上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì),上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì),上下,機(jī)械手,設(shè)計(jì) 題目：上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì) 姓名： 學(xué)號(hào)： 專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)老師： 職稱(chēng)：副教授 時(shí)間：二〇〇八年四月五號(hào) 上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì) 1 、科學(xué)依據(jù) ? 課題的科學(xué)意義 通過(guò)設(shè)計(jì)出上下料機(jī)械手來(lái)提高工作效率，降低工人的工作強(qiáng)度，使我們的工廠(chǎng)向無(wú)人化、機(jī)械化、高效化發(fā)展。通過(guò)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生調(diào)研、文獻(xiàn)檢索及應(yīng)用的獨(dú)立工作能力，使學(xué)生掌握機(jī)電系統(tǒng)的監(jiān)控的一般方法及步驟，熟練掌握各類(lèi)資料、手冊(cè)以及計(jì)算機(jī)等工具的使用方法，提高學(xué)生的自學(xué)能力、動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。 ? 課題的提出 進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)人口老齡化的提前到來(lái)，近來(lái)在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平勢(shì)在必行，本設(shè)計(jì)的目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)氣動(dòng)上下料機(jī)械手，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn): 1) 液壓傳動(dòng)在工作過(guò)程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動(dòng)易泄漏，不僅污染工作場(chǎng)地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。 2)工作時(shí)受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn)動(dòng)特性變化。 3）因液壓脈動(dòng)和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 4）為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價(jià)格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動(dòng)。 氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn): 1）介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問(wèn)題。 2）動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。 3）能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。 2、 研究?jī)?nèi)容 本課題將要完成的主要內(nèi)容如下： 1)廣泛收集相關(guān)資料，擬定多種設(shè)計(jì)方案，并比較其優(yōu)劣，選擇合理的設(shè)計(jì)方案。 2） 完成系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)主要零部件進(jìn)行計(jì)算并校核；設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)。 3）繪出主要零部件圖及系統(tǒng)裝配圖。 4)完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并用計(jì)算機(jī)繪出電路原理圖；本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序。 5） 對(duì)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質(zhì)量。 3、 擬采取的研究方法、技術(shù)路線(xiàn) 首先對(duì)上下料機(jī)械手進(jìn)行一個(gè)總體設(shè)計(jì)，形成一個(gè)總體概念，再根據(jù)機(jī)械手要完成的工作按先后順序分部設(shè)計(jì)。具體如下： 總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算 計(jì)與校核 上下料機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì) 4、本課題進(jìn)度安排 1）第1-2周 查閱和收集設(shè)計(jì)資料，完成系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案； 2）第3-4周 完成系統(tǒng)的主要零部件設(shè)計(jì)、計(jì)算； 3）第4-5周 繪制系統(tǒng)的主要零部件圖； 4）第6-7周 繪制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖； 5）第8周 完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繪出控制系統(tǒng)原理圖； 6）第9周 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)； 7）第10周 準(zhǔn)備答辯。 題目：上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì) 姓名：胡文才 學(xué)號(hào)：043003010324 專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)老師：張錚 職稱(chēng)：副教授 時(shí)間：二〇〇八年四月五號(hào) 上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì) 前言 機(jī)械手是一種能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)對(duì)象或操作工具的自動(dòng)操作裝置。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。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén)。隨著現(xiàn)代技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)人化操作已逐步取代了原始的工作方式。本文主要討論了上下料機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪出了主要零部件圖及系統(tǒng)裝配圖，完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并用計(jì)算機(jī)繪出電路原理圖. 關(guān)鍵詞：機(jī)械手 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 上下料 Forword Manipulator is a kind of manpower and arms to imitate some of the motor function to crawl at a fixed procedure, removal of the object or operation of the automatic installation tools. Manipulator in the mechanization and automation of the production process to develop a new device. In recent years, as electronic technology, especially the extensive application of the electronic computer, the robot has been the development and production of a high-tech field with the rapid development of a new and emerging technologies, it has more to promote the development of manipulator, making manipulator can better achieve and the mechanization and automation organic integration. It can be a substitute for the arduous work to achieve production mechanization and automation, in the environmentally harmful to operate under the protection of personal safety, thus widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and nuclear energy sectors. With the rapid development of modern technology, unmanned operation, has been gradually replacing the primitive methods of work. This paper mainly discusses the upper and lower material manipulator structural design, drawn map of the main components and system assembly, complete control system hardware design, and drawn by computer circuit schematics. Keywords: manipulator structural design top and bottom anticipate 研究的目的和意義 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)是為了培養(yǎng)從事機(jī)械設(shè)計(jì)、制造行業(yè)的人才而開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)。而工業(yè)機(jī)械手課程設(shè)計(jì)不僅培養(yǎng)設(shè)計(jì)者對(duì)機(jī)械的認(rèn)識(shí)、運(yùn)用能力,而且也增進(jìn)了對(duì)機(jī)械工業(yè)發(fā)展的了解和認(rèn)知。 機(jī)械手的種類(lèi)，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等. 此次設(shè)計(jì)目的主要是培養(yǎng)我們的機(jī)械設(shè)計(jì)能力，擴(kuò)展我們的知識(shí)結(jié)構(gòu)和幫助我們培養(yǎng)綜合運(yùn)用能力，是一個(gè)從理論向?qū)嶋H轉(zhuǎn)換的過(guò)程。 意義：通過(guò)設(shè)計(jì)出上下料機(jī)械手，它可以減輕工人的工作強(qiáng)度，提高工作效率，使我們的工廠(chǎng)逐步向無(wú)人化和機(jī)械化發(fā)展。 國(guó)內(nèi)外研究狀況 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì): (1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的65萬(wàn)美元。 (2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(xiàn)(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車(chē)制造廠(chǎng)的焊裝線(xiàn)上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求，“一客戶(hù)，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 此外，國(guó)內(nèi)外好多知名企業(yè)也逐步朝著無(wú)人化和高效率化這個(gè)方向發(fā)展。 文獻(xiàn)給我們的啟示 隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng).通過(guò)查找資料和不斷思考，上下料機(jī)械手在當(dāng)今這個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)代起著越來(lái)越重要的作用。做畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)過(guò)程，需要我們不斷的去思考，去挖掘有用的知識(shí)。這也是一個(gè)從理論向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)換過(guò)程。 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 [3]金茂青，曲忠萍，張桂華.國(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展勢(shì)態(tài)分析.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ， 2001 [4]王雄耀.近代氣動(dòng)機(jī)器人(氣動(dòng)機(jī)械手)的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動(dòng)與密封，1999, 5 [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，1992 [6]機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986 [7]黃錫愷，鄭文偉.機(jī)械原理.北京:人民教育出版社，1981 [8]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社 [9]鄭洪生.氣壓傳動(dòng)及控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987 [10]吳振順.氣壓傳動(dòng)與控制.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1995 目 錄 前言………………………………………………………………………… 1 第一章 緒論…………………………………………………………………3 1.1 工業(yè)機(jī)械人概述……………………………………………………3 1.2 上下料機(jī)械手的組成和分類(lèi)………………………………………4 1.2.1機(jī)械手的組成 ………………………………………………4 1.2.2機(jī)械手的分類(lèi) ………………………………………………5 第二章 總體方案的設(shè)計(jì)……………………………………………………7 2.1 工業(yè)機(jī)械手的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)………………………………………7 2.2 主要技術(shù)指標(biāo)的確定………………………………………………7 2.3 上下料機(jī)械手的動(dòng)作順序及其控制要求…………………………8 第三章 機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………… 10 3.1上下料機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成……………………………………10 3.2機(jī)械手的手臂設(shè)計(jì)…………………………………………………10 3.2.1 手臂的作用和組成 ……………………………………… 10 3.2.2 對(duì)設(shè)計(jì)手臂的要求…………………………………………10 3.2.3 手臂驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算…………………………………………11 3.2.4 臂部直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算……………………………12 3.2.5 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算………………………………………12 3.2.6 升降柱不自鎖的條件………………………………………13 3.3機(jī)械手的機(jī)身設(shè)計(jì)…………………………………………………14 3.3.1 機(jī)身的作用…………………………………………………14 3.3.2 機(jī)身設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)…………………………………14 第四章 機(jī)械手液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇與計(jì)算…………………………… 15 4.1手臂伸縮油缸的選擇及計(jì)算………………………………………15 4.1.1 手臂伸縮油缸的及計(jì)算……………………………………15 4.1.2 手臂伸縮油缸的選擇及計(jì)算………………………………16 第五章 自動(dòng)上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)各項(xiàng)工作原理……………………… 18 5.1 液壓系統(tǒng)的組成………………………………………………… 18 5.2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手的特點(diǎn)………………………………………18 5.3 自動(dòng)上料機(jī)械手的緩沖和定位……………………………………19 5.4 油缸泄露問(wèn)題與密封裝置…………………………………………19 第六章 PLC 控制系統(tǒng)……………………………………………………21 6.1機(jī)械手PLC 控制系統(tǒng)上下料編程指令……………………………21 致 謝 ………………………………………………………………………22 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………22 前 言 隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的建立，科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)的調(diào)整，機(jī)械行業(yè)對(duì)高級(jí)應(yīng)用型人才的綜合能力要求越來(lái)越高，創(chuàng)新是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。當(dāng)今世界各國(guó)之間在政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和科技方面的劇烈競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)際上是人才的競(jìng)爭(zhēng)。 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。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(xiàn)中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來(lái)的一門(mén)新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。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，并廣泛地得到了應(yīng)用。 機(jī)械手是一種能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)對(duì)象或操作工具的自動(dòng)操作裝置。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。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén)。隨著現(xiàn)代技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)人化操作已逐步取代了原始的工作方式。 本論文的編寫(xiě)兼顧了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐兩個(gè)方面，使用了簡(jiǎn)潔明了的語(yǔ)言，避免了晦澀難懂的理論分析，同時(shí)應(yīng)用了大量的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，力求做到通俗易懂且內(nèi)容全面，實(shí)用性強(qiáng)。? 由于本人編寫(xiě)水平有限，經(jīng)驗(yàn)不足，說(shuō)明書(shū)中難免有錯(cuò)誤和欠妥之處，懇請(qǐng)指正。 編者 2008年5月 內(nèi)容摘要： 本文簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類(lèi)。本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)方案，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，計(jì)算出了回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)力矩，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)。詳細(xì)計(jì)算出機(jī)械手液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)技術(shù)參數(shù)，利用可編程序控制器對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，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，并繪制了可編程序控制器的控制程序。 關(guān)鍵詞 機(jī)械手，液壓，可編程序控制器（PLC） Abstract This paper briefly introduced the concept of indu- strial robot, and their composition and classification.In this paper, the mechanical design of the overall plan in order to determine the manipulator rotation programme and determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, calculated the driven torque of the rotary fuel tank torque. Designed arm structure of a manipulator. The detailed cal- culations to manipulator hydraulic drive system for various technicalparameters, using programmable logic controller to control the mechanical hand, according to the workflow mani- pulator developed a PLC control programme, and the mapping of the PLC Control procedures. Keywords manipulator, hydraulic, programmable logic controller (PLC) 第一章 緒 論 1.1 工業(yè)機(jī)械人概述 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(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)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(dòng)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(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、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(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)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(zhǎng)時(shí)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(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)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(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱(chēng)為“上下料機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)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(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專(zhuān)用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)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(jiǎn)稱(chēng)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 上下料機(jī)械手的組成和分類(lèi) 1.2.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。 (一)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、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吸附式手部結(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(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)，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(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)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(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.上下料機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)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(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 3、行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)上下料機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，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(shí)現(xiàn)上下料機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無(wú)軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。 4、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(dòng)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(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)上下料機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支配著上下料機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前上下料機(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?？刂葡到y(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(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 1.2.2 機(jī)械手的分類(lèi) 上下料機(jī)械手的種類(lèi)很多，關(guān)于分類(lèi)的問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類(lèi)。 (一)按用途分 機(jī)械手可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種: 1、專(zhuān)用機(jī)械手 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專(zhuān)用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)線(xiàn)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(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)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(dòng)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(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以“開(kāi)一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制，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(lèi)型。 (二)按驅(qū)動(dòng)方式分 1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，燃油的泄漏對(duì)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(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)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(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高。 2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)械手 即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專(zhuān)用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。 第二章 總體方案的設(shè)計(jì) 2.1工業(yè)機(jī)械手的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 按工業(yè)機(jī)械手的不同形式及其組合情況，其活動(dòng)范圍的圖形也是不同的，運(yùn)動(dòng)形式基本上分為四種：直角坐標(biāo)形式機(jī)械手，圓柱坐標(biāo)機(jī)械手，球坐標(biāo)形式機(jī)械手，關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式機(jī)械手。 根據(jù)原人工用電葫蘆吊料到立式精鍛機(jī)上，下料的動(dòng)作（有升降動(dòng)作，電葫蘆在軌道上轉(zhuǎn)動(dòng)和前伸后退動(dòng)作），類(lèi)似直角坐標(biāo)和圓柱坐標(biāo)形式，考慮到圓柱坐標(biāo)的占地面積小而動(dòng)作范圍廣的特點(diǎn)，確定用圓柱坐標(biāo)式。由于液壓傳動(dòng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 1) 壓力高，可實(shí)現(xiàn)較大的驅(qū)動(dòng)力，機(jī)構(gòu)可做的輕小，緊湊。 2) 無(wú)級(jí)變速，定位精度高，可實(shí)現(xiàn)任意位置的停止。系統(tǒng)的固有震動(dòng)頻率高，壓力，容量調(diào)節(jié)容易。 3) 重量小，慣性小，可做到經(jīng)常快速且無(wú)沖擊的變速和換向，容易控制。動(dòng)作平穩(wěn)，故采用傳動(dòng)平穩(wěn)的液壓驅(qū)動(dòng)。 2.2主要技術(shù)指標(biāo)的確定 機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù)有抓重（即臂長(zhǎng)），自由度，工作行程（或轉(zhuǎn)角），工作速度和工作精度。 抓重（即臂長(zhǎng)） 抓重是指機(jī)械手在正常運(yùn)行時(shí)所能抓取或搬運(yùn)工件的最大重量，抓取工件的重量為60公斤，考慮到手臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素，通常安全系數(shù)k在2—3范圍內(nèi)使用。 自由度 由于階梯軸有掉頭鍛打問(wèn)題和將棒料送到立式精鍛機(jī)卡頭中有個(gè)定長(zhǎng)要求，所以機(jī)械手需要有個(gè)手腕回轉(zhuǎn)180度的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，這樣機(jī)械手就需要有手臂升降，伸收，回轉(zhuǎn)及手腕回轉(zhuǎn)四個(gè)自由度，以滿(mǎn)足上料動(dòng)作要求。 工作行程范圍 運(yùn)動(dòng)行程范圍是指臂部，整個(gè)機(jī)械手直線(xiàn)移動(dòng)或回轉(zhuǎn)角度的范圍。對(duì)通用機(jī)械手，保證一定的通用性，一般手臂回轉(zhuǎn)行程范圍應(yīng)盡可能大些，選擇0°到200°（實(shí)際使用為180°），手臂升懸也升長(zhǎng)，偏重力矩，偏轉(zhuǎn)慣性也較大，剛性減低，易振動(dòng)，定位精度難于保證，手臂伸縮行程在500到1000毫米范圍內(nèi)選取，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取上下料機(jī)械手伸縮范圍為0到600mm，手臂升降范圍為0到600mm。 工作速度 工作速度是指機(jī)械手的最大運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)速度的大小與機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式，定位方式，抓重大小和行程距離有關(guān)。因此，手臂的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)節(jié)拍時(shí)間長(zhǎng)短，生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)性，定位精度要求來(lái)確定。 影響機(jī)械手的動(dòng)作快慢的兩個(gè)主要運(yùn)動(dòng)是：手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一般應(yīng)用的機(jī)械手移動(dòng)速度通常在200到300mm/s，回轉(zhuǎn)角度在50°/s左右。 定位精度 即位置精度，位置精度的高低與位置控制方式，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部件的精度和剛度。抓重，運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。目前，機(jī)械手大多采用點(diǎn)位控制，采用固定檔次控制時(shí)，可達(dá)到較高的位置精度。 2.3上下料機(jī)械手的動(dòng)作順序及其控制要求 動(dòng)作順序：起始位置→手臂下降→吸盤(pán)吸緊物體→手臂上升→手臂右移→手臂下降→吸盤(pán)放松→手臂上升→手臂左移→一個(gè)循環(huán)結(jié)束 控制要求： 1．在傳輸帶A端部，安裝了光電開(kāi)關(guān)PS，用以檢測(cè)物品的到來(lái)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物品時(shí)為ON狀態(tài)。 2.機(jī)械手在原位時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，系統(tǒng)起動(dòng)，傳送帶A運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物品后，傳送帶A停。 3．傳輸帶A停止后，機(jī)械手進(jìn)行一次循環(huán)動(dòng)作，把物品從傳送帶A上搬到傳送帶B(連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)）上。 4. 機(jī)械手返回原位后，自動(dòng)再起動(dòng)傳送帶A運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。 5．按下停止按鈕后，應(yīng)等到整個(gè)循環(huán)完成后，才能使機(jī)械手返回原位，停止工作。 6.機(jī)械手的上升／下降和左移／右移的執(zhí)行結(jié)構(gòu)均采用雙線(xiàn)圈的二位電磁閥驅(qū)動(dòng)液壓裝置實(shí)現(xiàn)，每個(gè)線(xiàn)圈完成一個(gè)動(dòng)作。 7.抓緊／放松由單線(xiàn)圈二位電磁閥驅(qū)動(dòng)液壓裝置完成，線(xiàn)圈通電時(shí)執(zhí)行吸緊動(dòng)作，線(xiàn)圈斷電時(shí)執(zhí)行放松動(dòng)作。 8.機(jī)械手的上升、下降、左移、右移動(dòng)作均由極限開(kāi)關(guān)控制。 示意圖如下： 第三章 機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 上下料機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)是由手部,手臂以及支撐全部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)座所組成.機(jī)械手的傳動(dòng)油缸, 由于工作條件的限制,往往油缸就是手臂,手腕等機(jī)構(gòu)的主體,各油缸既有自身的運(yùn)動(dòng),又有空間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),即作為傳遞的執(zhí)行部件,又作支撐部件.比如,手臂伸縮油缸,既是伸縮運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行構(gòu)件,又作為手腕回轉(zhuǎn)油缸,手部夾緊油缸的支撐部件.因此,要求手臂,手腕的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,輕巧,工作可靠,并具有足夠的強(qiáng)度和剛度.同時(shí),組成手臂結(jié)構(gòu)的配置應(yīng)使其重量的分配均勻,偏重力矩小,此外,通往各油缸的管路亦應(yīng)力求短,連接方便,外觀清晰. 3.2.機(jī)械手的手臂設(shè)計(jì) 3.2.1 手臂的作用和組成 手臂一般有三個(gè)運(yùn)動(dòng)――伸縮，回轉(zhuǎn)和伸降，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)升降運(yùn)動(dòng)是由橫臂和主立柱去完成，手臂的基本作用是將手爪移到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重申量，以及手臂本身的重量。 手臂由以下幾部分組成： 1. 動(dòng)作元件：如油缸是驅(qū)動(dòng)手臂的部件。 2. 導(dǎo)向裝置：是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。 3. 手臂：起著連接和承受外力的作用。手臂上的零部件如油缸、 導(dǎo)向桿、控制件等都安裝在手臂上。 此外，根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作的要求，如管路，冷卻裝置，行程定位裝置和自動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)等，一般也裝在手臂上，所以手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、承載能力和動(dòng)作精度都直接影響機(jī)械手的工作性能。 3.2.2 對(duì)設(shè)計(jì)手臂的要求。 1. 手臂應(yīng)承載能力大，剛性好，自重輕。 手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時(shí)動(dòng)作的平穩(wěn)性，運(yùn)動(dòng)的速度和定位精度。手臂一般都采用剛性也要有一定的要求，以保證能承受所需要的驅(qū)動(dòng)力。 2. 手臂的運(yùn)動(dòng)速度要恰當(dāng)，慣性要小。 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍來(lái)決定，但不宜盲目是追求高速度。 手臂由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到正常的運(yùn)動(dòng)速度－啟動(dòng)，以及由常速減到停止不動(dòng)－制動(dòng)速度的變化過(guò)程為速度特性曲線(xiàn)。 手臂自重輕，其啟動(dòng)和停止的平穩(wěn)性就好。 3. 手臂動(dòng)作要靈活。 手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運(yùn)動(dòng)靈活、輕快。對(duì)于手臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計(jì)算手臂移動(dòng)零件時(shí)的重量對(duì)回轉(zhuǎn)、升降、支承中心的偏重力矩，偏重力矩過(guò)大，會(huì)引起手臂的振動(dòng)，在升降時(shí)還會(huì)發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，也會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的靈活性，嚴(yán)重時(shí)手臂與立柱會(huì)卡正。 3.2.3 手臂驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 臂部伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要克服摩擦力和慣性力，其驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算： Pq =Fm +Fq 式中: FM ---------摩擦阻力，包括手臂與伸縮導(dǎo)機(jī)間的摩擦阻力，活塞與缸壁及密封裝置處的摩擦阻力； Fq ---------手臂在起動(dòng)過(guò)程中的慣性力； 其大小可按下式計(jì)算: Fq= 其中， G ---------手臂移動(dòng)部件的重量； g ---------重力加速度; △v --------起動(dòng)或制動(dòng)前后的速度; △t --------起動(dòng)或制動(dòng)前后所需的時(shí)間，一般可取△t =0,設(shè)腕部的總重量N= 50kg FM = f N =0.02×100=2kgf Fg = ==539kgf Pq= 1+539 = 540kgf 3.2.4 臂部直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 Pq= FM+Fg +w 式中， FM ----------各支承處的摩擦力 Fg ----------起動(dòng)的慣性力 w ----------參與升降的手臂，手腕和被抓取物件的總 ±-----------上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù) 設(shè)臂部油缸的承受的總重為 100kg Fg ==(100+60)×4.9=784 w = 100+60=160kg 在油缸上升時(shí)， Pq= FM+Fg+w=2+784+160=946kgf 在油缸下降時(shí)，Pq= FM+Fg-w =2+784-160=626kgf 3.2.5 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于起動(dòng)過(guò)程中不是等加速運(yùn)動(dòng)，以最大驅(qū)動(dòng)力矩需比理論上的平均值大一些，計(jì)算時(shí)取 1.3 倍，驅(qū)動(dòng)力矩按下式計(jì)算：Mq= 1.3(Mm +Mg)kgf .m 式中， Mm ----------摩擦力矩（包括各支承處的摩擦力矩） Mg----------手臂起動(dòng)時(shí)的慣性力矩 Mg=J =(J0 +Jc) 其中，J ----------手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)運(yùn)慣量 △w --------手臂的回轉(zhuǎn)角速度等 △t ---------啟動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間 Jc ---------零件對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)運(yùn)慣量 Jo ---------零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)，對(duì)手臂回轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 Jo=ρ2 ρ---------手臂的回轉(zhuǎn)半徑 G ---------手臂運(yùn)動(dòng)件的重量 按設(shè)計(jì)條件，夾取工件為棒料，則按下面公式計(jì)算 Jc=(l2+3R2) 臂部回轉(zhuǎn)速度為50om/s,即w =0.87rad/s 工件質(zhì)量 m=60kg ,鐵的（質(zhì)量）密度為7.8×103kg/m 3 V=m/ρ=60/7.8×103 =7.7×10-3kg/m3 v =sh =πd2ｌ 當(dāng)Φ=120mm時(shí)，7.7×10-3 =π（0.12）2ｌ Jc=×(0.8252+3×0.122)=9.65 J o=160×1.4 2= 193.6 Mg=(193.6+9.65)×=353.7kgfm . Mq =1.3×(353.7+25.6)=493 kgfm 3.2.6升降柱不自鎖的條件 因手臂在總重量 G 的作用下有一順時(shí)針?lè)较騼A斜的趨勢(shì),而導(dǎo)套卻阻止這種趨勢(shì),套對(duì)升降立柱的作用R 和R ,如上圖所示,根據(jù)升降立柱的力平衡條件,得: ∑Fx =0,R1=R2 ∑MA=(Fx)=0,Rlh = Gρ 所謂不自鎖的條件是升降立柱能在導(dǎo)套內(nèi)自由下滑,點(diǎn)分析必須使: G>F1+F2=2F1=2klf=2ρ/h Gf 即 h>2fρ 一般鋼材對(duì)鑄鐵的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1,但考慮到還有其他摩擦副作 用,f 的值應(yīng)為0.16. 即 h>2 fρ 則:h >2×0.16×1.4=0.448m 取h=0.8m 2ρ/h Gf=2××160×160=89.6kgf ∴ w> 160kgf 故 w>2ρ/h Gf （條件成立，升降立柱不會(huì)卡死） 3.3 機(jī)械手的機(jī)身設(shè)計(jì) 3.3.1 機(jī)身的作用 機(jī)身是直接支撐和傳動(dòng)臂部的部件.臂部的升降.回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)機(jī)構(gòu),都安裝在機(jī)身上,或直接構(gòu)成機(jī)身的軀干,與底座相連. 3.3.2 機(jī)身設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng) 1.應(yīng)使機(jī)身具有足夠的剛度和穩(wěn)定性; 2.應(yīng)使機(jī)身運(yùn)動(dòng)的位置精度高,動(dòng)作靈活; 第四章 機(jī)械手液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇與計(jì)算 4.1 手臂伸縮油缸的選擇及計(jì)算 手臂伸縮油缸同手指夾緊油缸一樣,選用雙作用單活塞油缸,實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)運(yùn)動(dòng),但活塞桿與中間架體連接,物體作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)(在燕尾槽形導(dǎo)軌內(nèi)實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)運(yùn)動(dòng)),.其行程大小靠擋塊和組合行程開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)整,手臂伸縮的導(dǎo)向裝置,導(dǎo)向性能好,手臂剛度大,工作時(shí)運(yùn)動(dòng)靈活. 4.1.1 手臂伸縮油缸的計(jì)算 油缸的驅(qū)動(dòng)力是指油缸的高壓油腔的壓力油所產(chǎn)生的形成液壓力,在機(jī)械手工作時(shí),各油缸的驅(qū)動(dòng)力要分別克服各自油缸活塞上的機(jī)械載荷,以保證機(jī)械手正常運(yùn)動(dòng). 1. 確定油缸尺寸 油缸內(nèi)徑的計(jì)算油缸工作時(shí),進(jìn)油腔壓力油液作用于活塞上的合成液壓力即驅(qū)動(dòng)力應(yīng)與活塞桿上縮手的總機(jī)械載荷,即油缸的直徑可由下式計(jì)算: D==5.9 cm 查表，取D=75mm ,d=27mm 2. 油缸的臂厚的計(jì)算 油缸的內(nèi)徑 D確定后,由于強(qiáng)度條件計(jì)算所需的最小油缸臂厚δ,再根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)來(lái)確定適當(dāng)?shù)臄?shù)值. 依據(jù)材料力學(xué)的薄壁筒公式, 油缸的厚度可用如下公式計(jì)算: δ= 式中: p ----------計(jì)算壓力，其值比油缸的最大工作壓力大20 —30%， 即p=（1.2— 1.3）p.(kg/cm ) D ----------油缸內(nèi)徑（mm） [α] ---------油缸材料的許用應(yīng)力（kg/cm） 選取無(wú)縫鋼管: [α]=1000-1100kg /cm2 則：σ=δ===0.052cm 選取δ= 10 mm以滿(mǎn)足油缸的強(qiáng)度要求。 活塞桿的長(zhǎng)度計(jì)算 活塞桿的尺寸要滿(mǎn)足活塞運(yùn)動(dòng)的需要和強(qiáng)度的要求,對(duì)于桿長(zhǎng)大于直徑的 15 倍的活塞桿還必須具備足夠的穩(wěn)定性,即具有保持其軸線(xiàn)不會(huì)因作用所受軸向壓力而受彎的能力. 1 按強(qiáng)度條件決定活塞桿直徑d,取d=40mm 活塞桿工作時(shí),主要承受拉力或壓力,因此,計(jì)算可按 d ≥ [σ]=1100 kg/cm G= = =21.72 kg/cm 故活塞桿滿(mǎn)足強(qiáng)度要求. 注: 活塞桿一般采用碳鋼, [σ]=1100-1200 kg/cm2 2 .故活塞桿穩(wěn)定性問(wèn)題 當(dāng)活塞l>150應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算 l=600mm 當(dāng)細(xì)長(zhǎng)桿l/R≥m時(shí),其中l(wèi)------活塞桿長(zhǎng)度 查機(jī)械工程手冊(cè)下冊(cè)表11-131,得l=600mm k---塞桿橫截面的最小回轉(zhuǎn)半徑k= = m---柔性系數(shù),查表11-128,得m=80 n---末端條件系數(shù), 查表11-127,得n=1 l/n=600/1>80 故活塞桿滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求. 4.1.2 油缸端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算 油缸體與端蓋的聯(lián)結(jié)方式和油缸的工作壓力,選用材料以及工作條件有關(guān),當(dāng)油缸體的材料選用無(wú)縫鋼管時(shí),連接方式為多采用半環(huán)連接. 優(yōu)點(diǎn)是加工和裝卸都很方便,缺點(diǎn)是剛體必須開(kāi)環(huán)槽,削弱了剛體,為了油缸體和缸蓋連接的可靠性,對(duì)于壓力較高的油缸應(yīng)該校核連接螺釘,半環(huán)和螺紋強(qiáng)度計(jì)算. 當(dāng)剛體與缸蓋連接時(shí),螺釘除應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度之外,還需要保證連接的正確性,故螺紋的間距要適當(dāng)?shù)臄?shù)值可參考下表來(lái)決定,同時(shí)缸蓋所受的合成液壓作用力下.連接一定要有足夠的剩余索緊力,以防形成間隙而漏油. 在連接中,螺釘在危險(xiǎn)面所承受的拉力Q0 是工作載荷Q 與剩余鎖之和,即 t1<150mm, t1取120mm Q=p/z =∕z 取D0=140mm Z==3.67 取z=4 選取Q= ==125.6kg 剩余鎖緊力Q：=kQ（k=1.5—1.8），取k=1.6 Qs =1.6×125.6=201kg Q0= Qs+Q=201+125.6=326.6kg `螺釘?shù)膹?qiáng)度條件：Q合=≤[σ]1 其中，Q1……計(jì)算載荷，Q1=1.4Q0 [σ] ……許用拉應(yīng)力，[σ]1 = σs……螺釘材料的流動(dòng)極限（kg/cm2 ） 選取45＃鋼，σs =3600kg/㎝2 n……安全系數(shù)，一般n=1.2-2.5 [σ]1 = =3600/2=1800 kg/cm2 d1 ≥==0.55cm 故可取d1=6mm 第五章 上下料機(jī)械手液壓系統(tǒng)各項(xiàng)工作原理 機(jī)械手的液壓傳動(dòng)是以有壓力油液作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，是將電動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能。壓力油經(jīng)過(guò)管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置導(dǎo)進(jìn)入油缸， 推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而手臂作伸縮、升降等運(yùn)動(dòng)，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 其液壓傳動(dòng)系統(tǒng)可概括如下： 5.1 液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要部分組成：油泵、液動(dòng)機(jī)、控制調(diào)節(jié)裝置（如單向閥、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、 順序閥等），輔助裝置。 5.2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手的特點(diǎn) 機(jī)械手采用液壓傳動(dòng)比采用氣壓傳動(dòng)有如下特點(diǎn)： （1）能得到較大的輸出力或力矩 （2）液壓傳動(dòng)滯后現(xiàn)象下，反應(yīng)較靈活，傳動(dòng)平穩(wěn)。 （3）輸出力和運(yùn)動(dòng)速度控制較容易。 （4）可達(dá)到較高的定位精度 但液壓傳動(dòng)也有其缺點(diǎn)： ①系統(tǒng)的泄漏難以避免，影響工作效率和系統(tǒng)的工作性能 ②油液的粘度，對(duì)溫度的變化很敏感，當(dāng)溫度升高時(shí)，油的粘度即顯著降低，油液粘度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量。 5.3 自動(dòng)上料機(jī)械手的緩沖和定位 （1）手臂伸縮運(yùn)動(dòng) 手臂伸出速度為250mm/s，由行程開(kāi)關(guān)適時(shí)斷電而切斷油路， 手臂滑行靠慣性緩沖，由死擋塊定位；縮回速度為200mm/s，沒(méi)有定位精度要求，由死擋塊定位；縮回速度為200mm/s，沒(méi)有定位精度要求，由終點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)適時(shí)斷電，由活塞和油缸端蓋相碰而定位。 （2）手臂升降運(yùn)動(dòng) 上升速度為100mm/s，緩沖定位是靠可調(diào)碰鐵觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)。發(fā)出信號(hào)，使電液換向閥變?yōu)椤癘”型機(jī)能，切斷油路來(lái)實(shí)現(xiàn)下降運(yùn)動(dòng)是非工作狀態(tài)，速度為150mm/s,靠QI 控制速度，采用缸端可調(diào)節(jié)流緩沖，活塞與油缸端蓋相碰而定位。 （3）手臂水平回轉(zhuǎn) 手臂參與回轉(zhuǎn)部分的長(zhǎng)度（被抓取的棒料中心至回轉(zhuǎn)中為180mm,參與回轉(zhuǎn)部分的重量為 700 公斤。回轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)為 63°，使棒料中心處的線(xiàn)速度達(dá) 1300mm/s 以上，手臂回轉(zhuǎn)時(shí)具有很大功能，給緩沖定位帶來(lái)困難。現(xiàn)在手臂回轉(zhuǎn)角速度降為 50°。并在回轉(zhuǎn)油缸的兩腔安裝單向調(diào)速閥，控制手臂的回轉(zhuǎn)速，在回轉(zhuǎn)油路安裝行程節(jié)流閥， 進(jìn)行減速緩沖，緩沖效果較好。并靠定位油缸插銷(xiāo)定位，其定位精度能滿(mǎn)足要求。 5.4油缸泄露問(wèn)題與密封裝置 機(jī)械手由于油缸泄露嚴(yán)重，壓力不能提高，工作性能不能定，以致影響機(jī)械手的正常使用。因此，為了保證機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作性能，在各油缸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面和固定連接的表面進(jìn)行密封，以防壓力油液從高壓油腔泄露到低壓油或泄露到缸體外面。 目前，機(jī)械手液壓系統(tǒng)使用的密封件大多采用耐油橡膠制成的各種形式密封圈，作為動(dòng)密封和靜密封，以保證配合面的密封性。密封圈在配合面間的密封作用，主要是借安裝時(shí)的預(yù)壓和工作時(shí)由于油液壓力的作用，使密封圈產(chǎn)生變形并壓緊密封表面來(lái)表達(dá)的。 （一） 活塞式油缸的泄露與密封 對(duì)于實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞油缸來(lái)說(shuō)，其泄露主要是活塞與缸壁處的內(nèi)泄露及往復(fù)活塞桿與缸蓋處的外泄露。引起泄露的原因是加工精度和滑動(dòng)面光潔度不高，以及密封裝置的不良所致。 對(duì)于活塞油缸的靜密封，主要采用 O形密封圈。它既可以用外徑或內(nèi)徑密封，也可以用端面密封。 O 形密封圈裝在溝槽中，因受油壓作用而變形，并張緊溝槽和間隙，從而起到密封的作用，因此它的密封性能隨壓力的增加而提高。但是，當(dāng)壓力過(guò)高或溝槽尺寸選擇不當(dāng)時(shí)，密封圈很容易被擠出溝槽而造成劇烈磨損。為克服這個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)油缸油液壓力大于100公斤/平方厘米時(shí)，要在O形密封圈側(cè)面放置擋圈，在壓力低于100斤/平方厘米時(shí)，一般不加擋圈。 在手臂伸縮油缸和手臂升降油缸中都用了 Y 形密封圈，Y 形密封圈在工作時(shí)，壓力油液把Y 形圈的唇邊緊緊壓在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩配合面上并隨著油液壓力的增高而提高密封能力，并能補(bǔ)償磨損的影響，所以裝配時(shí)唇邊要面對(duì)壓力油腔。 在一般情況下，Y 形圈可直接裝入溝槽內(nèi)即可引起密封作用，但在壓力變動(dòng)較大，滑動(dòng)速度較高的地方，要使用支承環(huán)以固定密封圈。 （二）回轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封 手臂回轉(zhuǎn)油缸中，由于動(dòng)作與缸體，動(dòng)片與輸出軸，動(dòng)片端面和缸蓋之間的間隙不易保證，易引起較大的泄漏，使油液的壓力降低，減小了輸出扭矩，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，影響機(jī)械手的正常的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 為減少泄漏，除嚴(yán)格控制相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的配合間隙外，主要的還是采用密封裝置進(jìn)行密封。 致 謝 本文是在我尊敬的導(dǎo)師張錚副教授耐心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)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)煴硎菊\(chéng)摯的感謝，并致以崇高的敬意!在課題的研究和開(kāi)發(fā)階段，得到了本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。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，得到了黃火保，屈亮等同學(xué)大力支持和幫助，在此我向他們感謝！ 參考文獻(xiàn) [1]范欽珊，劉燕，王琪.理論力學(xué).北京：清華大學(xué)出版社，2004.11 [2]劉鴻文.材料力學(xué).北京：高等教育出版社,2004.1 [3]鄧星鐘，周祖德，鄧堅(jiān).基電傳動(dòng)與設(shè)計(jì). 華中理工大學(xué)出版社，2000 [4]《工業(yè)機(jī)械手圖冊(cè)》編寫(xiě)組。工業(yè)機(jī)械手圖冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1978 [5]丁樹(shù)模，周驥平.液壓傳動(dòng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003 [6]彭文生，楊家軍，王均榮.機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械原理.武漢：華中科技大學(xué)出版社 ， 2002 [7]《機(jī)械設(shè)手冊(cè)》聯(lián)合編寫(xiě)組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1980 [8]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999 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