碼垛機(jī)械手設(shè)計(jì)

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摘 要 機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)以“碼垛機(jī)械手”作為設(shè)計(jì)課題，將先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和方法相結(jié)合應(yīng)用于傳統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，采用當(dāng)今比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件。它需要完成將毛坯材料（直徑80mm）從傳送帶上移到加工中心，再將加工好的零件放回傳送帶的任務(wù)。并且整個(gè)過程要求用PLC控制。 通過對(duì)機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外的使用現(xiàn)狀的介紹，以及它們?cè)谑褂弥写嬖诘膯栴}，對(duì)各種支護(hù)設(shè)備進(jìn)行比較，從而確定設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)機(jī)械手進(jìn)行受力分析和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以確保它的可行性。為以后機(jī)械手的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了依據(jù)。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械手 液壓 PLC 設(shè)計(jì) Abstract Robots are a kind of automatic positioning control and can be programmed to change to the multi-function machine, it is more freedom, and can be used to carry objects to complete the work in different environments. Robot technology involves mechanics, mechanics, electric hydraulic technology, automatic control technology, the sensor technology and computer technology, science, is an interdisciplinary comprehensive technology. The graduation design in "palletizing robot" as a design topic, the advanced design idea, method and technology of advanced design combined application of traditional product design, the comparison of advanced software design today. It will need to complete blank materials (diameter 80mm) from the conveyor belt to machining center, again will be processed parts put back the conveyor belt. And the whole process requirements with PLC. Through the use of robots at home and abroad are introduced, and the current problems existing in the use of various supporting equipment, compared to determine the design scheme and design parameters, then analyzes forces of manipulator and the design of control system, to ensure its feasibility. For the design and improvement of the manipulator. Keyword: Manipulator Hydraulic PLC Design 目 錄 第1章 緒論 1 1.1工業(yè)機(jī)械手概述 1 1.1.1機(jī)器人的定義 1 1.1.2機(jī)械手概述 2 1.2總體方案設(shè)計(jì) 4 1.2.1平行夾持機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 4 1.2.2平行四邊形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 1.2.3大臂設(shè)計(jì)方案 5 1.2.4液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 5 1.2.5 PLC電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 6 1.3設(shè)計(jì)要求 6 1.4我國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 7 1.5國(guó)外機(jī)器人研究與發(fā)展趨勢(shì) 9 第2章 夾持器的設(shè)計(jì) 11 2.1夾持器的總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 2.2夾持器的結(jié)構(gòu)計(jì)算及其說明 11 2.2.1設(shè)計(jì)要求 11 2.2.2夾持器的設(shè)計(jì)計(jì)算 11 2.2.3運(yùn)動(dòng)部件的主要設(shè)計(jì)校核 12 2.3液壓缸的選擇 14 2.3.1 設(shè)計(jì)要求 14 2.2.2 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 14 第3章 平行四邊形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 17 3.1四邊形升降機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì) 17 3.1.1設(shè)計(jì)目的及要求 17 3.1.2設(shè)計(jì)參數(shù) 17 3.1.3液壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì) 17 3.2具體設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 17 3.2.1對(duì)BE桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 3.2.2研究CD桿件 20 3.3平行四邊形機(jī)構(gòu)行程計(jì)算 21 3.3.1平行四邊形機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖 21 3.4動(dòng)態(tài)計(jì)算 22 3.4.1平行四邊形機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)計(jì)算 22 3.4.2底座回轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)態(tài)計(jì)算 24 3.4.3液壓缸1運(yùn)動(dòng)時(shí)平行四邊形機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)計(jì)算 27 3.5帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)的液壓缸2的設(shè)計(jì)與計(jì)算 27 3.5.1液壓缸2的行程計(jì)算 27 第4章 液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 33 4.1設(shè)計(jì)內(nèi)容 33 4.2 設(shè)計(jì)方案 33 4.3總體設(shè)計(jì)要求 33 4.4液壓回路設(shè)計(jì) 34 4.5油泵的選擇計(jì)算 34 4.5.1油泵的選擇計(jì)算 34 4.5.2泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇計(jì)算 34 4.5.3液壓閥的選擇 34 4.5.4輔助元件的選擇 35 4.5.5液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算 36 4.5.6液壓系統(tǒng)圖 36 第5章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 37 5.1 PLC的構(gòu)成及工作原理 37 5.2選擇PLC 37 5.3 PLC外部I/O分配圖 37 5.4軟件設(shè)計(jì) 39 5.5硬件設(shè)計(jì) 46 第6章 結(jié)論 47 參考文獻(xiàn) 48 致謝 49 第一章 緒 論 1.1工業(yè)機(jī)械手概述 首先我介紹一下機(jī)器人產(chǎn)生的背景，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹碓讲粩嗵接懽匀贿^程中，在改造自然過程中，認(rèn)識(shí)自然過程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過程中的一個(gè)客觀需要。 1.1.1 機(jī)器人的定義 在科技界，科學(xué)家會(huì)給每一個(gè)科技術(shù)語一個(gè)明確的定義，但機(jī)器人問世已有幾十年，機(jī)器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個(gè)統(tǒng)一的意見。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，新的機(jī)型，新的功能不斷涌現(xiàn)。根本原因主要是因?yàn)闄C(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問題。就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對(duì)機(jī)器人充滿了幻想。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。 操作型機(jī)器人：能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。 程控型機(jī)器人：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。 示教再現(xiàn)型機(jī)器人：通過引導(dǎo)或其它方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。 數(shù)控型機(jī)器人：不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。 感覺控制型機(jī)器人：利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。 適應(yīng)控制型機(jī)器人：機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。 學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人：機(jī)器人能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。 智能機(jī)器人：以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。 我國(guó)的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢(shì)，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。目前，國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人，這和我國(guó)的分類是一致的。 1.1.2 機(jī)械手概述 機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。 機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如： (1)機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍 (2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。 (3)可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。 (4)可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。 (5)宇宙及海洋的開發(fā)。 (6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。 能模仿人手和臂的某些動(dòng)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(dòng)操作裝置。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)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。 機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手，機(jī)械手在操作人員的輕松操作下，可完成復(fù)雜的自動(dòng)機(jī)器人的許多工作，而生產(chǎn)及使用成本卻大大低于自動(dòng)機(jī)器人，同時(shí)使用范圍較之自動(dòng)機(jī)器人更為廣泛，靈活性和機(jī)動(dòng)性更大。將在在汽車制造，家電視訊，金屬制造工業(yè) 鑄造 航空 以及造紙，食品煙草，玻璃陶瓷， 制藥，化工石油等行業(yè)為生產(chǎn)的優(yōu)化發(fā)揮著巨大的作用。 機(jī)械手由以下結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)——驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)——控制系統(tǒng)——智能系統(tǒng)——遠(yuǎn)程診斷監(jiān)控系統(tǒng)，五部分組成?！　◎?qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可以分:機(jī)械式、電氣式、液壓式和復(fù)合式，其中液壓操作力最大。機(jī)械手是模仿人的手部動(dòng)作，按照給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和操作的自動(dòng)裝置，它是機(jī)械化、自動(dòng)化的重要手段。因此，獲得了日益廣泛的應(yīng)用，特別在高溫、高壓、危險(xiǎn)、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意義。在機(jī)械加工中，沖壓、鑄、鍛、焊、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防工業(yè)等各方面，也已愈來愈引起人們的重視。 機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)以及位置檢測(cè)裝置等組成，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可采用液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等形式，而多數(shù)采用電液機(jī)聯(lián)合傳動(dòng)。 該機(jī)械手是將圓柱形零件從傳送帶上夾裝到專用機(jī)床上，待加工完畢后再夾裝回傳送帶的專用機(jī)械手(圖1)。機(jī)械手總體設(shè)計(jì)分為夾持器、伸縮臂、升降臂和底座四大部件設(shè)計(jì)及二個(gè)系統(tǒng)：PC電控系統(tǒng)與液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。夾持器安裝于伸縮臂上，伸縮臂安裝在升降臂上，升降臂安裝在底座上。連接方式均為法蘭盤螺栓連接。 機(jī)械手工作過程如圖所示。 圖1-1 機(jī)械手工作流程圖 碼垛機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作程序?yàn)椋阂簤焊?伸出→四邊形機(jī)構(gòu)3下降→夾持器4夾緊工件5→液壓缸1縮回→四邊形機(jī)構(gòu)3上升→底座1回轉(zhuǎn)→（到達(dá)位置后）液壓缸1伸出→四邊形機(jī)構(gòu)3下降→夾持器4放開工件5→液壓缸1縮回→→四邊形機(jī)構(gòu)3上升→底座1回轉(zhuǎn)至原位。然后進(jìn)行下一循環(huán)。 改變夾持器形狀，可夾持不同工件或物體。 1.2總體方案設(shè)計(jì) 1.2.1 平等夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)為工業(yè)機(jī)器人平等夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)器人通過液壓缸驅(qū)動(dòng)楔塊使兩手指產(chǎn)生夾緊動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)物體的移動(dòng)，采用液壓缸帶動(dòng)。取料手連接于平行四邊形機(jī)構(gòu)上的BF桿，隨著升降臺(tái)做升降運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。 1.2.2 平行四邊形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.設(shè)計(jì)要求：平行四邊形機(jī)構(gòu)固定于升降臺(tái)上，隨升降臺(tái)做上升下降運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。平行四邊形機(jī)構(gòu)前端安裝平等夾持機(jī)構(gòu)，用于抓取工件。四邊形機(jī)構(gòu)以上下轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)水平伸縮，完成物體工位的轉(zhuǎn)換。 2.設(shè)計(jì)參數(shù)： 1) 伸縮長(zhǎng)度：300mm，平行四邊形機(jī)構(gòu)固定在升降臺(tái)上，隨升降臺(tái)做上下運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；平行四邊形機(jī)構(gòu)前端安裝機(jī)械手，用于夾持工件；平行四邊形上下轉(zhuǎn)動(dòng)，完成工件的工位轉(zhuǎn)換。 2) 單方向伸縮時(shí)間：1~1.5S 3)可采用電機(jī)(伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī))驅(qū)滾珠絲杠傳動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)，共兩種方案。 4)上下轉(zhuǎn)動(dòng)要有定位措施 3.液壓驅(qū)動(dòng)方案 1) 轉(zhuǎn)動(dòng)原理：以液壓泵帶動(dòng)液壓缸的伸縮，同時(shí)液壓缸小角度的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與平行四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡的重合與轉(zhuǎn)動(dòng)。 2) 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)參見后面章節(jié) 3) 緩沖裝置與定位裝置的設(shè)計(jì) 4) 液壓泵的選擇 1.2.3 大臂設(shè)計(jì)方案 1.大臂設(shè)計(jì)參數(shù)和要求 1)行程：0-800㎜，任意可調(diào)； 2)運(yùn)動(dòng)時(shí)間：?jiǎn)蜗蛏颠\(yùn)動(dòng)時(shí)間：0—3s； 3)采用液壓傳動(dòng)齒輪倍程升降機(jī)構(gòu)方案。 4)升降臂定位可靠、精確。 5)升降臂與旋轉(zhuǎn)底座、伸縮臂為法蘭連接； 6)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮伸縮臂工作時(shí)的整機(jī)平衡； 2.液壓驅(qū)動(dòng)方案 采用直線油缸 3.設(shè)計(jì)內(nèi)容 1)大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 2)大臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)； 1.2.4 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 此設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手屬于圓柱坐標(biāo)式的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，具有手臂升降、轉(zhuǎn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)三個(gè)自由度。因此相應(yīng)地由手臂轉(zhuǎn)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)、手臂升降機(jī)構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成。每一部分用液壓缸驅(qū)動(dòng)與控制。要求畫出液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖。對(duì)系統(tǒng)圖的具體要求如下： 1.滿足工業(yè)機(jī)械手動(dòng)作順序要求。動(dòng)作順序的各個(gè)動(dòng)作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號(hào)控制相應(yīng)的電磁鐵（電磁換向閥），按照程序依次步進(jìn)動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)要求。 2.手臂伸縮采用擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)。 3.手臂升降運(yùn)動(dòng)采用單桿雙作用缸，上升和下降均由單項(xiàng)調(diào)速閥回油截流，由電液動(dòng)三位四通O型換向閥換向。上升速度約為100毫米／秒。上升為工作行程，其緩沖定位是靠行程開關(guān)適時(shí)發(fā)訊號(hào)，提前切斷油路滑行緩沖定位。由于升降缸為立式，在其液壓缸下腔油路上安裝有單向順序閥，用以避免因整個(gè)手臂自重而下降，起到支撐與平衡的作用。 1.2.5 PLC電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.設(shè)計(jì)該系統(tǒng)液壓泵電機(jī)及各部分總成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主電路。 2.參照主電路及液壓控制系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)控制柜，畫出所有元件的柜中布置圖。 3.確定全部的行程開關(guān)的安裝、調(diào)試方案。 4.選擇電控系統(tǒng)中所有電機(jī)及元器件的型號(hào)。 5.以F1系列基本指令、移位寄存指令、步進(jìn)指令編程。要求編寫分配圖、、程序總框圖、各部分的梯形圖并編寫出完整的語句表。 1.3 設(shè)計(jì)要求 1) 功能性的要求 機(jī)械手平行四邊形機(jī)構(gòu)安裝在升降大臂上，前端安裝吸盤取料手，按照控制系統(tǒng)的指令，完成軟包裝液體的自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作。四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)要求平穩(wěn)靈活，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)。 2) 適應(yīng)性要求 為了便于調(diào)整，適應(yīng)工件大小不同的要求，起止位置要方便調(diào)整，要求設(shè)計(jì)可調(diào)式定位機(jī)構(gòu)。為了控制慣性力，減少運(yùn)動(dòng)沖擊，動(dòng)力的大小要能與負(fù)載大小相適應(yīng)，如步進(jìn)電機(jī)通過程序設(shè)計(jì)改變運(yùn)動(dòng)速度，力矩電機(jī)通過調(diào)整工作電壓，改變堵轉(zhuǎn)力矩的大小，達(dá)到工作平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)快捷、定位準(zhǔn)確。 3) 壽命的要求 產(chǎn)品壽命是產(chǎn)品正常使用時(shí)因?yàn)槟p是性能下降并在允許范圍內(nèi)而且無需大修的連續(xù)工作期限。設(shè)計(jì)中要考慮采取減磨的措施，如：選擇耐磨材料、采取合適的潤(rùn)滑措施、合理設(shè)計(jì)零件的形面等。因各零件部位難以設(shè)計(jì)成相等的壽命，所以容易受到磨損的零件應(yīng)及時(shí)適時(shí)的更換。 4) 可靠性的要求 可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下，在預(yù)定使用壽命期內(nèi)能完成規(guī)定功能的概率。工業(yè)機(jī)械手可自動(dòng)完成預(yù)定工作，廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，因此要求工業(yè)機(jī)械手工作必須可靠。設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行可靠性及強(qiáng)度的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。 5) 經(jīng)濟(jì)性的要求 機(jī)械產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性包括設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性和使用的經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械產(chǎn)品的制造成本構(gòu)成中材料費(fèi)、加工費(fèi)占著很大比重，設(shè)計(jì)時(shí)必須予以充分重視。將機(jī)械課程設(shè)計(jì)中所學(xué)的知識(shí)合理進(jìn)行運(yùn)用。 提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造經(jīng)濟(jì)的主要措施： (1)采用先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)化以達(dá)到精確的結(jié)果，保證機(jī)器足夠的可靠性。 (2)最大限度的采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化的零部件。這是設(shè)計(jì)中要得到重視的一點(diǎn)。要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件、通用零件、部件、通用的設(shè)計(jì)規(guī)范有所了解。作為初學(xué)者，要學(xué)習(xí)、參考已有的成功設(shè)計(jì)成果，還要進(jìn)一步的進(jìn)行研究創(chuàng)新。 (3)盡可能采用新工藝、新技術(shù)等。 (4)合理的組織設(shè)計(jì)制造等工藝過程。 (5)力求改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使用最少的材料，達(dá)到容易加工，容易裝配。在設(shè)計(jì)中要特別注意。 提高使用的經(jīng)濟(jì)性的主要措施： (1)合理的提高機(jī)械的機(jī)械化與自動(dòng)化的水平，以期提高機(jī)器的生產(chǎn)率。工業(yè)機(jī)械手是提高機(jī)械工作效率的方式之一。 (2)降低能源消耗是提高經(jīng)濟(jì)性的主要措施。要合理配置動(dòng)力系統(tǒng)，選用高效率的傳動(dòng)系統(tǒng)，盡可能減少傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)，已達(dá)到減低消耗能源的目的。 (3)選擇適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)及潤(rùn)滑措施，減少機(jī)械摩擦，來延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命。 (4)采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象，減少消耗保護(hù)環(huán)境。 6）人機(jī)工程學(xué)的要求 人機(jī)工程學(xué)稱為技術(shù)美學(xué)，包括操作方便宜人，調(diào)節(jié)省力高效，照明適度，現(xiàn)實(shí)清晰，造型美觀，色彩和諧，維修保養(yǎng)容易等。本設(shè)計(jì)中要充分重視外形設(shè)計(jì)，各調(diào)整環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要方便人體接近，方便工具的使用。 7）安全保護(hù)和自動(dòng)報(bào)警的要求 按照規(guī)范要求，采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設(shè)計(jì)都必須有的，是必不可少的。在程序設(shè)計(jì)中要考慮因故障造成的突然中斷，如機(jī)構(gòu)卡死，工件不到位，突然斷點(diǎn)等情況，要設(shè)置報(bào)警裝置。 1.4 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 我國(guó)機(jī)器人技術(shù)大約起步于20世紀(jì)70年代。到80年代中期，我國(guó)已研制了100多臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，其中有6臺(tái)為示教再現(xiàn)型，擁有了生產(chǎn)第一批工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)能力，縮短了與國(guó)外的差距。在這時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅猛，所開發(fā)的四大類型機(jī)器人產(chǎn)品（點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、上下料）主要用于汽車工業(yè)。且在1985年先后在幾個(gè)國(guó)家級(jí)學(xué)會(huì)內(nèi)設(shè)立了機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)，以組織和開展機(jī)器人學(xué)科的餓學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。1987年，在北京首屆國(guó)際機(jī)器人展覽會(huì)上，我國(guó)展示了10余臺(tái)自行研制的工業(yè)機(jī)器人。 隨著工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，技術(shù)性能也在不斷提高。 目前，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人多為示教再現(xiàn)型機(jī)器人，而且計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人占有相當(dāng)比例。帶有“觸覺”、“視覺”等感覺的“智能機(jī)器人”尚處于開發(fā)試用階段。帶有一定智能的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向。目前所使用的工業(yè)機(jī)器人一般沒有“視覺” 、“觸覺”“聽覺”、“邏輯判斷”等機(jī)能，所以它不能對(duì)所抓取的工作進(jìn)行識(shí)別，并選取所需要的工件，不能進(jìn)行適應(yīng)性操作。 “七五”期間，制訂了國(guó)家“863”發(fā)展規(guī)劃，在自動(dòng)化領(lǐng)域中設(shè)立了智能機(jī)器人主題研究方向，經(jīng)過“七五”、“八五”攻關(guān)，我國(guó)研制了各種類型的機(jī)器人，已初步實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化，生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人已達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用水平。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，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130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（站）上獲得規(guī)模應(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)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(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、供貨周期長(zhǎng)、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(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)產(chǎn)業(yè)化進(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米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，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(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是： 1) 提高運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)作精度，減小質(zhì)量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊組合化；將機(jī)器人的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰、和擺動(dòng)等各種功能的機(jī)械模塊、控制模塊和檢測(cè)模塊組合成不同結(jié)構(gòu)和用途的機(jī)器人。 2) 開發(fā)新型結(jié)構(gòu)，如微動(dòng)機(jī)構(gòu)保證動(dòng)作精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)、多自由度的手臂和靈巧手；研制新型的行走機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)各種作業(yè)的機(jī)器人。 3) 研制各種傳感器檢測(cè)裝置，如視覺、觸覺、聽覺和接近覺，用傳感器獲取有關(guān)工作對(duì)象和外部環(huán)境信息完成模式識(shí)別，并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動(dòng)作規(guī)劃，組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠準(zhǔn)確抓住方位在變化的物體；能自動(dòng)避開障礙物；可根據(jù)不同對(duì)象自主決定夾持力的大小；并能判斷抓取工件的質(zhì)量等等。這種具有感知、判斷能力的機(jī)器人是大有發(fā)展前途的。 4) 工業(yè)機(jī)器人的一種新發(fā)展方向是機(jī)器人與機(jī)器人之間或多機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)作業(yè)。 1.5國(guó)外機(jī)器人研究與發(fā)展趨勢(shì)　 目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下10個(gè)方面： 1) 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 2) 機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。 3) 多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。 4) 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 5) 機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。 6) 虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。 7) 多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。 8) 微型和微小機(jī)器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。 9) 軟機(jī)器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場(chǎng)合。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的，機(jī)器人對(duì)人是友好的。 10)仿人和仿生技術(shù)：這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行一些基礎(chǔ)研究。 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），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。 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)品問市。 3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4) 機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)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(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)境中的感覺來操縱機(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)用的最著名實(shí)例。 第二章 夾持器的設(shè)計(jì) 2.1 夾持器的總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)方案為液壓缸驅(qū)動(dòng)連桿杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器。經(jīng)過反復(fù)思考及論證，先做出裝配圖，如圖中所示。 夾緊和松開動(dòng)作：當(dāng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)桿1移動(dòng)時(shí)，由桿1、連桿2、杠桿3和夾持爪4組成四桿機(jī)構(gòu)，使手指完成夾緊和松開動(dòng)作。 此結(jié)構(gòu)的夾緊方式產(chǎn)生較大的夾緊力，缺點(diǎn)是手抓的張開角小。 2.2 夾持器的結(jié)構(gòu)計(jì)算及其說明 2.2.1 設(shè)計(jì)要求 1）所設(shè)計(jì)的夾持器要有足夠的夾持力和所需的夾持精度； 2）夾持器靠法蘭聯(lián)接在四桿機(jī)構(gòu)上，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、質(zhì)量輕，以減輕手臂負(fù)荷； 3）夾持器由液壓缸提供動(dòng)力； 4）采用雙指手爪式夾持器，執(zhí)行動(dòng)作為抓緊、放松； 5）所要夾緊的工件直徑為80mm，高為150mm；夾持器重約0.5kg，長(zhǎng)約為250mm，放松時(shí)兩爪間最大距離為110——120mm； 6）工件重約6kg，材質(zhì)為45#鋼。 2.2.2 夾持器的設(shè)計(jì)計(jì)算 1)加緊力的計(jì)算 手指加在工件上的加緊力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對(duì)其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的加緊力可按下列公式計(jì)算： ，式中： K1—安全系數(shù)，通常取，取1.5； K2—工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按K2=1+a/g估算，其中a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過程的加速度或減速度的絕對(duì)值（），工件的最大速度為（即運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大速度），t為系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取，一般取0.03～0.5s。K2=1+a/g＝1+0.259.8=1.025； K3—方位系數(shù)，手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，如手指水平放置，夾持器垂直放置時(shí)，，手指水平（或垂直）放置，夾持垂直工件時(shí)，（平直指為5，V型指為4），本設(shè)計(jì)中夾持垂直工件，故K3取4。 G—被抓取工件的重量 因?yàn)榍罢叩那闆r，工件重力和慣性力直接作用在手指上，所需夾緊力最??；后者的情況，工件重力和慣性力要由加緊力所產(chǎn)生的摩擦力來克服，所以，所需夾緊力要大若干倍。 可確定夾緊力： 對(duì)夾緊力取整： FN=362N 2)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和夾緊力之間的關(guān)系式 式中： c：杠桿上兩銷軸之間的距離，設(shè)計(jì)為60mm； b：杠桿上固定銷軸至爪間的距離，設(shè)計(jì)為60mm； α：連桿與夾具體之間的夾角為30 可得： 對(duì)驅(qū)動(dòng)力取整： ＝362N 對(duì)于實(shí)際驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算可遵循 進(jìn)行計(jì)算， 其中： —手部機(jī)構(gòu)機(jī)械效率N=0.85–0.9； 可得： N 在實(shí)際工作中，驅(qū)動(dòng)力應(yīng)足夠大，故在實(shí)際中應(yīng)取只偏大，確定驅(qū)動(dòng)力為FP=500N。 2.2.3 運(yùn)動(dòng)部件的主要設(shè)計(jì)校核 1)對(duì)于杠桿的校核 (a）杠桿材料為45鋼 加工方法：鑄造。 形狀尺寸如裝配圖 (b）垂直方向彎曲強(qiáng)度校核 杠桿的受力情況如下 受到的夾緊力為362N 工件重量約為G=60N 自身重量約為 夾持器手指重量G2大至估算為3N， 則臂的彎曲應(yīng)力 鑄鋼的彎曲應(yīng)力。 (c）校核夾持力對(duì)豎桿的彎曲應(yīng)力，H處為危險(xiǎn)截面，受力彎矩圖如圖（2-1）所示： 圖2-1 彎曲應(yīng)力圖 經(jīng)校核H處不會(huì)發(fā)生彎曲斷裂。 (d）夾持器臂上加工兩銷孔，一個(gè)孔用于與支撐板連接，端部孔用于與V形爪連接，連接均用銷軸和螺母配套使用，且螺母應(yīng)用鎖緊螺母。 銷軸的規(guī)格：公稱直徑d=8mm,長(zhǎng)度l=40mm。 螺母規(guī)格：內(nèi)徑為d=8mm，用于兩螺母均可采用薄螺母。 V形爪：V形爪加工方法為鑄造。 V形爪張開角度為90度，如裝配圖所示 V形爪兩側(cè)的內(nèi)側(cè)加工出用來安裝橡膠塊的凹槽，橡膠塊用來增加工件與爪子之間的摩擦力，使夾持工件更穩(wěn)定牢固，這樣又能起到保護(hù)工件表面的作用。 2.3液壓缸的選擇 2.3.1 設(shè)計(jì)要求 機(jī)械手液壓系統(tǒng)與其它機(jī)器的液壓系統(tǒng)具有許多共性，其中最突出的特點(diǎn)是緩沖與定位問題，從生產(chǎn)效率來講，機(jī)械手正常工作速度越快越好，但叢穩(wěn)定性緩沖與定位精度來考慮，速度太大，緩沖與定位就不容易達(dá)到，為達(dá)到其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和定位精確要求，一般在定位前采取緩沖制動(dòng)措施，從液壓原理講增加液壓阻尼力，在液壓缸結(jié)構(gòu)上，緩沖或緩沖回路。 2.3.2 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 1）根據(jù)夾持器驅(qū)動(dòng)力由液壓缸提供的原則，所選液壓缸要滿足工作的要求。 本方案選用了W70L-1系列輕型拉桿液壓缸，與同等壓力等級(jí)液壓缸相比，該液壓缸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件通用化程度高和安裝形式多樣等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于橡塑、紡織等輕工機(jī)械，以及機(jī)床、汽車、農(nóng)機(jī)、化工、冶金和礦山等機(jī)械。該液壓缸符合本方案“結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕”的設(shè)計(jì)要求。液壓缸結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。 圖2-2 液壓缸示意圖 其中液壓缸活塞桿的終端與外部連桿用螺紋連接，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2-3如下： 圖2-3 活塞桿 2）液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知液壓缸驅(qū)動(dòng)力FP， 為液壓缸的工作負(fù)荷。 由于，故選工作壓力P=1MPa 。 據(jù)公式計(jì)算可得液壓缸內(nèi)徑 根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)，圓整后取D=32mm. 活塞桿直徑 d=0.5D=0.532mm=16mm 活塞厚 B=(0.6～1.0)D 取B=0.7D=0.732mm=22.4mm 缸筒長(zhǎng)度 L≤(20～30)D 取L為80mm 導(dǎo)向筒長(zhǎng)度C≈(0.6～1.0)D=0.8D=0.832mm=25.6mm 活塞行程： A 當(dāng)抓取80mm工件時(shí)，即手爪從張開120mm減小到80mm，活塞桿向前移動(dòng)大約30mm。取液壓缸行程S=35mm。 B 液壓缸流量計(jì)算 放松時(shí)流量 夾緊時(shí)流量 夾持器液壓缸的選用型號(hào)：W70L-1-2La40B-70N22-BD。 該型號(hào)液壓缸技術(shù)參數(shù)如下： 工作壓力 使用溫度范圍 允許最大速度 效率 傳動(dòng)介質(zhì) 缸徑 有桿腔受壓面積 無桿腔受壓面積 溫度比 1Mp 300m/s 90% 常規(guī)礦物液壓油 32mm 12.5 8.6 1.45 第三章 平行四邊形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 3.1四邊形升降機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì) 3.1.1 設(shè)計(jì)目的及要求 機(jī)械手模仿人的手部動(dòng)作，按照給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸取，將工件從傳送帶上取下送至加工中心。其中平行四邊形機(jī)構(gòu)安裝在升降臂上，升降臂安裝在底座上。平行四邊形機(jī)構(gòu)由液壓缸驅(qū)動(dòng)并且隨升降臂上下運(yùn)動(dòng)。各個(gè)連接部分采用螺栓連接。 3.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù) 1)伸縮長(zhǎng)度：300mm，平行四邊形機(jī)構(gòu)固定在升降臺(tái)上，隨升降臺(tái)做上下運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；平行四邊形機(jī)構(gòu)前端安裝機(jī)械手，用于夾持工件；伸縮臂直線伸縮，完成工件的工位轉(zhuǎn)換。 2)單方向伸縮時(shí)間：1~1.5S 3)采用液壓驅(qū)動(dòng)方案。 4)伸縮運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)和終止無剛性沖擊，定位準(zhǔn)確，要有定位措施。 3.1.3 液壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì) 平行四邊形機(jī)構(gòu)由液壓缸2來驅(qū)動(dòng)，采用單桿雙作用液壓油缸，手臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)采用單向調(diào)速閥進(jìn)行回油截流調(diào)節(jié)，接近終點(diǎn)時(shí)，發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行調(diào)速緩沖。鑒于要使運(yùn)動(dòng)軌跡相重合，要求液壓缸采用擺動(dòng)式液壓缸。實(shí)現(xiàn)平行四邊形機(jī)構(gòu)的正反轉(zhuǎn)要求采用電液換向閥控制。 3.2具體設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 圖3-1 BE桿示意圖 BE桿以A點(diǎn)為分界兩側(cè)的質(zhì)量差距過大，所以為了平衡性的考慮，在AE桿上加一重約3kg的質(zhì)量塊。 3.2.1 對(duì)BE桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 1)取BE桿進(jìn)行研究 BE桿截面如圖所示，其中寬b=15㎜;高h(yuǎn)=30㎜;材料選取45號(hào)鋼，密度ρ=7.8510㎏／m； 圖3-2 BE桿截面圖 2)受力計(jì)算 桿BE受到A處的支撐力，B處的拉力，E處的拉力，如圖所示 圖3-3 BE桿受力圖 F?=F＋G／2=65＋9=74N 其中：G—桿CD所受重力； F—桿BC與取料手所受重力； 根據(jù)力的平衡 ∑M=0 F2lAE－F1lAB＋GAElAE／2－GABlAB／2=0 ∑Fx=0 F2－FA＋qlBE＋F1=0 可得： F2=192N FA=290N ﹙其中GAE=37N,GAB=17.7N﹚ 3)畫出受力簡(jiǎn)圖 圖3-4 BE桿彎矩圖 圖3-5 BE桿扭矩圖 由以上數(shù)據(jù)得： 抗彎截面系數(shù)WZ=bh2／6=1530／6=2250mm3 （3.1） 抗扭截面系數(shù)IZ=bh3／12=15／12=67500mm4 （3.2） 所以將式式（3.1）與式（3.2）所得的數(shù)據(jù)代入式（3.3）和式（3.4）可得： 正應(yīng)力：σmax=M／WZ=34.3109／2250=15.5MPa （3.3） 切應(yīng)力：τmax=3F／2A=0.97MPa （3.4） 4)校核強(qiáng)度 此桿件選取材料為鋼，則許用正應(yīng)力[σ]=160 MPa；許用切應(yīng)力[τ] =100 MPa；彈性模量E=200 MPa. 所以σmax ＜[σ]；并且τmax＜[τ] ，可得BE桿滿足強(qiáng)度要求。 5)選取BF桿研究 BF桿的截面尺寸為a=b=20㎜,長(zhǎng)度lBF=200mm,BF桿受取料手的重力和CD桿的重力的一半，總和為P=65N；自身所受重力G=ρνg=6.28N最終所受總外力為F=P＋G=72N;所受正應(yīng)力為σmax=F／A =0.18MPa，所受切應(yīng)力τmax=0.27MPa. BF桿的材料仍取鋼，則許用正應(yīng)力[σ]=160 MPa；許用切應(yīng)力[τ] =100 MPa；彈性模量E=200 MPa。 所以σmax ＜[σ]；并且τmax＜[τ] ，可得此桿件滿足強(qiáng)度要求。 3.2.2 研究CD桿件 取截面尺寸為寬高=1530，如圖 圖3-6 CD桿截面圖 1) 對(duì)CD桿進(jìn)行受力分析，如圖 圖3-7 CD桿受力圖 圖3-8 CD桿彎矩扭矩圖 可得: 最大力Fmax=9N,最大彎矩Mmax=1.12N。(CD桿自身所受重力為G=17.7N。) 可得最大正應(yīng)力： σmax=M／WZ=6M／bh2=0.5 MPa; 最大切應(yīng)力： τmax=3F／2A =0.03 MPa； 桿CD材料選取為鋼，則許用正應(yīng)力[]=160 MPa；許用切應(yīng)力彈性模量E=200 MPa。 可得＜[]；并且，可得此桿件滿足強(qiáng)度要求。 3.3平行四邊形機(jī)構(gòu)行程計(jì)算 3.3.1 平行四邊形機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖 圖3-9 平行四邊形機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 由計(jì)算得: 上極位角；下極位角；上極位點(diǎn)到水平距離;上極位點(diǎn)到水平距離； 下極位到水平距離；下極位點(diǎn)到水平距離。 在上極位處，為不發(fā)生干涉，與之間的距離,由于,所以不會(huì)發(fā)生干涉。 3.4 動(dòng)態(tài)計(jì)算 3.4.1 平行四邊形機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)計(jì)算 四邊形機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)角；轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為1-1.5S；啟動(dòng)與停止時(shí)間為0.2S，如圖所示 圖3-10 時(shí)間圖 （3.5） 其中： α―角加速度； t1―啟動(dòng)時(shí)間及加速時(shí)間和減速時(shí)間0.2S； ω―平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度； φ―轉(zhuǎn)動(dòng)角度； t2-平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間1.1S； 將數(shù)據(jù)代入式（3.5）解得角加速度； 在BE桿水平位置時(shí)是受力最大處，所以校核水平位置時(shí)BE桿的強(qiáng)度，受力分析如圖 圖3-11受力分析圖 可以將受力簡(jiǎn)圖簡(jiǎn)化成如圖，而且加強(qiáng)了桿的強(qiáng)度。 圖3-12 受力簡(jiǎn)圖 由圖可得所受最大力Fmax=172N；所受最大彎矩Mmax=34.8N； 材料前面已經(jīng)取過，為鋼，則許用正應(yīng)力=160MPa；許用切應(yīng)力；彈性模量E=200MPa。 最大正應(yīng)力：σmax=M／WZ=34.3109／2250=15.5MPa式（3.3） 最大切應(yīng)力：τmax=3F／2A=0.97MPa 校核強(qiáng)度，可得；并且，可得此桿件滿足強(qiáng)度要求。此平行四邊形機(jī)構(gòu)也滿足強(qiáng)度要求。 3.4.2 底座回轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)態(tài)計(jì)算 轉(zhuǎn)角；轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間t=0-4S；過程如圖 圖3-13 回轉(zhuǎn)時(shí)間圖 設(shè)角加速度為加速時(shí)間=0.5S，減速時(shí)間，勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間。 （3.7） 將數(shù)據(jù)代入式（3.6）解得角加速度； 所以在承載最大的BE桿上，=1.74；受力簡(jiǎn)圖如圖 圖3-14 BE桿受力簡(jiǎn)圖 根據(jù)力的平衡條件 （3.8） （3.9） 其中： FE—液壓缸2所受力； FB—桿BF與取料手加到B點(diǎn)的力； lAE —桿AE長(zhǎng)度； lAB—桿AB長(zhǎng)度； （3.10） （3.11） 其中： FE—液壓缸2所受力； FB—桿BF與取料手加到B點(diǎn)的力； FA—支撐座在A點(diǎn)所受力； 由式（3.11）和式（3.10） 解得E點(diǎn)處所受力及液壓缸2所受力為 解得A點(diǎn)處所受力及支撐座所受力為 受力圖與彎矩圖如圖 圖3-15 彎矩扭矩圖 由圖中可得受到最大外力；所受最大彎矩； 受到的最大正應(yīng)力為； ； 最大且應(yīng)力為； 校核強(qiáng)度，可得＜[]；并且，可得此桿件滿足強(qiáng)度要求。此桿構(gòu)件滿足強(qiáng)度要求。 3.4.3 液壓缸1運(yùn)動(dòng)時(shí)平行四邊形機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)計(jì)算 1)運(yùn)動(dòng)參數(shù) 液壓缸1行程：h-0 時(shí)間：t-0 如圖 圖3-16 運(yùn)動(dòng)時(shí)間圖 在液壓缸1上升過程中加速度為a,上升時(shí)加速與減速的時(shí)間均為0.3s,勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間為。 可列運(yùn)動(dòng)方程 （3.12） （3.13） 將以上數(shù)據(jù)代入式式（3.12）得液壓缸1上升過程中加速度a=。 此時(shí)的加速度小于液壓缸2運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的加速度，慣性力也小于液壓缸2運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力。所以在液壓缸2運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。 3.5帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)的液壓缸2的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.5.1 液壓缸2的行程計(jì)算 在第三章圖3-9中，E間的水平距離=；E間的豎直距離，可得間豎直距離V=221.65㎜，所以液壓缸2的行程及V，也就是221.65㎜。 1) 靜態(tài)時(shí)，由前述圖可得P=46N。 2) 動(dòng)態(tài)時(shí)總轉(zhuǎn)角，在桿BE承水平狀態(tài)時(shí)所承受的動(dòng)態(tài)載荷最大為F=67.5N。啟動(dòng)時(shí)桿AE在極限位置1時(shí)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)過6，桿在此時(shí)伸出長(zhǎng)度為0.01m，伸出所用時(shí)間為0.02s，可得啟動(dòng)時(shí)加速度，同樣可得制動(dòng)時(shí)加速度。 (1)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度 (2)選取液壓缸的工作壓力 因最大工作載荷由前可知 液壓缸牽引力與工作壓力間關(guān)系如表 表3-1 牽引力（KN） 5-10 10-20 20-30 工作壓力（MPa） 1.5-2 2.5-3 3-4 由表3-1 可知此時(shí)工作壓力為MPa間，可以初選液壓缸工作壓力P=0.8MPa. (3)液壓執(zhí)行元件的主要參數(shù) 工作負(fù)載R 液壓缸的工作負(fù)載是指工作機(jī)構(gòu)在滿載負(fù)荷情況下，以一定加速度啟動(dòng)時(shí)對(duì)液壓缸產(chǎn)生的總阻力，即 （3.14） 式中； —工作機(jī)構(gòu)的荷重及自重對(duì)液壓缸產(chǎn)生的作用力； —工作機(jī)構(gòu)在滿載啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦力； —工作機(jī)構(gòu)在滿載啟動(dòng)時(shí)的慣性力。 現(xiàn)在由于缸的結(jié)構(gòu)尺寸未確定，所以和無法確定，只有以R進(jìn)行計(jì)算，待和確定后進(jìn)行校核，看是否滿足要求，若不滿足要求，再進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算。 ②缸筒內(nèi)徑的確定 對(duì)于單活塞雙作用缸來說，當(dāng)活塞桿以推力驅(qū)動(dòng)工作負(fù)載時(shí)，及壓力油輸入無桿腔時(shí)，工作負(fù)載為 R=F= （3.15） 將數(shù)據(jù)代入式（3.14）得,取國(guó)標(biāo)圓整值為25㎜。 當(dāng)活塞桿是以拉力驅(qū)動(dòng)時(shí)，壓力油輸入有桿腔 （3.16） 將數(shù)據(jù)代入式（3.15）得R=,同樣按照國(guó)標(biāo)圓整為25㎜。 ③活塞桿直徑d的確定 在確定活塞桿直徑d時(shí)，既要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，也要考慮工作運(yùn)動(dòng)速度的要求。通常先從滿足速度的角度選擇活塞桿直徑，然后再校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，必要時(shí)還需按照穩(wěn)定性的要求進(jìn)行驗(yàn)算。 活塞桿直徑d的推薦值：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，d=(0.3-0.5)D；當(dāng)多塞受壓時(shí)，d=（0.5-0.7）D。 所以此處d=（0.5-0.7）D，此時(shí)選取d=0.6D=15㎜. 活塞桿強(qiáng)度計(jì)算 取材料為材料為鋼，則許用正應(yīng)力[]=160 MPa；許用切應(yīng)力彈性模量E=200 MPa.則所受正應(yīng)力 ， （3.17） 式中； F—活塞桿拉力，單位為N； d—活塞桿直徑，單位為㎜； 計(jì)算得，所以活塞桿滿足強(qiáng)度要求。 活塞桿穩(wěn)定性計(jì)算 柔度,桿的柔度 （3.18） 式中； —桿的柔度； —長(zhǎng)度因數(shù)； 桿的長(zhǎng)度； 慣性半徑； 桿一端鉸支一端固定，所以長(zhǎng)度因數(shù)為0.7。慣性半徑。將數(shù)據(jù)代入式（3.17）的柔度，所以此桿為小柔度桿。所以零界應(yīng)力，所以，所以活塞缸2的活塞桿滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。 ④液壓缸壁厚的確定 液壓缸壁厚由結(jié)構(gòu)和工藝等要求確定，一般按照薄壁筒計(jì)算，壁厚由式（3.19）確定。 （3.19） 式中； —缸最大壓力； D—缸筒內(nèi)徑； —最大需用應(yīng)力，此處為材料為鋼，則許用正應(yīng)力[]=160 MPa；許用切應(yīng)力 彈性模量E=200 MPa.； 將數(shù)據(jù)代入式（3.18）得?？紤]到液壓缸的加工要求，將其壁厚適當(dāng)加厚，取壁厚為3㎜。 ⑤最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H 當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到導(dǎo)向滑套動(dòng)面中點(diǎn)的距離最小為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H。 對(duì)單活塞液壓缸，一般 （3.20） 式中 ； —活塞最大工作行程； D—缸筒內(nèi)徑。 將數(shù)據(jù)代入式（3.19）得。 ⑥缸筒外徑 D1=D+2δ 式中； —缸筒外徑； —缸筒壁厚。 ⑦缸底厚度計(jì)算 式中； —缸底內(nèi)徑； —缸底材料的需用應(yīng)力，此處取材料為鋼，則許用正應(yīng)力[]=160 MPa； 許用切應(yīng)力彈性模量E=200 MPa；液壓缸最大工作壓力。 將數(shù)據(jù)代入式（3.21）得。圓整為5