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軸承坯料搬運機械手的設計
摘 要
機械手是一種機械技術與電子技術相結合的高技術產(chǎn)品。采用機械手是提高產(chǎn)品質量與勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術裝備。機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期、頻繁、單調的操作，采用機械手是有效的；此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題的主要內容是采用機械設計原理，進行三自由度搬運機械手的設計，熟悉三自由度機械手的運用場合和相關的設計步驟。機械手可以代替很多重復性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。結合三自由度設計的各方面的知識，在設計過程中學會怎樣發(fā)現(xiàn)問題．解決問題.研究問題。并且在設計中融入自己的想法和構思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機械手使用方便，結構簡單。
關鍵詞：機械手，輸送工件，搬運，三自由度
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ABSTRACT
Manipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.
This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three dof carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.
Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom
目 錄
第1章 緒 論 4
1.1機械手的歷史 4
1.2機械手的組成 5
1.3機械手的分類 6
第2章 搬運機械手機構總體方案設計 8
2.1搬運機械手設計要求 8
2.2基本設計思路 1
2.3搬運機械手結構設計 11
2.4 機械手材料的選擇 11
2.5機械臂的運動方式 11
2.6搬運機械手驅動與控制系統(tǒng)分析 12
第3章 搬運機械手機械結構設計與計算 13
3.1搬運機械手手爪設計 13
3.2 搬運機械手手臂設計 13
3.3 手部設計計算 16
3.4腕部設計計算 20
3.5液壓驅動系統(tǒng)設計 21
3.6機身結構的設計 23
第4章 機械手控制系統(tǒng)的設計 27
4.1 PLC簡介 27
4.2 PLC工作原理 27
4.3 PLC機型的選擇 27
4.4 PLC控制面板的擬定 29
4.5 機械手工藝過程和控制方案的確定 30
4.5 PLC程序編寫 33
總結與展望 40
參考文獻 41
致 謝 42
1 緒論
隨著人類科技的進步，社會經(jīng)濟的發(fā)展，機器人學成為近幾十年來迅速發(fā)展的一門綜合學科。它體現(xiàn)了光機電一體化技術的最新成就，機械手作為其中的佼佼者更是發(fā)揮了不可磨滅的作用。在人類社會中，凡是有機械活動的地方，都能看到機械手的身影。機械手產(chǎn)品的應用已經(jīng)由核工業(yè)和軍事科技等高端科學領域向醫(yī)療、農業(yè)甚至是服務娛樂等民用領域發(fā)展了，并且各式各樣的機械手正在涌現(xiàn)出來，以驚人的速度延伸到人類活動的各個領域。機械手是由于人類期望生產(chǎn)水平的提高，為了提升生產(chǎn)效率而出現(xiàn)的。然而由于機械手善于完成重復的，單調的，精確度要求高的工作，能取代人在惡劣的環(huán)境中完成人類不能或者不愿完成的工作，因此，機械手的出現(xiàn)又大大解放了人類的生產(chǎn)力。所以說機械手的發(fā)展是社會發(fā)展的結果，也是社會發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)在，很多發(fā)達國家都追逐著機械手這一發(fā)展趨勢，積極地進行著機械手的各種開發(fā)和研制的工作，并且其中一些國家已經(jīng)取代了不錯的成果，研制出了許多新型且實用的機械手或者是機器人。例如：日本的跳舞機器人、犬型機器人愛寶(AIBO)；。英國研制的履帶式“手推車”及“超級手推車”排爆機器人；美國iRobot公司推出了能避開障礙，自動設計行進路線吸塵器機器人Roomba；上海世博會使用過的福娃機器人等等。
由于機械手的迅猛發(fā)展，機械手進入學校教學是必然的。三自由度機械手作為是機械手的典型產(chǎn)品，其設計及應用對機電一體化、機械結構工藝、機械制造、自動化、電子信息等專業(yè)的教學及研究都有著很重要的意義。
1.1機械手的歷史
機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它是機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年，美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。
目前，機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節(jié)。
1.2 機械手的組成
一般來說，機械手主要有以下幾部分組成：
1. 手部(或稱抓取機構)：包括手爪、傳力機構等，主要起抓取和放置物件的作用。
2. 傳送機構(或稱臂部)：包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用。
3. 驅動部分：它是前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓、氣壓、電力和電機四種驅動形式。
4. 控制部分：它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序(程序)、位置和時間(甚至速度與加速度)等。
5. 其它部分：如機體、行走機構、行程檢測裝置和傳感裝置等。
1.2.1執(zhí)行機構
一般機械手的執(zhí)行機構由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機構組成。
1.2.2驅動機構
驅動機構主要有液壓驅動、氣動驅動、電動驅動和機械驅動等形式。不過目前還是以液壓和氣動用的最多。
液壓驅動具有體積小、出力大、控制性能好、動作平穩(wěn)等特點，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉運動。液壓驅動具有潤滑性能好、壽命長的特點，結構緊湊，剛性好。定位精度高，克實現(xiàn)任意位置開停。有很多專業(yè)機械手能直接利用主機的液壓系統(tǒng)。但缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。
氣動驅動結構簡單、造價低廉。氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa,最高可達1MPa。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
電動由于減速和回轉運動變往復運動機構復雜, 很少采用。機械式用于簡單的場合。
1.2.3控制機構
機械手的控制方式有點動和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。
1.3 機械手的分類
機械手從使用范圍、運動坐標形式、驅動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為：
1. 按使用范圍分類：
(1) 專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手”等等。這種機械手結構較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。
(2) 通用機械手 指具有可變程序和單獨驅動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動完成傳送物件或操作某些工具的機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。
2. 按運動坐標型式分類：
(1) 直角坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動)、左右移動(定為沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿Z方向的移動)；
(2) 圓柱坐標式機械手 手臂可以沿直角坐標軸的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉動(定為繞Z軸轉動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉動；
(3) 球坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉動，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動)、上下擺動(定為繞Y軸擺動)和左右轉動(仍定為繞Z軸轉動)；
(4) 多關節(jié)式機械手 這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉動。
3. 按驅動方式分類：
(1) 液壓驅動機械手 以壓力油進行驅動；
(2) 氣壓驅動機械手 以壓縮空氣進行驅動；
(3) 電力驅動機械手 直接用電動機進行驅動；
(4) 機械驅動機械手 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構等傳遞給機械手的一種驅動方式。
4. 按機械手的臂力大小分類：
(1) 微型機械手 臂力小于1㎏；
(2) 小型機械手 臂力為1－10㎏；
(3) 中型機械手 臂力為10－30㎏；
(4) 大型機械手 臂力大于30㎏。
我所設計的搬運機械手，是以搬運物料為目的的圓柱坐標式三自由度機械手。它采用液壓與機械傳動兩種驅動方式，屬于小型機械手。
第2章 搬運機械手機構總體方案設計
2.1 搬運機械手設計要求
圖1 機械手工作示意圖
(1) 初始狀態(tài)，按啟動按鈕傳送帶A開始傳送物料，光電傳感器開始工作，機械手回原點。
(2) 當光電傳感器檢測到有物料時，傳感器將信號傳給機械手，機械手開始工作。
(3) 機械手從初始位置開始運動，通過機械手臂的旋轉，機械手抓伸出，機械臂下降，機械手抓抓緊來獲得傳送帶A上的物料。
(4) 獲得物料后，通過機械臂升降，機械手抓的伸縮，機械臂旋轉，機械手抓的放松，將物體運送到傳送帶B上。
(5) 機械手完成這一系列動作后，開始重復工作。
2.2 基本設計思路
2.2.1 系統(tǒng)分析
機械手是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、提高勞動生產(chǎn)率的一種有力工具。要在一個生產(chǎn)過程中實現(xiàn)自動化，需要對各種機械化、自動化裝置進行綜合的技術和經(jīng)濟分析，從而判斷機械手是否合適。所以要完成機械手的設計，一般要先做如下工作：
(1) 根據(jù)機械手的使用場合，明確機械手的目的和任務。
(2) 分析機械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境。
(3) 認真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機械手的基本功能和方案，如機械手的自由度數(shù)目、動作速度、定位精度、抓取重量等。進一步根據(jù)抓取、搬運物體的質量、形狀、尺寸及生產(chǎn)批量等情況，來確定機械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。
對此，我進行如下分析：
(1) 本設計課題為物料傳送機械手設計，是通過機械手進行兩地物料運輸?shù)臋C械手。而機械手的使用場合，非常廣泛，要涉及到物料的狀態(tài)，運作流水線的環(huán)境等等因素，相較于我所掌握的理論知識和能力，我選擇非批量生產(chǎn)的小型物體加工流水線上的物料傳送機械手。
(2) 由于我所選擇的機械手是非批量生產(chǎn)的小型物體加工流水線上的物料傳送機械手，所以，機械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境一定是工廠，要求精度高，容錯率低，速度快。
（3）再者是搬運物體的考慮，由于是小型物件，所以對機械手的抓取力量并無太高要求，而物體形狀初步擬定為圓柱形，方便設計。
2.2.2 總體設計框圖
圖2 總體設計框圖
如圖2為總設計框圖，說明如下：
(1) 控制系統(tǒng)：任務是根據(jù)機械手的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來的信號，控制機械手的執(zhí)行機構，使其完成規(guī)定的運動和功能。主要設計目標為CPU的選擇，CPU程序的編寫調試等。
(2) 驅動系統(tǒng)：驅動系統(tǒng)工作的驅動裝置。
(3) 機械系統(tǒng)：包括機身、機械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標形式，并計算得出具體結構。
(4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。
2.2.3 搬運機械手的基本參數(shù)
1. 機械手的最大搬運物料的重量是它的主參數(shù)。本論文物料傳送機械手所搬運的物料質量可設定為5kg。
2. 運動速度直接影響機械手的動作快慢和機械手動作的穩(wěn)定性，所以運動速度也是是物料物料傳送機械手的一個主要的基本參數(shù)。設計速度過低的話，會無法滿足機械手的動作功能，限制機械手的使用范圍。設計的速度過高又會加重機械手的負載并影響機械手動作的平穩(wěn)性。該機械手的最大平移速度為1m/s。
3. 伸縮行程和工作半徑是決定機械手工作范圍及整機尺寸的關鍵，也是機械手設計的基本參數(shù)。過大的工作半徑和伸縮行程，會增大機械手的運動負載，使得機械手剛性降低，而工作半徑過小則不能夠實現(xiàn)機械手的功能，限制了機械手的應用和擴展性。本論文物料傳送機械手設定水平反向伸縮行程200mm，回轉角度范圍為90°。機械手豎直方向的升降行程為100mm。
4.定位精度也是機械手的主要基本參數(shù)之一。機械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味著成本的增加。綜合考慮，該物料傳送機械手的定位精度設定為士0.5到士1mm之間。物料傳送機械手的各個部分的基本參數(shù)可以由上面已經(jīng)知道的物料傳送機械手各關節(jié)的行程和時間分配來決定。
表1 物料傳送機械手基本參數(shù)（自定）
水平機構
伸出范圍：
0~500mm
垂直機構
升降范圍：
100mm
伸出速度：
334mm/s
上升速度：
200mm/s
收縮速度：
334mm/s
下降速度：
200mm/s
定位精度：
士1mm
定位精度：
士1mm
回轉機構
回轉角度：
180°
手爪
搬運范圍
<Φ500mm
回轉速度：
90°/s
定位精度：
士5'
2.3 搬運機械手結構設計
2.3.1 搬運機械手坐標形式的選擇
根據(jù)所設計的機械手的運動方式：機械臂的轉動，機械臂的升降，機械臂的伸縮，得到了機械臂的三個自由度。根據(jù)上文所說的，機械手按照坐標的分類情況，選擇圓柱坐標式機械手更為妥當。
2.4 機械手材料的選擇
機器人手臂的材料應根據(jù)手臂的工作狀況來進行選擇，并滿足機器人的設計和制作要求。從設計的思想出發(fā)，機器人手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這必然大大降低它的運動精度。所以在選擇材料時，需要對質量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。此外，機器人手臂選用的材料與一般的結構材料不同。機器人手臂是一種伺服機構，要受到控制，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時，可控性還要和材料的可加工性、結構性、質量等性質一起考慮。
總之，選擇機器人手臂的材料時，要綜合考慮強度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價格等多方面因素。下面介紹幾種機器人手臂常用的材料：
(l)碳素結構鋼和合金結構鋼等高強度鋼:這類材料強度好，尤其是合金結構鋼強度增加了4~5倍、彈性模量E大、抗變形能力強，是應用最廣泛的材料;
(2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料:其共同特點是重量輕、彈性模量E不大，但是材料密度小，則E/p之比仍可與鋼材相比;
(3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質，但是脆性大，可加工型不好，與金屬等零件連接的接合部需要特殊設計。然而，日本己試制了在小型高速機器人上使用的陶瓷機器人手臂的樣品;
從本文設計的機械手的角度來看，在選用材料時不需要很大的負載能力，也不需要很高的彈性模量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各種因素和結合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機械臂的構件
2.5機械臂的運動方式
根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結構設計的基礎。常見的機器人的運動形式有五種:直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關節(jié)型和SCARA型。同一種運動形式為適應不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結構。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場、位置以及搬運前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。
考慮到機械手的作業(yè)特點，即要求其動作靈活、有較大的工作空間、且要求結構緊湊、占用空間小等特點，故選用關節(jié)型機械手。這類機械手一般由2個肩關節(jié)和1個肘關節(jié)進行定位，由2個或3個腕關節(jié)進行定向。其中，一個肩關節(jié)繞鉛直軸旋轉，另一個肩關節(jié)實現(xiàn)俯仰。這兩個肩關節(jié)軸線正交。肘關節(jié)平行于第二個肩關節(jié)軸線，如圖所示。這種構形動作靈活、工作空間大、在作業(yè)時空間內手臂的干涉最小、結構緊湊、占地面積小、關節(jié)上相對運動部位容易密封防塵。但是這類機械手運動學比較復雜，運動學的反解比較困難;確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進行控制時，計算量比較大。
圖3 常見的運動方式
2.6 搬運機械手驅動與控制系統(tǒng)分析
2.6.1 驅動方式的選擇
機械手常用的驅動方式主要有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種基本形式。
液壓驅動的特點是功率大、結構簡單，可省去減速裝置，響應快，精度較高。但是需要有液壓源，而且容易發(fā)生液體泄漏。
氣壓驅動的能源、結構都比較簡單，但與液壓驅動相比，功率較小，速度不易控制，精度不高。
電機傳動能源簡單，機構速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高，使用方便，噪聲低，控制靈活。
起初，我先選擇電動機的傳動結構，但是考慮到機械手的升降運動運用純機械結構并不能達到理想傳動效果。而機械手臂旋轉如若使用氣壓或者液壓傳動，就必須帶有旋轉氣壓或者旋轉液壓缸，相對來說結構較為復雜，不利于設計。
故改良方案，將驅動方式分成兩個部分。其中，機械臂的回轉采用電機傳動的驅動方式，通過電機帶動齒輪鏈進行旋轉傳動；而機械臂的伸縮、升降和機械手抓的抓取，都采用氣壓驅動方式。
2.6.2 控制系統(tǒng)的選擇
這里選擇用PLC控制的控制系統(tǒng)。
3 搬運機械手機械結構設計與計算
3.1 搬運機械手手爪設計
設計時考慮的幾個問題：
1. 具有足夠的夾緊力：在確定手爪的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
2. 手爪間應具有一定的開閉角：兩手爪張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手爪的開閉角。手爪的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手爪只有開閉幅度的要求。
3. 保證工件準確定位：為使手爪和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手爪形狀?？紤]被抓取對象的要求，手爪形狀設計成V型。
4. 具有足夠的強度和剛度：手爪除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，應當盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小。
3.2 搬運機械手手臂設計
機械手臂，在我的設計中，涉及到三個自由度：升降、伸縮、旋轉。水平手臂作伸縮用，而垂直手臂則有兩部分組成。與底座連接部分為機械臂旋轉部分，通過電機帶動齒輪鏈使得機械臂旋轉；上面部分為機械臂升降部分，通過氣壓驅動控制機械臂的升降。所以，我將機械手臂的設計分為三個步驟，先完成垂直臂的設計，再完成水平臂的設計。
3.2.1 伸縮機械臂的設計
1.尺寸校核
(1) 在校核尺寸時，只需校核氣壓缸內徑=50mm,半徑R=25mm的氣壓缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強,則驅動力：
(3-1)
（2）分析計算伸縮手臂加速度：
如下圖所示，,將其分為三段，分別為加速狀態(tài)，勻速狀態(tài)和減速狀態(tài)。切運動距離L為500mm，所以有公式：
(3-2)
又有加速度公式 (3-3)
(3) 測定手臂質量為,加速度，則慣性力：
(3-4)
(4) 考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù),
(3-5)
總受力 (3-6)
所以氣壓缸的尺寸符合實際使用驅動力要求。
3.2.2 升降機械臂的設計
1. 尺寸設計
氣壓缸運行長度設計為=80mm,氣壓缸內徑為=80mm,半徑R=40mm,壓強p=0.4MPa,則驅動力：
(3-7)
2. 尺寸校核
（1）測定手臂質量為,則重力：
(3-8)
(2) 分析計算伸縮手臂加速度：
如下圖所示，,將其分為三段，分別為加速狀態(tài)，勻速狀態(tài)和減速狀態(tài)。切運動距離L為100mm，所以有公式：
(3-9)
又有加速度公式 (3-10)
則慣性力為： (3-11)
（3）考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)，如圖所示：
若安裝時升降臂完全豎直，則摩擦力為零。但在實際操作中，不能達到此效果，所以設定偏斜角度為1°～3°。所以重力G在機械臂面上有一個分力對機械臂側面產(chǎn)生壓力，故產(chǎn)生了摩擦力。則有公式：
(3-11)
(3-12)
總受力 (3-13)
所以設計尺寸符合實際使用要求。
3.2.3 旋轉機械臂的設計
如圖所示，旋轉機械臂固定在底座上。對于其傳動方式，我選擇了齒形帶傳動。通過電動機帶動齒輪O1，經(jīng)由齒形帶傳動，達到讓齒輪O2轉動的效果。同時，旋轉臂與齒輪O2通過鍵連接達到旋轉臂轉動效果。
圖4 齒輪鏈傳動原理圖
齒輪帶的傳動比計算公式為
(3-14)
齒輪帶的平均速度為
(3-15)
3.3 手部設計計算
(1)對手部設計的要求
(a)有適當?shù)膴A緊力
手部在工作時，應具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。
(b)有足夠的開閉范圍
根據(jù)工件外圓大小,夾持的大小直徑必須大于120mm 。
夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖5所示。
圖5 機械手機構開閉示例簡圖
(c) 力求結構簡單，重量輕，體積小
手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個機械手機構的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。
(d) 手指應有一定的強度和剛度
(e)其它要求：
因此送料，夾緊機械手機構，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。
(2)拉緊裝置
如圖6所示：油缸右腔停止進油時，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進油時松開工件。
P
圖6油缸示意圖
（a）右腔推力為
設定活塞的直徑D=50mm,系統(tǒng)壓力P=25Mpa
（3-16）
=
=4908.7N
(b)根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為：
（3-17）
其中 N′=498N=392N，帶入公式2.2得：
=(2150/50)（cos30o）2392
=1764N
則實際加緊力為 F1實際=PK1K2/η （3-18）
=17641.51.1/0.85=3424N
經(jīng)圓整F1=3500N
由公式得：
a=50.5 mm
b=72 mm
(c)計算手部活塞桿行程長L,即
（3-19）
=25×tg30o
=23.1mm
經(jīng)圓整取l=25mm
(d)確定“V”型鉗爪的L、β。
取L/Rcp=3 （3-20）
式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3-21）
由公式得：L=3×Rcp=150
取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉角β按最佳偏轉角來確定，
查表得：
β=22o39′
(5)機械運動范圍（速度）
(a)伸縮運動 Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
(b)上升運動 Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
(c)下降Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
(d)回轉 =90o/s
=30o/s
所以取手部驅動活塞速度V=60mm/s
(6)手部右腔流量
（3-22）
=60
=60×3.14×252
=1177.5mm3/s
(7)手部工作壓強
（3-23）
=3500/1962.5=1.78Mpa
3.4 腕部設計計算
腕部是聯(lián)結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。
要求：回轉±90o
角速度=45o/s
以最大負荷計算：
當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長度l =650mm。如圖7所示。
(1)計算扭矩
設重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩為：
（3-24）
=10×9.8×0.2=19.6（N·M）
工件
F
S
F
圖7 腕部受力簡圖
(2)油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩
F =5kg S =10cm
帶入公式2.9得
=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
(3)擺動缸的摩擦力矩
=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
=×S =6（N·M）
(4)擺動缸的總摩擦力矩
=++ （3-25）
=30.5（N·M）
(5)由公式
（3-26）
其中： b—葉片密度，這里取b=3cm；
—擺動缸內徑, 這里取=10cm；
—轉軸直徑, 這里取=3cm。
所以代入公式
=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106
=0.89Mpa
又因為
所以
=（π/4）（0.12-0.032）×0.03/8
=0.27×10-4m3/s
=27ml/s
3.5 液壓驅動系統(tǒng)設計
液壓控制機械手機構的一種主要的控制形式。機械手機構的運動速度和操作室根據(jù)油的流量與壓力來確定，因而只要控制油的流量和壓力，就可以控制機械手機構的運動速度和操作力，油壓壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內，最大臂力可達160公斤以上。
主要優(yōu)點：
(1)液壓執(zhí)行元件(馬達和油缸)結構緊湊，重量輕，功率小。
(2)可通過液壓油帶走大量熱能，保證機械的正常運行，并由于液壓油的潤滑作用，可延長元件的使用壽命。
(3)液壓元件有直線位移式和旋轉式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調節(jié)就能實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
(4)響應速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強。
(5)液壓元件于其他驅動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。
缺點:
(1)液壓控制需要一套液壓系統(tǒng)，不像電力容易獲得，而且價格較貴。
(2)油溫有上限，并難以保持不漏，比較臟，易于使閥和執(zhí)行元件堵塞。
(3)控制系統(tǒng)比較復雜，處理功率訊號的數(shù)學運算誤差，檢測，放大，測試和補償功能不如電子，機電裝置靈活簡便?？傮w系統(tǒng)圖
圖 8 總體系統(tǒng)圖
(1)總體系統(tǒng)圖如圖8所示,
(2)工作過程:
小臂伸長→手部抓緊→腕部回轉→小臂回轉→小臂收縮→手部放松
(3)電磁鐵動作順序表:
表2總體系統(tǒng)圖
元件
動作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
小臂伸長
手部抓緊
腕部回轉
小臂收縮
手部放松
卸荷
-
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
±
+
-
-
-
+
±
-
-
+
-
-
±
-
-
-
-
-
±
(4)確電機規(guī)格：
液壓泵選取CB-D型液壓泵，額定壓力P =10Mpa，工作流量在32～70ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵，
因此：傳動功率 （3-27）
式中：η=0.8 （經(jīng)驗值）
所以代入公式得：
N =10×80×103×106/60×0.8
=16.7KN
選取電動機JQZ-61-2型電動機，額定功率17KW，轉速為2940r/min。
3.6機身結構的設計
機身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降、回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者就直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜，機身既可以是固定式的，也可以是行走式的
臂部和機身的配置形式基本上反映了機械手機構的總體布局。本課題機械手機構的機身設計成機座式，這樣機械手機構可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型機械手機構。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的要求。
3.6.1 電機的選擇
機身部使用了兩個電機，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉運動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶動機身回轉的電機安裝在混凝土地基上。
帶動臂部升降的電機：
初選上升速度 V =100mm/s
P =6KW
所以n =（100/6）×60=1000轉/分
選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表3 Y90S-4電動機技術數(shù)據(jù)所示：
表3 Y90S-4電動機技術數(shù)據(jù)
型號
額定功率KW
滿載時
堵轉電流
堵轉轉矩
最大轉矩
電流A
轉速r/min
效率%
功率因素
額定電流
額定轉矩
額定轉矩
Y90S-4
1.1
2.7
1400
79
0.78
6.5
2.2
2.2
3.6.2 螺柱的設計與校核
螺桿是機械手機構的主支承件，并傳動使手臂上下運動。
螺桿的材料選擇：
從經(jīng)濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。
螺距 P =6mm 梯形螺紋
螺紋的工作高度 h =0.5P （3-28）
=3mm
螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （3-29）
螺桿強度 = σs/3～5 （3-30）
=150/3～5
=30～50Mpa
螺紋牙剪切 =40
彎曲=45～55
(1)當量應力
(3-31)
式中 T——傳遞轉矩N·mm
[σ]——螺桿材料的許用應力
所以代入公式得：
=
=
=（2495/ d12）2+3（61.2/ d13）2≤900～2500×1012
=6225025/d14+11236/d16≤900～2500×1012
6225025d12+11236≤900d16×1012
6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012
即16471pa＜535340pa
合格
(2)剪切強度
=160/6 （旋合圈數(shù)） （3-32）
（3-33）
=200×9.8/π×0.029×3.9×（160/6）×10-3
=206.8×103pa
=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa
(3)彎曲強度
=3×200×9.8×3/π×2.9×3.92×（160/6）
=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa
合格
3.6.3 機座的機械結構示意圖
帶動機身回轉的電機：
初選轉速 W =60o/s
N =1/6轉/秒
=10轉/分
由于齒輪 I =3
減速器 I =30
所以 n =10×3×30=900轉/分
選擇 Y90L-6型籠型異步電動機
電動機采用B級絕緣。外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表4 Y90S-6電動機技術數(shù)據(jù)所示：
表4 Y90L-6電動機技術
型號
額定功率KW
滿載時
堵轉電流
堵轉轉矩
最大轉矩
電流
A
轉速
r/min
效率
%
功率因素
額定電流
額定轉矩
額定轉矩
Y9OL-6
1.1
3.2
910
73.5
0.72
6.0
2.0
2.0
機座的機械結構如圖9所示:
軸承坯料搬運機械手的設計
4 搬運機械手控制系統(tǒng)的設計
4.1 PLC簡介
PLC(Programmable Logic Controller)，是可編程邏輯控制器。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。
PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：(1)電源；(2)中央處理單元(CPU)；(3)存儲器；(4)輸入輸出接口電路；(5)功能模塊；(6)通信模塊。
4.2 PLC工作原理
當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。
1.輸入采樣階段
2.用戶程序執(zhí)行階段
3.輸出刷新階段
4.3 PLC機型的選擇
我選擇使用三菱PLC。原因如下：
首先是語言方面。西門子的編程語言相當復雜。不僅有我們學過的LAD(梯型圖)，F(xiàn)BD(功能圖)，STL(語句表)，還有我們沒有接觸到的許多編程方式。對于我們這些大學生來說，西門子編程語言太過繁瑣，不適合我們短時間的設計理解。
在程序結構上，西門子采用結構化設計，而且在用戶界面上，將數(shù)據(jù)和程序代碼嚴格分開。而三菱就相對比較簡單，方便我們快速掌握。
綜上，因為本次工藝流程設計的語言較為簡單，只需要簡單的指令編程即可實現(xiàn)，三菱可以對整體的I/O進行預先設置是直接方式還是刷新方式，而且有指令可以實現(xiàn)對局部I/O的立即刷新執(zhí)行。有利于程序的設計，所以故選用三菱PLC。
4.3.1 PLC機型的選擇
因每種品牌配置不一樣，所以它的選型方式也有所差異。
三菱PLC的型號有多種多樣，F(xiàn)R-FX1N、FR-FX1S、FR-FX2N、FR-FX3U、FR-FX2NC、FR-A FR-Q
要選擇相對應的機型，就要分析被控對象：
此次PLC需要控制的對象為物料傳送機械手，由于用途比較固定，I/O點數(shù)并不復雜，所以選擇小型PLC即可。故選擇三菱PCL中FX1N系列的PLC。
4.3.2 所選PLC的參數(shù)
表5 FS1S系列PLC的參數(shù)
項目
規(guī)格
備注
運轉控制方式
通過儲存的程序周期運轉
I/O控制方法
批次處理方法
I/O指令可以刷新
運轉處理時間
基本指令：0.55至0.7μs
應用指令：3.7至幾百μs
編程語言
邏輯梯形圖和指令清單
使用步進梯形圖生成SFC類型程序
程式容量
內置2K步EEPROM
存儲盒(FX1n-EEPROM-8L)可選
I/O配置
最大總I/O由主處理單元設置
指令數(shù)目
基本順序指令：27
步進梯形指令：2
應用指令：85
最大可用167條應用指令，包括所有的變化
輔助繼電器(M)
一般
384點
M0至M383
鎖定
128點（子系統(tǒng)）
M384至M511
特殊
256點
M8000至M8255
狀態(tài)繼電器(S)
一般
128點
S0至S127
初始
10點（子系統(tǒng)）
S0至S9
定時器(T)
100毫秒
范圍：0至3276.7秒63點
T0至T55
10毫秒
范圍：0至327.67秒31點
當特殊M線圈工作時T32至T62
1毫秒
范圍：0.001至32.767秒1點
T63
計數(shù)器(C)
一般
范圍：1至32767數(shù)16點
C0至C15
類型：16位增計數(shù)器
鎖定
范圍：1至32767數(shù)16點
C16至C31
類型：16位增計數(shù)器
數(shù)據(jù)寄存器(D)
一般
128點
D0至D127
32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲寄存器對
鎖定
128點
D128至D255
32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲寄存器對
外部調節(jié)
范圍：0至255 2點
通過外部設置電位計間接輸入D8013或D8030&D803114數(shù)據(jù)
特殊
256點（包含D8030，D8031）
從D8000至D8255
16位數(shù)據(jù)存儲寄存器
變址
16點
V和Z
16位數(shù)據(jù)存儲寄存器
指標(P)
用于CALL
64點
P0至P64
用于中斷
6點
100*至130*
（上升觸發(fā)*=1，下降觸發(fā)*=0）
常數(shù)
十進位K
16位：-32768至+32768
32位：-2147483648至+2147483647
十六進位H
16位：0000至FFFF
32位：00000000至FFFFFFFF
4.4 PLC控制面板的擬定
我初步設想的機械手工作，有三種工作狀態(tài)：第一種是自動工作，用于批量物料搬運，使用時間長，普遍；第二種是單步工作，就是機械手只運送一次工件就停止運行，用于個別物料的搬運，使用時間不長；第三種為手動操作，是根據(jù)實際情況人為操作的控制方式。
圖10 建議控制面板的設計
4.5 機械手工藝過程和控制方案的確定
4.5.1 明確工藝要求
(1) 初始狀態(tài)，按啟動按鈕傳送帶A開始傳送物料，光電傳感器開始工作，機械手回原點。
(2) 當光電傳感器檢測到有物料時，傳感器將信號傳給機械手，機械手開始工作。
(3) 機械手從初始位置開始運動，通過機械手臂的旋轉，機械手抓伸出，機械臂下降，機械手抓抓緊來獲得傳送帶A上的物料。
(4) 獲得物料后，通過機械臂升降，機械手抓的伸縮，機械臂旋轉，機械手抓的放松，將物體運送到傳送帶B上。
(5) 機械手完成這一系列動作后，自行復位，開始重復工作。
(6) 傳送帶B獲得物體后，