四自由度工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

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1、31 2012畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 論 文 摘 要 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目為四自由度工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)是根據(jù)三年?？扑鶎W(xué)的課程進(jìn)行的，主要有：機(jī)械零件設(shè)計(jì)，機(jī)械零件圖測(cè)繪，液壓與氣動(dòng)技術(shù)，PLC電子編程技術(shù)，理論力學(xué)，工程力學(xué)等。設(shè)計(jì)共分為六章，第一章緒論是說(shuō)明本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的，意義，研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求，簡(jiǎn)述本課題在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問(wèn)題。第二章總體設(shè)計(jì)以及總體說(shuō)明，對(duì)工業(yè)機(jī)械手的工作原理、組成及其種類型式進(jìn)行介紹，確定整個(gè)機(jī)械手的總體方案。第三章工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械部分設(shè)計(jì)，是介紹各部件的

2、選擇及相關(guān)數(shù)據(jù)的確定、性能的分析和各參數(shù)的計(jì)算；第四章工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（氣動(dòng)系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)，包括：回路設(shè)計(jì)，執(zhí)行元件選擇，控制元件選擇以及動(dòng)作順序表等進(jìn)行介紹。第五章工業(yè)機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要介紹了PLC的程序梯形圖。第六章是設(shè)計(jì)的總結(jié)。 在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，能順利的完成，最重要的是由三位優(yōu)秀的，具有豐富經(jīng)驗(yàn)的導(dǎo)師王曉初和李克天老師的詳細(xì)耐心的解說(shuō)，教導(dǎo)。而本人也通過(guò)《畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》、《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《可編程序控制器》以及參考其它有關(guān)機(jī)械手設(shè)計(jì)的專業(yè)書籍,經(jīng)過(guò)十三周的努力終于把此畢業(yè)設(shè)計(jì)編制而成。 關(guān)鍵字：機(jī)械手，氣動(dòng)系統(tǒng)，PLC，

3、目 錄 1 緒論 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――-- 3 1．1 課題設(shè)計(jì)的論述 --―――――――――――――――――――――――――――― 3 1．1．1 工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)概述 --―――――――――――――――――――――― 3 1．1．2現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) --――――――――――――――――――――――― 4 1．2 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本步驟 ----―――――――――――――――――――――― 5 2 總體設(shè)計(jì) ―――――――――――――――――――――――――――――――――― 6 2．1 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 ――

4、―――――――――――――――――――――――――――― 6 2．1．1總體說(shuō)明 ―――――――――――――――――――――――――――――― 6 2．1．2驅(qū)動(dòng)方式的選擇和設(shè)計(jì) ――――――――――――――――――――――― 6 2．1．3整體機(jī)構(gòu)的確定 --――――――――――――――――――――――――-- 7 3 工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械部分設(shè)計(jì)–--―――――――――――――――――――――― 8 3.1 工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù) ――――――――――――――――――――――――― 8 3.2 工業(yè)設(shè)計(jì)手的參數(shù)計(jì)算 ――――――――――――――――――――――――---

5、 8 3.2.1 手部質(zhì)量計(jì)算 ―――――――――――――――――――――――――――- 8 3.2.2 機(jī)械手的爪部夾緊氣缸的選擇 ―――――――――――――――――――-- 9 3.2.3 腕部傳動(dòng)氣缸的選擇 ―――――――――――――――――――――――-- 10 3.2.4 伸縮氣缸的選擇 ――――――――――――――――――――――――――-- 11 3.2.5 對(duì)伸縮導(dǎo)桿的校核 ―――――――――――――――――――――――――-- 12 3.2.6 配重計(jì)算 ―――――――――――――――――――――――――――――-- 13 3.2.7 升降部分計(jì)算 -

6、-――――――――――――――――――――――――――― 14 3.2.8 對(duì)升降導(dǎo)桿的核算 ――――――――――――――――――――――――--- 15 3.2.9撓度計(jì)算 ―――――――――――――――――――――――――――――--- 15 3.2.10轉(zhuǎn)臺(tái)型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸的計(jì)算 ――――――――――――――――-- 16 4 工業(yè)機(jī)械手的控制部分設(shè)計(jì) ――――――――――――――――――――――― 17 4．1 回路計(jì)算 ――――――――――――――――――――――――――――――――-- 17 4．2 執(zhí)行元件選擇 ――――――――――――――――――――――

7、―――――――― 17 4．3 控制元件選擇 ―――――――――――――――――――――――――――――― 18 4．4 執(zhí)行元件用氣量的計(jì)算和空壓機(jī)的選擇 ―――――――――――――――――― 21 4．5 氣動(dòng)元件的清單 ――――――――――――――――――――――――――――― 22 4.6 動(dòng)作順序表 ――――――――――――――――――――――――――――――― 23 5 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)―――――――――――――――――――――――――――― 25 5．1電氣控制方案設(shè)計(jì)和元件的選擇 ――――――――――――――――――――― 25 5．2 PLC控

8、制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及PLC及I/O端口分配圖的設(shè)計(jì) ―――――――――――― 25 5．3 PLC梯形圖的設(shè)計(jì) ―――――――――――――――――――――――――――― 25 5．4 PLC的控制程序 ―――――――――――――――――――――――――――――― 25 總結(jié) 致謝 參考文獻(xiàn) 1 緒論 1．1 課題設(shè)計(jì)的論述 AZ機(jī)械是現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)行生產(chǎn)的主要要素之一，機(jī)械制造工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)化國(guó)家的基礎(chǔ)工業(yè)，是我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化的重要領(lǐng)域之一。 AZ機(jī)械設(shè)計(jì)是從使用要求等出發(fā)，對(duì)機(jī)械的工作原理，結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)形式，力和能量的傳遞方式，以至各個(gè)零件的材料和形

9、狀尺寸，以及使用維修等問(wèn)題進(jìn)行構(gòu)思，分析和決策的工作過(guò)程，這種過(guò)程的結(jié)構(gòu)一般要表達(dá)成設(shè)計(jì)圖紙，說(shuō)明書以及各種技術(shù)文件。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械生產(chǎn)的第一步，是決定產(chǎn)品性能及影響產(chǎn)品制造過(guò)程的首要環(huán)節(jié)。 AZ因此，機(jī)械設(shè)計(jì)課程是講授一般工作條件和常用參數(shù)范圍內(nèi)的通用設(shè)計(jì)的課程。 1．1．1 AZ工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)概述 ㈠ 工業(yè)機(jī)械手的工作原理和分類 ⒈ 原理 機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按設(shè)定的程序、軌跡和要求代替人手抓搬運(yùn)工件或操持工具或進(jìn)行操作的自動(dòng)化裝置。 ⒉ 分類 工業(yè)機(jī)械手的種類很多按使用范圍可分為：專用機(jī)械手、通用機(jī)械手。 專用機(jī)械手—— 一般附屬

10、于工作機(jī)器設(shè)備，動(dòng)作程序固定，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨(dú)立，亦可以附屬與工作機(jī)械設(shè)備。 通用機(jī)械手—— 獨(dú)立工作的自動(dòng)化機(jī)械裝置。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。 按驅(qū)動(dòng)方式可分為：液壓機(jī)械手、氣壓機(jī)械手、電動(dòng)機(jī)械手和機(jī)械式機(jī)械手。 液壓機(jī)械手—— 輸出力大，傳動(dòng)平穩(wěn)。如采用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴(yán)格，油溫對(duì)油的粘度影響較大。 氣壓機(jī)械手—— 氣源方便，輸出力小，氣壓傳動(dòng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但工作不大穩(wěn)定，沖擊大，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大。 電動(dòng)機(jī)械手——

11、直接用直線電機(jī)，功率步進(jìn)電機(jī)和具有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等來(lái)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力源簡(jiǎn)單，不需要能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，維護(hù)使用方便。 機(jī)械式機(jī)械手—— 由工作機(jī)械帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，工作可靠，動(dòng)作頻率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但動(dòng)作固定不可變。 按控制系統(tǒng)可分為：點(diǎn)位控制、連續(xù)控制。 點(diǎn)位控制—— 只能控制工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)點(diǎn)的位置，運(yùn)動(dòng)軌跡不受控制。目前使用的專用和通用的工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。 連續(xù)控制—— 工業(yè)機(jī)械手按給定的速度沿給定的路線（軌跡）實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)是無(wú)限的，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程都要求在控制之下。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 ⒊ 工業(yè)機(jī)械手的自由度 所謂

12、工業(yè)機(jī)械手的自由度就是整機(jī)、手臂和手腕相對(duì)于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。有幾個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)就有幾個(gè)自由度。手指的抓取動(dòng)作不計(jì)在自由度數(shù)目?jī)?nèi)。 工業(yè)機(jī)械手自由度數(shù)的多少，決定著工業(yè)機(jī)械手動(dòng)作多樣化的程度。自由度數(shù)越多，它的動(dòng)作越靈活，應(yīng)用越廣。但同時(shí)也使控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，定位精度難以保證，整機(jī)的造價(jià)高，自重大。所以，應(yīng)按生產(chǎn)實(shí)際需要選用最少的自由度數(shù)。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)械手的自由度數(shù)目為２～５個(gè)。 4．工業(yè)機(jī)械手手臂的坐標(biāo)形式 按照工業(yè)機(jī)械手手臂所具有的運(yùn)動(dòng)及其組合情況，若以坐標(biāo)形式可分為下列四種： （1）直角坐標(biāo)式 手臂的運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組合而成。 （2）圓柱坐標(biāo)式

13、 手臂的運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。 （3）球坐標(biāo)式 手臂運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。 （4）關(guān)節(jié)式 手臂運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。 ㈡ 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成 目前國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)械手的種類和型式比較多。從結(jié)構(gòu)型式分析，主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。 ⒈ 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 由手部、手腕、手臂和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件組成。 ⑴ 手部 它具有人手某種單一動(dòng)作的功能。是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件進(jìn)行操作的部件，要求其抓取工件牢固、定位準(zhǔn)確、小損傷工件。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等型式。

14、 夾持式手部是由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。手指是直接與物件接觸的構(gòu)件。常用的手指運(yùn)動(dòng)型式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，應(yīng)用較少。平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持變化范圍大的工件。 ⑵ 手腕 手腕是連接手部和手臂的部件，用來(lái)改變或調(diào)整工作的方位（即姿勢(shì)）。它可以有上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)，如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等），手腕還可以有小距離的橫移。也有的工業(yè)機(jī)械手沒(méi)有手腕。 ⑶ 手臂 手臂是機(jī)械手執(zhí)行結(jié)構(gòu)中的部件。其作用是將被抓住工件

15、傳送到規(guī)定位置上，它具有手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)三個(gè)自由度。 工業(yè)機(jī)械手的手臂是支撐通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件（如油、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(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 ⑷ 行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作時(shí)，可在機(jī)座輪，軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。 ⒉ 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置。通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。 ⒊ 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(yùn)動(dòng)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

16、機(jī)械擋位）系統(tǒng)組成。 1．1．2 現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)： 1．工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度，高精度，高可靠性，便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至03年的5.3萬(wàn)美元。 2．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化，可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)，減速機(jī)，檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊，連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 3．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化，網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性，易操作性和

17、可維修性。 4．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置，速度，加速度等傳感器外，裝配，焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)，力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)，聲覺(jué)，力覺(jué)，觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 5．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真，預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 6．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上

18、的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 7．機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”，“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌道規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆，弧焊，點(diǎn)焊，裝配，搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來(lái)，我國(guó)的

19、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多，批量小，零部件通用化程度低，供貨周期長(zhǎng)，成本也不低，而且質(zhì)量，可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化，通用化，?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最

20、為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人，雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人，爬壁機(jī)器人，管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺(jué)，力覺(jué)，觸覺(jué)，聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)，遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人，智能裝配機(jī)器人，機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1．2 AZ工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本步驟 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的步驟包括以下： 1．根據(jù)機(jī)械手的功能要

21、求，選定其的類型 2．分析機(jī)械手的工作情況，確定作用在機(jī)械手上的載荷。 3．根據(jù)工作情況分析，判定機(jī)械手的失效形式，從而確定其計(jì)算準(zhǔn)則。 4．進(jìn)行主要的參數(shù)選擇，根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)則求出零件的主要尺寸，選擇材料，考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求。 5．進(jìn)行對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析。 6．繪制零件圖，制訂技術(shù)要求。 AZ 2 總體設(shè)計(jì) 2．1 總體設(shè)計(jì) 2．1．1 總體設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按設(shè)定的程序，軌跡和要求代替人手抓搬 運(yùn)或操作工具或進(jìn)行操作自動(dòng)化裝置。 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)要進(jìn)行全面綜合考慮，盡可能使之做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，容易操作安全可靠，

22、安裝維修方便，經(jīng)濟(jì)性好。 為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度，在保證機(jī)械手有足夠強(qiáng)度與剛度的條件下，盡可能從結(jié)構(gòu)與材料上設(shè)法減輕機(jī)械手的重量，力求選高強(qiáng)度，輕質(zhì)材料，通常用高強(qiáng)度鋁合金制造。 據(jù)設(shè)計(jì)題目給出的坐標(biāo)形式和基本參數(shù)確定該設(shè)計(jì)和各項(xiàng)結(jié)構(gòu)，其中已確定的各項(xiàng)有： 1．本工業(yè)機(jī)械手是通用機(jī)械手，是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的，程序可變，動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手工作的范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。本工業(yè)機(jī)械手的控制定位方式是簡(jiǎn)易型的點(diǎn)定位控制，因此，其控制系統(tǒng)不是很復(fù)雜。 2．本工業(yè)機(jī)械手是圓柱坐標(biāo)的坐標(biāo)型式，其手臂的運(yùn)動(dòng)系由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)

23、和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，但因機(jī)械手結(jié)構(gòu)關(guān)系，沿Z軸方向移動(dòng)的最低位置限制，故不能抓取地面上的物體。 3． 本工業(yè)機(jī)械手是四自由度機(jī)械手。所謂工業(yè)機(jī)械手的自由度就是整機(jī)手臂和手腕相對(duì)于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)：1 手臂的升降；2 手臂的升縮；3 手腕部回轉(zhuǎn)； 4．手臂回轉(zhuǎn)。根據(jù)給出的工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)，還需確定其余各部件的設(shè)計(jì)。 2．1．2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇和設(shè)計(jì) 根據(jù)有關(guān)資料的顯示，現(xiàn)在機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的成熟控制方式有多種，主要以下幾種方式，并進(jìn)行比較選擇：

24、 1． 液壓傳動(dòng)機(jī)械手，是以油液的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大影響，且不宜在高溫，低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但電液伺服閥的制造精度高，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高， 2． 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手：是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)：介質(zhì)來(lái)源極方便，不污染環(huán)境，工作可靠，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作維修方便。但是由于空氣具有可壓縮的特點(diǎn)，工作速度的穩(wěn)定性較差，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，適用于高速，輕載，高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 3．

25、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手：既由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如凸輪，連桿，齒輪和齒條，間歇機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率高，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。常被用于為工作主機(jī)的上，下料。 4．電力傳動(dòng)機(jī)械手：即由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，直線電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍柚虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，有發(fā)展前途。 綜合上述四種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)合本設(shè)計(jì)之工業(yè)機(jī)械手的各項(xiàng)規(guī)格要求，應(yīng)選用氣壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，則其抓重和定位都可達(dá)到，且結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單，

26、其傳動(dòng)平穩(wěn)和動(dòng)作靈敏性可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 因此，本設(shè)計(jì)的四自由度工業(yè)機(jī)械手選用氣壓傳動(dòng)機(jī)械手作為驅(qū)動(dòng)方式。 2．1．3 整體機(jī)構(gòu)的確定 1． 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （1）手部：既與物體直接接觸的部件，采用夾持式手部。夾持式手部由手指（或手爪）和傳力機(jī)構(gòu)構(gòu)成。手指直接與物體接觸，傳力機(jī)構(gòu)采用斜楔杠桿式結(jié)構(gòu)，通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件，其由氣缸實(shí)現(xiàn)。 （2）手腕：是聯(lián)接手部和手臂的部件，起調(diào)整或改變工件方位的作用。本系統(tǒng)則通過(guò)由回轉(zhuǎn)氣缸使手腕實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方位的改變。 （3）手臂：支撐手腕和手部的部件，以改變工件的位置。其作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬

27、到設(shè)定位置，本系統(tǒng)采用氣缸和回轉(zhuǎn)氣缸分別實(shí)現(xiàn)手臂的升降回轉(zhuǎn)以及伸縮的動(dòng)作。 （4）立柱：以手臂的升降氣缸兼作立柱，以便實(shí)現(xiàn)該機(jī)械手的緊湊和簡(jiǎn)潔。 （5）機(jī)座：是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，各結(jié)構(gòu)部件均安裝其上，起支撐和連接作用。 2． 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：系統(tǒng)才用氣壓傳動(dòng)方式。 3． 控制系統(tǒng)：是支配工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。系統(tǒng)由可編程序控制器系統(tǒng)和行程開關(guān)電氣定位以及相關(guān)的繼電器系統(tǒng)組成的系統(tǒng)控制。 4． 位置檢測(cè)盒的放置：為操作和安全，把電氣控制箱置于機(jī)座上，而把操縱盒以長(zhǎng)距離，遠(yuǎn)距離的操縱方式。操控人員可遠(yuǎn)離機(jī)械手操作。

28、 整個(gè)機(jī)構(gòu)的位置布置初定大概如下所示： 爪部+夾緊缸+手腕轉(zhuǎn)動(dòng)缸+伸縮缸 ＋ 升降缸（回轉(zhuǎn)缸） ＋ 回轉(zhuǎn)缸（升降缸） 為了使整個(gè)機(jī)構(gòu)盡量趨向于輕便簡(jiǎn)單，在此我們盡量選取葉片型回轉(zhuǎn)氣缸，將回轉(zhuǎn)氣缸放在升降缸之上，但這一構(gòu)想取決于葉片型回轉(zhuǎn)缸的工作壓力是否達(dá)到系統(tǒng)的壓力要求，所以此部分將留待往后再作決定。 5． 手部結(jié)構(gòu) 根據(jù)已知的規(guī)格參數(shù)，我們選擇爪部通過(guò)汽缸推動(dòng)楔塊帶動(dòng)爪

29、部杠桿運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)爪部張合的夾緊運(yùn)動(dòng)。杠桿與楔塊接觸的一端用彈簧連起，以保證楔塊縮回時(shí)杠桿端部始終與楔塊接觸。爪部的張合弧度可通過(guò)改變楔塊的斜面角度和杠桿的長(zhǎng)度和比例來(lái)調(diào)節(jié)。結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)潔，受力性能良好，定位誤差小。 3 直角坐標(biāo)式工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3．1 機(jī)械手的規(guī)格參數(shù) 1． 抓重：50 N （額定抓取重量或額定負(fù)荷） 2． 自由度： 4 3． 坐標(biāo)形式： 圓柱坐標(biāo) 4． 最大工作半徑：1200㎜ 5． 手臂最大中心高（下降時(shí)）：800㎜ 6． 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) ① 伸縮行程：500㎜ ② 伸縮速度：2

30、50㎜／s ③ 升降行程：300㎜ ④ 升降速度：200㎜／s ⑤ 回轉(zhuǎn)范圍：０○～１８０○ ⑥ 回轉(zhuǎn)速度：180○／s 7． 手腕參數(shù) ①. 回轉(zhuǎn)范圍：０○～１８０○ ②.回轉(zhuǎn)速度：１８０○㎜／s 8． 手指夾持范圍：Ф５０～Ф７０ 9． 定位精度：１㎜ 10． 驅(qū)動(dòng)方式：氣壓傳動(dòng) 11．電氣控制方式：PLC點(diǎn)位程序控制 12．電氣操作方式：手動(dòng)和自動(dòng) 3．2 工業(yè)機(jī)械手的參數(shù)總體計(jì)算 3．2．1 機(jī)械手的質(zhì)量 工件的材質(zhì)為鋼結(jié)構(gòu) ρ鋼=７.８１０３kｇ／ｍ３＝0.0078ｇ／㎜3 工件的質(zhì)量 ｍ工件＝Ｇ／ｇ

31、 （3－1） ＝５０／９.８ ＝５.102Kg＝５１０2ｇ 工件的體積 Ｖ工件＝ｍ工件／ρ鋼 （3－2） ＝5102/0.0078 ＝654103 mm３ 當(dāng)工件取Ф５０時(shí)，面積應(yīng)為 Ｓ5０＝π（ｄ5０/2）２

32、 （3－3） ＝3.14625 ＝１９６２.5mm２ 長(zhǎng)度應(yīng)為 Ｌ5０＝Ｖ工件／Ｓ5０ （3－4） ＝654103／１９６２.5 ＝３３３.3mm 當(dāng)工件取Ф７０時(shí)，面積應(yīng)為 Ｓ70＝π（ｄ７0／2）

33、 （3－5） ＝π（７０／2）２ ＝３８４６.５mm２ 長(zhǎng)度應(yīng)為 Ｌ70＝Ｖ工件／Ｓ70 （3－6） ＝654103／３８４６.５ ＝１７０.０5mm 手部各部分質(zhì)量估算如下： Ｖ爪部＝21.59102=4000mm３ Ｖ桿＝3514202=19600mm３ V螺栓=πr2L=3.144460=3000mm3 Ｖ手部＝４Ｖ爪＋２Ｖ桿+2V螺栓 ＝40004+196002+30002=6

34、5000mm３ ｍ手部＝650000.0078＝507ｇ Ｖ楔塊＝1221.551.5=13000mm３ ｍ楔塊＝130000.0078＝101.4ｇ Ｖ支承板＝８３１540＝49800mm３ ｍ支承板＝498000.0078＝776ｇ ｍ缸＝１１４０４０3.5＝１２８０ｇ 所以，總的質(zhì)量 ｍ總＝ｍ工件＋ｍ爪部＋ｍ爪部缸＝ｍ工件＋ｍ手部＋ｍ楔塊＋ｍ缸＋ｍ支承板 （3－7） ＝５１０2＋507＋101.4＋１２８０＋776 ＝7766.4ｇ 3．2．2 機(jī)械手的爪部夾緊氣缸的選擇 氣缸夾緊力計(jì)算如下： 手指的角度：２θ＝１

35、２００，b＝35㎜ C=17㎜ 根據(jù)手部結(jié)構(gòu),其驅(qū)動(dòng)力為： P=２ｂNｔｇα／C （3－8） （1） 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力公式： N＝0.5ｓｉNθＧ／ｆ （3－9） ＝０.5ｓｉN 60０50／0.1 ＝216.5 N 則：P=２ｂNｔｇα／Ｃ ＝ 235216.5ｔｇ150/17 ＝236 N 據(jù)公式：Ｐ實(shí)≥ PK1K2/η （3－10） 式中：η——手部的機(jī)械效率，一般?。?.85～

36、0.95） K1 ——安全系數(shù)，一般?。?.2～２） Ｋ２——工作條件系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，Ｋ２可近似按下式估算：Ｋ２＝１＋αｇ其中α為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，ｇ為重力加速度（ｇ＝０.９８米／秒２） f—為被夾持工件與手指接觸的磨擦系數(shù)在這取f=0.1 一般手爪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率取η=0.85～0.9， 故η＝０.９0，Ｋ１＝１.５ 若被抓取工件的最大加速度取α＝ｇ，則： Ｋ２=1+α/ｇ=1+1=2 Ｐ實(shí)＝2361.52/0.90=787 N 所以，夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為787 N 則根據(jù)公式：Ｐ氣缸＝πＤ２Ｐ／４

37、 （3－11） Ｐ氣缸＝πＤ２Ｐ／４＝３.１４（５０１０－３）２5105/4 ＝９８１.5 N Ｐ氣缸＝９８１.５N >Ｐ彈簧＋Ｐ實(shí)際 ＝１４２.5 +787＝929.5 N 式中: D為氣缸直徑假設(shè)為50mm P為氣壓假設(shè)為5105Pa 所以選用MDBB50--35氣缸合適． ｍ夾緊＝１１４０＋５０３．５＝１３１５ｇ 3．2．3 腕部傳動(dòng)氣缸的選擇 當(dāng)工件取Ф７０時(shí)，Ｒ＝０.０３５>Ｌ／８＝０.１７／８＝０.０２１２５ 則根據(jù)公式：Ｊ工件＝ｍ（L２＋３Ｒ２）／１２得：

38、 （3－12） Ｊ工件＝ｍ（L２＋３Ｒ２）／１２ ＝５．１（０．１７２＋３０．０３５２）／１２ ＝０．０１３８Kgm２ 當(dāng)工件取Ф５０時(shí)，Ｒ＝０．０２５<Ｌ／８＝０.３３３３／８＝０.０４１６６ 則根據(jù)公式：Ｊ工件＝ｍL２／１２得： （3－13） Ｊ工件＝ｍL２／１２ ＝５．１０．３３３３２／１２ ＝０．０４７２Kgm２ 因此Ｊ工件?。使ぜ叮担埃剑埃埃矗罚睰gｍ２計(jì)算

39、 根據(jù)公式：J手爪＝ｍ（ａ２＋ｂ２）／１２得： （3－14） J手爪＝ｍ（ａ２＋ｂ２）／１２ ＝２．７（０．０７２＋０．０35２）／１２ ＝０．００１５Kgm２ Ｍ慣＝（Ｊ工件＋J手爪）ω／△ （3－15） ＝（０．０４１７２＋０．００１５）３．１４／０．１ ＝１．５２９２Nm 根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)受力圖 , 得： Ｍ驅(qū)＝Ｍ慣＋Ｍ偏＋Ｍ摩＋Ｍ封

40、 （3－16） 為簡(jiǎn)化計(jì)算可不計(jì)密封裝置處的摩擦阻力矩，因此乘安全系數(shù)１．１即可 Ｍ驅(qū)＝１．１Ｍ慣＝１.１１.５２９２＝１.６８２Nm． 所以選用ＣＤＲＢ１ＢＷ５０－１８０Ｓ大型葉片式回轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸． 其參數(shù)為：Ｍ驅(qū)＝３Nm． 則，由以上結(jié)果可得手腕回轉(zhuǎn)受力如圖3－1 圖3－1 手腕回轉(zhuǎn)受力圖 3．2．4 伸縮氣缸的選擇 1． 計(jì)算摩擦力： 彎矩M的計(jì)算 工件：Ｘ１＝７００＋５００－３２６＝８４７（mm）

41、 爪部：Ｘ２＝６００＋５００－３２６＝７７４（mm） 腕部：Ｘ３＝４４２＋５００－３２６＝６１６（mm） 導(dǎo)桿：Ｘ４＝２５０mm ｍ１＝５．１Kg ｍ２＝３．２Kg (約為3.0 取3.2) ｍ３＝１．５Kg (約為1.4 取1.5)ｍ４＝４２＝８Kg (約為3.8 取4.0) Ｍ＝Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３＋Ｍ４

42、 (3-17) ＝5.10.8749.8+3.20.7749.8+1.50.6169.8+80.259.8 ≈96.6 Nｍ 根據(jù)手臂伸出時(shí)的受力狀態(tài)得：Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ２＋Ｇ３＋Ｇ４ (3-18) Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ２＋Ｇ３＋Ｇ４ ＝（5.1+3.2+1.5+8）9.8＝17.89.8＝１７４．４４N 根據(jù)： ２N２＝２N１＋Ｇ……（１） N１=Ｍ/f……（２） 解得：N１＝Ｍ／0.15＝96.5／0.15＝６４４N

43、 N２＝（２N＋Ｇ）／２＝（２６４４＋１７４.44）／２ ＝７３１.22　N 根據(jù)公式：Ｆ摩2＝fN2 (3-19) ＝731.220.152＝219.4 N （其中：鋼－青銅ｆ＝0.1～0.15（潤(rùn)）） Ｆ摩1＝fN１＝６４４0.152＝１９３.2　N Ｆ摩＝Ｆ摩１＋Ｆ摩２＝193.2＋219.4＝412.6 N 2． 慣性力計(jì)算 Ｆ慣＝ｍａ

44、 (3-20) ＝（ｍ1＋ｍ2＋ｍ3＋ｍ4）ａ ＝17.81.25＝22.25N 其中， ａ＝250／0.2mm／S ＝1.25ｍ／ｓ Ｆ摩＋Ｆ慣＝412.6＋22.25＝434.85N Ｆ缸驅(qū)＝Ｐ工作（πｄ缸２／4） ＝51.01106（4010-3）23.14/4 ≈507.5 N 所以SMC MB系列標(biāo)準(zhǔn)氣缸 MDBB50-500合適，查資料得：材料為鋁合金的MDBB50-500氣缸行程為零時(shí)質(zhì)量為1140g

45、，每增加10mm行程則質(zhì)量增加40g ｍ伸縮缸＝1140+5040＝3140g 3．2．5 對(duì)伸縮導(dǎo)桿的校核 P＝N2／S （3－21） ＝731.22／(0.030.03)＝0.0812106Pa ＝0.812MPa 所以，P<[P]＝15MPa V＝0.25ｍ／ｓ ＰＶ＝0.08121060.25＝0.203106Pa ＝0.203MP

46、a<[PV]＝15MPa／ｓ σ＝Ｍ／Ｗ （3－22） ＝（87.50.5）/[（π/32）（3010-3）3] ＝18.210６Ｐａ ＝18.2MPa 所以，σ<[σ]＝100MPa （45鋼[σ]＝100 MPa） ｍ伸縮導(dǎo)桿＝（πｄ２／4）Ｌ伸縮ρ缸 （3－23） ＝（3.143

47、02／4） 7207.810３ ＝3968ｇ 3．2．6 配重計(jì)算 偏重力矩即手臂及其上所支承的全部零件的重量（作用在各自重心上）對(duì)手臂回轉(zhuǎn)軸的靜力矩，用Ｍ偏表示，手臂前伸時(shí)則偏重力矩為最大。若Ｇ１Ｇ２Ｇ３Ｇ４和Ｘ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４分別為工件，手部、手腕、手臂之重量和重心位置至手臂回轉(zhuǎn)軸的距離，則手臂，手腕等部件的總重量Ｇ為： Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ２＋Ｇ３＋Ｇ４＋……＝ΣＧｉ （3－24） 式中ｉ——表示工件、手部、手腕、手臂等零部件的順序號(hào)。

48、 各零部件的總重心位置距手臂回轉(zhuǎn)軸軸線的距離為Ｐ，其值為： ρ＝（Ｇ１Ｘ１＋Ｇ２Ｘ２＋……）／（Ｇ１＋Ｇ２＋……） ＝ΣＧｉＸｉ／ΣＧｉ 厘米 （3－25） 其偏重力矩Ｍ偏為：Ｍ偏＝Ｇｐ＝ΣＧｉＸｉ　　公斤?厘米 當(dāng)手臂處于伸長(zhǎng)和回縮狀態(tài)時(shí)，立柱所受偏重力矩分別為： ρ縮＝(Ｇ工件Ｘ工件＋Ｇ手爪Ｘ手爪＋Ｇ腕部回轉(zhuǎn)缸Ｘ腕部回轉(zhuǎn)缸 ＋Ｇ伸縮導(dǎo)向Ｘ伸縮導(dǎo)向 －Ｇ伸縮缸Ｘ伸縮缸)／（Ｇ工件＋Ｇ手爪 ＋Ｇ腕部回轉(zhuǎn)缸＋Ｇ伸縮導(dǎo)向＋Ｇ伸縮缸）

49、 （3－26） ＝（5.1700＋3.2570＋1.2450＋913－1.8183） ／（5.1＋3.2＋1.2＋9＋1.81） ＝5900.77/20.31＝290.5 mm ρ縮＝(Ｇ工件Ｘ/工件＋Ｇ手爪Ｘ/手爪＋Ｇ腕部回轉(zhuǎn)缸Ｘ/腕部回轉(zhuǎn)缸＋Ｇ伸縮導(dǎo)向 Ｘ/伸縮導(dǎo)向 －Ｇ伸縮缸Ｘ/伸縮缸)／（Ｇ工件＋Ｇ手爪＋Ｇ腕部回轉(zhuǎn)缸 ＋Ｇ伸縮導(dǎo)向＋Ｇ伸縮缸） （3－27） ＝（5.11200＋3.21070＋1.2950＋9355－1.8130）

50、 /(5.1＋3.2＋1.2＋9＋1.81) ＝670.1 mm Ｍ縮＝Ｇρ縮 ＝20.319.8290.5＝57.8 Nｍ Ｍ伸＝Ｇρ伸 ＝20.319.8670.1＝133.4 Nｍ 由于要將偏重力矩減至最小，因此配重取兩者的中間值。 Ｍ中間值＝95.6 Nｍ ρ中間值＝450mm＝0.45mm 則：Ｇ配重＝Ｍ中間值／ρ中間值＝95.6／0.45＝212.4 N ｍ配重＝Ｇ配重／ｇ＝212.4／9.8＝21.7 kg V配重＝ｍ配重／ρ鋼＝21.7/(7.810-6)＝2.78106mm３ （ａ： １５０ ｂ：２００ h：９２） 3．2．7

51、升降部分計(jì)算 工業(yè)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)和升降機(jī)構(gòu)安裝在底座上，它們支承著手臂伸縮機(jī)構(gòu)，手腕和手部。 升降導(dǎo)向立柱不自鎖的條件——因?yàn)槭直墼诳傊亓浚堑淖饔孟掠幸豁槙r(shí)針?lè)较騼A斜的趨勢(shì)，而導(dǎo)套卻阻止手臂這種趨勢(shì)，若導(dǎo)套對(duì)升降立柱的作用力為Ｒ１和Ｒ２，根據(jù)升降立柱的力平衡條件得： ΣＦＸ＝０ Ｒ１＝Ｒ２ ΣｍＡ（Ｆ）＝０ Ｒ１h＝Ｇρ 則：Ｒ１＝Ｇｐ／h （3－28） 所謂不自鎖的條件就是升降立柱能在導(dǎo)套內(nèi)自由下滑。從力的觀點(diǎn)分析必須使

52、 Ｇ>Ｆ１ ＋Ｆ２＝２Ｆ１＝２Ｒ１ｆ＝２ρＧｆ／h 所以：h>２ｆρ 式中：ｆ——摩擦系數(shù)。一般取0.1，這里考慮到摩擦的副作用則取0.16。 ρ——偏重力臂即手臂等部件總重量的重心到立柱軸線間的距離。 ｍ托板＝863200127.810-6＝16.2 kg ｍ總1＝20.31+16.2+21.7＝58.21 kg Ｐ慣＝ｍ總1ａ＝58.210.2/0.1＝116.42 N Ｍ總１＝Ｍ伸－Ｍ配重＝133.4－95＝38.4 Nm ρ總１＝Ｍ總１／Ｇ總１＝38.4/(58.219.8)＝0.0673 m＝67.3 mm (h＝1

53、50 mm>2fρ總１＝20.267.3＝26.92 mm) ｍ托連＝103.1410027.810-3＝2449.2 g＝2.45 kg R＝Ｍ總１／h＝38.4/0.15＝256 N Ｐ摩＝2Rf＝22560.15＝76.8 N Ｐ驅(qū)＝1.2(Ｐ慣＋Ｐ摩)＋Ｇ總１＋Ｇ連 ＝1.2(116.42＋76.8) ＋58.219.8＋2.459.8≈826.332 N Ｐ缸驅(qū)＝(πd２/4)p工作壓力＝3.1450２0.510６/4 ＝981.25 N >Ｐ驅(qū)＝826.332 N 所以，可選用MDBB５０--３００ 3

54、．2．8 對(duì)升降導(dǎo)桿的核算 當(dāng)手臂伸出到最大范圍時(shí)，回轉(zhuǎn)中心所受的彎矩最大。 根據(jù)公式：σ＝Ｍ／Ｗ。 （3－29） σ＝Ｍ／Ｗ＝38.4／[(π／32) (3010-3)3] ≈12.5 MPa<［σ］＝100 MPa 45鋼［σ］＝100 MPa 校核升降氣缸缸頭銷： P升降缸＝3.1450２0.510６/4＝981.25 N τ＝Ｐ／Ｓ＝Ｐ／(πd２/4)

55、 （3－30） ＝(981.254)/3.14(810-3)2 ＝19.5 MPa<［τ］＝58 MPa σbＳ＝Ｐ／ＡbＳ ＝981.25/(815)10-6 ＝8.17 MPa<［σbＳ］＝100 MPa 所以此銷安全。 3．2．9 撓度計(jì)算 考慮導(dǎo)桿在全伸出時(shí)撓度最大。 G工件=5.19.8=50N G手爪=3.29.8=31.36N 800mm G手腕=1.29.8 =11.76N G手部和工件=Ｇ工件+Ｇ手爪+Ｇ手腕 =93N

56、 G手部和工件 工件重心到導(dǎo)向套端面距離=1200－324 =876 mm 手爪重心到導(dǎo)向套端面距離=1070－324 =746 mm 手腕重心到導(dǎo)向套端面距離=950－324 =626 mm 工件及手部總重心到導(dǎo)向套端面距離 = 5.1876 +3.2 746+ 1.2626)/9.5=800 mm 將導(dǎo)桿看作是懸臂梁,根據(jù)撓度計(jì)算公式： y（手部）= G（C2/6EI）(3L－C) （3－31） 考慮到是雙導(dǎo)桿, 每個(gè)導(dǎo)桿的徑向受力為1/2

57、 G手部和工件 查表得 E鋼材=2.11011Pa 導(dǎo)桿的極慣性矩I=ПD4/64 =П304 /64 =39760 mm4 C=800 mm 手爪夾持中心到導(dǎo)向套端面距離L=345+500=845 mm y（手部）= 1/2G手部和工件(C2/6EI)(3L－C) =46.5(8002/62.11011 39760) (3845－800) =1 mm 經(jīng)過(guò)核算,導(dǎo)桿撓度基本符合要求。 3．2．10 轉(zhuǎn)臺(tái)型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸的計(jì)算 根據(jù)公式： ① ｍ總２＝ｍ工件＋ｍ爪部＋ｍ腕部回轉(zhuǎn)缸＋ｍ伸縮缸＋ｍ伸縮導(dǎo)向＋ｍ配重＋ｍ托板 （3－

58、32） ｍ總２＝ｍ工件＋ｍ爪部＋ｍ腕部回轉(zhuǎn)缸＋ｍ伸縮缸＋ｍ伸縮導(dǎo)向＋ｍ配重＋ｍ托板 ＝5.1+2.67+1.3+9+23.2+15.2＝56.5 kg ρ總２＝(7005.1+6222+4421.5-5010.3-40023.2 -6815.2)/56.5＝-130.21 mm＝－0.132 m ② J總２＝(ｍ/12)/(L2+ａ２) （3－33） J總２＝(ｍ/12)/(L2+ａ２) ＝56.5(11702+2002)/12 ＝6.65106 kgm

59、m2 ＝6.65kgm2 J0＝J總２+ｍ總２ρ總２2＝6.65+56.5(-0.132)2＝7.63 kgm2 ｍ升降＝2.9+2.5+0.6+6.4+1＝13.4 kg J升降＝(ｍ/12)/(12+ａ２)＝13.4(5842+602)/12 ＝0.3910106 kgmm2＝0.39 kgm2 J總＝J升降+J0＝7.63+0.39＝8.02kgm2 Ｍ慣＝J總(△ω/△ｔ)＝(8.023.14/2)/0.3＝42.34 Nm Ｍ驅(qū)＝1.1Ｍ慣＝1.142.34＝46.57 Nm Ｍ手臂回轉(zhuǎn)缸＝6

60、6.6 Nm > 46.57 Nm 可選用SMC MSQ系列轉(zhuǎn)臺(tái)型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸氣缸MSQB200A。 4 直角坐標(biāo)式工業(yè)機(jī)械手的控制部分計(jì)算 4．1 回路計(jì)算 氣動(dòng)執(zhí)行元件的工作順序圖： 1）第一次上升→ 2）→手臂伸出 3) 手爪夾緊→4）延 時(shí)→5）手臂縮回 ↑ ↓ 14）手腕反轉(zhuǎn)

61、 6）第一次下降 ↑ ↓ 13）回轉(zhuǎn)臺(tái)反轉(zhuǎn) 7）手腕正轉(zhuǎn) ↑ ↓ 12）第二次手臂縮回←11）延時(shí)←10）手爪松開← 9)第二次手臂伸出←8）回轉(zhuǎn)臺(tái)正轉(zhuǎn) 4．2 執(zhí)行元件選擇 1 類型與

62、主要尺寸參數(shù)如下表（表4－1） ` 氣缸或 馬達(dá) 標(biāo)號(hào) 內(nèi)徑 mm 活塞桿直徑 mm 行程 mm 全行程需要時(shí)（s） 耗氣量 cm3/s 指部 夾緊缸 MDBB50-35 50 0 35 0.5 87.92 腕部 葉片馬達(dá) CDRB1BW50-180S 50 0 ~ 180 臂部 伸縮缸 CDA1BN40-500 40 10 500 2 118.335 升降缸 MDBB50-300 50 16 300 1.5 352.308 齒輪齒條馬達(dá) QG

63、K-1RSD80T180-E2 80 0 ~ 180 表4－1 類型與主要尺寸參數(shù) 2 耗氣量計(jì)算 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)--5》，可得計(jì)算公式 有桿腔： Q=π(D2-d2)S/(4t) （4－1） 無(wú)桿腔： Q= πD2S/(4t) （4－2） Q——每秒鐘壓縮空氣消耗量 D——?dú)飧變?nèi)徑(大徑) d——?dú)飧谆钊麠U直徑(小徑) S——?dú)飧仔谐? t——桿單向伸縮時(shí)間 1)夾緊缸

64、：已知缸徑D=0.040米，行程s=0.035米，全行程需時(shí)間t1=0.5秒，代入4－2式，可算出壓縮空氣量： Qa=π0.0420.035/(40.5)≈87.92cm3/s 2)伸縮缸：已知缸徑D=0.050米，小徑d=0.016米，行程s=0.5米，全行程需時(shí)間t2=2秒，代入4－1式，可算出壓縮空氣量： Qb=π(0.042-0.012)0.5/(42)≈297.375cm3/s 3)升降缸：已知缸徑D=0.050米，小徑d=0.01米，行程s=0.3米，全行程需時(shí)間t2=2秒，代入4－1式，可算出壓縮空氣量：

65、 Qc=π(0.052-0.0162)0.3/(41.5)≈352.308cm3/s 4) 腕部馬達(dá)耗氣量： 根據(jù)公式可可算出壓縮空氣量: G=pznV1/(RT1) （4－3）Q=GRT0/P0 （4－4） Qd=pznV1/(RT1)RT0/P0 =5.0105Z30 V1/(1.013105) =148ZV1 m3/min 注意：由于Z和V1的具體參

66、數(shù)不全,故具體的數(shù)據(jù)不能算出.舉有關(guān)資料顯示其值小于352 cm3/s 5) 臂部馬達(dá)耗氣量： Qd=pznV1/(RT1)RT0/P0 =5.0105Z30 V1/(1.013105)=148ZV1 m3/min 由于Z和V1的具體參數(shù)不全,故具體的數(shù)據(jù)不能算出.舉有關(guān)資料顯示其值小于352 cm3/s 4．3 控制元件的選擇 1)選擇類型 根據(jù)系統(tǒng)對(duì)控制元件的工作能力及流量要求，按照氣動(dòng)回路原理圖，初選各控制閥如下： 主控電磁換向閥：為SMC之VF5000系列和SMC之SY3000系列； 單向節(jié)流閥：其型號(hào)為L(zhǎng)A-L8； 2)選擇