【正文】 人很多核心技術(shù)，目前我們尚未掌握，這是影響我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸?；『笝C器人離線編程示范和工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真，電子行業(yè)用裝配機器人產(chǎn)品標準化、推廣、模塊化、系列化設(shè)計。無人駕駛機器人和自適應(yīng)多機的大型物料輸送設(shè)備的遠程控制操作。機電一體化傳感器設(shè)計中的應(yīng)用。 自動 搬運機械手裝置是一種模擬人的手臂動作來完成的，按照事先設(shè)定的程序，軌跡，代替人完成枯燥，勞累的抓取，搬運工作的機電一體化裝置。 (2)圓柱坐標型機械手： 圓柱坐標機器人確定組件的位置是由兩個滑動關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)接頭，然后連接到一個旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合的態(tài)度，以確定組件。圓柱坐標機器人的工作范圍呈圓柱形狀。球坐標 機器人工作范圍呈球缺狀。隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。為具有近似人手操作的機能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。 驅(qū)動機構(gòu)的選擇 工業(yè)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)，按照動力源分為液壓驅(qū) 動、氣壓驅(qū)動和電動三大類。在沖裁和沖壓機械手多采用。 （ 3）壓縮空氣壓力低（一般為 ? ），因此，執(zhí)行元件材料的要求低。 因為本機械 手抓取的物料重量基本在 10KG 以內(nèi)，因此抓取力并不大，所以選用氣壓驅(qū)動來完成，但在底部的回轉(zhuǎn)決定使用電機來完成。 （ 3）機身，采用一個直線缸來實現(xiàn)升降。 （ 4）手臂運動參數(shù)： 伸縮速度： 250mm/s； 升降速度： 60mm/s； 回轉(zhuǎn)范圍： 0~180 度； 回轉(zhuǎn)速度： 70/s。對于手，應(yīng)該有足夠的動力驅(qū)動裝置。在一定范圍內(nèi)的要求，這是更重要的，如曲軸，一類復雜的工件在機軸，凸輪，嚴格，所以在夾緊工件的機械手的安裝位置應(yīng)保持相對定位精度。在一般情況下，一方面是比較特殊，為了擴大其使用范圍，提高其通用化程度，以適應(yīng)不同尺寸的工件夾緊，通常使用的手指可以調(diào)整方法。 （ 2）平移型即兩手指相對支座作往復運動。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。 15 圖 31 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析 1—— 手指 2—— 銷軸 3—— 杠桿 在杠桿 3 的作用下，銷軸 2 向上的拉力為 F，并通過銷軸的中心點 O，兩手指 1 的銷軸收到滑槽的反作用力為 F1 和 F2，同時它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。F 16 cosah ?? (32) 2cosbF Fna ?? (33) 式中 ： a —— 從 對稱中心到手指的回轉(zhuǎn)支點的 長度 （ mm） ， ? —— 工件被夾緊時兩回轉(zhuǎn)支點 與 手指的滑槽方 向產(chǎn)生的 夾角。設(shè)計時要對受力的方向、大小 以及作用點進行分析和計算。； maxVat? 響 (36) maxv ──運載工件時向著重力方向上升最大速度，機械手直線速度常在 200～ 17 300mm/s , t 響 ──系統(tǒng)達到最高速度的時間，根據(jù)設(shè)計參數(shù)選取。求夾緊力Fn，驅(qū)動力 F，驅(qū)動氣缸尺寸。 1 .2 5 0 .4 0 .0 42 1 0 0? ??? ? 壁厚取 12mm 符合 要求。由于本機械手手部選用的是內(nèi)撐式垂直上下工作的，所以其手爪的夾持誤差可以粗略認為是零，但通常情 況下保持它不超過 177。手臂運動應(yīng)該包括 3 個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。因此，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活性和 直接影響機械手的工作性能。對機器人的運動性能，定位精度和承載能力影響很大。因此，作為導桿機械手，無縫鋼管、鋼或槽鋼作為支撐板。 （ 3）合理布置作用力的位置和方向 在結(jié)構(gòu)設(shè)計時還應(yīng)結(jié)合具體受力情況，設(shè)法使個作用力引起的變形相互抵消。 臂部運動速度要高，慣性 要小機械手手臂的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平，一般根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運行速度。對于懸臂式的機械手，其傳動件，導向件和定位件布置應(yīng)合理，使手臂運動過程盡可能平衡，以減少對升降支承軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生卡死的現(xiàn)象 。 手臂的典型運動的形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；復合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運 動組合，兩直線運動的組合。在這里我只選擇了一個手臂伸縮缸和一個手臂升降缸，伸縮缸采用直線缸式手臂結(jié)構(gòu)，如圖所示，這種液壓缸缸體上有進油口 a和 b，當壓力油從 a， b 油口進入和排出時，缸內(nèi)的活塞桿將做往復直線運動，這種結(jié)構(gòu)尺寸小，可用于較大重量的工件的抓取，在機械手中應(yīng)用很廣泛。 （ 2） 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。 手臂直線運動的驅(qū)動力計算 先進行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸，再進行校核計算，修正設(shè)計。 = + + +P驅(qū) P慣 P摩 P封 P背 (41) 式中： P 慣 手臂在啟動過程中的慣性力， P 摩 摩擦阻力， P 封 密 22 封裝置處的摩擦力， P 背 氣缸非工作腔壓力所造成的阻力。 圖 41 機械手臂部受力示意圖 計算如下： 由于導向桿對稱配置 ，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。 一般的背壓阻力較小 在這取 = 。 l=330mm,故無需校核。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。 28 圖 52 手臂各部件重心位置圖 （ 1）零件重量 G 工件、 G 爪、 G 臂等，現(xiàn)在對機械手手臂做粗略估算： G 工件=， G爪 = 5Kg， G 臂 =，估算 G總 =。 （ 1）粗略計算運動部件總重力： 由前面設(shè)計的小手臂、手爪以及工件 的重量，可以大約估計小手臂伸縮液壓缸活塞桿尺寸為 ? 130mm，手臂液壓缸活塞桿總長 1000mm。 （ 5）液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力： 一般的背壓阻力較小，可按 F 回 =。 電動機類型的選擇 長期以來，在高速性能要求的場合，一直主導地位的是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中的 31 應(yīng)用。在相同的體積，比交流電機的輸出功率直流高出 10％ ? 70％。 根據(jù)實際情況和各項優(yōu)缺點，對 于機械手我選擇使用交流電動機中的 Y 系列的三相異步電動機來實現(xiàn)整個機械手的回轉(zhuǎn)運動。 手臂的轉(zhuǎn)動慣量： 221= 3 + L )12J m R臂 （ (58) 2 2 21= 3 1 . 3 + 0 . 6 ) 1 3 . 612J k g m? ? ? ?臂 30 （ 將上半機身看似一個半徑為 120mm 的圓柱，重量為 30KG，由于其轉(zhuǎn)動中心與電機的轉(zhuǎn)動中心同軸。 其他主要零件的選用 軸承 是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數(shù)的部件 ?？沙惺茌^大的軸向力載荷 ，很符合我的設(shè)計要求。 由滾動軸承樣本查得 6008 型軸承，當量動載荷可按下式計算： 當 Fa/Fr 時： P=Fr+ (512) 當 Fa/Fr 時： P=+ (513) 33 因 Fa/Fr，且工作沖擊較小，取載荷系數(shù) fp=，則： P=fp(XFr+YFa)= (514) 計算預(yù)期壽命 hL39。 單排四點接觸球式轉(zhuǎn)盤軸承由兩個座圈組成，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、鋼球與圓弧滾道四點接觸，能同時承受軸向力、徑向力和傾翻力矩。4(1 .2 2 5 2 .6 7 6 )(1 .2 2 5 8 0 0 2 .6 7 6 5 0 ) 1 .2 50 .1 4 1 0a a t aF F F fN??? ? ? ? ??? (517) 39。 34 圖 54 回轉(zhuǎn)支承能力曲線圖 6 氣壓系 統(tǒng)設(shè)計 本機械手主要以壓縮空氣為動力源驅(qū)動的機械手，用氣壓驅(qū)動與用其他能源驅(qū)動比較有以下優(yōu)點： （ 1）空氣取之不竭，用過之后排入大氣，不需要回收和處理，不污染環(huán)境。 氣壓系統(tǒng)的組成 壓縮空氣是保證氣動系統(tǒng)正常工作的動力源。 空氣控制閥是氣動控制元件，它的作用是控制和調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力、流量和方向，從而保證氣動執(zhí)行機構(gòu)按規(guī)定的程序正常地進行工作。利用單向節(jié)流閥來控制各個動作的速度。它可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強電設(shè)備儀器工作，運行的穩(wěn)定性和可靠性較高。對于一個控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)工藝改變或者生產(chǎn)線設(shè)備更新的情況下，不必改變 PLC 的硬件設(shè)備，只需改變程序就可滿足變更控制功能的要求。 （ 4）功能完善，擴充方便組和靈活 （ 5）較少了控制系統(tǒng)設(shè)計及施工的工作量 控制過程說明 （ 1）機械手在原始位置時對 SQ1 動作，按下啟動按鈕，機械手松開， 機械手手臂上升。 （ 7）機械手升到到上限位置， SQ3 動作，上升結(jié)束，機械手收縮。 （ 11）下降到下限位置， SQ4 動作，機械手松開，放下物品。機械手左轉(zhuǎn)到左限位， SQ2 動作，左旋轉(zhuǎn)結(jié)束，機械手開始伸出。機械手收縮到收縮限位收縮結(jié)束， SQ7動作，機械手開始右轉(zhuǎn)。機械手放下物品經(jīng)過延時，一個工作循環(huán)完成。 這次設(shè)計可以說是我大學最后的一門課了，其中包含的只是實在是太多了，讓我知道了學海無涯的道理，活到老學到老。 42 43 44 圖 72 PLC梯形圖 45 8 結(jié)論 PLC 控制的兩工位芯模搬運機械手的設(shè)計，并不是一個簡單的 過程，但是作為一名機械電子工程的學生，設(shè)計一個機械手作為畢業(yè)設(shè)計課題是再適合不過了，它需要學生在完成了機械類有關(guān)的基礎(chǔ)課程以及自己的專業(yè)課程后，通過設(shè)計，把之前學的課程（機械原理、機械設(shè)計、理論力學、液壓與氣壓控制、測試技術(shù)、工業(yè)機器人、PLC 基礎(chǔ)與設(shè)計、機電一體化設(shè)計等）所有的理論知識在設(shè)計完美的加以運用并結(jié)合在一起，讓學生在設(shè)計中提升對問題的分析能力和機械結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計能力。機械手伸出到達伸出限位 2， SQ6動作，機械手 開始下降。機械手抓物延時 1S，機械手開始做上升運動。 I/O 點數(shù)分配表 表 71 PLC i/o分配表 38 輸入 輸出 SQ1 X000 回轉(zhuǎn)電機開關(guān) KM1 Y001 電機右轉(zhuǎn) SQ2 X001 KM2 Y002 電機左轉(zhuǎn) SQ3 X002 手臂上升 /下降開關(guān) YA1 Y003 手臂上升 SQ4 X003 YA2 Y004 手臂下降 SQ5 X004 手臂伸縮開關(guān) YA3 Y005 手臂伸開 SQ6 X005 YA4 Y006 手臂收縮 SQ7 X006 YA5 Y007 夾緊與放松 開關(guān) 0 X007 單步 開關(guān) 1 X0010 循環(huán) 開關(guān) 2 X011 手動啟動 開關(guān) 3 X012 手動復位 開關(guān) 4 X013 手動到遠點 開關(guān) 5 X014 緊急停止 PLC 控制系統(tǒng)的流程圖和梯形圖 機械手在原始位置時對 SQ1 動作，按下啟動按鈕，機械手松開，機械手開始上 升。 （ 9）機械手到達右限位， SQ1 動作，右 旋結(jié)束，機械手開始伸出。 （ 3）機械手左轉(zhuǎn)道左限位， SQ2 動作，左旋轉(zhuǎn)結(jié)束，機械手開始伸出。 PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制電路的梯形圖形式，低使用者來說不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 37 （ 2）控制程序可變，具有很好的柔性。 PLC 是屬于存儲程序控制的一種裝置，其控制功能是通過存放在存儲器內(nèi)的程序來實現(xiàn)的，若要對控制功能作修改，在很大程度上只需改變軟件指令即可，使得硬件軟件化。 氣動邏輯元件是通過可動部件的動作，進行元件切換而實現(xiàn)邏輯功能的。氣缸是利用壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。 （ 2）空氣的粘性很小，管路中壓力損失也就很少，便于輸送。4(1 .2 2 5 2 .6 7 6 )(1 .2 2 5 8 0 0 2 .6 7 6 5 0 ) 1 .5 50 .1 7 1 0a a t aF F F fN??? ? ? ? ??? (519) 39。 （ 1）按靜態(tài)工況選型： 取α =45176。60 hnLPC ? （ N） (516) 因為 C=Cr，所以選擇 51000 型軸承滿足要求 。已知軸承的轉(zhuǎn)速為 n=70176。在機械手中軸承的選擇即顯得尤為重要。 則啟動