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湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院畢業(yè)論文（設(shè)計）中期檢查表
學 部：??? 理工學部???
學生姓名
劉皝
學??? 號
200741914209
年級專業(yè)及班級
2007級機械設(shè)計制造及其自動化(2)班
指導教師及職稱
陳文凱??副教授
畢業(yè)論文（設(shè)計）題目
碼垛機械手的設(shè)計
畢業(yè)論文（設(shè)計）工作進度
已完成的主要內(nèi)容
尚需解決的主要問題
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指導教師意見
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檢查（考核）小組意見
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檢查小組組長簽名：?? ??????????????年?? 月?? 日
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外文翻譯
Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of Freedom
一個具有競爭力的低成本的四自由度機械人手臂的設(shè)計與開發(fā)
院 、 部： 機械工程學院
專業(yè)名稱：機械設(shè)計制造及其自動化
學生姓名：
學 號：
指導老師：
摘 要
這項工作的主要重點是設(shè)計，開發(fā)和實施具有競爭力的機器人手臂具有增強控制和粗短的成本。機器人手臂的設(shè)計采用四自由度和才華來完成精確簡單的任務(wù)，如光材料處理，這將被整合到了作為一個助理為工業(yè)勞動力的移動平臺。機器人手臂上配有數(shù)個伺服電機的臂之間做鏈接和執(zhí)行的手臂動作。伺服電機編碼器包括使沒有控制器實施?？刂莆覀兪褂肔abVIEW ，它執(zhí)行逆運動學計算和串行通信的適當?shù)慕嵌?，以一個微控制器，驅(qū)動伺服電機，修改的位置，速度和加速度的能力的機器人。機器人手臂的測試和驗證，進行和結(jié)果表明，正常工作。關(guān)鍵詞：機器人手臂，低成本，設(shè)計，驗證，四自由度，伺服電機， Arduino的的機器人控制， Labview的機器人控制
目 錄
1引言 1
2機械設(shè)計 1
3機械手逆運動 6
4最終選擇效應(yīng) 6
5機械手的控制 7
5.1逆運動學控制 8
5.2 手動 9
6測試和驗證 10
7結(jié)果與討論 11
7.1伺服電機運動范圍 11
7.2 電流消耗 12
7.3 最大負載 12
7.4 最終位置 12
8 結(jié)論 13
參考文獻 14
1引言
機器人實際上是定義為研究，設(shè)計和使用機器人系統(tǒng)的制造[1]。機器人通常用于執(zhí)行不安全的，危險的，高度重復的，和單調(diào)的任務(wù)。它們具有許多不同的功能，如材料處理，組裝，電弧焊接，電阻焊接，機床的裝載和卸載功能，刷涂，噴涂等。主要有兩種不同類型的機器人：一個服務(wù)機器人以及工業(yè)機器人。服務(wù)機器人是機器人，工作半或完全自主地去履行服務(wù)，有用的福祉人類和設(shè)備，但不包括生產(chǎn)操作[2] 。工業(yè)用機器人，在另一方面，被正式通過ISO定義的自動控制和多用途可編程操縱器在三個或更多個軸[3]。工業(yè)機器人是移動的材料，零件，工具，或通過可變的程式動作的專門設(shè)備來執(zhí)行各種任務(wù)。工業(yè)機器人系統(tǒng)不僅包括工業(yè)機器人，但也能夠執(zhí)行其任務(wù)以及測序或監(jiān)視通信接口需要對機器人的任何設(shè)備和/或傳感器。2007年全球市場增長了3％，約114,000新安裝的工業(yè)機器人。截至2007年底，全國共有大約一萬個工業(yè)機器人的使用，估計有50,000服務(wù)機器人用于工業(yè)用途比較[3] 。由于增加使用工業(yè)機器人手臂，演變到該主題開始試圖模仿人類動作的細節(jié)模式。例如一組學生在韓國做創(chuàng)新的設(shè)計，為舞蹈的手，舉重，中國書法和顏色分類機械臂考慮[4] 。另一組工程師在美國開發(fā)八個自由度機械臂。該機器人是能夠把握多個對象與很多從筆形狀的一球，也模擬人類的手[5]。在空間上，航天飛機遙控器系統(tǒng)，被稱為SSRMS或Canadarm ，其繼任者是例子多度已經(jīng)用來執(zhí)行各種使用專門部署熱潮的任務(wù)，例如航天飛機的檢查自由機械臂有攝像頭和連接在末端執(zhí)行器和衛(wèi)星的部署和檢索演習從貨艙航天飛機傳感器[6] 。
在墨西哥，科學家們已經(jīng)上了軌道設(shè)計和發(fā)展許多機器人的手臂，墨西哥政府估計，在墨西哥有在不同的工業(yè)應(yīng)用中使用了大約11,000機械臂。不過，專家認為，機器人手臂的最高點，不僅質(zhì)量更高，而且準確，可重復性和粗短的成本。 大多數(shù)機器人都設(shè)置了一個操作的示教和重復技術(shù)。在這種模式下，一個訓練有素的操作者（編程器）通常使用的便攜式控制裝置（示教）手動教機器人的任務(wù)。在這些編程會話機器人的速度很慢。 目前的工作是一個兩階段的項目，這需要一個移動機器人能夠運送工具從存儲室到工業(yè)單元的一部分。在這個階段中的項目，該項目開展了在科技，墨西哥蒙特雷大學，主要的重點是設(shè)計， 制定和實施了工業(yè)機器人手臂粗短的成本，準確和優(yōu)越的控制。這個機器人手臂的設(shè)計采用四自由度和才華來完成簡單的任務(wù)，如光隊友里亞爾處理，這將被整合到移動平臺的形式，作為一個助理為工業(yè)勞動力。
2機械設(shè)計
機器人手臂的機械設(shè)計是基于一個機器人操作器具有類似功能的一個人的手臂[6-8]。這樣的操縱器的鏈接是由關(guān)節(jié)，允許旋轉(zhuǎn)運動和操縱器的鏈接被認為形成一個運動鏈連接。機械手的運動鏈的業(yè)務(wù)最終被稱為末端效應(yīng)器或臂端的 - 工具，它是類似于人的手。圖1顯示了自由體圖的機器人手臂的機械設(shè)計。
圖1 機械手的自由體圖
如圖所示，端部執(zhí)行器不包括在設(shè)計，因為市售的夾持器被使用。這是因為端部執(zhí)行器是系統(tǒng)中最復雜的部分之一，并且，反過來，這是很容易和經(jīng)濟地使用商業(yè)化生產(chǎn)它。 圖2示出了機器人手臂的工作區(qū)域。
圖2 機械手工作區(qū)域圖
這是一個機器人臂具有四個自由度（DOF 4）的典型的工作空間。機械設(shè)計僅限于4自由度，主要是因為，這樣的設(shè)計允許大部分必要的運動，并保持 成本和機器人競爭的復雜性。因此，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動被限制，其中旋轉(zhuǎn)的肩完成圍繞兩個軸和周圍只有一個在肘和手腕上，參見圖1。 機器人手臂的關(guān)節(jié)通常是由驅(qū)動的電氣馬達。伺服電動機被選擇，因為它們包括編碼器，它可以自動提供反饋給電動機并相應(yīng)地調(diào)整位置。但是， 這些電動機的缺點是轉(zhuǎn)動范圍小于180?跨度，從而大大減小了臂和可能的位置到達該區(qū)域的[9]。的基礎(chǔ)上，選定了伺服電機的資格 由結(jié)構(gòu)和可能的負載所需的最大扭矩。在目前的研究中，用于構(gòu)造的材料是丙烯酸樹脂。 圖3示出用于負載計算的力的圖。的計算均只對具有最大負荷關(guān)節(jié)，由于其他關(guān)節(jié)將具有相同的電機，即電機可以移動的鏈接沒有問題。計算考慮了權(quán)重 的電動機，約50克，除電機在關(guān)節(jié)B的重量，因為它是通過鏈接的BA。圖4示出了力示意圖上鏈路CB，它包含接頭（B和C）具有最高的負載（攜帶了該書的DC和ED）和計算如下進行。
圖3 機械手負載分布圖
圖4 CB段負載分布圖
用于扭矩計算的值：
WD= 0.011千克（體重鏈接的DE）
WC= 0.030千克（體重鏈接的CD）
WB= 0.030千克（體重鏈路的CB）
L = 1千克（負載）
CM = Dm為0.050公斤（重電機）
LBC為0.14米（公元前鏈路的長度）
液晶顯示屏為0.14米（鏈接的CD長度）
斯α= 0.05米（LINK DE的長度）
執(zhí)行力之和在Y軸，用負載，如圖4中，并求解CY和CB，見方程（1） - （4）。同樣，執(zhí)行的時刻周圍的點C的總和，式（5），和點B，方程
化（6），以獲得在C和B，等式（7）和（8），分別在轉(zhuǎn)矩。
（6）
（7）
（8）
該被選擇的基礎(chǔ)上，計算在伺服馬達，是Hextronik HX12K ，其具有280盎司/英寸的扭矩。該電動機被推薦，因為它比任何其他電機與同樣規(guī)格便宜得多。由于我們需要更大的扭矩在關(guān)節(jié)B，見公式（8） ，我們使用兩個電動機在點B處，以符合扭矩要求;然而，一個馬達是不夠的其它關(guān)節(jié)。采用兩臺電機的合資B比使用一個大電機560盎司/英寸便宜得多。
圖 5 伺服電機
可以在圖5中示出，其他有關(guān)的特征是，它們可以轉(zhuǎn)動60度，在130毫秒和它們有各自47.9克的重量。一旦被定義為機器人手臂和電機的初始尺寸，設(shè)計進行了使用SolidWorks平臺;設(shè)計應(yīng)仔細考慮丙烯酸類片材的厚度和該塊將被彼此連接的方式。用于使機器人的聚丙烯酸酯片材是1/8厚度和該薄片的選擇，因為它更容易加工和更輕的重量以良好的抗性。在設(shè)計過程中，我們面臨著由于強烈的加盟薄亞克力部分的方式有些困難。它是需要工具來燒，并加入丙烯酸零件和未提供的和球隊認為機械結(jié)基于螺釘和螺母會比其他的替代品，如膠如多強。為了做到這一點，一個小的特征，設(shè)計這允許緊固用螺母，螺栓，而不必在薄的丙烯酸層的螺絲。這個過程的結(jié)果是在圖6所示立體設(shè)計。
圖 6 機械手3D模型
按照設(shè)計的結(jié)束，每個部分被印在滿刻度的硬紙板，然后我們核實了所有尺寸和組件的接口。反過來，我們建立了機器人手臂的第一個原型。接著，上述機器人手臂的部件從使用圓鋸和皮膚的工具的聚丙烯酸酯片材進行機械加工。的詳細說明在各部分被做在一個專業(yè)工場因為機器人手臂的部分太小，這并不是一件容易的實現(xiàn)這種小而準確的切割。在組裝機器人部件的電機，幾個問題彈出。有報道說，沒有抵抗所述緊固，并且，反過來，可能會破裂的臨界點;因此，在這些點援軍進行了審議。機器人手臂的最終結(jié)果示于圖7。
圖 7 機械手總體裝配圖
3機械手逆運動
為了驗證機械臂的定位準確，逆運動學計算進行。這樣的計算來獲得每個電機從通過使用直角坐標系，
圖 8 坐標系
如圖8所示的位置上的角度各電動機將具有特定功能：位于A結(jié)合的位置的馬達，在y的最終元件軸，馬達B和C的位置在x和z軸的最后一個元件。該問題已經(jīng)通過使用xz平面簡化，如圖9在其下面的已知值被定義在[9] ：LAB ：前臂長度。LBC ：臂長。Z：在z軸上的位置。X：在x軸的位置。Y：在y軸的位置。利用三角關(guān)系，如圖9所示， θ2和θ1可以得到，如在方程（9）可見，（10）的馬達角度。
圖9 XZ平面
馬達B將使用θ1和馬達C被打算用θ2。的角度為馬達A的計算公式為EEN在等式（11）。通過這些計算，伺服電機的角度得到，從而他們采取的行動，整個結(jié)構(gòu)移動到特定位置。
4最終選擇效應(yīng)
端部執(zhí)行器可能是該系統(tǒng)的最重要和最復雜的部分之一。明顯的，它是非常容易和經(jīng)濟地使用商業(yè)人比構(gòu)建它。端部執(zhí)行器主要是根據(jù)應(yīng)用和機器人臂完成的任務(wù)而變化;它可以是氣動，電動或液壓。由于我們的機器人手臂是基于在電力系統(tǒng)中，我們可以選擇末端效應(yīng)器的電基礎(chǔ)。此外，本系統(tǒng)的主要應(yīng)用是處理，因此，我們的末端執(zhí)行器的推薦類型是一個夾持器，如圖10。
圖 10 夾持器與伺服
5機械手的控制
該機器人手臂能自動或手動控制。在手動模式下，訓練有素的操作人員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（示教）教一個機器人做手工任務(wù)。在機器人的速度這些編程會話是緩慢的。在目前的工作中，我們所包圍的兩種模式。一個微控制器，一個驅(qū)動器和一個臺電腦化用戶界面：三個層次的呈現(xiàn)機器人手臂的控制基本上由。該系統(tǒng)具有獨特的特點，允許靈活的編程和控制方法，它是利用逆實施運動學;此外它也可以在全手動模式下實現(xiàn)。控制的電子設(shè)計示于圖11。
圖11 控制器的電子方案
用微控制器是一個的Atmega 368 ，它有一個名為“ Arduino的”發(fā)展規(guī)劃板，如圖12 。
圖12 Arduino的微控制器板 圖13 伺服控制器驅(qū)動器
編程語言非常類似于C ，但包括幾個庫，幫助在I / O端口，定時器的控制和串行通信。該微控制器被選中因為它具有低的價格，這是很容易重新編程，該編程語言是簡單的，并且中斷可用于這個特定的芯片。所使用的驅(qū)動程序是一個六通道微大師伺服控制器板。它支持三種控制方式： USB直接連接到一臺計算機， TTL串口與嵌入式系統(tǒng)，如Arduino的微控制器和內(nèi)部腳本中使用自包含和主機無需控制器的應(yīng)用。這個控制器，如圖13所示，包括位置和內(nèi)置的速度和加速度控器0.25微秒分辨率
用戶界面取決于所使用的控制方法，即，逆運動學或全手動模式。在下文中，每個接口描述：
5.1逆運動學控制
在這種控制方法中，用戶輸入的坐標系統(tǒng)中的位置，其中夾爪應(yīng)。至于后果，接口與LabVIEW通過一個可視化的用戶生成的，如圖14
圖14 Labview的用戶界面
程序?qū)⒆詣訄?zhí)行逆運動學的計算，以得到每個電機應(yīng)具有的角度，然后發(fā)送一個命令要么到微控制器，或直接將機器人移動到指定的位置的驅(qū)動器。通信是通過RS- 232協(xié)議進行。在下文中，您可能會看到Labview的用戶界面的輸入和輸出。LabVIEW的用戶界面輸入：X軸位置。y軸的位置。Z軸位置。夾持器打開。叼紙牙攻角。串行端口。LabVIEW的用戶界面輸出是：
電機A角。
電機B1角度。
電機B2角度。
電機?角。
攻角。
姿勢角度
這樣的輸出變量進行處理，并通過適當?shù)姆绞桨l(fā)送的，這樣的信息可以在一個正確的方式來解釋。該輸出是通過其連通于控制器串行端口發(fā)送。當按鈕“移動”被點擊時，一個過程將發(fā)生，如圖15
圖15 程序流程
在圖15中，隨著這個動作，所述機器人臂將根據(jù)所輸入的值改變其位置。此外，它有一個待機按鈕，停止該通信控制器。
這種方法的主要優(yōu)點是，它使用移動的有效方法，并提供進一步的功能，可以實現(xiàn)，比如位置和順序?qū)W習。的缺點，另一方面，是使
具有有效的角度逆運動學計算之后可能的位置是非常有限的，因為伺服電機有180?一個約束。
5.2 手動
這種類型的控制是我們的系統(tǒng)，在特定的位置有用多了一種選擇。在強制的情況下持倉逆運動學模式不能計算其有效的角度，我們可以用手動控制來代替。
基本上，手動控制包括一系列模擬輸入，諸如電位器，一種是與這將解釋該值并發(fā)送一個命令到伺服驅(qū)動器的微控制器相連。為了實現(xiàn)這一點，一個控制板，如圖16
圖16 電位器板
應(yīng)該被構(gòu)建為一個接口與用戶的工作?？赡軐崿F(xiàn)包括教學功能，使微控制器存儲在內(nèi)存中，并通過鍵盤或系列交換機，我們可能還記得這些職位的職位。
6測試和驗證
若干測試是驗證該機器人臂和它的組件。測驗涉及的特定元件和整個系統(tǒng)的，如圖17所示。
圖17 機械手測試
微控制器測試是由軟件發(fā)送不同的命令給單片機，檢查這是連接到開啟或關(guān)閉取決于命令伺服電機的輸出發(fā)生變化。伺服電動機分別通過發(fā)送不同的直接脈沖到每個伺服電動機和驗證移動到合適的位置的響應(yīng)之后進行測試。我們使用的標記知道在哪里的初始位置是和最終電機的位置是通過與微控制器發(fā)送信號，并且，反過來，它是由伺服解釋和比較，由編碼器提供的信號，從而在旋轉(zhuǎn)到所需的位置來確定。在測試過程中，伺服電動機是因為不正確的極化的不一致性與機器人臂系統(tǒng)。 伺服電機驅(qū)動器中使用LabVIEW軟件發(fā)送命令到發(fā)送的特定命令其中有一臺電機連接根據(jù)稱道改變位置的驅(qū)動微控制器也測試。要注意到，在這一點很重要開始一個項目的不同的伺服電機驅(qū)動器被選中，但與他們和微控制器之間的通信幾個問題都存在。所以，我們選擇一個驅(qū)動器，允許數(shù)據(jù)被直接從計算機發(fā)送到它與只有一個USB線，所以，微控制器將僅在箱子的使用實現(xiàn)手動控制。其他測試，以驗證整個系統(tǒng)的功能，
圖 18 機器人手臂的動作
如顯示在圖18中通過引入在LabVIEW界面中的特定位置和測量，以驗證一個參考點和最后點之間的距離發(fā)生了那些測試：該從逆正確變換到正運動學，指定的角度和馬達的轉(zhuǎn)動之間的關(guān)系。機器人手臂的測試和驗證是需要細長時間，因為需要幾次迭代的任務(wù)之一。在我們的測試中，很多問題出現(xiàn)的：錯誤的角度計算，電機的錯誤校正，問題與物理角度和位置測量，因為這是沒有預料過載燒毀伺服電機之一。
7結(jié)果與討論
7.1伺服電機運動范圍
伺服電機的極限得到規(guī)范，因為這種類型的電機都包含有小于180度的跨度。實際范圍為所有電機被發(fā)現(xiàn)是在范圍125 - 142度，如表1所示的這清楚地表明，機器人手臂的實際操作是從機架的情況下不同。
表1 電機角的范圍
電動機 角度范圍
電機A 130?
電機B1 135?
電機B2 140?
電機? 142?
電機攻擊角度 125?
7.2 電流消耗
消耗電流取決于負載和機器人臂的運動的類型。在目前的研究中，有4個級別的電流消耗為：
? 低（從0到200 mA）。這種消費發(fā)生時，機器人處于靜止狀態(tài)（不運動的情況下）。
正常（從200到500 mA）。這件事發(fā)生時，機器人手臂移動與能力去目標沒有很大的扭矩需求。
高（500 mA到900毫安）。達到按賬面負載的開頭這個范圍。通過克服的慣性載荷的初始瞬間，在正常范圍內(nèi)發(fā)生的地方。
過電流（超過900 MA）。負荷太重，電機不能動彈。為在此條件下被用于多于一分鐘，將馬達燒毀，也就是說，它是不可能使用的任何多
7.3 最大負載
這些結(jié)果是用不同的權(quán)重得到的;一袋玉米被用于與規(guī)模來決定包的體重。結(jié)果進行了使用機器人手臂拿起袋子，并將其移動到特定位置。表2presents的電流消耗袋玉米的不同權(quán)重。從表2中可以看出，該機器人可在負載沒有問題的移動超過50克以下。在負載60克，機器人手臂開始有困難，并通過80克后發(fā)生嚴重的情況，其中憤怒可逆的損害可發(fā)生在馬達。
7.4 最終位置
結(jié)果表明，該機器人臂的精度移動至不同的重量（<50克），結(jié)果列于表3 ，如圖所示，在機器人手臂能夠執(zhí)行移動到指定的位置。然而，這種移動不平滑，有時馬達沒有足夠的力，尤其是當負載很重。此外，一些問題可能會由于同步兩個底部的電機。兩個電機的步驟是不重合而引起的丙烯酸部位張力，這在箱子被過多會破壞的部分。
表2 負載與電流消耗
空載 電流損耗
20克 低
40克 正常
50克 正常
60克 高
80克 過流
100克 過流
表3 精度上的所有軸
軸 精度（ + / - ）
× 1厘米
? 2厘米
? 1厘米
8 結(jié)論
本文介紹了機器人手臂，具有天賦太一，plish簡單的任務(wù)，如光材料處理的設(shè)計，開發(fā)和實施。機器人手臂的設(shè)計和建造從那里伺服電機被用來進行武器之間的聯(lián)系和執(zhí)行的手臂動作亞克力材質(zhì)。伺服電機編碼器包括使沒有控制器實施;然而，電機的轉(zhuǎn)動范圍小于180°范圍，從而大大減小了臂和可能的位置到達該區(qū)域。機器人手臂的設(shè)計，因為這是有限的四個自由度設(shè)計允許大多數(shù)必要的運動和保持成本和機器人競爭的復雜性。末端執(zhí)行器是不包括在設(shè)計，因為市售的夾持器使用，因為它是更容易和經(jīng)濟地使用商業(yè)1比生成它。在設(shè)計過程中，我們面臨著由于強烈的加盟薄亞克力部分的方式有些困難。根據(jù)螺釘和螺母的機械連接點被使用，并且，為了實現(xiàn)這一點，一個小的特征，設(shè)計這使與緊固螺母螺栓，而無需在薄亞克力層螺旋。到控制的機器人手臂，三種方法被執(zhí)行：一個微控制器，一個驅(qū)動器，和一個基于計算機的用戶界面。該系統(tǒng)具有獨特的特點，允許在編程和控制方法的靈活性，它利用逆運動學實施;是 - 兩側(cè)也有可能是在全手動模式下實現(xiàn)。這個機器人手臂是與他人的對比作為多比現(xiàn)有機器人手臂更便宜，還可以控制所有從一臺計算機的動作，使用Labview的接口。數(shù)進行測試，以驗證上述機器人手臂其中睪丸不但涉及特定元素和整個系統(tǒng);在不同的操作條件下的結(jié)果顯示信任的機器人手臂呈現(xiàn)的。
參考文獻
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湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
碼垛機械手的設(shè)計
DESIGN OF THE AUTOMATIC MANIPULATOR FOR PALLETIZING
學生姓名： 劉 皝
學 號： 200741914209
年級專業(yè)及班級： 2007級機械設(shè)計制造及其自動化(2)班
指導老師及職稱： 陳文凱 副教授
湖南·長沙
提交日期：20 年 月
湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院全日制普通本科生
畢業(yè)設(shè)計誠信聲明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
年 月 日
湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院畢業(yè)論文（設(shè)計）開題論證審批表
學生姓名
劉皝
學號
200741914209
年級專業(yè)及班級
2007級機械設(shè)計制造及其自動化(2)班
指導教師及職稱
?陳文凱 副教授
開題時間
畢業(yè)論文（設(shè)計）題目
碼垛機械手的設(shè)計
文獻綜述（選題研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、主要參考文獻等）
在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：
一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度
應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
二、以改善勞動條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。
在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。
綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。
國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢:
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用
主要參考文獻:
[1]張建民.工業(yè)機器人.北京理工大學出版社，1988
[2]蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術(shù)，2001, 4
[3]Krzystof Mianowski ,Simple and very low cost remote systems for tele-manipulation，1996
[4]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.機器人技術(shù)與應(yīng)用 ， 2001, 2
[5]陶湘廳,袁銳波.氣動機械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景；2007 - 05 – 16
[6]王積偉，章宏甲.液壓與氣壓傳動（第二版）．機械工業(yè)出版社，2005
注：此表如不夠填寫，可另加頁。
研究方案（研究目的、內(nèi)容、方法、預期成果、條件保障等）
研究目的：通過對碼垛機械手的研究設(shè)計了解氣動機械手的工作原理
內(nèi)容：1碼垛機械手的工作原理與發(fā)展前景
2對機械手進行總體方案設(shè)計，確定了機械手的技術(shù)參數(shù)
方法：文獻資料法，經(jīng)驗法，計算法
預期成果：通過老師悉心指導設(shè)計出碼垛機械手
條件保障：四年大學理論知識累積，老師悉心指導，計算機輔助軟件，圖書館資料
時間進程安排（各研究環(huán)節(jié)的時間安排、實施進度、完成程度等）
2010.9.15～2010.9.18 選題
2010.9.19～2010.9.21 下達任務(wù)書
2010.9.22～2010.9.25 開題
2010.9.26～2011.4.15 設(shè)計
2011.04.15～2010.04.30 完善與總結(jié)課題
2011.04.30～2011.05.10 提交正稿與指導教師評閱
開題論證小組意見
組長簽名：
年?? 月?? 日
專業(yè)委員會意見
專業(yè)教研室主任簽名：
年 月 日
注：此表意見欄必須由相應(yīng)責任人親筆填寫。
湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院畢業(yè)論文（設(shè)計）開題論證記錄
學 部： 理工學部
學生姓名
劉皝
學 號
200741914209
年級專業(yè)及班級
2007級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)(2)班
指導教師姓名
陳文凱
指導教師職稱
副教授
畢業(yè)論文（設(shè)計）題目
碼垛機械手的設(shè)計
論證小組質(zhì)疑及指導意見
學生回答簡要記錄
論證小組
成員簽名
記錄人簽名： 論證時間： 2011 年 月 日
湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院畢業(yè)論文（設(shè)計）成績評定冊
學生姓名
劉皝
學號
200741914209
年級專業(yè)及班級
2007級機械設(shè)計制造及其自動化(2)班
指導教師及職稱
陳文凱 副教授
畢業(yè)論文（設(shè)計）題目
碼垛機械手的設(shè)計
完成時間
20??? 年? 月? 日
答辯時間
20??? 年? 月? 日
摘要：本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，氣動技術(shù)的特點及國內(nèi)外的發(fā)展狀況。
本文對機械手進行總體方案設(shè)計，確定了機械手的技術(shù)參數(shù)。同時，設(shè)計計算了機械手的升降臂和回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機械手的手部結(jié)構(gòu)。
本文系統(tǒng)地研究了機械手的氣動系統(tǒng)，對氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)進行了了解，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。
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關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；機械手；氣動
答辯資格審查意見：
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專業(yè)委員會主任簽名：
20????? 年??? 月??? 日
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指導教師評語：
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評閱教師評語：
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評閱教師建議成績：?????????????? 評閱教師簽名：
年??? 月??? 日
答辯小組評語：
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成績評定
綜合成績（百分制）：????????????? 分
折合五級記分制成績：
答辯委員會審查意見：
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答辯委員會主任簽名：
年??? 月??? 日
成績評定說明：①畢業(yè)論文（設(shè)計）的成績評定采用綜合加權(quán)評分的辦法，按指導教師評分占30%、論文評閱人評分占30%和答辯小組評分占40%計算出百分制的綜合成績，并根據(jù)綜合成績確定相應(yīng)五級記分制等級。②系部答辯委員會對畢業(yè)論文（設(shè)計）的預評、評閱、答辯成績進行審查，對評定等級為優(yōu)秀或不及格以及答辯評分中有爭議的論文（設(shè)計）要進行重點審核，最終確定成績。③指導教師、評閱教師、答辯小組應(yīng)分別嚴格按《湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院畢業(yè)論文（設(shè)計）評分標準》中的相應(yīng)標準客觀、公正賦分。④本表一式二份，一份進入學生個人檔案，一份存學院檔案室。
目 錄
摘要 1
關(guān)鍵詞 1
1 前言 2
1.1 工業(yè)機械手的概述 2
1.2 機械手的組成及分類 3
1.2.1 機械手的組成 3
1.2.2 機械手的分類 3
1.3 PLC與觸摸屏概述 5
1.4 國內(nèi)外發(fā)展狀況 5
1.5 課題研究內(nèi)容 6
1.5.1 課題的提出 6
1.5.2 課題的主要任務(wù) 7
2 機械手的設(shè)計方案 8
2.1 機械手主要類型和自由度的選擇 8
2.2 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計 8
2.3 機械手的控制方案設(shè)計 9
2.4 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 9
2.5 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 9
2.6 機械手的主要參數(shù) 9
2.7 機械手的技術(shù)參數(shù)列 9
3 手部結(jié)構(gòu)的選擇，手臂伸縮，升降，回旋氣缸的設(shè)計與校核 10
3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 10
3.1.1 手指的形狀和分類 10
3.1.2 設(shè)計時注意的問題 11
3.2 升降機的尺寸設(shè)計與校核和伸縮缸的選擇 11
3.2.1 氣缸的分類 11
3.2.2 升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核 13
3.2.3 伸縮缸的選擇 19
3.3 回旋氣缸的尺寸設(shè)計與校核 19
4 氣動系統(tǒng)設(shè)計 22
5 結(jié)論 23
參考文獻 23
致謝 23
碼垛機械手的設(shè)計
摘 要：本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，氣動技術(shù)的特點及國內(nèi)外的發(fā)展狀況。本文對機械手進行總體方案設(shè)計，確定了機械手的技術(shù)參數(shù)。同時，設(shè)計計算了機械手的升降臂和回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機械手的手部結(jié)構(gòu)。本文系統(tǒng)地研究了機械手的氣動系統(tǒng)，對氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)進行了了解，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；機械手；氣動
Design of the Automatic Manipulator for Palletizing
Abstract: This paper briefly introduces the concept of industrial robots, composition and classification of the manipulator, the characteristics of pneumatic technology development status of home and abroad. This paper makes an overall design of manipulator, determine the technical parameters of manipulator. Meanwhile, design and calculation of the manipulator lifting arm and rotating arm structure, design of manipulator hand structure. The paper systematically studies the manipulator of pneumatic system, pneumatic system working principle diagram and parameters of understanding, greatly improving the efficiency of drawing and drawings quality.
Key words: industrial robot;manipulator; pneumatic
目 錄
摘要 1
關(guān)鍵詞 1
1 前言 2
1.1 工業(yè)機械手的概述 2
1.2 機械手的組成及分類 3
1.2.1 機械手的組成 3
1.2.2 機械手的分類 3
1.3 PLC與觸摸屏概述 5
1.4 國內(nèi)外發(fā)展狀況 5
1.5 課題研究內(nèi)容 6
1.5.1 課題的提出 6
1.5.2 課題的主要任務(wù) 7
2 機械手的設(shè)計方案 8
2.1 機械手主要類型和自由度的選擇 8
2.2 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計 8
2.3 機械手的控制方案設(shè)計 9
2.4 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 9
2.5 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 9
2.6 機械手的主要參數(shù) 9
2.7 機械手的技術(shù)參數(shù)列 9
3 手部結(jié)構(gòu)的選擇，手臂伸縮，升降，回旋氣缸的設(shè)計與校核 10
3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 10
3.1.1 手指的形狀和分類 10
3.1.2 設(shè)計時注意的問題 11
3.2 升降機的尺寸設(shè)計與校核和伸縮缸的選擇 11
3.2.1 氣缸的分類 11
3.2.2 升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核 13
3.2.3 伸縮缸的選擇 19
3.3 回旋氣缸的尺寸設(shè)計與校核 19
4 氣動系統(tǒng)設(shè)計 22
5 結(jié)論 23
參考文獻 23
致謝 23
1 前言
1.1 工業(yè)機械手的概述
工業(yè)機器人是能模仿人體某些器官的功能(主要是動作功能)、有獨立的控制系統(tǒng)、可以改變工作程序和編程的多用途自動操作裝置。工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。 “機器人”一詞出自捷克文，意為勞役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小說家、劇作家恰佩克在他寫的科學幻想戲劇《羅素姆萬能機器人》中第一次使用了機器人一詞。此后被歐洲各國語言所吸收而成為專門名詞。20世紀50年代末，美國在機械手和操作機的基礎(chǔ)上，采用伺服機構(gòu)和自動控制等技術(shù)，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人； 60年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用；1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達國家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機器人。由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有 3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；圓柱坐標型工業(yè)機器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。工業(yè)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是以穿孔卡、穿孔帶或磁帶等信息載體，輸入已編好的程序。示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動執(zhí)行機構(gòu)，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應(yīng)、自學習功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動完成更為復雜的工作[1]。
1.2 機械手的組成及分類
1.2.1 機械手的組成
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。如下示意圖1.
圖1 機械手示意圖
Fig. 1 Manipulator schemes
1.2.2 機械手的分類
工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)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。
(一)按用途分
機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:
1、專用機械手
專用機械手是附屬于主機的、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)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手等。
2、通用機械手
通用機械手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。格性能范圍內(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(guān)”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制，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。
(二)按驅(qū)動方式分
(1)液壓傳動機械手
液壓傳動機械手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。
(2)氣壓傳動機械手
氣壓傳動機械手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。
(3)機械傳動機械手
機械傳動機械手即由機械傳動機構(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。
(4)電力傳動機械手
電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)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。
(三)按控制方式分
(1)點位控制
點位控制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。
(2)連續(xù)軌跡控制
連續(xù)軌跡控制的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)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)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。
1.3 PLC與觸摸屏概述
PLC(Programmable Logical Controller) 通常稱為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，由于它擁有體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、維護方便等優(yōu)點，特別是它適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，使它的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱(即PLC、機器人和CAD/CAM)之一。
人機界面是在操作人員和機器設(shè)備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時可能變化信息的多功能顯示屏幕。隨著機械設(shè)備的飛速發(fā)展，以往的操作界面需由熟練的操作員才能操作，而且操作困難，無法提高工作效率。但是使用人機界面能夠明確指示并告知操作員機器設(shè)備目前的狀況，使操作變的簡單生動`，并且可以減少操作上的失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個機器設(shè)備。使用人機界面還可以使機器的配線標準化、簡單化，同時也能減少PLC控制器所需的I/O點數(shù)，降低生產(chǎn)的成本同時由于面板控制的小型化及高性能，相對的提高了整套設(shè)備的附加價值。
觸摸屏作為一種新型的人機界面，從一出現(xiàn)就受到關(guān)注，它的簡單易用，強大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于工業(yè)環(huán)境，甚至可以用于日常生活之中，應(yīng)用非常廣泛，比如:自動化停車設(shè)備、自動洗車機、天車升降控制、生產(chǎn)線監(jiān)控等，甚至可用于智能大廈管理、會議室聲光控制、溫度調(diào)整。
隨著科技的飛速發(fā)展，越來越多的機器與現(xiàn)場操作都趨向于使用人機界面， PLC控制器強大的功能及復雜的數(shù)據(jù)處理也呼喚一種功能與之匹配而操作又簡便的人機的出現(xiàn)，觸摸屏的應(yīng)運而生無疑是21世紀自動化領(lǐng)域里的一個巨大的革新。
1.4 國內(nèi)外發(fā)展狀況
國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:
(1) 工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。
(2) 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
(3) 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
(4) 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
(5) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
(6) 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例[2]。
1.5 課題研究內(nèi)容
1.5.1 課題的提出
現(xiàn)在的機械手采用液壓傳動的，液壓傳動存在以下幾個缺點:
(1) 液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。
(2) 工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。
(3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。
(4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動，
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，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題.
(2) 阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠距離輸送。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，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、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、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，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為: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，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。
由“可編程序控制器- 傳感器- 氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動元件, 使氣動技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC, 而閥島技術(shù)的發(fā)展, 又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應(yīng)手。
1.5.2 課題的主要任務(wù)
(1) 進行氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設(shè)計；
(2) 對氣動機械手氣路了解，進行關(guān)鍵部件的研究，完成氣動閥座零件圖。
(3) 設(shè)計氣動機械升降臂回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進行關(guān)鍵部件的設(shè)計計算；完成氣動機械手升降臂結(jié)構(gòu)裝配圖、氣動機械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)裝配圖。
設(shè)計的氣動機械手伸縮行程為200mm，上下行程為300mm，旋轉(zhuǎn)180度；抓握零件重量150N 。
2 機械手的設(shè)計方案
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(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。設(shè)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(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(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)計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種模擬大中型場合工作的機械搬運設(shè)備?？梢愿淖儎幼鞒绦虻淖詣影徇\或操作設(shè)備，操作頻繁的生產(chǎn)場合。在發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關(guān)驅(qū)動器之間的運動的同時，還要完成編程、示教/再現(xiàn)以及其他環(huán)境狀況（傳感器信息）、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作，使各關(guān)節(jié)能按預定運動規(guī)律運動。
2.1 機械手主要類型和自由度的選擇
手臂的機構(gòu)基本上決定了操作機的工作空間范圍，按機械手手臂運動的不同運動的坐標形式和形態(tài)來進行分類，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關(guān)節(jié)式。（1）直角坐標型具有三個移動關(guān)節(jié)（PPP），可使手部產(chǎn)生三個互相垂直的獨立位移。由于其運動方程可獨立處理，且為線性的，具有定位精度高，控制簡單等特點，但操作靈活性較差，運動速度低的特點。（2）圓柱坐標型具有兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（PPR），受部的坐標為(z，r，θ)。這種操作機的優(yōu)點是所占的空間尺寸較小，相對工作范圍較大，結(jié)構(gòu)簡單，手部可獲得較高的速度。而缺點是手部外伸離中心軸愈遠，其切向線位移分辨精度愈低。通常用于搬運機器人。（3）球座標型具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)（RRP），優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間尺寸小，但目前應(yīng)用較少。（4）關(guān)節(jié)型是模擬人的上肢而構(gòu)成的。它具有三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（RRR），可繞鉛垂軸轉(zhuǎn)動和繞兩個平行于水平面的軸轉(zhuǎn)動。具有結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積少，相對工作空間大等特點，用于復雜設(shè)備當中。
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，在操作機中主動關(guān)節(jié)的數(shù)目應(yīng)等于操作機的自由度，因此，采用圓柱座標型式，相應(yīng)的機械手具有三個自由。
2.2 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計
由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)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。本系統(tǒng)采用南通大學的WQK-III電子氣動控制系統(tǒng)實驗臺實現(xiàn)對機械手的控制。
2.3 機械手的控制方案設(shè)計
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。本機械手采用了西門子S7-200的PLC（CPU 224CN）進行編程控制。
2.4 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案確定
為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)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。本文設(shè)計的機械手所夾的工件為棒料（可以是鑄鐵，也可以是鋼），伸縮行程為200mm，上下行程為300mm。
2.5 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。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臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。手臂的伸縮、升降運動由伸縮氣缸來實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)由回轉(zhuǎn)氣缸實現(xiàn)。
2.6 機械手的主要參數(shù)
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(yīng)該太重，查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計擬訂設(shè)計要求抓取的工件質(zhì)量為150N。
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(shè)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(shè)計為1.0m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為。平均移動速度為0.8 m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為。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關(guān)，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(shè)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(shè)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 200mm，最大工作半徑約為450mm。手臂升降行程定為300mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。
2.7 機械手的技術(shù)參數(shù)列表
一、用途:
用于數(shù)控機床上下料機械手，減輕生產(chǎn)勞動強度，提高生產(chǎn)效率。
二、設(shè)計技術(shù)參數(shù)
1、抓重：150N
2、自由度數(shù)：3個自由度
3、座標型式：圓柱座標
4、最大工作半徑：450mm
5、手臂運動參數(shù)
伸縮行程200mm，負載230N
伸縮速度
升降行程300mm，負載300N
升降推出速度，升降縮回推出速度
回轉(zhuǎn)范圍，負載22KG
回轉(zhuǎn)速度
6、定位方式
行程開關(guān)
7、定位精度
8、驅(qū)動方式
氣壓傳動
9、控制方式
點位程序控制(采用PLC)
3 手部結(jié)構(gòu)的選擇，手臂伸縮，升降、回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計與校核
為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料、鑄鐵或者鋼時，使用夾持式手部。
3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)
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。
3.1.1 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(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)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(yīng)不同直徑的工件。
3.1.2 設(shè)計時注意的問題
(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)保證工件準確定位
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(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(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)機械手的工作需要，通過比較，我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(shè)計成V型。
3.2 升降缸的尺寸設(shè)計與校核和伸縮缸的選擇
3.2.1 氣缸的分類
普通氣缸的結(jié)構(gòu)組成見圖2。主要由前蓋、后蓋9、活塞6、活塞桿4、缸筒5 其他一些零件組成。
圖2普通氣缸的結(jié)構(gòu)組成
Fig. 2 Common cylinder structure
1—組合防塵圈；2—前端蓋；3—軸用YX密封圈；4—活塞桿；5—缸筒；
6—活塞；7—孔用YX密封圈；8—緩沖調(diào)節(jié)閥；9—后端蓋
1-combination dustproof loops; 2-former cover; 3-shaft seal ring with YX; 4-piston rod; 5-cylinder; 6-detroit; 7-hole YX seals with; 8-buffer regulator; 9-cover
氣缸的種類很多。一般按壓縮空氣作用在活塞面上的方向、結(jié)構(gòu)特征和安裝方式來分類。
氣缸的類型
(1)單作用氣缸
柱塞式氣缸：壓縮空氣只能使柱塞向一個方向運動；借助外力或重力復位
活塞式氣缸：壓縮空氣只能使活塞向一個方向運動；借助外力或重力復位（或借助彈簧力復位；用于行程較小場合）
薄膜式氣缸：以膜片代替活塞的氣缸。單向作用；借助彈簧力復位；行程短；結(jié)構(gòu)簡單，缸體內(nèi)壁不須加工；須按行程比例增大直徑。若無彈簧，用壓縮空氣復位，即為雙向作用薄膜式氣缸。行程較長的薄膜式氣缸膜片受到滾壓，常稱滾壓（風箱）式氣缸。
(2)雙作用氣缸
普通氣缸：利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運動，活塞行程可根據(jù)實際需要選定，雙向作用的力和速度不同
雙活塞桿氣缸：壓縮空氣可使活塞向兩個方向運動，且其速度和行程都相等
不可調(diào)緩沖氣缸：設(shè)有緩沖裝置以使活塞臨近行程終點時減速，防止沖擊，緩沖效果不可調(diào)整
可調(diào)緩沖氣缸：緩沖裝置的減速和緩沖效果可根據(jù)需要調(diào)整
(3)特殊氣缸
差動氣缸：氣缸活塞兩端有效面積差較大，利用壓力差原理使活塞往復運動，工作時活塞桿側(cè)始終通以壓縮空氣
雙活塞氣缸：兩個活塞同時向相反方向運動
多位氣缸：活塞桿沿行程長度方向可在多個位置停留，圖示結(jié)構(gòu)有四個位置
串聯(lián)氣缸：在一根活塞桿上串聯(lián)多個活塞，可獲得和各活塞有效面積總和成正比的輸出力
沖擊氣缸：利用突然大量供氣和快速排氣相結(jié)合的方法得到活塞桿的快速沖擊運動，用于切斷、沖孔、打入工件等
數(shù)字氣缸：將若干個活塞沿軸向依次裝在一起，每個活塞的行程由小到大，按幾何級數(shù)增加
回轉(zhuǎn)氣缸：進排氣導管和導氣頭固定而氣缸本體可相對轉(zhuǎn)動。用于機床夾具和線材卷曲裝置上
伺服氣缸：將輸入的氣壓信號成比例地轉(zhuǎn)換為活塞桿的機械位移。用于自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。撓性氣缸缸筒由撓性材料制成，由夾住缸筒的滾子代替活塞。用于輸出力小，占地空間小，行程較長的場合，缸筒可適當彎曲
鋼索式氣缸：以鋼絲繩代替剛性活塞桿的一種氣缸，用于小直徑，特長行程的場合
(4)組合氣缸
增壓氣缸：活塞桿面積不相等，根據(jù)力平衡原理，可由小活塞端輸出高壓氣體
氣-液增壓缸：液體是不可壓縮的，根據(jù)力的平衡原理，利用兩兩相連活塞面積的不等，壓縮空氣驅(qū)動大活塞，小活塞便可輸出相應(yīng)比例的高壓液體
氣-液阻尼缸：利用液體不可壓縮的性能及液體流量易于控制的優(yōu)點，獲得活塞桿的穩(wěn)速運動
3.2.2 升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核
(1)活塞桿上輸出力和缸徑的計算
本課題中采用的是雙作用氣缸,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.活塞左行時活塞桿產(chǎn)生推力塞右行時產(chǎn)生拉力F2[5]
- （1）
（2）
式中 活塞桿的推力(N);
活塞桿的拉力(N);
L活塞直徑(m);
d活塞桿直徑(m);
p氣缸工作壓力(Pa);
氣缸工作總阻力(N);
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,則計入載荷率后[5]
（3）
（4）
計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特征.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。根據(jù)要求本次設(shè)計中,我們?nèi)??；钊麠U拉力為克服機械手的負載所用的力為300N
由式（3，4）可求得氣缸直徑D。
當推力作功時[5]
D= （5）
D= （6）
用式（6）計算時，活塞桿d可根據(jù)氣缸拉力預先估定，詳細計算見活塞的計算。估定活塞桿直徑可按 =0.2-0.3，計算（必要時也可取=0.16-0.4,）。若將=0.16-0.4代入式（6），則可得
D=(1.01——1.09) （7）
=1.05×
=3cm
式中系數(shù)在缸徑較大時取小值，缸徑較小時取大值。
以上公式計算出的氣缸內(nèi)徑D應(yīng)圓整為標準值。參考表1得D=32mm
根據(jù)=0.2-0.3可估算得
d=0.25×32mm
=8mm
表1 缸筒內(nèi)徑系列
Tab.1 cylinder diameter series （mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
(90)
100
(110)
125
(140)
160
(180)
200
(220)
250
320
400
500
630
注：無括號的數(shù)值為優(yōu)先選用者
表 2 活塞桿直徑系列
Tab.2 the diameter of piston rod series （mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
（2）活塞桿的計算
1）按強度條件計算 當活塞桿的長度L較小時（L≤10d），可以只按強度條件計算活塞桿直徑d[5]
d≥ （8）
式中 氣缸的推力（N）；
活塞桿材料的許用應(yīng)力(Pa),
材料的抗拉強度（Pa）；
S安全系數(shù)，S≥1.4。`
按縱向彎曲極限力計算 氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當縱向力達到極限力以后，活塞桿會產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。[5]
當長細比 ≥時
（9）
當長細比 時
（10）
式中 L活塞桿計算長度（m），見表3
K活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，
實心桿K=
空心桿 K=/4
I活塞桿橫截面慣性矩，
實心桿 I=
空心桿I=
空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）；
活塞桿截面積
實心桿
空心桿
n系數(shù)，見表3
E材料彈性模量，對鋼取E=2.1×Pa
f材料強度實驗值，對鋼取f=49×Pa
a系數(shù)，對鋼取a=1/5000
安裝方式為鉸支---鉸支,根據(jù)表3得知取n=1,由于活塞桿長度L=350mm(行程為300mm),活塞桿桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑(實心桿)[5]
K==2×
所以長細比
所以
=98000N
若縱向推力載荷（總載荷）超過極限力，就應(yīng)采取相應(yīng)措施。在其他條件（行程、安裝方式）不變的前提下，多以加大活塞桿直徑d來解決。
表 3 活塞桿計算長度L及系數(shù)n
Tab. 3 Piston rod calculation length L and coefficient n
n
安裝方式
n
續(xù)表3
安裝方式
(3)缸筒壁厚的計算
缸筒直接承受壓力，需有一定的厚度。由于一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比 ，所以通常可以按薄壁筒公式計算[5]
δ=
式中 δ氣缸筒的壁厚（m）；
D氣缸筒內(nèi)徑（缸徑）（m）；
δ氣缸試驗壓力，一般取
P氣缸工作壓力（Pa）；
缸筒材料許用應(yīng)力（Pa）；
材料抗拉強度（Pa）；
S安全系數(shù)，一般取S=6——8
常用缸筒材料有：鑄鐵HT150或HT200等，其Q235A鋼管、20鋼管，其鋁合金ZL3，其；45鋼，其
本氣缸選用45號缸, ，其[5]
所以
δ=
=0.0096
常用計算出的缸筒壁厚都相當薄，但考慮到機械加工，缸筒兩端要安裝缸蓋等需要，往往將氣缸筒壁厚作適當加厚，且盡量選用標準內(nèi)徑和壁厚的鋼管和鋁合金管。表3-4 所列缸筒壁厚值可供參考。因加工等原因如表3-4選δ=5 mm.
表4 氣缸筒壁厚
Tab. 4 Cylinder hollow thick (mm)
材料
氣缸直徑
鑄鐵HT150
50
80
100
125
160
200
250
320
壁 厚
7
8
10
10
12
14
16
16
鋼Q235A、45、20號無縫管
5
6
7
7
8
8
10
10
鋁合金ZL3
8--12
12--14
14--17
3.2.3 伸縮缸的選擇
根據(jù)機械手的總體的受力為230N,伸縮缸的選擇可以和升降缸使用相同的尺寸，只是行程為200mm。
3.3 回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核
1、工件的轉(zhuǎn)動慣量計算 L=
R=25＞8?
J的計算取R＞8?情況下的公式，查表5可知，按圓柱體計算：
J==1.36kg
2、手部的轉(zhuǎn)動慣量計算
根據(jù)手部結(jié)構(gòu)，查表5可知，按長方體計算。
因為，m手部總=15（kg）
表 5 零件幾何圖形對照表
Tab. 5 Parts geometry cross-references
序號
零件
幾何圖形
計算公式
備注
1
細直桿
m=
重力加速度
2
薄圓盤
3
圓柱體
當R<時，可按細直桿計算；當l<時，可按薄圓盤計算，誤差不超過5%
續(xù)表5
4
圓形環(huán)
()
()
5
圓形管
()
()
當l
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