基于PLC控制的三自由度氣動機(jī)械手設(shè)計
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基于PLC控制的三自由度氣動機(jī)械手設(shè)計 IV
摘 要
在機(jī)械制造業(yè)中，機(jī)械手已被廣泛應(yīng)用，大大地改善了工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。
本文通過對機(jī)械手的組成和分類，及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r的了解，對本課題任務(wù)進(jìn)行了總體方案設(shè)計。確定了機(jī)械手用三自由度和圓柱坐標(biāo)型式。設(shè)計了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)；以及設(shè)計了機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)機(jī)械手伸縮，升降，回轉(zhuǎn)三個自由度及手爪的開合。驅(qū)動方式由氣缸來實現(xiàn)手臂伸縮和升降，異步電機(jī)來實現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)。
運用了FX 系列可編程序控制器（PLC）對上下料機(jī)械手進(jìn)行控制, 論述了電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計, 控制軟件結(jié)構(gòu)以及手動控制程序和自動控制程序的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，氣缸，可編程序控制器
Abstract
In mechanical manufacturing industry, manipulator has been applied extensively so that the labor condition of worker has been greatly improved , labor productivity raised notably, the step of industrial production mechanization and automation realized rapidly.
This article through to manipulator's composition and the classification, and the domestic and foreign development condition's understanding, has carried on the overall concept design to this topic duty. Had determined the manipulator uses three degrees-of-freedom and the circular cylindrical coordinate pattern. Has designed manipulator's clamp type hand structure; As well as has designed manipulator's gross structure, realizes the manipulator to expand and contract, the fluctuation, rotates three degrees-of-freedom and hand fingernail's opening and closing. The drive type realizes the arm expansion and the fluctuation by the air cylinder, the asynchronous machine realizes manipulator's revolving.
The paper illustrates that the control of the upper and lower material by means of the PLC and also includes the hardware design of the electric control system, the control software structure and the design of the manual and automatic control program.
Key words: manipulator, air cylinder, Programmable controller（PLC）
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目 錄
1 緒言 1
1.1 機(jī)械手的概述 1
1.2 我國機(jī)械手的發(fā)展 1
1.3 氣動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景 3
1.4 本課題設(shè)計要求 5
2 機(jī)械手的總體設(shè)計方案 7
2.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 7
2.2 機(jī)械手基本形式的選擇 8
2.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 9
2.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 9
3 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 11
3.1 機(jī)械手的運動概述 11
3.2 機(jī)器人的運動過程分析 12
4 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 13
4.1 手部結(jié)構(gòu) 13
4.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 14
4.3 夾緊氣缸的設(shè)計 16
5 機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計 22
5.1 手臂的設(shè)計要求 22
5.2 伸縮氣壓缸的設(shè)計 22
5.3 導(dǎo)向裝置 27
6 機(jī)械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 29
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 29
6.2 控制手臂上下移動的腰部氣缸的設(shè)計 29
6.3 導(dǎo)向裝置 33
6.4 平衡裝置 33
6.5 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計 34
7 氣動系統(tǒng)設(shè)計 37
7.1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 37
8 機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 39
8.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 39
8.2 可編程序控制器的使用步驟 40
8.3 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 40
9 結(jié)論 52
參考文獻(xiàn) 53
致謝 54
基于PLC控制的三自由度氣動機(jī)械手設(shè)計 55
1 緒言
在工業(yè)生產(chǎn)線中，機(jī)械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個重要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運送到另一個指定的位置進(jìn)行裝配。機(jī)械手臂代替了人工的繁雜勞動，并且操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
1.1 機(jī)械手的概述
機(jī)械手（又稱機(jī)器人，機(jī)械人，英文名稱：Robot），在人類科技發(fā)展史上其來有自。早在三國時代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國人的智能結(jié)晶。隨著近代的工業(yè)革命，機(jī)器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。由于科學(xué)幻想所系的“永動機(jī)”、太空探險以及夢想解決人的機(jī)能所無法達(dá)致境界的求新意念，推動科學(xué)家想研究創(chuàng)造出種種能夠代替人的機(jī)械。上世紀(jì)六、七十年代的自動化機(jī)器、無人操縱的飛行器等等，即是此產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈條上的一個大膽的嘗試與突破。雖然，后來電腦、電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)引開了人們關(guān)注的熱點，但關(guān)于機(jī)械手的研究與開發(fā)一直在持續(xù)進(jìn)行著。而近二十年中，因為電腦技術(shù)、電子產(chǎn)品及生物遺傳工程等技術(shù)的大踏步發(fā)展，“機(jī)械手”的研發(fā)熱潮已從專業(yè)人士的實驗室中走了出來，成為一種綜合科研能力的開發(fā)活動，參與者也打破了各行各業(yè)的劃地為牢、各自為政的困局，開始了縱橫連合，爭奇斗妍，蔚成熱潮的研究與制作嘗試。
機(jī)械手的研究從一開始就是擬人化的，所以才有機(jī)械臂的開發(fā)與制作，也是為了以機(jī)械來代替人去做人力所無法完成的勞作或探險。但近十幾年來，機(jī)械手的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。大而言之，用之于太空開發(fā)，月球車，深海探測器，海洋石油開采，航天飛機(jī)機(jī)械臂等，小至微型手術(shù)機(jī)械，生命監(jiān)測儀等。軍事上的用途更是日新月異，從拆彈器、清除地雷器到無人駕駛飛機(jī)、戰(zhàn)車，有人甚至預(yù)測未來戰(zhàn)爭可能如星球大戰(zhàn)一樣，是機(jī)械手的戰(zhàn)爭。至于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、遺傳生物產(chǎn)業(yè)、醫(yī)學(xué)、文化產(chǎn)業(yè)、電訊業(yè)、能源開發(fā)，都將因機(jī)械手的大量登場而出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)革命。英國電訊公司未來學(xué)部門研究員曾因準(zhǔn)確預(yù)測手機(jī)短訊、垃圾電郵及網(wǎng)上搜尋引擎的出現(xiàn)而聞名，在最近公布的科技展望五十年的預(yù)測中，其中就有數(shù)條是關(guān)于機(jī)械手的[1]。
1.2 我國機(jī)械手的發(fā)展
第一臺機(jī)械手出現(xiàn)后20年，我國于1972年開始研制機(jī)械手，由上海起，接著天津，吉林，哈爾濱，廣州，昆明等十幾個研究單位和院校分別開發(fā)了固定程序、結(jié)合式、液壓伺服型同用機(jī)械手，并開始了機(jī)構(gòu)學(xué)（包括步行機(jī)構(gòu)）、計算機(jī)控制和應(yīng)用技術(shù)的研究，這些機(jī)械手大約有1/3用于生產(chǎn)。
在該技術(shù)的推動下，隨著改革開放方針的實施，我國機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視和支持，在80年代中期，國家組織了對工業(yè)機(jī)械手的需求的行業(yè)的調(diào)研，結(jié)果表明，對第二代工業(yè)機(jī)械手的需求主要集中于汽車行業(yè)（占總需要的60%～70%）。在眾多的專家的建議和規(guī)劃下，于“七五”期間，由機(jī)電部主持，中央各部委，中科院及地方十幾所科研院所和大學(xué)參加，國家投入相當(dāng)?shù)馁Y金，進(jìn)行了工業(yè)機(jī)械手基礎(chǔ)技術(shù)，基礎(chǔ)元器件，幾類工業(yè)機(jī)械手整機(jī)及應(yīng)用工程的開發(fā)研究，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)械手成套技術(shù)（包括機(jī)械手、控制系統(tǒng)、驅(qū)動傳動單元、測試系統(tǒng)的設(shè)計、制造、應(yīng)用和小批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)等）的開發(fā)，研制出噴涂、弧焊、點焊和搬運等作業(yè)機(jī)械手整機(jī)，幾類專用和通用控制系統(tǒng)及幾類關(guān)鍵元部件如交、直流伺服馬達(dá)驅(qū)動單元機(jī)械手專用薄壁軸承、諧波傳動系統(tǒng)、焊接電源和變壓器等，并在生產(chǎn)中經(jīng)過實用考核，其主要性能指標(biāo)達(dá)到80年代初國際同類產(chǎn)品的水平，且形成小批量生產(chǎn)能力。在應(yīng)用方面，在第二汽車廠建立的我國第一條采用國產(chǎn)機(jī)械手的生產(chǎn)線－東風(fēng)系列駕駛室多品種混流機(jī)械手噴涂生產(chǎn)線，該線由7臺國產(chǎn)PJ系列噴涂機(jī)械手和PM系列噴涂機(jī)械手和周邊設(shè)備構(gòu)成，已運行十年，完成噴涂20萬輛東風(fēng)系列駕駛室的生產(chǎn)任務(wù)，成為國產(chǎn)機(jī)械手應(yīng)用的一個窗口；此外，還建立了幾個弧焊和點焊機(jī)械手工作站。與此同時，還研制了幾種SCARA型裝配機(jī)械手樣機(jī)，并進(jìn)行了試應(yīng)用。在基礎(chǔ)技術(shù)研究方面，解剖了國外10余種先進(jìn)的機(jī)型，并進(jìn)行了機(jī)構(gòu)學(xué)，控制編程，驅(qū)動傳動方式，檢測等基礎(chǔ)理論與技術(shù)的系統(tǒng)研究。開發(fā)出具有國際先進(jìn)水平的測量系統(tǒng)，編制了我國工業(yè)機(jī)械手標(biāo)準(zhǔn)體系和12項國標(biāo)，行標(biāo)。
為了跟蹤國外高技術(shù)，80年代在國家高技術(shù)計劃中，安排了智能機(jī)械手的研究開發(fā)，包括水下無纜機(jī)械手，高功能裝配機(jī)械手（DD驅(qū)動）和各類特種機(jī)械手，進(jìn)行了智能機(jī)械手體系結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)控制，人工智能機(jī)器視覺，高性能傳感器及新材料的應(yīng)用研究已取得一批成果。這些技術(shù)的實用化將加速我國第二代機(jī)械手的發(fā)展[2]。
經(jīng)過80年代尤其是后50年的努力，吸引了160多個單位從事機(jī)械手及其相關(guān)技術(shù)的研究力量，形成了京津、東北、華東、華南等機(jī)械手技術(shù)地區(qū)和十幾家優(yōu)勢單位，培養(yǎng)了一支2000多人的工業(yè)機(jī)械手設(shè)計、研制、應(yīng)用隊伍，造就了一批機(jī)械手專家，使我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)發(fā)展基本上可以立足于國內(nèi)。
90年代初期，我國主要開發(fā)下列機(jī)械手：
（1）噴涂機(jī)械手
（2）焊接機(jī)械手
（3）搬運機(jī)械手
（4）裝配機(jī)械手
在90年代中期，國家已選擇以焊接機(jī)械手的工程應(yīng)用為重點進(jìn)行開發(fā)研究，從而迅速掌握焊接機(jī)械手應(yīng)用工程成套開發(fā)技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備制造、工程配套、現(xiàn)場運行等技術(shù)，即以機(jī)械手焊接工藝為龍頭，開展焊裝線總體設(shè)計、線體總控及多機(jī)通訊，新型焊接機(jī)械手用焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)、焊縫跟蹤系統(tǒng)、機(jī)電精度、控制技術(shù)等開發(fā)及完善化，以及幾條焊裝生產(chǎn)線的全套應(yīng)用及其可行性作為主攻目標(biāo)。
雖然我國的機(jī)械手研發(fā)工作基本上屬于科學(xué)研究的項目，但據(jù)說，中國科學(xué)院目前已造出說話時嘴唇能夠活動、眼睛能轉(zhuǎn)動、具視覺功能的機(jī)械手，其水準(zhǔn)可媲美日本同行，但這臺機(jī)械手體形甚大，卻未能以雙腳走路。在日本，機(jī)械手能否以二腳行走已成為一個熱門及熟練的技術(shù)競賽項目，譬如有“二足機(jī)械人競賽大會”（分等級）。其實，機(jī)械手的制作絕對并非只是液壓機(jī)械與電子產(chǎn)品的混成物，要將機(jī)械手造得越來越有人性化，就要兼及生命醫(yī)學(xué)、傳感、光學(xué)及創(chuàng)造性的文化產(chǎn)業(yè)等方面，比如機(jī)械手的關(guān)節(jié)就需要研究中醫(yī)的經(jīng)絡(luò)學(xué)、生物學(xué)上的神經(jīng)刺激反應(yīng)以及文化產(chǎn)品的某種造型特征（其中很重要的是民族特征的外表）等等。英國的科學(xué)家甚至預(yù)言，到2020年，隨著機(jī)械手愈來愈精密和使用有機(jī)零件制造，它們將會受到“機(jī)械手權(quán)”的保護(hù)。
1.3 氣動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景
近20年來, 氣動技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬, 尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合, 使整個系統(tǒng)自動化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠； 氣動機(jī)械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展, 對氣動技術(shù)提出了更多更高的要求; 微電子技術(shù)的引入, 促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展, 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展, 使氣動技術(shù)從開關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制, 控制精度不斷提高; 由于氣動脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點, 國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。
從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看, 近30多年來, 氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀(jì)70年代, 液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為9∶1, 而30多年后的今天, 在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國家, 該比例已達(dá)到6∶4, 甚至接近5∶5。我國的氣動行業(yè)起步較晚, 但發(fā)展較快。從20世紀(jì)80年代中期開始, 氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá)20%以上, 高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 氣動技術(shù)已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。
1.3.1 氣動技術(shù)及氣動機(jī)械手的發(fā)展過程
氣動技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動力源, 以壓縮空氣為工作介質(zhì), 進(jìn)行能量傳遞或信號傳遞的工程技術(shù),是實現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動控制的重要手段之一。
大約開始于1776年, Johnwilkimson發(fā)明能產(chǎn)生1個大氣壓左右壓力的空氣壓縮機(jī)。1880年, 人們第一次利用氣缸做成氣動剎車裝置, 將它成功地用到火車的制動上。20世紀(jì)30年代初, 氣動技術(shù)成功地應(yīng)用于自動門的開閉及各種機(jī)械的輔助動作上。至50年代初, 大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過來, 體積很大。60年代，開始構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng), 自成體系, 不再與風(fēng)動技術(shù)相提并論。在70年代, 由于氣動技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用, 在自動化控制領(lǐng)域得到廣泛的推廣。80年代進(jìn)入氣動集成化、微型化的時代。90年代至今, 氣動技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū), 經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展, 人們克服了閥的物理尺寸局限, 真空技術(shù)日趨完美, 高精度模塊化氣動機(jī)械手問世, 智能氣動這一概念產(chǎn)生, 氣動伺服定位技術(shù)使氣缸高速下實現(xiàn)任意點自動定位, 智能閥島十分理想地解決了整個自動生產(chǎn)線的分散與集中控制問題。
氣動機(jī)械手作為機(jī)械手的一種, 它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。
氣動機(jī)械手強調(diào)模塊化的形式, 現(xiàn)代傳輸技術(shù)的氣動機(jī)械手在控制方面采用了先進(jìn)的閥島技術(shù)(可重復(fù)編程等) , 氣動伺服系統(tǒng)(可實現(xiàn)任意位置上的精確定位) , 在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上全部采用模塊化的拼裝結(jié)構(gòu)。
90年代初, 由布魯塞爾皇家軍事學(xué)院Bando教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電子氣動機(jī)械手——“阿基里斯”六腳勘探員, 是氣動技術(shù)、PLC控制技術(shù)和傳感技術(shù)完美結(jié)合產(chǎn)生的“六足動物”6個腳中的每一個腳都有3個自由度, 一個直線氣缸把腳提起、放下, 一個擺動馬達(dá)控制腳伸展/退回運動, 另一個擺動馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心做旋轉(zhuǎn)之用。
由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計的氣動攀墻機(jī)械手, 它集遙感技術(shù)和真空技術(shù)于一體, 成功地解決了垂直攀緣等視為危險工作的操作問題。
Tron-X電子氣動機(jī)械手, 能與人親切地握手,它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎曲運動, 并且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下(或通過自身的編程控制) 能與人進(jìn)行對話, 或作自我介紹等。Tron-X電子氣動機(jī)械手集電子技術(shù)、氣動技術(shù)和人工智能為一體, 它告訴我們, 氣動技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手中最難解決的靈活的自由度, 具有在足夠工作空間的適應(yīng)性、高精度和快速靈敏的反應(yīng)能力。
1.3.2 氣動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀
由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠, 可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機(jī)械手作為機(jī)械手的一種, 它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護(hù)、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等優(yōu)點。所以, 氣動機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工, 食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上。
現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線, 尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線, 大多采用了氣動機(jī)械手。車身在每個工序的移動； 車身外殼被真空吸盤吸起和放下, 在指定工位的夾緊和定位；點焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊, 都采用了各種特殊功能的氣動機(jī)械手。高頻率的點焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個工序過程的高度自動化, 堪稱是最有代表性的氣動機(jī)械手應(yīng)用之一。
在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上,在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上, 不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪, 還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住, 運送到指定目標(biāo)位置。對加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運系統(tǒng), 采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。氣動機(jī)械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝； 用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機(jī)械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機(jī)械手, 牛奶盒裝箱氣動機(jī)械手等。
此外, 氣動系統(tǒng)、氣動機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如: 氣動自動調(diào)節(jié)病床,機(jī)械手,外科手術(shù)機(jī)械手等[3]。
1.3.3 發(fā)展前景及方向
?。?）重復(fù)高精度
?。?）模塊化
（3）無給油化
?。?）機(jī)電氣一體化
氣動技術(shù)經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程, 隨著氣動伺服技術(shù)走出實驗室, 氣動技術(shù)及氣動機(jī)械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術(shù)、氣動機(jī)械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術(shù)和氣動機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚, 但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大, 我國自主研制的許多氣動機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用, 為研究高性能的氣動機(jī)械手奠定了堅實的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于氣動機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護(hù)、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等諸多獨特的優(yōu)點, 可以預(yù)見, 在不久的將來, 氣動機(jī)械手將越來越廣泛地進(jìn)入工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。
1.4 本課題設(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。
（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、手臂等部件的設(shè)計。
為了使通用性更強，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 機(jī)械手的總體設(shè)計方案
2.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成
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)以一定的要求達(dá)到設(shè)定位置[4]。
（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)、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。
（3）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。
（4）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[6]。
（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[5]。
（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.
2.2 機(jī)械手基本形式的選擇
常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種，如圖2-1所示: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手；(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手； ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手；(4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。
圖2-1 工業(yè)機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)形式
其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)型[6]。
2.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇
驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 機(jī)械手的驅(qū)動方式共有三種方式:氣動方式,液壓方式,電驅(qū)動方式[7]。
（1）氣動方式: 成本低,出力小,噪聲大,控制簡單。但難以準(zhǔn)確控制位置和速度。屬于簡單非伺服型。
（2）液壓方式: 功率重量比大,低速平穩(wěn),需液壓動力源,漏油和油性變化會影響系統(tǒng),各軸耦合較強,成本較高?？捎糜谝妆沫h(huán)境。
（3）電驅(qū)動方式:
A 步進(jìn)驅(qū)動: 功率小,開環(huán)控制,控制簡單,可能失步。
B 直流驅(qū)動: 調(diào)速性能好,功率較大,效率較高,但換向器需維護(hù),不易用于易爆,多粉塵的環(huán)境。
C 交流驅(qū)動: 維護(hù)簡單,使用環(huán)境不受限制,成本較低,調(diào)速性差。
根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，利用電機(jī)驅(qū)動和減速機(jī)傳動來實現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運動；利用氣壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂上下運動；考慮到本設(shè)計中的機(jī)器人工作范圍不大，故利用氣壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，用小型氣壓缸驅(qū)動夾緊。
2.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表
2.4.1 用途
搬運:用于車間搬運
在工業(yè)生產(chǎn)線中，機(jī)械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個重要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運送到另一個指定的位置進(jìn)行裝配。機(jī)械手臂代替了人工的繁雜勞動，并且操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
2.4.2 設(shè)計技術(shù)參數(shù):
1. 機(jī)械手最大抓重: 1kg
2. 工件尺寸： 直徑約1.5～2cm
3. 自由度數(shù): 3個自由度
4. 坐標(biāo)型式: 圓柱坐標(biāo)
5. 手指開合角度： 60°（最大速度: 60度每秒）
6. 支座旋轉(zhuǎn)角度: 90°（最大速度: 90度每秒）
7. 手臂運動參數(shù)
伸縮行程：100mm
伸縮速度：100mm/s
升降行程：200mm
升降速度：100mm/s
8. 機(jī)械手（重復(fù)）定位精度：
3 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計
3.1 機(jī)械手的運動概述
機(jī)械手的運動，可從該機(jī)械手的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。
圖3-1 機(jī)械手的機(jī)構(gòu)簡圖
（1）機(jī)械手的運動自由度
所謂機(jī)械手的運動自由度是指確定一個機(jī)械手操作位置時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機(jī)械手動作靈活程度的參數(shù)。
本設(shè)計的機(jī)械手具有轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度,如圖3-1所示。
（2）機(jī)械手的工作空間
工作空間是指機(jī)械手正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖3-2所示。
圖3-2 工作空間圖
（3）機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)類型
圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計所采用方案，這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)（代號RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作條件下，機(jī)體占體積小，而運動范圍大。
3.2 機(jī)器人的運動過程分析
工業(yè)機(jī)器人的運動過程中各動作如表3-1所示。
表3-1工業(yè)機(jī)器人的運動過程中各動作
機(jī)械手開機(jī)，處于A位
工步一
旋轉(zhuǎn)至B位
工步二
手臂下降
工步三
手臂伸出
工步四
夾緊工件
工步五
手臂收縮
工步六
手臂上升
工步七
旋轉(zhuǎn)至A位
工步八
手臂下降
工步九
放松工件
工步十
手臂上升
工步十一
實現(xiàn)運動過程中的各工步是由機(jī)械手的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實現(xiàn)的，這里尤其要強調(diào)的是機(jī)械手對工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性[8]。
4 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
4.1 手部結(jié)構(gòu)
本課題中采用夾持式手部結(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，課題中采用齒輪齒條式的傳力機(jī)構(gòu)。
4.1.1 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(jìn)型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)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(dāng)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(yīng)用廣泛。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位置，能適應(yīng)不同直徑的工件[9]。
4.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題
（1）具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時，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，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
（2）手指間應(yīng)具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩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)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。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
（3）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。
（4）具有足夠的強度和剛度
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(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）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， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型。
4.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
本課題氣動機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計[10]如圖4-1所示：
圖4-1齒輪齒條式手部
手部驅(qū)動力的計算：
其工件重量G=1公斤，V形手指的角度，，摩擦系數(shù)為。
（1）根據(jù)手爪類別,計算夾緊力。
圖4-2 手爪受力分析圖
如圖4-2所示，采用摩擦鎖緊方式，故受力分析得：
（4-1）
式中，
-工件質(zhì)量，；
-重力加速度，；
-動態(tài)運動時產(chǎn)生的加速度，；
-安全系數(shù)；
-V型手爪張開的角度，；
-氣爪夾頭與工件的摩擦因素；由于手抓與工件材料都采用45鋼，查表得=0.25
所以
=
（2）根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖4-1，其驅(qū)動力為:
(4-2)
所以
（3）實際驅(qū)動力:
(4-3)
因為傳力機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的為勻速取時，則:
所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。
4.3 夾緊氣缸的設(shè)計
4.3.1 主要尺寸的確定
1.氣缸工作壓力的確定
由《液壓傳動與氣壓傳動》表4-1取氣缸工作壓力
表4-1 氣壓負(fù)載常用的工作壓力
負(fù)載F/N
<5000
5000～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
>50000
工作壓力p/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
>5～7
2.氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
本課題設(shè)計的氣缸屬于雙向作用氣缸。
單活塞桿雙作用氣缸是使用最為廣泛的一種普通氣缸。因其只在活塞一側(cè)有活塞桿，所以壓縮空氣作用在活塞兩側(cè)的有效面積不等?；钊笮袝r活塞桿產(chǎn)生推力，活塞右行時活塞桿產(chǎn)生拉力。
（4-4）
（4-5）
式中，
- 活塞桿上的推力，N
-活塞桿的拉力，N
- 氣缸工作時的總阻力，N
- 氣缸工作壓力，Pa
-活塞直徑，m
-活塞桿直徑，m
氣缸工作時的總阻力與眾多因素有關(guān)，如運動部件慣性力、背壓阻力、密封處摩擦力等。以上因素可以載荷率的形式計入公式，如要求氣缸的靜推力和靜拉力，則在計入載荷率后：
（4-6） （4-7）
計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特性。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，其載荷率可取。
由以上分析得雙向作用氣缸的直徑:
（4-8）
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
查機(jī)械設(shè)計手冊圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
3.缸筒壁厚和外徑的設(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:
（4-9）
式中，
- 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 氣缸試驗壓力，一般?。≒a）
-氣缸工作壓力 （Pa）
-缸筒材料許用應(yīng)力（Pa）
本課題手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL106,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
4.手部活塞桿行程長L計算
活塞桿的位移量 （4-10）
氣缸（活塞）行程與其使用場合及工作機(jī)構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應(yīng)使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機(jī)構(gòu)。為保證夾緊效果，必須按計算行程多加的行程余量。
（4-11）
故查有關(guān)手冊圓整為
5.校核：
（1）活塞桿穩(wěn)定性的驗算：
當(dāng)活塞桿的長度較小時，可以只按強度條件校核計算活塞桿直徑有:
（4-12）
其中，[]，
則:
所以滿足實際設(shè)計要求。
（2）氣缸推力驗算：
=
=
由以上計算可知氣壓缸能產(chǎn)生的推力大于夾緊工件所需的推力。所以該氣缸滿足要求。
6.耗氣量的計算：
氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量為：
(4-13)
式中，
-氣缸缸徑，
-活塞桿直徑，
-活塞行程，
-氣缸活塞每分鐘往復(fù)次數(shù)
此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計算值比實際值偏小，設(shè)計時要根據(jù)具體情況加以修正。
(4-14)
7.氣缸進(jìn)排口的計算
氣缸的進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進(jìn)氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑用下式計算：
(4-15)
式中，
-工作壓力下氣缸的耗氣量，
-空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，一般取
把計算出來的氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑進(jìn)行圓整后，按照GB/T 14038—93<<氣缸氣口螺紋>>選擇合適的氣口螺紋[11]。故，
8.手抓部分總質(zhì)量估算
(4-16)
其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106
查相關(guān)手冊， 45號鋼密度為7.85
ZL106的密度為 2.73
手抓部分總質(zhì)量約為
4.3.2 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.缸筒和缸蓋的連接
缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，參見表4-2。對于雙頭螺栓和螺栓連接，一般是四根螺栓，但是對于工作壓力高于時，一定要校核螺栓強度，必要時增加螺栓數(shù)量，例如6根[12]。
表4-2 缸筒和缸蓋的連接
查閱機(jī)械手冊，選擇拉桿式螺栓連接，采用4根螺栓。該結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，易于裝卸。由于工作壓力小于，故無須校核螺栓強度。
2．活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)
活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接[13]。
該氣缸選擇螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，應(yīng)用較多。
3．密封
氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設(shè)計、選擇和使用密封裝置，對保證氣缸的正常工作非常重要。
對密封元件的要求如下：
（1）密封性好，耐磨損，使用壽命長。
（2）穩(wěn)定性好，不易膨脹和收縮，難于溶解，不易老化及軟化。
（3）摩擦力小。
（4）密封件表面平整、光滑、無氣泡、雜質(zhì)、凹凸等缺陷。
（5）結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
查閱機(jī)械手冊的表4-3 活塞的結(jié)構(gòu)與密封形式
表4-3活塞的結(jié)構(gòu)與密封型式
O型密封圈工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結(jié)構(gòu)比較簡單，目前使用的范圍較廣。故采用O型密封圈。
4．氣缸的安裝連接結(jié)構(gòu)
根據(jù)安裝位置和工作要求不同可有法蘭式、腳架式、支座式、鉸軸式。由于結(jié)構(gòu)需要，該氣缸用腳架式安裝連接[13]。
5 機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計
5.1 手臂的設(shè)計要求
（1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。
（2）根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料。
（3）盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負(fù)荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應(yīng)速度。
（4）要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度[14]。
本設(shè)計中手臂由氣缸驅(qū)動實現(xiàn)上下運動，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，還設(shè)計有兩根導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在活塞桿上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動。它的結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。
1.橫梁 2.導(dǎo)向柱 3.活塞桿 4.螺母 5.墊片 6.氣壓缸 7.支撐架
圖5-1 手臂結(jié)構(gòu)圖
選用軸向腳架型氣壓缸，活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu)，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉(zhuǎn)動。
5.2 伸縮氣壓缸的設(shè)計
5.2.1 氣缸主要尺寸的確定
1．氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合末端執(zhí)行器的尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為。
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
由《液壓傳動與氣壓傳動》手冊表4-1氣壓負(fù)載常用工作壓力，取氣缸工作壓力
由公式（4-4）、（4-5）：
計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特性。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，其載荷率可取。
得 。
2．缸筒壁厚和外徑的設(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，其壁厚按薄壁筒公式（4-9）計算:
設(shè)計的伸縮氣缸缸筒材料為:鋁合金ZL106, []=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:。
3．手部活塞桿行程長確定
按設(shè)計要求，X軸小臂伸縮距離為10cm，即100mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。
故行程查有關(guān)手冊圓整為。
4．活塞桿穩(wěn)定性的計算：
當(dāng)活塞桿的長度時，一般按壓桿穩(wěn)定性來計算活塞桿直徑。
當(dāng)氣缸承受的軸向負(fù)載達(dá)到極限值后，極微小的干擾力都會使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致氣缸不能正常工作。
活塞桿穩(wěn)定性條件是：
（5-1）
式中,
-氣缸承受的軸向負(fù)載，即氣缸的理論輸出推力，
氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力，
-氣缸的壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取
氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力與缸的安裝形式、活塞桿直徑及行程有關(guān)[15]。
當(dāng)長細(xì)比時，
（5-2）
當(dāng)長細(xì)比時，
（5-3）
式中，
活塞桿計算長度
活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，
實心桿 （5-4）
空心桿 （5-5）
活塞桿斷面慣性矩
實心桿 （5-6）
空心桿 （5-7）
空心活塞桿內(nèi)孔直徑
活塞桿截面積
實心桿 （5-8）
空心桿 （5-9）
系數(shù)，查下表
材料彈性模量，對鋼取
材料強度實驗值，對鋼取
系數(shù)，對鋼取
查閱機(jī)械手冊氣缸設(shè)計章[16]由表得安裝方式為固定-自由式 取
代入公式（5-4）至（5-9）：
實心桿
由于
用公式（5-3）：
所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。
5．驅(qū)動力校核
測定手爪與手爪氣缸質(zhì)量為，估算為，設(shè)計加速度，則慣性力：
（5-10）
考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),
總受力
所以該氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。
6．耗氣量的計算：
氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量為：
式中，
-氣缸缸徑，
-活塞桿直徑，
-活塞行程，
-氣缸活塞每分鐘往復(fù)次數(shù)
此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計算值比實際值偏小，設(shè)計時要根據(jù)具體情況加以修正。
7．氣缸進(jìn)排口的計算
氣缸的進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進(jìn)氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑用下式計算：
式中，
-工作壓力下氣缸的耗氣量，
-空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，一般取
把計算出來的氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑進(jìn)行圓整后，按照GB/T 14038—93<<氣缸氣口螺紋>>選擇合適的氣口螺紋。故，
8．前后運動氣缸部分質(zhì)量估算
活塞桿及導(dǎo)向套材料采用45鋼；
缸體采用鋁合金ZL106；
連接件采用HT250。
查相關(guān)手冊， 45號鋼密度為7.85
ZL106的密度為 2.73
HT250密度為 7.35
經(jīng)計算，質(zhì)量約為
5.2.2 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計
1．缸筒和缸蓋的連接
查閱機(jī)械手冊，選擇拉桿式螺栓連接。該結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，易于裝卸。
2．活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)
活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。
該氣缸選擇螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，應(yīng)用較多。
3．密封
氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設(shè)計、選擇和使用密封裝置，對保證氣缸的正常工作非常重要。
查閱機(jī)械手冊的表4-3 活塞的結(jié)構(gòu)與密封型式
采用O型密封圈工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結(jié)構(gòu)比較簡單，目前使用的范圍較廣。
4．氣缸的安裝連接結(jié)構(gòu)
根據(jù)安裝位置和工作要求不同可有法蘭式、腳架式、支座式、鉸軸式。
由于結(jié)構(gòu)需要，該氣缸用腳架式安裝連接。
5.3 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，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。
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)計中才用雙導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。
6 機(jī)械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過安裝在支座上的感應(yīng)電動機(jī)5和減速機(jī)4直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動殼體3轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運動，通過安裝在轉(zhuǎn)動機(jī)座上的氣缸1實現(xiàn)手臂的上下移動。采用了雙導(dǎo)柱2導(dǎo)向，以防止手臂在氣缸活塞桿上轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動。支撐梁采用鋁合金，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。
1-氣壓缸 2-導(dǎo)向柱 3-轉(zhuǎn)動殼體 4-減速機(jī) 5-感應(yīng)電動機(jī) 6-機(jī)座
圖6-1腰部和基座結(jié)構(gòu)圖
6.2 控制手臂上下移動的腰部氣缸的設(shè)計
6.2.1 確定主要尺寸
1．氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合末端執(zhí)行器的尺寸以及伸縮氣缸的結(jié)構(gòu)尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為。
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
由《液壓傳動與氣壓傳動》手冊表4-1氣壓負(fù)載常用工作壓力，取氣缸工作壓力
由公式（4-4）、（4-5）：
計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特性。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，其載荷率可取。得
2．缸筒壁厚和外徑的設(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:
氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL106,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
3．手部活塞桿行程長確定
按設(shè)計要求，腰部上下運行距離為20cm，即200mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。
故行程查有關(guān)手冊圓整為
4．活塞桿穩(wěn)定性的計算：
當(dāng)活塞桿的長度時，一般按壓桿穩(wěn)定性來計算活塞桿直徑。
當(dāng)氣缸承受的軸向負(fù)載達(dá)到極限值后，極微小的干擾力都會使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致氣缸不能正常工作。
活塞桿穩(wěn)定性條件公式（5-1）：
當(dāng)長細(xì)比時，
用公式（5-3）：
實心桿
實心桿
系數(shù)，由查表安裝方式為固定-固定式 得
材料強度實驗值，對鋼取
系數(shù)，對鋼取
代入公式（5-4）至（5-9）：
實心桿
得
所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。
5．耗氣量的計算：
氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量為：
此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計算值比實際值偏小，設(shè)計時要根據(jù)具體情況加以修正。
6．氣缸進(jìn)排口的計算
氣缸的進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進(jìn)氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑用下式計算：
式中，
-工作壓力下氣缸的耗氣量，
-空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，一般取
把計算出來的氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑進(jìn)行圓整后，按照GB/T 14038—93<<氣缸氣口螺紋>>選擇合適的氣口螺紋。故，
7．上下移動氣缸部分質(zhì)量估算
活塞桿及導(dǎo)向套材料采用45鋼；
缸體采用鋁合金ZL106；
連接件采用HT250。
查相關(guān)手冊， 45號鋼密度為7.85
ZL106的密度為 2.73
HT250密度為 7.35
經(jīng)計算，質(zhì)量約為：
故，總質(zhì)量：
6.2.2 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.缸筒和缸蓋的連接
查閱機(jī)械手冊，選擇拉桿式螺栓連接。該結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，易于裝卸。
2．活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)
活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。
該氣缸選擇螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，應(yīng)用較多。
3．密封
氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設(shè)計、選擇和使用密封裝置，對
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