機械手畢業(yè)論文--氣動機械手的設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計論文</b></p><p>　　題目：氣動機械手的設計</p><p><b>　　設 計 人： </b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p><b>　　所屬院系： </b></

2、p><p><b>　　專業(yè)班級： </b></p><p><b>　　第1章 前言</b></p><p>　　1.1工業(yè)機械手概述</p><p>　　工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一

3、體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對

4、環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(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器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動</p>

5、<p>　　1.2 機械手的組成和分類</p><p>　　1.2.1機械手的組成</p><p>　　機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖2-1所示。</p><p>　　機械手組成方框圖:1-1</p><p><b>　　(一)執(zhí)行機構(gòu)</b>&

6、lt;/p><p>　　包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構(gòu)。</p><p><b>　　1、手部:</b></p><p>　　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)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和

7、平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。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。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有

8、: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。</p><p><b>　　2、手腕:</b></p><p>　　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)</p><p><b>　　3、手臂:</b></p><p>　　手臂是支承被抓物件、手

9、部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。</p><p><b>　　4、立柱:</b></p><p>　　立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手

10、臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。</p><p><b>　　5、行走機構(gòu):</b></p><p>　　當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則

11、應另外增設機械傳動裝置。</p><p><b>　　6、機座:</b></p><p>　　機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。</p><p><b>　　(二)驅(qū)動系統(tǒng)</b></p><p>　　驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的

12、動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，</p><p>　　并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要

13、時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。</p><p><b>　　(二)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(

14、如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。</p><p>　　1.2.2 機械手的分類</p><p>　　工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。</p><p><b&

15、gt;　　(一)按用途分</b></p><p>　　機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:</p><p><b>　　1、專用機械手</b></p><p>　　它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械

16、手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和加工中心。</p><p><b>　　2、通用機械手</b></p><p>　　它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用

17、機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”式控制定位，只能是點位控制，伺服型可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)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械手屬于數(shù)控類型。</p><p><b>　　(二)按驅(qū)動方式分</b></p><p><b>　　1、液壓傳動機械手</b></p>&l

18、t;p>　　是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。</p><p><b>　　2、氣壓傳動機械手</b&

19、gt;</p><p>　　是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，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)境中進行工作。</p><p><b>　　3、機械

20、傳動機械手</b></p><p>　　即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。</p><p><b>　　4、電力傳動機械手</b></p><p&g

21、t;　　即有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。</p><p><b>　　(三)按控制方式分</b></p><p><b>　　1、點位控制</b></p>

22、<p>　　它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。</p><p><b>　　2、連續(xù)軌跡控制</b></p><p>　　它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)

23、和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。</p><p>　　第2章 機械手的設計方案</p><p>　　對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，

24、擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，勞動強度大和操作單調(diào)</p><

25、;p>　　頻繁的生產(chǎn)場合。也可用于操作環(huán)境惡劣的生產(chǎn)場合。</p><p>　　2.1 機械手的坐標型式與自由度</p><p>　　按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，

26、從而增加一個手臂上下擺動的自由度。</p><p>　　圖2-1 機械手的運動示意圖</p><p>　　2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計</p><p>　　為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。</p><p>　　2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計

27、</p><p>　　考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。</p><p>　　2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計</p><p>　　按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通

28、過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。</p><p>　　2.5 機械手的驅(qū)動方案設計</p><p>　　由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。</p><p>　　2.6 機械手的控制方案設計</p><p>　　考慮到機械手的通用性，同時使用

29、點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。</p><p>　　2.7 機械手的主要參數(shù)</p><p>　　1.機械手的最大抓重是其規(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該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質(zhì)量為5公斤</p>

30、;<p>　　2.基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設計為1.0m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設計為90°/s。平均移動速度為0.8m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為60°/s。機械手動作時有啟動、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，因為平均速度與行程有

31、關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當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)計和比較，該機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。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。</p><p>

32、;　　2.8 機械手的技術參數(shù)列表</p><p><b>　　一、用途:</b></p><p>　　用于自動輸送線的上下料。</p><p><b>　　二、設計技術參數(shù):</b></p><p><b>　　1、抓重:</b></p><p>　　

33、2、自由度數(shù):4個自由度</p><p>　　3、坐標型式:圓柱坐標</p><p><b>　　4、最大工作半徑:</b></p><p>　　5、手臂最大中心高:</p><p>　　6、手臂運動參數(shù): 伸縮行程</p><p><b>　　伸縮速度</b></p&

34、gt;<p><b>　　升降行程</b></p><p><b>　　升降速度</b></p><p><b>　　回轉(zhuǎn)范圍</b></p><p><b>　　回轉(zhuǎn)速度 </b></p><p>　　7、手腕運動參數(shù): 回轉(zhuǎn)范圍 <

35、/p><p><b>　　回轉(zhuǎn)速度</b></p><p>　　8、手指夾持范圍:棒料:</p><p>　　9、定位方式:行程開關或可調(diào)機械擋塊等</p><p><b>　　10、定位精度:</b></p><p>　　11、驅(qū)動方式:氣壓傳動</p><

36、p><b>　　12、控制方式:</b></p><p>　　機械手臂剖視圖圖2-6</p><p>　　第3章 手部結(jié)構(gòu)設計</p><p>　　為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部:如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)， </p><p>　　3.1

37、夾持式手部結(jié)構(gòu)</p><p>　　夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(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。 </p><p>　　3.1.1手指的形狀和分類</p><p>　　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

38、動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結(jié)構(gòu)比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。</p><p>

39、;　　3.1.2設計時考慮的幾個問題</p><p>　　(一)具有足夠的握力(即夾緊力)</p><p>　　在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。</p><p>　　(二)手指間應具有一定的開閉角</p><p>　　兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱

40、為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。</p><p>　　(三)保證工件準確定位</p><p>　　為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。</p><p>　　(四)

41、具有足夠的強度和剛度</p><p>　　手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結(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。</p><p>　　(五)考慮被抓取對象的要求</p><p>　　根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我

42、們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。</p><p>　　3.1.3手部夾緊氣缸的設計</p><p><b>　　1、手部驅(qū)動力計算</b></p><p>　　本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，

43、 </p><p>　　圖3-2 齒輪齒條式手部</p><p>　　其工件重量G=5公斤，</p><p>　　V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為</p><p>　　(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:</p><p>　　(2)根據(jù)手

44、指夾持工件的方位，可得握力計算公式:</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　(3)實際驅(qū)動力:</b></p><p>　　I,因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加</p><p><b>　　速度取時，則:</b><

45、;/p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。</p><p><b>　　2、氣缸的直徑</b></p><p>　　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:&

46、lt;/p><p>　　式中: - 活塞桿上的推力，N</p><p>　　- 彈簧反作用力，N</p><p>　　- 氣缸工作時的總阻力，N</p><p>　　- 氣缸工作壓力，Pa</p><p>　　彈簧反作用按下式計算:</p><p><b>　　= </b>&

47、lt;/p><p>　　式中:- 彈簧剛度，N/m</p><p>　　- 彈簧預壓縮量，m</p><p><b>　　- 活塞行程，m</b></p><p>　　- 彈簧鋼絲直徑，m</p><p>　　- 彈簧平均直徑，.</p><p><b>　　- 彈

48、簧有效圈數(shù).</b></p><p>　　- 彈簧材料剪切模量，一般取</p><p>　　在設計中，必須考慮負載率的影響，則:</p><p>　　由以上分析得單向作用氣缸的直徑:</p><p><b>　　代入有關數(shù)據(jù)，可得</b></p><p><b>　　所以:&

49、lt;/b></p><p><b>　　查有關手冊圓整，得</b></p><p>　　由,可得活塞桿直徑:</p><p>　　圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式</p><p><b>　　有:</b></p><p><b>　　其中，[]，</b

50、></p><p><b>　　則:</b></p><p><b>　　滿足實際設計要求。</b></p><p><b>　　3,缸筒壁厚的設計</b></p><p>　　缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚

51、可按薄壁筒公式計算:</p><p>　　式中:6- 缸筒壁厚，mm</p><p><b>　　- 氣缸內(nèi)徑，mm</b></p><p>　　- 實驗壓力，取, Pa</p><p>　　材料為:ZL3,[]=3MPa</p><p>　　代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:</p><

52、;p><b>　　取，則缸筒外徑為:</b></p><p>　　第4章 手腕結(jié)構(gòu)設計</p><p>　　考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。</p><p>　　4.1 手腕的自由度</p><

53、p>　　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，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應用最多的為回轉(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，并且要求嚴格的密

54、封。</p><p>　　4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算</p><p>　　4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩</p><p>　　手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，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.

55、圖4-1所示為手腕受力的示意圖。</p><p>　　1.工件2.手部3.手腕</p><p>　　圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)</p><p>　　手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算:</p><p>　　式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩();</p><p>　　- 慣性力矩();</p>&l

56、t;p>　　- 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().,</p><p>　　; - 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</p><p><b>　　矩();</b></p><p>　　下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:</p

57、><p>　　1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M悅</p><p>　　若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則:</p><p>　　式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量;</p><p>　　- 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量`。</p><p>　　若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不

58、重合，其轉(zhuǎn)動慣量為:</p><p>　　式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量:</p><p>　　- 工件的重量(N);</p><p>　　- 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm),</p><p>　　- 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s);</p><p>　　- 起動過程所需的時間(s);</p>

59、<p>　　— 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。</p><p>　　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M偏</p><p><b>　　+ ()</b></p><p>　　式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N);</p><p>　　- 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)</p

60、><p>　　當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則.</p><p>　　3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 </p><p><b>　　()</b></p><p>　　式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm);</p><p>　　- 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承;</p>

61、<p>　　,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解，</p><p><b>　　根據(jù),得:</b></p><p>　　同理，根據(jù)(F),得:</p><p>　　式中:- 的重量(N)</p><p>　　,— 如圖4-1所示的長度尺寸(cm).</p><p>　　

62、4、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，應根據(jù)具體情況加以分析。</p><p>　　4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算</p><p>　　在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(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.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低

63、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的關系為:</p><p><b>　　, 或 </b></p><p>　　第5章 手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核</p><p>　　5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核</p><p>　　5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計<

64、;/p><p>　　手臂伸縮氣缸采用標準氣缸，參看各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63：</p><p>　　5.1.2 尺寸校核</p><p>　　1.在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強,</p><p>&

65、lt;b>　　則驅(qū)動力：</b></p><p>　　測定手腕質(zhì)量為50kg,設計加速度，則慣性力</p><p>　　2.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù),</p><p><b>　　總受力</b></p><p>　　所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求要求。</p>&l

66、t;p>　　5.1.3.導向裝置</p><p>　　氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，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，在設計手臂結(jié)構(gòu)時，</p><p>　　應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。&

67、lt;/p><p>　　導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。</p><p>　　5.1.4 平衡裝置</p><p>　　在本設計中，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行

68、參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。</p><p>　　手臂升降氣缸的尺寸設計與校核</p><p>　　5.2.1 尺寸設計</p><p>　　氣缸運行長度設計為=118mm,氣缸內(nèi)徑為=110mm,半徑R=55mm,氣缸運行速度，加速度時間=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅(qū)動力</p><p>　　5.2.2 尺寸校核

69、</p><p>　　1．測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力</p><p>　　設計加速度，則慣性力</p><p>　　考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)，</p><p><b>　　總受力</b></p><p>　　所以設計尺寸符合實際使用要求。</p><p>　　

70、5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核</p><p>　　5.3.1 尺寸設計</p><p>　　氣缸長度設計為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強,</p><p><b>　　則力矩：</b></p><p>　　5.3.2 尺寸校核</p><

71、p>　　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，</p><p>　　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：</p><p><b>　?。ǎ?lt;/b></p><p>　　考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數(shù),</p><p><b>　　總驅(qū)動力矩</b>&

72、lt;/p><p>　　設計尺寸滿足使用要求。</p><p>　　第6章 機械手的PLC控制設計</p><p>　　考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。</p><p>　　6. 1可編程序控制器的選擇及工作過程&l

73、t;/p><p>　　6.1.1 可編程序控制器的選擇</p><p>　　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。考慮到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。</p>&

74、lt;p>　　6.1.2 可編程序控制器的工作過程</p><p>　　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個階段。</p><p>　　第一階段是初始化處理。</p><p>　　可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入

75、輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。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。開機時，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。</p><p>　　第二階段是處理輸入信號階段。</p><p>　　在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸入

76、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)，各個輸入點的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。</p><p>　　第三階段是程序處理階段。</p><p>　　當輸入狀態(tài)信息全部進入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各

77、I/0狀態(tài)和有關指令進行運算和處理，最后將結(jié)果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。</p><p>　　第四階段是輸出處理階段。</p><p>　　段CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結(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，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設備進行各種相應的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。</p

78、><p>　　6.2 機械手可編程序控制器控制方案</p><p><b>　　圖6-1</b></p><p><b>　　第7章 結(jié)論</b></p><p>　　1、本次設計的是氣動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。</p><

79、;p>　　2、采用氣壓傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。</p><p>　　工作環(huán)境適應性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污染環(huán)境。同時成本低廉。</p><p>　　3、通過對氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度，節(jié)省了大量時間和避免了不必要的重復勞動，同時做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。</p><

80、p>　　4、機械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設定PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張建民.工業(yè)機器人.[M]北京:北京理工大學出版社，2007</p><

81、p>　　[2] 蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略. [N]機器人技術，2003</p><p>　　[3] 金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機器人發(fā)展勢態(tài)分析.[N]機器人技術與應用 ， 2005</p><p>　　[4] 王雄耀.近代氣動機器人(氣動機械手)的發(fā)展及應用. [N]液壓氣動與密封，2004</p><p>　　[5] 嚴學高，孟正大.機器

82、人原理.[M]南京:東南大學出版社，2003</p><p>　　[6] 機械設計師手冊.[M]北京:機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[7] 黃錫愷，鄭文偉.機械原理.[M]北京:人民教育出版社，2006</p><p>　　[8] 成大先.機械設計圖冊.[M]北京:化學工業(yè)出版社</p><p>　　[9] 鄭洪生.氣壓傳動及

83、控制.[M]北京:機械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[10] 吳振順.氣壓傳動與控制.[M]哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004</p><p>　　[11] 徐永生.氣壓傳動.[M]北京:機械工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[12]傅祥志，機械原理（第二版）[M]武漢：華中科技大學出版社，2000.10</p><p&g

84、t;　　[13]吳昌林等，機械設計（第二版）[M]，武漢：華中科技大學出版社，2001.2</p><p>　　［14］徐鋼濤等，機械設計基礎，[M]北京：高等教育出版社，2008.5</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次設計是在我尊敬的導師**老師悉心指導下完成的。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和精益求精的工作作風使我

85、受益匪淺。在此，我首先向?qū)煴硎菊\摯的感謝，并致以崇高的敬意! 本次畢業(yè)設計是大學三年間所學知識的綜合運用，通過這次設計把這三年所學的基礎理論和專業(yè)課程作了一個總結(jié)和回顧，加深了對理論的理解，能夠掌握機械設計的全套思路，為即將走上工作崗位和以后的發(fā)展打下了一定的基礎。</p><p>　　在設計過程中，我查閱了大量的圖書資料以及網(wǎng)絡上的資料，包括機械零件、材料力學、液壓控制、幾何量公差與測量、機械制圖、機械手設計

86、基礎等等，尤其是在從對各類設計手冊的查閱中，我的知識面得到了很大的提高；通過對該課題的獨立設計，使我對機械知識有了一個更加深入的了解，對機械這門學科有了進一步的理解。也使我獨立設計的能里有了極大的提高。</p><p>　　在課題的研究和開發(fā)階段，我得到了我院老師的大力支持和幫助，在此一并向他們表示衷心的感謝。在本次畢業(yè)設計中，感謝全體同學給與我很大支持和幫助，在此我向他們以及多年來為我的成長付出辛勤勞動的老師們

87、和同學們表示衷心的感謝。在設計過程中，遇到不懂的地方，我也經(jīng)常與同事、同學進行討論，解決難題。感謝父母 、家人對我的教育，感謝所有關心我的朋友和老師，同時感謝太原科技大學成教院的良好的學習環(huán)境是我避免了很多的彎路。</p><p>　　當然，由于本人設計水平有限、在課程中沒有接觸過機械手的相關課程，實際經(jīng)驗的不足，以及時間上的限制，在設計中難免存在一些錯誤。懇請老師給予以批評以及指正。</p>&l