【文章內容簡介】 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。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉油 (氣 )缸，因此我們選用回轉氣缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于 ?360 ，并且要求嚴格的密封。 4. 2手腕的驅動力矩的計算 手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩 .圖 41所示為手腕受力的示意圖。 圖 41手碗回轉時受力狀態(tài) 手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算 : 16 封摩偏慣驅 MMMMM ???? 式中 : 驅M 驅動手腕轉動的驅動力矩 ( cmN? )。 慣M 慣性力矩 ( cmN? )。 偏M 參與轉動的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回轉缸的動片 )對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 ( cmN? )., 。 封M 手腕回轉缸的動片與定片、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，分析各阻力矩的計算 : 手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M悅 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為 ? ，起動過程所用的時間為 t? ，則 : ).(1 cmNtJJM ??? ?）（慣 式中 :J 參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量 )..( 2scmN 。 1J 工件對手腕轉動軸線的轉動慣量 )..( 2scmN `。 若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量 1J 為 : gGJJ c 11 ?? 21e 式中 : cJ 工件對過重心軸線的轉動慣量 )..( 2scmN : 1G 工件的重量 (N)。 1e 工件的重心到轉動軸線的偏心距 (cm), ? 手腕轉動時的角速度 (弧度 /s)。 t? 起動過程所需的時間 (s)。 ?? — 起動過程所轉過的角度 (弧度 )。 手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 M偏 ?偏M 11eG + 33eG ( cmN? ) 式中 : 3G 手腕轉動件的重量 (N)。 17 3e 手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距 (cm) 當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則 11eG 0? . 手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 封M ?封M )(2 12 dRdRf BA ? ( cmN? ) 式中 : 1d ， 2d 轉動軸的軸頸直徑 (cm)。 f 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 ?f ，對于滑動軸承 ?f 。 AR , BR 處的支承反力 (N)，可按手腕轉 動軸的受力分析求解， 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所示的長度尺寸 (cm). 轉缸的動片與缸徑、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，應根據(jù)具體情況加以分析。 在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉氣缸，它的原理如圖 42所示，定片 1與缸體 2固連，動片 3與回轉軸 5固連。動片封圈 4把氣腔分隔成兩個 .當壓縮氣體從孔 a進入時，推動輸出軸作逆時 4回轉，則低壓腔的氣從b孔 排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。單葉氣缸的壓力 P驅動力矩 M的關系為 : 2 )( 22 rRpbM ?? , 或 )( 2 22 rRb Mp ?? 18 19 第五章 手臂伸縮、升降、回轉氣缸的尺寸設計與校核 手臂伸縮氣缸的尺寸設計 手臂伸縮氣缸采用標準氣缸，參看各種型號的結構特點，尺寸參數(shù)，結合本設計的實際要求，氣缸用 CTA型氣缸，尺寸系列初選內徑為 ? 100/63： 尺寸校核 校核尺寸時，只需校核氣缸內徑 1D =63mm,半徑 R=滿足使用要求即可 ,設計使用壓強 MPaP ? , 則驅動力： 2RPF ??? )(1246 26N? ???? 測定手腕質量為 50kg,設計加速度 )/(10 sma? ，則慣性力 maF?1 )(5001050 N? ?? ，設定摩擦系數(shù) ?k , ? )(100 N? ?? ? 總受力 mFFF ?? 10 )(600 100500 N? ?? FF?0 所以標準 CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅動力要求要求。 氣壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，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，在設計手臂結構時， 20 應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。 導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性 。 平衡裝置 在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài) ，減少手抓一側重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側加裝平衡裝置，裝置內加放砝碼，砝碼塊的質量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運行參數(shù)視具體情況加以調節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。 手臂升降氣缸的尺寸設計與校核 尺寸設計 氣缸運行長度設計為 l =118mm,氣缸內徑為 1D =110mm,半徑 R=55mm,氣缸運行速度，加速度時間 t? =,壓強 p=,則驅動力 ``20 . RpG ?? 26 ???? )(3799 N? 尺寸校核 1．測定手腕質量為 80kg,則重力 mgG? )(8001080 N? ?? 1， 設計加速度 )/(5 sma? ，則慣性力 maG?1 )(400580 N? ?? 3. 考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數(shù) ?k ， ? )(40 N? ?? 21 ? 總受力 mq GGGG ??? 1 )(1240 40400800 N? ??? 0GGq ? 所以設計尺寸符合實際使用要求。 手臂回轉氣缸的尺寸設計與校核 尺寸設計 氣缸長度設計為 mmb 120? ,氣缸內徑為 mmD 2101 ? ,半徑 R=105mm,軸徑 mmD 402 ? 半徑 mmR 20? ,氣缸運行角速度 ? = s/90? ，加速度時間t? ? ,壓強 MPaP ? , 則力矩： 2 )( 22 rRpbM ?? ).(255 2)( 226mN????? 尺寸校核 1．測定參與手臂轉動的部件的質量 kgm 1201 ? ,分析部件的質量分布情況， 質量密度等效分布在一個半徑 mmr 200? 的圓盤上，那么轉動慣量： 221rmJ? 2 2?? ? （ ） tJM ?? ?.慣 ).(108 mN??? 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數(shù) ?k , 22 慣摩 MkM .? ）（ ? ?? 總驅動力矩 摩慣驅 MMM ?? ）（ ? ?? MM〈驅 ? 設計尺寸滿足使用要求。 第六章 機械手的 PLC控制設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制 .當機械手的動作流程改變時，只需改變 PLC程序即可實現(xiàn)，非常 方便快捷。 6. 1可編程序控制器的選擇及工作過程 可編程序控制器的選擇 目前，國際上生產(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]到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設計中選擇了 OMRON公司的 C28P型可編程序控制器。 可編程序控制器的工作過程 可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。 具體的工作過程可分為 4個階段。 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相連， CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(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 .該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器 。存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時， CPU首先使 I/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。 第二階段是處理輸入信號階段。 在處理輸入信號階段， CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸 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，各個輸入點的狀態(tài)在 I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因 23 此不能造成運算結果混亂，保證了本周期內用戶程序的正確執(zhí)行。 第三階段是程序處理階段。 當輸入狀態(tài)信息全部進入 I/0狀態(tài)表后， CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各 I/0狀態(tài)和有關指令進行運算和處理，最后將結果寫入 I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。 第四階段是輸出處理階段。 段 CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結果寫 入到 I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅動輸出繼電器線圈，控制被控設備進行各種相應的動作。然后， CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。 機械手可編程序控制器控制方案 24 第七章 結論 本次設計的是氣動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由 度可變，控制程序可調，因此適用面更廣。 采用氣壓傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 工作環(huán)境適應性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失 和泄漏較小， 不會污染環(huán)境。同時成本低廉。 通過對氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度， 節(jié)省了大量時間和避免了不必要的重復勞動，同時做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。 機械手采用 PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進 行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設定 PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù) 機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強。 25 參考文獻 ： [1] 張建民 .工業(yè)機器人 .北京 :北京理工大學出版社， 2022 [2] 蔡自興 .機器人學的發(fā) 展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略 .機器人技術， 2022 [3] 金茂青，曲忠萍，張桂華 .國外工業(yè)機器人發(fā)展勢態(tài)分析 .機器人技術與應用 ， 2022 [4] 王雄耀 .近代氣動機器人 (氣動機械手 )的發(fā)展及應用 .液壓氣動與密封， 2022 [5] 嚴學高，孟正大 .機器人原理 .南京 :東南大學出版社， 2022 [6] 機械設計師手冊 .北京 :機械工業(yè)出版社， 2022 [7] 黃錫愷，鄭文偉 .機械原理 .北京 :人民教育出版社， 2022 [8] 成大先 .機械設計圖冊 .北京 :化學工業(yè)出版社 [9] 鄭洪生 .氣壓傳動及控制 .北京 :機械 工業(yè)出版社， 2022 [10] 吳振順 .氣壓傳動與控制 .哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學出版社， 2022 [11] 徐永生 .氣壓傳動 .北京 :機械工業(yè)出版社， 2022 [12]傅祥志，機械原理（第二版），武漢： 華中科技大學出版社， [13]吳昌林等，機械設計（第二版）， 武漢：華中科技大學出版社， ［ 14］徐鋼濤等，機械設計基礎，北京：高等教育出版社，