四自由度棒料搬運機械手畢業(yè)設計

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1、1 四自由度棒料搬運機械手 目 錄 摘 要: 本設計的機械手是基于提高勞動生產率、產品質量和經濟效益，減輕工人勞動強度 而設計的。在某些勞動條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機械手代替人力勞 動。 本設計為四自由度圓柱坐標型工業(yè)機械手，其工作方向為兩個直線方向和兩個旋轉方向。 本設計中的四自由度棒料搬運機械手，主要是針對質量少于 2KG 的圓形棒料的搬運。通過氣 爪手指的不同選擇可滿足直徑小于 60mm 的棒料的搬運。在控制器的作用下，機械手執(zhí)行將工件從 一條流水線拿到另一條流水線并把工件翻轉過來這一簡單的動作. 關鍵詞：四自由度；機械手；搬運；工業(yè)機器人 The Four De

2、grees-of-freedom Bar Manipulator Designs Abstract:This paper design for enhances the labor productivity, product quality, economic efficiency and reduces the worker labor intensity. Some job working at extremely bad environment, that people cant work in hand, so the robots can replace worker to do i

3、t. This scheme introduced a cylindrical robot for four degree of freedom. It is composed of two linear axes and two rotary axis current This paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 2KG. The different fingernail finger was Choice for transporting the go

4、od material that diameter is smaller than 60mm.Under controller function the robot move the components from one assembly line to other assembly line and turn over it in space, perform relatively simple takes. Key words: four degrees of freedom; robot; transporting; Industrial robot 1 前言 1.1 工業(yè)機器人的概述

5、與發(fā)展 機器人（又稱機械手，機械人，英文名稱：Robot） ，在人類科技發(fā)展史上其來有 2 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晶。隨著近代的 工業(yè)革命，機器產業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。 機器人的研究從一開始就是擬人化的，所以才有機械手、機械臂的開發(fā)與制作， 也是為了以機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，機器人 的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十分廣闊。 工業(yè)機器人是典型的機電一體化高技術產品。在許多生產領域，它對于提高生產 自動化水平，提高勞動生產率、產品質量和經濟效益，改善工人勞動條件的作用日見 顯著。不少勞動條件

6、惡劣、生產要求苛刻的場合，工業(yè)機器人代替人力勞動已是必然 的趨勢。 工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位， 自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統中傳遞和裝卸工 件或夾具。 工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬 運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據外部來的信號，自動進行各種操作。 工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分 為三代： 第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現型工業(yè)機器人，它主要由 手部、臂部、驅動系統和控制系統組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編

7、程，即 通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，執(zhí)行機構按指令再 現示教的操作。 第二代工業(yè)機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的 能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復雜得多，這種機器人從 1980 年開始進入 了實用階段，不久即將普及應用。 第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還 能夠根據人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據這 一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有 適應工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用。 世界上工業(yè)機器人萌芽

8、于 50 年代的美國，經過 40 多年的發(fā)展，已被不斷地應用 于人類社會很多領域，正如計算機技術一樣，機器人技術正在日益改變著我們的生產 方式。 3 進入 90 年代，世界機器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長，每年增長率保持在 10%左右，世界 上已擁有機器人數量達到 70 萬臺左右，1992、1993 年世界機器人市場曾一度出現小 的低谷，近年除日本外，歐美機器人市場也開始復蘇，并日益興旺。與全球機器人市 場一樣，中國機器人市場也逐漸活躍，1997 年上半年，我國從事機器人及相關技術產 品研制、生產的單位已達 200 家，研制生產的各類工業(yè)機器人約有 410 臺，其中已用 于生產的約占 3/4。目前全國約

9、有機器人用戶 500 家，擁有的工業(yè)機器人總臺數約為 1200 臺，其中從 40 家外國公司進口的各類機器人占 2/3 以上，并每年以 100150 臺 的速度增加。 從機器人的應用與發(fā)展來看，在很多方面工業(yè)機器人代替人力勞動已是必然的趨 勢，工業(yè)機器人將來必定有廣闊的發(fā)展前景 2。 1.2 本設計中的四自由度棒料搬運機械手所實現的功能 本設計中的四自由度棒料搬運機械手，主要是針對質量少于 2KG 的圓形棒料的搬 運。 本設計中的機械手有四個自由度，由底座的旋轉，手臂的升降，手臂的伸縮，手 爪的旋轉組成。本設計中的機械手是一種通用型棒料搬運機械手。通過氣爪手指的不 同選擇可滿足小于直徑 60m

10、m 的棒料的搬運。通過示教再現或程序的直接控制可實現 在機械手工作范圍內把棒料從指定點搬運到另一指定點，并把棒料翻轉過來。通過對 機械手的相應控制還可實現對棒料的排列。 1.3 本設計中的四自由度棒料搬運機械手設計的意義 機器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來的，目前已應用與許多生產領域。由目前 的發(fā)展狀況看，在可預見的將來它將在生產中扮演越來越重要的角色。本機械手就是 基于此并為提高勞動生產率、產品質量和經濟效益，減輕工人勞動強度而設計的。在 某些勞動條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機械手代替人力勞動。 在社會不斷發(fā)展的今天，機器人在工業(yè)現場中的應用也越來越廣泛，用機器的力量代

11、替人力，而將人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢 4。 2 機械手的總體設計 2.1 設計要求 要求：本畢業(yè)設計要求學生掌握機器人或工業(yè)機械手的結構及工作原理，實現機 械手的上升、下移、左移、右移抓緊和放松等多個自由度，完成一四自由度搬運機器 人設計，要求所設計機器人能抓取一定質量的工件并到達規(guī)定的地點。 2.2 機器手的組成 4 圖 1 機械手的組成圖 Fig1 The composition diagram of the robotic 機械系統：本機械手由機械系統(執(zhí)行系統、驅動系統)、控制檢測系統組成。 2.2.1 執(zhí)行系統： 執(zhí)行系統是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現各種運動所

12、必需的機械部件，它包括 氣爪、手臂升降、手臂伸縮、底座旋轉。 2.2.2 驅動系統： 為執(zhí)行系統各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。本設計選用機械傳動、氣壓 傳動和電機驅動。 控制系統：通過對驅動系統的控制，使執(zhí)行系統按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā) 生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 2.3 總體方案擬定 由設計要求本設計機械手實現的作用：自動線上有，兩條輸送帶，之間距離 為 0.7m，現設計機械手將一棒料工件從 A 帶送到 B 帶并將棒料翻轉過來。 確定為四自由度的機械手。其中 2 個為旋轉，2 個為平移。 在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現的技 術基礎是精巧的機械結

13、構設計和良好的伺服控制驅動。本次設計就是在這一思維下展 開的。根據設計內容和需求確定機械手，利用步進電機驅動和諧波齒輪傳動來實現機 器人的旋轉運動；利用另一臺步進電機驅動滾珠絲杠旋轉，從而使與滾珠絲杠螺母副 固連在一起的手臂實現上下運動；考慮到本設計中的機械手工作范圍不大，故利用氣 缸驅動實現手臂的伸縮運動；末端夾持器則選用氣爪來做夾持器，用小型氣缸驅動夾 緊。氣爪的旋轉則由與氣爪連接的擺動氣缸實現 7。 5 其外觀與工作移動方位如圖 2。 圖 2 機器人外形圖 Fig2 Robot Outline Drawings 2.4 機器人的工作空間 本機械手底座采用圓柱坐標型結構，其工作空間是一個具

14、有一定角度的繞機械手 轉動軸的扇形體立體空間。機器人具有較大的相對工作空間和絕對工作空間，所謂相 對工作空間是指手腕端部可抵達的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比，絕對工 作空間是指手腕端部可抵達的最大空間體積，只要工件搬運點都在此范圍內即可實現 搬運。 下圖 3 描述了本機械手的工作空間，是頂視圖。高度即為手臂可升降的高度。 圖 3 工作空間圖 Fig3 Workspace map 2.5 機械手驅動系統設計 2.5.1 機械手驅動器 6 機械手驅動系統包括驅動器和傳動機構,它們常和執(zhí)行器聯成一體,驅動臂，桿和 載荷完成指定的運動。常用的驅動器有電機、液壓和氣動等驅動裝置，其中采用電機 驅

15、動器是最常用的驅動方式，包括直流伺服電機，交流伺服電機及其步進電機等。本 設計中底座的旋轉與手臂升降都是采用步進電機作為驅動器（在第 5 章計算說明步進 電機的選擇） ，而手臂的伸縮則選用七缸作為驅動器。氣爪的翻轉是通過擺動氣缸來 作為驅動器 6。 2.5.2 機械手傳動機構 手臂的升降是步進電機通過聯軸器直接與絲桿連接。手臂上安裝絲桿螺母副，從 而驅動手臂的升降。 手臂的伸縮是通過氣缸桿直接連接裝有擺動氣缸的擺動氣缸安裝板，從而實現伸 縮運動的。 氣爪的旋轉是擺動氣缸通過氣爪的連接附件直接相連接。如下圖 4。 圖 4 氣爪連接示圖 Fig4 Gripper connection diagra

16、m 底座的旋轉是通過步進電機聯接諧波齒輪直接驅動轉動機座轉動，從而實現機 械手的旋轉運動。如下圖 5。 1支座，2電機，3軸承，4帶傳動，5殼體 6位置傳感器，7柔輪，8波發(fā)生器，9剛輪 圖 5 機械手底座傳動示圖 Fig5 Robot base transmission diagram 本設計中的四自由度棒料搬運機械手的有關技術參數見表 1。 表 1 機械手參數表 7 Table 1 Robot parameter table 機械手類型 四自由度圓柱坐標型 抓取重量 2Kg 自由度 4 個（2 個回轉 2 個移動） 底座 長 290mm，回轉運動，回轉角 240，步進電機驅動 PLC 控制

17、 手臂升降機構 長 550mm，升降運動，升降范圍 400mm，步進電機驅動 PLC 控制 手臂伸縮機構 長 826mm，伸縮運動，伸縮范圍 270mm，氣缸驅動 活塞位置控制 氣爪旋轉機構 旋轉運動，旋轉角 180o，氣缸驅動，行程開關控制 3 機械手的傳動設計 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整說明書和設計圖紙 等.請聯系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機械畢業(yè)設 計下載！該論文已經通過答辯 3.2 諧波齒輪減速器參數的確定 一般一級諧波齒輪減速比可以在 50500 之間，諧波齒輪結構簡單，零件少，重 量輕，運動誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動精度高，傳動平穩(wěn)。諧波齒

18、輪減速傳 動裝置明顯的優(yōu)點，已廣泛用于機器人和其它機電一體化機械設備中。本設計的底座 旋轉采用諧波齒輪減速器傳動。諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由 三個基本構件構成的，帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構成的波 發(fā)生器 11。 諧波齒輪的設計基本參數如下： 傳動比：i 2=100； 柔輪變形波數：U=2 ； 柔輪齒數： Z R=Ui=2100=200 剛輪齒數： Z G=ZR+U=200+2=200 8 模數：m=0.4mm 柔輪臂厚：H=0.5mm 尺寬：b=20mm 其中，柔輪與柔輪的嚙合參數經計算分別確定如下： 全齒高：h R=07mm hG=0.72mm 分度

19、圓直徑：d R=80mm 80.dm 齒頂圓直徑：d aR=83.2mm 2aG 齒根圓直徑：d fR=79.7mm 4.f 齒形角：a R=20 0G 變位系數：X R=3.7 3.71X 柔輪與剛輪均采用漸開線齒形，波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器，其中長軸 2a=59.9mm ，短軸 2b=58.2mm ，并且采用具有 23 個直徑為 7.14mm 滾珠的薄臂軸承。 諧波齒輪輪齒的耐磨計算： 由于諧波齒輪的柔輪和剛輪的齒數均很多，兩齒形曲線半徑之差很小，所以輪 齒工作時很接近面接觸，則輪齒工作表面的磨損可由齒面的比壓 P 來控制。輪齒工作 表面的耐磨損能力可由下式計算： PvnRbZhdTKp2

20、0 （1） 式中：T作用在柔輪上的轉矩（Nm） ，由前計算取得 T=2 Nm； dR柔輪分度圓直徑，本設計中取為 dR=80mm ； hn最大嚙入深度，近似取 hn=（1.41.6）m，本設計中取 ；1.40.56nh b 齒寬（mm） ，設計中取為 b=20mm ； 9 ZV當量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數 ，一般可取 ；0.7521vZ K載荷系數，取 K=1.31.75 ，設計中取為 K=1.5 ； PP齒寬許用比壓 ，對于無潤滑條件下工作的調質柔輪，取 PP=8MPA ； 所以，代入 得： PvnRbZhdTp20 201.58.6.4MPa 因 滿足 pp p，所以符合耐磨性要求

21、。0.46MPa8 柔輪強度計算： 諧波齒輪工作時，柔輪筒體處于變應力狀態(tài)，其正應力基本上是對稱變化的， 而切應力則呈脈動變化，若以 分別表示正應力和切應力的應力幅和平均應,ama 力。 （1）正應力的應力幅和平均應力分別為： (2) 035.21mpaDEh （2）由變形和外載荷所引起的切應力分別為： (3) 12215.0hTppy 則，切應力的應力幅和平均應力為： (4) .()amy 以上式中：T柔輪工作轉矩（ ） ，由前計算取為：T=2 ；NmN h1柔輪齒根處的臂厚（mm） ，設計中取為：h1=0.6mm ； DP計算平均直徑（mm） ，設計中為： DP=dfh179.70.679

22、.1mm ； E彈性模量（MPa） ，設計中為 E =206000 MPa ； 10 變形量（mm） ， ，本設計中為GRd =80.880=0.8mm ； 柔輪工作條件較惡劣，為使柔輪在額定載荷下不產生塑性變形和疲勞破壞，并考 慮加工工藝較高的要求，決定選用 30CrMnSiA 作為柔輪材料。 將具體數據代分別代入上式中得： (5) 323220.8610.3556.13()79.9().10()79.65()0.5720.3)4.12()a amy aaamy aMPPMP 30CrMnSiA 的力學性能如下： ，球化處理后硬度為 2426HRC ，10,90basaMP 且，?。?10.

23、45.10495()227b aMP 柔輪正應力安全系數和切應力安全系數分別為： 114953.92.602723.8.81.40aamnk 柔輪的安全系數： (6) 2223593.9.n 此數值大于許用安全系數 1.5，則柔輪強度滿足要求。 4 機械手的各電動機的選擇 進電動機又稱脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉換成與脈沖數成正比的角位移 或直線位移的執(zhí)行電機。本機械手系統所要求的定位精度較高，而步進電機對系統位 11 置控制比較準確且控制易于實現。故本機械手選用的驅動電機都是步進電機。 4.1 機械手手臂升降步進電機的選擇 機械手手臂升降用步進電機來驅動，通過絲桿傳動來實現升降。 初選步

24、進電機 75BF003 由前計算絲桿導程為 L 0=6mm 本設計機械手手臂升降速度選定為 S=35m/s 所以絲桿轉速 (7) 0w=S/L356 .8r/49.8(rin) 回轉轉矩： Mc=Mga+Mf (8) 式中：M c 機械手手臂升降相對絲桿的回轉力矩 ； Mf 機械手手臂升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ； Mga機械手手臂升降在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ； 其中： ， t wJMga0 (9) 式中： 手臂升降啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作的角速度：w ； (10)/(649.30 298.34min)/(98.34 sradr t手臂升降啟動或制動的時間：本

25、設計取為 ；.t 手臂升降時各部件對回轉軸線的轉動慣量 ，0J )(2kgm 其中： (13)SldJ 式中： 絲桿對其轉動軸的轉動慣量 ，s )(2 其中： (11)437.810smDL 式中： 絲桿的公稱直徑由前計算得 0.5()mD 絲桿的長度本設計取為 0.6(m)L 代入得： 4327.805.113()sJkg 升降電機與絲桿間的聯軸器的轉動慣量lJ 2s J=0.18(kg) 查機械設計手冊(軟件版)R2.0 得； 12 步進電機轉子的轉動慣量dJ 20.1764()dJkgm 查機電綜合設計指導書表 2-18 得； 代入得：J 0=JS+Jl+Jd 2=.137+0.8.17

26、645()kgm 把以上代入 得： (12)t wJMga03.9.0a .4()N 其中： ； /2mfMGD (13) 式中： G手臂的自重約為 200N f絲桿螺母副與絲桿間的摩擦系數 f=0.08 查機械設計手冊(軟件版)R2.0 得 代入得： (14)/2mfMD 0.825/()N 得： M c=Mga+Mf 0.496() 電機與絲桿直接聯接所以 i=1； 所以 0.69()ipcMNm 34/lwrads 上式中： 負載峰值轉速（rad/s） ，如上計算 ： ；lp 36.49(/)lprads 負載峰值力矩（ ） ，如上計算：lp N0iMNm 電動機的功率計算式： (15)

27、 lpmP 13 上式中： 計算系數，其中一般 ，本設計中?。?；5.212 絲桿傳動裝置的效率，一般取 ，本設計中?。?；9.070.8 代入以上數據得： (16) lpmMP 20.693.4/.858()W 根據負載峰值力矩 Mlp最大靜轉矩，選用步矩角為 3 步進電機 75BF003，其最大靜 轉矩為 0.882 ，滿足負載峰值力矩 Mlp最大靜轉矩的要求.N 電機參數表 2 Table2 Motor parameter table 電機型 號 相數 步距角 /（） 電 壓 /V 最大靜轉矩 /Nm(Kgfcm) 最高 空載 啟動 頻 率 /HZ 運行頻 率 /HZ 轉子轉動慣 量 1

28、0 Kgm52 分配 方 式 質量 /Kg 75BF003 3 3 30 0882（9） 1250 16000 1568 三相 六拍 158 4.2 機械手底座回轉驅動電動機的選擇 機械手機身安裝在底座上所以底座作旋轉時將手臂與機身一起旋轉 機械手底座轉速： 設計選取為 即旋轉 1800的時間為 3s；10/minr 回轉轉矩： (17) cgafM 式中： 機械手整體相對底座回轉軸的回轉力矩 ；cM f 機械手整體相對底座回轉軸的摩擦阻力矩 ； 機械手底座在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；ga 其中： ， twJMga0 (18) 式中： 底座旋轉在啟動或制動過程中角速度的變化量，

29、也就是工作角速度：w 14 ；)/(047.16 2min)/(10sradrw 底座旋轉啟動或制動的時間：本設計中 ；t (3.t 與 的轉化系數： ，本設計中取fMga 95.080.85 手臂、機身、轉軸對底座旋轉軸線的轉動慣量0J )(2kgm 由于本機械手是一個不規(guī)則，不均勻的回轉體,所以算得在選用電機時 相應把最大靜轉矩要求提高來選擇。 (19)2 22 322107.99.014.054.53mkgrrJ 式中： 手臂無氣爪邊的質量（kg） ，本機械手為 ；1 kgm15 手臂有氣爪邊的質量（kg） ，本機械手為 ；2 2 其中： 手臂的質量，手臂兩邊都看作長桿來計算轉動慣量；2

30、1m 機身的質量（ kg） ，本機械手為 ； 3mkg03 其中： 的轉動慣量看作均勻圓柱體來計算；3 與 相對應的長度（m） 。321,r21, 把以上數據代入得： (20)(827.395.0mN Mgaf (21)(6.fgac 底座電機通過諧波減速器連接轉動軸，偕波減速器傳動比為 i=100。 所以： (22)(73.0168.mNiMclp .4./lp rads 15 上式中： 負載峰值轉速（rad/s） ，如上計算 ： ；lpw 104.7(/)lprads 負載峰值力矩（ ） ，如上計算：lpM)(mN3iMNm 電動機功率的計算公式式： (23) lpmP0.7314.289

31、.W 式中： 步進電動機的功率（ W） ； mP 負載峰值轉速（rad/s） ，由前計算 ： ；lp 104.7(/)lprads 負載峰值力矩（ ） ，由前計算：Mlp=0.737（ ） ；lpM)(mN mN 計算系數，其中一般 ，本設計中取： ；5.212 底座傳動裝置的效率，估算為 ，本機械手取為： 。 9.070.8 根據負載峰值力矩 Mlp最大靜轉矩，選用步矩角為 3 的步進電機 90BF003，其 最大靜轉矩為 1.96 ，滿足要求。mN 電機參數表 3 Table3 Motor parameter table 電機型 號 相數 步距角 /（） 電 壓 /V 最大靜轉矩 /Nm(

32、Kgfcm) 最高 空載 啟動 頻 率 /HZ 運行頻 率 /HZ 轉子轉動慣 量 10 Kgm52 分配 方 式 質量 /Kg 90BF003 3 3 60 196（20） 1500 8000 1764 三相 六拍 42 5 機械手各氣動件的設計計算 5.1 氣爪夾緊力的計算與氣爪的選擇 5.1.1 氣爪夾緊力要求 16 由設計任務書的要求氣爪連工件的重量為 5KG，從而確定夾緊的工件重量約為 2kg。 本設計設計的機械手搬運的工件定為圓柱形的棒料。 工件重力 G=2x9.8=19.6N 夾起工件主要是靠氣爪手指與工件的靜摩擦力克服工件的重力。 其加緊視圖如圖 6: 圖 6 工件夾緊視圖 F

33、ig6 Workpiece clamping view 氣爪拿起工件所需的力 123LFKG 式中：G機器人的手爪抓取的工件的重力（N） ，本設計 G=19.6； K1安全系數，一般取 K1=1.22.0,本設計中取 K1=1.2； K2機器人的手部工作狀況系數，按 (24) 21ag 計算得 K2=1.2； a 為機器人手爪運動加速度的絕對值； K3方位系數，根據機器人手爪與工件形狀選 K3=1 把以上數據代入 得：123LFKG FL=1.2X1.2X1X19.6 =28.224N 氣爪能拿起工件所需的夾緊力： (25)LNF 式中： 鋼與鋼接觸的摩擦系數 =0.2 17 查機械設計手冊(

34、軟件版)R2.0 得 把以上數據代入 (19)得： 2 LNF (26)8.41.20N 氣缸的選定中，首先確定其負載的大小，負載決定了缸徑的大??；其次要確定其 行程、安裝形式等. 5.1.2 缸徑的確定 缸徑與所使用的氣源的壓力有關，同時要確定動作方向是推力還是拉力。 本設計的氣爪氣缸工作主要以拉力。 本設計滿足氣缸理論推力、拉力速度為 50-500mm/s 的范圍，其力學計算公式為： 拉力 F=0.25(D 2-d2)P 式中：D氣缸直徑（m）,本設計初取為 0.04m ； d氣缸活塞桿直徑（m） ，本設計初取為 0.012m ； P氣缸工作壓力（Pa） ，本設計取為 0.6MPa； F氣

35、缸理論推力、拉力（N） 把以上數據代入 F=0.25(D 2-d2)P 得：26=0.5(.40.1).0681 計算得的 F 為理論拉力，其實際拉力可根據 Fs=F 計算。 式中：氣缸的工作效率，一般在 0.70.95 之間。當工作壓力增高、缸徑增 大時效率增大。本設計工作壓力交大取為 0.85。 把以上數據代入 Fs=F 得： (27)0.856.14s 39N 圖中 L=50mm 為氣爪手指夾緊工件的力臂。R=22mm 為活塞桿推動手指的力臂。 氣爪夾緊工件的力 FN1=FsR/L 代入數據得： 1583.9250N 6 由計算得 FN1 FN所以初選的缸徑 40mm，活塞桿直徑 12m

36、m 滿足設計要求。 氣缸是氣爪的的驅動器，氣缸與氣爪手指的連接結構如下圖 7。 18 圖 7 氣缸與氣爪手指的連接結構 Fig7 The connection structure of the cylinder and the gripper fingers 5.1.3 行程的確定 氣缸的行程就是活塞移動的距離，對外表現為負載移動的距離，確定此距離時要 充分考慮工況情況，應預留出一點行程，避免活塞桿撞壞。 由氣爪的工作要求本氣缸的行程為 15mm。 5.1.4 氣缸的運動速度 氣缸的運動速度主要由所驅動的工作機構的需要來決定。 本氣爪要求速度緩慢、平穩(wěn)，采用節(jié)流調速。節(jié)流調速的方式有：本氣缸為

37、水平安 裝采用用排氣節(jié)流； 本設計中缸體選用的是不銹鋼式，固本氣缸需要加油潤滑。 本氣缸使用注意事項 1）一般氣缸的正常工作條件：環(huán)境溫度為-3580，工作壓力為 0.40.6MPa； 2）安裝前，應在 1.5 倍工作壓力條件下進行試驗，不應漏氣； 3）裝配時，所有密封元件的相對運動工作表面應涂以潤滑脂； 4）安裝的氣源進口處必須設置氣源調節(jié)裝置：過濾器-減壓閥-油霧器； 5.1.5 擺動氣缸的選擇 前選擇的 HGW40A 的氣爪其轉動慣量 Jq=124X10-4kgm2 其爪夾持的工件的轉動慣量為： (28) 2(3)1gmJRl 式中：m工件的質量（kg） ，本設計為 m=2kg; R工件

38、的半徑（m） ，本設計為 R=20mm; 19 l工件的長度（m） ，本設計為 l=50mm; 把以上數據帶入 得： 2(3)1gJRl2(30.5)1gJ 42670kgm 加在擺動氣缸工作上的轉動慣量為：J=Jg+Jq=124X10-4+6.167X10-4=130.167 kgm2 由擺動氣缸工作轉動慣量 J=130.167 kgm2 選用預選費斯托(festo)公司的 DSM- 32-270-P-PW 型氣缸。 該氣缸的許用轉動慣量為：500X10-4 kgm2 滿足要求。 由下圖 5-3 擺動的時間約需 0 .3s 該氣缸是葉片驅動雙作用氣缸，在整個擺角范圍內可實現無極擺角調節(jié)，終端

39、位 置可通過止動螺釘和緊固螺母調節(jié)。止動桿上的沖擊能量由彈性緩沖板吸收，終端緩 沖由緩沖器實現。轉動葉片本身不用于確定終端位置，既止動杠桿和止動裝置不能移 動。該擺動氣缸防水防塵 10。 圖 8 氣缸工作轉動慣量與擺動時間關系 Fig8 Cylinder working the moment of inertia and swing time relationship 本氣缸可實現擺角范圍內無極擺角調節(jié)下圖 9 為其擺角調節(jié)結構示圖： 20 圖 9 擺角調節(jié)示圖 Fig9 Swing angle adjustment diagram 擺動氣缸參數表 4 Table4 Swing cylinde

40、r parameter table 結構特點 工作壓力 緩沖角 重量 32MM 葉片驅動的擺動缸 15-10bar 09 o-17 o 1.02kg 5.2 手臂伸縮氣缸的選擇 缸徑的確定： 缸徑的計算公式 (29) 14/()DFP 查液壓氣動系統設計手冊得 式中：P氣缸的工作壓力（Pa）,本氣缸選為 0.6MP 氣缸總的機械效率，本氣缸估算為 0.4 D氣缸的內徑（m） 。 F1氣缸的負載力（N） 。本氣缸負載較小取為 10N 把以上數據代入 得： (29)14/()FP 650.341) =0.02526m 查機械設計手冊-氣壓傳動表 22-1-64 氣缸內徑取標準為 32mm。 行程的

41、確定由設計的工作要求活塞行程取為 320mm。 氣缸型號的選擇： 由以上參數的計算選費斯托(festo)公司的 DNG-32-320-PPV-A 型氣缸 本氣缸活塞安裝有傳感裝置，活塞位置可以被行程開關檢測到，從而實現對氣缸位置 的控制。選用的控制安裝附件為 SMB-2-B。該氣缸的緩沖長度為 19mm。 21 連接形式： 由于本氣缸工作行程較大，且推桿端的垂直負載較大，使推桿受的彎曲應力較大。選 用該氣缸的一個安裝附件，導向單元 FENG-32-320-KF。氣缸直接安裝在該導向單元上。 下圖為該導向單元外觀圖 10 圖 10 導元向單 Fig10 Guide element to a si

42、ngle 下圖 11 為最大工作負載與導桿投影距離之間的關系圖 圖 11 負載特性圖 Fig11 Load characteristic diagram 由上圖表可查得本設計選用的 FENG-32 氣缸在最大伸長距離 320mm 的情況下其最 大負載為 55N。而氣爪連工件的質量約為 4kg，擺動氣缸質量為 1.02kg。所以導 向單元的實際總負載 Gf=5.02kg=49.196N。Gf55N 滿足設計要求，該導向單元可 用。 22 圖 12 導向單元與氣缸連接圖 Fig12 Guide unit with cylinder connection diagram 6 機器人控制系統設計 6.

43、1 機械手控制器的選擇 工業(yè)機械于是一種模仿人手動作井按設定的程序軌跡和要求代替人手抓取、搬 運工件或操持工具進行操作的機電一體化自動化裝置。 工業(yè)機械手的電氣控制系統是通過控制氣缸電磁換向閥，電機的正反轉來實現不 同的動作的，有采用單片機控制的，也有采用可編程控制器來控制的，若采用單片機 控制由于電磁的工作電壓高于單片機的+5伏電源所需驅動電流較大因而須設計 功率接口電路還要進行抗干擾及其可靠性的設計。而采用PLC控制，則無需考慮上 述問題。 有著極大的靈活性，易于模塊化，當機械手工藝流程改變時，只要對 點的接線稍作修改，或繼電器重新分配，程序中作簡單修改，補充擴展 即可。機械手的速度、電機

44、運行所需的脈沖數都可以根據給定的要求給予置。用 控制的機械手將更具靈活性、可靠性、降低成本，提高效率，有著很好的經濟 效益。 本設計機械手采用控制。 6.2 機器手控制系統的特點及對控制功能的基本要求 23 工業(yè)機器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機構，它們必須協調 起來，組成一個多變量控制系統。這種多變量的控制系統，一般可用單片機，PLC， 計算機等來實現。在作業(yè)中機器人的工作任務是要求操作機的末端執(zhí)行器按點位或軌 跡運動，并保持設定的姿態(tài)。在運動中或在規(guī)定的某點位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。 在機器人的各類作業(yè)中，運動和控制方式主要有兩種。 1）點位控制方式（PTP控制） 這種控制方式

45、考慮到末端執(zhí)行器在運動過程中只 在某些規(guī)定的點上進行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標點處保證準確的位姿以滿 足作業(yè)質量要求。而對達到目標點的運動軌跡（包括移動的路徑和運動的姿態(tài)）則不 作任何規(guī)定，這種控制方式易于實現，但不易達到較高的定位精度，適用于上下料、 搬運、點焊和在電路板上安插元件等只要求在目標點保持末端執(zhí)行器準確的位姿的作 業(yè)中； 2）連續(xù)軌跡控制方式（CP控制） 這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴格按規(guī)定的 軌跡和速度在一定精度要求內運動，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機器人各關節(jié)連 續(xù)、同步地實現相應的運動。這種連續(xù)軌跡運動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設 定的點足夠密，就能用點位控制的

46、方法實現所需精度的連續(xù)軌跡運動。 本設計機械手用于棒料的點對點搬運，對運動軌跡沒太大要求。所以選用點位控 制方式。 6.3 控制系統的總體設計 機械手控制系統的基本功能： 本機械手要具有回原點、手動點動)和自動單步、連續(xù)1控制的操作方式； 手動操作 用按鈕操作對機械手的每一種運動單獨進行控制； 回原點操作方式 按下回原點啟動按鈕，機械手自動返回原點位置。 自動操作 包括單步操作和連續(xù)運行兩種操作方式。操作前提是機械手須處在原 點位置上； 1)單步操作 每按一次按鈕，機械手完成一步動作后自動停止； 2)連續(xù)運行 系統一旦啟動，機械手的動作將自動地連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。期 間若按停止按鈕，要完成一

47、個完整的動作循環(huán)才停止。 為方便控制系統適應各具體工作情況作小幅，整個控制系統采用模塊化結構，以 方便指令中的IST狀態(tài)初始化指令來進行設計。總軟件系統包括初始化電路、故障報 警程序、點動操作程序、回原點程序及自動操作程序五大模塊構成，分別解決單個問 題然后再進行綜合。 本機械手中驅動部分由電機與氣動兩部分組成，其中電機部分由PLC直接控制。 24 而氣動部分則由PLC控制電磁筏來實現控制。下圖13為氣動部分原理圖： 圖 13 氣動原理 Fig13 Pneumatic principles 為了使機械手在作過程中實現自動或手動運行及運行的安全可靠，擺動氣缸，手 臂升降都選用限位開關控制，以給相

48、應的電磁闌傳遞通、斷信息。而氣爪，伸縮氣缸 則運用其內部的位置傳感器作為位置的控制。將其傳感器的信息傳遞給PLC，以實現 PLC對其位置的控制。而底座旋轉通過帶傳動帶動底座位置傳感器，從而將位置信息 傳給PLC實現控制 7 手臂驗算與機械手參 7.1 手臂平衡的驗算 手臂工作長度較大，而且手臂伸縮端安裝有氣爪，氣爪夾緊工件。此處對絲桿力矩較 大。所以應該作平衡驗算。 手臂氣爪端對絲桿的力矩： (30)()gbgzMLG 式中：M g手臂工件端對絲桿的力矩（ ） ；Nm Gb擺動氣缸的重力（N）,本設計為 12.25N； Gg工件的重力（N）, 本設計為 19.8N； Gz氣爪的重力（N）, 本

49、設計為 19.6N； L手臂氣爪端對絲桿的力矩（ m）, 本設計為 0.4m; 把以上數據代入 得:()gbgzMLG0.412.59.816)20.9Nm 手臂端蓋端對絲桿的力矩： (31) d 25 式中：M d手臂端蓋端對絲桿的力矩（ ） ；Nm Gd端蓋端的重力（N）,本設計為其質量為 4.452KG,得重力為 43.623N； L1手臂端蓋對絲桿的力臂（ m）, 本設計為 0.3m; 把以上數據代入 得:1dMLG 0.346213.087Nm 由此得手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩為 gdM 代入得: (32).9.gd 手臂對絲桿的力矩總終由底座來平衡.底座通過螺栓安裝.考慮最大負

50、載情況，由單個 螺栓承受此力矩時其受的拉力為 Fl=M/L2 式中：L 2螺栓到絲桿的力臂（m） ，本設計為 0.165m； M手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩 ，由前計算得 M=7.83NmN 把以上數據代入 Fl=M/L2得: Fl=7.83/0.165=47.45N 底座選用的安裝螺栓為 M10 可得其最大工作條件下的應力 1/FA 式中：A螺栓的截面面積， 2252/40.47.80Adm (33) 代入 得：1/FA 547./810.64aMP 普通的螺栓的抗拉強度都大于 450 ，可見螺栓能滿足要求。aMP 機械手工作能達到平衡。 7.2 機械手參數 氣爪夾力為 256.03N 表

51、 5 機械手的最終運動設計參數： Table 5 Final motion of the manipulator design parameters : 機械手機構 工作范圍 工作速度 底座 轉動角度 2400 轉動速度 10/minr 伸縮手臂 伸縮距離 300mm 伸縮速度 80mm/s 手臂升降 升降距離 320mm 升降速度 35mm/s 26 氣爪擺動 擺動角度 1800 轉動速度 30/minr 表 6 機械手工作精度： Table 6 Accuracy of the robot work : 機械手機構 工作精度 底座 0.030 伸縮手臂 0.5mm 手臂升降 0.05mm 氣

52、爪擺動 通過擋塊定位 8、結束語 到此近 90 天的畢業(yè)設計就要結束了，我大學階段的學習也將畫上句號。通過本 次畢業(yè)設計的學習，牢固了自己所學的專業(yè)知識，提高了獨立思考解決問題的能力， 同時也真正初步了解一個機械設計的設計過程。也使我學會怎樣更好的利用圖書館， 網絡查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。這對我以后的工作 有很大的幫助。 在設計過程中，我經常遇到各種各樣的問題。從中使我認識到自己在很多地方的 不足。有很多東西還要慢慢學習。 由于本人水平有限以及畢業(yè)設計時間有限，本設計難免有不合理或不太準確的地 方，懇請各位老師批評指正。 參考文獻 1 成大先.機械設計手冊M.第

53、3 卷.北京：化學工業(yè)出版社.2001:58 2 張鐵,謝存禧.機器人學M.廣州:華南理工大學出版社.2004:1524 3 陳統堅.機械工程英語M.北京:機械工業(yè)出版社.1996:7898 4 成大先.機械設計手冊.單行本.氣壓傳動M.北京：化學工業(yè)出版社.2004:1141 5 馮辛安.機械制造裝配設計M.北京: 機械工業(yè)出版社.2004:89123 6 成大先.機械設計手冊.單行本.常用工程材料M.北京：化學工業(yè)出版社.2004:156177 7 吳克堅,于曉紅,錢瑞明.機械設計M.北京:高等教育出版社.2002:1153 8 鄭堤,唐可紅.機電一體化設計基礎M.北京:機械工業(yè)出版社.2

54、001:2265 9 陸一心,氣壓與氣動技術M. 北京：化學工業(yè)出版社.2004:2944 10 秦曾煌.電工學電子技術(第五版) M. 北京：高等教育出版社.1999:3269 11 吳宗澤.機械設計實用手冊M.北京：化學工業(yè)出版社.2000:234278 27 12 吳振彪.機電綜合設計指導M.廣東海洋大學.2002:2156 13 馮開平，左忠義.畫法幾何與機械制圖M.廣州:華南理工大學出版社.2004:3498 14 Robert J. Schilling.Fundamentals of Robotics-Analysis and Control.New Jersey:Prentice Hall,1990:123 154 15紀名剛，陳國定. 機械設計M.北京：高等教育出版社 .2011:2655 致 謝 在此衷心感謝學校、學院各位老師4年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝向陽老 師，熊瑛老師在我的畢業(yè)設計期間給予的諸多指導。 設計過程中，遇到了很多問題，有軟件的也有硬件的，有屬于粗心大意造成的， 也有的是因為知識水平所限。在老師的指導下，將其一一排除，增長了知識，積累了 經驗。最后感謝工學院全體老師!