【正文】 而且通過盤與 上臂相連。這樣，上臂就停止在所要求的位置上了。 注：機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)范圍手其結(jié)構(gòu)的限制，在手臂的運(yùn)動(dòng)到達(dá)結(jié)構(gòu)位置之前，必須使其自動(dòng)停止。手臂在極限位置自動(dòng)停止，反向運(yùn)行的條件完全是靠離合齒上的凸起部分與滑塊的接觸實(shí)現(xiàn)的。只有滿足這個(gè)條件，離合齒上凸起部分的斜面與滑塊在滑動(dòng)時(shí)才不會(huì)發(fā)生自鎖。這里設(shè)計(jì)成中心軸不轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，帶輪可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)影響軸，且把離合器的左半邊加工在帶輪上，這樣，不僅可以縮小空間，而且可以提高強(qiáng)度。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手臂；極限位置；嚙合； 4 第一章 前言 . 工業(yè)機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī) (機(jī)械本體 )、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測 傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣 體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。 .機(jī)械手 的組成和分類 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 5 機(jī)械手組成方框圖 :11 (一 )執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu) 。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。常用的指形有平面的、 V形面的和曲面的 :手指有外夾式和內(nèi)撐式 。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。 手腕 : 是連接手部和手臂的部件，并可用 來調(diào)整被抓取物件的方位 (即姿勢 ) 手臂 : 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。 立柱 : 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降 (或俯仰 )運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。 行走機(jī)構(gòu) : 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。 (二 )驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)， 并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息 (如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間 )，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機(jī)械擋塊定位 )系統(tǒng)組成。 .機(jī)械手的分類 工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。專用機(jī)械手具有動(dòng)作 少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和加工中心。在性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種 :簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制，伺服型可 以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型 。其主要特點(diǎn)是 :抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。其主要特點(diǎn)是 :介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手 即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) (如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等 )驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。 電力傳動(dòng)機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。 連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的 任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。 8 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 對氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾 放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求 。也可用于操作環(huán)境惡劣的生產(chǎn)場合。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。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。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。 .機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。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。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為 sm/ 。平均移動(dòng)速度為 sm/ 。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或 站著且略有走動(dòng)操作的空間。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。手臂升降行程定為 mm120 。該機(jī)械手的定位精度為 mm1? 。 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) : 10 抓重 : kg5 自由度數(shù) :4個(gè)自由度 坐標(biāo)型式 :圓柱坐標(biāo) 最大工作半徑 : mm1400 手臂最大中心高 : mm1250 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) : 伸縮行程 mm1200 伸縮速度 smm/400 升降行程 mm120 升降速度 smm/250 回轉(zhuǎn)范圍 ?? 1800 ? 回轉(zhuǎn)速度 s/90? 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù) : 回轉(zhuǎn)范圍 ?? 1800 ? 回轉(zhuǎn)速度 s/90? 手指夾持范圍 :棒料 : mmmm 15080 ?? ? 定位方式 :行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等 定位精度 : mm1? 1驅(qū)動(dòng)方式 :氣壓傳動(dòng) 1控制方式 : 機(jī)械手臂剖視圖圖 26 11 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工 件是棒料時(shí)，使用夾持式手部 :如果有實(shí)際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)， 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指 (或手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)所組成。 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式 :按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式 (或內(nèi)漲式 )和外夾式兩種 :按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型 (或稱直進(jìn)型 )，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時(shí)，就成為移動(dòng)型。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 (二 )手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的 兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。對于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。例如圓柱形工件采用帶“ V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。 (五 )考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn) 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成 V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。N tg? ?????? 所 以 Rbp 2? N )(245 N? (3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 : ? 21KKpp ?實(shí)際 I,因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取 ?? ，并取 ?K 。 13 氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。 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。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)。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。 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? )。 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 )對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 ( 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 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )..( 2scmN : 1G 工件的重量 (N)。 t? 起動(dòng)過程所需的時(shí)間 (s)。 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對轉(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)。 f 摩擦系數(shù)，對于滾動(dòng)軸承 ?f ，對于滑動(dòng)軸承 ?f 。 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。反之，輸出軸作順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。 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。 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)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性 。 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。 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?？紤]到本機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡單，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。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。 第一階段是初始化處理。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)。存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存器。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。 在處理輸入信號階段， CPU對輸入狀態(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。 第三階段是程序處理階段。在這個(gè)階段中，可編程序控制器對用戶程序進(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