小型物料運(yùn)送手臂設(shè)計(jì)【搬運(yùn)機(jī)械手】【氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)】【自由度可變】【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS+仿真】
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12屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
小型物料運(yùn)送手臂設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化
班 級(jí)
指導(dǎo)教師
日 期 2012-5-20
塔里木大學(xué)教務(wù)處制
前 言
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(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。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手臂可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，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)械手臂的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手臂。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)械手臂”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手臂。由于通用機(jī)械手臂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。
本設(shè)計(jì)的核心是運(yùn)用氣壓傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的；用PLC進(jìn)行控制的小型物料運(yùn)送手臂。
由于設(shè)計(jì)時(shí)間倉(cāng)促，水平有限，設(shè)計(jì)中難免存在缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，希望大家批評(píng)指正。
設(shè)計(jì)者
Akeypointdimensionaldesignmethodofa6-DOFparallel manipulatorforagivenworkspace RuiCao 1 ,FengGao ,1 ,YongZhang 1 ,DaleiPan 1 StateKeyLabofMechanicalSystemandVibration,SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai,PRChina article info abstract Articlehistory: Received3April2014 Receivedinrevisedform7November2014 Accepted8November2014 Availableonline25November2014 This paper presents a new method of dimensional design for a 6-PSS parallel mechanism according toagivenworkspace.Asymmetricaldescriptionhasbeen foundtodescribe the6-D workspace concisely for the dimensional design. Many key point characteristics have been found and veri ed by the kinematic analysis and the method of Lagrange multipliers. Furthermore,thedirectrelationsbetweenthegivenworkspaceandthemanipulatorsgeometrical parametershavebeenderived.Theproposeddesignmethodwhichisbasedonthesekeypoint characteristicshasveryhighef ciencyand accuracy.Additionally,theavoiding ofthecomplex analysisofthemanipulatorsworkspaceandthedimensionlessderivationmake thepossibility ofwideuseofthismethod. 2014ElsevierLtd.Allrightsreserved. Keywords: Parallelmanipulator Dimensionaldesign Workspace 6-PSS Keypoint 1.Introduction Theinterestforparallelmanipulatorsarisesfromthefactthattheyhavebetterload-carryingcapacity,betterstiffness,andbetter precision than serial manipulators 14. Thus the research on designing parallel manipulators has become a hot topic in the international roboticresearcharea 59. Thedesign ofparallelmanipulators is a challengingproblemin the machinery product designprocess.Thetypesynthesisisfordesigningthecon gurationformanipulators1012.Andthenthegeometricalparameters ofmanipulatorsshouldbedeterminedbythedimensionaldesign.Becausethetypesofparallelmechanismsarealmostunlimited,the dimensionaldesignmustbebasedonacertaintypeofmechanisms.Theparameterdesignmethodspresentedinreference13,14are basedon6-DOFGough-typemanipulatorsand3-DOFparallelmanipulators,respectively. Generally, one of the most important design objectives is to let the manipulator work in a given workspace. Therefore, the dimensionaldesignofparallelmanipulatorsforagivenworkspaceisanimportantproblem,whichhasnotgainedtoomuchinterest. Sofar,therearemainlytwowaystodesignthegeometricalparametersofparallelmanipulatorsaccordingtoagivenworkspace.The rstoneusesmanypointstodescribethegivenworkspaceandthencheckwhetherthemanipulatorwithcertainparameters tsthe design requirements at each point 1517. The other one establishes a function between the parameters and the workspace boundaries of the manipulator, then make sure that the given workspace is within the manipulators workspace boundaries 1822.Basedonseveralkeypointsthatwehavefoundinthisstudy,thispaperattemptstoexploreanewwayofdimensionaldesign foranew6-DOFparallelmanipulatoraccordingtoagivenworkspace.Thisdesignmethodisfastanditsresultisaccurate. Inour previouswork,anewtype of6-DOFparallelmechanismwithanorthogonal 3-3-PSScon gurationhasbeenproposed. Compared with the traditional 6-SPS parallel manipulators, this 3-3-PSS parallel manipulator allows higher isotropy of the manipulatorsperformance,largerrotationrangeofthemovingplatformandlessbodyinertia. MechanismandMachineTheory85(2015)113 Correspondingauthor. E-mailaddresses:(R.Cao),(F.Gao),(Y.Zhang),(D.Pan). 1 P.O.BoxME290,MechanicalBuilding,ShanghaiJiaoTongUniversity,No.800DongchuanRoad,Shanghai200240,PRChina. http:/dx.doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2014.11.004 0094-114X/2014ElsevierLtd.Allrightsreserved. ContentslistsavailableatScienceDirect MechanismandMachineTheory journalhomepage:Tobeginthedesign,therequiredworkspaceshouldbeclearlydescribed.Becausethe6-dimensionalworkspacecannotberepresent- edgraphicallyinahuman-readablewayandtherearenogeneralwaytoanalyticallydeterminetheboundariesofthe6-Dworkspacefor 6-DOFparallelmanipulators,mostliteratures2327dividethe6-Dworkspaceintopositionworkspaceandorientationworkspace.The position workspace refers to a space that the manipulators moving platformcan reach with a certain orientation. And it can be easily depicted.Theorientationworkspaceisthecollectionofalltheorientationsthatthemovingplatformcanachieveatacertainpoint.How- ever,duetothecomplexityoftherotatingangles,theorientationworkspaceisdif culttobedeterminedandrepresented.Considering the symmetry of ourparallel manipulator, a concise way of describingthe 6-D workspace is found for the dimensional design. Thepaperisorganizedasfollows.Section2introducesthemodelingofthedesignproblemandthekinematicsanalysis.Section3 shows how the key point characteristics are found. The design method and its application are discussed in Section 4.Finally, concludingremarksarepresentedinSection5. 2.Modelingofthedesignproblemandkinematicanalysis Thearchitectureofthenew3-3-PSSparallelmanipulatorisshowninFig.1,whichiscomposedofamovingplatform,a xedbase, andsixsupportinglimbswithidenticalgeometricalstructure.Thelimbsarenumberedfrom1to6.Eachlimbconnectsthe xedbase tothemovingplatformbyaprismaticjoint,asphericaljointB i andasphericaljointA i inseries.Alinearactuatoractuatestheprismatic jointofeachlimbalonga xedrail.BetweenthejointB i andjoint A i isa rigidlinkoflength L i (i=1,6). Thethreelinearactuatorsofthelimbs1,2,and3arearrangedwiththeiraxeslocatedinahorizontalplaneP B ,andtheanglesbe- tweeneachoftheiraxesare120whiletheseaxesdonotintersectatonepoint.Thedistancesbetweentheseaxesandthesymmetry axisofthemanipulatorarethesame,andhereweusetheparameteratorepresentthisdistance.Theotherthreelinearactuatorsof thelimbs4,5,and6arearrangedwiththeiraxesvertically.Thecentersofthejoints A 1 A 6 ofthemovingplatformaredistributed symmetricallyonacircleofradius a.Thecenterofthismanipulatorisattheintersectionoftheplane P B andthesymmetryaxisof themanipulator,onwhichattacheda xedCartesianreferencecoordinateframeOx,y,z.The xedframes y-axis and z-axis are in theplane P B ,andits x-axiscoincideswiththesymmetryaxisofthemanipulator.AmovingframeO x,y,zisattachedonthe movingplatformatpointOwhichisthecenterofthecirclethatpointsA 1 A 6 locatedon.Consideringthefactthatthemanipulator isaxisymmetric,letpoint OcoincideswithpointOwhenthemovingplatformisattheinitialposition.Thustheworkspaceofthe manipulatorisalsoaxisymmetricwithrespecttothe xedframeO. Beforedesigningthegeometricalparametersofthemanipulator,therequiredworkspaceshouldbeclearlydescribed.Ascanbe seenfromthepreviousdiscussion,conciselydescribingthe required6-Dworkspaceisachallengingproblem.Inthisresearch,for the orientationdescriptionofthe moving platform, onlythe pointing vector(showed inFig.2) rather thanthe rotation aboutits symmetryaxisisconcerned.Infactthishasthesamesituationformanymachinetools.Basedonthis,weuseaspecialsetofEuler anglestorepresenttheorientationofthemovingplatform.Themovingplatform rstrotatesaboutthe xedx-axisbyanangle-, thenaboutthe xedz-axisbyanangle,and nallyaboutthe xedx-axisbytheangle(Fig.2).Andwecansimplywritetherotation matrixforthiscaseas: R Rot x; Rot z; Rot x; c cs ss cs s 2 c 2 csscc ss csccs c 2 s 2 c 2 4 3 5 ; 1 Fig.1.Thecon gurationoftheproposed 3-3-PSSparallelmanipulator. 2 R.Caoetal./MechanismandMachineTheory85(2015)113wherecstandsforcosine,sstandsforsine,and0,respectively.Fortheconvenienceofdescription,Eq.(1)canbe abbreviatedas R r 11 r 12 r 13 r 21 r 22 r 23 r 31 r 32 r 33 2 4 3 5 : 2 Andit can be observed that r 32 r 23 sin 2 1cos 2 : 3 ThisspecialsetofEuleranglesgivesanintuitiverepresentationofthemovingplatformsorientation.Thepointingvectorisdecid- edbyand.Duetothesymmetryofthemanipulator,itiseasyto ndoutthattherangeofisunlimitedwhileisnot.Thus,allthe possiblepointingvectorsthatthemovingplatformcanachieveatacertainpointconstituteacone.Andtheapertureoftheconeisonly relatedtothemaximumrangeofwhichisrepresentedby m .Wecall m asthepointingdexterityindexofthemovingplatform. To take advantage of the symmetry of the manipulator, we restrict the required workspace as a symmetric space. Hence, we describethegivenworkspaceasacylinderwithradiusofR c ,andheightof2H c .Additionally,themanipulatorshouldhavethepointing dexterityof m atanypointwithinthiscylinder.Thishuman-readableworkspacedescription tsforthemanipulatorssymmetryand makesthedesignobjectiveclearly.Knowingthatthisworkspacedescriptionisactually5-DOF,torepresenta6-DOFworkspace,an additionaldexterityindexoftherotationaboutthemovingplatformssymmetryaxisisneeded.Inthissituation,themovingplatform should rstperformanadditionalrotationaboutthe xedx-axisbyanangle,andtherotationmatrixcanbewrittenasRot(x,) Rot(z,)Rot(x,-)Rot(x,).However,5-DOFisenoughforourcurrentstudyandmostmulti-DOFmachinetools. Aftertheanalysisoftherequiredworkspace,whatparametersofthemanipulatorneedtobedeterminedshouldbeclari ed.The followingpartwill ndthisoutbyanalyzingthekinematicsofthemanipulator.Asthesixlimbsofthemanipulatorhaveidentical geometricalstructure, wecanchoose onetypicallimbfortheanalysisanditsvectorsaredescribed inFig. 3. Thelinearactuators axisisrepresentedby e i whichisaunitvector.Thedirectionoftherigidlinkisrepresentedby l i whose magnitude is L i .Thevector between O and the center of the joint A i is represented by a i with respect to the moving frame O , and a i with respect to the xedframe O.Itcanbefoundfromthepreviouspartthatthemagnitudeof a i /a i is a.Whenthemanipulatorattheinitialposition thatmentionedabove,e i (i= 1,2,3)isperpendiculartoa i ,itshouldbenoted.AndtheinitialpositionofB i inthissituationisrepresent- edbypointC i whosepositionvectoris c i .WiththespecialsetofEulerangles,thetransformationfromthemovingframetothe xed framecanbedescribedbythepositionvectorofthemovingplatformp=P x P y P z T ,andtherotationmatrixR.Thusthegeneralized coordinatesofthemovingplatformcanbedescribedas(P x ,P y ,P z ,0). Letq i representthestrokeofthelinearactuator.ThenwecansimplygetthefollowingrelationfromFig. 3: l i pRa 0 i q i e i c i : 4 In some cases, the joints B i and A i whose stiffness are the lowest of the manipulator need a strong structure to increase their stiffness. However, the strong structure always limits the rotation ranges of these joints. Therefore, the swing amplitude of the Fig.2.ThepointingdexterityandthespecialsetofEulerangles. 3 R.Caoetal./MechanismandMachineTheory85(2015)113rigidlinkshouldbestudied.Wede netheanglebetween l i and e i asthejointangle Bi ofjointB i .AsjointA i is xedonthemoving platform,thede nitionshouldwithrespecttothemovingframeOx,y,z.Thusthejointangle Ai ofjointA i isde nedastheangle between l i and Re i . Bi and Ai are depicted in Fig. 3. The following equations about Bi and Ai can be achieved by their de ni- tion: l i e i L i cos Bi 5 l i Re i L i cos Ai : 6 Accordingtothesede nitions,therotationoftherigidlinkaboutitsownaxisl i isnotinvolved.So Bi and Ai representtheswing amplitudeoftherigidlinkwithrespecttotheconnectingjoint.Themaximumvaluesof Bi and Ai areveryimportantforthedesignof thesphericaljointsandmeaningfulforavoidingtheinterferencebetweentherigidlinks. Thesixlimbscanbedividedintotwogroupsaccordingtothecon gurationofthemanipulator.Thelimbs1,2,and3arecontained ingroup1,andthelimbs4,5,and6ingroup2.Thesetwogroupshavedifferentkinematiccharacteristics,thusneedtobestudied separately. For the sake of symmetry, the rigid links in one group should have the same length. In group 1 for i=1,2and3,a xed Cartesian reference coordinate frame O ai x, y, z is attached at the point O. For simplicity andwithoutlosing the generality, we let its y-axis point in the negative direction of the vector e i and let its x-axis coincide with the x-axis of the frame Ox, y, z. Withrespecttotheframe O ai ,itcanbeknownfromthearchitectureofthemanipulatorthat e i 0 10 T , a 0 i 00a T and c i 0 L i a T . Assume that l i l x l y l z T . Substituting all the known variables into Eq. (4) yields the following equations: l x ar 13 p x 7 l y ar 23 p y L i q i 8 l z ar 33 ap z : 9 Furthermore,thefollowingrelationcanbeachievedwiththefactthatL i isthemagnitudeofvector l i : l y L 2 i l 2 x l 2 z q : 10 AccordingtoEq. (10),l y hastwopossiblesolutions.WhenacoordinateofthemovingplatformmakesL i 2 l x 2 l z 2 b0,l y hasno solution, whichmeansthat thiscoordinateisoutofthemanipulatorsreachableworkspace.The situationL i 2 l x 2 l z 2 =0means that the moving platform reaches the boundary of the reachable workspace. This situation is singular and should be avoided in Fig.3.Onetypicallimbofthemanipulator. 4 R.Caoetal./MechanismandMachineTheory85(2015)113
塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
小型物料運(yùn)送手臂設(shè)計(jì)
目 錄
1緒 論 2
1.1 機(jī)械手臂概念 2
1.2本課題研究的目的及意義 2
1.3 國(guó)內(nèi)外機(jī)械臂的發(fā)展和研究 3
1.4 本課題的任務(wù)要求及其可行性 4
1.4.1本課題將要完成的主要任務(wù)如下: 4
1.4.2 可行性分析 4
2 機(jī)械手臂的整體設(shè)計(jì)方案 4
2.1 機(jī)械手臂的組成 4
2.2 機(jī)械手臂的自由度 5
2.3 機(jī)械手臂的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5
2.4 機(jī)械手臂的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5
2.5 機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 5
2.6 機(jī)械手臂的控制方案設(shè)計(jì) 5
2.7 機(jī)械手臂的主要技術(shù)參數(shù) 6
2.8 機(jī)械手臂的系統(tǒng)工作原理 7
3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
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) 9
4 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
4.1 手腕的自由度 12
4.2 手腕的回轉(zhuǎn)氣缸設(shè)計(jì)與校核 12
4.3 臂部伸縮氣缸的設(shè)計(jì)與校核 13
4.3.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 13
4.3.2 尺寸校核 13
5 立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
5.1 臂部升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 14
5.1.1 尺寸設(shè)計(jì) 14
5.1.2 尺寸校核 14
5.2 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 15
5.2.1 尺寸設(shè)計(jì) 15
5.2.2 尺寸校核 15
6 機(jī)械手臂的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16
6.1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程 16
6.1.1 可編程序控制器的選擇 16
6.1.2 可編程序控制器的工作過(guò)程 16
6.2 可編程序控制器的使用步驟 17
6.3 機(jī)械手臂可編程序控制器控制方案 17
6.3.1 控制要求 17
6.3.2 機(jī)械手臂的工作流程 18
6.3.3 機(jī)械手臂的PLC梯形圖 19
7 結(jié)論 19
致 謝 21
參考文獻(xiàn) 22
1緒 論
1.1 機(jī)械手臂概念
它是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)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，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。（如圖1-1）
圖1-1 機(jī)械手臂
1.2本課題研究的目的及意義
機(jī)械手臂對(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。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手臂可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，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。
此外，氣壓傳動(dòng)機(jī)械手臂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)械手臂。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)來(lái)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)械手臂的結(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。另外氣動(dòng)技術(shù)有以下特點(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)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過(guò)程中，阻力損失較小，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染
。
(3)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。
(4)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。
(5)工作環(huán)境適應(yīng)性好?？稍谠谝兹肌⒁妆?、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中工作
。氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。
(6)成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手臂，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng)機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過(guò)去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手臂、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮
。
1.3 國(guó)內(nèi)外機(jī)械臂的發(fā)展和研究
它是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國(guó)于1947年開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手
機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1954年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人?，F(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手鉚接機(jī)器人。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是1962年美國(guó)AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機(jī)器人主要由類似人的手和臂組成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。
研究方向及趨勢(shì)
1 重復(fù)高精度
精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)次數(shù)多，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)械手定位不夠精確，通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤差是可以預(yù)測(cè)的，因此可以通過(guò)編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍，它通過(guò)一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手來(lái)測(cè)定。目前，最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為16. 5m/s。位置重復(fù)精度為1 0. 01mm。但有一種大直角坐標(biāo)搬。機(jī)器人，其最大合成速度竟達(dá)80m/s；而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的NC 機(jī)器人，其位置重復(fù)精度達(dá)1P m
。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的重復(fù)精度將越來(lái)越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
2 模塊化
有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手動(dòng)作自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
3 節(jié)能化
為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無(wú)污染要求不加潤(rùn)滑脂的不供油潤(rùn)滑元件已經(jīng)問(wèn)世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤(rùn)滑材料制造的無(wú)潤(rùn)滑元件，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)。
4 機(jī)電一體化
由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開(kāi)關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制” ；節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡(jiǎn)單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來(lái)越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來(lái)越可能。
國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。視覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺(jué)功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過(guò)安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺(jué)作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過(guò)裝在手指內(nèi)的敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。
隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。目前，機(jī)械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)，如采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等領(lǐng)域，同時(shí)也已開(kāi)始擴(kuò)大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中。
1.4 本課題的任務(wù)要求及其可行性
1.4.1本課題將要完成的主要任務(wù)如下:
(1)機(jī)械手臂為通用機(jī)械手臂，因此相對(duì)于專用機(jī)械手臂來(lái)說(shuō)，它的適用面相對(duì)較廣。
(2)選取機(jī)械手臂自由度。
(3)設(shè)計(jì)出機(jī)械手臂的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
(4)機(jī)械手臂的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1.4.2 可行性分析
由于生產(chǎn)中應(yīng)用此機(jī)械手臂可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，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。所以實(shí)用性很強(qiáng)。并且隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這勢(shì)必成為今后生產(chǎn)的一種趨勢(shì)。所以具有可行性。
2 機(jī)械手臂的整體設(shè)計(jì)方案
對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手臂的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手臂的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂是通用氣動(dòng)小型物料運(yùn)送械手臂，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。
包括手部、臂部和立柱等部件。
2.1 機(jī)械手臂的組成
機(jī)械手臂由手部、臂部和立柱等部件組成。
1、手部
即與物件接觸的部件。手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手腕是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位。
2、手臂
手臂是支承被抓物件、手部的重要部件。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。
3、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。
2.2 機(jī)械手臂的自由度
機(jī)械手臂有三個(gè)自由度（如圖2-1所示）
圖2-1 機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)示意圖
2.3 機(jī)械手臂的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手臂的通用性，同時(shí)由于被抓取物料的位置不確定，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
2.4 機(jī)械手臂的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
按照抓取物料的要求，本機(jī)械手臂的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮，回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，手臂的伸縮由和立柱垂直的臂實(shí)現(xiàn)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.5 機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)
由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手臂采用氣壓傳動(dòng)方式。
2.6 機(jī)械手臂的控制方案設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手臂的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手臂的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
2.7 機(jī)械手臂的主要技術(shù)參數(shù)
一.機(jī)械手臂的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為5公斤。
二.基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手臂主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手臂速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。（如圖2-2所示）而影響機(jī)械手臂動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手臂最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動(dòng)速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)械手臂動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手臂設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手臂手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手臂的定位精度為
三．設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
1、抓重 5kg
2、自由度數(shù) 4個(gè)自由度
3、最大工作半徑 1200mm
5、手臂最大中心高 1200mm
6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)
伸縮行程400 mm
伸縮速度200 mm/s
升降行程400 mm
升降速度250 mm/s
回轉(zhuǎn)范圍0°-180°
回轉(zhuǎn)速度90°/s
7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 0°-180°90°/s
回轉(zhuǎn)速度90°/s
8、手指夾持范圍 棒料:
9、定位方式 行程開(kāi)關(guān)
10、定位精度
11、驅(qū)動(dòng)方式 氣壓傳動(dòng)
12、控制方式 點(diǎn)位程序控制(采用PLC)
圖2-2機(jī)械手臂的工作范圍
2.8 機(jī)械手臂的系統(tǒng)工作原理
機(jī)械手臂的系統(tǒng)工作原理框圖如圖2-3所示。
圖2-3機(jī)械手臂的系統(tǒng)工作原理框圖
機(jī)械手臂的工作原理：機(jī)械手臂主要由執(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。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。位置檢測(cè)裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.
(一)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。
(二)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手臂按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。該機(jī)械手臂采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手臂按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手臂的指令信息(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)械手臂的動(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)。
(三)位置檢測(cè)裝置
控制機(jī)械手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.
3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成（如圖3-1）
圖3-1手部
3.1手指的形狀和分類
夾持式是最常見(jiàn)的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。回轉(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。
3.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題
(一)具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時(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。
(二)手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角
兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(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)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。
(三)保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。
(四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手臂在運(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，當(dāng)應(yīng)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)力矩最小為佳。
(五)考慮被抓取對(duì)象的要求
根據(jù)機(jī)械手臂的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手臂的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)， 兩指回轉(zhuǎn)型，指形狀設(shè)計(jì)成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖3-1所示。
3.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)
1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
本課題氣動(dòng)機(jī)械手臂的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：
圖3-2齒輪齒條式手部
其工件重量G=5公斤，
V形手指的角度為，,摩擦系數(shù)為
(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為:
(2)根據(jù)手指夾持工件，可得握力:
所以
(3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:
1、因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取a=3g時(shí)，則:
所以
所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為1914N。
2、氣缸的直徑
根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為
:
式中: - 活塞桿上的推力，N
- 彈簧反作用力，N
- 氣缸工作時(shí)的總阻力，N
- 氣缸工作壓力，Pa
彈簧反作用按下式計(jì)算:
式中:- 彈簧剛度，N/m
- 彈簧預(yù)壓縮量，m
- 活塞行程，m
- 彈簧鋼絲直徑，m
- 彈簧平均直徑，.
- 彈簧有效圈數(shù).
- 彈簧材料剪切模量，一般取
在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
所以:
查有關(guān)手冊(cè)圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式
有:
其中，[]，
則:
滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。
3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10
，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:
式中:氣缸壁：65×0.1=6.5 mm
取6 mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa
材料為:ZL3,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
4 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 手腕的自由度
手腕（如圖4-1）是連接手部和臂部的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手臂適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴(yán)格的密封。
圖4-1手腕部分
4.2 手腕的回轉(zhuǎn)氣缸設(shè)計(jì)與校核
回轉(zhuǎn)氣壓缸主要用于機(jī)床夾具和線材卷曲登裝置上
。本機(jī)械手相當(dāng)于機(jī)床夾具。
1.尺寸設(shè)計(jì)
氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為l=200mm,氣缸動(dòng)片寬度b=100mm氣缸內(nèi)徑為=96mm,半徑R=48mm，軸徑=26mm,半徑r=13mm,氣缸效率取0.8，回轉(zhuǎn)工作壓力,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間0.1s
則力矩：
2.尺寸校核
（1）測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
（）
設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。
4.3 臂部伸縮氣缸的設(shè)計(jì)與校核
4.3.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)
手臂伸縮氣缸采用煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63。
4.3.2 尺寸校核
1. 在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣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：
2．測(cè)定汽缸作用的部件質(zhì)量為30kg,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),
總受力
所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸（如圖4-2）的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。
圖4-2 標(biāo)準(zhǔn)氣缸
5 立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 臂部升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核
5.1.1 尺寸設(shè)計(jì)
氣缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為=118mm,氣缸內(nèi)徑為=210mm,半徑R=105mm,氣缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間=0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力：
=3799N
5.1.2 尺寸校核
1．測(cè)定手腕質(zhì)量為60kg,則重力：
2．設(shè)計(jì)加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)，
總受力
=300+600+60=960N
所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。
5.2 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核
5.2.1 尺寸設(shè)計(jì)
氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間0.5s,壓強(qiáng),
則力矩：
5.2.2 尺寸校核
1．測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
（）
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù),
總驅(qū)動(dòng)力矩：
設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。
6 機(jī)械手臂的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手臂的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手臂的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
6.1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程
6.1.1 可編程序控制器的選擇
目前，國(guó)際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國(guó)西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等?？紤]到本機(jī)械手臂的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡(jiǎn)單，同時(shí)考慮到制造成本，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器（如圖6-1）。
圖6-1 OMRON公司的C28P型可編程序控制器
6.1.2 可編程序控制器的工作過(guò)程
可編程序控制器是通過(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過(guò)程可分為四個(gè)階段。
第一階段是初始化處理。
可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連，CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)的詢問(wèn)是針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個(gè)專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存器。開(kāi)機(jī)時(shí)，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。
第二階段是處理輸入信號(hào)階段。
在處理輸入信號(hào)階段，CPU對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)變化的影響，因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。
第三階段是程序處理階段。
當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個(gè)階段。在這個(gè)階段中，可編程序控制器對(duì)用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。
第四階段是輸出處理階段。
CPU對(duì)用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。
6.2 可編程序控制器的使用步驟
在可編程序控制器與被控對(duì)象(機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程)構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，通常以七個(gè)步驟進(jìn)行:
(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
即確定被控對(duì)象的工作原理，控制要求，動(dòng)作及動(dòng)作順序。
(2)I/0分配
即確定哪些信號(hào)是送到可編程序控制器的，并分配給相應(yīng)的輸入端號(hào);哪些信號(hào)是由可編程序控制器送到被控對(duì)象的，并分配相應(yīng)的輸出端號(hào).此外，對(duì)用到的可編程序控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等也要進(jìn)行分配。可編程序控制器是通過(guò)編號(hào)來(lái)識(shí)別信號(hào)的。
(3)畫(huà)梯形圖
它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達(dá)了系統(tǒng)中全部動(dòng)作的相互關(guān)系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT)，則畫(huà)出梯形圖相當(dāng)于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對(duì)簡(jiǎn)易編程器，則往往要經(jīng)過(guò)下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過(guò)程。
(4)助記符機(jī)器程序
相當(dāng)于微機(jī)的助記符程序，是面向機(jī)器的(即不同廠家的可編程序控制器，助記符指令形式不同)，用簡(jiǎn)易編程器時(shí)，應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序，才能將其輸入到可編程序控制器中。
(5)編制程序
即檢查程序中每條語(yǔ)法錯(cuò)誤，若有則修改。這項(xiàng)工作在編程器上進(jìn)行。
(6)調(diào)試程序
即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，可以在編程器上修改。程序設(shè)計(jì)(包括畫(huà)梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試)也可在別的工具上進(jìn)行。如IBM-PC機(jī)，只要這個(gè)機(jī)器配有相應(yīng)的軟件。
(7)保存程序
調(diào)試通過(guò)的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盤上備用。
6.3 機(jī)械手臂可編程序控制器控制方案
6.3.1 控制要求
1.控制要求
為了滿足生產(chǎn)需要，機(jī)械手臂應(yīng)設(shè)置手動(dòng)工作方式、單動(dòng)工作方式和自動(dòng)工作方式。
（1）手動(dòng)工作方式
便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和檢修，設(shè)置手動(dòng)工作方式。用按鈕對(duì)機(jī)械手臂每一動(dòng)作單獨(dú)進(jìn)行控制。
（2）單動(dòng)工作方式
從原點(diǎn)開(kāi)始，按照自動(dòng)工作循環(huán)的步序，每按下一次起動(dòng)按鈕，機(jī)械手臂完成一步的工作后，自動(dòng)停止。
（3）自動(dòng)工作方式
按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手臂從原點(diǎn)開(kāi)始，按工序自動(dòng)反復(fù)連續(xù)工作，直到按下停止按鈕，機(jī)械手臂在完成最后一個(gè)周期的動(dòng)作后，返回原點(diǎn)自動(dòng)停機(jī)。
6.3.2 機(jī)械手臂的工作流程
氣動(dòng)機(jī)械手臂的工作流程如下（如圖6-2所示）：
(1) 當(dāng)按下機(jī)械手臂啟動(dòng)按鈕之后，立柱上升，上升至位置開(kāi)關(guān)處。
(2) 立柱左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)至位置開(kāi)關(guān)處。
(3) 手腕逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)至逆時(shí)針位置開(kāi)關(guān)處。
(4) 手指打開(kāi)，打開(kāi)至位置開(kāi)關(guān)處。
(5) 手臂伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)至位置開(kāi)關(guān)處。
(6) 手指閉合，閉合至位置開(kāi)關(guān)處。
(7) 手臂收縮，收縮至位置開(kāi)關(guān)處。
(8) 立柱右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)至位置開(kāi)關(guān)處。
(9) 手臂伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)至位置開(kāi)關(guān)處。
(10) 手指打開(kāi)，打開(kāi)至位置開(kāi)關(guān)處。
(11) 手臂收縮，收縮至位置開(kāi)關(guān)處。
(12) 手腕順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)至位置開(kāi)關(guān)處
(13) 手指閉合，閉合至位置開(kāi)關(guān)處。
(14) 立柱下降，下降至位置開(kāi)關(guān)處。完成循環(huán)。
圖6-2 機(jī)械手臂自動(dòng)控制工作流程圖
6.3.3 機(jī)械手臂的PLC梯形圖
機(jī)械手臂的PLC梯形圖如下：（如圖6-2）
圖6-2a 機(jī)械手臂
圖7-2b中：I0.0為立柱上升信號(hào)，I0.1為手臂左轉(zhuǎn)信號(hào)，I0.2為手腕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)信號(hào)，I0.3為手指打開(kāi)信號(hào)，I0.4為手臂伸長(zhǎng)信號(hào)，I0.5為手指閉合信號(hào)，I0.6為手臂收縮信號(hào)，I0.7為手臂右轉(zhuǎn)信號(hào)，I0.8、I0.9、I1.0\I1.2為互鎖開(kāi)關(guān)信號(hào)，I1.1為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)信號(hào)，I1.3為立柱下降信號(hào)，M0.0為立柱上升氣壓閥，M0.1為手臂左轉(zhuǎn)氣壓閥，M0.2為手腕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)氣壓閥，M0.3為手指打開(kāi)氣壓閥，M0.4為手臂伸長(zhǎng)氣壓閥，M0.5為手指閉合氣壓閥，M0.6為手臂收縮氣壓閥，M0.7為手臂右轉(zhuǎn)氣壓閥，M0.8為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)氣壓閥，M0.9為立柱下降氣壓閥。
7 結(jié)論
(1)本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)機(jī)械手臂，自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。
(2)采用氣壓傳動(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。
(3)機(jī)械手臂采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是進(jìn)行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制，都可通過(guò)設(shè)定PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)機(jī)械手臂的動(dòng)作順序修改程序，使機(jī)械手臂的通用性更強(qiáng)。
圖6-2b 機(jī)械手臂的PLC梯形圖
致 謝
在本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文即將完成之際，我想對(duì)所有曾經(jīng)給過(guò)我?guī)椭椭С值娜藗儽硎局孕牡母兄x。首先要感謝的是養(yǎng)育我的父母，他們給了我無(wú)私的愛(ài)，我深知他們?yōu)槲仪髮W(xué)和生活所付出的巨大的犧牲和努力，至今我一直無(wú)以為報(bào)，在這里僅表達(dá)我對(duì)他們的深深地思念和感恩。
感謝我的指導(dǎo)老師黃新成，同時(shí)感謝張宏老師對(duì)我的幫助，他們?cè)趯W(xué)習(xí)和工作方面給了我大量的指導(dǎo)，讓我學(xué)到了很多知識(shí)，掌握了此次設(shè)計(jì)中的知識(shí)，也獲得了實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)，對(duì)我的嚴(yán)格要求以及為人的誠(chéng)懇都將使我終身受益。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們?cè)趯W(xué)校的最后一個(gè)任務(wù)，畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們來(lái)說(shuō)的確是一個(gè)不小的考驗(yàn)，起初很慌亂，不知如何下手，由于對(duì)題目不限制，這使我們的設(shè)計(jì)范圍擴(kuò)大了，減少了很少難度，三個(gè)月認(rèn)真查找資料，和同學(xué)配合，終于告一段落，這次設(shè)計(jì)又使我學(xué)到了很多知識(shí)，溫故了以前的知識(shí)。同時(shí)也明白了老師的良苦用心，也知道的自己的知識(shí)是多么的少，還需要學(xué)習(xí)。三個(gè)月的努力我學(xué)到了很多知識(shí)，更多的了解了機(jī)械，知道自己的以后人生方向在哪，以后的路懂得怎么走了，找到了自己的人生價(jià)值觀。
借此機(jī)會(huì)向各位老師說(shuō)聲謝謝，謝謝你們的培養(yǎng)，祝你們身體健康，事業(yè)順利！
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