【導(dǎo)讀】高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。了總體方案設(shè)計(jì)。確定了機(jī)械手用三自由度和圓柱坐標(biāo)型式。驅(qū)動(dòng)方式由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂伸縮和升降，異步電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),控制軟件結(jié)構(gòu)以及手動(dòng)控制程序和自動(dòng)控制程序的設(shè)計(jì)。早在三國(guó)時(shí)代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國(guó)人的智能結(jié)晶。業(yè)革命，機(jī)器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。由于科學(xué)幻想所系的“永動(dòng)

　　

【正文】 4）要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度 [14]。 本設(shè)計(jì)中手臂由氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，還設(shè)計(jì)有兩根導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在活塞桿上轉(zhuǎn)動(dòng)，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。它的結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 手臂結(jié)構(gòu)圖 選用軸向腳架型氣壓缸，活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu)，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)。 伸縮氣壓缸的 設(shè)計(jì) 氣缸主要尺寸的確定 1．氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 25 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合末端執(zhí)行器的尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為50? 。 由 ??Dd ,可得活塞桿直徑 : mmDd 25~10)~( ?? 圓整后，取活塞桿直徑 mmd 18? 由《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》手冊(cè)表 41氣壓負(fù)載常用工作壓力， 取氣缸工作壓力MPap ? 由公式 （ 44）、（ 45）： ?? ?? 421 pDF ?? ??? 4 )( 222 pdDF 計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取 ~?? ，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取 ~?? 。 得 NFNF 580667 21 ?? ， 。 2．缸筒壁厚和外徑的設(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，其壁厚按薄壁筒公式 （ 49） 計(jì)算 : ][2/ ?? pDP? 設(shè)計(jì)的伸縮氣缸缸筒材料為 :鋁合金 ZL106, [? ]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )(5 )1032/(65mm? ?????? 取 mm7?? ，則缸筒外徑為 : )(6427501 mmD ???? 。 3．手部活塞桿行程長(zhǎng) l 確定 按設(shè)計(jì)要求， X軸小臂伸縮距離為 10cm，即 100mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。 故行程查有關(guān)手冊(cè)圓整為 mml 021? 。 4．活塞桿穩(wěn)定性的計(jì)算： 當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度 dL10? 時(shí)，一般按壓 桿穩(wěn)定性來(lái)計(jì)算活塞桿直徑。 當(dāng)氣缸承受的軸向負(fù)載 puF 達(dá)到極限值 kF 后，極微小的干擾力都會(huì)使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致氣缸不能正常工作。 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 26 活塞桿穩(wěn)定性條件是： kkpu nFF ? （ 51） 式中 , puF 氣缸承受的軸向負(fù)載，即氣缸的理論輸出推力， N ?kF 氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力， N kn 氣缸的壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取 6~2?kn 氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力與缸的安裝形式、活塞桿直徑及行程有關(guān) [15]。 當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 mKL 85? 時(shí)， 22 / LmFk ??? ? （ 52） 當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 mKL 85? 時(shí)， 21)(1 KLnafFk ??? （ 53） 式中， ?L 活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度 )(m ?K 活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑， 實(shí)心桿 41 dK ???? （ 54） 空心桿 4/202 ddK ?? （ 55） ?? 活塞桿斷面慣性矩 實(shí)心桿 644d??? （ 56） 空心桿 64/)( 404 dd ??? ? （ 57） ?0d 空心活塞桿內(nèi)孔直徑 )(m ??1 活塞桿截面積 實(shí)心桿 421 d??? （ 58） 空心桿 )(4 2021 dd ??? ? （ 59） ?m 系數(shù)，查下表 ?? 材料彈性模量，對(duì)鋼取 ??? ?f 材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取 paf 71049?? 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 27 ?a 系數(shù)，對(duì)鋼取 50001?a 查閱機(jī)械手冊(cè)氣缸設(shè)計(jì)章由表得安裝方式為固定 自由式 取 41?m 代入公式 （ 54）至（ 59） ： 實(shí)心桿 ?? dK ??KL ???m 由于 mKL 85? 用公式 （ 53） ： 21)(1 KLnafFk ??? 227 004101 ??????? )(55389 N? )( 1 NFFnF pukk ????? 所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。 5．驅(qū)動(dòng)力校核 測(cè)定手爪與手爪氣缸質(zhì)量為 ，估算為 kg3 ，設(shè)計(jì)加速度 sma /10? ，則慣性力： maF ?慣 （ 510） N30103 ??? 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ?k , 慣FkFm .? )(6 N? ?? 總受力 mFFF ?? 慣0 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 28 )(36 630N? ?? 10 FF? 所以該氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。 6．耗氣量 的計(jì)算： 氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量 Q 為： m in)/)(2(4 322 mdDnsQ ?? ? 式中， D 氣缸缸徑， m d 活塞桿直徑， m s 活塞行程， m n 氣缸活塞每分鐘往復(fù)次數(shù) 此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計(jì)算值比實(shí)際值偏小，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)具體情況加以修正。 m i n/ 322 mQ ??????? ）（ 7．氣缸進(jìn)排口的計(jì)算 氣缸的進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進(jìn)氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑 0d 用下式計(jì)算： )(20 mQd ??? 式中， Q 工作壓力下氣缸的耗氣量， sm/3 ? 空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，一般取 sm /15~10?? 把計(jì)算出來(lái)的氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑進(jìn)行圓整后，按照 GB/T 14038— 93氣缸氣口螺紋 選擇合適的氣口螺紋。故， md ? 8．前后運(yùn)動(dòng)氣缸部分質(zhì)量估算 活塞桿及導(dǎo)向套材料采用 45鋼； 缸體采用鋁合金 ZL106； 連接件采用 HT 查相關(guān)手冊(cè)， 45號(hào)鋼密度為 33 /10 mkg? 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 29 ZL106的密度為 33 /10 mkg? HT250密度為 33 /10 mkg? 經(jīng)計(jì)算，質(zhì)量約為 5 . 7 8 4 1 k g1 . 5 2 4 41 . 2 9 9 12 . 9 6 0 6m ???? 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1．缸筒和缸蓋的連接 查閱機(jī)械手冊(cè)，選擇拉桿式螺栓連接。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，易于裝卸。 2．活塞桿與活 塞的連接結(jié)構(gòu) 活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。 該氣缸選擇螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，應(yīng)用較多。 3．密封 氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設(shè)計(jì)、選擇和使用密封裝置，對(duì)保證氣缸的正常工作非常重要。 查閱機(jī)械手冊(cè)的表 43 活塞的結(jié)構(gòu)與密封型式 采用 O型密封圈工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，目前使用的范圍較廣。 4．氣缸的安裝連接結(jié)構(gòu) 根據(jù)安裝位置和工作要求不同可有法蘭式、腳架式、支座式、鉸軸式。 由 于結(jié)構(gòu)需要，該氣缸用腳架式安裝連接。 導(dǎo)向裝置 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)，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)中才用雙導(dǎo)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 30 6 機(jī)械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 計(jì)算 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過(guò)安裝在支座上的感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 5和減速機(jī) 4 直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)殼體 3轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座上的氣缸 1實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)。采用了雙導(dǎo)柱 2導(dǎo)向，以防止手臂在氣缸活塞桿上轉(zhuǎn)動(dòng)，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。支撐梁采用鋁合金，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結(jié)構(gòu)如圖 所示。 1氣壓缸 2導(dǎo)向柱 3轉(zhuǎn)動(dòng)殼體 4減速機(jī) 5感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 6機(jī)座 圖 控制手臂上下移動(dòng)的腰部氣缸的設(shè)計(jì) 確定主要尺寸 1． 氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合末端執(zhí)行器的尺寸以及伸縮氣缸的結(jié)構(gòu)尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為 100? 。 由 ??Dd ,可得活塞桿直徑 : 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 31 mmDd 30~20)~( ?? 圓整后，取活塞桿直徑 mmd 32? 由《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》手冊(cè)表 41氣壓負(fù)載常用工作壓力， 取氣缸工作壓力MPap ? 由公式 （ 44）、（ 45）： ?? ?? 421 pDF ?? ??? 4 )( 222 pdDF 計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取 ~?? ，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取 ~?? 。得 NFNF 2 3 9 62 6 6 9 21 ?? ， 2．缸筒壁厚和外 徑的設(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? 氣缸缸筒材料采用為 :鋁合金 ZL106,[? ]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )(10 )1032/(65mm? ?????? 取 mm10?? ，則缸筒外徑為 : )(1202101001 mmD ???? 3．手部活塞桿行程長(zhǎng) l 確定 按設(shè)計(jì)要求，腰部上下運(yùn)行距離為 20cm，即 200mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。 故行程查有關(guān)手冊(cè)圓整為 mml 240? 4．活塞桿穩(wěn)定性的計(jì)算： 當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度 dL10? 時(shí)，一般按壓桿穩(wěn)定性來(lái)計(jì)算活塞桿直徑。 當(dāng)氣缸承受的軸向 負(fù)載 puF 達(dá)到極限值 kF 后，極微小的干擾力都會(huì)使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致氣缸不能正常工作。 活塞桿穩(wěn)定性條件公式 （ 51） ： 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 32 kkpu nFF ? 當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 mKL 85? 時(shí)， 用公式 （ 53） ： 21)(1 KLmafFk ??? 實(shí)心桿 41 dK ???? 實(shí)心桿 421 d??? ?m 系數(shù)，由查表安裝方式為固定 固定式 得 4?m ?f 材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取 paf 71049?? ?a 系數(shù)，對(duì)鋼取 50001?a 代入公式 （ 54）至（ 59） ： 實(shí)心桿 84 ??dK 80864