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機(jī)械手的給定工作區(qū)內(nèi)的一種 6 自由度并聯(lián)關(guān)鍵點(diǎn)三維設(shè)計(jì)方法
摘要：本文提出了在給定工作區(qū)內(nèi)一種6自由度的新三維設(shè)計(jì)新方法 。許多關(guān)鍵特性已經(jīng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析和拉格朗日乘數(shù)法。此外，在整個機(jī)械手的直接幾何關(guān)系中導(dǎo)出了參數(shù)。提出了設(shè)計(jì)方法，關(guān)于這些關(guān)鍵點(diǎn)特性具有很高的效率和準(zhǔn)確性。此外，避免了復(fù)雜機(jī)械手的工作空間和無量綱化推導(dǎo)分析從而可能讓這種方法的廣泛應(yīng)用。
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1 .導(dǎo)言
對并聯(lián)機(jī)器人的關(guān)注主要是發(fā)現(xiàn)他們有更好的承載能力，更好的剛度，和比串聯(lián)機(jī)器人更好的精度[1-4]。因此并聯(lián)機(jī)器人的研究已成為一個熱門的國際機(jī)器人研究領(lǐng)域?[5-9]。并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程是機(jī)械產(chǎn)品中最具有挑戰(zhàn)性的問題。設(shè)計(jì)機(jī)器人[10-12]的配置，機(jī)械臂的幾何參數(shù)應(yīng)由三維設(shè)計(jì)決定。引用?[13，14]?中提出的參數(shù)設(shè)計(jì)方法分別用于6 自由度歌賦型機(jī)器人和3自由度并聯(lián)機(jī)器人。
一般來說，最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是讓機(jī)器人在給定工作區(qū)工作。到目前為止，有主要有兩種方法，根據(jù)給定的工作區(qū)的并聯(lián)機(jī)器人的幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。第一次使用多點(diǎn)來描述給定工作區(qū)，然后檢查機(jī)械手的每個點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求是否符合參數(shù)[15-17]，與另一個邊界的機(jī)械手之間建立參數(shù)和工作區(qū)中的函數(shù)，然后確保給定工作區(qū)是機(jī)械手的工作空間邊界內(nèi)[18-22]。基于我們在這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)的幾個關(guān)鍵問題，本文試圖探索給定的工作區(qū)6自由度并聯(lián)機(jī)器人新的三維設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法是快速的，它的結(jié)果是準(zhǔn)確的。
在我們以前的工作中，這種新型的6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中用到了?3-3'-PSS?配置。
與傳統(tǒng)?6-SPS?并聯(lián)機(jī)器人相比這?3-3'-PSS?并聯(lián)的機(jī)械臂性能允許更高的各向同性的、更大的旋轉(zhuǎn)范圍移動平臺，減少了身體慣性。
若要開始設(shè)計(jì)，應(yīng)清楚的描述所需的工作區(qū)。因?yàn)椴荒芤詧D形方式表示?6 維工作區(qū)，以人類可讀的方式，沒有一般的方法來分析確定的?6-D?工作區(qū)的邊界6 自由度并聯(lián)機(jī)器人，大多數(shù)文獻(xiàn)?[23-27]?將?6-D?區(qū)劃分為工作區(qū)的位置和方位工作空間。工作區(qū)的位置是指機(jī)械手的移動平臺可以達(dá)到一定的取向的空間。它可以容易地描述。方位工作空間是移動平臺可以實(shí)現(xiàn)在某一時刻的所有方向的集合。然而，由于旋轉(zhuǎn)角度的復(fù)雜性，方位工作空間很難確定和代表?？紤]到我們并聯(lián)機(jī)械手的對稱性，簡明描述?6-D?區(qū)找到了種的三維設(shè)計(jì)。
本文的結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)介紹了建模的設(shè)計(jì)問題及運(yùn)動學(xué)分析。第3節(jié)介紹如何找到關(guān)鍵點(diǎn)特征。第4節(jié)中，討論了設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用。最后，第5節(jié)中總結(jié)發(fā)言。
2．模型的設(shè)計(jì)問題和力學(xué)分析
新的PSS '3-3并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由一個移動的平臺，一個固定基座，
和六個具有相同的幾何結(jié)構(gòu)支撐臂組成。四肢編號從1到6的每個肢體由一個棱柱形接頭，一個球形接頭和聯(lián)合空間綜合信息網(wǎng)絡(luò)球系列連接到固定基地到所述移動平臺。一個線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動的棱柱沿著固定軌道各肢的關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)Bi和關(guān)節(jié)Ai之間是長為Li的剛性連桿（I =1，...，6）
1，2，和3被設(shè)置成位于一水平面的PB它們的軸線四肢的三個線性致動器，且當(dāng)這些軸不交于一點(diǎn)時它們的軸之間的夾角為120°。這些軸與操縱器的對稱軸之間的距離是相同的，在這里我們使用一個參數(shù)來表示該距離。其他三個線性執(zhí)行器四肢4,5，和6被設(shè)置成垂直的軸線。關(guān)節(jié)的移動平臺A1?A6分布在中心對稱的半徑為a的一個圓上。這種操縱器的中心在平面PB的交叉點(diǎn)和操縱器的對稱軸上，在其上連接有固定笛卡爾參考幀-O {X，Y，Z}。固定框架y軸和z軸都在平面PB上，并且與操縱器的對稱軸的X軸重合。移動框架O'{X'，Y'，Z'}連接移動平臺O點(diǎn)“，這是指向位于圓心上的A1?A6。關(guān)于機(jī)械手是軸對稱的事實(shí)，移動臺處于初始位置時讓點(diǎn)O'與點(diǎn)O重合，從而操縱器的工作空間相對于固定框ò也是軸對稱。
設(shè)計(jì)的操縱器的幾何參數(shù)前，所需的工作空間應(yīng)明確說明。從前面的討論中可以看出，簡明地描述所需6-D的工作區(qū)是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。在這個研究中，對移動臺的方向的說明，僅指示向量（顯示在圖2中），而不是繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)而言。事實(shí)上，這是許多機(jī)床有著的同樣的情況。在此基礎(chǔ)上，我們使用一組特殊的歐拉角來表示的移動平臺的方向。移動平臺的首先由一個角度φ固定x軸，然后由角度θ固定z軸，最后由角φ固定x軸（圖2）。我們可以把旋轉(zhuǎn)矩陣簡單的寫成這種情況：
3.在給定的工作空間機(jī)器人的關(guān)鍵特征
在這項(xiàng)研究中，通過大量的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)在qi最大范圍內(nèi)，盡管給定的工作區(qū)和操縱器的尺寸在改變，αBi和αAi總是發(fā)生在一定位置。這一特點(diǎn)對尺寸設(shè)計(jì)非常有幫助，所以我們稱這些位置為關(guān)鍵點(diǎn)。本節(jié)將證明理論上使用拉格朗日乘子的方法，建立關(guān)鍵點(diǎn)。
為了推廣，我們做了三維設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)量通過讓他們每個人用鋼筋混凝土進(jìn)行劃分。因此，工作空間汽缸的無量綱半徑為1，并且其無量綱高度為2H。其中，H= HC / Rc。因此，基于該無量綱工作空間的尺寸設(shè)計(jì)的結(jié)果不能被直接當(dāng)作操縱器的幾何參數(shù)，除非由RC乘以它們所有（應(yīng)當(dāng)注意的是，在此過程中角度不影響）。由于機(jī)械手的配置兩肢體的人群有不同的關(guān)鍵特征。因此，兩肢組的特性，應(yīng)分別研究。
4.基礎(chǔ)的三維設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵點(diǎn)及其應(yīng)用
在上一節(jié)找到對應(yīng)的工作空間內(nèi)操縱的一些重要關(guān)鍵點(diǎn)的特征。其要點(diǎn)是極端位置，這將導(dǎo)致在給定的工作空間中操縱器的最壞運(yùn)動學(xué)條件。如果操縱器可在關(guān)鍵點(diǎn)達(dá)到所需的運(yùn)動學(xué)性能，那么這個運(yùn)動性能將在給定的工作空間中保證每個點(diǎn)。這些特性可以被用于確定所述操縱器的幾何參數(shù)，從而在三維設(shè)計(jì)將具有非常高的效率和準(zhǔn)確性。對于這個關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法的主要步驟如下：
1.描述所需的工作空間。研究了操縱器的工作任務(wù)，并計(jì)算出所需要的空間和方向。然后選擇與可以只達(dá)到要求的給定的工作空間有一定指向靈巧指數(shù)缸。如果所需的工作空間是復(fù)雜的，它可以被描述為多個同軸圓柱體具有不同指向靈巧指數(shù)與圖4所示。在這種狀態(tài)下，下面的設(shè)計(jì)步驟2-5，對于每個氣缸都應(yīng)進(jìn)行，其結(jié)果應(yīng)結(jié)合作為最終的解決方案。
2.給定的工作空間量綱。對于每個氣缸，讓其半徑和高度由它自己的半徑進(jìn)行劃分。
3.明確額外的設(shè)計(jì)要求和使用表1中找到所有需要的關(guān)鍵點(diǎn)。如果關(guān)節(jié)角的范圍沒有限制，可以與工作區(qū)保證的關(guān)鍵點(diǎn)或相應(yīng)的直接關(guān)系建立所述幾何參數(shù)的約束關(guān)系。（參考表1）。如果接頭角度是有要求限制的，應(yīng)與最大αBi和最大αAi的關(guān)鍵點(diǎn)或相應(yīng)的直接關(guān)系建立所述幾何參數(shù)的約束關(guān)系。（參考表 1）
4.確定的幾何參數(shù)。找到能滿足前面建立的步驟中的約束關(guān)系的適當(dāng)?shù)膮?shù)。這些約束關(guān)系，a和Li有許多可能的解決方案可以找到。一般最小的a和Li將導(dǎo)致操作者的最小量應(yīng)被選擇。應(yīng)當(dāng)注意的是，只有一個肢需要被確定給每個組，因?yàn)椴僮髡呤菍ΨQ。在一些情況下，a和Li可能有具有因工作任務(wù)的額外的限制，并且步驟可用于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束關(guān)系。
5.獲得的a和Li應(yīng)應(yīng)乘以圓柱的半徑得到維數(shù)。然后他們可以作為機(jī)器人的幾何參數(shù)。
6.確定其余的幾何參數(shù)。
如果有多于一缸用于工作區(qū)說明，在第?5?步中得到的結(jié)果應(yīng)該作為一個相結(jié)合
解決方案。那就是，選擇的最大值和李之間所有氣缸的結(jié)果作為最后的解決辦法。因此，聯(lián)合解決方案：
能滿足各種約束關(guān)系的每個氣缸。在那之后，αBi?和?αAi?的范圍應(yīng)當(dāng)重新計(jì)算與最終解決方案的關(guān)鍵點(diǎn)船帆齊和最低氣或?（請參閱表?1）?的直接對應(yīng)關(guān)系，可以確定李和練習(xí)場。應(yīng)當(dāng)指出：所有氣瓶必須檢查在此過程中，其結(jié)果應(yīng)作為最后的結(jié)果相結(jié)合。
在這里，我們的項(xiàng)目用來證明該設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。我們所需的工作區(qū)可以用描述
筒?（缸?1）?與半徑為?600?毫米，高度為?800?毫米和?0 °?時，指向靈巧和氣缸（缸?2）?與半徑
200?毫米、?高度為?400?毫米和?30 °?的指點(diǎn)靈巧。各關(guān)節(jié)角度被限制為小于?45 °。此外，參數(shù)
需求大于?350?毫米將在移動平臺放置對象的尺寸和接頭的尺寸。為缸?1，與最大值?αBi?和最大值?αAi?的關(guān)鍵點(diǎn)，可以獲得參數(shù)的最小的解作為Li=1050?毫米?（i?=?1 2、 3）?和Li?=?850?毫米?（i?=?4,5,6）?而不是參與。油缸2，最小的解的參數(shù)可以作為發(fā)現(xiàn)?a=?350?毫米，Li=?1050?毫米?（i?=?1 2、 3）?和Li=?1000?毫米（i=?4,5,6）?與要點(diǎn)船帆?αBi?和最大值?αAi。結(jié)合這兩項(xiàng)結(jié)果，可以得到該機(jī)械手的最終解，作為?a=?350?毫米，Li=?1050?毫米?（i=
1 2、 3）?和Li=?1000?毫米?（ia=?4,5,6）。最后，為每個氣缸帶有計(jì)算的?αBi、αAi?和駕駛中風(fēng)最后的范圍相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，然后結(jié)合。設(shè)計(jì)結(jié)果如表?2?所示。和與該機(jī)械手的原型
這些設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)如圖?5?所示。
為了驗(yàn)證這些設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，設(shè)計(jì)的機(jī)械手性能在給定工作區(qū)中有
已檢查。我們采取了一系列圓筒截面和離散他們成均勻離散點(diǎn)。每個這些離散點(diǎn)的取向也進(jìn)行離散化處理。
然后聯(lián)合角度的值記錄在移動平臺達(dá)到每個位置和方向。
為清楚起見，都會選擇一些典型的數(shù)據(jù)并繪制在這部分中。當(dāng)設(shè)計(jì)的機(jī)械手工作缸?2?頂塊、?分布的?αBi?和?αAi組?1?所示圖?6?和?7分別。圖?8?和圖?9?顯示了同樣的情況，αBi?和?αAi?2?組?？梢杂^察到所有關(guān)節(jié)角度都小于45 °，并只是接近?45 °?腿各關(guān)節(jié)角度的最大值出現(xiàn)在的關(guān)鍵點(diǎn)。所有這些結(jié)果都是一致的。
本文分析研究并滿足要求
5.結(jié)論
本文對此提出了新的三維設(shè)計(jì)方法，為我們的新?' 3-3'-PSS?并聯(lián)機(jī)構(gòu)根據(jù)給定提出了工作區(qū)。這種方法基于幾個關(guān)鍵點(diǎn)，避免了機(jī)械手的復(fù)雜分析自己?6-D?區(qū)實(shí)際上并沒有一個統(tǒng)一的描述人類可讀的方式。關(guān)鍵點(diǎn)建立簡單的關(guān)系機(jī)械臂的幾何參數(shù)與工作區(qū)的要求。在此基礎(chǔ)，提出的設(shè)計(jì)方法已
非常高的效率和準(zhǔn)確性。
很多關(guān)鍵點(diǎn)特征已發(fā)現(xiàn)并在表?1?中列出。
要點(diǎn)是極端的立場,將導(dǎo)致最嚴(yán)重的機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)條件給定的工作區(qū)。運(yùn)動學(xué)性能可以保證在整個工作區(qū),讓機(jī)械手實(shí)現(xiàn)性能的關(guān)鍵點(diǎn)。此外,一些直接運(yùn)動學(xué)和幾何參數(shù)之間的關(guān)系已經(jīng)建立的空間設(shè)計(jì)。簡明地描述6 d工作區(qū),使設(shè)計(jì)要求很明顯,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了對稱描述給定的工作區(qū)。這個描述很容易理解和接近機(jī)械手的操作條件。因此,這種方法可以很容易地用在許多不同的情況。關(guān)鍵點(diǎn)是會導(dǎo)致極端的立場。
機(jī)械手在給定工作區(qū)中的最差運(yùn)動學(xué)條件。運(yùn)動學(xué)性能可以保證內(nèi)
給定工作區(qū)，讓整個機(jī)械手實(shí)現(xiàn)性能的關(guān)鍵點(diǎn)。此外，一些直接的關(guān)系
之間的運(yùn)動學(xué)和幾何參數(shù)已經(jīng)被為三維設(shè)計(jì)建造。
簡要描述?6-D?區(qū)和清楚的設(shè)計(jì)要求，對稱的描述找到了給定工作區(qū)。此描述是機(jī)械手的非常容易理解和接近工況。其結(jié)果是，這種方法可輕松用于許多不同的情況。這種方法推導(dǎo)了特定類型的并行機(jī)制，但找到關(guān)鍵點(diǎn)的想法可能會用于其它并聯(lián)機(jī)構(gòu)的類型。核心問題是找到其職位訂明的工作區(qū)中是獨(dú)立的關(guān)鍵點(diǎn)。
隨著規(guī)模的訂明的工作區(qū)和機(jī)制。這通常需要訂明的工作區(qū)的形狀和機(jī)制的工作區(qū)有一些相似的特征如本例中的軸向?qū)ΨQ。在此研究中，任何其他軸對稱的形狀可以用于描述形狀的除了氣缸的給定工作區(qū)。重寫的約束方程拉格朗日方法，以及這些形狀的關(guān)鍵點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)與本文類似的程序。可能很難找到關(guān)鍵點(diǎn)，但三維設(shè)計(jì)的并行機(jī)制會變得非常方便一旦它做了。如果機(jī)制是不對稱的,那么它應(yīng)當(dāng)指出的關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)分別為每個肢體找到。
提出的設(shè)計(jì)方法基于運(yùn)動學(xué)。其實(shí)，關(guān)節(jié)角?αBi?和?αAi，本文主要研究有直接
雅可比矩陣，然后動態(tài)的關(guān)系?；谶@項(xiàng)工作，在不久的將來，將研究基于動力學(xué)的設(shè)計(jì)方法。
確認(rèn)
這項(xiàng)工作部分支持主要國家基本研究中國的發(fā)展計(jì)劃?（973?計(jì)劃）
（第?2013CB035501?號），和國家自然科學(xué)基金?（批準(zhǔn)號：?51335007）。
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12屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
小型物料運(yùn)送手臂設(shè)計(jì)說明書
學(xué)生姓名
學(xué) 號
所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化
班 級
指導(dǎo)教師
日 期 2012-5-20
塔里木大學(xué)教務(wù)處制
前 言
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(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)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(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手臂可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、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(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)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(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手臂。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手臂”，簡稱通用機(jī)械手臂。由于通用機(jī)械手臂能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
本設(shè)計(jì)的核心是運(yùn)用氣壓傳動來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的；用PLC進(jìn)行控制的小型物料運(yùn)送手臂。
由于設(shè)計(jì)時間倉促，水平有限，設(shè)計(jì)中難免存在缺點(diǎn)和錯誤，希望大家批評指正。
設(shè)計(jì)者
塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
小型物料運(yùn)送手臂設(shè)計(jì)
目 錄
1緒 論 2
1.1 機(jī)械手臂概念 2
1.2本課題研究的目的及意義 2
1.3 國內(nèi)外機(jī)械臂的發(fā)展和研究 3
1.4 本課題的任務(wù)要求及其可行性 4
1.4.1本課題將要完成的主要任務(wù)如下: 4
1.4.2 可行性分析 4
2 機(jī)械手臂的整體設(shè)計(jì)方案 4
2.1 機(jī)械手臂的組成 4
2.2 機(jī)械手臂的自由度 5
2.3 機(jī)械手臂的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5
2.4 機(jī)械手臂的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5
2.5 機(jī)械手臂的驅(qū)動方案設(shè)計(jì) 5
2.6 機(jī)械手臂的控制方案設(shè)計(jì) 5
2.7 機(jī)械手臂的主要技術(shù)參數(shù) 6
2.8 機(jī)械手臂的系統(tǒng)工作原理 7
3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
3.1手指的形狀和分類 9
3.2設(shè)計(jì)時考慮的幾個問題 9
3.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 9
4 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
4.1 手腕的自由度 12
4.2 手腕的回轉(zhuǎn)氣缸設(shè)計(jì)與校核 12
4.3 臂部伸縮氣缸的設(shè)計(jì)與校核 13
4.3.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 13
4.3.2 尺寸校核 13
5 立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
5.1 臂部升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 14
5.1.1 尺寸設(shè)計(jì) 14
5.1.2 尺寸校核 14
5.2 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 15
5.2.1 尺寸設(shè)計(jì) 15
5.2.2 尺寸校核 15
6 機(jī)械手臂的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16
6.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 16
6.1.1 可編程序控制器的選擇 16
6.1.2 可編程序控制器的工作過程 16
6.2 可編程序控制器的使用步驟 17
6.3 機(jī)械手臂可編程序控制器控制方案 17
6.3.1 控制要求 17
6.3.2 機(jī)械手臂的工作流程 18
6.3.3 機(jī)械手臂的PLC梯形圖 19
7 結(jié)論 19
致 謝 21
參考文獻(xiàn) 22
1緒 論
1.1 機(jī)械手臂概念
它是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。（如圖1-1）
圖1-1 機(jī)械手臂
1.2本課題研究的目的及意義
機(jī)械手臂對穩(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(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手臂可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、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(jìn)行正常的工作，意義更為重大。
此外，氣壓傳動機(jī)械手臂是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手臂。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)來源極為方便，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(jī)械手臂的結(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(jìn)行工作。另外氣動技術(shù)有以下特點(diǎn):
(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(bǔ)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，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)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(yán)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(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，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(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。
(5)工作環(huán)境適應(yīng)性好?？稍谠谝兹?、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中工作
。氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)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(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實(shí)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(jī)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(fù)雜的機(jī)械手臂，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)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(jī)械手臂、氣動機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮
。
1.3 國內(nèi)外機(jī)械臂的發(fā)展和研究
它是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手
機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人?，F(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手鉚接機(jī)器人。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機(jī)器人主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
研究方向及趨勢
1 重復(fù)高精度
精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)次數(shù)多，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機(jī)械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機(jī)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手來測定。目前，最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為16. 5m/s。位置重復(fù)精度為1 0. 01mm。但有一種大直角坐標(biāo)搬。機(jī)器人，其最大合成速度竟達(dá)80m/s；而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的NC 機(jī)器人，其位置重復(fù)精度達(dá)1P m
。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
2 模塊化
有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手動作自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是機(jī)械手的一個重要的發(fā)展方向。
3 節(jié)能化
為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。
4 機(jī)電一體化
由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”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)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制” ；節(jié)省配線的復(fù)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。
國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。
隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。目前，機(jī)械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)，如采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等領(lǐng)域，同時也已開始擴(kuò)大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中。
1.4 本課題的任務(wù)要求及其可行性
1.4.1本課題將要完成的主要任務(wù)如下:
(1)機(jī)械手臂為通用機(jī)械手臂，因此相對于專用機(jī)械手臂來說，它的適用面相對較廣。
(2)選取機(jī)械手臂自由度。
(3)設(shè)計(jì)出機(jī)械手臂的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
(4)機(jī)械手臂的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1.4.2 可行性分析
由于生產(chǎn)中應(yīng)用此機(jī)械手臂可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、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(jìn)行正常的工作。所以實(shí)用性很強(qiáng)。并且隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這勢必成為今后生產(chǎn)的一種趨勢。所以具有可行性。
2 機(jī)械手臂的整體設(shè)計(jì)方案
對氣動機(jī)械手臂的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)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(jì)氣動機(jī)械手臂的原則是: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(yùn)時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂是通用氣動小型物料運(yùn)送械手臂，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(yùn)或操作設(shè)備，動作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。
包括手部、臂部和立柱等部件。
2.1 機(jī)械手臂的組成
機(jī)械手臂由手部、臂部和立柱等部件組成。
1、手部
即與物件接觸的部件。手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手腕是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位。
2、手臂
手臂是支承被抓物件、手部的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。
3、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(yùn)動和升降運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。
2.2 機(jī)械手臂的自由度
機(jī)械手臂有三個自由度（如圖2-1所示）
圖2-1 機(jī)械手臂的運(yùn)動示意圖
2.3 機(jī)械手臂的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手臂的通用性，同時由于被抓取物料的位置不確定，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
2.4 機(jī)械手臂的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
按照抓取物料的要求，本機(jī)械手臂的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮，回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，手臂的伸縮由和立柱垂直的臂實(shí)現(xiàn)。手臂的各種運(yùn)動由氣缸來實(shí)現(xiàn)。
2.5 機(jī)械手臂的驅(qū)動方案設(shè)計(jì)
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(jī)械手臂采用氣壓傳動方式。
2.6 機(jī)械手臂的控制方案設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手臂的通用性，同時使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手臂進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手臂的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
2.7 機(jī)械手臂的主要技術(shù)參數(shù)
一.機(jī)械手臂的最大抓重是其規(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(jī)械手臂的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為5公斤。
二.基本參數(shù)運(yùn)動速度是機(jī)械手臂主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手臂速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。（如圖2-2所示）而影響機(jī)械手臂動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手臂最大移動速度設(shè)計(jì)為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)械手臂動作時有啟動、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?yàn)槠骄俣扰c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(yùn)動速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手臂設(shè)計(jì)成相當(dāng)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(jì)和比較，該機(jī)械手臂手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手臂的定位精度為
三．設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
1、抓重 5kg
2、自由度數(shù) 4個自由度
3、最大工作半徑 1200mm
5、手臂最大中心高 1200mm
6、手臂運(yùn)動參數(shù)
伸縮行程400 mm
伸縮速度200 mm/s
升降行程400 mm
升降速度250 mm/s
回轉(zhuǎn)范圍0°-180°
回轉(zhuǎn)速度90°/s
7、手腕運(yùn)動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 0°-180°90°/s
回轉(zhuǎn)速度90°/s
8、手指夾持范圍 棒料:
9、定位方式 行程開關(guān)
10、定位精度
11、驅(qū)動方式 氣壓傳動
12、控制方式 點(diǎn)位程序控制(采用PLC)
圖2-2機(jī)械手臂的工作范圍
2.8 機(jī)械手臂的系統(tǒng)工作原理
機(jī)械手臂的系統(tǒng)工作原理框圖如圖2-3所示。
圖2-3機(jī)械手臂的系統(tǒng)工作原理框圖
機(jī)械手臂的工作原理：機(jī)械手臂主要由執(zhí)行機(jī)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。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動軌跡，有一定速度和時間的動作。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.
(一)驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的。
(二)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手臂按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。該機(jī)械手臂采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手臂按規(guī)定的程序運(yùn)動，并記憶人們給予機(jī)械手臂的指令信息(如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手臂的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報(bào)警信號。
(三)位置檢測裝置
控制機(jī)械手臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.
3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成（如圖3-1）
圖3-1手部
3.1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(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)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(fù)雜龐大，當(dāng)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。
3.2設(shè)計(jì)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(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。
(二)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(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
(三)保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
(四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手臂在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，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(jī)械手臂的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手臂的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)， 兩指回轉(zhuǎn)型，指形狀設(shè)計(jì)成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖3-1所示。
3.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)
1、手部驅(qū)動力計(jì)算
本課題氣動機(jī)械手臂的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：
圖3-2齒輪齒條式手部
其工件重量G=5公斤，
V形手指的角度為，,摩擦系數(shù)為
(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:
(2)根據(jù)手指夾持工件，可得握力:
所以
(3)實(shí)際驅(qū)動力:
1、因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取a=3g時，則:
所以
所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1914N。
2、氣缸的直徑
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
:
式中: - 活塞桿上的推力，N
- 彈簧反作用力，N
- 氣缸工作時的總阻力，N
- 氣缸工作壓力，Pa
彈簧反作用按下式計(jì)算:
式中:- 彈簧剛度，N/m
- 彈簧預(yù)壓縮量，m
- 活塞行程，m
- 彈簧鋼絲直徑，m
- 彈簧平均直徑，.
- 彈簧有效圈數(shù).
- 彈簧材料剪切模量，一般取
在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
所以:
查有關(guān)手冊圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式
有:
其中，[]，
則:
滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。
3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
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(jì)算:
式中:氣缸壁：65×0.1=6.5 mm
取6 mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa
材料為:ZL3,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
4 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 手腕的自由度
手腕（如圖4-1）是連接手部和臂部的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手臂適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕應(yīng)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，并且要求嚴(yán)格的密封。
圖4-1手腕部分
4.2 手腕的回轉(zhuǎn)氣缸設(shè)計(jì)與校核
回轉(zhuǎn)氣壓缸主要用于機(jī)床夾具和線材卷曲登裝置上
。本機(jī)械手相當(dāng)于機(jī)床夾具。
1.尺寸設(shè)計(jì)
氣缸長度設(shè)計(jì)為l=200mm,氣缸動片寬度b=100mm氣缸內(nèi)徑為=96mm,半徑R=48mm，軸徑=26mm,半徑r=13mm,氣缸效率取0.8，回轉(zhuǎn)工作壓力,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時間0.1s
則力矩：
2.尺寸校核
（1）測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
（）
設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。
4.3 臂部伸縮氣缸的設(shè)計(jì)與校核
4.3.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)
手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63。
4.3.2 尺寸校核
1. 在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng),
則驅(qū)動力：
2．測定汽缸作用的部件質(zhì)量為30kg,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),
總受力
所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸（如圖4-2）的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動力要求。
圖4-2 標(biāo)準(zhǔn)氣缸
5 立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 臂部升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核
5.1.1 尺寸設(shè)計(jì)
氣缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為=118mm,氣缸內(nèi)徑為=210mm,半徑R=105mm,氣缸運(yùn)行速度，加速度時間=0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動力：
=3799N
5.1.2 尺寸校核
1．測定手腕質(zhì)量為60kg,則重力：
2．設(shè)計(jì)加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)，
總受力
=300+600+60=960N
所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。
5.2 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核
5.2.1 尺寸設(shè)計(jì)
氣缸長度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時間0.5s,壓強(qiáng),
則力矩：
5.2.2 尺寸校核
1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
（）
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù),
總驅(qū)動力矩：
設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。
6 機(jī)械手臂的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手臂的通用性，同時使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手臂進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手臂的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
6.1 可編程序控制器的選擇及工作過程
6.1.1 可編程序控制器的選擇
目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考慮到本機(jī)械手臂的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器（如圖6-1）。
圖6-1 OMRON公司的C28P型可編程序控制器
6.1.2 可編程序控制器的工作過程
可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為四個階段。
第一階段是初始化處理。
可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機(jī)時，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。
第二階段是處理輸入信號階段。
在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點(diǎn)的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。
第三階段是程序處理階段。
當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。
第四階段是輸出處理階段。
CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。
6.2 可編程序控制器的使用步驟
在可編程序控制器與被控對象(機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程)構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)時，通常以七個步驟進(jìn)行:
(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
即確定被控對象的工作原理，控制要求，動作及動作順序。
(2)I/0分配
即確定哪些信號是送到可編程序控制器的，并分配給相應(yīng)的輸入端號;哪些信號是由可編程序控制器送到被控對象的，并分配相應(yīng)的輸出端號.此外，對用到的可編程序控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器、定時器等也要進(jìn)行分配。可編程序控制器是通過編號來識別信號的。
(3)畫梯形圖
它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達(dá)了系統(tǒng)中全部動作的相互關(guān)系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT)，則畫出梯形圖相當(dāng)于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對簡易編程器，則往往要經(jīng)過下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過程。
(4)助記符機(jī)器程序
相當(dāng)于微機(jī)的助記符程序，是面向機(jī)器的(即不同廠家的可編程序控制器，助記符指令形式不同)，用簡易編程器時，應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序，才能將其輸入到可編程序控制器中。
(5)編制程序
即檢查程序中每條語法錯誤，若有則修改。這項(xiàng)工作在編程器上進(jìn)行。
(6)調(diào)試程序
即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，可以在編程器上修改。程序設(shè)計(jì)(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試)也可在別的工具上進(jìn)行。如IBM-PC機(jī)，只要這個機(jī)器配有相應(yīng)的軟件。
(7)保存程序
調(diào)試通過的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盤上備用。
6.3 機(jī)械手臂可編程序控制器控制方案
6.3.1 控制要求
1.控制要求
為了滿足生產(chǎn)需要，機(jī)械手臂應(yīng)設(shè)置手動工作方式、單動工作方式和自動工作方式。
（1）手動工作方式
便于對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和檢修，設(shè)置手動工作方式。用按鈕對機(jī)械手臂每一動作單獨(dú)進(jìn)行控制。
（2）單動工作方式
從原點(diǎn)開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按下一次起動按鈕，機(jī)械手臂完成一步的工作后，自動停止。
（3）自動工作方式
按下起動按鈕，機(jī)械手臂從原點(diǎn)開始，按工序自動反復(fù)連續(xù)工作，直到按下停止按鈕，機(jī)械手臂在完成最后一個周期的動作后，返回原點(diǎn)自動停機(jī)。
6.3.2 機(jī)械手臂的工作流程
氣動機(jī)械手臂的工作流程如下（如圖6-2所示）：
(1) 當(dāng)按下機(jī)械手臂啟動按鈕之后，立柱上升，上升至位置開關(guān)處。
(2) 立柱左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)至位置開關(guān)處。
(3) 手腕逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動至逆時針位置開關(guān)處。
(4) 手指打開，打開至位置開關(guān)處。
(5) 手臂伸長，伸長至位置開關(guān)處。
(6) 手指閉合，閉合至位置開關(guān)處。
(7) 手臂收縮，收縮至位置開關(guān)處。
(8) 立柱右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)至位置開關(guān)處。
(9) 手臂伸長，伸長至位置開關(guān)處。
(10) 手指打開，打開至位置開關(guān)處。
(11) 手臂收縮，收縮至位置開關(guān)處。
(12) 手腕順時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動至位置開關(guān)處
(13) 手指閉合，閉合至位置開關(guān)處。
(14) 立柱下降，下降至位置開關(guān)處。完成循環(huán)。
圖6-2 機(jī)械手臂自動控制工作流程圖
6.3.3 機(jī)械手臂的PLC梯形圖
機(jī)械手臂的PLC梯形圖如下：（如圖6-2）
圖6-2a 機(jī)械手臂
圖7-2b中：I0.0為立柱上升信號，I0.1為手臂左轉(zhuǎn)信號，I0.2為手腕逆時針旋轉(zhuǎn)信號，I0.3為手指打開信號，I0.4為手臂伸長信號，I0.5為手指閉合信號，I0.6為手臂收縮信號，I0.7為手臂右轉(zhuǎn)信號，I0.8、I0.9、I1.0\I1.2為互鎖開關(guān)信號，I1.1為順時針旋轉(zhuǎn)信號，I1.3為立柱下降信號，M0.0為立柱上升氣壓閥，M0.1為手臂左轉(zhuǎn)氣壓閥，M0.2為手腕逆時針旋轉(zhuǎn)氣壓閥，M0.3為手指打開氣壓閥，M0.4為手臂伸長氣壓閥，M0.5為手指閉合氣壓閥，M0.6為手臂收縮氣壓閥，M0.7為手臂右轉(zhuǎn)氣壓閥，M0.8為順時針旋轉(zhuǎn)氣壓閥，M0.9為立柱下降氣壓閥。
7 結(jié)論
(1)本次設(shè)計(jì)的是氣動機(jī)械手臂，自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。
(2)采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污染環(huán)境。同時成本低廉。
(3)機(jī)械手臂采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無論是進(jìn)行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定PLC程序來實(shí)現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)機(jī)械手臂的動作順序修改程序，使機(jī)械手臂的通用性更強(qiáng)。
圖6-2b 機(jī)械手臂的PLC梯形圖
致 謝
在本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文即將完成之際，我想對所有曾經(jīng)給過我?guī)椭椭С值娜藗儽硎局孕牡母兄x。首先要感謝的是養(yǎng)育我的父母，他們給了我無私的愛，我深知他們?yōu)槲仪髮W(xué)和生活所付出的巨大的犧牲和努力，至今我一直無以為報(bào)，在這里僅表達(dá)我對他們的深深地思念和感恩。
感謝我的指導(dǎo)老師黃新成，同時感謝張宏老師對我的幫助，他們在學(xué)習(xí)和工作方面給了我大量的指導(dǎo)，讓我學(xué)到了很多知識，掌握了此次設(shè)計(jì)中的知識，也獲得了實(shí)踐鍛煉的機(jī)會，對我的嚴(yán)格要求以及為人的誠懇都將使我終身受益。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們在學(xué)校的最后一個任務(wù)，畢業(yè)設(shè)計(jì)對我們來說的確是一個不小的考驗(yàn)，起初很慌亂，不知如何下手，由于對題目不限制，這使我們的設(shè)計(jì)范圍擴(kuò)大了，減少了很少難度，三個月認(rèn)真查找資料，和同學(xué)配合，終于告一段落，這次設(shè)計(jì)又使我學(xué)到了很多知識，溫故了以前的知識。同時也明白了老師的良苦用心，也知道的自己的知識是多么的少，還需要學(xué)習(xí)。三個月的努力我學(xué)到了很多知識，更多的了解了機(jī)械，知道自己的以后人生方向在哪，以后的路懂得怎么走了，找到了自己的人生價(jià)值觀。
借此機(jī)會向各位老師說聲謝謝，謝謝你們的培養(yǎng)，祝你們身體健康，事業(yè)順利！
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