搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)正文

———————————————————————————————————————————————搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)正文南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文4-DOF搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：指導(dǎo)老師：班級(jí)：摘要：在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平。目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作。本文研究了國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了四自由度搬運(yùn)機(jī)器人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的強(qiáng)度計(jì)算，完成了搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械方面的設(shè)計(jì)（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）和簡(jiǎn)單的三維實(shí)體造型工作。本設(shè)計(jì)為四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其工作方向?yàn)閮蓚€(gè)直線方向、一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向和一個(gè)氣爪運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括由三個(gè)電磁閥控制的氣缸來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上升下降運(yùn)動(dòng)及夾緊工件的動(dòng)作，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)器人的正反轉(zhuǎn)。在控制器的作用下，搬運(yùn)機(jī)器人執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作。設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，本文是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作較全面的介紹和總結(jié)。關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)器人，強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師簽名：1南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文Structuredesigningof4-DOFhandlingrobotStudentname:Supervisor:Class:Abstract：Inthemodernlarge-scalemanufacturingindustry,enterprisestoimproveproductivity,and,guaranteeproductquality,asanimportantpartoftheautomationproductionline,industrialrobotsaregraduallyapprovedandadoptedbyenterprises.Industrialrobottechnologystandardsandapplicationlevel,toacertainextent,reflectalevelofnationalindustrialautomation.Currently,Industrialrobotmainlytaskedwithwelding,spraying,handlingandstacking,repetitiveandintensityofsignificantwork.Thispaperstudiesthecurrentsituationofthedevelopmentofmechanicalhand,bystudyingtheworkingprincipleoftherobot,familiarwithhandlingrobotlocomotionmechanism.Onthisbasis,identified4-DOFofhandlingrobot'sbasicsystemarchitecture,simplestrengthcalculationwasmadeonhandlingrobotstructure,finishhandlingrobotmechanicaldesign(includingtransmissionpart,operativ，achievetheincreaseddeclineinsportsandworkpiececlampingaction,asteppermotorcontrolmanipulatorpositiveinversion.Controlleronlyallowsthesedevicesmovefromoneassemblylinetootherassemblylineinspace,performrelativelysimpletaskes.Designedofthehandlingrobotusedinautomaticproductionline,realizingtheautomaticproduction,reduceindustrialworkersmuchrepetitivework,alsocanimprovelaborproductivity.Thispaperismorecomprehensiveintroductionandsumming-upfortheforthewholedesignwork.Keywords：Transferrobot,Strengthcalculation,Structuredesign2南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文SignatureofSupervisor:目錄摘要.............................................................................................................................................1Abstract.........................................................................................................................................2目錄.............................................................................................................................................31緒論.....................................................................................................................................4搬運(yùn)機(jī)器人概述...............................................................................................................4搬運(yùn)機(jī)械人的應(yīng)用簡(jiǎn)況...................................................................................................6搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用意義...................................................................................................7機(jī)械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢(shì).......................................................................................7本論文的主要工作...........................................................................................................92搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案...............................................................................................10自由度和坐標(biāo)系的選擇.................................................................................................10搬運(yùn)機(jī)器人的組成.........................................................................................................11搬運(yùn)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù).................................................................................................13搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖.....................................................................................................143零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)..............................................................................................................15夾持式手部結(jié)構(gòu).............................................................................................................15臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算.................................................................................................16步進(jìn)電機(jī)的選型.............................................................................................................21聯(lián)軸器的選擇設(shè)計(jì).........................................................................................................22機(jī)座設(shè)計(jì)及電磁閥的選擇............................................................................................244結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算、尺寸設(shè)計(jì)與校核...................................................................................28手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核.................................................................................28手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核.................................................................................29步進(jìn)電機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)與校核.........................................................................................30總體結(jié)構(gòu)圖、實(shí)體圖的繪制.........................................................................................325控制系統(tǒng)...........................................................................................................................34的主要特點(diǎn).............................................................................................................343南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文的發(fā)展階段.............................................................................................................35的選擇.....................................................................................................................35機(jī)械手的循環(huán)工作說明.................................................................................................366結(jié)論...................................................................................................................................37參考文獻(xiàn).......................................................................................................................................39致謝...............................................................................................................................................41附錄A4-DOF搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1緒論搬運(yùn)機(jī)器人概述搬運(yùn)機(jī)器人在實(shí)際的工作中就是一個(gè)機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。4南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)操作機(jī)器人來進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外通常被稱之為“MechanicalHand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1-1所示。圖1-1機(jī)器人的一般組成對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙5南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2所示。圖1-2機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。搬運(yùn)機(jī)械人的應(yīng)用簡(jiǎn)況在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75％是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5％。從這里可看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)機(jī)搬運(yùn)械手主要應(yīng)用于以下幾方面：1）熱加工方面的應(yīng)用熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。6南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文2）冷加工方面的應(yīng)用冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。3）拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手，可用以對(duì)客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以改善勞動(dòng)條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用意義在機(jī)械工業(yè)中，搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用意義可以概括如下：1）可以提高生產(chǎn)過程的自動(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。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)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械人代替人手進(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7南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文自動(dòng)生產(chǎn)線上，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)。綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)器人是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。機(jī)械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢(shì)專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。機(jī)器手發(fā)展概況早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特(Unimate)機(jī)械手即屬于這種類型。60～70年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。80-90年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。90年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展?？傊壳皺C(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代：第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)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，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一環(huán)。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計(jì)8南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)目前國內(nèi)工業(yè)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、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、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)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(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)械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高精度，減少?zèng)_擊，定位精確，以更好地發(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、視覺等性能地機(jī)械手，并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)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。在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某些智能的機(jī)械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)，即能更正，并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計(jì)算機(jī)。工作時(shí)，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機(jī)械手裝配?，F(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)9南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。本論文的主要工作本文研究了國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了四自由度搬運(yùn)機(jī)器人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的強(qiáng)度計(jì)算，完成了搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械方面的設(shè)計(jì)（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）和簡(jiǎn)單的三維實(shí)體造型工作。本課題將要完成的主要工作如下:1)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度；2)確定四自由度搬運(yùn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型；3)確定四自由度搬運(yùn)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；4)設(shè)計(jì)出機(jī)械人的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)。為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)；5)零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算與校核；6)繪制機(jī)器人的各零部件圖，并完成搬運(yùn)機(jī)器人裝配圖，最后運(yùn)用三維軟件畫出實(shí)體圖；7）控制方案的設(shè)計(jì)。2搬運(yùn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手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。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是氣動(dòng)上下料機(jī)械手，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，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。自由度和坐標(biāo)系的選擇機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)10南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文立運(yùn)動(dòng)數(shù)，對(duì)于一個(gè)構(gòu)件來說，它有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)就稱其有幾個(gè)自由度。各運(yùn)動(dòng)部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動(dòng)作是比較困難的，因?yàn)槿说氖种?、掌、腕、臂?9個(gè)關(guān)節(jié)組成，共有27個(gè)自由度。而生產(chǎn)實(shí)踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6個(gè)（不包括手部）。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人為4自由度即：手爪張合；臂部伸縮；臂部升降；臂部回轉(zhuǎn)。工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下：1)直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。2)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。3)球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。4)關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。根據(jù)要求及在實(shí)際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)。11南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文(a)直角坐標(biāo)型（b）圓柱坐標(biāo)型（c）球坐標(biāo)型（d）關(guān)節(jié)型圖2-1四種機(jī)器人坐標(biāo)形式搬運(yùn)機(jī)器人的組成搬運(yùn)機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)1）手部手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計(jì)的手部選擇氣動(dòng)手爪手部結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件如圖2-2。12南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文圖2-2搬運(yùn)機(jī)器人手部執(zhí)行部件示意圖如圖2-2的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，手部執(zhí)行依靠氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其張合運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力也必將大。2）腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。3）臂部手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）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，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，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13南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)臂部的上下移動(dòng)、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程：100mm；伸縮速度：200mm/s；升降行程：200mm；升降速度：250mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：0~180。機(jī)器人手臂的伸縮使其手臂的工作長(zhǎng)度發(fā)生變化，在圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長(zhǎng)度決定其末端所能達(dá)到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。4）機(jī)座機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對(duì)固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面上，對(duì)可移動(dòng)式機(jī)器人，則安裝在移動(dòng)結(jié)構(gòu)上。機(jī)身由臂部運(yùn)動(dòng)（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機(jī)構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上。臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)身選用升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)；臂部和機(jī)身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動(dòng)源來自步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是搬運(yùn)機(jī)器人的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。液壓驅(qū)動(dòng)壓力高，可獲得大的輸出力，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便，但是，液壓元件成本高，油路比較復(fù)雜。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓力低，輸出力較小如需要輸出力大時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸過大，阻尼效果差低速不易控制，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)有：異步電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，且隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也逐漸提高。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合驅(qū)動(dòng)的方式。控制機(jī)構(gòu)考慮到機(jī)械手的通用性，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)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(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。搬運(yùn)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1)用途：用于車間搬運(yùn)2)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：a)抓重：1Kg(平行氣爪)；b)自由度數(shù)：4個(gè)自由度（手爪張合；臂部伸縮；臂部回轉(zhuǎn)；臂部升降4個(gè)運(yùn)動(dòng)）；14南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文c)坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)系；d)最大工作半徑：300mm；e)手臂最大中心高：591mm；f)手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù):伸縮行程：100mm；伸縮速度：200mm/s升降行程：200mm升降速度：250mm/s回轉(zhuǎn)范圍：0～180°回轉(zhuǎn)速度：45°/s搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖2-3圖2-3四自由度搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1-步進(jìn)電機(jī)2-標(biāo)準(zhǔn)氣缸3-標(biāo)準(zhǔn)氣缸4-平行氣爪3零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文夾持式手部結(jié)構(gòu)機(jī)器人的手部是機(jī)器人最重要的部件之一，從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同。其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計(jì)的，按握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類：1）夾持式：包括內(nèi)撐式與外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。2）吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，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)度變成無窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題1)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。2)手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，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)型手指只有開閉幅度的要求。3)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。4)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)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(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。16南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文5)考慮被抓取對(duì)象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是平行氣動(dòng)手爪。搬運(yùn)工件是小于一千克的物體，所以我們選擇MHZ2-40C型氣動(dòng)手爪。夾緊裝置依靠氣缸的伸縮實(shí)現(xiàn)手爪的張開和閉合，這種型號(hào)的氣爪夾持力范圍在300-800N,足夠夾緊1千克的工件。平行氣動(dòng)手爪其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1平行氣動(dòng)手爪結(jié)構(gòu)圖臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本節(jié)敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一節(jié)詳述。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個(gè)自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)17南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。臂部設(shè)計(jì)的基本要求臂部設(shè)計(jì)首先要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，為此，需要滿足下列各項(xiàng)基本要求：1)臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕對(duì)于機(jī)械手臂部或機(jī)身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長(zhǎng)度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長(zhǎng)度外，尚應(yīng)注意以下幾方面：a)根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸；b)提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離；c)合理布置作用力的位置和方向；d)注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；e)提高配合精度。2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在250mm/s最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在90/s內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為200mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在45/s。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個(gè)途徑：a)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料；b)減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸；c)減少回轉(zhuǎn)半徑ρ，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作；d)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)緩沖裝置。3)手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。18南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文4)位置精度要求高一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度要求較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)、嚙合件間的間隙。5)設(shè)計(jì)合理合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位，臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力，而且還直接影響到機(jī)器人的外觀。總結(jié)：除此之外，要求機(jī)械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。手臂的典型機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的選擇1)手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：a)雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)；b)手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)；c)雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)；d)活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。2)手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇通過以上，綜合考慮，本次設(shè)計(jì)選擇氣缸伸縮機(jī)構(gòu)，使用氣壓驅(qū)動(dòng)，水平伸縮氣缸選用伸縮式氣缸。伸縮手臂氣缸直徑選擇本設(shè)計(jì)氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸2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:?D2PF1??Ft?Fz上式中:F1-活塞桿上的推力，N（3-1）19南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文Ft-彈簧反作用力，NFz-氣缸工作時(shí)的總阻力，NP-氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算:Ft?Gf?s4G?GdfD1n4Gf=Gd18D1n上式中:Gf-彈簧剛度，N/m1-彈簧預(yù)壓縮量，ms-活塞行程，md1-彈簧鋼絲直徑，mD1-彈簧平均直徑，.n-彈簧有效圈數(shù).G-彈簧材料剪切模量，一般取G?79.4?109Pa在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率?的影響，則:F?D2p?1?4?Ft由以上分析得單向作用氣缸的直徑:D???p?Gd4179.4?1094代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得G?f?(3.5?10?3)8D?1n8?(30?10?3)3?50?1103.24(N/m)Ft?Gf?s?1103.24?100?10?3?110.3(N)20(3-4)（3-2）（3-3）南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文所以:D???????0.5?10?23.14(mm)查有關(guān)手冊(cè)圓整，得D?20mm升降手臂氣缸直徑選擇設(shè)計(jì)氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸1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:?D2PF1??Ft?Fz4上式中:F1-活塞桿上的推力，NFt-彈簧反作用力，NFz-氣缸工作時(shí)的總阻力，NP-氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計(jì)算:Ft?Gf?(3-5)(3-6)Gf=1上式中:Gf-彈簧剛度，N/m1-彈簧預(yù)壓縮量，ms-活塞行程，md1-彈簧鋼絲直徑，mD1-彈簧平均直徑，.n-彈簧有效圈數(shù).G-彈簧材料剪切模量，一般取G?79.4?109Pa在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率?的影響，則:21南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文?D2p?F1??Ft4由以上分析得單向作用氣缸的直徑:D???p?Gd144（3-7）（3-8）79.4?109?(3.5?10?3)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得Gf??38?(30?10?3)3?1008D1n?551.62(N/m)Ft?Gf?s?551.62?200?10?3?110.3(N)所以:D???????0.5?10?39.43(mm)查有關(guān)手冊(cè)圓整，得D?40mm步進(jìn)電機(jī)選型步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)流行于20世紀(jì)70年代,70年代中期以后多用寬調(diào)速直流伺服電機(jī),進(jìn)入80年代以來,交流伺服電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展,并大舉進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域,占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是,步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、容易控制、維修方便,而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,其驅(qū)動(dòng)控制除功率放大電路外,都可以由軟件實(shí)現(xiàn)。因此,本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)氣缸的回轉(zhuǎn)。工作原理步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)22南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與選用步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)1)一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。本設(shè)計(jì)是一個(gè)小型的氣動(dòng)機(jī)械手，需要的轉(zhuǎn)矩不大，查閱相關(guān)資料，同時(shí)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)我們選用二相混合式步進(jìn)電機(jī)，初步定為拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為TDA332-S。聯(lián)軸器的選擇設(shè)計(jì)聯(lián)軸器的類型根據(jù)聯(lián)軸器有無彈性元件、對(duì)各種相對(duì)位移有無補(bǔ)償能力，即能否在發(fā)生相對(duì)位移條件下保持聯(lián)接功能以及聯(lián)軸器的用途等，聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器，撓性聯(lián)軸器和安全聯(lián)軸器。聯(lián)軸器的主要類型、特點(diǎn)及其在作用，詳見表3-1。表3-1聯(lián)軸器類型23南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文類別在傳動(dòng)系統(tǒng)中的作用備注剛性聯(lián)軸只能傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，不具備其包括凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾器他功能殼聯(lián)軸器等無彈性元件的撓性聯(lián)軸器，不僅能傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，而且具有不包括齒式聯(lián)軸器、萬向聯(lián)軸器、同程度的軸向、徑向、角向補(bǔ)償性鏈條聯(lián)軸器、滑塊聯(lián)軸器等能撓性聯(lián)軸有彈性元件的撓性聯(lián)軸器，能器包括各種非金屬彈性元件撓性傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩；具有不同程度的聯(lián)軸器和金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器，軸向、徑向、角向補(bǔ)償性能；還具各種彈性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)不同，差異較有不同程度的減振、緩沖作用，改大，在傳動(dòng)系統(tǒng)中的作用亦不盡相同善傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，過載安全保安全聯(lián)軸包括銷釘式、摩擦式、磁粉式、護(hù)。撓性安全聯(lián)軸器還具有不同程器離心式、液壓式等安全聯(lián)軸器度的補(bǔ)償性能聯(lián)軸器類型的選擇選擇聯(lián)軸器類型時(shí)，應(yīng)考慮：1)所需傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和性質(zhì)、對(duì)緩沖、減振功能的要求以及時(shí)否可能發(fā)生共振等。2)由制造和裝配誤差、軸受載和熱膨脹變形以及部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)等引起兩軸軸線的相對(duì)位移程度。3)許用的外形尺寸和安裝方法，為了便于裝配、調(diào)整和維修所必需的操作空間。對(duì)于大型的聯(lián)軸器，應(yīng)能在軸不需作軸向移動(dòng)的條件下實(shí)現(xiàn)裝拆。此外，還應(yīng)考慮工作環(huán)境、使用壽命以及潤(rùn)滑和密封和經(jīng)濟(jì)性等條件，再參考各類聯(lián)軸器特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。聯(lián)軸器的選擇與繪制由于設(shè)計(jì)的氣動(dòng)式機(jī)械手的轉(zhuǎn)矩很小，我采用的是自己設(shè)計(jì)的安全聯(lián)軸器，外形尺寸有利于安裝、調(diào)整和維修，而且聯(lián)軸器不容易松動(dòng)。CAD繪制聯(lián)軸器如圖3-2所示24南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文圖3-2聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖機(jī)座設(shè)計(jì)及電磁閥的選擇機(jī)座是直接支撐手臂的部件。臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)座的受力情況就越復(fù)雜，負(fù)載也越大。機(jī)座是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)的是小型氣動(dòng)機(jī)械手，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)易，重量也很小，所以機(jī)座的設(shè)計(jì)也很簡(jiǎn)單。機(jī)座的整體設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂180的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。機(jī)座承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)置于升降缸之下的結(jié)構(gòu)。手臂部件與步進(jìn)電機(jī)的軸聯(lián)接。機(jī)座具體結(jié)構(gòu)見圖3-3。25南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文圖3-3機(jī)座結(jié)構(gòu)圖電磁閥的選擇電磁閥是用來控制流體方向的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；通常用在機(jī)械控制和工業(yè)閥門上面，通過一個(gè)電磁線圈來控制閥芯位置，切斷或接通氣源以達(dá)到改變流體流動(dòng)方向的目的，來對(duì)介質(zhì)方向進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)閥門開關(guān)的控制。當(dāng)有電流通過線圈時(shí),固定鐵芯吸合動(dòng)鐵芯,改變滑閥芯的位置，發(fā)生勵(lì)磁作用,動(dòng)鐵芯帶動(dòng)滑閥芯并壓縮彈簧,從而改變流體的方向。當(dāng)線圈失電時(shí)，依靠彈簧的彈力推動(dòng)滑閥芯，頂回動(dòng)鐵芯，使流體按原來的方向流動(dòng)。電磁閥從原理上分為三大類：1）直動(dòng)式電磁閥。它分常開、常閉兩種。圖為直動(dòng)常閉電磁閥，在斷電時(shí),電磁閥呈關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)電磁閥線圈通電后,產(chǎn)生的電磁力使動(dòng)鐵芯與靜鐵芯吸合,直接開啟閥口,介質(zhì)從進(jìn)口流向出口,當(dāng)線圈斷電后,動(dòng)鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位,直接關(guān)閉閥口,而切斷了介質(zhì)的流通。常開式則斷電時(shí)閥門開啟,通電時(shí),閥門關(guān)閉。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)26南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文單、動(dòng)作可靠,在零壓差或真空下能正常工作,可任意方向安裝,但一般適用于通徑在25mm以下。2）分步直動(dòng)式電磁閥。它由主閥與導(dǎo)閥組成,動(dòng)作分步實(shí)現(xiàn),而電磁力直接吸合動(dòng)鐵芯到主閥芯。如圖3-4為常閉式,當(dāng)電磁線圈通電后,產(chǎn)生的電磁力使動(dòng)鐵芯與靜鐵芯吸合,導(dǎo)閥口開啟而導(dǎo)閥口設(shè)在主閥芯上,動(dòng)鐵芯與閥芯通過機(jī)械方式直接連續(xù)一起。此時(shí),主閥上腔的壓力通過導(dǎo)閥口卸荷,由于壓力差和電磁力的聯(lián)合作用,使主閥芯向上運(yùn)動(dòng),開啟主閥介質(zhì)流通。當(dāng)線圈斷電時(shí),電磁力消失,動(dòng)鐵芯因自重脫離靜鐵芯,并關(guān)閉了導(dǎo)閥孔,此時(shí)介質(zhì)從平衡孔進(jìn)入主閥芯上腔,使上腔壓力升高,在主閥芯自重的作用下,閥門關(guān)閉,介質(zhì)斷流。特點(diǎn)：在壓差等于零及抽真空時(shí)亦能可靠動(dòng)作,但功率消耗較大,通徑受一定限制,且應(yīng)豎直安裝。圖3-4常閉分步直動(dòng)式電磁閥3）先導(dǎo)式電磁閥。它由先導(dǎo)閥與主閥組成,兩者有通道聯(lián)系著,如圖3-5當(dāng)電磁線圈通電,動(dòng)鐵芯與靜鐵芯吸合而導(dǎo)閥孔①開放,閥芯背腔②的壓力通過導(dǎo)閥孔①流向出口,此時(shí)閥芯背腔②的壓力低于進(jìn)口側(cè)的壓力,利用壓差使得閥芯脫離主閥座③,介質(zhì)從進(jìn)口流向出口。當(dāng)線圈斷電,動(dòng)鐵芯與靜鐵芯脫離,關(guān)閉了導(dǎo)閥孔①,閥芯背腔②壓力受進(jìn)口側(cè)壓力關(guān)閉了導(dǎo)閥孔①,閥芯背腔②壓力受進(jìn)口側(cè)壓力的補(bǔ)充逐漸趨于和進(jìn)口側(cè)平衡,閥芯因彈簧作用把閥門關(guān)閉。先導(dǎo)閥也可配常開式。特點(diǎn)：功率消耗低、27南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文通徑較大,而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方向任意,但只能用于電磁閥兩端有一定壓差的場(chǎng)合。圖3-5先導(dǎo)式電磁閥在生產(chǎn)中常用的電磁閥有二位二通、二位三通、二位四通、二位五通等。二位二通（1個(gè)進(jìn)氣、1個(gè)出氣）二位三通（1個(gè)進(jìn)氣、1個(gè)出氣、1個(gè)排氣）二位四通（1個(gè)進(jìn)氣、2個(gè)出氣、1個(gè)排氣）二位五通（1個(gè)進(jìn)氣、2個(gè)出氣、2個(gè)排氣）電磁閥分為常閉型和常開型兩種，常閉型指線圈沒通電時(shí)氣路是斷的，常開型指線圈沒通電時(shí)氣路是通的。電磁閥選型應(yīng)該依次遵循安全性，可靠性，適用性，經(jīng)濟(jì)性四大原則和六個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工況要求。本設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)單作用氣缸，查閱相關(guān)資料，應(yīng)該選擇而位三通直動(dòng)式電磁閥比較合適。電磁閥1控制氣缸1，電磁閥2控制氣缸2，電磁閥3控制氣動(dòng)手爪，電磁閥型號(hào)都為VKF332。28南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文4結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算、尺寸設(shè)計(jì)與校核手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)手臂伸縮氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看各種型號(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，尺寸系列初選內(nèi)徑為?20，氣缸用CM2C20-100S型氣缸：尺寸校核1.在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑D1=20mm,半徑R=10mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng)P?0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力：F?P??R2?125.6(N)（4-1）手爪質(zhì)量約為1kg,物體重量1kg,設(shè)計(jì)加速度a?5(m/s)，G=mg=2x10=20(N)則慣性力F1?ma?2?5?10(N)（4-2）2.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)k?0.2,?0.2?10?2(N)?（4-3）總受力F0?F1?Fm?10?2?12(N)F0?F所以標(biāo)準(zhǔn)CM2C20-100S型號(hào)氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。氣缸圖形繪制氣缸2的CAD圖如圖4-129南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文圖4-1氣缸2結(jié)構(gòu)尺寸圖手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核4.手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)手臂升降氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看各種型號(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，尺寸系列初選內(nèi)徑為?40，氣缸用CM2B40-200S型氣缸：尺寸校核氣缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為l=200mm,氣缸內(nèi)徑為D1=40mm,半徑R=20mm,氣缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間?t=0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力G0?p.?R2``?502.4(N)（4-4）1．氣爪質(zhì)量約為1kg,工件質(zhì)量為1kg，氣缸2重量約為3kg，則重力?5?10?50(N)G?mg2.設(shè)計(jì)加速度a?5(m/s)，則慣性力G1?ma?5?5?25(N)30南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)，?0.1?25?2.5(N)?總受力Gq?G?G1?Gm?77.5(N)Gq?G0所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。氣缸的圖形繪制氣缸1的CAD圖如圖4-2圖4-2氣缸1結(jié)構(gòu)尺寸圖步進(jìn)電機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)與校核尺寸設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選擇的是2相拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為TDA332-S各參數(shù)分別為步距角：°電壓：電流：4A電阻：Ω電感：31南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文長(zhǎng)度：80mm保持力矩M：．M步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行角速度：45°/s適配驅(qū)動(dòng)器：DA6280尺寸校核參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量約為m1?9kg,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r?40mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J?m1r22（）M慣?J.??t?0.0072?90?0.51.296(N.m)考慮軸承間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)k?0.2,M摩慣（）總驅(qū)動(dòng)力矩M驅(qū)?M慣?M摩（）M驅(qū)〈M?設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。步進(jìn)電機(jī)的圖形繪制步進(jìn)電機(jī)的CAD圖如圖4-332（4-6）（4-5）（4-7）（4-8）南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文圖4-3拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)TDA332-S總體結(jié)構(gòu)圖的繪制繪制總體結(jié)構(gòu)圖如下圖4-433南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文圖4-4總體結(jié)構(gòu)尺寸圖1-機(jī)座2-拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)3-聯(lián)軸器4-氣缸16-螺母M207-單耳環(huán)8-螺母M149-螺母M30345-氣缸210-螺栓南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文5控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)1)高可靠性a)所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。b)各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10~20ms。（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。c)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。d)對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。e)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。f)大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠性更進(jìn)一步提高。2)豐富的I/O接口模塊PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。3)采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4)編程簡(jiǎn)單易學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5)安裝簡(jiǎn)單，維修方便PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。35南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文的發(fā)展階段雖然PLC問世時(shí)間不長(zhǎng)，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個(gè)階段：1)早期的PLC（60年代末—70年代中期）早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。這時(shí)的PLC多少有點(diǎn)繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時(shí)等。它在硬件上以準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)，在I/O接口電路上作了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的要求。裝置中的器件主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲(chǔ)器采用磁芯存儲(chǔ)器。其中PLC特有的編程語言—梯形圖一直沿用至今。2)中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）在70年代，微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為PLC的中央處理單元(CPU)。這樣，使PLC得功能大大增強(qiáng)。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊、各種特殊功能模塊。并擴(kuò)大了存儲(chǔ)器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使PLC得應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大。3)近期的PLC（80年代中、后期至今）進(jìn)入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場(chǎng)價(jià)格大幅度下跌，使得各種類型的PLC所采用的微處理器的當(dāng)次普遍提高。而且，為了進(jìn)一步提高PLC的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。的選擇可編程邏輯控制器（PLC）是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，又稱可編程控制器。它使用可編程存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶設(shè)計(jì)的程序指令，這些指令用來實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序操作、定時(shí)、計(jì)數(shù)及算術(shù)運(yùn)算和通過數(shù)字或模擬輸入/輸出來控制各種機(jī)電一體化，程序可變、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、功能強(qiáng)、體積小、耗電低，特別是易于控制、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手的動(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。36南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文機(jī)械人循環(huán)動(dòng)作說明電磁閥3得電，氣動(dòng)手指張開；延遲2s后電磁閥2得電，汽缸2伸長(zhǎng)；延遲2s后電磁閥3斷電，氣動(dòng)手指閉合夾緊工件；延遲2s后電磁閥1得電，汽缸1上升；延遲2s后步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)2s剛好轉(zhuǎn)90°；停頓1s鐘后電磁閥3得電，氣動(dòng)手指張開松開工件；然后電磁閥2斷電汽缸2回縮，電磁閥3斷電氣動(dòng)手指閉合，電磁閥1斷電，汽缸1下降，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)90°回原點(diǎn)。根據(jù)動(dòng)作要求得出流程圖，如圖4-1所示。在運(yùn)用中可根據(jù)實(shí)際需要修改電路和程序。原點(diǎn)氣動(dòng)手指張開機(jī)械臂伸長(zhǎng)夾緊工件機(jī)械臂上升機(jī)械手正轉(zhuǎn)90°機(jī)械手反轉(zhuǎn)90°機(jī)械臂下降氣動(dòng)手指閉合機(jī)械臂回縮松開工件圖4-1機(jī)械手搬運(yùn)工件流程圖可編程邏輯控制器（PLC）又稱可編程控制器。它是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)。它使用可編程存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶設(shè)計(jì)的程序指令，這些指令用來實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序操作、定時(shí)、計(jì)數(shù)及算術(shù)運(yùn)算和通過數(shù)字或模擬輸入，輸出來控制各種機(jī)電一體化，程序可變、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、功能強(qiáng)、體積小、耗電低，特別是易于、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。正是基于PLC這些特點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以滿足該套工業(yè)機(jī)械手的要求。6結(jié)論37南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文為了改善勞動(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，搬運(yùn)機(jī)器人受到很多國家的重視，并被廣泛運(yùn)用。本文研究了國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)器人的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運(yùn)機(jī)器人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完成了機(jī)器人機(jī)械方面的設(shè)計(jì)（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）工作。文章從搬運(yùn)機(jī)器人的實(shí)用方面入手，提出了一套總體設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)機(jī)器人自由度的要求選取圓柱坐標(biāo)系為本次設(shè)計(jì)坐標(biāo)系。同時(shí)，就搬運(yùn)機(jī)器人的組成（執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）以及現(xiàn)實(shí)作業(yè)，給出了具體的手部、腕部、臂部和機(jī)座的結(jié)構(gòu)形式；并選擇氣壓驅(qū)動(dòng)作為本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。最后用三維軟件畫出實(shí)體圖，如圖6-1、圖6-2所示。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，這些都需要自己在以后的生活中不斷學(xué)習(xí)研究并通過實(shí)踐加以完善。38南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文圖6-1三維實(shí)體圖圖6-2三維實(shí)體圖參考文獻(xiàn)［1］吳振彪主編.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004［2