一種平面關(guān)節(jié)型搬運機器人設(shè)計

摘要本文設(shè)計一種平面關(guān)節(jié)型搬運機器手，該機器手由底座、機身，抓取裝置和控制系統(tǒng)組成。底座由兩個平面關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)軸組成，可以在水平面上旋轉(zhuǎn)和平移。機身由三個平面關(guān)節(jié)組成，可以在垂直平面上旋轉(zhuǎn)和平移。抓取裝置由機械手爪和氣動缸控制組成，可以實現(xiàn)對物體的抓取和釋放。該機器手具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、移動靈活、抓取精度高等特點，適用于工業(yè)生產(chǎn)線上的物料搬運和組裝作業(yè)。以取代人力完成危險、重復(fù)或高精度的任務(wù)，與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，可以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低成本和風(fēng)險。在機械部分，我們將著重于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括氣缸的選擇與安裝，以及各種零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在氣動部分，我們將提供搬運機械手的氣動原理圖，而在控制部分，我們將著重于程序的設(shè)計與調(diào)試。本文使用西門子（S7-200）指令進(jìn)行編程，并提供了一系列梯形圖、語句表以及清晰易懂的流程圖。關(guān)鍵詞：機械手

;搬運;

氣缸AbstractThispaperdesignsaplanarjointtypehandlingrobot,whichconsistsofabase,abody,agrippingdeviceandacontrolsystem.Thebaseconsistsoftwoplanarjointsandapivot,whichcanberotatedandtranslatedinthehorizontalplane.Thebodyconsistsofthreeplanarjointsthatcanrotateandtranslateintheverticalplane.Thegrippingdeviceconsistsofaroboticclawandapneumaticcylindercontrol,whichcanrealizethegrippingandreleasingofobjects.Therobothandhasthefeaturesofsimplestructure,stablework,flexiblemovementandhighgrippingaccuracy,whichissuitableformaterialhandlingandassemblyoperationsonindustrialproductionlines.Toreplacemanpowerfordangerous,repetitiveorhigh-precisiontasks,itcanimproveproductionefficiencyandquality,reducecostandriskcomparedwithtraditionalproductionmethods.Inthemechanicalpart,wewillfocusonthedesignoftheoverallstructure,includingtheselectionandinstallationofcylinders,aswellasthestructuraldesignofvariouscomponents.Inthepneumaticpart,wewillprovidethepneumaticschematicofthehandlingmanipulator,whileinthecontrolpart,wewillfocusonthedesignanddebuggingoftheprogram.Inthispaper,weuseSiemens(S7-200)instructionsforprogrammingandprovideaseriesofladderdiagrams,statementtablesandclearandeasytounderstandflowcharts.Key

words:

Manipulator;Handling;Cylinder

目錄第一章引言 11.1研究背景及意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3研究內(nèi)容 2第二章機械手總體方案的設(shè)計 32.1手指設(shè)計 32.1.1手指設(shè)計時要注意的問題 42.2小臂的設(shè)計 52.3大臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計 62.4軸的設(shè)計計算 72.4.2軸承摩擦力矩的計算 8第三章驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 103.1驅(qū)動的方式 103.2伺服系統(tǒng)的選擇 113.3氣缸的設(shè)計 123.3.1夾緊氣缸的計算 123.3.2伸縮氣缸的計算 153.3.3回轉(zhuǎn)氣缸的計算 19控制系統(tǒng)設(shè)計 214.1電磁鐵動作順序 214.2I/O分配 214.3PLC控制梯形圖 22第五章總結(jié) 24參考文獻(xiàn) 25附錄 26致謝 30

引言1.1研究背景及意義搬運機器人是現(xiàn)代智能制造中不可或缺的重要組成部分，平面關(guān)節(jié)型搬運機器人是一類自動化搬運設(shè)備。它在現(xiàn)代工業(yè)制造中被廣泛應(yīng)用，因為它具有結(jié)構(gòu)簡單、靈活度高和搬運精度高等優(yōu)點[1]。搬運機械手是一種用于工業(yè)制造領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)，主要用于物料的搬運、裝卸和轉(zhuǎn)移等工作。在現(xiàn)代制造業(yè)快速發(fā)展的背景下，搬運機械手逐漸成為了替代傳統(tǒng)人工搬運的重要裝備。其研究背景和意義主要包括以下幾個方面：

1.替代傳統(tǒng)人工搬運：傳統(tǒng)的人工搬運不僅效率低下，而且具有很大的安全隱患，容易發(fā)生人員傷亡事故。搬運機械手的使用可以極大地降低工人的搬運強度，提高生產(chǎn)效率，同時也可以保障工人安全，保證應(yīng)用場景的穩(wěn)定運行。

2.適應(yīng)高工藝要求：隨著生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，現(xiàn)代制造業(yè)提出了越來越高的技術(shù)要求。例如，高速生產(chǎn)線、精密機械加工中對表面平整度的要求、對零件的轉(zhuǎn)移精度要求等等。搬運機械手具有高速、高精度、高負(fù)載等特點，能夠滿足現(xiàn)代制造業(yè)的高工藝要求，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

3.推動制造業(yè)智能化和自動化：隨著科技的飛速發(fā)展和智能制造的應(yīng)用，機器人系統(tǒng)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的重要標(biāo)志。搬運機械手作為機器人系統(tǒng)中的重要組成部分，其研究與應(yīng)用將有力地推動制造業(yè)的智能化和自動化，提高制造業(yè)的競爭力，實現(xiàn)工廠數(shù)字轉(zhuǎn)型。

4.應(yīng)用領(lǐng)域廣泛和前景廣闊：搬運機械手適用于機械制造、汽車制造、航空航天、電子電器、食品餐飲等各個領(lǐng)域。隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，搬運機械手的應(yīng)用前景非常廣闊。

綜上所述，搬運機械手作為現(xiàn)代制造業(yè)中必不可少的一環(huán)，其研究和應(yīng)用不僅可以改善制造業(yè)生產(chǎn)狀況和勞動保障問題，還能加速工業(yè)智能化和自動化的發(fā)展，提升制造業(yè)的綜合水平。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，機械手技術(shù)在國外的研究取得了長足的進(jìn)展。20世紀(jì)70年代中期，人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展為機器人技術(shù)帶來了前所未有的革新，為社會帶來了深遠(yuǎn)的影響，推動了社會的變革。日本的機械手技術(shù)一直保持著世界領(lǐng)先的水平，已經(jīng)有超過90萬臺的產(chǎn)品投放市場，占據(jù)了整個世界機械手行業(yè)的一半以上。美國作為機器人技術(shù)的先驅(qū)，雖然其機械手的數(shù)量沒有日本那么多，使其在全球競爭中處于明顯的劣勢。隨著科技的飛速發(fā)展，俄羅斯、德國、英國等發(fā)達(dá)國家的機械手系統(tǒng)已經(jīng)取得了驚人的成就，令人矚目。從日本到世界各地，其機械手技術(shù)的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，目前已經(jīng)處于世界領(lǐng)先的水平。國內(nèi)的研究現(xiàn)狀[2]：我國的機器人和機械手技術(shù)起步較晚，從"七五"期間的科技攻關(guān)期間才開始著力研究機器人和機械手系統(tǒng)。盡管我國在機器人和機械手系統(tǒng)的研究上取得了巨大的進(jìn)步，但與美國、韓國、日本等國家相比，仍存在著巨大的差距，無論是數(shù)量、技術(shù)水平還是工程應(yīng)用方面，都有待提升。我國將面臨著新的發(fā)展機遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，迫切需要更多自主研發(fā)的。1.3研究內(nèi)容本作設(shè)計的上下料搬運機械手主要由三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(分別控制大臂和手握)和一個以一個直流馬達(dá)作為驅(qū)動裝置的活動關(guān)節(jié)(控制腕部回縮)組成[3]。上下料搬運機器手是一種機器人系統(tǒng)，主要用于工業(yè)制造過程中的物料搬運和上下料操作。其研究內(nèi)容包括以下幾個方面：

1.機構(gòu)設(shè)計：上下料搬運機器手的機構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合物料搬運和上下料的需求，可以根據(jù)不同場景和任務(wù)設(shè)計不同的機構(gòu)，如多關(guān)節(jié)機械手、線性軌道機械手、并聯(lián)機構(gòu)等。

2.運動規(guī)劃：機器手要能按照預(yù)定方案進(jìn)行規(guī)劃的運動，主要涉及軌跡規(guī)劃、動力學(xué)和控制，以確保能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確地搬運、上下料。

3.控制算法：機器手的操作涉及到多種運動參數(shù)和控制策略，以保證機器手的動作控制能夠滿足系統(tǒng)的任務(wù)需求。

4.應(yīng)用場景：針對不同的應(yīng)用場景，需要對機器手的功能和性能進(jìn)行優(yōu)化和適配。例如，在汽車制造車間，需要機器手具有高負(fù)載能力和高精度，而在物流倉儲場景中，還需要機器手具有高靈活性和高運動速度等特點。

總之，上下料搬運機器手的研究內(nèi)容涵蓋了機械設(shè)計、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、等多個方面，其運用廣泛，并有著巨大的應(yīng)用前景。機械手總體方案的設(shè)計機械手的總體設(shè)計根據(jù)機械手的使用場景和活動要求，在這個項目中，本文選擇了以齒條為執(zhí)行裝置的抓手平移抓取方式，這種方式適合抓取各種形狀的零件和非金屬零件。[4]在這個設(shè)計中，手腕必須有兩個自由度，它可以旋轉(zhuǎn)和傾斜。為使該裝置具有平順性、精度高的特點，提出了諧波減速裝置，回轉(zhuǎn)機座，也稱為機械臂的腰部。它的作用是固定和支撐機械臂還要確保機械手腰部的回轉(zhuǎn)運動。該機械手有6個關(guān)節(jié)運動和1個抓取運動，使用6個步進(jìn)電機來控制6個關(guān)節(jié)的運動。該機器人可分為4個部分：身體、手臂、手腕和手。為了能夠到達(dá)工作區(qū)的各個位置，身體、手臂和手腕彼此之間共有三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。在手的前端，一個驅(qū)動軸被安裝在手臂的孔中，它可以將運動傳輸?shù)绞滞?，使得手腕能夠自由地伸展、彎曲，以達(dá)到最佳效果。精確定位三個關(guān)鍵部件對于保證機器人的安全性和高效性。整體設(shè)計的目標(biāo)是：確定機械手的運動特性，選擇合適的驅(qū)動系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)，構(gòu)建出一個完整的結(jié)構(gòu)，最終繪制出一份解決方案的草圖。見表2-1。機械手類型平面關(guān)節(jié)型抓取重量2.2Kg自由度3個（2個回轉(zhuǎn)，1個移動）大臂長700mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240，步進(jìn)電機驅(qū)動單片機控制小臂長600mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240，步進(jìn)電機驅(qū)動單片機控制移動關(guān)節(jié)氣缸驅(qū)動行程開關(guān)控制手指氣缸驅(qū)動行程開關(guān)控制表2.1機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1手指設(shè)計工業(yè)機械手的手部是用來完成各種復(fù)雜任務(wù)的重要部件。工業(yè)機械手的性能取決它們抓取工件的速度、準(zhǔn)確性和可靠性。R為外圓半徑，r為內(nèi)圓半徑式（2-1），其中g(shù)取10取G=23（N）1.手指夾緊力的計算根據(jù)公式：根據(jù)《機械零件手冊》中的表2-5取f=0.15，本文可以計算出40號鋼制作的手指與工件之間的靜摩擦系數(shù)。所以，取N=40（N）計算驅(qū)動力時，斜面傾角被設(shè)定為=15°，以此來衡量傳動機構(gòu)的效率。查《機械零件手冊》表2-2，這里取0.85所以，（N）取P=55（N）2.活塞手抓重量的估算r為桿的半徑，h為長度，g取10由于壓縮空氣具有極低的壓力、無污染、強大的反作用力、等優(yōu)勢，因此氣動元件的制造成本和精度要求比液壓元件更低[5]，可以滿足更多的應(yīng)用需求。由于涉及的力不大，所以選擇了氣動驅(qū)動。

關(guān)于內(nèi)部氣缸的類型，由于沖程較短，選擇了單動式活塞氣缸，它由彈簧復(fù)位。采用《液壓傳動與氣壓傳動》的13-1公式，本文能夠更加精確地估算出氣壓缸的內(nèi)徑D，這樣就能夠更加準(zhǔn)確地測定缸體的數(shù)量。式（2-2）根據(jù)《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2的數(shù)據(jù)，當(dāng)負(fù)載率被設(shè)定為0.40時，可以推斷出其可以達(dá)到0.30到0.65的最佳性能。然而，由于氣缸采用垂直安裝，因此，負(fù)載率被設(shè)定為0.3。所以，。根據(jù)《液壓傳動與氣壓傳動》的規(guī)定，從13-3中選擇32mm.的圓形部件?；钊麠U直徑d的計算，一般d/D=0.2~0.3，此處選0.2，所以，。根據(jù)《液壓傳動與氣壓傳動》的13-4規(guī)定，將圓度調(diào)節(jié)至8mm。3.氣缸壁厚的計算根據(jù)《液壓傳動與氣壓傳動》的表13-5，本文可以獲得相關(guān)信息彈簧力F的計算（N）。2.2小臂的設(shè)計機器人通過手臂來完成任務(wù)，這些手臂負(fù)責(zé)支撐身體和手臂[6]，并將工件移動到指定的位置和方向。為了提升機器人的性能，必須精心設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)，使其能夠更加準(zhǔn)確地完成任務(wù)，從而大大提高機器人的效率和可靠性。10號工字具有出色的性能，其理論重量為11.261kg/m，體積為Wy=9.72cm3，長度為100mm，寬度為d=4.5mm，小臂長度為600mm，這些特性使其成為一款卓越的工具。校核：G小臂=mg=，取75N。式（2-3）F=75+105=180（N）。+G小臂+。。按《材料力學(xué)》公式5.11。式（2-4）h代表工字鋼的長度，b代表它的寬度，而Q則是指它承受的外力。所以，。軸的設(shè)計計算大軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。F=180N，式（2-5），所以，選10號鋼合適。軸承摩擦力矩的計算根據(jù)《機械設(shè)計手冊》第二版（16.1-13）的公式，當(dāng)基本額定動載荷為C，應(yīng)用等效動載荷為P時，可以進(jìn)行估算。滾動軸承的摩擦系數(shù)由U表示，而軸承的負(fù)載則由F表示，而軸承的孔徑則由d表示。機械設(shè)計手冊第二版中的表16.1-29給出了以下數(shù)值=0.0011，，所以也可用此公式估算，所以，（N.M）。根據(jù)《機械設(shè)計手冊》第二版的16.1-29，本文可以計算出0.0013的結(jié)果，，所以也可用此公式估算，式（2-6）所以，，所以，T總=T1+T2=0.010189+0.002340.0125(N.M)，取0.1。2.3大臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計平面關(guān)節(jié)型搬運機器手大臂是由多個關(guān)節(jié)組成的[7]，但機械手大臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要考慮以下方面：1.功能需求：機械手大臂需要完成什么樣的工作，例如物品抓取、放置、搬運等，不同功能需求需要不同的設(shè)計。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計：機械手大臂的結(jié)構(gòu)需要保證足夠的穩(wěn)定性和精度，同時要考慮到尺寸和重量的限制。3.關(guān)節(jié)設(shè)計：機械手大臂的每個關(guān)節(jié)需要考慮到運動范圍、傳動方式以及精度等因素，以保證機械手的穩(wěn)定性和工作效率。4.傳動方式選擇：機械手大臂的傳動方式可以采用電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動等方式，不同的傳動方式對機械手大臂的性能也會產(chǎn)生影響。5.控制系統(tǒng)設(shè)計：機械手大臂的控制系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和運動控制，同時要考慮到安全和穩(wěn)定性。6.總體布局：機械手大臂需要與其他部件進(jìn)行配合，因此，本文將大臂的橫截面設(shè)計為工字形，這樣可以提高彎曲強度系數(shù)，減少橫截面積，從而降低小臂的重量，使其更加經(jīng)濟和輕便。根據(jù)測試，該物體的總重16.890kg/m，體積Wy為Wy=16.1cm3，體高為140mm，體寬為d=5.5mm，而其小臂長度為700mm。校核：（N），取140N按《材料力學(xué)》公式5.11式（2-7）h代表工字鋼的長度，b代表它的寬度，而Q則是指它承受的外力。所以，所以選10號工字鋼合適。2.4軸的設(shè)計計算平面關(guān)節(jié)型搬運機器手軸的設(shè)計是根據(jù)機器手的工作需要而進(jìn)行的，根據(jù)機器手的不同工作任務(wù)和工作環(huán)境，設(shè)計出不同的軸結(jié)構(gòu)。一般來說，平面關(guān)節(jié)型搬運機器手包括三種軸：基座軸、旋轉(zhuǎn)軸和平移軸。[8]其中基座軸固定在機器手的底座上，用于控制機器手的旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)軸和平移軸則用于控制機器手的位置和姿態(tài)。在設(shè)計平面關(guān)節(jié)型搬運機器手軸時，需要考慮到以下幾個因素：軸的承載能力：軸要能夠承受機器手運動時的負(fù)荷和力矩，并且要保證機器手在運動過程中的穩(wěn)定性和精度。軸的精度和準(zhǔn)確性：軸要具有高精度和準(zhǔn)確性，保證機器手能夠根據(jù)指令進(jìn)行精確的運動和定位。軸的速度和加速度：軸的設(shè)計要考慮機器手的工作速度和加速度，保證機器手能夠快速、平穩(wěn)地完成任務(wù)。軸的防護(hù)措施：軸需要進(jìn)行防護(hù)，防止外部污染和物理損壞，并且要保證可靠性和安全性。軸的可維護(hù)性和可調(diào)節(jié)性：軸需要具有易維護(hù)和調(diào)節(jié)的特性，方便機器手進(jìn)行日常維護(hù)和調(diào)試。在具體的設(shè)計中，還需要考慮以下幾個方面：軸的材料：選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，要求輕量化、剛度高、抗疲勞性好等性能，以滿足機器手的要求。軸的傳動方式：根據(jù)機器手的需要，選擇適合的傳動方式，例如直接驅(qū)動、齒輪傳動等。軸的控制方式：考慮機器手對軸的控制方式，可以選擇電動、液壓或氣動控制等。軸的尺寸和幾何形狀：設(shè)計軸的尺寸和幾何形狀，使其適應(yīng)機器手的工作空間和工作需求，同時要考慮到制造、維修和安裝的方便性。軸的附件和配件：為軸設(shè)計附件和配件，例如傳感器、制動器、潤滑裝置等，以提高機器手的性能和可靠性?？傊矫骊P(guān)節(jié)型搬運機器手軸的設(shè)計需要充分考慮各種因素[9]，從而達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計方案，提高機器手的工作效率和性能。綜上所述，平面關(guān)節(jié)型搬運機器手軸的設(shè)計需要考慮機器手的工作需求和工作環(huán)境，保證機器手的穩(wěn)定性、精度和可靠性，從而實現(xiàn)機器手的高效工作。此工作選取如下：軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。驗算：所以此軸合適。2.4.1大軸軸承的選擇由于上部軸承只能抵抗軸向力，而下部軸承卻必須兼顧軸向力與徑向力，為此，本文采用了圓錐滾子軸承，以確保其在各種復(fù)雜的工況下都具有較高的可靠性。經(jīng)過精心校準(zhǔn)，[10]本文選擇了7304E軸承，其中d=20mme=0.3，這是根據(jù)《機械零件手冊》（GB297-84）的表9-6-1確定的。根據(jù)選定的公式，這個軸承的靜載荷能力可以達(dá)到最優(yōu)值，等效靜載荷可以被視作軸承的靜強度安全系數(shù)，它的大小與使用的環(huán)境有關(guān)?！稒C械設(shè)計》表3-8顯示，在擺動運動中，軸承會受到?jīng)_擊力以及不平衡的負(fù)載。此處1.5。上軸承受純徑向載荷,，式（2-8）所以。下軸承受徑向和軸向載荷,，R為徑向載荷；A為軸向載荷。X、Y代表徑向軸向載荷系數(shù)，可以通過《機械設(shè)計》中的13-5參考文獻(xiàn)獲得相應(yīng)的值。因為，所以。因此，由于小軸承承受的力量較小，因此無需進(jìn)行核對。2.4.2軸承摩擦力矩的計算C表示基本額定動載荷，P表示應(yīng)用的等效動載荷，基于《機械設(shè)計手冊》第二版（16.1-13），本文能夠精確計算C和P的動載荷值，從而更好地滿足實際應(yīng)用的要求估算。滾動軸承的摩擦系數(shù)由U表示，而軸承的負(fù)載則由F表示，而軸承的孔徑則由d表示。機械設(shè)計手冊第二版中的表16.1-29給出了以下數(shù)值。=0.0011，，所以也可用此公式估算，所以，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》第二版的16.1-29，本文可以計算出0.0013的結(jié)果，所以也可以用此公式估算，所以，。所以，T總?cè)?.1。第三章驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計3.1驅(qū)動的方式四種驅(qū)動系統(tǒng)，包括液壓、氣動、電動和機械，可以有效地幫助機械手實現(xiàn)高效率的運動。一個機械手只能由一種類型的驅(qū)動裝置操作[11]。它也可以以不同的組合方式操作；驅(qū)動方式的選擇應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線的需求和應(yīng)用場景來決定，各種驅(qū)動裝置的特點見表3.1。比較內(nèi)

容/驅(qū)動方式機械傳動異步電機，直流電機步進(jìn)或伺服電機氣壓傳動液壓傳動輸出力矩輸出力矩大輸出力矩較大輸出力矩較小氣體壓力小，輸出扭矩?。蝗绻枰蟮妮敵雠ぞ兀Y(jié)構(gòu)尺寸太大液體壓力高，可以獲得較大的輸出力控制性能可實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)，速度和加速度由機構(gòu)控制，定位精度高，可與主機嚴(yán)格同步?？刂菩阅艿?，慣性大，易于定位控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制體積當(dāng)有許多自由度時，機制就很復(fù)雜，液體的體積也很大要有減速裝置，體積較大體積較小體積較大在相同的輸出力下減少了體積維修使用維修使用方便維修使用方便維修使用較復(fù)雜易于維護(hù)，可在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境下使用，泄漏影響小易于維護(hù)，流體對溫度變化敏感，漏油容易起火應(yīng)用范圍適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專用機械手可用于程序復(fù)雜和運動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機械手中小型專用通用機械手都有中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用成

本結(jié)構(gòu)簡單，成本低，一般工廠可自行制作成本低成本較高結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低液壓元件更加昂貴，油路也更加復(fù)雜表3.1驅(qū)動裝置的特點表3.2伺服系統(tǒng)的選擇機械手伺服系統(tǒng)需要定期維護(hù)和保養(yǎng)，步進(jìn)電機被選擇用于此任務(wù)，因為它所需的驅(qū)動力較小，對精度的要求不高，控制簡單，且其輸出角度長期不會積累誤差[12]。步進(jìn)電機的選擇：根據(jù)"機電設(shè)計套件指南"的表2-1，步進(jìn)角應(yīng)小，以匹配最大的靜態(tài)扭矩，因為不考慮低速時的頻率特性。1技術(shù)參數(shù)控制BF無功的步進(jìn)電機，選擇45BF005，其主要參數(shù)如下：

該系統(tǒng)的步矩角度達(dá)到了1.5度，電壓達(dá)到了27伏，最大靜轉(zhuǎn)矩達(dá)到了0.196N.M，質(zhì)量達(dá)到了0.4kg，外徑達(dá)到了45mm，長度達(dá)到了58mm，軸徑達(dá)到了4mm。大小臂總長1400mm。精度驗證：式（3-1）為了滿足精度要求，本文選擇了變速機構(gòu)，并采用了直齒圓柱齒輪來實現(xiàn)傳動。為了提高精度，采用以及齒輪傳動i==3.5。Z1的齒數(shù)為20，Z2的齒數(shù)為70。通過將m設(shè)置為1，可以有效地改善機械設(shè)備的性能，提高使用效率和可靠性，從而達(dá)到最佳的機械效果。根據(jù)《機械原理》本文可以有效地利用這些模數(shù)來解決復(fù)雜的機械問題，從而提高系統(tǒng)的性能和可靠性。經(jīng)過對《機械設(shè)計》本文可以準(zhǔn)確地估算出其寬度[13]。在這里，兩個承載著小齒輪的軸線應(yīng)該是對稱的，其間的距離在0.9—1.4之間。則為了確保兩個齒輪在裝配完成后能夠保持軸向一致，避免嚙合齒寬減少，本文建議將其加寬至24mm，以確保嚙合效果。3.3氣缸的設(shè)計氣缸在機器人設(shè)計中占據(jù)重要地位，在平面關(guān)節(jié)型搬運機器人中，氣動式氣缸是最常用的類型，因其具有簡單的結(jié)構(gòu)、運動快捷、可承受較大的載荷等特點。為了提高效率，我們選擇了雙作用單活塞油缸。這種油缸能夠通過壓縮空氣來驅(qū)動活塞朝兩個不同的方向移動。根據(jù)d=12mm的標(biāo)準(zhǔn)，我們預(yù)測了活塞桿的總重量取5N。F=G+G1+G2=23+23+5=51，取80N。當(dāng)進(jìn)行液壓或氣壓傳動測試時，應(yīng)根據(jù)氣缸的直徑（m）、工作壓力（Pa）以及負(fù)荷狀態(tài)，來確定P的大小，其中P=0.4。根據(jù)表13-2的數(shù)據(jù)，P的值一般介于0.30-0.65之間，然而，由于油缸的垂直安裝，[14]因此，最終的P值應(yīng)當(dāng)被調(diào)整至0.3。根據(jù)《液壓傳動與氣壓傳動》的指引13-3，我們可以準(zhǔn)確地將圓度調(diào)節(jié)至40mm.，這樣就可以大大提升系統(tǒng)的效率和性能。一般d/D=0.2~0.3，此處選0.3。通過《液壓傳動與氣壓傳動》的數(shù)據(jù)，本文可以準(zhǔn)確地計算出氣缸的質(zhì)量：R代表其外徑，r代表其內(nèi)徑，h代表其長度，g代表其材料密度G，即10。3.3.1手部夾緊氣缸設(shè)計計算1.手部驅(qū)動力計算根據(jù)圖3-8，本文發(fā)現(xiàn)氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)由三個部分組成：G=10公斤、a=37.5mm、b=70mm。通過改變這些部分的摩擦系數(shù)，本文發(fā)現(xiàn)它們的摩擦系數(shù)達(dá)到了f=0，這樣就可以有效地減輕工件的重量，并且提高了機械手的性能。圖3-8手部結(jié)構(gòu)分析圖通過對手部結(jié)構(gòu)的分析，本文發(fā)現(xiàn)其驅(qū)動力是：式（3-2）2.通過觀察手指夾持物體的姿勢，本文可以推導(dǎo)出握力的計算公式。式（3-3）代入公式（3-2）得：3.參照實際驅(qū)動力:式（3-4）由于采用了齒輪齒條傳動的傳力機構(gòu)，本文可以按照需要進(jìn)行選擇當(dāng)a=g的最大加速度被用來抓取物體時，可以按以下方式進(jìn)行操作：式（3-5）代入公式（3-4）得：因此，在夾持工件時，必須使用1191N的驅(qū)動力來確保夾緊氣缸的正常運行。這個氣缸具有獨特的單向運動能力，可以實現(xiàn)高效的運動。根據(jù)力學(xué)平衡定律，當(dāng)氣缸活塞桿施加一個單向的推動力時，它需要抵抗彈簧的反作用力[15]，并且在運動過程中會產(chǎn)生一個總的阻力，這一過程可以通過一個公式來表示：式（3-6）式中:—活塞桿上的推力，N—彈簧反作用力，N—氣缸工作時的總阻力，N—氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算:式（3-7）式（3-8）式（3-9）式中：—彈簧剛度，N/m—彈簧預(yù)壓縮量，m一活塞行程，m—彈簧鋼絲直徑，m—彈簧平均直徑，m—彈簧外徑，m—彈簧有效圈數(shù)一彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則：經(jīng)過精心研究，本文可以確定單向作用氣缸的直徑：代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得所以：查有關(guān)手冊圓整，得由，可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式式（3-10）有：其中，,則：所以滿足設(shè)計要求。缸筒壁厚的設(shè)計缸筒必須具備足夠的厚度，以便能夠承受壓縮空氣的沖擊和振動[16]。一般來說，氣缸缸筒壁厚的比例不超過1/10，因此利用薄壁筒公式，本文能夠更加準(zhǔn)確地測量和分析它的壁厚。（3-11）式中:—缸筒壁厚，mmD—氣缸內(nèi)徑，mm—實驗壓力，取Pa材料為:ZL3，代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:取，則缸筒外徑為:經(jīng)過計算，本文選擇了QGSDq32×50BLB的氣缸型號，以滿足本文的需求。其中：QGSD-普通型單作用氣缸；q–派生氣缸代號：q=彈簧前置型；32–汽缸內(nèi)徑；50-氣缸行程；B–緩沖：B=可調(diào)緩沖；LB–安裝方式：LB=軸向底座。3.3.2升降氣缸設(shè)計計算這種手臂升降機構(gòu)由多個精密的零部件組成，具有出色的升降性能。通過連接的氣缸，可以將壓縮空氣輸送到手腕，使其能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)和伸展，達(dá)到最佳的運行效果。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入上部時，兩個導(dǎo)向桿會朝著缸體方向運動，同時碰鐵也會跟著上升。如果碰到了可調(diào)節(jié)的定位塊，[17]定位拉桿就會推動碰鐵朝上移動，而液壓緩沖器則會減輕碰鐵的重量，最終實現(xiàn)升降。采用可調(diào)定位塊，可以根據(jù)需要控制上升的距離，而手臂的垂直下落則需要借助其本身的重力。從圖3-9中可以清晰地看到，結(jié)構(gòu)的簡潔性十分顯著。圖3-9結(jié)構(gòu)分析簡圖1.驅(qū)動力計算通過觀察圖像，本文可以確定活塞的推進(jìn)力F，從而推導(dǎo)出摩擦系數(shù)f=0。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析簡圖，驅(qū)動力公式為：式（3-12）質(zhì)量計算：手臂升降機構(gòu)由伸縮機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、手臂、手爪以及其他相關(guān)的固定部件組成，以確保機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)氣缸進(jìn)行精確的評估，我們能夠大致估算出它的質(zhì)量，而且，經(jīng)過精確的測量，還能夠獲取更加精確的估計值。所以代入公式（3-12）：參照實際驅(qū)動力：由于傳動機構(gòu)采用齒輪齒條傳動，因此本文可以參考這個原理并采用它。當(dāng)a=g的最大加速度被用來抓取物體時，可以得出以下結(jié)論：所以因此，在夾持工件時，必須使用1494N的驅(qū)動力來確保夾緊氣缸的正常運行2.氣缸的直徑這個氣缸是一個單向的氣缸。當(dāng)氣缸活塞桿處于單向運動狀態(tài)時，其產(chǎn)生的推進(jìn)力必須與彈簧的反作用力及其在整個運動過程中所產(chǎn)生的總阻力相抵消，而這種平衡定律可以由以下公式來描述：式中：—活塞桿上的推力，N—彈簧反作用力，N—氣缸工作時的總阻力，N—氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算:式中：—彈簧剛度，N/m—彈簧預(yù)壓縮量，m一活塞行程，m—彈簧鋼絲直徑，m—彈簧平均直徑，m—彈簧外徑，m—彈簧有效圈數(shù)一彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則：通過研究，本文發(fā)現(xiàn)單向流動的氣缸的直徑如下：代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得3677.46220.6所以：查有關(guān)手冊圓整，得。由，可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式有：其中，，則：所以滿足設(shè)計要求。3.缸筒壁厚的設(shè)計缸筒應(yīng)當(dāng)擁有充分的厚度，以便能夠抵抗壓縮空氣的沖擊。一般來說，氣缸缸筒壁厚的比例低于1/10，因此，可以利用薄壁筒公式來精確估算出它的厚度。式中:—缸筒壁厚，mmD—氣缸內(nèi)徑，mm—實驗壓力，取，Pa材料為:ZL3，代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:取，則缸筒外徑為:經(jīng)過仔細(xì)的分析和比較，本文最終決定采用QGSDq40×100BFB的氣缸結(jié)構(gòu)。其中：QGSD-普通型單作用氣缸；q–派生氣缸代號：q=彈簧前置型；40-汽缸內(nèi)徑；100-氣缸行程；B–緩沖：B=緩沖可調(diào)；FB-安裝方式：FB=后法蘭。3.3.3回轉(zhuǎn)氣缸設(shè)計計算采用矩形密封圈的旋轉(zhuǎn)臂氣缸具有出色的密封性能，而且其內(nèi)部孔的加工精度也可以得到有效的保障。單葉片旋轉(zhuǎn)缸幫助機械手實現(xiàn)精確的旋轉(zhuǎn)運動，其結(jié)構(gòu)和功能可以參照圖3-10描述。板1與氣缸2相連，板3則與旋轉(zhuǎn)軸5相互連接，實現(xiàn)動力傳輸?？蓜影?將氣室分成兩部分?；顒影?的密封環(huán)將氣室一分為二。當(dāng)壓縮氣體從a孔進(jìn)入時，推動輸出軸逆時針旋轉(zhuǎn)4，低壓氣室從b孔排出。當(dāng)氣體從a孔進(jìn)入時，驅(qū)動軸會順時針旋轉(zhuǎn)4，而低壓氣室則會從b孔排出。圖3-10回轉(zhuǎn)氣缸示意圖參照單葉片氣缸的壓力p和驅(qū)動力矩M的關(guān)系為：式中：M-回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩P-回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力;R-缸體內(nèi)壁半徑;r-輸出軸半徑;b-動片寬度.根據(jù)以上計算選擇回轉(zhuǎn)氣缸型號為：QGH250×180BFSR其中：QGH-齒桿式回轉(zhuǎn)擺動氣缸；2-派生氣缸代號：2=雙出軸；50-氣缸內(nèi)徑；180-回轉(zhuǎn)動擺動角度；B–緩沖：B=可調(diào)緩沖；F–法蘭；S–單桿基本型；R–耐熱型：R=采用氟橡膠密封件，最高耐溫200°。第四章控制系統(tǒng)設(shè)計4.1電磁鐵動作順序1YA和2YA負(fù)責(zé)控制機械手的上升、下降，而3YA和4YA則負(fù)責(zé)夾住物體，而5YA和6YA則負(fù)責(zé)左右搖晃，最后，7YA和8YA則負(fù)責(zé)完成這些動作[18]。為了確保安全，在將工件搬運至工作臺B并返回時，應(yīng)使用光電開關(guān)檢查是否有任何可疑物品，并按照表4-1中的指示進(jìn)行電磁鐵操作，以確保安全。工位號動作名稱電磁鐵1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA0原位---+----2夾緊--+-----3上升+-+-----4右擺動--+-+---5右伸--+---+-6下降-++-----7放松---+----8上升+--+----9左伸---+---+10左擺動---+-+--表4-1電磁鐵動作順序除了輸入和輸出開關(guān)量，該系統(tǒng)沒有其他特定的功能要求。經(jīng)過精確的測量，我們發(fā)現(xiàn)了22個輸入[19]，每個都代表著一種特定的功能：6個行程開關(guān)、1個光電開關(guān)、1個操作按鈕以及2個工作方式選擇開關(guān)，這些設(shè)備的精確安裝和調(diào)試，將為系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性帶來極大的提升；這個由12個電磁鐵和4個指示燈組成的完美系統(tǒng)，擁有強大的功能，它能夠迅速、準(zhǔn)確地傳遞重要信息。4.2I/O分配經(jīng)過精心研究，本文采用具有超過14個輸入和10個輸出功能的PLC。PLC的核心參數(shù)S7-200（CPU226）具有卓越的控制能力[20]，可以顯著提高系統(tǒng)的運行效率。該控制系統(tǒng)擁有24個輸入點、16個輸出點，隨機存儲器容量可達(dá)8KB，計數(shù)器可達(dá)256個，定時器也可達(dá)256個，它還擁有2個高速脈沖輸出端，以及2個RS-485通信口，能夠支持PPI、MPI和自由口協(xié)議的傳輸，從而極大地提升了系統(tǒng)的性能。圖5-1顯示了PLC與器件之間的邏輯連接電路。圖4-1中的電路圖4.3PLC控制梯形圖通過使用西門子的編程語言，本文可以按照I/O分配原則以及電磁鐵的運行軌跡，創(chuàng)建一個梯形圖，如圖4-2所示：圖4-2梯形圖第五章結(jié)論平面關(guān)節(jié)型機械手是一種常見的工業(yè)機器人，通常由基座、臂架、末端執(zhí)行器、傳感器、控制系統(tǒng)和安全保護(hù)裝置等組成。用于處理平面物體的裝配、焊接、搬運和包裝等任務(wù)。通過使用平面關(guān)節(jié)型機械手，本文可以大幅提高生產(chǎn)效率，并且可以有效地改善產(chǎn)品質(zhì)量，同時還可以降低生產(chǎn)成本和風(fēng)險。這是現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的一部分，至關(guān)重要。本論文旨在設(shè)計平面關(guān)節(jié)型搬運機器人的設(shè)計效果。首先，本文設(shè)計了平面關(guān)節(jié)型搬運機器人的設(shè)計原理和技術(shù)指標(biāo)。本文將深入探討機器人的性能特征，除此之外，本文還將深入探討機器人的機械構(gòu)造、控制機制和傳感器技術(shù)。其次，本文設(shè)計平面關(guān)節(jié)型搬運機器人的設(shè)計流程和實現(xiàn)過程。從機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、傳感器選擇等方面入手，分別進(jìn)行了詳細(xì)的講解，對機器人的實現(xiàn)過程進(jìn)行了全面的設(shè)計。最后，本文設(shè)計平面關(guān)節(jié)型搬運機器人的應(yīng)用場景和優(yōu)勢。在電子制造、氣車制造、食品加工等行業(yè)中，平面關(guān)節(jié)型搬運機器人可以替代人工搬運，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時還可以避免作業(yè)人員受到損傷。因此，該機器人在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價值。綜上所述，平面關(guān)節(jié)型搬運機器人的設(shè)計效果得到了很好的實現(xiàn)和應(yīng)用。本文的設(shè)計了對于進(jìn)一步推廣平面關(guān)節(jié)型搬運機器人的應(yīng)用具有重要意義。機身的高度是900毫米，因為這個設(shè)計需要具備三個自由度，所以它不是用來運動的，而是被用來支撐。只要滿足剛度要求，高度可以根據(jù)自動線的高低來確定。參考文獻(xiàn)楊建峰.基于LabVIEW的平面關(guān)節(jié)型機器人控制系統(tǒng)的研究[J].齊魯工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019傅永建，張雪華，丘友青.平面關(guān)節(jié)型機械手的運動學(xué)求解與仿真研究[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2019李昂.平面關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)[J].自動化應(yīng)用，2019張鐵，梁驍翃.平面關(guān)節(jié)型機器人關(guān)節(jié)力矩的卡爾曼估計[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2018蔡裕勛.平面關(guān)節(jié)型機器人與機器視覺在FQC中替代人工的集成應(yīng)用[J].印制電路信息，2018柳輝.平面關(guān)節(jié)型機器人設(shè)計、分析與標(biāo)定技術(shù)研究[D].揚州大學(xué)，2017.陳玉喜，潘松峰，楊彥平，李鑫，尹寧寧.一類平面關(guān)節(jié)型機器人運動學(xué)建模及液壓傳動與氣壓傳動[J].青島大學(xué)學(xué)報(工程技術(shù)版)，2016李洪超，張偉中，李寅翔，張獎，李建萬.固定電機驅(qū)動的平面關(guān)節(jié)型機器人無參數(shù)運動學(xué)標(biāo)定[J].輕工機械，2015李志.平面關(guān)節(jié)型沙發(fā)扶手專用木工數(shù)控銑床設(shè)計研究[D].南京林業(yè)大學(xué)，2015.姜家宏.平面關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].東北大學(xué)，2010.傳動平面關(guān)節(jié)型機器人.液壓傳動與氣壓傳動遼寧省東北大學(xué)，2010-01-01.林琳.一種四自由度平面關(guān)節(jié)型機器人的設(shè)計研究與控制實現(xiàn)[D].東北大學(xué)，2009.張興國，徐海黎.一種開放式平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化，2009汪新中.平面關(guān)節(jié)型裝配機器人擰螺釘手爪的研究[J].機電工程，2008張進(jìn)偉.四自由度平面關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[D].東北大學(xué)，2008.李秀美，賈友文，狄敬國.PLC控制的一種平面關(guān)節(jié)型機器人設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2007劉敏，尤波，絮延河.平面關(guān)節(jié)型裝配機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].黑龍江電力，2004李琳，李杞儀，謝存禧.平面關(guān)節(jié)型機器人故障診斷智能系統(tǒng)的設(shè)計[J].機械設(shè)計，2002\o"Designandevaluationofaroboticappleharvesterusingoptimizedpickingpatterns"Designandevaluationofaroboticappleharvesterusingoptimizedpickingpatterns[J].BuLingxin;ChenChengkun;HuGuangrui;SugirbayAdilet;SunHongxia;ChenJun.ComputersandElectronicsinAgriculture，2022\o"SegmentationofabnormalleavesofhydroponiclettucebasedonDeepLabV3+forroboticsorting"SegmentationofabnormalleavesofhydroponiclettucebasedonDeepLabV3+forroboticsorting[J].WuZhenchao;YangRuizhe;GaoFangfang;WangWenqi;FuLongsheng;LiRui.ComputersandElectronicsinAgriculture，20附錄PLC控制程序指令地址指令數(shù)據(jù)0000LDI1.00001AI0.70002OQ1.00003=Q1.00004LDSM0.00005AI1.10006AI0.60007=Q1.10008RQ0.0,80009LDI2.20010AI2.40011ANQ1.30012=M0.30013=Q1.20014LDI2.30015ANQ1.20016=Q1.30017LDM0.30018AQ1.10019OQ0.60020ANQ0.70021OQ1.30022AI2.10023=Q0.60024LDI2.00025AI0.20026AI0.40027AQ0.60028OQ0.30029ANQ0.20030ANQ0.70031OQ1.30032AI1.30033=Q0.30034LDQ0.30035AI0.20036AI0.40037AI0.10038OQ0.70039ANT370040OQ1.30041AI2.00042=Q0.70043LDQ0.70044ANQ0.30045ANQ0.00046OQ1.30047AI1.20048=Q0.20049LDQ0.20050AI0.00051AI0.20052AI0.40053OQ0.00054ANQ0.00055ANQ0.50056OQ1.30057AI1.70058=Q0.00059LDQ0.00060AI0.00061AI0.30062AI0.40063OQ0.50064ANQ0.40065ANQ0.30066O