四自由度棒料搬运机械手设计

四自由度棒料搬运机械手目 录 摘 要: 本设计的机械手是基于提高劳动生产率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度而设计的。在某些劳动条件极其恶劣的条件下，工人难以用手工工作，可用本机械手替代人力劳动。本设计为四自由度圆柱坐标型工业机械手，其工作方向为两个直线方向和两个旋转方向。本设计中的四自由度棒料搬运机械手，重要是针对质量少于2KG的圆形棒料的搬运。通过气爪手指的不同选择可满足直径不不小于60mm的棒料的搬运。在控制器的作用下，机械手执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线并把工件翻转过来这一简朴的动作.核心词：四自由度；机械手；搬运；工业机器人The Four Degrees-of-freedom Bar Manipulator Designs Abstract:This paper design for enhances the labor productivity, product quality, economic efficiency and reduces the worker labor intensity. Some job working at extremely bad environment, that people cant work in hand, so the robots can replace worker to do it.This scheme introduced a cylindrical robot for four degree of freedom. It is composed of two linear axes and two rotary axis current This paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 2KG. The different fingernail finger was Choice for transporting the good material that diameter is smaller than 60mm.Under controller function the robot move the components from one assembly line to other assembly line and turn over it in space, perform relatively simple takes.Key words: four degrees of freedom; robot; transporting; Industrial robot 1 前言1.1 工业机器人的概述与发展机器人（又称机械手，机械人，英文名称：Robot），在人类科技发展史上其来有自，早在三国时代，诸葛亮发明的木牛流马即是古代中国人的智能结晶。随着近代的工业革命，机器产业的不断发展成为近代工业的重要支柱。机器人的研究从一开始就是拟人化的，因此才有机械手、机械臂的开发与制作，也是为了以机械来替代人去做人力所无法完毕的劳作或探险。但近十几年来，机器人的开发不仅越来越优化，并且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。工业机器人是典型的机电一体化高技术产品。在许多生产领域，它对于提高生产自动化水平，提高劳动生产率、产品质量和经济效益，改善工人劳动条件的作用日见明显。不少劳动条件恶劣、生产规定苛刻的场合，工业机器人替代人力劳动已是必然的趋势。 工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化限度高的自动操作机械。重要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，并且定位精度相称高，它可以根据外部来的信号，自动进行多种操作。工业机器人的发展，由简朴到复杂，由初级到高档逐渐完善，它的发展过程可分为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它重要由手部、臂部、驱动系统和控制系统构成。它的控制方式比较简朴，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代工业机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还可以根据人给出的指令结识自身和周边的环境，辨认对象的有无及其状态，再根据这一辨认自动选择程序进行操作，完毕规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处在研制阶段，尚未大量投入工业应用。世界上工业机器人萌芽于50年代的美国，通过40近年的发展，已被不断地应用于人类社会诸多领域，正如计算机技术同样，机器人技术正在日益变化着我们的生产方式。进入90年代，世界机器人工业继续稳步增长，每年增长率保持在10%左右，世界上已拥有机器人数量达到70万台左右，1992、1993年世界机器人市场曾一度浮现小的低谷，近年除日本外，欧美机器人市场也开始复苏，并日益兴旺。与全球机器人市场同样，中国机器人市场也逐渐活跃，1997年上半年，国内从事机器人及有关技术产品研制、生产的单位已达200家，研制生产的各类工业机器人约有410台，其中已用于生产的约占3/4。目前全国约有机器人顾客500家，拥有的工业机器人总台数约为1200台，其中从40家外国公司进口的各类机器人占2/3以上，并每年以100150台的速度增长。从机器人的应用与发展来看，在诸多方面工业机器人替代人力劳动已是必然的趋势，工业机器人将来必然有广阔的发展前景2。1.2 本设计中的四自由度棒料搬运机械手所实现的功能本设计中的四自由度棒料搬运机械手，重要是针对质量少于2KG的圆形棒料的搬运。 本设计中的机械手有四个自由度，由底座的旋转，手臂的升降，手臂的伸缩，手爪的旋转构成。本设计中的机械手是一种通用型棒料搬运机械手。通过气爪手指的不同选择可满足不不小于直径60mm的棒料的搬运。通过示教再现或程序的直接控制可实目前机械手工作范畴内把棒料从指定点搬运到另一指定点，并把棒料翻转过来。通过对机械手的相应控制还可实现对棒料的排列。1.3 本设计中的四自由度棒料搬运机械手设计的意义机器人工程是近二十近年迅速发展起来的，目前已应用与许多生产领域。由目前的发展状况看，在可预见的将来它将在生产中扮演越来越重要的角色。本机械手就是基于此并为提高劳动生产率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度而设计的。在某些劳动条件极其恶劣的条件下，工人难以用手工工作，可用本机械手替代人力劳动。在社会不断发展的今天，机器人在工业现场中的应用也越来越广泛，用机器的力量替代人力，而将人类从繁重的体力劳动中解放出来是历史发展的趋势4。2 机械手的总体设计2.1 设计规定 规定：本毕业设计规定学生掌握机器人或工业机械手的构造及工作原理，实现机械手的上升、下移、左移、右移抓紧和放松等多种自由度，完毕一四自由度搬运机器人设计，规定所设计机器人能抓取一定质量的工件并达到规定的地点。2.2 机器手的构成图1 机械手的构成图Fig1 The composition diagram of the robotic 机械系统：本机械手由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统构成。2.2.1 执行系统： 执行系统是工业机器人完毕抓取工件，实现多种运动所必需的机械部件，它涉及气爪、手臂升降、手臂伸缩、底座旋转。2.2.2 驱动系统： 为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。本设计选用机械传动、气压传动和电机驱动。 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的规定进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。2.3 总体方案拟定由设计规定本设计机械手实现的作用：自动线上有，两条输送带，之间距离为0.7m，现设计机械手将一棒料工件从A带送到B带并将棒料翻转过来。 拟定为四自由度的机械手。其中2个为旋转，2个为平移。在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最重要的功能。这两项功能实现的技术基本是精致的机械构造设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求拟定机械手，运用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；运用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机械手工作范畴不大，故运用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则选用气爪来做夹持器，用小型气缸驱动夹紧。气爪的旋转则由与气爪连接的摆动气缸实现7。其外观与工作移动方位如图2。图2 机器人外形图Fig2 Robot Outline Drawings 2.4 机器人的工作空间 本机械手底座采用圆柱坐标型构造，其工作空间是一种具有一定角度的绕机械手转动轴的扇形体立体空间。机器人具有较大的相对工作空间和绝对工作空间，所谓相对工作空间是指手腕端部可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比，绝对工作空间是指手腕端部可达到的最大空间体积，只要工件搬运点都在此范畴内即可实现搬运。 下图3描述了本机械手的工作空间，是顶视图。高度即为手臂可升降的高度。图3 工作空间图 Fig3 Workspace map 2.5 机械手驱动系统设计2.5.1 机械手驱动器机械手驱动系统涉及驱动器和传动机构,它们常和执行器联成一体,驱动臂，杆和载荷完毕指定的运动。常用的驱动器有电机、液压和气动等驱动装置，其中采用电机驱动器是最常用的驱动方式，涉及直流伺服电机，交流伺服电机及其步进电机等。本设计中底座的旋转与手臂升降都是采用步进电机作为驱动器（在第5章计算阐明步进电机的选择），而手臂的伸缩则选用七缸作为驱动器。气爪的翻转是通过摆动气缸来作为驱动器6。2.5.2 机械手传动机构手臂的升降是步进电机通过联轴器直接与丝杆连接。手臂上安装丝杆螺母副，从而驱动手臂的升降。手臂的伸缩是通过气缸杆直接连接装有摆动气缸的摆动气缸安装板，从而实现伸缩运动的。气爪的旋转是摆动气缸通过气爪的连接附件直接相连接。如下图4。图4 气爪连接示图Fig4 Gripper connection diagram 底座的旋转是通过步进电机联接谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机械手的旋转运动。如下图5。1支座，2电机，3轴承，4带传动，5壳体6位置传感器，7柔轮，8波发生器，9刚轮 图5 机械手底座传动示图Fig5 Robot base transmission diagram本设计中的四自由度棒料搬运机械手的有关技术参数见表1。 表1机械手参数表Table 1 Robot parameter table 机械手类型四自由度圆柱坐标型抓取重量2Kg自由度4个（2个回转2个移动）底座长290mm，回转运动，回转角240，步进电机驱动 PLC控制手臂升降机构长550mm，升降运动，升降范畴400mm，步进电机驱动 PLC控制手臂伸缩机构长826mm，伸缩运动，伸缩范畴270mm，气缸驱动 活塞位置控制气爪旋转机构旋转运动，旋转角180o，气缸驱动，行程开关控制3 机械手的传动设计 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整阐明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩3.2 谐波齿轮减速器参数的拟定一般一级谐波齿轮减速比可以在50500之间，谐波齿轮构造简朴，零件少，重量轻，运动误差小，无冲击，齿的磨损小，传动精度高，传动平稳。谐波齿轮减速传动装置明显的长处，已广泛用于机器人和其他机电一体化机械设备中。本设计的底座旋转采用谐波齿轮减速器传动。谐波齿轮采用带杯形柔轮的谐波传动组合件。它是由三个基本构件构成的，带凸缘的环形刚轮，杯形的柔轮和柔性轴承、椭圆盘构成的波发生器11。谐波齿轮的设计基本参数如下：传动比：i2=100；柔轮变形波数：U=2 ； 柔轮齿数： ZR=Ui=2100=200 刚轮齿数： ZG=ZR+U=200+2=200 模数：m=0.4mm 柔轮臂厚：H=0.5mm 尺宽：b=20mm 其中，柔轮与柔轮的啮合参数经计算分别拟定如下： 全齿高：hR=07mm hG=0.72mm 分度圆直径：dR=80mm 齿顶圆直径：daR=83.2mm 齿根圆直径：dfR=79.7mm 齿形角：aR=20 变位系数：XR=3.7 柔轮与刚轮均采用渐开线齿形，波发生器采用控制式发生器，其中长轴2a=59.9mm ，短轴2b=58.2mm ，并且采用品有23个直径为7.14mm滚珠的薄臂轴承。谐波齿轮轮齿的耐磨计算：由于谐波齿轮的柔轮和刚轮的齿数均诸多，两齿形曲线半径之差很小，因此轮齿工作时很接近面接触，则轮齿工作表面的磨损可由齿面的比压P来控制。轮齿工作表面的耐磨损能力可由下式计算： （1） 式中：T作用在柔轮上的转矩（Nm），由前计算获得T=2 Nm； dR柔轮分度圆直径，本设计中取为dR=80mm ； hn最大啮入深度，近似取hn=（1.41.6）m，本设计中取 ；b 齿宽（mm），设计中取为b=20mm ； ZV当量于沿齿廓工作段全啮合的工作齿数 ，一般可取；K载荷系数，取K=1.31.75 ，设计中取为K=1.5 ；PP齿宽许用比压 ，对于无润滑条件下工作的调质柔轮，取PP=8MPA ；因此，代入 得： 因满足ppp，因此符合耐磨性规定 。柔轮强度计算：谐波齿轮工作时，柔轮筒体处在变应力状态，其正应力基本上是对称变化的，而切应力则呈脉动变化，若以分别表达正应力和切应力的应力幅和平均应力。（1）正应力的应力幅和平均应力分别为： (2) （2）由变形和外载荷所引起的切应力分别为： (3) 则，切应力的应力幅和平均应力为： (4) 以上式中：T柔轮工作转矩（），由前计算取为：T=2 ； h1柔轮齿根处的臂厚（mm），设计中取为：h1=0.6mm ； DP计算平均直径（mm），设计中为：DP=dfh179.70.679.1mm ； E弹性模量（MPa），设计中为E =206000 MPa ； 变形量（mm），本设计中为 =80.880=0.8mm ； 柔轮工作条件较恶劣，为使柔轮在额定载荷下不产生塑性变形和疲劳破坏，并考虑加工工艺较高的规定，决定选用30CrMnSiA作为柔轮材料。将具体数据代分别代入上式中得： (5)30CrMnSiA的力学性能如下： ，球化解决后硬度为2426HRC ，且，取： 柔轮正应力安全系数和切应力安全系数分别为： 柔轮的安全系数： (6) 此数值不小于许用安全系数1.5，则柔轮强度满足规定。4 机械手的各电动机的选择进电动机又称脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行电机。本机械手系统所规定的定位精度较高，而步进电机对系统位置控制比较精确且控制易于实现。故本机械手选用的驱动电机都是步进电机。4.1 机械手手臂升降步进电机的选择机械手手臂升降用步进电机来驱动，通过丝杆传动来实现升降。初选步进电机75BF003由前计算丝杆导程为 L0=6mm本设计机械手手臂升降速度选定为 因此丝杆转速 (7) 回转转矩： Mc=Mga+Mf (8)式中：Mc 机械手手臂升降相对丝杆的回转力矩 ； Mf 机械手手臂升降相对丝杆的摩擦阻力矩 ；Mga机械手手臂升降在停止（制动）过程中相对与丝杆的惯性力矩 ；其中： ， (9) 式中：手臂升降启动或制动过程中角速度的变化量，也就是工作的角速度：； (10) 手臂升降启动或制动的时间：本设计取为；手臂升降时各部件对回转轴线的转动惯量，其中： (13) 式中：丝杆对其转动轴的转动惯量， 其中： (11)式中：丝杆的公称直径由前计算得 丝杆的长度本设计取为0.6(m) 代入得： 升降电机与丝杆间的联轴器的转动惯量 查机械设计手册(软件版)R2.0得； 步进电机转子的转动惯量 查机电综合设计指引书表2-18得；代入得：J0=JS+Jl+Jd 把以上代入得： (12) 其中： ； (13) 式中： G手臂的自重约为200N f丝杆螺母副与丝杆间的摩擦系数f=0.08 查机械设计手册(软件版)R2.0得代入得： (14) 得： Mc=Mga+Mf 电机与丝杆直接联接因此i=1；因此 上式中：负载峰值转速（rad/s），如上计算 ：； 负载峰值力矩（），如上计算：电动机的功率计算式： (15)上式中：计算系数，其中一般，本设计中取：； 丝杆传动装置的效率，一般取，本设计中取：；代入以上数据得： (16) 根据负载峰值力矩Mlp最大静转矩，选用步矩角为3 步进电机75BF003，其最大静转矩为0.882，满足负载峰值力矩Mlp最大静转矩的规定. 电机参数表2Table2 Motor parameter table 电机型号相数步距角/（）电压/V最大静转矩/Nm(Kgfcm)最高空载启动频 率/HZ运营频率/HZ转子转动惯量10Kgm分派方式质量/Kg75BF0033 330 0882（9）1250160001568三相六拍1584.2 机械手底座回转驱动电动机的选择机械手机身安装在底座上因此底座作旋转时将手臂与机身一起旋转机械手底座转速： 设计选用为即旋转1800的时间为3s；回转转矩： (17) 式中： 机械手整体相对底座回转轴的回转力矩 ； 机械手整体相对底座回转轴的摩擦阻力矩 ；机械手底座在停止（制动）过程中相对与丝杆的惯性力矩 ；其中： ， (18) 式中： 底座旋转在启动或制动过程中角速度的变化量，也就是工作角速度：； 底座旋转启动或制动的时间：本设计中； 与的转化系数：，本设计中取 手臂、机身、转轴对底座旋转轴线的转动惯量 由于本机械手是一种不规则，不均匀的回转体,因此算得在选用电机时相应把最大静转矩规定提高来选择。 (19)式中：手臂无气爪边的质量（kg），本机械手为 ；手臂有气爪边的质量（kg），本机械手为 ；其中：手臂的质量，手臂两边都看作长杆来计算转动惯量；机身的质量（kg），本机械手为； 其中：的转动惯量看作均匀圆柱体来计算； 与相相应的长度（m） 。把以上数据代入得： (20) (21)底座电机通过谐波减速器连接转动轴，偕波减速器传动比为i=100。因此： (22)上式中：负载峰值转速（rad/s），如上计算 ：； 负载峰值力矩（），如上计算：电动机功率的计算公式式： (23) 式中： 步进电动机的功率（W） ； 负载峰值转速（rad/s），由前计算 ：； 负载峰值力矩（），由前计算：Mlp=0.737（）； 计算系数，其中一般，本设计中取：； 底座传动装置的效率，估算为，本机械手取为：。根据负载峰值力矩Mlp最大静转矩，选用步矩角为3 的步进电机90BF003，其最大静转矩为1.96，满足规定。 电机参数表 3Table3 Motor parameter table电机型号相数步距角/（）电压/V最大静转矩/Nm(Kgfcm)最高空载启动频 率/HZ运营频率/HZ转子转动惯量10Kgm分派方式质量/Kg90BF0033 360 196（20）150080001764三相六拍425 机械手各气动件的设计计算5.1 气爪夹紧力的计算与气爪的选择5.1.1 气爪夹紧力规定由设计任务书的规定气爪连工件的重量为5KG，从而拟定夹紧的工件重量约为2kg。本设计设计的机械手搬运的工件定为圆柱形的棒料。 工件重力 G=2x9.8=19.6N夹起工件重要是靠气爪手指与工件的静摩擦力克服工件的重力。其加快视图如图6:图6 工件夹紧视图Fig6 Workpiece clamping view气爪拿起工件所需的力 式中：G机器人的手爪抓取的工件的重力（N），本设计G=19.6； K1安全系数，一般取K1=1.22.0,本设计中取K1=1.2； K2机器人的手部工作状况系数，按 (24) 计算得K2=1.2； a为机器人手爪运动加速度的绝对值； K3方位系数，根据机器人手爪与工件形状选K3=1把以上数据代入得： FL=1.2X1.2X1X19.6 =28.224N气爪能拿起工件所需的夹紧力： (25)式中：钢与钢接触的摩擦系数=0.2 查机械设计手册(软件版)R2.0得 把以上数据代入(19)得： (26)气缸的选定中，一方面拟定其负载的大小，负载决定了缸径的大小；另一方面要拟定其行程、安装形式等. 5.1.2 缸径的拟定缸径与所使用的气源的压力有关，同步要拟定动作方向是推力还是拉力。本设计的气爪气缸工作重要以拉力。本设计满足气缸理论推力、拉力速度为50-500mm/s的范畴，其力学计算公式为： 拉力F=0.25(D2-d2)P式中：D气缸直径（m）,本设计初取为0.04m ；d气缸活塞杆直径（m），本设计初取为0.012m ；P气缸工作压力（Pa），本设计取为0.6MPa；F气缸理论推力、拉力（N）把以上数据代入F=0.25(D2-d2)P得：计算得的F为理论拉力，其实际拉力可根据Fs=F计算。式中：气缸的工作效率，一般在0.70.95之间。当工作压力增高、缸径增大时效率增大。本设计工作压力交大取为0.85。把以上数据代入Fs=F得： (27) 图中L=50mm为气爪手指夹紧工件的力臂。R=22mm为活塞杆推动手指的力臂。气爪夹紧工件的力FN1=FsR/L 代入数据得： 由计算得FN1FN因此初选的缸径40mm，活塞杆直径12mm满足设计规定。气缸是气爪的的驱动器，气缸与气爪手指的连接构造如下图7。 图7 气缸与气爪手指的连接构造Fig7 The connection structure of the cylinder and the gripper fingers 5.1.3 行程的拟定气缸的行程就是活塞移动的距离，对外体现为负载移动的距离，拟定此距离时要充足考虑工况状况，应预留出一点行程，避免活塞杆撞坏。由气爪的工作规定本气缸的行程为15mm。5.1.4 气缸的运动速度 气缸的运动速度重要由所驱动的工作机构的需要来决定。本气爪规定速度缓慢、平稳，采用节流调速。节流调速的方式有：本气缸为水平安装采用用排气节流； 本设计中缸体选用的是不锈钢式，固本气缸需要加油润滑。本气缸使用注意事项1）一般气缸的正常工作条件：环境温度为-3580，工作压力为0.40.6MPa；2）安装前，应在1.5倍工作压力条件下进行实验，不应漏气；3）装配时，所有密封元件的相对运动工作表面应涂以润滑脂；4）安装的气源进口处必须设立气源调节装置：过滤器-减压阀-油雾器；5.1.5 摆动气缸的选择前选择的HGW40A的气爪其转动惯量Jq=124X10-4kgm2其爪夹持的工件的转动惯量为： (28)式中：m工件的质量（kg），本设计为m=2kg; R工件的半径（m），本设计为R=20mm; l工件的长度（m），本设计为l=50mm;把以上数据带入得： 加在摆动气缸工作上的转动惯量为：J=Jg+Jq=124X10-4+6.167X10-4=130.167 kgm2由摆动气缸工作转动惯量J=130.167 kgm2选用预选费斯托(festo)公司的DSM-32-270-P-PW型气缸。该气缸的许用转动惯量为：500X10-4 kgm2满足规定。由下图5-3摆动的时间约需0 .3s该气缸是叶片驱动双作用气缸，在整个摆角范畴内可实现无极摆角调节，终端位置可通过止动螺钉和紧固螺母调节。止动杆上的冲击能量由弹性缓冲板吸取，终端缓冲由缓冲器实现。转动叶片自身不用于拟定终端位置，既止动杠杆和止动装置不能移动。该摆动气缸防水防尘10。 图8 气缸工作转动惯量与摆动时间关系Fig8 Cylinder working the moment of inertia and swing time relationship 本气缸可实现摆角范畴内无极摆角调节下图9为其摆角调节构造示图：图 9 摆角调节示图Fig9 Swing angle adjustment diagram 摆动气缸参数表4Table4 Swing cylinder parameter table构造特点工作压力缓冲角重量32MM叶片驱动的摆动缸15-10bar09o-17o1.02kg5.2 手臂伸缩气缸的选择缸径的拟定： 缸径的计算公式 (29) 查液压气动系统设计手册得式中：P气缸的工作压力（Pa）,本气缸选为0.6MP 气缸总的机械效率，本气缸估算为0.4 D气缸的内径（m）。 F1气缸的负载力（N）。本气缸负载较小取为10N把以上数据代入得： (29) =0.02526m查机械设计手册-气压传动表22-1-64气缸内径取原则为32mm。行程的拟定由设计的工作规定活塞行程取为320mm。气缸型号的选择：由以上参数的计算选费斯托(festo)公司的DNG-32-320-PPV-A型气缸本气缸活塞安装有传感装置，活塞位置可以被行程开关检测到，从而实现对气缸位置的控制。选用的控制安装附件为SMB-2-B。该气缸的缓冲长度为19mm。 连接形式：由于本气缸工作行程较大，且推杆端的垂直负载较大，使推杆受的弯曲应力较大。选用该气缸的一种安装附件，导向单元FENG-32-320-KF。气缸直接安装在该导向单元上。下图为该导向单元外观图10图10 导元向单 Fig10 Guide element to a single 下图11为最大工作负载与导杆投影距离之间的关系图图11 负载特性图Fig11 Load characteristic diagram 由上图表可查得本设计选用的FENG-32气缸在最大伸长距离320mm的状况下其最大负载为55N。而气爪连工件的质量约为4kg，摆动气缸质量为1.02kg。因此导向单元的实际总负载Gf=5.02kg=49.196N。Gf55N满足设计规定，该导向单元可用。图12 导向单元与气缸连接图Fig12 Guide unit with cylinder connection diagram 6 机器人控制系统设计6.1 机械手控制器的选择工业机械于是一种模仿人手动作井按设定的程序轨迹和规定替代人手抓取、搬运工件或操持工具进行操作的机电一体化自动化妆置。工业机械手的电气控制系统是通过控制气缸电磁换向阀，电机的正反转来实现不同的动作的，有采用单片机控制的，也有采用可编程控制器来控制的，若采用单片机控制由于电磁的工作电压高于单片机的+5伏电源所需驱动电流较大因而须设计功率接口电路还要进行抗干扰及其可靠性的设计。而采用PLC控制，则无需考虑上述问题。有着极大的灵活性，易于模块化，当机械手工艺流程变化时，只要对点的接线稍作修改，或继电器重新分派，程序中作简朴修改，补充扩展即可。机械手的速度、电机运营所需的脉冲数都可以根据给定的规定予以置。用控制的机械手将更具灵活性、可靠性、减少成本，提高效率，有着较好的经济效益。本设计机械手采用控制。6.2 机器手控制系统的特点及对控制功能的基本规定工业机器人具有多种自由度，每个自由度一般涉及一种伺服机构，它们必须协调起来，构成一种多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般可用单片机，PLC，计算机等来实现。在作业中机器人的工作任务是规定操作机的末端执行器按点位或轨迹运动，并保持设定的姿态。在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作。 在机器人的各类作业中，运动和控制方式重要有两种。 1）点位控制方式（PTP控制） 这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些规定的点上进行操作，因此只规定末端执行器在目的点处保证精确的位姿以满足作业质量规定。而对达到目的点的运动轨迹（涉及移动的途径和运动的姿态）则不作任何规定，这种控制方式易于实现，但不易达到较高的定位精度，合用于上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只规定在目的点保持末端执行器精确的位姿的作业中； 2）持续轨迹控制方式（CP控制） 这种控制方式规定末端执行器严格按规定的轨迹和速度在一定精度规定内运动，以完毕作业规定，这种必须保证机器人各关节持续、同步地实现相应的运动。这种持续轨迹运动，可当作是若干密集轨迹曲线。若设定的点足够密，就能用点位控制的措施实现所需精度的持续轨迹运动。本设计机械手用于棒料的点对点搬运，对运动轨迹没太大规定。因此选用点位控制方式。6.3 控制系统的总体设计机械手控制系统的基本功能：本机械手要具有回原点、手动点动)和自动单步、持续1控制的操作方式；手动操作 用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制；回原点操作方式 按下回原点启动按钮，机械手自动返回原点位置。自动操作 涉及单步操作和持续运营两种操作方式。操作前提是机械手须处在原点位置上；1)单步操作 每按一次按钮，机械手完毕一步动作后自动停止；2)持续运营 系统一旦启动，机械手的动作将自动地持续不断地周期性循环。期间若按停止按钮，要完毕一种完整的动作循环才停止。为以便控制系统适应各具体工作状况作小幅，整个控制系统采用模块化构造，以以便指令中的IST状态初始化指令来进行设计。总软件系统涉及初始化电路、故障报警程序、点动操作程序、回原点程序及自动操作程序五大模块构成，分别解决单个问题然后再进行综合。本机械手中驱动部分由电机与气动两部分构成，其中电机部分由PLC直接控制。而气动部分则由PLC控制电磁筏来实现控制。下图13为气动部分原理图：图 13 气动原理Fig13 Pneumatic principles 为了使机械手在作过程中实现自动或手动运营及运营的安全可靠，摆动气缸，手臂升降都选用限位开关控制，以给相应的电磁阑传递通、断信息。而气爪，伸缩气缸则运用其内部的位置传感器作为位置的控制。将其传感器的信息传递给PLC，以实现PLC对其位置的控制。而底座旋转通过带传动带动底座位置传感器，从而将位置信息传给PLC实现控制7 手臂验算与机械手参7.1 手臂平衡的验算手臂工作长度较大，并且手臂伸缩端安装有气爪，气爪夹紧工件。此处对丝杆力矩较大。因此应当作平衡验算。手臂气爪端对丝杆的力矩： (30)式中：Mg手臂工件端对丝杆的力矩（）； Gb摆动气缸的重力（N）,本设计为12.25N； Gg工件的重力（N）, 本设计为19.8N； Gz气爪的重力（N）, 本设计为19.6N； L手臂气爪端对丝杆的力矩（m）, 本设计为0.4m;把以上数据代入得:手臂端盖端对丝杆的力矩： (31) 式中：Md手臂端盖端对丝杆的力矩（）； Gd端盖端的重力（N）,本设计为其质量为4.452KG,得重力为43.623N；L1手臂端盖对丝杆的力臂（m）, 本设计为0.3m;把以上数据代入得: 由此得手臂端盖端与手臂工件端的合力矩为代入得: (32)手臂对丝杆的力矩总终由底座来平衡.底座通过螺栓安装.考虑最大负载状况，由单个螺栓承受此力矩时其受的拉力为Fl=M/L2式中：L2螺栓到丝杆的力臂（m），本设计为0.165m； M手臂端盖端与手臂工件端的合力矩，由前计算得M=7.83把以上数据代入Fl=M/L2得:Fl=7.83/0.165=47.45N底座选用的安装螺栓为M10可得其最大工作条件下的应力 式中：A螺栓的截面面积， (33)代入得： 一般的螺栓的抗拉强度都不小于450，可见螺栓能满足规定。机械手工作能达到平衡。7.2 机械手参数气爪夹力为表5 机械手的最后运动设计参数： Table 5 Final motion of the manipulator design parameters :机械手机构工作范畴工作速度底座转动角度2400转动速度伸缩手臂伸缩距离300mm伸缩速度80mm/s手臂升降升降距离320mm升降速度35mm/s气爪摆动摆动角度1800转动速度 表 6 机械手工作精度：Table 6 Accuracy of the robot work :机械手机构工作精度底座0.030伸缩手臂0.5mm手臂升降0.05mm气爪摆动通过挡块定位8、结束语到此近90天的毕业设计就要结束了，我大学阶段的学习也将画上句号。通过本次毕业设计的学习，牢固了自己所学的专业知识，提高了独立思考解决问题的能力，同步也真正初步理解一种机械设计的设计过程。也使我学会如何更好的运用图书馆，网络查找资料和运用资料，还使我学会如何与同窗共同讨论问题。这对我后来的工作有很大的协助。在设计过程中，我常常遇到多种各样的问题。从中使我结识到自己在诸多地方的局限性。有诸多东西还要慢慢学习。由于本人水平有限以及毕业设计时间有限，本设计难免有不合理或不太精确的地方，恳请各位教师批评指正。参照文献1 成大先.机械设计手册M.第3卷.北京：化学工业出版社.:582 张铁,谢存禧.机器人学M.广州:华南理工大学出版社.:15243 陈统坚.机械工程英语M.北京:机械工业出版社.1996:78984 成大先.机械设计手册.单行本.气压传动M.北京：化学工业出版社.:11415 冯辛安.机械制造装配设计M.北京: 机械工业出版社.:891236 成大先.机械设计手册.单行本.常用工程材料M.北京：化学工业出版社.:1561777 吴克坚,于晓红,钱瑞明.机械设计M.北京:高等教育出版社.:11538 郑堤,唐可红.机电一体化设计基本M.北京:机械工业出版社.:22659 陆一心,气压与气动技术M. 北京：化学工业出版社.:294410 秦曾煌.电工学电子技术(第五版) M. 北京：高等教育出版社.1999:326911 吴宗泽.机械设计实用手册M.北京：化学工业出版社.:23427812 吴振彪.机电综合设计指引M.广东海洋大学.:215613 冯开平，左忠义.画法几何与机械制图M.广州:华南理工大学出版社.:349814 Robert J. Schilling.Fundamentals of Robotics-Analysis and Control.New Jersey:Prentice Hall,1990:123154 15纪名刚，陈国定. 机械设计M.北京：高等教育出版社.:2655 致 谢在此衷心感谢学校、学院各位教师4年来给我的教育和培养，特别要感谢向阳教师，熊瑛教师在我的毕业设计期间予以的诸多指引。设计过程中，遇到了诸多问题，有软件的也有硬件的，有属于粗心大意导致的，也有的是由于知识水平所限。在教师的指引下，将其一一排除，增长了知识，积累了经验。最后感谢工学院全体教师!