氣動機械臂設(shè)計

摘 要 本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，講述了機械臂的分類與歷史還有當今國內(nèi)外的發(fā)展狀況，機械臂硬件和軟件的組成，即機械臂各個部件的整體尺寸設(shè)計與校核，氣動技術(shù)的特點與優(yōu)點， PLC 控制的特點， PLC 控制的氣動機械臂系統(tǒng) 的 工作原理。本文對機械臂進行總體的方案設(shè)計 ： 1、 確定了機械臂的坐標形式 ， 自由度 和 機械臂的 各項 技術(shù)參數(shù)。 2、 設(shè)計了機械臂的手臂結(jié)構(gòu)，計算出了回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸大小以及升 降 氣缸的大小，并對手臂伸縮氣缸進行了選型和校核。 3、 設(shè)計了機械臂的夾持式手部結(jié)構(gòu) 和 機械臂的手腕結(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。 4、 設(shè)計出了機械臂的氣動系統(tǒng)，繪制了機械臂氣壓系統(tǒng)工作原理圖。 因為設(shè)計的機械臂為通用機械臂， 分析了可編程控制器是如何來控制氣動機械臂的運動與工作， 可以 利用可編程序控制器 根據(jù)需要編寫不同的程序 對機械手進行控制， 最終做出了機械臂運動的流程圖。 關(guān)鍵詞： 氣動；工業(yè)機器人；機械臂； PLC。 II Abstract This article briefly introduces the concept of industrial robots, telling the story of the classification of the mechanical arm and the historical and current development status at home and abroad, robot arm of hardware and software.The robot arm design and check the overall dimensions of the parts, the characteristics and advantages of pneumatic technology, PLC control, the characteristics of the working principle of PLC control system of pneumatic manipulator. In this article, the robot arm for the overall scheme design. 1、 Determining the coordinates of the mechanical arm forms， degrees of freedom, and the technical parameters of manipulator. 2、 Designing the manipulator arm structure, calculating the rotary cylinder size and the size of the lift cylinder, and the selection and checking of the telescopic cylinder and the arm . 3、 Designing holding type hand structure of mechanical arm and the robot arms wrist structure.Calculating the driving moment of the wrist when needed and driving moment of the rotary cylinder. 4、 Designing the pneumatic system of mechanical arm and the map of mechanical arm pressure system working principle. 5、 Because the mechanical arm is designed for general mechanical arm, analysis of the programmable logic controller is how to control the pneumatic motor and mechanical arm.We can make use of the programmable controller according to the need to write a different program to control the manipulator, finally making the mechanical arm movement flow chart. Key words: Air pressure drive； Industrial robot； Robot arm； Programmable Logic Controller. V 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 錄 . V 1 緒 論 . 1 1 .1 機械臂概論 . 1 1.1.1 機械臂歷史與發(fā)展 . 1 1.1.2 機械臂的歷 史 . 2 1.1.4 機械臂的組成 . 2 1.1.4 機械臂的分類 . 3 1.2 氣動技術(shù)概述 . 3 1.3 氣動機械臂的設(shè)計要求 . 4 2 機械臂整體設(shè)計方案 . 5 2.1 機械臂的座標型式與自由度 . 5 2.2 機械臂的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 . 5 2.3 機械臂的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 . 6 2.4 機械臂的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 . 6 2.5 機械臂的驅(qū)動方案設(shè)計 . 6 2.6 機械臂的控制方案設(shè)計 . 6 2.7 機械臂的主要技術(shù)參數(shù) . 6 3 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 9 3.1 手腕的自由度 . 9 3.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 . 9 3.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 . 9 3.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 . 11 3.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 . 12 4 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核 . 15 4.1 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核 . 15 4.1.1 尺寸設(shè)計 . 15 4.1.2 尺寸校核 . 15 4.2 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核 . 16 4.2.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計 . 16 4.2.2 尺寸校核 . 16 4.2.3 平衡裝置 . 16 4.2.4 導(dǎo)向裝置 . 16 4.3 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核 . 17 4.3.1 尺寸設(shè)計 . 17 4.3.2 尺寸校核 . 17 VI 5 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 18 5.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) . 18 5.1.1 手指的形狀和分類 . 18 5.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題 . 18 5.1.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計 . 18 6 氣動系統(tǒng)設(shè)計 . 22 6.1 氣動系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容及設(shè)計程序 . 22 6.2 氣壓傳動系統(tǒng)原理圖 . 22 7 機械臂的控制方式 . 25 7.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 . 25 7.1.1 可編程序控制器的選擇 . 25 7.1.2 可編程 序控制器的工作過程 . 25 7.2 可編程序控制器的使用步驟 . 25 7.3 控制系統(tǒng)的工作原理 . 26 7.4 控制要求 . 26 7.4.1 手動工作方式 . 26 7.4.2 單動工作方式 . 26 7.4.3 自動工作方式 . 27 7.5 氣動機械手的工作流程 . 27 8 結(jié) 論 . 29 8.1 結(jié)論 . 29 8.2 不足之處及展望 . 29 致 謝 . 30 參考文獻 . 31 氣動機械臂設(shè)計 1 1 緒 論 1 .1 機械臂概 論 1.1.1 機械臂歷史與發(fā)展 機械臂是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，它對穩(wěn)定并且提高產(chǎn) 品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件與產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機械臂是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它是機器人的一個特別重要分支。機械臂的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在性能與構(gòu)造上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的適應(yīng)性和智能。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械臂被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械臂雖然目前還不如人的手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，抓舉重物的力量比人臂力大的特點，因此，機械臂已受到許多部門的重視，并得到了越來越廣泛地應(yīng)用。 機械臂首先是 從美國開始研制的。 1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械臂。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械臂。商名為 Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械臂就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來。同年，美國機械制造公司也成功實驗一種叫 Vewrsatran機械臂。該機械臂的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制 系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械臂，是后來國外工業(yè)機械臂發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國 Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 Unimate-Vicarm型工業(yè)機械臂，裝有小型電子計算機來進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于 1 毫米。聯(lián)邦德國 KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械臂，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。目前，機械臂大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；改進的方向主要是提高精度和降低成本。第二代機械臂正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至想和聽的能力。 研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械臂具有感覺功能。第三代機械臂則能獨立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)節(jié)。 目前國內(nèi)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、性能、品種方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械臂，改善作業(yè)條件，以減輕勞動強度，在應(yīng)用專用機械臂的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械臂，有條件的還要研制示教式機械臂、計算機控制機械臂和組合 機械臂等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械臂的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械臂，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 國外機械臂在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械臂的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械臂。使它具有一定的傳感能力，能無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 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，重點是研究觸覺功能和視覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。 目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化、高速化、輕量化、多軸化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到 3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達到 6軸，負載 2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破 100KG。更重要的是將機械臂、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械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械臂的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 1.1.2 機械臂 的歷史 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。新的世紀，生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進步和發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工和裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)傷害和失誤。顯然，這嚴重影 響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械臂的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。 在機械工業(yè)中，機械臂的應(yīng)用具有以下意義： （ 1） 可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度 應(yīng)用機械臂，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高生產(chǎn)的勞動率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化與自動化的步伐。 （ 2） 可以改善勞動條件、避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污 染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險甚至根本不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全地作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作過程中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疏忽或者疲勞而造成的人身事故。 （ 3） 可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機械臂代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械臂可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人力和更準確 地控制生產(chǎn)節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。 1.1.4 機械臂 的組成 （ 1） 手部 包括手指、傳力機構(gòu)等，主要起放置與抓取物件的作用。 （ 2） 傳送機構(gòu) 包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向與位置的作用。 （ 3） 控制部分 它是機械臂動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序與位置等 氣動機械臂設(shè)計 3 （ 4） 驅(qū)動部分 它是手部與傳送機構(gòu)的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓、氣壓、 電力和機械四種驅(qū)動形式。 （ 5） 其它部分 如機體、行走機構(gòu)、行程檢測裝置和傳感裝置等。 1.1.4 機械臂的分類 1.1.4.1 按使用范圍分類 （ 1） 專用機械臂 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如 “毛坯上下料機械臂 ”、 “曲拐自動車床機械臂 ”、 “油泵凸輪軸自動線機械臂 ”等等。這種機械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。 （ 2） 通用機械臂 指具有可變程序與單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動完成傳送物件或操作某些工其的機械裝置。通用機械手按其定位與控制方式的不同 ，可分為簡易型與伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。 1.1.4.2 按運動坐標型式分類 （ 1） 直角坐標式機械臂 臂部可以沿直角坐標軸 X、 Y、 Z 三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮 (定為沿 X 方向的移動 )、左右移動 (定為沿 Y 方向的移動 )和上下升降 (定為沿 Z 方向的移動 )； （ 2） 圓柱坐標式機械臂 手臂可以沿直角坐標軸的 X 和 Z 方向移動，又可繞 Z 軸轉(zhuǎn)動 (定為繞 Z 軸轉(zhuǎn)動 )，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動； （ 3） 球坐標式機械臂 臂部可以沿直角坐標軸 X 方向移動，還可以繞 Y 軸和 Z 軸轉(zhuǎn)動，亦即手臂可以前后伸縮 (沿 X 方向移動 )、上下擺動 (定為繞 Y 軸擺動 )和左右轉(zhuǎn)動 (仍定為繞 Z 軸轉(zhuǎn)動 )； （ 4） 多關(guān)節(jié)式機械臂 這種機械臂的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部 )以及大臂和機體的連接 (肩部 )均為關(guān)節(jié) (鉸鏈 )式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動。 1.1.4.3 按驅(qū)動方式分類 （ 1） 液壓驅(qū)動機械臂 以壓力油進行驅(qū)動； （ 2） 氣壓驅(qū)動機械臂 以壓縮空氣進行驅(qū)動； （ 3） 電力驅(qū)動機械臂 直接用電動機進行驅(qū)動； （ 4） 機械驅(qū)動機械臂 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳遞給機械臂的一種驅(qū)動方式。 1.1.4.4 按機械臂的臂力大小分類 （ 1） 微型機械臂 臂力小于 1 ； （ 2） 小型機械臂 臂力為 1 10 ； （ 3） 中型機械臂 臂力為 10 30 ； （ 4） 大型機械臂 臂力大于 30 。 1.2 氣動技術(shù)概述 氣壓傳動機械臂是以壓縮 空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械臂。其主要特點是 :無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 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，工作速度穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源的壓力較低，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、高溫與粉塵大的環(huán)境中進行工作。 氣動技術(shù)有以下優(yōu)點： （ 1）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)與加工精度要求，制造容易，成本較低； (2) 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與速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制； (3) 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； (4) 能源可儲存。壓縮空氣可存貯與儲氣罐之中，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發(fā)生中斷等情況； (5) 介質(zhì)提取和處理方便。工作介質(zhì)提取容易，氣壓傳動工作的壓力較低，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； (6) 工作環(huán)境適應(yīng)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，并且不會因溫度的變化影響控制機傳動的性能。 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。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，而且對于不太復(fù)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。 1.3 氣動機械臂的設(shè)計要求 本課題將要完成的主要任務(wù)如下 （ 1） 機械臂為通用機械臂，因此相對于專用機械臂來說，它的適用面相對較廣。 （ 2） 選取機械臂的座標型式和自由度。 （ 3） 設(shè)計出機械臂的各執(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(yīng)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） 了解氣動機械臂的工作控制原理。 氣動機械臂設(shè)計 5 2 機械臂整體設(shè)計方案 對氣動機械臂的基本要求是能快速、準確地拾 -放和搬運物件，這就要求它們具有一定的承載能力、高精度、快速反應(yīng)、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)計氣動機械臂的原則是：充分分析作業(yè)對象作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序，并滿足系統(tǒng)環(huán)境條件和功能要求；明確工件結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求 抓取和搬運時的受力特性、尺寸及其質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械臂結(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)計的機械臂是通用氣動上下料機械臂，是一種適合于成批或者中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的操作設(shè)備或者自動搬運，動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。氣動機械臂可用于操作環(huán)境比較惡劣的場合。 2.1 機械臂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(yīng)的機械手具有三個自由度。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，所以增加一自由度。共四自由度。 圖 2.1 坐標模型及自由度示意圖 2.2 機械臂的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 考慮到機械手 通用 的特 性，同時由于被抓取 的 工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可 以 滿足 機械臂的 工作要求。因此，手腕設(shè)計 具有 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 2.3 機械臂的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 按照 機械手 抓取工件的要求， 此 機械手的手臂 需要 三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降運動。手臂的升降 和回轉(zhuǎn) 運動 都 是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動 就是 手臂的橫移。手臂的各種運動 方式均 由氣缸來實現(xiàn)。 2.4 機械臂的手部結(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。 2.5 機械臂的驅(qū)動方案設(shè)計 機械臂常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機 驅(qū)動三種基本形式。 液壓驅(qū)動的特點是功率大、結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，響應(yīng)快，精度較高。但是需要有液壓源，而且容易發(fā)生液體泄漏。 電機傳動能源簡單，機構(gòu)速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高，使用方便，噪聲低，控制靈活。 氣壓驅(qū)動的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡單，傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械臂采用氣壓傳動方式。 2.6 機械臂的控制方案設(shè)計 考慮到機械臂的通用性，同時使用點位控制，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)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。 2.7 機械臂的主要技術(shù)參數(shù) （ 1） 機械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)機械臂的設(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 5kg。 （ 2） 基本參數(shù)運動速度是機械臂主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械臂速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。（如圖 2-3 所示）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 1.0m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為90/s。平均移動速度為 0.8m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為 60/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。大部分機械臂設(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，該機械臂手臂的伸縮行程定 為 600mm,最大工作半徑約為 1400mm。手臂升降行程定為 120mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械臂的定位精度為 1mm。 （ 3） 用途 : 用于自動輸送線的上下料。 氣動機械臂設(shè)計 7 （ 4） 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） 手臂最大中心高 1250mm 5） 最大工作半徑 1400mm 6） 手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 0-180 回轉(zhuǎn)速度 90/s 7） 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 0-180 回轉(zhuǎn)速度 90/s 8） 手指夾持范圍 棒料 : mmmm 15080 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 圖 2.2 機械臂的工作范圍示意圖 (主視 ) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 2.3 機械臂的工作范圍示意圖 (主視 ) 氣動機械臂設(shè)計 9 3 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是改變或調(diào)整工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械臂適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械臂的通用性、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)。由于本機械臂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(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)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，并且要求嚴格的密封 。 3.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 3.2.1 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所示為手腕的示意圖。 圖 3.1 手碗回轉(zhuǎn)時狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算 : 慣偏摩封驅(qū) MMMMM (3.1) 式中： M 驅(qū) - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 (Ncm)； 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無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 ( cmN )； M 摩 - 手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩； 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 (Ncm)； M 慣 - 慣性力矩 (Ncm)。 圖 3.2 手腕受力示意圖 下面以圖 3.2 所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算 : 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(yīng)根據(jù)具體情況來分析。 (2) 手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M 封 )(2 12 dFdFfM BA 摩 (3.2) 式中 : 21,dd - 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑 (cm)； f - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 01.0f ，對于滑動軸承 1.0f ； BAFF, - 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) 0AM，得： 112233 lGlGlGlF B (3.3) l lGlGlGF B 332211 (3.4) 同理，根據(jù) 0BM l llGllGllGF A )()()( 332211