:BM?0?lllA )()()( 321????式中: - 的重量 (N)2G,— 如圖4-1所示的長度尺寸 (cm).31,l4、轉缸的動片與缸徑、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型有關，應根據具體情況加以分析。4.2.2回轉氣缸的驅動力矩計算在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉氣缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。單葉氣缸的壓力P驅動力矩M的關系為:, 或 2)(rRp??)(2rRbMp??圖4-2 回轉氣缸簡圖式中：M——回轉氣缸的驅動力矩（N·cm）P——回轉氣缸的工作壓力（N·cm）畢業(yè)設計說明書19 19R——缸體內壁半徑（cm）r——輸出軸半徑（cm）b——動片寬度（cm）上述驅動力矩和壓力的關系式是對于低壓腔背壓力為零的情況下而言。若低于壓腔有一定的背壓，則上式中的p應代以工作壓力p1與背壓p2之差。4.2.3 手腕回轉缸的尺寸及其校核1.尺寸設計氣缸長度設計為 ,氣缸內徑為 =96mm,半徑 ,軸徑mb10?1DmR48?=26mm,半徑 ,氣缸運行角速度 = ，加速度時間mD26?2R3?s/90?=0.1s, 壓強 ,t?MPa4.則力矩2)(rRpb??).(63)026.48.(104.6mN???2.尺寸校核1．測定參與手腕轉動的部件的質量 ,分析部件的質量分布情況，kgm10?質量密度等效分布在一個半徑 的圓盤上，那么轉動慣量：r521rmJ?05.2?（ ）1.?2.mkg工件的質量為5 ,質量分布于長 的棒料上，那么轉動慣量ml10?).(042.1.2mkglJc??。假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長 的棒料來說，最大偏心距ml10?畢業(yè)設計說明書20 20，其轉動慣量為:me501?).(067.4221kgJc??慣MtJ???1).(3261.09705mN?2、手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉動件重心與轉動軸線重合， ，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線 ,01?e me503?則+ 偏 1G3).(5205.0mN????3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 ，對于滾動軸承 ，對于摩M01.?f滑動軸承 =0.1， ， 為手腕轉動軸的軸頸直徑， , , f1d2 md31d2, 為軸頸處的支承反力，粗略估計 , ,ARB NRA30?B5摩M?)(21RfBA?).052.30. ?)(5.mN4．回轉缸的動片與缸徑、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型有關，應根據具體情況加以分析。在此處估計 為 的3封M摩倍，3 封 ??摩05.)(1mN畢業(yè)設計說明書21 21?封摩偏慣驅 MM??15.0.523.6)(9mN〈驅設計尺寸符合使用要求，安全。第五章 手臂伸縮，升降，回轉氣缸的尺寸設計與校核5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產的標準氣缸，參看此公司生產的各種型號的結構特點，尺寸參數，結合本設計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內徑為 100/63。?5.1.2 尺寸校核1.在校核尺寸時，只需校核氣缸內徑 =63mm,半徑 R=31.5mm的氣缸的尺寸1D滿足使用要求即可,設計使用壓強 ,MPa4.0?則驅動力：2RPF???)(146031502N?1， 測定手腕質量為50kg,設計加速度 ，則慣性力)/(10sma?maF?)(501N?畢業(yè)設計說明書22 222.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數 ,2.0?k1.Fkm?)(052N?總受力?mF??1)(605F?0所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅動力要求要求。5.1.3.導向裝置氣壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，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，在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。5.1.4 平衡裝置在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側加裝平衡裝置，裝置內加放砝碼，砝碼塊的質量根據抓取物體的重量和氣缸的運行參數視具體情況加以調節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。5.2 手臂升降氣缸的尺寸設計與校核5.2.1 尺寸設計氣缸運行長度設計為 =118mm,氣缸內徑為 =110mm,半徑R=55mm,氣l 1D缸運行速度，加速度時間 =0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅動力t?`20.RpG??2605.143.?)(79N5.2.2 尺寸校核1．測定手腕質量為80kg,則重力畢業(yè)設計說明書23 23mgG?)(801N?2，設計加速度 ，則慣性力)/5sa?mG1)(408N??3. 考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數 ，1.0?k1.Gkm)(40N??總受力?mq?1)(2408?0Gq?所以設計尺寸符合實際使用要求。5.3 手臂回轉氣缸的尺寸設計與校核5.3.1 尺寸設計氣缸長度設計為 ,氣缸內徑為 ,半徑R=105mm,mb120?mD210?軸徑 半徑 ,氣缸運行角速度 = ，加速度時間D402?R?s/9?0.5s,壓強 ,t?MPa.則力矩： 2)(rpb??).(5)02.15.(04.6mN???5.3.2 尺寸校核畢業(yè)設計說明書24 241．測定參與手臂轉動的部件的質量 ,分析部件的質量分kgm120?布情況，質量密度等效分布在一個半徑 的圓盤上，那么轉動慣量：r21rmJ?0.2?（ ）6.?2.mkgtJM??慣).(108596mN??考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定一摩擦系數 ,2.0?k慣摩 Mk.）（ mN.451082??總驅動力矩摩慣驅 ?）（ mN.413508?M〈驅設計尺寸滿足使用要求。?第六章 氣動系統(tǒng)設計6.1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖（見附圖1）附圖1所示為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機（排氣力大于0.4-0.6Mpa）通過快換接頭進入儲氣罐，經分水過濾器、調壓閥、油霧器，進入各并聯氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作畢業(yè)設計說明書25 25序號 型號規(guī)格 名稱 數量1 QF-44 手動截止閥 12 儲氣罐 23 QSL-26-S1 分水濾氣器 14 QTY-20-S1 減壓閥 15 QIU-20-S1 油霧器 16 YJ-1 壓力繼電器 17 Q24DH-10-S1 二位五通電磁滑閥 18 Q24D2H-10-S1 二位五通電磁滑閥 49 Q24D2H-15-S1 二位五通電磁滑閥 110 單向節(jié)流閥 211 L1-25 單向節(jié)流閥 212 快速排氣閥 213 氣液轉換器 1個執(zhí)行機構的調速，凡是能采用排氣氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進行調速，這種方法的特點是結構簡單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可加快起動速度，也可調節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度調節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側的排氣節(jié)流，可以來調整回轉液壓緩沖器的背壓大小。為簡化氣路，減少電磁閥的數量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器，這樣可以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。電磁閥的通徑，是根據各工作氣缸的尺寸、行程、速度計算出所需壓縮空氣流量，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應來確定。第七章 機械手的PLC控制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畢業(yè)設計說明書26 26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，非常方便快捷。7. 1可編程序控制器的選擇及工作過程7.1.1 可編程序控制器的選擇目前，國際上生產可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等?？紤]到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。7.1.2 可編程序控制器的工作過程可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個階段。第一階段是初始化處理?？删幊绦蚩刂破鞯妮斎攵俗硬皇侵苯优c主機相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。第二階段是處理輸入信號階段。在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內，各個輸入點的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結果混亂，保證了本周期內用戶程序的正確執(zhí)行。第三階段是程序處理階段。當輸入狀態(tài)信息全部進入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據各I/0狀態(tài)和有關指令進行運算和處理，最后將結果寫入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對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅動輸出繼電器線圈，控制被控設備進行各種相應的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。7.2 可編程序控制器的使用步驟在可編程序控制器與被控對象(機器、設備或生產過程)構成一個自動控制系統(tǒng)時，通常以七個步驟進行:(1)系統(tǒng)設計即確定被控對象的動作及動作順序。(2)I/0分配即確定哪些信號是送到可編程序控制器的，并分配給相應的輸入端號;畢業(yè)設計說明書27 27哪些信號是由可編程序控制器送到被控對象的，并分配相應的輸出端號.此外，對用到的可編程序控制器內部的計數器、定時器等也要進行分配?？删幊绦蚩刂破魇峭ㄟ^編號來識別信號的。(3)畫梯形圖它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達了系統(tǒng)中全部動作的相互關系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT)，則畫出梯形圖相當于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對簡易編程器，則往往要經過下一步的助記符程序轉換過程。(4)助記符機器程序相當于微機的助記符程序，是面向機器的(即不同廠家的可編程序控制器，助記符指令形式不同)，用簡易編程器時，應將梯形圖轉化成助記符程序，才能將其輸入到可編程序控制器中。(5)編制程序即檢查程序中每條語法錯誤，若有則修改。這項工作在編程器上進行。(6)調試程序即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，可以在編程器上修改。程序設計(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調試)也可在別的工具上進行。如IBM-PC機，只要這個機器配有相應的軟件。(7)保存程序調試通過的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盤上備用。7.3 機械手可編程序控制器控制方案7.3.1 系統(tǒng)簡介控制對象為圓柱座標氣動機械手。它的手臂具有三個自由度，即水平方向的伸、縮;豎直方向的上、下;繞豎直軸的順時針方向旋轉及逆時針方向旋轉。另外，其末端執(zhí)行裝置— 機械手，還可完成抓、放功能。以上各動作均采用氣動方式驅動，即用五個二位五通電磁閥(每個閥有兩個線圈，對應兩個相反動作)分別控制五個氣缸，使機械手完成伸、縮、上、下、旋轉及機械手抓放動作。其中旋轉運動用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運動轉化為旋轉運動。這樣，可用PLC的8個輸出端與電磁閥的8個線圈相連，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵，從而使機械手按預先安排的動作序列工作.如果欲改變機械手的動作，不需改變接線，只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六個動作末端均放置一限位開關，以檢測動作是否到位，如果某動作沒有到位，則出錯指示燈亮。7.3.2 工業(yè)機械手的工作流程此機械手用于自動輸送線的上下料。當按下機械手啟動按鈕之后，機械手有如下動作:先右轉至右限位開關動作(1DT通電) 下降至下限位開關(5DT通電) 手??腕逆時針轉動90 (7DT通電) 手臂伸長至限位開關 (3DT通電) 檢查有無物?品，若有物品，手爪抓緊(9DT通電) 手臂收縮至限位開關(4DT通電) 上升至上限位開關(6DT通電) 左轉至左限位開關動作 (2DT通電) 手腕順時針轉畢業(yè)設計說明書28 28動900 (8DT通電) 手臂伸長至最長 (3DT通電) 手爪松開(IODT通電) 延???時 手臂收縮最短 (4DT通電)。至此，一個工作循環(huán)完畢。7.3.3 機械手工作時序圖如附圖所示4, 1/0分配（見附圖2）根據系統(tǒng)輸入輸出點的數目，選用OMRON C28P型PC，它有16個輸入點，標號為0000-0015; 12個輸出點，標號為0500-0511.輸入 輸出啟動 0000 手臂左轉 0500停止 0001 手臂右轉 0501手爪抓緊 0002 手臂伸長 0502左轉限位開關 0003 手臂收縮 0503右轉限位開關 0004 手臂上升 0504伸長限位開關 0005 手臂下降 0505收縮限位開關 0006 手臂逆轉 0506上升限位開關 0007 手臂順轉 0507下降限位開關 0008 手爪抓緊 0508逆轉限位開關 0009 手爪放松 0509順轉限位開關 0010物品檢測 00115、梯形圖設計（見附圖3）根據機械手的邏輯時序圖及1/0分配，畫出控制梯形圖，如附圖所示。由梯形圖可以看出:(1)手臂左轉的條件:左轉不到位(0003為OFF)，收縮到位(0006為ON),上升到位(0007為ON)，手腕逆轉到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON),無右轉命令(0501為OFF).(2)手臂右轉的條件:右轉不到位(0004為OFF)，上升到位(0007為ON),收縮到位畢業(yè)設計說明書29 29(0006為ON)，手腕順轉到位(0010為ON)，手爪放松(0002為OFF),無左轉命令(0500為OFF).(3)手臂伸長的條件:伸長不到位(0005為OFF)，無收縮命令(0503為OFF)，并且滿足下列條件之一:1)右轉到位(0004為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉到位(0009為ON)，手爪放松(0002為OFF); 2)左轉到位(0003為ON)，上升到位(0007為ON)，手腕順轉到位(0010為ON)，手爪抓緊(0002為ON).(4)手臂收縮的條件:收縮不到位(0006為OFF)，無伸長命令(0502為OFF)，并且滿足下列條件之一:1)右轉到位(0004為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON); 2)左轉到位(0003為ON)，上升到位(0007為ON)，手爪抓緊(0002為ON)，手腕順轉到位(0010為ON).(5)手臂上升的條件:上升不到位(0007為OFF)，無下降命令(0505為OFF)，收縮到位(0006為ON)，手腕逆轉到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON)，右轉到位(0004為ON).}(6)手臂下降的條件:下降不到位(0008為OFF)，無上升命令(0504為OFF)，右轉到位(0004為ON)，收縮到位(0006為ON)，手腕順轉到位(0010為ON)，手爪放松(0002為OFF).(7)手腕逆轉的條件:逆轉不到位(0009為OFF)，無順轉命令(0507為OFF)，右轉到位(0004為ON)，收縮到位(0006為ON)，下降到位(0008為ON),手爪放松(0002為OFF).(8)手腕順轉的條件:順轉不到位(0010為OFF)，無逆轉命令(0506為OFF)，左轉到位(0003為ON)，收縮到位(0006為ON)，上升到位(0007為ON),手爪抓緊(0002為ON).(9)手爪抓緊的條件:手爪未抓到物品(0002為OFF)，無放松命令(0509為OFF)，并且滿足下列條件之一:1)右轉到位(0004為ON)，伸長到位(0005為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉到位(0009為ON)，檢測到有物品(0011為ON), 2)左轉到位(0003為ON)，伸長到位(0005為ON)，上升到位(0007為ON)，手腕順轉到位(0010為ON)(9)手爪放松的條件:手爪抓緊(0002為ON)，無抓緊命令(0508為OFF),并且滿足下列條件一:1)左轉到位(0003為ON)，伸長到位(0005為ON),上升到位(0007為ON)，手腕順轉到位(0010為ON). 2)左轉到位(0003為ON),上升到位(0007為ON)，手腕順轉到位(0010為ON)，收縮到位(0006為ON).另外，當按下停止按鈕時，手臂停止動作，即手臂停止在不定的位置。6、機械手控制程序指令0000 LD 0000OR 1000AND NOT 0001OUT 1000LD 1000