氣動裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
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畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目 氣動裝配機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計 姓 名 學(xué) 號 專業(yè)班級 指導(dǎo)教師 系 別 完成日期 摘要 機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用，隨著工業(yè)機(jī)械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術(shù)自身的一些優(yōu)點，氣動機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。機(jī)械手主要由手部、運動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 本文就氣動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景作了簡單概述。擴(kuò)展我們的知識面和專業(yè)面，可以加強(qiáng)對自己的思維訓(xùn)練和能力培養(yǎng)，還可以填補(bǔ)空白，提高生產(chǎn)效率，很大的現(xiàn)實意義。 關(guān)鍵詞：氣動機(jī)械手；研究方向；發(fā)展趨勢 目錄 第一章 緒 論 1 1.1 機(jī)械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2 氣動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 2 1.3 氣動技術(shù)有以下優(yōu)點 3 1.4 氣動機(jī)械手研究的目的、意義 4 1.5 發(fā)展前景及方向 4 1.6 設(shè)計時要解決的幾個問題 6 1.6.1 具有足夠的握力(夾緊力) 6 1.6.2 手指間應(yīng)具有一定的開閉角 6 1.6.3 保證工件準(zhǔn)確定位 6 1.6.4 具有足夠的強(qiáng)度和剛度 6 1.6.5 考慮被抓取對象的要求 7 1.7 氣動機(jī)械手的設(shè)計要求 7 1.8 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 7 1.8.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖 7 1.8.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 8 1.8.3 驅(qū)動系統(tǒng) 9 1.8.4 控制系統(tǒng) 9 1.8.5 位置檢測裝置 9 第二章 機(jī)械手的整體設(shè)計方案 10 2.1 機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 11 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 12 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 12 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 12 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計以及氣缸設(shè)計、校核 13 3.1 手部夾緊氣缸的設(shè)計 13 3.2 確定氣缸直徑 14 3.3 氣缸作用力的計算及校核 14 3.4 缸筒壁厚的設(shè)計 15 3.5 氣缸的基本組成部分及工作原理 16 3.6 計算手部與工件總重量 16 第四章 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與驗算 17 4.1 手臂部慣性力的計算 17 4.2 手臂部摩擦力的計算 17 4.3 手臂部驅(qū)動力 18 4.4 確定氣缸直徑 19 4.5 手臂伸縮氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理 19 4.6 氣缸作用力的驗算（應(yīng)取有桿腔的活塞面積進(jìn)行計算） 20 4.7 導(dǎo)桿彎曲應(yīng)力驗算 20 第五章 配重的選取 21 5.1 各部件重量計算 21 5.2 計算偏重力臂ρ 22 5.3 偏重力矩M縮偏、M伸偏 23 5.4 配重的計算 23 第六章 擺動氣缸的計算 24 6.1 手臂伸出狀態(tài)時，偏重力矩ρ 24 6.2手臂的轉(zhuǎn)動慣量J 24 6.3 手臂擺動回轉(zhuǎn)力矩的計算 24 第七章 升降部分的計算 26 7.1 升降氣缸的選擇 26 7.2 升降導(dǎo)桿的重量 26 7.3 升降導(dǎo)桿的校核 27 第八章 機(jī)械手氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計 28 8.1 機(jī)械手的控制要求 28 8.2 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 28 結(jié) 論 30 參考文獻(xiàn) 31 附錄 32 致 謝 33 IV 第一章 緒 論 1.1 機(jī)械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。 工業(yè)機(jī)械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機(jī)械操作手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的；1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上，又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲存裝置。不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美國機(jī)械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運，可做點位和軌跡控制：該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這2種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種Unimation—Vic.arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)：聯(lián)邦德國Kuka公司還生產(chǎn)一種點焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快，應(yīng)用國家最多的國家，自1969年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，開始大力從事機(jī)械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，主要用于機(jī)械化、自動化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。 我國工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國第一臺機(jī)械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個五年計劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由北京機(jī)械自動化研究所設(shè)計制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計制造的點焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計制造的裝卸載機(jī)器人等等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的，同時一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器，DC——PWM等等。 我國的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手、計算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等?？梢詫C(jī)械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計制造，又便于跟換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。 1.2 氣動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護(hù)、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等優(yōu)點。所以，氣動機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等。 現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機(jī)械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機(jī)械手。高頻率的點焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最有代表性的氣動機(jī)械手應(yīng)用之一。 在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標(biāo)位置。對加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。氣動機(jī)械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機(jī)械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機(jī)械手，牛奶盒裝箱氣動機(jī)械手等。 氣動機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。其主要特點是:輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 1.3 氣動技術(shù)有以下優(yōu)點 (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題. (2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。 (3)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。 (5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實用性和前景存在不少疑慮。 1.4 氣動機(jī)械手研究的目的、意義 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： （1）以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 （2）以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(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）可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。 1.5 發(fā)展前景及方向 1.5.1 重復(fù)高精度 精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機(jī)器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機(jī)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機(jī)器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以及氣動伺服技術(shù)走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 1.5.2 模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的氣動機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的氣動機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運動自如。由于模塊化氣動機(jī)械手的驅(qū)動部件采用了特殊設(shè)計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機(jī)械手的一個重要特點。模塊化氣動機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是氣動機(jī)械手的一個重要的發(fā)展方向。 智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機(jī)械手和氣動機(jī)器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能閥島本來就是模塊化的設(shè)備，特別是緊湊型CP閥島，它對分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對機(jī)械手中的移動模塊。 1.5.3 無給油化 為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料（如燒結(jié)金屬石墨材料）的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 1.5.4 機(jī)電氣一體化 由“可編程序控制器-傳感器-氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動元件，使氣動技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機(jī)械手、氣動控制越來越離不開PLC，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動機(jī)械手、氣動控制中變得更加得心應(yīng)手。 1.6 設(shè)計時要解決的幾個問題 1.6.1 具有足夠的握力(夾緊力) 在確定手指的握力時，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，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 1.6.2 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。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 1.6.3 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，以便自動定心。 1.6.4 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(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)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭 轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 1.6.5 考慮被抓取對象的要求 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)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型。 1.7 氣動機(jī)械手的設(shè)計要求 (1)機(jī)械手為通用氣動機(jī)械手，因此相對于專用機(jī)械手來說，它的適用面相對較廣。 (2)選取機(jī)械手的坐標(biāo)型式和自由度。 (3)設(shè)計出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。并進(jìn)行計算、校核和畫CAD圖 1.8 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 1.8.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖 被抓取物品 位置檢測裝置 手部 驅(qū)動系統(tǒng) （氣壓傳動） 控制系統(tǒng) （PLC） 手臂 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 立柱 圖1-1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖 機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。 1.8.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本設(shè)計中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 3、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 4、機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 1.8.3 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的。它由動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機(jī)械傳動。 1.8.4 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 1.8.5 位置檢測裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置. 第二章 機(jī)械手的整體設(shè)計方案 對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾放和搬運物件，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定位等特性。設(shè)計氣動機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(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、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計的機(jī)械手是通用氣動裝配機(jī)械手（如圖2-1所示），是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，動作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。 圖2-1 機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu) 2.1 機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱坐標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個自由度，為了彌補(bǔ)升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。（如圖2-2所示） 圖2-2 機(jī)械手的運動示意圖 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，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，以便自動定心 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 考慮到機(jī)械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計以及氣缸設(shè)計、校核 3.1 手部夾緊氣缸的設(shè)計 夾緊氣缸的夾緊、驅(qū)動力的確定（圖3-1），工件重5kg。(g=9.8N/kg) 圖3-1 手部結(jié)構(gòu) 1 夾緊力： F夾= （其中 θ=45，G=49N，f =0.1） F夾==174（N） 2 驅(qū)動力F驅(qū) = （其中 b=50，c=30 ，α=23） 故F驅(qū)==250（N） F實際≥ 其中 K1：安全系數(shù)，一般取1.2～2 取K1=1.5 K2：工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計， K2=1+式中a為被抓取工件運動時的最大加速度， a= v：升降速度0.2m/s，t：機(jī)械手達(dá)到最高速度的響應(yīng)時間為0.1s g為重力加速度 g=9.8m/s2。 那么：K2=1+=1.204 η：手部機(jī)械效率，一般取0.85～0.95 取η=0.85（滾動摩擦） F實際==531（N） 3.2 確定氣缸直徑 取空氣壓力為P空氣 = 0.5 MPa = 5105Pa， D= ==0.0368(m)=36.8(mm) 圓整氣缸直徑D=40mm 3.3 氣缸作用力的計算及校核 F氣缸===628(N) 因為 F氣缸＞F實際 ， 所以 滿足設(shè)計要求。 由d/D=O.2～0.3， 可得活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=8～12 mm 圓整后，取活塞桿直徑d=12 mm 校核，按公式≤[σ] 其中 [σ]=120MPa, F實際=531N 則:d ≥ (4531/π120) 1/2 =2.37mm ≤12mm 滿足設(shè)計要求。 3.4 缸筒壁厚的設(shè)計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: δ=DPP/2[σ] 式中: δ—— 缸筒壁厚 mm D ——氣缸內(nèi)徑 ，40mm PP——實驗壓力，取PP=1.2P=6105Pa 材料為 : ZL3,[σ] =3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: δ=DPP/2[σ] =406105/23106 =4 mm 取δ=4 mm，則缸筒外徑為:D=40+42 =48 mm。 于是選擇SC-4050型的夾緊氣缸(圖3-2)。 圖3-2 夾緊氣缸 3.5 氣缸的基本組成部分及工作原理 氣動手爪這種執(zhí)行元件是一種變型氣缸。它可以用來抓取物品，實現(xiàn)機(jī)械手各種運動。在自動化系統(tǒng)中，氣動手爪常應(yīng)用中搬運、傳送工件機(jī)構(gòu)中抓取、拾放物品。 氣動手爪的開閉一般是通過由氣缸活塞產(chǎn)生的往復(fù)直線運動帶動與手爪相連的曲柄連桿、滾輪或齒條等機(jī)構(gòu)，驅(qū)動各個手爪同步做開、閉運動。 3.6 計算手部與工件總重量 這里手部結(jié)構(gòu)自行設(shè)計，我設(shè)計的手部大概質(zhì)量m手=1.5kg，夾緊氣缸的鋼體m鋼體=1.5kg查有關(guān)資料，得SC-4050型夾緊氣缸重量為1kg。 所以M總質(zhì)量=m手+m氣缸+m鋼體+m工件=1.5+1+1.5+5=9kg,G手部=M總質(zhì)量9.8kg/N=88.2N 第四章 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與驗算 4.1 手臂部慣性力的計算 (1)手部總重量：G手部=88.2(N) (2)伸縮導(dǎo)桿重量：選取外徑20mm，內(nèi)徑10mm，長度500mm的無縫鋼管作伸縮導(dǎo)桿，共2根。2G導(dǎo)桿=L7.81039.82=18(N) (3)導(dǎo)桿后連接板重量: G導(dǎo)桿后連接板=（0.20.070.01-0.080.050.01）7.81039.8=7.6(N) 所以總重量為： G手臂慣=G手部+2G導(dǎo)桿+G導(dǎo)桿后連接板=113.8(N) 那么： m手臂慣==11.6kg (6)手臂伸縮時產(chǎn)生的慣性力為: F慣=m手臂 式中：Δt——起動或制動時間差(s)，取0.1s； Δv——起動或制動的速度差(m/s)，取0.25m/s 那么： F慣=m手臂=11.6=29(N) 4.2 手臂部摩擦力的計算 由于手臂伸出時，伸縮導(dǎo)桿所受作用力最大，根據(jù)其受力簡圖（圖4-1）計算。 圖4-1 受力簡圖 圖中：G1——工件自重49(N)，G2——手指部分及夾緊氣缸的重量39.2(N)， 2G3——導(dǎo)桿重量18(N)，G4——導(dǎo)桿后連接板重量7.6(N) 列方程：ΣMB=0 ： 2N10.15+0.2G4-0.22G3-0.5G2-0.5G1=0 N1==158（N） ΣY=0：2N2-2N1-G1-G2-2G3-G4 =0 N2==215（N） 伸縮運動時，摩擦系數(shù)f，當(dāng)被聯(lián)接件為鋼或鑄鐵件，且為干燥的加工表面時，取f =0.10得： F摩A=0.12N1=0.12158=31.6(N) F摩B=0.12N2=0.12215=43(N) 4.3 手臂部驅(qū)動力 根據(jù)伸縮氣缸運動時所需克服的摩擦力及慣性力等幾方面的阻力，來確定伸縮氣缸的所需的驅(qū)動力?？紤]到除導(dǎo)桿與導(dǎo)桿座之間的摩擦外，還有氣缸桿與密封環(huán)間的摩擦，故增加安全系數(shù)K，取K=1.1。 F驅(qū)=K(F慣+F摩A+F摩B)=1.1(29+31.6+43)=114（N） F實際≥ 其中 K1：安全系數(shù)，一般取1.2～2 取K1=1.5 η：機(jī)械效率，一般取0.85～0.95 取η=0.85（滾動摩擦） F實際==201.2（N） 4.4 確定氣缸直徑 D===23（mm） 選擇標(biāo)準(zhǔn)型氣缸（缸徑為32mm）型號：QGBII32-300。 由d/D=O.2～0.3， 可得活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=6.4～9.6 mm 取d=8mm 4.5 手臂伸縮氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理 這個氣缸為單活塞桿雙作用氣缸，它由鋼筒、活塞、活塞桿、前端蓋、后端蓋及密封件等組成。雙作用氣缸內(nèi)部被活塞分為兩個腔。有活塞桿腔稱為有桿腔，無活塞桿腔稱為無桿腔。當(dāng)從無桿腔輸入壓縮空氣時，有桿腔排氣，氣缸兩腔的壓力差作用在活塞上所形成的力克服阻力負(fù)載推動活塞運動，使活塞桿伸出;當(dāng)有桿腔進(jìn)氣，無桿腔排氣時，使活塞桿縮回。若有桿腔和無桿腔交替進(jìn)氣和排氣，活塞實現(xiàn)往復(fù)直線運動。 4.6 氣缸作用力的驗算（應(yīng)取有桿腔的活塞面積進(jìn)行計算） F氣缸==377(N) 因為 F氣缸＞F驅(qū)，所以，選擇MDBB32-300氣缸合適。 4.7 導(dǎo)桿彎曲應(yīng)力驗算 σmax===36.1(Mpa) 式中：F ——工件自重、手指部分、夾緊氣缸及導(dǎo)桿重量；折合為106.2(N)，由于手臂共有2根伸縮導(dǎo)桿作導(dǎo)向，所以作用在每根導(dǎo)桿的合力為53.1(N) L ——導(dǎo)桿的長度 查《簡明機(jī)械設(shè)計手冊》可知35#鋼的[σ]=68.198(Mpa), σmax＜[σ] 故安全 第五章 配重的選取 因為要求手臂升降動作靈活輕快，而不致出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。為此要求手臂偏重力矩不能過大，否則對手臂的升降運動極為不利，也易引起手臂的跳動和傳動不平穩(wěn)。特別在手臂伸出時則偏重力矩最大，因此，在設(shè)計時應(yīng)盡量減少手臂偏重力矩，以使手臂前伸部分與固定部分保持平衡。所以，在手臂托板下方安裝配重，以減少偏重力矩的影響。手臂的受力情況如圖5-1所示。 圖5-1 手臂受力情況 5.1 各部件重量計算 (1) 導(dǎo)桿座 由于導(dǎo)桿共有2個導(dǎo)桿座進(jìn)行固定。那么， 2G導(dǎo)桿座=20.120.1500.0107.81039.8=27.5(N) (2) 伸縮氣缸 查煙臺凱威氣動液壓有限公司資料，知道伸縮氣缸QGBII32-400的質(zhì)量計算公式為1.16+0.0042S，則氣缸質(zhì)量：m伸縮氣缸=1.16+0.0042400=2.84(kg) G伸縮氣缸= m伸縮氣缸g=2.849.8=27.8(N) (3) 氣缸托板 氣缸托板長600mm，寬200mm，厚10mm G氣缸托板=0.6000.2000.0107.81039.8=92(N) 結(jié)合圖5-1手臂的受力情況，列出手臂上各部件情況如表(5.1)所示。 表5.1 手臂縮回與伸出狀態(tài)的重心位置到回轉(zhuǎn)軸的距離 手臂縮回狀態(tài)時，部件重心位置到手臂回轉(zhuǎn)軸的距離X(m) 手臂伸出狀態(tài)時，部件重心位置到手臂回轉(zhuǎn)軸的距離X(m) 部件名稱 部件重量(N) X1=0.25 X1=0.6 工件：G1 G1=49 X2=0.25 X2=0.6 手指部分及夾緊氣缸：G2 G2＝39.2 X3=0.075 X3=0.425 導(dǎo)桿：G3=0.3G導(dǎo)桿 G3＝5.4 X4=0.075 X4=0.075 1/4氣缸托板:G4 G4＝23 X5=-0.1 X5=-0.1 伸縮氣缸：G5 G5=27.8 X6=-0.175 X6=0.175 導(dǎo)桿：G6=0.7G導(dǎo)桿 G6=12.6 X7=-0.225 X7=-0.225 3/4氣缸托板:G7 G7＝69 X8=-0.35 X8=0 導(dǎo)桿后連接板：G8 G8＝7.6 X9=-0.4 X9=-0.4 配重:G9 G9=？ 5.2 計算偏重力臂ρ ρ= (1) 回時偏重力臂 ρ縮===0.0043(m) (2) 出時偏重力臂 ρ伸===0.175(m) 5.3 偏重力矩M縮偏、M伸偏 M縮偏=G總ρ縮=233.60.0043=1(Nm) M伸偏= G總ρ伸=233.60.175=40.88(Nm) 5.4 配重的計算 為了減少偏重力矩對回轉(zhuǎn)軸的作用，故在伸縮氣缸尾部的托板下方安裝配重，達(dá)到一定的力平衡，取配重的重心至回轉(zhuǎn)軸的距離為0.4(m) 則配重，G配==2.5(N) m= G配/g=0.255(kg) 配重的體積：V===0.3310-4 (m3) 配重的尺寸：（長寬高）403030(mm) 第六章 擺動氣缸的計算 6.1 手臂伸出狀態(tài)時，偏重力矩ρ G手臂總= G手臂+G配=233.6+2.5=236.1(N) ρ===0.17（m） 6.2手臂的轉(zhuǎn)動慣量J 查資料可知，按長方體進(jìn)行驗算。 J=(l2+a2)=(0.92+0.22)=(0.92+0.22)=1.7（kgm2） J手臂=J+mρ2=1.7+0.172=2.4（kgm2） 6.3 手臂擺動回轉(zhuǎn)力矩的計算 ⑴ 克服啟動慣性所需的力矩M慣： M慣=J手臂=2.4=21（Nm） ⑵ 臂擺動回轉(zhuǎn)所屬的總力矩M總： 由于手臂部與立柱聯(lián)接使用導(dǎo)承連接，所生的摩擦力矩M摩不大，為了簡化計算可以將M慣適當(dāng)放大，而省略掉、M摩，這時M總 =1.1M慣 那么， M總=1.1M慣=1.121=23.1（Nm） 查相關(guān)資料，選用（缸徑為40mm）QGK631800型氣缸。如圖(6-1) 在0.5MPa時，轉(zhuǎn)矩為56Nm，大于M總 （安全） 圖6-1 擺動氣缸 查相關(guān)資料，此型號的氣缸質(zhì)量m=3(kg) 則：G擺動氣缸=mg=29.4(N) 第七章 升降部分的計算 7.1 升降氣缸的選擇 （1） 導(dǎo)桿慣性力的計算 G總=G手臂總+G擺動氣缸=236.1+29.4=265.5(N) F慣=m總a=a==54.2（N） （2） 導(dǎo)桿驅(qū)動力的計算 根據(jù)升降氣缸慣性力及自重等幾方面的阻力，來確定升降氣缸的所需的驅(qū)動力。考慮到氣缸桿與密封環(huán)間的摩擦，故增加安全系數(shù)K，取K=1.1。 F驅(qū)=KF慣+G總=1.154.2+265.5=325.12（N） （3） 確定氣缸直徑D===29（mm) 選擇SC40-300SLB標(biāo)準(zhǔn)型氣缸（缸徑為40mm）型號。 （4） 氣缸作用力的驗算 F氣缸===628（N） 因為 F氣缸＞F驅(qū)， 所以，選擇SC40-300SLB氣缸合適，這個氣缸的重量為2kg。 7.2 升降導(dǎo)桿的重量 升降導(dǎo)桿外徑20mm，內(nèi)徑10mm，長400mm m導(dǎo)桿=0.47.8103=0.73(kg) G導(dǎo)桿=m導(dǎo)桿g=0.739.8=7.2（N） 7.3 升降導(dǎo)桿的校核 當(dāng)手臂伸出到最大范圍時，回轉(zhuǎn)中心彎矩最大，由兩條導(dǎo)桿同時承受，因M伸偏=40.88 故σ===32.5（MPa） 查《簡明機(jī)械設(shè)計手冊》可知45#鋼正火，[σ]=353(MPa) σmax＜[σ]?。ò踩? 第八章 機(jī)械手氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計 8.1 機(jī)械手的控制要求 為了便于生產(chǎn)加工、維修、調(diào)整設(shè)置的工作方式選擇開關(guān)。分為手動和自動操作，其中自動操作中包括了：單步、單周期、連續(xù)；手動操作包括手動和回原位的操作。手動操作：供維修用，即用按鈕對機(jī)械手的每一步動作單獨控制。例如，當(dāng)選擇手動操作時，按下上升/下降按鈕，機(jī)械手在滿足條件情況下即執(zhí)行相應(yīng)的動作，其它動作以此類推。