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附錄
外文文獻(xiàn)原文：
Simple Manipulator And The Control Of It
Along with the social production progress and people life rhythm is accelerating, people on production efficiency also continuously put forward new requirements. Because of microelectronics technology and calculation software and hardware technology rapid development and modern control theory, the perfection of the fast development, the robot technology pneumatic manipulator system because its media sources do not pollute the environment, simple and cheap components, convenient maintenance and system safety and reliability characteristic, has penetrated into every sector of the industrial field, in the industrial development plays an important role. This article tells of the pneumatic control robots, furious manipulator XY axis screw group, the turntable institutions, rotating mechanical parts base. Main effect is complete mechanical components handling work, to be placed in different kinds of line or logistics pipeline, make parts handling, transport of goods more quick and convenient.
Matters of the manipulator axial linkage simple structure and action process
Manipulator structure, as shown in figure 1 below have accused of manipulator (1), XY axis screw group (2), the turntable institutions (3), rotating base (4), etc.
Figure 1 Manipulator Structure
Its motion control mode is: (1) can rotate by servomotor Angle for 360 ° breath control manipulator (photoelectric sensor sure start 0 point); (2) by stepping motor drive screw component make along the X, Y manipulators move (have X, Y axis limit switches); (3) can rotates 360 ° can drive the turntable institutions manipulators and bushings free rotation (its electric drag in part by the dc motivation, photoelectric encoder, close to switch etc); (4) rotating base main support above 3 parts; (5) gas control manipulator by pressure control (Zhang close when pressed on, put inflatable robot manipulators loosen) when gas.
Its working process for: when the goods arrived, manipulator system begins to move; Stepping motor control, while the other start downward motion along the horizontal axis of the step-motor controller began to move exercise; Servo motor driver arrived just grab goods manipulators rotating the orientation of the place, then inflatable, manipulator clamped goods.
Vertical axis stepper motor drive up, the other horizontal axis stepper motor driver started to move forward; rotary DC motor rotation so that the whole robot motion, go to the cargo receiving area; longitudinal axis stepper motor driven down again, arrived at the designated location, Bleed valve, mechanical hand release the goods; system back to the place ready for the next action.
II.Device control
To achieve precise control purposes, according to market conditions, selection of a variety of key
components as follows:
1. Stepper motor and drive
Mechanical hand vertical axis (Y axis) and horizontal (X axis) is chosen Motor Technology Co., Ltd. Beijing Stone 42BYG250C type of two-phase hybrid stepping motor, step angle of 0.9 ° / 1.8 °, current is 1.5A. M1 is the horizontal axis motor driven manipulator stretch, shrink; M2 is the vertical axis motor driven manipulator rise and fall. The choice of stepper motor drive is SH-20403 type, the drive uses 10 ~ 40V DC power supply, H-phase bridge bipolar constant current drive, the maximum output current of 3A of the 8 optional, maximum fine of 64 segments of 7 sub-mode optional optical isolation, standard single-pulse interface, with offline capabilities to maintain semi-sealed enclosure can be adapted to environmental conditions even worse, provide semi-current energy-saving mode automatically. Drive the internal switching power supply design to ensure that the drive can be adapted to a wide voltage range, the user can according to their circumstances to choose between the 10 ~ 40VDC. Generally the higher rated power supply voltage can improve high-speed torque motor, but the drive will increase the loss and temperature rise. The maximum output drive current is 3A / phase (peak), six drive-panel DIP switch on the first three can be combined 5,6,7 8 out of state, corresponding to the 8 kinds of output current from 0.9A to 3A to meet the different motors. The drive can provide full step, half step improvement, subdivision 4, 8 segments, 16 segments, 32 segments and 64 segments of 7 operating modes. The use of six of the drive panel DIP switches 1,2and3 can be combined from three different states.
2. Servo motors and drives
Manipulator with Panasonic servo motor rotational movement A series of small inertia MSMA5AZA1G, the rated 50W, 100/200V share, rotary incremental encoder specifications (number of pulses 2500p / r, resolution of 10000p / r, Lead 11 lines) ; a seal, no brakes, shaft with keyway connections. The motor uses Panasonic's unique algorithms, the rate increased by 2 times the frequency response, to 500Hz; positioning over the past adjust the scheduled time by Panasonic servo motor products for the V Series of 1 / 4. With the resonance suppression, control, closed loop control, can make up for lack of mechanical rigidity, in order to achieve high positioning accuracy can also be an external grating to form closed loop control to further improve accuracy. With a conventional automatic gain adjustment and real-time automatic gain
Interest adjustment in the automatic gain adjustment methods, which also has RS-485, RS-232C communication port, the host controller can control up to 16 axes. Servo motor drives are a series MSDA5A3A1A, applicable to small inertia motor.
3. DC machine
360 ° swing of the turntable can be a brushless DC motor driven organization, the system is chosen when the profit company in Beijing and the 57BL1010H1 brushless DC motor, its speed range, low-speed torque, smooth running, low noise, high efficiency. Brushless DC motor drive using the Beijing and when Lee's BL-0408 produced by the drive, which uses 24 ~ 48V DC power supply, a start-stop and steering control, over current, overvoltage and locked rotor protection, and there is failure alarm output external analog speed control, braking down so fast.
4. Rotary encoder
Can swing 360 ° in the body on the turntable, fitted with OMRON E6A2 produced incremental rotary encoder, the encoder signals to the PLC, to achieve precise positioning of rotary bodies.
5. PLC Selection
According to the system design requirements, the choice of OMRON CPM2A produced minicomputer. CPM2A in a compact unit integrated with a variety of properties, including the synchronization pulse control, interrupt input, pulse output, analog set and clock functions. CPM2A the CPU unit is a stand-alone unit, capable of handling a wide range of application of mechanical control, it is built in the device control unit for the ideal product. Ensure the integrity of communications and personal computers, other OMRON PC and OMRON Programmable Terminal communication. The communication capability allows the robot to Axis simple easy integration into industrial control systems.
III. Software programming
1. Software flow chart
PLC programming flow chart is based. Only the design flow, it may be smooth and easy to prepare and write a statement form the ladder, and ultimately complete the process design. So write a flow chart of program design is critical to the task first thing to do. Axis Manipulator based on simple control requirements, drawing flow chart shown in Figure 2.
Figure 2 Software flow chart
2. Program part
Because space is limited, here only paper listed the first two program segment for readers see.
Figure 3 Program part
IV. Conclusion
Axis simple robot state by the various movements and PLC control, the robot can not only meet the manual, semi-automatic mode of operation required for such a large number of buttons, switches, position detection point requirements, but also through the interface components and Computer Organization PLC industrial LAN, network communication and network control. Axis simple robot can be easily embedded into industrial production pipeline.
中文譯文：
簡(jiǎn)易機(jī)械手及控制
隨著社會(huì)生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快,人們對(duì)生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計(jì)算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善,使機(jī)械手技術(shù)快速發(fā)展,其中氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來(lái)源簡(jiǎn)便以及不污染環(huán)境、組件價(jià)格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點(diǎn),已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)部門(mén),在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的氣動(dòng)機(jī)械手有氣控機(jī)械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機(jī)械部分組成。主要作用是完成機(jī)械部件的搬運(yùn)工作,能放置在各種不同的生產(chǎn)線(xiàn)或物流流水線(xiàn)中,使零件搬運(yùn)、貨物運(yùn)輸更快捷、便利。
一.四軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程
機(jī)械手結(jié)構(gòu)如下圖1所示,有氣控機(jī)械手(1)、XY軸絲杠組(2)、轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)(3)、旋轉(zhuǎn)基座(4)等組成。
圖1
其運(yùn)動(dòng)控制方式為：(1)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)可旋轉(zhuǎn)角度為360°的氣控機(jī)械手(有光電傳感器確定起始0點(diǎn));(2)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠組件使機(jī)械手沿X、Y軸移動(dòng)(有x、y軸限位開(kāi)關(guān));(3)可回旋360°的轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)能帶動(dòng)機(jī)械手及絲杠組自由旋轉(zhuǎn)(其電氣拖動(dòng)部分由直流電動(dòng)機(jī)、光電編碼器、接近開(kāi)關(guān)等組成);(4)旋轉(zhuǎn)基座主要支撐以上3部分;(5)氣控機(jī)械手的張合由氣壓控制(充氣時(shí)機(jī)械手抓緊,放氣時(shí)機(jī)械手松開(kāi))。
其工作過(guò)程為：當(dāng)貨物到達(dá)時(shí),機(jī)械手系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作;步進(jìn)電機(jī)控制開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng),同時(shí)另一路步進(jìn)電機(jī)控制橫軸開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng);伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到達(dá)正好抓取貨物的方位處,然后充氣,機(jī)械手夾住貨物。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱軸上升,另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫軸開(kāi)始向前走;轉(zhuǎn)盤(pán)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)械手整體運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)到貨物接收處;步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動(dòng)縱軸下降,到達(dá)指定位置后,氣閥放氣,機(jī)械手松開(kāi)貨物;系統(tǒng)回位準(zhǔn)備下一次動(dòng)作。
二.控制器件選型
為達(dá)到精確控制的目的,根據(jù)市場(chǎng)情況,對(duì)各種關(guān)鍵器件選型如下：
1.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器
機(jī)械手縱軸(Y軸)和橫軸(X軸)選用的是北京四通電機(jī)技術(shù)有限公司的42BYG250C型兩相混合式步進(jìn)電機(jī),步距角為0.9°/1.8°,電流1.5A。M1是橫軸電機(jī),帶動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)伸、縮;M2是縱軸電機(jī),帶動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)上升、下降。所選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是SH-20403型,該驅(qū)動(dòng)器采用10～40V直流供電,H橋雙極性恒相電流驅(qū)動(dòng),最大3A的8種輸出電流可選,最大64細(xì)分的7種細(xì)分模式可選,輸入信號(hào)光電隔離,標(biāo)準(zhǔn)單脈沖接口,有脫機(jī)保持功能,半密閉式機(jī)殼可適應(yīng)更惡劣的工況環(huán)境,提供節(jié)能的自動(dòng)半電流方式。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì),保證了驅(qū)動(dòng)器可適應(yīng)較寬的電壓范圍,用戶(hù)可根據(jù)各自情況在10～40VDC之間選擇。一般來(lái)說(shuō)較高的額定電源電壓有利于提高電機(jī)的高速力矩,但卻會(huì)加大驅(qū)動(dòng)器的損耗和溫升。本驅(qū)動(dòng)器最大輸出電流值為3A/相(峰值),通過(guò)驅(qū)動(dòng)器面板上六位撥碼開(kāi)關(guān)的第5、6、7，三位可組合出8種狀態(tài),對(duì)應(yīng)8種輸出電流,從0.9A到3A以配合不同的電機(jī)使用。本驅(qū)動(dòng)器可提供整步、改善半步、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分、32細(xì)分和64細(xì)分7種運(yùn)行模式,利用驅(qū)動(dòng)器面板上六位撥碼開(kāi)關(guān)的第1、2、3，三位可組合出不同的狀態(tài)。
2.伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器
機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作采用松下伺服電機(jī)A系列小慣量MSMA5AZA1G,其額定輸出50W、100/200V共用,旋轉(zhuǎn)編碼器規(guī)格為增量式(脈沖數(shù)2500p/r、分辨率10000p/r、引出線(xiàn)11線(xiàn));有油封,無(wú)制動(dòng)器,軸采用鍵槽連接。該電機(jī)采用松下公司獨(dú)特算法,使速度頻率響應(yīng)提高2倍,達(dá)到500Hz;定位超調(diào)整定時(shí)間縮短為以往松下伺服電機(jī)產(chǎn)品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全閉環(huán)控制功能,可彌補(bǔ)機(jī)械的剛性不足,從而實(shí)現(xiàn)高速定位,也可通過(guò)外接高精度的光柵尺,構(gòu)成全閉環(huán)控制,進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。具有常規(guī)自動(dòng)增益調(diào)整和實(shí)時(shí)自動(dòng)增
益調(diào)整兩種自動(dòng)增益調(diào)整方式,還配有RS-485、RS-232C通信口,使上位控制器可同時(shí)控制多達(dá)16個(gè)軸。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為A系列MSDA5A3A1A,適用于小慣量電動(dòng)機(jī)。
3.直流電機(jī)
可回旋360°的轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)有直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng),系統(tǒng)選用的是北京和時(shí)利公司生產(chǎn)的57BL1010H1無(wú)刷直流電機(jī),其調(diào)速范圍寬、低速力矩大、運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音、效率高。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用北京和時(shí)利公司生產(chǎn)的BL-0408驅(qū)動(dòng)器,其采用24～48V直流供電,有起停及轉(zhuǎn)向控制、過(guò)流、過(guò)壓及堵轉(zhuǎn)保護(hù),且有故障報(bào)警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動(dòng)快速停機(jī)等特點(diǎn)。
4.旋轉(zhuǎn)編碼器
在可回旋360°的轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)上,安裝有OMRON公司生產(chǎn)的E6A2增量型旋轉(zhuǎn)編碼器,編碼器將信號(hào)傳給PLC,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)的精確定位。
5. PLC的選型
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,選用OMRON公司生產(chǎn)的CPM2A小型機(jī)。CPM2A在一個(gè)小巧的單元內(nèi)綜合有各種性能,包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、模擬量設(shè)定和時(shí)鐘功能等。CPM2A的CPU單元又是一個(gè)獨(dú)立單元,能處理廣泛的機(jī)械控制應(yīng)用問(wèn)題,所以它是在設(shè)備內(nèi)用作內(nèi)裝控制單元的理想產(chǎn)品。完整的通信功能保證了與個(gè)人計(jì)算機(jī)、其它OMRON PC和OMRON可編程終端的通信。這些通信能力使四軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手能方便的融合到工業(yè)控制系統(tǒng)中。
三.軟件編程
1.軟件流程圖
流程圖是PLC程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。只有設(shè)計(jì)出流程圖,才可能順利而便捷地編寫(xiě)出梯形圖并寫(xiě)出語(yǔ)句表,最終完成程序的設(shè)計(jì)。所以寫(xiě)出流程圖非常關(guān)鍵也是程序設(shè)計(jì)首先要做的任務(wù)。依據(jù)四軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手的控制要求,繪制流程圖如圖2所示。
圖2.軟件流程圖
2.程序部分
由于論文篇幅有限,這里只列出了開(kāi)始兩段程序,供讀者參閱,見(jiàn)圖3。
圖3 程序列表
四.結(jié)束語(yǔ)
四軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作和狀態(tài)都由PLC控制,不僅能滿(mǎn)足機(jī)械手的手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)等操作方式所需的大量按扭、開(kāi)關(guān)、位置檢測(cè)點(diǎn)的要求,更可通過(guò)接口元器件與計(jì)算機(jī)組成PLC工業(yè)局域網(wǎng),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)控制。使四軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手能方便地嵌入到工業(yè)生產(chǎn)流水線(xiàn)中。
哈爾濱理工大學(xué)專(zhuān)科生畢業(yè)論文
哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
學(xué)生姓名：王蕾 學(xué)號(hào)：0930060105
學(xué) 院： 榮成學(xué)院 專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
任務(wù)起止時(shí)間： 2013年02月25日至 2013年06月 21日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：
蠟?zāi)Ｖ茪C(jī)械手---手臂部分設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容：
1、實(shí)際調(diào)研，收集相關(guān)資料，完成開(kāi)題報(bào)告；1—3周。
2、結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)機(jī)械手的手臂部分設(shè)計(jì)總圖；4—7周。
3、設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂伸縮缸，卡緊缸，手碗迴轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu)8—11周。
4、設(shè)計(jì)零件的工作圖；12—13周。
5、撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備答辯；14—16周。
注：要求全部用計(jì)算機(jī)繪圖和打印文稿（交打印件和電子稿）
資料：
1、工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)手冊(cè)；
2、非標(biāo)設(shè)計(jì)手冊(cè)；
3、液壓與氣壓傳動(dòng)；
4、相關(guān)的技術(shù)資料。
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
簽名：
2013年 2 月 24 日
系主任意見(jiàn)：
簽名：
2013年2月 25日
哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)
學(xué)生姓名： 王蕾 學(xué)號(hào)：0930060105
學(xué) 院：榮成學(xué)院 專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化
任務(wù)起止時(shí)間： 2013 年 2月25 日至2013年 6 月 21 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：
蠟?zāi)Ｖ茪C(jī)械手---手臂部分設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)語(yǔ)：
該課題源于生產(chǎn)實(shí)踐，該同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，態(tài)度端正，能把所學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)運(yùn)用設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基本合理，設(shè)計(jì)論文論述基本正確、格式規(guī)范，尚能運(yùn)用所學(xué)基本知識(shí)，完成設(shè)計(jì)任務(wù)要求，可以參加答辯。
指導(dǎo)教師簽名： 指導(dǎo)教師職稱(chēng)：
評(píng)閱教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)語(yǔ)：
該同學(xué)論文格式較規(guī)范，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)有了一定了解，所設(shè)計(jì)符合任務(wù)書(shū)要求，所做畫(huà)紙符合要求，但在圖紙的繪制和尺寸的標(biāo)注需要改進(jìn)，修改后建議參加答辯。
評(píng)閱教師簽名： 評(píng)閱教師職稱(chēng)：
答辯委員會(huì)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)語(yǔ)：
該同學(xué)的設(shè)計(jì)符合“畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)”的要求，任務(wù)量適中，答辯表述基本清晰，尚能回答大多數(shù)提問(wèn)，概念較清楚，設(shè)計(jì)的內(nèi)容基本合理，無(wú)原則性錯(cuò)誤，掌握了一定的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能。符合學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。
答辯委員會(huì)評(píng)定，該生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?yōu)椋?
答辯委員會(huì)主席簽名： 職稱(chēng)：
年 月 日
教務(wù)處制表
哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
蠟?zāi)Ｖ茪C(jī)械手機(jī)械部分設(shè)計(jì)
摘 要
最近，全球內(nèi)帶有夾子夾子或手的機(jī)械手系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)了，多種方法應(yīng)用其上，有擬人化和非擬人化的，不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且還包括其必要的控制系統(tǒng)，如同人手一樣，這些機(jī)械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而且不用改換夾子，這些機(jī)械手具備特殊的運(yùn)動(dòng)能力比如小質(zhì)量和小慣量，這使被抓物體在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)做更復(fù)雜、更精確的操作變得可能。這些復(fù)雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉(zhuǎn)。
本論文介紹了用于夾持蠟?zāi)C(jī)械手的設(shè)計(jì)。它采用液壓驅(qū)動(dòng)，點(diǎn)位程序控制，動(dòng)作平穩(wěn)，控制方便。本論文主要闡述該機(jī)械手的夾緊、伸縮、升降和回轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。首先從機(jī)械手的基礎(chǔ)知識(shí)介紹有關(guān)機(jī)械手的組成、分類(lèi)、臂部設(shè)計(jì)、液壓控制的多種方案，再?gòu)谋敬卧O(shè)計(jì)所要求的功能原理設(shè)計(jì)開(kāi)始，對(duì)于不同的方案加以比較和論證，從中可確定出最優(yōu)方案，并采用其方案，在對(duì)其的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)其驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力力矩進(jìn)行計(jì)算。著重闡述了機(jī)身的設(shè)計(jì)，具體闡述了機(jī)械手的設(shè)計(jì)原則和步驟，分析了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題，并對(duì)機(jī)械手的平穩(wěn)性及定位精度給予詳細(xì)的論述。設(shè)計(jì)并分析了該機(jī)械手所用的液壓控制的方法和過(guò)程。由于經(jīng)驗(yàn)不足，知識(shí)有限，難免有誤，有待改進(jìn)。
關(guān)鍵詞 液壓；機(jī)械手；液壓缸
Wax molded shell robot mechanical part design
Abstract
Recently, the world inside with clamps clips or hand robotic systems have been developed, a variety of methods applied on it, there are anthropomorphic and non-anthropomorphic, not only the investigation of these systems mechanical structure, but also its necessary control system, as manpower, these robotic systems can use their hands to grab different objects, and do not change the clip, these robots possess exceptional athletic ability such as small mass and small inertia, which makes the grasped object in the robot's operating range done within a more complex, more precise operation becomes possible. These complex operations are grasping objects around any angle and axes.
This thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand. It adopts the liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience.
This thesis expatiates the rise and fall of the machine’s hand primarily with the design of the turn-over with compute. Constitute, divide into section form the relevant machine in introduction in knowledge in foundation of the machine hand first, wrist a various projects for and arm department designing, liquid pressing control, start from this design a function for requesting principle, take into the comparison to the different project with the argument, can make sure the superior project from the inside, combine to adopt its project, in as to it’s of the foundation of the construction design, as to it’s driver force and moment proceed the calculation. Emphasize the design that expatiated the fuselage, expatiated the design principle of the machine hand in a specific way with the step, analyzed the problem of design should notice, and give to the steady and fixed position accuracy of the machine hand detailed treatise. Because of experience shortage, the knowledge is limited, difficult do not need the mistake, treat to improve.
Keywords manipulator； liquid presses； driving force； fixed position accuracy
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)械手在生產(chǎn)中的作用 1
1.2 機(jī)械手國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1
1.3 論文研究的內(nèi)容 2
第2章 蠟?zāi)C(jī)械手的總功能原及方案的選擇與確定 4
2.1 功能原理設(shè)計(jì) 4
2.2 初選方案 5
2.2.1 方案一 5
2.2.2 方案二 5
2.3 方案選取 6
第3章 機(jī)械手總體方案總結(jié) 7
3.1 傳動(dòng)方案的確定 7
3.2 規(guī)格參數(shù) 7
3.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 7
3.3.1 抓取機(jī)構(gòu) 7
3.3.2 手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu) 8
3.3.3 手臂的升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 8
3.3.4 其它裝置 8
3.4 機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 9
第4章 機(jī)械手的各部分設(shè)計(jì) 10
4.1 手部設(shè)計(jì) 10
4.1.1 手部設(shè)計(jì)要求： 10
4.1.2 手部的結(jié)構(gòu) 10
4.1.3 機(jī)械手的力學(xué)分析 12
4.2 手臂部分設(shè)計(jì) 14
4.2.1 手臂部分設(shè)計(jì)要求 15
4.3 手臂部分結(jié)構(gòu) 19
4.3.1 手臂伸縮運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu) 19
4.3.2 手臂伸縮油缸的計(jì)算 19
4.4 定位缸 22
結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 24
致 謝 25
附錄 26
24
第1章 緒論
1.1 機(jī)械手在生產(chǎn)中的作用?
機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。新世紀(jì)，生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化，自動(dòng)化已成為突出的主題。然而在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來(lái)，不僅費(fèi)時(shí)而且效率不高。同時(shí)人的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的效率和自動(dòng)化程度。機(jī)械手的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。?
在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用具有以下意義：?
1.?可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度?
應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。?
2.?可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故?
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。同時(shí)，在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
3.可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)?
應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。
1.2 機(jī)械手國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
目前國(guó)內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專(zhuān)用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 國(guó)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。
目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。國(guó)外機(jī)械數(shù)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)。
目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。定位精度可以滿(mǎn)足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。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)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
目前我國(guó)機(jī)械手的研發(fā)和應(yīng)用還處在一個(gè)發(fā)展的階段，跟美國(guó)日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距，很多產(chǎn)品還需進(jìn)口，特別是高靈活、高精度的機(jī)械手。要使我國(guó)機(jī)械工業(yè)更進(jìn)一步在發(fā)展壯大，就必須提高其自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，將人手操作變?yōu)闄C(jī)械手操作。同時(shí)，國(guó)家應(yīng)加大對(duì)機(jī)械手及機(jī)器人的研發(fā)投入，積極開(kāi)發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，從根本上解決對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的進(jìn)口需求。
1.3 論文研究的內(nèi)容
在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域里，蠟?zāi)Ｖ茪な鞘种匾墓ぷ鳝h(huán)節(jié)，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化將大大提高生產(chǎn)效率，減少成本并且避免造成對(duì)人體的危害。工業(yè)機(jī)械手就是為了實(shí)現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的。
自動(dòng)化蠟?zāi)Ｖ茪ぱb置是蠟?zāi)＜?jīng)過(guò)定向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定向排列，然后順次地由機(jī)械手把它夾取送去沾水玻璃、噴砂，并把工件取走放置下一個(gè)工位。如工件易損壞，形狀復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定向，則往往通過(guò)人工定位后，再有機(jī)械手進(jìn)行制殼工作。
目前我國(guó)研制使用的工業(yè)機(jī)械手大多數(shù)是屬于專(zhuān)用機(jī)械手，僅有少量的通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手改變工作程序比較方便，特別適用于多品種、小批量的生產(chǎn)。
通用機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用只有二十來(lái)年的歷史。這些裝置在國(guó)外得到相當(dāng)重視，到七十年代，其品種和數(shù)量都有很大的發(fā)展，并且研制出了各種具有感覺(jué)器官的工業(yè)機(jī)器人。
我所設(shè)計(jì)的是蠟?zāi)Ｖ茪C(jī)械手。屬于圓柱坐標(biāo)式，全液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，具有手臂升降，收縮，回轉(zhuǎn)3個(gè)自由度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部，手臂伸縮機(jī)構(gòu)，手臂升降機(jī)構(gòu)，手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。它的工作過(guò)程是手臂伸出夾緊蠟?zāi)２⑹栈?，沾取水玻璃，噴砂，重?fù)沾取噴砂3次，送到下一工位并復(fù)位。
1.送料裝置 2.機(jī)械手爪 3.機(jī)械手臂 4.水玻璃箱 5.沙箱
6.工位三 7.出料裝置 8.回轉(zhuǎn)及升降部分
圖1-1蠟?zāi)Ｖ茪ぶ檬疽鈭D
第2章 蠟?zāi)C(jī)械手的總功能原及方案的選擇與確定
2.1 功能原理設(shè)計(jì)
功能原理設(shè)計(jì)是針對(duì)某一確定的功能要求，尋求一些物理效應(yīng)并且借助某些作用原理來(lái)求得一些實(shí)現(xiàn)該原理的解法原理。其特點(diǎn)是對(duì)于某一產(chǎn)品的特定的工作能力進(jìn)行抽象化描述，是指某一機(jī)器所有的轉(zhuǎn)化能量特性和其他物理特性。其描述方法較像工程學(xué)中常用的“黑箱”法來(lái)描述。
任何一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中都有輸入和輸出，把技術(shù)系統(tǒng)抽象成黑箱。起輸入用物料流M、信息流S、和能量流E、來(lái)描述其輸出用相應(yīng)的M`、S`和E`來(lái)描述。
操作指令 S S’ 顯 示
物 料M M’蠟?zāi)Ｖ茪?
電 氣 能E
功能原理設(shè)計(jì)是一種綜合。綜合是不能有任何方法可循的。它能要求解決的問(wèn)題是有很多 解的問(wèn)題。它既不是只有唯一解，又不是絕對(duì)無(wú)解，而且也很難得到絕對(duì)理想的解。一般來(lái)說(shuō)，在構(gòu)思階段，應(yīng)盡可能收集各種可能的解法，以便在眾多的解法中選出較多滿(mǎn)意的解決方法來(lái)。
總功能分解成若干個(gè)功能元素為：
夾持 → 松開(kāi) → 伸 → 縮
上升 → 下降 → 轉(zhuǎn)位 → 復(fù)位
根據(jù)仿生學(xué)的原理，機(jī)械手的功能單元可以分為：
A：手指——夾緊、松開(kāi)工件；
B：手臂——伸縮使工件沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；
C：升降缸機(jī)體——升降手臂，回轉(zhuǎn)手臂；
D：回轉(zhuǎn)馬達(dá)——回轉(zhuǎn)、定位；
E：控制部分——控制各部分協(xié)調(diào)動(dòng)作；
2.2 初選方案
根據(jù)工作要求設(shè)想方案如下
2.2.1 方案一
底座連接回轉(zhuǎn)缸實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸連接伸縮缸實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，用滑軌和伸縮缸固定夾緊缸實(shí)現(xiàn)水平伸縮作用，夾緊缸連接手抓抓取被加工件。如圖所示2-1：
圖1-1 方案一
2.2.2 方案二
升降缸固定固定在地面實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，升降缸上連接回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸上連接伸縮缸實(shí)現(xiàn)手臂水平伸縮，伸縮缸連接夾緊缸夾取零件。如圖2-2所示：
圖1-2 方案
2.3 方案選取
方案一重心不好確定，且連接件復(fù)雜。
方案二采用圓柱坐標(biāo)系，工作原理簡(jiǎn)單，工作效率高，便于加工。所以選擇方案二。
第3章 機(jī)械手總體方案總結(jié)
3.1 傳動(dòng)方案的確定
考慮到圓柱坐標(biāo)式的占地面積小而動(dòng)作范圍大的特點(diǎn)，決定采用圓柱坐標(biāo)式。該機(jī)械手的抓取工件為外圓形木桿，此機(jī)械手就由手臂升降，伸縮，回轉(zhuǎn)三個(gè)自由度，才能滿(mǎn)足蠟?zāi)Ｖ茪さ膭?dòng)作要求。
3.2 規(guī)格參數(shù)
表2-1 參數(shù)表
自由度
范圍
速度
停止位置數(shù)
手臂伸縮
500mm
250mm/s
2
手臂升降
600mm
300mm/s
2
手回轉(zhuǎn)
2
臂力 2.5千克
定位精度 ±3毫米
坐標(biāo)形式 圓柱坐標(biāo)
驅(qū)動(dòng)源 液壓驅(qū)動(dòng)
控制方式 程序控制
3.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
3.3.1 抓取機(jī)構(gòu)
因夾持工件不大，故選用二指回轉(zhuǎn)型手爪，其驅(qū)動(dòng)手爪夾緊松開(kāi)的拉緊裝置，采用雙作用式單桿活塞液壓缸。手爪設(shè)計(jì)為固定。當(dāng)液壓缸收縮時(shí)為夾緊工件。
機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu):
此機(jī)械手手臂伸縮采用雙作用式單杠活塞油缸，伸縮動(dòng)作是由活塞桿運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，缸體固定不動(dòng)，其伸縮行程為500毫米，缸體直接安裝在回轉(zhuǎn)連接件上，因?yàn)槌惺茏饔昧π?，手臂的剛度大，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。油缸的輸油管路固定油管形式，避免外露且安裝方便。在手臂伸出端安裝可調(diào)的定位螺釘，確保送料精度。
3.3.2 手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)
手臂的回轉(zhuǎn)采用單片式液壓擺動(dòng)馬達(dá)，油缸擺角為180度，使用在180度以?xún)?nèi)，回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片與輸出軸固聯(lián)，輸出軸通過(guò)鍵與回轉(zhuǎn)連接件連接，回轉(zhuǎn)油缸的殼體與手臂坐固聯(lián)，當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片回轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)輸出軸自轉(zhuǎn)。從而帶動(dòng)手臂坐也繞O——O軸線(xiàn)回轉(zhuǎn)，即為手臂的水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
3.3.3 手臂的升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
手臂的升降采用了雙作用式單桿活塞油缸。其升降行程為300毫米，為了增加升降部分結(jié)構(gòu)的剛性，導(dǎo)向性能好，采用了直徑為四柱式導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)，工作時(shí)能平穩(wěn)升降。由于導(dǎo)向桿的存在使活塞桿免受因偏重力矩所造成的彎曲，在此處活塞桿只受到壓力作用。
3.3.4 其它裝置
為使機(jī)械手的臂部作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠精確定位，在回轉(zhuǎn)部位裝有定位油缸，它是單作用式活塞油缸，在活塞桿的端部作成斜楔式。當(dāng)臂部每轉(zhuǎn)過(guò)60度后的終止位置，通過(guò)電信號(hào)控制二位三通電磁閥接通工作油路，使起定位銷(xiāo)作用的活塞桿動(dòng)作，插入到裝在中心齒輪上的帶有斜楔槽的定位擋塊中，使手臂精確定位。此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活。
3.4 機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)
圖2-1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖
機(jī)械手的動(dòng)作順序：液壓系統(tǒng)工況分析伸縮缸伸長(zhǎng)至工件處 加緊缸取件伸縮缸收縮至原位處定位缸電磁閥通電收縮回轉(zhuǎn)缸回轉(zhuǎn)60度 定位剛電磁閥斷電復(fù)位，回轉(zhuǎn)缸被定位電磁閥3通電伸縮缸伸長(zhǎng)電磁閥6通電，升降缸下降下降到位后，5通電升降缸上升電磁閥4通電伸縮缸收縮到位電磁閥9通電，定位缸得電松開(kāi) 電磁閥1通電轉(zhuǎn)動(dòng)60度 定位剛電磁閥斷電復(fù)位，回轉(zhuǎn)缸被定位電磁閥3通電伸縮缸伸長(zhǎng)電磁閥6通電，升降缸下降下降到位后，5通電升降缸上升 電磁閥4通電伸縮缸收縮到位電磁閥9通電，定位缸得電松開(kāi)電磁閥2通電轉(zhuǎn)動(dòng)60度 如此循環(huán)3次后完成工藝過(guò)程回轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動(dòng)120度放置工件工作循環(huán)完畢。
上述動(dòng)作均由電磁換向閥實(shí)現(xiàn)，用行程開(kāi)關(guān)和時(shí)間繼電器、步進(jìn)選線(xiàn)器等電器控制電磁鐵線(xiàn)圈通斷電，使電磁鐵按程序動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制。
第4章 機(jī)械手的各部分設(shè)計(jì)
4.1 手部設(shè)計(jì)
機(jī)械手的手部是用來(lái)抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機(jī)械手的性能，是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
4.1.1 手部設(shè)計(jì)要求：
1．手部應(yīng)有足夠的夾緊力。除工件的重力外，還要能不使工件在傳遞過(guò)程中松動(dòng)或脫落；
2．夾持范圍要與工件相適應(yīng)。手爪的開(kāi)閉角度（手爪張開(kāi)或閉合時(shí)的極限位置所擺動(dòng)的角度）應(yīng)能適應(yīng)夾緊較大的直徑范圍；
3．夾持精度要高。既要求工件在手爪內(nèi)定位準(zhǔn)確，又不夾壞工件的表面。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu)：如圓柱形工件應(yīng)采用帶V形槽的手爪來(lái)定位；對(duì)于工件表面光潔度要求較高的，應(yīng)在手爪上鑲銅、夾布膠木或其它軟質(zhì)墊片等；
4．夾持動(dòng)作要迅速、靈活；
5．手部結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單緊湊、剛性好、自重輕、易磨損處應(yīng)該便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。
4.1.2 手部的結(jié)構(gòu)
手爪的類(lèi)型大致分為下列三種：
1．夾持式手爪：根據(jù)手爪的動(dòng)作可分為回轉(zhuǎn)型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指式和多指式；根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內(nèi)脹式兩種。
2．吸附式手爪：分為真空吸盤(pán)式和電磁吸盤(pán)式兩種。真空吸盤(pán)式又可分為真空泵式和氣流負(fù)壓式。
3．帶視覺(jué)或觸覺(jué)的手爪。
根據(jù)所設(shè)計(jì)課題的要求，該機(jī)械手是用于生產(chǎn)線(xiàn)上下料的，其抓取的工件是外圓件，所以可以不考慮吸附式手爪和帶視覺(jué)或觸覺(jué)的手爪。所以重點(diǎn)在于夾持式手爪。
下面介紹夾持式手爪結(jié)構(gòu)。
圖4-1是其一種杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)，它通過(guò)活塞桿1的銷(xiāo)2推動(dòng)手爪使之張開(kāi)，活塞向右移動(dòng)使手爪閉合。圖4-2也是一種杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)。
杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)應(yīng)用的比較多，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈活、手爪開(kāi)閉角度大、夾持工件范圍較大。
圖3-1杠桿滑槽式手爪
圖3-2 杠桿滑槽式手爪
本文設(shè)計(jì)對(duì)象為臘模制殼機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從一個(gè)角度抓取工件的鉗形指。通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，即采用上文所述滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。
圖3-3 機(jī)械抓原理圖
4.1.3 機(jī)械手的力學(xué)分析
下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿如圖3-2（a）為設(shè)計(jì)的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。
(a) (b)
1—手指 2—銷(xiāo)軸 3—杠桿
圖3-4 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析
在杠桿3的作用下，銷(xiāo)軸2向上的拉力為F，并通過(guò)銷(xiāo)軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷(xiāo)軸的反作用力為F1和F, 其力的方向垂直于滑槽的中心線(xiàn)OO1和OO2并指向點(diǎn)，交F1和F2的延長(zhǎng)線(xiàn)于A及B。
由=0 得 (3-1)
=0 得
由=0 得h (3-2)
F=
式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心的距離（mm）.
——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角，
該機(jī)械手為37°。
由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F一定時(shí)，角增大，則握力FN也隨之增大，但角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=30°至40°，所以該機(jī)械手選擇角度為37°。
1. 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算[2]：
(3-3)
式中 K1——安全系數(shù)，通常1.2至2.0；
K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度；
——運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度
——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取0.030.5s
——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇。
G——被抓取工件所受重力（N）。
表4-1 液壓缸的工作壓力
作用在活塞上外力F（kN）
液壓缸工作壓力MPa
作用在活塞上外力F,kN
液壓缸工作壓力MPa
小于5
0.8~1
20~30
2.0~4.0
5~10
1.5~2
30~50
4.0~5.0
10~20
2.5~3
50以上
5.0~8.0
計(jì)算：設(shè)a=20mm，b=30mm，10°<<40°；手爪達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為1s，求夾緊力FN和驅(qū)動(dòng)力F和驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。
設(shè)
根據(jù)公式，將已知條件帶入：
=1.510.52.59.81=18.4N
根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得：
取
(3-4)
確定液壓缸的直徑D
(3-5)
選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力p=0.81MPa,
(3-6)
選取液壓缸內(nèi)徑為：D=20mm
則活塞桿內(nèi)徑為:
d=200.5=10mm，選取d=10mm
2. 機(jī)械手夾持范圍計(jì)算
為了保證手抓張開(kāi)時(shí)可以釋放工件，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為9mm。手抓夾持范圍，手指長(zhǎng)30mm,當(dāng)手抓沒(méi)有張開(kāi)角的時(shí)候，如圖3-2(a)所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開(kāi)37°時(shí)，如圖3-2(b)所示，即可滿(mǎn)足松開(kāi)工件的要求。
所以機(jī)械手的夾持半徑從20~50mm
4.2 手臂部分設(shè)計(jì)
手臂是機(jī)械手完成各項(xiàng)動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是其運(yùn)動(dòng)部分的主體。
在上面分析了機(jī)械手的四種坐標(biāo)形式，綜合這四種坐標(biāo)形式運(yùn)動(dòng)的目的，是想達(dá)到人的手臂的功能，但是目前技術(shù)還是做不到的，因而把運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣臂部的結(jié)構(gòu)也就比較簡(jiǎn)單了。臂部和機(jī)座相連，可固定在地面上、機(jī)器上或懸掛在橫梁滑道上以及可行走的機(jī)架上。臂部前端連接腕部或直接連接手部。
手臂的作用在于將手爪移動(dòng)到所需的位置和承受工件、手部和腕部的重量。所以，臂部的結(jié)構(gòu)性能、工作范圍、承載能力和動(dòng)作位置精度直接影響機(jī)械手的工作性能。
手臂一般有以下幾部分組成：
1. 動(dòng)作元件：如直線(xiàn)缸、回轉(zhuǎn)缸、齒輪齒條、連桿凸輪……等，它是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的元件。動(dòng)作元件與驅(qū)動(dòng)源相配合，就能實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。
2. 導(dǎo)向裝置：手臂在靜止?fàn)顟B(tài)，要承受由夾持工件重量所產(chǎn)生的彎曲力，以及由于載荷不平衡而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩M。在運(yùn)動(dòng)時(shí)又有一個(gè)慣性力，為保證手爪的正確位置和動(dòng)作元件不受較大的彎曲力，手臂必須設(shè)置導(dǎo)向裝置。
3. 手臂：手臂上的動(dòng)作元件、導(dǎo)向裝置和其他裝置都要安裝在臂上，起支承、連接和承受外力的作用。所以需要臂具有足夠的剛性，以免承重后發(fā)生形變產(chǎn)生顫動(dòng)。
4. 其他裝置：如管路、冷卻裝置、位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)……等。
4.2.1 手臂部分設(shè)計(jì)要求
手臂部分設(shè)計(jì)首先要求實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)，需要滿(mǎn)足下列幾項(xiàng)要求。
1．手臂部分應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕
根據(jù)上述要求，在設(shè)計(jì)手臂時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行撓度計(jì)算，其變形量應(yīng)小于許可變形量。我們知道懸臂梁（應(yīng)當(dāng)指出機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)不是懸臂梁）的撓度計(jì)算公式[4]為：
式中：——撓度；
——彈性模數(shù)；
——載荷；
——慣性矩；
——懸臂長(zhǎng)。
從上式可知，撓度與載荷、懸臂長(zhǎng)成正比，而與彈性模數(shù)、慣性矩成反比。在與值已確定的情況下，只有增大值，才能減少梁的彎曲變形，而碳鋼和合金鋼的值差別不大，在之間。所以，為了提高剛度，從材質(zhì)上考慮意義不大，主要應(yīng)選用慣性矩大的梁?，F(xiàn)把幾種常用梁的慣性矩列表比較如下（見(jiàn)表2-1）。
從表2-1可知，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多，所以，機(jī)械手中常用無(wú)縫鋼管作導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作支撐板。這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重。但由于本課題中臘模制殼機(jī)械手各處受力均不大，可直接采用夜壓缸自體承受應(yīng)力。
設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該采取以下措施：
（1）在設(shè)計(jì)手臂部分時(shí)，元件越多，間隙越大，剛性就越低因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定補(bǔ)償環(huán)，以減少重要部位的間隙，從而提高剛性。
（2）全面分析手臂的受力情況，合理分配給手臂的各個(gè)部件，避免不利的受力情況出現(xiàn)；
（3）水平放置的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度，同時(shí)提高其配合和相對(duì)位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或大部分自重和抓取重量；
（4）提高活塞和剛體內(nèi)部配合精度，可以提高手臂在前伸縮時(shí)的剛性。
表4-2 幾種常用梁的慣性矩比較（以一種截面為例）
名稱(chēng)
截 面 形 狀
截 面 積
每米重量
慣性矩
為圓鋼的幾倍
圓鋼
1
鋼管
工字鋼
（16號(hào)斷面）
槽鋼
（20號(hào)斷面）
2．手臂運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來(lái)決定的。確定了生產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運(yùn)動(dòng)速度（或角速度）。在一般情況下，手臂的移動(dòng)和回轉(zhuǎn)均要求勻速運(yùn)動(dòng)（V和ω為常數(shù)），但在手臂的起動(dòng)和終止的瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的。為了減少?zèng)_擊，要求起動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程曲線(xiàn)如圖2-15所示。
圖3-5手臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程曲線(xiàn)
手臂伸縮時(shí)產(chǎn)生的慣性力[2]為：
式中： m ——質(zhì)量；
a ——加速度；
G ——手臂運(yùn)動(dòng)件重量；
g ——重力加速度（9.81米/秒2）；
——起動(dòng)或制動(dòng)前后的速度差；
——起動(dòng)或制動(dòng)所需的時(shí)間；
手臂回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩為：
式中：
——角加速度；
——起動(dòng)或制動(dòng)前后的角速度差；
J ——臂部回轉(zhuǎn)對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——臂部零件對(duì)其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——臂部零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)對(duì)臂部回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
——回轉(zhuǎn)半徑。
計(jì)算時(shí)，可以把形狀復(fù)雜的零件劃分為幾個(gè)簡(jiǎn)單的幾何形狀來(lái)計(jì)算。在有關(guān)書(shū)中可分別查出其的計(jì)算公式。
從上述公式可知，減少慣性力矩，可采用下列措施：
（1） 減少手臂運(yùn)動(dòng)部件的重量，如采用鋁合金等輕質(zhì)材料；
（2） 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓的尺寸，使手臂結(jié)構(gòu)緊湊小巧；
（3） 減少回轉(zhuǎn)半徑，在按排動(dòng)作順序時(shí)，一般是先縮會(huì)再回轉(zhuǎn)或盡可能在較小前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作。
（4） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中加緩沖裝置。
3．手臂部分動(dòng)作要靈活
要使手臂運(yùn)動(dòng)輕快靈活，手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊小巧，或在運(yùn)動(dòng)臂上加滾動(dòng)軸承或采用滾珠導(dǎo)軌。對(duì)于懸臂式機(jī)械手手臂上零件的布置要合理，以減少回轉(zhuǎn)升降支撐中心的偏重力矩。不然，會(huì)引起手臂振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使手臂與立柱卡住別壞。對(duì)于雙臂同時(shí)操作的機(jī)械手，應(yīng)使兩臂布置盡量對(duì)稱(chēng)以達(dá)到平衡。
4．位置精度要高
手臂的剛性好，偏重小，慣性力小，則位置精度就容易控制，所以設(shè)計(jì)手臂時(shí)要周密考慮和計(jì)算，還要合理的選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式。一般來(lái)說(shuō)，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和自動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，來(lái)控制手臂運(yùn)動(dòng)的位置精度；還要減少或消除各傳動(dòng)、嚙合件的間隙。
4.3 手臂部分結(jié)構(gòu)
手臂的運(yùn)動(dòng)是整個(gè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手，手臂需要完成三個(gè)運(yùn)動(dòng)，即手臂的伸縮、回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。
4.3.1 手臂伸縮運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)
手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)是一種往復(fù)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)可以采用往復(fù)直線(xiàn)液壓缸結(jié)構(gòu)、多級(jí)油缸結(jié)構(gòu)、滾珠絲杠結(jié)構(gòu)、直線(xiàn)缸和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。
在機(jī)械手中，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用直線(xiàn)缸結(jié)構(gòu)的最多。結(jié)構(gòu)如圖3-6所示
圖3-6
4.3.2 手臂伸縮油缸的計(jì)算
1. 液壓缸主要參數(shù)的確定[2]
（4-7）
為手臂的工作力當(dāng)手臂伸縮時(shí)默認(rèn)工作力為零
為導(dǎo)向桿所受摩擦力
為密封處的摩擦力
為回油路產(chǎn)生的阻力
（4-8）
有導(dǎo)向長(zhǎng)度a=50mm L=500mm =4.3Kg =0.2
計(jì)算可得
（4-9）
（4-10）
（4-11）
將公式（4-8）-（4-11）代入公式（4-7）有結(jié)果：
由于該缸既受拉又受壓所以有d=0.5D
所以有D=40mm d=20mm
則
2. 缸筒壁厚計(jì)算[4]
一般按薄壁缸筒計(jì)算，壁厚按下式確定
式中 D——液壓缸內(nèi)徑（m）；
p——液壓缸最高工作壓力（MPa）；
——缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa），鋼管的=100（MPa）；
——材料的抗拉強(qiáng)度極限（MPa）；
n ——安全系數(shù)，一般可取5。
設(shè)計(jì)壁厚為，足以滿(mǎn)足要求。
3．活塞桿直徑計(jì)算[4]
取d=20mm
按強(qiáng)度條件校核
現(xiàn)d=20mm>9.28
所以強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。
4．液壓缸的流量計(jì)算[4]
流量
有桿腔
則
4.4 定位缸
采用model VL單動(dòng)定位油缸。特點(diǎn)：體積小，精度高。原理如圖所示：
圖4-1 定位缸原理圖
選取尺寸規(guī)格如下：
工件孔徑（標(biāo)準(zhǔn)孔徑）mm：8H8
定位銷(xiāo)直徑mm：1、釋放（MAX）7.94
2、最大行程（MIN）8.05
重復(fù)定位精度mm：0.003
容許偏心量mm:±0.05
定位力N：260
該定位缸外形尺寸如圖5-2
圖4-2外形尺寸
結(jié)論
為了改善勞動(dòng)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，機(jī)械手受到很多國(guó)家的重視，并被廣泛運(yùn)用。
本文調(diào)查學(xué)習(xí)了機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了蠟?zāi)Ｖ茪C(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成了機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計(jì)工作。文章從蠟?zāi)Ｖ茪さ淖杂啥热胧痔岢隽艘惶卓傮w設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)機(jī)械手的生產(chǎn)工作要求選取圓柱坐標(biāo)系為本次設(shè)計(jì)坐標(biāo)系。同時(shí)，就機(jī)械手的組成以及現(xiàn)實(shí)作業(yè)，給出了具體的手部，臂部和機(jī)座的結(jié)構(gòu)形式；并選擇液壓驅(qū)動(dòng)作為本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
本設(shè)計(jì)還有很多不足之處，由于自身的知識(shí)儲(chǔ)備還很淺薄，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力的計(jì)算及系統(tǒng)分析上還有很多漏洞。這個(gè)都需要自己在以后的生活中不斷學(xué)習(xí)研究并通過(guò)實(shí)踐加以完善。
參考文獻(xiàn)
1 袁承訓(xùn).液壓與氣壓傳動(dòng). 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000年2月:20～60
2 《工業(yè)機(jī)械手圖冊(cè)》編寫(xiě)組.工業(yè)機(jī)械手圖冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社， 1978年9月:20～306
3 吉順平.可編程序控制器原理及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社,2011年1月:13～78
4 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).液壓傳動(dòng)與控制.機(jī)械工業(yè)出版社,2007年2月:34～190
5 黃清遠(yuǎn).機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社, 2000年2月:20～98
6 朱龍根,黃雨華.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械工業(yè)出版社,1996年5月:30～102
7 大連理工大學(xué)工程化教研室.機(jī)械制圖（第四版）.高等教育出版社,1974年3月:12～89
8 張利平,燈鐘明.液壓氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社,1997年9月:100～300
9 C.Y.Chow，An introductions of Fluid Mechanics． Willy． 1979：50-60
10 Durrant-Whyte.Sensor ．Models and Mutisensor Integertion. Journal of sensors．1992: 97-100
致 謝
經(jīng)過(guò)了兩個(gè)多月緊張而忙碌的畢業(yè)設(shè)計(jì)，已經(jīng)接近尾聲。在老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)的熱心幫助下，我終于完成了此次設(shè)計(jì)。前三年對(duì)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)，使我掌握了有關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)了我獨(dú)立的學(xué)習(xí)和思維方式。而本次的設(shè)計(jì)，使我將大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)做了系統(tǒng)的總結(jié)和復(fù)習(xí)，并在這次的設(shè)計(jì)中得到了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。這次設(shè)計(jì)比以前的課程設(shè)計(jì)等都要全面和系統(tǒng)，是對(duì)大學(xué)學(xué)習(xí)的一次全面的檢查。
我這次設(shè)計(jì)的是生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)抓取蠟?zāi)C(jī)械手。為了圓滿(mǎn)的完成設(shè)計(jì)，我查閱了機(jī)械手的一些資料，訪問(wèn)了國(guó)內(nèi)外的機(jī)械手網(wǎng)站，對(duì)當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的機(jī)械手有了一些了解。對(duì)機(jī)械手的工作原理等有了比較清晰的認(rèn)識(shí)。
由于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足，所學(xué)有限，雖然我已盡了最大努力，滿(mǎn)足基本設(shè)計(jì)要求，但是仍然有很多的問(wèn)題存在，有待以后進(jìn)一步解決。