【正文】 機(jī)器人技術(shù)， 2021 [3] 金茂青，曲忠萍，張桂華 .國(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展勢(shì)態(tài)分析 .機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ， 2021 [4] 王雄耀 .近代氣動(dòng)機(jī)器人 (氣動(dòng)機(jī)械手 )的發(fā)展及應(yīng)用 .液壓氣動(dòng)與密封， 2021 [5] 嚴(yán)學(xué)高，孟正大 .機(jī)器人原理 .南京 :東南大學(xué)出版社， 2021 [6] 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè) .北京 :機(jī)械工業(yè)出版社， 2021 [7] 黃錫愷，鄭文偉 .機(jī)械原理 .北京 :人民教育出版社， 2021 [8] 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè) .北京 :化學(xué)工業(yè)出版社 [9] 鄭洪生 .氣壓傳動(dòng)及控制 .北京 :機(jī)械工 業(yè)出版社， 2021 [10] 吳振順 .氣壓傳動(dòng)與控制 .哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2021 [11] 徐永生 .氣壓傳動(dòng) .北京 :機(jī)械工業(yè)出版社， 2021 [12]傅祥志，機(jī)械原理（第二版），武漢： 華中科技大學(xué)出版社， [13]吳昌林等，機(jī)械設(shè)計(jì)（第二版）， 武漢：華中科技大學(xué)出版社， ［ 14］徐鋼濤等，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，北京：高等教育出版社， 26 27 致 謝 本次設(shè)計(jì)是在我尊敬的導(dǎo)師馬永杰老師悉心指導(dǎo)下完 成的。 機(jī)械手采用 PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是進(jìn) 行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制，都可通過(guò)設(shè)定 PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)成本低廉。 工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 24 第七章 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)通用機(jī)械手，相對(duì)于專(zhuān)用機(jī)械手，通用機(jī)械手的自由 度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線(xiàn)圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。 第四階段是輸出處理階段。 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(hù)程序的正確執(zhí)行。 第二階段是處理輸入信號(hào)階段。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。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 。 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(xún)問(wèn)是針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。具 體的工作過(guò)程可分為 4個(gè)階段。 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(hù)程序來(lái)完成各種不同控制任務(wù)的。 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(mén)子公司的 SIMATIC N5系列 PC、日本 OMRON(立石 )公司的 C型、 P型PC等。 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(pán)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(mǎn)足使用要求。 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。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。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(mǎn)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。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。 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(lèi)型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。 17 3e 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的偏心距 (cm) 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)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)。 ?? — 起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 (弧度 )。 1e 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的偏心距 (cm), ? 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度 (弧度 /s)。 1J 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )..( 2scmN `。 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? )。 慣M 慣性力矩 ( cmN? )。 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(xiàn)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。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(mǎn)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。 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。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(mǎn)足工作的要求。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為 : zt FFPDF ??? 421 ? 式中 : 1F 活塞桿上的推 力， N tF 彈簧反作用力， N zF 氣缸工作時(shí)的總阻力， N P 氣缸工作壓力， Pa 彈簧反作用按下式計(jì)算 : )1( sGF ft ?? nDGdGf 3141? fG = nDGd31418 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預(yù)壓縮量， m s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， . n 彈簧有效圈數(shù) . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設(shè)計(jì) 中，必須考慮負(fù)載率 ? 的影響，則 : tFpDF ?? 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(mǎn)足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。若被抓取工件的最大加 速度取 ga 3? 時(shí)，則 : 412 ??? gaK 所以 )( Np ????實(shí)際 所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為 N1563 。 手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖 32所示 ， 12 圖 32 齒輪齒條式手部 其工件重量 G=5公斤， V形手指的角度 ?1202 ?? ， mmRmmb 24120 ??? ,摩擦系數(shù)為 ?f (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為 : Rbp 2? N (2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計(jì)算公式 : )( ?? ?? tgN )(25 )42560(39。 (四 )具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外 ，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 (三 )保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件