2881 基于PLC的自動(dòng)化車間物料搬運(yùn)裝置的控制設(shè)計(jì),基于,plc,自動(dòng)化,車間,物料,搬運(yùn),裝置,控制,節(jié)制,設(shè)計(jì) 第一章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 課題的背景和意義近 20 年來，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求。自從機(jī)械手問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解。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 。通用機(jī)械手因具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、可在空間抓、放、搬運(yùn)物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。近年來隨著氣動(dòng)技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動(dòng)元件及氣動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于機(jī)械手中，構(gòu)成氣動(dòng)機(jī)械手。氣動(dòng)機(jī)械手的全部動(dòng)作由電磁閥控制的氣缸驅(qū)動(dòng)。其中,上升、下降和左移、右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制,機(jī)械手的放松、夾緊也由雙線圈兩位電磁閥(夾緊電磁閥)控制。機(jī)械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成,主要完成移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、抓取等動(dòng)作。本課題來源于實(shí)驗(yàn)課題，模擬生產(chǎn)線由六站組成，各站可獨(dú)立，可容易的連接在一起組成一條自動(dòng)加工生產(chǎn)線，。該課題要求設(shè)計(jì)搬運(yùn)站，搬運(yùn)機(jī)械手將工件從上料檢測(cè)站搬至加工站。搬運(yùn)過程中能實(shí)現(xiàn)抓取、提升、回轉(zhuǎn)、下降、松開等動(dòng)作，且動(dòng)作順序、動(dòng)作速度可調(diào)。用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，PLC 控制。包括總體設(shè)計(jì)，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。技術(shù)要求有以下幾點(diǎn)：a.裝卸、調(diào)整方便；b.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作安全可靠；c.設(shè)計(jì)合理，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件，以降低制造成本；d.用 PLC 對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。總體設(shè)計(jì)思路：a.確定總體結(jié)構(gòu)的組成、框架及各部分的功能與工作目標(biāo)。b.根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，初步計(jì)算各工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。第一章 引 言- 2 -c.設(shè)計(jì)機(jī)體分級(jí)部分的結(jié)構(gòu)及主要零件結(jié)構(gòu)。d.主要分級(jí)結(jié)構(gòu)部分的主要零件強(qiáng)度和剛度，檢查其加工工藝性和裝配工藝性。e.保證與其它部分的接口合理。f.根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，修正設(shè)計(jì)參數(shù)。1.2 課題國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì):a.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65萬美元。b.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。c.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。d.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。e.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。f.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。g.機(jī) 器 人 化 機(jī) 械 開 始 興 起 。 從 94 年 美 國(guó) 開 發(fā) 出 “虛 擬 軸 機(jī) 床 ”以 來 ，這 種 新 型 裝 置 已 成 為 國(guó) 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(guó) 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 從 80 年 代 “七 五 ”科 技 攻 關(guān) 開 始 起 步 ， 在 國(guó) 家 的 支 持 下 ，通 過 “七 五 ”、 “八 五 ”科 技 攻 關(guān) ， 目 前 己 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 ;其第一章 引 言- 3 -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 己 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) 己 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 、 模 塊 化 設(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 ， 6000m 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 。第 二 章 總 體 方 案 確 定- 4 -第二章 總體方案確定2.1 總體方案論證機(jī) 械 手 主 要 由 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 、 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 、 控 制 系 統(tǒng) 以 及 位 置 檢 測(cè) 裝 置 等 所 組成 。對(duì) 氣 動(dòng) 機(jī) 械 手 的 基 本 要 求 是 能 快 速 、 準(zhǔn) 確 地 拾 一 放 和 搬 運(yùn) 物 件 ， 這 就 要求 它 們 具 有 高 精 度 、 快 速 反 應(yīng) 、 一 定 的 承 載 能 力 、 足 夠 的 工 作 空 間 和 靈 活 的自 由 度 及 在 任 意 位 置 都 能 自 動(dòng) 定 位 等 特 性 。 設(shè) 計(jì) 氣 動(dòng) 機(jī) 械 手 的 原 則 是 :充分 分 析 作 業(yè) 對(duì) 象 (工 件 )的 作 業(yè) 技 術(shù) 要 求 ， 擬 定 最 合 理 的 作 業(yè) 工 序 和 工 藝 ，并 滿 足 系 統(tǒng) 功 能 要 求 和 環(huán) 境 條 件 ;明 確 工 件 的 結(jié) 構(gòu) 形 狀 和 材 料 特 性 ， 定 位 精度 要 求 ， 抓 取 、 搬 運(yùn) 時(shí) 的 受 力 特 性 、 尺 寸 和 質(zhì) 量 參 數(shù) 等 ， 從 而 進(jìn) 一 步 確 定 對(duì)機(jī) 械 手 結(jié) 構(gòu) 及 運(yùn) 行 控 制 的 要 求 ;盡 量 選 用 定 型 的 標(biāo) 準(zhǔn) 件 ， 簡(jiǎn) 化 設(shè) 計(jì) 制 造 過 程 ，兼 顧 通 用 性 和 專 用 性 ， 并 能 實(shí) 現(xiàn) 柔 性 轉(zhuǎn) 換 和 編 程 控 制 .本 次 設(shè) 計(jì) 的 機(jī) 械 手是 通 用 氣 動(dòng) 機(jī) 械 手 ， 是 一 種 適 合 于 小 批 生 產(chǎn) 的 、 可 以 變 動(dòng) 作 程 序 的 自 動(dòng) 搬 運(yùn)或 操 作 設(shè) 備 生 產(chǎn) 場(chǎng) 合 。2.1.1 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)按 照 抓 取 工 件 的 要 求 ， 本 機(jī) 械 手 的 手 臂 有 四 個(gè) 自 由 度 ， 即 手 臂 的 夾 緊 、左 右 回 轉(zhuǎn) 、 左 右 伸 縮 和 升 降 運(yùn) 動(dòng) 。 手 臂 的 回 轉(zhuǎn) 和 升 降 運(yùn) 動(dòng) 是 通 過 立 柱 來 實(shí) 現(xiàn)的 ， 立 柱 的 橫 向 移 動(dòng) 即 為 手 臂 的 手 臂 的 左 右 伸 縮 ， 手 臂 的 各 種 運(yùn) 動(dòng) 由 氣 缸 來實(shí) 現(xiàn)2.1.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)氣 壓 傳 動(dòng) 的 優(yōu) 點(diǎn) ：1.對(duì) 于 傳 動(dòng) 形 式 而 言 ， 氣 缸 作 為 線 性 驅(qū) 動(dòng) 器 可 在 空 間 的 任 意 位 置 組 建 它所 需 的 運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 ， 安 裝 維 護(hù) 簡(jiǎn) 單 ；2． 工 作 介 質(zhì) 是 取 之 不 盡 、 用 之 不 竭 的 空 氣 ， 空 氣 本 身 不 花 錢 。 排 氣 處理 簡(jiǎn) 單 ， 不 污 染 環(huán) 境 ， 成 本 低 。 壓 力 等 級(jí) 低 ， 使 用 安 全 ；3.氣 缸 動(dòng) 作 速 度 一 般 為 50～ 500mm/s， 比 液 壓 和 電 氣 方 式 的 動(dòng) 作 速 度快 ， 其 間 ， 通 過 單 向 節(jié) 流 閥 ， 可 使 氣 缸 速 度 無 級(jí) 調(diào) 節(jié) ；第 二 章 總 體 方 案 確 定- 5 -4.可 靠 性 高 ， 使 用 壽 命 長(zhǎng) 。 電 器 元 件 的 有 效 動(dòng) 作 數(shù) 約 為 數(shù) 百 萬 次 ， 而 進(jìn)口 的 一 般 電 磁 閥 的 壽 命 大 于 3000 萬 次 ， 小 型 閥 超 過 一 億 次 ；5． 利 用 空 氣 的 可 壓 縮 性 ， 可 儲(chǔ) 存 能 量 ， 實(shí) 現(xiàn) 集 中 供 氣 ；6.全 氣 動(dòng) 控 制 具 有 防 火 、 防 爆 、 耐 潮 的 能 力 。 與 液 壓 方 式 相 比 ， 氣 動(dòng) 方式 可 在 高 溫 場(chǎng) 合 使 用 ；7.由 于 空 氣 損 失 小 ， 壓 縮 空 氣 可 集 中 供 應(yīng) ， 遠(yuǎn) 距 離 輸 送 。根 據(jù) 以 上 優(yōu) 點(diǎn) 可 知 道 氣 壓 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 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(jī) 械 手 采 用 氣 壓 傳 動(dòng) 方 式 。2.1.3 機(jī)械手控制方案設(shè)計(jì)綜 合 分 析 機(jī) 械 手 的 動(dòng) 作 要 求 ， PLC 在 機(jī) 械 手 中 需 要 完 成 的 控 制 功 能 較多 ， 控 制 精 度 較 高 ， 運(yùn) 算 速 度 較 快 且 具 有 數(shù) 據(jù) 處 理 能 力 ， 并 考 慮 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的經(jīng) 濟(jì) 和 技 術(shù) 指 標(biāo) ， 由 于 PLC 的 輸 出 電 流 較 小 ， 需 要 用 功 率 模 塊 來 控 制 比 例液 壓 閥 ， 選 用 西 門 子 公 司 的 S7-200 系 CPU226 型 PLC， 其 I／ O 功 能 和 指令 系 統(tǒng) 都 能 滿 足 對(duì) 該 機(jī) 械 手 的 控 制 要 求 。 控 制 按 鈕 、 各 處 的 行 程 開 關(guān) 及 壓 力繼 電 器 等 開 關(guān) 量 信 號(hào) 直 接 與 PLC 的 輸 入 端 子 相 連 ， PLC 的 開 關(guān) 量 輸 出 端 子直 接 與 各 個(gè) 電 磁 閥 相 連 ， 用 PLC 上 所 帶 的 24V 電 源 或 外 接 24V 電 源 驅(qū) 動(dòng) ，采 用 編 程 軟 件 (STEP 7-Micro／ WIN V4． 4 版 )進(jìn) 行 編 程 和 運(yùn) 行 監(jiān) 控 。2.1.4 機(jī)械手主要參數(shù)a.主 參 數(shù)機(jī) 械 手 的 最 大 抓 重 是 其 規(guī) 格 的 主 參 數(shù) ， 本 設(shè) 計(jì) 機(jī) 械 手 最 大 抓 重 以 1kg為 數(shù) 最 多 。 故 該 機(jī) 械 手 主 參 數(shù) 定 為 1kg。 b.基 本 參 數(shù)運(yùn) 動(dòng) 速 度 是 機(jī) 械 手 主 要 的 基 本 參 數(shù) 。 操 作 節(jié) 拍 對(duì) 機(jī) 械 手 速 度 提 出 了 要 求 ，設(shè) 計(jì) 速 度 過 低 限 制 了 它 的 使 用 范 圍 。 而 影 響 機(jī) 械 手 動(dòng) 作 快 慢 的 主 要 因 素 是 手臂 回 轉(zhuǎn) 的 速 度 。該 機(jī) 械 手 最 大 升 降 速 度 設(shè) 計(jì) 為 100mm/s， 最 大 回 轉(zhuǎn) 速 度 設(shè) 計(jì) 為 450°/s。 平 均 升 降 速 度 為 80m/s， 平 均 回 轉(zhuǎn) 速 度 為 90°/s。第 二 章 總 體 方 案 確 定- 6 -2.1.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表A.設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù) :a)抓 重1 公 斤 (夾 持 式 手 部 )b)自 由 度 數(shù)4 個(gè) 自 由 度c)最 大 工 作 半 徑279mmd)手 臂 最 大 中 心 高684.5mmB.手 臂 運(yùn) 動(dòng) 參 數(shù)夾 緊 行 程 50mm夾 緊 速 度 50mn/s升 降 行 程 100mm升 降 速 度 100mm/s回 轉(zhuǎn) 范 圍 0°~180°回 轉(zhuǎn) 速 度 90°/sC.手 指 夾 持 范 圍塑 料 :Φ 40mmD.定 位 方 式行 程 開 關(guān)E.定 位 精 度士 0.5mmF.緩 沖 方 式液 壓 緩 沖 器G.驅(qū) 動(dòng) 方 式氣 壓 傳 動(dòng)H.控 制 方 式點(diǎn) 位 程 序 控 制 (采 用 PLC)第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 7 -第三章 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 動(dòng)作工況與分析氣 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) 的 機(jī) 械 手 。 其 主 要特 點(diǎn) 是 :介 質(zhì) 源 極 為 方 便 ， 輸 出 力 小 ， 氣 動(dòng) 動(dòng) 作 迅 速 ， 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 成 本 低 。但 是 ， 由 于 空 氣 具 有 可 壓 縮 的 特 性 ， 工 作 速 度 的 穩(wěn) 定 性 較 差 ， 沖 擊 大 ， 而 且氣 源 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(jī)械 手 的 結(jié) 構(gòu) 大 ， 所 以 適 用 于 高 速 、 輕 載 、 高 溫 和 粉 塵 大 的 環(huán) 境 中 進(jìn) 行 工 作 。機(jī) 械 手 的 全 部 動(dòng) 作 由 電 磁 閥 控 制 的 氣 缸 驅(qū) 動(dòng) 。 其 中 ,上 升 /下 降 、 左 移 /右 移 以 及 擺 動(dòng) 分 別 由 雙 線 圈 兩 位 電 磁 閥 控 制 ,機(jī) 械 手 的 放 松 /夾 緊 由 一 個(gè)單 線 圈 兩 位 電 磁 閥 (夾 緊 電 磁 閥 )控 制 。 機(jī) 械 手 的 任 務(wù) 是 將 A 工 作 臺(tái) 上 的 工件 搬 運(yùn) 到 B 工 作 臺(tái) （ 或 B 到 A） ， 機(jī) 械 手 示 意 圖 如 圖 3-1 所 示 ：圖 3-1 機(jī) 械 手 示 意 圖在 連 續(xù) 自 動(dòng) 工 作 方 式 的 狀 態(tài) 下 機(jī) 械 手 的 順 序 實(shí) 現(xiàn) 的 動(dòng) 作 如 圖 1 示 意 圖所 示 ： 手 臂 下 降 → 手 指 夾 緊 → 手 臂 上 升 → 手 臂 右 擺 動(dòng) → 手 臂 右 伸 → 手 臂 下降 → 手 指 松 開 → 手 臂 上 升 → 手 臂 左 伸 → 手 臂 左 擺 動(dòng) （ 回 到 初 始 位 ） ， 機(jī) 械手 可 以 反 復(fù) 不 斷 的 進(jìn) 行 上 述 循 環(huán) 動(dòng) 作 。第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 8 -3.2 機(jī)械手各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1 機(jī)械手底座的設(shè)計(jì)底 座 是 機(jī) 械 手 的 基 礎(chǔ) 部 分 ， 機(jī) 械 手 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 各 部 件 和 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 均 安 裝于 機(jī) 座 上 ， 故 起 支 撐 和 連 接 的 作 用 。底 座 的 設(shè) 計(jì) 是 根 據(jù) 各 個(gè) 零 件 的 尺 寸 及 有 助 于 拆 裝 方 便 來 設(shè) 計(jì) 的 如 圖2-2 所 示 ： 圖 3-2 箱 座箱 座 內(nèi) 壁 不 需 要 與 其 他 零 件 有 配 合 的 關(guān) 系 ， 所 以 內(nèi) 表 面 不 需 要 加 工 。 左右 厚 壁 上 端 有 M10 的 螺 紋 孔 ， 要 求 加 工 表 面 粗 糙 度 ， 連 接 軸 承 下 座 的 ， 底版 的 光 孔 是 用 來 固 定 整 個(gè) 裝 置 的 ， 材 料 為 鑄 鐵 HT200。3.2.2 立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)立 柱 是 支 承 手 臂 的 部 件 ， 立 柱 也 可 以 是 手 臂 的 一 部 分 ， 手 臂 的 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng)和 升 降 (或 俯 仰 )運(yùn) 動(dòng) 均 與 立 柱 有 密 切 的 聯(lián) 系 。 機(jī) 械 手 的 立 往 通 常 為 固 定 不動(dòng) 的 ， 但 機(jī) 械 手 的 立 柱 因 工 作 需 要 ， 有 時(shí) 也 可 作 橫 向 移 動(dòng) ， 即 稱 為 可 移 式 立柱 。 a.立 柱 的 材 料 及 熱 處 理由 于 設(shè) 計(jì) 功 率 不 是 太 大 ， 對(duì) 其 重 量 和 尺 寸 無 特 殊 要 求 ， 故 選 擇 常 用 材 料45 鋼 ， 調(diào) 質(zhì) 處 理 。b.初 估 軸 徑按 扭 矩 初 估 軸 的 直 徑 ， 根 據(jù) [1]查 表 10-2， 得 C=106~117， 考 慮 倒 安第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 9 -裝 軸 承 受 扭 矩 作 用 ， 取 C=106， 則3minPd?（ 3-1）式 中 ： C——由 軸 承 的 材 料 和 承 載 情 況 縮 確 定 的 常 數(shù) ；P——軸 的 輸 出 功 率 ， KW；n——軸 的 轉(zhuǎn) 速 ， r/min.各 參 數(shù) 值 為 C=106、 P=15KW、 n=280， 則33min1569.d???所 以 選 擇 軸 徑 40mm， 軸 上 面 設(shè) 計(jì) 個(gè) 法 蘭 ， 用 法 蘭 來 固 定 軸 承 因 為 軸 是靠 氣 缸 擺 動(dòng) 來 旋 轉(zhuǎn) 的 ， 所 以 所 受 的 載 荷 很 小 ， 不 需 要 校 核 。3.2.3 軸承的選擇軸 承 是 用 以 支 承 軸 和 軸 上 回 轉(zhuǎn) 或 擺 動(dòng) 零 件 的 部 件 ,在 各 種 機(jī) 械 中 應(yīng) 用廣 泛 。 根 據(jù) 軸 承 工 作 時(shí) 的 摩 擦 性 質(zhì) ， 可 分 為 滾 動(dòng) 軸 承 和 滑 動(dòng) 軸 承 兩 大 類 。 滾動(dòng) 軸 承 依 靠 主 要 元 件 間 的 滾 動(dòng) 接 觸 來 承 受 載 荷 ， 它 與 滑 動(dòng) 軸 承 相 比 ， 具 有 摩擦 阻 力 小 、 效 率 高 、 啟 動(dòng) 容 易 、 潤(rùn) 滑 簡(jiǎn) 便 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 同 時(shí) ， 滾 動(dòng) 軸 承 絕 大 部 分已 經(jīng) 標(biāo) 準(zhǔn) 化 ， 并 由 專 業(yè) 廠 家 生 產(chǎn) ， 選 用 和 更 換 很 方 便 。 其 缺 點(diǎn) 就 是 抗 擊 能 力差 ， 工 作 時(shí) 有 噪 聲 ， 以 及 工 作 壽 命 不 及 液 體 摩 擦 的 滑 動(dòng) 軸 承 。滾 動(dòng) 軸 承 的 類 型 很 多 ， 按 照 滾 動(dòng) 體 的 形 狀 ， 滾 動(dòng) 軸 承 可 分 為 球 軸 承 和 滾子 軸 承 兩 大 類 。 球 軸 承 的 滾 動(dòng) 體 與 內(nèi) 、 外 圈 是 點(diǎn) 接 觸 ， 運(yùn) 轉(zhuǎn) 時(shí) 摩 擦 耗 損 小 ，但 承 載 能 力 和 抗 擊 能 力 差 ； 滾 子 軸 承 為 線 接 觸 ， 承 載 能 力 和 抗 沖 擊 能 力 較 球軸 承 大 ， 但 運(yùn) 轉(zhuǎn) 是 耗 損 大 。 按 照 滾 動(dòng) 軸 承 能 否 自 動(dòng) 調(diào) 心 ， 可 分 為 調(diào) 心 軸 承 和非 調(diào) 心 軸 承 。 按 照 滾 動(dòng) 體 列 數(shù) 多 少 ， 可 分 為 單 列 軸 承 、 雙 列 軸 承 和 多 列 軸 承 。按 照 軸 承 能 承 受 的 主 要 載 荷 方 向 和 公 稱 接 觸 角 的 不 同 ， 可 分 為 向 心 軸 承 和 推力 軸 承 兩 大 類 。a.向 心 軸 承向 心 軸 承 主 要 承 受 徑 向 載 荷 ， 0° 45°， 又 可 分 為 ： ① 徑 向 接 觸??軸 承 ， = 0°， 只 能 承 受 徑 向 載 荷 ； ② 角 接 觸 向 心 軸 承 ， 0°< 45°，? ??不 僅 能 承 受 徑 向 載 荷 ,而 且 隨 著 角 的 增 大 ,其 承 受 軸 向 載 荷 的 能 力 隨 之 增大 。b.推 力 軸 承第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 10 -推 力 軸 承 主 要 承 受 軸 向 載 荷 ， 45° 90°， 又 可 分 為 ： ① 軸 向 接??觸 軸 承 ， = 90°， 只 能 承 受 軸 向 載 荷 ； ② 角 接 觸 推 力 軸 承 ， 450°?< <90°， 它 主 要 承 受 軸 向 載 荷 ,同 時(shí) 也 能 承 受 較 小 的 徑 向 載 荷 。 隨 著角 的 增 大 ,其 承 受 徑 向 載 荷 的 能 力 將 減 小 。軸 承 所 受 載 荷 的 大 小 、 方 向 和 性 質(zhì) ， 是 選 擇 滾 動(dòng) 軸 承 的 主 要 依 據(jù) 。 本 設(shè)計(jì) 中 軸 承 既 承 受 徑 向 力 及 轉(zhuǎn) 矩 ， 又 承 受 軸 向 力 ， 因 此 選 用 推 力 球 軸 承 和 深 溝球 軸 承 ,推 力 軸 承 主 要 受 軸 向 力 ， 球 軸 承 主 要 受 徑 向 力 ， 又 根 據(jù) 外 廓 尺 寸 的條 件 和 軸 的 內(nèi) 徑 選 用 6006 深 溝 球 軸 承 和 51213 推 力 球 軸 承 。3.2.4 上軸承座的選擇6006 深 溝 球 軸 承 : d=30 mm D=55mm B=13mm da=36mm Da=49mm51213 推 力 球 軸 承 : d=65mm D=100mm T=27mm da=86mm Da=100mm根 據(jù) 以 上 的 尺 寸 可 以 確 定 軸 承 上 座 的 尺 寸 ,如 圖 3-3 所 示 :圖 3-3 上 軸 承 座由 于 配 合 接 觸 的 面 比 較 多 ,所 以 對(duì) 表 面 粗 糙 度 的 要 求 也 高 ,軸 承 配 合 的地 方 要 求 公 差 等 級(jí) ,軸 承 的 配 合 主 要 是 內(nèi) 圈 與 軸 頸 、 外 圈 與 軸 承 座 孔 的 配 合 。滾 動(dòng) 軸 承 是 標(biāo) 準(zhǔn) 件 ， 因 此 ， 軸 承 內(nèi) 圈 與 軸 頸 采 用 基 孔 制 配 合 ， 軸 承 外 圈 與 軸承 座 孔 采 用 基 軸 制 配 合 普 通 圓 柱 公 差 標(biāo) 準(zhǔn) 中 基 準(zhǔn) 孔 的 公 差 帶 都 在 零 線 之 上 ，第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 11 -故 滾 動(dòng) 軸 承 內(nèi) 圈 與 軸 頸 的 配 合 要 比 圓 柱 公 差 標(biāo) 準(zhǔn) 中 規(guī) 定 的 基 孔 制 同 名 配 合 要緊 的 多 。 例 如 ， 一 般 圓 柱 體 基 孔 制 的 K6 配 合 為 過 度 配 合 ， 而 在 滾 動(dòng) 軸 承內(nèi) 圈 配 合 中 則 為 過 盈 配 合 。滾 動(dòng) 軸 承 內(nèi) 、 外 圈 的 處 的 配 合 ， 既 不 能 過 緊 也 不 能 過 松 。 過 緊 的 配 合 會(huì)使 軸 承 的 內(nèi) 、 外 圈 產(chǎn) 生 變 形 ， 可 破 壞 軸 承 的 正 常 工 作 ， 而 增 加 了 裝 拆 的 難 度 。過 松 的 配 合 ， 不 僅 會(huì) 影 響 軸 的 旋 轉(zhuǎn) 精 度 ， 甚 至 會(huì) 使 配 合 表 面 發(fā) 生 滑 動(dòng) 。 因 此 ，軸 承 配 合 種 類 的 選 取 ， 應(yīng) 根 據(jù) 軸 承 的 類 型 與 尺 寸 、 載 荷 的 大 小 、 方 向 和 性 質(zhì)以 及 工 作 環(huán) 境 決 定 。所 以 Φ 30 的 6006 軸 徑 上 安 裝 軸 承 ， 這 個(gè) 軸 徑 就 是 根 據(jù) 軸 承 的 d 來 的 ，Φ 36 是 6006 軸 承 的 安 裝 尺 寸 ， 同 樣 根 據(jù) 推 力 軸 承 的 尺 寸 來 確 定 軸 承 座 的 尺寸 。3.2.5 下軸承座的選擇下 軸 承 座 的 尺 寸 是 根 據(jù) 軸 承 尺 寸 來 定 的 。 其 主 要 配 合 的 地 方 也 是 安 裝 軸承 的 地 方 ， 需 要 公 差 的 配 合 。 （ 同 上 ） 如 圖 3-4：圖 3-4 下 軸 承 座在 安 裝 軸 承 的 端 面 上 要 注 明 公 差 配 合 ， 分 別 以 其 為 基 準(zhǔn) 面 ， 查 《 機(jī) 械設(shè) 計(jì) 手 冊(cè) 》 ， 標(biāo) 明 幾 個(gè) 端 面 的 圓 柱 度 和 相 對(duì) 基 準(zhǔn) 面 的 圓 跳 動(dòng) 度 ， 還 有 表 面粗 糙 度 。第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 12 -3.2.6 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本 設(shè) 計(jì) 的 手 臂 實(shí) 現(xiàn) 的 是 水 平 直 線 運(yùn) 動(dòng) ， 實(shí) 現(xiàn) 直 線 往 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 采 用 的 是 氣 壓驅(qū) 動(dòng) 的 活 塞 氣 缸 。 由 于 活 塞 氣 缸 的 體 積 小 、 重 量 輕 ， 因 而 在 機(jī) 械 手 的 手 臂 結(jié)構(gòu) 中 應(yīng) 用 比 較 多 。本 設(shè) 計(jì) 手 臂 很 簡(jiǎn) 單 ， 在 手 臂 內(nèi) 側(cè) 固 定 個(gè) 伸 縮 氣 缸 ， 如 圖 3-5 所 示 ：圖 3-5 大 臂 設(shè) 計(jì)3.2.7 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本 設(shè) 計(jì) 的 手 臂 與 上 述 的 大 臂 實(shí) 現(xiàn) 的 運(yùn) 動(dòng) 方 式 一 樣 ， 主 要 是 上 下 直 線 運(yùn)動(dòng) 。 實(shí) 現(xiàn) 直 線 往 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 采 用 的 也 是 氣 壓 驅(qū) 動(dòng) 的 活 塞 氣 缸 。本 設(shè) 計(jì) 手 臂 很 簡(jiǎn) 單 ， 在 上 面 固 定 個(gè) 夾 緊 氣 缸 ， 如 圖 3-6 所 示 ：圖 3-6 小 臂 設(shè) 計(jì)3.2.8 氣爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)夾 持 式 手 部 結(jié) 構(gòu) 由 手 指 (或 手 爪 )和 傳 力 機(jī) 構(gòu) 所 組 成 。 其 傳 力 結(jié) 構(gòu) 形 式比 較 多 ， 如 滑 槽 杠 桿 式 、 斜 楔 杠 桿 式 、 齒 輪 齒 條 式 、 彈 簧 杠 桿 式 ..等 。第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 13 -夾 持 式 是 最 常 見 的 一 種 ， 其 中 常 用 的 有 兩 指 式 、 多 指 式 和 雙 手 雙 指 式 :按 手 指 夾 持 工 件 的 部 位 又 可 分 為 內(nèi) 卡 式 (或 內(nèi) 漲 式 )和 外 夾 式 兩 種 :按 模 仿 人手 手 指 的 動(dòng) 作 ， 手 指 可 分 為 一 支 點(diǎn) 回 轉(zhuǎn) 型 ， 二 支 點(diǎn) 回 轉(zhuǎn) 型 和 移 動(dòng) 型 (或 稱直 進(jìn) 型 )， 其 中 以 二 支 點(diǎn) 回 轉(zhuǎn) 型 為 基 本 型 式 。 當(dāng) 二 支 點(diǎn) 回 轉(zhuǎn) 型 手 指 的 兩 個(gè) 回轉(zhuǎn) 支 點(diǎn) 的 距 離 縮 小 到 無 窮 小 時(shí) ， 就 變 成 了 一 支 點(diǎn) 回 轉(zhuǎn) 型 手 指 ;同 理 ， 當(dāng) 二支 點(diǎn) 回 轉(zhuǎn) 型 手 指 的 手 指 長(zhǎng) 度 變 成 無 窮 長(zhǎng) 時(shí) ， 就 成 為 移 動(dòng) 型 。 回 轉(zhuǎn) 型 手 指 開 閉角 較 小 ， 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 制 造 容 易 ， 應(yīng) 用 廣 泛 。 移 動(dòng) 型 應(yīng) 用 較 少 ， 其 結(jié) 構(gòu) 比 較 復(fù)雜 龐 大 ， 當(dāng) 移 動(dòng) 型 手 指 夾 持 直 徑 變 化 的 零 件 時(shí) 不 影 響 其 軸 心 的 位 置 ， 能 適 應(yīng)不 同 直 徑 的 工 件 。第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 14 -圖 3-7 氣 爪 設(shè) 計(jì)本 設(shè) 計(jì) 是 采 用 兩 指 式 ， 內(nèi) 卡 式 ， 上 下 氣 爪 通 過 銷 來 連 接 ， 過 盈 配 合 ， 如圖 3-7 所 示 。 設(shè) 計(jì) 時(shí) 考 慮 的 幾 個(gè) 問 題 ：a.具 有 足 夠 的 握 力 (即 夾 緊 力 )在 確 定 手 指 的 握 力 時(shí) ， 除 考 慮 工 件 重 量 外 ， 還 應(yīng) 考 慮 在 傳 送 或 操 作 過 程中 所 產(chǎn) 生 的 慣 性 力 和 振 動(dòng) ， 以 保 證 工 件 不 致 產(chǎn) 生 松 動(dòng) 或 脫 落 。b.手 指 間 應(yīng) 具 有 一 定 的 開 閉 角兩 手 指 張 開 與 閉 合 的 兩 個(gè) 極 限 位 置 所 夾 的 角 度 稱 為 手 指 的 開 閉 角 。 手 指的 開 閉 角 應(yīng) 保 證 工 件 能 順 利 進(jìn) 入 或 脫 開 ， 若 夾 持 不 同 直 徑 的 工 件 ， 應(yīng) 按 最 大直 徑 的 工 件 考 慮 。 對(duì) 于 移 動(dòng) 型 手 指 只 有 開 閉 幅 度 的 要 求 。c.保 證 工 件 準(zhǔn) 確 定 位為 使 手 指 和 被 夾 持 工 件 保 持 準(zhǔn) 確 的 相 對(duì) 位 置 ， 必 須 根 據(jù) 被 抓 取 工 件 的 形狀 ， 選 擇 相 應(yīng) 的 手 指 形 狀 。 例 如 圓 柱 形 工 件 采 用 帶 “V”形 面 的 手 指 ， 以便 自 動(dòng) 定 心 。d.具 有 足 夠 的 強(qiáng) 度 和 剛 度手 指 除 受 到 被 夾 持 工 件 的 反 作 用 力 外 ， 還 受 到 機(jī) 械 手 在 運(yùn) 動(dòng) 過 程 中 所 產(chǎn)生 的 慣 性 力 和 振 動(dòng) 的 影 響 ， 要 求 有 足 夠 的 強(qiáng) 度 和 剛 度 以 防 折 斷 或 彎 曲 變 形 ，當(dāng) 應(yīng) 盡 量 使 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 緊 湊 ， 自 重 輕 ， 并 使 手 部 的 中 心 在 手 腕 的 回 轉(zhuǎn) 軸 線 上 ，以 使 手 腕 的 扭 轉(zhuǎn) 力 矩 最 小 為 佳 。e.考 慮 被 抓 取 對(duì) 象 的 要 求根 據(jù) 機(jī) 械 手 的 工 作 需 要 ， 通 過 比 較 ， 我 們 采 用 的 機(jī) 械 手 的 手 部 結(jié) 構(gòu) 是 一支 點(diǎn) 兩 指 回 轉(zhuǎn) 型 ， 由 于 工 件 多 為 圓 柱 形 ， 故 手 指 形 狀 設(shè) 計(jì) 成 V 型 。3.2.9 手部夾緊氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算A． 手 部 驅(qū) 動(dòng) 力 計(jì) 算本 課 題 氣 動(dòng) 機(jī) 械 手 的 手 部 結(jié) 構(gòu) 如 圖 3-8 所 示 ， 其 工 件 重 量 G=10 公 斤 ，a=37.5mm,b=70mm,根 據(jù) [1]摩 擦 系 數(shù) 為 f=0. 10。第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 15 -圖 3-8 手 部 結(jié) 構(gòu) 分 析 圖a) 根 據(jù) 手 部 結(jié) 構(gòu) 分 析 示 意 圖 ， 其 驅(qū) 動(dòng) 力 為 ：aNbP2?（ 3-2）b) 根 據(jù) 手 指 夾 持 工 件 的 方 位 ， 可 得 握 力 計(jì) 算 公 式 :）（fG10.（ 3-3）代 入 公 式 （ 3-2） 得 ： )(3.75.3012NP??c)參 照 [17]實(shí) 際 驅(qū) 動(dòng) 力 :?21K?實(shí) 際（ 3-4）因 為 傳 力 機(jī) 構(gòu) 為 齒 輪 齒 條 傳 動(dòng) ， 根 據(jù) [1]故 取 ， 并 取 94.0?5.1?K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g時(shí) ， 參 照 [17]則 ：22??K（ 3-5）第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 16 -代 入 公 式 （ 3-4） 得 ： ）（實(shí) 際 NP194.02537???所 以 夾 持 工 件 時(shí) 所 需 夾 緊 氣 缸 的 驅(qū) 動(dòng) 力 為 1191N.B． 氣 缸 的 直 徑本 氣 缸 屬 于 單 向 作 用 氣 缸 。 以 下 公 式 都 參 照 [17]， 根 據(jù) 力 平 衡 原 理 ，單 向 作 用 氣 缸 活 塞 桿 上 的 輸 出 推 力 必 須 克 服 彈 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 桿 工 作 時(shí)的 總 阻 力 ， 其 公 式 為 :FzPDFl??421?（ 3-6）式 中 : —活 塞 桿 上 的 推 力 ， N1F—彈 簧 反 作 用 力 ， Nl—?dú)?缸 工 作 時(shí) 的 總 阻 力 ， Nz—?dú)?缸 工 作 壓 力 ， PaP彈 簧 反 作 用 按 下 式 計(jì) 算 :()lfFCS??（ 3-7）4138fGdDn（ 3-8）121??（ 3-9）式 中 : — 彈 簧 剛 度 ， N/mfC— 彈 簧 預(yù) 壓 縮 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS— 彈 簧 鋼 絲 直 徑 ， m1d—彈 簧 平 均 直 徑 ， mD— 彈 簧 外 徑 ， m2— 彈 簧 有 效 圈 數(shù)n第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 17 -一 彈 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP??在 設(shè) 計(jì) 中 ， 必 須 考 慮 負(fù) 載 率 的 影 響 ， 則 :?21lDPF??由 以 上 分 析 得 單 向 作 用 氣 缸 的 直 徑 :14()l????代 入 有 關(guān) 數(shù) 據(jù) ， 可 得 4138fGdCDn???93437.0(.5)8015??????????mN64lfFs??337.01????62所 以 ： 14()lFDP????????16237.20.6.80.94?? ???? ?m659查 有 關(guān) 手 冊(cè) 圓 整 ， 得 0由 ， 可 得 活 塞 桿 直 徑 : 3.0~2?Dd ??mDd5.19~3.02??圓 整 后 ， 取 活 塞 桿 直 徑 d18?校 核 ， 按 公 式 ????214F???（ 3-10）有 : ???214d??其 中 ， ,aMP0?N3.71?則 : ??m189.03.7216????第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 18 -所 以 滿 足 設(shè) 計(jì) 要 求 。C． 缸 筒 壁 厚 的 設(shè) 計(jì)缸 筒 直 接 承 受 壓 縮 空 氣 壓 力 ， 必 須 有 一 定 厚 度 。 一 般 氣 缸 缸 筒 壁 厚 與 內(nèi)徑 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 參 照 [17]， 其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 計(jì) 算 :??2pdP???（ 3-11）式 中 : — 缸 筒 壁 厚 ， mm?D—?dú)?缸 內(nèi) 徑 ， mm—實(shí) 驗(yàn) 壓 力 ， 取 , PapPp5.1?材 料 為 :ZL3, ??aM2?代 入 己 知 數(shù) 據(jù) ， 則 壁 厚 為 : ??pd????365102.10.2????m83取 ， 則 缸 筒 外 徑 為 :m1??D??根 據(jù) 以 上 計(jì) 算 選 擇 的 氣 缸 型 號(hào) 為 ： QGSD q 32×50 B LB 其 中 ： QGSD- 普 通 型 單 作 用 氣 缸 ；q – 派 生 氣 缸 代 號(hào) ： q=彈 簧 前 置 型 ；32 – 汽 缸 內(nèi) 徑 ；50- 氣 缸 行 程 ；B –緩 沖 ： B=可 調(diào) 緩 沖 ；LB – 安 裝 方 式 ： LB=軸 向 底 座3.2.10 升降氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算手 臂 升 降 裝 置 由 轉(zhuǎn) 柱 、 升 降 缸 活 塞 軸 、 升 降 缸 體 、 碰 鐵 、 可 調(diào) 定 位 塊 、定 位 拉 桿 、 緩 沖 撞 鐵 、 定 位 塊 聯(lián) 接 盤 和 導(dǎo) 向 桿 等 組 成 。 在 轉(zhuǎn) 柱 上 端 用 管 接頭 和 氣 管 分 別 將 壓 縮 空 氣 引 到 手 腕 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 手 部 夾 緊 氣 缸 和 手 臂 伸 縮 氣 缸 ，轉(zhuǎn) 柱 下 端 的 氣 路 ， 將 壓 縮 空 氣 引 到 升 降 缸 上 腔 ， 當(dāng) 壓 縮 空 氣 進(jìn) 入 上 腔 后 ， 推動(dòng) 升 降 缸 體 上 升 ， 并 由 兩 個(gè) 導(dǎo) 向 桿 進(jìn) 行 導(dǎo) 向 ， 同 時(shí) 碰 鐵 隨 升 降 缸 體 一 同 上 移 ，當(dāng) 碰 觸 上 邊 的 可 調(diào) 定 位 塊 后 ， 即 帶 動(dòng) 定 位 拉 桿 ,緩 沖 撞 鐵 向 上 移 動(dòng) 碰 觸 升降 用 液 壓 緩 沖 器 進(jìn) 行 緩 沖 。 上 升 行 程 大 小 通 過 調(diào) 整 可 調(diào) 定 位 塊 來 實(shí) 現(xiàn) ， 手 臂第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 19 -下 降 靠 自 重 實(shí) 現(xiàn) 。 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 圖 如 圖 3-9 所 示 ：圖 3-9 結(jié) 構(gòu) 分 析 簡(jiǎn) 圖A． 驅(qū) 動(dòng) 力 計(jì) 算根 據(jù) 上 圖 力 的 作 用 方 向 ， 可 計(jì) 算 活 塞 的 驅(qū) 動(dòng) 力 F， 參 照 [1]可 知 摩 擦系 數(shù) f=0. 17。a) 根 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 ， 驅(qū) 動(dòng) 力 公 式 為 ：總GFf??（ 3-12）b) 質(zhì) 量 計(jì) 算 :手 臂 升 降 部 分 主 要 由 手 臂 伸 縮 氣 缸 、 夾 緊 氣 缸 、 手 臂 、手 爪 及 相 關(guān) 的 固 定 元 件 組 成 。 氣 缸 為 標(biāo) 準(zhǔn) 氣 缸 ， 根 據(jù) 中 國(guó) 煙 臺(tái) 氣 動(dòng) 元 件 廠 的《 產(chǎn) 品 樣 本 》 可 估 其 質(zhì) 量 ， 同 時(shí) 測(cè) 量 設(shè) 計(jì) 的 有 關(guān) 尺 寸 ， 據(jù) 估 計(jì))(40NG?總所 以 代 入 公 式 （ 3-12） ： 總Ff?總總4017.0??）（ N68第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 20 -c) 參 照 [17]實(shí) 際 驅(qū) 動(dòng) 力 : ?21KF?實(shí) 際因 為 傳 力 機(jī) 構(gòu) 為 齒 輪 齒 條 傳 動(dòng) ， 參 照 [1]故 取 ， 并 取 94.0?5.1?K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g時(shí) ， 根 據(jù) [17]則 ：22??所 以 ）（實(shí) 際 NF149.05468??所 以 夾 持 工 件 時(shí) 所 需 夾 緊 氣 缸 的 驅(qū) 動(dòng) 力 為 1494N.B． 氣 缸 的 直 徑本 氣 缸 屬 于 單 向 作 用 氣 缸 。 以 下 公 式 均 參 照 [17]根 據(jù) 力 平 衡 原 理 ， 單向 作 用 氣 缸 活 塞 桿 上 的 輸 出 推 力 必 須 克 服 彈 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 桿 工 作 時(shí) 的總 阻 力 ， 其 公 式 為 : FzPDFl??421?式 中 : —活 塞 桿 上 的 推 力 ， N1F—彈 簧 反 作 用 力 ， Nl—?dú)?缸 工 作 時(shí) 的 總 阻 力 ， Nz—?dú)?缸 工 作 壓 力 ， PaP彈 簧 反 作 用 按 下 式 計(jì) 算 : ()lfFCS??4138fGdDn121?式 中 : — 彈 簧 剛 度 ， N/mfC— 彈 簧 預(yù) 壓 縮 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS— 彈 簧 鋼 絲 直 徑 ， m1d—彈 簧 平 均 直 徑 ， mD第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 21 -— 彈 簧 外 徑 ， m2D— 彈 簧 有 效 圈 數(shù)n一 彈 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP??在 設(shè) 計(jì) 中 ， 必 須 考 慮 負(fù) 載 率 的 影 響 ， 則 :?21lDF??由 以 上 分 析 得 單 向 作 用 氣 缸 的 直 徑 :14()lP????代 入 有 關(guān) 數(shù) 據(jù) ， 可 得 4138fGdCDn???93437.410(.5)8015????????3677.46??mNlfFCs??3.01??220.6所 以 ： 14()lFDP???????21694.07.6.2035???m.查 有 關(guān) 手 冊(cè) 圓 整 ， 得由 ， 可 得 活 塞 桿 直 徑 :3.0~2?Dd ??mDd5.1~3.?圓 整 后 ， 取 活 塞 桿 直 徑 d18?校 核 ， 按 公 式 ????214F???有 : ??4?其 中 ， , aMP20??N35則 : md 189.35216???所 以 滿 足 設(shè) 計(jì) 要 求 。第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 22 -C． 缸 筒 壁 厚 的 設(shè) 計(jì)缸 筒 直 接 承 受 壓 縮 空 氣 壓 力 ， 必 須 有 一 定 厚 度 。 一 般 氣 缸 缸 筒 壁 厚 與 內(nèi)徑 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 根 據(jù) [17]其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 計(jì) 算 :??2pdP???式 中 : — 缸 筒 壁 厚 ， mm?D—?dú)?缸 內(nèi) 徑 ， mm—實(shí) 驗(yàn) 壓 力 ， 取 , PapPp5.1材 料 為 :ZL3, ??aM2??代 入 己 知 數(shù) 據(jù) ， 則 壁 厚 為 : ??2pd????563301..210???m87?取 ， 則 缸 筒 外 徑 為 :m5.2??D4.2?根 據(jù) 以 上 計(jì) 算 選 擇 氣 缸 型 號(hào) 為 ： QGSD q 40×100 B FB其 中 ： QGSD- 普 通 型 單 作 用 氣 缸 ；q –派 生 氣 缸 代 號(hào) ： q=彈 簧 前 置 型 ；40- 汽 缸 內(nèi) 徑 ；100- 氣 缸 行 程 ；B –緩 沖 ： B=緩 沖 可 調(diào) ；FB- 安 裝 方 式 ： FB=后 法 蘭 ；3.2.11 伸縮氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算手 臂 伸 縮 裝 置 由 伸 縮 缸 活 塞 軸 、 伸 縮 缸 體 、 碰 鐵 、 可 調(diào) 定 位 塊 、 定 位 拉桿 、 緩 沖 撞 鐵 、 定 位 塊 聯(lián) 接 盤 和 導(dǎo) 向 桿 等 組 成 。 在 手 臂 右 端 用 管 接 頭 和 氣 管分 別 將 壓 縮 空 氣 引 到 手 腕 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 手 部 夾 緊 氣 缸 ， 手 臂 左 端 的 氣 路 ， 將 壓 縮空 氣 引 到 伸 縮 缸 上 腔 ， 當(dāng) 壓 縮 空 氣 進(jìn) 入 上 腔 后 ， 推 動(dòng) 升 降 缸 體 右 移 ， 并 由 兩個(gè) 導(dǎo) 向 桿 進(jìn) 行 導(dǎo) 向 ， 同 時(shí) 碰 鐵 隨 升 降 缸 體 一 同 右 移 ， 當(dāng) 碰 觸 上 邊 的 可 調(diào) 定 位塊 后 ， 即 帶 動(dòng) 定 位 拉 桿 ,緩 沖 撞 鐵 向 右 移 動(dòng) 碰 觸 左 右 用 液 壓 緩 沖 器 進(jìn) 行 緩 沖 。右 移 行 程 大 小 通 過 調(diào) 整 可 調(diào) 定 位 塊 來 實(shí) 現(xiàn) ， 手 臂 左 移 與 右 移 類 似 。 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 圖如 圖 3-10 所 示 ：第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 23 -圖 3-10 結(jié) 構(gòu) 分 析 簡(jiǎn) 圖A． 驅(qū) 動(dòng) 力 計(jì) 算根 據(jù) 上 圖 力 的 作 用 方 向 ， 可 計(jì) 算 活 塞 的 驅(qū) 動(dòng) 力 F， 參 照 [1]可 知 摩 擦系 數(shù) f=0. 17。a) 根 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 ， 驅(qū) 動(dòng) 力 公 式 為 ：fF?b) 質(zhì) 量 計(jì) 算 :小 臂 升 降 部 分 主 要 由 夾 緊 氣 缸 、 手 臂 、 手 爪 及 相 關(guān) 的 固定 元 件 組 成 。 氣 缸 為 標(biāo) 準(zhǔn) 氣 缸 ， 根 據(jù) 中 國(guó) 煙 臺(tái) 氣 動(dòng) 元 件 廠 的 《 產(chǎn) 品 樣 本 》可 估 其 質(zhì) 量 ， 同 時(shí) 測(cè) 量 設(shè) 計(jì) 的 有 關(guān) 尺 寸 ， 據(jù) 估 計(jì))(30NG?總所 以 代 入 公 式 ： fF總3017.??）（ N5c) 參 照 [17]實(shí) 際 驅(qū) 動(dòng) 力 : ?21KF?實(shí) 際因 為 傳 力 機(jī) 構(gòu) 為 齒 輪 齒 條 傳 動(dòng) ， 參 照 [1]故 取 ， 并 取 94.0?5.1?K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g時(shí) ， 根 據(jù) [17]則 ：22??第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 24 -所 以 ）（實(shí) 際 NF16394.025???所 以 夾 持 工 件 時(shí) 所 需 夾 緊 氣 缸 的 驅(qū) 動(dòng) 力 為 163N.B． 氣 缸 的 直 徑本 氣 缸 屬 于 單 向 作 用 氣 缸 。 以 下 公 式 均 參 照 [17]根 據(jù) 力 平 衡 原 理 ， 單向 作 用 氣 缸 活 塞 桿 上 的 輸 出 推 力 必 須 克 服 彈 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 桿 工 作 時(shí) 的總 阻 力 ， 其 公 式 為 : FzPDFl??421?式 中 : —活 塞 桿 上 的 推 力 ， N1F—彈 簧 反 作 用 力 ， Nl—?dú)?缸 工 作 時(shí) 的 總 阻 力 ， Nz—?dú)?缸 工 作 壓 力 ， PaP彈 簧 反 作 用 按 下 式 計(jì) 算 : ()lfFCS??4138fGdDn121?式 中 : — 彈 簧 剛 度 ， N/mfC— 彈 簧 預(yù) 壓 縮 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS— 彈 簧 鋼 絲 直 徑 ， m1d—彈 簧 平 均 直 徑 ， mD— 彈 簧 外 徑 ， m2— 彈 簧 有 效 圈 數(shù)n一 彈 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP??在 設(shè) 計(jì) 中 ， 必 須 考 慮 負(fù) 載 率 的 影 響 ， 則 :?21lDF??由 以 上 分 析 得 單 向 作 用 氣 缸 的 直 徑 :第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 25 -14()lFDP????代 入 有 關(guān) 數(shù) 據(jù) ， 可 得 4138fGdCn???93437.410(.5)8015????????3677.46??mNlfFCs??3.01??220.6所 以 ： 14()lFDP???????21694.07.6.2035???m.查 有 關(guān) 手 冊(cè) 圓 整 ， 得由 ， 可 得 活 塞 桿 直 徑 :3.0~2?Dd ??mDd5.1~3.?圓 整 后 ， 取 活 塞 桿 直 徑 d18?校 核 ， 按 公 式 ????214F???有 : ??4?其 中 ， , aMP20??N35則 : md 189.35216???所 以 滿 足 設(shè) 計(jì) 要 求 。C． 缸 筒 壁 厚 的 設(shè) 計(jì)缸 筒 直 接 承 受 壓 縮 空 氣 壓 力 ， 必 須 有 一 定 厚 度 。 一 般 氣 缸 缸 筒 壁 厚 與 內(nèi)徑 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 根 據(jù) [17]其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 計(jì) 算 :??2pdP???式 中 : — 缸 筒 壁 厚 ， mm?D—?dú)?缸 內(nèi) 徑 ， mm—實(shí) 驗(yàn) 壓 力 ， 取 , PapPp5.1第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 26 -材 料 為 :ZL3, ??aMP2.1??代 入 己 知 數(shù) 據(jù) ， 則 壁 厚 為 : ??2pd????563301..210???m87?取 ， 則 缸 筒 外 徑 為 :m5.2??D4.2?根 據(jù) 以 上 計(jì) 算 選 擇 氣 缸 型 號(hào) 為 ： QGSD q 40×100 B LB其 中 ： QGSD- 普 通 型 單 作 用 氣 缸 ；q –派 生 氣 缸 代 號(hào) ： q=彈 簧 前 置 型 ；40- 汽 缸 內(nèi) 徑 ；100- 氣 缸 行 程 ；B –緩 沖 ： B=緩 沖 可 調(diào) ；LB- 安 裝 方 式 ： LB=軸 向 底 座 ；3.2.12 回轉(zhuǎn)氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 械 手 手 臂 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 的 機(jī) 構(gòu) 形 式 是 多 種 多 樣 的 ， 常 用 的 有 葉 片 式 回轉(zhuǎn) 缸 、 齒 輪 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 、 鏈 輪 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 、 連 桿 機(jī) 構(gòu) 等 。 在 本 機(jī) 械 手 中 ， 手 臂 回轉(zhuǎn) 裝 置 由 回 轉(zhuǎn) 缸 體 、 轉(zhuǎn) 軸 、 定 片 、 回 轉(zhuǎn) 定 位 塊 、 回 轉(zhuǎn) 中 間 定 位 塊 和 回 轉(zhuǎn) 用 液壓 緩 沖 器 (此 部 件 位 置 參 見 附 圖 )等 組 成 。 當(dāng) 壓 縮 空 氣 通 過 管 路 分 別 進(jìn) 入 手臂 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 的 兩 腔 時(shí) ， 推 動(dòng) 動(dòng) 片 連 同 轉(zhuǎn) 軸 一 同 回 轉(zhuǎn) ， 轉(zhuǎn) 軸 通 過 平 鍵 而 帶 動(dòng) 升降 氣 缸 活 塞 軸 、 定 位 塊 聯(lián) 接 盤 、 導(dǎo) 向 桿 、 定 位 拉 桿 、 升 降 缸 體 和 轉(zhuǎn) 柱 等 同 步回 轉(zhuǎn) 。 因 轉(zhuǎn) 柱 和 手 臂 用 螺 栓 連 接 ， 故 手 胃 亦 作 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 。手 臂 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 采 用 矩 形 密 封 圈 來 密 封 ， 密 封 性 能 較 好 ， 對(duì) 氣 缸 孔 的 機(jī)械 加 工 精 度 也 易 于 保 證 。手 臂 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 采 用 多 點(diǎn) 定 位 緩 沖 裝 置 ， 其 工 作 原 理 見 回 轉(zhuǎn) 用 液 壓 緩 沖器 部 分 。 手 臂 回 轉(zhuǎn) 角 度 的 大 小 ， 通 過 調(diào) 整 兩 塊 回 轉(zhuǎn) 定 位 塊 和 回 轉(zhuǎn) 中 間 定 位 塊的 位 置 而 定 。 在 機(jī) 械 手 的 手 腕 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 中 所 采 用 的 回 轉(zhuǎn) 缸 是 單 葉 片 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 ，它 的 工 作 原 理 如 圖 3-10所 示 ， 定 片 1與 缸 體 2固 連 ， 動(dòng) 片 3與 回 轉(zhuǎn) 軸 5固 連 。動(dòng) 片 封 圈 4把 氣 腔 分 隔 成 兩 個(gè) .當(dāng) 壓 縮 氣 體 從 孔 a進(jìn) 入 時(shí) ， 推 動(dòng) 輸 出 軸 作 逆時(shí) 4回 轉(zhuǎn) ， 則 低 壓 腔 的 氣 從 b孔 排 出 。 反 之 ， 輸 出 軸 作 順 時(shí) 針 方 向 回 轉(zhuǎn) 。第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 27 -圖 3-10 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 示 意 圖參 照 [17]單 葉 片 氣 缸 的 壓 力 p和 驅(qū) 動(dòng) 力 矩 M的 關(guān) 系 為 ：??2rRPb??（ 3-13）或 ??2rRb?式 中 : M- 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 的 驅(qū) 動(dòng) 力 矩 ;cmN?P- 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 的 工 作 壓 力 ;??R- 缸 體 內(nèi) 壁 半 徑 ;?cr- 輸 出 軸 半 徑 ;mb- 動(dòng) 片 寬 度 .?上 述 驅(qū) 動(dòng) 力 矩 和 壓 力 的 關(guān) 系 式 是 對(duì) 于 低 壓 腔 背 壓 為 零 的 情 況 下 而 言 的 。若 低 壓 腔 有 一 定 的 背 壓 ， 則 上 式 中 的 P應(yīng) 代 以 工 作 壓 力 與 背 壓 之 差 。1P2根 據(jù) 以 上 計(jì) 算 選 擇 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 型 號(hào) 為 ： QGH 2 50×180 B F S R其 中 ： QGH- 齒 桿 式 回 轉(zhuǎn) 擺 動(dòng) 氣 缸 ；2 - 派 生 氣 缸 代 號(hào) ： 2=雙 出 軸 ；50- 氣 缸 內(nèi) 徑 ；第 三 章 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)- 28 -180- 回 轉(zhuǎn) 動(dòng) 擺 動(dòng) 角 度 ；B –緩 沖 ： B=可 調(diào) 緩 沖 ；F – 法 蘭 ；S – 單 桿 基 本 型 ；R – 耐 熱 型 ； R=采 用 氟 橡 膠 密 封 件 ， 最 高 耐 溫 200°。