四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計-氣動機(jī)械手[圓柱坐標(biāo)型 2KG]

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Replaces the manpower with the machine strength, Its the historical development tendency that liberates the humanity from the arduous physical labor. In the recent several years, the robot development not only more and more optimizes, but also moreover has covered many domains.Industrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry.This paper design for enhances the labor productivity, product quality, economic efficiency and reduces the worker labor intensity. Some job working at extremely bad environment, that people cant work in hand, so the robots can replace worker to do it.This scheme introduced a cylindrical robot for four degree of freedom. It is composed of two linear axes and two rotary axis current This paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 2KG. The different fingernail finger was Choice for transporting the good material that diameter is smaller than 60mm.Under controller function the robot move the components from one assembly line to other assembly line and turn over it in space, perform relatively simple takes. Key words: four degrees of freedom; robot; transporting; Industrial robotVII目目 錄錄摘 要.IVAbstract.V目 錄.VII1 緒論 .1 1.1 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)與發(fā)展 .1 1.2 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手所實現(xiàn)的功能 .2 1.3 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計的意義 .22 機(jī)械手的總體設(shè)計 .3 2.1 設(shè)計要求 .3 2.2 機(jī)械手的組成 .3 2.3 總方案的擬定 .4 2.4 機(jī)器人的工作空間 .4 2.5 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 .5 2.5.1 機(jī)械手驅(qū)動器 .5 2.5.2 機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu) .53 機(jī)械手的傳動設(shè)計 .7 3.1 滾珠絲杠的選擇 .7 3.2 諧波齒輪減速器參數(shù)的確定 .84 機(jī)械手的各電機(jī)選擇 .12 4.1 機(jī)械手手臂升降步進(jìn)點(diǎn)擊的選擇 .12 4.2 機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)的選擇 .145 機(jī)械手各氣動件的設(shè)計計算 .18 5.1 氣爪夾緊力的起算與氣爪的選擇 .18 5.1.1 氣爪夾緊力的要求 .18 5.1.2 缸徑的確定 .19 5.1.3 行程的確定 .20 5.1.4 氣缸的動速度 .20 5.1.5 擺動氣缸的選擇 .21 5.2 手臂伸縮氣缸的選擇 .236 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)置 .26 6.1 機(jī)械手控制器的選擇 .26 6.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對控制功能的基本要求 .26 6.3 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 .277 手臂驗算與機(jī)械手參數(shù).29 7.1 手臂平衡的驗算 .29VIII 7.2 機(jī)械手參數(shù) .308 結(jié)論與展望 .31 8.1 結(jié)論 .31 8.2 不足之處及未來展望 .31致 謝 .32參考文獻(xiàn) .33四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計11 緒論緒論1.1 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)與發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)與發(fā)展機(jī)器人（又稱機(jī)械手，機(jī)械人，英文名稱：Robot） ，在人類科技發(fā)展史上其來有自，早在三國時代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國人的智能結(jié)晶。隨著近代的工業(yè)革命，機(jī)器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。機(jī)器人的研究從一開始就是擬人化的，所以才有機(jī)械手、機(jī)械臂的開發(fā)與制作，也是為了以機(jī)械來代替人去做人力所無法完成的勞作或探險。但近十幾年來，機(jī)器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。工業(yè)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品。在許多生產(chǎn)領(lǐng)域，它對于提高生產(chǎn)自動化水平，提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動條件的作用日見顯著。不少勞動條件惡劣、生產(chǎn)要求苛刻的場合，工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動已是必然的趨勢。工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機(jī)械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。工業(yè)機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進(jìn)行各種操作。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代：第一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應(yīng)用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。第二代工業(yè)機(jī)器人是帶感覺的機(jī)器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從 1980 年開始進(jìn)入了實用階段，不久即將普及應(yīng)用。第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用。世界上工業(yè)機(jī)器人萌芽于 50 年代的美國，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，已被不斷地應(yīng)用于人類社會很多領(lǐng)域，正如計算機(jī)技術(shù)一樣，機(jī)器人技術(shù)正在日益改變著我們的生產(chǎn)方式。進(jìn)入 90 年代，世界機(jī)器人工業(yè)繼續(xù)穩(wěn)步增長，每年增長率保持在 10%左右，世界上已擁有機(jī)器人數(shù)量達(dá)到 70 萬臺左右，1992、1993 年世界機(jī)器人市場曾一度出現(xiàn)小的低谷，無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文2近年除日本外，歐美機(jī)器人市場也開始復(fù)蘇，并日益興旺。與全球機(jī)器人市場一樣，中國機(jī)器人市場也逐漸活躍，1997 年上半年，我國從事機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的單位已達(dá) 200 家，研制生產(chǎn)的各類工業(yè)機(jī)器人約有 410 臺，其中已用于生產(chǎn)的約占3/4。目前全國約有機(jī)器人用戶 500 家，擁有的工業(yè)機(jī)器人總臺數(shù)約為 1200 臺，其中從40 家外國公司進(jìn)口的各類機(jī)器人占 2/3 以上，并每年以 100150 臺的速度增加。從機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展來看，在很多方面工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動已是必然的趨勢，工業(yè)機(jī)器人將來必定有廣闊的發(fā)展前景。1.2 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手所實現(xiàn)的功能本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手所實現(xiàn)的功能 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手，主要是針對質(zhì)量少于 2KG 的圓形棒料的搬運(yùn)。本設(shè)計中的機(jī)械手有四個自由度，由底座的旋轉(zhuǎn)，手臂的升降，手臂的伸縮，手爪的旋轉(zhuǎn)組成。本設(shè)計中的機(jī)械手是一種通用型棒料搬運(yùn)機(jī)械手。通過氣爪手指的不同選擇可滿足小于直徑 60mm 的棒料的搬運(yùn)。通過示教再現(xiàn)或程序的直接控制可實現(xiàn)在機(jī)械手工作范圍內(nèi)把棒料從指定點(diǎn)搬運(yùn)到另一指定點(diǎn)，并把棒料翻轉(zhuǎn)過來。通過對機(jī)械手的相應(yīng)控制還可實現(xiàn)對棒料的排列。1.3 本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計的意義本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計的意義機(jī)器人工程是近二十多年迅速發(fā)展起來的，目前已應(yīng)用與許多生產(chǎn)領(lǐng)域。由目前的發(fā)展?fàn)顩r看，在可預(yù)見的將來它將在生產(chǎn)中扮演越來越重要的角色。本機(jī)械手就是基于此并為提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，減輕工人勞動強(qiáng)度而設(shè)計的。在某些勞動條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機(jī)械手代替人力勞動。在社會不斷發(fā)展的今天，機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用也越來越廣泛，用機(jī)器的力量代替人力，而將人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢。四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計32 機(jī)械手的總體設(shè)計機(jī)械手的總體設(shè)計2.1 設(shè)計要求設(shè)計要求要求：本畢業(yè)設(shè)計要求學(xué)生掌握機(jī)器人或工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及工作原理，實現(xiàn)機(jī)械手的上升、下移、左移、右移抓緊和放松等多個自由度，完成一四自由度搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計，要求所設(shè)計機(jī)器人能抓取一定質(zhì)量的工件并到達(dá)規(guī)定的地點(diǎn)。2.2 機(jī)械手的組成機(jī)械手的組成 圖 2.1 機(jī)械手的組成圖本機(jī)械手由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制檢測系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)：1.執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運(yùn)動所必需的機(jī)械部件，它包括氣爪、手臂升降、手臂伸縮、底座旋轉(zhuǎn)。2.驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。本設(shè)計選用機(jī)械傳動、氣壓傳動和電機(jī)驅(qū)動?？刂葡到y(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。機(jī) 械 手機(jī) 械 系 統(tǒng)控 制 系 統(tǒng)執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)驅(qū) 動 機(jī) 構(gòu)氣爪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)伸縮機(jī)構(gòu)升降機(jī)構(gòu)底座電器混合驅(qū)動無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文42.3 總方案的擬定總方案的擬定由設(shè)計要求本設(shè)計機(jī)械手實現(xiàn)的作用：自動線上有，兩條輸送帶，之間距離為0.7m，現(xiàn)設(shè)計機(jī)械手將一棒料工件從 A 帶送到 B 帶并將棒料翻轉(zhuǎn)過來。 確定為四自由度的機(jī)械手。其中 2 個為旋轉(zhuǎn)，2 個為平移。在工業(yè)機(jī)器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定機(jī)械手，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和諧波齒輪傳動來實現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；利用另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實現(xiàn)上下運(yùn)動；考慮到本設(shè)計中的機(jī)械手工作范圍不大，故利用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動；末端夾持器則選用氣爪來做夾持器，用小型氣缸驅(qū)動夾緊。氣爪的旋轉(zhuǎn)則由與氣爪連接的擺動氣缸實現(xiàn)。其外觀與工作移動方位如圖 2-2圖 2.2 機(jī)器人外形圖2.4 機(jī)器人的機(jī)器人的工作空間工作空間本機(jī)械手底座采用圓柱坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，其工作空間是一個具有一定角度的繞機(jī)械手轉(zhuǎn)動軸的扇形體立體空間。機(jī)器人具有較大的相對工作空間和絕對工作空間，所謂相對工作空間是指手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比，絕對工作空間是指手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積，只要工件搬運(yùn)點(diǎn)都在此范圍內(nèi)即可實現(xiàn)搬運(yùn)。下圖 2-3 描述了本機(jī)械手的工作空間，是頂視圖。高度即為手臂可升降的高度。四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計5圖 2.3 工作空間圖2.5 機(jī)械手驅(qū)動機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計2.5.1 機(jī)械手驅(qū)動器機(jī)械手驅(qū)動器機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu),它們常和執(zhí)行器聯(lián)成一體,驅(qū)動臂，桿和載荷完成指定的運(yùn)動。常用的驅(qū)動器有電機(jī)、液壓和氣動等驅(qū)動裝置，其中采用電機(jī)驅(qū)動器是最常用的驅(qū)動方式，包括直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)及其步進(jìn)電機(jī)等。本設(shè)計中底座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都是采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器（在第 5 章計算說明步進(jìn)電機(jī)的選擇） ，而手臂的伸縮則選用七缸作為驅(qū)動器。氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過擺動氣缸來作為驅(qū)動器。102.5.2 機(jī)械手機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)手臂的升降是步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與絲桿連接。手臂上安裝絲桿螺母副，從而驅(qū)動手臂的升降。手臂的伸縮是通過氣缸桿直接連接裝有擺動氣缸的擺動氣缸安裝板，從而實現(xiàn)伸縮運(yùn)動的。 氣爪的旋轉(zhuǎn)是擺動氣缸通過氣爪的連接附件直接相連接。5如下圖 2.4圖 2.4 氣爪連接示圖無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文6底座的旋轉(zhuǎn)是通過步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機(jī)座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。5如下圖 2.5：1支座，2電機(jī)，3軸承，4帶傳動，5殼體6位置傳感器，7柔輪，8波發(fā)生器，9剛輪 圖 2.5 機(jī)械手底座傳動示圖本設(shè)計中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表 2-1。表 2-1 機(jī)械手參數(shù)表機(jī)械手類型四自由度圓柱坐標(biāo)型抓取重量2Kg自由度4 個（2 個回轉(zhuǎn) 2 個移動）底座長 290mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 PLC 控制手臂升降機(jī)構(gòu)長 550mm，升降運(yùn)動，升降范圍 400mm，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 PLC 控制手臂伸縮機(jī)構(gòu)長 826mm，伸縮運(yùn)動，伸縮范圍 270mm，氣缸驅(qū)動 活塞位置控制氣爪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)角 180o，氣缸驅(qū)動，行程開關(guān)控制四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計73 機(jī)械手的傳動機(jī)械手的傳動設(shè)計設(shè)計3.1 滾珠絲杠滾珠絲杠的選擇的選擇絲桿所受載荷主要是手臂的重力，設(shè)計的手臂質(zhì)量約為 25KG 即等效載荷。絲桿選為有效行程 450mm , 由前電機(jī)選擇的計算絲桿轉(zhuǎn)速 , NF245mmin525mrn設(shè)計使用壽命取 L=27 106r ，工作溫度低于 100，可靠度 95%，精度為 3 級精度。1計算工作載荷： FKmcF式中： K顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，設(shè)計取為 1.2 FFmcK =1.2 245 = 294 N最大動負(fù)載 C 的計算 最大動負(fù)載 C 的計算公式： 12mmFLCf3 查機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書式 2-14 得式中： L工作壽命，單位為 106r，本設(shè)計取為 27 106r fm運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取，本設(shè)計取 1.22 . 11 Fm滾珠絲桿工作載荷（N） ； 把以上數(shù)據(jù)代入mmFLCf3得：4 .10582942 . 1273C選擇滾珠絲桿副的型號C=1058.4N 按，查機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 2-7，選用漢江機(jī)床廠 FN 型滾珠絲aCC 杠，系列代號為 FN-2506-24。12其中 7747aCN= 25 mm , =6mm ,0DnP螺桿不長，變形量不大無需驗算。 效率計算 螺旋導(dǎo)程角 = = = 357 dPnarctanondParctan 效率的計算公式： 12)tan(tan 查機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書式 2-15 得無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文8式中：絲桿螺旋導(dǎo)程角有前計算的753 摩擦角絲桿副摩擦系數(shù)為，其摩擦角為004. 0003. 0f 01 把以上數(shù)據(jù)代入得： )tan(tan %95950. 0)01753tan(753tan3.2 諧波齒輪減速器參數(shù)的確定諧波齒輪減速器參數(shù)的確定一般一級諧波齒輪減速比可以在 50500 之間，諧波齒輪結(jié)構(gòu)簡單，零件少，重量輕，運(yùn)動誤差小，無沖擊，齒的磨損小，傳動精度高，傳動平穩(wěn)。諧波齒輪減速傳動裝置明顯的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于機(jī)器人和其它機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備中。本設(shè)計的底座旋轉(zhuǎn)采用諧波齒輪減速器傳動。諧波齒輪采用帶杯形柔輪的諧波傳動組合件。它是由三個基本構(gòu)件構(gòu)成的，帶凸緣的環(huán)形剛輪，杯形的柔輪和柔性軸承、橢圓盤構(gòu)成的波發(fā)生器。諧波齒輪的設(shè)計基本參數(shù)如下：傳動比：；100i2柔輪變形波數(shù)：U=2 ；柔輪齒數(shù)：；2001002iUZR剛輪齒數(shù)：；2022200rcUZZ模數(shù)：；mm44. 0m 柔輪臂厚：；mm5 . 0H尺寬：；mm20b 其中，柔輪與柔輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計算分別確定如下： 全齒高：； ；mm7 . 0h Rmm72. 0hc 分度圓直徑：； ；mm80dRmm8 .80dc 齒頂圓直徑：； ；mm2 .83daRmm8 .82dac四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計9 齒根圓直徑：； ；mm7 .79dfRmm28.84dfc 齒形角：； ； 20R 20c 變位系數(shù)： ； ；7 . 3RX71. 3CX柔輪與剛輪均采用漸開線齒形，波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器，其中長軸2a=59.9mm ，短軸 2b=58.2mm ，并且采用具有 23 個直徑為 7.14mm 滾珠的薄臂軸承。諧波齒輪輪齒的耐磨計算：由于諧波齒輪的柔輪和剛輪的齒數(shù)均很多，兩齒形曲線半徑之差很小，所以輪齒工作時很接近面接觸，則輪齒工作表面的磨損可由齒面的比壓 P 來控制。輪齒工作表面的耐磨損能力可由下式計算：7 2000pRnvT KPPd h b Z 式中：T作用在柔輪上的轉(zhuǎn)矩（） ，由前計算取得；mNm2 NT 柔輪分度圓直徑，本設(shè)計中取為 =80mm ；RdRd 最大嚙入深度，近似取=（）m，本設(shè)計中取nhnh6 . 14 . 1 ；1.4 0.40.56nhmm b 齒寬（mm） ，設(shè)計中取為 b=20mm ； 當(dāng)量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù) ，一般可取vZ；15200075. 0vZ K載荷系數(shù)，取 ，設(shè)計中取為 K=1.5 ；75. 13 . 1K 齒寬許用比壓 ，對于無潤滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，取=8MPA ；PPPP所以，代入得： vnbhd2000ZKTPR 2000 2 1.580 0.56 20 150.4464MPaP 因滿足，所以符合耐磨性要求 。MPAMPA84464. 0aPP 柔輪強(qiáng)度計算：諧波齒輪工作時，柔輪筒體處于變應(yīng)力狀態(tài)，其正應(yīng)力基本上是對稱變化的，而切無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文10應(yīng)力則呈脈動變化，若以分別表示正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。11mam,（1）正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為： 0,h35. 32mpDE（2）由變形和外載荷所引起的切應(yīng)力分別為： 12pp2p1y2000,hE0.5DhTD則，切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為： )(5 . 0aym以上式中：T柔輪工作轉(zhuǎn)矩（） ，由前計算取為：T=2 ；mNmN 柔輪齒根處的臂厚（mm） ，設(shè)計中取為：=0.6mm ；1h1h 計算平均直徑（mm） ，設(shè)計中為：PD ；mmD1 .796 . 07 .79hd1fp E彈性模量（） ，設(shè)計中為 E =206000 ；aMPaMP 變形量（mm） ，本設(shè)計中為Rcd-d =80.880=0.8mm ；將具體數(shù)據(jù)代分別代入上式中得： 323220.8 206 100.63.5556.103()79.100.8 206 100.60.57.902()79.12000 20.339()79.10.60.5 ()0.5 (7.9020.339)4.121()aamyaaamyaMPMPMPMP柔輪工作條件較惡劣，為使柔輪在額定載荷下不產(chǎn)生塑性變形和疲勞破壞，并考慮加工工藝較高的要求，決定選用 30CrMnSiA 作為柔輪材料。30CrMnSiA 的力學(xué)性能如下：6四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計11 ，球化處理后硬度為 ，1100,900basaMPMPHRC2624且，?。?110.450.45 1100495()0.250.25 1100275()babaMPMP柔輪正應(yīng)力安全系數(shù)和切應(yīng)力安全系數(shù)分別為： 114953.5292.5 56.10327523.380.22.25 4.801 0.2 4.801aamnknk柔輪的安全系數(shù)： 489. 338.23529. 3n38.2359. 3nnnn2222此數(shù)值大于許用安全系數(shù) 1.5，則柔輪強(qiáng)度滿足要求。無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文12 4 機(jī)械手的各電機(jī)選擇機(jī)械手的各電機(jī)選擇進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行電機(jī)。本機(jī)械手系統(tǒng)所要求的定位精度較高，而步進(jìn)電機(jī)對系統(tǒng)位置控制比較準(zhǔn)確且控制易于實現(xiàn)。故本機(jī)械手選用的驅(qū)動電機(jī)都是步進(jìn)電機(jī)。4.1 機(jī)械手手臂升降步進(jìn)點(diǎn)擊的選擇機(jī)械手手臂升降步進(jìn)點(diǎn)擊的選擇機(jī)械手手臂升降用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動，通過絲桿傳動來實現(xiàn)升降。初選步進(jìn)電機(jī)875003BF由前計算絲桿導(dǎo)程為 mmLo6本設(shè)計機(jī)械手手臂升降速度選定為 smmS35所以絲桿轉(zhuǎn)速： minr98.349OLSW回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： fgacMMM式中： 機(jī)械手手臂升降相對絲桿的回轉(zhuǎn)力矩 ；cM 機(jī)械手手臂升降相對絲桿的摩擦阻力矩 ；fM機(jī)械手手臂升降在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；gaM其中： ，twoga JM式中：手臂升降啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作的角速度：； 2349.98( /min)349.9836.649(/ )60rrad s t手臂升降啟動或制動的時間：本設(shè)計取為；）（s3 . 0t 手臂升降時各部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量，0J2mkg其中：dlsJJJJo 式中：絲桿對其轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量，sJ2mkg 其中：437.810smJDL式中：絲桿的公稱直徑由前計算得mD）（m025. 0mD 絲桿的長度本設(shè)計取為 0.6(m)L四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計13 代入得： ）（234mkg00137. 01045. 0025. 08 . 7sJ 升降電機(jī)與絲桿間的聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量lJ）（2smkg0018. 0J 查機(jī)械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0 得； 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量dJ）（2dmkg0001764. 0J 查機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 2-18 得；代入得： 2d0.003350.00017640.00180.00137）（mmkgJJJJols把以上代入得：twoga JM409. 03 . 0649.3600335. 0gaM 其中 ；2fDmfGM 式中： G手臂的自重約為 200N f絲桿螺母副與絲桿間的摩擦系數(shù) f=0.08 查機(jī)械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0 得代入得：）（m2 . 02025. 008. 02002fmfNDGM 得： ）（m609. 0409. 02 . 0fgacNMMM電機(jī)與絲桿直接聯(lián)接所以 i=1；所以 ）（。）；（srad64936m609. 0plpcipWWNMM 上式中：負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s） ，如上計算 ：；lpW) srad.649(36lp 負(fù)載峰值力矩（） ，如上計算：lpMN m）（m609. 0ipNM電動機(jī)的功率計算式： lplpmMP上式中：計算系數(shù)，其中一般，本設(shè)計中?。?；5 . 25 . 12無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文14 絲桿傳動裝置的效率，一般取，本設(shè)計中?。海? . 07 . 08 . 0代入以上數(shù)據(jù)得：lplpmMP 2 0.609 36.649/0.855.80()W根據(jù)負(fù)載峰值力矩最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為步進(jìn)電機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩為lpM300375BF0.882，滿足負(fù)載峰值力矩最大靜轉(zhuǎn)矩的要求。12mNlpM表 4-1 電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號相數(shù)步距角/（）電壓/V最大靜轉(zhuǎn)矩/Nm(cm)kgf最高空載啟動頻 率/HZ運(yùn)行頻率/HZ轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量10Kgm52分配方式質(zhì)量/Kg75BF0033 330 0882（9）1250160001568三相六拍1584.2 機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)的選擇機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)的選擇機(jī)械手機(jī)身安裝在底座上所以底座作旋轉(zhuǎn)時將手臂與機(jī)身一起旋轉(zhuǎn)機(jī)械手底座轉(zhuǎn)速：設(shè)計選取為即旋轉(zhuǎn) 1800的時間為 3s；10 /minr回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： fgacMMM式中：cM 機(jī)械手整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩 ； fM 機(jī)械手整體相對底座回轉(zhuǎn)軸的摩擦阻力矩 ；gaM機(jī)械手底座在停止（制動）過程中相對與絲桿的慣性力矩 ；其中： ，twgaOJM式中： 底座旋轉(zhuǎn)在啟動或制動過程中角速度的變化量，也就是工作角速度：；210( /min)101.047(/ )60rrad s t底座旋轉(zhuǎn)啟動或制動的時間：本設(shè)計中；）（s.30t 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計15 與的轉(zhuǎn)化系數(shù)：，本設(shè)計中取fMgaM95. 085. 085. 0 手臂、機(jī)身、轉(zhuǎn)軸對底座旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量oJ）（2mkg 由于本機(jī)械手是一個不規(guī)則，不均勻的回轉(zhuǎn)體所以算得轉(zhuǎn)動慣量并不一定十分準(zhǔn)確。在選用電機(jī)時相應(yīng)把最大靜轉(zhuǎn)矩要求提高來選擇。式中：手臂無氣爪邊的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為 ；m1kg15m1手臂有氣爪邊的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為 ；2mkg15m2其中：手臂的質(zhì)量，手臂兩邊都看作長桿來計算轉(zhuǎn)動慣量；21mm 機(jī)身的質(zhì)量（kg） ，本機(jī)械手為； 3mkg20m3 其中：的轉(zhuǎn)動慣量看作均勻圓柱體來計算；3m 與相對應(yīng)的長度（m） 。3, 21,rrr321,mmm把以上數(shù)據(jù)代入得：01.0479.733.853()0.3gaMJN mt33.85339.827()0.85gafMMN m33.85339.82773.68()cgafMMMN m底座電機(jī)通過諧波減速器連接轉(zhuǎn)動軸，偕波減速器傳動比為 i=100。所以：73.680.737()100clpMMN mi1.047 100104.7(/ )lpirad s 22201 12 23 32222111332111 15 0.415 0.420 0.9332 9.7Jmrm rm rkg m無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文16上式中：負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s） ，如上計算 ：；lp）（srad7 .104lp 負(fù)載峰值力矩（） ，如上計算：lpMN m）（m737. 0lpNM電動機(jī)功率的計算公式式： lplpmMP 0.737 104.720.8192.910W式中： 步進(jìn)電動機(jī)的功率（W） ； mP 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s） ，由前計算 ：；lp）（srad7 .104lp 負(fù)載峰值力矩（） ，由前計算： =0.737（） ；lpMmNlpMmN 計算系數(shù)，其中一般，本設(shè)計中取：；5 . 25 . 12 底座傳動裝置的效率，估算為，本機(jī)械手取為：。9 . 07 . 08 . 0根據(jù)負(fù)載峰值力矩最大靜轉(zhuǎn)矩，選用步矩角為的步進(jìn)電機(jī) 90BF003，其最大lpM3靜轉(zhuǎn)矩為 1.96，滿足要求。mN表 4-2 電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號相數(shù)步距角/（）電壓/V最大靜轉(zhuǎn)矩/Nm(cm)kgf最高空載啟動頻 率/HZ運(yùn)行頻率/HZ轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量10Kgm52分配方式質(zhì)量/Kg90BF0033 360 196（20）150080001764三相六拍42四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計175 機(jī)械手各氣動件的設(shè)計計算機(jī)械手各氣動件的設(shè)計計算5.1 氣爪夾緊力的起算與氣爪夾緊力的起算與氣爪的選擇氣爪的選擇 5.1.1 氣爪氣爪夾緊力的要求夾緊力的要求由設(shè)計任務(wù)書的要求氣爪連工件的重量為 5KG，從而確定夾緊的工件重量約為 2kg。本設(shè)計設(shè)計的機(jī)械手搬運(yùn)的工件定為圓柱形的棒料。其加緊視圖如圖 5-1圖 5-1 工件夾緊視圖工件重力 G=2 9.8=19.6N夾起工件主要是靠氣爪手指與工件的靜摩擦力克服工件的重力。氣爪拿起工件所需的力 1GKKKFL321 式中：G機(jī)器人的手爪抓取的工件的重力（N） ，本設(shè)計 G=19.6； 安全系數(shù)，一般取,本設(shè)計中取=1.2；1K0 . 22 . 11K1K 機(jī)器人的手部工作狀況系數(shù)，按計算得=1.2；2KgaK122K a 為機(jī)器人手爪運(yùn)動加速度的絕對值； 方位系數(shù)，根據(jù)機(jī)器人手爪與工件形狀選=13K3K把以上數(shù)據(jù)代入得：GKKKFL321 =1.2 1.2 1 19.6LF =28.224N氣爪能拿起工件所需的夾緊力：LNFF式中：鋼與鋼接觸的摩擦系數(shù)=0.2查機(jī)械設(shè)計手冊(軟件版)R2.06得無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文18把以上數(shù)據(jù)代入得： LNFF NFN12.1142 . 0224.28氣缸的選定中，首先確定其負(fù)載的大小，負(fù)載決定了缸徑的大??；其次要確定其行程、安裝形式等。5.1.2 缸徑的確定缸徑的確定缸徑與所使用的氣源的壓力有關(guān)，同時要確定動作方向是推力還是拉力。本設(shè)計的氣爪氣缸工作主要以拉力。本設(shè)計滿足氣缸理論推力、拉力速度為 50-500mm/s 的范圍，其力學(xué)計算公式為： 拉力 pd25. 022）（DF 式中：D氣缸直徑（m）,本設(shè)計初取為 0.04m ；d氣缸活塞桿直徑（m） ，本設(shè)計初取為 0.012m ；P氣缸工作壓力（Pa） ，本設(shè)計取為 0.6MPa； F氣缸理論推力、拉力（N）把以上數(shù)據(jù)代入得：pd25. 022）（DF226F=0.25(0.040.012 ) 0.6 10 686.104N計算得的 F 為理論拉力，其實際拉力可根據(jù)計算。FFS式中：氣缸的工作效率，一般在之間。當(dāng)工作壓力增高、缸徑增大時95. 07 . 0效率增大。本設(shè)計工作壓力交大取為 0.85。把以上數(shù)據(jù)代入得：FFS 0.85 686.104sF 583.189N氣缸是氣爪的的驅(qū)動器，氣缸與氣爪手指的連接結(jié)構(gòu)如下圖 5-2四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計19圖 5-2 氣缸與氣爪手指的連接結(jié)構(gòu)圖中 L=50mm 為氣爪手指夾緊工件的力臂。R=22mm 為活塞桿推動手指的力臂。氣爪夾緊工件的力LRFFSN1 代入數(shù)據(jù)得：5022189.5831NF 256.603N由計算得所以初選的缸徑 40mm，活塞桿直徑 12mm 滿足設(shè)計要求。NNFF15.1.3 行程的確定行程的確定 氣缸的行程就是活塞移動的距離，對外表現(xiàn)為負(fù)載移動的距離，確定此距離時要充分考慮工況情況，應(yīng)預(yù)留出一點(diǎn)行程，避免活塞桿撞壞。由氣爪的工作要求本氣缸的行程為 15mm。5.1.4 氣缸的動速度氣缸的動速度氣缸的運(yùn)動速度主要由所驅(qū)動的工作機(jī)構(gòu)的需要來決定。本氣爪要求速度緩慢、平穩(wěn)，采用節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速的方式有：本氣缸為水平安裝采用用排氣節(jié)流； 本設(shè)計中缸體選用的是不銹鋼式，固本氣缸需要加油潤滑。本氣缸使用注意事項 1）一般氣缸的正常工作條件：環(huán)境溫度為-3580，工作壓力為 0.40.6MPa。 2）安裝前，應(yīng)在 1.5 倍工作壓力條件下進(jìn)行試驗，不應(yīng)漏氣。 3）裝配時，所有密封元件的相對運(yùn)動工作表面應(yīng)涂以潤滑脂。無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文20 4）安裝的氣源進(jìn)口處必須設(shè)置氣源調(diào)節(jié)裝置：過濾器-減壓閥-油霧器。 5.1.5 擺動擺動氣缸的選擇氣缸的選擇前選擇的 HGW40A 的氣爪其轉(zhuǎn)動慣量=124 10-4gJ2kgm其爪夾持的工件的轉(zhuǎn)動慣量為： ）（22g312mlRJ式中：工件的質(zhì)量（kg） ，本設(shè)計為=2kg;mm 工件的半徑（m） ，本設(shè)計為=20mm;RR 工件的長度（m） ，本設(shè)計為 =50mm;ll把以上數(shù)據(jù)帶入得：）（22g312mlRJ 222(3 0.020.05 )12gJ 426.167 10 kgm加在擺動氣缸工作上的轉(zhuǎn)動慣量為：由擺動氣缸工作轉(zhuǎn)動慣量)(167.130410167. 64101242kgmgJJqg選用預(yù)選費(fèi)斯托公司的 DSM-32-270-P-PW 型氣缸。2kgm167.130J該氣缸的許用轉(zhuǎn)動慣量為：500X10-4 滿足要求。2kgm由下圖 5-3 氣缸擺動的時間約需 0.3s圖 5-3 氣缸工作轉(zhuǎn)動慣量與擺動時間關(guān)系該氣缸是葉片驅(qū)動雙作用氣缸，在整個擺角范圍內(nèi)可實現(xiàn)無極擺角調(diào)節(jié)，終端位置可通過止動螺釘和緊固螺母調(diào)節(jié)。止動桿上的沖擊能量由彈性緩沖板吸收，終端緩沖由緩沖器實現(xiàn)。轉(zhuǎn)動葉片本身不用于確定終端位置，既止動杠桿和止動裝置不能移動。該四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計21擺動氣缸防水防塵。本氣缸可實現(xiàn)擺角范圍內(nèi)無極擺角調(diào)節(jié)下圖 5-4 為其擺角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示圖： 3-鎖緊螺釘，用于夾緊擋塊 4-供氣孔 5-終端調(diào)節(jié) 6-鎖緊螺釘，用于夾緊擋塊 7-無極可調(diào)節(jié)擋塊圖5-4 擺角調(diào)節(jié)示圖表5-1 氣缸各部件的材料機(jī)殼，止動杠桿陽極氧化鋁軸鍍鎳鋼轉(zhuǎn)動葉片GRP固定擋快/螺釘電鍍鋼緩沖器支座電鍍鋼擋塊螺釘不銹鋼端蓋GRP材料密封聚氨酯表 5-2 擺動氣缸參數(shù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)工作壓力緩沖角重量32MM葉片驅(qū)動的擺動缸1.5-10bar0.9o-1.7o1.02kg無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文225.2 手臂伸縮氣缸手臂伸縮氣缸的選擇的選擇 缸徑的確定 缸徑的計算公式)(41PFD 查液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊得式中：P氣缸的工作壓力（）,本氣缸選為 0.6aMPaMP 氣缸總的機(jī)械效率，本氣缸估算為 0.4 D氣缸的內(nèi)徑（m） 。 氣缸的負(fù)載力（N） 。本氣缸負(fù)載較小取為 10N1F把以上數(shù)據(jù)代入得：)(41PFD 64 5/(0.63 0.4 10 )D =0.02526m查機(jī)械設(shè)計手冊-氣壓傳動表 22-1-64 氣缸內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)為 32mm。4 行程的確定由設(shè)計的工作要求活塞行程取為 320mm。 氣缸型號的選擇由以上參數(shù)的計算選費(fèi)斯托公司的 DNG-32-320-PPV-A 型氣缸本氣缸活塞安裝有傳感裝置，活塞位置可以被行程開關(guān)檢測到，從而實現(xiàn)對氣缸位置的控制。選用的控制安裝附件為 SMB-2-B。該氣缸的緩沖長度為 19mm.表 5-3 氣缸參數(shù)最大許用工作壓力12bar（160.320mm;10bar）溫度范圍-20.+80mm6bar 時推進(jìn)力N6bar 時推進(jìn)力N緩沖長度mm連續(xù)尺寸324824151981G表 5-4 氣缸材料四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計23連接形式由于本氣缸工作行程較大，且推桿端的垂直負(fù)載較大，使推桿受的彎曲應(yīng)力較大。選用該氣缸的一個安裝附件，導(dǎo)向單元 FENG-32-320-KF。氣缸直接安裝在該導(dǎo)向單元上。下圖為該導(dǎo)向單元外觀圖 5.5圖 5.5 導(dǎo)向單元下圖 5.6 為最大工作負(fù)載與導(dǎo)桿投影距離之間的關(guān)系圖型號DNG軸承和端蓋、缸筒；鋁；（；高質(zhì)合金鋼） ；活塞桿、拉桿：高質(zhì)320250合金鋼；密封；丁腈無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文24圖 5.6 負(fù)載特性圖由上圖表可查得本設(shè)計選用的 FENG-32 氣缸在最大伸長距離 320mm 的情況下其最大負(fù)載為 55N。而氣爪連工件的質(zhì)量約為 4kg，擺動氣缸質(zhì)量為 1.02kg。所以導(dǎo)向單元的實際總負(fù)載=5.02kg=49.196N。滿足設(shè)計要求，該導(dǎo)向單元可用。fGNG55f 氣缸 DNG 用于補(bǔ)償徑向和軸向偏差的連軸節(jié) 用戶可以根據(jù)需要在這根軸上加打安裝孔圖 5.7 導(dǎo)向單元與氣缸連接圖四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計256 機(jī)器人控制系統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)置的設(shè)置6.1 機(jī)械手控制器機(jī)械手控制器的選擇的選擇工業(yè)機(jī)械于是一種模仿人手動作井按設(shè)定的程序軌跡和要求代替人手抓取、搬運(yùn)工件或操持工具進(jìn)行操作的機(jī)電一體化自動化裝置。工業(yè)機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)是通過控制氣缸電磁換向閥，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)不同的動作的，有采用單片機(jī)控制的，也有采用可編程控制器來控制的，若采用單片機(jī)控制由于電磁的工作電壓高于單片機(jī)的+5伏電源所需驅(qū)動電流較大因而須設(shè)計功率接口電路還要進(jìn)行抗干擾及其可靠性的設(shè)計。而采用PLC控制，則無需考慮上述問題。有著極大的靈活性，易于模塊化，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時，只要對點(diǎn)的接線稍作修改，或繼電器重新分配，程序中作簡單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。機(jī)械手的速度、電機(jī)運(yùn)行所需的脈沖數(shù)都可以根據(jù)給定的要求給予置。用控制的機(jī)械手將更具靈活性、可靠性、降低成本，提高效率，有著很好的經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計機(jī)械手采用控制。6.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對控制功能機(jī)械手控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對控制功能的基本要求的基本要求工業(yè)機(jī)器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般可用單片機(jī)，PLC，計算機(jī)等來實現(xiàn)。在作業(yè)中機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端執(zhí)行器按點(diǎn)位或軌跡運(yùn)動，并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運(yùn)動中或在規(guī)定的某點(diǎn)位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。 在機(jī)器人的各類作業(yè)中，運(yùn)動和控制方式主要有兩種。 1）點(diǎn)位控制方式（PTP控制） 這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運(yùn)動過程中只在某些規(guī)定的點(diǎn)上進(jìn)行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點(diǎn)處保證準(zhǔn)確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求。而對達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡（包括移動的路徑和運(yùn)動的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，這種控制方式易于實現(xiàn)，但不易達(dá)到較高的定位精度，適用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊和在電路板上安插元件等只要求在目標(biāo)點(diǎn)保持末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的位姿的作業(yè)中。2）連續(xù)軌跡控制方式（CP控制） 這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴(yán)格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運(yùn)動，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機(jī)器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動。這種連續(xù)軌跡運(yùn)動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的點(diǎn)足夠密，就能用點(diǎn)位控制的方法實現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運(yùn)動。本設(shè)計機(jī)械手用于棒料的點(diǎn)對點(diǎn)搬運(yùn)，對運(yùn)動軌跡沒太大要求。所以選用點(diǎn)位控制方式。無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文266.3 控制系統(tǒng)的總體控制系統(tǒng)的總體設(shè)計設(shè)計機(jī)械手控制系統(tǒng)的基本功能：本機(jī)械手要具有回原點(diǎn)、手動點(diǎn)動)和自動單步、連續(xù)1控制的操作方式。手動操作 用按鈕操作對機(jī)械手的每一種運(yùn)動單獨(dú)進(jìn)行控制?；卦c(diǎn)操作方式 按下回原點(diǎn)啟動按鈕，機(jī)械手自動返回原點(diǎn)位置。自動操作 包括單步操作和連續(xù)運(yùn)行兩種操作方式。操作前提是機(jī)械手須處在原點(diǎn)位置上。1)單步操作 每按一次按鈕，機(jī)械手完成一步動作后自動停止。2)連續(xù)運(yùn)行 系統(tǒng)一旦啟動，機(jī)械手的動作將自動地連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。期間若按停止按鈕，要完成一個完整的動作循環(huán)才停止。為方便控制系統(tǒng)適應(yīng)各具體工作情況作小幅，整個控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，以方便指令中的IST狀態(tài)初始化指令來進(jìn)行設(shè)計?？傑浖到y(tǒng)包括初始化電路、故障報警程序、點(diǎn)動操作程序、回原點(diǎn)程序及自動操作程序五大模塊構(gòu)成，分別解決單個問題然后再進(jìn)行綜合。各結(jié)構(gòu)模塊如下：END圖6.1 機(jī)械手系統(tǒng)模塊本設(shè)計機(jī)械手完成的動作是一個固定的循環(huán)動作，其循環(huán)動作如下圖6.2圖6.2 機(jī)械手的動作示意圖及動作順序初始電路障礙報警程序點(diǎn)動操作程序回原點(diǎn)程序自動操作程序初始位置手臂下降夾緊手臂上升底座旋轉(zhuǎn)手臂伸長手臂下降松開手臂上升手臂收縮底座旋轉(zhuǎn)四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計27本機(jī)械手中驅(qū)動部分由電機(jī)與氣動兩部分組成，其中電機(jī)部分由PLC直接控制。而氣動部分則由PLC控制電磁筏來實現(xiàn)控制。下圖6.3為氣動部分原理圖：圖6.3 氣動原理表6-1 氣動系統(tǒng)工作順序 電磁鐵動作1YA2YA3YA4YA5YA6YA氣爪夾緊-+-氣爪松開+-手臂伸出-+-手臂收縮-+-翻轉(zhuǎn)工件-+-轉(zhuǎn)正氣爪-+為了使機(jī)械手在作過程中實現(xiàn)自動或手動運(yùn)行及運(yùn)行的安全可靠，擺動氣缸，手臂升降都選用限位開關(guān)控制，以給相應(yīng)的電磁闌傳遞通、斷信息。而氣爪，伸縮氣缸則運(yùn)用其內(nèi)部的位置傳感器作為位置的控制。將其傳感器的信息傳遞給PLC，以實現(xiàn)PLC對其位置的控制。而底座旋轉(zhuǎn)通過帶傳動帶動底座位置傳感器，從而將位置信息傳給PLC實現(xiàn)控制。無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文28 7 手臂驗算與手臂驗算與機(jī)械手參數(shù)機(jī)械手參數(shù)7.1 手臂平衡的驗算手臂平衡的驗算手臂工作長度較大，而且手臂伸縮端安裝有氣爪，氣爪夾緊工件。此處對絲桿力矩較大。所以應(yīng)該作平衡驗算。手臂氣爪端對絲桿的力矩：)(zgbgGGGLM式中：gM手臂工件端對絲桿的力矩（） ；Nm bG擺動氣缸的重力（N）,本設(shè)計為 12.25N； gG工件的重力（N）, 本設(shè)計為 19.8N； zG氣爪的重力（N）, 本設(shè)計為 19.6N； L手臂氣爪端對絲桿的力矩（ m）, 本設(shè)計為 0.4m;把以上數(shù)據(jù)代入得:)(zgbgGGGLM0.4 (12.25 19.8 19.6)20.96gMNm手臂端蓋端對絲桿的力矩：1ddML G式中：Md手臂端蓋端對絲桿的力矩（） ；Nm Gd端蓋端的重力（N）,本設(shè)計為其質(zhì)量為 4.452KG,得重力為 43.623N；L1手臂端蓋對絲桿的力臂（ m）, 本設(shè)計為 0.3m;把以上數(shù)據(jù)代入得:1ddML G 0.3 43.62313.087dMNm由此得手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩為gdMMM代入得:20.96 13.0877.83gdMMMNm手臂對絲桿的力矩總終由底座來平衡.底座通過螺栓安裝.考慮最大負(fù)載情況，由單個螺栓承受此力矩時其受的拉力為 Fl=M/L2式中：L2螺栓到絲桿的力臂（m） ，本設(shè)計為 0.165m； M手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩，由前計算得 M=7.83NmNm把以上數(shù)據(jù)代入 Fl=M/L2得:Fl=7.83/0.165=47.45N底座選用的安裝螺栓為 M10 可得其最大工作條件下的應(yīng)力1/FA 式中：A螺栓的截面面積，2252/40.01 /47.85 10Adm代入得：1/FA四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計29 547.45/7.85 100.604aMP普通的螺栓的抗拉強(qiáng)度都大于 450，可見螺栓能滿足要求。aMP機(jī)械手工作能達(dá)到平衡。7.2 機(jī)械機(jī)械手參數(shù)手參數(shù)氣爪夾力為256.603N表 7-1 機(jī)械手的最終運(yùn)動設(shè)計參數(shù)：機(jī)械手機(jī)構(gòu)工作范圍工作速度底座轉(zhuǎn)動角度 2400轉(zhuǎn)動速度10 /minr伸縮手臂伸縮距離 300mm伸縮速度 80mm/s手臂升降升降距離 320mm升降速度 35mm/s氣爪擺動擺動角度 1800轉(zhuǎn)動速度30 /minr表 7-2 機(jī)械手工作精度：機(jī)械手機(jī)構(gòu)工作精度底座0.030伸縮手臂0.5mm手臂升降0.05mm氣爪擺動通過擋塊定位無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文308 結(jié)論與展望結(jié)論與展望8.1 結(jié)論結(jié)論 到此近 90 天的畢業(yè)設(shè)計就要結(jié)束了，我大學(xué)階段的學(xué)習(xí)也將畫上句號。通過本次畢業(yè)設(shè)計的學(xué)習(xí)，牢固了自己所學(xué)的專業(yè)知識，提高了獨(dú)立思考解決問題的能力，同時也真正初步了解一個機(jī)械設(shè)計的設(shè)計過程。也使我學(xué)會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料，還使我學(xué)會如何與同學(xué)共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助。8.2 不足之處及未來展望不足之處及未來展望 在設(shè)計過程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問題。從中使我認(rèn)識到自己在很多地方的不足。有很多東西還要慢慢學(xué)習(xí)。由于本人水平有限以及畢業(yè)設(shè)計時間有限，本設(shè)計難免有不合理或不太準(zhǔn)確的地方，懇請各位老師批評指正。 四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計31致致 謝謝 在此衷心感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師4年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝馮鮮老師在我的畢業(yè)設(shè)計期間給予的諸多指導(dǎo)。無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文32參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊M.第 3 卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.20012 張鐵,謝存禧.機(jī)器人學(xué)M.廣州:華南理工大學(xué)出版社.20043 陳統(tǒng)堅.機(jī)械工程英語M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1996.4 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊.單行本.氣壓傳動M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.20045 馮辛安.機(jī)械制造裝配設(shè)計M.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社.20046 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊.單行本.常用工程材料M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.20047 吳克堅,于曉紅,錢瑞明.機(jī)械設(shè)計M.北京:高等教育出版社.20028 鄭堤,唐可紅.機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.20019 陸一心,氣壓與氣動技術(shù)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.200410 秦曾煌.電工學(xué)電子技術(shù)(第五版) M. 北京：高等教育出版社.1999.11 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計實用手冊M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2000.12 吳振彪.機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)M.廣東海洋大學(xué).200213 馮開平，左忠義.畫法幾何與機(jī)械制圖M.廣州:華南理工大學(xué)出