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編號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 門架式專用工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) The designing of a machinery manipulator on a doorframe 學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 機(jī)械電子工程 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 分 院 機(jī)電工程分院 2012 年 6 月 摘 要 本文以“門架式專用工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)”為題目，設(shè)計(jì)了一個(gè)多自由度固定 機(jī)械手，使其具有水平旋轉(zhuǎn)、上下擺動(dòng)、并抓取一組物體等功能。 在先期工作中，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行功能原理分解。設(shè)計(jì)可行性方案并進(jìn)行對(duì)比， 選出最優(yōu)方案。本文的重點(diǎn)有二個(gè)方面： 文中設(shè)計(jì)了機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，使用 CAD 和 CATIA 完成機(jī)械手的總 體裝配圖和非標(biāo)零件的設(shè)計(jì)，并結(jié)合力學(xué)知識(shí)對(duì)各非標(biāo)零件進(jìn)行校核計(jì)算。其 中包括外觀改進(jìn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)踐需要，對(duì)機(jī)械手的傳動(dòng)方案——液壓傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 運(yùn)用 CAD 繪制原理圖。結(jié)合機(jī)械實(shí)體結(jié)構(gòu)布置液壓系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：微型件 機(jī)械手 門架式 ABTRACT This paper takes the project “The designing of a machinery manipulator for auto polishing of miniature parts” as the study background, designs a fixed manipulator which it has freedom 11.The manipulator has some functions, that it can turn in horizontal plane, swing in vertical plane and capture many miniature parts. In the authors prior work, the manipulator of function is decomposed. Some of reasonable plans are designed. They are contrasted and the best plan is took. The focus of the paper is on three aspects: At first, this paper designs the manipulator of machinery structure, use CAD and CATIA to finishes its Auto CAD and non-standard parts in mechanics. This part of the paper is consist of outward appearance and machinery construction, that they are improved and optimized. The second, the paper designs a plan of manipulator’s transmission----hydraulic pressure transmission by parameters of design and practice of demand and finishes the schematic diagram in CAD. The system of hydraulic pressure is designed according the machinery structure. At last, the paper finally puts forward the electric control strategy of the manipulator, and use the CAD and CATIA to finish the schematic diagram of electric control. Keywords: Miniature parts Manipulator Polishing 目錄 緒 論 ............................................................................................................................1 1 機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r ..................................................1 2 課題背景及研究意義 ..............................................1 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及方案評(píng)價(jià) ......................................................................................3 1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與功能原理分析 ........................................3 1.2 機(jī)械手的配置和工作原理 ........................................3 1.3 解決原理 ......................................................4 1.4 方案的分析和決策 ..............................................5 第二章 結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì) ..................................................................................................7 2.1 門架式專用工業(yè)機(jī)械手總體方案 ..................................7 2.2 機(jī)械手的部件設(shè)計(jì) ..............................................8 2.2.1 機(jī)械手的機(jī)架設(shè)計(jì) ........................................................................................8 2.2.2 小車的設(shè)計(jì) ..................................................................................................10 2.2.3 機(jī)械手臂 ......................................................................................................12 2.2.4 夾持器設(shè)計(jì) ..................................................................................................13 第三章 部件計(jì)算與校核 ............................................................................................15 3.1 橫梁的計(jì)算 ...................................................15 3.2 小車計(jì)算 .....................................................17 3.2.1 小車速度計(jì)算 .............................................................................................17 3.2.2 小車精度計(jì)算 .............................................................................................17 3.2.3 小車電機(jī)功率計(jì)算 .....................................................................................18 3.2.4 小車零件計(jì)算 .............................................................................................18 3.3 手臂計(jì)算 .....................................................21 3.3.1 手臂汽缸計(jì)算 .............................................................................................21 3.3.2 手手腕處擺動(dòng)減速電機(jī)計(jì)算 .....................................................................21 3.4 夾持器計(jì)算 ...................................................24 第四章 氣動(dòng)原理設(shè)計(jì) ................................................................................................28 4.1 驅(qū)動(dòng)方式 .....................................................28 4.2 工作原理 .....................................................28 4.2.1 手臂升降汽缸 ..............................................................................................28 4.2.2 手臂回轉(zhuǎn)汽缸 ..............................................................................................29 4.2.3 夾緊缸 ..........................................................................................................30 4.2.4 氣源處理 ......................................................................................................30 第五章 機(jī)械手的控制設(shè)計(jì) ........................................................................................32 I 5.1 基本設(shè)計(jì)思路 .................................................32 5.2 單片機(jī)的選擇 .................................................32 5.3 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 ...............................................34 5.4 流程圖 .......................................................36 5.5 匯編程序 .....................................................37 總結(jié) ..............................................................................................................................40 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................41 致 謝 ..........................................................................................................................42 0 緒 論 1 機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。機(jī)械手又稱為自動(dòng)手，auto hand。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。 1948 年諾伯特·維納出版《控制論》 ，闡述了機(jī)器人中的通信和控制機(jī)能與人的神 經(jīng)，感覺機(jī)能的共同規(guī)律，率先提出從計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。1954 年，美國科 學(xué)家 George Devol 取得了附有重放記憶裝置的第一臺(tái)機(jī)械手的專利權(quán)，該設(shè)備能執(zhí)行 從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的受控運(yùn)動(dòng)(即點(diǎn)一點(diǎn)運(yùn)動(dòng))，這被認(rèn)為是“機(jī)器人時(shí)代”的開始。五 年后，George Devol 與美國發(fā)明家約瑟夫 ·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器。 [1]隨 后，成立世界上第一家機(jī)器人制造工廠—vnimqtion 公司，由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器 人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“機(jī)器人之父” 。1970 年，機(jī)器人學(xué)界早期的改革家之 一，Victor Schenman 在斯坦福大學(xué)演示了一種計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)械手，這就是非常 著名的斯坦福機(jī)械手。它非常先進(jìn)，技術(shù)很復(fù)雜，迄今還被很多研究中心使用。70 年 代以后，機(jī)械手和以機(jī)械手為核心的自動(dòng)化設(shè)備在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，尤其在日本，有了 廣泛的應(yīng)用。由工業(yè)機(jī)械手與其它設(shè)備組成的生產(chǎn)線極大的提高了企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率， 提高和穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，大大縮短了產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期。這些應(yīng)用在很大程度上激 發(fā)了人們對(duì)機(jī)械手的研究和開發(fā)，它的技術(shù)也因此取得了長足的進(jìn)步。到了 80 年代， 人們?yōu)榱俗寵C(jī)器人技術(shù)向各行各業(yè)擴(kuò)展、應(yīng)用，于是有了用于社會(huì)服務(wù)、海洋開發(fā)、 宇宙空間、地下采礦、軍事作戰(zhàn)、救災(zāi)搶險(xiǎn)等領(lǐng)域的機(jī)器人。應(yīng)用于這些領(lǐng)域的機(jī)器 人，絕大多數(shù)都是由機(jī)械手和與之對(duì)應(yīng)的安裝平臺(tái)組成的。上世紀(jì) 90 年代，隨著計(jì) 算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展和它們之間的相互整合，機(jī)械手技術(shù) 得到了飛速發(fā)展。再到一直到 2006 年 6 月，微軟公司推出 microsoft robotics studio，機(jī)器人模塊化，平臺(tái)統(tǒng)一化的趨勢(shì)越來越明顯，比爾·蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人 很快將席卷全球。經(jīng)過了 40 年的發(fā)展，現(xiàn)在全世界已裝備了 90 余萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人， 種類達(dá)數(shù)十種，他們有許多領(lǐng)域?yàn)槿祟惖纳a(chǎn)和人活服務(wù)。 2 課題背景及研究意義 機(jī)械手的發(fā)展已有近 400 年的歷史了?，F(xiàn)在全世界已有近 100 萬臺(tái)機(jī)械手在運(yùn)行， 機(jī)械手對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)方面，已產(chǎn)生重要的影響 5 機(jī)械手技術(shù)已成為當(dāng) 1 今主導(dǎo)技術(shù)之一。隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng) 化的各個(gè)行業(yè)。 工業(yè)機(jī)械手人又稱通用自動(dòng)機(jī)械手， 是一種“獨(dú)立”的可變程序的自動(dòng)機(jī)械手 [2]。 它是在五十年代末期出現(xiàn)， 近年來才迅速發(fā)展起來的重要自動(dòng)化裝置， 現(xiàn)已成為實(shí) 現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的一種重要手段。拋光作業(yè)是一種非常艱苦的勞動(dòng)。操作者總是處于噪 音大，粉塵多的環(huán)境中。操作者總是技術(shù)熟練的老工人，也是必存在老齡化的問題。 也給企業(yè)帶來人手不足的問題。另外，隨著技術(shù)快速發(fā)展，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)越來越高，零件 越來越小，精度越來越高，手工藝不能滿足其要求，此時(shí) 工業(yè)機(jī)械手開始發(fā)揮其潛能，并占有越來越重要的地位。 本課題設(shè)計(jì)的是機(jī)加自動(dòng)線機(jī)械手，主要用于機(jī)床的上料卸料動(dòng)作，例如在六角 車床上。 手臂要求承載能力 20KG，手臂數(shù)量 2，自由度 9，小車左右行程 3500mm，手臂 最大垂直行程 630mm，手臂擺動(dòng)范圍 30°。手腕轉(zhuǎn)角 90°。線位移最高速度：小車 1.2m/s，手臂 0.5m/s，最大角位移速度：手腕轉(zhuǎn)動(dòng) 90°/S，手腕擺動(dòng) 90°/S，夾持器轉(zhuǎn) 動(dòng) 90°/S。驅(qū)動(dòng)方式：機(jī)電，氣壓。 本課題研究不僅能大幅降低加工成本，還能顯著提高微型件的表面質(zhì)量。因此將 機(jī)器人應(yīng)用于微型件加工替代手工操作前景廣闊，不僅能大幅度提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn) 品質(zhì)量，而且還能解決熟練勞動(dòng)力的短缺問題。 2 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及方案評(píng)價(jià) 1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與功能原理分析 由于原理方案設(shè)計(jì)是機(jī)械手產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第一步，是對(duì)產(chǎn)品成敗、好壞起決定性的 作用的工作，所以必須慎重。 可以從以下方面來考慮 能量方面、安全方面、人機(jī)工程方面、運(yùn)動(dòng)方面、創(chuàng)造方面、檢查方面、作用方 面、裝配方面、運(yùn)輸方面、使用方面、材料方面、維修及回收方面、幾何關(guān)系方面、 費(fèi)用方面、驅(qū)動(dòng)方面、執(zhí)行方面、設(shè)計(jì)期限方面 1.功能分析 (1) 明確功能目標(biāo) 對(duì)所要求功能抽象化后，將系統(tǒng)功能合理的分成幾組，以便設(shè)計(jì)需要。 (2) 功能組合 功能分解為功能組合提供了組合元素，功能組和的目的是形成多種形成以達(dá)到設(shè) 計(jì)功能目標(biāo)的集合化，即功能結(jié)構(gòu)。顯然功能結(jié)構(gòu)形成的多樣性與功能分解的合理與 否有很大的聯(lián)系 [6]。 2.尋找解決方案原理 解決原理在機(jī)械設(shè)計(jì)及方法中又叫原理作用，所謂作用原理基本上就是把物理學(xué) 中的物理效應(yīng)體現(xiàn)在機(jī)械原理中的機(jī)構(gòu)上，達(dá)到完成設(shè)計(jì)任務(wù)的目的。尋找作用原理 目的，就是要找到一種物理效應(yīng)，并將其與合理的機(jī)構(gòu)最終形成解決問題的方案。 改變物理效應(yīng)，改變幾何特征都能獲得實(shí)現(xiàn)某一功能的解決原理，大多數(shù)的設(shè)計(jì) 中，參考已有資料，從物理效應(yīng)著手尋找解決原理，利用表格和機(jī)械原理簡圖表達(dá)出 來。 3.原理組合 根據(jù)功能結(jié)構(gòu)把尋找到的作用原理。組合在一起，形成實(shí)現(xiàn)總功能的各種功能原 理方案。 4.方案評(píng)價(jià) 在所中介的各個(gè)方案中，通過各方面要求進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇出最佳。 1.2 機(jī)械手的配置和工作原理 門架機(jī)械手的配置，如圖 1-1 所示。門架機(jī)械手設(shè)置在機(jī)床上方，機(jī)床主要為臥 室機(jī)床，也可以為加工中心，取料和上料主要靠從機(jī)床上方空間完成動(dòng)作 [7]。機(jī)械手 需要滿足功能列舉如下： 3 圖 1-1 機(jī)械手圖示 1、在機(jī)床加工前后，需要門架機(jī)械手搬運(yùn)毛坯和成品，輸送線或者是料倉一半 在機(jī)床旁，因此機(jī)械手需要有橫向大范圍的移動(dòng)功能。能滿足上料時(shí)毛坯庫范圍，下 料后成品庫范圍。 2、每臺(tái)機(jī)械手還需要具有升降功能，安裝，取下產(chǎn)品都需要從機(jī)床上方經(jīng)過， 因此升降功能需要行程只要滿足物料能夠順利通過。 3、在取料，上料過程中，為了提高節(jié)拍，需要馬上取料后再裝料，因此需要兩 只手同時(shí)操作。 4、安裝，取料，根據(jù)不同工件毛坯的形態(tài)，需要機(jī)械手臂能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，擺動(dòng) 功能，以便于滿足安裝姿態(tài)的需要。 5、根據(jù)工件的尺寸大小，夾持需要滿足多種尺寸的工件，因此范圍夾持也是機(jī) 械手的必須功能。 1.3 解決原理 根據(jù)機(jī)械手各部分的工作原理及要求，列出原理模塊圖標(biāo)如下表 1-1 表 1-1 機(jī)械手工作原理 功 能 A B C 1.機(jī) 械 臂 平 移 齒 輪 齒 條 移 動(dòng) 絲 桿 螺 母 驅(qū) 動(dòng) 2.機(jī) 械 臂 升 降 氣 動(dòng) 絲 桿 螺 母 驅(qū) 動(dòng) 齒 輪 齒 條 4 功 能 A B C 3.手 臂 俯 仰 電 機(jī) ＋ 齒 輪 氣 動(dòng) 液 壓 4.手 臂 回 轉(zhuǎn) 電 機(jī) 氣 動(dòng) 液 壓 5.運(yùn) 動(dòng) 控 制 機(jī) 電 ＋ 氣 動(dòng) 機(jī) 電 ＋ 液 壓 氣 動(dòng) ＋ 液 壓 1.4 方案的分析和決策 1 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是進(jìn)行評(píng)價(jià)的依據(jù)。通常都使用多個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，有的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可用定量 的參量表征，有的則不能。 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則來源于設(shè)計(jì)所要達(dá)到的目標(biāo)，具體的說，就是從要求明細(xì)表里包含的各 項(xiàng)要求和愿望中提取 [8]。 2 衡量尺度 采用“價(jià)值”或“有效價(jià)值”作為方案評(píng)價(jià)的衡量尺度。 所謂價(jià)值，是基于實(shí)際的測(cè)量結(jié)果或估計(jì)結(jié)果相對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行比較得到的主觀 認(rèn)識(shí)，具有很大的主觀成分，故又可說這一工作是“主觀步驟” 。 3 評(píng)價(jià)方法 本文涉及采用排除法來解決方案選擇問題，排除法是指針對(duì)多種方案，首先去掉 不能滿足功能的方案，再次去掉復(fù)雜繁冗方案最后所得的方案經(jīng)過探討而決定選用滿 足功能價(jià)格低廉的方案： 相比機(jī)電，氣動(dòng)，液壓三種動(dòng)力和控制方案， 液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)有： 液壓傳動(dòng)目前用得最多的一種傳動(dòng)方式，壓力可在 1~30Mpa， 。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 多用于要求臂力較大而運(yùn)動(dòng)速度較低的工作場(chǎng)合。 1) 驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩較大，臂力可達(dá) 100 公斤； 2) 速度反應(yīng)性較好。因?yàn)楸或?qū)動(dòng)件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當(dāng) 不考慮油液的溫度變化時(shí)，被驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，而且液壓機(jī)構(gòu)的適量輕、 慣性小，因此它的速度反應(yīng)性較好； 3) 調(diào)速范圍較大，而且可以無級(jí)調(diào)速，易于適應(yīng)不同的工作要求； 4) 傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實(shí)現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向； 5) 在產(chǎn)生相同驅(qū)動(dòng)力的條件下，液壓驅(qū)動(dòng)比其他驅(qū)動(dòng)方式體積小、重量輕、慣 5 性小。 液壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)： 1) 液壓體積龐大，需要液壓站，不利于在局促空間下布置。 2) 液壓系統(tǒng)噪音大，漏油現(xiàn)象常有，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響惡劣。 3) 液壓系統(tǒng)造價(jià)高，一般用于重載。 4) 油液中如果混入氣體，將降低傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性，影響定位精度(產(chǎn)生爬行) 。 5) 油液的溫度和粘度變化影響傳動(dòng)性能。 因?yàn)橐簤阂话銘?yīng)用于重載，在輕載方面，完全可以通過氣壓傳動(dòng)替代，因此，本 方案排除液壓。 相對(duì)于液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)又各有以下特點(diǎn)： 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)有： 氣壓傳動(dòng)的壓力一般在 40～60N/cm 2，個(gè)別達(dá)到 80～100N/cm 2，一般臂力在 300N 以下。氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，常用于臂力小于 30 公斤、運(yùn)動(dòng)速度較快以及高溫、 低溫、高粉塵等工作條件較惡劣的場(chǎng)合。 1) 通過調(diào)節(jié)氣流，就可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速； 2) 由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手動(dòng)作速度快； 3) 壓縮空氣可從大氣中吸取，故動(dòng)力源獲得方便、價(jià)格低廉，而且廢氣直接排放 在大氣中； 4) 由于壓縮空氣粘度小，因此在管路中的壓力損失也很小，一般其阻力損失不到 油液在油路中損失的千分之一；故壓縮空氣可以集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送； 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn) 1) 壓縮空氣的壓縮性較大，因此使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差，定位精度較低， 2) 壓縮空氣排到大氣中時(shí)噪聲較大 3) 另外還須考慮潤滑和防銹等 4) 耐壓縮空氣的工作壓力較低，致使機(jī)械手結(jié)構(gòu)較大。 通過考慮方案的經(jīng)濟(jì)性，安全性，耗能的合理性等等，過多的液壓缸、凸輪等非 標(biāo)零件會(huì)造成生產(chǎn)和維修的困難；像凸輪等零件、多級(jí)機(jī)械傳動(dòng)又會(huì)造成定位準(zhǔn)確性 差；完全的電子控制會(huì)造成耗能量大的缺點(diǎn)；還要考慮生產(chǎn)時(shí)的機(jī)械穩(wěn)定性和零件的 壽命；同時(shí)對(duì)周圍生產(chǎn)環(huán)境的影響…各因素都要加入到各方案中。 綜上所訴，對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行組合，可得出最合理的方案： 方案：1A—2B+C—3A—4B—5A 6 第二章 結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì) 2.1 門架式專用工業(yè)機(jī)械手總體方案 圖 2-1 門架式專用工業(yè)機(jī)械手 1 、門架式機(jī)身 2、 移動(dòng)式小車 3、機(jī)械臂 4、夾持器 門架機(jī)械手主要由 4 個(gè)部分組成，分別是 1 、門架式機(jī)身， 2 、移動(dòng)式小車， 3、機(jī)械臂， 4、夾持器。 其中門架式機(jī)身是整個(gè)機(jī)械手的“身軀”，負(fù)責(zé)機(jī)械手的空間支撐和橫向滑移提 供軌道。門架式機(jī)身上安裝有鋼軌，齒條，和死檔。鋼軌用于小車移動(dòng)和導(dǎo)向，齒條 用于小車移動(dòng)精確定位，死檔作為安全裝置，保證小車不移出機(jī)身。 小車由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)，在齒條上行走，步進(jìn)電機(jī)可以精確到一個(gè)弧度，再 加上減速機(jī)的誤差縮小，可以使得小車定位精度非常高。通過估計(jì)，小車定位精度在 0.1mm。 機(jī)械手臂升降依靠汽缸升降，行程位置可以靠汽缸的極限位置或者死檔限制。因 為起吊高度沒必要精確定位，只需要汽缸到達(dá)固定位置就行。所以省略了依靠電機(jī)驅(qū) 動(dòng)升降。 7 手腕固定在機(jī)械臂上，因?yàn)楣ぜ旧碇亓枯^輕，所以手腕依靠氣壓機(jī)型旋轉(zhuǎn)，夾 持作用。即可滿足功能。 2.2 機(jī)械手的部件設(shè)計(jì) 2.2.1 機(jī)械手的機(jī)架設(shè)計(jì) 機(jī)架是機(jī)械手的關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度關(guān)系到生產(chǎn)的安全，其剛度關(guān)系到設(shè)備運(yùn)行精 度和順暢度。 機(jī)架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為： 1）工況要求 機(jī)架的設(shè)計(jì)首先必須保證工況的要求，例如保證機(jī)架上安裝的零件能夠順利運(yùn)轉(zhuǎn)， 機(jī)架的外形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致有阻礙運(yùn)動(dòng)件通過的突起，設(shè)置執(zhí)行某一工況所必須的平 臺(tái)，保證上下料的要求。 2）鋼度要求 保證特定外形條件下，對(duì)機(jī)架的主要要求是剛度，例如機(jī)床上的零部件中，床身 決定了機(jī)床的生產(chǎn)率和加工精度。 3）強(qiáng)度要求 對(duì)于一般的機(jī)架，剛度達(dá)到要求了強(qiáng)度也滿足要求了，但對(duì)于重載設(shè)備的強(qiáng)度要 求也必須引起重視。其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中可能發(fā)生最大載荷的情況下，機(jī)架上的 任何一點(diǎn)應(yīng)力不能大于機(jī)床的許用應(yīng)力。 4）穩(wěn)定性要求 對(duì)于細(xì)長的或者薄壁的受壓結(jié)構(gòu)及受彎-壓結(jié)構(gòu)，存在失穩(wěn)的可能，某些板殼結(jié)構(gòu) 也存在失穩(wěn)問題。失穩(wěn)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的破壞，所以必須校核。 5）美觀 對(duì)于機(jī)器的要求不僅要滿足要求，還應(yīng)美觀大方。 6）其他 如散熱要求，防腐蝕要求等等。 機(jī)架設(shè)計(jì)如圖 2-2、圖 2-3 所示： 8 圖 2-2 機(jī)身組件 圖 2-3 CATIA 畫的機(jī)身的三維圖 機(jī)身組件主要由立柱、 橫梁構(gòu)成 [9]，立柱和橫梁都是結(jié)構(gòu)焊件，在設(shè)計(jì)過程中， 本身兩個(gè)立柱更靠近一些，對(duì)橫梁的受力更好，但是考慮橫梁中間是機(jī)床，因此兩根 立柱跨距較大。橫梁用矩形鋼管作為骨架，上下面焊接有鋼板，增強(qiáng)抗彎強(qiáng)度。 9 2.2.2 小車的設(shè)計(jì) 圖 2-4 小車組件 1 小車車身 2 驅(qū)動(dòng)減速部分 本設(shè)計(jì)課題中涉及到小車左右移動(dòng)需要精確定位，而且要快速移動(dòng)，滾珠絲杠可 以精確定位，但是速度較慢，因此采用齒輪齒條移動(dòng)定位 [10]。從圖 2-4 可以看出，小 車上下兩排滾輪，固定在上下鋼軌上，驅(qū)動(dòng)減速部分固定在車身上。 10 1 輸出軸 2 步進(jìn)電機(jī) 3 減速箱 4 安全制動(dòng)器 圖 2-5 驅(qū)動(dòng)減速部分 從圖 2-5 為驅(qū)動(dòng)減速部分。其大概由 1、輸出軸， 2、步進(jìn)電機(jī)， 3、安全制動(dòng) 器， 4、減速箱四個(gè)主要部分構(gòu)成。 其中 2 步進(jìn)電機(jī)是整個(gè)箱體的動(dòng)力源，步進(jìn)角 0.72°，經(jīng)過減速機(jī)減速比 3，輸出 步距角在 0.24°，經(jīng)計(jì)算小車精度在 0.1mm，完全滿足使用要求。 3 減速箱為 2 級(jí)減速，箱體為鑄件，前后箱體之間用密封紙墊密封。減速箱注液 壓油，用于潤滑和冷卻箱體。箱體內(nèi)還有甩油盤，對(duì)箱體內(nèi)零件甩油潤滑。 4 安全制動(dòng)器 [11]設(shè)計(jì)為在檢修時(shí)，或者在某些緊急情況下實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)，安全制 動(dòng)器可以由電磁控制離合，也可以由手柄來手動(dòng)控制離合。其中一旦手動(dòng)制動(dòng)后，必 須要手動(dòng)解制動(dòng)制動(dòng)器才能工作。制動(dòng)器為摩擦片制動(dòng)器，通過摩擦片制動(dòng)，有效緩 解制動(dòng)沖擊。 11 2.2.3 機(jī)械手臂 1 機(jī)械手臂安裝座 2 汽缸 3 升降臂 4 步進(jìn)電機(jī) 5 擺動(dòng)手腕座 6 擺動(dòng)手腕 7 減速電機(jī)。 圖 2-6 機(jī)械臂 機(jī)械臂的升降動(dòng)力源是汽缸，由于升降行程是 630，汽缸長度過長，導(dǎo)致手臂部 分尺寸過大，因此采用了機(jī)械上典型的倍速結(jié)構(gòu) [12]。 倍速原理是通過圓在平面滾動(dòng)，頂端的速度是圓心的速度的兩倍，在此結(jié)構(gòu)中， 圓心速度和行程為頂端速度和行程的一半，一次，要滿足升降的行程，只需要汽缸行 程為升降高度一半即可。 手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)通過步進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)，升降臂內(nèi)部一根心軸傳動(dòng)到手腕的。步進(jìn)電機(jī)的精 度可以保證手腕旋轉(zhuǎn)?？吭谌我饨嵌?。極限位置通過設(shè)置接近傳感器控制，另外還設(shè) 置有死檔，保證在極端情況下手腕的轉(zhuǎn)角不能過大造成安全隱患。 手腕的擺動(dòng)通過減速電機(jī)帶動(dòng)齒輪，驅(qū)動(dòng)手腕擺動(dòng)。其中減速電機(jī)是指減速機(jī)和 電機(jī)( 馬達(dá) )的集成體。這種集成體通常也可稱為齒輪馬達(dá)或齒輪電機(jī)。通常由專業(yè)的 減速機(jī)生產(chǎn)廠進(jìn)行集成組裝好后成套供貨。減速電機(jī)廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)、機(jī)械行業(yè) 等。使用減速電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是簡化設(shè)計(jì)、節(jié)省空間。 12 2.2.4 夾持器設(shè)計(jì) 夾持器是用來抓取工件的部分。夾持器抓取工件要滿足迅速，靈活，準(zhǔn)確和可靠 的要求，所以機(jī)械手的夾持器是機(jī)械手的關(guān)鍵部位之一。設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)時(shí)，首先應(yīng)從 機(jī)械手的坐標(biāo)形式，運(yùn)動(dòng)速度和加速度的情況來考慮，其夾緊力的大小則應(yīng)根據(jù)物體 的重量，慣性和沖擊力的大小來確定，同時(shí)要考慮到有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)工件 的尺寸變化，為了防止夾壞工件，夾緊力應(yīng)在一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片，彈性 襯墊或自動(dòng)定心結(jié)構(gòu)。夾緊結(jié)構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，動(dòng)作靈活和工 作可靠 [13]。 夾緊機(jī)構(gòu)的分類： 夾緊機(jī)構(gòu)形式多樣，有機(jī)械式；吸盤式和電磁式等。有的夾緊機(jī)構(gòu)還帶有傳感裝 置和攜帶工具進(jìn)行操作的裝置。本設(shè)計(jì)的夾緊機(jī)構(gòu)采用機(jī)械式，下面對(duì)機(jī)械式夾緊機(jī) 構(gòu)介紹如下： 機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運(yùn)動(dòng)方式和模 仿人手動(dòng)作可分為回轉(zhuǎn)型、直進(jìn)型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式，外撐式和自鎖式；按 手指數(shù)目可分為三指式，二指式；按動(dòng)力源則分為彈簧式、氣動(dòng)式、液壓式等。 機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)是由驅(qū)動(dòng)元件，手爪支持部件，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，手指及各種墊片，附件 等組成。 （1）驅(qū)動(dòng)元件：主要有油缸，彈簧等。 （2）手爪支持部件：一般固定在手腕和手臂上，而驅(qū)動(dòng)件，傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)和手指安裝在手爪的支持部件上； （3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：是把活塞桿的運(yùn)動(dòng)變成手指開閉運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，有 齒條，齒輪機(jī)構(gòu)杠桿滑槽機(jī)構(gòu)，及鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)等。它不僅把活塞桿的運(yùn)動(dòng)傳遞給手 指，而且又將這個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成為力的倍增機(jī)構(gòu)。 13 1 回轉(zhuǎn)汽缸 2 夾緊汽缸 3 夾緊手指 圖 2-7 夾 持 器 見圖 2-7，夾持器主要由 1 回轉(zhuǎn)汽缸實(shí)現(xiàn)夾持器的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，2 夾緊汽缸通過推 動(dòng)活塞，推動(dòng)楔形塊前后運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng) 3 手指夾緊動(dòng)作。當(dāng)夾緊缸放松，彈簧回位，手臂 松開。 14 第三章 部件計(jì)算與校核 3.1 橫梁的計(jì)算 橫梁的受力較為簡單，受力簡圖如圖 3-1、圖 3-2 所示?，F(xiàn)對(duì)橫梁進(jìn)行強(qiáng)度校核。 圖 3-1 門架受力簡圖 圖 3-2 門架受力圖化簡 1 求支反力 (3-1)NFFCYBDYA150??? 2 繪制剪切力圖 15 圖 3-3 剪切力圖 3 繪制彎矩圖 經(jīng)計(jì)算，最大彎矩段為 BC 段，取 BC 中點(diǎn)計(jì)算 (3-2)m105.7321506?????NLFMY中 圖 3-4 彎矩圖 根據(jù)截面計(jì)算 圖 3-5 截面圖 (3-3)36cm102.??ZW 16 于是有 (3-4)a.1301.3)0(12.753626max MPWMZAX ?????? 材料 Q235 的屈服應(yīng)力是 235MPa，因此計(jì)算得出 (3-5)][a.bax??P 強(qiáng)度大有富裕，考慮到剛度影響，此結(jié)果較為合理。 3.2 小車計(jì)算 3.2.1 小車速度計(jì)算 本 課 題 中 小 車 要 求 速 度 在 =1.2m/s，fV 步 進(jìn) 電 機(jī) 最 高 轉(zhuǎn) 速 在 =6000r/minin 減 速 比 為 i=9 則 經(jīng) 過 減 速 機(jī) ， 輸 出 轉(zhuǎn) 速 = /i=3000r/min=16r/s (3-6)OVn 輸 出 齒 輪 節(jié) 圓 直 徑 d=38mm 那 么 小 車 移 動(dòng) 速 度 =πd =1989mm/s=1.98m/s (3-7)FVO 因 為 步 進(jìn) 電 機(jī) 速 度 可 調(diào) ， 那 么 速 度 滿 足 1.2m/s 3.2.2 小車精度計(jì)算 步進(jìn)電機(jī)步 進(jìn) 角 r=0.72°， 經(jīng) 過 減 速 機(jī) 減 速 比 i=9， 那 么 減 速 機(jī) 輸 出 軸 輸 出 步 距 角 =0.08°，OR 輸出齒輪節(jié)圓直徑 d=38mm 那么每一步距，小車的移動(dòng)距離，就是指小車的精度 17 S= ×πd/360=0.026mmOR 小 車 精 度 在 0.026mm， 完 全 滿 足 使 用 要 求 。 3.2.3 小車電機(jī)功率計(jì)算 1.總傳動(dòng)效率計(jì)算 由已知條件計(jì)算小車移動(dòng)需要功率 =F×VwP 其中 F——摩擦力 V——小車移動(dòng)速度 取鋼與鋼之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù) μ=0.05 正壓力 N=3000N 其中 N 是小車，手臂， 和夾持器及工件的重量。 則摩擦力 F=μ×N=0.05×3000=150N (3-8) 那么輸出功率 =F×V=150N×1.2m/s=180W (3-9)wP 取減速機(jī)效率 η=0.7 系數(shù) 3 那么輸入功率，也就是電機(jī)功率 (3-10)Wi 80.???? 3.2.4 小車零件計(jì)算 根據(jù)小車的特性，由電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)齒輪箱減速，在輸入軸齒輪中，載荷不大， 但轉(zhuǎn)速不高，因此可以不用對(duì)其計(jì)算并校核。而齒輪齒條為開式傳動(dòng)，齒輪齒條也是 典型的零件形式，在機(jī)械臂中應(yīng)用非常廣泛，對(duì)其計(jì)算是有必要的 [14]。 如圖 3-6，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮輸出軸外齒輪齒條的齒輪計(jì)算。因?yàn)槠溟_式齒輪 1. 選擇齒輪材料和熱處理、精度等級(jí)、齒輪齒數(shù) 考慮到是開式傳動(dòng)，一般，要求結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長。選擇小齒輪材料為 45 號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)硬度 HB230～250。齒條材料選擇 45#，正火表面硬度 HB180～210。 開式齒輪傳動(dòng)，對(duì)齒輪精度要求不大，選齒輪為 7 級(jí)精度。 選擇小齒輪齒數(shù)。Z1=19 Z2=∞ 2. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 開式齒輪主要形式是齒面磨損，由于對(duì)磨損尚無成熟的計(jì)算方法，故只按照彎曲 強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算，用增大模數(shù)來考慮磨損的影響。 18 由式（3-11 ）有 (3-11)??132fasdF YKTmz?????????? 因載荷有中等沖擊，故初選載荷系數(shù) =2t 減速器輸出軸功率 (3-12)OP??? ——電動(dòng)機(jī)到減速器之間的傳動(dòng)效率。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，聯(lián)軸器效率o? =0.99，減速器總效率 =0.71。 = × =0.7。1 2?o12 則輸出軸功率 =0.8×0.86=0.56KW (3-13)OP??? ——減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速 =3000/9=333r/monon 減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩 =22942N·mm619.50oPTn?? 由端面重合度 =1.72 (3-14)12.83COSZ?????????????????? 得 0.75.2.69Y???? 選取齒寬系數(shù) .d? 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇齒形系數(shù)得 =2.8 =1.551FaY1Sa =2.2 =1.8222 齒輪工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)計(jì)算 ＝60×126.5×1×(16×300×20)＝ (3-15)160hNnjL? 87.210? (3-16)32.71i? 查表得 =0.85， =0.881NY2N 取 min.5FS? 19 查齒面許用應(yīng)力 (3-17)??11min240.85163.2FLNYMPS????? (3-18)22in.74.FL (3-19)??1.850.263FaSY???? (3-20)2..744FaS? 取 ，設(shè)計(jì)齒輪模數(shù)：??2.180.746FaSY???? 將確定的各項(xiàng)數(shù)值代入設(shè)計(jì)公式，求得： =1.9mm (3-21)??132fasdF YKTmz?????????? 修正 ：tm m/s1.260tznv??? 查表求得齒廓系數(shù) 1.50.312.5AvK????? 則 =1.9 (3-22)39..47ttKm? 選取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=2mm 3.齒輪主要幾何尺寸： =38mm120dmz? =2，取 =20mm， =15mmb?1B?125 4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖紙。 20 圖 3-6 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.3 手臂計(jì)算 3.3.1 手臂汽缸計(jì)算 手臂升降由汽缸推動(dòng)，汽缸的缸徑關(guān)系到手臂的升降。手臂自重估算為 100 kg， 夾持器估算 30kg，工件重 20kg。那么汽缸推力需要 150kg。 那么缸面積公式為 (3-23)2m30a5.1A??MPNF 則缸徑為 (3-24)42πd 那么缸徑需要大于 43mm，手臂升降功能能夠?qū)崿F(xiàn) 3.3.2 手手腕處擺動(dòng)減速電機(jī)計(jì)算 手腕處因?yàn)榭臻g有限，因此選用合成一體的減速電機(jī)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ，從 中選用 YCJ 系列齒輪減速三相異步電動(dòng)機(jī)。其外形如圖 3-7 21 圖 3-7 YCJ 系列齒輪減速三相異步電動(dòng)機(jī) 由圖 3-8 所示： 1 手臂擺動(dòng) 30°角度時(shí)候，計(jì)算擺動(dòng)轉(zhuǎn)矩： 22 圖 3-8 手臂擺動(dòng)尺寸 假設(shè)工件重量 30KG，估計(jì)夾持器重量 45KG。m1432950135721?????NLFMN 因此減速電機(jī)需要轉(zhuǎn)矩 143Nm 2 功率計(jì)算 在機(jī)械手使用過程中，要對(duì)工件進(jìn)行平穩(wěn)拿起，放下，因此手臂擺動(dòng)速度不能過 大。按照本課題的要求，手臂擺動(dòng)速度為： ω=90°/S 但按照實(shí)際情況，轉(zhuǎn)動(dòng)速度最好為 ω=30°/S 則轉(zhuǎn)速 n=80r/m 由公式 699.510.310PTNmn??? 可得 =1KW6105.9P 23 表 3-1 YCJ 減速電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上的表可以選用 YCJ130 型號(hào)作為本課題的機(jī)械手電機(jī) [15]。 3.4 夾持器計(jì)算 圖 3-9 夾 持 器 1.夾緊缸力的計(jì)算： 24 如上圖所示：設(shè)活塞桿作用于楔體的作用力為 P2，指端的作用力為 P1，夾緊力 N=100 牛，則 P2、N，P 1，γ 的關(guān)系如下： (3-25) 12.tgcb?? 根據(jù)力的合成： 1? 本設(shè)計(jì)的機(jī)械手各參數(shù)如下： 圖 3-10 夾持器工作原理 B=88，c=25 ， γ=30°，N=100N 將參數(shù)及關(guān)系代入上式： 10.23.582???tgP =575N 設(shè)夾緊缸作用于活塞的力為 F，彈簧作用于活塞桿的力為 F′，楔體作用于活塞桿 的反作用力為 P2′，則其簡圖如圖 3-11 圖 3-11 作用力簡圖 它們之間的關(guān)系為： '2FP?? 25 彈簧力選用壓緊狀態(tài)最大彈力為 100N，那么汽缸作用力需要 =675N'2FP?? 那么缸面積公式為 2m1350a.067A??MPNF 則缸徑為 2πd 那么缸徑需要大于 30mm，手臂升夾緊能能夠?qū)崿F(xiàn) 圖 3-12 手臂夾緊缸 從圖 3-12 看出，設(shè)計(jì)缸徑在 65，滿足使用要求，計(jì)算中使用的氣壓是 0.5MPa， 要想調(diào)節(jié)夾緊力，只需要調(diào)節(jié)氣壓壓力即可。在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中，了解到工業(yè)用的氣 壓壓力一般在 0.1~0.7MPa[16]。 2.彈簧的彈力計(jì)算如下： (3-26)32 4'max8ndGF?? 其中，G 為材料的切變摸量：鋼為 8×104MPa d 為彈簧簧絲直徑：d=4 n 為彈簧的有效圈數(shù)：n=6 26 λ 為彈簧的最大變形量：λ max=30 d2 為彈簧的直徑：D 2=50 將各參數(shù)代入公式： Fmax′= =102N3 4450681? 27 第四章 氣動(dòng)原理設(shè)計(jì) 4.1 驅(qū)動(dòng)方式 目前機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種方式，各種 驅(qū)動(dòng)方式有其自身的特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用很廣泛，有些機(jī)器人 則同時(shí)采用多種驅(qū)動(dòng)方式，這都視不同機(jī)器人的特點(diǎn)和要求所定。比較這些驅(qū)動(dòng)方式 的特點(diǎn)，從中選出適合移動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。 由第二章所述，工件重量較輕。采用氣壓傳動(dòng)，不僅節(jié)省空間，而且氣體直接從 大氣獲取，使用完畢直接排放入大氣，安全無污染。壓縮空氣可以遠(yuǎn)距離傳輸，一個(gè) 工廠只需要一到兩處設(shè)置空氣壓縮機(jī)，即可保證設(shè)備的運(yùn)行。 4.2 工作原理 門架式機(jī)械手總共有 3 個(gè)汽缸，其一為手臂升降汽缸，其二為手腕旋轉(zhuǎn)汽缸，其 三為手臂夾緊汽缸?，F(xiàn)對(duì)各個(gè)汽缸的使用要求進(jìn)行分析： 4.2.1 手臂升降汽缸 升降汽缸在升降過程中，要實(shí)現(xiàn)緩慢平穩(wěn)下降，避免沖擊，因此只需安裝調(diào)速閥 進(jìn)行流量控制。手臂升降不允許在斷氣或者管路出現(xiàn)損壞情況下，手臂突然下降，因 此在設(shè)計(jì)過程中，活塞桿側(cè)需要加入先導(dǎo)單向閥。在斷電或者管路出現(xiàn)故障時(shí)，回轉(zhuǎn) 汽缸最好停在原位，因此電磁閥需要選用中封的三位五通電磁閥。 28 圖 4-1 升降缸氣路圖 4.2.2 手臂回轉(zhuǎn)汽缸 因?yàn)椴皇苤亓τ绊懚\(yùn)動(dòng)，所以只需要加入調(diào)速閥即可。在斷電或者管路出現(xiàn)故 障時(shí)，回轉(zhuǎn)汽缸最好停在原位，因此電磁閥需要選用中封的三位五通電磁閥。 圖 4-2 擺缸氣路圖 29 4.2.3 夾緊缸 加緊缸用于控制工件夾緊狀態(tài)，在設(shè)計(jì)時(shí)候，考慮到夾緊力可調(diào)，因此需要增加 調(diào)壓閥?？紤]到夾抓沖擊可能碰撞工件，夾緊速度需要可調(diào)，需要增加調(diào)速閥。同理， 夾緊缸需要三位五通電磁閥，因?yàn)樵跀嚯姇r(shí)候，可以保證汽缸不動(dòng)作。同時(shí)夾緊缸也 需要先導(dǎo)式單向閥，以免出現(xiàn)突然斷氣或者氣管破裂造成的夾爪松開。 圖 4-3 夾緊缸氣路圖 從圖 4-1 和圖 4-3 發(fā)現(xiàn)，先導(dǎo)式單向閥安裝位置不同，主要是前者安置在活塞桿 側(cè)，后者安置在無活塞桿側(cè)。這主要是由其使用原理不同而不同的。因?yàn)樯当鄣钠?缸是用于防止落下，即活塞桿側(cè)突然失壓，夾緊缸是用于夾爪突然松開，即無活塞桿 側(cè)失壓。 4.2.4 氣源處理 氣源經(jīng)過空氣壓縮機(jī)加熱，然后到管路經(jīng)過冷卻過程，因此在過程中容易出現(xiàn)水 分凝結(jié)?？諝獾碾s質(zhì)如果不清理，也會(huì)對(duì)汽缸，電磁閥等閥類產(chǎn)生有害影響 [17]。導(dǎo)致 汽缸漏氣，閥類失去功能。因此氣源處理比較重要。在本課題中，起源處理直接使用 了空氣過濾減壓閥。如圖 4-4。 30 圖 4-4 空氣過濾減壓閥 空氣過濾減壓閥設(shè)計(jì)輕小，安裝方便，因此，它與氣動(dòng)變送器，氣動(dòng)調(diào)節(jié)器等 產(chǎn)品安裝在一起配套使用。若將空氣過濾器的減壓閥設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，成為二聯(lián)件。 氣源處理三聯(lián)件包括空氣減壓閥、過濾器、油霧器三大件，減壓閥可對(duì)氣源進(jìn)行穩(wěn)壓， 使氣源處于恒定狀態(tài)，可減小因氣源氣壓突變時(shí)對(duì)閥門或執(zhí)行器等硬件的損傷。過濾 器用于對(duì)氣源的清潔，可過濾壓縮空氣中的水份，避免水份隨氣體進(jìn)入裝置。油霧器 可對(duì)機(jī)體運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行潤滑，可以對(duì)不方便加潤滑油的部件進(jìn)行潤滑，大大延長機(jī)體 的使用壽命。 31 第五章 機(jī)械手的控制設(shè)計(jì) 5.1 基本設(shè)計(jì)思路 總體設(shè)計(jì)框圖如下： 總體設(shè)計(jì)框圖 控制系統(tǒng)用來控制機(jī)械手按規(guī)定要求動(dòng)作，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制 系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)械手采用計(jì)算機(jī)控制，這類控制系統(tǒng)分為決策級(jí)，策略級(jí)和執(zhí)行 級(jí)三級(jí)：決策級(jí)的功能是識(shí)別環(huán)境、建立模型、將工作任務(wù)分解為基本動(dòng)作序列；策 略級(jí)將基本動(dòng)作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級(jí)給 出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。 5.2 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)。通常在芯 片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O 口、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷控制系統(tǒng)、系統(tǒng) 時(shí)鐘及系統(tǒng)總線等。 5.2．1單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 1) 微處理器 該單片機(jī)中有一個(gè)8 位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括 了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還 可以進(jìn)行位變量的處理。 2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)為128 個(gè)字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至64k 字節(jié)，用來存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變 量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 3) 程序存儲(chǔ)器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器 的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至64k 字節(jié)。 32 4) 中斷系統(tǒng) 具有5 個(gè)中斷源，2 級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 5) 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有2 個(gè)16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器， 具有四種工作方式。 6) 串行口 1 個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行 I/O 口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 7) P1 口、P2 口、P3 口、P4 口 為4 個(gè)并行8 位I/O 口。 8) 特殊功能寄存器 共有21 個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制 寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的RAM 區(qū)。 5.2．2 引腳及其功能 1) 電源及時(shí)鐘引腳 VCC：接+5V 電源正端； VSS：接+5V 電源地端； X1：接外部晶體振蕩器的一端； X2：接外部晶體振蕩器的另一端。 2) 控制引腳 RESET：單片機(jī)上電復(fù)位端。 ALE：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 一每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出，用于 鎖存出現(xiàn)在P0 口的低8 位地址。 PSEN：為片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端。 EA ：為訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)，低電平有效。 3) 輸入/輸出引腳 P3 口的第二功能： P3.0：RXD，串行輸入通道； P3.1：TXD，串行輸出通道； P3.2： INT0，外部中斷0； P3.3： INT1，外部中斷1； P3.4：T0，計(jì)數(shù)器0 外部輸入； P3.5：T1，計(jì)數(shù)器1 外部輸入； P3.6： WR ，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通； P3.7： RD，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 33 89C51引腳圖 5.3 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 驅(qū)動(dòng)芯片概念 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，還要處理另一類數(shù)字量，即開關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào)。 它們是以二進(jìn)制的邏輯“1”和“0” ，即電平的高和低出現(xiàn)的。如開關(guān)觸電 的閉合和斷開，指示燈的亮和滅，繼電器和接觸器的吸合和釋放，馬達(dá)的啟 動(dòng)和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關(guān)閉等，我們稱為開關(guān)量。開關(guān) 量所控制的執(zhí)行器所要求的控制電壓一般都比較高，電流一般都較大，有的 是直流驅(qū)動(dòng)，有的是交流驅(qū)動(dòng)，必須根據(jù)具體對(duì)象采用適當(dāng)?shù)慕涌凇ｉ_關(guān)量 的輸出接口實(shí)質(zhì)上是利用計(jì)算機(jī)做“弱電”控制“強(qiáng)電” 。它需要解決兩個(gè) 重要問題：隔離和驅(qū)動(dòng)。 用單片機(jī)控制各種各樣的高壓、大電流負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、繼電 器、燈泡等時(shí)，不能用單片機(jī)的I/O 線來直接驅(qū)動(dòng)。P0、P1、P2、P3 四個(gè)口都可以 做輸出口，但其驅(qū)動(dòng)能力不同。P0 口的驅(qū)動(dòng)能力較大，當(dāng)其輸出高電平時(shí)，可提供 400 m A的電流；當(dāng)其輸出低電平（0.45V）時(shí)，則可提供3.2mA的灌電流，如低電平 允許提高，灌電流會(huì)相應(yīng)加大。P1、P2、P3 口的每一位只能驅(qū)動(dòng)四個(gè)LSTTL，即可提 34 供的電流只有P0 口的一半。所以，用低電平輸出可獲得比高電平輸出更大的驅(qū)動(dòng)能 力。目前，一些MCS-51 系列單片機(jī)的引腳驅(qū)動(dòng)能力有所提高，如89C2051，一些引腳 可提供20mA 的灌入電流。但大多數(shù)場(chǎng)合，單片機(jī)I/O 口的驅(qū)動(dòng)能力是不夠的，必須 通過各種驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)電路來提高驅(qū)動(dòng)能力。 L298芯片原理 L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片( Dual