關(guān)節(jié)型；工作空間；PLC；氣動(dòng)機(jī)器人

PAGEII----PAGEIV-摘要?dú)鈩?dòng)技術(shù)有很多的優(yōu)點(diǎn)，讓氣動(dòng)機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)里得以越來越多的應(yīng)用。尤其是在食品加工和易燃易爆的工作環(huán)境中，氣動(dòng)機(jī)器人比液壓、電動(dòng)機(jī)器人有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。氣動(dòng)組件要精確的做出控制和轉(zhuǎn)角輸出相對(duì)困難，所以在關(guān)節(jié)部位用氣動(dòng)組件的關(guān)節(jié)型機(jī)器人相對(duì)少見，因此現(xiàn)在大多數(shù)的氣動(dòng)機(jī)器人都是直角坐標(biāo)型的。但是關(guān)節(jié)型氣動(dòng)機(jī)器人比直角坐標(biāo)型機(jī)器人適應(yīng)任務(wù)多并且工作空間大。所以，關(guān)節(jié)型氣動(dòng)機(jī)器人有待研究且有重要的實(shí)際價(jià)值。多自由度全自動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)器人為本論文研究的對(duì)象，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要需要做的以下幾個(gè)內(nèi)容：（1）設(shè)計(jì)研究氣動(dòng)機(jī)器人的臂腕結(jié)構(gòu)，根據(jù)手腕的設(shè)計(jì)再研究出輔助氣動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)手腕多點(diǎn)定位；（2）根據(jù)氣動(dòng)機(jī)器人手腕的多點(diǎn)定位性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手的綜合分析；（3）分析研究氣動(dòng)機(jī)器人的定位技術(shù)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位精度得到有效的提高；（4）對(duì)PLC電氣控制程序和氣動(dòng)控制回路進(jìn)行設(shè)計(jì)；（5）對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析。通過試驗(yàn)研究對(duì)全自動(dòng)關(guān)節(jié)型氣動(dòng)機(jī)器人的一些技術(shù)問題進(jìn)行了相應(yīng)的解決，開發(fā)出了關(guān)節(jié)型全自動(dòng)五自由度機(jī)器人，這個(gè)成果可以作為技術(shù)展示在工業(yè)界里，推動(dòng)了氣動(dòng)技術(shù)在日常生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞關(guān)節(jié)型；工作空間；PLC；氣動(dòng)機(jī)器人AbstractPneumatictechnologyhasmanyadvantagesforpneumaticmanipulatorisabletomoreandmoreapplicationinindustrialproduction.Especiallyinthefoodprocessingandflammableandexplosiveenvironment,hydraulic,electricpneumaticrobotthanrobothasirreplaceableadvantages[11].PneumaticcomponentstomakeprecisecontrolandoutputAngleisrelativelydifficult,sothejointswithpneumaticcomponentsofjointtyperobotarerelativelyrare,sonowmostpneumaticrobotisoftherectangulartype.Butthejointtypepneumaticrobotismorethanthetyperectangularcoordinaterobottoadapttothetaskandworkingspaceislarge.So,jointtypepneumaticrobotneedtoberesearchedandhasimportantpracticalvalue.Multi-degree-of-freedomautomaticjointtyperobotasresearchobject,thispaperdesignedrobotismainlytodothefollowingcontent:(1)thedesignresearchofpneumaticrobotarmstructure,accordingtothedesignandstudyofawristauxiliarypneumaticbrakingmechanism,inordertorealizethewristmultipointpositioning;(2)accordingtothenatureofpneumaticrobotwristmultipointorientation,torealizethecomprehensiveanalysisofpneumaticmanipulator;(3)theanalysisandstudyofpneumaticrobotpositioningtechnology,effectivelyimprovesystemstabilityandpositioningaccuracy;(4)electricalcontrolofPLCprogramandpneumaticcontrolcircuitdesign;(5)economicfeasibilityanalysisofthewholedesign.Throughtheexperimentalstudyonsometechnicalproblemsonautomaticjointtypepneumaticrobothascarriedonthecorrespondingsolutions,developedajointtypeautomaticfivedegreesoffreedomrobot[14],theresultscanbeusedasatechnicalfeaturesintheindustry,topromotethepracticalapplicationinthepneumatictechnologyindailyproduction.KeywordsPneumaticrobot,PLC,Theworkspace,Jointtype目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII3163第1章緒論 1258901.1課題背景 1243921.1.1研究意義 152711.1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 2137851.2論文研究的主要內(nèi)容 318741第2章全氣動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案 4147612.1系統(tǒng)功能分析 4309542.2機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案 563352.2.1氣動(dòng)機(jī)器人自由度的確定 5128392.2.2氣動(dòng)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)圖 615812.3本章小結(jié) 818576第3章氣動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人腕臂結(jié)構(gòu)研究 8103563.1氣動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)的臂桿結(jié)構(gòu)研究 8113433.1.1機(jī)身和臂桿設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 8112953.1.2氣動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)的機(jī)身和臂桿結(jié)構(gòu) 9268073.2氣動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)的手腕結(jié)構(gòu)研究 14280063.2.1手腕的自由度和設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題 15280063.2.2氣動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)的手腕結(jié)構(gòu)研究 1592803.3關(guān)節(jié)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15280063.3.1關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 15285823.3.2關(guān)節(jié)部結(jié)構(gòu) 1674253.4各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 18207503.5本章小結(jié) 2214139第4章教學(xué)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2365624.1氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2381504.2氣動(dòng)輔助元件的選擇 241134.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25211614.3.1工作方式 25222314.3.2PLC程序的設(shè)計(jì) 2753744.4本章小結(jié) 312278第5章產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析 32140225.1產(chǎn)品開發(fā)的地位 3246855.2產(chǎn)品的價(jià)值分析 3226715.2.1價(jià)值分析的定義 3249535.2.2價(jià)值分析的特點(diǎn) 32123825.3工藝設(shè)計(jì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 33315875.4本章小結(jié) 3425066結(jié)論 35-PAGE35-緒論機(jī)械手技術(shù)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，很多人類做不大的事情都需要由機(jī)械手來完成，國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用前景也都不一樣，在很多領(lǐng)域還需要人們?nèi)グl(fā)掘去創(chuàng)造，通過不斷進(jìn)步來提高人們的生活水平，機(jī)械手可以提高生產(chǎn)效率，代替人們?cè)谖ｋU(xiǎn)的地方工作。課題背景機(jī)械手技術(shù)是一種結(jié)合了人類手臂和關(guān)節(jié)的功能做出的工具，機(jī)械手技術(shù)是一種先進(jìn)的結(jié)合多學(xué)科的自動(dòng)化機(jī)器人，它可以代替人類在高溫高壓等等危險(xiǎn)環(huán)境中工作，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，并且能夠減少傷亡事故，因此機(jī)械手在勞動(dòng)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前，世界各國(guó)和研究組織都在密切關(guān)注著機(jī)械手的發(fā)展。在國(guó)內(nèi)，汽車制造業(yè)里機(jī)器人的涂裝線和總裝線等，家電制造業(yè)里機(jī)器人的裝配線，電子業(yè)里的IC芯片后封裝的技術(shù)，各類制造業(yè)里自動(dòng)化的物流運(yùn)輸系統(tǒng)，及食品、制藥、信息行業(yè)等，對(duì)機(jī)械手和生產(chǎn)線技術(shù)展現(xiàn)出很大的市場(chǎng)需求。市場(chǎng)需要客戶化的小批量生產(chǎn)，以后制造業(yè)里它是很重要的生產(chǎn)模式之一，它對(duì)自動(dòng)化的裝備提出了新的需求，即需求生產(chǎn)線要有很高的敏捷及柔性，確保可以滿足客戶的要求和產(chǎn)品變型的要求。機(jī)械手技術(shù)是客戶的小批量生產(chǎn)的保障。而生產(chǎn)的效率是制造業(yè)的核心要求和始終追求的目標(biāo)。它可以降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，并且還影響到設(shè)備空間的利用率[3]。目前，國(guó)內(nèi)的工廠雖說有了部分的單元自動(dòng)化，但很多職位還需人工執(zhí)行，使得連續(xù)生產(chǎn)線的流程緩慢，因?yàn)檫@些工作的執(zhí)行多變且復(fù)雜。而使用機(jī)械手機(jī)器人則是解決這些問題提高生產(chǎn)率的一個(gè)好方式。各類機(jī)械手中氣動(dòng)為驅(qū)動(dòng)已經(jīng)被各界所接受，由于氣動(dòng)機(jī)械手的方便實(shí)用，以及伺服氣動(dòng)定位系統(tǒng)的成熟，使得氣動(dòng)機(jī)械手在工業(yè)和學(xué)術(shù)中所占的比重越來越大，所以氣動(dòng)機(jī)械手在發(fā)展中也會(huì)有更大的發(fā)展空間，值得我們?nèi)パ芯俊Ｑ芯恳饬x當(dāng)前的多數(shù)機(jī)械手都是用液壓或是電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的，第一，它們?cè)谑称芳庸ぁ⒁兹家妆沫h(huán)境中不方便使用；第二，隨著我們國(guó)家社會(huì)主義市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)加進(jìn)WTO經(jīng)濟(jì)全球化等，世界市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)的激烈，怎樣才能在這種大環(huán)境下得以生存，是我國(guó)制造業(yè)刻不容緩需要解決的問題，而提高產(chǎn)品質(zhì)量、快速的手段、低成本則是發(fā)展所必須的。而氣動(dòng)機(jī)械手剛好滿足上述需求，在工業(yè)流水線中還是會(huì)被大量使用，因此氣動(dòng)機(jī)械手將成為氣動(dòng)技術(shù)界中最為重要且有待研究的項(xiàng)目之一[2]。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析氣動(dòng)機(jī)械手研究的歷史沒有很長(zhǎng)，而氣動(dòng)機(jī)械手的具體界定和命名還都沒有確定。由于機(jī)械手要求能準(zhǔn)確、快速的搬動(dòng)物品，這事實(shí)上給機(jī)械手提到了一個(gè)最基本的要求，那就是它需要快速反應(yīng)、有承載力、精度高、有一定的工作空間及自由度等特性，但傳統(tǒng)認(rèn)為：因?yàn)闅怏w的壓縮性，可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性不足，所以認(rèn)為氣動(dòng)系統(tǒng)的精度不高，在高速的環(huán)境下精度更加堪憂。所以在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的前景和實(shí)用性有很多疑慮。當(dāng)然，人們也在這個(gè)領(lǐng)域中不斷的努力，并且取到了一些相應(yīng)成果。1890年初，由教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在布魯塞爾皇家軍事學(xué)院研發(fā)出了氣動(dòng)機(jī)器人“阿基利斯”六腳氣動(dòng)機(jī)器人，在年在國(guó)外應(yīng)用32個(gè)氣動(dòng)控制氣的氣動(dòng)機(jī)器人，可以和人類進(jìn)行互動(dòng)，它的雙手、頭、腰等部位可以像人類一樣靈活的活動(dòng)，柔韌性也很好；除此外還能用在分揀氣動(dòng)機(jī)器人，用氣動(dòng)技術(shù)可在X、Y面上隨意的定位[1]，然后其中不合格的產(chǎn)品在分揀出；公司和一起開發(fā)的物料存儲(chǔ)提取系統(tǒng)，插裝等等，這些種種的實(shí)例打破了那些懷疑氣動(dòng)機(jī)器人是否能推廣使用的疑慮。低速汽缸在很多場(chǎng)合下使用，在的速度下也可平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。所以傳統(tǒng)觀點(diǎn)從根本上得以改變——“介質(zhì)由可壓縮性的空氣充當(dāng)?shù)那闆r下氣功運(yùn)動(dòng)時(shí)，有低速運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)或有沖擊顫動(dòng)的缺點(diǎn)?！逼溥\(yùn)動(dòng)由最高最低速的，說明它的運(yùn)動(dòng)速度區(qū)域很廣泛，對(duì)不同需求的速度要求都可以滿足，同時(shí)氣動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍也得以擴(kuò)寬。經(jīng)過這幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)有突破性進(jìn)展的機(jī)器人有很多。在清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)等高校的自動(dòng)機(jī)器人研究已經(jīng)有了舉世矚目的成果。通過對(duì)于國(guó)內(nèi)外的機(jī)器人現(xiàn)在分析，不管是國(guó)內(nèi)的視覺氣動(dòng)插裝機(jī)器人、書法氣動(dòng)機(jī)器人，還是國(guó)外的模塊化氣動(dòng)機(jī)器人，它們基本都是直角坐標(biāo)型機(jī)器人，因?yàn)闅鈩?dòng)馬達(dá)或是擺動(dòng)氣缸都無法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)中間位置定位，所以對(duì)于氣動(dòng)機(jī)器人的研究很少。現(xiàn)在，我們要做的課程是關(guān)節(jié)型全自動(dòng)機(jī)器人，汽缸的高精度定位可由帶制動(dòng)行程來完成，以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)器人的高精度定位，使用輔助氣動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)氣缸，來完成手腕部位的定位，去慢慢代替電機(jī)或是液壓的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而擴(kuò)大氣動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用市場(chǎng)。論文研究的主要內(nèi)容本論文為一個(gè)實(shí)際課題，是研制全自動(dòng)關(guān)節(jié)型多自由度機(jī)器人，其主要研制方向有下述幾方面：氣動(dòng)控制回路的設(shè)計(jì)對(duì)于氣動(dòng)系統(tǒng)來講，合理的氣動(dòng)控制系統(tǒng)回路圖有著重要的意義，工作特性會(huì)受其影響。要先依據(jù)系統(tǒng)功能的分析，去選擇氣動(dòng)機(jī)械手自由度以及每個(gè)關(guān)鍵所需要的氣動(dòng)組件，之后再選擇輔助組件和控制組件，來設(shè)置氣動(dòng)控制系統(tǒng)回路圖。機(jī)械手臂腕的設(shè)計(jì)研究氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂腕研究，要根據(jù)氣動(dòng)組件的原理，研究氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，總裝配圖和各零件圖要根據(jù)這些繪制出來。氣動(dòng)機(jī)器人的定位研究根據(jù)系統(tǒng)的要求，綜合控制系統(tǒng)各方面優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)，選擇多自由度全自動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)，計(jì)算設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。依據(jù)氣動(dòng)機(jī)械手要求動(dòng)作及總體運(yùn)動(dòng)原理編制出控制系統(tǒng)原理圖，做出PLC程序并做出相應(yīng)改進(jìn)。氣動(dòng)機(jī)械手的相關(guān)計(jì)算對(duì)機(jī)械手選取件進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，處理出現(xiàn)的一些問題。確定系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，以達(dá)到預(yù)計(jì)動(dòng)作要求。全氣動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案關(guān)節(jié)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案首先得對(duì)它的系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，對(duì)它的各部分組成必須了解，本章會(huì)對(duì)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，對(duì)所需氣缸進(jìn)行選擇，機(jī)器人自由度的確定，機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能分析如何讓氣動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)我們預(yù)期的動(dòng)作效果和功能是系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，對(duì)此論文而言，首先要意識(shí)到現(xiàn)在很多的氣動(dòng)機(jī)械手都是直角坐標(biāo)型的，它只能完成很少部分的定點(diǎn)動(dòng)作，而我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手是關(guān)節(jié)型機(jī)械手，它要完成一定范圍內(nèi)的任一點(diǎn)的定位。下述我們要說明關(guān)節(jié)型機(jī)械手各部分組成解釋，并說明可能會(huì)遇到哪些問題。關(guān)節(jié)型機(jī)械手是仿照人類手臂制作的，它要完成腰關(guān)節(jié)的z軸運(yùn)動(dòng)，臂的平行y軸運(yùn)動(dòng)，利用這幾部分運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)手的空間方位，再利用手腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)手的空間位置。要設(shè)計(jì)制作一個(gè)機(jī)械手，在空間上任意定位只用氣缸是無法做到的，氣缸的定位要用兩個(gè)終端位置來加以完成，可以使用對(duì)位缸，它是由氣缸行程來決定對(duì)位長(zhǎng)度的，我們?cè)谠O(shè)計(jì)方案時(shí)要先根據(jù)工作情況來決定，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到完成成品，購(gòu)買零件到調(diào)試作品，要有很復(fù)雜的中間環(huán)節(jié)。每一個(gè)設(shè)計(jì)方案之對(duì)應(yīng)一個(gè)操作工藝，而更改一個(gè)工藝的技術(shù)要求，就會(huì)牽連到整個(gè)方案，需要全部改動(dòng)。氣動(dòng)機(jī)器人或生產(chǎn)線的氣動(dòng)裝置，需要能夠便捷的進(jìn)行滿足相應(yīng)要求的改動(dòng)，可以快速的批量生產(chǎn)，以減少生產(chǎn)成本。其次，為了讓產(chǎn)品在市場(chǎng)中更具有競(jìng)爭(zhēng)力，讓產(chǎn)品的廠家在短時(shí)間內(nèi)做出新型產(chǎn)品，并確保供應(yīng)量。直線伺服氣缸發(fā)展迅速，氣動(dòng)機(jī)械手在直線運(yùn)動(dòng)中的中間定位也可以得到很精確的控制，但是想在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中做到中間位置的精確定位目前還沒有很好的解決方式。本論文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)關(guān)節(jié)型多自由度機(jī)械手直線運(yùn)動(dòng)中任意位置的精確定位是參用公司的高精度直線伺服氣缸來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械手的中間位置定位問題，需要由直線伺服氣缸的齒條和齒輪來完成。機(jī)械手臂手腕位置的精確定位則可以依靠設(shè)計(jì)在手腕上的新型氣動(dòng)輔助制動(dòng)裝置，擺動(dòng)氣缸有個(gè)很大的缺點(diǎn)就是無法滿足運(yùn)動(dòng)中隨意位置的定位精確，所以這種新型輔助制動(dòng)裝置是很好的一種滿足設(shè)計(jì)要求的一種裝置。機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案氣動(dòng)機(jī)器人自由度的確定在設(shè)計(jì)過程中，第一要注意這是幾個(gè)自由度的氣動(dòng)機(jī)器人，以及用什么方式運(yùn)動(dòng)來完成這些自由度的，這樣才能為完成運(yùn)動(dòng)來選出相應(yīng)的器件。具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的數(shù)目是氣動(dòng)機(jī)械手的自由度（不包含手抓的開合）。在三維中表示出一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)需要六個(gè)以上的自由度。但在氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)中要根據(jù)用處來考慮自由度，所以沒有強(qiáng)硬的自由度要求。本論文設(shè)計(jì)的是一個(gè)五自由度的全自動(dòng)關(guān)節(jié)型機(jī)械手，如下圖2-1所示，這五個(gè)自由度中兩個(gè)為了完成手爪的空間姿勢(shì)定位，另外的三個(gè)自由度為了完成機(jī)械手臂的尾端空間位置的定位，我們選擇了直線伺服氣缸（產(chǎn)自公司），因此我們需要把直線伺服氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成腰部位的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置。而第二和第三自由度則是由肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來完成的，我們采用直線伺服氣缸（產(chǎn)自SMC公司），肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的俯仰運(yùn)動(dòng)的角度定位也是由CE2直線伺服氣缸的直線任意位置可定位來實(shí)現(xiàn)的。第四個(gè)自由度是由手腕的俯仰運(yùn)動(dòng)來完成的，我們采用擺動(dòng)氣缸（產(chǎn)自SMC公司），因?yàn)閿[動(dòng)氣缸只能滿足始端和終端兩個(gè)位置的定位，所以我們還需要增加新型的氣動(dòng)輔助裝置來滿足在擺動(dòng)過程中任意位置的精確定位。第五個(gè)自由度則是由腕部的回轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，我們采用的是復(fù)合氣缸（產(chǎn)自公司），這個(gè)氣缸可以滿足手爪的開合運(yùn)動(dòng)和手腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。1-腰關(guān)節(jié)；2-大臂；3-小臂；4-腕關(guān)節(jié)；5-手爪圖2-1自由度示意圖氣動(dòng)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)圖其中機(jī)身、直線伺服氣缸、直線轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)裝置以及底座組成腰關(guān)節(jié)；由小臂組件、CE2直線伺服氣缸和肘關(guān)節(jié)相關(guān)結(jié)構(gòu)組成肘關(guān)節(jié)；由大臂相關(guān)結(jié)構(gòu)、CE2直線伺服氣缸、肩部相關(guān)結(jié)構(gòu)組成肩關(guān)節(jié)；由手腕相關(guān)結(jié)構(gòu)、復(fù)合氣缸和擺動(dòng)氣缸以及手爪組成手腕部分。至此，我們的設(shè)計(jì)確定了自由度以及各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)于各部分結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)及要研究我們?cè)谙乱徽绿接?。圖2-2氣動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖圖2-3氣動(dòng)機(jī)器人三維圖本章小結(jié)回顧論文這一節(jié)，我們拿出了全自動(dòng)關(guān)節(jié)型多自由度機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案，并且討論了本方案的可靠性、實(shí)用性、可行性，為本設(shè)計(jì)方案提出了設(shè)計(jì)依據(jù)，之后我們討論了以下問題：1）分析了此系統(tǒng)的功能及需求，對(duì)我們的設(shè)計(jì)課題提出了一些實(shí)際性問題并進(jìn)行了一系列探討并給出了解決的辦法；2）氣動(dòng)機(jī)械手的自由度得以確定，并介紹了各個(gè)自由度所完成的動(dòng)作，并介紹了氣動(dòng)機(jī)械手的中體結(jié)構(gòu)。氣動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人腕臂結(jié)構(gòu)研究氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)的重要組成部分之一就是氣動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，雖說其它系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都有各自的獨(dú)立性，但與機(jī)械系統(tǒng)所匹配是必要的條件，從而構(gòu)成一個(gè)合理完整的系統(tǒng)。氣動(dòng)機(jī)械手由三個(gè)主要部分組成：手腕結(jié)構(gòu)、手臂結(jié)構(gòu)、各個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。本章后續(xù)會(huì)介紹結(jié)構(gòu)原理及力矩的相關(guān)計(jì)算校核。氣動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)的臂桿結(jié)構(gòu)研究機(jī)身和臂桿設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題支撐、直線連接和傳動(dòng)手臂的部件是機(jī)身。支撐手部與腕部，并改變手部空間位置的部件是臂部。臂部和機(jī)身在機(jī)械手的工作過程中起到很重的影響因素，包括它的運(yùn)動(dòng)精度和負(fù)載的能力。所以我們?cè)谥贫ǚ桨甘切枰⒁庖韵聨c(diǎn)：剛度臂部和機(jī)身在外力的作用下所能抵抗的最大變形能力稱為剛度。剛度是外力與外力變形量的比值來衡量的。剛度大的變形相對(duì)會(huì)小。機(jī)械手的臂部和機(jī)身的強(qiáng)度沒有剛度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響大。所以我們要盡可能的提高剛度來滿足需求，方法有以下幾點(diǎn)：①通過其受力的情況，來選擇合適的輪廓尺寸和截面的形狀。臂部和機(jī)身是主要的受力位置，同時(shí)也會(huì)受到扭轉(zhuǎn)力，所以應(yīng)該選抗彎矩和扭矩能力較大的材料和截面形狀。②增強(qiáng)支撐和接觸部位的剛度臂部與機(jī)身的變形不只是和結(jié)構(gòu)材料的剛度有關(guān)系，支撐的剛度和支撐接觸面的剛度對(duì)其影響也很大。剛度要提高，除了要對(duì)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀、支撐點(diǎn)與底座的連接位置還有底板的剛度考慮外，還需要對(duì)相配合面之間的剛度進(jìn)行考慮，要保證接觸面的清潔光滑程度。在使用滾動(dòng)軸承時(shí)要加強(qiáng)預(yù)緊力，從而提高接觸面的剛度。精度機(jī)械手的精度主要最終的表現(xiàn)是在手部的精度來體現(xiàn)。穩(wěn)定性考慮到運(yùn)動(dòng)中由于臂部和機(jī)身運(yùn)動(dòng)較多，運(yùn)動(dòng)速度和它們的負(fù)載也相對(duì)較多，在運(yùn)動(dòng)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊與震動(dòng)。這些沖擊震動(dòng)不僅僅會(huì)影響機(jī)器的工作精度，嚴(yán)重的話會(huì)影響機(jī)械手的正常運(yùn)動(dòng)，所以在工作是要盡量減少能力沖擊，從而提高穩(wěn)定性。氣動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)的機(jī)身和臂桿結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)根據(jù)本論文的實(shí)際需求，我們選擇回轉(zhuǎn)式的機(jī)身結(jié)構(gòu)以滿足設(shè)計(jì)需求，結(jié)構(gòu)如3-1圖所示。立柱組建；2—定位塊；3—移動(dòng)平臺(tái)；4—齒條；5—ML2B缸體；6—軸承座；7—齒輪；8—轉(zhuǎn)軸；9—底座圖3-1回轉(zhuǎn)型機(jī)身機(jī)械手的剛度為了得以保證，提高機(jī)械手的穩(wěn)定性和精度，所以我們選擇焊接的方式將立柱結(jié)構(gòu)1焊接成一個(gè)部件，而不是組合部件。為確保大的臂部中有充足的氣缸安裝空間，我們需要把立柱結(jié)構(gòu)的中間部分設(shè)計(jì)成空心的結(jié)構(gòu)，立柱的下方要留有軸耳連接中間部分的驅(qū)動(dòng)氣缸，立柱的上方也要留出接口來安裝臂部。具體結(jié)構(gòu)如下圖3-2所示。立柱；2—立柱銷；3—立柱筋；4—立柱盤圖3-2立柱組件為了增強(qiáng)焊接件的剛度，我們可以在立柱與立柱盤上面加上幾條立柱筋，這樣也可以增加一定的美觀度；同時(shí)為了防止立柱與立柱盤的焊接位置發(fā)生松動(dòng)而使立柱向兩邊偏移，我們?cè)诹⒅c立柱盤上加了四根立柱銷，這些立柱銷也起到它們的定位效果；我們還在立柱的一側(cè)開了立柱槽，以減輕立柱的自身重量，在保證相對(duì)強(qiáng)度滿足要求的情況下，減少立柱的旋轉(zhuǎn)慣量。手臂俯仰結(jié)構(gòu)為滿足設(shè)計(jì)的要求，我們?cè)谶@里使用鉸鏈連桿結(jié)構(gòu)傳動(dòng)和擺臂氣缸驅(qū)動(dòng)來完成手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)，俯仰結(jié)構(gòu)如下圖3-3所示。立柱組件；2—CE2氣缸1；3—CE2氣缸2；4—大臂組件；5—小臂組件圖3-3直線氣缸驅(qū)動(dòng)連桿俯仰機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理：氣缸2活塞桿的伸縮運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)小臂組件4進(jìn)行其相應(yīng)的俯仰運(yùn)動(dòng)。為了保證機(jī)械手臂的剛度滿足需求，大臂組件4將其焊接成一個(gè)整體，來確保其穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性。大臂組件4和小臂組件5一樣，為了確保有足夠的空間來裝中間的氣缸，我們將它們都設(shè)計(jì)成中空的形式，并將大臂組件4與小臂組件5的連接點(diǎn)留有借口供它們之間能夠連接。它們的具體結(jié)構(gòu)如下圖3-4所示。大臂；2—大臂銷；3—大臂連接架圖3-4大臂組件為了提高焊接時(shí)的焊接剛度和定位精度，增加機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性，我們?cè)诖蟊鄣纳隙嗽黾恿肆鶄€(gè)銷；為了提高精準(zhǔn)性，大臂的連接采取了鑲嵌式連接，同時(shí)和立柱一樣，為了減少自身重量，在確保滿足需求的強(qiáng)度剛度條件下，在一側(cè)開了槽，來減少轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，來提高機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)性。小臂銷；2—小臂；3—小臂連接架；4—限位氣缸連接架圖3-5小臂組件為了保證小臂組件的焊接剛度和它運(yùn)動(dòng)定位時(shí)的精準(zhǔn)性能夠滿足要求，我們?cè)谛”鄣纳戏胶拖路皆黾恿藘筛”垆N；同時(shí)連接架和焊點(diǎn)的方式用的和大臂的連接方式是一樣的，用的鑲嵌式連接結(jié)構(gòu)，從而來提高小臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的精準(zhǔn)性；為了減少運(yùn)動(dòng)負(fù)擔(dān)，小臂的框架設(shè)計(jì)也打出的槽，以減少自身重量，來提高運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)性。氣動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)的手腕結(jié)構(gòu)研究手腕的自由度和設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問題我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手部只需要讓它能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)和俯仰這兩個(gè)動(dòng)作。在我們?cè)O(shè)計(jì)研究手部時(shí)需要注意一下幾方面的問題：重量輕，結(jié)構(gòu)緊節(jié)省空間。定位精度要高，動(dòng)作靈活多變，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。剛度高，強(qiáng)度高。在手部和臂部的設(shè)計(jì)上，要選擇合理并能完成預(yù)期效果動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)裝置和傳感器來組裝。氣動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)的手腕結(jié)構(gòu)結(jié)合實(shí)際的情況，我們?cè)谑滞筇幨怯昧溯o助制動(dòng)結(jié)構(gòu)來滿足手腕處的多種動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，以滿足設(shè)計(jì)需求。但是手腕處的空間較小，我們?yōu)榱颂砑佣帱c(diǎn)氣動(dòng)輔助制動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以在手腕的設(shè)計(jì)過程中我們要注意將結(jié)構(gòu)盡可能的緊湊一些來滿足這些需求。這樣，我們可以滿足設(shè)計(jì)中的多方面需求，它不僅僅結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，同時(shí)重量較輕，可以滿足設(shè)計(jì)要求中的多方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)它的運(yùn)動(dòng)定位精度也高，可以滿足方方面面的需求。本設(shè)計(jì)中的手腕處的結(jié)構(gòu)和采用的輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)如下圖3-6所示1-擺動(dòng)氣缸；2-小臂組件；3-制動(dòng)氣缸；4-制動(dòng)塊；5-制動(dòng)輪；6-腕軸；7-腕架圖3-6手腕結(jié)構(gòu)手腕部位的定位原理：擺動(dòng)氣缸通過帶動(dòng)腕軸來實(shí)現(xiàn)腕部其它配件的運(yùn)動(dòng)，其中角位移傳感器對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行收集，進(jìn)行信息處理，經(jīng)過系統(tǒng)判斷后發(fā)送給制動(dòng)氣缸信號(hào)，制動(dòng)系統(tǒng)再推動(dòng)制動(dòng)塊運(yùn)動(dòng)，使制動(dòng)輪與制動(dòng)齒條相嚙合，來阻止制動(dòng)輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，已達(dá)到我們預(yù)期的運(yùn)動(dòng)位置。腕架7和負(fù)荷氣缸的連接通過螺釘固定，手腕處通過氣缸的回轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)手腕處的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題機(jī)械手臂是由許多的部件構(gòu)成，各部分的連接是靠關(guān)節(jié)連起來的。在機(jī)械手的各個(gè)部位運(yùn)動(dòng)中，主要是通過轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的，比如，小臂和手部之間的連接要用到手腕關(guān)節(jié)，通過小臂的部分動(dòng)作，再加上手腕關(guān)節(jié)自身的一系列運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)手部位在空間中的精確定位，因?yàn)樾”鄞蟊鄣倪\(yùn)動(dòng)使得手部可以完成空間各種方位的運(yùn)動(dòng)，使其靈活多變，運(yùn)動(dòng)范圍也更加廣闊，從而完成機(jī)械手的預(yù)期效果。在關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的過程中要注意下面這幾點(diǎn)：盡量的重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊機(jī)械手的重量、性能和結(jié)構(gòu)受關(guān)節(jié)的重量、動(dòng)力載荷和結(jié)構(gòu)的影響。所以設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)時(shí)，要盡可能的減輕重量、增加結(jié)構(gòu)的緊湊性。但一些自由度較多的手腕關(guān)節(jié)上，就產(chǎn)生了很大的矛盾點(diǎn)。手臂的尾端是手腕，但是手腕要完成很多現(xiàn)對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，需要一系列的執(zhí)行組件和驅(qū)動(dòng)裝置，這必然會(huì)導(dǎo)致重量增加，而且末端的慣性重量還比別的位置要大，我為的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則還是要盡可能的輕和結(jié)構(gòu)緊湊，考慮到多方面的需求，對(duì)于手腕處的設(shè)計(jì)困難還是相對(duì)較大一些的?？紤]周全，布局合理在機(jī)械手的各部分關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中，需考慮到要有足夠的強(qiáng)度和剛度才能完成相應(yīng)的力和運(yùn)動(dòng)傳遞，綜合考慮，要布局合理。要考慮到工作條件有些機(jī)器人需要在高溫或者是有腐蝕性的工作環(huán)境下作業(yè)，要考慮到這些機(jī)械手的關(guān)節(jié)可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間在高低溫或是腐蝕性的環(huán)境下工作會(huì)受到怎樣的影響。所以，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到這些環(huán)境因素，采取必要措施，來保證機(jī)器人能在這種環(huán)境下正常的工作并且盡可能的增加機(jī)器人的使用壽命。關(guān)節(jié)部結(jié)構(gòu)腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩膀俯仰關(guān)節(jié)、手腕俯仰關(guān)節(jié)以及肘部俯仰關(guān)節(jié)是此次設(shè)計(jì)的全自動(dòng)氣動(dòng)機(jī)器人的主要四個(gè)關(guān)節(jié)部分。腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如3-1圖所示。腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要的功能有：機(jī)身的回轉(zhuǎn)主要依靠直線私服氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)，他要支撐本體以及機(jī)身的重量，連接著底座和機(jī)身。腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的主要工作原理在3.1.2節(jié)里有介紹，這里就不進(jìn)行重復(fù)介紹了。肩膀俯仰關(guān)節(jié)肩部俯仰關(guān)節(jié)主要的功能有：作為直線私服氣缸的連桿俯仰臂的支點(diǎn)，在臂桿和機(jī)身的接口處，把直線私服氣缸的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為肩膀部位的運(yùn)動(dòng)，從而來改變手部的位置。肩部俯仰關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)如下圖3-7所示。1-立柱組件；2-軸承端蓋；3-軸套；4-軸筒；5-大臂組件6-氣缸軸耳；7-轉(zhuǎn)軸；8-深溝球軸承圖3-7肩部俯仰關(guān)節(jié)工作原理：大臂在被大臂的俯仰關(guān)節(jié)帶動(dòng)著做俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸的兩端軸承作為轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)軸上各個(gè)部件的支點(diǎn)，來完成相應(yīng)的俯仰運(yùn)動(dòng)；小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)是由小臂俯仰關(guān)節(jié)氣缸的伸縮來的，此時(shí)的轉(zhuǎn)軸7和軸耳6產(chǎn)生相對(duì)的滾動(dòng)。肘部俯仰關(guān)節(jié)肘部俯仰關(guān)節(jié)的主要功能有：肘部是氣動(dòng)機(jī)械手小臂和大臂的連接點(diǎn)，它可以讓小臂和大臂能夠順利的完成相應(yīng)的俯仰動(dòng)作，通過小臂和大臂的位置調(diào)整來改變手部的空間位置。肘部的具體結(jié)構(gòu)如下圖3-8圖所示。1-小臂組件；2-大臂組件；3-軸承端蓋；4-轉(zhuǎn)軸；5-軸套；6-深溝球軸承圖3-8肘部俯仰關(guān)節(jié)工作原理：小臂的俯仰關(guān)節(jié)通過小臂間的驅(qū)動(dòng)氣缸伸縮來完成小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)軸上的相關(guān)部件通過軸承的兩端作為支點(diǎn)，輔助完成小臂的俯仰動(dòng)作。手腕關(guān)節(jié)手腕關(guān)節(jié)的主要功能有如下：手腕關(guān)節(jié)為機(jī)械手手腕處的連接點(diǎn)，它的存在保證手腕的俯仰運(yùn)動(dòng)。手腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)如下圖3-9所示。轉(zhuǎn)軸3與小臂組件之間是通過兩端的軸承來連接的；制動(dòng)輪5、腕架7與轉(zhuǎn)軸的配合是通過平鍵來完成的。軸上零件的軸向方向：腕架7的中間夾著制動(dòng)輪5，轉(zhuǎn)軸3的臺(tái)肩被腕架7的一端所頂著，腕架7的另一端有軸套來卡著，從而蓋上軸承端蓋完成封閉環(huán)。轉(zhuǎn)軸3的一端為傳感器的接口，而另外的一端的盲孔為手腕的氣缸接口。工作原理：轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)軸上的一些先關(guān)部件有驅(qū)動(dòng)氣缸來帶動(dòng)進(jìn)而一起轉(zhuǎn)動(dòng)，完成手腕部位的俯仰活動(dòng)。1-小臂組件；2-套筒；3-轉(zhuǎn)軸；4-軸承端蓋；5-制動(dòng)輪；6-深溝球軸承；7-腕架圖3-9手腕俯仰關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算根據(jù)氣動(dòng)機(jī)械手在空間運(yùn)動(dòng)中的位置和姿勢(shì)，看出氣動(dòng)機(jī)械手一般都在相對(duì)速度較慢的環(huán)境下工作，工作中運(yùn)動(dòng)帶來的慣性力多機(jī)械手的影響相對(duì)較小，所以我們主要考慮的是機(jī)械手的自身重量以及機(jī)械手負(fù)載情況下的重量，依據(jù)靜力學(xué)的相關(guān)知識(shí)來計(jì)算處各個(gè)氣缸所需要滿足的驅(qū)動(dòng)力以及各部分零件所需的強(qiáng)度要求。驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算肘部關(guān)節(jié)氣缸和肩部關(guān)節(jié)的氣缸我們選取一樣的氣缸，所以我們只需計(jì)算出肩部俯仰關(guān)節(jié)的相關(guān)力矩。肩部俯仰關(guān)節(jié)在受到最大的力矩時(shí)，氣動(dòng)機(jī)器人靜力學(xué)下的受力分析如3-11所示。G1...G6對(duì)B點(diǎn)的力臂分別為L(zhǎng)1...L6圖3-10氣動(dòng)機(jī)器人靜力學(xué)結(jié)構(gòu)受力分析①手腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算（彎矩圖如3-11）我們給定負(fù)載G1為，L1、L2分別為G1、G2對(duì)F點(diǎn)的力臂。（3-1）圖3-11F點(diǎn)彎矩圖根據(jù)氣動(dòng)產(chǎn)品手冊(cè)我們查到，在的工作壓力下的輸去扭矩為，所以擺動(dòng)氣缸是滿足要求的。②臂部俯仰關(guān)節(jié)（彎矩圖如3—12）（3-2）圖3—12B點(diǎn)彎矩圖取CE2氣缸在的工作壓力下的輸去F為（N）對(duì)點(diǎn)B進(jìn)行力矩的計(jì)算，所以所以CE2氣缸滿足需求。③腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（3-3）Mm是總的摩擦力矩，Mg為總的慣性力矩，而（3-4）部件強(qiáng)度分析大臂的氣缸向下運(yùn)動(dòng)到與B關(guān)節(jié)產(chǎn)生反向力和臂桿的自身重量為力的大小。如下圖3-13為轉(zhuǎn)軸載荷和約束。圖3.14為轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度分析，它們的安全最低系數(shù)為6.11，所以此結(jié)構(gòu)符合實(shí)際需求，安全有效。圖3-13轉(zhuǎn)軸的載荷和約束示意圖（a）應(yīng)力云圖（b）安全系數(shù)圖3-14強(qiáng)度分析結(jié)果上述是氣動(dòng)機(jī)械手的部分零件，對(duì)于機(jī)械手的其它部件，可用同樣的方法對(duì)其進(jìn)行有限元的分析研究，通過分析結(jié)果我們可以看出，部件的強(qiáng)度符合我們的設(shè)計(jì)要求，可以完成預(yù)計(jì)的動(dòng)作效果。本章小結(jié)這一章我們結(jié)合氣動(dòng)機(jī)械手的各部分組成，分別詳細(xì)介紹了機(jī)械手關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，并完成了以下的這些任務(wù)：1）分別完成了機(jī)械手的機(jī)身、大臂小臂以及手腕處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2）為了是手腕可以進(jìn)行多點(diǎn)精確定位，我們?cè)谑滞筇幖恿藲鈩?dòng)輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)；3）為了使機(jī)械手的各個(gè)部位能夠合理的連接，我們?cè)趦蓚€(gè)連接部位處設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)；4）對(duì)機(jī)械手的關(guān)鍵部位進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，并對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算，來保證設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以按預(yù)計(jì)效果工作。教學(xué)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人至關(guān)重要，做好驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)有利于機(jī)器人能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，氣動(dòng)輔助元件也需要認(rèn)真選擇，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，和plc的設(shè)計(jì)都需要仔細(xì)研究。通過plc控制機(jī)器人的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的每個(gè)模塊的傳動(dòng)裝置所組成的系統(tǒng)叫做機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中使用氣動(dòng)傳動(dòng)，它不僅精度高，滿足設(shè)計(jì)動(dòng)作的需求，而且還經(jīng)濟(jì)環(huán)保，維護(hù)費(fèi)用低，我們的設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊之間互不影響，每個(gè)氣缸也互不干涉。我們?cè)O(shè)計(jì)的氣動(dòng)回路圖如4-1所示：圖4-1氣動(dòng)系統(tǒng)回路在該氣動(dòng)系統(tǒng)回路中，各個(gè)電磁閥是如上圖這樣進(jìn)行動(dòng)作控制的。通過1YA和2YA控制氣缸的伸出和收回來控制手爪部分；通過3YA來控制限位氣缸的伸出和收回；通過4YA和5YA來控制手腕處的正旋轉(zhuǎn)和反旋轉(zhuǎn)；通過6YA和7YA來控制小臂氣缸的伸出和收回；通過8YA和9YA來控制大臂氣缸的伸出和收回；通過10YA和11YA來控制腰過節(jié)氣缸的伸出和收回。每當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)的設(shè)定的相應(yīng)位置時(shí)，感應(yīng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)來控制對(duì)應(yīng)位置的電磁閥從而控制對(duì)應(yīng)處氣缸。如下表中所示“—”為電磁閥不動(dòng)，“+”為電磁閥動(dòng)。表4—1電磁鐵動(dòng)作表1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA9YA10YA11YA腰部正轉(zhuǎn)－－－－－－－－－+－小臂伸出－－－－－－+－－－－手腕正轉(zhuǎn)－－++－－－－－－－手爪夾緊+－－－－－－－－－－腰部反轉(zhuǎn)－—－－－－－－－－+手腕反轉(zhuǎn)－－+－+－－－－－－小臂收回－－－－－+－－－－－大臂收回－－－－－－－+－－－手抓松開－+－－－－－－－－－大臂伸出－－－－－－－－+－－氣動(dòng)輔助元件的選擇速度控制閥：速度控制閥也就是指的圖中的單向節(jié)流閥，通過節(jié)流閥對(duì)流量的控制來調(diào)節(jié)氣缸的運(yùn)行速度，單向閥的作用是使得氣單向流動(dòng)，防止發(fā)生逆流動(dòng)，在本次設(shè)計(jì)時(shí)候，每個(gè)氣缸的進(jìn)氣路和出氣路都需要單向節(jié)流閥來控制。方向控制閥：方向控制閥是通過接通的電磁信號(hào)，改變閥位來使得氣流進(jìn)入不同的通道，從而改變氣流的運(yùn)動(dòng)方向，此設(shè)計(jì)采用的是三位五通的電磁換向閥，每個(gè)氣缸都通過一個(gè)電磁換向閥來控制。壓力控制閥：壓力控制閥的工作方式是改變工作壓力。它主要安裝在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)控制回路上，壓力控制閥的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高、壓力小。消音器：主要作用是降低噪音，氣動(dòng)系統(tǒng)在工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的噪音，通過使用消音器能極大地降低噪音，對(duì)于圖書館機(jī)器人所在的工作環(huán)境也就是圖書館有著極大的幫助。空氣壓縮機(jī)：空氣壓縮機(jī)主要作用是進(jìn)行空氣的壓縮，為整個(gè)的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)提供氣流。（6）氣源處理組件：主要包括氣動(dòng)三聯(lián)件分水濾氣器、油霧器和減壓閥。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)我們的設(shè)計(jì)是假設(shè)將物體從a點(diǎn)搬運(yùn)到b點(diǎn)，它的搬運(yùn)軌跡圖如下。因?yàn)槲覀兯O(shè)計(jì)的機(jī)器人要保證它的可控制性和靈活性強(qiáng)，所以我們?yōu)榱藵M足設(shè)計(jì)要求使用PLC的控制系統(tǒng)，因?yàn)镻LC控制系統(tǒng)的可控性強(qiáng)，可以滿足我們的設(shè)計(jì)控制需求，為了滿足實(shí)際需求，我們將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成多控制系統(tǒng)，既可以手動(dòng)也可以自動(dòng)。工作方式系統(tǒng)的操作模版如下圖4—3所示。圖4—3操作模版如表盤上的內(nèi)容所示，我們的工作方式有五個(gè)選項(xiàng)，分別為單步運(yùn)動(dòng)、單周期運(yùn)動(dòng)、連續(xù)運(yùn)動(dòng)、手動(dòng)控制和回原點(diǎn)。其中手動(dòng)控制就是我們這里的單步運(yùn)動(dòng)，其中主要包括腰部、大臂、小臂的伸出和縮回，腕部的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)以及手爪的夾緊和松開。連續(xù)運(yùn)動(dòng)和單周期運(yùn)動(dòng)是根據(jù)程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行上述的全部運(yùn)動(dòng)，單周期運(yùn)動(dòng)是完成從原始點(diǎn)的一周期運(yùn)動(dòng)，而連續(xù)運(yùn)動(dòng)是一直重復(fù)這單周期運(yùn)動(dòng)，知道按下停止鍵才會(huì)停止。單步運(yùn)動(dòng)是每按下一次運(yùn)動(dòng)按鈕，就會(huì)按照程序的設(shè)定進(jìn)行一步運(yùn)動(dòng)，每按一次進(jìn)行一次運(yùn)動(dòng)。單步運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，不會(huì)受運(yùn)動(dòng)的軌跡限制，可以隨意的按自己想法進(jìn)行操作。圖4—4外部接線示意圖在這個(gè)操作的面板上還有起始和終止按鈕，按下起始按鈕系統(tǒng)才會(huì)按設(shè)計(jì)的程序運(yùn)行，當(dāng)按下終止按鈕時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)立刻終止，而是要完成當(dāng)前的周期回到原地才會(huì)停止。為了防止運(yùn)行過程中出現(xiàn)意外而導(dǎo)致程序崩潰等情況，我能在這里加了交流接觸器KM系統(tǒng)（如圖4—4所示），當(dāng)出現(xiàn)意外情況時(shí)，KM系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的切斷交流電，使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)立刻停止，來減少意外帶來的損失。PLC程序的設(shè)計(jì)機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)的PLC設(shè)計(jì)包括了一個(gè)主程序和四個(gè)子程序。主程序OB1如圖4—5，通過調(diào)用子程序來實(shí)現(xiàn)各種工作方式，公共程序是無條件調(diào)用的，一旦接通電源就開始執(zhí)行公共程序，當(dāng)觸點(diǎn)I2.4接通時(shí)，調(diào)用手動(dòng)子程序并執(zhí)行，當(dāng)觸點(diǎn)I2.5接通時(shí)，調(diào)用回原點(diǎn)子程序并執(zhí)行，當(dāng)觸點(diǎn)I2.6接通時(shí)，調(diào)用自動(dòng)子程序?qū)崿F(xiàn)其自動(dòng)控制。圖4—5主程序OB1機(jī)械手機(jī)構(gòu)的原點(diǎn)條件是在水平位置，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)，伸縮氣缸縮回。此時(shí)表示大臂縮回限位的I0.0和小臂縮回限位I0.2和反轉(zhuǎn)限位Q0.4串聯(lián)接通，原點(diǎn)標(biāo)志M0.5位ON。當(dāng)開始執(zhí)行用戶程序時(shí)，系統(tǒng)處于手動(dòng)或自動(dòng)回原點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，如果處于原點(diǎn)狀態(tài)，那么初始步M0.0置位，以便執(zhí)行接下來的工作，如果M0.5位OFF，那么M0.0復(fù)位，接下來的動(dòng)作都無法執(zhí)行，在處理不同的工作方式時(shí)，應(yīng)將有存儲(chǔ)功能的位元件復(fù)位。公共程序如圖4-6所示。圖4-6公共程序手動(dòng)程序設(shè)計(jì)。手動(dòng)程序工作是通過控制面板上的10個(gè)按鈕來控制機(jī)械手機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)操作。為了能使系統(tǒng)的安全運(yùn)行設(shè)置了一些互鎖。例如正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和伸出縮回之間的互鎖等，手動(dòng)程序如圖4-7所示。圖4-7手動(dòng)程序圖4—8順序功能圖執(zhí)行連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制面板的連續(xù)開關(guān)I3.0和轉(zhuǎn)換允許標(biāo)志M0.6為ON，原點(diǎn)條件標(biāo)志M0.5和初始步M0.0為ON，按下起動(dòng)按鈕I3.1，此時(shí)腰部正轉(zhuǎn)步M2.0位ON，腰部轉(zhuǎn)動(dòng)閥Q0.0置位松開，腰部此時(shí)正轉(zhuǎn)。之后系統(tǒng)將按照順序功能圖一步步執(zhí)行下去。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到M2.6步后，連續(xù)標(biāo)志M0.7通電，轉(zhuǎn)換條件M0.7·I0.1滿足返回到M2.0方向繼續(xù)循環(huán)操作。單周期的系統(tǒng)的行進(jìn)過程和連續(xù)過程相同，但是在執(zhí)行完一個(gè)周期后運(yùn)動(dòng)停止，連續(xù)標(biāo)志M0.7為OFF，轉(zhuǎn)換條件滿足，系統(tǒng)返回并停留在初始步，機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)。單步運(yùn)動(dòng)按下開關(guān)I2.6，轉(zhuǎn)換標(biāo)志M0.6為OFF，每按一下起動(dòng)按鈕都會(huì)按照順序功能圖執(zhí)行下一步動(dòng)作，然后停止。但是如果不對(duì)動(dòng)作進(jìn)行限制，就會(huì)發(fā)生按下起動(dòng)按鈕I3.1，會(huì)一直重復(fù)上一個(gè)動(dòng)作，導(dǎo)致錯(cuò)誤和發(fā)生事故，所以需要補(bǔ)充程序如圖4-9所示。圖4—9輸出電路回原點(diǎn)程序設(shè)計(jì)?；卦c(diǎn)程序是指機(jī)械手處于執(zhí)行中的某一步時(shí)候，通過回原點(diǎn)程序回到原點(diǎn)位置。順序功能圖如圖4-10所示?；卦c(diǎn)開關(guān)I2.5為ON，根據(jù)機(jī)械手所在的位置可以分為三種情況。第一種是手爪處于松開狀態(tài)并且I0.1置位，按下起動(dòng)開關(guān)I3.1，線圈Q1.0通電，如下圖I3.1·Q1.0·I0.0，此后按照順序功能圖一步步回到原點(diǎn)位置。第二種手爪處于夾緊狀態(tài)，手爪如下圖I3.0·Q0.3，并按照順序功能圖執(zhí)行下去。第三種是手爪處于松開狀態(tài)，沒有夾取直接執(zhí)行M1.5，線圈Q1.0通電，伸縮氣缸伸展，并按照接下來的順序功能圖直接回到原點(diǎn)位置。圖4—10回原點(diǎn)順序功能圖當(dāng)回原點(diǎn)程序M0.5接通，并且起動(dòng)開關(guān)I3.1打開，開始執(zhí)行初始步M0.0，所以可以認(rèn)為M0.0是回原點(diǎn)程序M0.5的后續(xù)步。本章小結(jié)本章通過設(shè)計(jì)機(jī)器人各種動(dòng)作的PLC控制系統(tǒng)，使得整體的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠完成自動(dòng)、手動(dòng)等多種工作方式，機(jī)械手的工作更加的靈活，更好的實(shí)現(xiàn)夾取物品的動(dòng)作。產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析一個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)需要對(duì)其需求進(jìn)行分析，對(duì)它的價(jià)值進(jìn)行分析，有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)品才能更適合生產(chǎn)，根據(jù)用戶要求生產(chǎn)產(chǎn)品，對(duì)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可以解決一些問題。產(chǎn)品開發(fā)的地位一個(gè)企業(yè)的發(fā)展要靠產(chǎn)品的創(chuàng)新與生產(chǎn)。所以創(chuàng)新為一個(gè)公司進(jìn)步的必不可少的要素。成本是生產(chǎn)一種產(chǎn)品的總需求價(jià)值,是樣品的一個(gè)重要組成部分，它是體現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的狀況和工作大體狀況的一個(gè)重要綜合性指標(biāo)。產(chǎn)品的價(jià)值分析價(jià)值分析的定義價(jià)值分析，為方案設(shè)計(jì)的一種先進(jìn)技術(shù)。它最為主要負(fù)責(zé)的是盡可能用較短的時(shí)間為成本周期，穩(wěn)定的完成使用者所需要完成的要求，來提高產(chǎn)品的使用價(jià)值，來獲得更大收益。從定義我們可以認(rèn)為：（1）價(jià)值分析是較為先進(jìn)的一種方案分析技術(shù)；（2）對(duì)所做產(chǎn)品進(jìn)行成本及使用效果分析，評(píng)判其性價(jià)比；（3）在滿足用戶需要達(dá)成效果為前提，使用成本周期的最低值；（4）對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行價(jià)值分析，來確定產(chǎn)品的最優(yōu)成本。生命周期費(fèi)用為生命周期成本。對(duì)公司來講它成為成本，對(duì)使用者來講它叫做費(fèi)用。它們兩個(gè)在使用上的價(jià)值是互通的。綜上所述，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要考慮最低成本，怎么降低生產(chǎn)成本，以及降低成本的情況下產(chǎn)品的質(zhì)量是合格的。價(jià)值分析的特點(diǎn)（1）放在第一位的要是用戶體驗(yàn)，要根據(jù)用戶的需求來設(shè)計(jì)和分析產(chǎn)品，要堅(jiān)持把用戶體驗(yàn)放在第一要位上。（2）核心功能是我們要確定產(chǎn)品的方向。價(jià)值分析是讓我們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，我們要知道產(chǎn)品的哪些部分是必要的，哪些是我們可以改進(jìn)來降低成本的，哪些部分是我們必須要保證來提高產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)的。（3）用以實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)成本與使用價(jià)值的比例的這種技術(shù)我們稱為社會(huì)實(shí)踐的經(jīng)濟(jì)效益，它可以提高經(jīng)濟(jì)收益和技術(shù)要求。（4）經(jīng)濟(jì)與技術(shù)是要相結(jié)合來看的，兩方面統(tǒng)一來講叫經(jīng)濟(jì)與技術(shù)，這兩點(diǎn)缺一不可，它和價(jià)值分析相結(jié)合。它經(jīng)過功能的分析與功能成本，讓產(chǎn)品在研發(fā)期設(shè)計(jì)工作能夠順利完成，充分考慮功能之間的關(guān)系，材料、銷售、技術(shù)及生產(chǎn)方面，使我們做出的產(chǎn)品有較高的經(jīng)濟(jì)收益，并使產(chǎn)品的質(zhì)量有很好的保證。（5）根據(jù)用戶的要求，在滿足用戶要求的前提下盡可能的降低產(chǎn)品成本，在企業(yè)的產(chǎn)品價(jià)值分析中，需要有特定的方式，價(jià)值評(píng)估要經(jīng)過多方面綜合評(píng)估。（6）系統(tǒng)分析方式，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及成品的展現(xiàn)，產(chǎn)品的形成及使用效果，這個(gè)系統(tǒng)要有它自己的系統(tǒng)使用方法，對(duì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行功能分析和功能評(píng)價(jià)，最終選擇出來方案。價(jià)值分析的優(yōu)化不是產(chǎn)品一方面或是幾方面的優(yōu)化，而是對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的優(yōu)化，通過對(duì)產(chǎn)品的各方面優(yōu)化來達(dá)到產(chǎn)品的高性能價(jià)格比，同時(shí)增加產(chǎn)品