【導(dǎo)讀】本設(shè)計(jì)為四自由度圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)械手，其工作方向?yàn)閮蓚€(gè)直線方向和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。本設(shè)計(jì)中的四自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手，主要是針對(duì)質(zhì)量少于2KG的圓形棒料的搬運(yùn)。手指的不同選擇可滿足直徑小于60mm的棒料的搬運(yùn)。在控制器的作用下，機(jī)械手執(zhí)行將工件從一。條流水線拿到另一條流水線并把工件翻轉(zhuǎn)過來這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作.工業(yè)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品。不少勞動(dòng)條件惡劣、生產(chǎn)要求苛刻的場(chǎng)合，工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動(dòng)已是必然。工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，第二代工業(yè)機(jī)器人是帶感覺的機(jī)器人。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從1980年開始進(jìn)入了實(shí)。識(shí)別自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。與全球機(jī)器人市場(chǎng)。目前全國約有機(jī)器人用戶500家，擁有的工業(yè)機(jī)器人總臺(tái)數(shù)約為1200. 勢(shì)，工業(yè)機(jī)器人將來必定有廣闊的發(fā)展前景[2]。替人力，而將人類從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢(shì)[4]。

　　

【正文】 制，則無需考慮上述問題。 ＰＬＣ有著極大的靈活性，易于模塊化 ，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時(shí)，只要對(duì)Ｉ／Ｏ點(diǎn)的接線稍作修改，或Ｉ／Ｏ繼電器重新分配，程序中作簡(jiǎn)單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。機(jī)械手的速度、電機(jī)運(yùn)行所需的脈沖數(shù)都可以根據(jù)給定的要求給予置。用ＰＬＣ控制的機(jī)械手將更具靈活性、可靠性、降低成本，提高效率，有著很好的經(jīng)濟(jì)效益。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用ＰＬＣ控制。 機(jī)器手控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的基本要求 工業(yè)機(jī)器人具有多個(gè)自由度，每個(gè)自由度一般包括一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般可用單片機(jī)， PLC，計(jì) 23 算機(jī)等來實(shí)現(xiàn)。在作業(yè)中 機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端執(zhí)行器按點(diǎn)位或軌跡運(yùn)動(dòng)，并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運(yùn)動(dòng)中或在規(guī)定的某點(diǎn)位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。 在機(jī)器人的各類作業(yè)中，運(yùn)動(dòng)和控制方式主要有兩種。 1）點(diǎn)位控制方式（ PTP控制） 這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運(yùn)動(dòng)過程中只在某些規(guī)定的點(diǎn)上進(jìn)行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點(diǎn)處保證準(zhǔn)確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求。而對(duì)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡（包括移動(dòng)的路徑和運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，這種控制方式易于實(shí)現(xiàn)，但不易達(dá)到較高的定位精度，適用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊和在電路板上安插元件等只要 求在目標(biāo)點(diǎn)保持末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的位姿的作業(yè)中； 2）連續(xù)軌跡控制方式（ CP控制） 這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴(yán)格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機(jī)器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這種連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)，可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的點(diǎn)足夠密，就能用點(diǎn)位控制的方法實(shí)現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手用于棒料的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)搬運(yùn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沒太大要求。所以選用點(diǎn)位控制方式。 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的基本功能： 本機(jī)械手要具有回原點(diǎn)、手動(dòng) {點(diǎn)動(dòng) )和 自動(dòng) {單步、連續(xù) 1控制的操作方式； 手動(dòng)操作 用按鈕操作對(duì)機(jī)械手的每一種運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制； 回原點(diǎn)操作方式 按下回原點(diǎn)啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)返回原點(diǎn)位置。 自動(dòng)操作 包括單步操作和連續(xù)運(yùn)行兩種操作方式。操作前提是機(jī)械手須處在原點(diǎn)位置上； 1)單步操作 每按一次按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止； 2)連續(xù)運(yùn)行 系統(tǒng)一旦啟動(dòng)，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)地連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。期間若按停止按鈕，要完成一個(gè)完整的動(dòng)作循環(huán)才停止。 為方便控制系統(tǒng)適應(yīng)各具體工作情況作小幅，整個(gè)控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，以方便指令中的 IST狀態(tài)初 始化指令來進(jìn)行設(shè)計(jì)。總軟件系統(tǒng)包括初始化電路、故障報(bào)警程序、點(diǎn)動(dòng)操作程序、回原點(diǎn)程序及自動(dòng)操作程序五大模塊構(gòu)成，分別解決單個(gè)問題．然后再進(jìn)行綜合。 本機(jī)械手中驅(qū)動(dòng)部分由電機(jī)與氣動(dòng)兩部分組成，其中電機(jī)部分由 PLC直接控制。而氣動(dòng)部分則由 PLC控制電磁筏來實(shí)現(xiàn)控制。下圖 13為氣動(dòng)部分原理圖： 24 圖 13 氣動(dòng)原理 Fig13 Pneumatic principles 為了使機(jī)械手在作過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)運(yùn)行及運(yùn)行的安全可靠，擺動(dòng)氣缸，手臂升降都選用限位開關(guān)控制，以給相應(yīng)的電磁闌傳遞通、斷信息。而氣爪，伸 縮氣缸則運(yùn)用其內(nèi)部的位置傳感器作為位置的控制。將其傳感器的信息傳遞給 PLC，以實(shí)現(xiàn) PLC對(duì)其位置的控制。而底座旋轉(zhuǎn)通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)底座位置傳感器，從而將位置信息傳給PLC實(shí)現(xiàn)控制 7 手臂驗(yàn)算與機(jī)械手參 手臂平衡的驗(yàn)算 手臂工作長(zhǎng)度較大，而且手臂伸縮端安裝有氣爪，氣爪夾緊工件。此處對(duì)絲桿力矩較大。所以應(yīng)該作平衡驗(yàn)算。 手臂氣爪端對(duì)絲桿的力矩： ()g b g zM L G G G??? (30) 式中： Mg—— 手臂工件端對(duì)絲桿的力 矩（ Nm? ）； Gb—— 擺動(dòng)氣缸的重力（ N） ,本設(shè)計(jì)為 ； Gg—— 工件的重力（ N） , 本設(shè)計(jì)為 ； Gz—— 氣爪的重力（ N） , 本設(shè)計(jì)為 ； L—— 手臂氣爪端對(duì)絲桿的力矩（ m） , 本設(shè)計(jì)為 。 把以上數(shù)據(jù)代入 ()g b g zM L G G G???得 : 0 . 4 ( 1 2 . 2 5 1 9 . 8 1 9 . 6 ) 2 0 . 9 6gM N m? ? ? ? ? ? 手臂端蓋端對(duì)絲桿的力矩： 1ddM LG? (31) 式中： Md—— 手臂端蓋端對(duì)絲桿的力矩（ Nm? ）； 25 Gd—— 端蓋端的重力（ N） ,本設(shè)計(jì)為其質(zhì)量為 ,得重力為 ； L1—— 手臂端蓋對(duì)絲桿的力臂（ m） , 本設(shè)計(jì)為 。 把以上數(shù)據(jù)代入 1ddM LG? 得 : 0 .3 4 3 .6 2 3 1 3 .0 8 7dM N m? ? ? ? 由此得手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩為 gdM M M?? 代入得 : 2 0 . 9 6 1 3 . 0 8 7 7 . 8 3gdM M M N m? ? ? ? ? ? (32) 手臂對(duì)絲桿的力矩總終由底座來平衡 .底座通過螺栓安裝 .考慮最大負(fù)載情況，由單個(gè)螺栓承受此力矩時(shí)其受的拉力為 Fl=M/L2 式中： L2—— 螺栓到絲桿的力臂（ m），本設(shè)計(jì)為 ； M—— 手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩 Nm? ，由前 計(jì)算得M=? 把以上數(shù)據(jù)代入 Fl=M/L2得 : Fl==底座選用的安裝螺栓為 M10 可得其最大工作條件下的應(yīng)力 1/FA?? 式中： A—— 螺栓的截面面積， 2 2 5 2/ 4 0 . 0 1 / 4 7 . 8 5 1 0A d m?? ?? ? ? ? ? (33) 代入 1/FA?? 得： 54 7 . 4 5 / 7 . 8 5 1 0 0 . 6 0 4 aMP? ?? ? ? 普通的螺栓的抗拉強(qiáng)度都大于 450 aMP ，可見螺栓能滿足要求。 機(jī)械手工作能達(dá)到平衡。 機(jī)械手參數(shù) 氣爪夾力為 表 5 機(jī)械手的最終運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)： Table 5 Final motion of the manipulator design parameters : 機(jī)械手機(jī)構(gòu) 工作范圍 工作速度 底座 轉(zhuǎn)動(dòng)角度 2400 轉(zhuǎn)動(dòng)速度 10 /minr 伸縮手臂 伸縮距離 300mm 伸縮速度 80mm/s 手臂升降 升降距離 320mm 升降速度 35mm/s 氣爪擺動(dòng) 擺動(dòng)角度 1800 轉(zhuǎn)動(dòng)速度 30 /minr 表 6 機(jī)械手工作精度： Table 6 Accuracy of the robot work : 26 機(jī)械手機(jī)構(gòu) 工作精度 底座 伸縮 手臂 手臂升降 氣爪擺動(dòng) 通過擋塊定位 結(jié)束語 到此近 90 天的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，我大學(xué)階段的學(xué)習(xí)也將畫上句號(hào)。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，牢固了自己所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，提高了獨(dú)立思考解決問題的能力，同時(shí)也真正初步了解一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過程。 也使我學(xué)會(huì)怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料，還使我學(xué)會(huì)如何與同學(xué)共同討論問題。這對(duì)我以后的工作有很大的幫助。 在設(shè)計(jì)過程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問題。從中使我認(rèn)識(shí)到自己在很多地方的不足。有很多東西還要慢慢學(xué)習(xí)。 由于本人水平有限以 及畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間有限，本設(shè)計(jì)難免有不合理或不太準(zhǔn)確的地方，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。 參考文獻(xiàn) [1] 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].第 3 卷 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .20xx:5～ 8 [2] 張鐵 ,謝存禧 .機(jī)器人學(xué) ][M].廣州 :華南理工大學(xué)出版社 .20xx:15～ 24 [3] 陳統(tǒng)堅(jiān) .機(jī)械工程英語 [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 .1996:78～ 98 [4] 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) .單行本 .氣壓傳動(dòng) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .20xx:11～ 41 [5] 馮辛安 .機(jī)械制造裝配設(shè)計(jì) [M].北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 .20xx:89～ 123 [6] 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) .單行本 .常用工程材料 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .20xx:156～ 177 [7] 吳克堅(jiān) ,于曉紅 ,錢瑞明 .機(jī)械設(shè)計(jì) [M].北京 :高等教育出版社 .20xx:11～ 53 [8] 鄭堤 ,唐可紅 .機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 .20xx:22～ 65 [9] 陸一心 ,氣壓與氣動(dòng)技術(shù) [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .20xx:29～ 44 [10] 秦曾煌 .電工學(xué)電子技術(shù) (第五版 ) [M]. 北京：高等教育出版社 .1999:32～ 69 [11] 吳宗澤 .機(jī)械 設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 .20xx:234～ 278 [12] 吳振彪 .機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo) [M].廣東海洋大學(xué) .20xx:21～ 56 [13] 馮開平，左忠義 .畫法幾何與機(jī)械制圖 [M].廣州 :華南理工大學(xué)出版社 .20xx:34～ 98 [14] Robert J. 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