四自由度棒料搬运机械手毕业设计

1 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，可用本机械手代替人力劳 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，主要是针对质量少于 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单的动作. 关键词：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 2 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主要支柱。 机器人的研究从一开始就是拟人化的，所以才有机械手、机械臂的开发与制作， 也是为了以机械来代替人去做人力所无法完成的劳作或探险。但近十几年来，机器人 的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，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 显著。不少劳动条件恶劣、生产要求苛刻的场合，工业机器人代替人力劳动已是必然 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， 自动化程度高的自动操作机械。主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，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。 工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，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，它主要由 手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，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 能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这 一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有 适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，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，经过 40 多年的发展，已被不断地应用 于人类社会很多领域，正如计算机技术一样，机器人技术正在日益改变着我们的生产 方式。 3 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出现小 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 场一样，中国机器人市场也逐渐活跃，1997 年上半年，我国从事机器人及相关技术产 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用户 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 的速度增加。 从机器人的应用与发展来看，在很多方面工业机器人代替人力劳动已是必然的趋 势，工业机器人将来必定有广阔的发展前景 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，主要是针对质量少于 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 爪的旋转组成。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现 在机械手工作范围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多年迅速发展起来的，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，可用本机械手代替人力劳动。 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，用机器的力量代 替人力，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 设计要求 要求：本毕业设计要求学生掌握机器人或工业机械手的结构及工作原理，实现机 械手的上升、下移、左移、右移抓紧和放松等多个自由度，完成一四自由度搬运机器 人设计，要求所设计机器人能抓取一定质量的工件并到达规定的地点。 2.2 机器手的组成 4 图 1 机械手的组成图 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)、控制检测系统组成。 2.2.1 执行系统： 执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括 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要求进行工作，当发 生错误或故障时发出报警信号。 2.3 总体方案拟定 由设计要求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。 确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，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技 术基础是精巧的机械结构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确定机械手，利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；利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围不大，故利用气 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。 5 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结构，其工作空间是一个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抵达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抵达的最大空间体积，只要工件搬运点都在此范围内即可实现 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 6 机械手驱动系统包括驱动器和传动机构,它们常和执行器联成一体,驱动臂，杆和 载荷完成指定的运动。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，包括直流伺服电机，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 章计算说明步进 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 7 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，升降范围 400mm，步进电机驱动 PLC 控制 手臂伸缩机构 长 826mm，伸缩运动，伸缩范围 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。如需要完整说明书和设计图纸 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确定 一般一级谐波齿轮减速比可以在 50500 之间，谐波齿轮结构简单，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 动装置明显的优点，已广泛用于机器人和其它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：i 2=100； 柔轮变形波数：U=2 ； 柔轮齿数： Z R=Ui=2100=200 刚轮齿数： Z G=ZR+U=200+2=200 8 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确定如下： 全齿高：h R=07mm hG=0.72mm 分度圆直径：d R=80mm 80.dm 齿顶圆直径：d aR=83.2mm 2aG 齿根圆直径：d fR=79.7mm 4.f 齿形角：a R=20 0G 变位系数：X R=3.7 3.71X 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 ，并且采用具有 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很多，两齿形曲线半径之差很小，所以轮 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： PvnRbZhdTKp20 （1） 式中：T作用在柔轮上的转矩（Nm） ，由前计算取得 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 ；1.40.56nh b 齿宽（mm） ，设计中取为 b=20mm ； 9 ZV当量于沿齿廓工作段全啮合的工作齿数 ，一般可取 ；0.7521vZ 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 ； 所以，代入 得： PvnRbZhdTp20 201.58.6.4MPa 因 满足 pp p，所以符合耐磨性要求 。0.46MPa8 柔轮强度计算： 谐波齿轮工作时，柔轮筒体处于变应力状态，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 分别表示正应力和切应力的应力幅和平均应,ama 力。 （1）正应力的应力幅和平均应力分别为： (2) 035.21mpaDEh （2）由变形和外载荷所引起的切应力分别为： (3) 12215.0hTppy 则，切应力的应力幅和平均应力为： (4) .()amy 以上式中：T柔轮工作转矩（ ） ，由前计算取为：T=2 ；NmN 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 ； 10 变形量（mm） ， ，本设计中为GRd =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 虑加工工艺较高的要求，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) 323220.8610.3556.13()79.9().10()79.65()0.5720.3)4.12()a amy aaamy aMPPMP 30CrMnSiA 的力学性能如下： ，球化处理后硬度为 2426HRC ，10,90basaMP 且，取： 10.45.10495()227b aMP 柔轮正应力安全系数和切应力安全系数分别为： 114953.92.602723.8.81.40aamnk 柔轮的安全系数： (6) 2223593.9.n 此数值大于许用安全系数 1.5，则柔轮强度满足要求。 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。本机械手系统所要求的定位精度较高，而步进电机对系统位 11 置控制比较准确且控制易于实现。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 L 0=6mm 本设计机械手手臂升降速度选定为 S=35m/s 所以丝杆转速 (7) 0w=S/L356 .8r/49.8(rin) 回转转矩： Mc=Mga+Mf (8) 式中：M c 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： ， t wJMga0 (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：w ； (10)/(649.30 298.34min)/(98.34 sradr t手臂升降启动或制动的时间：本设计取为 ；.t 手臂升降时各部件对回转轴线的转动惯量 ，0J )(2kgm 其中： (13)SldJ 式中： 丝杆对其转动轴的转动惯量 ，s )(2 其中： (11)437.810smDL 式中： 丝杆的公称直径由前计算得 0.5()mD 丝杆的长度本设计取为 0.6(m)L 代入得： 4327.805.113()sJkg 升降电机与丝杆间的联轴器的转动惯量lJ 2s J=0.18(kg) 查机械设计手册(软件版)R2.0 得； 12 步进电机转子的转动惯量dJ 20.1764()dJkgm 查机电综合设计指导书表 2-18 得； 代入得：J 0=JS+Jl+Jd 2=.137+0.8.17645()kgm 把以上代入 得： (12)t wJMga03.9.0a .4()N 其中： ； /2mfMGD (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)/2mfMD 0.825/()N 得： M c=Mga+Mf 0.496() 电机与丝杆直接联接所以 i=1； 所以 0.69()ipcMNm 34/lwrads 上式中： 负载峰值转速（rad/s） ，如上计算 ： ；lp 36.49(/)lprads 负载峰值力矩（ ） ，如上计算：lp N0iMNm 电动机的功率计算式： (15) lpmP 13 上式中： 计算系数，其中一般 ，本设计中取： ；5.212 丝杆传动装置的效率，一般取 ，本设计中取： ；9.070.8 代入以上数据得： (16) lpmMP 20.693.4/.858()W 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最大静转矩的要求.N 电机参数表 2 Table2 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 运行频 率 /HZ 转子转动惯 量 10 Kgm52 分配 方 式 质量 /Kg 75BF003 3 3 30 0882（9） 1250 16000 1568 三相 六拍 158 4.2 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所以底座作旋转时将手臂与机身一起旋转 机械手底座转速： 设计选取为 即旋转 1800的时间为 3s；10/minr 回转转矩： (17) cgafM 式中： 机械手整体相对底座回转轴的回转力矩 ；cM f 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 ；ga 其中： ， twJMga0 (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：w 14 ；)/(047.16 2min)/(10sradrw 底座旋转启动或制动的时间：本设计中 ；t (3.t 与 的转化系数： ，本设计中取fMga 95.080.85 手臂、机身、转轴对底座旋转轴线的转动惯量0J )(2kgm 由于本机械手是一个不规则，不均匀的回转体,所以算得在选用电机时 相应把最大静转矩要求提高来选择。 (19)2 22 322107.99.014.054.53mkgrrJ 式中： 手臂无气爪边的质量（kg） ，本机械手为 ；1 kgm15 手臂有气爪边的质量（kg） ，本机械手为 ；2 2 其中： 手臂的质量，手臂两边都看作长杆来计算转动惯量；21m 机身的质量（ kg） ，本机械手为 ； 3mkg03 其中： 的转动惯量看作均匀圆柱体来计算；3 与 相对应的长度（m） 。321,r21, 把以上数据代入得： (20)(827.395.0mN Mgaf (21)(6.fgac 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。 所以： (22)(73.0168.mNiMclp .4./lp rads 15 上式中： 负载峰值转速（rad/s） ，如上计算 ： ；lpw 104.7(/)lprads 负载峰值力矩（ ） ，如上计算：lpM)(mN3iMNm 电动机功率的计算公式式： (23) lpmP0.7314.289.W 式中： 步进电动机的功率（ W） ； mP 负载峰值转速（rad/s） ，由前计算 ： ；lp 104.7(/)lprads 负载峰值力矩（ ） ，由前计算：Mlp=0.737（ ） ；lpM)(mN mN 计算系数，其中一般 ，本设计中取： ；5.212 底座传动装置的效率，估算为 ，本机械手取为： 。 9.070.8 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 ，满足要求。mN 电机参数表 3 Table3 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 运行频 率 /HZ 转子转动惯 量 10 Kgm52 分配 方 式 质量 /Kg 90BF003 3 3 60 196（20） 1500 8000 1764 三相 六拍 42 5 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 气爪夹紧力要求 16 由设计任务书的要求气爪连工件的重量为 5KG，从而确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 夹起工件主要是靠气爪手指与工件的静摩擦力克服工件的重力。 其加紧视图如图 6: 图 6 工件夹紧视图 Fig6 Workpiece clamping view 气爪拿起工件所需的力 123LFKG 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) 21ag 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：123LFKG FL=1.2X1.2X1X19.6 =28.224N 气爪能拿起工件所需的夹紧力： (25)LNF 式中： 钢与钢接触的摩擦系数 =0.2 17 查机械设计手册(软件版)R2.0 得 把以上数据代入 (19)得： 2 LNF (26)8.41.20N 气缸的选定中，首先确定其负载的大小，负载决定了缸径的大小；其次要确定其 行程、安装形式等. 5.1.2 缸径的确定 缸径与所使用的气源的压力有关，同时要确定动作方向是推力还是拉力。 本设计的气爪气缸工作主要以拉力。 本设计满足气缸理论推力、拉力速度为 50-500mm/s 的范围，其力学计算公式为： 拉力 F=0.25(D 2-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(D 2-d2)P 得：26=0.5(.40.1).0681 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)0.856.14s 39N 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： 1583.9250N 6 由计算得 FN1 FN所以初选的缸径 40mm，活塞杆直径 12mm 满足设计要求。 气缸是气爪的的驱动器，气缸与气爪手指的连接结构如下图 7。 18 图 7 气缸与气爪手指的连接结构 Fig7 The connection structure of the cylinder and the gripper fingers 5.1.3 行程的确定 气缸的行程就是活塞移动的距离，对外表现为负载移动的距离，确定此距离时要 充分考虑工况情况，应预留出一点行程，避免活塞杆撞坏。 由气爪的工作要求本气缸的行程为 15mm。 5.1.4 气缸的运动速度 气缸的运动速度主要由所驱动的工作机构的需要来决定。 本气爪要求速度缓慢、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试验，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置气源调节装置：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) 2(3)1gmJRl 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; 19 l工件的长度（m） ，本设计为 l=50mm; 把以上数据带入 得： 2(3)1gJRl2(30.5)1gJ 42670kgm 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 满足要求。 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，在整个摆角范围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收，终端缓 冲由缓冲器实现。转动叶片本身不用于确定终端位置，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围内无极摆角调节下图 9 为其摆角调节结构示图： 20 图 9 摆角调节示图 Fig9 Swing angle adjustment diagram 摆动气缸参数表 4 Table4 Swing cylinder parameter table 结构特点 工作压力 缓冲角 重量 32MM 叶片驱动的摆动缸 15-10bar 09 o-17 o 1.02kg 5.2 手臂伸缩气缸的选择 缸径的确定： 缸径的计算公式 (29) 14/()DFP 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)14/()FP 650.341) =0.02526m 查机械设计手册-气压传动表 22-1-64 气缸内径取标准为 32mm。 行程的确定由设计的工作要求活塞行程取为 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。 21 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 用该气缸的一个安装附件，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 的情况下其最 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。所以导 向单元的实际总负载 Gf=5.02kg=49.196N。Gf55N 满足设计要求，该导向单元可 用。 22 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要求代替人手抓取、搬 运工件或操持工具进行操作的机电一体化自动化装置。 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，当机械手工艺流程改变时，只要对 点的接线稍作修改，或继电器重新分配，程序中作简单修改，补充扩展 即可。机械手的速度、电机运行所需的脉冲数都可以根据给定的要求给予置。用 控制的机械手将更具灵活性、可靠性、降低成本，提高效率，有着很好的经济 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要求 23 工业机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调 起来，组成一个多变量控制系统。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要求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，运动和控制方式主要有两种。 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，因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满 足作业质量要求。而对达到目标点的运动轨迹（包括移动的路径和运动的姿态）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，适用于上下料、 搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位姿的作 业中； 2）连续轨迹控制方式（CP控制） 这种控制方式要求末端执行器严格按规定的 轨迹和速度在一定精度要求内运动，以完成作业要求，这种必须保证机器人各关节连 续、同步地实现相应的运动。这种连续轨迹运动，可看成是若干密集轨迹曲线。若设 定的点足够密，就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动。 本设计机械手用于棒料的点对点搬运，对运动轨迹没太大要求。所以选用点位控 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、连续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 包括单步操作和连续运行两种操作方式。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，机械手完成一步动作后自动停止； 2)连续运行 系统一旦启动，机械手的动作将自动地连续不断地周期性循环。期 间若按停止按钮，要完成一个完整的动作循环才停止。 为方便控制系统适应各具体工作情况作小幅，整个控制系统采用模块化结构，以 方便指令中的IST状态初始化指令来进行设计。总软件系统包括初始化电路、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组成，其中电机部分由PLC直接控制。 24 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行及运行的安全可靠，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，而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。所以应该作平衡验算。 手臂气爪端对丝杆的力矩： (30)()gbgzMLG 式中：M g手臂工件端对丝杆的力矩（ ） ；Nm 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:()gbgzMLG0.412.59.816)20.9Nm 手臂端盖端对丝杆的力矩： (31) d 25 式中：M d手臂端盖端对丝杆的力矩（ ） ；Nm 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:1dMLG 0.346213.087Nm 由此得手臂端盖端与手臂工件端的合力矩为 gdM 代入得: (32).9.gd 手臂对丝杆的力矩总终由底座来平衡.底座通过螺栓安装.考虑最大负载情况，由单个 螺栓承受此力矩时其受的拉力为 Fl=M/L2 式中：L 2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=7.83NmN 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 1/FA 式中：A螺栓的截面面积， 2252/40.47.80Adm (33) 代入 得：1/FA 547./810.64aMP 普通的螺栓的抗拉强度都大于 450 ，可见螺栓能满足要求。aMP 机械手工作能达到平衡。 7.2 机械手参数 气爪夹力为 256.03N 表 5 机械手的最终运动设计参数： Table 5 Final motion of the manipulator design parameters : 机械手机构 工作范围 工作速度 底座 转动角度 2400 转动速度 10/minr 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 26 气爪摆动 摆动角度 1800 转动速度 30/minr 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， 同时也真正初步了解一个机械设计的设计过程。也使我学会怎样更好的利用图书馆， 网络查找资料和运用资料，还使我学会如何与同学共同讨论问题。这对我以后的工作 有很大的帮助。 在设计过程中，我经常遇到各种各样的问题。从中使我认识到自己在很多地方的 不足。有很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准确的地 方，恳请各位老师批评指正。 参考文献 1 成大先.机械设计手册M.第 3 卷.北京：化学工业出版社.2001:58 2 张铁,谢存禧.机器人学M.广州:华南理工大学出版社.2004:1524 3 陈统坚.机械工程英语M.北京:机械工业出版社.1996:7898 4 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.2004:1141 5 冯辛安.机械制造装配设计M.北京: 机械工业出版社.2004:89123 6 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.2004:156177 7 吴克坚,于晓红,钱瑞明.机械设计M.北京:高等教育出版社.2002:1153 8 郑堤,唐可红.机电一体化设计基础M.北京:机械工业出版社.2001:2265 9 陆一心,气压与气动技术M. 北京：化学工业出版社.2004:2944 10 秦曾煌.电工学电子技术(第五版) M. 北京：高等教育出版社.1999:3269 11 吴宗泽.机械设计实用手册M.北京：化学工业出版社.2000:234278 27 12 吴振彪.机电综合设计指导M.广东海洋大学.2002:2156 13 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.2004:3498 14 Robert J. Schilling.Fundamentals of Robotics-Analysis and Control.New Jersey:Prentice Hall,1990:123 154 15纪名刚，陈国定. 机械设计M.北京：高等教育出版社 .2011:2655 致 谢 在此衷心感谢学校、学院各位老师4年来给我的教育和培养，特别要感谢向阳老 师，熊瑛老师在我的毕业设计期间给予的诸多指导。 设计过程中，遇到了很多问题，有软件的也有硬件的，有属于粗心大意造成的， 也有的是因为知识水平所限。在老师的指导下，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老师!