機(jī)械手-3個(gè)自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)
機(jī)械手-3個(gè)自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì),機(jī)械手,自由度,搬運(yùn),設(shè)計(jì)
軸承坯料搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)
摘 要
機(jī)械手是一種機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品。采用機(jī)械手是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期、頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的；此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題的主要內(nèi)容是采用機(jī)械設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行三自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，熟悉三自由度機(jī)械手的運(yùn)用場(chǎng)合和相關(guān)的設(shè)計(jì)步驟。機(jī)械手可以代替很多重復(fù)性的體力勞動(dòng)，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合三自由度設(shè)計(jì)的各方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)會(huì)怎樣發(fā)現(xiàn)問(wèn)題．解決問(wèn)題.研究問(wèn)題。并且在設(shè)計(jì)中融入自己的想法和構(gòu)思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機(jī)械手使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，輸送工件，搬運(yùn)，三自由度
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ABSTRACT
Manipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.
This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three doff carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.
Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom
目 錄
摘 要 - 1 -
ABSTRACT - 2 -
1 緒論 - 5 -
1.1機(jī)械手的歷史 - 5 -
1.2 機(jī)械手的組成 - 6 -
1.3 機(jī)械手的分類(lèi) - 7 -
第2章 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì) - 9 -
2.1 搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求 - 9 -
2.2 基本設(shè)計(jì)思路 - 9 -
2.2.1 系統(tǒng)分析 - 9 -
2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖 - 10 -
2.2.3 搬運(yùn)機(jī)械手的基本參數(shù) - 11 -
2.3 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 12 -
2.3.1 搬運(yùn)機(jī)械手坐標(biāo)形式的選擇 - 12 -
2.4 機(jī)械手材料的選擇 - 12 -
2.5機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 - 12 -
2.6 搬運(yùn)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)分析 - 13 -
2.6.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 - 13 -
2.6.2 控制系統(tǒng)的選擇 - 14 -
3 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 - 14 -
3.1 搬運(yùn)機(jī)械手手爪設(shè)計(jì) - 14 -
3.2 搬運(yùn)機(jī)械手手臂設(shè)計(jì) - 14 -
3.2.1 伸縮機(jī)械臂的設(shè)計(jì) - 14 -
3.2.2 升降機(jī)械臂的設(shè)計(jì) - 15 -
3.2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂的設(shè)計(jì) - 17 -
3.3 手部設(shè)計(jì)計(jì)算 - 17 -
3.4 腕部設(shè)計(jì)計(jì)算 - 21 -
3.5 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 22 -
3.6機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) - 24 -
3.6.1 電機(jī)的選擇 - 24 -
3.6.2 螺柱的設(shè)計(jì)與校核 - 25 -
3.6.3 機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 - 26 -
4 搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 28 -
4.1 PLC簡(jiǎn)介 - 28 -
4.2 PLC工作原理 - 28 -
4.3 PLC機(jī)型的選擇 - 28 -
4.3.1 PLC機(jī)型的選擇 - 29 -
4.3.2 所選PLC的參數(shù) - 29 -
4.4 PLC控制面板的擬定 - 30 -
4.5 機(jī)械手工藝過(guò)程和控制方案的確定 - 31 -
4.5.1 明確工藝要求 - 31 -
4.5.2 確定工藝流程 - 31 -
4.5.3 傳感器選擇 - 33 -
4.5.4 確定I/O點(diǎn)數(shù) - 33 -
4.6 PLC程序編寫(xiě) - 34 -
4.6.1 總體程序設(shè)計(jì)思路 - 34 -
4.6.2手動(dòng)程序的編寫(xiě) - 35 -
4.6.3 復(fù)位程序的編寫(xiě) - 36 -
4.6.4 自動(dòng)控制程序的編寫(xiě) - 38 -
5 結(jié)論 - 41 -
參考文獻(xiàn) - 42 -
致 謝 - 43 -
附錄：含全套CAD圖紙如下，如需聯(lián)系作者QQ 401339828
1 緒論
隨著人類(lèi)科技的進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)成為近幾十年來(lái)迅速發(fā)展的一門(mén)綜合學(xué)科。它體現(xiàn)了光機(jī)電一體化技術(shù)的最新成就，機(jī)械手作為其中的佼佼者更是發(fā)揮了不可磨滅的作用。在人類(lèi)社會(huì)中，凡是有機(jī)械活動(dòng)的地方，都能看到機(jī)械手的身影。機(jī)械手產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)由核工業(yè)和軍事科技等高端科學(xué)領(lǐng)域向醫(yī)療、農(nóng)業(yè)甚至是服務(wù)娛樂(lè)等民用領(lǐng)域發(fā)展了，并且各式各樣的機(jī)械手正在涌現(xiàn)出來(lái)，以驚人的速度延伸到人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)械手是由于人類(lèi)期望生產(chǎn)水平的提高，為了提升生產(chǎn)效率而出現(xiàn)的。然而由于機(jī)械手善于完成重復(fù)的，單調(diào)的，精確度要求高的工作，能取代人在惡劣的環(huán)境中完成人類(lèi)不能或者不愿完成的工作，因此，機(jī)械手的出現(xiàn)又大大解放了人類(lèi)的生產(chǎn)力。所以說(shuō)機(jī)械手的發(fā)展是社會(huì)發(fā)展的結(jié)果，也是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)在，很多發(fā)達(dá)國(guó)家都追逐著機(jī)械手這一發(fā)展趨勢(shì)，積極地進(jìn)行著機(jī)械手的各種開(kāi)發(fā)和研制的工作，并且其中一些國(guó)家已經(jīng)取代了不錯(cuò)的成果，研制出了許多新型且實(shí)用的機(jī)械手或者是機(jī)器人。例如：日本的跳舞機(jī)器人、犬型機(jī)器人愛(ài)寶(AIBO)；。英國(guó)研制的履帶式“手推車(chē)”及“超級(jí)手推車(chē)”排爆機(jī)器人；美國(guó)iRobot公司推出了能避開(kāi)障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線吸塵器機(jī)器人Roomba；上海世博會(huì)使用過(guò)的福娃機(jī)器人等等。
由于機(jī)械手的迅猛發(fā)展，機(jī)械手進(jìn)入學(xué)校教學(xué)是必然的。三自由度機(jī)械手作為是機(jī)械手的典型產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)機(jī)電一體化、機(jī)械結(jié)構(gòu)工藝、機(jī)械制造、自動(dòng)化、電子信息等專(zhuān)業(yè)的教學(xué)及研究都有著很重要的意義。
1.1機(jī)械手的歷史
機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。它是機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。
機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年，美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機(jī)械手，是后來(lái)國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
目前，機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節(jié)。
1.2 機(jī)械手的組成
一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械手主要有以下幾部分組成：
1. 手部(或稱(chēng)抓取機(jī)構(gòu))：包括手爪、傳力機(jī)構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。
2. 傳送機(jī)構(gòu)(或稱(chēng)臂部)：包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用。
3. 驅(qū)動(dòng)部分：它是前兩部分的動(dòng)力，因此也稱(chēng)動(dòng)力源，常用的有液壓、氣壓、電力和電機(jī)四種驅(qū)動(dòng)形式。
4. 控制部分：它是機(jī)械手動(dòng)作的指揮系統(tǒng)，由它來(lái)控制動(dòng)作的順序(程序)、位置和時(shí)間(甚至速度與加速度)等。
5. 其它部分：如機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、行程檢測(cè)裝置和傳感裝置等。
1.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)
一般機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機(jī)構(gòu)組成。
1.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等形式。不過(guò)目前還是以液壓和氣動(dòng)用的最多。
液壓驅(qū)動(dòng)具有體積小、出力大、控制性能好、動(dòng)作平穩(wěn)等特點(diǎn)，它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)具有潤(rùn)滑性能好、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實(shí)現(xiàn)任意位置開(kāi)停。有很多專(zhuān)業(yè)機(jī)械手能直接利用主機(jī)的液壓系統(tǒng)。但缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無(wú)污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa,最高可達(dá)1MPa。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
電動(dòng)由于減速和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜, 很少采用。機(jī)械式用于簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。
1.2.3控制機(jī)構(gòu)
機(jī)械手的控制方式有點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。
1.3 機(jī)械手的分類(lèi)
機(jī)械手從使用范圍、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式、驅(qū)動(dòng)方式以及臂力大小四個(gè)方面的分類(lèi)分別為：
1. 按使用范圍分類(lèi)：
(1) 專(zhuān)用機(jī)械手 一般只有固定的程序，而無(wú)單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線用以自動(dòng)傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機(jī)械手”、“曲拐自動(dòng)車(chē)床機(jī)械手”、“油泵凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手”等等。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本較低，適用于動(dòng)作比較簡(jiǎn)單的大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。
(2) 通用機(jī)械手 指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器，而且能自動(dòng)完成傳送物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種。簡(jiǎn)易型只是點(diǎn)位控制，故屬于程序控制類(lèi)型，伺服型可以是點(diǎn)位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類(lèi)型。
2. 按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式分類(lèi)：
(1) 直角坐標(biāo)式機(jī)械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動(dòng))、左右移動(dòng)(定為沿Y方向的移動(dòng))和上下升降(定為沿Z方向的移動(dòng))；
(2) 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X和Z方向移動(dòng)，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動(dòng)；
(3) 球坐標(biāo)式機(jī)械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X方向移動(dòng)，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動(dòng))、上下擺動(dòng)(定為繞Y軸擺動(dòng))和左右轉(zhuǎn)動(dòng)(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))；
(4) 多關(guān)節(jié)式機(jī)械手 這種機(jī)械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機(jī)體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對(duì)大臂可繞肘部上下擺動(dòng)，大臂可繞肩部擺動(dòng)多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)。
3. 按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)：
(1) 液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
(2) 氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
(3) 電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
(4) 機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 是將主機(jī)的動(dòng)力通過(guò)凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳遞給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。
4. 按機(jī)械手的臂力大小分類(lèi)：
(1) 微型機(jī)械手 臂力小于1㎏；
(2) 小型機(jī)械手 臂力為1－10㎏；
(3) 中型機(jī)械手 臂力為10－30㎏；
(4) 大型機(jī)械手 臂力大于30㎏。
我所設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械手，是以搬運(yùn)物料為目的的圓柱坐標(biāo)式三自由度機(jī)械手。它采用液壓與機(jī)械傳動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式，屬于小型機(jī)械手。
第2章 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)
2.1 搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求
圖1 機(jī)械手工作示意圖
(1) 初始狀態(tài)，按啟動(dòng)按鈕傳送帶A開(kāi)始傳送物料，光電傳感器開(kāi)始工作，機(jī)械手回原點(diǎn)。
(2) 當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到有物料時(shí)，傳感器將信號(hào)傳給機(jī)械手，機(jī)械手開(kāi)始工作。
(3) 機(jī)械手從初始位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手抓伸出，機(jī)械臂下降，機(jī)械手抓抓緊來(lái)獲得傳送帶A上的物料。
(4) 獲得物料后，通過(guò)機(jī)械臂升降，機(jī)械手抓的伸縮，機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手抓的放松，將物體運(yùn)送到傳送帶B上。
(5) 機(jī)械手完成這一系列動(dòng)作后，開(kāi)始重復(fù)工作。
2.2 基本設(shè)計(jì)思路
2.2.1 系統(tǒng)分析
機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的一種有力工具。要在一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，需要對(duì)各種機(jī)械化、自動(dòng)化裝置進(jìn)行綜合的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，從而判斷機(jī)械手是否合適。所以要完成機(jī)械手的設(shè)計(jì)，一般要先做如下工作：
(1) 根據(jù)機(jī)械手的使用場(chǎng)合，明確機(jī)械手的目的和任務(wù)。
(2) 分析機(jī)械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境。
(3) 認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)械手的基本功能和方案，如機(jī)械手的自由度數(shù)目、動(dòng)作速度、定位精度、抓取重量等。進(jìn)一步根據(jù)抓取、搬運(yùn)物體的質(zhì)量、形狀、尺寸及生產(chǎn)批量等情況，來(lái)確定機(jī)械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。
對(duì)此，我進(jìn)行如下分析：
(1) 本設(shè)計(jì)課題為物料傳送機(jī)械手設(shè)計(jì)，是通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行兩地物料運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械手。而機(jī)械手的使用場(chǎng)合，非常廣泛，要涉及到物料的狀態(tài)，運(yùn)作流水線的環(huán)境等等因素，相較于我所掌握的理論知識(shí)和能力，我選擇非批量生產(chǎn)的小型物體加工流水線上的物料傳送機(jī)械手。
(2) 由于我所選擇的機(jī)械手是非批量生產(chǎn)的小型物體加工流水線上的物料傳送機(jī)械手，所以，機(jī)械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境一定是工廠，要求精度高，容錯(cuò)率低，速度快。
（3）再者是搬運(yùn)物體的考慮，由于是小型物件，所以對(duì)機(jī)械手的抓取力量并無(wú)太高要求，而物體形狀初步擬定為圓柱形，方便設(shè)計(jì)。
2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖
圖2 總體設(shè)計(jì)框圖
如圖2為總設(shè)計(jì)框圖，說(shuō)明如下：
(1) 控制系統(tǒng)：任務(wù)是根據(jù)機(jī)械手的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，控制機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為CPU的選擇，CPU程序的編寫(xiě)調(diào)試等。
(2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)裝置。
(3) 機(jī)械系統(tǒng)：包括機(jī)身、機(jī)械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標(biāo)形式，并計(jì)算得出具體結(jié)構(gòu)。
(4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。
2.2.3 搬運(yùn)機(jī)械手的基本參數(shù)
1. 機(jī)械手的最大搬運(yùn)物料的重量是它的主參數(shù)。本論文物料傳送機(jī)械手所搬運(yùn)的物料質(zhì)量可設(shè)定為5kg。
2. 運(yùn)動(dòng)速度直接影響機(jī)械手的動(dòng)作快慢和機(jī)械手動(dòng)作的穩(wěn)定性，所以運(yùn)動(dòng)速度也是是物料物料傳送機(jī)械手的一個(gè)主要的基本參數(shù)。設(shè)計(jì)速度過(guò)低的話，會(huì)無(wú)法滿足機(jī)械手的動(dòng)作功能，限制機(jī)械手的使用范圍。設(shè)計(jì)的速度過(guò)高又會(huì)加重機(jī)械手的負(fù)載并影響機(jī)械手動(dòng)作的平穩(wěn)性。該機(jī)械手的最大平移速度為1m/s。
3. 伸縮行程和工作半徑是決定機(jī)械手工作范圍及整機(jī)尺寸的關(guān)鍵，也是機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。過(guò)大的工作半徑和伸縮行程，會(huì)增大機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)負(fù)載，使得機(jī)械手剛性降低，而工作半徑過(guò)小則不能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的功能，限制了機(jī)械手的應(yīng)用和擴(kuò)展性。本論文物料傳送機(jī)械手設(shè)定水平反向伸縮行程200mm，回轉(zhuǎn)角度范圍為90°。機(jī)械手豎直方向的升降行程為100mm。
4.定位精度也是機(jī)械手的主要基本參數(shù)之一。機(jī)械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味著成本的增加。綜合考慮，該物料傳送機(jī)械手的定位精度設(shè)定為士0.5到士1mm之間。物料傳送機(jī)械手的各個(gè)部分的基本參數(shù)可以由上面已經(jīng)知道的物料傳送機(jī)械手各關(guān)節(jié)的行程和時(shí)間分配來(lái)決定。
表1 物料傳送機(jī)械手基本參數(shù)（自定）
水平機(jī)構(gòu)
伸出范圍：
0~500mm
垂直機(jī)構(gòu)
升降范圍：
100mm
伸出速度：
334mm/s
上升速度：
200mm/s
收縮速度：
334mm/s
下降速度：
200mm/s
定位精度：
士1mm
定位精度：
士1mm
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
回轉(zhuǎn)角度：
180°
手爪
搬運(yùn)范圍
<Φ500mm
回轉(zhuǎn)速度：
90°/s
定位精度：
士5'
2.3 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.3.1 搬運(yùn)機(jī)械手坐標(biāo)形式的選擇
根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式：機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂的升降，機(jī)械臂的伸縮，得到了機(jī)械臂的三個(gè)自由度。根據(jù)上文所說(shuō)的，機(jī)械手按照坐標(biāo)的分類(lèi)情況，選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手更為妥當(dāng)。
2.4 機(jī)械手材料的選擇
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)進(jìn)行選擇，并滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作要求。從設(shè)計(jì)的思想出發(fā)，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這必然大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。所以在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。此外，機(jī)器人手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同。機(jī)器人手臂是一種伺服機(jī)構(gòu)，要受到控制，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時(shí)，可控性還要和材料的可加工性、結(jié)構(gòu)性、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮。
總之，選擇機(jī)器人手臂的材料時(shí)，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價(jià)格等多方面因素。下面介紹幾種機(jī)器人手臂常用的材料：
(l)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強(qiáng)度鋼:這類(lèi)材料強(qiáng)度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增加了4~5倍、彈性模量E大、抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料;
(2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料:其共同特點(diǎn)是重量輕、彈性模量E不大，但是材料密度小，則E/p之比仍可與鋼材相比;
(3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，可加工型不好，與金屬等零件連接的接合部需要特殊設(shè)計(jì)。然而，日本己試制了在小型高速機(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器人手臂的樣品;
從本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手的角度來(lái)看，在選用材料時(shí)不需要很大的負(fù)載能力，也不需要很高的彈性模量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各種因素和結(jié)合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機(jī)械臂的構(gòu)件
2.5機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式
根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。常見(jiàn)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種:直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和SCARA型。同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場(chǎng)、位置以及搬運(yùn)前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。
考慮到機(jī)械手的作業(yè)特點(diǎn)，即要求其動(dòng)作靈活、有較大的工作空間、且要求結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等特點(diǎn)，故選用關(guān)節(jié)型機(jī)械手。這類(lèi)機(jī)械手一般由2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰。這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線，如圖所示。這種構(gòu)形動(dòng)作靈活、工作空間大、在作業(yè)時(shí)空間內(nèi)手臂的干涉最小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。但是這類(lèi)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解比較困難;確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。
圖3 常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)方式
2.6 搬運(yùn)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)分析
2.6.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇
機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種基本形式。
液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去減速裝置，響應(yīng)快，精度較高。但是需要有液壓源，而且容易發(fā)生液體泄漏。
氣壓驅(qū)動(dòng)的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但與液壓驅(qū)動(dòng)相比，功率較小，速度不易控制，精度不高。
電機(jī)傳動(dòng)能源簡(jiǎn)單，機(jī)構(gòu)速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高，使用方便，噪聲低，控制靈活。
起初，我先選擇電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，但是考慮到機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)運(yùn)用純機(jī)械結(jié)構(gòu)并不能達(dá)到理想傳動(dòng)效果。而機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)如若使用氣壓或者液壓傳動(dòng)，就必須帶有旋轉(zhuǎn)氣壓或者旋轉(zhuǎn)液壓缸，相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)。
故改良方案，將驅(qū)動(dòng)方式分成兩個(gè)部分。其中，機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)采用電機(jī)傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)齒輪鏈進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)；而機(jī)械臂的伸縮、升降和機(jī)械手抓的抓取，都采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式。
2.6.2 控制系統(tǒng)的選擇
這里選擇用PLC控制的控制系統(tǒng)。
3 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1 搬運(yùn)機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題：
1. 具有足夠的夾緊力：在確定手爪的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
2. 手爪間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角：兩手爪張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手爪的開(kāi)閉角。手爪的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手爪只有開(kāi)閉幅度的要求。
3. 保證工件準(zhǔn)確定位：為使手爪和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手爪形狀?？紤]被抓取對(duì)象的要求，手爪形狀設(shè)計(jì)成V型。
4. 具有足夠的強(qiáng)度和剛度：手爪除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，應(yīng)當(dāng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小。
3.2 搬運(yùn)機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)
機(jī)械手臂，在我的設(shè)計(jì)中，涉及到三個(gè)自由度：升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)。水平手臂作伸縮用，而垂直手臂則有兩部分組成。與底座連接部分為機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)部分，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)齒輪鏈?zhǔn)沟脵C(jī)械臂旋轉(zhuǎn)；上面部分為機(jī)械臂升降部分，通過(guò)氣壓驅(qū)動(dòng)控制機(jī)械臂的升降。所以，我將機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)分為三個(gè)步驟，先完成垂直臂的設(shè)計(jì)，再完成水平臂的設(shè)計(jì)。
3.2.1 伸縮機(jī)械臂的設(shè)計(jì)
1.尺寸校核
(1) 在校核尺寸時(shí)，只需校核氣壓缸內(nèi)徑=50mm,半徑R=25mm的氣壓缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng),則驅(qū)動(dòng)力：
(3-1)
（2）分析計(jì)算伸縮手臂加速度：
如下圖所示，,將其分為三段，分別為加速狀態(tài)，勻速狀態(tài)和減速狀態(tài)。切運(yùn)動(dòng)距離L為500mm，所以有公式：
(3-2)
又有加速度公式 (3-3)
(3) 測(cè)定手臂質(zhì)量為,加速度，則慣性力：
(3-4)
(4) 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),
(3-5)
總受力 (3-6)
所以氣壓缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。
3.2.2 升降機(jī)械臂的設(shè)計(jì)
1. 尺寸設(shè)計(jì)
氣壓缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為=80mm,氣壓缸內(nèi)徑為=80mm,半徑R=40mm,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力：
(3-7)
2. 尺寸校核
（1）測(cè)定手臂質(zhì)量為,則重力：
(3-8)
(2) 分析計(jì)算伸縮手臂加速度：
如下圖所示，,將其分為三段，分別為加速狀態(tài)，勻速狀態(tài)和減速狀態(tài)。切運(yùn)動(dòng)距離L為100mm，所以有公式：
(3-9)
又有加速度公式 (3-10)
則慣性力為： (3-11)
（3）考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)，如圖所示：
若安裝時(shí)升降臂完全豎直，則摩擦力為零。但在實(shí)際操作中，不能達(dá)到此效果，所以設(shè)定偏斜角度為1°～3°。所以重力G在機(jī)械臂面上有一個(gè)分力對(duì)機(jī)械臂側(cè)面產(chǎn)生壓力，故產(chǎn)生了摩擦力。則有公式：
(3-11)
(3-12)
總受力 (3-13)
所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。
3.2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)
如圖所示，旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂固定在底座上。對(duì)于其傳動(dòng)方式，我選擇了齒形帶傳動(dòng)。通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪O1，經(jīng)由齒形帶傳動(dòng)，達(dá)到讓齒輪O2轉(zhuǎn)動(dòng)的效果。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)臂與齒輪O2通過(guò)鍵連接達(dá)到旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)效果。
圖4 齒輪鏈傳動(dòng)原理圖
齒輪帶的傳動(dòng)比計(jì)算公式為
(3-14)
齒輪帶的平均速度為
(3-15)
3.3 手部設(shè)計(jì)計(jì)算
(1)對(duì)手部設(shè)計(jì)的要求
(a)有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。
(b)有足夠的開(kāi)閉范圍
根據(jù)工件外圓大小,夾持的大小直徑必須大于120mm 。
夾持類(lèi)手部的手指都有張開(kāi)和閉合裝置。工作時(shí)，一個(gè)手指開(kāi)閉位置以最大變化量稱(chēng)為開(kāi)閉范圍。對(duì)于回轉(zhuǎn)型手部手指開(kāi)閉范圍，可用開(kāi)閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。手指開(kāi)閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來(lái)說(shuō)，如工作環(huán)境許可，開(kāi)閉范圍大一些較好，如圖5所示。
圖5 機(jī)械手機(jī)構(gòu)開(kāi)閉示例簡(jiǎn)圖
(c) 力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小
手部處于腕部的最前端，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。
(d) 手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度
(e)其它要求：
因此送料，夾緊機(jī)械手機(jī)構(gòu)，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開(kāi)時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。
(2)拉緊裝置
如圖6所示：油缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進(jìn)油時(shí)松開(kāi)工件。
P
圖6油缸示意圖
（a）右腔推力為
設(shè)定活塞的直徑D=50mm,系統(tǒng)壓力P=25Mpa
（3-16）
=
=4908.7N
(b)根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式為：
（3-17）
其中 N′=498N=392N，帶入公式2.2得：
=(2150/50)（cos30o）2392
=1764N
則實(shí)際加緊力為 F1實(shí)際=PK1K2/η （3-18）
=17641.51.1/0.85=3424N
經(jīng)圓整F1=3500N
由公式得：
a=50.5 mm
b=72 mm
(c)計(jì)算手部活塞桿行程長(zhǎng)L,即
（3-19）
=25×tg30o
=23.1mm
經(jīng)圓整取l=25mm
(d)確定“V”型鉗爪的L、β。
取L/Rcp=3 （3-20）
式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3-21）
由公式得：L=3×Rcp=150
取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉(zhuǎn)角β按最佳偏轉(zhuǎn)角來(lái)確定，
查表得：
β=22o39′
(5)機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍（速度）
(a)伸縮運(yùn)動(dòng) Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
(b)上升運(yùn)動(dòng) Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
(c)下降Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
(d)回轉(zhuǎn) =90o/s
=30o/s
所以取手部驅(qū)動(dòng)活塞速度V=60mm/s
(6)手部右腔流量
（3-22）
=60
=60×3.14×252
=1177.5mm3/s
(7)手部工作壓強(qiáng)
（3-23）
=3500/1962.5=1.78Mpa
3.4 腕部設(shè)計(jì)計(jì)算
腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動(dòng)主要用來(lái)改變被夾物體的方位，它動(dòng)作靈活，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個(gè)自由度，可采用具有一個(gè)活動(dòng)度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。
要求：回轉(zhuǎn)±90o
角速度=45o/s
以最大負(fù)荷計(jì)算：
當(dāng)工件處于水平位置時(shí)，擺動(dòng)缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長(zhǎng)度l =650mm。如圖7所示。
(1)計(jì)算扭矩
設(shè)重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩為：
（3-24）
=10×9.8×0.2=19.6（N·M）
工件
F
S
F
圖7 腕部受力簡(jiǎn)圖
(2)油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩
F =5kg S =10cm
帶入公式2.9得
=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
(3)擺動(dòng)缸的摩擦力矩
=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
=×S =6（N·M）
(4)擺動(dòng)缸的總摩擦力矩
=++ （3-25）
=30.5（N·M）
(5)由公式
（3-26）
其中： b—葉片密度，這里取b=3cm；
—擺動(dòng)缸內(nèi)徑, 這里取=10cm；
—轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取=3cm。
所以代入公式
=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106
=0.89Mpa
又因?yàn)?
所以
=（π/4）（0.12-0.032）×0.03/8
=0.27×10-4m3/s
=27ml/s
3.5 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
液壓控制機(jī)械手機(jī)構(gòu)的一種主要的控制形式。機(jī)械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和操作室根據(jù)油的流量與壓力來(lái)確定，因而只要控制油的流量和壓力，就可以控制機(jī)械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和操作力，油壓壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達(dá)160公斤以上。
主要優(yōu)點(diǎn)：
(1)液壓執(zhí)行元件(馬達(dá)和油缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。
(2)可通過(guò)液壓油帶走大量熱能，保證機(jī)械的正常運(yùn)行，并由于液壓油的潤(rùn)滑作用，可延長(zhǎng)元件的使用壽命。
(3)液壓元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過(guò)閥和泵的調(diào)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
(4)響應(yīng)速度比較快，能高速啟動(dòng)，制動(dòng)和反向，無(wú)后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強(qiáng)。
(5)液壓元件于其他驅(qū)動(dòng)元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動(dòng)等。
缺點(diǎn):
(1)液壓控制需要一套液壓系統(tǒng)，不像電力容易獲得，而且價(jià)格較貴。
(2)油溫有上限，并難以保持不漏，比較臟，易于使閥和執(zhí)行元件堵塞。
(3)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，處理功率訊號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算誤差，檢測(cè)，放大，測(cè)試和補(bǔ)償功能不如電子，機(jī)電裝置靈活簡(jiǎn)便。總體系統(tǒng)圖
圖 8 總體系統(tǒng)圖
(1)總體系統(tǒng)圖如圖8所示,
(2)工作過(guò)程:
小臂伸長(zhǎng)→手部抓緊→腕部回轉(zhuǎn)→小臂回轉(zhuǎn)→小臂收縮→手部放松
(3)電磁鐵動(dòng)作順序表:
表2總體系統(tǒng)圖
元件
動(dòng)作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
小臂伸長(zhǎng)
手部抓緊
腕部回轉(zhuǎn)
小臂收縮
手部放松
卸荷
-
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
±
+
-
-
-
+
±
-
-
+
-
-
±
-
-
-
-
-
±
(4)確電機(jī)規(guī)格：
液壓泵選取CB-D型液壓泵，額定壓力P =10Mpa，工作流量在32～70ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵，
因此：傳動(dòng)功率 （3-27）
式中：η=0.8 （經(jīng)驗(yàn)值）
所以代入公式得：
N =10×80×103×106/60×0.8
=16.7KN
選取電動(dòng)機(jī)JQZ-61-2型電動(dòng)機(jī)，額定功率17KW，轉(zhuǎn)速為2940r/min。
3.6機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
機(jī)身是直接支承和傳動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者就直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜，機(jī)身既可以是固定式的，也可以是行走式的
臂部和機(jī)身的配置形式基本上反映了機(jī)械手機(jī)構(gòu)的總體布局。本課題機(jī)械手機(jī)構(gòu)的機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這樣機(jī)械手機(jī)構(gòu)可以是獨(dú)立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動(dòng)，也可具有行走機(jī)構(gòu)。臂部配置于機(jī)座立柱中間，多見(jiàn)于回轉(zhuǎn)型機(jī)械手機(jī)構(gòu)。臂部可沿機(jī)座立柱作升降運(yùn)動(dòng)，獲得較大的升降行程。升降過(guò)程由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到了自由度的要求。
3.6.1 電機(jī)的選擇
機(jī)身部使用了兩個(gè)電機(jī)，其一是帶動(dòng)臂部的升降運(yùn)動(dòng)；其二是帶動(dòng)機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)臂部升降運(yùn)動(dòng)的電機(jī)安裝在肋板上，帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的電機(jī)安裝在混凝土地基上。
帶動(dòng)臂部升降的電機(jī)：
初選上升速度 V =100mm/s
P =6KW
所以n =（100/6）×60=1000轉(zhuǎn)/分
選擇Y90S-4型電機(jī)，屬于籠型異步電動(dòng)機(jī)。采用B級(jí)絕緣，外殼防護(hù)等級(jí)為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表3 Y90S-4電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)所示：
表3 Y90S-4電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
型號(hào)
額定功率KW
滿載時(shí)
堵轉(zhuǎn)電流
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
電流A
轉(zhuǎn)速r/min
效率%
功率因素
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
Y90S-4
1.1
2.7
1400
79
0.78
6.5
2.2
2.2
3.6.2 螺柱的設(shè)計(jì)與校核
螺桿是機(jī)械手機(jī)構(gòu)的主支承件，并傳動(dòng)使手臂上下運(yùn)動(dòng)。
螺桿的材料選擇：
從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講并能滿足要求的材料為鑄鐵。
螺距 P =6mm 梯形螺紋
螺紋的工作高度 h =0.5P （3-28）
=3mm
螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （3-29）
螺桿強(qiáng)度 = σs/3～5 （3-30）
=150/3～5
=30～50Mpa
螺紋牙剪切 =40
彎曲=45～55
(1)當(dāng)量應(yīng)力
(3-31)
式中 T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm
[σ]——螺桿材料的許用應(yīng)力
所以代入公式得：
=
=
=（2495/ d12）2+3（61.2/ d13）2≤900～2500×1012
=6225025/d14+11236/d16≤900～2500×1012
6225025d12+11236≤900d16×1012
6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012
即16471pa＜535340pa
合格
(2)剪切強(qiáng)度
=160/6 （旋合圈數(shù)） （3-32）
（3-33）
=200×9.8/π×0.029×3.9×（160/6）×10-3
=206.8×103pa
=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa
(3)彎曲強(qiáng)度
=3×200×9.8×3/π×2.9×3.92×（160/6）
=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa
合格
3.6.3 機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖
帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的電機(jī)：
初選轉(zhuǎn)速 W =60o/s
N =1/6轉(zhuǎn)/秒
=10轉(zhuǎn)/分
由于齒輪 I =3
減速器 I =30
所以 n =10×3×30=900轉(zhuǎn)/分
選擇 Y90L-6型籠型異步電動(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)采用B級(jí)絕緣。外殼防護(hù)等級(jí)為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表4 Y90S-6電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)所示：
表4 Y90L-6電動(dòng)機(jī)技術(shù)
型號(hào)
額定功率KW
滿載時(shí)
堵轉(zhuǎn)電流
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
電流
A
轉(zhuǎn)速
r/min
效率
%
功率因素
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
Y9OL-6
1.1
3.2
910
73.5
0.72
6.0
2.0
2.0
機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖9所示:
軸承坯料搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)
4 搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 PLC簡(jiǎn)介
PLC(Programmable Logic Controller)，是可編程邏輯控制器。它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。
PLC實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：(1)電源；(2)中央處理單元(CPU)；(3)存儲(chǔ)器；(4)輸入輸出接口電路；(5)功能模塊；(6)通信模塊。
4.2 PLC工作原理
當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱(chēng)作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。
1.輸入采樣階段
2.用戶程序執(zhí)行階段
3.輸出刷新階段
4.3 PLC機(jī)型的選擇
我選擇使用三菱PLC。原因如下：
首先是語(yǔ)言方面。西門(mén)子的編程語(yǔ)言相當(dāng)復(fù)雜。不僅有我們學(xué)過(guò)的LAD(梯型圖)，F(xiàn)BD(功能圖)，STL(語(yǔ)句表)，還有我們沒(méi)有接觸到的許多編程方式。對(duì)于我們這些大學(xué)生來(lái)說(shuō)，西門(mén)子編程語(yǔ)言太過(guò)繁瑣，不適合我們短時(shí)間的設(shè)計(jì)理解。
在程序結(jié)構(gòu)上，西門(mén)子采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，而且在用戶界面上，將數(shù)據(jù)和程序代碼嚴(yán)格分開(kāi)。而三菱就相對(duì)比較簡(jiǎn)單，方便我們快速掌握。
綜上，因?yàn)楸敬喂に嚵鞒淘O(shè)計(jì)的語(yǔ)言較為簡(jiǎn)單，只需要簡(jiǎn)單的指令編程即可實(shí)現(xiàn)，三菱可以對(duì)整體的I/O進(jìn)行預(yù)先設(shè)置是直接方式還是刷新方式，而且有指令可以實(shí)現(xiàn)對(duì)局部I/O的立即刷新執(zhí)行。有利于程序的設(shè)計(jì)，所以故選用三菱PLC。
4.3.1 PLC機(jī)型的選擇
因每種品牌配置不一樣，所以它的選型方式也有所差異。
三菱PLC的型號(hào)有多種多樣，F(xiàn)R-FX1N、FR-FX1S、FR-FX2N、FR-FX3U、FR-FX2NC、FR-A FR-Q
要選擇相對(duì)應(yīng)的機(jī)型，就要分析被控對(duì)象：
此次PLC需要控制的對(duì)象為物料傳送機(jī)械手，由于用途比較固定，I/O點(diǎn)數(shù)并不復(fù)雜，所以選擇小型PLC即可。故選擇三菱PCL中FX1N系列的PLC。
4.3.2 所選PLC的參數(shù)
表5 FS1S系列PLC的參數(shù)
項(xiàng)目
規(guī)格
備注
運(yùn)轉(zhuǎn)控制方式
通過(guò)儲(chǔ)存的程序周期運(yùn)轉(zhuǎn)
I/O控制方法
批次處理方法
I/O指令可以刷新
運(yùn)轉(zhuǎn)處理時(shí)間
基本指令：0.55至0.7μs
應(yīng)用指令：3.7至幾百μs
編程語(yǔ)言
邏輯梯形圖和指令清單
使用步進(jìn)梯形圖生成SFC類(lèi)型程序
程式容量
內(nèi)置2K步EEPROM
存儲(chǔ)盒(FX1n-EEPROM-8L)可選
I/O配置
最大總I/O由主處理單元設(shè)置
指令數(shù)目
基本順序指令：27
步進(jìn)梯形指令：2
應(yīng)用指令：85
最大可用167條應(yīng)用指令，包括所有的變化
輔助繼電器(M)
一般
384點(diǎn)
M0至M383
鎖定
128點(diǎn)（子系統(tǒng)）
M384至M511
特殊
256點(diǎn)
M8000至M8255
狀態(tài)繼電器(S)
一般
128點(diǎn)
S0至S127
初始
10點(diǎn)（子系統(tǒng)）
S0至S9
定時(shí)器(T)
100毫秒
范圍：0至3276.7秒63點(diǎn)
T0至T55
10毫秒
范圍：0至327.67秒31點(diǎn)
當(dāng)特殊M線圈工作時(shí)T32至T62
1毫秒
范圍：0.001至32.767秒1點(diǎn)
T63
計(jì)數(shù)器(C)
一般
范圍：1至32767數(shù)16點(diǎn)
C0至C15
類(lèi)型：16位增計(jì)數(shù)器
鎖定
范圍：1至32767數(shù)16點(diǎn)
C16至C31
類(lèi)型：16位增計(jì)數(shù)器
數(shù)據(jù)寄存器(D)
一般
128點(diǎn)
D0至D127
32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器對(duì)
鎖定
128點(diǎn)
D128至D255
32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器對(duì)
外部調(diào)節(jié)
范圍：0至255 2點(diǎn)
通過(guò)外部設(shè)置電位計(jì)間接輸入D8013或D8030&D803114數(shù)據(jù)
特殊
256點(diǎn)（包含D8030，D8031）
從D8000至D8255
16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存
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