畢業(yè)設(shè)計（論文）四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn)

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1、 目錄 目錄.........................................................1 文摘.........................................................3 Abstract.....................................................3 第一章 緒論 1.1 機械手概述.............................................4 1.2 機械手的組成和分類................

2、.....................4 1.2.1 機械手的組成. 1.2.2 機械手的分類 1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況.. ...........................................................................................7 1.4 課題的提出及主要任務………………………………………………8 1.4.1 課題的提出 1.4.2 課題的主要任務 第二章 機械手的設(shè)計方案 2.1 機械手的座標型式與自由度……………………………………….10 2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計………………

3、……………………….11 2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計………………………………………..12 2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計……………………………………….12 2.5 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計…………………………………………….12 2.6 機械手的控制方案設(shè)計……………………………………………..12 2.7 機械手的主要參數(shù)…………………………………………………..12 2.8 機械手的技術(shù)參數(shù)列表……………………………………………12 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)…………………………………………………….14 3.1.1 手指的形狀和分類

4、3.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題 3.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 手腕的自由度……………………………………………………….18 4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算……………………………………………..19 4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 4.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 4.2.3 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算校核 6 第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計與校核 5.1 手臂伸縮部分尺寸設(shè)計與校核……………………………………..24 5.1.1 尺寸設(shè)計 5.1.2 尺寸校核 5 .1 .3 導向裝置 5 .1 .4 平衡

5、裝置 5.2 手臂升降部分尺寸設(shè)計與校核……………………………………26 5.2.1 尺寸設(shè)計 5.2.2 尺寸校核 5.3 手臂回轉(zhuǎn)部分尺寸設(shè)計與校核……………………………………27 5.3.1 尺寸設(shè)計 5.3.2 尺寸校核 第六章 氣動系統(tǒng)設(shè)計 6.1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖…………………………………………29 6.2 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制…………………………30 第七章 機械手的 PLC 控制設(shè)計 7.1 可編程序控制器的選擇及工作過程……………………………….31 7.1.1 可編程序控制器的選擇 7.1.2 可編程序控制器的工作過程

6、 7.2 可編程序控制器的使用步驟……………………………………….31 7.3 機械手可編程序控制器控制方案…………………………………..32 第八章 結(jié)論…………………………………………………………………...36 致謝…………………………………………………………………………….37 參考文獻 四自由度多用途氣動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制實現(xiàn) 機械設(shè)計制造及其自動化 指導教師： 中文摘要： 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，機械手的自由度和坐標形式， 氣動技術(shù)的特點，PLC控制的特點及國內(nèi)外的發(fā)展狀況。 本文對機械手進行總體方案設(shè)計

7、，確定了機械手的坐標形式和自由度，確定了機械手的 技術(shù)參數(shù)。同時，設(shè)計了機械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機械手的手腕結(jié)構(gòu)，計算出了手 腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩。設(shè)計了機械手的手臂結(jié)構(gòu)。 設(shè)計出了機械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，對氣壓系統(tǒng)工作原理 圖的參數(shù)化繪制進行了研究，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。 利用可編程序控制器對機械手進行控制，選取了合適的PLC型號，根據(jù)機械手的工作流 程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖，并繪制了可編程序控制 器的控制程序。 關(guān)鍵詞 工業(yè)機器人，機械手，氣動，可編程序控制器（PLC）

8、 ABSTRACT： At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dary information of the development briefly . What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and clas

9、sification of the manipulator , tells out the free-degree and the form of coordinate . At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator, The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator , This paper de

10、signs the structure of the w rist , computes the needed moment of the drive w hen the wrist w heels and the moment of the drive of the pump. The paper designs the structure of the arm. The paper designs the system of air pressure drive and draws the w ork principle chart , the manipu lator uses P

11、LC to control . The paper institutes tw o control schemes of PLC according t o the w ork flow of the manipulator . The paper draw s out the w ork time sequence chart and the trapezia chart . What’s more , the paper w orkout the control program of the PLC , KEY WORDS : industrial robot, manipulator

12、, pump , air pressure drive , PLC 第一章 緒 論 1.1 工業(yè)機械手概述 工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一 種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化 生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生 產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術(shù)是綜合 了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高 新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應用情況，是一個國家工 業(yè)自

13、動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人 的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判 斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說 它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設(shè)各，也是先 進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、 軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被 稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以 減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、

14、高壓、低溫、低壓、粉塵、 易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。 因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交 通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強， 僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。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)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”， 簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，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。 1.2 機械手的組成和分類 1.2.1機械手

15、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。各系統(tǒng)相 互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示。 機械手組成方框圖: Pane chart of composition of manipulator (一)執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本 課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指 是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡 單，制造容易，故應用較廣泛。平移型

16、應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手 指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大 的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的 重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有 雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的 任務。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒 條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要

17、部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件， 并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油 缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電 機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯 仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱 為可移式立柱。 5、行走機構(gòu) 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式 行走機構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式

18、布為有軌的 和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設(shè)機械傳動裝置。 6、機座 機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上， 故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常 用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的 要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊 定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動， 并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按

19、其控 制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā) 生故障時即發(fā)出報警信號。 (二)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系 統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和 射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息 (如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出 指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)

20、的實際位置反饋給控制系統(tǒng)， 并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度 達到設(shè)定位置. 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 它是附屬于主機的、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、下料機械手和‘叻口工中心” 2、通用機械手 它

21、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 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

22、、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 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

23、工作。 3、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 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、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 它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

24、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 它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 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，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、

25、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 7 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)

26、中已有成熟應用。 (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)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已 成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從 80年代“七五”科技攻關(guān)開

27、始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科 技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè) 計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧 焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝 線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定 的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應用工程起步較晚，應用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線 系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺， 約占全球已安

28、裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國 的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量 小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。 因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通 用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863” 計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無 纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、 爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的 開發(fā)應用

29、上開展了不少工作，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)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā) 應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重 點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立 于世界先進行列之中。 1.4課題的提出及主要任務 1.4.1課題的提出 進入21世紀，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現(xiàn)在大量的 11 缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動生產(chǎn)率，降低工人的勞動強度，提高我國工業(yè)自動化水平 勢在必行，本設(shè)計的目的就是設(shè)計一個氣動搬運機械手，應用

30、于工業(yè)自動化生產(chǎn)線，把工業(yè) 產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運到另外一條生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復性勞 動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。。 現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，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

31、 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

32、。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

33、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。 1.4.2課題的主要任務 本課題將要完成的主要任務如下: (1)機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面相對較廣. (2)選取機械手的座標型式和自由度 (3)設(shè)計出機械手的各執(zhí)行機構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。為了使通用性更強， 手部設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，不僅可以應用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時 候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。 (4)氣壓傳動系統(tǒng)的

34、設(shè)計 本課題將設(shè)計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設(shè)計，并 繪出氣動原理圖。 (5)對氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的參數(shù)化繪制進行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質(zhì)量。 (6)機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計 本機械手擬采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號，根 據(jù)機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。 第二章 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、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

35、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，動強度大和操作單調(diào)頻 繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞 2.1機械手的座標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直

36、角座標式、圓柱座標 式、球座標式和關(guān)節(jié)式。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，因此， 采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增 加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 圖2-1 機械手的運動示意圖 Fia.2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator 2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 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。 2.3 機

37、械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運 動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 2.4 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)和降(或 俯仰)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)。 2.5 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。 2.6 機械手的控制方

38、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。 2.7 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)計設(shè)計抓取 的工件質(zhì)量為5公斤 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1.0

39、m / s 。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為90o / s 。平均移動 速度為 0.8m / s 。平均回轉(zhuǎn)速度為 60o / s 。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600mm,最 大工作半徑約為1400mm 。手臂

40、升降行程定為120mm 。定位精度也是基本參數(shù)之一。 該機械手的定位精度為 1mm 。 2.8 機械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途: 用于自動輸送線的上下料。 37 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù): 1、抓重 5kg 2、自由度數(shù) 4個自由度 3、座標型式 圓柱座標 4、最大工作半徑 1400mm 5、手臂最大中心高 1250mm 6、手臂運動參數(shù) 伸縮行程1200mm 伸縮速度 400mm / s 升降行程120mm 升降速度 250mm / s 回轉(zhuǎn)范圍 0o - 180o 回轉(zhuǎn)速度 90o / s 7、手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)

41、范圍 0o - 180o 回轉(zhuǎn)速度 90o / s 8、手指夾持范圍 棒料:f80mm - f150mm 9、定位方式 行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等 10、定位精度 1mm 11、驅(qū)動方式 氣壓傳動 12、控制方式 點位程序控制(采用PLC) 圖2-6 ‘ 機械手的工作范圍 Fig.2-6 Work Range of Manipulator 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了使機械手的通用性更強

42、，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:如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)， 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

43、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，應用廣泛。移動型應用較少，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，能適應不同直徑的工件。 3.1.2設(shè)計時考慮的幾個問題 (一)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。 (二)手指間應具有一定的開閉角 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。手指的開閉角應保證 工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑

44、的工件，應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。 (三)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。 (四)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。 (五)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

45、回轉(zhuǎn)型， 由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。 3.1.3手部夾緊氣缸的設(shè)計 1、手部驅(qū)動力計算 本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示， 圖3-2 齒輪齒條式手部 Fig.3-2 Gear Wheel Hand 其工件重量G=5公斤， V形手指的角度 2J = 120o ， b = 120mm > R = 24mm ,摩擦系數(shù)為 f (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:  = 0.10 p = 2b N R (2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式: N = 0.5

46、tg(q - j ) = 0.5 5 tg(60o - 5o 42 ) = 25(N ) 所以 p = 2b N R  = 245(N ) (3)實際驅(qū)動力: p p K1 K 2 實際 h I,因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取h = 0.94 ，并取 K1 = 1.5 。若被抓取工件的最大加 a 速度取 a = 3g 時，則: K 2 = 1 + = 4 g 所以 p實際 = 245 1.5 4 = 1563( N ) 0.94 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1563N

47、 。 2、氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸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: pD 2 P F1 = - Ft - Fz 4 式中: F1 - 活塞桿上的推力，N Ft - 彈簧反作用力，N Fz - 氣缸工作時的總阻力，N P - 氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: Ft = G f (1 + s) = G 4 Gd1 f 3 Gf = D1 n 1 Gd 4 1

48、8D 3 n 式中: G f - 彈簧剛度，N/m 1- 彈簧預壓縮量，m s - 活塞行程，m d1 - 彈簧鋼絲直徑，m D1 - 彈簧平均直徑，. n - 彈簧有效圈數(shù). G - 彈簧材料剪切模量，一般取 G = 79.4 109 Pa 在設(shè)計中，必須考慮負載率h 的影響，則: pD 2 ph F1 = - Ft 4 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: D = 4(F1 + Ft) pph 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 Gd 4 9  -3 4 1 79.4 10  (3

49、.5 10 ) G f = = 1 8D 3 n  8 (30 10-3 )3  15 = 3677.46( N / m) Ft = G f (1 + s) = 3677.46 60 10-3 = 220.6(N ) 所以: D = 4(F1 + Ft) = ppn 4 (490 + 220 .6) p 0.5 10 6 = 65.23(mm) 查有關(guān)手冊圓整，得 D = 65mm 由 d / D = 0.2 - 0.3 ,可得活塞桿直徑: d = (0.2 - 0.3)D

50、 = 13 - 19.5mm 圓整后，取活塞桿直徑 d = 18mm 校核，按公式 F1 /(p / 4d 2 ) [s ] 有: d (4F1 / p [s ]) 0.5 其中，[s ] = 120MPa， F1 = 750 N 則: d (4 490 / p 120 ) 0.5 = 2.28 18 滿足實際設(shè)計要求。 3,缸筒壁厚的設(shè)計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等 于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: d = DPp / 2[s ] 式中:6- 缸筒壁厚，m

51、m D - 氣缸內(nèi)徑，mm Pp - 實驗壓力，取 Pp  = 1.5P , Pa 材料為:ZL3,[s ]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: d = DPp / 2[s ] = 65 6 105 /(2 3 106 ) = 6.5(mm) 取 d = 7.5mm ，則缸筒外徑為: D1 = 65 + 7.5 2 = 80(mm) 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運 動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣

52、 缸。 4.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立 的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工 工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機械手抓取的工件是水平放 置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實 現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu) 緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于 360o ，并且要求嚴格的密封。 4. 2手腕的驅(qū)動力矩的計算 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回

53、轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起 動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋 等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖 4-1所示為手腕受力的示意圖。 1.工件2.手部3.手腕 圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài) Fig.4-1 Bear Force Condition of Wrist When Rotating 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算: M 驅(qū) = M 慣 + M 偏 + M 摩 + M 封 式中: M 驅(qū) - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動

54、力矩( N cm ); M 慣 - 慣性力矩( N cm ); M 偏 - 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線 所產(chǎn)生的偏重力矩( N cm )., ; M 封 - 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩( N cm ); 下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算: 1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M悅 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為 w ，起動過程所用的時間為 Dt ， 則: 慣 1） M =（J + J w Dt  ( N.cm)

55、 式中: J - 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ( N .cm.s 2 ) ; 2 J 1 - 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ( N .cm.s ) `。 若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量 J 1 為: J = J + G1 e 2 1 c g 1 2 式中: J c - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ( N .cm.s ) : G1 - 工件的重量(N); e1 - 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm), w - 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s); Dt - 起動過程所需

56、的時間(s); Dj — 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。 2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 M 偏 = G1e1  + G3 e3  ( N cm ) 式中: G3 - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N); e3 - 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm) 當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則G1e1 = 0 . 3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M 封 f M 封 = (RA d 2 2 + RB d1 ) ( N cm ) 式中: d1 ， d 2 - 轉(zhuǎn)動軸

57、的軸頸直徑(cm); f - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 f = 0.01，對于滑動軸承 f = 0.1 ; RA , RB - 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解， 根據(jù) M（A F）= 0 ,得: RB l + G3l3 = G2 l2 + G1l RB = G1l1 + G2 l2 - G3l3 l 同理，根據(jù) M B (F) = 0 ,得: R = G1 (l + l1 ) + G2 (l + l2 ) + G3 (l - l3 ) A l 式中

58、: G2 - 的重量(N) l, l1 , l2 , l3 ,— 如圖4-1所示的長度尺寸(cm). 4、轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類 型有關(guān)，應根據(jù)具體情況加以分析。 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖4-2所 示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體 從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針 方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動力矩M的關(guān)系為: pb(R 2 - r

59、2 ) M = , 或 p = 2  2M b( R 2 - r 2 ) 4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 1.尺寸設(shè)計 氣缸長度設(shè)計為 b = 100mm ,氣缸內(nèi)徑為 D1 =96mm,半徑 R = 48mm ,軸徑 o D2 = 26 mm D2 =26mm,半徑 R = 13mm,氣缸運行角速度w = 90 / s ，加速度時間 Dt =0.1s, 壓強 P = 0.4MPa, 則力矩 pb(R 2 - r 2 ) M = 2 0.4 10 6 0.1(0.048 2 - 0.026 2 )

60、 = 2 = 32.6( N .m) 2.尺寸校核 1．測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 m 1  = 10 kg ,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 r = 50mm 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： 2 J = m1r 2 10 0.05 2 = 2 = 0.0125（ k g.m 2 ） 工件的質(zhì)量為5 kg ,質(zhì)量分布于長 l = 100mm 的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量 J c = ml 2 12 5 0.12 = 12 = 0.0042(k g.m 2 ) 。

61、 假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長 l = 100mm 的棒料來說，最大偏心距 e1 = 50mm ，其轉(zhuǎn)動慣量為: 2 J = J c + m1e1 = 0.0042 + 5 0.052 = 0.0167(k g.m 2 ) w M 慣 = ( J + J1 ) Dt = (0.0125 + 0.0167 ) 90 0.1 = 26.3( N .m) 2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心 與轉(zhuǎn)動軸線重合， e1 = 0 ，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線 e3 = 50 mm ,則

62、 M 偏 = G1e1 + G3 e3 = 10 10 0 + 5 10 0.05 = 2.5( N .m) 3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 M 摩 ，對于滾動軸承 f = 0.01 ，對于滑動軸承 f =0.1，d1 ，d 2 為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，d1 = 30mm , d 2 = 20mm , RA , RB 為軸頸 處的支承反力，粗略估計 RA = 300 N , RB = 150 N , f M 摩 = (RA d 2 2 + RB d1 ) = 0.01

63、(300 0.02 + 150 0.03) 2 = 0.05( N.m) 4．回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置 的類型有關(guān)，應根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計 M 封 為 M 摩 的3倍， M 封 = 3 M 摩 = 3 0.05 = 0.15( N.m) \ M 驅(qū) = M 慣 + M 偏 + M 摩 + M 封 = 26.3 + 2.5 + 0.05 + 0.15 = 29( N.m) M 驅(qū)〈M \設(shè)計尺寸符合使用要求，安全。 第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的

64、尺寸設(shè)計與校核 5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核 5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計 手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標準氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的 結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑 為f 100/63，關(guān)于此氣缸的資料詳情請參看煙臺氣動元件廠公司主頁： 5.1.2 尺寸校核 1.在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑 D1 =63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要 求即可,設(shè)計使用壓強 P = 0.4MPa, 則驅(qū)動力： F = P pR 2 = 0.4 106 3.14 0.0

65、3152 = 1246(N ) 1， 測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計加速度 a = 10(m / s) ，則慣性力 F1 = ma = 50 10 = 500 ( N ) 2.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) k = 0.2 , Fm = k.F1 = 0.2 500 = 100 ( N ) \ 總受力 F0 = F1 + Fm = 500 + 100 = 600 ( N ) F0 < F 所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求要求。 5.1.3.導向裝置 氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，

66、為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指的正 確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時， 應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來 確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。 導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設(shè)計中才用單導向桿 來增加手臂的剛性和導向性。 5.1.4 平衡裝置 在本設(shè)計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性 能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取 物體的重量和氣缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。 5.2 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核 5.2.1 尺寸設(shè)計 氣缸運行長度設(shè)計為 l =118mm,氣缸內(nèi)徑為 D1 =110mm,半徑R=55mm,氣缸運行速 度