本科畢業(yè)論文-四自由度搬運機械手的設計

本科畢業(yè)論文-四自由度搬運機械手的設計編號：本科畢業(yè)設計題目：四自由度搬運機械手的設計學院：機械工程學院專業(yè)：機械設計制造及其自動化年級：12級姓名：指導教師：完成日期：2016年5月31日引言1.1機械手研究的背景及其意義機械手是當今世界的科技革命發(fā)展飛速變革的必然產(chǎn)物，它的出現(xiàn)標志著現(xiàn)今的工業(yè)、制造業(yè)水平發(fā)展到了前所未有高水平階段。最初出現(xiàn)的機械手只是應用在航空航天和海洋勘探等高端科技領域，隨著近幾十年來計算機在科技領域全面應用，科技革命的變革也加速了科學技術的蓬勃發(fā)展。在此背景下機械手技術也在飛速發(fā)展，并且在其應用領域也不斷地深入、飛速地拓寬，特別是近些年來機械手在現(xiàn)代制造業(yè)領域更是得到了非常廣泛的應用。由于機械手是通過預先編寫好的程序來控制其動作次序和軌跡，所以機械手可以代替人力去完成那些單調的、重復的、特別是對于人類來說毫無意義的工作，除此之外機械手還能夠在惡劣的環(huán)境中完成那些人類不想完成的或不能完成的工作，特別是在一些危險的工作環(huán)境或者是對精度要求較高的工作條件之下，機械手相比較人力有得天獨厚的優(yōu)勢——機械手在某些鄰域能夠完全替代人力，將人類從臟、亂、差的工作環(huán)境中解放出來，這是人類社會幾千年來的又一次變革和人類生活方式的又一次蛻變。特別是近幾十年來工業(yè)、制造業(yè)領域在機械手的廣泛應用下發(fā)生了偉大的變革，在此背景下整個社會的生產(chǎn)力水平、產(chǎn)品生產(chǎn)質量和生產(chǎn)效率大大提高，與此同時在工業(yè)生產(chǎn)中現(xiàn)代工人的勞動強度也大大降低。機械手技術雖然發(fā)展迅猛，但現(xiàn)在市場上的機械手大多還處在高端應用領域，價格也相對昂貴，不能滿足低成本、低層次應用領域的需求。所以本課題希望設計出一種成本低、應用層次相對較低的機械手，填補這一領域市場的空白，這對于工業(yè)、制造業(yè)領域以及人類社會的發(fā)展都具有及其重要的意義和價值。在機械手技術領域中，機械手在模型設計上，四自由度機械手是機械手產(chǎn)品中的典型設計模型，在技術上，四自由度機械手技術門檻相對較低——四自由度便于設計和實現(xiàn)，在應用層面上，四自由度機械手對于一般的重復性工作條件完全滿足，在成本上，四自由度機械手在滿足一些復雜動作的工作條件下便于實現(xiàn)低成本，也就說其性價比相對較高，所以本論文以《四自由度搬運機械手》為課題進行研究旨在設計出一個比較實用的、成本低的、具有一定的實際應用價值的機械手。1.2機械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景機械手是現(xiàn)代工業(yè)革命變革、現(xiàn)代工業(yè)水平高度提高催生的一種新技術產(chǎn)品，從較高應用層次來說，機械手是集機械設計、計算機程序控制等多領域知識和多種設計方法于一身的一種新型自動化裝備，特別是近年來互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)和應運機械手已開始從自動化向智能化領域邁進。機械手雖然在近幾十年來才出現(xiàn)，其發(fā)展歷史并不算太長，機械手最早起源于美國，接著又在德國、日本等工業(yè)發(fā)達國得到了飛速發(fā)展，然而我國近十年來雖然工業(yè)發(fā)展迅猛，可機械手在工業(yè)領域的應用才剛剛起步，機械手設計的技術水平同國外仍有很大差距，特別實是在機械手的高端應用領域，主要體現(xiàn)在機械手的可靠性和精度指標上面。近年來機械手在工業(yè)、制造業(yè)領域的應用突飛猛進，這對于工業(yè)文明的進步產(chǎn)生了“雪崩式效應”，越來越多的無人化工廠隨著機械手的發(fā)展如春筍般涌現(xiàn)。隨著進入21世紀以來，互聯(lián)網(wǎng)技術飛速發(fā)展，工業(yè)、制造業(yè)領域正發(fā)生著一場偉大的變革，從美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”到德國的“工業(yè)4.0”，再到“中國制造2025”，世界工廠已經(jīng)開始由“無人化工廠”向“智能化工廠”轉變，在此歷史背景下機械手也正在從自動化向智能化的方向發(fā)展。1.3機械手的種類及其應用本課題研究的機械手其動作自由度為4，雖然其動作自由度種類大多類似，但是因其在工業(yè)、制造業(yè)領域應用條件和具體工作要求的差異，所以機械手的外觀形狀、結構、功能以及其具體動作次序和形式千差萬別，不過為了方便機械手的設計，機械手按照其的各系統(tǒng)的組成大致可以分為：=1\*GB3①動力驅動系統(tǒng)、=2\*GB3②傳動執(zhí)行機構、=3\*GB3③控制系統(tǒng)三大類。按照機械手的驅動動力源又可以細分為：=1\*GB3①氣動驅動型機械手、=2\*GB3②液壓驅動型機械手。按照機械手的應用環(huán)境又可以細分為:=1\*GB3①通用型機械手、=2\*GB3②專用型機械手[1]。按照機械手的運動軌跡又可以細分為：=1\*GB3①點位控制型機械手、=2\*GB3②連續(xù)式控制型機械手。機械手種類繁多其應用領域和應用場合頗多,特別是在工業(yè)、制造領域，機械手正在逐步取代人力成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的裝備。1.4機械手研究的主要內容本課題研究的是四自由度搬運機械手，此類型的機械手大多為應用于工業(yè)、制造業(yè)領域的機械手，一般執(zhí)行一些單調的、重復性的工作，所以從設計層面上來說，在控制方面的設計比較容易實現(xiàn)，本論文關于四自由度搬運機械手的設計方法采用的是機械設計領域比較前瞻的模塊化設計方法，模塊化設計的工作主要是應運在機械手控制系統(tǒng)的設計工作中，通過主程序和子程序的單獨編程和有效調用大大簡化了機械手控制系統(tǒng)設計的難度[2]。此外針對機械手的驅動系統(tǒng)、傳動及執(zhí)行機構、數(shù)控系統(tǒng)以及各零部件等分類、分步進行設計，使得設計工作簡化且有序進行。機械手設計的總體工作內容如下：=1\*GB2⑴機械手的總體方案的設計。=2\*GB2⑵機械手的傳動機構以及執(zhí)行機構設計。=3\*GB2⑶機械手的驅動系統(tǒng)設計。=4\*GB2⑷機械手的控制系統(tǒng)設計。2機械手總體方案的設計2.1機械手的功能以及技術要求機械手是通過模仿人手臂的功能實現(xiàn)各種復雜的動作次序和軌跡來完成各種具體的工作和實現(xiàn)既定的功能，特別是在完成一些比較復雜的運動形式和在一些比較危險或有限的空間內工作。本課題研究的四自由度固定式搬用機械手，主要應運于一般的流水作業(yè)線和一些重量較輕的個體貨倉搬運等工作中，因其可實現(xiàn)大部分人手的功能，所以在現(xiàn)實應運中具有一定的實際意義和較大的應運價值。因為機械手大多應運于一般的流水作業(yè)線，所以對其具體動作路勁和動作次序、時間的精度和偏差有較高的要求，我們要求機械手在實現(xiàn)其基本功能的過程中能夠做到平穩(wěn)的、迅速的、準確的搬運物體，保證整條流水線工作的有序運行，完成預先設定各種工作要求。2.2機械手的整體結構設計在對機械手進行結構的設計時，不僅要滿足理論上對其動作具體過程的要求，還要同機械手的具體工作環(huán)境、工作空間的要求和限制相匹配，所以在機械手的設計過程中必須嚴格遵守如下基本原則：=1\*GB3①要給予機械手的動作范圍留有盡可能大的活動空間，并且所設計的機械手應能完成多種運動形式以滿足不同的工作要求。=2\*GB3②在進行機械手的結構設計時，要根據(jù)具體的工作環(huán)境和要求通過模仿人的手臂功能，然后在滿足工作要求的運動形式下來設計機械手的具體結構和機械手的姿態(tài)以及運動方式。=3\*GB3③機械手結構的設計并不是淡淡的做到其性能的最佳，還要同時考慮它的經(jīng)濟性，要力求以最簡單的結構、最輕的自身重量、最低的成本取滿足具體的工作性能要求，如機械手的行程范圍、最大負載能力和運動的平穩(wěn)性、準確性等。2.3機械手的主要部件及其自由度2.3.1機械手的主要部件組成本論文所研究的四自由度搬運機械手，主要是用來模仿人手的功能，所以其結構部件也類似人手臂的組成，從整體上來說包括機械手部、機械臂、和底座三大部分?？墒菣C械手畢竟和人手有很大的不同，它還需要有動力驅動的部分、控制的部分和執(zhí)行的部分，所以機械手的主要部件包括：=1\*GB3①電動機、=2\*GB3②氣壓泵、=3\*GB3③氣壓缸、=4\*GB3④底座、=5\*GB3⑤立柱、=6\*GB3⑥大臂、=7\*GB3⑦小臂、=8\*GB3⑧機械夾手部等。2.3.2機械手的自由度機械手是對于人的手臂功能模仿相當成功的產(chǎn)品，基本上可以實現(xiàn)人手的一些基本的動作形式，不過區(qū)別在于機械手不需要做的像人手那樣靈活自如，在具體實際工作的應用中進行了一定的簡化處理，具體結構設計這要看機械手實際的工作環(huán)境、要求以及成本等問題，也就是盡可能以最少的自由度實現(xiàn)實際的工作要求。人的手臂堪稱是世界上最完美的機器，因為它共有6個自由度，能過完成任何復雜的動作過程和任何方式的運動，所以在各種仿生學井噴的今天，對機械手的研究具有極其重要的意義和價值。本課題研究的四自由搬運機械手主要用于一般的流水作業(yè)線和搬用個別重量較輕物體的搬運，為了滿足具體的工作要求本課題所設計的機械手應該具備：上升、下降、水平移動、回轉和機械手夾持手部的伸縮等運動形式，針對目標工作要求及機械手的動作形式的研究，本課題設計的機械手4個自由度[3]。根據(jù)本課題設計的機械手的具體運動形式，我們可以將機械手的四個自由度大致分為：=1\*GB3①方向控制、=2\*GB3②工作執(zhí)行兩個方面。其中在方向控制方面包含：水平回轉和水平移動2個自由度，在工作執(zhí)行方面包括：小臂的升降和機械手手部的夾放2個自由度。此外，以上自由度在實際工作中可進行有序組合，從而完成一些復雜的動作形式和要求。2.4機械手的動作過程及其時間配置2.4.1機械手動作形式及其順序的確定本課題研究的機械手主要用于在一般的流水作業(yè)線上和重量較輕的個體貨物搬運工作中執(zhí)行一些簡單且重復性的動作，所以機械手的整體動作形式具體可以切分為如下幾個相互獨立的動作形式：=1\*GB2⑴水平回轉機械手的大臂隨著立柱可以實現(xiàn)水平回轉240度，然后在配合上大臂的水平移動可以使機械手到達以底座為圓心以大臂為半徑的半圓范圍內的任意一點。=2\*GB3②軸向移動機械手小臂可以隨著機械手大臂通過氣壓缸的收縮實現(xiàn)小臂的軸向移動300mm，大大擴大了機械手的移動行程和動作范圍。=3\*GB3③豎直升降機械手大臂在立柱上通過氣壓缸的伸縮可以達到320mm的升降行程，這個行程可以有效避開工作過程中的大多障礙物，大大提升了機械手的應用范圍。=4\*GB3④機械手手部的旋轉機械手手部可水平旋轉QUOTE便于調整夾取器件的角度。=5\*GB3⑤機械手的夾放通過氣壓缸控制機械手夾放力度，保證物體在搬運不會意外掉落，通過PLC準確控制機械手的夾放時間，保證物體在搬運過程的有序進行。以上機械手的各部件動作形式在工作過程相互獨立，通過PLC可編程控制器的有效控制，實現(xiàn)各部件之間的動作相互組合且有序進行，從而完成具體的工作要求。2.4.2機械手動作過程中的時間配置本課題所研究的機械手主要是用于一般的流水作業(yè)線和一些器件的搬運，其基本動作軌跡大多都是類似的，只不過是在具體動作形式和時間配置上有參數(shù)上的區(qū)別，所以本課題研究的機械手的新穎之處就在于充分解決了這一問題，本論文中的控制系統(tǒng)采用的是PLC可編程控制器，它可以實現(xiàn)隨工作環(huán)境和任務的不同，把機械手的每一個具體動作形式和動作時間根據(jù)具體工作情況參數(shù)化，如此設計出的機械手可適用于任何工作環(huán)境和完成任何工作任務，大大提高的機械手的通用性。2.3機械手動作過程中基本參數(shù)的確定機械手的設計包括結構設計、功能設計以及各種驅動及動力系統(tǒng)的設計，不過這些設計首先要得在機械手動作過程中的基本參數(shù)確定的基礎上，然后再展開后續(xù)的設計工作，機械手動作過程中的基本參數(shù)如下表2-1所示：表2-1機械手動作過程中的基本參數(shù)伸縮伸縮行程300mm升降升降行程320mm伸縮速度80m升降速度35m回轉回轉范圍手指夾放夾放范圍回轉速度10轉動速度30機械手的最大工作半徑1700mm機械手手臂的最大中心高度1000mm機械手的抓取重量2kg

3機械手的傳動機構以及執(zhí)行機構的設計3.1機械手機構的模塊化設計模塊化的設計思想就是將一個系統(tǒng)和機構組成復雜的機械產(chǎn)品在設計時劃分為若干個彼此相互獨立的單元體，對每個單元體單獨設計，這樣可以大大降低機械產(chǎn)品的設計難度。在設計時各個單元體之間要分開自行設計，但是過程中必須要保證的一點是對于各個模塊、各個單元體的設計一定要實現(xiàn)標準化，這樣既可以使設計過程標準化降低設計難度和成本，也可以便于產(chǎn)品最后的模塊組合，同時還有利于提高各模塊在設計過程中的可調整性以及各同類單元體之間的互換性。模塊化設計思想是機械設計領域比較前瞻的設計思想，它的出現(xiàn)是為了適應新形勢下產(chǎn)品設計的快節(jié)奏、多樣化、產(chǎn)品越來越復雜的新要求。一個優(yōu)秀的機構設計必須實現(xiàn)在機構中各單元體的功能獨立和物理機構獨立的有機結合，這樣不僅在設計時使復雜的機械結構簡單化大大降低了設計難度，而且有利于后期對機械產(chǎn)品的維修和更新?lián)Q代。3.1.1機械手結構模塊劃分所遵循的原則在模塊化的設計思想中需要將產(chǎn)品劃分為若干個彼此間相互獨立的單元體，對于模塊的劃分一般遵循如下基本原則：=1\*GB2⑴模塊數(shù)的劃分不是越多越好，在減少模塊自身復雜程度的同時，還應盡量減少模塊總數(shù)，這樣有利于降低設計時的工作量和設計后期的模塊組合復雜度。=2\*GB2⑵模塊數(shù)的劃分越多那么其組合方案也就越復雜，所以我們力求用最少的模塊數(shù)來實現(xiàn)最多的模塊組合。=3\*GB2⑶模塊的劃分要考慮其對成本的影響，我們要力求實現(xiàn)其成本和成果的統(tǒng)一，對于我們所設計出的產(chǎn)品要做到性能和經(jīng)濟性的最優(yōu)化。=4\*GB2⑷模塊的劃分必須保證各模塊功能和機構的獨立以及二者有機結合。=5\*GB2⑸模塊的劃分必然會對其產(chǎn)品的質量（精度、剛度等）產(chǎn)生一定的影響，所以我們在劃分過程中應充分考慮這一影響。3.1.2機械手模塊化設計的一般方法對于一個機械產(chǎn)品來說，機構和功能的關系是相互依存的，而相對于機構之間的聯(lián)系，功能之間的關系更加重要。在產(chǎn)品的整個系統(tǒng)中，各項功能之間存在著并行和上下兩種關系。所謂上下級關系我們又稱之為前后級關系，它是指在系統(tǒng)中的某個功能會因另一個功能的出現(xiàn)而出現(xiàn)，其中，最先出現(xiàn)的功能我們稱之為上位功能，而被引出的功能我們稱之為下位功能。由此可見它們之間的關系是相對的，隨二者出現(xiàn)的先后次序而改變。而并行關系則是指雖然一個功能仍是因某一功能的出現(xiàn)而出現(xiàn)，但不同的一點是此時出現(xiàn)2個功能，這時的關系則為并行關系。3.2機械手的組成及其模塊化本課題研究的是四自由度搬運機械手，這種機械手主要用于一般的流水作業(yè)線和一些重量較輕的貨物搬用，為了降低機械手的設計難度我們將機械手按其功能用模塊化的方法分成若干個基本的獨立功能分別進行設計，然后對各個相互獨立的功能模塊按要求進行組合，從而可以設計出不同規(guī)格、不同功能系列的產(chǎn)品[4]。當產(chǎn)品需要維修或更新?lián)Q代時，可以通過對產(chǎn)品的部分功能模塊進行改進或重新設計，這樣可以使得設計成本和后期維修成本大大降低，同時也大大縮短了產(chǎn)品的設計周期。通過對機構零部件標準化和功能模塊化的有機統(tǒng)一，充分實現(xiàn)產(chǎn)品的可變性和系列化，滿足不同的工作要求，大大提高機械手的通用性。3.3機械手基本結構構成及其設計流程3.3.1機械手的基本結構本課題設計的四自由度搬運機械手要求具有占地面積較小而活動范圍相對較大的特點，同時還要求有較高的平穩(wěn)性和精度。所以對于機械手的結構的設計應盡量簡單，這樣可以減少動作的誤差疊加，同時還應該盡量提高產(chǎn)品的通用性和降低成本[5]。機械手的基本結構設計如圖3-1所示。圖3-1機械手的整體結構簡圖3.3.2機械手的總體設計流程由于本課題研究的機械手主要用于器件的搬用，所以只有首先確定了機械手搬用器件的有效重量,之后才能確定相關的力、力矩等技術參數(shù)，然后才能進行整個機構及其各個模塊的設計，最后才能對模塊進行組合以及結構的調整和修改，實現(xiàn)對產(chǎn)品的設計和完善。所以關于機械手的設計必須遵循一定的設計流程,這樣便于實現(xiàn)設計過程的標準化并大大簡化流程,有利于成本的降低。機械手的具體的設計流程圖如圖3-2所示。3.4機械手執(zhí)行機構的設計機械手在作業(yè)時，與完成具體工作直接相關的機構稱為執(zhí)行機構，執(zhí)行機構設計的合理與否直接影響機械手工作性能的好壞以及機械手的整體成本，所以執(zhí)行機構設計的質量對于整個機械手的性能有著至關重要的影響?；旧蠙C械手的整個設計工作都是以執(zhí)行機構為中心,首先根據(jù)目的功能來進行執(zhí)行機構的設計，然后再通過執(zhí)行機構設計驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，最后整個設計工作完成[6]。確確定抓重手部設計手臂設計底座及其它零部件設計將模塊進行組合裝配圖3-2機械手的設計流程圖3.4.1機械手手部的結構設計本課題研究的機械手主要用于流水線上器件的搬用，而機械手手部的結構是與實際工作物體直接接觸的最終執(zhí)行機構，所以機械手手部結構的確定應與實際工作中所搬用物體的類型相適應。我們此次設計的機械手要求起具有一定的通用性、低成本、且便于控制，所以最終選用氣動控制型機械手，并且采用夾持式結構以便滿足其通用型的要求[7]。機械手手部的具體結構如3-3圖所示。圖3-3機械手手部結構簡圖3.4.2機械手手部結構（夾持爪）的計算夾持氣爪的選擇要根據(jù)氣爪的具體工作環(huán)境而定，包括夾持氣爪所搬運貨物的重量、尺寸以及氣爪的工作行程和空間范圍等，本課題所研究的機械手在工作時搬運的標準器件其具體參數(shù)為：QUOTEM=60gM=60g,QUOTEDmax=32mmDmax=32mm,夾持點距轉軸中心的最大力臂為QUOTE46mm46mm,由此計算并確定夾持氣爪的規(guī)格。夾持氣爪對器件加持力的計算如下：QUOTE(3-4)其中：QUOTEK1K1表示安全系數(shù)，（一般取值QUOTE1.2~21.2~2）；QUOTEK2K2表示工況系數(shù)（一般情況下受器件慣性力的影響較大QUOTEK2=1+agK2QUOTEaa表示器件的加速度，QUOTEgg表示器件的重力加速度)；QUOTEK3K3表示位置系數(shù)；QUOTEGG表示器件的重量；計算過程中分別取QUOTEK1=2K1=2，QUOTEK2=2K2=2，QUOTEK3=4K3=4；則由所以夾持力矩（根據(jù)最小的夾持力計算）為：根據(jù)上述計算結果，選取QUOTESMC,MHC2-16D-A193SSMC,MHC2-16D-A193S氣爪，其主要性能參數(shù)為：=1\*GB3①手抓開合時間為QUOTE0.02s0.02s；=2\*GB3②氣爪的夾持力矩為QUOTE；=3\*GB3③機械手部的重復定位精度為QUOTE。3.5機械手手臂結構的設計本課題研究的機械手其手臂的結構組成包括：大臂（水平臂）和小臂（垂直臂）兩部分，大臂用來實現(xiàn)水平的回轉然后再配合小臂在大臂上的伸縮移動實現(xiàn)水平面內位置的全覆蓋，小臂部分利用氣動系統(tǒng)實現(xiàn)垂直的升降，這樣機械手便可在一定的立體空間內任意移動，實現(xiàn)貨物的準確定位和搬用。此外，對于機械臂的設計還應該遵循2個基本原則：=1\*GB2⑴機械臂在工作過程中需具備一定的運動精度和定位精度，所以在設計時要保證各機械臂必須有一定的剛度；=2\*GB2⑵涉及到對于機械手產(chǎn)品成本問題以及具體實際工作的要求，應保證手臂的結構盡量簡單、重量盡量輕，以達到節(jié)約材料、減少機械手的運動慣性使其動作靈活的目的。機械手手臂是保證機械手爪部按照指定路線移動的重要運動部件，機械手四自由度就是由手臂的結構來保證的，因此我們對于機械手手部運行軌跡和定位精度的要求都要通過手臂來保證，所對于手臂我們有如下要求：=1\*GB3①要求手臂的重量盡可能輕，這樣可以大大降低手臂運動時的慣性沖擊、使動作更加靈活，同時還可以大大節(jié)約材料。=2\*GB3②要求機械臂必須具有一定的剛度，因為這樣可以大大提高機械手運動的精度和定位的精度[8]。=1\*GB2⑴豎直升降模塊的設計豎直臂是實現(xiàn)機械手上下升降的模塊，它的動力驅動用到的是氣壓缸，豎直臂由于定位不可靠，在運行過程中受工作行程、工作壓力等因素影響較大，所以為了保證氣缸在運行過程之中的穩(wěn)定性，故而選擇雙聯(lián)氣缸。當活塞桿克服載荷收縮做工時，根據(jù)機械臂初選的工作壓力以及工作載荷，確定氣缸的內徑QUOTEDD為：QUOTE（3-2）其中：QUOTEDD為氣壓缸的內徑QUOTEmm；QUOTEFF為氣壓活塞的載荷QUOTENN；QUOTEPP為氣壓缸受到的壓力QUOTEPaPa；QUOTE為氣缸總的機械效率（一般取QUOTE畏0.3~0.5畏0.3~0.5）；考慮到氣缸中活塞桿的直徑以及具體工況：QUOTE（3-3）根據(jù)豎直臂收縮氣缸的具體工作要求以及工作過程中的具體數(shù)據(jù)參數(shù)：伸縮時間QUOTEt=0.6st=0.6s,行程QUOTES=60mmS=60mm，氣缸中活塞的工作載荷QUOTE，可得氣缸的內徑D為QUOTE：=2\*GB2⑵水平伸縮模塊的設計由于水平臂只在平面內運動而且只有一端定位，所以為了保證水平臂的剛性，我們采用水平鋼桿和氣壓缸組合使用的方法，所以氣缸只需要選用筆形氣缸即可，根據(jù)水平臂收縮氣缸的具體工作要求以及工作過程中的具體數(shù)據(jù)參數(shù)：伸縮時間QUOTEt=0.5st=0.5s,行程QUOTES=70mmS=70mm，氣缸中活塞的工作載荷QUOTE，可得氣缸的內徑D為QUOTE：根據(jù)上述計算結果，選取QUOTESMC,CXSM10-70-Z73SMC,CXSM10-70-Z73氣缸，水平安裝重復定位的精度為QUOTE。3.6機械手底座結構的設計本課題研究的機械手出于對其成本和應運場景的考慮，故決定設計為固定式機械手，這就要求它的底座采用固定式，如此不僅有利于降低成本，對于機械手整體剛性的提高也非常重要。此外，固定式機械手對底座的結構要求較低，只需其滿足機械手的定位要求即可。機械手底座的機構設計如附件底座圖。

4機械手的驅動系統(tǒng)的設計本課題研究的機械手的驅動系統(tǒng)共分為電力驅動和氣動驅動2種驅動系統(tǒng)，但一般情況下對這2種驅動系統(tǒng)的工作同步性的要求，所以一般作為電氣驅動系統(tǒng)來綜合設計。驅動系統(tǒng)的設計就是指對于驅動系統(tǒng)動力源的選擇以及對于驅動系統(tǒng)傳動機構的設計，此外還包括對于驅動元件的選型和設計校核。4.1氣動驅動系統(tǒng)的設計本課題所設計的氣動驅動系統(tǒng)基本上用于機械手動作的各個環(huán)節(jié)，從機械手大臂的擺動到小臂的伸縮進退再到小臂的上升下降，以及機械手手部的夾緊和松放都用到了氣動驅動，故本課題關于四自由度搬運機械手的設計核心在于一整套氣動驅動方案的設計，驅動原理圖的設計如附件氣動驅動原理圖:本課題設計的機械手的氣動驅動系統(tǒng)用到氣壓泵、過濾調壓器（消除脈動、吸收水氣、冷卻）、電磁換向閥、氣壓回路、筆形氣缸、雙聯(lián)氣缸、旋轉氣缸還有氣爪等各類元器件。當機械手工作時,氣動驅動系統(tǒng)中的各執(zhí)行元件將會按照預先設定好的程序有序工作,具體工作原理為：2位5通先導式電磁換向閥接受由可編成控制器PLC控制的短脈沖信號，控制各氣壓缸前進后退動作，同時我們再利用串聯(lián)在電磁換向閥進出口位置的單向節(jié)流閥來控制其開口大小，從而實現(xiàn)對氣壓回路中壓縮氣流速度的控制，如此實現(xiàn)氣壓系統(tǒng)中氣壓元件的有序工作[9]。4.2氣動元件的選擇4.2.1氣壓泵的選擇氣壓泵是氣壓回路中提供動力源（壓縮空氣流）的氣壓元件，氣壓泵的選擇，首先是對氣壓泵的類型的確定，這要看氣壓回路對氣壓的特性要求而定，緊接著就是氣對壓泵具體型號的確定，這就要通過計算出氣壓回路中氣壓缸的耗氣量總和以及所需的氣體壓力來確定氣壓泵的吸入流量和輸出氣壓，如此，便可最終確定出氣壓泵的具體型號。為了方便計算我們一般忽略氣缸管道內的容積、氣缸的直徑QUOTEDD、行程QUOTESS、換向閥到氣缸管道的容積以及氣缸的動作時間等因素這些都直接影響氣缸的換氣量QUOTEQQ，所以在單位時間內氣缸內空氣耗氣量QUOTEQQ的計算過程如下：QUOTE（4-1）式中：Q表示在單位時間內氣缸壓縮氣體的消耗量(QUOTEm3sm3s)Q1表示無活塞桿端氣缸進氣時壓縮氣體的消耗量（QUOTEm3sm3s)QUOTEQ2Q2表示有活塞桿端氣缸進氣時壓縮氣體的消耗量（QUOTEm3sm3s)；QUOTEDD為氣缸內部的直徑（QUOTEmm）；QUOTEdd為氣缸內活塞桿的直徑（QUOTEmm）；QUOTE分別表示氣缸內活塞的往返程時間（QUOTEss）；QUOTESS表示氣缸內活塞的行程（QUOTEmm）；水平臂氣缸內的壓縮空氣耗氣量計算過程如下：時間QUOTEt=0.6st=0.6s，行程QUOTES=60mmS=60mm，缸徑QUOTED=13D=13，由公式4-1可得：豎直臂氣缸內的壓縮空氣耗氣量計算過程如下[10]：時間QUOTEt=0.5st=0.5s，行程QUOTES=70mmS=70mm，缸徑QUOTED=35mmD=35mm，由公式4-1可得：綜合以上計算,本課題最終決定選用的氣壓泵為上海日豹，其具體性能參數(shù)為：QUOTELB:0.0178;LB:0.0178;QUOTE220V50HZ;220V50HZ;QUOTE0.245KW;0.245KW;QUOTE0.8MPa0.8MPa。4.2.2氣動系統(tǒng)中各控制和輔助元件的選擇氣動系統(tǒng)的工作原理總的來說首先是由氣泵來提供氣流,然后再經(jīng)過各種控制閥、氣動回路、執(zhí)行氣動缸等的設計使其完成既定的工作要求和任務。氣動控制閥是整個氣動回路有序運行的關鍵，在氣動系統(tǒng)中通過氣壓泵壓縮空氣來推動各氣壓缸等執(zhí)行元件工作，而各執(zhí)行元件的動作順序和速度則需要氣動回路中的各類控制閥通過控制壓縮空氣的方向和流量來實現(xiàn)。氣動控制閥的內部工作原理與實際功用與液壓控制閥非常的相似，只是在結構和外形設計上有些差異。按照不同的適用需求可分為以下幾類[11]。=1\*GB2⑴方向控制閥的選擇方向控制閥主要是在氣壓回路中控制執(zhí)行元件（氣缸）的啟動、停止和方向的控制類元件，它的工作原理是通過改變壓縮氣體的通斷和方向來控制氣壓回路中的執(zhí)行元件完成預定的工作要求。方向控制閥種類繁多，具體分類如下：根據(jù)控制閥內空氣流通方向的不同我們可以將其分為：=1\*GB3①單向型控制閥；=2\*GB3②雙向型的控制閥。根據(jù)控制閥控制方式的不同我們可以將其分為：=1\*GB3①人力控制閥；=2\*GB3②機械換向閥；=3\*GB3③氣壓控制換向閥；=4\*GB3④電磁控制換向閥。根據(jù)控制換向閥內閥芯有幾個切換工作的位置定義為幾位閥，根據(jù)控制閥內換氣端口的數(shù)量定義為幾通閥。由于本課題研究的機械手要滿足自動控制的要求以及氣缸工作時的具體要求最終選擇先導性2位5通電磁換向閥。=2\*GB2⑵流量控制閥的選擇在機械手的工作過程中要保證整個動作過程的有序運行就需要對機械手的各個動作元件的速度進行有效的控制，這些都需要通過流量控制閥來實現(xiàn)。流量控制閥的工作原理主要是通過改變流過流量控制閥的氣流流通截面積來達到對流量控制的目的，各類流量控制閥總的來說大同小異，其大體上共分為3類：=1\*GB3①節(jié)流閥；=2\*GB3②單向節(jié)流閥；=3\*GB3③排氣節(jié)流閥。由于本課題所用到的氣缸需要實現(xiàn)雙向工作，所以需要2個單向節(jié)流組合實現(xiàn)。=3\*GB2⑶壓力控制閥的選擇壓力控制閥顧名思義就是用來控制回路中氣流壓力大小的，基本上是氣壓回路中必用氣壓元件，根據(jù)壓力控制閥的功用可以分為：=1\*GB3①減壓閥；=2\*GB3②順序閥；=3\*GB3③溢流閥（安全閥）。本課題所選用的是溢流閥，它主要用于氣壓泵的出口處，作為氣壓回路的壓力保護裝置。

5機械手的控制系統(tǒng)設計本課題研究的機械手因其主要用于一般流水生產(chǎn)線上,對其自動化和控制性要求較高,故我們所設計的控制系統(tǒng)采用PLC作為其控制單元、氣動系統(tǒng)作為其執(zhí)行單元，這樣的控制系統(tǒng)不僅簡單易于實現(xiàn)，而且可靠性和穩(wěn)定性較好，其各方面性能大大優(yōu)于一般的繼電器控制系統(tǒng)。5.1PLC控制系統(tǒng)的設計步驟在PLC控制系統(tǒng)的運行的過程中我們是根據(jù)具體的工作要求進行程序設計，通過程序的運行來實現(xiàn)它PLC的控制功能，所以關于可編成控制器PLC的控制系統(tǒng)的設計其主要任務在于對其運行程序的設計，其具體的設計步驟如下[12]：=1\*GB2⑴根據(jù)四自由度搬運機械手的運行規(guī)律及其具體的工作要求對可編成控制器PLC的控制系統(tǒng)所控制的動作形式和動作順序進行設計。=2\*GB2⑵確定和分配可編成控制器PLC的控制系統(tǒng)的輸出以及輸入設備，簡單來說就是對于能夠實現(xiàn)控制功能的PLC信號我們要確定其輸入口和輸出口的分配和布置。=3\*GB2⑶根據(jù)所需實現(xiàn)的具體動作形式和動作順序進行程序的設計，并畫出相應梯形圖。=4\*GB2⑷通過計算機依照我們所設計的梯形圖對PLC進行編程。=5\*GB2⑸運行和調試程序。5.2PLC類型的選擇及I/O點的確定5.2.1PLC類型的選擇不同的PLC產(chǎn)品由于其性能與規(guī)格的各不相同,所以按其結構形式、功能差異的不同分為如下幾類：=1\*GB2⑴根據(jù)各PLC產(chǎn)品功能差異的不同，可將PLC分為高檔、中檔和低檔。=2\*GB2⑵按照可編成控制器PLC輸入和輸出點其數(shù)據(jù)結構形式差異，我們可以將可編成控制器PLC分成整體式和模塊式兩種類型。=1\*GB3①整體式PLC：顧名思義就是將包括電源、I/O接口、CPU等在內的各種可編程控制器所用到的部件都集中裝到一起，使其成為一個整體式的結構。這樣的PLC滿足體積小、結構緊湊和成本低等特點，因此一般在小型PLC的結構中多采用此類PLC。此外，因其在基本單元內也接有部分擴展單元因而也具有部分擴展功能，可是相比較模塊式的PLC其仍然具有一定局限性。=2\*GB3②模塊式PLC：模塊式PLC是機械自動化技術針高速發(fā)展,尤其是在控制鄰域正在從固定程序控制向多變、可調的由具體工作任務主導的可編程控制，特別是近年來模塊化設計思想在程序編程領域的應運，通過模塊化的思想實現(xiàn)主程序和子程序的組合、調用大大降低了程序編寫和修改的復雜程度，可編程控制器在此背景下應運而生并得到了迅猛的發(fā)展，其具體工作原理是將可編程控制器的PLC的各組成部分都分別做成彼此相互獨立的子模塊，包括：電源模塊、I/O接口模塊、QUOTECPUCPU模塊和其它各種功能模塊。這樣的PLC由于其框架結構明顯，所以組合裝配方便、便于功能的擴展和PLC的日常維修，因此為了降低設計得難度和工作的復雜程度一般在大中型的可編程控制器中大多采用此類結構[13]。此外，可編程控制器的結構設計還可以采用整體式和模塊式結合使用的方式，這樣既可以利用整體式結構的集成優(yōu)點，又可以充分利用模塊式結構的功能組合能力，如此一來便可充分利用其各自的優(yōu)點，在做到靈活配置各種功能、具有一定程度的擴展能的前提下還能把體積做的盡量小，同時還可以顯著降低設計制造的成本，實現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)化。不過，根據(jù)本論文所研究的四自由度搬運機械手的特點最終決定選用模塊式的PLC結構，具體型號為德國西門子QUOTEQUOTE型，因為該型ＰＬＣ是模擬數(shù)據(jù)塊運算，輸入＼輸出口為QUOTE，不僅完全滿足本論文所研究的機械手的控制要求而且還便于功能的擴展。5.2.2PLCI/O點的確定PLC控制系統(tǒng)需要PLC控制信號連接輸入設備和輸出設備，并合理分配輸入\輸出點，具體布置如下表5-1和5-2所示：表5-1PLC輸入點的分配情況輸入點I0I1I2I3I4I5I6I7計數(shù)器初始狀態(tài)常開常閉常開常開常開常開常開常開常開按鈕符號SB1SB2SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6CD1功能說明啟動停止豎直氣缸上行接近到指定的位置豎直氣缸下行接近到指定的位置水平氣缸伸出接近到指定的位置水平氣缸收縮接近到指定的位置旋轉氣缸反轉接近到指定的位置旋轉氣缸正轉接近到指定的位置接受旋轉編碼器信號表5-2PLC輸出點分布情況輸出點Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7脈沖初始狀態(tài)常開常開常開常開常開常開常開常開常開按鈕符號YV1YV2YV3YV4YV5YV6YV7YV8DI1功能說明旋轉氣缸反轉接近開關旋轉氣缸正轉接近開關水平氣缸伸出接近開關水平氣缸收縮接近開關豎直氣缸上行接近開關豎直氣缸下行接近開關手抓抓緊手抓松開控制步進電機運行5.3PLC程序的編制5.3.1編寫PLC程序在PLC程序的編寫過程中最常用到的編程方法是梯形圖法，此外還有語句表法和功能塊圖法，因為梯形圖一般都是由按一定動作次序連接而成的繼電器以及只具有常開、常閉2種觸點，故而同電氣控制系統(tǒng)當中的電路圖特別類似，所以梯形圖法相對于語句表法和功能塊圖法具有直觀易懂、編寫過程簡單的優(yōu)點。梯形圖的具體編寫過程包含3步：=1\*GB2⑴根據(jù)執(zhí)行機構所要完成的任務以及具體的動作形式和次序設計出相應的梯形圖。=2\*GB2⑵根據(jù)設計出的梯形圖進行相應的編程，所編寫出的程序要滿足梯形圖的各指令要求。=3\*GB2⑶把預先編寫好的程序寫入可編程控制器PLC的動態(tài)存儲器ＲＡＭ中，然后再對程序進行運行和調試[14]。5.3.2制作N-S流程圖N-S流程圖在直觀上就相當于一個程序，它用一些特定的圖形、流程線、以及簡要的說明文字來直觀、清晰、明確地表示程序的運行過程，如此一來大大簡化了我們在編寫程序時對程序運行過程思考的復雜性，此外，由于本課題設計的機械手采用的是模塊化的設計方法，因而更適合用N-S流程圖進行設計。本課題研究的機械手的PLC程序滿足機械手的自動和單步兩種工作方式：自動就是在按下啟動鍵后，機械手從原點出發(fā)在執(zhí)行對物體進行搬運的整個過程后，接著回到原點自動進行下一次，直到按下停止鍵后停止工作。單步就是通過各個功能按鍵對機械手的上升、下降、正轉、反轉、夾緊、放松等具體動作進行單獨的控制，實現(xiàn)點動操作。具體N-S流程圖的設計如下：=1\*GB2⑴設計主程序N-S控制原理圖如圖5-1所示：操作信號操作信號PLC旋轉氣缸驅動器旋轉氣缸大臂旋轉機械手伸縮氣缸驅動器升降氣缸驅動器夾放氣缸驅動器收縮氣缸升降氣缸夾放氣缸小臂伸縮小臂升降氣爪夾放檢測信號圖5-1主程序N-S控制原理圖=2\*GB2⑵設計自動控制N-S流程圖自動運行就是在按下啟動鍵后，機械手從原點出發(fā)在執(zhí)行對物體進行搬運的整個過程后，接著回到原點自動進行下一次，直到按下停止鍵后停止工作，把機械手動作過程中的啟動、完成一個完整的工作循環(huán)之后再返回到原點以及停機等各個彼此間相互獨立的動作過程分成若干個模塊進行分單元設計，具體N-S圖如圖5-2所示：開始開始機械手復位機械手復位小臂沿大臂向前伸前伸到指定位置?氣爪松開,小臂下降下降到指定位置?氣爪夾緊是否夾緊?小臂上升上升到指定位置?小臂沿大臂向后收縮收縮到指定位置?大臂順時針旋轉旋轉到指定位置?小臂沿大臂向前伸前伸到指定位置?小臂下降下降到指定位置?氣爪松開,小臂上升上升到指定位置?機械手復位圖5-2自動控制N-S流程圖在PLC控制系統(tǒng)的設計過程中，我們通過把一個完整的動作過程分解成若干個彼此間相互獨立的動作模塊，然后在分別對各個獨立模塊進行N-S流程圖設計，這樣不僅可以形象、直觀、清晰的表示程序復雜的運行過程，而且方便程序設計者在設計過程中對程序的分析與設計以及后期對程序的調整與修改。如此，將會大大的發(fā)揮N-S圖在模塊化的設計方法中的獨特優(yōu)勢。5.3.3PLC在程序編程中需要注意的具體事宜=1\*GB2⑴定時器在同一程序段中絕對不能重復使用，否則會導致定時器使用混亂、程序運行出錯。=2\*GB2⑵在程序的編寫過程中應盡量使用子程序編寫，這樣可以大大發(fā)揮出模塊化的設計優(yōu)點，此外，為了方便程序的檢查和修改，應在主要程序段中添加注釋。=3\*GB2⑶在優(yōu)化機械手運行