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摘 要
機(jī)械手是一種機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品。采用機(jī)械手是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條 件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期、頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的；此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題的主要內(nèi)容是采用機(jī)械設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行三自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，熟悉三自由度機(jī)械手的運(yùn)用場(chǎng)合和相關(guān)的設(shè)計(jì)步驟。機(jī)械手可以代替很多重復(fù)性的體力勞動(dòng)，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合三自由度設(shè)計(jì)的各方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)會(huì)怎樣發(fā)現(xiàn)問(wèn)題．解決問(wèn)題.研究問(wèn)題。并且在設(shè)計(jì)中融入自己的想法和構(gòu)思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機(jī)械手使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，輸送工件，搬運(yùn)，三自由度
ABSTRACT
Manipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.
This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three dof carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.
Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom.
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
目 錄
第1章 緒論 - 1 -
1.1 機(jī)械手的歷史與發(fā)展 - 1 -
1.1.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介 - 1 -
1.1.2 世界機(jī)器人的發(fā)展 - 1 -
1.2 機(jī)械手的組成 - 3 -
1.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) - 3 -
1.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) - 3 -
1.2.3 控制機(jī)構(gòu) - 4 -
1.3 機(jī)械手的分類 - 4 -
第2章 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì) - 7 -
2.1 基本設(shè)計(jì)思路 - 7 -
2.1.1 系統(tǒng)分析 - 7 -
2.1.2 總體設(shè)計(jì)框圖 - 7 -
2.2 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 8 -
2.2.1 搬運(yùn)機(jī)械手坐標(biāo)形式的選擇 - 8 -
2.3 機(jī)械手材料的選擇 - 8 -
2.4 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 - 9 -
2.5 搬運(yùn)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)分析 - 9 -
2.5.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 - 9 -
2.5.2 控制系統(tǒng)的選擇 - 10 -
第3章 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 - 11 -
3.1 搬運(yùn)機(jī)械手手爪設(shè)計(jì) - 11 -
3.2 搬運(yùn)機(jī)械手手臂設(shè)計(jì) - 11 -
3.2.1 伸縮機(jī)械臂的設(shè)計(jì) - 11 -
3.2.2 升降機(jī)械臂的設(shè)計(jì) - 12 -
3.2.3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) - 14 -
3.2.4 臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 - 14 -
3.2.5 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 - 15 -
3.3 手部設(shè)計(jì)計(jì)算 - 15 -
3.4 腕部設(shè)計(jì)計(jì)算 - 19 -
3.5 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 21 -
第4章 搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 25 -
4.1 PLC簡(jiǎn)介 - 25 -
4.2 PLC工作原理 - 25 -
4.3 PLC機(jī)型的選擇 - 25 -
- - 1 - -
4.3.1 PLC機(jī)型的選擇 - 25 -
4.3.2 所選PLC的參數(shù) - 26 -
4.4 PLC控制面板的擬定 - 27 -
4.5 機(jī)械手工藝過(guò)程和控制方案的確定 - 29 -
4.5.1 明確工藝要求 - 29 -
4.5.2 確定工藝流程 - 29 -
4.5.3 傳感器選擇 - 31 -
4.5.4 確定I/O點(diǎn)數(shù) - 31 -
4.6 PLC程序編寫(xiě) - 31 -
4.6.1 總體程序設(shè)計(jì)思路 - 31 -
4.6.2 手動(dòng)程序的編寫(xiě) - 33 -
4.6.3 復(fù)位程序的編寫(xiě) - 34 -
4.6.4 自動(dòng)控制程序的編寫(xiě) - 36 -
結(jié)論與展望 - 39 -
參 考 文 獻(xiàn) - 41 -
致 謝 - 43 -
- 1 -
第1章 緒論
1.1 機(jī)械手的歷史與發(fā)展
1.1.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介
幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動(dòng)中解脫出來(lái)。如古希臘神話《阿魯哥探險(xiǎn)船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說(shuō)中所說(shuō)的泥土巨人等等，這些優(yōu)美的神話時(shí)刻激勵(lì)著人們一定要把優(yōu)美的神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，早在兩千年前就開(kāi)始出現(xiàn)了自動(dòng)木人和一些簡(jiǎn)單的機(jī)械木偶人。
到了近代 ，機(jī)器人這一詞語(yǔ)的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入平常的百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、可重復(fù)編程、自動(dòng)控制、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上的代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種模擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程的產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。
所以就有了就有了很多國(guó)家地區(qū)制造出來(lái)工業(yè)機(jī)器人，而如今我設(shè)計(jì)的題目就是機(jī)器人的一個(gè)簡(jiǎn)單部位-------機(jī)械手！
1.1.2 世界機(jī)器人的發(fā)展
國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：
（1） 工業(yè)機(jī)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），而單個(gè)工業(yè)機(jī)器人價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10．3萬(wàn)美元降至97年的6．5萬(wàn)美元。
（2） 機(jī)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(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位的一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。
（3） 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，這就便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，而且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的易操作性，可維修性和可靠性。
（4） 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除了采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)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(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。
（6） 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)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(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名的實(shí)例。
(7) 機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。
1.1.3 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展
有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國(guó)國(guó)情。然而這是一種錯(cuò)誤的想法。在我國(guó)，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。它不僅能為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國(guó)的海洋開(kāi)發(fā)、宇宙開(kāi)發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。
我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出裝配、噴漆、點(diǎn)焊、弧焊、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有150多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線或生產(chǎn)站上獲得了規(guī)模的應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、成本比較高、供貨周期長(zhǎng)，而且可靠性、質(zhì)量不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果在世界上處于領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、直接遙控機(jī)器人、管道機(jī)器人、爬壁機(jī)器人等幾種機(jī)器人；在機(jī)器人視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上耗費(fèi)了不少時(shí)間與工作量，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則才剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平相比差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，作出比較突出的改變，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以其在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。
1.2 機(jī)械手的組成
一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械手主要有以下幾部分組成：
1. 手部(或稱抓取機(jī)構(gòu))：包括手爪、傳力機(jī)構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。
2. 傳送機(jī)構(gòu)(或稱臂部)：包括手臂、手腕等，主要起到改變物件方向和位置的作用。
3. 驅(qū)動(dòng)部分：它是前兩部分的動(dòng)力，因此也稱為動(dòng)力源，常用的有氣壓、液壓、電機(jī)和電力四種驅(qū)動(dòng)形式。
4. 控制部分：它是機(jī)械手動(dòng)作的指揮系統(tǒng)，是機(jī)械手的核心部位，由它來(lái)控制動(dòng)作的順序(程序)、位置和時(shí)間(甚至速度與加速度)等。
5. 其它部分：如機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、液壓裝置、步進(jìn)機(jī)、傳感裝置和行程檢測(cè)裝置等。
1.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
一般機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部或者叫抓取部分、臂部、腕部、緩沖與定位，還有行走機(jī)構(gòu)組成。
1.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)等形式。不過(guò)目前還是以液壓和氣動(dòng)用的居多，尤其是液壓作為控制源的。
液壓驅(qū)動(dòng)具有出力大、體積小、控制性能好、動(dòng)作平穩(wěn)等特點(diǎn)，它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、油缸與齒條、馬達(dá)與減速器、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)具有潤(rùn)滑性能好、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度韌性好。定位精度高，可以實(shí)現(xiàn)任意位置開(kāi)停。有很多專業(yè)機(jī)械手能直接利用主機(jī)的液壓系統(tǒng)。但缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無(wú)污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa,最高可達(dá)1MPa。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，想要實(shí)現(xiàn)中間位置的停止是很難的，所以只能用于點(diǎn)位的控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)會(huì)容易生銹。
電動(dòng)由于減速和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜, 很少采用。機(jī)械式用于簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。
1.2.3 控制機(jī)構(gòu)
機(jī)械手的控制方式有點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。
1.3 機(jī)械手的分類
機(jī)械手從使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式以及臂力大小四個(gè)方面的分類分別為：
1. 按使用范圍分類：
(1) 專用機(jī)械手 一般只有固定的程序，而無(wú)單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線用以自動(dòng)傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機(jī)械手”、“曲拐自動(dòng)車床機(jī)械手”、“油泵凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手”等等。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本較低，適用于動(dòng)作比較簡(jiǎn)單的大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。
(2) 通用機(jī)械手 指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器，而且能自動(dòng)完成傳送物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種。簡(jiǎn)易型只是點(diǎn)位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點(diǎn)位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。
2. 按驅(qū)動(dòng)方式分類：
(1) 液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
(2) 氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
(3) 電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
(4) 機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 是將主機(jī)的動(dòng)力通過(guò)凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳遞給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。
3. 按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式分類：
(1) 直角坐標(biāo)式機(jī)械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動(dòng))、左右移動(dòng)(定為沿Y方向的移動(dòng))和上下升降(定為沿Z方向的移動(dòng))；
(2) 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X和Z方向移動(dòng)，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動(dòng)；
(3) 球坐標(biāo)式機(jī)械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X方向移動(dòng)，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動(dòng))、上下擺動(dòng)(定為繞Y軸擺動(dòng))和左右轉(zhuǎn)動(dòng)(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))；
(4) 多關(guān)節(jié)式機(jī)械手 這種機(jī)械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機(jī)體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對(duì)大臂可繞肘部上下擺動(dòng)，大臂可繞肩部擺動(dòng)多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)。
4. 按機(jī)械手的臂力大小分類：
(1) 微型機(jī)械手 臂力小于1㎏；
(2) 小型機(jī)械手 臂力為1－10㎏；
(3) 中型機(jī)械手 臂力為10－30㎏；
(4) 大型機(jī)械手 臂力大于30㎏。
我所設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械手，是以搬運(yùn)物料為目的的圓柱坐標(biāo)式三自由度機(jī)械手。它采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，屬于小型機(jī)械手。
*注:
另外本設(shè)計(jì)機(jī)械手要求：
立柱回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角±180°
大臂臂長(zhǎng)350mm
轉(zhuǎn)角±115°
小臂臂長(zhǎng)250mm
轉(zhuǎn)角±115°
第2章 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)
2.1 基本設(shè)計(jì)思路
2.1.1 系統(tǒng)分析
機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的一種有力工具。要在一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，需要對(duì)各種機(jī)械化、自動(dòng)化裝置進(jìn)行綜合的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，從而判斷機(jī)械手是否合適。所以要完成機(jī)械手的設(shè)計(jì)，一般要先做如下工作：
(1) 根據(jù)機(jī)械手的使用場(chǎng)合，明確機(jī)械手的目的和任務(wù)。
(2) 分析機(jī)械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境。
(3) 認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)械手的基本功能和方案，比如機(jī)械手的自由度數(shù)目、定位精度、動(dòng)作速度、抓取重量等。進(jìn)一步搬運(yùn)物體的質(zhì)量、根據(jù)抓取、尺寸、形狀及生產(chǎn)批量等情況，來(lái)確定機(jī)械手爪的形式及抓取工件的部位和握力的大小。
對(duì)此，我進(jìn)行以下的分析：
(1) 本設(shè)計(jì)課題為三自由度搬運(yùn)機(jī)械手之機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，是通過(guò)機(jī)械手來(lái)抓持物體通過(guò)伸縮運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行搬運(yùn)的機(jī)械手。而機(jī)械手的使用場(chǎng)合，非常廣泛，要涉及到物料的狀態(tài)，運(yùn)作流水線的環(huán)境等等因素，相較于我所掌握的理論知識(shí)和能力，我選擇非批量生產(chǎn)的小型物體加工流水線上的物料傳送機(jī)械手，而且也只僅限于固態(tài)物料。
(2) 由于我所選擇的機(jī)械手是非批量生產(chǎn)的小型物體加工流水線上的物料搬運(yùn)機(jī)械手，所以，機(jī)械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境一定是工廠，要求容錯(cuò)率低，精度高，速度快。
（3）再者是搬運(yùn)物體的考慮，由于是小型物件，所以對(duì)機(jī)械手的抓取力量并無(wú)太高要求，而物體形狀初步擬定為圓柱形或有一定形狀的物料，以此可以方便設(shè)計(jì)。
2.1.2 總體設(shè)計(jì)框圖
圖1 總體設(shè)計(jì)框圖
如圖2為總設(shè)計(jì)框圖，說(shuō)明如下：
(1) 控制系統(tǒng)：任務(wù)是根據(jù)機(jī)械手的傳感器反饋和作業(yè)指令程序回來(lái)的信號(hào)，控制機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為CPU的選擇，CPU程序的編寫(xiě)調(diào)試等。
(2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)裝置。
(3) 機(jī)械系統(tǒng)：包括機(jī)身、機(jī)械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標(biāo)形式，并計(jì)算得出具體結(jié)構(gòu)。
(4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。
2.2 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1 搬運(yùn)機(jī)械手坐標(biāo)形式的選擇
根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式：機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂的升降，機(jī)械臂的伸縮，得到了機(jī)械臂的三個(gè)自由度。根據(jù)上文所說(shuō)的，機(jī)械手按照坐標(biāo)的分類情況，選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手更為妥當(dāng)。
2.3 機(jī)械手材料的選擇
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)進(jìn)行選擇，并滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作要求。從設(shè)計(jì)的思想出發(fā)，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這必然大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。所以在選擇材料時(shí)，需要對(duì)剛度、質(zhì)量、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。此外，機(jī)器人手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同。機(jī)器人手臂是一種伺服機(jī)構(gòu)，要受到控制，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時(shí)，可控性還要和材料的可加工性、結(jié)構(gòu)性、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮。
總之，選擇機(jī)器人手臂的材料時(shí)，要綜合考慮剛度、強(qiáng)度、彈性、重量、抗震性、外觀及價(jià)格等多方面因素。下面介紹幾種機(jī)器人手臂常用的材料：
(l) 碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強(qiáng)度鋼:這類材料強(qiáng)度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增加了4~5倍、彈性模量E大、抗變形能力強(qiáng)，它不僅廣泛應(yīng)用于建筑，橋梁，鐵道，車輛，船舶和各種機(jī)械制造工業(yè)，而且在近代的石油化工業(yè)，海洋開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)，等也得到了大量的使用，所以這是應(yīng)用最廣泛的材料;
(2) 鋁、鋁合金及其它輕合金材料:其共同特點(diǎn)是重量輕、彈性模量E不大，但是材料密度小，則E/p之比仍可與鋼材相比;
(3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，可加工型不好，與金屬等零件連接的接合部需要特殊設(shè)計(jì)。陶瓷一般硬度較高，但是可塑性比較差，常溫遇水可塑，微干可雕，全干可磨。然而，日本己試制了在小型高速機(jī)器人上通過(guò)使用的陶瓷機(jī)器人手臂的樣品;
從本文設(shè)計(jì)的三自由度搬運(yùn)機(jī)械手的角度來(lái)看，在選用材料時(shí)不需要很大的負(fù)載能力，也不需要很高的彈性模量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性和方便設(shè)計(jì)等因素。在衡量了各種因素和結(jié)合工作狀況的條件下，初步選用了應(yīng)用較廣的鋁合金作為機(jī)械手臂的構(gòu)件。
2.4 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式。常見(jiàn)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種:圓柱坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型、極坐標(biāo)型和SCARA型。同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場(chǎng)、位置以及搬運(yùn)前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。
考慮到機(jī)械手的作業(yè)特點(diǎn)，即要求其動(dòng)作靈活、有較大的工作空間、且要求結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等特點(diǎn)，故選用關(guān)節(jié)型機(jī)械手。這類機(jī)械手一般由2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰。這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線，如圖所示。這種構(gòu)形動(dòng)作靈活、工作空間大、在作業(yè)時(shí)空間內(nèi)手臂的干涉最小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。但是這類機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解比較困難;確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。
圖2 常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)方式
2.5 搬運(yùn)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)分析
2.5.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇
機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種基本形式。
液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去減速裝置，響應(yīng)快，精度較高。但是需要有液壓源，而且容易發(fā)生液體泄漏。
氣壓驅(qū)動(dòng)的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但與液壓驅(qū)動(dòng)相比，功率較小，速度不容易控制，精度不高。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)能源簡(jiǎn)單，機(jī)構(gòu)速度變化范圍大，效率高，位置和速度的精度都很高，使用方便，噪聲低，控制靈活。
開(kāi)始設(shè)計(jì)這個(gè)搬運(yùn)機(jī)械手的時(shí)候，我先選擇步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，但是考慮到機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)運(yùn)用純機(jī)械結(jié)構(gòu)并不能達(dá)到理想傳動(dòng)效果。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式只要實(shí)現(xiàn)伸縮就可以了，所以用液壓驅(qū)動(dòng)是沒(méi)有問(wèn)題的；而機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)如若使用氣壓或者液壓傳動(dòng)，就必須帶有旋轉(zhuǎn)氣壓或者旋轉(zhuǎn)液壓缸，相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)。
所以就需要對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)，將驅(qū)動(dòng)的方式分成兩個(gè)部分。其中，機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)可以采用電機(jī)傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)齒輪鏈進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)；而機(jī)械臂的伸縮、升降和機(jī)械手抓的抓取，都采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。但是本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手比較簡(jiǎn)單，只需要實(shí)現(xiàn)由伸縮的運(yùn)動(dòng)，因此在立柱和手臂部分都采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式。
2.5.2 控制系統(tǒng)的選擇
這里選擇用PLC控制的控制系統(tǒng)。
第3章 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1 搬運(yùn)機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題：
1. 具有足夠的夾緊力：在確定手爪的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
2. 手爪間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角：兩手爪張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手爪的開(kāi)閉角。手爪的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手爪只有開(kāi)閉幅度的要求。
3. 保證工件準(zhǔn)確定位：為使手爪和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手爪形狀?？紤]被抓取對(duì)象的要求，手爪形狀設(shè)計(jì)成V型。
4. 具有足夠的強(qiáng)度和剛度：手爪除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，應(yīng)當(dāng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。
3.2 搬運(yùn)機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)
機(jī)械手臂，在我的設(shè)計(jì)中，涉及到三個(gè)自由度：升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)。水平手臂作伸縮用，而垂直手臂則有兩部分組成。與底座連接部分為機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)部分，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)齒輪鏈?zhǔn)沟脵C(jī)械臂旋轉(zhuǎn)；上面部分為機(jī)械臂升降部分，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)控制機(jī)械臂的升降。所以，我將機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)分為三個(gè)步驟，先完成立柱的設(shè)計(jì)，再完成水平手臂的設(shè)計(jì)。
3.2.1 伸縮機(jī)械臂的設(shè)計(jì)
1.尺寸校核
(1) 在校核尺寸時(shí)，只需校核氣壓缸內(nèi)徑=50mm,半徑R=25mm的氣壓缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng),則驅(qū)動(dòng)力：
(3-1)
（2） 分析計(jì)算伸縮手臂加速度：
如下圖所示，,將其分為三段，分別為加速狀態(tài)，勻速狀態(tài)和減速狀態(tài)。切運(yùn)動(dòng)距離L為500mm，所以有公式：
圖3 V-t關(guān)系圖
(3-2)
又有加速度公式 (3-3)
(3) 測(cè)定手臂質(zhì)量為,加速度，則慣性力：
(3-4)
(4) 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),
(3-5)
總受力 (3-6)
所以氣壓缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。
3.2.2 升降機(jī)械臂的設(shè)計(jì)
1. 尺寸設(shè)計(jì)
氣壓缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為=80mm,氣壓缸內(nèi)徑為=80mm,半徑R=40mm,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力：
(3-7)
2. 尺寸校核
（1）測(cè)定手臂質(zhì)量為,則重力：
(3-8)
(2) 分析計(jì)算伸縮手臂加速度：
圖4 V-t關(guān)系圖
如下圖所示，,將其分為三段，分別為加速狀態(tài)，勻速狀態(tài)和減速狀態(tài)。切運(yùn)動(dòng)距離L為100mm，所以有公式：
(3-9)
又有加速度公式 (3-10)
則慣性力為： (3-11)
（3）考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)k=0.1，如圖所示：
圖5
若安裝時(shí)升降臂完全豎直，則摩擦力為零。但在實(shí)際操作中，不能達(dá)到此效果，所以設(shè)定偏斜角度為1°～3°。所以重力G在機(jī)械臂面上有一個(gè)分力對(duì)機(jī)械臂側(cè)面產(chǎn)生壓力，故產(chǎn)生了摩擦力。則有公式：
(3-11)
(3-12)
總受力 (3-13)
所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。
3.2.3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
圖6 手臂升降和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖
實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)缸、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。本機(jī)械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖7所示，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由齒條活塞桿4驅(qū)動(dòng)齒輪，帶動(dòng)配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)缸體上的平鍵8帶動(dòng)外套一起轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。
3.2.4 臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手臂作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除克要服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算：
Pq = Fm + Fg ± W (N)
式中 Fm——各支承處的摩擦力（N）；
Fg——啟動(dòng)時(shí)慣性力（N）可按臂伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況計(jì)算；
W——臂部運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）；
±——上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。
當(dāng)Fm=40N，F(xiàn)g=100N，W =1098N時(shí)
Pq=40+100+1098=1238（N）
3.2.5 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩與產(chǎn)生的慣性力矩來(lái)計(jì)算。由于啟動(dòng)過(guò)程一般不是等加速度運(yùn)動(dòng)，故最大驅(qū)動(dòng)力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅(qū)動(dòng)力矩Mq可按下式計(jì)算：
Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m)
式中 Mm——各支承處的總摩擦力矩；
Mg——啟動(dòng)時(shí)慣性力矩，一般按下式計(jì)算：
Mg = J (/Δt)(N·m)
式中 J——手臂部件對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m）;
——回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）;
△t——回轉(zhuǎn)臂啟動(dòng)時(shí)間（s）
當(dāng)Mm=84(N·m)，Mg=8=32(N·m)
Mq = 1.3*116=150.8(N·m)
對(duì)于活塞、油缸和導(dǎo)向套筒等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都要做詳細(xì)的計(jì)算，因?yàn)檫@些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對(duì)總的計(jì)算結(jié)果影響也較大，對(duì)于小零件則可作為質(zhì)點(diǎn)計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以忽略不計(jì)。對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，可劃分為幾個(gè)簡(jiǎn)單的零件分別進(jìn)行計(jì)算，其中有的部分可當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)計(jì)算。
3.3 手部設(shè)計(jì)計(jì)算
(1) 對(duì)手部設(shè)計(jì)的要求
(a) 有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。
(b) 有足夠的開(kāi)閉范圍
根據(jù)工件外圓大小,夾持的大小直徑必須大于120mm 。
夾持類手部的手指都有張開(kāi)和閉合裝置。工作時(shí)，一個(gè)手指開(kāi)閉位置以最大變化量稱為開(kāi)閉范圍。對(duì)于回轉(zhuǎn)型手部手指開(kāi)閉范圍，可用開(kāi)閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。手指開(kāi)閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的手指的形狀和尺寸，一般來(lái)說(shuō)，如果工作環(huán)境許可的情況下，開(kāi)閉范圍大一些較好，如圖5所示。
圖7 機(jī)械手機(jī)構(gòu)開(kāi)閉示例簡(jiǎn)圖
(c) 力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小
手抓處于腕部的最前端，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較多，其結(jié)構(gòu)，重量和體積都會(huì)直接影響整個(gè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，抓重，運(yùn)動(dòng)速度，定位精度等性能。因此，在設(shè)計(jì)手抓部分時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。
(d) 手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度
(e) 其它要求：
因此送料，夾緊機(jī)械手機(jī)構(gòu)，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開(kāi)時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。
(2) 拉緊裝置
如圖6所示：油缸右腔在進(jìn)油停止的時(shí)候，彈簧力主動(dòng)夾緊工件，油缸右腔在進(jìn)油的時(shí)候松開(kāi)工件，這樣就可以通過(guò)油的進(jìn)出來(lái)控制加緊工件。
P
圖8 油缸示意圖
（a）右腔推力為
設(shè)定活塞的直徑D=50mm,系統(tǒng)壓力P=25Mpa
（3-16）
=
=4908.7N
(b) 根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式為：
（3-17）
其中 N′=498N=392N，帶入公式2.2得：
=(2150/50)（cos30o）2392
=1764N
則實(shí)際加緊力為 F1實(shí)際=
PK1K2/η （3-18）
=17641.51.1/0.85=3424N
經(jīng)圓整F1=3500N
由公式得：
a=50.5 mm
b=72 mm
(c) 計(jì)算手部活塞桿行程長(zhǎng)L,即
（3-19）
=25×tg30o
=23.1mm
經(jīng)圓整取l=25mm
(d) 確定“V”型鉗爪的L、β。
取L/Rcp=3 （3-20）
式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3-21）
由公式得：L=3×Rcp=150
取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉(zhuǎn)角β按最佳偏轉(zhuǎn)角來(lái)確定，
查表得：
β=22o39′
(5) 機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍（速度）
(a) 伸縮運(yùn)動(dòng) Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
(b) 上升運(yùn)動(dòng) Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
(c) 下降Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
(d) 回轉(zhuǎn) =90o/s
=30o/s
所以取手部驅(qū)動(dòng)活塞速度V=60mm/s
(6) 手部右腔流量
（3-22）
=60
=60×3.14×252
=1177.5mm3/s
(7) 手部工作壓強(qiáng)
（3-23）
=3500/1962.5=1.78Mpa
3.4 腕部設(shè)計(jì)計(jì)算
腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動(dòng)主要用來(lái)改變被夾物體的方位，它動(dòng)作靈活，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小。本課題的搬運(yùn)機(jī)械手腕部具有回轉(zhuǎn)這一個(gè)自由度，可采用具有一個(gè)活動(dòng)度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。
要求：回轉(zhuǎn)±90o
角速度=45o/s
以最大負(fù)荷計(jì)算：
當(dāng)工件處于水平位置時(shí)，擺動(dòng)缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長(zhǎng)度l =650mm。如圖7所示。
(1) 計(jì)算扭矩
設(shè)重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩為：
（3-24）
=10×9.8×0.2=19.6（N·M）
工件
F
S
F
圖9 腕部受力簡(jiǎn)圖
(2) 油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩
F =5kg S =10cm
帶入公式2.9得
=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
(3) 擺動(dòng)缸的摩擦力矩
=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
=×S =6（N·M）
(4) 擺動(dòng)缸的總摩擦力矩
=++ （3-25）
=30.5（N·M）
(5) 由公式
（3-26）
其中： b—葉片密度，這里取b=3cm；
—擺動(dòng)缸內(nèi)徑, 這里取=10cm；
—轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取=3cm。
所以代入公式
=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106
=0.89Mpa
又因?yàn)?
所以
=（π/4）（0.12-0.032）×0.03/8
=0.27×10-4m3/s=27ml/s
3.5 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
液壓控制機(jī)械手機(jī)構(gòu)的一種主要的控制形式。機(jī)械手機(jī)構(gòu)的操作和運(yùn)動(dòng)速度室要根據(jù)液壓油的流量與壓力來(lái)判斷，因而只要控制液壓油的流量和壓力，就可以控制機(jī)械手機(jī)構(gòu)的操作力和運(yùn)動(dòng)速度，液壓油壓壓力一般在5—140公斤/厘米的可控制范圍內(nèi)，最大臂力可達(dá)160公斤以上。
主要優(yōu)點(diǎn)：
(1) 液壓執(zhí)行元件(馬達(dá)和油缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。
(2) 可通過(guò)液壓油帶能走大量熱能的特性，保證機(jī)械的正常運(yùn)行，并可以利用液壓油的潤(rùn)滑作用，可延長(zhǎng)工件的使用壽命。
(3) 液壓元件有旋轉(zhuǎn)式和直線位移式二種，適用的范圍比較廣，它能控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過(guò)閥和泵的調(diào)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
(4) 響應(yīng)速度比較快，能高速啟動(dòng)，制動(dòng)和反向，無(wú)后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強(qiáng)。
(5) 液壓元件于其他驅(qū)動(dòng)元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動(dòng)等。
缺點(diǎn):
(1) 液壓控制需要一套液壓系統(tǒng)，不像電力容易獲得，而且價(jià)格較貴。
(2) 油溫有上限，并難以保持不漏，比較臟，易于使閥和執(zhí)行元件堵塞。
(3) 控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，處理功率訊號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算誤差，檢測(cè)，放大，測(cè)試和補(bǔ)償功能不如電子，機(jī)電裝置靈活簡(jiǎn)便?？傮w系統(tǒng)圖
圖 10 總體系統(tǒng)圖
(1) 總體系統(tǒng)圖如圖8所示,
(2) 工作過(guò)程:
小臂伸長(zhǎng)→手部抓緊→腕部回轉(zhuǎn)→小臂回轉(zhuǎn)→小臂收縮→手部放松
(3) 電磁鐵動(dòng)作順序表:
表2總體系統(tǒng)圖
元件
動(dòng)作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
小臂伸長(zhǎng)
手部抓緊
腕部回轉(zhuǎn)
小臂收縮
手部放松
卸荷
-
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
±
+
-
-
-
+
±
-
-
+
-
-
±
-
-
-
-
-
±
圖11 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
第4章 搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 PLC簡(jiǎn)介
PLC(Programmable Logic Controller)，是可編程邏輯控制器。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。
PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：(1)電源；(2)存儲(chǔ)器；(3)中央處理單元(CPU)；(4)輸入輸出接口電路；(5)通信模塊；(6)功能模塊。
4.2 PLC工作原理
當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，它的工作過(guò)程一般分為這三個(gè)階段：(1)即輸入采樣：(2)用戶程序執(zhí)行：(3)輸出刷新三個(gè)階段。完成以上三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。
1.輸入采樣階段
2.用戶程序執(zhí)行階段
3.輸出刷新階段
4.3 PLC機(jī)型的選擇
我選擇使西門子PLC。原因如下：
西門子與其他的PLC相比，指令采用功能塊。更通俗易懂！在模擬量的輸出和讀取上要簡(jiǎn)單得多，只需要使用傳送命令就可以了，模擬量達(dá)寄存器在PLC中就相當(dāng)于一個(gè)普通的數(shù)據(jù)寄存器，在脈沖輸出功能和可設(shè)置性更強(qiáng)大，更適合精準(zhǔn)控制，通信能力更強(qiáng)大。擴(kuò)展能力和適應(yīng)性更強(qiáng)，更多的智能模塊可以更廣泛的應(yīng)用于各種行業(yè)。
西門子既可以使用NPN的傳感器也可以使用PNP的傳感器，適用于改造舊設(shè)備，不管以前的設(shè)備是何種傳感器都能輕松的代替。
程序編寫(xiě)采用子程序編寫(xiě)方法。更主觀更容易看懂，對(duì)于編程者的編寫(xiě)順序，手自動(dòng)程序的編寫(xiě)，某個(gè)獨(dú)立部件編寫(xiě)等等都能清清楚楚的分開(kāi)來(lái)。西門子PLC的端子設(shè)計(jì)的是非常好的，非常容易拆卸，吳螺絲鎖定！一秒鐘就可以拆下來(lái)了！綜上所述，所以我選擇了西門子PLC！
4.3.1 PLC機(jī)型的選擇
因每種品牌配置不一樣，所以它的選型方式也有所差異。
西門子PLC的型號(hào)有多種多樣，比如： S7-200CN，S7-200，S7-300，S7-400，ET200，S7-1200。而本次設(shè)計(jì)采用S7-200。
要選擇相對(duì)應(yīng)的機(jī)型，就要分析被控對(duì)象：
此次PLC需要控制的對(duì)象為物料傳送機(jī)械手，由于用途比較固定，I/O點(diǎn)數(shù)并不復(fù)雜，所以選擇小型PLC即可。故選擇三菱PCL中FX1N系列的PLC。
4.3.2 所選PLC的參數(shù)
表5 FS1S系列PLC的參數(shù)
項(xiàng)目
規(guī)格
備注
運(yùn)轉(zhuǎn)控制方式
通過(guò)儲(chǔ)存的程序周期運(yùn)轉(zhuǎn)
I/O控制方法
批次處理方法
I/O指令可以刷新
運(yùn)轉(zhuǎn)處理時(shí)間
基本指令：0.55至0.7μs
應(yīng)用指令：3.7至幾百μs
編程語(yǔ)言
邏輯梯形圖和指令清單
使用步進(jìn)梯形圖生成SFC類型程序
程式容量
內(nèi)置2K步EEPROM
存儲(chǔ)盒(FX1n-EEPROM-8L)可選
I/O配置
最大總I/O由主處理單元設(shè)置
指令數(shù)目
基本順序指令：27
步進(jìn)梯形指令：2
應(yīng)用指令：85
最大可用167條應(yīng)用指令，包括所有的變化
輔助繼電器(M)
一般
384點(diǎn)
M0至M383
鎖定
128點(diǎn)（子系統(tǒng)）
M384至M511
特殊
256點(diǎn)
M8000至M8255
狀態(tài)繼電器(S)
一般
128點(diǎn)
S0至S127
初始
10點(diǎn)（子系統(tǒng)）
S0至S9
定時(shí)器(T)
100毫秒
范圍：0至3276.7秒63點(diǎn)
T0至T55
10毫秒
范圍：0至327.67秒31點(diǎn)
當(dāng)特殊M線圈工作時(shí)T32至T62
1毫秒
范圍：0.001至32.767秒1點(diǎn)
T63
計(jì)數(shù)器(C)
一般
范圍：1至32767數(shù)16點(diǎn)
C0至C15
類型：16位增計(jì)數(shù)器
鎖定
范圍：1至32767數(shù)16點(diǎn)
C16至C31
類型：16位增計(jì)數(shù)器
數(shù)據(jù)寄存器(D)
一般
128點(diǎn)
D0至D127
32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器對(duì)
鎖定
128點(diǎn)
D128至D255
32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器對(duì)
外部調(diào)節(jié)
范圍：0至255 2點(diǎn)
通過(guò)外部設(shè)置電位計(jì)間接輸入D8013或D8030&D803114數(shù)據(jù)
特殊
256點(diǎn)（包含D8030，D8031）
從D8000至D8255
16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器
變址
16點(diǎn)
V和Z
16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器
指標(biāo)(P)
用于CALL
64點(diǎn)
P0至P64
用于中斷
6點(diǎn)
100*至130*
（上升觸發(fā)*=1，下降觸發(fā)*=0）
常數(shù)
十進(jìn)位K
16位：-32768至+32768
32位：-2147483648至+2147483647
十六進(jìn)位H
16位：0000至FFFF
32位：00000000至FFFFFFFF
4.4 PLC控制面板的擬定
我初步設(shè)想的機(jī)械手工作，有三種工作狀態(tài)：第一種是自動(dòng)工作，用于批量物料搬運(yùn)，使用時(shí)間長(zhǎng)，普遍；第二種是單步工作，就是機(jī)械手只運(yùn)送一次工件就停止運(yùn)行，用于個(gè)別物料的搬運(yùn)，使用時(shí)間不長(zhǎng)；第三種為手動(dòng)操作，是根據(jù)實(shí)際情況人為操作的控制方式。
圖12 建議控制面板的設(shè)計(jì)
圖13 PLC控制原理圖
圖14 機(jī)械手操作面板示意圖
4.5 機(jī)械手工藝過(guò)程和控制方案的確定
4.5.1 明確工藝要求
(1) 初始狀態(tài)，按啟動(dòng)按鈕傳送帶A開(kāi)始傳送物料，光電傳感器開(kāi)始工作，機(jī)械手回原點(diǎn)。
(2) 當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到有物料時(shí)，傳感器將信號(hào)傳給機(jī)械手，機(jī)械手開(kāi)始工作。
(3) 機(jī)械手從初始位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手抓伸出，機(jī)械臂下降，機(jī)械手抓抓緊來(lái)獲得傳送帶A上的物料。
(4) 獲得物料后，通過(guò)機(jī)械手臂升降，機(jī)械手抓的伸縮，機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手抓的放松，將物體運(yùn)送到傳送帶B上。
(5) 機(jī)械手完成這一系列動(dòng)作后，自行復(fù)位，開(kāi)始重復(fù)工作。
(6) 傳送帶B獲得物體后，通過(guò)光電傳感器測(cè)定是否有物體在傳送帶B上，來(lái)控制傳送帶B的工作。
4.5.2 確定工藝流程
確認(rèn)工藝要求后，開(kāi)始著手思考工藝流程。
根據(jù)我的設(shè)計(jì)思路，完成一次物料傳送動(dòng)作需要完成如下幾個(gè)步驟：判斷物料；機(jī)械手準(zhǔn)備(其中包括機(jī)械臂的上升旋轉(zhuǎn)、機(jī)械手抓張開(kāi))；機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)到指定位置；機(jī)械臂下降；機(jī)械手抓?。贿\(yùn)輸過(guò)程(其中包括機(jī)械臂上升、旋轉(zhuǎn)、下降到指定位置，此期間機(jī)械手不放松)；機(jī)械手放松。
在執(zhí)行這個(gè)過(guò)程前，考慮到機(jī)械手在工廠中使用，不能排除機(jī)械手誤開(kāi)的情況，所以加入若20s內(nèi)無(wú)物料信號(hào)則系統(tǒng)自動(dòng)停止這條指令。
執(zhí)行中，分析整個(gè)流程，發(fā)下如下問(wèn)題：
（1） 如何設(shè)置機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)限位，設(shè)置值為多少合適。為了最快速有效的完成傳送工作，并且簡(jiǎn)化程序，我想為機(jī)械臂直接設(shè)計(jì)限位，而機(jī)械臂的每次運(yùn)動(dòng)都直接運(yùn)動(dòng)至限位，這樣方便編程，并且方便操作。
（2） 在整個(gè)過(guò)程中，無(wú)疑需要涉及到傳感器。現(xiàn)在已知需要光電傳感器來(lái)判斷是否有物料，需要判斷機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的磁性傳感器。那是否還需要其他傳感器來(lái)完善整個(gè)系統(tǒng)也成為了一個(gè)需要思考改進(jìn)的地方。
確定工藝流程后，就需要制作工藝流程圖，來(lái)更清晰的表現(xiàn)機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)行情況。工藝流程圖如下：
圖15 工藝流程圖
根據(jù)工藝流程，可知此物料傳送機(jī)械手工作的步驟，也能比較清晰的了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。根據(jù)流程圖，我們可以開(kāi)始展開(kāi)接下去