畢業(yè)論文 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說明書】

畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1機(jī)電一體化的思路和對(duì)策機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展歷程及其趨勢 自電子技術(shù)一問世，電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的結(jié)合就開始了，只是出現(xiàn)了半導(dǎo)體集成電路，尤其是出現(xiàn)了以微處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后， “機(jī)電一體化” 技術(shù)之后有了明顯進(jìn)展，引起了人們的廣泛注意。 （一） “機(jī)電一體化” 的發(fā)展歷程 1.數(shù)控機(jī)床的問世，寫下了“機(jī)電一體化 ”歷史的第一頁； 2.微電子技術(shù)為 “機(jī)電一體化''帶來勃勃生機(jī)； 3.可編程序控制器、 “電力電子” 等的發(fā)展為 “機(jī)電一體化”提供了堅(jiān)強(qiáng)基礎(chǔ)； 4.激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使“機(jī)電一體化” 躍上新臺(tái)階。 “機(jī)電一體化”發(fā)展趨勢 1.光機(jī)電一體化。一般的機(jī)電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等部件組成的。因此，引進(jìn)光學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)技術(shù)的先天優(yōu)點(diǎn)是能有效地改進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源（動(dòng)力）系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。光機(jī)電一體化是機(jī)電產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢。 2.自律分配系統(tǒng)化——柔性化。未來的機(jī)電一體化產(chǎn)品，控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“ 冗余度”，有較強(qiáng)的“柔性”，能較好地應(yīng)付突發(fā)事件，被設(shè)計(jì)成“自律分配系統(tǒng) ”。在自律分配系統(tǒng)中，各個(gè)子系統(tǒng)是相互獨(dú)立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務(wù)，同時(shí)具有本身的“自律性” ，可根據(jù)不同的環(huán)境條件作出不同反應(yīng)。其特點(diǎn)是子系統(tǒng)可產(chǎn)生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動(dòng)”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應(yīng)能力（柔性） ，又不因某一子系統(tǒng)的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)。 3.全息系統(tǒng)化——智能化。今后的機(jī)電一體化產(chǎn)品“ 全息” 特征越來越明顯，智能化水平越來越高。這主要收益于模糊技術(shù)、信息技術(shù)（尤其是軟件及芯片技術(shù)）的發(fā)展。除此之外，其系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，也變簡單的“ 從上到下 ”的形勢而為復(fù)雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。 4.“生物一軟件 ”化 —仿生物系統(tǒng)化。今后的機(jī)電一體化裝置對(duì)信息的依賴性很大，并且往往在結(jié)構(gòu)上是處于“靜態(tài)” 時(shí)不穩(wěn)定，但在動(dòng)態(tài)（工作）時(shí)卻是穩(wěn)定的。這有點(diǎn)類似于活的生物：當(dāng)控制系統(tǒng)（大腦）停止工作時(shí)，生物便“死亡”，而當(dāng)控制系統(tǒng)（大腦）工作時(shí)，生物就很有活力。仿生學(xué)研究領(lǐng)域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機(jī)構(gòu)可為機(jī)電一體化產(chǎn)品提供新型機(jī)體，但如何使這些新型機(jī)體具有活的“生命” 還有待于深入研究。這一研究領(lǐng)域稱為 “生物——軟件”或“生物系統(tǒng)”，而生物的特點(diǎn)是硬 件（肌體）——軟件（大腦）一體，不可分割?？磥恚瑱C(jī)電一體化產(chǎn)品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨，但有一段漫長畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2的道路要走。 5.微型機(jī)電化——微型化。目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中已制造出亞微米級(jí)的機(jī)械元件。當(dāng)將這一成果用于實(shí)際產(chǎn)品時(shí)，就沒有必要區(qū)分機(jī)械部分和控制器了。屆時(shí)機(jī)械和電子完全可以“融合”，機(jī)體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、 CPU 等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機(jī)械學(xué)是機(jī)電一體化的重要發(fā)展方向。 三、典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品 機(jī)電一體化產(chǎn)品分系統(tǒng)（整機(jī)）和基礎(chǔ)元、部件兩大類。典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM 系統(tǒng)等。典型的機(jī)電一體化元、部件有：電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機(jī)、傳感器、專用集成電路、伺服機(jī)構(gòu)等。這些典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、市場前景分析從略。 四、北京發(fā)展“機(jī)電一體化”而臨的形勢和任務(wù) 機(jī)電一體化工作主要包括兩個(gè)層次：一是用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，其目的是節(jié)能、節(jié)材，提高工效，提高產(chǎn)品質(zhì)量，把傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提高一步；二是開發(fā)自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化機(jī)電產(chǎn)品，促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 前者是面上的工作，普及工作；后者是提高工作，深層次工作。 （一）北京“機(jī)電一體化” 工作面臨的形勢 1.北京用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)工業(yè)的工作量大而廣 （1）在700余家北京市屬工業(yè)系統(tǒng)的企業(yè)中，有60%以上的企業(yè)用微電子技術(shù)改造機(jī)床設(shè)備、工業(yè)窯爐、風(fēng)機(jī)電泵、生產(chǎn)過程的任務(wù)還未完成需要量的一半。 （2）北京工業(yè)系統(tǒng)還有2000余臺(tái)機(jī)床設(shè)備亟需用微電子技術(shù)進(jìn)行改造；在已改造的近6500臺(tái)機(jī)床設(shè)備中，大約有15%需進(jìn)一步改造。 （3）北京工業(yè)系統(tǒng)尚有近250座工業(yè)爐窯亟需用電子信息技術(shù)進(jìn)行改造；且610座已改造過的工業(yè)爐窯也很有進(jìn)一步應(yīng)用模糊技術(shù)進(jìn)行二次改造的必要。 （4）北京工業(yè)系統(tǒng) CAD應(yīng)用還有較大差距。目前，北京工業(yè)品設(shè)計(jì)，CAD 應(yīng)用率僅17%（而美、日等國已超過85%；國內(nèi)先進(jìn)地區(qū)也超過了30%） ；CAD 的覆蓋率才達(dá)到11%（而全國 CAD 應(yīng)用工程領(lǐng)導(dǎo)小組指出， “八五”期間大中型企業(yè)要達(dá)到35%，中小型骨干企業(yè)要達(dá)到15%—20% ；到 “九五”時(shí)，按國務(wù)委員宋健的要求，基本上要甩掉繪圖板） 。 （5）北京工業(yè)系統(tǒng)共有改造價(jià)值的各種風(fēng)機(jī)電泵裝機(jī)容量50萬千瓦，尚49萬多千瓦用變調(diào)速技術(shù)進(jìn)行改造的任務(wù)，占總?cè)蝿?wù)量的99.5%左右。 （6）工業(yè)是全市能源消耗大戶。1992年，北京工業(yè)系統(tǒng)占全市能耗總量的59.5%.而北京是一個(gè)能源嚴(yán)重缺乏的城市，1992年北京工業(yè)系統(tǒng)萬元產(chǎn)值能耗折合標(biāo)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書3煤為2.47噸，比上海的1.57噸高57%，比天津的2.15噸高14%，比先進(jìn)的工業(yè)化國家高近9倍。因此，北京工業(yè)系統(tǒng)節(jié)能降耗的任務(wù)非常重，而電力電子技術(shù)是節(jié)能降耗的王牌。 2.北京用機(jī)電一體化技術(shù)加速產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高市場占有率的呼聲高，有壓力。北京市的工業(yè)產(chǎn)品大約有3萬種，每年約開發(fā)試制新產(chǎn)品3000種，更新周期很長。由于更新?lián)Q代速度跟不上市場變化的需要，影響了北京工業(yè)產(chǎn)品的競爭能力。 1993年，北京市工業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品約837種，在當(dāng)年生產(chǎn)的產(chǎn)品品種總數(shù)中僅占7.8%左右。其中：機(jī)械局系統(tǒng)主要產(chǎn)品約1200種，機(jī)電一體化產(chǎn)品不到150種機(jī)電一體化產(chǎn)品所占比例僅4%強(qiáng)；儀器儀表總公司系統(tǒng)主要產(chǎn)品350種，機(jī)電一體化產(chǎn)品210種，機(jī)電一體化產(chǎn)品所占比例為60%；輕工系統(tǒng)主要產(chǎn)品總數(shù)為649種，機(jī)電一體化、智能化產(chǎn)品15種，機(jī)電一體化、智能化產(chǎn)品所占比例約2.3%；汽車工業(yè)總公司系統(tǒng)平均每輛汽車的總成本為3.5萬元，每輛汽車平均裝用電子產(chǎn)品的費(fèi)用約300元，不是總成本的1%；與國外約28%的先進(jìn)水平相差甚遠(yuǎn)；與國內(nèi)先進(jìn)水平相差一半左右。 3.北京用機(jī)電一體化產(chǎn)品取代技術(shù)含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、擾民產(chǎn)品的責(zé)任重，有意義。在北京工業(yè)系統(tǒng)中，能耗、耗水大戶，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的企業(yè)還占相當(dāng)大的比重，且不少地處城區(qū)和近郊區(qū)。近年來北京的工業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)雖然幾經(jīng)調(diào)整，但由于多種原因，成效一直不夠明顯。這里面固然有上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門的政出多門問題，有企業(yè)的“故土難離”“死守故業(yè)”問題，但不可否認(rèn)也有優(yōu)化不出理想的產(chǎn)業(yè)，優(yōu)選不出中意的產(chǎn)品問題。上佳的答案早就擺在了這些企業(yè)的面前，這就是發(fā)展機(jī)電一體化，開發(fā)和生產(chǎn)有關(guān)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。機(jī)電一體化產(chǎn)品功能強(qiáng)、性能好、質(zhì)量高、成本低，且具有柔性，可根據(jù)市場需要和用戶反映時(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程做必要的調(diào)整、改革，而無須改換設(shè)備。這是解決機(jī)電產(chǎn)品多品種、少批量生產(chǎn)的重要出路。同時(shí)，可為傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)注入新鮮血液，帶來新的活力，把機(jī)械生產(chǎn)從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)。 另外，從市場需求的角度看，由于我國研制、開發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品的歷史不長，差距較大，許多產(chǎn)品的品種、數(shù)量、檔次、質(zhì)量都不能滿足需求，每年進(jìn)口量都比較大，因此亟需發(fā)展。畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書4Mechanical and electrical integration of the train of thought and countermeasureElectromechanical integration technology development history and tendency since the electron technology publication, electronic technology and mechanical technology integration started, just the emergence of semiconductor integrated circuit, particularly in a microprocessor as the representative of the large scale integrated circuit, “an integrated“ technology has made obvious progress, caused the wide attention of people.(a) “mechatronics“ development course 1 CNC machine tools come out, wrote “mechatronics“ the first page of history; the 2 microelectronic technology as “mechatronics“ vitality; 3 programmable controller, “power electronics“ for the development of “mechatronics“ provides a strong basis; 4 laser technology, fuzzy technology, information technology and other new technologies to “mechatronics“ up to a new stage.“Mechatronics“ trend of development 1 light mechanical and electrical integration.General mechanical and electrical integration system is composed of sensor systems, energy systems, information processing system, mechanical parts.Therefore, the introduction of optical technology, optical technology can effectively improve the innate advantages of mechatronics system sensing system, energy (power) system and information processing system.Light mechanical and electrical integration is an important trend in the development of mechanical and electrical products.The 2 Discipline Distribution System -- flexibility.Future integration of mechanical and electrical products, control and the implementation of the system has enough “redundant“, there is a strong “flexible“, better able to cope with unexpected events, are designed to be “self-discipline distribution system“.The discipline distribution system, each subsystem is independent of each other's work, a 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書5subsystem for the total system services, at the same time have their own “self-discipline“, according to different environmental conditions to make different responses.Its characteristic is the subsystem can generate its own information and additional information given, in the overall premise, specific “action“ can be changed.Thus, significantly increase the system's ability to adapt (flexible), and not because of the failure of a subsystem of the whole system.The 3 holographic system -- intelligent.Future integration of mechanical and electrical products “holographic“ feature is more and more apparent, more and more high-level intelligence.The main income in the fuzzy technology, information technology (especially software and chip technology) development.In addition, the system hierarchy, also become simple “from the top down“ situation is complex, there are many redundant bidirectional link.4 “software“ - a bionic system.Future integration of mechanical and electrical equipment on the dependence of great information, and often the structure is in a “static“ instability, but in a dynamic (work) when is stable.This is a bit like living organisms: when the control system (the brain) to stop working when the creature, “death“, and when the control system (the brain) work, the biological vitality.Bionics research in the field of number of organisms have been found good mechanism for the integration of mechanical and electrical products provide a new body, but how to live with these new body of “l(fā)ife“ has to be in-depth study.This field of research called “creature -- software“ or “systems biology“, and the biological features are hardware (the body) -- software (brain) one, indivisible.It seems, the integration of mechanical and electrical products although there are more systematic development, but there is a long way to go.5 miniature electrical -- miniature.At present, using the semiconductor device manufacturing process etching technology, in the laboratory have produced submicron mechanical components.When will the results for the actual product, there is no need to distinguish between a mechanical part and a controller.When the mechanical and electronic can “fusion“, body, actuators, sensors, CPU can be integrated together, the volume is small, and the composition of an autonomic components.Such a mechanism is the important development direction of mechanical and electrical integration.畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書6In three, a typical mechatronic products mechatronics products system (machine) and basic element, element two kinds big.A typical mechatronics system are: CNC machine tools, robots, automotive electronic products, intelligent instrumentation, electronic typesetting printing system, CAD / CAM system.Typical electromechanical integration element, parts are: power electronic devices and device, programmable controller, fuzzy controller, micro motor, sensor, ASIC, servo mechanism.These typical mechatronics product technology current situation, development trend, market prospect analysis from.Four, the development of Beijing “mechatronics“ and face the situation and tasks of mechanical and electrical integration mainly includes two levels: one is using the microelectronic technology to transform traditional industries, its purpose is energy saving, material saving, improve work efficiency, improve product quality, the traditional industries of technological progress in improving step; two is the development of automation, digital, intelligent mechanical and electrical products, promote the upgrading of products.The former is the work surface, to popularize the job; the latter is to improve the work, in-depth work.(a) Beijing “mechatronics“ working situation 1 Beijing microelectronics technology to transform traditional industries workload is big and wide (1) in the 700 Beijing municipal industrial system in the enterprise, there are more than 60% enterprises with microelectronics technical reformation of machine equipment, industrial furnace, blower pump, production process task the unfinished requires half the amount.(2) the Beijing industrial system has more than 2000 Taiwan machine tool equipment to use microelectronics technology to transform; in the remodeled nearly 6500 sets of machine equipment, there are approximately 15% needs further improvement.(3) the Beijing industrial system still has nearly 250 industrial furnace to the use of electronic information technology to transform; and 610 have been remodeled industrial furnace are further applications of fuzzy technology are two necessary to transform.(4) the Beijing industrial system CAD application still has bigger difference.At present, Beijing industrial design, CAD application rate of only 17% (and the United States, Japan and 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書7other countries have more than 85%; domestic advanced area of more than 30%); CAD coverage to reach 11% (compared to the national CAD application project leading group points out, during “eight five“ the large and medium-sized enterprises to reach 35%, small and medium-sized enterprises to reach 15% - 20%; to “Nine Five“ when, according to a Chinese State Councilor Song Jian requirements, basically want to throw drawing board).(5) the Beijing industrial system has transformed the value of various electrical and mechanical wind pump installed capacity of 500000 kilowatts, is 49 Wanduoqian tile with variable speed control technology to transform the task, about 99.5% of the volume of total tasks.(6) industry is the city's energy consumption.In 1992, Beijing industry system representing the city's total energy consumption of the 59.5%. Beijing is a serious lack of energy city, 1992 Beijing industry system energy consumption yuan output value of 2.47 tons of standard coal equivalent, compared to Shanghai's 1.57 tons higher than 57%, Tianjin high of 2.15 tons in 14%, than the advanced industrialized country is nearly 9 times higher than.Therefore, Beijing industry system energy saving task very heavy, and the power electronic technology is energy-saving fall bad news.2 Beijing used electromechanical integration technology to accelerate the upgrading of products, improve the voice of the market share, there is pressure.Beijing city industrial products, there are about 30000 species, each year about development of trial production of new products 3000, update cycle is very long.The update could not keep pace with the changing needs of the market, affected Beijing industrial product competition ability.In 1993, Beijing city industrial production system integration of mechanical and electrical products of about 837, in the product breed of production accounted for only about 7.8% of the total. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課 題 名 稱 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師 職 稱 副研究員 指 導(dǎo) 教 師 職 稱 指 導(dǎo) 教 師 職 稱 助理研究員 專 業(yè) 名 稱 機(jī)電一體化技術(shù) 班 級(jí) 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 課題需要完成的任務(wù)： 1、對(duì)工業(yè)機(jī)械手工況進(jìn)行分析，確定設(shè)計(jì)方案；2、對(duì)裝載機(jī)械手小車的相關(guān)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)；3、對(duì)機(jī)械手的控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)；4、圖紙要求：至少 1 張 A0 號(hào)圖紙的機(jī)械總裝配圖。須有電氣原理圖、部件圖及能夠說明設(shè)計(jì)方案的各類零件圖若干，要求 CAD 制圖；5、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、調(diào)研報(bào)告、外文翻譯各一篇。課題計(jì)劃：時(shí) 間 內(nèi) 容 備注12.10.15——12.10.20 畢業(yè)設(shè)計(jì)動(dòng)員、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)選題及前期其它準(zhǔn)備工作12.10.21——12.10.27 完成課題前期調(diào)研及資料查閱工作，設(shè)定工作條件及參數(shù)12.10.28——12.11.3 繪制草圖，確定外文翻譯內(nèi)容12.11.4——12.11.10 繪制零件圖、電氣原理圖12.11.11——12.11.24 完成部件圖、裝配圖12.11.25——12.12.8 編寫設(shè)計(jì)說明書、完成外文翻譯資料12.12.9——12.12.12 答辯資料送指導(dǎo)教師進(jìn)行審查12.12.15 論文答辯年 10 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書0 0第一章 緒 論1.1 工業(yè)機(jī)械手概述工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1 1有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。1.2 機(jī)械手的組成和分類1.2.1機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示。機(jī)械手組成方框圖:(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、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課題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(yùn)動(dòng)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(shí)，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。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。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(shí)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、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)3、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(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2 2動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)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(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)。4、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(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立I因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。5、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，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、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)。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。6、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(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。(二)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)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(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(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(三)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(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(四)位置檢測裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)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.1.2.2 機(jī)械手的分類工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。(一)按用途分機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:1、專用機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書3 3它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和”叻口工中心”2、通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、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)化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。(二)按驅(qū)動(dòng)方式分1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來驅(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)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。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的影響，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，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(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)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)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。3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(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。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。4、電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分1、點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書4 4置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。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。1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢:(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10.3萬美元降至97年的65萬美元。(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);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。(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(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、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(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)境中的感覺來操縱機(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。美國發(fā)射到火星上的“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年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(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，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(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)和軌跡規(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)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書5 5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)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(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、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、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國的智能機(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。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無纜機(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、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(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，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(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。1.4課題的提出及主要任務(wù)1.4.1課題的提出進(jìn)入21世紀(jì)，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(dòng)生產(chǎn)率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高我國工業(yè)自動(dòng)化水平勢在必行，本設(shè)計(jì)的目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率?！，F(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn):(1)液壓傳動(dòng)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(dòng)易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。(2)工作時(shí)受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn)動(dòng)特性變化。(3)因液壓脈動(dòng)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(jià)格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動(dòng)，氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)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(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書6 6像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。(3)動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。(4)能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)，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(dòng)等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)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(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。(6)成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)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(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)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(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng)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(dòng)化領(lǐng)域里，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。1.4.2課題的主要任務(wù)本課題將要完成的主要任務(wù)如下:(1)機(jī)械手為通用機(jī)械手，因此相對(duì)于專用機(jī)械手來說，它的適用面相對(duì)較廣.(2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度(3)設(shè)計(jì)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(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(shí)候還可以用氣流負(fù)壓式吸盤來吸取板料工件。(4)氣壓傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，包括氣動(dòng)元器件的選取，氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)，并繪出氣動(dòng)原理圖。(5)對(duì)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質(zhì)量。(6)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)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(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書7 7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)械手是通用氣動(dòng)上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。2.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)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)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書8 8圖2-1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖2.2 機(jī)械手的手部結(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(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(jì)按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書9 9實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。2.7 機(jī)械手的主要參數(shù)1.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(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3-5公斤2.基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)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(dòng)速度設(shè)計(jì)為 。最sm/0.1大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 。平均移動(dòng)速度為 。平均回轉(zhuǎn)速度為 。s/90? sm/8.06?機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、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(dòng)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)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)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(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為 。手臂升降行程定為 。m140m120定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為 。1?2.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途:用于自動(dòng)輸送線的上下料。二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、抓重3- kg52、自由度數(shù)4個(gè)自由度3、座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑 m105、手臂最大中心高 26、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程 10伸縮速度 s/4升降行程 m2升降速度 5畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書10 10回轉(zhuǎn)范圍 ??180?回轉(zhuǎn)速度 s/9?7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍 ??180?回轉(zhuǎn)速度 s/9?8、手指夾持范圍棒料: m150??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 1?11、驅(qū)動(dòng)方式氣壓傳動(dòng)12、控制方式點(diǎn)位程序控制(采用PLC)圖2-6 機(jī)械手的工作范圍畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書11 11第三章 手部結(jié)構(gòu)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)，工件為棒料，使用夾持式手部。 3.1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。3.1.1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:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)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(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，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(shí)，就成為移動(dòng)型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。3.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題(一)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時(shí)，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(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。(二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個(gè)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(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。(三)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(duì)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(dòng)定心。(四)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(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)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。(五)考慮被抓取對(duì)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。3.1.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書12 12圖3-2 齒輪齒條式手部假設(shè)其工件重量G=5公斤，V形手指的角度 ， ,摩擦系數(shù)為?120??mRb24??10.?f(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: Rbp2?N(2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計(jì)算公式:)(5.0???tg)(2426. 'N???所以 Rbp)(245?(3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書13 13?21Kp?實(shí) 際I,因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取 ，并取 。若被抓取工件94.0??5.1?K的最大加速度取 時(shí)，此時(shí)向上運(yùn)動(dòng)。則:ga3? 42?ga所以 )(15694.025Np?實(shí) 際所以夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為 。15632、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(shí)的總阻力，其公式為: ztFPDF??421?式中: - 活塞桿上的推力，N1- 彈簧反作用力，Nt- 氣缸工作時(shí)的總阻力，NzF- 氣缸工作壓力，PaP彈簧反作用按下式計(jì)算: )1(sGft??nDdf314Gf = 3148式中: - 彈簧剛度，N/mfG- 彈簧預(yù)壓縮量，m- 活塞行程，ms- 彈簧鋼絲直徑，m1d- 彈簧平均直徑， .D畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書14 14- 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:?tFpD??421??由以上分析得單向作用氣缸的直徑: ??pt)(1?代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 ?fGnDd314843915)0(7??/6.mN)(sFft?)(6.2014373???所以: DpnFt???6105.).249(??)(23.65m查有關(guān)手冊(cè)圓整，得 6由 ,可得活塞桿直徑:.0/??d mDd5.193).02(???取活塞桿直徑 校核，按公式18][4/1???F有: 5.0])[/4(??F?其中，[ ] ，MPa2?N701?則: 5.0)/9(?d8.?滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。3,缸筒壁厚的設(shè)計(jì)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)徑畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書15 15之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: ][2/??pDP?式中:6- 缸筒壁厚，mm- 氣缸內(nèi)徑，mm- 實(shí)驗(yàn)壓力，取 , PapPPp5.1?材料為:ZL3,[ ]=3MPa?代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: ][2/?pD?)(5.6)103(65m??取 ，則缸筒外徑為:7?? )(8025.71mD???第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。4.1 手腕的自由度手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、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)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(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。?3604. 2手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算4.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書16 16動(dòng)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(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。1.工件2.手部3.手腕圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算:封摩偏慣驅(qū) MM??式中: - 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩( );驅(qū) cmN?- 慣性力矩( );慣 c?- 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片)偏對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩( ).,cN?; - 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力封M矩( );cm?下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算:1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M悅?cè)羰滞笃饎?dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ，起動(dòng)過程所用?的時(shí)間為 ，則 :t?).(1cNtJ???）（慣畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書17 17式中: - 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ;J ).(2scmN- 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 `。1 ).(2sc若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為:1JgGJc1??21e式中: - 工件對(duì)過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 :c ).(2scmN- 工件的重量 (N);1- 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm),e- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s);?- 起動(dòng)過程所需的時(shí)間(s);t?— 起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。?2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏+ ( )?偏 1eG3cmN?式中: - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N);3- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm)e當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則 .1eG0?3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 封M( )?封M)(21dRfBA?cmN?式中: ， - 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm);1d- 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承 ，對(duì)于滑動(dòng)軸承 ;f 01.?f 1.0?f, - 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，ARB根據(jù) ,得:0??）（ FM3lGB?l12畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書18 18BR?llG321??同理，根據(jù) (F) ,得:BM?0?lllA )()()( 321????式中: - 的重量 (N)2G,— 如圖4-1所示的長度尺寸 (cm).31,l4、轉(zhuǎn)缸的動(dòng)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)具體情況加以分析。4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為:, 或 2)(rRp??)(2rRbMp??圖4-2 回轉(zhuǎn)氣缸簡圖式中：M——回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩（N·cm）P——回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力（N·cm）畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書19 19R——缸體內(nèi)壁半徑（cm）r——輸出軸半徑（cm）b——?jiǎng)悠瑢挾龋╟m）上述驅(qū)動(dòng)力矩和壓力的關(guān)系式是對(duì)于低壓腔背壓力為零的情況下而言。若低于壓腔有一定的背壓，則上式中的p應(yīng)代以工作壓力p1與背壓p2之差。4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核1.尺寸設(shè)計(jì)氣缸長度設(shè)計(jì)為 ,氣缸內(nèi)徑為 =96mm,半徑 ,軸徑mb10?1DmR48?=26mm,半徑 ,氣缸運(yùn)行角速度 = ，加速度時(shí)間mD26?2R3?s/90?=0.1s, 壓強(qiáng) ,t?MPa4.則力矩2)(rRpb??).(63)026.48.(104.6mN???2.尺寸校核1．測定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 ,分析部件的質(zhì)量分布情況，kgm10?質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：r521rmJ?05.2?（ ）1.?2.mkg工件的質(zhì)量為5 ,質(zhì)量分布于長 的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ml10?).(042.1.2mkglJc??。假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長 的棒料來說，最大偏心距ml10?畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書20 20，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:me501?).(067.4221kgJc??慣MtJ???1).(3261.09705mN?2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合， ，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線 ,01?e me503?則+ 偏 1G3).(5205.0mN????3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 ，對(duì)于滾動(dòng)軸承 ，對(duì)于摩M01.?f滑動(dòng)軸承 =0.1， ， 為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑， , , f1d2 md31d2, 為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì) , ,ARB NRA30?B5摩M?)(21RfBA?).052.30. ?)(5.mN4．回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)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)具體情況加以分析。在此處估計(jì) 為 的3封M摩倍，3 封 ??摩05.)(1mN畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書21 21?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。第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)手臂伸縮氣缸采用煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號(hào)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，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為 100/63。?5.1.2 尺寸校核1.在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑 =63mm,半徑 R=31.5mm的氣缸的尺寸1D滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) ,MPa4.0?則驅(qū)動(dòng)力：2RPF???)(146031502N?1， 測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計(jì)加速度 ，則慣性力)/(10sma?maF?)(501N?畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書22 222.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ,2.0?k1.Fkm?)(052N?總受力?mF??1)(605F?0所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求要求。5.1.3.導(dǎo)向裝置氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，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(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。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。5.1.4 平衡裝置在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對(duì)性能的影響，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)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。5.2 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.2.1 尺寸設(shè)計(jì)氣缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為 =118mm,氣缸內(nèi)徑為 =110mm,半徑R=55mm,氣l 1D缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間 =0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力t?`20.RpG??2605.143.?)(79N5.2.2 尺寸校核1．測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書23 23mgG?)(801N?2，設(shè)計(jì)加速度 ，則慣性力)/5sa?mG1)(408N??3. 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) ，1.0?k1.Gkm)(40N??總受力?mq?1)(2408?0Gq?所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.3.1 尺寸設(shè)計(jì)氣缸長度設(shè)計(jì)為 ,氣缸內(nèi)徑為 ,半徑R=105mm,mb120?mD210?軸徑 半徑 ,氣缸運(yùn)行角速度 = ，加速度時(shí)間D402?R?s/9?0.5s,壓強(qiáng) ,t?MPa.則力矩： 2)(rpb??).(5)02.15.(04.6mN???5.3.2 尺寸校核畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書24 241．測定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 ,分析部件的質(zhì)量分kgm120?布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：r21rmJ?0.2?（ ）6.?2.mkgtJM??慣).(108596mN??考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) ,2.0?k慣摩 Mk.）（ mN.451082??總驅(qū)動(dòng)力矩摩慣驅(qū) ?）（ mN.413508?M〈驅(qū)設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。?第六章 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖（見附圖1）附圖1所示為該機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī)（排氣力大于0.4-0.6Mpa）通過快換接頭進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動(dòng)作畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書25 25序號(hào) 型號(hào)規(guī)格 名稱 數(shù)量1 QF-44 手動(dòng)截止閥 12 儲(chǔ)氣罐 23 QSL-26-S1 分水濾氣器 14 QTY-20-S1 減壓閥 15 QIU-20-S1 油霧器 16 YJ-1 壓力繼電器 17 Q24DH-10-S1 二位五通電磁滑閥 18 Q24D2H-10-S1 二位五通電磁滑閥 49 Q24D2H-15-S1 二位五通電磁滑閥 110 單向節(jié)流閥 211 L1-25 單向節(jié)流閥 212 快速排氣閥 213 氣液轉(zhuǎn)換器 1個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速，凡是能采用排氣氣口節(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)速，這種方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個(gè)快速排氣閥，可加快起動(dòng)速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進(jìn)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。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可以來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器，這樣可以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。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，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定。第七章 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書26 26器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，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?？紤]到本機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡單，同時(shí)考慮到制造成本，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。7.1.2 可編程序控制器的工作過程可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個(gè)階段。第一階段是初始化處理。可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連，CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個(gè)專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機(jī)時(shí)，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(hào)階段。在處理輸入信號(hào)階段，CPU對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)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)用戶程序的正確執(zhí)行。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)入到第三個(gè)階段。在這個(gè)階段中，可編程序控制器對(duì)用戶程序進(jìn)行依次掃描，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)暫存器中。第四階段是輸出處理階段。段CPU對(duì)用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。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(duì)象(機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程)構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，通常以七個(gè)步驟進(jìn)行:(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)即確定被控對(duì)象的動(dòng)作及動(dòng)作順序。(2)I/0分配即確定哪些信號(hào)是送到可編程序控制器的，并分配給相應(yīng)的輸入端號(hào);畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書27 27哪些信號(hào)是由可編程序控制器送到被控對(duì)象的，并分配相應(yīng)的輸出端號(hào).此外，對(duì)用到的可編程序控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等也要進(jìn)行分配?？删幊绦蚩刂破魇峭ㄟ^編號(hào)來識(shí)別信號(hào)的。(3)畫梯形圖它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達(dá)了系統(tǒng)中全部動(dòng)作的相互關(guān)系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT)，則畫出梯形圖相當(dāng)于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對(duì)簡易編程器，則往往要經(jīng)過下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過程。(4)助記符機(jī)器程序相當(dāng)于微機(jī)的助記符程序，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)，用簡易編程器時(shí)，應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序，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錯(cuò)誤，若有則修改。這項(xiàng)工作在編程器上進(jìn)行。(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，可以在編程器上修改。程序設(shè)計(jì)(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試)也可在別的工具上進(jìn)行。如IBM-PC機(jī)，只要這個(gè)機(jī)器配有相應(yīng)的軟件。(7)保存程序調(diào)試通過的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盤上備用。7.3 機(jī)械手可編程序控制器控制方案7.3.1 系統(tǒng)簡介控制對(duì)象為圓柱座標(biāo)氣動(dòng)機(jī)械手。它的手臂具有三個(gè)自由度，即水平方向的伸、縮;豎直方向的上、下;繞豎直軸的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)及逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置— 機(jī)械手，還可完成抓、放功能。以上各動(dòng)作均采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，即用五個(gè)二位五通電磁閥(每個(gè)閥有兩個(gè)線圈，對(duì)應(yīng)兩個(gè)相反動(dòng)作)分別控制五個(gè)氣缸，使機(jī)械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手抓放動(dòng)作。其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，可用PLC的8個(gè)輸出端與電磁閥的8個(gè)線圈相連，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵(lì)，從而使機(jī)械手按預(yù)先安排的動(dòng)作序列工作.如果欲改變機(jī)械手的動(dòng)作，不需改變接線，只需將程序中動(dòng)作代碼及順序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六個(gè)動(dòng)作末端均放置一限位開關(guān)，以檢測動(dòng)作是否到位，如果某動(dòng)作沒有到位，則出錯(cuò)指示燈亮。7.3.2 工業(yè)機(jī)械手的工作流程此機(jī)械手用于自動(dòng)輸送線的上下料。當(dāng)按下機(jī)械手啟動(dòng)按鈕之后，機(jī)械手有如下動(dòng)作:先右轉(zhuǎn)至右限位開關(guān)動(dòng)作(1DT通電) 下降至下限位開關(guān)(5DT通電) 手??腕逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90 (7DT通電) 手臂伸長至限位開關(guān) (3DT通電) 檢查有無物?品，若有物品，手爪抓緊(9DT通電) 手臂收縮至限位開關(guān)(4DT通電) 上升至上限位開關(guān)(6DT通電) 左轉(zhuǎn)至左限位開關(guān)動(dòng)作 (2DT通電) 手腕順時(shí)針轉(zhuǎn)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書28 28動(dòng)900 (8DT通電) 手臂伸長至最長 (3DT通電) 手爪松開(IODT通電) 延???時(shí) 手臂收縮最短 (4DT通電)。至此，一個(gè)工作循環(huán)完畢。7.3.3 機(jī)械手工作時(shí)序圖如附圖所示4, 1/0分配（見附圖2）根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)的數(shù)目，選用OMRON C28P型PC，它有16個(gè)輸入點(diǎn)，標(biāo)號(hào)為0000-0015; 12個(gè)輸出點(diǎn)，標(biāo)號(hào)為0500-0511.輸入 輸出啟動(dòng) 0000 手臂左轉(zhuǎn) 0500停止 0001 手臂右轉(zhuǎn) 0501手爪抓緊 0002 手臂伸長 0502左轉(zhuǎn)限位開關(guān) 0003 手臂收縮 0503右轉(zhuǎn)限位開關(guān) 0004 手臂上升 0504伸長限位開關(guān) 0005 手臂下降 0505收縮限位開關(guān) 0006 手臂逆轉(zhuǎn) 0506上升限位開關(guān) 0007 手臂順轉(zhuǎn) 0507下降限位開關(guān) 0008 手爪抓緊 0508逆轉(zhuǎn)限位開關(guān) 0009 手爪放松 0509順轉(zhuǎn)限位開關(guān) 0010物品檢測 00115、梯形圖設(shè)計(jì)（見附圖3）根據(jù)機(jī)械手的邏輯時(shí)序圖及1/0分配，畫出控制梯形圖，如附圖所示。由梯形圖可以看出:(1)手臂左轉(zhuǎn)的條件:左轉(zhuǎn)不到位(0003為OFF)，收縮到位(0006為ON),上升到位(0007為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON),無右轉(zhuǎn)命令(0501為OFF).(2)手臂右轉(zhuǎn)的條件:右轉(zhuǎn)不到位(0004為OFF)，上升到位(0007為ON),收縮到位畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書29 29(0006為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，手爪放松(0002為OFF),無左轉(zhuǎn)命令(0500為OFF).(3)手臂伸長的條件:伸長不到位(0005為OFF)，無收縮命令(0503為OFF)，并且滿足下列條件之一:1)右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪放松(0002為OFF); 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，手爪抓緊(0002為ON).(4)手臂收縮的條件:收縮不到位(0006為OFF)，無伸長命令(0502為OFF)，并且滿足下列條件之一:1)右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON); 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，上升到位(0007為ON)，手爪抓緊(0002為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON).(5)手臂上升的條件:上升不到位(0007為OFF)，無下降命令(0505為OFF)，收縮到位(0006為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON)，右轉(zhuǎn)到位(0004為ON).}(6)手臂下降的條件:下降不到位(0008為OFF)，無上升命令(0504為OFF)，右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，收縮到位(0006為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，手爪放松(0002為OFF).(7)手腕逆轉(zhuǎn)的條件:逆轉(zhuǎn)不到位(0009為OFF)，無順轉(zhuǎn)命令(0507為OFF)，右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，收縮到位(0006為ON)，下降到位(0008為ON),手爪放松(0002為OFF).(8)手腕順轉(zhuǎn)的條件:順轉(zhuǎn)不到位(0010為OFF)，無逆轉(zhuǎn)命令(0506為OFF)，左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，收縮到位(0006為ON)，上升到位(0007為ON),手爪抓緊(0002為ON).(9)手爪抓緊的條件:手爪未抓到物品(0002為OFF)，無放松命令(0509為OFF)，并且滿足下列條件之一:1)右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，伸長到位(0005為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，檢測到有物品(0011為ON), 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，伸長到位(0005為ON)，上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)(9)手爪放松的條件:手爪抓緊(0002為ON)，無抓緊命令(0508為OFF),并且滿足下列條件一:1)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，伸長到位(0005為ON),上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON). 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON),上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，收縮到位(0006為ON).另外，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，手臂停止動(dòng)作，即手臂停止在不定的位置。6、機(jī)械手控制程序指令0000 LD 0000OR 1000AND NOT 0001OUT 1000LD 1000