【正文】 本人以信譽聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是在導師的指導下進行的設(shè)計（研究）工作及取得的成果，設(shè)計（論文）中引用他（她）人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨立完成，不包含他人成 果及為獲得重慶科技學院或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用其材料。 本文第一章節(jié)簡述了機械手 的發(fā)展及研究意義；第二章節(jié)至第六章節(jié)對機械手的結(jié)構(gòu)部分設(shè)計；最后兩章節(jié)對機械手的電氣控制、 PLC 編程及程序調(diào)試進行簡述。 chapter second to sixth chapters on the structure of the manipulator design。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。 機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。 機械手首先是從美國開始研制的。商名為 Unimate(即萬能自動 )。 1962 年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 Versatran 機械手，原意是靈活搬運。1 毫米。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由 400小時提高到 1500 小時，精度可提高到 177。 瑞士 RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。據(jù)報道， 1979 年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達 50 多個。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為 67 億日元，比1978 年增長 50%。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。研究安裝各種 傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元 (Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的 5%。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高 溫熔液等等。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上建有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。該機械手還具有結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定性高，精度準確，研究成本低，使用壽命長等特點。隨著工業(yè)技術(shù)的 發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序通用機械手 ” ，簡稱通用機械手。 目前 機器人已經(jīng)從制造業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向了非制造業(yè)和服務行業(yè)， 例如： 如圖 所示，在美國，他們研制的像大型客機這種清洗工作，如果人來做的話十分繁重，那么大一個機體來清洗的話，工作量是很大，而且也很不方便，那么他們采用這種機器人來實現(xiàn)像飛機的這些清洗的工作，包括一些國家開發(fā)像高層建筑的清洗機器人，這也都是服務行業(yè)的機器人，還包括像家庭使用的，還有一些賓館和一些公共場合使用的這種清潔機器人，對地面來進行清掃，還包括網(wǎng)球場上能夠自動地把撒下的球，集中收集起來，這種機器人也都是存在的。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 ： 由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機 ； 國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，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)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。根據(jù) 機械 結(jié)構(gòu)的設(shè)計 計算結(jié)果，繪制機械手的整體裝配圖。 重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 2 機械手總體設(shè)計 6 2 機械手總體設(shè)計 總體構(gòu)想 工業(yè)機械手是一種模仿人手動作，并 按設(shè)定的程序，軌跡和要求代替人手搬運或操作工具或進行操作自動化裝置。通用機械手工作的范圍大，定位精度高，通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)。特點：占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，并能達到較高的定位精度，應用廣泛，但因機械手結(jié)構(gòu)關(guān)系，沿 Z 軸方向移動的最低位置的限制，故不能抓取地面上的物體。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機圖 機械傳動機械手 圖 機械手手臂的坐標形式 重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 2 機械手總體設(shè)計 7 械傳遞的。抓重能力大，結(jié)構(gòu)小巧輕便，傳動平穩(wěn)，動作靈便，可無級調(diào)速，進行連續(xù)軌跡控制。其主要特點是介質(zhì)來源方便，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低 。目前機械手設(shè)計正朝 “ 機電一體化 ” 方向發(fā)展，采用電力直接驅(qū)動機械手將日益增多。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件 的任務。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。 在基座上安裝齒輪齒條旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，使手臂達到 0176。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息 (如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間 )，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的 傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。 （ 4） 應保證 手爪 的夾持精度。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體 ， 不適合用于本方案。顯然是不合適的 ， 因此不選擇這種類型。杠桿形手指 1 的一端裝有 V 形指，另一端開有長滑槽。 重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 3 機械手手部的設(shè)計計算 10 αααα αα (a) (b) 1— 手指 2— 銷軸 3— 杠桿 圖 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析 在杠桿 3 的作用下，銷軸 2 向上的拉力為 F，并通過銷軸中心 O 點，兩手指 1 的滑槽對銷軸的反作用力為 F1 和 F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線 OO1 和 OO2 并指向 O點 ,交 F1 和 F2 的延長線于 A 及 B。 ? — 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 （ 1） 設(shè) K1= K2=1+ab =1+ ? = K3= 根據(jù)公式 ， 將已知條件帶入 ： ? FN=? ? ? 50= （ 2） 根據(jù)驅(qū)動力公式得 ： Fm= ?? o s1 0 0502 2 ??? = （ 3） 取 η= F= ??mF= （ 4） 選取 氣壓缸 初選 氣 壓缸 型號為 QGX，其 內(nèi)徑 D=12mm，工作壓力 ～ ，介質(zhì)溫度 5℃ ～60℃，當壓力為 MPa 時，理論輸出力為 50N，行程范圍 6～ 60mm，滿足設(shè)計要求。 時，如圖 （ b） 所示，最大夾持半徑 R2計算如下： R2=50 30tg? 176。 機械手能否準確夾持工件 ， 把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關(guān)。一般夾持誤差不超過 1mm， 分析如下： 工件的平均半徑 ： Rcp= 24090? =65mm， 手指長 l=50mm， 取 V 型夾角 2? =120176。 重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 考慮到機械手的通用 性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。由于本機械 手抓 取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞 X軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu) ， 應用最多的為回轉(zhuǎn)油 (氣 )缸 ， 因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。 圖 。cm)； M封 — 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片 、 缸徑 、 端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(N 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖 所示，定片 1與缸體 2固連，動片 3與回轉(zhuǎn)軸 5固連。單葉氣缸的壓力 P驅(qū)動力矩 M的關(guān)系為 ： 22()2pb R rM ?? 或222()Mp b R r? ? 式中： M— 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩 P— 回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力 R— 缸體內(nèi)壁半徑 r— 輸出軸半徑 b— 動片寬度 圖 回轉(zhuǎn)氣缸簡圖 上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。 3176。m) 2）尺寸校核 （ 1)測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 m1=10kg， 分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效 分布在一個半徑 r=50mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量 ： 212mrJ? 210 ?? =(kgm) （ 2） 手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為 M偏 ，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心與轉(zhuǎn)動軸線重合， e1=0，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線 e3=50mm， 則 M偏 = G1 e 1+ G3 e 3 =10 10 0+5 10 重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 =（ Nm） ∴ M驅(qū) = M慣 +M偏 +M摩 +M封 =+++ =（ N手臂運動應該包括 2 個運動：伸縮 與 升降。 （ 1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 ； （ 2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離 ； （ 3） 合理布置作用力的位置和方向 ； （ 4） 注意簡化結(jié)構(gòu) ； （ 5） 提高配合精度。 3） 臂部應滿足工作要求 。具體的安裝形式應該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。 K1K 向2 1導向裝置 2定位裝置 圖 手臂結(jié)構(gòu)圖 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核 查看氣缸標準系列表， 尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計的實際要求，氣缸用 QGAⅡ 型氣缸 ，尺寸系列初選內(nèi)徑為 φ 50，壓力為 時輸出力為 78N，行程范圍 0～ 500mm，選行程 l=500mm，該氣缸各項參數(shù)都符合設(shè)計要求。在基座上安裝齒輪齒條旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，使手臂達到 0176。 1 2 1齒條 2齒輪 圖 手臂雙氣缸齒輪齒條機構(gòu)的尺寸設(shè)計與校核 初 步選取 兩氣缸 型號 為 QGA，內(nèi)徑設(shè)為 50mm，半徑 R=25mm，查氣缸技術(shù)規(guī)格表，氣缸行程 l1≤ 300mm， 齒輪直徑初步選用 D=100mm， 齒輪軸旋轉(zhuǎn) 0～ 180176。 則驅(qū)動力 20 2G p R??? 622 0 .4 1 0 3 .1 4 0 .0 2 5? ? ? ? ? =3140（ N） 驅(qū)動力矩0 2DMG?? =3140? =157(Nm) 總力矩 M驅(qū) =M慣 +M磨 =+ =67(N 1 D T61 91 82 0EDCBA1 21 11 09 D T1 0 D T 9 D T1 01 21 11 391 0 D T 8。重慶科技學院本科生畢業(yè)論文 7 控制回路設(shè)計 23 7 控制回路設(shè)計 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 圖 所示為該機械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。m) 考慮軸承、油封之間的摩擦力，設(shè)定一定的摩擦系數(shù) k=， M摩 =k 手臂運行角速度 ? =90176。的旋轉(zhuǎn)。 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核 氣缸初選 QGA型氣缸， 氣 缸 行程 為 40mm，氣缸內(nèi)徑 選 為 D=100mm， 半徑 R=50mm，壓強 P=，則驅(qū)動力 20G p R??? = 620 .4 1 0 3 .1 4 0 .0 5? ? ? =3140(N) 1）測定手腕的質(zhì)量為 20kg，則重力 G=mg =20? 10 =200（ N） 2）設(shè)加速度 a=5m/s2， 則慣性力 1G ma? =20? 5