4-DOF搬運機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、4-DOF搬運機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師：摘要：在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，工業(yè)機(jī)器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平。目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強(qiáng)度極大的工作。本文研究了國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運機(jī)器人的運動機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了四自由度搬運機(jī)器人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的強(qiáng)度計算，完成了搬運機(jī)器人機(jī)械方面的設(shè)計（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）和簡單的三維實體造型工

2、作。本設(shè)計為四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其工作方向為兩個直線方向、一個旋轉(zhuǎn)方向和一個氣爪運動。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括由三個電磁閥控制的氣缸來實現(xiàn)機(jī)器人的上升下降運動及夾緊工件的動作，一個步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)器人的正反轉(zhuǎn)。在控制器的作用下，搬運機(jī)器人執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡單的動作。設(shè)計的搬運機(jī)器人運用于自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率，本文是對整個設(shè)計工作較全面的介紹和總結(jié)。關(guān)鍵詞：搬運機(jī)器人，強(qiáng)度計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計目 錄摘 要1Abstract2目 錄31 緒論41.1搬運機(jī)器人概述41.2搬運機(jī)械人的應(yīng)用簡況61.3搬運機(jī)器

3、人的應(yīng)用意義71.4機(jī)械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢71.5本論文的主要工作92 搬運機(jī)械手總體設(shè)計方案102.1自由度和坐標(biāo)系的選擇102.2搬運機(jī)器人的組成112.3搬運機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)132.4搬運機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖143 零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計.153.1夾持式手部結(jié)構(gòu)153.2臂部的設(shè)計及有關(guān)計算163.3步進(jìn)電機(jī)的選型213.4聯(lián)軸器的選擇設(shè)計223.5 機(jī)座設(shè)計及電磁閥的選擇244 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算、尺寸設(shè)計與校核284.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核284.2手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核294.3步進(jìn)電機(jī)的尺寸設(shè)計與校核304.4總體結(jié)構(gòu)圖、實體圖的繪制325 控制系統(tǒng)345.1 PLC的主要特點3

4、45.2 PLC的發(fā)展階段355.3 PLC的選擇355.4機(jī)械手的循環(huán)工作說明366 結(jié)論37參考文獻(xiàn)39致謝41 4-DOF 搬運機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計1 緒論 1.1 搬運機(jī)器人概述搬運機(jī)器人在實際的工作中就是一個機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、

5、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)。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)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)

6、任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以

7、其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)動傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1-1所示。圖1-1機(jī)器人的一般組成對于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究

8、主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機(jī)器人的。要實現(xiàn)機(jī)器人所期望實現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2所示。圖1-2機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。1.2搬運機(jī)械人的應(yīng)用簡況在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配

9、等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實現(xiàn)機(jī)械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)機(jī)搬運械手主要應(yīng)用于以下

10、幾方面：1）熱加工方面的應(yīng)用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。2）冷加工方面的應(yīng)用冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。3）拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸

11、、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手，可用以對客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。近些年，隨著計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。1.3搬運機(jī)器人的應(yīng)用意義在機(jī)械工業(yè)中，搬運機(jī)器人的應(yīng)用意義可以概括如下：1）可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。2）可以改善勞動條件、避免人

12、身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3）可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械人代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床和綜合加工自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。綜上所

13、述，有效地應(yīng)用機(jī)器人是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。1.4機(jī)械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴(kuò)大。1.4.1機(jī)器手發(fā)展概況早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)

14、式的第一代機(jī)械手。5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特(Unimate)機(jī)械手即屬于這種類型。6070年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。80-90年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。90年代以后，隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展?？傊?，目前機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為

15、三代：第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進(jìn)步，針對于上述各個領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越

16、來越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。1.4.2機(jī)械手的發(fā)展趨勢目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、

17、計算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機(jī)械手，并考慮于計算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完

18、成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機(jī)械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計算機(jī)。工作時，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機(jī)械手先伸出手指尋找工件，通過

19、裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制，達(dá)到自動調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機(jī)械手裝配?，F(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。1.5 本論文的主要工作本文研究了國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運機(jī)器人的運動機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了四自由度搬運機(jī)器人的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的強(qiáng)度計算，完成了搬運機(jī)器人機(jī)械方面的設(shè)計（

20、包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）和簡單的三維實體造型工作。本課題將要完成的主要工作如下:1) 選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度；2) 確定四自由度搬運機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的類型；3) 確定四自由度搬運機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；4) 設(shè)計出機(jī)械人的各執(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)；5) 零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算與校核；6)繪制機(jī)器人的各零部件圖，并完成搬運機(jī)器人裝配圖，最后運用三維軟件畫出實體圖；7）控制方案的設(shè)計。2 搬運機(jī)器人總體設(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

21、間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機(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)械手是氣動上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。2.1 自由度和坐標(biāo)系的選擇機(jī)器人的運動自由

22、度是指各運動部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構(gòu)件來說，它有幾個運動坐標(biāo)就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19個關(guān)節(jié)組成，共有27個自由度。而生產(chǎn)實踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6個（不包括手部）。本次設(shè)計的搬運機(jī)器人為4自由度即：手爪張合；臂部伸縮；臂部升降；臂部回轉(zhuǎn)。工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下：1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運動是用三個相互垂

23、直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（m級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運動空間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。2)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一

24、個圓柱狀的空間。3)球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。4) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。根據(jù)要求及在實際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計的搬運機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)。(a)直角坐標(biāo)型（

25、b）圓柱坐標(biāo)型（c）球坐標(biāo)型（d）關(guān)節(jié)型圖2-1四種機(jī)器人坐標(biāo)形式2.2搬運機(jī)器人的組成搬運機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)1）手部手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設(shè)計的手部選擇氣動手爪手部結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計的搬運機(jī)器人手部執(zhí)行部件如圖2-2。圖2-2 搬運機(jī)器人手

26、部執(zhí)行部件示意圖如圖2-2的機(jī)構(gòu)簡圖，手部執(zhí)行依靠氣缸的伸縮運動來實現(xiàn)其張合運動，結(jié)構(gòu)緊湊，產(chǎn)生的驅(qū)動力也必將大。2）腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。3）臂部手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變

27、手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計實現(xiàn)臂部的上下移動、前后伸縮、以及臂部的回轉(zhuǎn)運動。手臂的運動參數(shù)：伸縮行程：100mm；伸縮速度：200mm/s；升降行程：200mm；升降速度：250mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：。機(jī)器人手臂的伸縮使其手臂的工作長

28、度發(fā)生變化，在圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達(dá)到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。4）機(jī)座機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面上，對可移動式機(jī)器人，則安裝在移動結(jié)構(gòu)上。機(jī)身由臂部運動（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機(jī)構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上。臂部的運動越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計的搬運機(jī)器人的機(jī)身選用升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)；臂部和機(jī)身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動源來自步進(jìn)電機(jī)。2.2.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)是搬運機(jī)器人的重要組成部

29、分。根據(jù)動力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。液壓驅(qū)動壓力高，可獲得大的輸出力，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便，但是，液壓元件成本高，油路比較復(fù)雜。氣動驅(qū)動壓力低，輸出力較小如需要輸出力大時，其結(jié)構(gòu)尺寸過大，阻尼效果差低速不易控制，但結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低。電動機(jī)驅(qū)動有：異步電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)為動力源，電動機(jī)使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動機(jī)性能也逐漸提高。本次設(shè)計的搬運機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用氣動和步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合驅(qū)動的方式。2.2.3 控制機(jī)構(gòu)考慮到機(jī)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(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)

30、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。2.3搬運機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1)用途：用于車間搬運2)設(shè)計技術(shù)參數(shù)：a) 抓重：1Kg(平行氣爪)；b) 自由度數(shù)：4個自由度（手爪張合；臂部伸縮；臂部回轉(zhuǎn)；臂部升降4個運動）；c) 坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)系；d) 最大工作半徑：300mm；e) 手臂最大中心高：591mm；f) 手臂運動參數(shù):伸縮行程：100mm；伸縮速度：200mm/s升降行程：200mm升降速度：250mm/s回轉(zhuǎn)范圍：0180 回轉(zhuǎn)速度：45/s2.4 搬運機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖結(jié)構(gòu)簡圖如下圖2-3圖 2-3 四自由度搬運機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖1-步進(jìn)電機(jī) 2-標(biāo)準(zhǔn)氣缸 3-標(biāo)

31、準(zhǔn)氣缸 4-平行氣爪3 零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)機(jī)器人的手部是機(jī)器人最重要的部件之一，從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同。其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計的，按握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類：1）夾持式：包括內(nèi)撐式與外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。2）吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。3.1.1手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常

32、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。3.1.2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

33、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(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(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。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)是平行氣動手爪。搬運工件是小于一千克的物體，所

34、以我們選擇MHZ2-40C型氣動手爪。夾緊裝置依靠氣缸的伸縮實現(xiàn)手爪的張開和閉合，這種型號的氣爪夾持力范圍在300-800N,足夠夾緊1千克的工件。平行氣動手爪其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖 3-1 平行氣動手爪結(jié)構(gòu)圖3.2 臂部的設(shè)計及有關(guān)計算手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應(yīng)該包括3個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本節(jié)敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動設(shè)置在機(jī)身處，將在下一節(jié)詳述。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能

35、滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。3.2.1 臂部設(shè)計的基本要求臂部設(shè)計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為此，需要滿足下列各項基本要求：1) 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕對于機(jī)械手臂部或機(jī)身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機(jī)械手的運動性能、位置精度和負(fù)

36、荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應(yīng)注意以下幾方面：a)根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸；b)提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離；c)合理布置作用力的位置和方向；d)注意簡化結(jié)構(gòu)；e)提高配合精度。2) 臂部運動速度要高，慣性要小機(jī)械手手部的運動速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機(jī)械手，其最大移動速度設(shè)計在250mm/s最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在內(nèi)，大部分平均移動速度為200mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個途徑：

37、a)減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料；b)減少臂部運動件的輪廓尺寸；c)減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機(jī)械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作；d)在驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)緩沖裝置。3) 手臂動作應(yīng)該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機(jī)械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。4) 位置精度要求高一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度要求較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位

38、裝置和檢測結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。5) 設(shè)計合理合理設(shè)計與腕和機(jī)身的連接部位，臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力，而且還直接影響到機(jī)器人的外觀?？偨Y(jié)：除此之外，要求機(jī)械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機(jī)械手。3.2.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的選擇1)手臂的典型運動機(jī)構(gòu)常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：a)雙導(dǎo)桿手臂

39、伸縮機(jī)構(gòu)；b)手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)；c)雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)；d)活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。2)手臂運動機(jī)構(gòu)的選擇通過以上，綜合考慮，本次設(shè)計選擇氣缸伸縮機(jī)構(gòu)，使用氣壓驅(qū)動，水平伸縮氣缸選用伸縮式氣缸。3.2.3伸縮手臂氣缸直徑選擇本設(shè)計氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸2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: （3-1）上式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N- 氣缸工作時的總阻力，N-

40、氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算: （3-2）= 上式中:- 彈簧剛度，N/m- 彈簧預(yù)壓縮量，m- 活塞行程，m- 彈簧鋼絲直徑，m- 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: （3-3）由以上分析得單向作用氣缸的直徑: (3-4)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以:查有關(guān)手冊圓整，得3.2.4升降手臂氣缸直徑選擇設(shè)計氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸1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: (3-5)上式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N- 氣缸工作時的總阻力，N- 氣

41、缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算: (3-6)= 上式中:- 彈簧剛度，N/m- 彈簧預(yù)壓縮量，m- 活塞行程，m- 彈簧鋼絲直徑，m- 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: （3-7）由以上分析得單向作用氣缸的直徑: （3-8）代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以:查有關(guān)手冊圓整，得3.3步進(jìn)電機(jī)選型步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱

42、為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)流行于20世紀(jì)70年代, 70年代中期以后多用寬調(diào)速直流伺服電機(jī), 進(jìn)入80年代以來,交流伺服電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展, 并大舉進(jìn)入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域, 占據(jù)了絕對優(yōu)勢。但是, 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、容易控制、維修方便, 而且隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 其驅(qū)動控制除功率放大電路外, 都可以由軟件實現(xiàn)。因此, 本設(shè)計選用步進(jìn)電機(jī)來帶動氣缸的回轉(zhuǎn)。3.3.1 工作原理步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它

43、的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的，多相時序控制器 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 3.3.2 步進(jìn)電機(jī)的特點與選用 步進(jìn)電機(jī)具有

44、如下特點1)一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4）步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法

45、啟動,并伴有嘯叫聲。 本設(shè)計是一個小型的氣動機(jī)械手，需要的轉(zhuǎn)矩不大，查閱相關(guān)資料，同時根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特點我們選用二相混合式步進(jìn)電機(jī)，初步定為拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)型號為TDA332-S。3.4聯(lián)軸器的選擇設(shè)計3.4.1 聯(lián)軸器的類型根據(jù)聯(lián)軸器有無彈性元件、對各種相對位移有無補(bǔ)償能力，即能否在發(fā)生相對位移條件下保持聯(lián)接功能以及聯(lián)軸器的用途等，聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器，撓性聯(lián)軸器和安全聯(lián)軸器。聯(lián)軸器的主要類型、特點及其在作用，詳見表3-1。表3-1 聯(lián)軸器類型類別在傳動系統(tǒng)中的作用備注剛性聯(lián)軸器只能傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，不具備其他功能包括凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器等撓性聯(lián)軸器無彈性元件的撓性聯(lián)軸器，不僅能傳

46、遞運動和轉(zhuǎn)矩，而且具有不同程度的軸向、徑向、角向補(bǔ)償性能包括齒式聯(lián)軸器、萬向聯(lián)軸器、鏈條聯(lián)軸器、滑塊聯(lián)軸器等有彈性元件的撓性聯(lián)軸器，能傳遞運動和轉(zhuǎn)矩；具有不同程度的軸向、徑向、角向補(bǔ)償性能；還具有不同程度的減振、緩沖作用，改善傳動系統(tǒng)的工作性能包括各種非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器和金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器，各種彈性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)不同，差異較大，在傳動系統(tǒng)中的作用亦不盡相同安全聯(lián)軸器傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，過載安全保護(hù)。撓性安全聯(lián)軸器還具有不同程度的補(bǔ)償性能包括銷釘式、摩擦式、磁粉式、離心式、液壓式等安全聯(lián)軸器3.4.2 聯(lián)軸器類型的選擇選擇聯(lián)軸器類型時，應(yīng)考慮：1)所需傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和性質(zhì)、對緩沖、減振功能的

47、要求以及時否可能發(fā)生共振等。2)由制造和裝配誤差、軸受載和熱膨脹變形以及部件之間的相對運動等引起兩軸軸線的相對位移程度。3)許用的外形尺寸和安裝方法，為了便于裝配、調(diào)整和維修所必需的操作空間。對于大型的聯(lián)軸器，應(yīng)能在軸不需作軸向移動的條件下實現(xiàn)裝拆。此外，還應(yīng)考慮工作環(huán)境、使用壽命以及潤滑和密封和經(jīng)濟(jì)性等條件，再參考各類聯(lián)軸器特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。3.4.3 聯(lián)軸器的選擇與繪制由于設(shè)計的氣動式機(jī)械手的轉(zhuǎn)矩很小，我采用的是自己設(shè)計的安全聯(lián)軸器，外形尺寸有利于安裝、調(diào)整和維修，而且聯(lián)軸器不容易松動。CAD繪制聯(lián)軸器如圖3-2所示 圖3-2 聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖3.5機(jī)座設(shè)計及電磁閥的選擇機(jī)座是直

48、接支撐手臂的部件。臂部的運動越多，機(jī)座的受力情況就越復(fù)雜，負(fù)載也越大。機(jī)座是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。本設(shè)計的是小型氣動機(jī)械手，結(jié)構(gòu)比較簡易，重量也很小，所以機(jī)座的設(shè)計也很簡單。3.5.1機(jī)座的整體設(shè)計按照設(shè)計要求，機(jī)械手要實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在機(jī)身處。為了設(shè)計出合理的運動機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。機(jī)座承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運動，是機(jī)械手的重要組成部分。經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用步進(jìn)電機(jī)置于升降缸之下的結(jié)構(gòu)。手臂部件與步進(jìn)電機(jī)的軸聯(lián)接。機(jī)座具體結(jié)構(gòu)見圖3-3。 圖3-3 機(jī)座結(jié)構(gòu)圖3.5.2電磁閥的選擇電磁閥是用來控制流體方向的自動化基

49、礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；通常用在機(jī)械控制和工業(yè)閥門上面，通過一個電磁線圈來控制閥芯位置，切斷或接通氣源以達(dá)到改變流體流動方向的目的，來對介質(zhì)方向進(jìn)行控制，從而達(dá)到對閥門開關(guān)的控制。當(dāng)有電流通過線圈時,固定鐵芯吸合動鐵芯,改變滑閥芯的位置，發(fā)生勵磁作用,動鐵芯帶動滑閥芯并壓縮彈簧,從而改變流體的方向。當(dāng)線圈失電時，依靠彈簧的彈力推動滑閥芯，頂回動鐵芯，使流體按原來的方向流動。電磁閥從原理上分為三大類：1）直動式電磁閥。它分常開、常閉兩種。圖為直動常閉電磁閥，在斷電時, 電磁閥呈關(guān)閉狀態(tài), 當(dāng)電磁閥線圈通電后, 產(chǎn)生的電磁力使動鐵芯與靜鐵芯吸合, 直接開啟閥口, 介質(zhì)從進(jìn)口流向出口, 當(dāng)線圈斷電后,動

50、鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位, 直接關(guān)閉閥口, 而切斷了介質(zhì)的流通。常開式則斷電時閥門開啟, 通電時,閥門關(guān)閉。 特點：結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠,在零壓差或真空下能正常工作,可任意方向安裝, 但一般適用于通徑在25mm以下。2）分步直動式電磁閥。 它由主閥與導(dǎo)閥組成, 動作分步實現(xiàn), 而電磁力直接吸合動鐵芯到主閥芯。如圖3-4為常閉式, 當(dāng)電磁線圈通電后, 產(chǎn)生的電磁力使動鐵芯與靜鐵芯吸合, 導(dǎo)閥口開啟而導(dǎo)閥口設(shè)在主閥芯上, 動鐵芯與閥芯通過機(jī)械方式直接連續(xù)一起。此時, 主閥上腔的壓力通過導(dǎo)閥口卸荷, 由于壓力差和電磁力的聯(lián)合作用, 使主閥芯向上運動,開啟主閥介質(zhì)流通。當(dāng)線圈斷電時, 電磁力消失, 動

51、鐵芯因自重脫離靜鐵芯, 并關(guān)閉了導(dǎo)閥孔, 此時介質(zhì)從平衡孔進(jìn)入主閥芯上腔, 使上腔壓力升高, 在主閥芯自重的作用下, 閥門關(guān)閉, 介質(zhì)斷流。 特點：在壓差等于零及抽真空時亦能可靠動作,但功率消耗較大,通徑受一定限制,且應(yīng)豎直安裝。 圖3-4 常閉分步直動式電磁閥3）先導(dǎo)式電磁閥。它由先導(dǎo)閥與主閥組成, 兩者有通道聯(lián)系著, 如圖3-5當(dāng)電磁線圈通電, 動鐵芯與靜鐵芯吸合而導(dǎo)閥孔開放, 閥芯背腔的壓力通過導(dǎo)閥孔流向出口, 此時閥芯背腔的壓力低于進(jìn)口側(cè)的壓力, 利用壓差使得閥芯脫離主閥座, 介質(zhì)從進(jìn)口流向出口。當(dāng)線圈斷電, 動鐵芯與靜鐵芯脫離, 關(guān)閉了導(dǎo)閥孔, 閥芯背腔壓力受進(jìn)口側(cè)壓力關(guān)閉了導(dǎo)閥孔,

52、 閥芯背腔壓力受進(jìn)口側(cè)壓力的補(bǔ)充逐漸趨于和進(jìn)口側(cè)平衡, 閥芯因彈簧作用把閥門關(guān)閉。先導(dǎo)閥也可配常開式。特點：功率消耗低、通徑較大, 而結(jié)構(gòu)簡單、安裝方向任意, 但只能用于電磁閥兩端有一定壓差的場合。 圖3-5 先導(dǎo)式電磁閥在生產(chǎn)中常用的電磁閥有二位二通、二位三通、二位四通、二位五通等。 二位二通（1個進(jìn)氣、1個出氣） 二位三通（1個進(jìn)氣、1個出氣、1個排氣） 二位四通（1個進(jìn)氣、2個出氣、1個排氣） 二位五通（1個進(jìn)氣、2個出氣、2個排氣）電磁閥分為常閉型和常開型兩種，常閉型指線圈沒通電時氣路是斷的，常開型指線圈沒通電時氣路是通的。電磁閥選型應(yīng)該依次遵循安全性，可靠性，適用性，經(jīng)濟(jì)性四大原則和

53、六個現(xiàn)場工況要求。本設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)單作用氣缸，查閱相關(guān)資料，應(yīng)該選擇而位三通直動式電磁閥比較合適。電磁閥1控制氣缸1，電磁閥2控制氣缸2，電磁閥3控制氣動手爪，電磁閥型號都為VKF332。4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算、尺寸設(shè)計與校核4.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核4.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計手臂伸縮氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計的實際要求，尺寸系列初選內(nèi)徑為20，氣缸用CM2C20-100S型氣缸：4.1.2 尺寸校核 1.在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑=20mm,半徑R=10mm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： （4-1） 手爪質(zhì)量約為1kg,

54、物體重量1kg,設(shè)計加速度，G=mg=2x10=20(N)則慣性力 （4-2） 2.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), （4-3） 總受力 所以標(biāo)準(zhǔn)CM2C20-100S型號氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。4.1.3 氣缸圖形繪制 氣缸2的CAD圖如圖4-1 圖4-1 氣缸2結(jié)構(gòu)尺寸圖4.2手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核4.2.1 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計手臂升降氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計的實際要求，尺寸系列初選內(nèi)徑為40，氣缸用CM2B40-200S型氣缸：4.2.2 尺寸校核氣缸運行長度設(shè)計為=200mm,氣缸內(nèi)徑為=40mm,半徑R=20mm,氣缸運行速

55、度，加速度時間=0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動力 （4-4） 1氣爪質(zhì)量約為1kg,工件質(zhì)量為1kg，氣缸2重量約為3kg，則重力 2.設(shè)計加速度，則慣性力 3. 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)， 總受力 所以設(shè)計尺寸符合實際使用要求。4.2.3 氣缸的圖形繪制氣缸1的CAD圖如圖4-2 圖4-2 氣缸1結(jié)構(gòu)尺寸圖 4.3 步進(jìn)電機(jī)的尺寸設(shè)計與校核4.3.1 尺寸設(shè)計本設(shè)計選擇的是2相拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)，型號為TDA332-S各參數(shù)分別為步距角：1.8電壓：3.2V電流：4A電阻：0.9電感：2.6mH長度：80mm保持力矩M：3.2NM步進(jìn)電機(jī)運行角速度：45/s適配驅(qū)動器：DA628

56、04.3.2 尺寸校核參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量約為,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： （4-5） （） （4-6） 考慮軸承間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), （4-7） 總驅(qū)動力矩 （4-8） 設(shè)計尺寸滿足使用要求。4.3.3 步進(jìn)電機(jī)的圖形繪制步進(jìn)電機(jī)的CAD圖如圖4-3 圖4-3 拓達(dá)步進(jìn)電機(jī)TDA332-S4.4 總體結(jié)構(gòu)圖的繪制4.4.1 CAD繪制總體結(jié)構(gòu)圖如下圖4-4 圖4-4 總體結(jié)構(gòu)尺寸圖1-機(jī)座 2-拓達(dá)步進(jìn)電機(jī) 3-聯(lián)軸器 4-氣缸1 5-氣缸26-螺母M20 7-單耳環(huán) 8-螺母M14 9-螺母M30 10-螺栓5 控制系統(tǒng)5.1 PL

57、C的主要特點1) 高可靠性a)所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。b)各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為1020ms。（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。c)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。d)對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。e)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。f)大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠性更進(jìn)一步提高。2) 豐富的I/O接口模塊PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強(qiáng)電或弱電

58、等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。3) 采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4) 編程簡單易學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5) 安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時

59、只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。5.2 PLC的發(fā)展階段雖然PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個階段：1) 早期的PLC（60年代末70年代中期）早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。這時的PLC多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。它在硬件上以準(zhǔn)計算機(jī)的形式出現(xiàn)，在I/O接口電路上作了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。裝置中的器件主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。其