四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設計及控制實現(xiàn)-自動取料機械手含10張CAD圖帶開題
四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設計及控制實現(xiàn)-自動取料機械手含10張CAD圖帶開題,自由度,多用途,氣動,機器人,結(jié)構(gòu)設計,控制,節(jié)制,實現(xiàn),自動,機械手,10,cad,開題
設 計 任 務 書
20XX 年 3 月 3 日
畢業(yè)設計題目
取料機械手結(jié)構(gòu)設計
指導教師
職稱
副教授
專業(yè)名稱
班級
學生姓名
學號
設計要求
內(nèi)容包括 ：1、第一章為引言；
2、第二章為本選題總體設計方面的論述；
3、從第三章起為畢業(yè)設計總體設計框架和設計過程的詳細論述；
4、倒數(shù)第二章為畢業(yè)設計的結(jié)果和討論；
5、最后一章為展望與總結(jié)。
完成畢業(yè)課題的計劃安排
序號
內(nèi)容
時間安排
1
外文資料翻譯
2019-2-20至2019-3-3
2
搜集課題相關資料
2019-3-4至2019-3-14
3
完成畢業(yè)設計說明書
2019-3-15至2019-3-31
4
預審，修改
2019-4-1至2019-4-11
5
答辯
2019-4-20
答辯提交資料
外文資料翻譯，畢業(yè)設計說明書
計劃答辯時間
20XX-4-20
XXXX
20XX 年 3 月 3日
取料機械手結(jié)構(gòu)設計
摘要
本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手硬件和軟件的組成，即PLC控制的氣動機械手的系統(tǒng)工作原理，機械手各個部件的整體尺寸設計，氣動技術的特點，PLC控制的特點。本文對機械手進行總體方案設計，確定了機械手的坐標形式和自由度，確定了機械手的技術參數(shù)。同時，設計了機械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)，設計了機械手的手腕結(jié)構(gòu)，計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩。設計了機械手的手臂結(jié)構(gòu)。設計出了機械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。利用可編程序控制器對機械手進行控制，選取了合適的PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。
關鍵詞： 工業(yè)機器人 機械手 氣動 可編程序控制器（PLC）
Abstract
At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm.The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart, the manipulator uses PLC to control. The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator. The paper draws out the work time sequence chart and the trapezium chart. What’s more, the paper workout the control program of the PLC,
KEY WORDS: industrial robot manipulator pump air pressure drive PLC
目 錄
摘要 I
Abstract II
第一章 引 言 1
1.1 工業(yè)機械手概述 1
1.2 氣動機械手的設計要求 2
1.3 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 2
第二章 機械手的整體設計方案 4
2.1 機械手的座標型式與自由度 4
2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計 5
2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計 6
2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計 6
2.5 機械手的驅(qū)動方案設計 6
2.6 機械手的主要技術參數(shù) 6
第三章 夾持式手部結(jié)構(gòu)設計 9
3.1手指的形狀和分類 9
3.2設計時考慮的幾個問題 9
3.3手部夾緊氣缸的設計 10
第四章 手腕結(jié)構(gòu)設計 14
4.1 手腕的自由度 14
4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 14
4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 14
4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 16
4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 17
第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核 20
5.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核 20
5.2 手臂升降氣缸的尺寸設計與校核 21
5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核 22
第六章 氣動系統(tǒng)設計 24
第七章 結(jié) 論 26
致 謝 27
參考文獻 28
IV
第一章 引 言
1.1 工業(yè)機械手概述
工業(yè)機器人的組成部分有機械自身，控制器，伺服驅(qū)動系統(tǒng)還有檢測傳感部分，可以仿照人手進行工作，控制是自動化的，能夠?qū)Τ绦蜻M行編寫，在三維空間里面進行工作，機械手實際上是機電自動一體化的機器。他可以將產(chǎn)品質(zhì)量變得更好，更穩(wěn)定，并且生產(chǎn)效率還高，將勞動條件變得更好，對于產(chǎn)品的更新?lián)Q代也有很多的幫助。一個國家工業(yè)水準如何，從機器人的使用狀況就能看出來。在生產(chǎn)里面使用機械手，可以將自動化水準變高，對于使用者勞動強度沒有那么大，確保加工出來產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)能夠安全進行，特別是在一些非常惡劣的狀況下，比方說溫度很高，壓力很高，有毒的地方，機械手都可以代替人類去完成任務，所以在現(xiàn)實中使用還是非常有意義的。所以，現(xiàn)在很多行業(yè)都開始使用機械手，最開始的時候機械手結(jié)構(gòu)很簡單，工作專一性非常強，裝在某個機床上只能進行上料，下料的工作，是依附于機床進行生產(chǎn)的一部分。現(xiàn)在工業(yè)技術發(fā)展這么快，能夠獨立于程序，對工作進行完成，這種機械手能夠使用的范圍很大，叫他通用機械手。因為這種機械手可以將工作程序改變，適應性很好，現(xiàn)在生產(chǎn)批量不多，并且產(chǎn)品品種不停更換的時候會用它。
氣壓傳動機械手，他對空氣進行壓縮，帶動執(zhí)行裝置進行運動。它的特征是：需要的介質(zhì)尋找非常便利，輸出力不大，啟動很快，結(jié)構(gòu)不復雜，花的錢也比較少。不過，因為空氣能夠進行壓縮，工作的時候穩(wěn)定性不好，沖擊很大，還有起源的壓力沒有多大，抓取重量最多只能是三十公斤，一樣的抓重條件下，它的結(jié)構(gòu)跟液壓機械手對比，還是要大很多的，正常工作的環(huán)境只能是速度更快，載荷更輕，溫度更高，并且粉塵比較大的地方。
氣動技術的好處有:
(1)尋找介質(zhì)，還有處理介質(zhì)非常便利。進行氣壓傳動的時候，工作壓力很小，提取工作需要的介質(zhì)非常簡單，之后將空氣排入進去，處理起來很便利，不需要專門安排回收的裝置，很干凈，也不會在管道里面堵起來的狀況。
(2)損失的阻力還有出現(xiàn)泄漏的狀況不多，運輸壓縮空氣的時候，損失的阻力沒有多大，空氣可以集中起來提供，距離很遠也能進行運輸，就算是漏到外面，也不可能像液壓傳動，會導致壓力明顯的降低，另外對環(huán)境也不會造成污染。
(3)動作很快，反應也很快。啟動系統(tǒng)要想將需要的壓力還有速度都建立起來，只需要0.02s-0.3s就行了。氣動系統(tǒng)過載也會進行保護的，自動化控制方便實現(xiàn)。
(4)能夠保存能源?？梢栽趦夤蘩锩鎸嚎s空氣保存進去，所以一旦有斷電的狀況出現(xiàn)，機器還有正在進行工作也不會突然停下來。
(5)工作環(huán)境適應性好。在一些非常惡劣的工作環(huán)境里面，比方說易燃易爆，輻射強的地方，將氣壓傳動還有控制系統(tǒng)來對比機械，電器還有液壓的系統(tǒng)，明顯好很多，并且它也不會受到周邊溫度的影響。
(6)前期的投入少。因為氣體系統(tǒng)工作的壓力不高，所以氣動零配件對于材質(zhì)還有生產(chǎn)精度要求自然就沒有那么高，加工起來簡單，花的錢也就少。之前大家都覺得：因為氣體能夠被壓縮，那么在氣動伺服系統(tǒng)里面，想要定位精準的話難度大，特別是速度很快的時候，更沒法實現(xiàn)。還有起源進行工作壓力不大，抓舉時候力氣很小。盡管在機器人的驅(qū)動里面，氣動現(xiàn)在大家都可以接受，機械手要是簡單的話，控制系統(tǒng)基本上都開始用氣動零件了，只是氣動的發(fā)展之前說的不多，所以在工業(yè)自動化的發(fā)展中，氣動機械手還有氣動機器人究竟實用性怎么樣，現(xiàn)在大家還是心里有擔憂的。
1.2 氣動機械手的設計要求
1.2.1 課題的設計要求
這篇論文要做的事情有：
(1)機械手通用的，跟專用型的進行對比，它的使用范圍更大。
(2)對機械手的坐標型式還有自由度來進行確定。
(3)將機械手每一個執(zhí)行部分設計出來，有機械手，機械手腕，機械手臂等。要想通用性更好，設計機械手的時候，它的結(jié)構(gòu)應該是可以更換的，不光能夠?qū)Π袅线M行抓取，有的時候還能夠更換成吸盤裝置，對板料進行吸取。
(4)設計氣壓傳動系統(tǒng)
論文對機械手的氣壓傳動系統(tǒng)進行設計，主要是用哪些氣動零部件，氣動回路如何，將氣動的原理圖紙給畫出來。
1.3 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成
機械手的工作原理：通過PLC來進行控制，傳動用的氣壓，這樣就可以讓機械手去按照事先的規(guī)定完成任務，順序，運動軌跡，速度，還有時間這些都是事先設定好的，執(zhí)行裝置受到控制部分發(fā)來的信息，有需要的話還要監(jiān)視機械手的動作，一旦動作有不對，或者是出現(xiàn)故障的話，就要進行報警。機械手有位置檢測裝置，任何時候都可以將執(zhí)行部分具體的地點告訴控制系統(tǒng)，將這個位置跟設定的地點進行對比，之后控制系統(tǒng)就會進行更正，那么執(zhí)行裝置的精度才能夠滿足要求，達到預期設定的要求。
(一)執(zhí)行機構(gòu)
這個部分有手，手腕，手臂還有立柱等，有的機械手還加裝了行走裝置。
1、手部
也就是跟抓取物品接觸的零部件，因為跟東西接觸的樣子不一樣，有夾持式的，還有吸附式的。論文里面的機械手是夾持式的。夾持式手爪它的組成有手指還有傳力部分。跟抓取的物品進行接觸的就是機械手指，用的比較多的機械手指有回轉(zhuǎn)型的，還有平移型的。手指要是回轉(zhuǎn)型，結(jié)構(gòu)不復雜，生產(chǎn)起來簡單，花的錢少，所以用的很多。平移的這種類型用的很少，是因為這種結(jié)構(gòu)很復雜，花的錢也多，這樣的機械手指抓取圓形物品的時候，東西的直徑有改變對于軸心所處地點不會改變，所以可以用來抓取直徑改變比較大的物品。手指是什么樣的結(jié)構(gòu)就在于抓取物件的面是什么樣子，抓的這個地方還有抓的這個東西有多大，有多重。手指會有夾緊力產(chǎn)生，通過它將物品進行夾放。用的比較多的傳力裝置有：滑槽杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式等。
2、手腕
用來對機械手還有機械手臂進行連接的，能夠?qū)ψト∥锲返奈恢眠M行修正，那樣就會在正確的地點上。
3、手臂
被抓取的物品，機械手，還有機械手腕都是通過機械手臂來支承的。手臂可以帶著機械手指對物品來進行抓取，根據(jù)之前設定好的地點，將物品搬運到哪里去。工業(yè)上的機械手臂，在驅(qū)動手臂運動的零部件配合動力源之后，這樣機械手臂不管多復雜的動作都能實現(xiàn)。
4、立柱
對機械手臂進行支承的零件是立柱，它跟機械手臂可以看成一個整體，機械手臂進行回轉(zhuǎn)還有升降的時候，都跟立柱的關系很大。因為工作的需要，立柱能夠在橫向上進行移動，也叫做可移式立柱。
5、機座
對機械手來說，機座是基礎部分，在機座上安裝機械手的執(zhí)行零部件還有驅(qū)動系統(tǒng)，它能夠進到支撐還有連接的作用。
(二)驅(qū)動系統(tǒng)
這個部分可以讓機械手動作起來，它的組成有動力部分，調(diào)節(jié)部分還有輔助部分。用的比較多的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓的，氣壓的還有機械的。
第二章 機械手的整體設計方案
機械手是氣動的，需要它能夠很快，很準的對物品進行搬運，所以它的精度要求很高，反應速度很快，對系統(tǒng)要求能夠滿足之后，將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，樣子，還有材料特征都進行確定，定位一定要精準，在對貨品進行抓取，搬運的時候受到的力有哪些，尺寸是多少，質(zhì)量怎么樣等，這樣就可以將機械手的結(jié)構(gòu)定下來，并且將運行控制要求給定下來，使用定型的標準件，那么設計加工就很簡單了，不光要通用還要專用，這樣可以進行柔性轉(zhuǎn)換，還能夠?qū)Τ绦蜻M行編制，讓成本沒有那么高。論文設計的機械手是通用的，圖紙2-1里面展示，生產(chǎn)批量不多的可以用，能夠?qū)幼鞒绦蚋淖?，可以自己進行搬運，操作環(huán)境要是很差的話可以拿來使用。
圖2-1機械手的整體機械結(jié)構(gòu)
2.1 機械手的座標型式與自由度
機械手臂運動狀況不一樣，組合狀況不同，它的坐標能分成直角的，圓柱座的，球坐標的還有關節(jié)式的。因為論文里面機械手對料要上還要下，所以它要能夠升降，收縮還有回轉(zhuǎn)。所以坐標用的是圓柱坐標的。對應的機械手自由度有三個，要想機械手在進行升降的時候，行程沒有太大的缺陷，加裝手臂擺動裝置，這樣手臂多了一個自由度，能夠進行上下擺動。
圖2-2 機械手的運動示意圖
2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計
要想機械手更加通用，那么設計它手的結(jié)構(gòu)的時候要能夠更換，需要抓取的是棒料，那么手部用夾持式的，要是板料的話，用氣流負壓式吸盤。
2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計
因為是通用機械手，還有抓取的物品是放在水平面上的，那么手腕要能夠回轉(zhuǎn)運動才行，那么設計手腕的時候，它的結(jié)構(gòu)應該是回轉(zhuǎn)的，所以要用回轉(zhuǎn)氣缸才能實現(xiàn)這個動作。
2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計
根據(jù)對物品抓取的要求，這個機械手自由度有三個，手臂伸縮，向左向右回轉(zhuǎn)，手臂升降。在立柱的幫助下機械手臂能夠進行回轉(zhuǎn)還有升降，立柱進行橫向移動其實就是機械手臂橫移。通過氣缸能夠讓機械手臂實現(xiàn)各種動作。
2.5 機械手的驅(qū)動方案設計
因為氣壓傳動部分動作很快，反應也很快，損失的阻力不大，泄漏也不大，占據(jù)面積不大，花銷不多。那么這個機械手傳動用的是氣壓。
2.6 機械手的主要技術參數(shù)
一.主參數(shù)：對機械手來說主參數(shù)就是它抓取物品最大重量，驅(qū)動是氣動，所以抓取的物品太重不行，對他的設計數(shù)據(jù)進行查看，加上實際生產(chǎn)時候的需求，設計論文機械手抓取物品的重是5kg。
二.基本參數(shù)：對機械手來說，基本數(shù)據(jù)是運動速度。對于機械手的速度來說，操作節(jié)拍對它的要求更高，設計的速度要是太慢的話，那它能用的區(qū)間就小。2-3圖里面畫的就是，對機械手動作快慢有影響的是機械手臂進行伸縮還有回轉(zhuǎn)。這個機械手移動最快的速度是每秒一米，回轉(zhuǎn)最快速度是。移動時候速度的平均值?；剞D(zhuǎn)速度的平均值。機械手有時候開啟，有時候停止，有時候加速度，有時候減速帶，也就是速度多快多慢對于速度特征更加滿足。除了運動速度來說，設計機械手臂的數(shù)據(jù)，伸縮距離多少，另外工作半徑是多少。很多機械手進行設計的時候，就看做是人坐著工作，或者是站著工作，要保留一定空間讓它操作。伸縮距離太大，還有工作半徑，那么偏重力矩就會變大，并且剛性變差。這個時候傳送裝置還是用自動化的。按照統(tǒng)計進行對比，這個機械手臂伸縮距離在600mm,工作時候最大半徑在。機械手臂升降距離在?；緮?shù)據(jù)還有一個是定位精度，論文里面機械手定位精度是。
三. 用途:在自動運輸線上對物料進行上料，還有下料。
四．設計技術參數(shù):
1、抓取物品的重
2、自由度數(shù) 自由度有四個
3、座標 圓柱座標
4、工作半徑的最大值
5、手臂中心高度的最大值
6、手臂運動數(shù)據(jù)
伸縮距離
伸縮快慢
升降距離
升降快慢
回轉(zhuǎn)區(qū)間
回轉(zhuǎn)快慢
7、手腕動的數(shù)據(jù) 回轉(zhuǎn)區(qū)間
回轉(zhuǎn)快慢
8、手指抓取的區(qū)間 棒料:
9、定位的辦法 行程開關或可調(diào)機械擋塊等
10、定位精度
11、驅(qū)動辦法 氣壓傳動
12、控制辦法 PLC
圖2-3機械手的工作范圍
第三章 夾持式手部結(jié)構(gòu)設計
機械手是夾持式的，它的組成有機械手指還有傳力部分。它的傳力結(jié)構(gòu)很多，比方說滑槽杠桿式，齒輪齒條式等等。
3.1手指的形狀和分類
見得最多就是夾持式，手指有兩個的，多個手指的，還有雙手雙指的，按照夾持物品的地點不一樣，分成內(nèi)卡式的，還有外夾式的；從對人手指的模仿來進行劃分，有一支點回轉(zhuǎn)型的，還有兩支點回轉(zhuǎn)型，還有移動型，在這個里面基本類型是二支點回轉(zhuǎn)型的，在這種類型的機械手指上支點之間的距離變得非常小的時候，手指就變成一個支點；一樣的道理，這兩個支點手指的長變得很長的話，那就成為移動型的。手指是回轉(zhuǎn)型的，開閉角不大，結(jié)構(gòu)不復雜，生產(chǎn)起來簡單，用的地方很多。移動型用的不多，它的結(jié)構(gòu)很大也很復雜，在抓取的物品直徑有改變，對它軸心的地點沒有改變，這樣抓取的物品直徑不一樣也行。
3.2設計時考慮的幾個問題
(一)要有很大的夾緊力
對手指的夾緊力進行確定的時候，不光要注意物品的重量，還要注意在進行運送的時候出現(xiàn)的慣性力還有振動，那么在傳送物品的時候，不能有松動或者是脫落出現(xiàn)。
(二)手指跟手指中間的開閉角要一定
機械手指的開比較就是他們打開還有關閉時候極限地點行程的角度，這個角度要能夠確保產(chǎn)品順利的被抓取住，或者是松下來，要是抓取物品直徑不一樣，那么考慮的話按照最大直徑來進行。手指要是移動型的，那么只需要對開閉的幅度進行考慮。
(三)保證工件準確定位
要想機械手指跟抓取物品之間處的地點正確，那么按照抓取物品的樣子，選用適合的手指。比方說物品要是圓柱型的話，手指應該是V型的，這樣自動定心就能實現(xiàn)了，位置也對。
(四)強度，剛度都要滿足要求
機械手指抓取物品，不光會有反作用力還有摩擦力作用在上面，它在運動的時候，還會有慣性力，振動作用在上面，那么對于強度，剛度都有很高的要求，避免機械手指出現(xiàn)折斷或者是彎曲變形的狀況出現(xiàn)。機械手指的結(jié)構(gòu)盡可能簡單點，結(jié)構(gòu)也要緊湊些，自身重量不大，機動性不錯，讓機械手的中心在機械手腕回轉(zhuǎn)軸線的上面，那么機械手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最好是最小的。
(五)對抓取物品的要求進行思考
因為機械手工作有一定要求，進行對比，用的機械手是一個支點的，兩指回轉(zhuǎn)類型的，抓取的物品大部分是圓柱形狀的，設計機械手指的時候，設計成V字形狀的，3-1里面就是它的結(jié)構(gòu)。
3.3手部夾緊氣缸的設計
1、算機械手部的驅(qū)動力
3-2圖紙里面就是論文設計的機械手的手部：
圖3-2齒輪齒條式手部
抓取物品的重，
手指是V型的，它的角度是，,摩擦系數(shù)為
(1)按照機械手部的結(jié)構(gòu)圖紙，將它的驅(qū)動力算出來:
(2)按照對物品進行抓取的位置，將夾緊力算出來:
就有
(3)真正的驅(qū)動力算出來:
1、傳動裝置用的是齒輪齒條，所以確定，跟著確定。要是要抓取物品的時候最快加速度是，那么說:
計算
對物品進行夾緊的時候，需要的夾緊氣缸，它的驅(qū)動力就是。
2、氣缸的直徑
這個氣缸是單向作用的，按照力平衡，這種氣缸輸出的推力一定要比彈簧的反作用力還有活塞工作時候阻力的總數(shù)還要大，式子就是:
- 活塞桿上的推力N
- 彈簧反作用力N
- 氣缸進行工作阻力的總數(shù)N
- 氣缸進行工作的時候壓力大小Pa
用底下的式子算出來彈簧的反作用力:
Gf =
式子里面
設計的時候，一定要對負載率進行思考，那么
按照前面的分析，單向作用氣缸的直徑就能知道:
把數(shù)值放到里面算
那么說:
翻查資料對數(shù)據(jù)進行圓整，就有
已經(jīng)知道,那就可以知道活塞桿的直徑:
進行圓整之后，確定活塞桿直徑是
對它進行校核，用式子
那么說:
這個里面，[]，
那么說:
對設計要求是完全符合的。
3、設計缸筒壁的厚度
有壓縮空氣的壓力作用在缸筒上，那么說厚度肯定存在，正常氣缸筒壁的厚比上里面直徑，數(shù)值要比1/10還要小，用下面的式子將壁厚算出來:
6- 缸筒壁的厚度mm
- 氣缸里面的直徑mm
用的材質(zhì)是:ZL3,[]
將已經(jīng)知道的數(shù)值放到里面算，那么壁的厚度就知道:
確定，那么缸筒外面的直徑是:
第四章 手腕結(jié)構(gòu)設計
4.1 手腕的自由度
對機械手還有機械手臂連接用的是機械手腕，他可以進行調(diào)整，并且將物品的方位改變掉，它的自由度是獨立的，那么整個機械手完成多復雜的動作都可以。手腕自由度有哪幾個跟機械手是否通用，生產(chǎn)工藝的需要，產(chǎn)品擺放地點還有定位精度等有很大關聯(lián)。因為這個機械手抓取物品擺放在水平面上，另外還要注意通用性，所以安排這個手腕能夠繞著X軸進行回轉(zhuǎn)動作，這樣工作要求才能實現(xiàn)?，F(xiàn)在最多用回轉(zhuǎn)缸來讓手腕進行回轉(zhuǎn)動作，論文里面用回轉(zhuǎn)氣缸，結(jié)構(gòu)非常緊湊，回轉(zhuǎn)角度達不到360°，對于密封性要求很高。
4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算
4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩
回轉(zhuǎn)動作表現(xiàn)在手腕的回轉(zhuǎn)，手腕的上下動作，手腕的左右動作。要想讓手腕進行回轉(zhuǎn)，那么驅(qū)動力矩對于開啟時候出現(xiàn)的慣性力矩要能夠克服，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合的話，會有偏重力矩出現(xiàn)。4-1圖紙里面就是手腕承受的力。
1.工件2.手部3.手腕
圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)
用下面式子將手腕轉(zhuǎn)動時候的驅(qū)動力矩算出來:
- 能夠帶動手腕進行轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 ();
- 慣性力矩();
- 進行轉(zhuǎn)動的零部件的重量對于轉(zhuǎn)動軸線可以出現(xiàn)多大的偏重力矩 ().
- 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等這些地方密封部分產(chǎn)生多大摩擦力矩 ();
4-1里面就使作用在手腕上的力，將每個阻力矩給算出來:
1、手腕運動加速，出現(xiàn)的慣性力矩
要是手腕啟動的時候，運動是等加速的，那么轉(zhuǎn)動角速度就是，啟動需要的時間是那么:
- 實現(xiàn)手腕轉(zhuǎn)動零部件跟轉(zhuǎn)動軸線之間的轉(zhuǎn)動慣量;
- 物品相對于手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。
要是物品的中心跟轉(zhuǎn)動軸線沒有重合的話，它的轉(zhuǎn)動慣量就是:
- 物品從重心軸線經(jīng)過的轉(zhuǎn)動慣量:
- 物品有多重 (N);
- 從物品的重心到轉(zhuǎn)動軸線，出現(xiàn)的偏心距 (cm),
- 手腕轉(zhuǎn)動的時候，它的角速度 (弧度/s);
- 啟動要花多長時間 (s);
—啟動時候轉(zhuǎn)動多大角度 (弧度)。
2、手腕轉(zhuǎn)動零件跟產(chǎn)品的偏重對于轉(zhuǎn)動軸線出現(xiàn)的偏重力矩M偏
+ ()
- 手腕上轉(zhuǎn)動零件的重 (N);
- 手腕轉(zhuǎn)動零件的重心到轉(zhuǎn)動軸線之間的偏心距 (cm)
在抓取物品的重心跟手腕轉(zhuǎn)動時候的軸線重合起來，那么.
3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸這個地方摩擦阻力矩
()
，- 轉(zhuǎn)動軸軸頸這個地方的直徑 (cm);
- 摩擦系數(shù)，要是滾動軸承，要是滑動軸承;
,- 代表支承反力(N)，從手腕轉(zhuǎn)動軸受到的力進行分析和計算可，
已經(jīng)知曉,就有:
一樣的道理，按照(F),就有:
4、轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等地方密封部分摩擦力阻力矩，跟使用的密封裝置屬于哪一種有關聯(lián)，分析的話按照具體狀況進行。
4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算
機械手進行回轉(zhuǎn)運動，它用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片式的，4-2里面是它工作原理，定片1連接缸體2，動片3連接回轉(zhuǎn)軸5，氣腔被動片分圈4分成兩部分，孔a這個地方有壓縮空氣進去，輸出軸被帶著進行逆時針轉(zhuǎn)動，那么低壓腔里面的氣從b孔這個地方出來。反過來，輸出軸回轉(zhuǎn)是順時針的話，單葉氣缸的壓力跟驅(qū)動力矩之間的關系式:
或
4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核
1.設計尺寸
設計氣缸的長是,氣缸里面的直徑是=96mm,半徑,軸的直徑是,半徑,氣缸工作時候角速度=，加速度需要時長=0.1s, 壓強,
將力矩算出來：
2.校核尺寸
（1）將幫著實現(xiàn)手腕轉(zhuǎn)動的零部件的質(zhì)量確定,按照它質(zhì)量的布局，這些質(zhì)量在一個圓盤上等效分布，這個圓盤的半徑是，將轉(zhuǎn)動慣量算出來：
（）
抓取的物品重5,質(zhì)量在棒料上分布，這個棒料長是，將轉(zhuǎn)動慣量算出來：
如果物品的中心線沒有重合轉(zhuǎn)動軸線，棒料長是，偏心距的最大值
，它的轉(zhuǎn)動慣量就是:
（2）手腕轉(zhuǎn)動零件跟物品的偏重相對于轉(zhuǎn)動軸線就會有偏重力矩出現(xiàn)，是M偏，因為機械手腕轉(zhuǎn)動零件的重心重合轉(zhuǎn)動軸線，夾緊物品一頭的時候，物品的重心偏離轉(zhuǎn)動軸,那么：
+
（3）在軸頸這個地方，手腕轉(zhuǎn)動軸產(chǎn)生的摩擦阻力矩，軸承要是滾動的，軸承要是滑動的=0.1， ，代表手腕轉(zhuǎn)動軸上軸頸這個地方直徑，, , ,代表軸頸這個地方支承反力，粗略計算,,
4．回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等這些密封地方的摩擦阻力矩，跟使用的哪一種密封裝置有關系，按照具體狀況進行分析，在這里應該=3，
3
設計的大小對于用的要求能夠滿足，非常安全。
第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核
5.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核
5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計
機械手臂的伸縮氣缸用的是標準的，煙臺廠家生產(chǎn)的，再加上這次設計的真正需要，氣缸型號CTA，內(nèi)徑確定100/63，對于這個氣缸的詳細數(shù)據(jù)看這家公司的介紹就行。
5.1.2 尺寸校核
1. 對尺寸進行校核，只需要對氣缸內(nèi)徑進行校核,半徑，氣缸的大小符合用的需要，用的時候壓強,
那么驅(qū)動力是：
2．手腕質(zhì)量測量出來50kg,加速度是，將慣性力算出來：
3.因為活塞等會有摩擦力，假設摩擦系數(shù)是,
總共承受的力
選用的氣缸CTA對于驅(qū)動力的要求能夠滿足。
5.1.3 導向裝置
機械手臂驅(qū)動是氣動，在它進行伸縮的時候，為了避免機械手臂圍繞著軸進行轉(zhuǎn)動，機械手指能夠指向正確的地方，并且不會有很大的彎曲力矩作用在活塞桿上，這樣手臂的剛性就變大了，對機械手臂結(jié)構(gòu)進行設計的時候，安排導向裝置在上面。安裝時候具體的結(jié)構(gòu)要按照論文里面設計的構(gòu)造還有抓取物品有多重等，并且設計結(jié)構(gòu)，設計格局的時候，最好少用點運動零部件，那么重量就可以變輕，這樣對于回轉(zhuǎn)中心的慣量就變少了。
論文里面導向桿用的是單的，這樣手臂的剛性會變好，導向性也更強。
5.1.4 平衡裝置
論文里面，要想讓機械手臂兩頭跟重力矩品狀況靠近一點，將手爪一邊的重力矩影響變少一些，所以加裝平衡裝置在伸縮氣缸的一邊，擺放砝碼在裝置里面，砝碼有多重按照抓取物料多重，還有氣缸運行數(shù)據(jù)來進行調(diào)整，一定要讓手臂兩頭盡量平衡些。
5.2 手臂升降氣缸的尺寸設計與校核
5.2.1 尺寸設計
氣缸運行的長是=118mm,氣缸里面直徑是=110mm,半徑R=55mm,氣缸進行加速度需要的時間=0.1s,壓強p=0.4MPa,那么將驅(qū)動力算出來：
5.2.2 尺寸校核
1．測出來手腕重是80kg,那么重力：
2．假設加速度是，那么慣性力就是：
3.因為活塞等會有摩擦力，假設摩擦系數(shù)是，
總共承受的力
那么設計的大小對于真正用的時候要求能夠滿足。
5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核
5.3.1 尺寸設計
設計氣缸的長是,氣缸里面直徑是,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸工作起來角速度=，加速度時間0.5s,壓強,
將力矩算出來：
5.3.2 尺寸校核
1．測出來跟手臂一起轉(zhuǎn)動的零部件重,對零部件質(zhì)量布局狀況進行分析，
圓盤半徑是，質(zhì)量在它上面等效布局，將轉(zhuǎn)動慣量計算出來：
（）
軸承，油封的中間會有摩擦力出現(xiàn)，假設摩擦系數(shù)是,
驅(qū)動力矩的總值是：
對于設計要求完全能夠滿足。
第六章 氣動系統(tǒng)設計
氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖如下：
6-1圖里面展示的機械手氣壓傳動系統(tǒng)如何工作的。通過空氣壓縮機，在快換接頭的作用下，進到儲氣罐里面，從分水這里到過濾器，調(diào)壓閥，油霧器，進到每一個并聯(lián)氣路上的電磁閥上，這樣可以對氣缸還有機械手的動作進行控制。
每一個通行裝置對速度調(diào)整，只要是排氣口節(jié)流的，那么都要裝一個節(jié)流阻尼螺釘在排氣口，這樣才能調(diào)整，這種辦法結(jié)構(gòu)很簡單，并且效果也不錯。比方說在靠近氣缸的兩個地方裝兩個快速排氣閥，這樣啟動就很快，并且全程的速度都可以調(diào)整。安裝氣節(jié)流的單向節(jié)流閥在升降氣缸上，可以對手柄上升的速度進行調(diào)整，因為手臂自身有重力，會向下降，所以調(diào)整的速度還是要裝一個節(jié)流阻尼螺釘在電磁閥排氣口這里。氣液傳送器氣缸的排氣節(jié)流，能夠?qū)剞D(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓進行調(diào)整。
把氣路弄的簡單點，電磁閥少用一些，安裝液壓緩沖器在每一個工作氣缸上，這樣的話不需要裝氣路阻尼零件在電磁閥還有切向節(jié)流閥，行程節(jié)流閥的上面。
電磁閥的通徑，按照工作氣缸的大小，行走距離，速度將需要的壓縮空氣流量給算出來，跟確定的電磁閥的壓力狀況下公稱使用流量進行匹配。
第七章 結(jié) 論
1、論文里面機械手是啟動通用的，跟專用機械手進行對比，這種機械手的自由度能夠改變，能夠?qū)刂瞥绦蜻M行調(diào)整，所以用的范圍比較大。
2、傳動用的氣壓，動作很快，反應也很快，過載能夠進行保護，方便實現(xiàn)自動化控制。對工作環(huán)境能夠很好使用，環(huán)境有改變也不會對傳動或者控制效果產(chǎn)生影響。損失的阻力還有泄漏的阻力沒有多大，對環(huán)境沒有多大傷害。并且花銷不多。
3、畫出來氣壓系統(tǒng)的工作原理，這樣省去了不少時間，很多重復性工作不需要再做。
致 謝
論文是在指導老師俞云強的幫助和教導下做完的，老師對待學術非常認真，所以在這里我尤其要感謝俞老師，沒有您的指導和幫助，相信我不會在這么快的時間將論文完成！剛開始拿到論文的題目的時候，老師就給了我很多幫助，給了我不少有用的資料，平時的生活里面，老師、同學們都幫了我不少，在這里對大家都表示感謝，對我的學校無錫職業(yè)技術學院也表示感謝。
參考文獻
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調(diào) 研 報 告
國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:
(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。
(2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化;器件集成度提高，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、易操作性和可維修性。
(4)機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。
(5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，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)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。
(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、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)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。
進入21世紀，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動生產(chǎn)率，降低工人的勞動強度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，本設計的目的就是設計一個氣動搬運機械手，應用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運到另外一條生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復性勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。。
現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點:
(1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。
(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。
(3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。
(4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技術水平。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動，
氣動技術有以下優(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，一般不需設置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題.
（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(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。
(3)動作迅速，反應靈敏。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，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，機器及其工藝流程不致突然中斷。
(5)工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、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。雖然氣動技術作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。
面對不斷飛速發(fā)展的社會以及經(jīng)濟增長速度，讓我們很容易想到這是高速發(fā)展的科技快速發(fā)展的結(jié)果?，F(xiàn)代科技發(fā)展的主要都會圍繞著效率以及機械化。本課題就是利用PLC控制系統(tǒng)控制的生產(chǎn)線上的機械手，可以幫助人工進行貨物的運送。即可以將生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)產(chǎn)品進行搬運，這樣可以減少勞動力，可以顯著地提高人民的生活水平。
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