【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 DF ?? 421 ?? 由以上分析得單向作用氣缸的直徑 : ??p FtFD )(4 1 ?? 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 ?fGnDGd31418? 4333915)1030(8 )( ??? ??? ?? 14 )/( mN? )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 所以 : ?DpnFtF? )1(4 ?? )(4 ?? ??? )( mm? 查有關(guān)手冊(cè)圓整，得 mmD 65? 由 ??Dd ,可得活塞桿直徑 : mmDd )( ???? 圓整后，取活塞桿直徑 mmd 18? 校核，按公式 ][)4//( 21 ?? ?dF 有 : ])[/14( ??Fd ? 其中， [? ] MPa120? ， NF 7501 ? 則 : )120/4904( ??? ?d ?? 滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。 3,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，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算 : ][2/ ?? pDP? 式中 :6 缸筒壁厚， mm D 氣缸內(nèi)徑， mm pP 實(shí)驗(yàn)壓力，取 PPp ? , Pa 材料為 :ZL3,[? ]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )( )1032/(1066565mm? ????? 取 ?? ，則缸筒外徑為 : )( mmD ???? 15 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī) 械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油 (氣 )缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于 ?360 ，并且要求嚴(yán)格的密封。 4. 2手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩 擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩 .圖 41所示為手腕受力的示意圖。 圖 41手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算 : 16 封摩偏慣驅(qū) MMMMM ???? 式中 : 驅(qū)M 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 ( cmN? )。 慣M 慣性力矩 ( cmN? )。 偏M 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片 )對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 ( cmN? )., 。 封M 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩 ( cmN? )。 下面以圖 41所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算 : 手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 M悅 若手腕起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ? ，起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為 t? ，則 : ).(1 cmNtJJM ??? ?）（慣 式中 :J 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )..( 2scmN 。 1J 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )..( 2scmN `。 若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1J 為 : gGJJ c 11 ?? 21e 式中 : cJ 工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )..( 2scmN : 1G 工件的重量 (N)。 1e 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 (cm), ? 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度 (弧度 /s)。 t? 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間 (s)。 ?? — 起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 (弧度 )。 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 M偏 ?偏M 11eG + 33eG ( cmN? ) 式中 : 3G 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量 (N)。 17 3e 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 (cm) 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則 11eG 0? . 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 封M ?封M )(2 12 dRdRf BA ? ( cmN? ) 式中 : 1d ， 2d 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑 (cm)。 f 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承 ?f ，對(duì)于滑動(dòng)軸承 ?f 。 AR , BR 處的支承反力 (N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解， 根據(jù) 0?? ）（ FMA ,得 : 33lGlRB ? ? lGlG 122 ? BR ? l lGlGlG 332211 ?? 同理，根據(jù) BM? (F) 0? ,得 : l llGllGllGR A )()()( 332211 ?????? 式中 : 2G 的重量 (N) 321 , llll ,— 如圖 41所示的長(zhǎng) 度尺寸 (cm). 轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。 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，它的原理如圖 42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?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力 P驅(qū)動(dòng)力矩 M的關(guān)系為 : 2 )( 22 rRpbM ?? , 或 )( 2 22 rRb Mp ?? 18 19 第五章 手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 手臂伸縮氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣缸用 CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為 ? 100/63： 尺寸校核 ，只需校核氣缸內(nèi)徑 1D =63mm,半徑 R=滿足 使用要求即可 ,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) MPaP ? , 則驅(qū)動(dòng)力： 2RPF ??? )(1246 26N? ???? 測(cè)定手腕質(zhì)量為 50kg,設(shè)計(jì)加速度 )/(10 sma? ，則慣性力 maF?1 )(5001050 N? ?? ，設(shè)定摩擦系數(shù) ?k , ? )(100 N? ?? ? 總受力 mFFF ?? 10 )(600 100500 N? ?? FF?0 所以標(biāo)準(zhǔn) CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求要求。 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向， 并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)， 20 應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來(lái)確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用單導(dǎo)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性 。 平衡裝置 在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對(duì)性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì) 量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 l =118mm,氣缸內(nèi)徑為 1D =110mm,半徑 R=55mm,氣缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間 t? =,壓強(qiáng) p=,則驅(qū)動(dòng)力 ``20 . RpG ?? 26 ???? )(3799 N? 尺寸校核 1．測(cè)定手腕質(zhì)量為 80kg,則重力 mgG? )(8001080 N? ?? 1， 設(shè)計(jì)加速度 )/(5 sma? ，則慣性力 maG?1 )(400580 N? ?? 3. 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) ?k ， ? )(40 N? ?? 21 ? 總受力 mq GGGG ??? 1 )(1240 40400800 N? ??? 0GGq ? 所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 mmb 120? ,氣缸內(nèi)徑為 mmD 2101 ? ,半徑 R=105mm,軸徑 mmD 402 ? 半徑 mmR 20? ,氣缸運(yùn)行角速度 ? = s/90? ，加速度時(shí)間t? ? ,壓強(qiáng) MPaP ? , 則力矩： 2 )( 22 rRpbM ?? ).(255 2)( 226mN????? 尺寸校核 1．測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 kgm 1201 ?,分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 mmr 200? 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 221rmJ? 2 2?? ? （ ） tJM ?? ?.慣 ).(108 mN??? 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ?k , 22 慣摩 MkM .? ）（ ? ?? 總驅(qū)動(dòng)力矩 摩慣驅(qū) MMM ?? ）（ ? ?? MM〈驅(qū) ? 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。 第六章 機(jī)械手的 PLC控制設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制 .當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變 PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方 便快捷。 6. 1可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程 可編程序控制器的選擇 目前，國(guó)際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的 F系列PC,德國(guó)西門子公司的 SIMATIC N5系列 PC、日本 OMRON(立石 )公司的 C型、 P型PC等?？紤]到本機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡(jiǎn)單，同時(shí)考慮到制造成本，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇了 OMRON公司的 C28P型可編程序控制器。 可編程序控制器的工作過(guò)程 可編程序控制器是通過(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具 體的工作過(guò)程可分為 4個(gè)階段。 第一階段是初始化處理。 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連， CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)的詢問(wèn)是針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為 I/0狀態(tài)表 .該表是一個(gè)專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸入狀態(tài)暫存器 。存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存器。開(kāi)機(jī)時(shí)， CPU首先使 I/0狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。 第二階段是處理輸入信號(hào)階段。 在處理輸入信號(hào)階段， CPU對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入 端子的狀態(tài)信息送到 I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在 I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)變化的影響，因 23 此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。 第三階段是程序處理階段。 當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入 I/0狀態(tài)表后， CPU工作進(jìn)入到第三個(gè)階段。在這個(gè)階段中，可編程序控制器對(duì)用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各 I/0狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果寫入 I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)