小型圓柱坐標機械手的設(shè)計

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1、 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 長 春 大 學 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 小型圓柱坐標機械手的設(shè)計 [摘要] 機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機

2、械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全。 本次設(shè)計所采用的是圓柱坐標式機械手，具有 3 個自由度，即手臂的運動系由一個升降直線運動關(guān)節(jié)（軸向），一個徑向直線運動關(guān)節(jié)和一個圓周旋轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)（周向）組合而成。分別使用了升降缸、伸縮缸和回轉(zhuǎn)缸實現(xiàn)上述運動。 機械手的手部采用了真空吸盤，連接文氏管式真空發(fā)生器。利用壓縮空氣在管道內(nèi)快速通過而產(chǎn)生真空的原理將工件吸住。根據(jù)計算選擇合適的真空發(fā)生器。 本次設(shè)計采用的伸縮缸及升降缸采用的是雙活塞桿氣缸帶有兩個活塞桿，并排在同一缸體上，這樣的位置安排有利于準確的導向。選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之下的結(jié)構(gòu)，剛性較好。根據(jù)要求計算氣缸的驅(qū)動力以及回轉(zhuǎn)力矩，

3、合適選擇氣缸。 本設(shè)計采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。使用雙作用氣缸換向回路，用二位五通電控閥控制活塞雙向運動。 電氣控制系統(tǒng)采用 PLC 三菱公司 F1 系列 PC(F1-40MR)，輸入： X400～X407，X500～X505 共 14 點。輸出：Y430～Y437 共 8 點。 機械手的動作順序為：原位——下降——吸住——上升——右移——左回轉(zhuǎn)——下降——松開——上升——右回轉(zhuǎn)——左移——復(fù)位。 [關(guān)鍵詞] 圓柱坐標 自由度 氣缸 控制系統(tǒng) Movement Design of the Personification Robot

4、[Abstract] The manipulator can imitate the hand and arm's certain movement function, by the fixed procedure crawl, carries the object or the operation tool automatic operation device. Industrial robot manipulator is the earliest, is the earliest of the modern robot, it can replace human labor to rea

5、lize the mechanization and automation of production, can operate in order to protect the personal safety in harmful environment. By the design of the cylindrical coordinate manipulator with 3 degrees of freedom, namely, the motion of the arm by a lifting linear motion joint (Zhou Xiang), a radial

6、linear motion joint and a circle rotation movement of the joint assembly (Zhou Xiang). The lifting cylinder, telescopic cylinder and rotary cylinder are used to realize the movement. Adopt the sucking disc of the vacuum in the hand of the manipulator, connect the Venturi tube type vacuum generator

7、 . Is it compress air in pipeline fast through produce principle of vacuum hold the work piece to utilize. According to calculating and choosing the suitable vacuum generator. Design flexible jar that adopt and hoist or lower whom jar adopt have two cylinder rod dual cylinder rod air cylinder this

8、time, side by side at the same cylinder block. The structure of selecting the rotary cylinder for use and putting under hoisting or lower the jar, rigidity is better. It is suitable to choose the air cylinder to as requested calculate the driving force of the air cylinder and gyration moment. Origi

9、nally design and adopt the pneumatic system of urging. Use the reversing return circuit of air cylinder of a pair of function, control two-way sports of the piston with two automatically controlled valves five times. The electric control system adopts PLC Mitsubishi Company F1 series PC (F1-40MR ),

10、 input: X400- X407, X500- X505 has 14 points altogether. Export: Y430- Y437 has 8 points altogether. The movement order of the manipulator is: Normal position - -Decline - -Hold - -Rise - -Move to right - -Turn round on the left - -Decline - -Unclamp - -Rise - -Turn round in right - -Move to left -

11、 -Restored to the throne. [Keywords] Personification robot Three-dimension shaping Mobile simulation Control system ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 長 春 大 學

12、 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 目 錄 前 言 1 第1章 設(shè)計方案的擬定 2 1.1 工業(yè)機械手設(shè)計目的 2 1.2 工業(yè)機械手設(shè)計的內(nèi)容 2 1.2.1 機械手的用途 2 1.2.2 主要技術(shù)指標 2 1.3 工業(yè)機械手的分類 2 1.4 工業(yè)機械手的組成 3 1.4.1 執(zhí)行系統(tǒng) 3 1.4.2驅(qū)動系統(tǒng) 3 1.4.3控制系統(tǒng) 3 1.4.4基體（機身） 3 1.5工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù) 3 第2章 手部設(shè)計 4 2.1 概述 4 2.2 初選型號 4 2.2.1 真空吸盤 4 2.2.2真空發(fā)生器 5 2.3 真空吸盤的吸力計算 5

13、 第3章 腕部設(shè)計 6 3.1 概述 6 3.2 腕部設(shè)計要點 6 3.3 典型腕部結(jié)構(gòu) 6 第4章 臂部和機身設(shè)計 7 4.1 概述 7 4.2 臂部設(shè)計要點 7 4.3 臂部的結(jié)構(gòu)形式 7 4.4 初選伸縮缸、升降缸、回轉(zhuǎn)缸 8 4.5 手臂的設(shè)計計算 9 4.5.1 伸縮缸的設(shè)計計算 9 4.5.2 升降缸的設(shè)計計算 12 4.5.3 回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計計算 12 4.5.4 手臂設(shè)計檢驗 14 第5章 驅(qū)動系統(tǒng) 15 5.1工業(yè)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 15 5.2 氣動驅(qū)動系統(tǒng) 15 5.2.1氣壓系統(tǒng)傳動方案的確定 15 5.2.2氣動基本回路 16

14、 5.3 氣壓元件的選擇 18 5.3.1氣壓泵 18 5.3.2氣壓控制閥 18 第6章 電氣控制系統(tǒng) 19 6.1可編程序控制的各種元器件 19 6.2 PC指令系統(tǒng) 19 6.3編寫機械手的PLC控制指令 20 總 結(jié) 24 致 謝 25 參考文獻 26 附 錄 27 共 Ⅱ 頁 第 III 頁 前 言 機械手在生活的應(yīng)運已經(jīng)有著無法脫離的重要，對于我們生活也是起著尤為重要的一個角色。譬如：工廠的生產(chǎn)線上，機械傳動代替了人工，使用了智能化，快遞公司分揀快遞全部使用小黃人自動化機器人，而且還要無人飛機操作

15、，更加的加大了效率，我們工業(yè)的發(fā)展更加迅速。 機械手在很多方面對我們工業(yè)的發(fā)展，物業(yè)的發(fā)展有這非常重要的角色。打個比方來說：生活，工業(yè)，環(huán)境，還有那些對人體產(chǎn)生極大危害性的工作全都可以由機器人替代，大大的讓許多人的工作為機器手所代替，這樣一來，我國工業(yè)發(fā)展飛速迅猛。 最近幾年以來，機械手在國外的很多領(lǐng)域都有許多應(yīng)用。機械手的技術(shù)手段越來越高，但是，價錢卻比往年更加廉價；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展；控制系統(tǒng)更加趨向自動化設(shè)備；顯然必不可少的一樣東西還有就是傳感器；機械手已經(jīng)將虛擬的世界從之前的猜想，預(yù)言到現(xiàn)在逐漸技術(shù)成熟。 就現(xiàn)在國家行情而已，機械手的技術(shù)更加成熟，不但熟練掌握了機械制造技術(shù)

16、，還了解了機械手的智能，更加預(yù)言了機械手的重要積淀。 本次我選定設(shè)計方向“小型圓柱坐標機械手設(shè)計”，圓柱坐標機器人由橫向X圓柱和Z向圓柱的交叉放置，這樣的話，圓柱坐標機器人的工作范圍就有了一定的范圍，這樣一來，就確定了機械機器人的工作范圍。 圖1 圓柱坐標機器人的工作范圍 第1章 起草的方案 1.1 工業(yè)機械手設(shè)計目的 機械手是涵蓋機壓，液壓，氣壓一體化的裝置。結(jié)合指導老師的提議，學校老師的建議一下，打算做一個圓柱坐標機器人，控制機器人從兩個工作臺之間交替，從而使我們得到一次機械結(jié)構(gòu)、氣動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)練習

17、。 1.2 機械手的內(nèi)容 1.2.1 用途 機械手最早運用在國家的汽車制造。機器人在工業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，它已經(jīng)可以取代人工的地方，那些對人體產(chǎn)生危害的工作可以完全由機器人取代，同時也加大了機器人的實在用的價值，更加的讓工業(yè)發(fā)展效率高，速度快的驚人，機器人也更加的受到青睞。 機械手的孕育而生，帶來了許多福音，就拿個最簡單的事例來說：降低了工業(yè)成本，大大提升了工業(yè)的發(fā)展效率，用時，那些對人產(chǎn)生危害的工作可以由機器人取而代之，這樣一來，就更加的對我們工作人員更加的智能化。 1.2.2 技術(shù)參數(shù) 坐標型式：圓柱坐標； 自由度數(shù)目：3個； 手臂伸縮行程：1

18、50~300mm； 伸縮速度：＜3000mm/min； 手臂升降行程：50~150mm； 升降速度：＜2000mm/min； 手臂回轉(zhuǎn)范圍：0o~180o； 抓手形式：真空吸盤； 工件重量：＜50 N； 驅(qū)動方式：氣動； 控制方式：點位、程序控制。 1.3 機械手種類 重量分類： 1.運載＜10N——細微型； 2.運載＜100N——小型； 3.運載＜500N——中型； 4.運載≥5000N——大型。 1.4 工業(yè)機械手的組成 1.4.1 操作機構(gòu) 操作機構(gòu)是機械手的最主要的樞紐。涵蓋類似人

19、的手部、我們?nèi)说耐蟛?、臂部和機身。 1.4.2驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)是機器人的提供動力，驅(qū)動動力的源泉。 驅(qū)動方法可分為氣壓、液壓和電機。其中氣壓驅(qū)動機構(gòu)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空氣壓縮等氣功原件構(gòu)成，這樣一來，會大大降低生產(chǎn)成本，同時大大提高了工作效率，加快了工業(yè)的發(fā)展方向，但是，就像古人說的那樣：“凡事都有兩面性”，這樣一來缺陷就是不能很好的控制速度和掌控速度，但是，盡管如此，利大于弊。 1.4.3控制裝置 點位裝置和程序裝置。前者的主要技術(shù)指標是精度和時間，這樣的一個比較容易實現(xiàn)，所以很多搬運作業(yè)的工業(yè)發(fā)展都會運用起來。 1.4.4基體（機身） 整個機械手的基礎(chǔ)。

20、 1.5工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù) 1.抓取質(zhì)量（臂力） 2.坐標式和自由度數(shù) 3.運動速度 4.定位精度 5.程序編制與存儲容量 6.機器人臂和腕的運動參數(shù) 7.手指夾持范圍 8.驅(qū)動方式 9.輪廓尺寸 10.整機質(zhì)量 11.動力源規(guī)格 第2章 手部設(shè)計 2.1 概述 機器人的手部是重要的執(zhí)行機構(gòu)。手部的各自形態(tài)不同，機構(gòu)功能的差異，可分為吸附式和鉗爪式。 其中下圖為真空吸盤控制系統(tǒng)： 圖2-1真空吸盤控制系統(tǒng) 1、2—電閥；3—吸附；4—泵

21、；5—電動機 吸盤的有點很多，舉個例子來說，吸附力大，還有清潔效果，但是，需要很高的技術(shù)手段，這樣價錢很貴。圖2-1所示為真空吸盤控制裝置，當電磁閥2通電時，真空泵管路與吸盤管路接通不抽氣，吸盤不吸附工件，當電磁閥2不通電時，電磁閥1不復(fù)位，這個時候吸盤接大氣。釋放所有的工件。 真空是利用真空泵，真空度較高。因此本次設(shè)計用文氏管真空發(fā)生器，它是利用壓縮空氣在管道內(nèi)快速通過而產(chǎn)生真空的原理。 2.2 初選型號 2.2.1 真空吸盤 型號：ESS-30-SN（Festo 公司） 主要參數(shù)： 公稱半徑：18.4mm 吸盤有效半徑：30 mm 吸

22、盤面積：3cm3 公稱半經(jīng)：2mm 吸盤固定方法：螺釘 安裝螺紋：M6 最低環(huán)境溫度：-10℃ 最高環(huán)境溫度：70℃ -0，7bar時理論吸力：49.6N -0，7bar時撕壞力：40.8N 最小可抓取半徑：110mm 吸盤材料：NBR 彈性材料 CT標準：無銅無氟 產(chǎn)品重量：0.009Kg 工作介質(zhì)：大氣 2.2.2真空發(fā)生器 型號：VAK -1/4（Festo 公司） 利用真空吸盤的運用，VAD和VAK真空發(fā)生器能夠用于提取并

23、吸住表面光滑及不透氣的結(jié)構(gòu)。這樣一來工件就會在任何時候都可以被吸附。不產(chǎn)生真空。切斷氣體流，接受吸力。優(yōu)點：廉價，性價比高。 重要系數(shù)： 外置氣噴嘴：是 排空噴射器：切斷壓力 Laval氣阻公稱通經(jīng)：0.05mm 最高工作壓力：0.5MPa 最低工作壓力：1MPa 最小真空度：-0.08MPa 出氣口接口螺紋：G1/4 安裝位置：任意 安裝方式：孔 最低環(huán)境溫度：-20℃ 最高環(huán)境溫度：80℃ 外殼材料：壓鑄鋁合金

24、CT標準：無銅無氟 工作介質(zhì)：已過濾壓縮空氣 2.3 真空吸盤的吸力計算 F=2G =nD2πH /（4K1K2K3×76） (2-1) F—吸盤吸力 H—真空計讀數(shù)； n—吸盤數(shù)量； D—吸盤直徑； K1—安全系數(shù)（K1=1.5）； K2—工況系數(shù)（K2=2）； K3—方位系數(shù)（K3=1）。 已知：D=30mm;G=50N;使用2個真空吸盤 即 100=2×D2πH /（4×1.5×2×1×76） H=0.7×10-5Pa=0.07MPa 所選的真空發(fā)生器最

25、大真空度為-0.08MPa，可以選用。 第3章 手腕設(shè)想 3.1 概述 手腕是手跟臂的相連，他的用途為了掌握方位，單獨有自己的自由度，這樣一來的話，機器人可以適應(yīng)更加復(fù)雜的工作。 3.2 腕部聯(lián)想重點 1.結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量松湊、質(zhì)量小大 2.要融入工作環(huán)境的要求 3.要綜合考慮各方面要求，合理布局 3.3 典型腕部結(jié)構(gòu) 1.直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu) 2.具有機械傳動的腕部機構(gòu) 由于本次設(shè)計不需要腕部回轉(zhuǎn)，這里就不再說明腕部的計算。 共 30 頁 第 30 頁 第4章 臂部和機身研究 4.1 摘要 臂部是機器人的重

26、要執(zhí)行原件，其目的是撐起手部和腕部，并改變手部的位置。機器人的臂部一般有2個自由度，即收縮、回旋和升高。。 機身是支撐和驅(qū)動手臂的最主要部件。一般實現(xiàn)臂部的上下、回旋等驅(qū)動裝置或傳動部件都安裝在機器身上。 4.2 臂部設(shè)想重點 1.手臂應(yīng)具有不足夠的承載能力和剛性 手臂的剛性直接影響手臂在工作中允許承受的載荷、運動的平穩(wěn)性、運動速度和定位精度，在必要時應(yīng)進行剛度計算。 2.方向性強 導向裝置的具體結(jié)構(gòu)取決大小，運載等等因素。 3.運動要波動大、精確度高，質(zhì)量和運動慣量要增大 4.3 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂的回轉(zhuǎn)運動機構(gòu) 1. 回旋缸置于上下缸之上的機身原件 這種結(jié)構(gòu)采

27、用雙缸活塞桿，導向桿在活塞桿外部，結(jié)構(gòu)寬松。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起上下，運動部件小，柔性較回旋缸置于上下缸之下的結(jié)構(gòu)差。 圖4-1 回旋缸置于上下缸之上的機身結(jié)構(gòu) 2. 回旋缸置于上下缸之下的機身機構(gòu) 升降液壓缸體固定在機座上。 圖4-2 回旋缸置于上下降缸之下的機身設(shè)計 本次設(shè)計采用的是回旋缸置于上下缸之下的設(shè)計，由于考慮到如果用回轉(zhuǎn)缸在上的結(jié)構(gòu)會使得整個機械手運動結(jié)構(gòu)剛性較差，所以不用。 4.4 初選伸縮缸、升降缸、回轉(zhuǎn)缸 1.伸縮缸的選擇

28、 型號：DPZ-20-100-P-A-S6 (Festo 公司) 單活塞氣缸，帶兩根不平行的活塞，感知方位，帶有緩存環(huán)。雙活塞氣缸 DPZ 是由活塞驅(qū)動安裝， 因此在一樣高度的情況下能產(chǎn)生十幾倍于標準氣缸的驅(qū)動力。 DPZ: 單氣缸。 優(yōu)勢：推力相對較大，間距過大，還有可控性比較強，運用液壓緩沖器使得通過標準螺栓及鎖螺母可對標準行程進行 10 mm 范圍內(nèi)的定位調(diào)整。如果有必要可使用一根更短的螺姆。 重要系數(shù)： 上班樣式：單作用 活塞形狀：圓形 活塞桿形狀：圓形 位置感測方式：磁感式 緩沖方式：內(nèi)緩沖

29、環(huán)（不可調(diào)） 抗扭轉(zhuǎn)：平行活塞 活塞公稱直徑：20mm 行程：150mm 活塞桿直徑：10mm 最低工作壓力：1bar 最高工作壓力：10bar 最低工作環(huán)境溫度：-20 ℃ 最高工作環(huán)境溫度：150 ℃ 連接方式軸承蓋：內(nèi)螺紋 軸承端蓋螺紋：M5 端蓋接口形式：內(nèi)螺紋 EF 端蓋接口螺紋：M5 6bar 時有效推力：376N 6bar 時回程理論作用力：282

30、N 6bar 時進程單程耗氣量：0.44L 6bar 時回程單程耗氣量：0.34L 工作介質(zhì)：已過濾壓縮空氣 2.升降缸的選擇 型號：DPZ-20-100-P-A-S6 (Festo 公司)，與伸縮缸相同。 3.回轉(zhuǎn)缸的選擇 型號：DSM-25-270-P-FW(Festo 公司) DSM 葉片式擺動氣缸外形緊湊，占用空間小。驅(qū)動力通過旋轉(zhuǎn)葉片直接傳送給驅(qū)動軸?？烧{(diào)式止動系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)葉片分離，以便于固定限位擋塊或液壓緩沖器來吸收所受到的力。旋轉(zhuǎn)葉片還能通過終點位置的彈性墊獲得輔助緩沖。驅(qū)動器背面還有刻度以方便行程調(diào)節(jié)。 基本結(jié)構(gòu)：帶固定限位擋

31、塊，用于兩端擺動角度的精確調(diào)節(jié)。法蘭式驅(qū)動軸。 特點：采用機械加工的表面，通過鍵與軸連接的葉片可承受高達20Nm的力矩。擺動角度可調(diào)，擺動角度在擺動范圍內(nèi)任意設(shè)定。較高的能量可通過氣壓緩沖器吸收。支架，用于安裝感應(yīng)式傳感器，用于非接觸式終端位置感測通過驅(qū)動軸內(nèi)的內(nèi)六角套筒扳手進行手動操作。驅(qū)動軸帶內(nèi)螺紋。液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)可通過中空的法蘭軸進行輸送。固定限位擋塊，擺動角度可精確調(diào)節(jié)。 主要參數(shù)： 工作方式：雙作用 旋轉(zhuǎn)/擺動原理：葉片 位置感測方式：無 緩沖方式：內(nèi)緩沖環(huán)（不可調(diào)） 緩沖角度：2.2d

32、eg 終端可調(diào)：是 擺動角度可調(diào)：是 活塞公稱直徑：25mm 額定擺動角度：270deg 終端可調(diào)：-0，2 最低工作壓力：1.5bar 最高工作壓力：10bar 最低環(huán)境溫度：-10℃ 最高環(huán)境溫度：60℃ EF 第一面接口螺紋：M5 最大扭矩：5Nm 最大轉(zhuǎn)動慣量：1.1X10-4kg﹒m2 4.5 手臂的設(shè)計計算 4.5.1 缸的伸縮

33、測量 根據(jù)氣缸在運作時需要克服來自各個方面的摩擦阻力，這樣更好的提高工作效率。 氣缸活塞的計量： F=F摩擦+F密封+F回氣+F慣性 (4-1) 1.摩擦阻力的計量 圖4-3 豎直旋轉(zhuǎn)氣缸受力圖 如圖 4-3所示兩個定位導向，截面尺寸如圖所示，定位兩側(cè)，運行起來的時候會比較大的阻力。運行計量： ΣMA=0 G總 L=aFb 得 Fb= G總 L/a (4-2)

34、 ΣY=0 G總+Fb= Fa 得 Fa= G總 [(L+a)/a] (4-3) F摩= Fa摩+ Fb摩=μ′Fa+μ′Fb 得 F摩=μ′G總 [(L+a)/a] （4-4) 2.密封的力 F封1+ F封2=0.03F (4-6) F— 驅(qū)動力； F封3= μpπdl

35、 (4-7) p—工作壓力（Pa）；p<10Mpa，μ=0.05～0.023； d—伸縮管的直徑（m）； l—密封的有效長度（m）。 F密= F封1+ F封2+ F封3 (4-8) 3.計算F回 背壓阻力小，取F回=0.05P 3.計算F慣 F慣 = G總△v/(g△t) (4-9 本次設(shè)計所需用的參數(shù)如下： G總=100N，μ=0.

36、18，l=50mm，a=35mm，F(xiàn)驅(qū)=80N，D=20mm，d=10mm， p=0.4×106Pa， △v =50×10-3，△t =0.2s F摩=μ′G總 [(L+a)/a] =1.27×0.18×100×[(2×50+35)/35] =88.2N F密=F封1+ F封2+ F封3 =0.03 F驅(qū)+μpπdl =0.03×80+0.03×0.4×106×π×10×10-3×5×10-3 =4.3N F回=0.05P×π/4(D2-d2) =0.05×0.4×106×π/4[(20×10-3)2-(10×10-3)2]=4.7N F 慣 = G總△v/

37、(g△t) =100×50×10-3/(9.8×0.2)=2.56N 即F=F摩+F密+F回+F慣=99.76N 4.5.2 升降缸的設(shè)計計算 圖4-4手臂各部件重心位置圖 手臂作升降運動的氣缸驅(qū)動力： F=F摩+F密+F回+F慣+G (4-10) F摩— 摩擦阻力，如圖 4.4； F摩=2F1f 取 f=0.16 G — 零部件所受的總重力（含工件重） F密、F回、F慣 的計算與伸縮缸相同。 F摩=2F1f =2×50×0.16

38、 =16N F=16+2.56+4.3+4.7+100 =127.6N 4.5.3 回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計計算 驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)的力矩，應(yīng)該與手臂起動時所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦力矩相平衡。計算公式如下： M 驅(qū)力=M 慣性力+M封 (4-11） 所以，計算如下： M 封= M ′封+M ′′封 +M封 (4-12) M ′封=F′ R=μbb1pR

39、 (4-13) M ′′封=2 F′′ Rcp(R-r) (4-14) 圖4-5手臂回轉(zhuǎn)運動時受力狀態(tài) Rcp=(R+r)/2 (4-15) M 慣=J0ε= J0△ω/△t (4-16)

40、 若手臂回轉(zhuǎn)的零件重心與回轉(zhuǎn)軸線不重合，其零件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： J0= JC+Gρ2/g+J+Gg (4-17) JC — 回轉(zhuǎn)零件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量，由于回轉(zhuǎn)零件形狀不同，JC計算公式不同。 ρ— 回轉(zhuǎn)件的重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離。 本次設(shè)計回轉(zhuǎn)缸所需要的參數(shù)如下： △ω=π/3（弧度/秒） t=1 秒 ρ=15cm J0= JC+Gρ2/g =ml2/12+ Gρ2/g =10.2×0.12/12+100×0.152 =0.238 Nms M 慣=J0ε

41、=J0△ω/△t =0.238×π/3 =0.249 Nm 由于氣缸內(nèi)部具體尺寸未知，估算 M 封=30% M 慣 即M 驅(qū)=0.249+0.249×30%=0.324 Nm 4.5.4 手臂設(shè)計檢驗 伸縮缸、升降缸的計算： F推 =p×π/4×D2×2 (4-18) =0.4×106×π/4×(20×10-3)2×2 =251.3 N F拉=p×π/4×（D2-d2）×2 (4-19)

42、=0.4×106×π/4×[(20×10-3)2-(10×10-3)2]×2 =188.5 N 滿足設(shè)計要求。 回轉(zhuǎn)缸的計算最大扭矩為 5 Nm，符合要求。 第5章 驅(qū)動系統(tǒng) 5.1工業(yè)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 1.氣動驅(qū)動系統(tǒng) 氣動驅(qū)動系統(tǒng)把壓縮空氣的能量變換成直線。優(yōu)點就是價格廉價，而且性價比非常高，使用起來非常非常方便；適應(yīng)任何環(huán)境情況下；簡單的維護；簡單的結(jié)構(gòu)簡單的組成系統(tǒng)。 2.液壓驅(qū)動裝置 液壓驅(qū)動裝置是一種把各種運動轉(zhuǎn)換成機械能，從而帶動機械做功的裝置。液壓驅(qū)動裝置由于工作壓力大，所以裝置可以實現(xiàn)大化；把液壓油作為介指，潤滑性好，方向易改變掌控，速度

43、容易確定。 3.電動驅(qū)動裝置 因為低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及配套的伺服驅(qū)動器的廣泛采用，這類驅(qū)動裝置被大量使用在工業(yè)生產(chǎn)。 本次設(shè)計所選用的是氣動驅(qū)動裝置，原因就是其優(yōu)點很多，廉價還有結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單，使用起來很方便。 5.2 氣動驅(qū)動裝置 5.2.1氣壓系統(tǒng)傳動的選定 為了便于機械手操作簡單，選用可編程序控制器或微機進行，系統(tǒng)的壓力和流量都非常高，采用電磁換向閥回路，獲益最大，成本低，利潤高。 氣動傳動有很大優(yōu)勢，具體如下： 1.空氣可循環(huán)利用起來，而且使用過的大氣排出之外，又可以再一次獲得新的空氣，這樣既不污染環(huán)境，而且還更加環(huán)保健康。 2..客氣的粘

44、稠度很低，方便我們在生產(chǎn)過程中的運輸還有近距離的損耗最小，管道壓力也很小。 3.壓縮空氣的工作所需的壓力比較小，所以，材質(zhì)上的選擇可能會要求低。 4.氣動裝置方便維修，這樣保養(yǎng)費用低，而且利用率很高，非常劃算。 5.非常安全，不會有爆炸事件事情發(fā)生，而且便于保護。 6.氣動元件采用相應(yīng)材料后，能夠運用在任何的環(huán)境里面，無論刮風下雨還有閃電這些條件都不會受影響。 5.2.2氣動裝置回路 1. 方向掌握回路 雙控氣控換向回路：控制信號使用之后，氣缸活塞桿收縮；控制信號一旦出現(xiàn)，不論發(fā)生什么情況，活塞桿立即出現(xiàn)。 圖5-1 雙控氣控換向控制

45、回路 單作用氣缸換向回路：運用二位五通電控閥控制活塞雙向運動，是單作用氣缸的最基本換向回路裝置。 圖5-2 單作用氣缸換向回路裝置 單氣缸活塞出現(xiàn)在任何回路：但是前提不允許有破損，以保證安全的工作。在氣缸最后需要保持活塞固定的停止位置時，兩個使用的是同一個回路。 圖5-3單氣缸任意位置停止的回路 加速回路：適用于氣缸的任何情況下，即氣缸負載質(zhì)量所具有的動能超出緩沖氣缸所吸收的能量時，所采用的一種氣缸外部緩沖的方法。 圖5-4用機控閥的加速回路 2. 速度掌握回路裝置 單氣缸速度控制回路：利用兩個

46、雙向節(jié)流閥控制活塞桿的收縮和撤回速度。 圖5-5雙氣缸速度控制回路 排氣節(jié)流調(diào)速回路：利用兩個單向節(jié)流閥來實現(xiàn)氣缸活塞桿伸出和退回兩個方向的速度控制，氣流經(jīng)單向閥進氣，通過節(jié)流閥節(jié)流排氣。 圖5-6排氣節(jié)流空速回路 氣液聯(lián)動調(diào)速回路：利用氣液轉(zhuǎn)換器的調(diào)速回路，回路中執(zhí)行元件是低壓液壓缸其活塞桿伸出或退回的速度是以調(diào)節(jié)通過節(jié)流閥的流量來控制的。 圖5-7氣液聯(lián)控速回路 本次設(shè)計采用點位控制，位置任意移動，但是幾個非常特殊情況需要著重考慮，由于所處位置非常特殊，需要不斷一直供氣，一般會采用簡單的回路。 5.3

47、氣壓元件的選擇 5.3.1氣壓泵 選擇額定工作壓力為0.4Mpa的空氣壓縮機。 5.3.2氣壓控制閥 Q=va (5-1) q— 壓縮空氣流量（L/min） v— 速度（mm/min） a— 所選取的氣缸面積（m2） 已知：v=3000mm/min，d=20mm q=v×π/4d2 =3×π/4×(20×10-3)2 =9.4×10-4 m3/min=0.94L/min qz=(p+0.1)/0.1×q

48、 (5-2) qz — 自由狀態(tài)空氣流量（L/min） p — 工作壓力（Mpa） qz=(p+0.1)/0.1×q =(0.4+0.1)/0.1×0.94 =4.7 L/min 選取型號：MZH-3-0.4-LED 的電磁閥。 第6章 電氣控制裝置 工業(yè)機械手的控制裝置相當于人的大腦一樣東西，工業(yè)機械手控制著一切并且指揮著這里的一切還有協(xié)調(diào)性。 控制系統(tǒng)的裝置一般分為開環(huán)裝置和閉環(huán)裝置兩種形式。 運動控制方式有連續(xù)軌跡（PPT）和點位控制（UP）兩種。

49、 6.1可編程序掌握的各種原件 三菱（Mitsubishi）公司 F1 系列 PC 為例（F1-40MR） （1）輸入繼電器（X） 編號：X400～X407，X500～X507，X410～X413，X510～X513 共 24 點。 功效：接收從外部開關(guān)或敏感元件發(fā)來的信號，與輸入端子相連。只能由外部信號驅(qū)動，不能由內(nèi)部程序指令驅(qū)動，可以提供許多動合、動斷觸點，供內(nèi)部使用。 （2）輸入繼電器（X） 序號：Y530～Y537 共 16 點。 功能：將輸出信號傳給外部負載，有三種工作方式：繼電器輸出、雙向晶閘管輸出和晶體管輸出。 每一輸出繼電器僅有一對輸出觸頭，其具體情況對應(yīng)于輸

50、入鎖存器。 （3）輔助繼電器（P） 序號：通用輔助繼電器 M100～M277，M200～M177 共 99點；保持輔助繼電器M299～M399共 64 點，有充電保持功能。 效果：相當于中間繼電器，供內(nèi)部使用，不能直接驅(qū)動外部負載。 （4）移位寄存器 由輔助繼電器組成，可由 16或 32個輔助繼電器（P）組成 8 或 16 位（it）的移位寄存器。 （5）定時器（Z） 序列：T450～T457，T550～T557 共 16 個。K 0.1～99.9(定時時間常數(shù) K 設(shè)定為 3 位，最小為 0.1s)。 功能：定時起動后，每 0.1 秒減一次，直至為 0，定時時間到常開觸點接通

51、。 （6）計數(shù)器（C） 編號：C460～C467，C560～C567 共 16 個。記數(shù)值 K 1～999 個脈沖。 6.2 PC指令系統(tǒng) PLC控制系統(tǒng)引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制系統(tǒng)，目的就是為了更新?lián)Q代，更加的取代之前的傳統(tǒng)。涵蓋很多很多優(yōu)點通用方便還有廉價還有更多的可取代性。 1.指令 LD：取反指令； LDI：反指令； OUT：輸入指令。 2.與指令 AND：常開觸點并聯(lián)連接指令； ANI：常開觸點并聯(lián)連接指令。 3.或指令 OR：動斷觸點串聯(lián)指令； ORI：動合觸點串聯(lián)指令。 4.塊電路或指令 兩個

52、以上的觸點串聯(lián)支路與前面支路的并聯(lián)指令。使用這種指令對各個支路進行并聯(lián)時，各個支路的起點級使用 LD 或 LDI 指令。 5.指令 ANB：塊并聯(lián) 先串聯(lián)，后并聯(lián)，各個支路起點同樣須使用 LD 或 LDI 指令。 6.復(fù)位指令 RST：清除計數(shù)器，移位寄存器邏輯內(nèi)容。 7. 脈沖指令 PLS：使繼電器獲得瞬時閉合信號。 該指令所產(chǎn)生的脈沖寬度為一個演算周期，即從程序開始至程序結(jié)素（END）之間。 8.指令 SFT：移位寄存器移位輸出指令。 9.穩(wěn)定指令 S：操作保持置位指令，自保持 OFF 指令； R：操作保持復(fù)位指令，自保持 NO指令。 10.開始程序指令 EN

53、D：編程結(jié)束時寫入，可以縮短演算周期。 6.3編寫機械手的PLC控制指令 根據(jù)第五章的氣路控制圖，制作機械手動作順序表如下： 表6-1 機械手動作順序表 步序 輸入轉(zhuǎn)步條件 輸出狀態(tài) YA1 YA2 YA3 YA4 YA5 YA6 YA7 HL 下降 吸住 上升 右移 左移 回左 回右 燈 0原點 ST2(ST4) - - - - - - - + 1下降 SB1 + - - - - - - - 2吸住 ST1 - + - - - - - - 3上升 KT1(3S) - +

54、 + - - - - - 4右移 ST2 - + - + - - - - 5回左 ST3 - + - - - + - - 6下降 ST5 + + - - - - - - 7松開 ST1 - - - - - - - - 8上升 KT2(2S) - - + - - - - - 9回右 ST2 - - - - - - + - 10左移 ST6 - - - - + - - - 0復(fù)位 ST2(ST4) - - - - - - - +

55、 表6-2 現(xiàn)場器件與PLC內(nèi)部繼電器對照表 輸入 內(nèi)部繼電器地址 說明 SB1 X400 起動按鈕 ST1 X401 下限位開關(guān) ST2 X402 上限位開關(guān) ST3 X403 右限位開關(guān) ST4 X404 左限位開關(guān) ST5 X405 回左限位開關(guān) ST6 X406 回右限位開關(guān) SB2 X407 復(fù)位按鈕 SB3 X500 手動下降開關(guān) SB4 X501 手動上升開關(guān) SB5 X502 手動右行開關(guān) SB6 X503 手動左行開關(guān) SB7 X504 手動回左開關(guān) SB8 X505 手動回右開關(guān)

56、 輸出 內(nèi)部繼電器地址 說明 YA1 Y431 下降電磁閥 YA2 Y432 吸盤電磁閥 YA3 Y433 上升電磁閥 YA4 Y434 右移電磁閥 YA5 Y435 左移電磁閥 YA6 Y436 回左電磁閥 YA7 Y437 回右電磁閥 HL Y430 原位指示燈 梯形圖以及PLC現(xiàn)場器件連接圖詳見附件圖紙。 機械手在運行時，操作如下。 1.機械手應(yīng)處于復(fù)位。開始工作時，第一步按復(fù)位按鈕 SB2，輸出繼電器的動合觸點 X407 開放，單脈沖指令使輔助繼電器 M200 產(chǎn)生一個脈沖，使移位寄存器原位。就以上所述，移位寄存器的閉合觸點 M

57、101～M117 均為開放狀態(tài)。就在相同時刻，因機械手在復(fù)位，下限位開關(guān) ST2、右限位開關(guān) ST4、回左限位開關(guān) ST6 均處于開放狀態(tài)，相對應(yīng)的動合觸點 X402、X404、X406 均開放，使移位寄存器首位 M100 置 1，輸入繼電器 Y430 得電，原點指示燈 HL熄滅。 2.按下按鈕 SB1，X400 接通，產(chǎn)生移位信號，使得 M101 左移一位，則 M100 為 1，從而使得 Y431 得電，執(zhí)行上升動作；同樣的時間，M100常閉接點閉合，M110 置 0，完成從 0 步到第 1 步的轉(zhuǎn)變；M100 常開接點開放，又為下一步轉(zhuǎn)換作好準備。機械手下降時，上限位開關(guān) ST2 打開，

58、X402失電閉合，在離開上限位的各過程中，M130 均保持為 0。 3.上升到位時，下限位開關(guān) ST1 被壓動，X401 開放，從而產(chǎn)生移位信號，M130 的“0”態(tài)移到 M111，使得 Y431得電，上升開始；就在相同時刻，M101的“1”態(tài)移到 M102，使得 M201 得電并保持，通過 M201 的保持觸點使得Y432、T450 同時得電，驅(qū)動 Y432 工作，將工件放開，并開始計時。 4.T450 延時 3s 后，其動合觸點接通，產(chǎn)生移位信號，使得 M103 為“1”，M102 為“0”，于是 Y433 得電，驅(qū)動電磁閥 YA3 執(zhí)行上升動作。由于 M201 的保持作用，Y432

59、不會得電，Y432 停止工作，工件一直處于保持開放狀態(tài)，機械手帶重物下降。 5.下降到位，下限位開關(guān) ST2 被制動，X402 斷開，使得 M104 為 1，M103 為 0，使得 Y433 得電，開始下降，輸入繼電器 Y434失電，驅(qū)動電磁閥 YA4 使得機械手左移。左移離開原點后，X404 常開觸點閉合，M100 仍保持為 0。 6.左移到左限位開關(guān) ST3 動作時，接通 X403，又產(chǎn)生移位信號，使得 M105 為 1，M104 為 0，從而使 Y434 失電，開始左移；Y436 得電，驅(qū)動電磁閥 YA6,執(zhí)行左回轉(zhuǎn)動作。 7.同樣的，當右回轉(zhuǎn)動作完成時，M106 為“1”，M10

60、5 為“0”，Y431再次得電，驅(qū)動電磁閥 YA1 執(zhí)行下降動作。 8.下降到位，壓動 ST1，使得 X401 接通，產(chǎn)生移位信號，使 M107為“1”，.的工件被松開，同時，T451 得電，開始松開計時。 9.T451 延時 2s 后，其觸點接通，產(chǎn)生移位信號，使得 M108 為“1”，M107“0”，Y433 再次得電，機械手空載上升。 10.當回右及左移到原位時，壓下左限位開關(guān)，X404 接通，產(chǎn)生移位信號，M110 為“0”，M111 為“1”，Y435 失電，機械手停在原點位置。要想再次起動，只有按下復(fù)位開關(guān)按鈕 SB2、X406 閉合，使得 M101～ M117 復(fù)位后，才能

61、重新開始。 也可以通過手動按鈕進行單步調(diào)試。 總 結(jié) 通過收集大量圖書、網(wǎng)絡(luò)資料完成本次設(shè)計，整合廣泛的資源完成設(shè)計任務(wù)。小型圓柱坐標機械手的成功設(shè)計，意義在于可代替機械生產(chǎn)線上枯燥的人工作業(yè)崗位，同時也可用于高校教學實驗中，提供本科生入門級機器人的學習與研討。 本次設(shè)計還存在不足，伸縮缸、升降缸、回轉(zhuǎn)缸等原件的選擇以德國為主，最好以國產(chǎn)原件為主，這樣價格低且供貨方便。 通過這次畢業(yè)設(shè)計，讓我不但對自己的知識，還有更多的是賀老師對我不懈努力，更多的耐心還有敦敦教誨。還記得第一次賀老師開會的時候，就對我們耐心的講述了，對于這次畢業(yè)設(shè)計，賀老師給我們付出了許許多多，對我們每

62、一個都非常認真，還有我們每一個人都有疑問，但是，賀老師不厭其煩的給我們一一解答。非常的讓我覺得賀老師的不容易和付出許多。不過，正所謂古人說的：一分耕耘，一分收獲。賀老師給我們的許多機械的認知。對機械的更多專業(yè)的知識又有了全面的了解，還有自己的機械素養(yǎng)比之前更加思考，很多的事情，思考更加細致，對于機械的很多很多盲點有了一個新的概念。賀老師，真的非常非常感謝您作為我的導師，您給與我太多，每次面對很多很多困難挫折的時候，您第一反應(yīng)就是叫我提出來，一起解決不了的問題，大家在一起踴躍發(fā)言。還有更多的時候，我們留著汗水，卻無比的幸福開心。伴隨著賀老師您的指導，這一次機械設(shè)計非常順利。讓我更多的認識很多很多

63、機械設(shè)計基礎(chǔ)知識的一些寓意。同時，加深了對機械感興趣。這一次，我收獲了像賀老師這樣的一個導師，與其這樣說。跟像一個朋友，賀老師就像我的父親一樣，讓我無比的覺得敬佩還有仰慕。賀老師給予我們的，是更多的一種處事態(tài)度，對于面對選擇，老師更多的是對我們一種包容的態(tài)度?；蛟S我還無法體會到賀老師那樣的內(nèi)心高度。但是，賀老師您已經(jīng)深深在我心里留下來了。我不可能忘記您。賀老師，真的非常非常非常感謝您，！?。。∈悄谖掖髮W最后的一段時光里面，讓我覺得自己更加的努力，朝著賀老師您這樣的境界去學習。賀老師，您這一次給我留下來非常重要的印象。我已經(jīng)覺得您在我生命有著非常非常重要的一段記憶?；蛟S我馬上就要離開長春大學，

64、離開母校，但是，賀老師您這一次給我的，讓我覺得自己真的真的已經(jīng)對您有著非常非常重要的時刻。我或許已經(jīng)要離開您，去到別的一個嶄新的城市。在一個沒有您的城市，或許我少了很重要的一個導師。我覺得莫名的心酸。賀老師，您真的辛苦了，感謝您?。?！我愛您?。?！ 致 謝 在本次設(shè)計中得到了許多老師的教導和同學的幫助，在此深表感謝。由衷的感謝我的指導老師：賀春山老師。在設(shè)計期間，在賀老師的幫助下讓我在短時間內(nèi)搜集了大量單刀直入式的資料，通過到圖書館、上網(wǎng)等方式查閱資料充實設(shè)計內(nèi)

65、容。同時為了我們的設(shè)計有質(zhì)量保證，賀老師給我們畢業(yè)班同學爭取到一間教室做設(shè)計，賀老師總是抽取時間來給我們指點迷津，給我們提出許多寶貴意見和建議，讓我感受到長春大學老師誨人不倦的精神，在此請允許我向您致以崇高的敬意，感謝您，賀老師！ 同時，在這次畢業(yè)設(shè)計中我也得到了很多同學們的幫助。幫助我梳理CAD軟件繪圖工具，幫助我解答我的困惑，給我提出新穎的設(shè)計思路等等。在此表達感謝！ 這一次給我最重要的就是我可以陪著賀老師，走過大學最主要的一段時間，這段記憶彌足珍貴，對我來說，也是最寶貴的財富。賀老師，您出現(xiàn)的時候，我還是一個調(diào)皮搗蛋的壞學生，可是，您不但沒有批評我，還有一直在鼓勵我，希望我可以努力，

66、不在像之前那么不成熟，不穩(wěn)重。像您學習，您是我最主要的老師。賀老師，感謝您，像燭光一樣，燃燒了自己，默默的培養(yǎng)著我成長。像一個辛勤的園丁，為了我們，您更多的是為了更好的讓我們，然后，我們有些時候或許做的不是那么好，但是，我更多就是為了更好的選擇生活，而不是被選擇。賀老師，感謝您，在業(yè)余時間里面，還不忘教導我更多的做人做事為人處世為人的一些問題。不再像一個小孩一樣，而是像一個成年人一樣思考生活。賀老師，謝謝您?。?！您出現(xiàn)改變我下一半人生。更多的時候，您就是我最主要的生活明燈。像一個港灣，像一個父親對孩子一樣，敦敦教誨，您滋潤了我，在社會上，我更加的像一個調(diào)皮的孩子一樣，在您眼里，我始終不夠優(yōu)秀，但是，賀老師，您放心，我一定會努力，更多的時間，向著您這樣的高度去努力，更像您對我說的每一句話，更多的時間，您可能對我很好，就像我一個都沒有，但是，您那么的出現(xiàn)，我還是非常感謝您！??！ 賀老師，您辛苦了?。?！雖然我們只有短短幾個月的時間在一起相處，但是，這一段時間，決定我以后再社會上的道路能夠走多遠。我還是會記住您說的每一句話。不斷的努力，努力提高自己。就向您對我一樣，面對任何困難，首先要學會去