中成藥瓶蓋旋緊機(jī)械手設(shè)計(jì)

中成藥瓶蓋旋緊機(jī)械手設(shè)計(jì),中成藥瓶蓋旋緊機(jī)械手設(shè)計(jì),中成藥,瓶蓋,機(jī)械手,設(shè)計(jì) 編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)說明書 題 目： 中成藥瓶蓋旋緊機(jī)械手設(shè)計(jì) 院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師單位： 姓 名： 職 稱： 教授 題 目 類 型 ： 理 論 研 究 實(shí) 驗(yàn) 研 究 工 程 設(shè) 計(jì) 工 程 技 術(shù) 研 究 軟 件 開 發(fā) 2008 年 6 月 5 日 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 1 頁 共 2 頁 摘 要 隨著現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異，尤其是微機(jī)單片機(jī)等技術(shù)的 出現(xiàn)以及他們的優(yōu)越的性能不斷完善，還有現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的滲透發(fā)展，為了能在 21 世 紀(jì)激烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，對(duì)各行各業(yè)提出了更高的要求，尤其是科技含量還有 就是效率，效率決定競(jìng)爭(zhēng)的勝敗，因此很多傳統(tǒng)的手工作業(yè)，特別是機(jī)械行業(yè)必須要 求用現(xiàn)代化、自動(dòng)化的機(jī)械代替人的工作，這樣可以節(jié)省人力，提高效率，提高競(jìng)爭(zhēng) 力。因此就出現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人，可以代替人做不同的工作。后來為了使機(jī)器人更加專 用化，減少成本，簡(jiǎn)單化，又要求一種特別的機(jī)器人，專用機(jī)械手就是其中一個(gè)。在 這里我將設(shè)計(jì)一個(gè)藥瓶蓋旋緊機(jī)械手，他是一個(gè)集機(jī)械、電氣、測(cè)試、微機(jī)于一體的 典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由機(jī)械部分作為他的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電氣和液壓作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)， 各種傳感器和電位器作為測(cè)試元件，單片機(jī)作為控制機(jī)構(gòu)的一個(gè)專用機(jī)械手。本設(shè)計(jì) 本著簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、高效的原則，僅是為瓶蓋旋緊而特地設(shè)計(jì)的專用機(jī)械手，他 只有三個(gè)自由度，包括手臂的升降、手臂的旋轉(zhuǎn)還有手腕的旋轉(zhuǎn)的三個(gè)自由度。他是 由液壓控制手臂的升降、回轉(zhuǎn)和手指的夾緊放松，用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋緊動(dòng)作，用壓力 傳感器測(cè)定是否夾緊，防止夾壞或者夾不穩(wěn)。這種設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)單又能實(shí)現(xiàn)所要的功能， 是一個(gè)圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。本論文將對(duì)這個(gè)專用機(jī)械手進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)、分析、比較 然后確定最優(yōu)方案，還要進(jìn)行強(qiáng)度硬度等有關(guān)的校核、以及尺寸的確定，最后畫出總 裝配圖。 關(guān)鍵詞：專用機(jī)械手；旋緊；單片機(jī)控制；混合驅(qū)動(dòng)；計(jì)算校核 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 2 頁 共 2 頁 Abstract As the mechanical industry unceasingly develops, science and technology change with each passing day, especially the appearance of microcontroller and microcomputer makes it develop faster with their excellent function that is perfecter, meanwhile, which is with infiltration of development of modern measuring and testing technique. For standing up for ever in cutthroat competition in the 21st century, pushing all walks of life needs higher requirement, especially including Scientific and technological content and efficiency, because efficiency decides who will be winner, much traditional work of hand esecially for Machinery Industry must require to use the machines of modernization and automation to do work commonly done by persons, so it can save manpower, improve efficiency and improve the competitive power. So industrial robot appears with the very reasons, who can replace people to do different jobs. Then for the purpose of speciality in robot , reducing cost and simplification, it requires a kind of special robot, to which special manipulator belongs. Here I will design a manipulator using for tightening cover of medicine bottle, it is typically a kind of product about mechanotronics, which includes mechnism、electric、testing and microcomputer. The parts of machine is actuator, electric and hydraulic pressure is driver, all kinds of sensors and potentiometer are used for testing components, microcontroller controls manipulator as control mechnasm. The special manipulator used for tightening the cover of medicine bottle has three DOF. Hydraulic pressure controls the movement and rotation of the arm and clamping and disentwining of hand of manipulator with wrist owning three DOF. Using step motor realize the action of tightening ,using force sensors measures whether it is clamped, which prevented parts to be broken or instable. This design is not only simple ,but also it can realize some function we need, it is a rectangular coordinates manipulator. This paper decides to most excellent solution through designing , anlyzing and comparing manipulators solution , meanwhile, by checking intensity, rigidity and so on and ensuring responding dimension, at last I draw general assembly drawing. Key words： special manipulator; tightening; microcontroller control; couple driving; checking calculation 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 1 頁 共 2 頁 目 錄 引言 .1 1 緒論 .3 1.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)的目的 .3 1.2 機(jī)械手設(shè)計(jì)的內(nèi)容 .3 1.3 機(jī)械手設(shè)計(jì)的要求 .3 2 機(jī)械手的方案選擇 .4 2.1 機(jī)械手的組成 .4 2.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu).4 2.1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).5 2.1.3 控制系統(tǒng).5 2.1.4 基體.6 2.2 方案的比較選擇 .6 2.2.1 手部的選定.6 2.2.2 腕部的選定.7 2.2.3 臂部的選定.8 2.2.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選定.9 3 計(jì)算校核 .12 3.1 計(jì)算機(jī)械手手部的夾緊驅(qū)動(dòng)力 .12 3.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 .14 3.3 臂部與機(jī)身的計(jì)算 .15 3.3.1 手部作升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算.15 3.3.2 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的計(jì)算.17 4 驅(qū)動(dòng)的選擇 .19 4.1 液壓控制部分 .19 4.1.1 液壓控制簡(jiǎn)介.19 4.1.2 液壓系統(tǒng)傳動(dòng)方案的確定.19 4.2 步進(jìn)電機(jī)控制部分 .25 4.2.1 步進(jìn)電機(jī)的介紹.25 4.2.2 選擇步進(jìn)電機(jī).28 4.2.3 選擇步進(jìn)電機(jī)的聯(lián)軸器.29 4.2.4 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式選擇.30 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 2 頁 共 2 頁 5 檢測(cè)和控制.32 6 設(shè)計(jì)總結(jié).34 謝 辭 .35 參考文獻(xiàn) .36 附錄 1.37 附錄 2.38 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 1 頁 共 40 頁 引言 首先我介紹一下機(jī)器人產(chǎn)生的背景，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個(gè)科學(xué)技 術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門 科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本 國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。比如說日本，戰(zhàn)后以后開始進(jìn)行汽車的工業(yè)，那么這時(shí)候由于它人 力的缺乏，它迫切需要一種機(jī)器人來進(jìn)行大批量的制造，提高生產(chǎn)效率降低人的勞動(dòng) 強(qiáng)度，這是從社會(huì)發(fā)展需求本身的一個(gè)需求。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必 然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們逐漸的這種社會(huì)發(fā) 展的情況，人們?cè)絹碓讲粩嗵接懽匀贿^程中，在改造自然過程中，認(rèn)識(shí)自然過程中,來 需求能夠解放人的一種奴隸。那么這種奴隸就是代替人們?nèi)ツ軌驈氖聫?fù)雜和繁重的體 力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過程中的一個(gè) 客觀需要。但另一方面，盡管人們有各種各樣的好的想法，但是它也歸功于電子技術(shù)， 計(jì)算機(jī)技術(shù)以及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了提供了強(qiáng)大的技術(shù)保證。 那么下面我談一下就人們很關(guān)心的問題，為什么要發(fā)展機(jī)器人?那么簡(jiǎn)單說，機(jī)器 人有三個(gè)方面是我們必要去發(fā)展的理由:一個(gè)是機(jī)器人干人不愿意干的事，把人從有毒 的、有害的、高溫的或危險(xiǎn)的，這樣的環(huán)境中解放出來，同時(shí)機(jī)器人可以干不好干的 活，比方說在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗,一天焊幾千個(gè)點(diǎn)， 就重復(fù)性的勞動(dòng)，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人干人干 不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)理由，比方說人們對(duì)太空的認(rèn)識(shí)，人 上不去的時(shí)候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及 在微觀環(huán)境下，對(duì)原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。上述方面的 三個(gè)問題，也就是說機(jī)器人發(fā)展的三個(gè)理由。 那么什么是機(jī)器人呢? 這個(gè)問題是一個(gè)非常有意思的一個(gè)問題。但人們一般的理解， 機(jī)器人是具有一些類似人的功能的機(jī)械電子裝置或者叫自動(dòng)化裝置，它仍然是個(gè)機(jī)器。 它有三個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是有類人的功能，比如說作業(yè)功能；感知功能；行走功能；還能 完成各種動(dòng)作，它還有一個(gè)特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動(dòng)的工作，這里一個(gè)顯著的特點(diǎn)， 就是它可以編程，改變它的工作、動(dòng)作、工作的對(duì)象和工作的一些要求。它是人造的 機(jī)器或機(jī)械電子裝置，所以這個(gè)機(jī)器人仍然是個(gè)機(jī)器。但是目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的有 關(guān)機(jī)器人定義，一般來說我們認(rèn)為機(jī)器人是計(jì)算機(jī)控制的可以編程的目前能夠完成某 種工作或可以移動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)械，這是美國(guó)工程師協(xié)會(huì)定的一個(gè)定義，但日本和其他 國(guó)家也對(duì)機(jī)器人有不同的看法，他們認(rèn)為從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)器人定義來看，應(yīng)該 更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人智能，所以人們又提出來機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、 情感和對(duì)外界一種邏輯判斷思維的這種機(jī)器。那么這給機(jī)器人提出來更高層次的要求， 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 2 頁 共 40 頁 那么比方說機(jī)器人在這里邊可以代替人進(jìn)行焊接，焊接的環(huán)境是非常復(fù)雜的，可以搬 運(yùn)，它在生產(chǎn)線中搬運(yùn)玻璃和各種各樣的一些零件的搬運(yùn)的工作，還可以在生產(chǎn)線中 碼垛等等，這都是把人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來的一個(gè)例子。 那么什么是機(jī)械手呢？機(jī)械手就是一種簡(jiǎn)單的機(jī)器人，實(shí)際上就是專用的機(jī)械手， 是一種可以模仿人的手和手臂的某些運(yùn)動(dòng)機(jī)能，能夠安裝給定的程序、軌跡和其他的 要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)或者完成某些勞動(dòng)作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化的裝置。 那么總結(jié)一下，我們認(rèn)為，機(jī)器人有三個(gè)發(fā)展階段，那么也就是說，我們習(xí)慣于 把機(jī)器人分成三類，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過一 個(gè)計(jì)算機(jī)，來控制一個(gè)多自由度的一個(gè)機(jī)械，通過示教存儲(chǔ)程序和信息，工作時(shí)把信 息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時(shí)示教的結(jié)果，再 現(xiàn)出這種動(dòng)作，比方說汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過程示教完以后，它 總是重復(fù)這樣一種工作，它對(duì)于外界的環(huán)境沒有感知，這個(gè)操作力的大小，這個(gè)工件 存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在 它這種缺陷，因此，在 20 世紀(jì) 70 年代后期，人們開始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺 的機(jī)器人，這種帶感覺的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑 覺、視覺、聽覺和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機(jī)器人抓一個(gè)物體 的時(shí)候，它實(shí)際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識(shí)別它的形 狀、大小、顏色。抓一個(gè)雞蛋，它能通過一個(gè)觸覺，知道它的力的大小和滑動(dòng)的情況。 那么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個(gè)理想的所追求的最高級(jí)的階段，叫 智能機(jī)器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動(dòng)，感知 思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個(gè)目前的發(fā)展還是相對(duì)的只是在局部有這 種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒有存在，而只是 隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。 下面我簡(jiǎn)單介紹一下我國(guó)機(jī)器人發(fā)展的基本概況。剛才談到了日本在 20 世紀(jì) 60 年代和美國(guó)都在開始進(jìn)行機(jī)器人的研究，由于我們國(guó)家存在很多其他的各種因素、問 題。我們國(guó)家在機(jī)器人的研究，在 20 世紀(jì) 70 年代后期，當(dāng)時(shí)我們?cè)趪?guó)家北京舉辦一 個(gè)日本的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品展覽會(huì)，在這個(gè)會(huì)上有兩個(gè)產(chǎn)品，一個(gè)是數(shù)控機(jī)床，一個(gè)是 工業(yè)機(jī)器人，這個(gè)時(shí)候，我們國(guó)家的許多學(xué)者，看到了這樣一個(gè)方向，開始進(jìn)行了機(jī) 器人的研究，但是這時(shí)候研究，基本上還局限于理論的探討階段，那么真正進(jìn)行機(jī)器 人研究的時(shí)候，是在七五、八五、九五、十五將近這二十年的發(fā)展，發(fā)展最迅速的時(shí) 候，是在 1986 年我們國(guó)家成立了 863 計(jì)劃是高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，就將機(jī)器人技術(shù)作為 一個(gè)重要的發(fā)展的主題，國(guó)家投入將近幾個(gè)億的資金開始進(jìn)行了機(jī)器人研究，使得我 們國(guó)家在機(jī)器人這一領(lǐng)域得到很快地、迅速地發(fā)展。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 3 頁 共 40 頁 1 緒論 1.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)的目的 專用機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械制造、機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械電子工程等專業(yè)的一個(gè)重要的教學(xué) 環(huán)節(jié)，是機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的一個(gè)綜合設(shè)計(jì)課題。通過設(shè)計(jì)提高學(xué)生 的機(jī)構(gòu)分析與綜合的能力、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力、機(jī)電夜一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，掌握 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法。通過設(shè)計(jì)要求把有關(guān)的課程比如：機(jī)構(gòu)分析與綜合、 機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓與氣壓系統(tǒng)、測(cè)試技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、微機(jī)和單片機(jī)原理及 應(yīng)用等從中獲得理論知識(shí)在實(shí)際中綜合起來加以運(yùn)用，使這些知識(shí)的到鞏固和發(fā)展， 并使理論與實(shí)際密切的結(jié)合起來。同時(shí)機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)及制造專業(yè)的學(xué)生的一 次比較完整的機(jī)電一體化整機(jī)的設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的機(jī)械整機(jī)設(shè)計(jì)能力， 樹立正確的設(shè)計(jì)思想掌握機(jī)電一體化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，為日后工作打 好基礎(chǔ)。通過設(shè)計(jì)使學(xué)生能熟練的應(yīng)用有關(guān)參考資料、計(jì)算圖表、手冊(cè)、圖冊(cè)和規(guī)范； 熟練有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn)，以完成一個(gè)工程技術(shù)人員在機(jī)械整機(jī)設(shè)計(jì)方面所必須 具備的基礎(chǔ)技能訓(xùn)練。 1.2 機(jī)械手設(shè)計(jì)的內(nèi)容 在調(diào)研、廣泛收集資料后擬定多種方案，經(jīng)過充分的分析論證后選擇最佳方案，完 成機(jī)械手總裝配圖設(shè)計(jì)。 完成部分零件圖紙、完成四萬字符的英文翻譯、兩萬字的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。要求論文 概念清晰，層次分明。 完成該機(jī)械手的單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件配置圖及相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)。 該機(jī)械手能自動(dòng)完成規(guī)定的功能，也能按要求手動(dòng)、分步完成規(guī)定的動(dòng)作。 1.3 機(jī)械手設(shè)計(jì)的要求 要求機(jī)械手動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確可靠。 要求能檢測(cè)藥瓶是否準(zhǔn)確到位，若檢測(cè)藥瓶沒有準(zhǔn)確到位，及時(shí)發(fā)出反饋的信號(hào)， 調(diào)整藥瓶的位置。 要求控制擰緊力矩，以防過緊擰壞瓶蓋或過松。 要求機(jī)械手有良好的適應(yīng)性。性能優(yōu)良，體積盡可能小，制造費(fèi)用低。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 4 頁 共 40 頁 2 機(jī)械手的方案選擇 2.1 機(jī)械手的組成 機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部分關(guān)系如 2-1 圖所示： 控 制 系 統(tǒng) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 位 置 反 饋 裝 置 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 工 件 控 制 系 統(tǒng) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 位 置 反 饋 裝 置 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 工 件 圖 2-1 機(jī)械手組成框圖 2.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由抓取部分包括手部、臂部、還有行走部件組成。 手部 即是直接跟工件接觸的部分，一般是回旋型或平移型（多為回旋型的，因其結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單） 。手爪多為兩指（也有多指的） ；根據(jù)需要分為外抓式或內(nèi)抓式兩種；也可負(fù)壓 式或真空式的空氣吸盤和電磁吸盤。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)型式較多，常見的有：滑槽杠桿式、連 桿杠桿式、斜契杠桿式、絲杠螺母式等。 腕部 腕部是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓 取物體的方位。他可以上下 擺動(dòng)、左右擺動(dòng)、和繞自身軸線的回旋三個(gè)運(yùn)動(dòng)。如有特殊的要求手腕還可以有一個(gè) 小距離的橫移。也有的機(jī)械手沒有腕部的自由度。 臂部 手臂有無關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無關(guān)節(jié)臂。多關(guān)節(jié)臂 還處在研究階段。 手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 5 頁 共 40 頁 手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確地定位。 總括機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，離不開直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是 直線油缸、擺動(dòng)油缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服油馬達(dá)、交流伺服馬達(dá)、直流伺服馬達(dá)和 步進(jìn)馬達(dá)等。 手臂有三個(gè)自由度，可以采用直角坐標(biāo)，圓柱坐標(biāo)，球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)四種方式。 直角坐標(biāo)占空間大，工作范圍小，慣性大，所以一般不多用，只有在自由度較少 的時(shí)候用之。 圓柱坐標(biāo)占用空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取地面的物體。 球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)占用空間小，工作范圍大，慣性小，所需動(dòng)力小。能抓取底面的 物體，多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，所以不多用。 在本設(shè)計(jì)中選用了圓柱坐標(biāo)式。 行走機(jī)構(gòu) 有的機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)。 2.1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)、機(jī)械的四種形式。氣動(dòng)式速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。采 用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時(shí)，有較高的重復(fù)定位精度，但是臂力一般在 300N 以下。 液動(dòng)式力氣大，臂力可以達(dá) 1000N 以上，且可以用電液伺服機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制， 使機(jī)械手的用途和通用性更廣，定位精度在 1mm 范圍內(nèi)。目前常用的式氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū) 動(dòng)的方式。電動(dòng)式用于小型的，機(jī)械式一般用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。 2.1.3 控制系統(tǒng) 機(jī)械手控制的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度 等。 機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占 90% 以上。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存 貯，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 程序的存貯方式分為分離存貯和集中存貯兩種。分離存貯是將各種控制因素的信 息分別存貯于兩種以上的存貯裝置中，如順序信息存貯于插銷.飯、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶 內(nèi)，位置信息存貯于時(shí)間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等。 集中存貯是將各種控制因素的信息全部存貯于一種存貯裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等。 這種方式適用于順序、位置、時(shí)間、速度等必須同時(shí)控制的場(chǎng)合，即連續(xù)控制的情況 下使用。 對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手(機(jī)械人)，采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手（機(jī)械 人）則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 6 頁 共 40 頁 控制系統(tǒng)以插銷板用得最多，其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪，每一凸輪分配 給一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)一周便完成一個(gè)工作循環(huán)。 插銷板適用于裕要迅速改變程序的場(chǎng)合。換一種程序只需抽換一種插銷板就可， 而同一插件又可以反復(fù)使用。 穿孔帶容納的程序長(zhǎng)度可不受限制，但如果發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)就要全部更換。穿孔卡的 信息容量有限，但便于更換、保存、可重復(fù)使用。 磁芯和磁鼓僅適用子存貯容量較大的場(chǎng)合。范于選擇那一種控制元件，則根據(jù)動(dòng) 作的復(fù)雜程度和精確程度來確定。 2.1.4 基體 基體是整個(gè)機(jī)械手的基礎(chǔ)。 2.2 方案的比較選擇 2.2.1 手部的選定 歸結(jié)起來，常用的手部，按其握持工件的原理。大致可以分為夾持和吸附兩大類。 夾持類主要用于所夾持的物體表面不是很光滑，特別是有螺紋的物體，而吸附式主要 用于表面特別光滑的物體利用真空吸附或者用能被磁鐵吸附的物體。本設(shè)計(jì)要求的是 瓶蓋的旋緊，通過比較可以選定用夾持式的手部。而夾持類主要是夾鉗式、鉤托式和 彈簧式。按其的運(yùn)動(dòng)方式又可以分為手指回旋型和手指平移型兩種。根據(jù)要求可以知 道選擇的是回旋型手指。夾鉗式的手部是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成的， 他對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸類、盤類、套類零件。一般 情況下，多采用兩個(gè)手指，少數(shù)采用三個(gè)指或者多個(gè)指。驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)驅(qū)動(dòng)源可以分 為液壓的、氣壓 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 7 頁 共 40 頁 圖 2-2 為連桿杠桿式手部 圖 2-3 為滑槽杠桿式手部 的和電動(dòng)的等幾類形式。常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)往往通過滑槽、斜槽、齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)夾緊或松開的。根據(jù)需要，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要求是能夾緊瓶蓋并且能夠旋緊瓶蓋。而 根據(jù)他們的特點(diǎn)液壓和氣壓的很難能轉(zhuǎn)過 360 度角，而本設(shè)計(jì)要求旋緊一般都要求大 于 360 度，雖然齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)能夠轉(zhuǎn)過 360 度，但是這兩種結(jié)構(gòu)對(duì)于這種只要 求簡(jiǎn)單動(dòng)作的機(jī)械手來說，又太復(fù)雜了，又大材小用的感覺，而恰好用電動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn) 任意的角度的旋轉(zhuǎn)，所以選擇電動(dòng)作為手部的手腕旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)源，而又由于液壓的準(zhǔn)確 性和穩(wěn)定性所以又選定又選定用液壓驅(qū)動(dòng)來作為手部的夾緊和放松驅(qū)動(dòng)源。 典型的回轉(zhuǎn)型手部有滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩類如上圖所示： 因?yàn)槲疫x擇的驅(qū)動(dòng)方式式用液壓來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的放松和夾緊，又為了不占用太大 的空間，而兩個(gè)比較，連桿杠桿式結(jié)構(gòu)式個(gè)常開的手部，而且是驅(qū)動(dòng)力是向下的時(shí)候 是夾緊，而滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)力向上的時(shí)候是夾緊，在結(jié)構(gòu)上后者會(huì)占用更 大的空間所以選擇了前者作為機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)。 2.2.2 腕部的選定 手腕部件具有獨(dú)立的自由度。如圖 2-4 所示： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 8 頁 共 40 頁 圖 2-4 為 腕部的自由度 手部的運(yùn)動(dòng)有：繞 X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；繞 Y 軸運(yùn)動(dòng)為上下擺動(dòng)；繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱 為左右擺動(dòng)；有的甚至是沿 Y 軸或 Z 軸的橫向的移動(dòng)。一般手部設(shè)有回轉(zhuǎn)的或加上一 個(gè)擺動(dòng)的即可以滿足工作要求，一些動(dòng)作較簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不 設(shè)腕部，而直接由臂部的運(yùn)動(dòng)來驅(qū)使手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最廣泛的手腕運(yùn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)是回轉(zhuǎn)液壓缸，或者氣壓缸，他的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但是回轉(zhuǎn)角度較小，一般小于 270 度，并且要求嚴(yán)格的密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在本設(shè)計(jì)中我選定用 電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)任意的角度。 因?yàn)闉榱撕?jiǎn)化結(jié)構(gòu)（在保證能完成所要的動(dòng)作的基礎(chǔ)上） ，所以選定手腕只要一個(gè) 自由度就可以了，就是只要他能夠繞 Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)就可以了。 2.2.3 臂部的選定 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓或氣壓）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂 部的受力情況分析，它再工作中既直接承受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自 身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定 位精度等直接影響機(jī)械手的工作性能。 臂部設(shè)計(jì)的基本要求： 臂部應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活 位置精度要高 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式又：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向（或縱向）移動(dòng)， 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 9 頁 共 40 頁 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)（俯仰） ；復(fù)合運(yùn)動(dòng)，如直線云和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組 合，兩直線云的組合。 首先，因?yàn)槲乙O(shè)計(jì)的是一個(gè)專用的機(jī)械手，完成以個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，沒有必要手 臂的伸縮，也可以完成動(dòng)作，所以只要手臂能夠回轉(zhuǎn)和升降就可以了，手臂所要實(shí)現(xiàn) 的動(dòng)作是手臂回轉(zhuǎn)到瓶蓋所在位置（這個(gè)位置可以調(diào)整，一經(jīng)調(diào)整就是一個(gè)固定的位 置，起到自動(dòng)定位的作用）然后夾緊缸動(dòng)作把瓶蓋夾緊，手臂升起到一定的位置停止， 回轉(zhuǎn)到瓶子所在的位置（這個(gè)位置也是一個(gè)固定的位置，瓶子自動(dòng)停止在固定的位置， 然后自動(dòng)夾緊等待上蓋）下降，旋緊，放松，上升，又回轉(zhuǎn)到原來的位置，進(jìn)行下一 個(gè)循環(huán)。由所要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作可以確定手臂的形式是只要升降機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)就可以了。 手臂的回轉(zhuǎn)和升降，通常由機(jī)身來實(shí)現(xiàn)，有三種典型的結(jié)構(gòu)： 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之下的機(jī)身結(jié)構(gòu) 手臂部件固定在升降臺(tái)上，升降臺(tái)下面與花鍵軸相連接。回轉(zhuǎn)缸布置在升降臺(tái)的 下面。回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與花鍵軸套固定，動(dòng)片在壓力油的作用下回轉(zhuǎn)時(shí)，通過花鍵軸套 回轉(zhuǎn)，花鍵軸由兩個(gè)徑向滾珠軸承和一個(gè)平面推力軸承支撐在活塞桿上，活塞在升降 液壓缸內(nèi)做升降運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)花鍵上移，花鍵既作為導(dǎo)向又傳遞扭矩。這種結(jié)構(gòu)能承受 較大的偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的精度的 影響不可以忽視。 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu) 手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂做 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿一體。活塞桿內(nèi)裝一花鍵套與固定花鍵軸 配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，導(dǎo)向桿在活塞桿內(nèi)部，結(jié)構(gòu) 緊湊。但是回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大，剛性較差。 比較以上兩種，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要求的回轉(zhuǎn)精度要求比較高，而第一種類型不能滿足。 第二種雖然運(yùn)動(dòng)部件較大，剛性較差，但是這種是專用的機(jī)械手，要完成的動(dòng)作所要 求的力矩，也就是動(dòng)力不是很大，所以復(fù)符合要求，選定第二種結(jié)構(gòu)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 10 頁 共 40 頁 圖 2-5 為回轉(zhuǎn)缸在升降缸之上結(jié)構(gòu) 2.2.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選定 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常有多種，常用的有：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等幾 種基本的方式。一臺(tái)機(jī)械手可以統(tǒng)一用一種方式驅(qū)動(dòng)，也可以用幾種方式驅(qū)動(dòng)。各種 驅(qū)動(dòng)方式都有自己的特點(diǎn)和使用范圍，因此，我們要了解他們，并從使用機(jī)械手的技 術(shù)經(jīng)濟(jì)要求出發(fā)，在分析比較他們的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的情況，合適地選擇 所用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。以下是幾種驅(qū)動(dòng)方式的比較： 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 輸出的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩大:液壓因其不可壓縮性，可以傳遞高達(dá)每平方厘米二、三 百公斤的壓力（通常使用的壓力為 5140 公斤/ 平方厘米，而機(jī)械手中多用 670 公 斤/平方厘米） ，所以，它驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，可以達(dá)到若干噸的作業(yè)力量，而通常在機(jī)械 手作業(yè)中的力量，要小得多，目前一般多為 10100 公斤左右。所以，它具有較大 的潛在力可供利用. 體積小:因?yàn)榭梢园褎?dòng)作油缸直接作為關(guān)節(jié)的一部分，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，剛性好 . 控制性能好由于油在低壓工作中不可以壓縮性，能夠方便地進(jìn)行壓力和流量的控制， 實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的無級(jí)調(diào)速和緩沖定位。如可以實(shí)現(xiàn)任意速度的進(jìn)行位移，并在任意 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 11 頁 共 40 頁 位置停止，并以較高精度定位。并且由于它反應(yīng)靈敏，便于構(gòu)成液壓伺服系統(tǒng)，而 實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。 使用性能好，由于油液本身能自我潤(rùn)滑液壓元件，有利于延長(zhǎng)其使用的壽命，并且， 在系統(tǒng)中，一般都裝有安全閥，可以有效的防止過載現(xiàn)象的發(fā)生。維修方便。 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)： 費(fèi)用高：液壓元件本身，制造成本較高，這是由于對(duì)它的加工要求較高所致。另外， 油路一般比較復(fù)雜，而所用油液。又需要定期更換，所以，其總費(fèi)用是比較高的。 作業(yè)環(huán)境條件又限制，因液壓系統(tǒng)中的油液粘度，會(huì)隨溫度而變化，從而影響其工 作性能，特別在高溫及低溫時(shí)，不能應(yīng)用，而且，油液容易燃燒，故應(yīng)注意其工作 環(huán)境的溫度。另外，在油液中混入氣泡、水分等，也會(huì)使系統(tǒng)工作性能變壞。油液 的泄露，也會(huì)影響工作的穩(wěn)定和定位精度，并污染環(huán)境。所以液壓驅(qū)動(dòng)宜用于不怕 油液污染的常溫的環(huán)境中，且要求輸出力大而速度較低的場(chǎng)合。 氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 動(dòng)作迅速： 因?yàn)閴嚎s空氣粘性小、流速大（它在管路中的流速，可以達(dá) 180/秒左 右， 而油液僅為 2.54.5 米/秒左右） ，故動(dòng)作很快。不過，在作業(yè)中，應(yīng)注意在執(zhí)行機(jī) 構(gòu)接近行程終點(diǎn)時(shí)，防止由于動(dòng)作太快而產(chǎn)生沖擊及越程。 氣體的供應(yīng)和排放較方便:：由于空氣取用較方便，不用購買，只需要開動(dòng)空氣壓縮 機(jī)既可獲的壓縮空氣。由于空氣粘性很小，故管路壓力損失也很小，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距 離的輸送。而用后的空氣，可以直接派人大氣，一般情況下不會(huì)造成污染，維修方 便。 總花費(fèi)較低： 由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造也比較容易，故價(jià)格相對(duì)較便宜。使用中的花 費(fèi) 也比液壓驅(qū)動(dòng)要小，故中花費(fèi)也相對(duì)較低。 氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是： 驅(qū)動(dòng)力?。河捎诳蓧嚎s性很大，一般只適用于低壓，所以，其驅(qū)動(dòng)力較小。一般用 壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，常用于 10 公斤以下的物體。 控制性能較差：由于空的可壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，故運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性 差。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積太大，因空氣傳遞的壓力小，所以，驅(qū)動(dòng)汽缸等氣動(dòng)元件的體 積都相對(duì)較大。 排放時(shí)有噪音：使用后的壓縮空氣，大氣排放時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪音，故宜裝置消音器。 氣中含有水汽而對(duì)使用不利：因壓縮空氣中往往含有水汽，易造成氣壓系統(tǒng)的銹； 而在低溫下，則由于冷凝結(jié)冰，有可能使啟動(dòng)困難。所以：氣壓驅(qū)動(dòng)，宜用于驅(qū)動(dòng)力 小于 30 公斤，但是要求速度快的場(chǎng)合，也適用于在易燃易爆、溫度較高和塵土大的場(chǎng) 合。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 12 頁 共 40 頁 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成 角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于微機(jī)或單片 機(jī)控制。 圖 2-6 總裝配簡(jiǎn)圖的主視圖 步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計(jì)誤 差,具有良好的跟隨性。 由于步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)樹控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單廉價(jià)，有非?？煽俊?同 時(shí)它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，容易起停，正反轉(zhuǎn)及變速。 速度可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大的轉(zhuǎn)矩，因此，一 般可不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 步進(jìn)電機(jī)存在震蕩和失真的現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。 步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 13 頁 共 40 頁 步進(jìn)電機(jī)自身的噪音很震動(dòng)大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 本設(shè)計(jì)的要求是速度一般，驅(qū)動(dòng)力不大，但是控制性要好體積不要太大，通過對(duì) 比選定是用液壓驅(qū)動(dòng)手臂的升降和回轉(zhuǎn)和手部的夾緊、放松，而用電機(jī)驅(qū)動(dòng)手部的回 轉(zhuǎn)（因?yàn)橐剞D(zhuǎn)的角度大于 360 度，用步進(jìn)電機(jī)可以很容易的實(shí)現(xiàn)） 。 小結(jié)：最后選定手部用連桿杠桿式；腕部選定為一個(gè)自由度（回轉(zhuǎn)）的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu); 臂部選定為回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選定為用液壓驅(qū)動(dòng)手臂的升降和 回轉(zhuǎn)和手部的夾緊、放松，而用電機(jī)驅(qū)動(dòng)手部的回轉(zhuǎn)。結(jié)果畫出總裝配簡(jiǎn)圖的主視圖 為. 3 計(jì)算校核 3.1 計(jì)算機(jī)械手手部的夾緊驅(qū)動(dòng)力 圖 3-1 為連桿式手部結(jié)構(gòu)，作用在拉桿 3 上的驅(qū)動(dòng)力為 F，兩連桿 2 對(duì)拉桿的反 作用力為 F1 和 F2,其方向沿連桿兩鉸鏈中心的連線，指向 O 點(diǎn)并與水平方向成 角。 由拉桿的力平衡條件得 圖 3-1 為手部受力分析圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 14 頁 共 40 頁 F X = 0 得 F1=F2 F Y =0 得 F1= （3-1）sin2 F1=-F1 M 01(F)=0 得 F1h =FNb （3-2） h=ccos F=tg F N （3-3） （1）如上 3-1 圖所示受力分析 由調(diào)查可知要旋緊瓶蓋要的力大概都在 3 Nm 以下，所以可以計(jì)算最大的夾緊了， 就是瓶蓋最大的時(shí)候了，計(jì)算如下： Ffd=3 而 d=60 mm,f 塑料經(jīng)查資料的 0.6，所以 FN=3/0.60.06=83.3 N F= tg FN= tg60083.3=288.7 N （3-cb26 4） （2）設(shè) K1=1.5 垂直方向的移動(dòng)速度為 60 mm/s,機(jī)械手達(dá)到最高速度的響應(yīng) 時(shí)間是 0.5 s K2=1+ =1+ =13.2 （3-ga8.950/6 5） K3=1.03 根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得： FNmin =1.513.21.030.0310=6.0 N（在這里設(shè)瓶蓋為 30 克） 而 F N=83.3 N FNmin=6.0N 所以符合要求 Fmin = tg6006.0=20.8 N26 而 F=288.7 NF Nmin = Fmin /0.85=23.5 N 所以符合要求，在這里解釋一下為什么這兩個(gè)力相差那么大呢，那是因?yàn)椴粌H僅 要夾住瓶蓋還要提供扭力給瓶蓋來旋緊它 所以 F=288.7 N， F N =83.3 N 才可以滿足要求 （3）校核夾緊缸 由夾緊缸的公式得 F 實(shí) =F= （D 2-d2）p/4 （3- 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 15 頁 共 40 頁 6） 在這里液壓缸直徑為 D=40 mm,d=18 mm.(根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（JB82866）)所以 得到 p=4F/（D 2-d2）=0.274 MPa 3.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 腕部回轉(zhuǎn)時(shí)要克服以下幾種阻力： 、腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩 M 摩 如圖所示 M 摩 = （F R1D1+FR2D2） （3-2f 7） 式中 F R1、F R2軸承處支承反力（N） ，可以由靜力平衡方程求得； D1、D 2軸承直徑（m） f 軸承的摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承取 0.010.02；對(duì)于滑動(dòng)軸 承取 0.1.為了簡(jiǎn)化計(jì)算可以等效為 =0.1 ，圖中 G1、G 2、G 3、分別是工件的摩 M總 阻 力 距 重量（kg）,手部的重量，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量。 、克服由于工件重心偏置所需要的力矩 偏 圖 3-2 為手腕的受力分析圖 =G1e （3-8）M偏 式中 e 工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）. 、克服啟動(dòng)慣性所需要的力矩 M 慣 啟動(dòng)過程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度 及啟動(dòng)所用的時(shí)間 ，可t啟 動(dòng) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 16 頁 共 40 頁 以按以下計(jì)算 =（J+ ）/ （3-9）M慣 J工 件 t啟 動(dòng) 式中 工件對(duì)手腕的回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nms 2）;工 件 J 手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nms 2） ； 啟動(dòng)過程所要的時(shí)間（s）,一般為 0.050.3s； 所以 手腕回轉(zhuǎn)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩為上述三項(xiàng)之和 = + + （3-M總 摩 偏 慣 10） 設(shè)啟動(dòng)時(shí)間為 為 0.1s, =10/s,由于工件是瓶蓋很輕，可以忽略不計(jì)算t啟 動(dòng) 現(xiàn)在把整個(gè)手部，手腕一起等效為一個(gè)回轉(zhuǎn)圓筒，所以 J=m(l2+ 33)/12 （3-R1 11） =9.65( +90.0220.0342)/12=0.11 Nms220.368 =（J+ ）/ =0.1110/0.1=34.5 NmM慣 J工 件 t啟 動(dòng) = + + =0.1 + （3-總 摩 偏 慣 M總 慣 12） 因此可以求出 =34.5/0.9=38.4 Nm總 選擇電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗呐まD(zhuǎn)力矩比較小所以可以選擇較小的電機(jī)就可以了。 3.3 臂部與機(jī)身的計(jì)算 3.3.1 手部作升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 F=F 慣 + + + G （3-F摩 密 回 13） 式中 為摩擦阻力：摩 =2 F1f 這里 f=0.16摩 G零部件以及工件所受的總重力； 密封裝置處的摩擦阻力；密 液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力；F回 F 慣 啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，活塞桿所受的平均慣性力。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 17 頁 共 40 頁 在這里 F1 等于 G 總 ，G 總 由升降缸的活塞套筒、回轉(zhuǎn)缸、橫梁、手部等組成估計(jì) 總重量為 86.2kg 所以 G 總 =mg=86.29.8=845N （3- 14） =2 F1f=28450.16=270.3 N摩 的計(jì)算 一般被阻力都比較小，可以按 =0.05p 計(jì)算；F回 F回 的計(jì)算 因?yàn)槭?O 型的密封圈（當(dāng)液壓缸的工作壓力小于 10MPa 時(shí)）這時(shí)可以密 用 O 型的密封圈，而且液壓缸密封處的總的摩擦力可以近似為： 0.03F，還有就是導(dǎo) 桿處的密封，因?yàn)槭谴怪钡?，所以這里的摩擦力很小也可以近似為:0.01F 所以有 =0.04F密 F 慣 的計(jì)算 F 慣 = G 總 v/gt （3- 15） G 總 就是參加運(yùn)動(dòng)的零部件的所受的總重力（包括工件重量） （N ）; G 重力加速度，取 9.8m/s2; v為由靜止加速到常速的變化量（m/s）; t為啟動(dòng)過程時(shí)間（s）,一般取 0.010.5s，對(duì)于輕載的低速運(yùn) 動(dòng)部件取較小的值，對(duì)重載高速運(yùn)動(dòng)部件取較大 的值。在這里取 0.1S, v 為 0.06 m/s. F 慣 =G 總 v/gt= =51.7 N8450.691 F= F 慣 + + + G =51.7+270.3+0.04F+0.05PS845 摩 密 回 在這里 S 是有效的面積，背壓面的面積 S=（R 2-r2）=（0.070.07-0.0450.045）=0.009 m2 （3-16 ） 又因?yàn)橐簤焊椎膬?nèi)徑和壓力的關(guān)系，當(dāng)油進(jìn)入無桿腔時(shí) F=F1=pD 2/4 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔的時(shí)候 F=F2= p（D 2-d2）/4 液壓缸的有效面積是：S=F/p 所以得 F= D2p 1.131.13=0.00117p （3- 17） 聯(lián)合以上的式可以求出 p=1.04MPa F=1217 N 式中 F驅(qū)動(dòng)力（N） ； P液壓缸的工作壓力（Pa）; 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 18 頁 共 40 頁 D液壓缸的內(nèi)徑（m）; D活塞桿的直徑（m）; 液壓缸的工作效率，在工程機(jī)械中耐油橡膠可以取 =0.8. 液壓缸壁厚的校核 因?yàn)橛缮厦娴挠?jì)算可以知道壓力比較小，所以立于選擇薄壁的：即是 16 時(shí)D = = 1000=6.59 mm （3-18）21 Dp0*4. 而在本設(shè)計(jì)中選擇了 25 mm 的壁厚的原因是：因?yàn)檫@里的液壓缸不僅僅是液壓缸 而也是支承手臂、手腕和手部還有工件的重量，所以設(shè)計(jì)的比較大。 3.3.2 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的計(jì)算 、驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)的力矩 ，應(yīng)該與手臂啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 及各密封處M驅(qū) M慣 的摩擦阻力矩 相平衡。封 = + + （3-驅(qū) 慣 封 回 19） 式中 密封裝置處的摩擦力矩（Nm） ；封 =J0= J0 （3-M慣 t 20） 式中 回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的角速度變化量（rad/s）,在啟動(dòng)過程中 =； t起動(dòng)過程的時(shí)間（s）; J0手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nms 2 ） 。 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為 r,則 J0=JC+ （3-Gg2r 21） 式中 JC回轉(zhuǎn)零件對(duì)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 = = （D 2-d2） （3-M驅(qū) Rrdpb 22） 、回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑與壓力的關(guān)系 = （D 2-d2） 所以 （3-驅(qū) 23） P=2 /（D 2-d2）bM驅(qū) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 19 頁 共 40 頁 式中 D回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑（m）; 作用在動(dòng)片的外載荷力矩；M驅(qū) P回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（Pa）; d 輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑（m）; b 動(dòng)片的寬度（m） 。 、由經(jīng)驗(yàn)得 = + =0.03 （3-M阻 封 回 驅(qū) 24） =J0= J 0 = J0 =15.7 J0慣 t 1.57 在這里把回轉(zhuǎn)部分等分為三部分包括回轉(zhuǎn)缸、橫梁、手腕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為 J1,J2,J3.所以 J0= J1+ J2+ J3 （3-25） 回轉(zhuǎn)缸等效為外徑為 R=100 mm，內(nèi)徑為 r=45 mm，長(zhǎng)度為 l=120 mm 的圓筒 則有 J1= m(l2+ 33)/12 =11.8（0.12 2+330.120.0452）/12R1 =0.0143 Nms2 橫梁等效為長(zhǎng) l=1300 mm,a=b=120 mm,c=d=100 mm 的方筒，偏離回轉(zhuǎn)軸線 r=150 mm. = (l2+a2+c2)= (1.32+0.122+0.12) （3-/2J1m14 26） =6.29 Nms2 J2= +440.150.15=7.28 Nms2/ 手腕和手部等效為圓筒由上面就可以知道 =m(l2+ 33)/12/3R1 =9.65(0.3682+90.0220.0342)/12=0.11 Nms2 J3= +mr2 （3-/ 27） =0.11+14.80.560.56 =4.75 Nms2 J0= J1+ J2+ J3 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 20 頁 共 40 頁 =4.75+7.28+0.0143 =12.0 ms2 = J0= J 0 = J0 =15.7 J0=15.712.0=188.4 NmM慣 t 1.57 估算 = /0.85=221.6 Nm驅(qū) 慣 P=2 /（D 2-d2）b驅(qū) 代人數(shù)據(jù)得 P=0.27 MPa 4 驅(qū)動(dòng)的選擇 4.1 液壓控制部分 4.1.1 液壓控制簡(jiǎn)介 液壓控制系統(tǒng)自 60 年代初到現(xiàn)在，已在機(jī)械手中獲得了廣泛的應(yīng)用。目前，雖然 在中等負(fù)載以下的機(jī)械手中有采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但是在簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型、重型的工業(yè)繼 續(xù)實(shí)施和噴涂機(jī)械手中采用液壓系統(tǒng)的比較多。 液壓系統(tǒng)在機(jī)械手中所起的作用是通過電液轉(zhuǎn)換元件把控制信號(hào)進(jìn)行功率放 大，對(duì)液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、位置和速度的控制，進(jìn)而控制機(jī)械手的手臂按給定的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)作。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動(dòng)液壓缸。用于實(shí)現(xiàn)手 臂的伸縮升降以及手腕、手臂的回轉(zhuǎn)。 程序控制機(jī)械手的液壓控制系統(tǒng)，這類機(jī)械手屬于非伺服控制機(jī)械手，在只有簡(jiǎn) 單搬運(yùn)作業(yè)功能的機(jī)械手中，常常采用簡(jiǎn)易的邏輯控制裝置或編程控制，對(duì)機(jī)械手實(shí) 現(xiàn)有限為的控制。這類機(jī)械手的液壓控制設(shè)計(jì)與其他液壓機(jī)械設(shè)計(jì)所考慮的問題大致 相同，只是 3 在以下方面須加以重視: 液壓缸的設(shè)計(jì): 在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件， 以減少摩擦阻力，提高液壓缸的使用壽命。 定位點(diǎn)的緩沖和制動(dòng)：因機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)慣性量較大，在定位點(diǎn)前要加緩沖與 制動(dòng)機(jī)構(gòu)或鎖緊裝置。 對(duì)慣性較大的運(yùn)動(dòng)軸和接近機(jī)械手末端的腕部運(yùn)動(dòng)軸的液壓缸兩側(cè)，最好加設(shè)安 全保護(hù)裝置，防止因碰撞過載弄壞機(jī)械結(jié)構(gòu)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 21 頁 共 40 頁 4.1.2 液壓系統(tǒng)傳動(dòng)方案的確定 各液壓缸的換向回路 為了便于機(jī)械手的自動(dòng)控制，如采用可編程序或微機(jī)控制，這里使用單片機(jī)控制， 因?yàn)橛缮弦徽驴梢灾老到y(tǒng)的壓力和流量都不是很搞。因此可以選用電磁換向閥回路， 以獲得較好的自動(dòng)化長(zhǎng)度和經(jīng)濟(jì)效益。在這里采用單泵供油，手臂旋轉(zhuǎn)、手臂的升降 還有夾緊等機(jī)構(gòu)采用并聯(lián)供油，這樣可以有效地降低系統(tǒng)的供油的壓力。此時(shí)為了保 證多缸的系統(tǒng)互不干擾，實(shí)現(xiàn)同步或非同步的 運(yùn)動(dòng)，換向閥需采用中位 O 型換向閥。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 22 頁 共 40 頁 調(diào)速方案 圖 4-1 雙向的節(jié)流系統(tǒng) 圖 4-2 減速緩沖回路 整個(gè)液壓控制系統(tǒng)只用單泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用 液壓泵的全流量工作是無法滿足設(shè)計(jì)的要求的，盡管有的液壓缸是單一速度工作，大 廈也需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，用以保證液壓缸運(yùn)行的平穩(wěn)運(yùn)行。各缸可以選擇進(jìn)油路或回 油路節(jié)流調(diào)速，因?yàn)橄到y(tǒng)為中低的系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥調(diào)速。 機(jī)械手的手臂的升降和回轉(zhuǎn)缸都參與兩個(gè)單向節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)，如上圖所示： 在一般的情況下，機(jī)械手的各個(gè)部位是分別動(dòng)作的，手臂的升降回轉(zhuǎn)，還有手部 的夾緊所需的流量相差不是很大所以可以選用單泵供油也可以用雙泵供油，在這里選 用單泵供油。 減速緩沖回路 如圖所示，它由二位二通電磁換向閥和節(jié)流閥并聯(lián)組成。當(dāng)液壓缸運(yùn)動(dòng)快到希望 點(diǎn)時(shí)，由位置檢測(cè)裝置（電位器）發(fā)出信號(hào)給單片機(jī)。然后單片機(jī)控制電磁鐵 1YA 通 電切斷二位二通閥的通路，液壓缸的回路改經(jīng)節(jié)流閥流回油箱，增大了回油路的阻力， 使液壓缸速度閥進(jìn)行緩沖，它有可靠性好、定位精度高的特點(diǎn)。 擬定液壓控制簡(jiǎn)圖為如下： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 23 頁 共 40 頁 圖 4-3 為液壓控制簡(jiǎn)圖 選定型號(hào) 、選擇液壓泵 根據(jù)上一章可以知道手部的夾緊缸、手臂的升降缸和手臂的回轉(zhuǎn)缸的工作壓力都 比較小，最大為 = =1.04MPa,估算：P=0.5MPa maxP2 = +P=1.04+0.5=1.54 MPa (4-1) spax qvmax= qv2=16.2l/min,取 K=1.1 1.3; (4-2) qvp K qv max=1.316.2=21.1 l/min 根據(jù)液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)P115 頁表 2-2，選： CE-B25 n=1430 r/min qvp= 2.5MPa =25 l/minp額 、電動(dòng)機(jī)的選用，取泵的總效率為=0.65，則 = qvp /=2.51000000250.001/600.65=1.63kw (4-3)N電 額 所以選用電動(dòng)機(jī)為：Y100L 1-4 N=2.2kg n=1430r/min 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 24 頁 共 40 頁 圖 4-4 機(jī)械手所用的液壓元件表 序號(hào) 元件名稱 型號(hào) 規(guī)格 數(shù)量 1 線隙式濾油器 XU-I 32X100 250N 32 l/min 1 2 電動(dòng)機(jī) Y100L 1-4 N=2.2kw n=1430r/min 1 3 齒輪泵 CB-B25 2.5MPa 25 l/min 1 4 溢流閥 P-B25B 2.5MPa 12mm 1 5 電磁換向閥 22D-25B 2.5MPa 12mm 1 6 單向閥 I-25B 6.3 MPa 12mm 1 7 壓力表 Y-60 0-4 MPa 1 8 電磁換向閥 34D-25B 6.3 MPa 12mm 1 9 單向調(diào)速閥 QI-25B 6.3 MPa 12mm 1 10 單向調(diào)速閥 QI-25B 6.3 MPa 12mm 1 11 單向順序閥 XI-B25B 2.5MPa 12mm 1 12 單向行程節(jié)流閥 LCI-25B 6.3 MPa 12mm 1 13 電磁換向閥 34D-10B 6.3 MPa 12mm 1 14 單向調(diào)速閥 QI-10B 2.5 MPa 12mm 1 15 單向調(diào)速閥 QI-10B 2.5 MPa 12mm 1 16 電磁換向閥 23D-10B 6.3 MPa 12mm 1 17 單向閥 I-25B 6.3 MPa 12mm 1 、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的介紹 這個(gè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除了手腕因?yàn)榛剞D(zhuǎn)角度太大，不