直角坐標(biāo)式機(jī)械手本科畢業(yè)論文

山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論）直角坐標(biāo)式機(jī)械手

1論文摘要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目為四自由度工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)是根據(jù)三年?？扑鶎W(xué)的課程進(jìn)行的，主要有：機(jī)械零件設(shè)計(jì)，機(jī)械零件圖測(cè)繪，液壓與氣動(dòng)技術(shù)，PLC電子程技術(shù)，理論力學(xué)，工程力學(xué)等。設(shè)計(jì)共分為六章，第一章緒論是說明本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的，意義，研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求，簡述本課題在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題。第二章總體設(shè)計(jì)以及總體說明，對(duì)工業(yè)機(jī)械手的工作原理、組成及其種類型式進(jìn)行介紹，確定整個(gè)機(jī)械手的總體方案。第三章工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械部分設(shè)計(jì)，是介紹各部件的選擇及相關(guān)數(shù)據(jù)的確定、性能的分析和各參數(shù)的計(jì)算；第四章工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（氣動(dòng)系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)，包括：回路設(shè)計(jì)，執(zhí)行元件選擇，控制元件選擇以及動(dòng)作順序表等進(jìn)行介紹。第五章工業(yè)機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要介紹了PLC的程序梯形圖。第六章是設(shè)計(jì)的總結(jié)。在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，能順利的完成，最重要的是由三位優(yōu)秀的，具有豐富經(jīng)驗(yàn)的導(dǎo)師王曉初和李克天老師的詳細(xì)耐心的解說，教導(dǎo)。而本人也通過《畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書械設(shè)計(jì)手冊(cè)控制器以及參考其它有關(guān)機(jī)械手設(shè)計(jì)的專業(yè)書,經(jīng)過十三周的努力終于把此畢業(yè)設(shè)計(jì)編制而成。關(guān)鍵字：機(jī)械手，氣動(dòng)系統(tǒng)PLC1

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2目―――――――――――――――――――――――――――――――――--31．1課題設(shè)計(jì)的論述

--―――――――――――――――――――――――――――31．11工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)概述112現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

--――――――――――――――――――――3--――――――――――――――――――――――41工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本步驟----

――――――――――――――――――――――52

―――――――――――――――――――2設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容2．1．1總體說明

――――――――――――――――――――――――――――――6――――――――――――――――――――――――――――――62．1．2驅(qū)動(dòng)方式的選擇和設(shè)計(jì)

―――――――――――――――――――――――62．1．3整體機(jī)構(gòu)的確定

--――――――――――――――――――――――--73計(jì)――――――――――――――――――――――3.1工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)3.2工業(yè)設(shè)計(jì)手的參數(shù)計(jì)算

―――――――――――――――――――――――――8――――――――――――---83.2.1手部質(zhì)量計(jì)算

――――――――――――――――――――――――――-83.2.2機(jī)械手的爪部夾緊氣缸的選擇

――――――――――――――――――--93.2.3腕部傳動(dòng)氣缸的選擇

―――――――――――――――――――――――--103.2.4伸縮氣缸的選擇

――――――――――――――――――――――--113.2.5對(duì)伸縮導(dǎo)桿的校核

――――――――――――――――――――――――--123.2.6配重計(jì)算

―――――――――――――――――――――――――――--133.2.7升降部分計(jì)算

--――――――――――――――――――――――――――143.2.8對(duì)升降導(dǎo)桿的核算

―――――――――――――――――――――――---153.2.9撓度計(jì)算

――――――――――――――――――――――――――――---153.2.10轉(zhuǎn)臺(tái)型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸的計(jì)算

―――――――――――――――--164

―――――――――――――――――――――――1741回路計(jì)算

―――――――――――――――――――――――――――――――--1742執(zhí)行元件選擇43控制元件選擇

―――――――――――――――――――――――――――――17――――――――――――――――――――――――――――――1844執(zhí)行元件用氣量的計(jì)算和空壓機(jī)的選擇

――――――――――――――――――2145氣動(dòng)元件的清單

―――――――――――――――――――――――――――――224.6動(dòng)作順序表

――――――――――――――――――――――――――――――235

計(jì)―――――――――――――――――――――――――――

255．電氣控制方案設(shè)計(jì)和元件的選擇

―――――――――――――――――――――

255．2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及PLC及I/O端口分配圖的設(shè)計(jì)

――――――――――――

255．3PLC梯形圖的設(shè)計(jì)

―――――――――――――――――――――――――――

2554PLC的控制程序

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緒11課題計(jì)的論機(jī)械是現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)行生產(chǎn)的主要要素之一機(jī)械制造工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)化國家的基礎(chǔ)工業(yè)，是我國社會(huì)主義現(xiàn)代化的重要領(lǐng)域之一。機(jī)械設(shè)計(jì)是從使用要求等出發(fā)，對(duì)機(jī)械的工作原理，結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)形式，力和能量的傳遞方式，以至各個(gè)零件的材料和形狀尺寸，以及使用維修等問題進(jìn)行構(gòu)思，分析和決策的工作過程，這種過程的結(jié)構(gòu)一般要表達(dá)成設(shè)計(jì)圖紙，說明書以及各種技術(shù)文件。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械生產(chǎn)的第一步，是決定產(chǎn)品性能及影響產(chǎn)品制造過程的首要環(huán)節(jié)。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)課程是講授一般工作條件和常用參數(shù)范圍內(nèi)的通用設(shè)計(jì)的課程。1．1．1工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)概述㈠工業(yè)機(jī)械手的工作原理和分類⒈原理機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作并按設(shè)定的程序軌跡和要求代替人手抓搬運(yùn)工件或操持工具或進(jìn)行操作的自動(dòng)化裝置。⒉分類工業(yè)機(jī)械手的種類很多按使用范圍可分為：專用機(jī)械手、通用機(jī)械手。專用機(jī)械手——一般附屬于工作機(jī)器設(shè)備，動(dòng)作程序固定，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨(dú)立，亦可以附屬與工作機(jī)械設(shè)備。通用機(jī)械手——獨(dú)立工作的自動(dòng)化機(jī)械裝置。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。按驅(qū)動(dòng)方式可分為：液壓機(jī)械手、氣壓機(jī)械手、電動(dòng)機(jī)械手和機(jī)械式機(jī)械手。液壓機(jī)械手——輸出力大，傳動(dòng)平穩(wěn)。如采用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴(yán)格，油溫對(duì)油的粘度影響較大。氣壓機(jī)械手——?dú)庠捶奖悖敵隽π?，氣壓傳?dòng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但工作不大穩(wěn)定，沖擊大，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大。電動(dòng)機(jī)械手——直接用直線電機(jī)，功率步進(jìn)電機(jī)和具有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等來驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力源簡單，不需要能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，維護(hù)使用方便。機(jī)械式機(jī)械手——由工作機(jī)械帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，工作可靠，動(dòng)作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但動(dòng)作固定不可變。按控制系統(tǒng)可分為：點(diǎn)位控制、連續(xù)控制。點(diǎn)位控制——只能控制工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)點(diǎn)的位置，運(yùn)動(dòng)軌跡不受控制。目前使用的專用和通用的工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。連續(xù)控制——工業(yè)機(jī)械手按給定的速度沿給定的路線（軌跡）實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)是無限的，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程都要求在控制之下。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。⒊工業(yè)機(jī)械手的自由度所謂工業(yè)機(jī)械手的自由度就是整機(jī)手臂和手腕相對(duì)于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。有幾個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)就有幾個(gè)自由度。手指的抓取動(dòng)作不計(jì)在自由度數(shù)目內(nèi)。工業(yè)機(jī)械手自由度數(shù)的多少定著工業(yè)機(jī)械手動(dòng)作多樣化的程度由度數(shù)越多，它的動(dòng)作越靈活，應(yīng)用越廣。但同時(shí)也使控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，定位精度難以保3

4證，整機(jī)的造價(jià)高，自重大。所以，應(yīng)按生產(chǎn)實(shí)際需要選用最少的自由度數(shù)。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)械手的自由度數(shù)目為２～５個(gè)。4．工業(yè)機(jī)械手手臂的坐標(biāo)形式按照工業(yè)機(jī)械手手臂所具有的運(yùn)動(dòng)及其組合情況，若以坐標(biāo)形式可分為下列四種：（1）直角坐標(biāo)式手臂的運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組合而成。（2）圓柱坐標(biāo)式手臂的運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。（3）球坐標(biāo)式手臂運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。（4）關(guān)節(jié)式手臂運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。㈡工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械手的種類和型式比較多。從結(jié)構(gòu)型式分析，主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。⒈執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部、手腕、手臂和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件組成。⑴手部它具有人手某種單一動(dòng)作的功能是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件進(jìn)行操作的部件要求其抓取工件牢固定位準(zhǔn)確小損傷工件由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等型式。夾持式手部是由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。手指是直接與物件接觸的構(gòu)件。常用的手指運(yùn)動(dòng)型式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，應(yīng)用較少。平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持變化范圍大的工件。⑵手腕手腕是連接手部和手臂的部件，用來改變或調(diào)整工作的方位（即姿勢(shì)它可以有上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)，如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等手腕還可以有小距離的橫移。也有的工業(yè)機(jī)械手沒有手腕。⑶手臂手臂是機(jī)械手執(zhí)行結(jié)構(gòu)中的部件。其作用是將被抓住工件傳送到規(guī)定位置上，它具有手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)三個(gè)自由度。工業(yè)機(jī)械手的手臂是支撐通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件（如油、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等）與驅(qū)動(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。⑷行走機(jī)構(gòu)當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作時(shí)可在機(jī)座輪軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。⒉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置。通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。⒊控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位（或機(jī)械擋位）系統(tǒng)組成。1．1．2現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)國外機(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)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)格從年的10.3美元降至03的5.3萬美元。2．機(jī)械結(jié)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)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。3．工業(yè)機(jī)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

54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)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。7．機(jī)器人機(jī)械開始興起。從年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)器人從80“七五科技攻關(guān)開始起步在國家的支持下通“七五技攻關(guān)，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)和軌道規(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。但總的看來，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(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)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人200，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)種規(guī)格多，批量小，零部件通用化程度低，供貨周期長，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，模化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，我國的智能機(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。其中最為突的是水下機(jī)器人米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平開發(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)用方面則剛剛起步國外先進(jìn)水平差距較大要在原有成績的基礎(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。1．2

工業(yè)機(jī)手設(shè)計(jì)的基步驟工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的步驟包括以下：1．根據(jù)機(jī)手的功能要求，選定其的類型2．分析機(jī)手的工作情況，確定作用在機(jī)械手上的載荷。3．根據(jù)工情況分析，判定機(jī)械手的失效形式，從而確定其計(jì)算準(zhǔn)則。4．進(jìn)行主的參數(shù)選擇，根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)則求出零件的主要尺寸，選擇材料，考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求。5．進(jìn)行對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析。6．繪制零圖，制訂技術(shù)要求。5

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總設(shè)2．

總體設(shè)2．1．1總體設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按設(shè)定的程序，軌跡和要求代替人手抓搬運(yùn)或操作工具或進(jìn)行操作自動(dòng)化裝置。機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)要進(jìn)行全面綜合考慮，盡可能使之做到結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，容易操作安全可靠，安裝維修方便，經(jīng)濟(jì)性好。為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度，在保證機(jī)械手有足夠強(qiáng)度與剛度的條件下，盡可能從結(jié)構(gòu)與材料上設(shè)法減輕機(jī)械手的重量，力求選高強(qiáng)度，輕質(zhì)材料，通常用高強(qiáng)度鋁合金制造。據(jù)設(shè)計(jì)題目給出的坐標(biāo)形式和基本參數(shù)確定該設(shè)計(jì)和各項(xiàng)結(jié)構(gòu)其中已確定的各項(xiàng)有：1．本工業(yè)械手是通用機(jī)械手，是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的，程序可變，動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手工作的范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。本工業(yè)機(jī)械手的控制定位方式是簡易型的點(diǎn)定位控制，因此，其控制系統(tǒng)不是很復(fù)雜。2．本工業(yè)械手是圓柱坐標(biāo)的坐標(biāo)型式，其手臂的運(yùn)動(dòng)系由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，并能達(dá)到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，但因機(jī)械手結(jié)構(gòu)關(guān)系，沿Z軸方向移動(dòng)的最低位置限制，故不能抓取地面上的物體。3．本工業(yè)機(jī)械手是四自由度機(jī)械手。所謂工業(yè)機(jī)械手的自由度就是整機(jī)手臂和手腕相對(duì)于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)：1手臂的升降；手臂的升縮；3手腕部回轉(zhuǎn)；4．手臂回。根據(jù)給出的工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)，還需確定其余各部件的設(shè)計(jì)。2．1．2驅(qū)動(dòng)方式的選擇和設(shè)計(jì)根據(jù)有關(guān)資料的顯示，現(xiàn)在機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的成熟控制方式有多種，主要以下幾種方式，并進(jìn)行比較選擇：1．液壓傳動(dòng)機(jī)械手，是以油液的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大影響，且不宜在高溫，低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高，2．氣壓傳動(dòng)機(jī)械手：是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)械手。其主要特點(diǎn)：介質(zhì)來源極方便，不污染環(huán)境，工作可靠，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，操作維修方便。但是由于空氣具有可壓縮的特點(diǎn)，工作速度的穩(wěn)定性較差，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，適用于高速，輕載，高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。3．械傳動(dòng)機(jī)械手：既由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如凸輪，連桿，齒輪和齒條，間歇機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率高，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。常被用于為工作主機(jī)的上，下料。4．電力傳動(dòng)機(jī)械手：即由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，直線電機(jī)或步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍柚虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手6

7的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，有發(fā)展前途。綜合上述四種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)合本設(shè)計(jì)之工業(yè)機(jī)械手的各項(xiàng)規(guī)格要求應(yīng)選用氣壓傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，則其抓重和定位都可達(dá)到，且結(jié)構(gòu)可簡單，其傳動(dòng)平穩(wěn)和動(dòng)作靈敏性可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，本設(shè)計(jì)的四自由度工業(yè)機(jī)械手選用氣壓傳動(dòng)機(jī)械手作為驅(qū)動(dòng)方式。2．1．3整體機(jī)構(gòu)的確定1．執(zhí)行構(gòu)（）手部：既與物體直接接觸的部件，采用夾持式手部。夾持式手部由手指（或手爪）和傳力機(jī)構(gòu)構(gòu)成。手指直接與物體接觸，傳力機(jī)構(gòu)采用斜楔杠桿式結(jié)構(gòu)，通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件，其由氣缸實(shí)現(xiàn)。（）手腕：是聯(lián)接手部和手臂的部件，起調(diào)整或改變工件方位的作用。本系統(tǒng)則通過由回轉(zhuǎn)氣缸使手腕實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方位的改變。（）手臂：支撐手腕和手部的部件，以改變工件的位置。其作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬到設(shè)定位置，本系統(tǒng)采用氣缸和回轉(zhuǎn)氣缸分別實(shí)現(xiàn)手臂的升降回轉(zhuǎn)以及伸縮的動(dòng)作。（4）立柱：以手臂的升降氣缸兼作立柱，以便實(shí)現(xiàn)該機(jī)械手的緊和簡潔。（5）機(jī)座：是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，各結(jié)構(gòu)部件均安裝其上，起支和連接作用。2．動(dòng)系統(tǒng)：系統(tǒng)才用氣壓傳動(dòng)方式。3．控制系統(tǒng)：是支配工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。系統(tǒng)由可編程序控制器系統(tǒng)和行程開關(guān)電氣定位以及相關(guān)的繼電器系統(tǒng)組成的系統(tǒng)控制。4．位置檢測(cè)盒的放置：為操作和安全，把電氣控制箱置于機(jī)座上，而把操縱盒以長距離，遠(yuǎn)距離的操縱方式。操控人員可遠(yuǎn)離機(jī)械手操作。整個(gè)機(jī)構(gòu)的位置布置初定大概如下所示：爪部+夾緊缸手腕轉(zhuǎn)動(dòng)缸+伸縮缸＋升降缸（回轉(zhuǎn)缸）＋回轉(zhuǎn)缸（升降缸）為了使整個(gè)機(jī)構(gòu)盡量趨向于輕便簡單，在此我們盡量選取葉片型回轉(zhuǎn)氣缸，將回轉(zhuǎn)氣缸放在升降缸之上但這一構(gòu)想取決于葉片型回轉(zhuǎn)缸的工作壓力是否達(dá)到系統(tǒng)的壓力要求，所以此部分將留待往后再作決定。5．部結(jié)構(gòu)根據(jù)已知的規(guī)格參數(shù)，我們選擇爪部通過汽缸推動(dòng)楔塊帶動(dòng)爪部杠桿運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)爪部張合的夾緊運(yùn)動(dòng)。杠桿與楔塊接觸的一端用彈簧連起，以保證楔塊縮回時(shí)杠桿端部始終與楔塊接觸爪部的張合弧度可通過改變楔塊的斜面角度和杠桿的長度和比例來調(diào)節(jié)。結(jié)構(gòu)緊湊簡潔，受力性能良好，定位誤差小。7

8

直坐式業(yè)械的械分計(jì)3．1

機(jī)械手規(guī)格參數(shù)1．抓重：N（額定抓取重量或額定負(fù)荷）2．自由度43．坐標(biāo)形：圓柱坐標(biāo)4．最大工半徑：1200㎜5．手臂最中心高（下降時(shí)㎜6．手臂運(yùn)參數(shù)①伸縮行程：500②伸縮速度：250／s③升降行程：300④升降速度：200／s⑤回轉(zhuǎn)范圍：

～１８０○⑥回轉(zhuǎn)速度：180○／s7．手腕參①.回轉(zhuǎn)范圍：０○

～１８０○②.轉(zhuǎn)速度：１８

㎜／s8．手指夾持范圍：Ф０～Ф０9．定位精度：±１㎜10．驅(qū)動(dòng)方式：氣壓傳動(dòng)11．電氣控制方式：PLC點(diǎn)位程序控制12．電氣操作方式：手動(dòng)和自動(dòng)32

工業(yè)機(jī)手的參數(shù)總計(jì)算3．2．1

機(jī)械手的質(zhì)量工件的材質(zhì)為鋼結(jié)構(gòu)ρ=７.８×１０３kｇ／ｍ３＝0.0078／㎜3鋼8

工件的質(zhì)量ｍ＝Ｇ／ｇ工件＝５０／９.８＝５.102Kg＝５１０2ｇ工件的體積Ｖ＝ｍ／ρ工件工件鋼＝5102/0.0078

9（3－1）（3－2）＝654103mm

３當(dāng)工件取Ф０時(shí)，面積應(yīng)為Ｓ＝π（ｄ/25０5０＝3.14×

（3－3）＝１９６２

２長度應(yīng)為Ｌ＝Ｖ／Ｓ5０工件5０＝654103／１９６２.5＝３３３.3mm當(dāng)工件取Ф０時(shí)，面積應(yīng)為Ｓ＝π（ｄ／2）70７0＝π（７０／2）２

（3－4）（3－5）＝３８４６.５mm

２長度應(yīng)為Ｌ＝Ｖ／Ｓ70工件70＝654103／３８４６.５＝１７０.０5mm手部各部分質(zhì)量估算如下：Ｖ＝21.5×9×10×2=4000mm３爪部Ｖ＝35×14×20×2=19600mm３桿V=πr2L=3.14×4×4×60=3000mm3螺栓Ｖ＝４×Ｖ＋２Ｖ+2V手部爪桿螺栓＝4000×4+19600×2+3000×2=65000mmｍ＝65000×0.0078＝507ｇ手部Ｖ＝12×21.5×51.5=13000mm３楔塊ｍ＝13000×0.0078＝101.4ｇ楔塊Ｖ＝８３×１5×40＝49800mm３支承板ｍ＝49800×0.0078＝776ｇ支承板ｍ＝１１４０×４０×3.5＝１２８０ｇ缸所以，總的質(zhì)量ｍ＝ｍ＋ｍ＋ｍ＝ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ總工件爪部爪部缸工件手部楔塊缸支承板＝５１０2＋507＋101.4＋１２８０＋＝7766.4ｇ3．2．2機(jī)械手的爪部夾緊氣缸的選擇氣缸夾緊力計(jì)算如下：手指的角度：２＝１２００，b＝35㎜C=17㎜

（3－6）（3－7）9

10根據(jù)手部結(jié)構(gòu),其驅(qū)動(dòng)力為：P=２ｂ×N×ｔｇα／C（3－8）（1）根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力公式：N＝0.5ｓｉNθ×Ｇ／ｆ

（－）＝０.5×ｓｉN60

０

×／0.1＝N則：２ｂ×N×ｔｇα／Ｃ＝2×35×216.5×ｔｇ15

0

/17＝N據(jù)公式≥P×K×K/（3－10）實(shí)12η式中：——手部的機(jī)械效率，一般?。ā?.95）ηK——安全系數(shù)，一般?。?.2～２）1Ｋ——工作條件系數(shù)主要考慮慣性力的影響Ｋ可近似按下式估算Ｋ＝１＋α其２２２ｇ中α為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，ｇ為重力加速度（ｇ＝０９８米／秒）f—為被夾持工件與手指接觸的磨擦系數(shù)在這取一般手爪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率取η=0.85～0.9故η＝０.９0，Ｋ＝１.５１若被抓取工件的最大加速度取α＝ｇ，則：Ｋ=1+α/ｇ=1+1=2２Ｐ＝236×1.5×2/0.90=787N實(shí)所以，夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為N則根據(jù)公式氣缸

＝πＤ２

Ｐ／４（3－11）Ｐ

氣缸

＝πＤ２

Ｐ／４＝３.４×（５０×１０－３

）２

×5×10

5

/4＝９８１.5NＰ＝９８１.５N>Ｐ氣缸

彈簧

＋Ｐ

實(shí)際＝１４２.5+787＝N式中:D為氣缸直徑假設(shè)為氣壓假設(shè)為5×10

5

Pa所以選用MDBB50--35氣缸合適．ｍ＝１１４０＋５０×３．５＝１３１５ｇ夾緊3．2．3腕部傳動(dòng)氣缸的選擇當(dāng)工件取Ф０時(shí)，Ｒ＝０.０３５>Ｌ／８＝０１７／８＝０.０２１２５則根據(jù)公式Ｊ＝（L２＋３Ｒ２／１２得：（3－12）工件Ｊ＝ｍ×（L２＋３Ｒ２）／１２工件＝５．１×（０．１７２＋３×０．０３５２）／１２＝０．０１３８Kgm２10

11當(dāng)工件取Ф０時(shí)，Ｒ＝０．０２５<Ｌ／８＝０３３３３／８＝０.０４１６６則根據(jù)公式Ｊ＝ｍL２／１２得：（3－13）工件Ｊ＝ｍL２／１２工件＝５．１×０．３３３３／１２＝０．０４７２Kgm

２因此Ｊ取ＪФ０＝０．０４７２Kgｍ計(jì)算工件工件根據(jù)公式J＝（ａ２＋ｂ２／１２得：（3－14）手爪J＝ｍ（ａ２＋ｂ２）／１２手爪＝２．７×（０．０７２＋０．０２）／１２＝０．００１５Kgm２ＭＪ＋J／△慣工件手爪＝（０．０４１７２＋０．００１５）×３．１４／０．１＝１．５２９２Nm根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)受力圖,得：Ｍ＝Ｍ＋Ｍ＋Ｍ＋Ｍ驅(qū)慣偏摩封為簡化計(jì)算可不計(jì)密封裝置處的摩擦阻力矩，因此乘安全系數(shù)１．１即可Ｍ＝１．１Ｍ＝１.１×１.５２９２＝１６８２Nm．驅(qū)慣所以選用ＣＤＲＢ１ＢＷ５０－１８０Ｓ大型葉片式回轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸．其參數(shù)為：Ｍ＝３Nm．驅(qū)則，由以上結(jié)果可得手腕回轉(zhuǎn)受力如圖3－1

（3－15）（3－16）圖3－1

手腕回轉(zhuǎn)受力圖3．2．4伸縮氣缸的選擇1．計(jì)算摩擦力：彎矩M的計(jì)算工件：Ｘ＝７００＋５００－３２６＝８４７（）１爪部：Ｘ＝６００＋５００－３２６＝７７４（）２腕部：Ｘ＝４４２＋５００－３２６＝６１６（）３導(dǎo)桿：Ｘ＝２５０mm４ｍ＝５．１Kgｍ＝３．２Kg(約為3.0取3.2)１２ｍ＝１．５Kg(約為1.4取1.5)ｍ＝４×２＝８Kg(約為3.8取4.0)３４Ｍ＝Ｍ＋Ｍ＋Ｍ＋Ｍ１２３４＝5.1×0.874×9.8+3.2×0.774×9.8+1.5×0.616×9.8+8×0.25×9.8≈96.6Nｍ根據(jù)手臂伸出時(shí)的受力狀態(tài)得＝ＧＧ＋Ｇ＋Ｇ１２３４Ｇ＝Ｇ＋Ｇ＋Ｇ＋Ｇ１２３４＝（5.1+3.2+1.5+8）×9.8＝17.8×9.8＝１７４．４４根據(jù)：２N＝２N＋Ｇ?（１）２１N=Ｍ/f??（２）１解得：N＝Ｍ／0.15＝96.5／0.15＝６４４１N＝（２N＋Ｇ）／２＝（２×６４４＋１７４）／２２

(3-17)(3-18)11

＝７３１.22N根據(jù)公式＝fN摩22＝731.22×0.15×2＝219.4N（其中：鋼－青銅ｆ＝0.1～0.15（潤Ｆ＝fN＝６４４×0.15×2＝１９３.2N摩1１Ｆ＝Ｆ＋Ｆ＝193.2＋219.4＝412.6N摩摩１摩２2．慣性力計(jì)算Ｆ＝ｍａ慣＝（ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ）ａ1234＝17.8×1.25＝其中，ａ＝250／0.2mm／S＝1.25ｍ／ｓＦ＋Ｆ＝412.6＋22.25＝434.85N摩慣Ｆ＝Ｐ（πｄ２／4）缸驅(qū)工作缸＝5×1.01×106（40×10-3）2×3.14/4≈507.5N

12(3-19)(3-20)所以SMCMB系列標(biāo)準(zhǔn)氣缸MDBB50-500合適料得料為鋁合金的氣缸行程為零時(shí)質(zhì)量為1140g，每增加10mm程則質(zhì)量增加40gｍ＝1140+50×40＝3140g伸縮缸3．2．5對(duì)伸縮導(dǎo)桿的校核P＝N／S2＝731.22／(0.03×0.03)＝0.0812×106Pa＝0.812MPa所以，P<[P]＝15MPaV＝0.25ｍ／ｓ

（3－21）ＰＶ＝0.0812×106

×0.25＝0.203×10

6

Pa＝0.203MPa<[PV]＝15MPa／ｓσ＝Ｍ／Ｗ＝（87.5×0.5）/[（π/32）×（30×10）3]

（3－22）＝18.2×10

６

Ｐａ＝18.2MPa所以，σ<[σ]＝100MPa（45鋼[σ]＝100MPa）ｍ（ｄ２／4Ｌρ伸縮導(dǎo)桿伸縮缸＝（3.14×302／4）×720×7.8×10３＝3968ｇ3．2．6配重計(jì)算

（3－23）偏重力矩即手臂及其上所支承的全部零件的重量（作用在各自重心上）對(duì)手臂回轉(zhuǎn)軸的靜力矩用Ｍ表示手臂前伸時(shí)則偏重力矩為最大若ＧＧＧＧ和Ｘ偏１２３４ＸＸＸ分別為工件手部手腕手臂之重量和重心位置至手臂回轉(zhuǎn)軸的距離，１２３４則手臂，手腕等部件的總重量Ｇ為：12

Ｇ＝Ｇ＋Ｇ＋Ｇ＋Ｇ＋??＝ΣＧ１２３４

ｉ

13（3－24）式中ｉ——表示工件、手部、手腕、手臂等零部件的順序號(hào)。各零部件的總重心位置距手臂回轉(zhuǎn)軸軸線的距離為Ｐ，其值為：ρ＝（ＧＸ＋ＧＸ＋?）／（Ｇ＋Ｇ＋??１１２２１２＝ΣＧＸ／ΣＧ厘米ｉｉｉ其偏重力矩Ｍ為：Ｍ＝Ｇ＝ΣＧＸ偏偏ｐｉｉ

公斤

厘米

（3－25）當(dāng)手臂處于伸長和回縮狀態(tài)時(shí)，立柱所受偏重力矩分別為：ρ＝(Ｇ×Ｘ＋Ｇ×Ｘ＋Ｇ×Ｘ縮工件工件手爪手爪腕部回轉(zhuǎn)缸腕部回轉(zhuǎn)缸＋Ｇ×Ｘ－Ｇ×Ｘ)／（Ｇ＋Ｇ伸縮導(dǎo)向伸縮導(dǎo)向伸縮缸伸縮缸工件手爪＋Ｇ＋Ｇ＋Ｇ）（3－26）腕部回轉(zhuǎn)缸伸縮導(dǎo)向伸縮缸＝（5.1×700＋3.2×570＋1.2×450＋9×－1.81×83）／（5.1＋3.2＋1.2＋9＋1.81）＝5900.77/20.31＝290.5mmρ＝(Ｇ×Ｘ/＋Ｇ×Ｘ/＋Ｇ×Ｘ/＋Ｇ縮工件工件手爪手爪腕部回轉(zhuǎn)缸腕部回轉(zhuǎn)缸伸縮導(dǎo)向×Ｘ/－Ｇ×Ｘ/)／（Ｇ＋Ｇ＋Ｇ伸縮導(dǎo)向伸縮缸伸縮缸工件手爪腕部回轉(zhuǎn)缸＋Ｇ＋Ｇ）伸縮導(dǎo)向伸縮缸＝（×1200＋3.21070＋1.2×950＋9×355－1.81×30）/(5.1＋3.2＋1.2＋9＋1.81)＝670.1mm

（3－27）Ｍ＝Ｇρ縮

縮＝20.31×9.8×290.5＝57.8NｍＭ＝Ｇρ伸

伸＝20.31×9.8×670.1＝133.4Nｍ由于要將偏重力矩減至最小，因此配重取兩者的中間值。Ｍ中間值

＝95.6Nｍ

ρ

中間值

＝450mm＝0.45mm則：Ｇ＝Ｍ配重

中間值

／ρ

中間值

＝／0.45＝Nｍ

配重

＝Ｇ

配重

／ｇ＝／9.8＝21.7kgV

配重

＝ｍ

配重

／ρ＝21.7/(7.8×10鋼

-6

)＝2.78×10

6

mm

３（ａ：１５０ｂ：２００h：９２）3．2．7升降部分計(jì)算工業(yè)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)和升降機(jī)構(gòu)安裝在底座上，它們支承著手臂伸縮機(jī)構(gòu)，手腕和手部。13

14升降導(dǎo)向立柱不自鎖的條件——因?yàn)槭直墼诳傊亓浚堑淖饔孟掠幸豁槙r(shí)針方向傾斜的趨勢(shì)，而導(dǎo)套卻阻止手臂這種趨勢(shì)，若導(dǎo)套對(duì)升降立柱的作用力為ＲＲ，１２根據(jù)升降立柱的力平衡條件得：ΣＦ＝０Ｒ＝ＲＸ１

２Σｍ（Ｆ）＝０Ｒh＝ＧρＡ１則＝Ｇｐ／h１

（3－28）所謂不自鎖的條件就是升降立柱能在導(dǎo)套內(nèi)自由下滑。從力的觀點(diǎn)分析必須使Ｇ>Ｆ＋Ｆ＝２Ｆ＝２Ｒｆ＝２ρＧｆ／h１２１１所以：h>２ｆρ式中：ｆ——摩擦系數(shù)。一般取0.1，這里考慮到摩擦的副作用則取。ρ——偏重力臂即手臂等部件總重量的重心到立柱軸線間的距離。ｍ＝863×200×12×7.8×10-6＝16.2kg托板ｍ＝20.31+16.2+21.7＝58.21kg總1Ｐ＝ｍａ＝58.21×0.2/0.1＝116.42N慣總1Ｍ＝Ｍ－Ｍ＝133.4－95＝38.4Nm總１伸配重ρ＝Ｍ／Ｇ＝38.4/(58.21×9.8)＝0.0673m＝67.3mm總１總１總１(h＝150mm>2fρ

總１

＝2×0.2×67.3＝26.92ｍ＝10×3.14×1002×7.8×10-3＝2449.2g＝2.45kg托連R＝Ｍ／h＝38.4/0.15＝256N總１Ｐ＝2Rf＝2×256×0.15＝76.8N摩Ｐ＝1.2×(Ｐ＋Ｐ)＋Ｇ＋Ｇ驅(qū)慣摩總１連＝1.2(116.42＋76.8)58.21×9.8＋×9.8≈826.332NＰ＝(πd缸驅(qū)

２

/4)p

工作壓力

＝3.14×50

２

×0.5×10

６

/4＝981.25N>Ｐ＝826.332N驅(qū)所以，可選用MDBB０００3．2．8對(duì)升降導(dǎo)桿的核算當(dāng)手臂伸出到最大范圍時(shí)，回轉(zhuǎn)中心所受的彎矩最大。根據(jù)公式：＝Ｍ／Ｗ。

（3－29）＝Ｍ／Ｗ＝／[(π／32)×(30×10≈12.5MPa<［］＝100MPa

-3)3]14

1545鋼［］＝100MPa校核升降氣缸缸頭銷：＝3.14×50×0.5×10６/4＝981.25N升降缸σ＝Ｐ／Ｓ＝Ｐ／(πd

２

（3－）＝×4)/3.14×(8×10

-3

)

2＝19.5MPa<［σ］＝b

＝Ｐ／ＡＳ

b

Ｓ＝981.25/(815)×10

-6＝8.17MPa<［

b

Ｓ

］＝100所以此銷安全。3．2．9考慮導(dǎo)桿在全伸出時(shí)撓度最大。

撓度計(jì)算G工件=5.1×9.8=50NG手爪=3.2×9.8=31.36N800mmG手腕=1.2×9.8=11.76NG手部和工件=Ｇ工件+Ｇ手爪+Ｇ手腕=93NG手部和工件工件重心到導(dǎo)向套端面距離=1200－324=876mm手爪重心到導(dǎo)向套端面距離=1070－324=746mm手腕重心到導(dǎo)向套端面距離=950－324=626mm工件及手部總重心到導(dǎo)向套端面距離=5.1×876+3.2×746+1.2×626)/9.5=800mm將導(dǎo)桿看作是懸臂梁,根據(jù)撓度計(jì)算公式：（手部=G×（C2/6EI）×(3LC)（3－31）考慮到是雙導(dǎo)桿,每個(gè)導(dǎo)桿的徑向受力為1/2×G手部和工件查表得E鋼材=2.1×1011Pa導(dǎo)桿的極慣性矩I=П×D4/64=П×304/64=39760mm4C=800mm手爪夾持中心到導(dǎo)向套端面距離L=345+500=845mmy（手部）=1/2×G手部和工件×(C2/6EI)(3L－C)=46.5×(8002/6×2.1×1011×39760)×(3×845－800)15

=1mm經(jīng)過核算,導(dǎo)桿撓度基本符合要求。3．2．10轉(zhuǎn)臺(tái)型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸的計(jì)算根據(jù)公式：①ｍ＝ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ總２工件爪部腕部回轉(zhuǎn)缸伸縮缸伸縮導(dǎo)向配重托板ｍ＝ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ總２工件爪部腕部回轉(zhuǎn)缸伸縮缸伸縮導(dǎo)向配重托板＝5.1+2.67+1.3+9+23.2+15.2＝56.5kgρ總２＝×5.1+622×2+442×1.5-50×10.3-40023.2-68×15.2)/56.5＝-130.21mm＝－0.132m

16（3－32）②J＝(ｍ/12)/(L2+ａ２)（3－33）總２J＝(ｍ/12)/(L2+ａ２)總２＝56.5×(11702+2002)/12＝6.65×10

6

kgmm

2＝6.65kgm

2J＝J+ｍρ總２＝×(-0.132)2＝7.63kgm20總２總２ｍ＝2.9+2.5+0.6+6.4+1＝13.4kg升降J＝(ｍ/12)/(12+ａ２)＝13.4×(5842+602)/12升降＝0.39×10×106kgmm2＝0.39kgm

2J＝J+J＝7.63+0.39＝8.02kgm2總升降Ｍ＝J(eq\o\ac(△,0)ω/△ｔ)＝×3.14/2)/0.3＝42.34Nm慣總Ｍ＝1.1Ｍ＝1.1×42.34＝46.57Nm驅(qū)慣Ｍ＝66.6Nm>46.57Nm手臂回轉(zhuǎn)缸可選用SMC系列轉(zhuǎn)臺(tái)型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸氣缸。

直坐式業(yè)械的制分算4．回路算氣動(dòng)執(zhí)行元件的工作順序圖：1）第一次上升→2）→手臂伸出3)手爪夾緊→4）延時(shí)→5手臂縮回↑14）手腕反轉(zhuǎn)↑13）回轉(zhuǎn)臺(tái)反轉(zhuǎn)↑

↓6第一次下降↓7手腕正轉(zhuǎn)↓12）第二次手臂縮回←）延時(shí)←10手爪松開←9)第二次手臂伸出←）回轉(zhuǎn)臺(tái)正轉(zhuǎn)1

42執(zhí)行件選擇類型與主要尺寸參數(shù)如下表（表－1）16

3173表41

類型與主要尺寸參數(shù)`

全行氣缸或馬達(dá)

標(biāo)號(hào)

內(nèi)徑mm

活塞桿直徑

行程mm

程需要

耗氣量cmmm

時(shí)（s）指部腕部

夾緊MDBB50-35缸葉片CDRB1BW50-180S馬達(dá)

5050

0

350180°

0.5臂伸縮CDA1BN40-50040500118.335部缸升降MDBB50-30050300缸齒輪80~2齒條180°馬達(dá)2耗氣量計(jì)算查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)--5得計(jì)算公式有桿腔：Q=π(D

2

-d

2

)S/(4t)（4－1）無桿腔：Q=πD

2

S/(4t)（4－2）Q——每秒鐘壓縮空氣消耗量D——?dú)飧變?nèi)徑(大徑)d——?dú)飧谆钊麠U直徑(小徑)S——?dú)飧仔谐蘴——桿單向伸縮時(shí)間1)夾緊缸：已知缸徑，行程米，全行程需時(shí)間t=0.5秒，代入14－2式，可算出壓縮空氣量：Qa=π0.042×0.035/(4×0.5)≈87.92cm3/s2)伸縮缸：已知缸徑D=0.050米，小徑d=0.016，行程s=0.5米，全行程需時(shí)間t=2秒，代入4－1式，可算出壓縮空氣量：2Qb=π(0.042-0.012)×0.5/(4×2)≈297.375cm

3

/s3)升降缸知缸徑D=0.050米小徑d=0.01行程s=0.3米行程需時(shí)間t=22秒，代入4－1式，可算出壓縮空氣量：Qc=π(0.05

2

-0.016

2

)×0.3/(4×1.5)≈352.308cm

3

/s4)腕部馬達(dá)耗氣量：根據(jù)公式可可算出壓縮空氣量:G=pznV/(RT)（4－3）11Q=GRT/P（4－4）0017

18Q=pznV/(RT)RT/Pd1100=5.0×105×Z×30×V/(1.013×105)1=148ZVm3/min1注意于Z和V的具體參數(shù)不全故具體的數(shù)據(jù)不能算出.舉有關(guān)資料顯示其值小1于352cm3/s5)臂部馬達(dá)耗氣量：Q=pznV/(RT)RT/Pd1100=5.0×105×Z×30×V/(1.013×105)=148ZVm3/min11由于Z和V的具體參數(shù)不,故具體的數(shù)據(jù)不能算.有關(guān)資料顯示其值小于3521cm3/s4．3控制元的選擇1)選擇類型根據(jù)系統(tǒng)對(duì)控制元件的工作能力及流量要求，按照氣動(dòng)回路原理圖，初選各控制閥如下：主控電磁換向閥：為SMC之VF5000系列和SMCSY3000系列；單向節(jié)流閥：其型號(hào)為LA-L8；2)選擇主控電磁閥對(duì)夾緊缸主控電磁換向閥的選擇因夾緊缸要求壓力Pa≤0.5MPa，流量

3

/s，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)--5》表38.7-14可選得閥的通徑為6mm。對(duì)伸縮缸主控電磁換向閥的選擇因伸縮缸要求壓力Pa≤0.5MPa量Qa=352.308cm3/s機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-5》表38.7-14可選得閥的通徑為3/8。對(duì)升降缸主控電磁換向閥的選擇因升降缸要求壓力Pa≤0.5MPa流量Qa=352.308cm

3

/s《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)--5》表38.7-14可選得閥的通徑為3/8。對(duì)馬達(dá)主控電磁換向閥的選擇因馬達(dá)要求壓力Pa≤0.5MPa流量Qa=352.308cm3/s《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)--5》表38.7-14可選得閥的通徑為3/8。從上可知，為了使元件盡量統(tǒng)一，利于互換性和便于維修，故主控電磁換向閥都選擇通徑為3/8的閥。結(jié)合以上數(shù)據(jù)，參考資料(SMC公司的《四通先導(dǎo)式電磁閥VF4000系列橡膠密閉》)，選得閥如表4－2：執(zhí)行元電磁閥

表42數(shù)量

元件的種類配合管道(O/I)

速度控制器件夾緊缸SY313D-5G-C8腕馬達(dá)VF42205-GB-03伸縮缸VF42205-GB-03升降缸VF42205-GB-03臂馬達(dá)VF42205-GB-03

1個(gè)1個(gè)1個(gè)1個(gè)1個(gè)

φ6mm3/83/83/83/8

AS2000-01AS4000-02AS4000-02AS4000-02AS4000-0218

193)選擇減壓閥和其它氣動(dòng)動(dòng)助件過濾器、減壓閥、油霧器集全起來統(tǒng)稱為氣源三大件。同主控電磁閥的選擇一樣，考慮到系統(tǒng)的工作壓力和流量，以及各執(zhí)行元件因聯(lián)鎖關(guān)系不會(huì)同時(shí)工作的特點(diǎn)，即按其中壓力、流量最大的一個(gè)執(zhí)行元件來選擇減壓閥的其它閥。P=0.5MPaQ=440.385cm/s選擇方大氣動(dòng)C系統(tǒng)氣源三大件：QFLJWC-L8。4)確定管道直徑、驗(yàn)算壓力損失①選管道直徑據(jù)管道直徑的和閥的通徑相一致的原則，同時(shí)考慮各執(zhí)行元件和同時(shí)工作的特點(diǎn)，初定各段管徑如上表4－2所示。而總氣源管的氣管管徑：因Q=πD2V/4=πd2V/4+πdV/4則D=(d2+d2)1/2=(82+82)1/2=11.313mm1212取標(biāo)準(zhǔn)管徑：D=14mm②驗(yàn)算壓力損失預(yù)設(shè)供氣壓力為0.7MPa，壓力損失為[△P]100KpaA、沿程損失由于設(shè)計(jì)系統(tǒng)的管道很短，故此項(xiàng)損失很小，可在總壓力損失時(shí)計(jì)入系數(shù)。=1.11B、局部壓力損失管路損失也是很小的，這理主要表現(xiàn)在流經(jīng)元件，輔件的壓力損失。減壓閥和節(jié)流閥的壓力損失較小，其余損失為系統(tǒng)回路和氣控回路和：∑△P=△P+△P+△Pr2換向閥油霧器水濾氣器查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-5》表38。7-15可得各壓降值△P=21.6KPa換向閥△P=14.7KPa油霧器△P=14.7KPa水濾氣∑eq\o\ac(△,P)eq\o\ac(△,)=eq\o\ac(△,器)+△P+△Pr2換向閥油霧器水濾氣器=21.6Kpa+14.7Kpa+14.7Kpa=51Kpa總的壓力損失為：eq\o\ac(△,∑)P=KK∑△P=1.3×1.1×51=72.9Kpa≤100Kpar2eq\o\ac(△,∑)P≤[eq\o\ac(△,1)P]說明所選的閥和管道通徑是合格的。5）中央控制閥的功能中央控制閥上面集成了電磁閥，風(fēng)缸速度調(diào)整和緩沖等重要功能。

（4－5）原理：當(dāng)接受到伸的指令時(shí),電磁閥Y1得電,縮空氣經(jīng)Y1到速度節(jié)流閥C和D,A1借口進(jìn)入驅(qū)動(dòng)風(fēng)缸右腔,推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)風(fēng)缸的空氣從A2、D2口排出，當(dāng)活塞想左運(yùn)動(dòng)接近終點(diǎn)的時(shí)，A2被輔助活塞堵上，空氣只能從排出，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)終端的緩沖效果。通過調(diào)節(jié)速度節(jié)流閥和緩沖節(jié)流閥達(dá)到控制運(yùn)動(dòng)速度的效果。如圖41風(fēng)缸速度調(diào)整，4－2為緩沖原理。19

20圖1

風(fēng)缸速度調(diào)整圖2

緩沖原理20

32134．執(zhí)行元件用氣的計(jì)算空壓的選擇1、各執(zhí)行元件的壓縮空氣用氣量如上計(jì)算，將其和一些數(shù)據(jù)列入下表夾緊缸的壓縮空氣用氣量Q=Q(p+p)/pa00=352.308×(0.5×10

6

Q=Q(p+p)/pa00+0.1013×106)/(0.1013×10

6

)

（4－6）=521.879cm3/s同理可得：伸縮缸和馬達(dá)的壓縮空氣用氣量：=1076.374cmb升降缸的壓縮空氣用氣量：Q=2091.242/sb結(jié)果記入下表4-3：

3

/s表－3部件指部

缸或馬達(dá)夾緊缸

耗氣量cm3/s352.308

工作壓力MPa0.5

大氣壓MPa0.1013

自由空氣工作量cm3/s時(shí)間S521.8790.5

計(jì)算公式腕部臂部

葉片馬達(dá)伸縮缸升降缸齒輪齒條馬達(dá)

0.101440.3850.52091.242130.101294.3750.51747.361230.10187.920.52091.2421.530.101440.3850.5209124223

Q’=Q(p+p)/p0

02、氣缸的理論用氣量查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-5》得公式：Q=[∑iaQt]（4－7）zQ──一臺(tái)設(shè)備在一個(gè)周期內(nèi)的平均用氣量cm3/sz氣缸每一往復(fù)的作用次數(shù)：單作用缸雙作用缸a=2T──系統(tǒng)一次工作循環(huán)時(shí)間(25S)Q──某個(gè)執(zhí)行元件一個(gè)行程的用氣量cm

3

/st──某個(gè)執(zhí)行元件一個(gè)行程的時(shí)間S由公式4－6可知，氣缸理論用氣量為：Q=[∑iaQt]z=1×521.879×0.5+2×2091.242×2+2×1747.361×1.5+2×2091.242×1+2×2091.242×2）/25=1056cm3

/s考慮系統(tǒng)泄漏取泄漏量為用氣量的其總系數(shù)為1.3則系統(tǒng)工作用氣量為：Qg=1.3×1.5×Q=1.3×1.5×1056z=2076.2cm3/s=2.076×10-33/s21

=0.125m

3

/min

223、氣罐容積計(jì)算公式：Vc=1.15×10Q──使用需要的空氣消耗量zT──儲(chǔ)備氣最小工作時(shí)間

5

QT/(p-p)（4－8）1P──貯氣罐的空氣壓力P──用氣需要的工作壓力1由公式4－7，得Vc=1.15×105QT/(p-p)1=1.15×105×(2076.2×106×25)/(0.7×10-0.5×106)≈0.03m34、選擇空壓機(jī)根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-5》表38。6-2選取容積式壓縮機(jī)。由：系統(tǒng)用氣量Q=0.153m3/min,gV=0.0367m3可選得VD2.2c其額定排氣量0.28m3/min，額定排氣壓力0.7MPa，電動(dòng)機(jī)功率2.2KW，壓氣機(jī)儲(chǔ)氣罐容積0.12m3，總重160Kg，生產(chǎn)廠：

長春空氣壓縮機(jī)廠4．5氣動(dòng)元的清單方向閥是SMC公司的；缸、氣源三大件和馬達(dá)是方大氣動(dòng)公司的；其他由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得：如表4－4表44元件名夾緊缸

標(biāo)記(數(shù)量)MDBB50-35

電磁換向閥(數(shù)量)SY313D-5G-C8

配合官道φ6mm

其它元件及其數(shù)量單向節(jié)流閥LA-L8(9個(gè))氣腕部馬達(dá)CDRB1BW50-180S(1)

VF52205-GB-03

3/8

源三大件QFLJWC-L8(1手臂伸縮CDA1BN40-500缸手臂升降MDBB50-300缸手臂馬達(dá)QGK=1RSD80T180-E2

VF52205-GB-03VF52205-GB-03VF52205-GB-03

3/83/83/8

件)空壓機(jī)2V-0.3/7(1臺(tái))閥的匯流板W5FS230-081-03(1個(gè)){SMC}總氣源管直徑14mm22

234．6

動(dòng)作順表

電控系設(shè)5．1電氣控方案設(shè)和元件的選可編程控制器具有通用靈活、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、易于編程、使用方便、安裝簡單于維修等特點(diǎn)可見可編程系統(tǒng)PLC作為電氣控制系統(tǒng)具有一般繼電器系統(tǒng)所沒有的很多優(yōu)點(diǎn)考慮到三菱PLC統(tǒng)是世界上知名和成熟的系統(tǒng)而且由于機(jī)械手用到的端口接點(diǎn)并不多，故本設(shè)計(jì)選用三菱PLC系統(tǒng)為機(jī)械手的氣動(dòng)控制系統(tǒng)。52PLC控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及PLC及I/O口分配的設(shè)計(jì)PLC端口分配圖設(shè)計(jì)