四自由度多用途氣動機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計

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1、 四自由度多用途氣動機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計 摘要：本文簡要介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手硬件和軟件的組成，即PLC控制的氣動機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理，機(jī)械手各個部件的整體尺寸設(shè)計，氣動技術(shù)的特點。本文對機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時，設(shè)計了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩。設(shè)計了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)。設(shè)計出了機(jī)械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。串聯(lián)操作手是所有機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中最簡單的機(jī)器人的組成方式，可以將它作為更復(fù)雜的機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的組件。

2、本文將設(shè)計一臺四自由度的機(jī)械手系統(tǒng)。首先，本文將設(shè)計機(jī)器人的底座、大臂、小臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，對電機(jī)進(jìn)行選型，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺； 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 機(jī)械手 氣壓傳動機(jī)構(gòu) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 1 引 言 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(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(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)

3、志。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(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，制成了能夠獨立的按程序控制實現(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

4、的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用[1]。 氣壓傳動機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。其主要特點是: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(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。 氣動技術(shù)有以下優(yōu)點: (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵，不存在介質(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

5、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。 (3)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和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機(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，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，

6、制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(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)器人的實用性和前景存在不少疑慮。 1.2 氣動機(jī)械手的設(shè)計要求 1.2.1 課題的設(shè)計要求 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，因此相對于專用機(jī)械手來說，它的適用面相對較廣

7、。 (2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度。 (3)設(shè)計出機(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。為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計成可更換結(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。 (4)氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計 本課題將設(shè)計出機(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，并繪出氣動原理圖。 (5)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計 本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取PLC型號，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖[2]。 1.3 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 機(jī)械手的系

8、統(tǒng)工作原理框圖如圖1-1所示。 控制系統(tǒng) （PLC） 位置檢測裝置 驅(qū)動系統(tǒng) （氣壓傳動） 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 立柱 手臂 手腕 手部 圖 圖1-1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖 機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)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。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械

9、手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實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[5]。 (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，常用的手指運動形式有回轉(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

10、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。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。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機(jī)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(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)

11、、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 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)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5、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)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的。它由動力裝置、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(jī)械傳動。 (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)定的要求運動的系統(tǒng)。目

12、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。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機(jī)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(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實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 機(jī)械手的整體設(shè)計方案 對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放

13、和搬運物件，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定位等特性[4]。設(shè)計氣動機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(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、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)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(shè)計的機(jī)械手是通用氣動上下料機(jī)械手（如圖2-1所示），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(shè)備，

14、動作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。 圖2-1 機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu) 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，為了彌補(bǔ)升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。（如圖2-2所示）

15、 圖2-2 機(jī)械手的運動示意圖 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 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。 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 考慮到機(jī)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(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機(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 按照抓取工件的要求，本機(jī)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)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手

16、臂的橫移。手臂的各種運動、 - 彈簧平均直徑，. - 彈簧有效圈數(shù). - 彈簧材料剪切模量，一般取 在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以: 查有關(guān)手冊圓整，得 由,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式 有: 其中，[]，=490N 則: 滿足實際設(shè)計要求。 3、缸筒壁厚的設(shè)計 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，其壁厚可按薄壁筒公式計算: 式中: - 缸筒壁厚，mm - 氣缸內(nèi)徑，mm

17、 - 實驗壓力，取, Pa 材料為:ZL3,[]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 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，因而它具有獨立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。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，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)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(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。

18、 4.2手腕設(shè)計要求 （1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。手腕的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響到臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在手腕的設(shè)計中，要力求結(jié)構(gòu)緊湊并且重量要輕。 （2）綜合考慮，合理布局。手腕作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，承擔(dān)著聯(lián)結(jié)和支撐作用。 除了要保證力和運動的要求，以及具有足夠的強(qiáng)度、剛度外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中還應(yīng)綜合考慮各方面要求，進(jìn)行合理布局。這里，應(yīng)解決好手腕與手部的連接以及手腕與臂部的連接問題。 （3）必須考慮工作條件?？紤]機(jī)械手腕部的工作條件，保證其有良好的工作性能和較長的使用壽命。 4.3腕部的結(jié)構(gòu) 考慮到機(jī)械手抓取物件時位置的不確定性，以及手腕的運動大多都是轉(zhuǎn)動。因此，

19、手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)氣缸。直接用回轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動實現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運動具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈巧以及嚴(yán)格密封等優(yōu)點，而被廣泛采用。在機(jī)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，它是在圓筒形的缸體內(nèi)裝入帶葉片的回轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的（轉(zhuǎn)軸為手部夾緊氣缸的缸體）。 4.4 手腕的驅(qū)動力矩的計算 4.4.1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，動片與缸體、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

20、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)時受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算: 式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(); - 克服手腕轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的慣性力矩(); - 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(). - 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 M摩- 手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩 矩(); 下面以圖4

21、-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算: 1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 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: 式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量; - 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。 若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為: 式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量: - 工件的重量(N); - 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm), - 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s); - 起動過程所需的時間(s); — 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。 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

22、矩M偏 + () 式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N); - 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm) 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則. 3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩M摩 () 式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm); - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承; ,-軸頸處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解， 根據(jù),得: 同理，根據(jù)(F),得: 式中:- 手部的的重量(N) ,— 如圖4-1所示的長度尺寸(cm). 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(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分

23、析。 4.4.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 在機(jī)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。動片密封圈4把氣腔分隔成兩個.當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時，推動輸出軸作逆時針回轉(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)與動力矩M的關(guān)系為: 或 1—定片 2—缸體 3—動片 4—密封圈 5—回轉(zhuǎn)軸 圖4-2 回轉(zhuǎn)氣缸簡圖 Fig.4-2 Sketch of rotating

24、 atmospheric jar 4.4.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 1.尺寸設(shè)計 回轉(zhuǎn)氣缸的外觀如圖4-3所示，手腕回轉(zhuǎn)氣缸的主要尺寸是指氣缸的內(nèi)徑和氣缸的壁厚。這些尺寸可以根據(jù)手腕所需的驅(qū)動力矩與試驗壓力等條件來確定。 圖4-3 回轉(zhuǎn)氣缸外觀圖 Fig.4-3 Appearance of rotating atmospheric jar 氣缸長度設(shè)計為,氣缸內(nèi)徑為=96mm,半徑,軸徑,半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間=0.1s, 壓強(qiáng), 則力矩： 式中: M一回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩（N.cm );

25、 P一回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力MPa; R一回轉(zhuǎn)氣缸缸體內(nèi)壁半徑(cm) ; r一轉(zhuǎn)軸半徑(cm); b一動片寬度（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的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的p應(yīng)代以工作壓力 p1與 背壓p2之差。 2.尺寸校核 （1）測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,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的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： （） 工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量：

26、 假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距 ，其轉(zhuǎn)動慣量為: （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： + （3）手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于滾動軸承，對于滑動軸承=0.1， ，為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計,, 4．回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦

27、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。在此處估計為的3倍， 3 設(shè)計尺寸符合使用要求，安全。 5 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核 手臂部件（簡稱臂部或手臂）是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承手腕和手部，并帶動它們在空間運動。手臂運動的目的是把手部送達(dá)空間運動范圍內(nèi)的任意點上。如果要改變手部在空間的方位，可增加手臂的自由度來實現(xiàn)。臂部設(shè)計時設(shè)計要求如下[8-11] 5.1手臂設(shè)計要求 手

28、臂是機(jī)械手的主要運動部件，又是主要的受力部件，它工作性能的好壞，對機(jī)械手的承荷能力和運動精度等參數(shù)影響很大。 （1）剛度 剛度是指手臂在外力作用下抵抗變形的能力。它是由外力和外力作用方向的變形量的比值來表示的。如比值小則剛度大。對機(jī)械手來說，通常手臂的剛度是一個比強(qiáng)度更突出的問題。一般在結(jié)構(gòu)上手臂采用懸臂梁形式，這對機(jī)械手的運動性能、位置精度和負(fù)荷能力等影響很大。為了提高剛度，應(yīng)盡量縮短臂桿的懸伸長度。 （2）精度 影響精度的因素有：主要運動件的制造和裝配精度，手部和手腕在臂部的定位和連接方式，以及手臂立柱的導(dǎo)向裝置和定位方式等。對于導(dǎo)向裝置，其導(dǎo)向精度、剛度和耐磨性等對機(jī)械手的精度和

29、其它工作性能影響很大。 （3）平穩(wěn)性 手臂（包括手臂立柱）運動較多，在運動狀態(tài)變化時，將產(chǎn)生沖擊和振動，其工作平穩(wěn)性問題就較為突出。在設(shè)計時要提高結(jié)構(gòu)剛度，以及采取有效的緩沖裝置以吸收沖擊能量。應(yīng)注意：手臂的運動部件力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以減少慣性力。手臂構(gòu)件可采用鋁合金或工程塑料。 （4）其它 A．傳動系統(tǒng)力求簡短，以提高傳動精度和效率。 B．各驅(qū)動裝置、傳動件、管線系統(tǒng)以及各個運動的控制檢測元件等布置要合理緊湊，操作維修要方便。 5.2 手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照抓取物件的要求，機(jī)械手的手臂可以有三個自由度，即手臂的伸縮運動、回轉(zhuǎn)運動和升降運動。本系統(tǒng)將手臂設(shè)計成具有回轉(zhuǎn)、升降和伸

30、縮運動三個自由度的結(jié)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，手部的伸縮是通過小臂實現(xiàn)。手臂的各種運動由相應(yīng)的氣缸來實現(xiàn)。 在機(jī)械設(shè)計與制造中采用優(yōu)化設(shè)計方法，可以提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，縮短設(shè)計制造周期，減輕產(chǎn)品自重，降低材料消耗與制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工作性能。優(yōu)化設(shè)計是設(shè)計方法上的一個大變革，它使機(jī)械設(shè)計與制造領(lǐng)域的技術(shù)水平提高到了一個新的高度。機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計通常是一多解問題[9]。目前，還未形成完備的設(shè)計方案。本文的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算是使其在滿足強(qiáng)度、剛度和尺寸要求的前提下，得到最優(yōu)尺寸和最小質(zhì)量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。 5.3 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核 5.3.1 手臂伸縮氣缸

31、的尺寸設(shè)計 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，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)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，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： 5.3.2 尺寸校核 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(shè)計使用壓強(qiáng), 則驅(qū)動力： 2．測定參與手臂伸縮運動的部件質(zhì)量為50kg,設(shè)計加速度，則慣性力： 3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),

32、 總受力 所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。 F1——手腕和手部因突然啟動受到的慣性力 Fm——活塞等的摩擦力 F0——手臂在伸縮時所需的驅(qū)動力 F——伸縮氣缸的驅(qū)動力矩 5.3.3 導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動的機(jī)械手臂在進(jìn)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(shè)計手臂結(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(shè)計和布局上應(yīng)該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。

33、 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)計中用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 5.3.4 平衡裝置 在本設(shè)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。 （） 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù), 總驅(qū)動力矩：

34、 設(shè)計尺寸滿足使用要求 18 6 氣動系統(tǒng)設(shè)計 6.1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 圖6—1所示為該系統(tǒng)的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī)（排氣壓力大于0.4~0.6MPa）通過快換接頭進(jìn)入儲氣罐，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作。 圖6—1 機(jī)械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 圖6—1 機(jī)械手氣壓系統(tǒng)原理圖 Fig. 6—1 Principium Dia

35、gram Of Air Pressure System of ,Manipulator 表6—1 氣路元件表 序號 型號規(guī)格 名稱 數(shù)量 1 QF—44 手動截止閥 1 2 儲氣缸 2 3 QSL—26—S1 分水濾氣器 1 4 QTY—20—S1 減壓閥 1 5 QTU—20—S1 油霧器 1 6 YJ—1 壓力繼電器 1 7 24DH-10-S1 二位五通電磁滑閥 1 8 24D2H-10-S1 二位五通電磁滑閥 4 9 24D2H-15-S1 二位五通電磁滑閥 1 10 單向節(jié)流閥 2

36、 11 LI-25 單向節(jié)流閥 2 12 快速排氣閥 2 13 氣液轉(zhuǎn)換器 1 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

37、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，速度計算出所需壓縮空氣流量，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。 7 結(jié) 論 1、本次設(shè)計的是氣動通用機(jī)械手，相對于專用機(jī)械手，通用機(jī)械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。 2、采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。工作環(huán)境適應(yīng)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。 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(fù)勞動，同時做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。

38、 4、機(jī)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(jìn)行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)機(jī)械手的動作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。 8 致 謝 本文是在我尊敬的鄭魁敬老師悉心指導(dǎo)下完成的。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的工作作風(fēng)使我受益匪淺。在此，我首先向老師表示誠摯的感謝，并致以崇高的敬意!在課題的研究和開發(fā)階段，得到了學(xué)校老師的大力支持和幫助，為我提供了許多有用的資料，在此一并向他們表示衷心的感謝。在日常生活和學(xué)習(xí)中，學(xué)校的各位老師，以及全體同學(xué)給與我大力支持和幫助，在此我向他們表示衷心的感謝。感謝父母 、家人，感謝所有關(guān)心

39、我的朋友和老師，感謝我的母校。 參考文獻(xiàn)： 1.張建民.工業(yè)機(jī)器人.北京:北京理工大學(xué)出版社，1988 2.蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機(jī)器人技術(shù)，2001, 4 3.金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展勢態(tài)分析.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ，2001 4.王雄耀.近代氣動機(jī)器人(氣動機(jī)械手)的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動與密封，1999, 5 5.嚴(yán)學(xué)高，孟正大.機(jī)器人原理.南京:東南大學(xué)出版社，1992 6.機(jī)械設(shè)計師手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986 7.黃錫愷，鄭文偉.機(jī)械原理.北京:人民教育出版社，1981 8.成大先.機(jī)械設(shè)計圖冊.北京:化學(xué)工業(yè)

40、出版社 9.鄭洪生.氣壓傳動及控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987 10.吳振順.氣壓傳動與控制.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1995 11.徐永生.氣壓傳動.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990, 5 Structural Design of Multi-purpose Pneumatic Robot Abstract This paper introduces the concept of industrial robots, robot hardware and software components, namely, PLC control system, Pn

41、eumatic Manipulator principle, all parts manipulator design overall size, the characteristics of pneumatic technology. In this paper, the mechanical design of the overall plan in hand to determine the coordinates of the robot forms and degrees of freedom to determine the technical parameters of the

42、manipulator. At the same time, the design of the mechanical hand gripping the hand-type structure, the design of the robot wrist structure, calculated the wrist rotation torque when the driver and the driving torque rotary cylinder. Designed the structure of robot arm. Designed pneumatic manipulator

43、 system, rendering the pressure manipulator system schematics, drawings greatly enhance the efficiency and quality of the drawings. Serial robot manipulator is the most simple mechanical systems the composition of the robot can be more complex as the robot mechanical system components. In this paper

44、, the design of a four degrees of freedom manipulator system. First of all, this article will base the design of the robot, the arm, forearm and the structure of manipulator, and then select the appropriate transmission mode, drive mode, the motor selection, set up the structure of the robot platform; Key words ：industrial robot manipulator pump air pressure drive body-oriented 畢業(yè)設(shè)計說明書 1