《畢業(yè)論文--自動(dòng)換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及PLC控制-機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).doc》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《畢業(yè)論文--自動(dòng)換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及PLC控制-機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).doc（31頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 編號(hào) 淮安信息淮安信息職業(yè)職業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)院學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)論論文文 題題 目目 自動(dòng)換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 及 PLC 控制-機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 徐忠遙 學(xué) 號(hào) 42011137 系 部電氣工程系 專 業(yè)機(jī)電一體化 班 級(jí) 420111 指導(dǎo)教師薛嵐 顧問教師揭志遠(yuǎn) 二一三年十月 摘 要 I 摘摘 要要 隨著數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，零件加工的輔助時(shí)間大大降低了，極大的提 高了生產(chǎn)效率。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，使數(shù)控機(jī)床發(fā)展成為 機(jī)械加工中普遍應(yīng)用的一種更先進(jìn)的制造方法叫做加工中心。大多數(shù)加工中心 都帶有能夠自動(dòng)換刀裝置的換刀系統(tǒng)，并按照程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加工。氣動(dòng)機(jī)械手 具有簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)、

2、動(dòng)作靈敏、節(jié)能、環(huán)保、可靠性高、可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)。 為了提高機(jī)械手的應(yīng)用范圍，讓每一個(gè)機(jī)械手擁有不同的使用特性，所以 對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。特將其分為若干個(gè)模塊，其包括：立柱、基 座、手臂、手部、手腕等模塊。為了滿足不同的使用特性和功能，我們可以通 過選擇不同的模塊進(jìn)行組合。當(dāng)產(chǎn)品的使用性能發(fā)生變化時(shí)，我們可以根據(jù)需 要對(duì)部分模塊進(jìn)行修改或從新改造，這樣即節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，又提供了設(shè)計(jì)效 率。 經(jīng)過對(duì)機(jī)械手在結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方面上的分析后，采用電氣氣壓伺服控制技 術(shù)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)執(zhí)行元件根據(jù)電氣控制信號(hào)的要求，驅(qū)動(dòng)負(fù) 載元件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：自動(dòng)換刀 機(jī)械手 電

3、氣-氣壓伺服控制 Abstract II A Abstractbstract With CNC technology application and development of auxiliary parts processing time is greatly reduced, greatly improving production efficiency. With the development of science and technology to improve productivity and make CNC machining develop into a more uni

4、versal application of advanced manufacturing method called machining centers. Most machining centers with automatic tool changer can ATC system, and follow the procedures for automatic processing. Pneumatic Manipulator has a simple mechanism, sensitive, energy-saving, environmental protection, high

5、reliability, can realize step less speed regulation and other advantages. In order to improve the application range of the robot, so that each robot has different usage characteristics, so the structure of the robot modular design. Special will be divided into several modules, including: columns, ba

6、se, arms, hands, wrists and other modules. In order to meet different features and capabilities, we can choose a different module combinations. When product performance changes, we may need to make changes on the part of the module or re-transformation, so that the design cost savings, but also prov

7、ides a design efficiency. After the manipulator on the structure and motion analysis, the use of electric servo control technology of the pneumatic manipulator control and drive, pneumatic actuators according to the requirements of the electrical control signal to drive the load element the appropri

8、ate action. Keywords: Automatic tool change; manipulator; Electro-pneumatic servo orientation 第一章 緒論 III 目目 錄錄 摘摘 要要I ABSTRACTII 第一章第一章 緒論緒論.1 1.1 換刀機(jī)械手概述1 1.2 選題背景1 1.3 設(shè)計(jì)意義1 1.4 論文的主要工作2 第二章第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案.4 2.1 機(jī)械手類型4 2.1.1 根據(jù)機(jī)械手的應(yīng)用范圍分類.4 2.1.2 按機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式分類.4 2.1.3 按機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式分類.4 2.2 機(jī)械手

9、的坐標(biāo)形式與自由度5 2.3 機(jī)械手工作過程及工步時(shí)間分配7 2.3.1 確定完成動(dòng)作及順序.7 2.3.2 工步時(shí)間分配.9 2.4 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案9 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案9 第三章第三章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).12 3.1 機(jī)械手伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)12 3.1.1 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì).12 3.1.2 電氣伺服閥.13 3.2 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)15 3.2.1 機(jī)械手手部設(shè)計(jì).16 3.2.2 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).16 3.2.3 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).20 第四章第四章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.22 4.1 總結(jié)22 4.2 展望22 致致 謝謝.24 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).25 第

10、一章 緒論 1 第一章第一章 緒論緒論 1.1 換換刀機(jī)械手概述刀機(jī)械手概述 換刀機(jī)械手是由集控制器、傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn) 品，它模仿人的操作，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、重復(fù)編程、能夠完成各種復(fù)雜的動(dòng)作。 它能在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)改善勞動(dòng)條件，促進(jìn)產(chǎn)品的更 新?lián)Q代起著促進(jìn)作用。機(jī)械手的使用情況，標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的 高低。機(jī)械手并不是簡(jiǎn)單的代替人的體力的勞動(dòng)，而是將人的智慧體現(xiàn)在機(jī)器 上。是機(jī)械人具有人的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有具有高精度、高強(qiáng)度持 續(xù)工作的能力，并且能夠適應(yīng)比較差的環(huán)境，我們可以說機(jī)械手是工具進(jìn)化的 產(chǎn)物。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手

11、已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機(jī)械加工、自動(dòng)換刀、 流水線上生產(chǎn)及裝配、上下料等。但是大多數(shù)機(jī)械手的專用型比較強(qiáng)，每臺(tái)機(jī) 器上的機(jī)械手在不改造的情況下，很難在其他機(jī)器上使用。由于機(jī)械手能很大 程度上提高生產(chǎn)效率，簡(jiǎn)化機(jī)械加工的程序，所以它在機(jī)械加工中得到廣泛的 應(yīng)用。 1.2 選題選題背景背景 機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng) 化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種新型裝置。機(jī)械手之所 以更好的結(jié)合機(jī)械和自動(dòng)化技術(shù)，得力于電子計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，使得機(jī)械手 的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一門新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。我們可以把一些高危險(xiǎn)、機(jī)械式重 復(fù)而枯燥的工作交給機(jī)械手，這樣既減輕我們的

12、體力勞動(dòng)，又提高了生產(chǎn)效率。 機(jī)械手在以下行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，比如，零件的裝配、工件的搬運(yùn)與拆卸、 以及在數(shù)控機(jī)床上的自動(dòng)換刀系統(tǒng)。 為了把機(jī)械手和機(jī)床的有機(jī)結(jié)合在一起，機(jī)械手隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已 經(jīng)發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元中一個(gè)重要組成部分。它主要應(yīng)用在 中小批量的生產(chǎn)，它可以省去工件運(yùn)輸工具。而柔性生產(chǎn)系統(tǒng)比較適用于產(chǎn)品 更新?lián)Q代比較快的品種，這樣既可以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，又能更好的適用 于市場(chǎng)發(fā)展的需求。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外 比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響 到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都

13、是十分必要的。因此， 進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。 1.3 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)意意義義 本設(shè)計(jì)通過對(duì)大學(xué)三年所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)通用形式的普通圓 棒料搬運(yùn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng) 化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。 目前，在國(guó)內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)中圓棒料的搬運(yùn)擺放仍由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng) 度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成 為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn),針對(duì)具體生產(chǎn)工藝,利用機(jī)器人技術(shù)。

14、為 了提高生產(chǎn)率，我們特意設(shè)計(jì)了應(yīng)用性比較廣泛的自動(dòng)換刀機(jī)械手，從減輕工 人的機(jī)械式體力勞動(dòng)。 在現(xiàn)在的機(jī)械加工中，機(jī)械手手的普遍應(yīng)用具有十分重要的意義。具體概 括如下： 1、以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度 機(jī)械手的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)材料自動(dòng)運(yùn)輸、工件的安裝與拆卸、自動(dòng)換刀以及 零件的裝配，從而節(jié)省大量不必要的時(shí)間。 2、以改善工作條件，提高人身安全 比如，一些高溫、高壓、噪聲比較大、高污染的工作環(huán)境、以及對(duì)人體有 大量傷害的有毒氣體和放射線，一般這樣的環(huán)境不適合工人長(zhǎng)時(shí)間在里面工作， 所以機(jī)器人的使用無疑是比較好的選擇。機(jī)器人基本上可以代替人的大量機(jī)械 式重復(fù)勞動(dòng)，這樣不僅可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還

15、可以改善勞動(dòng)條件，提高 工人的安全性。 有一些簡(jiǎn)單的工作總是機(jī)械式的重復(fù)操作，時(shí)間長(zhǎng)了很容易造成工人的極 度疲勞或疏忽，很容易造成一些不必要的人身事故。 3、可以減輕人力，讓工作更有秩序 比如，機(jī)械手可以代替我們?nèi)ネ瓿煽菰餆o味而又機(jī)械式重復(fù)的工作，這樣 既可以減少人力，又可以保證一定的工作精度。還有一些流水線上的工作，本 來就需要大量的人力資源，而且又需要比較高的工作效率和工作精度，但是有 些工人卻不能跟上流水線的速度，這就很容易造成流水線上工作秩序的混亂， 嚴(yán)重的影響生產(chǎn)效率的提高。由于自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，特別是機(jī)器人的 發(fā)展，讓機(jī)器人反映更加靈敏，機(jī)械精度更高，完全可以跟上比較緩慢的流

16、水 線，這樣是整個(gè)流水線更加有秩序。 綜上所述，機(jī)械手使以后的工作更加有效率，是未來機(jī)械工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。 1.4 論論文的主要工作文的主要工作 針對(duì)本次設(shè)計(jì)的要求，并總結(jié)自動(dòng)換刀機(jī)械手的工作原理，我做了一下工 作： 1、剛開始時(shí)，主要是從指導(dǎo)老師那里找一些資料，并綜合這些資料，初步 設(shè)計(jì)出本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目錄。 Abstract 3 2、為了使內(nèi)容更貼近設(shè)計(jì)的要求，我在校圖書館查閱了很多關(guān)于機(jī)械手方 面的資料，并綜合這些資料，然后記錄重要成分，最后把這些資料應(yīng)用 到所做的設(shè)計(jì)當(dāng)中。 3、整合所有資料，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求，做出設(shè)計(jì)的雛形論文，最后將內(nèi)容排 版，初步完成設(shè)計(jì)論文。 4、將做好論文交給指導(dǎo)

17、老師查看，指導(dǎo)老師對(duì)我所做的論文內(nèi)容及格式中 出現(xiàn)的不足做出指導(dǎo)，然后我根據(jù)老師的要求再次對(duì)論文做出修改，如 此反復(fù)，最后將論文定稿。 5、根據(jù)論文內(nèi)容進(jìn)行答辯。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 第二章第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 2.1 機(jī)械手機(jī)械手類類型型 2.1.1 根據(jù)機(jī)械手的根據(jù)機(jī)械手的應(yīng)應(yīng)用范用范圍圍分分類類 (1)專用機(jī)械手一般沒有單獨(dú)的控制系統(tǒng)，而且只有固定的控制程序。這種 機(jī)械手結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制造成本較低，適用于動(dòng)作比較簡(jiǎn)單且工作量比較大的 場(chǎng)合。它通常安裝到某種機(jī)器或生產(chǎn)線上，用來自動(dòng)傳送物件或夾持某種工件 或刀具等操作功能。 (2)通用機(jī)械手具有獨(dú)立

18、專門的控制系統(tǒng)，并且控制程序可以根據(jù)需要進(jìn)行 修改?？梢园惭b在各種機(jī)器上，能獨(dú)立完成工件的夾持與搬運(yùn)以及刀具的安裝 與拆卸。通用機(jī)械手因其工作方式的不同，可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種。簡(jiǎn)易 型只是分散的點(diǎn)動(dòng)控制，故屬于程序控制類型，而伺服型是集點(diǎn)位控制和連續(xù) 軌跡控制于一體的控制方式，通常認(rèn)為屬于數(shù)字控制模型。這種機(jī)械手因手指 結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要更換，程序可以由用戶改換，可用于中、小批次的生產(chǎn)。但 因其運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，所以需要較高的設(shè)計(jì)要求，造成成本過高。 2.1.2 按機(jī)械手手臂的運(yùn)按機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)動(dòng)坐坐標(biāo)標(biāo)型式分型式分類類 (1)直角坐標(biāo)式機(jī)械手手臂 具有 X、Y、Z 三個(gè)方向上的自由度，即

19、分別可 以沿 X、Y、Z 三個(gè)直角坐標(biāo)軸的方向上往返運(yùn)動(dòng)。我叫做機(jī)械手的前后伸縮、 上下升降和左右移動(dòng)。 (2)圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手手臂 可以沿 X 和 Z 兩個(gè)直角坐標(biāo)軸移動(dòng)，以及繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，我們叫做機(jī)械手的前后伸縮、上下升降和左右擺動(dòng)。 (3)球坐標(biāo)式機(jī)械手臂 沿 X 軸方向上的移動(dòng)，以及繞 Y 軸和 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 即機(jī)械手臂可以完成前后方向的伸縮、上下方向的擺動(dòng)和左右方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。 (4)多關(guān)節(jié)式機(jī)械手臂 此機(jī)械手的臂部可化分成大臂和小臂兩個(gè)部分?？梢?用鉸鏈將大小臂以及大臂和機(jī)體進(jìn)行連接起來。即小臂可繞大臂上下擺動(dòng)，同 時(shí)大臂也可繞機(jī)體多角度擺動(dòng)。 機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式如圖 2

20、-1 所示: 2.1.3 按機(jī)械手的按機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式分方式分類類 由于工作的需要，特將機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了如下分類： (l)以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 (2)以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 (3)直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 (4)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式叫做機(jī)械 驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。 綜合各種技術(shù)要求，我們選用圓柱坐標(biāo)型氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。本課題要求機(jī) 械手具有較高的的定位精度、較快的反應(yīng)速度，比較大的承載能力，以及工作 第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 5 空間比較寬廣和靈活的自由度，并具有自動(dòng)定位的能力。擬定機(jī)氣動(dòng)機(jī)械手設(shè) 計(jì)的原則是根據(jù)工作對(duì)象的工

21、作條件、運(yùn)動(dòng)要求和定位精度，從分利用現(xiàn)有的 機(jī)械設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)能力，在滿足機(jī)械手各方面上的使用要求的前提下，選擇 最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。并盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣既可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程， 又可以在較低的制造成本上，提高產(chǎn)品的通用性。 圖 2-1 機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式 2.2 機(jī)械手的坐機(jī)械手的坐標(biāo)標(biāo)形式與自由度形式與自由度 根據(jù)機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)形式和自由度的不同，通常將其劃分為直角坐標(biāo)型、 圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型，它們的特點(diǎn)如下： 1、直角坐標(biāo)型 (1) 有三個(gè)方向上的直線自由度，簡(jiǎn)單易懂。 (2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 (3) 對(duì)一定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，宜采用兩端支持，剛性比較好。 (4) 因其

22、移動(dòng)空間比較大，側(cè)該機(jī)構(gòu)占用空間大。 (5) 必須在較大的空間進(jìn)行安裝。 (6) 很難對(duì)各滑動(dòng)部件進(jìn)行密封，側(cè)容易受到污染。 2、圓柱坐標(biāo)型 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 (1) 同樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于設(shè)計(jì)。 (2) 若要求有較大的動(dòng)力輸出，直線部分可采用液壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 (3) 可以將機(jī)械手部分伸入到機(jī)器的型腔內(nèi)部。 (4) 機(jī)械手的氣爪部所能到達(dá)的空間受到限制，很難接觸到立柱和地面的位 置。 (5) 直線驅(qū)動(dòng)模的密封性、防塵及防御腐蝕性較差 (6) 手臂收縮時(shí)，手臂后端只能在一定的工作范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 3、球坐標(biāo)型 (1) 工作范圍較大的地方在中心支架附近。 (2) 直線驅(qū)動(dòng)部分存在密封性差的

23、情況。 (3) 需要較大的工作空間。 (4) 也有工作死區(qū)部分。 (5) 轉(zhuǎn)動(dòng)部分密封比較容易。 (6) 由于坐標(biāo)系很復(fù)雜，設(shè)計(jì)較困難。 4、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型 (1) 工作空間比較寬廣，并且動(dòng)作較靈活。 (2) 關(guān)節(jié)的密封性比較好。 (3) 可以在水下等要求比較低的工作條件下工作。 (4) 電動(dòng)機(jī)比較容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的提供。 (5) 其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較難以控制，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較困難，不適合用液壓進(jìn) 行驅(qū)動(dòng)。 可以將機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分為主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的主運(yùn)動(dòng)包括立柱和 手臂的運(yùn)動(dòng)，因主運(yùn)動(dòng)改變了工件空間的空間狀態(tài)。輔助運(yùn)動(dòng)包括手指和手腕 的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗麄兎謩e改變工件的姿態(tài)，以及工件的位置和方位。 為

24、了使機(jī)械手具有升降、伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故選用圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，因 此機(jī)械手得到三個(gè)自由度。為了彌補(bǔ)立柱升降過程中造成的較大的震動(dòng)和手臂 的伸縮造成的機(jī)械剛度不足，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)具有短行程升降的小臂結(jié)構(gòu)，從 而使機(jī)械手將刀具從刀庫(kù)中拔出，即在豎直方向上增加了一個(gè)自由度。所以， 機(jī)械手總共具有四個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。圖 2-2 為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖。 我們稱升降行程比較大部分為立柱，行程較小的升降部分為小臂。有時(shí)為 了增加機(jī)械手的通用性，我們可以增加手腕部，使其具有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此機(jī)械手 省略手腕部分。 2.3 機(jī)械手工作機(jī)械手工作過過程及工步程及工步時(shí)間時(shí)間分配分配 2.3.1 確定完成確定完成動(dòng)動(dòng)作及作及順

25、順序序 換刀機(jī)械手的布局示意圖如圖 2-3 所示。圖中換刀機(jī)械手的初始位置在與刀 第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 7 架垂直 90且氣爪正對(duì)刀庫(kù)換刀位置。即機(jī)械手均運(yùn)動(dòng)到水平和豎直方向上的 極限位置。為了機(jī)械手和刀具恰好對(duì)齊，本控制系統(tǒng)采用刀座編碼法對(duì)各種刀 具進(jìn)行編碼，并根據(jù)需要使刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)適適當(dāng)?shù)慕嵌?。機(jī)械手要把刀具送到刀架 上，需要完成以下幾個(gè)動(dòng)作： (1)水平伸出機(jī)械手水平機(jī)構(gòu)伸出 70mm，到達(dá)刀庫(kù)正上方。 (2)豎直下降小臂升降機(jī)構(gòu)下行 30mm，使手部夾持機(jī)構(gòu)到達(dá)與刀柄水 平的位置。 (3)夾緊手臂機(jī)構(gòu)迅速夾緊刀柄。 (4)豎直上升待刀柄被夾緊后，小臂升降機(jī)構(gòu)上行 30mm，將刀具提出

26、 刀庫(kù)。 (5)水平收縮水平機(jī)構(gòu)快速收縮 70mm，整個(gè)機(jī)構(gòu)回到初始位置。 (6)擺動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針擺動(dòng) 90，使機(jī)械手正對(duì)刀架。 (7)豎直下降、松開小臂升降機(jī)構(gòu)下行 30mm，將刀具放在刀架上，同 時(shí)手部機(jī)構(gòu)松開工件。 (8)豎直上升小臂升降機(jī)構(gòu)上行 30mm，回到原始極限位置。 (9)擺動(dòng)機(jī)械手順時(shí)針擺動(dòng) 90，回到初始位置。 當(dāng)機(jī)械手完成換刀動(dòng)作后，刀架上的推爪把刀具從刀架的一端推向另一端， 到此，就將機(jī)械手的整個(gè)換刀動(dòng)作完成。 圖 2-2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 圖 2-3 換刀機(jī)械手布局示意圖 2.3.2 工步工步時(shí)間時(shí)間分配分配 經(jīng)研究決定機(jī)械手完

27、成整個(gè)換刀過程需要 5.5s，根據(jù)上述換刀的各個(gè)過程， 對(duì)時(shí)間進(jìn)行分配，如表 2.1 所示： 表 2.1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程與時(shí)間分配 工步號(hào)工步名稱行程（mm）預(yù)分配時(shí)間（s） 1 水平伸出 700.5 2 垂直下降 300.3 3 夾緊 1 4 豎直上升 300.3 5 水平收縮 700.5 6 擺動(dòng)（逆時(shí)針） 901.0 豎直下降 300.3 7 松開 0.3 8 豎直上升 300.3 9 擺動(dòng)（順時(shí)針） 901.0 總計(jì) 5.5 第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 9 2.4 機(jī)械手的機(jī)械手的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案方案 本方案采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，機(jī)械手包括以下幾個(gè)模塊：立柱、手臂、 小臂、手腕和手

28、爪幾個(gè)模塊。為了滿足 4 個(gè)自由度的要求，本機(jī)械手采用圓柱 坐標(biāo)形式。為了滿足實(shí)際工作要求，本機(jī)械手只需要立柱、手臂、小臂和手爪 幾個(gè)模塊。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-4 所示： 2.5 機(jī)械手的機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案方案 機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、和電動(dòng)式。下面將三種驅(qū)動(dòng)方 式進(jìn)行分析比較。 1、液壓驅(qū)動(dòng) 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： (1)能夠輸出較大的力和力矩，同時(shí)能夠快速響應(yīng)，定位精度比較高。 (2)可以把機(jī)械手的一部分用作液壓缸，這樣既可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，又可以 使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 (3)可以方便的實(shí)現(xiàn)變速和方向控制，自動(dòng)化程度比較高。 A-手動(dòng)擺動(dòng)氣缸 B-升降氣缸

29、 C-伸縮氣缸 D-小臂 E-氣爪 1-基座 2-手臂關(guān)節(jié) 3-手腕關(guān)節(jié) 4-導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 5-定位擋塊 圖 2-4 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 (4)液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。 但液壓系統(tǒng)由于產(chǎn)生泄露而造成運(yùn)動(dòng)精度不高。同時(shí)系統(tǒng)發(fā)熱量比較大， 很難找出小的故障。 2、氣壓驅(qū)動(dòng) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 (1)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氣體選取方便，并且干凈環(huán)保。 (2)在管路中壓縮空氣流動(dòng)速度比較快，所以該系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)比較快。 (3)與液壓控制系統(tǒng)相比，其工作壓力比較低。與液體相比，氣體體積比較 大，且氣動(dòng)宜被壓縮，所以其定位精度不高，噪聲比較大。 3、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

30、可分為普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需要用減速機(jī)構(gòu)來獲得較大的輸出力矩,但是因?yàn)?其慣性力矩比較大，所以要實(shí)現(xiàn)精確控制比較困難，適用于重型機(jī)械的控制。 伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)因其輸出力矩較小，側(cè)控制性能相對(duì)較好，可以對(duì)速度 和位置的精確控制，適用于中、小規(guī)模的機(jī)器中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般用于開環(huán)控 制系統(tǒng)，而交、直伺服電動(dòng)機(jī)主要用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，因?yàn)樗麄兊目刂凭炔?是很高。 各種驅(qū)動(dòng)方式及特點(diǎn)如表 2.2 所示。 表 2.2 各種驅(qū)動(dòng)方式及特點(diǎn)的比較 特點(diǎn) 驅(qū)動(dòng)方式 輸出力控制性能維修使用結(jié)構(gòu)體積使用范圍 制造成 本 氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓壓力 低

31、，輸出 力較小， 如需輸出 力大時(shí)， 其結(jié)構(gòu)尺 寸過大 可高速，沖擊 較嚴(yán)重，精確 定位困難。氣 體壓縮性大， 阻尼效果差， 低速不易控制， 不易與 CPU 連 接 維修簡(jiǎn)單， 能在高溫、 粉塵等惡 劣環(huán)境中 使用，泄 漏無影響 體積較大 中、小型 專用機(jī)械 手或機(jī)械 手都有應(yīng) 用 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，能 源方便， 成本低 液壓驅(qū)動(dòng) 壓力高， 可獲得大 的輸出力 油液不可壓縮, 壓力、流量均 容易控制，可 無級(jí)調(diào)速，反 應(yīng)靈敏，可實(shí) 現(xiàn)連續(xù)軌跡控 制 維修方便， 液體對(duì)溫 度變化敏 感，油液 泄漏易著 火 在輸出力 相同的情 況下，體 積比氣壓 驅(qū)動(dòng)方式 小 中小型專 用機(jī)械手 或機(jī)械手 都有應(yīng)用，

32、中型機(jī)械 手多為液 壓驅(qū)動(dòng) 液壓元 件成本 較高， 油路也 較復(fù)雜 電 力 驅(qū) 動(dòng) 異步 電動(dòng) 機(jī)、 直流 電動(dòng) 輸出力較 大 控制性能較差， 慣性大，不易 精確定位 維修使用 方便 要減速裝 置，體積 較大 適用于速 度低、抓 重大物體 的專用機(jī) 械手 成本低 第二章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 11 機(jī) 步進(jìn) 或伺 服電 機(jī) 輸出力較 小 容易與 CPU 連 接，控制性能 好，響應(yīng)快， 可精確定位， 但控制系統(tǒng)復(fù) 雜 維修使用 較復(fù)雜 體積較小 可用于程 序復(fù)雜、 運(yùn)動(dòng)軌跡 要求嚴(yán)格 的工業(yè)機(jī) 械手 成本較 高 機(jī)械聯(lián)動(dòng) 輸出力較 大 速度較高，速 度與加速度均 由機(jī)構(gòu)控制。 定位精度高， 可與主

33、機(jī)嚴(yán)格 同步。不易與 CPU 連接 維修使用 方便 自由度多 時(shí)，機(jī)構(gòu) 復(fù)雜，體 積也較大 適用于自 由度少， 速度較高 的專用機(jī) 械手 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，成 本低 綜合進(jìn)行各方面的比較，我們選擇氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)為其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格 便宜、工作穩(wěn)定、污染幾乎為零、可以在高溫環(huán)境下工作、同時(shí)還可以抵抗各 種電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今機(jī)械加工中應(yīng)用比較廣泛。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 第三章第三章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)械手伺服系機(jī)械手伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1.1 氣氣動(dòng)動(dòng)伺服系伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)統(tǒng)設(shè)計(jì) 本課題機(jī)械手要求能實(shí)現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等的動(dòng)作，每一個(gè)動(dòng)作都是由

34、電氣-氣壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，其原理相同。下面以機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)為例闡述伺服 系統(tǒng)的工作原理。 機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)的電氣與氣壓伺服控制系統(tǒng)原理圖如圖 3-1 所示，1-放大器、 2-電氣伺服閥、3-氣缸、4-機(jī)械手手臂、5-齒輪齒條機(jī)構(gòu)、6-電位器和 7-步進(jìn)電 機(jī)等元件組成，它組成了一個(gè)電氣與氣壓伺服控制系統(tǒng)。當(dāng)電位器的觸頭處于 中位時(shí)，觸頭上沒有電壓輸出。當(dāng)它偏離這個(gè)位置時(shí)，由于產(chǎn)生了偏差就會(huì)輸 出相應(yīng)的電壓。電位器觸頭產(chǎn)生的微弱電壓，經(jīng)放大器放大后對(duì)電氣伺服閥進(jìn) 行控制。電位器觸頭由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的偏轉(zhuǎn)方向以及角位 移和角速度由數(shù)字控制裝置發(fā)出的脈沖數(shù)和脈沖頻率控制。齒條固定在機(jī)械

35、手 臂上，電位器殼體固定在齒輪上，所以當(dāng)手臂帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電位器殼體同 齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，形成負(fù)反饋。 1-放大器 2-電氣伺服閥 3-氣缸 4-機(jī)械手手臂 5-齒輪齒條機(jī)構(gòu) 6-電位器 7-步進(jìn)電機(jī) 圖 3-1 機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)電氣-氣壓伺服系統(tǒng)原理圖 機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)的工作原理是：由數(shù)字控制裝置發(fā)出一定數(shù)量的 脈沖，使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電位器的動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)過一定的角度(假定為順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng))， 動(dòng)觸頭偏離電位器中位，產(chǎn)生微弱電壓，經(jīng)放大器放大后，輸入給電氣伺服閥 第三章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 的控制線圈，使伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。這時(shí)，壓縮空氣經(jīng)閥的開口進(jìn)入氣 缸的左腔，推動(dòng)活塞桿連同機(jī)械手

36、手臂一起向右運(yùn)動(dòng)。由于齒輪和機(jī)械手手臂 上齒條相嚙合，因而手臂向右移動(dòng)時(shí)，電位器隨之作順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電位 器的中位和觸頭重合時(shí)，偏差為零，則動(dòng)觸頭輸出電壓為零，電氣伺服閥失去 信號(hào)，閥口關(guān)閉，手臂停止移動(dòng)。手臂移動(dòng)的行程決定于脈沖數(shù)量，速度決定 于脈沖頻率。當(dāng)數(shù)字控制裝置發(fā)出反向脈沖時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)， 手臂縮回。 根據(jù)模擬換刀機(jī)械手的動(dòng)作要求，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動(dòng)方式主要有兩 種：(1)直線運(yùn)動(dòng)(缸體固定，活塞桿作直線運(yùn)動(dòng))；(2)擺動(dòng)(缸體固定，活塞桿擺 動(dòng))?？偟碾姎?氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖 3-2 所示： 圖 3-2 機(jī)械手氣動(dòng)伺服系統(tǒng)圖 3.1.2 電電氣伺服氣伺服閥閥

37、電氣伺服控制屬于連續(xù)控制，其特點(diǎn)是輸出量隨輸入量的變化而變化，輸 出量與輸入量之間存在一定的關(guān)系。 由于電氣元件具有多方面的適應(yīng)性，信號(hào)的檢測(cè)、傳輸、綜合、放大等都 很方便，而且?guī)缀醺鞣N物理量都能轉(zhuǎn)換成電量，故氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中的輸入量以 電信號(hào)居多，轉(zhuǎn)換元件便以電磁式居多，其典型代表便是比例電磁鐵。它是利 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 用電磁力作用在轉(zhuǎn)換元件的可動(dòng)部件上，通過其中的彈性元件轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?，?過此位移來調(diào)節(jié)氣動(dòng)放大器(放大元件)的節(jié)流面積，從而控制通過氣動(dòng)放大器的 氣體壓力或流量。 電氣伺服閥是由電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換元件)和氣動(dòng)放大器(放大元件)所組成。 驅(qū)動(dòng)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器

38、的功率一般只需幾瓦，而氣動(dòng)放大器的輸出氣流的功率可達(dá) 幾千瓦。 氣動(dòng)放大器的結(jié)構(gòu)形式有滑閥、噴嘴擋板閥等。本機(jī)械手采用噴嘴擋板式 的電氣伺服閥，來確保連接機(jī)械手手臂的氣壓缸按所要求的控制規(guī)律和定位精 度工作，工作過程大致如下： 如圖 3-3 所示，若伺服放大器輸出的偏差信號(hào)(即設(shè)定的指令信號(hào)與反饋信 號(hào)之差)經(jīng)放大后，加到氣壓伺服閥的電磁線圈上，則永久磁鐵和電磁線圈間產(chǎn) 生相吸或相斥的電磁力，使端部裝有擋板的桿件偏離中間平衡位置繞支點(diǎn)左右 擺動(dòng)，擋板使對(duì)稱布置的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器(結(jié)構(gòu)原理如圖 3-4)噴嘴處的氣體流量發(fā)生 不均等的變化，因而造成一側(cè)噴嘴背壓腔壓力升高，另一側(cè)轉(zhuǎn)換器噴嘴背壓腔 壓力降低

39、，則負(fù)載氣缸左右腔壓力不等，活塞桿(連接機(jī)械手手臂)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工 作要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?，F(xiàn)假定以右側(cè)轉(zhuǎn)換器為例考察其動(dòng)作原理，當(dāng)桿件在偏差 信號(hào)作用上偏離中向平衡位置移向右側(cè)轉(zhuǎn)換器，由于擋板與噴嘴間隙減小，則 隨著噴嘴背壓腔內(nèi)壓力升高，A 腔壓力升高，使帶有噴嘴的閥座右移，把菌狀 提動(dòng)閥推向右方，使 D 腔菌狀閥口開大，而 C 腔的小菌狀提動(dòng)閥閥口關(guān)閉，這 樣，由進(jìn)氣口流入的控制氣流經(jīng)過節(jié)流閥調(diào)節(jié)針閥流向氣壓缸，驅(qū)動(dòng)活塞桿工 作；與此同時(shí)，相反一側(cè)的左轉(zhuǎn)換器(各腔符合同右側(cè)，只是符號(hào)右上腳打 “”來表示左側(cè)，以下同)，由于桿件端部的擋板與噴嘴間的間隙增加，造成 左噴嘴背壓腔壓力降低，而使左側(cè)帶噴嘴

40、的閥座在 C腔(與右側(cè) C 腔相對(duì)應(yīng))壓 力作用下向右移動(dòng)，菌狀提動(dòng)閥在左側(cè)彈簧力作用下使左轉(zhuǎn)換器 D腔的閥關(guān) 小，而 C腔的閥開大，則氣缸左端與排氣孔相通，壓力下降，實(shí)現(xiàn)活塞桿向消 除偏差信號(hào)方向移動(dòng)(即活塞左向移動(dòng))：偏差信號(hào)為零時(shí)，左右側(cè)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的 輸出相等，這樣氣缸活塞停止在新的相對(duì)平衡位置上。 第三章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 3-3 電氣-氣壓伺服閥工作原理圖 上圖中，零位(點(diǎn))調(diào)整彈簧左右端均與帶擋板的桿件相聯(lián)，起著機(jī)械零位調(diào) 整和對(duì)中彈簧補(bǔ)償作用；增益調(diào)整彈簧在偏差信號(hào)為零時(shí)(即輸出壓力處于平衡 狀態(tài)時(shí))，不與桿件接觸，當(dāng)偏差信號(hào)超過某一數(shù)值后才接觸。它的作用是根據(jù) 偏

41、差信號(hào)大小改變補(bǔ)償流量增益的變化，確保氣缸定位精度的穩(wěn)定。另外，采 用噴嘴擋板控制的菌狀提動(dòng)閥，抗污染性能強(qiáng)，不容易堵塞。 3.2 機(jī)械手機(jī)械手執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 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)。其 中，每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都要進(jìn)行相應(yīng)的氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)，必要的還要加裝導(dǎo)向裝置。 氣動(dòng)元件的計(jì)算與選擇，對(duì)整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。所選擇的元件 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 既要滿足系統(tǒng)的性能要求，又不能浪費(fèi)。下面分別對(duì)各驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行計(jì)算與選 擇，并設(shè)計(jì)機(jī)械連接件與導(dǎo)向裝置。 圖 3-4 轉(zhuǎn)換器原理圖 3.2.1 機(jī)械手手部機(jī)械手手部設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 進(jìn)行機(jī)械手設(shè)

42、計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下問題： (1) 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)所需要的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。 (2) 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。 (3) 在保證本身剛度，強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于 減輕手臂負(fù)載。 (4) 應(yīng)保證手抓的夾持精度。 通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾 緊裝置采用常開式夾緊裝置，他在氣壓的控制下實(shí)現(xiàn)手抓的閉合。 圖 3-5 為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 3.2.2 手臂手臂結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐被抓物件、手部、手腕的重要部件。 手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取

43、物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。前 面已經(jīng)敘述了，按照抓取工件的要求，本機(jī)械手有四個(gè)自由度，即手臂的伸縮、 第三章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 小臂的升降、立柱的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。對(duì)手臂結(jié)構(gòu)的要求：一是重量盡量輕， 以達(dá)到動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)速度高、節(jié)約材料和動(dòng)力，同時(shí)減少運(yùn)動(dòng)的沖擊；二是 要有足夠的剛度，以保證運(yùn)動(dòng)精度和定位精度。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力 的計(jì)算。 圖 3-5 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu) 1、小臂升降模塊 小臂升降模塊安裝在手臂伸縮模塊上，其作用是將模擬刀具從刀庫(kù)插孔(刀 架槽)中提出或插入，采用單桿雙作用氣缸。 對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)氣缸的缸徑，可按載荷/安全系數(shù)選取。氣缸活塞桿的穩(wěn)定性

44、與工作壓力、安裝形式、最大行程有關(guān)，即使氣缸不受橫向載荷也需要加上導(dǎo) 向裝置，保證氣缸按正確方向運(yùn)行。 (1)氣缸內(nèi)徑的確定 由作用在活塞桿上的工作載荷和初選的工作壓力，利用下述公式可計(jì)算出 缸徑 D。當(dāng)活塞桿輸出推力克服載荷做功時(shí) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 （3-1） )(4D 1 pl F 式中：D氣缸內(nèi)徑(m) F1活塞上的推力(或稱工作載荷)(N) p初選的工作壓力(Pa)，一般為 P=0.51Mpa 總機(jī)械效率，當(dāng)氣缸動(dòng)態(tài)性能要求工作顴率高時(shí)，取 =0.30.5。速度 低時(shí)取大值，速度高時(shí)取小值。氣缸動(dòng)態(tài)性能要求一般，工作頻率較低時(shí)，可 取 0.70.85。 當(dāng)活塞桿輸

45、出拉力克服載荷做功時(shí) （3- d F p D 2 2 4 2） 式中：F2活塞桿的拉力(N)； d根據(jù)拉力預(yù)先估定的活塞桿直徑。估定活塞桿直徑 d/D=0.160.5。 把 d/D=0.160.5 代入上式得 （3- p 4 1.15)(1.01D F2 3） 將式(3-1)與式(3-3)相比，D 取大值， (2)氣缸耗氣量 氣缸耗氣量與氣缸直徑 D、行程 S、缸的動(dòng)作時(shí)間和換向閥到氣缸管道的容 積有關(guān)。忽略氣缸管道容積時(shí)，則氣缸的單位時(shí)間壓縮空氣消耗量按下式計(jì)算 （3-4） t dD Q t D QQQ SS QQ 2 22 2 1 2 121 )( 44 ，或 式中：Q每秒鐘壓縮空氣消耗量

46、(） s m / 3 Q1、Q2氣缸無、有活塞桿端進(jìn)氣時(shí)壓縮空氣消耗量（ ） s m / 3 D、d缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑(m) 氣缸活塞桿伸出與縮回時(shí)所需時(shí)間(s) tt 21、 S氣缸的行程(m)。 (3)小臂升降氣缸計(jì)算 根據(jù)換刀機(jī)械手立柱升降氣缸運(yùn)動(dòng)過程的要求，氣缸收縮時(shí)承受的外力 F15N，行程為 30mm，伸出或縮回的時(shí)間為 0.3s。其主要尺寸的確定如下： A、缸徑 D 的計(jì)算： 第三章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 mm p FA 6 . 16m0166 . 0 4 15 . 1 D B、耗氣量計(jì)算 缸徑 D=20mm，行程 s=30mm，時(shí)間 t=0.3s，依據(jù)公式(3-4)，得

47、： s t S Q m D /14. 3 4 35 2 10 C、驗(yàn)算輸出力 設(shè)，當(dāng) P=0.5Mpa 時(shí)，該氣缸的推力為 102N，而拉力為 80N，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 實(shí)際需要的 15N 緩沖 該氣缸終端位置的沖擊能量為： mNmE v 0075 . 0 5 . 15 . 05 . 0 1 . 0 22 設(shè)，當(dāng) P=0.5Mpa 時(shí)，終端位置的最大沖擊能量為 0.1Nm0.0075Nm，所以 安全。 2、根據(jù)氣缸的運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)：氣缸收縮時(shí)承受的外力 F15N(慣性負(fù)載較 大)，行程為 70mm，伸出或縮回的時(shí)間為 0.3s。其主要尺寸的確定如下： （1)缸徑 D 的計(jì)算 取 d/D=0.5，依據(jù)公

48、式(3-3)，取 P=0.5Mpa，=0.3 計(jì)算，即 mm p FA 6 . 13m0136. 0 4 15. 1D (2)耗氣量計(jì)算 水平缸缸徑 D=32mm，行程 S=70mm。時(shí)間 t=0.3s，依據(jù)公式(3-4)，得： s t S Q m D /2 4 34 2 10 3、立柱升降模塊 立柱是安裝在與基座連接的轉(zhuǎn)臺(tái)之上，用以支撐手臂并帶動(dòng)它升降和移動(dòng) 的機(jī)構(gòu)。對(duì)立柱的設(shè)計(jì)要求是堅(jiān)固，剛性好。 根據(jù)換刀機(jī)械手立柱升降氣缸的運(yùn)動(dòng)要求，氣缸收縮時(shí)承受的外力 F60N，行程為 100mm，伸出或縮回的時(shí)間為 0.4s。其主要尺寸的確定如下： (1)缸徑 D 的計(jì)算 取 d/D=0.5，依據(jù)公

49、式(3-3)取 P=0.5Mpa, =0.3 計(jì)算，即 mm p FA 26m026. 0 4 15. 1D 2)耗氣量計(jì)算 缸徑 D=16mm，行程 S=100mm，t=0.4s，依據(jù)公式(3-4)，得： 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 s t S Q m D /14 . 3 4 34 2 10 4、手臂的回轉(zhuǎn)模塊 擺動(dòng)氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的 氣動(dòng)執(zhí)行元件，用于物體的轉(zhuǎn)位、夾緊、閥門的開閉以及機(jī)械手的手臂動(dòng)作等。 擺動(dòng)氣缸有齒輪齒條式和葉片式兩大類。本機(jī)械手臂采用齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸。 表 3.1 擺動(dòng)氣缸的比較 品種 體 積 質(zhì) 量 改變擺動(dòng)角

50、的方法 設(shè)置緩 沖裝置 輸出 力矩 泄 露 擺動(dòng)角 度范圍 最低使 用壓力 擺動(dòng) 速度 用于中 途停止 狀態(tài) 齒輪 齒條 式 較 大 較 大 改變內(nèi)部或 外部擋塊位 置 容易較大 很 小 可較寬較小 可以 低速 可適當(dāng) 時(shí)間使 用 葉片 式 較 小 較 小 調(diào)節(jié)止動(dòng)塊 的位置 內(nèi)部設(shè) 置困難 較小 微 漏 較窄較大 不宜 低速 不宜長(zhǎng) 時(shí)間使 用 3.2.3 基座基座結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 基座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于 基座上，是支撐機(jī)械手全部重量的構(gòu)件。對(duì)其結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積 小、操作維修方便和造型美觀?；Y(jié)構(gòu)從形式上可分為落地式和懸掛式，或 分為固

51、定式、可移動(dòng)式和行走式。無論哪一種形式，機(jī)械手工作時(shí)基座應(yīng)給予 以固定。根據(jù)總體設(shè)計(jì)中換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手的基座采用落地固 定式。 換刀機(jī)械手立柱模塊需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊，擺動(dòng)氣缸則應(yīng)固定在基座上。如 果水平缸、垂直缸和手部機(jī)構(gòu)直接安裝到擺動(dòng)氣缸輸出軸上，機(jī)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單， 但擺動(dòng)氣缸的軸向受力增大，對(duì)氣缸的自身要求較高，容易造成擺動(dòng)氣缸的損 壞。同時(shí)，機(jī)械手本身重心偏離立柱軸線對(duì)擺動(dòng)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)軸產(chǎn)生傾覆力矩。所 以采用一個(gè)連接組件，將機(jī)械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機(jī)架來承擔(dān)。該 連接組件主要由四個(gè)部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺(tái)和扣罩，如圖 3-6 所示，采用雙向推力球軸承可以方便地將

52、軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺(tái)連接，外環(huán)用扣罩固 定在底座上。另外，推力軸承要選擇公稱尺寸相對(duì)較大一些的，這樣可以更好 地承受傾覆力矩。 第三章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 1-底座 2-擺動(dòng)氣缸 3-雙向推力球軸承 4-扣罩 5-轉(zhuǎn)臺(tái) 圖 3-6 基座結(jié)構(gòu)圖 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 第四章第四章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 4.1 總結(jié)總結(jié) 本文對(duì)自動(dòng)換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、類型、坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)方案以及 伺服系統(tǒng)的一些普遍性問題進(jìn)行了深入的研究，并對(duì)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了 設(shè)計(jì)?，F(xiàn)對(duì)已解決的問題總結(jié)如下： l、根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，即換刀機(jī)械手的工作環(huán)境以及工作過程，并依此 確定了機(jī)械手坐標(biāo)形式和

53、自由度以及各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。介紹了模塊化設(shè)計(jì)原理 以及氣動(dòng)機(jī)械手的模塊劃分。對(duì)自動(dòng)換刀機(jī)械手進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)。 2、對(duì)機(jī)械手電氣-氣壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍使用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，與傳 統(tǒng)氣壓驅(qū)動(dòng)不同的是，運(yùn)用電氣伺服閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的伺服系統(tǒng)控制，由齒輪齒條 機(jī)構(gòu)檢測(cè)到機(jī)械手的位移，通過電位器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，反饋到電氣伺服閥，控 制壓縮空氣的流量，從而控制氣缸的位移量。 總之，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅從機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方面，對(duì)機(jī)械手的劃分類型、 構(gòu)成、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)以及自由度等方面做出了詳細(xì)以及明確地設(shè)計(jì)。同時(shí)，在 此之前，還做了大量的方案，這對(duì)設(shè)計(jì)過程提供了很大的助力。通過本次設(shè)計(jì)， 我對(duì)機(jī)械手的內(nèi)部構(gòu)造以及運(yùn)

54、動(dòng)過程的了解有了進(jìn)一步的提高。 當(dāng)然，在對(duì)機(jī)械手設(shè)計(jì)的過程中，也用到了很多技術(shù)，典型的技術(shù)就是伺 服技術(shù)，這之中不僅包括氣動(dòng)伺服，還有電氣伺服，這是推動(dòng)機(jī)械手運(yùn)作的裝 置，就好像心臟一般，有著不可或缺的作用！ 與此同時(shí)，正如上文機(jī)械手的發(fā)展背景所講，隨著時(shí)代的發(fā)展，機(jī)械手的 應(yīng)用越來越普遍，它已成為各個(gè)產(chǎn)業(yè)中不可或缺的一部分，它能代替人們完成 很多需要復(fù)雜加工的工序，同時(shí)，還能使加工出來的部件更加完美。當(dāng)然，有 時(shí)需要加工的工種比較繁重，這時(shí)，機(jī)械手的應(yīng)用就能最大化的減輕工人的負(fù) 擔(dān)，最終達(dá)到利益的最大化。 所以說機(jī)械手使以后的工作更加有效率，是未來機(jī)械工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。 4.2 展望展望 本課

55、題在完成機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 和控制系統(tǒng)。由于時(shí)間的限制，一些問題未來得及研究，具體有： 1、機(jī)械手的力控制問題 當(dāng)機(jī)械手在空間跟蹤軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，可采用位置控制，但當(dāng)末端執(zhí)行器與機(jī) 械手工作環(huán)境發(fā)生碰撞時(shí)，純粹的位置控制已經(jīng)不適用了。如今，一些機(jī)械手 已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的力控制，如磨削和去毛刺。顯然工業(yè)機(jī)械手的下一個(gè)大量 應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)是在裝配線作業(yè)中執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)零件的裝配任務(wù)。在這種零件 裝配任務(wù)中，接觸力的監(jiān)控非常重要。使用機(jī)械手完成裝配任務(wù)要求零件之間 的位置精度非常高。目前工業(yè)機(jī)械手一般不能勝任如此精確的任務(wù)。高精度機(jī) 第四章 總結(jié)與展望 23 械手只能以尺

56、寸、重量和成本為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)。然而，測(cè)量和控制手部產(chǎn)生的接 觸力為提高機(jī)械手的精度提供了一種有效的方法。 由于使用相對(duì)測(cè)量方法，機(jī)械手和被操作對(duì)象的絕對(duì)位置誤差不像它們?cè)?純位置控制系統(tǒng)中那樣重要了。當(dāng)中等剛度的零件相互作用時(shí)，相對(duì)位置的微 小變化會(huì)產(chǎn)生很大的接觸力，因此，了解并控制這些力可以極大地提高有效位 置精度。 2、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡的生成 為了進(jìn)一步提高機(jī)械手的通用性，就要解決如何通過人機(jī)交互指定機(jī)械手 通過空間的一條軌跡或路徑。為了使用戶便于對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，不應(yīng) 當(dāng)要求用戶必須寫出復(fù)雜的時(shí)間和空間的函數(shù)才能指定機(jī)械手任務(wù)。相反，應(yīng) 該允許用戶通過簡(jiǎn)單的描述來指定機(jī)械手的期望運(yùn)動(dòng)，

57、然后由系統(tǒng)來完成詳細(xì) 的計(jì)算。用戶可能只需要給定末端執(zhí)行器期望的目標(biāo)位姿，而由系統(tǒng)來確定到 達(dá)目標(biāo)的準(zhǔn)確路徑、時(shí)間歷程和速度曲線等等。此外，如果能簡(jiǎn)單地把機(jī)械手 運(yùn)動(dòng)的期望目標(biāo)點(diǎn)告訴機(jī)械手系統(tǒng)，讓系統(tǒng)自行決定所需中間點(diǎn)的位置和數(shù)量， 以使機(jī)械手到達(dá)目標(biāo)而不碰到任何障礙，這將是非常方便的。 3、氣壓伺服技術(shù)的控制理論研究 在氣壓伺服系統(tǒng)方面，因工作介質(zhì)可壓縮性大所造成的輸出剛度低、固有 頻率低和響應(yīng)慢等缺點(diǎn)，應(yīng)提高供氣壓力，即向中、高壓供氣發(fā)展；或在氣壓 動(dòng)力回路中實(shí)施某種補(bǔ)償方法等，以提高控制精度。在氣壓伺服系統(tǒng)的控制方 法上，需廣泛的引入現(xiàn)代控制理論和智能控制等方法。對(duì)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)分析不 應(yīng)

58、只局限于位置控制的研究分析，對(duì)速度的控制及力的控制有待作進(jìn)一步研究 致 謝 24 致致 謝謝 在論文完成之際，我首先向關(guān)心幫助和指導(dǎo)我的指導(dǎo)老師薛嵐薛老師表示 衷心的感謝并致以崇高的敬意！ 在論文工作中，遇到了很多問題，涉及到排版，格式等等，一直得到薛老 師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)，使我克服重重困難，并最終完成設(shè)計(jì)。薛老師以其 淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實(shí)的工作作風(fēng)和他敏捷的思維給我留下了深 刻的印象，我將終生難忘。再一次向她表示衷心的感謝，感謝她為學(xué)生營(yíng)造的 濃郁學(xué)術(shù)氛圍，以及學(xué)習(xí)、生活上的無私幫助! 值此論文完成之際，謹(jǐn)向薛老師 致以最崇高的謝意! 在學(xué)校的學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，回顧兩年多來的

59、學(xué)習(xí)經(jīng)歷，面對(duì)現(xiàn)在的收獲， 我感到無限欣慰。為此，我向熱心幫助過我的所有老師和同學(xué)表示由衷的感謝! 在我即將完成學(xué)業(yè)之際，我深深地感謝我的家人給予我的全力支持！ 最后，衷心地感謝在百忙之中評(píng)閱論文和參加答辯的各位專家、教授 參考文獻(xiàn) 25 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1. 陸祥生，楊秀蓮編.機(jī)械手理論及應(yīng)用.北京：中國(guó)鐵道出版社，1985 2. 機(jī)電傳動(dòng)與控制(第三版)/程憲平 主編武漢：華中科技大學(xué)出版社， 20109 3. 孫樹棟.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ).西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006 4. 孫好章.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究.無錫：江南大學(xué)，2008 5. 李文明.曲軸搬運(yùn)機(jī)械手的研究與設(shè)

60、計(jì).武漢：華中科技大學(xué)，2007 6. 鄧康一.氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及伺服控制研究.西安：西安建筑科技大學(xué)， 2008 7. 工業(yè)機(jī)械手編寫設(shè)計(jì)基礎(chǔ)編寫組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ).天津：天津科學(xué) 技術(shù)出版社，1979 8. 李超.氣動(dòng)通用上下料機(jī)械手的研究與開發(fā)D.西安：陜西科技大學(xué)，2003 9. 王承義.機(jī)械手及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981 10. 戚昌滋，楊紅旗，雷文字.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 1987 11. 肖瓏.液壓與氣動(dòng)傳動(dòng)技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007 12. 李建藩.氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).廣東：華南理工大學(xué)出版社，1991 13. 天津大學(xué)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)編寫組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ).天津：天津 科學(xué)技術(shù)出版社，1980. 14. 徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第 5 卷M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992. 15. 齊進(jìn)凱.氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及控制的研究D.上海：東華大學(xué)， 2006 16. 李超.氣動(dòng)通用上下料機(jī)械手的研究與開發(fā)D.西安：陜西科技大學(xué)，2003 17. 加騰一郎.機(jī)械手圖冊(cè).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979 18. SMC(中國(guó))有限公司.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)(第 2 版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2003