四自由度多用途氣動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制實(shí)現(xiàn)-自動(dòng)取料機(jī)械手含10張CAD圖帶開(kāi)題,自由度,多用途,氣動(dòng),機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),控制,節(jié)制,實(shí)現(xiàn),自動(dòng),機(jī)械手,10,cad,開(kāi)題 取料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 本文簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手硬件和軟件的組成，即PLC控制的氣動(dòng)機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理，機(jī)械手各個(gè)部件的整體尺寸設(shè)計(jì)，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，PLC控制的特點(diǎn)。本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計(jì)算出了手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩。設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)出了機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。利用可編程序控制器對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，選取了合適的PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫(huà)出了機(jī)械手的工作時(shí)序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。 關(guān)鍵詞： 工業(yè)機(jī)器人 機(jī)械手 氣動(dòng) 可編程序控制器（PLC） Abstract At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm.The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart, the manipulator uses PLC to control. The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator. The paper draws out the work time sequence chart and the trapezium chart. What’s more, the paper workout the control program of the PLC, KEY WORDS: industrial robot manipulator pump air pressure drive PLC 目 錄 摘要 I Abstract II 第一章 引 言 1 1.1 工業(yè)機(jī)械手概述 1 1.2 氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求 2 1.3 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 2 第二章 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案 4 2.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 4 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 6 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 6 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 6 2.6 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù) 6 第三章 夾持式手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 3.1手指的形狀和分類 9 3.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 9 3.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 10 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 4.1 手腕的自由度 14 4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 14 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 14 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 16 4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 17 第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 20 5.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 20 5.2 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 21 5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 22 第六章 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 第七章 結(jié) 論 26 致 謝 27 參考文獻(xiàn) 28 IV 第一章 引 言 1.1 工業(yè)機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)器人的組成部分有機(jī)械自身，控制器，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還有檢測(cè)傳感部分，可以仿照人手進(jìn)行工作，控制是自動(dòng)化的，能夠?qū)Τ绦蜻M(jìn)行編寫(xiě)，在三維空間里面進(jìn)行工作，機(jī)械手實(shí)際上是機(jī)電自動(dòng)一體化的機(jī)器。他可以將產(chǎn)品質(zhì)量變得更好，更穩(wěn)定，并且生產(chǎn)效率還高，將勞動(dòng)條件變得更好，對(duì)于產(chǎn)品的更新?lián)Q代也有很多的幫助。一個(gè)國(guó)家工業(yè)水準(zhǔn)如何，從機(jī)器人的使用狀況就能看出來(lái)。在生產(chǎn)里面使用機(jī)械手，可以將自動(dòng)化水準(zhǔn)變高，對(duì)于使用者勞動(dòng)強(qiáng)度沒(méi)有那么大，確保加工出來(lái)產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)能夠安全進(jìn)行，特別是在一些非常惡劣的狀況下，比方說(shuō)溫度很高，壓力很高，有毒的地方，機(jī)械手都可以代替人類去完成任務(wù)，所以在現(xiàn)實(shí)中使用還是非常有意義的。所以，現(xiàn)在很多行業(yè)都開(kāi)始使用機(jī)械手，最開(kāi)始的時(shí)候機(jī)械手結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，工作專一性非常強(qiáng)，裝在某個(gè)機(jī)床上只能進(jìn)行上料，下料的工作，是依附于機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)的一部分?，F(xiàn)在工業(yè)技術(shù)發(fā)展這么快，能夠獨(dú)立于程序，對(duì)工作進(jìn)行完成，這種機(jī)械手能夠使用的范圍很大，叫他通用機(jī)械手。因?yàn)檫@種機(jī)械手可以將工作程序改變，適應(yīng)性很好，現(xiàn)在生產(chǎn)批量不多，并且產(chǎn)品品種不停更換的時(shí)候會(huì)用它。 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手，他對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，帶動(dòng)執(zhí)行裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。它的特征是：需要的介質(zhì)尋找非常便利，輸出力不大，啟動(dòng)很快，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，花的錢也比較少。不過(guò)，因?yàn)榭諝饽軌蜻M(jìn)行壓縮，工作的時(shí)候穩(wěn)定性不好，沖擊很大，還有起源的壓力沒(méi)有多大，抓取重量最多只能是三十公斤，一樣的抓重條件下，它的結(jié)構(gòu)跟液壓機(jī)械手對(duì)比，還是要大很多的，正常工作的環(huán)境只能是速度更快，載荷更輕，溫度更高，并且粉塵比較大的地方。 氣動(dòng)技術(shù)的好處有: (1)尋找介質(zhì)，還有處理介質(zhì)非常便利。進(jìn)行氣壓傳動(dòng)的時(shí)候，工作壓力很小，提取工作需要的介質(zhì)非常簡(jiǎn)單，之后將空氣排入進(jìn)去，處理起來(lái)很便利，不需要專門安排回收的裝置，很干凈，也不會(huì)在管道里面堵起來(lái)的狀況。 (2)損失的阻力還有出現(xiàn)泄漏的狀況不多，運(yùn)輸壓縮空氣的時(shí)候，損失的阻力沒(méi)有多大，空氣可以集中起來(lái)提供，距離很遠(yuǎn)也能進(jìn)行運(yùn)輸，就算是漏到外面，也不可能像液壓傳動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致壓力明顯的降低，另外對(duì)環(huán)境也不會(huì)造成污染。 (3)動(dòng)作很快，反應(yīng)也很快。啟動(dòng)系統(tǒng)要想將需要的壓力還有速度都建立起來(lái)，只需要0.02s-0.3s就行了。氣動(dòng)系統(tǒng)過(guò)載也會(huì)進(jìn)行保護(hù)的，自動(dòng)化控制方便實(shí)現(xiàn)。 (4)能夠保存能源。可以在儲(chǔ)氣罐里面將壓縮空氣保存進(jìn)去，所以一旦有斷電的狀況出現(xiàn)，機(jī)器還有正在進(jìn)行工作也不會(huì)突然停下來(lái)。 (5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在一些非常惡劣的工作環(huán)境里面，比方說(shuō)易燃易爆，輻射強(qiáng)的地方，將氣壓傳動(dòng)還有控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)比機(jī)械，電器還有液壓的系統(tǒng)，明顯好很多，并且它也不會(huì)受到周邊溫度的影響。 (6)前期的投入少。因?yàn)闅怏w系統(tǒng)工作的壓力不高，所以氣動(dòng)零配件對(duì)于材質(zhì)還有生產(chǎn)精度要求自然就沒(méi)有那么高，加工起來(lái)簡(jiǎn)單，花的錢也就少。之前大家都覺(jué)得：因?yàn)闅怏w能夠被壓縮，那么在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)里面，想要定位精準(zhǔn)的話難度大，特別是速度很快的時(shí)候，更沒(méi)法實(shí)現(xiàn)。還有起源進(jìn)行工作壓力不大，抓舉時(shí)候力氣很小。盡管在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)里面，氣動(dòng)現(xiàn)在大家都可以接受，機(jī)械手要是簡(jiǎn)單的話，控制系統(tǒng)基本上都開(kāi)始用氣動(dòng)零件了，只是氣動(dòng)的發(fā)展之前說(shuō)的不多，所以在工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展中，氣動(dòng)機(jī)械手還有氣動(dòng)機(jī)器人究竟實(shí)用性怎么樣，現(xiàn)在大家還是心里有擔(dān)憂的。 1.2 氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求 1.2.1 課題的設(shè)計(jì)要求 這篇論文要做的事情有： (1)機(jī)械手通用的，跟專用型的進(jìn)行對(duì)比，它的使用范圍更大。 (2)對(duì)機(jī)械手的坐標(biāo)型式還有自由度來(lái)進(jìn)行確定。 (3)將機(jī)械手每一個(gè)執(zhí)行部分設(shè)計(jì)出來(lái)，有機(jī)械手，機(jī)械手腕，機(jī)械手臂等。要想通用性更好，設(shè)計(jì)機(jī)械手的時(shí)候，它的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是可以更換的，不光能夠?qū)Π袅线M(jìn)行抓取，有的時(shí)候還能夠更換成吸盤裝置，對(duì)板料進(jìn)行吸取。 (4)設(shè)計(jì)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng) 論文對(duì)機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要是用哪些氣動(dòng)零部件，氣動(dòng)回路如何，將氣動(dòng)的原理圖紙給畫(huà)出來(lái)。 1.3 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 機(jī)械手的工作原理：通過(guò)PLC來(lái)進(jìn)行控制，傳動(dòng)用的氣壓，這樣就可以讓機(jī)械手去按照事先的規(guī)定完成任務(wù)，順序，運(yùn)動(dòng)軌跡，速度，還有時(shí)間這些都是事先設(shè)定好的，執(zhí)行裝置受到控制部分發(fā)來(lái)的信息，有需要的話還要監(jiān)視機(jī)械手的動(dòng)作，一旦動(dòng)作有不對(duì)，或者是出現(xiàn)故障的話，就要進(jìn)行報(bào)警。機(jī)械手有位置檢測(cè)裝置，任何時(shí)候都可以將執(zhí)行部分具體的地點(diǎn)告訴控制系統(tǒng)，將這個(gè)位置跟設(shè)定的地點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，之后控制系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行更正，那么執(zhí)行裝置的精度才能夠滿足要求，達(dá)到預(yù)期設(shè)定的要求。 (一)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 這個(gè)部分有手，手腕，手臂還有立柱等，有的機(jī)械手還加裝了行走裝置。 1、手部 也就是跟抓取物品接觸的零部件，因?yàn)楦鷸|西接觸的樣子不一樣，有夾持式的，還有吸附式的。論文里面的機(jī)械手是夾持式的。夾持式手爪它的組成有手指還有傳力部分。跟抓取的物品進(jìn)行接觸的就是機(jī)械手指，用的比較多的機(jī)械手指有回轉(zhuǎn)型的，還有平移型的。手指要是回轉(zhuǎn)型，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，生產(chǎn)起來(lái)簡(jiǎn)單，花的錢少，所以用的很多。平移的這種類型用的很少，是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，花的錢也多，這樣的機(jī)械手指抓取圓形物品的時(shí)候，東西的直徑有改變對(duì)于軸心所處地點(diǎn)不會(huì)改變，所以可以用來(lái)抓取直徑改變比較大的物品。手指是什么樣的結(jié)構(gòu)就在于抓取物件的面是什么樣子，抓的這個(gè)地方還有抓的這個(gè)東西有多大，有多重。手指會(huì)有夾緊力產(chǎn)生，通過(guò)它將物品進(jìn)行夾放。用的比較多的傳力裝置有：滑槽杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式等。 2、手腕 用來(lái)對(duì)機(jī)械手還有機(jī)械手臂進(jìn)行連接的，能夠?qū)ψト∥锲返奈恢眠M(jìn)行修正，那樣就會(huì)在正確的地點(diǎn)上。 3、手臂 被抓取的物品，機(jī)械手，還有機(jī)械手腕都是通過(guò)機(jī)械手臂來(lái)支承的。手臂可以帶著機(jī)械手指對(duì)物品來(lái)進(jìn)行抓取，根據(jù)之前設(shè)定好的地點(diǎn)，將物品搬運(yùn)到哪里去。工業(yè)上的機(jī)械手臂，在驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的零部件配合動(dòng)力源之后，這樣機(jī)械手臂不管多復(fù)雜的動(dòng)作都能實(shí)現(xiàn)。 4、立柱 對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行支承的零件是立柱，它跟機(jī)械手臂可以看成一個(gè)整體，機(jī)械手臂進(jìn)行回轉(zhuǎn)還有升降的時(shí)候，都跟立柱的關(guān)系很大。因?yàn)楣ぷ鞯男枰?，立柱能夠在橫向上進(jìn)行移動(dòng)，也叫做可移式立柱。 5、機(jī)座 對(duì)機(jī)械手來(lái)說(shuō)，機(jī)座是基礎(chǔ)部分，在機(jī)座上安裝機(jī)械手的執(zhí)行零部件還有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它能夠進(jìn)到支撐還有連接的作用。 (二)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 這個(gè)部分可以讓機(jī)械手動(dòng)作起來(lái)，它的組成有動(dòng)力部分，調(diào)節(jié)部分還有輔助部分。用的比較多的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓的，氣壓的還有機(jī)械的。 第二章 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手是氣動(dòng)的，需要它能夠很快，很準(zhǔn)的對(duì)物品進(jìn)行搬運(yùn)，所以它的精度要求很高，反應(yīng)速度很快，對(duì)系統(tǒng)要求能夠滿足之后，將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，樣子，還有材料特征都進(jìn)行確定，定位一定要精準(zhǔn)，在對(duì)貨品進(jìn)行抓取，搬運(yùn)的時(shí)候受到的力有哪些，尺寸是多少，質(zhì)量怎么樣等，這樣就可以將機(jī)械手的結(jié)構(gòu)定下來(lái)，并且將運(yùn)行控制要求給定下來(lái)，使用定型的標(biāo)準(zhǔn)件，那么設(shè)計(jì)加工就很簡(jiǎn)單了，不光要通用還要專用，這樣可以進(jìn)行柔性轉(zhuǎn)換，還能夠?qū)Τ绦蜻M(jìn)行編制，讓成本沒(méi)有那么高。論文設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用的，圖紙2-1里面展示，生產(chǎn)批量不多的可以用，能夠?qū)?dòng)作程序改變，可以自己進(jìn)行搬運(yùn)，操作環(huán)境要是很差的話可以拿來(lái)使用。 圖2-1機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu) 2.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)狀況不一樣，組合狀況不同，它的坐標(biāo)能分成直角的，圓柱座的，球坐標(biāo)的還有關(guān)節(jié)式的。因?yàn)檎撐睦锩鏅C(jī)械手對(duì)料要上還要下，所以它要能夠升降，收縮還有回轉(zhuǎn)。所以坐標(biāo)用的是圓柱坐標(biāo)的。對(duì)應(yīng)的機(jī)械手自由度有三個(gè)，要想機(jī)械手在進(jìn)行升降的時(shí)候，行程沒(méi)有太大的缺陷，加裝手臂擺動(dòng)裝置，這樣手臂多了一個(gè)自由度，能夠進(jìn)行上下擺動(dòng)。 圖2-2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 要想機(jī)械手更加通用，那么設(shè)計(jì)它手的結(jié)構(gòu)的時(shí)候要能夠更換，需要抓取的是棒料，那么手部用夾持式的，要是板料的話，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(jì) 因?yàn)槭峭ㄓ脵C(jī)械手，還有抓取的物品是放在水平面上的，那么手腕要能夠回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才行，那么設(shè)計(jì)手腕的時(shí)候，它的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是回轉(zhuǎn)的，所以要用回轉(zhuǎn)氣缸才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作。 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 根據(jù)對(duì)物品抓取的要求，這個(gè)機(jī)械手自由度有三個(gè)，手臂伸縮，向左向右回轉(zhuǎn)，手臂升降。在立柱的幫助下機(jī)械手臂能夠進(jìn)行回轉(zhuǎn)還有升降，立柱進(jìn)行橫向移動(dòng)其實(shí)就是機(jī)械手臂橫移。通過(guò)氣缸能夠讓機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 因?yàn)闅鈮簜鲃?dòng)部分動(dòng)作很快，反應(yīng)也很快，損失的阻力不大，泄漏也不大，占據(jù)面積不大，花銷不多。那么這個(gè)機(jī)械手傳動(dòng)用的是氣壓。 2.6 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù) 一.主參數(shù)：對(duì)機(jī)械手來(lái)說(shuō)主參數(shù)就是它抓取物品最大重量，驅(qū)動(dòng)是氣動(dòng)，所以抓取的物品太重不行，對(duì)他的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，加上實(shí)際生產(chǎn)時(shí)候的需求，設(shè)計(jì)論文機(jī)械手抓取物品的重是5kg。 二.基本參數(shù)：對(duì)機(jī)械手來(lái)說(shuō)，基本數(shù)據(jù)是運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)于機(jī)械手的速度來(lái)說(shuō)，操作節(jié)拍對(duì)它的要求更高，設(shè)計(jì)的速度要是太慢的話，那它能用的區(qū)間就小。2-3圖里面畫(huà)的就是，對(duì)機(jī)械手動(dòng)作快慢有影響的是機(jī)械手臂進(jìn)行伸縮還有回轉(zhuǎn)。這個(gè)機(jī)械手移動(dòng)最快的速度是每秒一米，回轉(zhuǎn)最快速度是。移動(dòng)時(shí)候速度的平均值?；剞D(zhuǎn)速度的平均值。機(jī)械手有時(shí)候開(kāi)啟，有時(shí)候停止，有時(shí)候加速度，有時(shí)候減速帶，也就是速度多快多慢對(duì)于速度特征更加滿足。除了運(yùn)動(dòng)速度來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)機(jī)械手臂的數(shù)據(jù)，伸縮距離多少，另外工作半徑是多少。很多機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，就看做是人坐著工作，或者是站著工作，要保留一定空間讓它操作。伸縮距離太大，還有工作半徑，那么偏重力矩就會(huì)變大，并且剛性變差。這個(gè)時(shí)候傳送裝置還是用自動(dòng)化的。按照統(tǒng)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，這個(gè)機(jī)械手臂伸縮距離在600mm,工作時(shí)候最大半徑在。機(jī)械手臂升降距離在?；緮?shù)據(jù)還有一個(gè)是定位精度，論文里面機(jī)械手定位精度是。 三. 用途:在自動(dòng)運(yùn)輸線上對(duì)物料進(jìn)行上料，還有下料。 四．設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 1、抓取物品的重 2、自由度數(shù) 自由度有四個(gè) 3、座標(biāo) 圓柱座標(biāo) 4、工作半徑的最大值 5、手臂中心高度的最大值 6、手臂運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù) 伸縮距離 伸縮快慢 升降距離 升降快慢 回轉(zhuǎn)區(qū)間 回轉(zhuǎn)快慢 7、手腕動(dòng)的數(shù)據(jù) 回轉(zhuǎn)區(qū)間 回轉(zhuǎn)快慢 8、手指抓取的區(qū)間 棒料: 9、定位的辦法 行程開(kāi)關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等 10、定位精度 11、驅(qū)動(dòng)辦法 氣壓傳動(dòng) 12、控制辦法 PLC 圖2-3機(jī)械手的工作范圍 第三章 夾持式手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手是夾持式的，它的組成有機(jī)械手指還有傳力部分。它的傳力結(jié)構(gòu)很多，比方說(shuō)滑槽杠桿式，齒輪齒條式等等。 3.1手指的形狀和分類 見(jiàn)得最多就是夾持式，手指有兩個(gè)的，多個(gè)手指的，還有雙手雙指的，按照夾持物品的地點(diǎn)不一樣，分成內(nèi)卡式的，還有外夾式的；從對(duì)人手指的模仿來(lái)進(jìn)行劃分，有一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型的，還有兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，還有移動(dòng)型，在這個(gè)里面基本類型是二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型的，在這種類型的機(jī)械手指上支點(diǎn)之間的距離變得非常小的時(shí)候，手指就變成一個(gè)支點(diǎn)；一樣的道理，這兩個(gè)支點(diǎn)手指的長(zhǎng)變得很長(zhǎng)的話，那就成為移動(dòng)型的。手指是回轉(zhuǎn)型的，開(kāi)閉角不大，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，生產(chǎn)起來(lái)簡(jiǎn)單，用的地方很多。移動(dòng)型用的不多，它的結(jié)構(gòu)很大也很復(fù)雜，在抓取的物品直徑有改變，對(duì)它軸心的地點(diǎn)沒(méi)有改變，這樣抓取的物品直徑不一樣也行。 3.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 (一)要有很大的夾緊力 對(duì)手指的夾緊力進(jìn)行確定的時(shí)候，不光要注意物品的重量，還要注意在進(jìn)行運(yùn)送的時(shí)候出現(xiàn)的慣性力還有振動(dòng)，那么在傳送物品的時(shí)候，不能有松動(dòng)或者是脫落出現(xiàn)。 (二)手指跟手指中間的開(kāi)閉角要一定 機(jī)械手指的開(kāi)比較就是他們打開(kāi)還有關(guān)閉時(shí)候極限地點(diǎn)行程的角度，這個(gè)角度要能夠確保產(chǎn)品順利的被抓取住，或者是松下來(lái)，要是抓取物品直徑不一樣，那么考慮的話按照最大直徑來(lái)進(jìn)行。手指要是移動(dòng)型的，那么只需要對(duì)開(kāi)閉的幅度進(jìn)行考慮。 (三)保證工件準(zhǔn)確定位 要想機(jī)械手指跟抓取物品之間處的地點(diǎn)正確，那么按照抓取物品的樣子，選用適合的手指。比方說(shuō)物品要是圓柱型的話，手指應(yīng)該是V型的，這樣自動(dòng)定心就能實(shí)現(xiàn)了，位置也對(duì)。 (四)強(qiáng)度，剛度都要滿足要求 機(jī)械手指抓取物品，不光會(huì)有反作用力還有摩擦力作用在上面，它在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，還會(huì)有慣性力，振動(dòng)作用在上面，那么對(duì)于強(qiáng)度，剛度都有很高的要求，避免機(jī)械手指出現(xiàn)折斷或者是彎曲變形的狀況出現(xiàn)。機(jī)械手指的結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單點(diǎn)，結(jié)構(gòu)也要緊湊些，自身重量不大，機(jī)動(dòng)性不錯(cuò)，讓機(jī)械手的中心在機(jī)械手腕回轉(zhuǎn)軸線的上面，那么機(jī)械手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最好是最小的。 (五)對(duì)抓取物品的要求進(jìn)行思考 因?yàn)闄C(jī)械手工作有一定要求，進(jìn)行對(duì)比，用的機(jī)械手是一個(gè)支點(diǎn)的，兩指回轉(zhuǎn)類型的，抓取的物品大部分是圓柱形狀的，設(shè)計(jì)機(jī)械手指的時(shí)候，設(shè)計(jì)成V字形狀的，3-1里面就是它的結(jié)構(gòu)。 3.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 1、算機(jī)械手部的驅(qū)動(dòng)力 3-2圖紙里面就是論文設(shè)計(jì)的機(jī)械手的手部： 圖3-2齒輪齒條式手部 抓取物品的重， 手指是V型的，它的角度是，,摩擦系數(shù)為 (1)按照機(jī)械手部的結(jié)構(gòu)圖紙，將它的驅(qū)動(dòng)力算出來(lái): (2)按照對(duì)物品進(jìn)行抓取的位置，將夾緊力算出來(lái): 就有 (3)真正的驅(qū)動(dòng)力算出來(lái): 1、傳動(dòng)裝置用的是齒輪齒條，所以確定，跟著確定。要是要抓取物品的時(shí)候最快加速度是，那么說(shuō): 計(jì)算 對(duì)物品進(jìn)行夾緊的時(shí)候，需要的夾緊氣缸，它的驅(qū)動(dòng)力就是。 2、氣缸的直徑 這個(gè)氣缸是單向作用的，按照力平衡，這種氣缸輸出的推力一定要比彈簧的反作用力還有活塞工作時(shí)候阻力的總數(shù)還要大，式子就是: - 活塞桿上的推力N - 彈簧反作用力N - 氣缸進(jìn)行工作阻力的總數(shù)N - 氣缸進(jìn)行工作的時(shí)候壓力大小Pa 用底下的式子算出來(lái)彈簧的反作用力: Gf = 式子里面 設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要對(duì)負(fù)載率進(jìn)行思考，那么 按照前面的分析，單向作用氣缸的直徑就能知道: 把數(shù)值放到里面算 那么說(shuō): 翻查資料對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓整，就有 已經(jīng)知道,那就可以知道活塞桿的直徑: 進(jìn)行圓整之后，確定活塞桿直徑是 對(duì)它進(jìn)行校核，用式子 那么說(shuō): 這個(gè)里面，[]， 那么說(shuō): 對(duì)設(shè)計(jì)要求是完全符合的。 3、設(shè)計(jì)缸筒壁的厚度 有壓縮空氣的壓力作用在缸筒上，那么說(shuō)厚度肯定存在，正常氣缸筒壁的厚比上里面直徑，數(shù)值要比1/10還要小，用下面的式子將壁厚算出來(lái): 6- 缸筒壁的厚度mm - 氣缸里面的直徑mm 用的材質(zhì)是:ZL3,[] 將已經(jīng)知道的數(shù)值放到里面算，那么壁的厚度就知道: 確定，那么缸筒外面的直徑是: 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 手腕的自由度 對(duì)機(jī)械手還有機(jī)械手臂連接用的是機(jī)械手腕，他可以進(jìn)行調(diào)整，并且將物品的方位改變掉，它的自由度是獨(dú)立的，那么整個(gè)機(jī)械手完成多復(fù)雜的動(dòng)作都可以。手腕自由度有哪幾個(gè)跟機(jī)械手是否通用，生產(chǎn)工藝的需要，產(chǎn)品擺放地點(diǎn)還有定位精度等有很大關(guān)聯(lián)。因?yàn)檫@個(gè)機(jī)械手抓取物品擺放在水平面上，另外還要注意通用性，所以安排這個(gè)手腕能夠繞著X軸進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作，這樣工作要求才能實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在最多用回轉(zhuǎn)缸來(lái)讓手腕進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作，論文里面用回轉(zhuǎn)氣缸，結(jié)構(gòu)非常緊湊，回轉(zhuǎn)角度達(dá)不到360°，對(duì)于密封性要求很高。 4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 回轉(zhuǎn)動(dòng)作表現(xiàn)在手腕的回轉(zhuǎn)，手腕的上下動(dòng)作，手腕的左右動(dòng)作。要想讓手腕進(jìn)行回轉(zhuǎn)，那么驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)于開(kāi)啟時(shí)候出現(xiàn)的慣性力矩要能夠克服，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)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(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合的話，會(huì)有偏重力矩出現(xiàn)。4-1圖紙里面就是手腕承受的力。 1.工件2.手部3.手腕 圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài) 用下面式子將手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候的驅(qū)動(dòng)力矩算出來(lái): - 能夠帶動(dòng)手腕進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 (); - 慣性力矩(); - 進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸線可以出現(xiàn)多大的偏重力矩 (). - 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等這些地方密封部分產(chǎn)生多大摩擦力矩 (); 4-1里面就使作用在手腕上的力，將每個(gè)阻力矩給算出來(lái): 1、手腕運(yùn)動(dòng)加速，出現(xiàn)的慣性力矩 要是手腕啟動(dòng)的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)是等加速的，那么轉(zhuǎn)動(dòng)角速度就是，啟動(dòng)需要的時(shí)間是那么: - 實(shí)現(xiàn)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)零部件跟轉(zhuǎn)動(dòng)軸線之間的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; - 物品相對(duì)于手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 要是物品的中心跟轉(zhuǎn)動(dòng)軸線沒(méi)有重合的話，它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就是: - 物品從重心軸線經(jīng)過(guò)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: - 物品有多重 (N); - 從物品的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，出現(xiàn)的偏心距 (cm), - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，它的角速度 (弧度/s); - 啟動(dòng)要花多長(zhǎng)時(shí)間 (s); —啟動(dòng)時(shí)候轉(zhuǎn)動(dòng)多大角度 (弧度)。 2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)零件跟產(chǎn)品的偏重對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸線出現(xiàn)的偏重力矩M偏 + () - 手腕上轉(zhuǎn)動(dòng)零件的重 (N); - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)零件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線之間的偏心距 (cm) 在抓取物品的重心跟手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候的軸線重合起來(lái)，那么. 3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸這個(gè)地方摩擦阻力矩 () ，- 轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸頸這個(gè)地方的直徑 (cm); - 摩擦系數(shù)，要是滾動(dòng)軸承，要是滑動(dòng)軸承; ,- 代表支承反力(N)，從手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸受到的力進(jìn)行分析和計(jì)算可， 已經(jīng)知曉,就有: 一樣的道理，按照(F),就有: 4、轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等地方密封部分摩擦力阻力矩，跟使用的密封裝置屬于哪一種有關(guān)聯(lián)，分析的話按照具體狀況進(jìn)行。 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 機(jī)械手進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片式的，4-2里面是它工作原理，定片1連接缸體2，動(dòng)片3連接回轉(zhuǎn)軸5，氣腔被動(dòng)片分圈4分成兩部分，孔a這個(gè)地方有壓縮空氣進(jìn)去，輸出軸被帶著進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，那么低壓腔里面的氣從b孔這個(gè)地方出來(lái)。反過(guò)來(lái)，輸出軸回轉(zhuǎn)是順時(shí)針的話，單葉氣缸的壓力跟驅(qū)動(dòng)力矩之間的關(guān)系式: 或 4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 1.設(shè)計(jì)尺寸 設(shè)計(jì)氣缸的長(zhǎng)是,氣缸里面的直徑是=96mm,半徑,軸的直徑是,半徑,氣缸工作時(shí)候角速度=，加速度需要時(shí)長(zhǎng)=0.1s, 壓強(qiáng), 將力矩算出來(lái)： 2.校核尺寸 （1）將幫著實(shí)現(xiàn)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的質(zhì)量確定,按照它質(zhì)量的布局，這些質(zhì)量在一個(gè)圓盤上等效分布，這個(gè)圓盤的半徑是，將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量算出來(lái)： （） 抓取的物品重5,質(zhì)量在棒料上分布，這個(gè)棒料長(zhǎng)是，將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量算出來(lái)： 如果物品的中心線沒(méi)有重合轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，棒料長(zhǎng)是，偏心距的最大值 ，它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就是: （2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)零件跟物品的偏重相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸線就會(huì)有偏重力矩出現(xiàn)，是M偏，因?yàn)闄C(jī)械手腕轉(zhuǎn)動(dòng)零件的重心重合轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，夾緊物品一頭的時(shí)候，物品的重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸,那么： + （3）在軸頸這個(gè)地方，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸產(chǎn)生的摩擦阻力矩，軸承要是滾動(dòng)的，軸承要是滑動(dòng)的=0.1， ，代表手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸上軸頸這個(gè)地方直徑，, , ,代表軸頸這個(gè)地方支承反力，粗略計(jì)算,, 4．回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等這些密封地方的摩擦阻力矩，跟使用的哪一種密封裝置有關(guān)系，按照具體狀況進(jìn)行分析，在這里應(yīng)該=3， 3 設(shè)計(jì)的大小對(duì)于用的要求能夠滿足，非常安全。 第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 5.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 機(jī)械手臂的伸縮氣缸用的是標(biāo)準(zhǔn)的，煙臺(tái)廠家生產(chǎn)的，再加上這次設(shè)計(jì)的真正需要，氣缸型號(hào)CTA，內(nèi)徑確定100/63，對(duì)于這個(gè)氣缸的詳細(xì)數(shù)據(jù)看這家公司的介紹就行。 5.1.2 尺寸校核 1. 對(duì)尺寸進(jìn)行校核，只需要對(duì)氣缸內(nèi)徑進(jìn)行校核,半徑，氣缸的大小符合用的需要，用的時(shí)候壓強(qiáng), 那么驅(qū)動(dòng)力是： 2．手腕質(zhì)量測(cè)量出來(lái)50kg,加速度是，將慣性力算出來(lái)： 3.因?yàn)榛钊葧?huì)有摩擦力，假設(shè)摩擦系數(shù)是, 總共承受的力 選用的氣缸CTA對(duì)于驅(qū)動(dòng)力的要求能夠滿足。 5.1.3 導(dǎo)向裝置 機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)是氣動(dòng)，在它進(jìn)行伸縮的時(shí)候，為了避免機(jī)械手臂圍繞著軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手指能夠指向正確的地方，并且不會(huì)有很大的彎曲力矩作用在活塞桿上，這樣手臂的剛性就變大了，對(duì)機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，安排導(dǎo)向裝置在上面。安裝時(shí)候具體的結(jié)構(gòu)要按照論文里面設(shè)計(jì)的構(gòu)造還有抓取物品有多重等，并且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)格局的時(shí)候，最好少用點(diǎn)運(yùn)動(dòng)零部件，那么重量就可以變輕，這樣對(duì)于回轉(zhuǎn)中心的慣量就變少了。 論文里面導(dǎo)向桿用的是單的，這樣手臂的剛性會(huì)變好，導(dǎo)向性也更強(qiáng)。 5.1.4 平衡裝置 論文里面，要想讓機(jī)械手臂兩頭跟重力矩品狀況靠近一點(diǎn)，將手爪一邊的重力矩影響變少一些，所以加裝平衡裝置在伸縮氣缸的一邊，擺放砝碼在裝置里面，砝碼有多重按照抓取物料多重，還有氣缸運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行調(diào)整，一定要讓手臂兩頭盡量平衡些。 5.2 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 5.2.1 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸運(yùn)行的長(zhǎng)是=118mm,氣缸里面直徑是=110mm,半徑R=55mm,氣缸進(jìn)行加速度需要的時(shí)間=0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,那么將驅(qū)動(dòng)力算出來(lái)： 5.2.2 尺寸校核 1．測(cè)出來(lái)手腕重是80kg,那么重力： 2．假設(shè)加速度是，那么慣性力就是： 3.因?yàn)榛钊葧?huì)有摩擦力，假設(shè)摩擦系數(shù)是， 總共承受的力 那么設(shè)計(jì)的大小對(duì)于真正用的時(shí)候要求能夠滿足。 5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 5.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)氣缸的長(zhǎng)是,氣缸里面直徑是,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸工作起來(lái)角速度=，加速度時(shí)間0.5s,壓強(qiáng), 將力矩算出來(lái)： 5.3.2 尺寸校核 1．測(cè)出來(lái)跟手臂一起轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件重,對(duì)零部件質(zhì)量布局狀況進(jìn)行分析， 圓盤半徑是，質(zhì)量在它上面等效布局，將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算出來(lái)： （） 軸承，油封的中間會(huì)有摩擦力出現(xiàn)，假設(shè)摩擦系數(shù)是, 驅(qū)動(dòng)力矩的總值是： 對(duì)于設(shè)計(jì)要求完全能夠滿足。 第六章 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖如下： 6-1圖里面展示的機(jī)械手氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)如何工作的。通過(guò)空氣壓縮機(jī)，在快換接頭的作用下，進(jìn)到儲(chǔ)氣罐里面，從分水這里到過(guò)濾器，調(diào)壓閥，油霧器，進(jìn)到每一個(gè)并聯(lián)氣路上的電磁閥上，這樣可以對(duì)氣缸還有機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行控制。 每一個(gè)通行裝置對(duì)速度調(diào)整，只要是排氣口節(jié)流的，那么都要裝一個(gè)節(jié)流阻尼螺釘在排氣口，這樣才能調(diào)整，這種辦法結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，并且效果也不錯(cuò)。比方說(shuō)在靠近氣缸的兩個(gè)地方裝兩個(gè)快速排氣閥，這樣啟動(dòng)就很快，并且全程的速度都可以調(diào)整。安裝氣節(jié)流的單向節(jié)流閥在升降氣缸上，可以對(duì)手柄上升的速度進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)槭直圩陨碛兄亓?，?huì)向下降，所以調(diào)整的速度還是要裝一個(gè)節(jié)流阻尼螺釘在電磁閥排氣口這里。氣液傳送器氣缸的排氣節(jié)流，能夠?qū)剞D(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓進(jìn)行調(diào)整。 把氣路弄的簡(jiǎn)單點(diǎn)，電磁閥少用一些，安裝液壓緩沖器在每一個(gè)工作氣缸上，這樣的話不需要裝氣路阻尼零件在電磁閥還有切向節(jié)流閥，行程節(jié)流閥的上面。 電磁閥的通徑，按照工作氣缸的大小，行走距離，速度將需要的壓縮空氣流量給算出來(lái)，跟確定的電磁閥的壓力狀況下公稱使用流量進(jìn)行匹配。 第七章 結(jié) 論 1、論文里面機(jī)械手是啟動(dòng)通用的，跟專用機(jī)械手進(jìn)行對(duì)比，這種機(jī)械手的自由度能夠改變，能夠?qū)刂瞥绦蜻M(jìn)行調(diào)整，所以用的范圍比較大。 2、傳動(dòng)用的氣壓，動(dòng)作很快，反應(yīng)也很快，過(guò)載能夠進(jìn)行保護(hù)，方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。對(duì)工作環(huán)境能夠很好使用，環(huán)境有改變也不會(huì)對(duì)傳動(dòng)或者控制效果產(chǎn)生影響。損失的阻力還有泄漏的阻力沒(méi)有多大，對(duì)環(huán)境沒(méi)有多大傷害。并且花銷不多。 3、畫(huà)出來(lái)氣壓系統(tǒng)的工作原理，這樣省去了不少時(shí)間，很多重復(fù)性工作不需要再做。 致 謝 論文是在指導(dǎo)老師俞云強(qiáng)的幫助和教導(dǎo)下做完的，老師對(duì)待學(xué)術(shù)非常認(rèn)真，所以在這里我尤其要感謝俞老師，沒(méi)有您的指導(dǎo)和幫助，相信我不會(huì)在這么快的時(shí)間將論文完成！剛開(kāi)始拿到論文的題目的時(shí)候，老師就給了我很多幫助，給了我不少有用的資料，平時(shí)的生活里面，老師、同學(xué)們都幫了我不少，在這里對(duì)大家都表示感謝，對(duì)我的學(xué)校無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院也表示感謝。 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，1988 2.蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展戰(zhàn)略.機(jī)器人技術(shù)，2001, 4 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