套類零件自動上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
目 錄
1. 緒論 ........................................................ 1
1.1 自動上下料機(jī)構(gòu)概述 ...................................... 1
1.2 自動上下料的組成分類及特點(diǎn) .............................. 1
1.3 自動上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義 ................................ 3
2.總體方案設(shè)計(jì) ................................................. 5
2.1 機(jī)械手的基本形式的選擇 .................................. 5
2.2 自動上下料機(jī)構(gòu)方案的擬定 ................................ 6
2.3 CK6150型數(shù)控車床的主要參數(shù) ............................. 8
2.4 驅(qū)動方式的確定 ......................................... 10
2.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 ................................... 12
3.機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .......................................... 13
3.1 手部的設(shè)計(jì) ............................................. 13
3.1.1手部的概述 ........................................ 13
3.1.2 機(jī)械手部的典型結(jié)構(gòu) ................................ 14
3.1.3 機(jī)械式手爪設(shè)計(jì) .................................... 15
3.1.4 手部驅(qū)動力計(jì)算 .................................... 15
3.2.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 ................................ 19
3.2.2 手臂的常用機(jī)構(gòu) .................................... 20
3.3 機(jī)身設(shè)計(jì) ............................................... 25
3.3.1 概述 .............................................. 25
3.3.2 俯仰與回轉(zhuǎn)機(jī)身的設(shè)計(jì) .............................. 25
4.機(jī)械手的運(yùn)動分析 ............................................ 33
4.1機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃 ....................................... 33
4.2 機(jī)械手的主要部件和運(yùn)動 ................................. 33
4.2.1 機(jī)械手的手爪的運(yùn)動 ................................ 34
4.2.2 機(jī)械手的臂部的運(yùn)動 ................................ 34
4.3 機(jī)械手的整體運(yùn)動分析 ................................... 35
5.氣動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................ 37
5.1 氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的擬定 .............................. 37
5.1.2氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的擬定 .......................... 37
5.2 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì)（本設(shè)計(jì)中選用S7—200PLC） ......... 39
5.2.1 機(jī)械手自動上下料過程 .............................. 39
5.2.2 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì) .............................. 39
圖5.3 梯形圖 ................................................. 43
結(jié)論與展望 .................................................... 44
參考文獻(xiàn) ...................................................... 45
指導(dǎo)教師簡介 .................................................. 46
1. 緒論
1.1 自動上下料機(jī)構(gòu)概述
在自動化加工，裝配生產(chǎn)線中,能自動完成將工件向加工或裝配機(jī)械供給并上下料的裝置，稱為自動上下料裝置。自動上下料裝置就是為實(shí)現(xiàn)將毛坯自動選入加工位置，準(zhǔn)確的定位，夾緊以及取下加工完的零件所必須的許多功能機(jī)構(gòu)的總和。
統(tǒng)計(jì)表明，在工件的加工裝配過程中，工件的供給，上料，下料及搬運(yùn)等工序所需費(fèi)用約占全部費(fèi)用的三分之一，所費(fèi)工時約占全部工時的三分之二以上，而且絕大多數(shù)的事故都發(fā)生在這些工序中。在當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國家，自動上下料裝置在各類制造業(yè)中比比皆是，生產(chǎn)過程的自動化不僅僅大大提高了生產(chǎn)率，把人們從繁重的勞動中解脫出來，而且對提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理化起到了積極的作用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在自動化上下料裝置已越來越多的采用傳感器等電子設(shè)備 ，這樣不僅能提高精度，而且能減小設(shè)備大小，降低成本。
1.2 自動上下料的組成分類及特點(diǎn)
(1) 自動上下料裝置的類型
卷料（或帶料）自動上下料裝置、棒料（管料）自動上下料裝置多用于沖壓設(shè)備、自動機(jī)、單件坯料自動上下料裝置用于各種機(jī)床，可分為料倉式半自動上下料裝置、料斗式自動上下料裝置。料倉式半自動上下料裝置用于尺寸和重量較大或形狀較復(fù)雜而難于自動定向排列的工件，或單件工序時間較長的工件，如連桿、曲軸、齒輪等，工件靠人工定向成批排列在料倉中，然后自動送出。
料斗式自動上下料裝置用于形狀簡單、尺寸和重量較小、工序較短的工件，如各種緊固標(biāo)準(zhǔn)件、小型軸、銷、套、環(huán)類零件，工件任意堆放在裝料容器中，由抓取定向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動定向排列和自動送出。
（2）自動上下料裝置的組成
自動上下料裝置的組成如下表所示
自動上下料裝置組成表
與上述自動上下料裝置相比，用程序控制裝備起來的工業(yè)機(jī)器人，是一種更加萬能而可快速調(diào)節(jié)的自動化工具。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。
1.3 自動上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義
由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對工件效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動化機(jī)械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機(jī)械手是發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一。在機(jī)械工業(yè)中，自動上下料機(jī)構(gòu)的意義可以概括如下：
1、改善勞動條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低壓、有灰塵、噪聲、有放射性或者其他毒性污染的場合中，
用人工操作是有危險或者不可能的，而應(yīng)用自動上下料裝置可以代替或者部
分代替人安全的完成工作，改善勞動條件，避免由于操作疲勞或疏忽造成的
人身事故。
2、可以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度
它有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送，工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自
動化的程度，從而提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。
3、減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
綜上所述，有效的應(yīng)用自動化上下料裝置，是發(fā)展工業(yè)的必然趨勢。
2.總體方案設(shè)計(jì)
本課題是一個套類零件自動上下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)，以及氣動回路的設(shè)計(jì)。在本章中對機(jī)械手的坐標(biāo)形式，自由度，驅(qū)動機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。
2.1 機(jī)械手的基本形式的選擇
機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可看成是有一些連桿通過關(guān)節(jié)組裝起來的。通常有兩種關(guān)節(jié)，即轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。連桿和關(guān)節(jié)按不同坐標(biāo)形式組裝，機(jī)械手可分為四種：直角坐標(biāo)形式，圓柱坐標(biāo)形式，球坐標(biāo)形式，關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式。如下圖：
圖2.1 機(jī)械手的基本形式
其中，圓柱坐標(biāo)形式機(jī)器人除了簡單的“抓--放”作業(yè)外還可以用在許多其他生產(chǎn)領(lǐng)域。這種形式的機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，在垂直方向和徑向有兩個往復(fù)運(yùn)動，定位精度高。在本次設(shè)計(jì)中，當(dāng)料臺放出一個套類零件，氣動機(jī)械手抓取工件，送入機(jī)床卡盤，然后退回到一定位置，等到工件加工完后，氣動機(jī)械手動作抓取零件放回料臺上，這些工作都是用電磁鐵和行程開關(guān)來實(shí)現(xiàn)簡單的控制。從而完成上下料的總過程�？紤]到機(jī)械手的工作空間和人工操作空間，通過定性的分析，按下開關(guān)，啟動工作后，機(jī)械手手臂在伸縮氣缸的驅(qū)動下伸長185mm，手爪在氣缸的驅(qū)動下夾緊料臺上的一個工件后，機(jī)械手手臂由正下方的升降氣缸驅(qū)動，手臂軸線上升300mm。手臂到位后，機(jī)械手在旋轉(zhuǎn)缸的
驅(qū)動控制下逆時針旋轉(zhuǎn)180°。這樣，機(jī)械手手臂伸向數(shù)控機(jī)床的主軸方向，將工件直接送入車床三爪卡盤，手爪在氣缸驅(qū)動下松開工件，機(jī)械手手臂縮回，下降并且停止到一個安全位置。數(shù)控機(jī)床開始加工工件，加工完畢后，機(jī)械手手臂上升300mm，手臂在伸縮缸的驅(qū)動下再次伸長185mm，手爪在氣缸驅(qū)動下夾緊已加工完的工件，車床三爪卡盤松開，機(jī)械手由旋轉(zhuǎn)缸驅(qū)動順時針旋轉(zhuǎn)180°后回到料臺方向。手臂下降，手爪松開，將工件放于料臺上，手臂由伸縮氣缸驅(qū)動退回到初始位置。
由于本設(shè)計(jì)針對數(shù)控車床的上下料機(jī)構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)的功能是毛坯的抓取，自動定位，工件的夾緊和回放。該機(jī)械手在上下料時手臂具有升降，伸縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此，本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)形式機(jī)械手，相應(yīng)的機(jī)械手具有三個自由度。
2.2 自動上下料機(jī)構(gòu)方案的擬定
根據(jù)生產(chǎn)線布局，可以得到以下三種上下料系統(tǒng)布局位置圖。
圖2.1
1——桁架 2——升降缸 3——手爪 4——輸送帶 5——數(shù)控機(jī)床
（2）輸送線與機(jī)床有一定夾角
圖2.2
1——輸送帶 2——機(jī)床 3——手爪 4
5——升降缸 6——旋轉(zhuǎn)缸
（3）機(jī)械手放在車床與料臺中間
——伸縮缸
圖2.3
1——數(shù)控機(jī)床 2——伸縮缸 3——手爪 4——升降缸
5——旋轉(zhuǎn)缸 6——料臺
對于第一種方案，要在每一臺機(jī)床前設(shè)一立柱來支撐機(jī)械手，并且機(jī)械手在水平方向移動時，所需的驅(qū)動比較麻煩，而且成本高，不宜采用。對于第二種方案雖可以實(shí)現(xiàn)對工件的抓取和回放，但是僅適用于普通車床上的零件加工上下料，占用空間較大，手臂的運(yùn)動較第三種方案較多，比較復(fù)雜，不宜采用。第三種方案針對數(shù)控車床自動上下料，車床與料臺平行布置，機(jī)械手在中間位置，與前兩種相比，此種方案在可以完成任務(wù)的情況下，造價相對低，所占用的空間小，簡單易行，且執(zhí)行速度起來效率更高，所以本次設(shè)計(jì)采用第三種方案。
2.3 CK6150型數(shù)控車床的主要參數(shù)
床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 mm F 520
最大工件長度（二頂尖間距離）mm 1000
最大車削長度（最大加工長度）mm 1000 最大車削直徑（臥式刀架）mm 400 滑板上最大回轉(zhuǎn)直徑 （臥式刀架）mm 280 滑板上最大回轉(zhuǎn)直徑 （立式刀架）mm 300 主軸端部形式及代號 -A8 主軸通孔直徑 mm 82 主軸前端錐孔錐度 莫氏 1:20
主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)-標(biāo)配雙速電機(jī)：12級；選配變頻電機(jī)：自動三檔無級
主軸轉(zhuǎn)速范圍 r/min 標(biāo)配雙速電機(jī)：40-1800；選配變頻電機(jī)：22-220,71-710.215-2000
卡盤直徑-手動 mm F 250 （標(biāo)配） 卡盤直徑-氣動 mm F 250 （選配） 卡盤直徑-液壓 mm F 250 （選配） X軸行程 mm 150 Z軸行程 mm 1000
X/Z軸重復(fù)定位精度 mm 0.012/0.016 中心高 mm 距床身：250；距地面；1130 床身導(dǎo)軌寬度（導(dǎo)軌跨度）mm 400
主電機(jī)功率 kw 標(biāo)配雙速電機(jī)：6.5/8；選頻變頻電機(jī)：7.5 機(jī)床凈重 kg 2800 機(jī)床毛重 kg 3000
機(jī)床輪廓尺寸（長x寬x高） mm-2490x1360x1510
2.4 驅(qū)動方式的確定
機(jī)械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動三種類型。這三種驅(qū)動方式各有所長，各種驅(qū)動方式的特點(diǎn)見下表：
驅(qū)動方案對比表
機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，通常對機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： 1）驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；
2）反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起動，制動，正、反轉(zhuǎn)切換；
3）驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要��； 4）安全可靠； 5）操作和維護(hù)方便；
6）對環(huán)境無污染，噪聲小；
7）經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。
基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)和本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)選用氣壓驅(qū)動的方式對機(jī)械手進(jìn)行驅(qū)動。 2.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表
一、用途：車間皮帶機(jī)與皮帶機(jī)、料臺與料臺間的零件的搬運(yùn) 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)
1、抓重：4kg ，缸套外徑在100～400mm之間， 內(nèi)徑在80～380mm之間 2、自由度數(shù)：3個自由度 3、坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) 4、最大工作半徑：300mm 5、手臂最大中心高：600mm 6、主要運(yùn)動參數(shù)
手臂伸縮行程：185mm 手臂伸縮速度：185mm/s 機(jī)身升降行程：300mm 機(jī)身升降速度：100mm/s 機(jī)身回轉(zhuǎn)范圍：0～180° 機(jī)身回轉(zhuǎn)速度：60°/s 7、驅(qū)動方式：氣壓驅(qū)動
3.機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 手部的設(shè)計(jì) 3.1.1手部的概述
工業(yè)機(jī)器人的手部也叫做末端操作器，它是裝在工業(yè)機(jī)器人手腕上直接抓握工件
或執(zhí)行作業(yè)的部件。
1、工業(yè)機(jī)器人手部的特點(diǎn)如下。 （1）手部與手腕相連處可拆卸。 （2）手部是工業(yè)機(jī)器人末端操作器。 （3）手部的通用性比較差。 （4）手部是一個獨(dú)立的部件。 2、手部的分類
手爪應(yīng)具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件，握持工件，釋放工件。 （1）按夾持原理分
按夾持原理可分為機(jī)械類，磁力類和真空類三種手爪。機(jī)械類手爪有靠摩擦力夾持和吊鉤承重兩類，前者是有指手爪，后者是無指手爪。磁力類手爪主要是磁力吸盤，有電磁吸盤和永磁吸盤兩種。真空類手爪是真空式吸盤，根據(jù)形成真空的原理可分為真空吸盤，氣流負(fù)壓吸盤，擠氣負(fù)壓吸盤三種。
（2）按手指或吸盤數(shù)目
機(jī)械手手爪按手指或吸盤數(shù)目可分為：二指手爪、多指手爪。 機(jī)械手爪按手指關(guān)節(jié)分：單關(guān)節(jié)手指手爪、多關(guān)節(jié)手指手爪。 吸盤式手爪按吸盤數(shù)目分：單吸盤式手爪、多吸盤式手爪。 （3）按智能化分
手部按智能化分為手爪不具備傳感器的普通式手爪和手爪具備一種或多種傳感器的智能化手爪。
手部設(shè)計(jì)和選用最主要的是滿足功能上的要求，由于本課題中套類零件的尺寸很小，重量輕，設(shè)計(jì)中采用二指機(jī)械式手爪夾持工件的外圓柱表面。
1、設(shè)計(jì)機(jī)械手部應(yīng)注意的問題
（1）機(jī)械手手部是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。
（2）機(jī)械手手部的重量、被抓取物體的重量及操作力和機(jī)械手容許的負(fù)荷力。所以，要求機(jī)械手手部體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。
（3）機(jī)械手手部的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。
（4）通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的手部可以適用于不同的機(jī)械手，這就要求手部要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口，使手部實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。
（5）機(jī)械手手部要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。 3.1.2 機(jī)械手部的典型結(jié)構(gòu)
（1）楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松開和夾緊，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。
（2）滑槽式手爪
當(dāng)活塞向前運(yùn)動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向右運(yùn)動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。
（3）連桿杠桿式手爪
這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
（4）齒輪齒條式手爪
這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。 （5）平行杠桿式手爪
采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩指保持平行運(yùn)動，比帶有導(dǎo)軌的平移手爪的摩擦力要小很多。 3.1.3 機(jī)械式手爪設(shè)計(jì)
（1）驅(qū)動。機(jī)械式手爪通常采用氣動，液動，電動和電磁來驅(qū)動手指的開合。氣動手爪目前得到廣泛的應(yīng)用，因?yàn)闅鈩邮肿τ性S多突出的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易維修，而且開合迅速，重量輕，所以本設(shè)計(jì)中決定采用氣動手爪。 （2）傳動。驅(qū)動源的驅(qū)動力通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)使爪鉗開合病產(chǎn)生夾緊力。對于傳動機(jī)構(gòu)有運(yùn)動要求和夾緊力要求。比如平行連桿式手爪和齒輪齒條式手爪可保持爪鉗平行運(yùn)動，夾持寬度變化大。對夾緊力要求是爪鉗開合度不同時夾緊力能保持不變。
（3）爪鉗。爪鉗是與工件直接接觸的部分，它們的形狀和材料對夾緊力有很大的影響。夾緊工件的接觸點(diǎn)越多，所要求的夾緊力越小，對夾持工件來說更顯得安全。
3.1.4 手部驅(qū)動力計(jì)算
（1）設(shè)缸套重量 G=4 kg ，α=80°，b=5 mm，c=70 mm，f=0.2.
（2）當(dāng)工件被豎直夾持時，手指握住工件的夾緊力最大，可得握力的計(jì)算式：
N=mxg=4x9.8=39.2 N
N?
G
?24.5N 2f
3.1 手爪受力圖
(3) 由手部結(jié)構(gòu)傳動示意圖，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，其驅(qū)動力為 0.5 P?b?tgα = N?c P=2Nc/b?tgɑ =2x39.2x70/5xtg80° =193.54 N （4）氣缸的有關(guān)計(jì)算
本氣缸屬于單作用氣缸，由力的平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必需克服活塞桿工作時的阻力，其公式為：
F1?
4D2?d2
?N
F2?
4D?d
?P
2
2
?FZ
式中：
F1——活塞桿上的推力（工作載荷），N; F2——活塞桿上的拉力（工作載荷），N; Fz ——?dú)飧坠ぷ鲿r的總阻力，N； D——活塞直徑，m； d——活塞桿直徑，m；
氣缸工作時的總阻力Fz 眾多因素有關(guān)，如運(yùn)動部件慣性力，背壓阻力，密封處摩擦力等；另一個方面所設(shè)計(jì)的氣缸不但要保證其靜特性，也要保證其運(yùn)動特性符合要求。綜合考慮后，為方便設(shè)計(jì)與計(jì)算，將以上的因素以載荷率的形式計(jì)入公式，則：
F1= π/4 D2 pη N F2=π/4（D2-d2）pη N
η—載荷率，主要考慮保證氣缸動態(tài)特性參數(shù)及總阻力，氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，工作頻率低，基本上為勻速運(yùn)動，則載荷
4F1
?p?
當(dāng)推力做功時，D?
m m
當(dāng)拉力做功時，D?
?
4F2
?d2??p?
在此以推力做功計(jì)算，
D?
4?193.54??0.63?106?0.8
得：
= 31.32 mm
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列的數(shù)值進(jìn)行圓整后，D= 32mm
p=0.63x106 pa，氣缸工作壓力， 由d/D=0.2～0.3,可得活塞桿直徑：
d=（0.2～0.3）D
d=6.4～9.8 mm 取活塞桿直徑d= 8 mm 。 按強(qiáng)度條件計(jì)算活塞桿直徑d， d?
4F1
??P
F1 ——?dú)飧椎耐屏�，N
σp——活塞桿材料的許用應(yīng)力，σp=120Mpa，σp=σb/S
σb——材料的抗拉強(qiáng)度，pa S——安全系數(shù)，S≥1.4 （5）缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
缸筒直接承受壓力，需要有一定的`厚度。由于一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比δ/D<1/10,所以�？砂幢”谕补接�(jì)算： δ=DPt/2[σ]
缸筒材料為ZL3（鋁合金），[σ]=3Mpa δ——?dú)飧淄脖诤�，m D——?dú)飧淄矁?nèi)徑（缸徑）
Pt ——?dú)飧自囼?yàn)壓力，一般取Pt =1.5P P——?dú)飧坠ぷ鲏毫?/p>
[σ]——缸筒材料許用應(yīng)力，[σ]=σb/s
σb——材料抗拉強(qiáng)度
S——安全系數(shù)，一般取S=6～8
帶入數(shù)值得，壁厚δ= 5.04 mm，取δ=6 mm。 則缸筒外徑為 D1= 32+6x2=44 mm 。 故該缸筒壁厚滿足強(qiáng)度要求。 （6）氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑的確定
氣缸進(jìn)排氣口螺孔大小與空氣消耗量（缸徑、活塞桿直徑、活塞的平均速度等）及供氣壓力均有關(guān)系，故難于準(zhǔn)確計(jì)算。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，按缸徑查取。根據(jù)D=32mm，查得進(jìn)排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M14x1.5. （7）活塞的厚度取決于密封圈的種類和排數(shù)。
氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋，活塞桿與氣缸蓋之間均選用O形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值。 （8）連接螺栓直徑的確定與驗(yàn)算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6 mm，螺栓材料Q235，性能等級4.6，查表得屈服極限σs=240Mpa，S=1.5，[σ]=σs/S=160Mpa，故螺栓符合要求。 3.2 臂部設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人的臂部一般具有2～3個自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或俯仰。臂部總重量
較大，受力較復(fù)雜，在運(yùn)動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的精、動載荷，尤其高速運(yùn)動時，將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性力矩），引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性。
3.2.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求
臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動形式、抓取重量、動作自由度、運(yùn)動
精度等因素來確定。同時，設(shè)計(jì)時必須考慮到手臂的受力情況，油（氣）缸及導(dǎo)向裝置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)手臂時一般要滿足以下要求。
（1）剛度要求高
為防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。 （2）導(dǎo)向性要好
為防止手臂在直線運(yùn)動中，沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。 （3）重量要輕
為提高機(jī)器人的運(yùn)動速度，熬盡量減小臂部運(yùn)動部分的重量，以減小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。
（4）運(yùn)動要平穩(wěn)，定位精度要高
由于臂部運(yùn)動速度越高，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動既不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設(shè)計(jì)上要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。 3.2.2 手臂的常用機(jī)構(gòu) （1）手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)
機(jī)器人手臂的伸縮、橫向移動均屬于直線運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)等。由于活塞油（氣）缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。 （2）手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)
實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動機(jī)構(gòu)、活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。 3.2.3 臂部運(yùn)動驅(qū)動力計(jì)算
計(jì)算臂部運(yùn)動驅(qū)動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)器
人工作時，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。 （1）臂部水平伸縮運(yùn)動驅(qū)動力的計(jì)算
臂部做水平伸縮運(yùn)動時，首先要克服摩擦阻力，包括油（氣）缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。 ① 驅(qū)動力Pq（N）可按下式計(jì)算： Pq =Fm + Fg
式中：Fm——各支承處的摩擦阻力（N）;
Fg——啟動過程中的慣性力（N），其大小可按下式計(jì)算：
Fg =ma
式中：m——包括負(fù)載質(zhì)量在內(nèi)的手臂伸縮部件的總質(zhì)量（kg）； a——啟動過程中的平均加速度（m/s2），其大小可按下式計(jì)算： a=△v/△t
式中：△v——速度增量（m/s），如果臂部從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度v時，則這個
過程的速度變化量就等于臂部的工作速度；
△t——升降速過程所用時間（s），一般為0.01～0.5s。 由上面公式： 工件質(zhì)量 m1=4 kg
摩擦系數(shù)：設(shè)計(jì)氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查閱相關(guān)手冊可知，f=0.17
標(biāo)準(zhǔn)氣爪材料為鋁合金ZL3，密度ρ=2.75x103kg/m3，則氣爪的質(zhì)量為：
m爪=ρV爪=2.75x103 x0.048x0.087x0.066 =0.76 kg
連接板材料為45鋼，ρ=7.85x103kg/m3，
m板=ρV板 =7.85x 103 x0.086x0.08x0.05
=2.7004 kg
另外，伸縮手臂導(dǎo)桿伸出件質(zhì)量約為0.5 kg。
根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，伸縮手臂的行程為250mm 。
氣爪抓重為4kg，加上末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質(zhì)量約為8kg。 Fm=uFN=0.17x m1g=0.17x8x9.8=13.328N Fg =ma=8x（△v/△t）
設(shè)要求手臂平動時，V=250mm/s，在計(jì)算慣性力時 設(shè)置啟動時間△t=0.1s，則啟動速度 △v=v=250mm/s
則Fg =ma=8x0.25/0.1=20 N 所以，驅(qū)動力Fq= Fm+ Fg
=13.328+20=33.328 N
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，由預(yù)算確定的所需氣缸驅(qū)動力為33.328 N。
4Fq?p?
由上述可得，活塞式氣缸內(nèi)徑 D?
?
4?33.328??0.63?106?0.4
=12.67 mm 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列的數(shù)值進(jìn)行圓整后，D=25 mm ② 活塞桿直徑的確定與長度的驗(yàn)算 取活塞桿直徑d =16 mm，L= 360 mm
當(dāng)活塞桿長徑比L/d > 10時，一般按壓桿穩(wěn)定性來計(jì)算活塞桿直徑，而活塞桿直徑穩(wěn)定性條件是Fpu ≤Fk /nk
氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力與氣缸的安裝型式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。 當(dāng)長細(xì)比K/L≥85√m 時，F(xiàn)k = mπ2EJ/L2 當(dāng)長細(xì)比K/L≤85√m 時，F(xiàn)K?
fA?L?1????K?2
對于實(shí)心活塞，由上式：
K?85m時，LK?其中，
Fpu—— 氣缸承受的軸向負(fù)荷，即氣缸的理論輸出推力，N Fk——?dú)飧椎膲簵U穩(wěn)定極限力，N
nk ——?dú)飧讐簵U穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取nk—=2～6 Lk——活塞桿的計(jì)算長度
K——活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，m。K=d/4 J——活塞桿橫截面慣性矩，m4，J=πd4/64 A——活塞桿橫截面面積，A=πd2/4
m——由安裝連接條件決定的系數(shù)（固定——鉸支 m=2） f——材料試驗(yàn)強(qiáng)度值，pa，鋼材取f=4.91x108 pa a——系數(shù)，鋼材取a=1/5000
E——活塞桿材料彈性模量pa，鋼材取E=2.1x1011pa
?mE??d2
nk?Fpu?8
LK?
400
?85m?120.283
LK?
?mE??d2
nk?Fpu?8
=πx122x10-6/8x（πx2x2.1x1011/4x197.92）=2308 mm L≤Lk 故活塞桿長度滿足要求。 ③ 缸筒壁厚的確定與驗(yàn)算
一般氣缸筒壁厚與內(nèi)徑之比 δ/D ≤1/10 δt= DPt/2[σ]
=1.5PD/2[σ] [σ]=3 Mpa = 1.5x0.63x106x20/2x3x106 =3.15 mm 經(jīng)過圓整之后，取δ= 3 mm 。 ④ 氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑的確定
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，按缸徑 D= 25 mm，查得氣缸最小氣口螺紋為 M10x1。
⑤氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋，活塞桿與氣缸蓋之間均選用O形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值�；钊暮穸热Q于密封圈的排數(shù)。 ⑥ 連接螺栓直徑的確定與驗(yàn)算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑 d =6 mm，
d?
??4F
?
4?0.63?10???206
2
?160X106
= 1.3 mm
故螺栓直徑符合要求。
為使設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和簡便化，在本設(shè)計(jì)中，水平伸縮手臂采用CM2系列雙作用標(biāo)準(zhǔn)氣缸,如下圖所示。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負(fù)載能力強(qiáng)，耐扭矩能力強(qiáng)，不回轉(zhuǎn)精度高，安裝方便。根據(jù)以上所計(jì)算的數(shù)據(jù)，查取機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選擇缸徑為25mm，型號為CM2B 25-300的氣缸為機(jī)械手的水平伸縮手臂。
3.3 機(jī)身設(shè)計(jì) 3.3.1 概述
工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)有三大部分：機(jī)身、手臂（包括手腕）、手部。機(jī)身，又稱立柱。機(jī)器人必須有一個便于安裝的基礎(chǔ)件，這就是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)座，機(jī)座往往與機(jī)身做成一體。機(jī)身是支撐臂部的部件，一般實(shí)現(xiàn)升降、回轉(zhuǎn)和俯仰等運(yùn)動，常有1～3個自由度。機(jī)身設(shè)計(jì)時要注意下列問題： （1）要有足夠的剛度和穩(wěn)定性；
（2）運(yùn)動要靈活，升降運(yùn)動的導(dǎo)套長度不宜過短，避免發(fā)生卡死現(xiàn)象，一般要有導(dǎo)向裝置；
（3）機(jī)身布置要合理。 3.3.2 俯仰與回轉(zhuǎn)機(jī)身的設(shè)計(jì)
（1）升降臂部的設(shè)計(jì)
機(jī)械手升降手臂是直接支撐和驅(qū)動水平伸縮手臂的部件，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的豎直升降運(yùn)動。這些運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)豎直方向300mm的升降運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動的機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)合理的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，要和回轉(zhuǎn)臂一起綜合考慮、分析。常用的機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)有一下幾種：
? 回轉(zhuǎn)臂置于升降手臂之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能夠承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是升降手臂在回轉(zhuǎn)臂之上，回轉(zhuǎn)臂需承受較大的壓力。
? 回轉(zhuǎn)臂置于升降手臂之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)臂與伸縮手臂一起升降，運(yùn)動部件較大。
? 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動時通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，齒條的往復(fù)運(yùn)動帶動手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。 經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)臂置于升降手臂之下的結(jié)構(gòu)。 （2）臂部升降運(yùn)動氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 ① 俯仰運(yùn)動驅(qū)動力的計(jì)算
作垂直運(yùn)動時，除克服機(jī)身自身運(yùn)動部件的重力和其承受的手臂，手腕，手部、工件等總重力以及升降運(yùn)動的全部部件慣性力，故其驅(qū)動力F驅(qū)可按下式計(jì)算：
F驅(qū)=Fm+Fg±W
Fm——各支撐處的摩擦力，N Fg——啟動時總慣性力，N W—— 運(yùn)動部件的總重力，N ± —— 上升時為正，下降時為負(fù)。
手臂的升降運(yùn)動用的活塞桿位于手臂下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接。缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱連接。
②氣缸舉重的總質(zhì)量
M舉= 8+1.919+9.38+2.26+0.5 =22.05 kg
W = M舉g=22.05x9.8=216.09 N Fm=uFN=u W
=0.17x216.09 = 36.74 N 其中慣性力可以忽略不計(jì)。
運(yùn)動部件包括升降運(yùn)動氣缸，水平伸縮氣缸，氣爪，夾持重物以及連接各個氣缸的連接板。上邊已計(jì)算過氣爪，水平伸縮氣缸、夾持物以及連接各個氣缸的連接板的重量，總質(zhì)量約為8 kg。
水平伸縮氣缸，旋轉(zhuǎn)缸和氣爪的制造材料是一樣的，為鋁合金，其密度ρ=2.75x103kg/m3，連接板材料為45鋼，密度ρ45=7.85x103 Kg/ m3。 水平伸縮氣缸質(zhì)量 m=ρ
鋁合金
鋁合金
v1 =2.75x103x0.285x0.036x0.068
=1.919 kg 豎直升降氣缸質(zhì)量 m=ρ
鋁合金
v2=2.75x103x0.146x0.146x0.16
=9.38 kg 連接板質(zhì)量為 m= ρ
鋁合金
v3 =7.85x103x0.12x0.12x0.02
=2.26 kg 所以，驅(qū)動力F驅(qū) =216.09+36.74=252.83 N ③ 活塞式氣缸內(nèi)徑
根據(jù)雙作用氣缸計(jì)算公式：
D?
4F
?p?
?4?252. ≈35.74 mm
經(jīng)過圓整后， D= 40 mm ④ 活塞桿直徑的確定與驗(yàn)算
?0.63?106?0.4
取活塞桿直徑d =20 mm，按強(qiáng)度條件計(jì)算活塞桿直徑，
4F
d?
??
?4?306. =1.8 mm
?120?106
⑤ 氣缸筒壁厚的確定與驗(yàn)算
氣缸內(nèi)徑確定后，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選取壁厚為t =8 mm，按下式進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算： t ≥DPt/2[σ] = 1.5 PD/2[σ]
=1.5X0.63x106x40/2x3x106 ⑥ 氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑確定
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，按缸徑D=40 m選取，進(jìn)排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M14x1.5 ⑦氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋，活塞桿與氣缸蓋之間均選用O形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值�；钊暮穸热Q于密封圈的排數(shù)。 ⑧ 連接螺栓直徑的確定與驗(yàn)算
由螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d= 6mm，按下式驗(yàn)算：
d?4F
??
?4?0.63?106??2?160?1064?402
= 2.5 mm
成立，故符合要求。
根據(jù)前面部分的設(shè)計(jì)和機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸可知，機(jī)械手升降速度為100mm/s，本設(shè)計(jì)的升降手臂選用MB系列的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，如下圖所示。缸徑為D=40mm
，型號為MBB40-200 的氣缸。
（3）回轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì)
回轉(zhuǎn)臂位于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的最低底端，它承擔(dān)著機(jī)械手的全部重量，因此對回轉(zhuǎn)臂的承載能力要求較高。又由于回轉(zhuǎn)臂要帶動整個機(jī)械手轉(zhuǎn)動，因此要求在回轉(zhuǎn)時要保證其平穩(wěn)性。按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)180°范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動
機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處和底座固定。
（4）臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動氣動裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算
回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩只包括兩項(xiàng)：回轉(zhuǎn)部件的摩擦總力矩，機(jī)身自身運(yùn)動部件和其攜帶的手臂、手腕、手部、工件等總慣性力矩。故其驅(qū)動力矩Mq可按下式計(jì)算：
Mq =Mm +Mg
Mm——總摩擦阻力距，N?m
Mg——各回轉(zhuǎn)部件總慣性力矩（N?m），其大小可按下式 計(jì)算：
Mg=Jo △ ω/ △t
△ ω——在升速或者制動過程中角速度增量（1/s）
△t——回轉(zhuǎn)運(yùn)動升速或者制動過程時間（s）
JO——全部回轉(zhuǎn)零件對機(jī)身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（kg?m2 ），如果零件外廓尺寸不大，重
心到回轉(zhuǎn)軸線距離又遠(yuǎn)時，可按質(zhì)點(diǎn)計(jì)算它對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量。
? 回轉(zhuǎn)部件的總質(zhì)量
Mg =26.974+9.9+2.26+2.26+0.5
=41.68 kg
Jo =Mgr2 =41.68x（40x10-3）2 =6.67 kgm2
那么，Mg=Jo △ ω/ △t =6.67x 0.1/0.1=6.67 N?m
回轉(zhuǎn)氣缸的質(zhì)量：M回=ρV回=2.75x103x0.15x0.15x0.16
=9.9 kg
連接板的質(zhì)量： M連=2.26 kg R=0.08 kg
Mm=∫ 0R ?FN2πr2/πR2 dr
=?00.08 0.17x41.68x 9.8x2xπr2/πx0.082
=21699.65?00.08 r2dr
=21699.65x0.083/3
= 3.70 N?m
則驅(qū)動力矩為： Mq =Mm +Mg
=3.70+6.67
=10.37 N?m
? 氣缸驅(qū)動力
F驅(qū)=Mq /L
L——偏重力臂（臂部重心到機(jī)身立柱軸的距離，m）
F驅(qū)=10.37/（2x10-3）=324.1N
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，由預(yù)算確定的所需氣缸軸向輸出力——推力Q=345.7 N ? 活塞式氣缸內(nèi)徑
D?4Fqp?
D?4?345.7 =40.4 mm ??0.63?106?0.4
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列圓整得：D=40 mm。
④ 缸筒壁厚的確定與驗(yàn)算
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選其壁厚為δ= 8 mm，由下式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，
δ≥DPt/2[σ]=1.5PD/2[σ]
=1.5x0.63x106x40/2x3x106
= 6.3 mm
所以，缸筒壁厚符合要求。
⑤ 氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑確定
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，按缸徑D=40 m選取，進(jìn)排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M14x1.5
⑥ 氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋，活塞桿與氣缸蓋之間均選用O形 橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值�；钊暮穸热Q于密封圈的排數(shù)。
⑦連接螺栓直徑的確定與驗(yàn)算
由螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d= 6mm，按下式驗(yàn)算：
4F d???
?4?0.63?10???4062
?160X106
= 2.5 mm
成立，故螺栓直徑符合要求。
本設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)臂葉片式擺動氣缸DSM型，如下圖所示，此類回轉(zhuǎn)氣缸結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，模塊化設(shè)計(jì)，有多種安裝形式，整個轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無級轉(zhuǎn)角調(diào)速，終端位置可安裝液壓緩沖裝置已吸收能量，終端位置擋塊上止動螺釘可進(jìn)行微調(diào)，轉(zhuǎn)動力矩大。此種氣缸有基本型和派生型，基本型的成本較低，運(yùn)動精度能滿足本設(shè)計(jì)要求，因此選用基本型即可。根據(jù)以上的計(jì)算值，在此選用缸徑D=40mm，型號為DSM-12-180°-P的擺動氣缸。
4.機(jī)械手的運(yùn)動分析
4.1機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃
機(jī)械手運(yùn)動規(guī)劃包括序列規(guī)劃、路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃3各部分。序列規(guī)劃是指在一個特定的工作區(qū)域自動生成一個從起始作業(yè)點(diǎn)開始，經(jīng)過一系列作用點(diǎn)，再回到起始點(diǎn)的最有工作序列。路徑規(guī)劃是指在相鄰序列點(diǎn)之間通過一定的算法搜索一條無碰撞的機(jī)械手運(yùn)動路徑；軌跡規(guī)劃是指通過插補(bǔ)函數(shù)獲得路徑上的插補(bǔ)點(diǎn)，再通過求解運(yùn)動學(xué)逆解轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間，形成各關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡。
序列規(guī)劃為機(jī)械手的所有作業(yè)點(diǎn)生成一個最優(yōu)的工作序列。作業(yè)點(diǎn)是機(jī)械手為完成工作必須達(dá)到的位置和姿態(tài)。機(jī)械手的一次作業(yè)任務(wù)往往有幾十個到上百個作業(yè)點(diǎn)，這些作業(yè)點(diǎn)的加工次序通常是任意的，或者僅僅存在局部的限制（即某幾個作業(yè)點(diǎn)之間存在著固定的前后關(guān)系），序列規(guī)劃的目標(biāo)就是通過某種算法生成一個能滿足作業(yè)限制的最優(yōu)作業(yè)序列，一般以時間作為規(guī)劃優(yōu)劣的度量標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)機(jī)械手再有障礙物的環(huán)境中運(yùn)動時，為了從當(dāng)前作業(yè)位置到達(dá)下一個位置，需要在機(jī)械手工作空間確定一條無碰撞的運(yùn)動路徑，即這條路徑應(yīng)處于機(jī)械手的自由空間中。因此，路徑規(guī)劃的過程實(shí)際上是一個帶幾何約束的問題求解過程。
從上面的論述的可以看出，機(jī)械手運(yùn)動規(guī)劃主要包括兩個方面，一是生成所有作業(yè)點(diǎn)的最優(yōu)工作序列的序列規(guī)劃，二是在相鄰作業(yè)點(diǎn)的之間生成無碰撞路徑的路徑規(guī)劃。序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃的總體目標(biāo)是作業(yè)時間最短，規(guī)劃的約束條件是作業(yè)順序的限制以及碰撞的避免。
目前，兩個剛性物體之間的距離計(jì)算有很多算法，其中對凸多面體的計(jì)算最為成熟。凸多面體之間的距離有兩類：分離距離和嵌入距離。目前，凸多面體間的距離范數(shù)主要有平移距離，成長距離，收縮距離、偽平移距離等。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，機(jī)器人及障礙物一般是凹幾何體，可以采用分割的方法把凹幾何體分割為多個凸幾何體，如球、圓柱等，可以緊包圍它的凸多面體來近似。
4.2 機(jī)械手的主要部件和運(yùn)動
在本設(shè)計(jì)中，自動上下料裝置已經(jīng)確定為圓柱坐標(biāo)形式機(jī)械手的方案，根據(jù)設(shè)計(jì)的任務(wù)，為滿足設(shè)計(jì)要求，此設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有3個自由度：手臂伸縮；機(jī)身回轉(zhuǎn)；機(jī)身升降。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要由3個大部件和4個氣缸組成：（1）手部，采用一連桿式氣動手爪，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手爪的張開和閉合。（2）臂部，采用直線往復(fù)氣缸來實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。（3）機(jī)身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)氣缸來實(shí)現(xiàn)手臂的升降和回轉(zhuǎn)。
4.2.1 機(jī)械手的手爪的運(yùn)動
機(jī)械手手爪多為多指手爪，按手指的運(yùn)動方式可以分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式分為外夾式和內(nèi)撐式兩種。本機(jī)械手手爪采用氣動驅(qū)動方式，由于被抓取的工件是圓柱形的，所以手爪采用V字形結(jié)構(gòu)，即手爪的內(nèi)表面設(shè)計(jì)成與圓柱斜度相同的表面，保證了抓取的穩(wěn)定又不影響套類零件的表面質(zhì)量，機(jī)械手部采用連桿式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，傳動可靠。當(dāng)無桿腔輸入壓縮空氣時，有桿腔排氣，壓縮空氣作用在活塞右端面上的力克服各種反作用力，推動活塞桿前進(jìn)，使活塞桿伸出；當(dāng)活塞桿排氣時，有桿腔進(jìn)氣時，活塞桿縮回到初始位置。通過活塞桿的往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)手爪的張開與閉合。如下文圖4.1中，夾緊氣缸15驅(qū)動手爪，抓取和放開工件。
4.2.2 機(jī)械手的臂部的運(yùn)動
機(jī)械手手臂運(yùn)動的主要目的就是：把手部送到空間運(yùn)動范圍的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位）則用腕部的自由度實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說，臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求，即手臂伸縮，左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)個各種驅(qū)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受手部和工件的靜、動載荷，而且自身運(yùn)動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。
在本設(shè)計(jì)中機(jī)械手手臂采用直線往復(fù)氣缸來實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮，機(jī)身結(jié)構(gòu)采用回轉(zhuǎn)裝置置于升降手臂之下的結(jié)構(gòu)，豎直升降手臂是完成氣動機(jī)械手豎直方向運(yùn)動的動力元件�；剞D(zhuǎn)裝置位于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的最低底端，它承擔(dān)著機(jī)械手的全部重量，因此對回轉(zhuǎn)臂的承載能力要求較高。又由于回轉(zhuǎn)臂要帶動整個機(jī)械手轉(zhuǎn)動，因此要求在回轉(zhuǎn)時要保證其平穩(wěn)性。按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)180°范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處和底座固定。如下圖4.1中水平伸縮氣缸16驅(qū)動手臂水平伸
縮，旋轉(zhuǎn)氣缸18驅(qū)動立柱旋轉(zhuǎn)，帶動手臂旋轉(zhuǎn)180°，升降氣缸17驅(qū)動大臂升降來帶動手臂升降來完成所要求的任務(wù)。
4.3 機(jī)械手的整體運(yùn)動分析
套類零件自動上下線大多數(shù)為一臺機(jī)床配備兩臺結(jié)構(gòu)完全相同的單臂機(jī)械手，分別承擔(dān)工件的上下料運(yùn)動，也有設(shè)計(jì)在一臺機(jī)械手上采用了兩只機(jī)械臂的形式，這樣一臺雙臂機(jī)械手就能承擔(dān)兩臺單臂機(jī)械手的工作。在本設(shè)計(jì)中，為了減少機(jī)械手的數(shù)量的同時由于要加工的零件尺寸和質(zhì)量不大，僅采用一臺單臂機(jī)械手來承擔(dān)工件的上下料運(yùn)動。
圖4.1 機(jī)械手整體裝配圖
如上圖所示，本設(shè)計(jì)所采取的結(jié)構(gòu)中，機(jī)械手工作時，首先機(jī)械手手臂伸長，手爪從料臺夾緊工件之后，手臂上升，然后機(jī)身逆時針旋轉(zhuǎn)180°，將工件送入數(shù)控機(jī)床三爪卡盤上夾緊，手臂縮回后俯下降到料臺高度完成上料過程，此時數(shù)控機(jī)床開始對工件進(jìn)行加工。當(dāng)機(jī)床加工完工件后，機(jī)械手手臂上升一定高度后，手臂伸出到機(jī)床主軸中心線的高度，然后手爪夾緊工件，機(jī)床三爪卡盤松開后，機(jī)械手順時針旋轉(zhuǎn)180°后，手臂下降到料臺高度并將工件放在料臺上，手臂縮回，機(jī)械手回到原來位置，從而完成下料過程。上下料過程循環(huán)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)工件的連續(xù)加工。
上述的運(yùn)動過程可以知道，機(jī)械手的三個自由度：機(jī)身旋轉(zhuǎn)，手臂升降，手臂伸縮。具體的分析過程從第二部分的數(shù)控機(jī)床的有關(guān)參數(shù)以及確定的機(jī)械手和機(jī)床之間的位置關(guān)系可以知道，料臺高830mm，而機(jī)床主軸中心線高為1130mm，因此機(jī)械手手爪的升降高度應(yīng)為300mm，機(jī)械手位于數(shù)控機(jī)床和料臺的中間位置，而機(jī)床主軸與料臺之間間隔為1700mm，所以機(jī)械手手臂伸長之后應(yīng)為850mm，這樣才能在旋轉(zhuǎn)180°后準(zhǔn)確的將工件放入機(jī)床三爪卡盤內(nèi)或放在料臺上。
5.氣動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1 氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的擬定
氣壓傳動系統(tǒng)原理圖是表示氣壓傳動系統(tǒng)的組成和工作原理的重要技術(shù)文件，它對生產(chǎn)裝備自動化、省力化，對系統(tǒng)的性能及設(shè)計(jì)方案的合理，經(jīng)濟(jì)有重要影響。 本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手由大臂伸縮夾緊，立柱升降，立柱回旋等執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)用氣缸驅(qū)動。由于氣缸中的活塞在接近末端時，如果未采取任何緩沖裝置，則會應(yīng)為 沒有降低速度，活塞可能與氣缸發(fā)生沖擊，引起振動，磨損機(jī)件，或引起薄壁工件變形。因此大多數(shù)氣缸都用緩沖裝置，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可設(shè)緩沖裝置，由于本設(shè)計(jì)中氣缸直徑都較小，則選用外緩沖裝置。機(jī)械手氣動回路的設(shè)計(jì)主要是選擇合適的控制閥，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力，流量和方向使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力。動作和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作。
5.1.1 工作程序
執(zhí)行元件為四個氣缸，實(shí)現(xiàn)大臂伸出，縮回，工件夾緊、松開，立柱下降、上升，立柱旋轉(zhuǎn)等動作。氣動機(jī)械手的工作程序如下圖所示：
啟動 大臂伸出→手抓夾緊工件→立柱上升→立柱旋轉(zhuǎn) ↓
立柱上升←立柱下降←手臂縮回←手爪松開工件←卡盤
↓
手臂伸出→手爪夾緊工件，卡盤松開工件→立柱旋轉(zhuǎn)
↓
手臂縮回←手爪松開工件←立柱下降
5.1.2氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的擬定
氣壓傳動系統(tǒng)的具體工作原理如下圖所示。由于手機(jī)床布局限制，為了使機(jī)床的X ， Z軸均回零參考點(diǎn)出，才可氣動氣壓系統(tǒng)進(jìn)行自動上下料。本設(shè)計(jì)的氣動機(jī)械手完成各個選擇兩位五通的換向閥控制，各個氣缸的運(yùn)動方向，氣缸的進(jìn)出口回路各設(shè)置一個單向節(jié)流閥通過控制進(jìn)出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運(yùn)動速度。
圖5.1氣壓傳動系統(tǒng)圖
1—?dú)庠?2—?dú)鈩尤?lián)件 3、4、5、6—減壓閥
7、8、9、10、11、12、13、14—單向節(jié)流閥 15—手臂伸縮缸 16—手爪夾緊缸 17—升降缸 18—旋轉(zhuǎn)缸
氣源啟動后，缸15動作，向外伸出閥控制的行程后，缸16動作，手爪夾緊工件，
然后缸17動作使機(jī)械手手臂上升一定的行程后，缸18動作，機(jī)械手帶動工件旋轉(zhuǎn)180°，三爪卡盤夾緊工件，缸16動作，手爪松開工件，接著機(jī)械手在缸15和缸17的動作下回到一個指定位，機(jī)床加工零件。上料過程完畢。
下料過程：工件加工完后，機(jī)械手要完成工件下料。首先缸17動作，手臂上升一定行程，缸15動作，手臂伸出達(dá)到機(jī)床主軸中心線的高度，缸16動作，手爪夾緊工件，三爪卡盤松開工件，然后缸18旋轉(zhuǎn)180°，缸17動作，機(jī)械手下降至初始位置，將工件放在料臺上。此時缸16動作，手爪松開工件，缸15動作后，手臂縮回。機(jī)械手回到最初上料時的位置。接著機(jī)械手又進(jìn)入下一個循環(huán)，這對零件的加工效率顯著提高。
5.2 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì)（本設(shè)計(jì)中選用S7—200PLC）
氣動系統(tǒng)在工業(yè)自動化中越來越廣泛的應(yīng)用，機(jī)械手的控制和驅(qū)動方式基本上都是采用高精度的伺服電機(jī)，成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這些問題阻礙了裝卸料機(jī)械手在實(shí)際中的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中采用PLC控制，成本低，高速的氣動機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)自動生產(chǎn)線上的工件的自動裝卸。
5.2.1 機(jī)械手自動上下料過程
機(jī)械手自動上下料由PLC可編程邏輯控制器協(xié)調(diào)控制，經(jīng)過各個氣缸配合進(jìn)行動作處理。整個自動上下料過程包括四大部分：
? 工件輸送
? 機(jī)械手取料
? 卡盤上下料
④ 機(jī)械手送料
5.2.2 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì)
（1）機(jī)械手的工作流程
按下啟動按鈕I0.0后，手臂向右伸出，碰到右限位開關(guān)I0.1后，手爪夾緊工件，立柱上升，碰到右限位開關(guān)I0.2后，立柱旋轉(zhuǎn)180°，碰到旋轉(zhuǎn)開關(guān)I0.3后，手爪松
開，手臂縮回，碰到縮回限位開關(guān)I0.5，立柱下降，碰到下限位開關(guān)I0.6后，機(jī)械手先停止1分鐘（設(shè)加工零件一分鐘完成）。當(dāng)加工完零件后，手臂向左伸出，碰到左限位開關(guān)I0.7后，手爪夾緊工件，之后立柱旋轉(zhuǎn)180°，立柱下降，碰到下限位開關(guān)I0.6后，手爪松開，手臂縮回到初始位置。
（2）I/O分配表
I/O分配表
(3)機(jī)械手上下料工作的順序功能圖
圖5.2 順序功能圖
（3）由機(jī)械手I/O分配表和順序功能圖，可以得到梯形圖，如下：
圖5.3 梯形圖
結(jié)論與展望
本次設(shè)計(jì)是套類零件自動上下料機(jī)構(gòu)，主要由氣動機(jī)械手組成，氣動機(jī)械手機(jī)構(gòu)比較簡單，功能也比較簡單，可以滿足本次設(shè)計(jì)要求。其設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個方面：
（1）機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)
末端執(zhí)行器采用氣動夾持式手爪，結(jié)構(gòu)簡單，可對不同種類的工件實(shí)現(xiàn)夾取，安裝。
（2）驅(qū)動方案的選擇
氣壓傳動動作迅速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會因環(huán)境變化而影響傳動，不污染環(huán)境，成本低廉。
（3）機(jī)械手氣動回路設(shè)計(jì)
選用合適的氣動元件，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣壓缸壓縮空氣的壓力，流量，方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力運(yùn)動速度，并按預(yù)定的程序工作。
（4）PLC控制設(shè)計(jì)
機(jī)械手采用PLC控制，可靠性高，改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無論是進(jìn)行時間控制還是進(jìn)行程序控制都可以通過設(shè)定PLC程序?qū)崿F(xiàn)，使機(jī)械手的通用性強(qiáng)。
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指導(dǎo)教師簡介
指導(dǎo)教師簡介
周新民，男，1955年5月出生。畢業(yè)于昆明理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，工學(xué)碩士學(xué)位。西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院院長，教授職稱，碩士研究生導(dǎo)師�，F(xiàn)任全國高等林業(yè)院校機(jī)電學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會委員；“中國振動工程學(xué)會機(jī)械動力學(xué)學(xué)會”理事；中國林學(xué)會林業(yè)機(jī)械分會常務(wù)委員；云南省機(jī)械工程學(xué)會常務(wù)理事。
主要從事本科生、研究生的教學(xué)，以及科學(xué)研究工作。近年來發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇。獲省部級科技進(jìn)步二等獎兩項(xiàng)。合作出版學(xué)術(shù)專著：《現(xiàn)代機(jī)械動力學(xué)及其工程應(yīng)用──建模、分析、仿真、修改、控制、優(yōu)化》，機(jī)械工業(yè)出版社出版。
目前從事的主要研究領(lǐng)域?yàn)椋簷C(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造，機(jī)械工程測試技術(shù)及試驗(yàn)，狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷。
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