013JX多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設計
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無錫職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書
第一章 引 言
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(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。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，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。機械手的結(jié)構(gòu)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(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
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。
氣動技術(shù)有以下優(yōu)點:
(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(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。
1.2 氣動機械手的設計要求
1.2.2 課題的設計要求
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(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)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(jù)機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。
1.3 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成
機械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖1-1所示。
控制系統(tǒng)
（PLC）
位置檢測裝置
驅(qū)動系統(tǒng)
（氣壓傳動）
執(zhí)行機構(gòu)
立柱
手臂
手腕
手部
圖1-1機械手的系統(tǒng)工作原理框圖
機械手的工作原理：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。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。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。位置檢測裝置隨時將執(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.
(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。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，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。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。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(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。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
5、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。它由動力裝置、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。
(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。該機械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，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.
第二章 機械手的整體設計方案
對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手（如圖2-1所示），是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。
圖2-1機械手的整體機械結(jié)構(gòu)
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、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。（如圖2-2所示）
圖2-2 機械手的運動示意圖
2.2 機械手的手部結(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。
2.3 機械手的手腕結(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。
2.4 機械手的手臂結(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)。
2.5 機械手的驅(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。
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，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。
2.7 機械手的主要技術(shù)參數(shù)
一.機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由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。
二.基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。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。（如圖2-3所示）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。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。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(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600mm,最大工作半徑約為。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。
三. 用途:
用于自動輸送線的上下料。
四．設計技術(shù)參數(shù):
1、抓重
2、自由度數(shù) 4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)
伸縮行程
伸縮速度
升降行程
升降速度
回轉(zhuǎn)范圍
回轉(zhuǎn)速度
7、手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍
回轉(zhuǎn)速度
8、手指夾持范圍 棒料:
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PLC)
圖2-3機械手的工作范圍
第三章 手部結(jié)構(gòu)設計
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
夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；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。
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(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，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。
3.1.3手部夾緊氣缸的設計
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3-1所示：
圖3-1齒輪齒條式手部
其工件重量G=5公斤，
V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為
(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:
(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:
所以
(3)實際驅(qū)動力:
1、因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則:
所以
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:
式中: - 活塞桿上的推力，N
- 彈簧反作用力，N
- 氣缸工作時的總阻力，N
- 氣缸工作壓力，Pa
彈簧反作用按下式計算:
Gf =
式中:- 彈簧剛度，N/m
- 彈簧預壓縮量，m
- 活塞行程，m
- 彈簧鋼絲直徑，m
- 彈簧平均直徑，.
- 彈簧有效圈數(shù).
- 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:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關數(shù)據(jù)，可得
所以:
查有關手冊圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式
有:
其中，[]，
則:
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:
式中:6- 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 實驗壓力，取, Pa
材料為:ZL3,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
第四章 手腕結(jié)構(gòu)設計
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(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應用最多的為回轉(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，并且要求嚴格的密封。
4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算
4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩
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.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(zhuǎn)時受力狀態(tài)
手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算:
式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩();
- 慣性力矩();
- 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().
- 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4-1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(chǎn)生的慣性力矩M悅
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，則:
式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量;
- 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。
若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為:
式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量:
- 工件的重量(N);
- 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm),
- 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s);
- 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M偏
+ ()
式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N);
- 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)
當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則.
3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩
()
式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm);
- 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承;
,- 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),得:
同理，根據(jù)(F),得:
式中:- 的重量(N)
,— 如圖4-1所示的長度尺寸(cm).
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M封，與選用的密襯裝置的類型有關，應根據(jù)具體情況加以分析。
4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算
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4-2所示，定片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.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動力矩M的關系為:
或
4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核
1.尺寸設計
氣缸長度設計為,氣缸內(nèi)徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間=0.1s, 壓強,
則力矩：
2.尺寸校核
（1）測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
（）
工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距
，其轉(zhuǎn)動慣量為:
（2）手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心
與轉(zhuǎn)動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線,則：
+
（3）手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于滾動軸承，對于滑動軸承=0.1， ，為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計,,
4．回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關，應根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計為的3倍，
3
設計尺寸符合使用要求，安全。
第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)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(chǎn)的標準氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63，關于此氣缸的資料詳情請參看煙臺氣動元件廠公司主頁：
www.bota.cn/products.asp.
5.1.2 尺寸校核
1. 在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強,
則驅(qū)動力：
2．測定手腕質(zhì)量為50kg,設計加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù),
總受力
所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。
5.1.3 導向裝置
氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(cè)重力矩對性能的影響，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行參數(shù)視具體情況加以調(diào)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(nèi)徑為=110mm,半徑R=55mm,氣缸運行速度，加速度時間=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅(qū)動力：
5.2.2 尺寸校核
1．測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力：
2．設計加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)，
總受力
所以設計尺寸符合實際使用要求。
5.3 手臂回轉(zhuǎn)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(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強,
則力矩：
5.3.2 尺寸校核
1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
（）
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定一摩擦系數(shù),
總驅(qū)動力矩：
設計尺寸滿足使用要求。
7
24DH-10-S1
二位五通電磁滑閥
1
8
24D2H-10-S1
二位五通電磁滑閥
4
9
24D2H-15-S1
二位五通電磁滑閥
1
10
單向節(jié)流閥
2
11
LI-25
單向節(jié)流閥
2
12
快速排氣閥
2
13
氣液轉(zhuǎn)換器
1
各通行機構(gòu)的調(diào)速，凡是能采用排氣口節(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(diào)節(jié)，這種方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單效果好。如平臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可加快啟動速度，也可調(diào)節(jié)全程的速度。升降氣缸采用氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。
為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)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(jù)各工作氣缸的尺寸，行程，速度計算出所需壓縮空氣流量，與選用的電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應來確定的。
第七章 機械手的PLC控制系統(tǒng)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(PLC)對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。
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(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四個階段。
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(nèi)，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(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(jù)各I/0狀態(tài)和有關指令進行運算和處理，最后將結(jié)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。
CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結(jié)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(qū)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(chǎn)過程)構(gòu)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
即確定被控對象的工作原理，控制要求，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;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(nèi)部的計數(shù)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(jīng)過下一步的助記符程序轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(diào)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 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求
1.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(zhuǎn)及逆時針方向旋轉(zhuǎn)。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(qū)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(zhuǎn)及機械手抓放動作。其中旋轉(zhuǎn)運動用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)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。
2.控制要求
為了滿足生產(chǎn)需要，機械手應設置手動工作方式、單動工作方式和自動工作方式。
（1）手動工作方式
便于對設備進行調(diào)整和檢修，設置手動工作方式。用按鈕對機械手每一動作單獨進行控制。
（2）單動工作方式
從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按下一次起動按鈕，機械手完成一步的工作后，自動停止。
（3）自動工作方式
按下起動按鈕，機械手從原點開始，按工序自動反復連續(xù)工作，直到按下停止按鈕，機械手在完成最后一個周期的動作后，返回原點自動停機。
7.3.2 氣動機械手的工作流程（如圖7-1所示）
氣動機械手的工作流程如下：
（1） 當按下機械手啟動按鈕之后，首先立柱右轉(zhuǎn)電磁閥通電，機械手右轉(zhuǎn)，至右限位開關動作。
（2） 立柱上升電磁閥通電，立柱上升，至上限位開關動作。
（3） 手臂伸長電磁閥通電，手臂開始伸長，至限位開關動作。
（4） 手腕逆時針轉(zhuǎn)電磁閥通電，手腕逆時針轉(zhuǎn)動，至逆時針轉(zhuǎn)限位開關動作。
（5） 立柱下降電磁閥通電，立柱下降，至下限位開關動作。
（6） 手爪抓緊電磁閥通電，手爪抓緊，至限位開關動作。
（7） 立柱上升電磁閥通電，立柱上升，至上限位開關動作。
（8） 手腕逆時針轉(zhuǎn)電磁閥通電，手腕逆時針轉(zhuǎn)動，至逆時針轉(zhuǎn)限位開關動作。
（9） 手腕收縮電磁閥通電，手腕收縮，至限位開關動作。
（10） 立柱左轉(zhuǎn)電磁閥通電，機械手左轉(zhuǎn)，至左限位開關動作。
（11） 手臂伸長電磁閥通電，手臂開始伸長，至限位開關動作。
（12） 手腕逆時針轉(zhuǎn)電磁閥通電，手腕逆時針轉(zhuǎn)動，至逆時針轉(zhuǎn)限位開關動作。
（13） 立柱下降電磁閥通電，立柱下降，至下限位開關動作。
（14） 手爪松開電磁閥通電，手爪松開，至限位開關動作。
（15） 手腕收縮電磁閥通電，手腕收縮，至限位開關動作。完成一次循環(huán)，然后重復以上循環(huán)動作。
（16） 按下停止按鈕或停電時，機械手停止在現(xiàn)行的工步上，重新啟動時，機械手按上一工步繼續(xù)工作。
啟動
手腕收縮
手爪松開
立柱右轉(zhuǎn)
立柱下降
立柱上升
手腕逆時針轉(zhuǎn)
手臂伸長
手臂伸長
手腕逆時針轉(zhuǎn)
立柱左轉(zhuǎn)
立柱下降
手腕收縮
手爪抓緊
手腕逆時針轉(zhuǎn)
立柱上升
圖7-1機械手自動控制工作流程框圖
7.3.3 I/0分配
根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點的數(shù)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.如表7-1所示。
其它地址分配：
1、 夾緊定時器:T1,定時5s 2、 放松定時器:T2，定時5s 3、 自動方式標志:M0.0 4 、單動方式標志:M0.1 5、 手動方式標志:M0.2 6、 結(jié)束標志:M0.5
7.3.4 梯形圖設計
根據(jù)機械手的邏輯時序圖及1/0分配，可以畫出控制梯形圖。控制梯形圖可分為子程序部分和主程序部分。
子程序部分包括：自動方式控制梯形圖（7-2）和手動方式控制梯形圖（7-3）。
1． 自動控制方式梯形圖如下：
圖7-2自動方式控制梯形圖
2.手動控制方式梯形圖如下：
圖7-3手動控制方式梯形圖
3.主程序梯形圖如圖7-4所示：
圖7-4主程序梯形圖
第八章 結(jié) 論
1、本次設計的是氣動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。
2、采用氣壓傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。工作環(huán)境適應性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污染環(huán)境。同時成本低廉。
3、通過對氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度，節(jié)省了大量時間和避免了不必要的重復勞動，同時做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。
4、機械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設定PLC程序來實現(xiàn)。可以根據(jù)機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強。
致 謝
本文是在我尊敬的俞云強老師悉心指導下完成的。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和精益求精的工作作風使我受益匪淺。在此，我首先向老師表示誠摯的感謝，并致以崇高的敬意!在課題的研究和開發(fā)階段，得到了學校老師的大力支持和幫助，為我提供了許多有用的資料，在此一并向他們表示衷心的感謝。在日常生活和學習中，學校的各位老師，以及全體同學給與我大力支持和幫助，在此我向他們表示衷心的感謝。感謝父母 、家人，感謝所有關心我的朋友和老師，感謝無錫職業(yè)技術(shù)學院的學習環(huán)境。
孫啟亮
2008年4日11日
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