氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì)

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1、I 編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題目： 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923121 學(xué)生姓名： 袁 博 指導(dǎo)教師： 宋廣雷（職稱：副教授） 2013 年 5 月 25 日 I 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機(jī)械 93 學(xué) 號： 0923121 作者姓

2、名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要 標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。 新的世紀(jì)，生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展帶動了整個機(jī)械行業(yè)的快 速前進(jìn)與發(fā)展。在現(xiàn)代化工業(yè)中，加工和裝配等生產(chǎn)時不連續(xù)的。單靠人力 將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費(fèi)時而且效率相當(dāng)?shù)拖?。同時人的 勞動強(qiáng)度非常大，有時還會出現(xiàn)傷

3、害和失誤。顯然，這嚴(yán)重影響和制約了整 個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機(jī)械臂的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它 不存在重復(fù)偶然的失誤，也能有效避免了人身事故。 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 熟悉機(jī)械臂的發(fā)展歷程，特別是近十幾年來的發(fā)展?fàn)顩r； 熟練掌握氣動技術(shù)，尤其是執(zhí)行件的結(jié)構(gòu)； 熟練掌握氣動機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)原理及工作流程； 完成氣動機(jī)械臂的整體方案設(shè)計(jì)； II 完成氣動機(jī)械臂裝配圖的繪制及主要零部件的繪制； 完成說明書的撰寫，翻譯一篇外文資料。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 93 班 姓名 袁博 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、

4、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長研究所所長 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 本文簡要介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，講述了機(jī)械臂的分類與歷史還有當(dāng)今國內(nèi)外的 發(fā)展?fàn)顩r，機(jī)械臂硬件和軟件的組成，即機(jī)械臂各個部件的整體尺寸設(shè)計(jì)與校核，氣動 技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)，PLC 控制的特點(diǎn)，PLC 控制的氣動機(jī)械臂系統(tǒng)的工作原理。本文對 機(jī)械臂進(jìn)行總體的方案設(shè)計(jì)： 1、確定了機(jī)械臂的坐標(biāo)形式，自由度和機(jī)械臂的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。 2、設(shè)計(jì)了機(jī)械臂的手臂結(jié)構(gòu)，計(jì)算出了回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸大小以及升降氣缸的大小， 并對手臂伸縮氣缸進(jìn)行了選型和校

5、核。 3、設(shè)計(jì)了機(jī)械臂的夾持式手部結(jié)構(gòu)和機(jī)械臂的手腕結(jié)構(gòu)，計(jì)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。 4、設(shè)計(jì)出了機(jī)械臂的氣動系統(tǒng)，繪制了機(jī)械臂氣壓系統(tǒng)工作原理圖。 因?yàn)樵O(shè)計(jì)的機(jī)械臂為通用機(jī)械臂，分析了可編程控制器是如何來控制氣動機(jī)械臂的 運(yùn)動與工作，可以利用可編程序控制器根據(jù)需要編寫不同的程序?qū)C(jī)械手進(jìn)行控制，最 終做出了機(jī)械臂運(yùn)動的流程圖。 關(guān)鍵詞：氣動；工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械臂；PLC。 IV Abstract This article briefly introduces the concept of industrial robots, telling the story o

6、f the classification of the mechanical arm and the historical and current development status at home and abroad, robot arm of hardware and software.The robot arm design and check the overall dimensions of the parts, the characteristics and advantages of pneumatic technology, PLC control, the charact

7、eristics of the working principle of PLC control system of pneumatic manipulator. In this article, the robot arm for the overall scheme design. 1、Determining the coordinates of the mechanical arm forms，degrees of freedom, and the technical parameters of manipulator. 2、Designing the manipulator arm s

8、tructure, calculating the rotary cylinder size and the size of the lift cylinder, and the selection and checking of the telescopic cylinder and the arm . 3、Designing holding type hand structure of mechanical arm and the robot arms wrist structure.Calculating the driving moment of the wrist when need

9、ed and driving moment of the rotary cylinder. 4、Designing the pneumatic system of mechanical arm and the map of mechanical arm pressure system working principle. 5、Because the mechanical arm is designed for general mechanical arm, analysis of the programmable logic controller is how to control the p

10、neumatic motor and mechanical arm.We can make use of the programmable controller according to the need to write a different program to control the manipulator, finally making the mechanical arm movement flow chart. Key words: Air pressure drive; Industrial robot; Robot arm; Programmable Logic Contro

11、ller. V 目 錄 摘 要 .III ABSTRACT .IV 目 錄 .V 1 緒 論 .1 1 .1 機(jī)械臂概論 .1 1.1.1 機(jī)械臂歷史與發(fā)展 .1 1.1.2 機(jī)械臂的歷史 .2 1.1.4 機(jī)械臂的組成 .2 1.1.4 機(jī)械臂的分類 .3 1.2 氣動技術(shù)概述 .3 1.3 氣動機(jī)械臂的設(shè)計(jì)要求 .4 2 機(jī)械臂整體設(shè)計(jì)方案 .5 2.1 機(jī)械臂的座標(biāo)型式與自由度 .5 2.2 機(jī)械臂的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) .5 2.3 機(jī)械臂的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) .6 2.4 機(jī)械臂的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) .6 2.5 機(jī)械臂的驅(qū)動方案設(shè)計(jì) .6 2.6 機(jī)械臂的控制方案設(shè)計(jì) .6 2.7 機(jī)械臂

12、的主要技術(shù)參數(shù) .6 3 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .9 3.1 手腕的自由度 .9 3.2 手腕的驅(qū)動力矩的計(jì)算 .9 3.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 .9 3.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計(jì)算 .11 3.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 .12 4 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 .15 4.1 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 .15 4.1.1 尺寸設(shè)計(jì) .15 4.1.2 尺寸校核 .15 4.2 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 .16 4.2.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) .16 4.2.2 尺寸校核 .16 4.2.3 平衡裝置 .16 4.2.4 導(dǎo)向裝置 .16 4.3 手臂升降

13、氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 .17 4.3.1 尺寸設(shè)計(jì) .17 4.3.2 尺寸校核 .17 VI 5 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .18 5.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) .18 5.1.1 手指的形狀和分類 .18 5.1.2 設(shè)計(jì)時考慮的幾個問題 .18 5.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) .18 6 氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì) .22 6.1 氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及設(shè)計(jì)程序 .22 6.2 氣壓傳動系統(tǒng)原理圖 .22 7 機(jī)械臂的控制方式 .25 7.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 .25 7.1.1 可編程序控制器的選擇 .25 7.1.2 可編程序控制器的工作過程 .25 7.2 可編程序控制器的使用步驟 .25 7.3

14、 控制系統(tǒng)的工作原理 .26 7.4 控制要求 .26 7.4.1 手動工作方式 .26 7.4.2 單動工作方式 .26 7.4.3 自動工作方式 .27 7.5 氣動機(jī)械手的工作流程 .27 8 結(jié) 論 .29 8.1 結(jié)論 .29 8.2 不足之處及展望 .29 致 謝 .30 參考文獻(xiàn) .31 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 1 1 緒 論 1 .1 機(jī)械臂概論 1.1.1 機(jī)械臂歷史與發(fā)展 機(jī)械臂是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，它對穩(wěn)定并且提高產(chǎn)品 質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件與產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)械 臂是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它是機(jī)

15、器人的一個特別重 要分支。機(jī)械臂的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在性能與構(gòu)造上兼有 人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的適應(yīng)性和智能。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械臂被廣 泛的運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械臂雖然目前還不如人的手那樣靈活，但它具有能不斷重 復(fù)工作和勞動，不知疲勞，抓舉重物的力量比人臂力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械臂已受到許 多部門的重視，并得到了越來越廣泛地應(yīng)用。 機(jī)械臂首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械臂。 它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是 示教形的。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

16、示教再現(xiàn) 型機(jī)械臂。商名為Unimate （即萬能自動） 。運(yùn)動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、 伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械臂就是在這個 基礎(chǔ)上發(fā)展起來。同年，美國機(jī)械制造公司也成功實(shí)驗(yàn)一種叫Vewrsatran機(jī)械臂。該機(jī)械 臂的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六 十年代初的機(jī)械臂，是后來國外工業(yè)機(jī)械臂發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦 福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械臂，裝有小型電子計(jì)算機(jī) 來進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還

17、生產(chǎn)一種點(diǎn)焊 機(jī)械臂，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。目前，機(jī)械臂大部分還屬于第一代，主要依靠人 工進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是提高精度和降低成本。第二代機(jī)械臂正在加緊研制。它 設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至想和聽的能力。研究安裝各種 傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械臂具有感覺功能。第三代機(jī)械臂則能獨(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)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS和柔性制造單元FMC 中的重要一環(huán)節(jié)。 目前國內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、性能、品種方面 都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄

18、 造、熱處理方面的機(jī)械臂，改善作業(yè)條件，以減輕勞動強(qiáng)度，在應(yīng)用專用機(jī)械臂的同時， 相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械臂，有條件的還要研制示教式機(jī)械臂、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械臂和組合機(jī) 械臂等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械臂的作用。此外 還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械臂，并考慮與計(jì) 算機(jī)連用，逐步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 國外機(jī)械臂在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓 力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操 作。國外機(jī)械臂的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械臂。使它具有一定的傳感能

19、無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行 檢測，重點(diǎn)是研究觸覺功能和視覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。 目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化、高速化、輕量化、多軸化的發(fā)展趨勢。定位 精度可以滿足微米及亞微米級要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載 2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機(jī)械臂、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元 相結(jié)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)。同時，隨著機(jī)械臂的小型化 和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科 學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 1.

20、1.2 機(jī)械臂的歷史 機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的 產(chǎn)業(yè)。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因 此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。新的世紀(jì)，生產(chǎn)水 平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展帶動了整個機(jī)械工業(yè)快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程 的機(jī)械化，自動化已成為突出的主題。然而在機(jī)械工業(yè)中，加工和裝配等生產(chǎn)是不連續(xù) 的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費(fèi)時而且效率不高。同時人的勞 動強(qiáng)度非常大，有時還會出現(xiàn)傷害和失誤。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效 率和自動化程度。機(jī)械臂的應(yīng)用很好的解

21、決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也 能有效的避免了人身事故。 在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械臂的應(yīng)用具有以下意義： （1） 可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度 應(yīng)用機(jī)械臂，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 的自動化程度，從而可以提高生產(chǎn)的勞動率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化 與自動化的步伐。 （2） 可以改善勞動條件、避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以 及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險甚至根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手 即可部分或全部代替人安全地作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作 簡單但又重復(fù)

22、作業(yè)的操作過程中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疏忽 或者疲勞而造成的人身事故。 （3） 可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械臂代替人手進(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 臂可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床和綜合加工自動 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)節(jié)拍，便于有節(jié)奏地 進(jìn)行生產(chǎn)。 1.1.4 機(jī)械臂的組成 （1） 手部 包括手指、傳力機(jī)構(gòu)等，主要起放置與抓取物件的作用。 （2） 傳送機(jī)構(gòu) 包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向與位置的作用。 （3） 控制部分 它是機(jī)械臂動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順

23、序與位置等 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 3 （4） 驅(qū)動部分 它是手部與傳送機(jī)構(gòu)的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓、 氣壓、 電力和機(jī)械四種驅(qū)動形式。 （5） 其它部分 如機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、行程檢測裝置和傳感裝置等。 1.1.4 機(jī)械臂的分類 1.1.4.1 按使用范圍分類 （1） 專用機(jī)械臂 一般只有固定的程序，而無單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī) 器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機(jī)械臂” 、 “曲拐自動車床 機(jī)械臂”、 “油泵凸輪軸自動線機(jī)械臂 ”等等。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動 作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。 （2） 通用機(jī)械臂 指具有可變程序與單獨(dú)驅(qū)動的控制系

24、統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器， 而且能自動完成傳送物件或操作某些工其的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位與控制方式 的不同，可分為簡易型與伺服型兩種。簡易型只是點(diǎn)位控制，故屬于程序控制類型，伺 服型可以是點(diǎn)位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。 1.1.4.2 按運(yùn)動坐標(biāo)型式分類 （1） 直角坐標(biāo)式機(jī)械臂 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸 X、Y 、Z 三個方向移動，亦即臂 部可以前后伸縮( 定為沿 X 方向的移動)、左右移動 (定為沿 Y 方向的移動)和上下升降(定 為沿 Z 方向的移動) ； （2） 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械臂 手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的 X 和 Z 方向移動，又可繞 Z 軸 轉(zhuǎn)動(定為繞 Z 軸轉(zhuǎn)

25、動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動； （3） 球坐標(biāo)式機(jī)械臂 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸 X 方向移動，還可以繞 Y 軸和 Z 軸 轉(zhuǎn)動，亦即手臂可以前后伸縮(沿 X 方向移動)、上下擺動 (定為繞 Y 軸擺動)和左右轉(zhuǎn)動 (仍定為繞 Z 軸轉(zhuǎn)動)； （4） 多關(guān)節(jié)式機(jī)械臂 這種機(jī)械臂的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連 接(肘部 )以及大臂和機(jī)體的連接(肩部) 均為關(guān)節(jié)(鉸鏈 )式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部 上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動。 1.1.4.3 按驅(qū)動方式分類 （1） 液壓驅(qū)動機(jī)械臂 以壓力油進(jìn)行驅(qū)動； （2） 氣壓驅(qū)動機(jī)械臂 以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動；

26、 （3） 電力驅(qū)動機(jī)械臂 直接用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動； （4） 機(jī)械驅(qū)動機(jī)械臂 是將主機(jī)的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳遞 給機(jī)械臂的一種驅(qū)動方式。 1.1.4.4 按機(jī)械臂的臂力大小分類 （1） 微型機(jī)械臂 臂力小于 1； （2） 小型機(jī)械臂 臂力為 110； （3） 中型機(jī)械臂 臂力為 1030； （4） 大型機(jī)械臂 臂力大于 30。 1.2 氣動技術(shù)概述 氣壓傳動機(jī)械臂是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械臂。其主要特點(diǎn)是: 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 介質(zhì)來源極為方便，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，工作速度穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣

27、源的壓力較低，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 與粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 氣動技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）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)與加 工精度要求，制造容易，成本較低； (2) 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與 速度。氣動系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制； (3) 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； (4) 能源可儲存。壓縮空氣可存貯

28、與儲氣罐之中，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發(fā)生中斷等情況； (5) 介質(zhì)提取和處理方便。工作介質(zhì)提取容易，氣壓傳動工作的壓力較低，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，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及 補(bǔ)充的問題； (6) 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，并且不會因溫度的變化影響控制機(jī) 傳動的性能。 傳統(tǒng)觀點(diǎn)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(shí)現(xiàn)高精度定 位比較困難。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

29、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(shí)用性和前景存在不少疑慮。 1.3 氣動機(jī)械臂的設(shè)計(jì)要求 本課題將要完成的主要任務(wù)如下 （1） 機(jī)械臂為通用機(jī)械臂，因此相對于專用機(jī)械臂來說，它的適用面相對較廣。 （2） 選取機(jī)械臂的座標(biāo)型式和自由度。 （3） 設(shè)計(jì)出機(jī)械臂的各執(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)，不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來抓取棒料工件，在 工業(yè)需要的時候還可以用氣流負(fù)壓式吸盤來吸取板料工件

30、。 （4） 氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設(shè)計(jì)，并 繪出氣動原理圖。 （5） 了解氣動機(jī)械臂的工作控制原理。 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 5 2 機(jī)械臂整體設(shè)計(jì)方案 對氣動機(jī)械臂的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有一 定的承載能力、高精度、快速反應(yīng)、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(jì)氣動機(jī)械臂的原則是：充分分析作業(yè)對象作業(yè)技術(shù)要求，擬定最 合理的作業(yè)工序，并滿足系統(tǒng)環(huán)境條件和功能要求；明確工件結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定 位精度要求抓取和搬運(yùn)時的受力特性、尺寸及其質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械臂

31、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)械臂是通用氣動上下料機(jī)械臂， 是一種適合于成批或者中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的操作設(shè)備或者自動搬運(yùn)， 動作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。氣動機(jī)械臂可用于操作環(huán)境比較惡劣的場合。 2.1 機(jī)械臂的座標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱 座標(biāo)式、球座標(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(yùn)動， 因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個自由度?？紤]到機(jī)械手的通用性，同 時由于被抓取工件是水平

32、放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求，所以 增加一自由度。共四自由度。 圖 2.1 坐標(biāo)模型及自由度示意圖 2.2 機(jī)械臂的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手通用的特性，同時由于被抓取的工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有 回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可以滿足機(jī)械臂的工作要求。因此，手腕設(shè)計(jì)具有回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 運(yùn)動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 2.3 機(jī)械臂的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 按照機(jī)械手抓取工件的要求，此機(jī)械手的手臂需要三個自由度，即手臂的伸縮、左 右回轉(zhuǎn)和降運(yùn)動。手臂的升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動都是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動就是 手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動方式均由氣缸來實(shí)現(xiàn)。 2.4

33、 機(jī)械臂的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒 料時，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。 2.5 機(jī)械臂的驅(qū)動方案設(shè)計(jì) 機(jī)械臂常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動三種基本形式。 液壓驅(qū)動的特點(diǎn)是功率大、結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，響應(yīng)快，精度較高。但是需要 有液壓源，而且容易發(fā)生液體泄漏。 電機(jī)傳動能源簡單，機(jī)構(gòu)速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高，使用 方便，噪聲低，控制靈活。 氣壓驅(qū)動的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡單，傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和 泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械臂采用氣壓傳動方式。 2

34、.6 機(jī)械臂的控制方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械臂的通用性，同時使用點(diǎn)位控制，控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置，并 隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)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。 2.7 機(jī)械臂的主要技術(shù)參數(shù) （1） 機(jī)械臂的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮 抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為 5kg。 （2） 基本參數(shù)運(yùn)動速度是機(jī)械臂主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械臂速度提出了 要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。 （如圖 2-3 所示）而影響機(jī)

35、械手動作快慢的主 要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計(jì)為 1.0m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè) 計(jì)為 90/s。平均移動速度為 0.8m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為 60/s。機(jī)械手動作時有啟動、停止 過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c 行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動速度以外，手臂 設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械臂設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著 且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降 低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械臂手臂的伸縮行 程定為

36、 600mm,最大工作半徑約為 1400mm。手臂升降行程定為 120mm。定位精度也是基 本參數(shù)之一。該機(jī)械臂的定位精度為1mm。 （3） 用途: 用于自動輸送線的上下料。 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 7 （4） 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 1） 抓重 5kg 2） 自由度數(shù) 4 個自由度 3） 座標(biāo)型式 圓柱座標(biāo) 4） 手臂最大中心高 1250mm 5） 最大工作半徑 1400mm 6） 手腕運(yùn)動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 0-180 回轉(zhuǎn)速度 90/s 7） 手臂運(yùn)動參數(shù) 伸縮行程 1200mm 伸縮速度 400mm/s 升降行程 120mm 升降速度250mm/s 回轉(zhuǎn)范圍0-180 回轉(zhuǎn)速度90/s 8） 手指夾持范圍

37、 棒料: m1508 9） 定位方式 行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等 10） 定位精度 1mm 11） 驅(qū)動方式 氣壓傳動 圖 2.2 機(jī)械臂的工作范圍示意圖(主視) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 2.3 機(jī)械臂的工作范圍示意圖(主視) 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 9 3 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是改變或調(diào)整工件的方位，因而它具有獨(dú) 立的自由度，以使機(jī)械臂適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械臂的通用性、 加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械臂抓取的工件是 水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的

38、要求 目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)氣缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的 結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴(yán)格的密封。 3.2 手腕的驅(qū)動力矩的計(jì)算 3.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服 手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，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)動軸線不重合所產(chǎn)生 的偏重力矩.圖4-1所示為手腕的示意圖。 圖 3.1 手碗回轉(zhuǎn)時狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計(jì)算: (3.1) 慣偏摩封驅(qū) MM 式中：M 驅(qū) - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動

39、的驅(qū)動力矩(Ncm)； M 封 -手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 ( 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 )； cmN M 摩 - 手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩； M 偏 - 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片 )對轉(zhuǎn)動 軸線所產(chǎn)生的偏重力矩(Ncm)； M 慣 - 慣性力矩(Ncm)。 圖 3.2 手腕受力示意圖 下面以圖 3.2 所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算: 轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 M 封 ，與選用的密襯裝 置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況來分析。 (2) 手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M 封 (3

40、.2) )(21dFfMBA摩 式中: - 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm) ； 1,d - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 ，對于滑動軸承 ；f 01.f 1.0f - 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解，BA, 根據(jù) ，得：0 (3.3)123lGlF (3.4)lB 31 同理，根據(jù) 0BM (3.5)l llFA )()()( 321 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 11 式中： - 手指的重量(N)；2G - 如圖 4.2 所示的長度尺寸(cm)。31,l (3) 手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 M 偏 (3.6)31eM偏 式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量 (N)；3 當(dāng)工件的重心與手

41、腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則 。01eG - 手腕轉(zhuǎn)動件重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)。3e (4) 手腕加速運(yùn)動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M 慣 若手腕起動過程按等加速運(yùn)動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為 ，起動過程所用的時間為 ，則 :t (3.7)tJM）（慣 1 式中: - 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量（Ncms 2） ；J - 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量（Ncms 2） 。1 若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量 為：1J (3.8) 211egGJc 式中： - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量（ Ncms2） ；c - 工件的重量 (N)；1 - 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距 (cm)；e -

42、手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s)； - 起動過程所需的時間(s) ；t - 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度 (弧度)。 3.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計(jì)算 在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖 4-2 所 示，定片 1 與缸體 2 固連，動片 3 與回轉(zhuǎn)軸 5 固連。動片封圈 4 把氣腔分隔成兩個.當(dāng)壓 縮氣體從孔 a 進(jìn)入時，推動輸出軸作逆時 4 回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從 b 孔排出。反之，輸出 軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力 P 驅(qū)動力矩 M 的關(guān)系為: 或 (3.9)( 2rRbMp2)(rRpb 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 3-3 回轉(zhuǎn)氣缸示意圖 式中：M回

43、轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩（Ncm） ； P回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力（Ncm） ； R缸體內(nèi)壁半徑（cm） ； r輸出軸半徑（cm） ； b動片寬度（cm） 。 上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言，若低壓腔有一 定的背壓，則上式中的 P 應(yīng)代以工作壓 P1 與背壓 P2 只差。 3.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 3.2.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸長度設(shè)計(jì)為 b=100mm,氣缸內(nèi)徑為 D1=96mm,半徑 R=48mm,軸徑 D2=26mm,半徑 R=13mm,氣缸運(yùn)行角速度 =90/s，加速度時間 =0.1s,壓強(qiáng) P=0.4MPa,t 則力矩： (3.10)2 )(rRpbM )(

44、6.3 )026.48.(104.6mN 3.2.3.2 尺寸校核 （1）測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 m1=10kg，分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個半徑 r=50mm 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： (3.11) 21rJ 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 13 2 05.1 （ ）.2mkg 工件的質(zhì)量為 5kg,質(zhì)量分布于長 l=100mm 的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量： (3.12) 042.1.5 2lJc 假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長 l=100mm 的棒料來說，最大偏心距 ，其轉(zhuǎn)動慣量為:me51 (3.13)(067. 5.4221kgeJc 慣Mt J1 (3.14)(3.26

45、1.097.05mN （2）手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為 M 偏 ，考慮手腕轉(zhuǎn)動 件重心與轉(zhuǎn)動軸線重合， ，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線 ,則：1e me503 (3.15)31GM偏 )(5.2 05.0mN （3）手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 M 摩 ，對于滾動軸承 ，對于滑動01.f 軸承 ， ， 為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑， ， ， ， 為1.fd2 md301d2AFB 軸頸處的支承反力，粗略估計(jì) ， ，NFA30B5 (3.16) )(12fMBA摩 ).5.30. )(5.mN （4） 回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 M 封 ，

46、與選用 的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計(jì) M 封 為 M 摩 的 3 倍， 摩封 3M 05. )(1mN 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 封摩偏慣驅(qū) MM 15.0.523.6 )(9mN 驅(qū) 設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 15 4 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 4.1 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 4.1.1 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸長度設(shè)計(jì)為 氣缸內(nèi)，徑為 ，半徑 ，軸徑mb150mD210mR105 ，半徑 ，氣缸運(yùn)行角速度 ，加速度時間 ，壓強(qiáng)mD402R2s/9st. ，MPa. 則力矩： (4.1)2)(rpb ).(5 )02.15.(

47、04.6mN 4.1.2 尺寸校核 1測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 ,分析部件的質(zhì)量分布情況，kg120 質(zhì)量密度等效分布在一個半徑 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：r (4.2)2 1rJ 0. ）（ 26.mkg (4.3)t JM慣 )(108 5.9N 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) ,2.0k (4.4)慣摩 k. ）（ m.45 2 總驅(qū)動力矩： (4.5)摩慣驅(qū) M ）（ N.413 08 驅(qū) 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 4.2 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 4.2.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公

48、司生產(chǎn)的各種型號的 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，氣缸選用 CTA 型氣缸，尺寸系列初選內(nèi) 徑為 100/63，關(guān)于此氣缸的資料詳情請參看煙臺氣動元件廠公司主頁。 4.2.2 尺寸校核 （1）測定手腕的質(zhì)量為 50kg,設(shè)計(jì)加速度為 ，則慣性力：sma/10 (4.6)maF1 )(50N （2）考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ，2.0k (4.7)1km )(0 2. 總受力： (4.8)mF10 )(6 5N （3）在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑 ，半徑 的氣缸的尺寸mD631mR5.31 滿足使用要求即可，設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) ，MPa4.0 則驅(qū)動力： (4.9)2RPF )(1

49、46 315.02N 0 所以標(biāo)準(zhǔn) CTA 氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動力要求。 4.2.3 平衡裝置 在本設(shè)計(jì)中，為了減少手抓一側(cè)重力矩性能的影響，使手臂的兩端能夠盡量接近重 力矩平衡狀態(tài)，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量 根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況來調(diào)節(jié)，使兩端盡量接近平衡。 4.2.4 導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指的 正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu) 時，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等 因素來確定，同時在結(jié)

50、構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量和運(yùn)動部件的重 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 17 量。 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用單 導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 4.3 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 4.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為 ，氣缸內(nèi)徑為 ，半徑 ，氣缸運(yùn)ml18mD10mR5 行速度，加速度時間 ，壓強(qiáng) ,則驅(qū)動力：st5.0MPa4.0 (4.10) 2RpG 2605.143. )(79N 4.3.2 尺寸校核 （1）測定手腕及整個上半部分的總質(zhì)量為 80kg,則重力： (4.11)mgG )(80 1N （2）設(shè)計(jì)加速度 ，則慣性力：)/

51、(5sa (4.12)a1 )(40 5 （3）考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) ，1.k (4.13)Gm )(40 .N 總受力 (4.14)mq1 )(240 8 Gq 所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 5 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽 杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 5.1.1 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:按模仿人手手 指的動作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱作直進(jìn)型)，其中以二 支

52、點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時，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)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為 移動型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用相對廣泛。移動型應(yīng)用較 少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的相對位 置，能適應(yīng)夾取不同直徑的工件。 5.1.2 設(shè)計(jì)時考慮的幾個問題 (1) 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。 (2) 手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩

53、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) 滿足工件能順利進(jìn)入或脫開，如果夾持不同直徑的工件，應(yīng)按工件的最大直徑考慮。對 于移動型的手指只有開閉幅度的要求。 (3) 具有足夠的夾緊力 在確定手指的夾緊力時，考慮工件的重量外，還應(yīng)考慮在傳送和操作過程中工件所 產(chǎn)生的振動和慣性力，保證工件不致產(chǎn)生松動以至于脫落。 (4) 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(diǎn)， 兩指 回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成 V 型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。 (5) 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)動過程中所產(chǎn)生的慣

54、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。 5.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) (1) 手部驅(qū)動力計(jì)算 本課題氣動機(jī)械臂的手部結(jié)構(gòu)如圖 5.1 所示： 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 19 圖 5.1 齒輪齒條式手部 其工件重量 ，V形手指的角度 ， ,摩擦系數(shù)為kgG5120mRb24.f 1) 根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計(jì)算公式： (5.1)(.0tN )(25 )4256g 2）根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為： (5.2)NRbp 所以 )(245 3) 實(shí)際驅(qū)動力： (5.3)

55、 21Kp實(shí) 際 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取 ，并取 。若被抓取工件的最大94.05.1K 加速度取 時，則：ga3 (5.4) 412K 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 所以 )(156394.025Np實(shí) 際 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1563N。 (2) 氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸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的總阻力，其公式為: (5.5)zt FPDF42 式中: - 活塞桿上的推力，F(xiàn))(N - 彈簧反作用力，t - 氣缸工作時的總阻力，z - 氣缸工作壓力，P)(Pa 彈簧反作用按下式計(jì)算: (5.6

56、)slGFft (5.7)nD df314 式中： - 彈簧剛度，N/mf - 彈簧預(yù)壓縮量， ml - 活塞行程，ms - 彈簧鋼絲直徑，m1d - 彈簧平均直徑，.D - 彈簧有效圈數(shù)，n - 彈簧材料剪切模量，一般取GPaG9104.7 在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率 的影響，則: (5.8) t Fp42 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: (5.9)p tD)(1 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 nGdf31 48 ）（ mN/46.3715)0( .943 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 21 )1(sGFft 6.20 4373N 所以: pnFtD)1( ）（ m23.650. 6.49 查機(jī)械手冊圓整，得 D6

57、5 由 ,可得活塞桿直徑：.0/d.193)2.( 圓整后，取活塞桿直徑 校核，按公式d8 (5.10)4/F 有: 5.0)/(d 其中， ，MPa12NF750 則: 5.0)/49(8. 滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。 (3) 缸筒壁厚設(shè)計(jì) 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定的厚度。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(jì)算： (5.11)2/pDP 式中: - 缸筒壁厚，mm - 氣缸內(nèi)徑， mmD - 實(shí)驗(yàn)壓力，取 ， （Pa）pPp5.1 材料為:45鋼, =3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為： 2/p )(5.6 )103(65m 取 ，則缸筒外徑為：782.1

58、D 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 6 氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.1 氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及設(shè)計(jì)程序 （1）明確工作要求 設(shè)計(jì)氣動系統(tǒng)前，一定要弄清運(yùn)動和操作力的要求和工作環(huán)境條件等。 運(yùn)動和操作力的要求包括主機(jī)的運(yùn)動順序、動作時間、運(yùn)動速度及可調(diào)范圍、運(yùn)動 的平穩(wěn)性、定位精度、操作力及自動化程度等。 工作環(huán)境條件如溫度、防塵、防爆、防腐蝕要求及工作場所等情況必須調(diào)查清楚。 機(jī)、電、液控制相配合的情況及對氣動系統(tǒng)的要求。 （2）設(shè)計(jì)氣動回路 列出氣動執(zhí)行元件的工作程序圖。畫信號-動作狀態(tài)線圖或者卡諾圖，也可直接寫出 邏輯函數(shù)表達(dá)式。 畫邏輯原理圖。 畫回路原理圖。 （3）選擇執(zhí)行元件 選擇執(zhí)行元件包

59、括確定氣缸或氣馬達(dá)類型，氣缸的安裝形式及具體尺寸和行程長度、 密封形式、耗氣量等。應(yīng)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)氣缸的參數(shù)。 （4）選擇控制元件 確定控制元件類型 確定控制元件的通徑，一般控制閥的通徑可按閥的工作壓力與最大流量確定。 （5） 選擇氣動輔件 分水過濾器 其類型主要根據(jù)過濾精度要求而定。 油霧器 根據(jù)油霧顆粒大小和流量來選取。 減壓閥、分水過濾器和油霧器串聯(lián)使用時，三件的通徑需要一致。 消聲器 根據(jù)工作場所選用不同形式的消聲器，其通徑大小按通過流量而定。 儲氣罐 按理論容積及安裝場合選擇具體結(jié)構(gòu)及尺寸 （6） 壓力損失的驗(yàn)算 各管段直徑可根據(jù)該段的流量，并考慮與前后連接元件通徑一致的原則初步選定，

60、 在 驗(yàn)算壓力損失后最終確定通徑。 壓力損失的驗(yàn)算 總壓力損失為沿流程壓力損失和局部壓力損失只和，在車間內(nèi)可取 總壓力損失小于或者等于 0.010.1MPa。 （7） 選擇空氣壓縮機(jī) 確定空壓機(jī)的供氣量 根據(jù)各設(shè)備的平均用氣量的和，再計(jì)及各種影響和狀態(tài)，乘以 適當(dāng)背書即為空壓機(jī)的供氣量。 確定空壓機(jī)的供氣壓力，根據(jù)用氣設(shè)備的額定壓力與氣動系統(tǒng)總壓力損失之和來求。 6.2 氣壓傳動系統(tǒng)原理圖 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 23 圖 6.1 機(jī)械臂氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 表 6-1 氣路元件表 序號 名稱 數(shù)量 1 手動截止閥 1 2 儲氣缸 1 3 水分濾氣器 1 4 壓力閥 1 5 油霧器 1 6 壓力繼電

61、器 1 7 二位五通電磁閥 4 8 二位五通電磁閥 1 9 梭閥 1 10 單向節(jié)流閥 2 各通行機(jī)構(gòu)的調(diào)速，凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流 阻尼螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單效果好。如平臂伸縮氣缸在接近氣缸處 安裝兩個快速排氣閥，可加快啟動速度，也可調(diào)節(jié)全程的速度。升降氣缸采用氣節(jié)流的 單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥 排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 沖器的背壓大小。 電磁閥的通徑，是根據(jù)各工作氣缸的尺寸，行程，速度計(jì)算出所需壓縮空氣流量，

62、 與選用的電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定的。 氣動機(jī)械臂設(shè)計(jì) 25 7 機(jī)械臂的控制方式 考慮到機(jī)械臂手抓的通用性，同時使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC) 對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械臂的動作流程改變時，只需改變 PLC 程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方 便快捷。 7.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 7.1.1 可編程序控制器的選擇 目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC, 德國西 門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC 等。我們可以根 據(jù)生產(chǎn)過程中的需要自行編寫程序來達(dá)到目的。 7.1.2 可編程序

63、控制器的工作過程 可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶的程序來完成對各種不同任務(wù)的控制。因此采用了 循環(huán)掃描的工作方式。 具體的工作過程可分為四個階段： 第一階段是初始化處理： 可編程序控制器的輸入端子是不直接和主機(jī)相連，CPU 對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針 對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為 I/0 狀態(tài)表。I/0 狀態(tài)表是一個專 門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)域。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存 器；存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機(jī)時，CPU 首先使 I/0 狀態(tài)表清零， 然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。 第二階段是處理輸入信號階段： 在處

64、理輸入信號的階段，CPU 對輸入的狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀 態(tài)信息存放到 I/0 狀態(tài)表中。在同一掃描周期中，各個輸入點(diǎn)的狀態(tài)在 I/0 狀態(tài)表中保持 不變化，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了 本周期內(nèi)用戶程序執(zhí)行的正確性。 第三階段是程序處理階段： 當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入 I/0 狀態(tài)表后，CPU 工作進(jìn)入到了第三個階段。在這個階段 中，可編程序控制器對用戶程序進(jìn)行逐步依次掃描，并根據(jù)各 I/0 狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn) 算和處理，最后將結(jié)果寫入 I/0 狀態(tài)表的輸出狀態(tài)在暫存器中。 第四階段是輸出處理階段： CPU 對用戶程序已處理掃描完畢，并

65、將運(yùn)算結(jié)果寫入到 I/0 狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此 時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出來，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈， 被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動作。然后，CPU 返回執(zhí)行下一個循環(huán)掃描周期。 7.2 可編程序控制器的使用步驟 在可編程序控制器與被控對象(設(shè)備、機(jī)器或生產(chǎn)過程)構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)時，通 常需要進(jìn)行七個步驟： (1) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 即確定被控制對象控制要求，工作原理，動作及動作流程。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 (2) I/0 分配 即確定哪個信號是送到可編程序控制器并分配給相應(yīng)的輸入端號；哪個信號是由可 編程序控制器送到被控對象并分配相應(yīng)的輸出端號。此外，對用到的可編程

66、序控制器內(nèi) 部的計(jì)數(shù)器和定時器等也要進(jìn)行分配?？删幊绦蚩刂破魇峭ㄟ^編號來認(rèn)識信號的。 (3) 畫梯形圖 它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念大同小異，表明了系統(tǒng)中全部動作的相互聯(lián)系。 如果使用圖形編程器，則畫出梯形圖等于編制出了程序，可以把梯形圖直接加載進(jìn)可編 程序控制器。對簡易編程器，往往要經(jīng)過下一步的助記符程序的轉(zhuǎn)換過程。 (4) 助記符機(jī)器程序 相當(dāng)于微機(jī)中助記符程序，是面向機(jī)器的(即不同廠家的可編程序控制器，助記符指 令形式不同)，使用簡易編程器的時候，必須將梯形圖轉(zhuǎn)化為助記符程序，才能將其輸入 到可編程序控制器中。 (5) 編制程序 即檢查程序中每條語法是否有錯誤，如果有應(yīng)該修改。這項(xiàng)工作需要可編程序控制 器的參與。 (6) 調(diào)試程序 即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，則應(yīng)該在編程器上更正。程序設(shè) 計(jì)(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試)也可在其它工具上進(jìn)行。 (7) 保存程序 調(diào)試通過的程序，應(yīng)固化在 EPROM 中或保存在磁盤中備份。 7.3 控制系統(tǒng)的工作原理 控制對象為圓柱座標(biāo)氣動機(jī)械臂。它的手臂具有三個自由度，即豎直方向的上、下; 水平方向的伸、縮;繞豎直