氣動式機(jī)械手(畢業(yè)論文)

黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造畢業(yè)設(shè)計題目：氣動式機(jī)械手設(shè)計 氣動式機(jī)械手設(shè)計 式機(jī)械手學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 部 （系） ： 學(xué) 習(xí) 專業(yè)：程琳機(jī)械工程系 機(jī)械設(shè)計與制造黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造2012 年2月15 日1黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造目 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.......................................4 1.2.1 機(jī)械手的組成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1.2.2 機(jī)械手的分類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第二章 機(jī)械手的設(shè)計方案 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．．．．．．．．．．．．．．． 8 ．．．．．．．．．．．．．．． 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．． 9 ．．．．．．．．．．．．．．． 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．9 ．．．．．．．．．．．．．．． 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 ．．．．．．．．．．．．．．．．． 2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．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 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.1.1 手指的形狀和分類．．．．．．．．．．．．．．．．．11 ．．．．．．．．．．．．．．．．2黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造3.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題．．．．．．．．．．．．．．．14 ．．．．．．．．．．．．．． 3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．14 ．．．．．．．．．．．．．．． 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 手腕的自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 ．．．．．．．．．．．．．．．．． 4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩．．．．．．．．．．．． 15 ．．．．．．．．．．．． 4.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算．．．．．．．．．．．．．．17 ．．．．．．．．．．．．． 第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計與校核 5.1 手臂伸縮部分尺寸設(shè)計與校核．．．．．．．．．．．．．．．19 ．．．．．．．．．．．．．． 5.1.1 尺寸設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．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)計與校核．．．．．．．．．．．．．．．20 ．．．．．．．．．．．．．． 5.2.1 尺寸設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.2.2 尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.3 手臂回轉(zhuǎn)部分尺寸設(shè)計與校核．．．．．．．．．．．．．．．21 ．．．．．．．．．．．．．． 5.3.1 尺寸設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 5.3.2 尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 第六章 機(jī)械手的 PLC 控制設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．22 ．．．．．．．．．．．．．．．．． 6.1 可編程序控制器的選擇及工作過程．．．．．．．．．．．．．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)計與制造摘 要在設(shè)計機(jī)械手臂的時，用兩個電機(jī)提供動力。左邊電機(jī)通過諧波減速器減速 后，通過齒輪來控制手臂的回轉(zhuǎn)，手臂彎曲動作的動力由右邊電機(jī)提供。電機(jī)2 同樣也是通過諧波減速器減速后，通過長軸，把動力傳到底部的小齒輪，再由小 齒輪與大齒輪的嚙合，把動力傳到豎直的錐齒輪上，又通過錐齒輪之間的嚙合， 把動力與運動傳遞到橫軸上，再通過鍵連接，把動力傳到帶輪上。帶輪以一定的 速度不停的轉(zhuǎn)，以給臂關(guān)節(jié)通過同步齒型帶傳遞動力。 臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計：用兩個同步齒形帶輪來傳遞動力，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。右半邊為電磁制動器，制動 器的左半邊與離合器的右半邊相連，且通過盤與上臂相連。當(dāng)電磁鐵通電時，制 動器吸合，離合器分開。上臂停止在所要求的位置上。當(dāng)電磁鐵失電時，由于彈 簧力的作用，把制動器推開，同時離合器在彈簧力的作用下自動嚙合，手臂恢復(fù) 原有的運動。 注：機(jī)械手臂的運動范圍手其結(jié)構(gòu)的限制，在手臂的運動到達(dá)結(jié)構(gòu)位置之前，必 須使其自動停止。 機(jī)械手臂的運動機(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停止，反向運行的條件完全是靠離合齒上的凸起部分 與滑塊的接觸實現(xiàn)的。為了使離合齒輪能順利的脫開和嚙合，對離合齒上的凸起 部分斜面的升角β≥arctgμν。只有滿足這個條件，離合齒上凸起部分的斜面與滑 塊在滑動時才不會發(fā)生自鎖。這樣手臂才能自動停止和反向動作！ 方案二 此方案在臂關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計上與方案一有所不同。這里設(shè)計成中心軸不轉(zhuǎn) 動。改在同步帶輪處裝兩個軸承。這樣，帶輪可自由轉(zhuǎn)動，而不會影響軸，且把5黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計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(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 換代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計算機(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，是一個國家工業(yè)自動 化水平的重要標(biāo)志。機(jī)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(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(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(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn) 業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè) 備.機(jī)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(xiàn)自動抓取、 搬運或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“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)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞 動強(qiáng)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(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)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機(jī)械手的 結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺機(jī)床的上下料裝置，是附屬 于該機(jī)床的專用機(jī)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(fù)操作， 適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”， 簡稱通用機(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1.2.1.機(jī)械手的組成7黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 驅(qū)動系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示�？刂葡到y(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置檢測裝置機(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(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，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)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完 成夾放物件的任務(wù)。 傳力機(jī)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)8黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造3、手臂: 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指 去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機(jī)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(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)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)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(jī)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(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，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)，以實現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運 動。 滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。 驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動裝置。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)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助 裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機(jī)械傳動�？刂葡到y(tǒng)是支 配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運動的系統(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)定的程序運動，9黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造并記憶人們給予機(jī)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(jī)構(gòu)發(fā)出指令， 必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān) 視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (二)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運動的系統(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)定的程序運動， 并記憶人們給予機(jī)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(jī)構(gòu)發(fā)出指令， 必要時可對機(jī)械手的動 作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。1.2.2 .機(jī)械手的分類工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類 標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。 (一)按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種: 1、專用機(jī)械手 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用 機(jī)械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點， 適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機(jī)械手，如自動機(jī)床、自動線的上、 下料機(jī)械手和加工中心。 2、通用機(jī)械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。 在性能范圍內(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10黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。 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易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只 能是點位控制，伺服型可以是點位的，也可以實現(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)控類型。 (二)按驅(qū)動方式分 1、液壓傳動機(jī)械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。 其主要特點是:抓重可達(dá) 幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格， 不然油的泄漏對機(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)動系統(tǒng)，可實現(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，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。 2、氣壓傳動機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)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(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)械傳動機(jī)械手 即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動的機(jī) 械手。 它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手， 其動力是由工作機(jī)械傳遞的。 它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動作頻率大，但 結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。11黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造4、電力傳動機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī) 構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電 機(jī)機(jī)械手的運動速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多， 但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位 置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的 復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)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(shè)定點為無限的，整個 移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣 控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計算機(jī)進(jìn)行控制。12黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造13黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造第二章氣動機(jī)械手的設(shè)計方案對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運物件，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 意位置都能自動定位等特性。 設(shè)計氣動機(jī)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(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用 定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)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(shè)計的機(jī)械手是通用氣動上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或 中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，勞動強(qiáng)度大和操作 單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。也可用于操作環(huán)境惡劣的生產(chǎn)場合。2.1．機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運動形式及其組合情況，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)械手在上下料時手臂具有升降、 收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個自由度，為 了彌補(bǔ)升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺 動的自由度14黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造圖2-1 機(jī)械手的運動示意圖2.2 .機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 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)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng) 工件是棒料時，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。2.3 .機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 考慮到機(jī)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(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn) 運動的機(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 按照抓取工件的要求，本機(jī)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(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，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)計與制造廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動方式。2.6 .機(jī)械手的控制方案設(shè)計 考慮到機(jī)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(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)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(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)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，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)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際 情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為5公斤 2.基本參數(shù)運動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了 要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)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(jī)械手最大移動速度設(shè)計為 1.0m / s 。最大回 轉(zhuǎn)速度設(shè)計為 90 o / s 。平均移動速度為 0.8m / s 。平均回轉(zhuǎn)速度為 60 o / s 。機(jī) 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(guān)，故用平均速度表示速度的快 慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行 程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計成相當(dāng)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(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: 用于自動輸送線的上下料。 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù): 1、抓重: 5kg 2、自由度數(shù):4個自由度 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、手臂運動參數(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、手腕運動參數(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:行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等 10、定位精度: ± 1mm 11、驅(qū)動方式:氣壓傳動 12、控制方式:17黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造機(jī)械手臂剖視圖圖2-618黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造第三章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng) 工件是棒料時，使用夾持式手部:如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié) 構(gòu)， 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 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(jìn)型)， 其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。 當(dāng)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(dāng)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(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)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(yīng)不同直徑的工件。19黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造3.1.2設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)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(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，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(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(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)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(shè)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(shè)計 1、手部驅(qū)動力計算 本課題氣動機(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)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:p= 2b N R(2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式:N = 0.5tg (θ ? ? )= 0.5 × 5 × tg (60 o ? 5 o 42 ' ) = 25( N ) 所以 p = 2b N = 245( N ) R(3)實際驅(qū)動力:p實際 ≥ p K1 K 2ηI,因為傳力機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，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)計與制造速度取 a = 3 g 時，則: K 2 = 1 + 所以 p實際 = 245 ×a =4 g1 .5 × 4 = 1563( N ) 0.94所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為 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 - 氣缸工作時的總阻力，NP - 氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算: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滿足實際設(shè)計要求。 3,缸筒壁厚的設(shè)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23黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:δ = DPp / 2[σ ]式中:6- 缸筒壁厚，mmD - 氣缸內(nèi)徑，mm Pp - 實驗壓力，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)計與制造第四章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮到機(jī)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(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回 轉(zhuǎn)運動的機(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 它具有獨立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。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，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)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(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。25黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造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:M驅(qū) = M慣 + M偏 + M摩 + M封式中: M 驅(qū) - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩( N ? cm );M慣 M偏 -慣性力矩( N ? cm ); 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( N ? cm )., ;M封 -手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩( 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 ω ，起動過程所用的 時間為 ?t ，則:26黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造M 慣 = J + J 1） ( N .cm) （ ?tω式中: J - 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ( N .cm.s 2 ) ;J 1 - 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ( N .cm.s 2 ) `。若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量 J 1 為: J1 = J c + G1 2 e1 g式中: J c - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ( N .cm.s 2 ) :G1 - 工件的重量(N);e1 - 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm),ω - 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s);?t - 起動過程所需的時間(s);?? — 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏M 偏 = G1e1 + G3 e3 ( N ? cm )式中:G3 - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N);e3 - 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則 G1e1 = 0 . 3、手腕轉(zhuǎn)動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)計與制造式中: d1 ， d 2 - 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm);f - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 f = 0.01 ，對于滑動軸承 f = 0.1 ;R A , R B - 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) ∑ 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(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)動力矩計算 在機(jī)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(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)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(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)計與制造29黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造第五章 手臂伸縮、 升降、 回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計 手臂伸縮氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合 本設(shè)計的實際要求，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，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)計使用壓強(qiáng) P = 0.4 MPa , 則驅(qū)動力：F = P ? πR 2= 0.4 × 10 6 × 3.14 × 0.0315 2 = 1246( N ) 測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計加速度 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氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求要求。 5.1.3.導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動的機(jī)械手臂在進(jìn)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(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時， 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(shè)計和布局上應(yīng)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(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)計中才 用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 5.1.4 平衡裝置 在本設(shè)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(wù)求 使兩端盡量接近平衡。 5.2 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核 5.2.1 尺寸設(shè)計31黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造氣缸運行長度設(shè)計為 l =118mm,氣缸內(nèi)徑為 D1 =110mm,半徑R=55mm,氣缸運 行速度，加速度時間 ?t =0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動力G0 = p.πR 2``= 0.4 × 10 6 × 3.14 × 0.055 2 = 3799( N )5.2.2 尺寸校核 1．測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力= 80 × 10 = 800( N )G = mg2.設(shè)計加速度 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)計與校核5.3.1 尺寸設(shè)計 氣缸長度設(shè)計為 b = 120mm ,氣缸內(nèi)徑為 D1 = 210mm ,半徑R=105mm, 軸徑 D2 = 40mm 半徑 R = 20mm ,氣缸運行角速度 ω = 90 o / s ，加速度時間?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．測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(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半徑 r = 200mm 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：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)動力矩M驅(qū) = M慣 + M摩 = 108 + 5.4 = 113.（N.m） 4 M驅(qū) M 〈∴設(shè)計尺寸滿足使用要求。第六章機(jī)械手的PLC控制設(shè)計33黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造考慮到機(jī)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(jī)械手進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)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。6. 1可編程序控制器的選擇及工作過程6.1.1 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(jī)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(shè)計中選擇了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(wù)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。 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)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(jī)時，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階段。34黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進(jìn)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(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)入到第三個階段。在 這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進(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。 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(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動作。然后，CPU又返 回執(zhí)行下一個循環(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)計與制造36黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造第七章結(jié)論1、本次設(shè)計的是氣動通用機(jī)械手，相對于專用機(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，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。 工作環(huán)境適應(yīng)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(fù)勞動，同時做到了圖紙的統(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，無論是進(jìn) 行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定PLC程序來實現(xiàn)。可以根據(jù) 機(jī)械手的動作順序修改程序，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.國外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展勢態(tài)分析.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ， 2005 [4] 王雄耀.近代氣動機(jī)器人(氣動機(jī)械手)的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動與密封，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)計與制造[6] 機(jī)械設(shè)計師手冊.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)計圖冊.北京:化學(xué)工業(yè)出版社 [9] 鄭洪生.氣壓傳動及控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007 [10] 吳振順.氣壓傳動與控制.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004 [11] 徐永生.氣壓傳動.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（第二版） ，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.2致謝本次設(shè)計是在我的導(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)�師表示誠摯的感謝，并致以崇高 的敬意! 本次畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)期間所學(xué)知識的綜合運用，通過這次設(shè)計把所學(xué)的 基礎(chǔ)理論和專業(yè)課程作了一個總結(jié)和回顧，加深了對理論的理解，能夠掌握機(jī)械 設(shè)計的全套思路，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)計過程中，我查閱了大量的圖書資料以及網(wǎng)絡(luò)上的資料，包括機(jī)械零 件、材料力學(xué)、液壓控制、幾何量公差與測量、機(jī)械制圖、機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)等等， 尤其是在從對各類設(shè)計手冊的查閱中，我的知識面得到了很大的提高；通過對該 課題的獨立設(shè)計，使我對機(jī)械知識有了一個更加深入的了解，對機(jī)械這門學(xué)科有 了進(jìn)一步的理解。也使我獨立設(shè)計的能里有了極大的提高。 在課題的研究和開發(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)計過程中，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)計水平有限、在課程中沒有接觸過機(jī)械手的相關(guān)課程，實39黃石理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計與制造際經(jīng)驗的不足，以及時間上的限制，在設(shè)計中難免存在一些錯誤。懇請老師給予 以批評以及指正。 再次表示感謝！程琳 2012-2-1540

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