紙箱碼垛機(jī)器人用氣動夾具設(shè)計(jì)
目錄
摘要 1
Abstract 1
第一章 緒論 3
1.1機(jī)械手簡史 3
1.2機(jī)械手分類 5
1.3 機(jī)械手的組成 8
1.4 應(yīng)用機(jī)械手的意義 10
第二章 紙箱碼垛機(jī)器人用氣動夾具總體方案設(shè)計(jì) 12
2.1機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度 12
2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案確定 13
2.3、機(jī)械手的主要參數(shù)的確定 14
2.4、機(jī)械手氣路回路的設(shè)計(jì) 15
第三章 紙箱碼垛機(jī)器人用氣動夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
3.1末端執(zhí)行器（手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)） 16
3.1.2資料收集 17
3.2機(jī)械手手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
3.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時(shí)所需的驅(qū)動力矩 23
3.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計(jì)算 24
3.2.3手腕回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 25
3.3手臂伸縮、升降、旋轉(zhuǎn)氣缸的校核計(jì)算 26
第四章 自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………………29
4.1氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求……………………………………………………29
4.2驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案……………………………………………………29
第五章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………… …30
5.1PLC控制的優(yōu)點(diǎn)………………………………………………………………31
5.2PLC的工作原理……………………………………………………………..32
5.3程序梯形圖………………………………………………………………….33
5.4控制程序調(diào)試…………………………………………………………………34
結(jié)論 32
致謝 33
參考文獻(xiàn)： 34
摘 要
氣動機(jī)械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序吸取的、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
本文主要進(jìn)行了紙箱碼垛機(jī)器人用氣動夾具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣動設(shè)計(jì)。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預(yù)定軌跡運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對工件的吸取的、搬運(yùn)和卸載。氣動部分的設(shè)計(jì)主要是選擇合適的控制閥，設(shè)計(jì)合理的氣動控制回路，通過控制和調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作。
關(guān)鍵詞：氣動機(jī)械手；氣缸；氣動回路；四自由度。
Abstract
Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.
This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.
Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom
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第一章 緒論
機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。
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)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機(jī)械手是在機(jī)械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。
機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣氣技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機(jī)器，它有多自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。
1.1機(jī)械手簡史
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。
機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運(yùn)動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用氣驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962年，美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用氣驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年，美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到±0.1毫米。
德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。
瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。
日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1976年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1979年120多個(gè)大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。
第三代機(jī)械手（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)器人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。
1.2機(jī)械手的分類
目前對機(jī)械手還沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。按照不同的分類方式可以把機(jī)械手分成多種類型。
1.按驅(qū)動方式分類
按驅(qū)動裝置的動力源，機(jī)械手可分為以下的幾種。
（1）氣式機(jī)械手。這種機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)通常由液動機(jī)（各種油缸、油馬達(dá)）、伺服閥、油泵、油箱等組成，這種機(jī)器人通常具有很大的抓舉能力并且結(jié)構(gòu)緊湊，動作平穩(wěn)，耐沖擊、耐振動，防爆性好，但對制造精度和密封性能要求很高，否則易發(fā)生漏油而污染環(huán)境。
（2）氣壓式機(jī)械手。其驅(qū)動系統(tǒng)通常采用通常汽缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成。特點(diǎn)是氣源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、維修方便，但難于進(jìn)行速度控制，并因氣壓不能太高，固抓舉能力較小。
（3）電動式機(jī)械手。電力驅(qū)動是目前機(jī)械手使用的最多的一種驅(qū)動方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機(jī)一般采用交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。由于電機(jī)速度高，通常還須采用減速機(jī)構(gòu)（如諧波減速機(jī)構(gòu)、論析減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠和多桿機(jī)構(gòu)）。目前也有一些特制電機(jī)直接進(jìn)行驅(qū)動，以簡化機(jī)構(gòu)，提高控制精度。
其他還有采用混合驅(qū)動的機(jī)械手，如液-氣混合驅(qū)動機(jī)械手或電-氣混合驅(qū)動機(jī)械手。
2.按用途分類
機(jī)械手按用途可分為下列幾種。
（1） 搬運(yùn)機(jī)械手;
（2） 噴涂機(jī)械手;
（3） 焊接機(jī)械手;
（4） 裝配機(jī)械手;
（5） 其他用途的機(jī)械手。如航天用機(jī)械手，探海用機(jī)械手，以及排險(xiǎn)作業(yè)機(jī)械手等。
3.按操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)類型和自由度數(shù)量分類
操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的重要外形特征，固常用作分類的依據(jù)。按這一分類要求，機(jī)械手可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型機(jī)械手。
a） 直角坐標(biāo)型? b）圓柱坐標(biāo)型? c）球坐標(biāo)型? d）多關(guān)節(jié)型? e）平面關(guān)節(jié)型
圖1-1工業(yè)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)形式
操作機(jī)本身的自由度最能反應(yīng)機(jī)器人的作業(yè)能力，也是分類的重要依據(jù)。按這一分類要求，機(jī)械手可分為4自由度、5自由度、6自由度和7自由度機(jī)械手。
4.按其他方法還可以分為
（1）家務(wù)型機(jī)械手：能幫助人們打理生活，做簡單的家務(wù)活。
（2）操作型機(jī)械手：能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。
（3）程控型機(jī)械手：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)械手的機(jī)械動作。
（4）示教再現(xiàn)型機(jī)械手：通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機(jī)械手動作，輸入工作程序，機(jī)械手則自動重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。
（5）數(shù)控型機(jī)械手：不必使機(jī)械手動作，通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)械手根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。
（6）感覺控制型機(jī)械手：利用傳感器獲取的信息控制機(jī)械手的動作。
（7）適應(yīng)控制型機(jī)械手：能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。
（8）學(xué)習(xí)控制型機(jī)械手：能“體會”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。
（9）智能機(jī)械手：以人工智能決定其行動的機(jī)械手。
1.3機(jī)械手的組成
工業(yè)機(jī)械手通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動傳動裝置、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)四部分組成。圖1-2為工業(yè)機(jī)械手的典型結(jié)構(gòu)，圖1-3為工業(yè)機(jī)械手的組成方框圖。
圖1-2工業(yè)機(jī)械手的典型結(jié)構(gòu)
手部
腕部
臂部
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
腰部
基座部（固定或移動）
工業(yè)機(jī)械手
電、液或氣驅(qū)動裝置
驅(qū)動裝置
單關(guān)節(jié)伺服控制器
控制系統(tǒng)
關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換計(jì)算機(jī)
感覺裝置子
視覺裝置子
智能系統(tǒng)
語言識別裝置
圖1-3工業(yè)機(jī)械手的組成方框圖
執(zhí)行機(jī)構(gòu)（也稱操作機(jī)）是機(jī)械手賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由桿件和關(guān)節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。
手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機(jī)械手直接進(jìn)行工作的部分，可以是各種夾持器。有時(shí)人們也把諸如電焊槍、油漆噴頭等劃作機(jī)器手的手部；腕部與手部相連，主要功能是帶動手部完成預(yù)定姿態(tài)，是操作機(jī)的中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分；臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個(gè)臂桿（小臂和大臂）組成，用于帶動腕部做平面運(yùn)動；腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動加上臂部的平面運(yùn)動，就能使腕部做空間運(yùn)動。腰部是執(zhí)行結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差、運(yùn)動精度和平穩(wěn)性，對機(jī)械手的定位精度有決定性的影響；基座是整個(gè)機(jī)械手的支撐部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須有足夠的剛度和穩(wěn)定性。
工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動-傳動裝置包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。傳動裝置常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪系。驅(qū)動器通常有電機(jī)（直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)）、氣或氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機(jī)。
控制系統(tǒng)一般有控制計(jì)算機(jī)和伺服控制器組成?？刂葡到y(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)械手的全部控制由一臺微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí)，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計(jì)算，并向下級微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個(gè)CPU，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動，并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)械手的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。
智能系統(tǒng)是目前機(jī)械手系統(tǒng)中一個(gè)不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)。它可分為兩個(gè)部分：感知系統(tǒng)和分析-決策智能系統(tǒng)。前者主要靠硬件（各種傳感器）實(shí)現(xiàn);后者主要靠軟件（如專家系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)。
1.4應(yīng)用機(jī)械手的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。
在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：
一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度
應(yīng)用機(jī)械手有利于實(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，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
二、以改善勞動條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。
在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。
綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。
第二章 紙箱碼垛機(jī)器人用氣動夾具設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)
本課題是一個(gè)用于紙箱碼垛機(jī)器人用氣動夾具的設(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。因此，在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。
2.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度
按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。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，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動的自由度。
2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案確定
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;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。
考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被吸取的工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求。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)動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
按照吸取的工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動由氣缸來實(shí)現(xiàn)。
由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動方式。
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。
2.3 機(jī)械手的主要參數(shù)確定
機(jī)械手的最大吸取載荷是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮吸取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)吸取的工件質(zhì)量為5公斤。
基本參數(shù)運(yùn)動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。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。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計(jì)為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)械手動作時(shí)有啟動、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。除了運(yùn)動速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。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操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為。
設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如下：
1、載重：5Kg (夾持式手部)
2、自由度數(shù)：4個(gè)自由度
3、坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)
4、最大工作半徑：1400mm
5、機(jī)身最大中心高：1250mm
6、主要運(yùn)動參數(shù)：
手臂伸縮行程：1200mm 手臂伸縮速度：200mm/s
機(jī)身升降行程：120mm 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：90°/s
2.4 機(jī)械手氣路回路設(shè)計(jì)
機(jī)械手氣動回路的設(shè)計(jì)主要是選用合適的控制閥，通過控制和調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作，設(shè)計(jì)的氣動回路圖如圖2-2所示。
圖2-2 機(jī)械手氣動回路圖
本設(shè)計(jì)的氣動機(jī)械手完成各個(gè)運(yùn)動的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個(gè)狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個(gè)氣缸的運(yùn)動方向，氣缸的進(jìn)出口回路各設(shè)置一個(gè)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。設(shè)計(jì)中采用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的預(yù)定動作，既可以簡化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動生產(chǎn)率。
第三章 紙箱碼垛機(jī)器人用氣動夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)（手部結(jié)構(gòu)）
末端執(zhí)行器是裝在機(jī)械手臂的末端處，用于機(jī)械手完成作業(yè)任務(wù)而專門設(shè)計(jì)的裝置。末端執(zhí)行器種類繁多，與機(jī)械手的用途密切相關(guān)，根據(jù)其用途，末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測量用等種類。
搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來吸取的或吸附被搬運(yùn)的物體。
加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。
測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測量及檢驗(yàn)作業(yè)。
在設(shè)計(jì)機(jī)械手末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問題；
1.機(jī)械手末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)械手新的應(yīng)用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)械手末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.機(jī)械手末端執(zhí)行器的重量、被吸取的物體的重量及操作力和機(jī)械手容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)械手末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。
3.機(jī)械手末端執(zhí)行器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，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實(shí)用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強(qiáng)的機(jī)械手末端執(zhí)行器。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)械手末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因?yàn)檫@種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。
4.通用性和萬能性是兩個(gè)概念，萬能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。
5.機(jī)械手末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。用計(jì)算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是氣式和氣壓式（在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。
末端執(zhí)行器即機(jī)械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。
機(jī)械手夾持器（手爪）的驅(qū)動方式主要有三種
1.氣動驅(qū)動方式 這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動速度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的吸取的運(yùn)動具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是吸取的動作十分需要的。
2.電動驅(qū)動方式 電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。電動驅(qū)動方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。
3.氣驅(qū)動方式 氣驅(qū)動系統(tǒng)傳動剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。
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)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;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)，就成為移動型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動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。
3.1.1夾持式手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素
(一)具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
(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。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
(三)保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被吸取的工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
(四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
(五)考慮被吸取的對象的要求
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。
圖 3-1 手部結(jié)構(gòu)圖
由于其工件重量G=5公斤，
V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為
(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:
(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式:
所以
(3)實(shí)際驅(qū)動力:
1、因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被吸取的工件的最大加速度取時(shí)，則:
所以
所以夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。
2、氣缸的直徑
本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為:
式中: - 活塞桿上的推力，N
- 彈簧反作用力，N
- 氣缸工作時(shí)的總阻力，N
- 氣缸工作壓力，Pa
彈簧反作用按下式計(jì)算:
Gf =
式中:- 彈簧剛度，N/m
- 彈簧預(yù)壓縮量，m
- 活塞行程，m
- 彈簧鋼絲直徑，m
- 彈簧平均直徑，.
- 彈簧有效圈數(shù).
- 彈簧材料剪切模量，一般取
在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
所以:
查有關(guān)手冊圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式
有:
其中，[]，
則:
滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。
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。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:
式中:6- 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa
材料為:ZL3,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
3.2 機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。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)。由于本機(jī)械手吸取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴(yán)格的密封。
3.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時(shí)所需的驅(qū)動力矩
手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖3-1所示為手腕受力的示意圖。
圖3-1 手腕回轉(zhuǎn)
3.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計(jì)算
在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖3-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動力矩M的關(guān)系為:
, 或
圖3-2 回轉(zhuǎn)氣缸簡圖
式中：M：回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩（N.cm）
P：回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力（N.cm）
R：缸體內(nèi)壁半徑（cm）
r：輸出軸半徑（cm）
b：動片寬度（cm）
上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的p應(yīng)代以工作壓力p1與背壓p2之差。
3.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
1.尺寸設(shè)計(jì)
氣缸長度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間=0.1s, 壓強(qiáng),
則力矩
2.尺寸校核
1．測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
（）
工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量
。
假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距
，其轉(zhuǎn)動慣量為:
3、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心
與轉(zhuǎn)動軸線重合，，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線,則
+
4、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于滾動軸承，對于滑動軸承=0.1， ，為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì),,
5．回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計(jì)為的3倍，
3
設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。
3.3 手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)氣缸的校核計(jì)算
3.3.1手臂伸縮氣缸計(jì)算
手臂伸縮氣缸采用亞德客的氣缸，具體缸徑選擇63的缸徑。
1、在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng),
則驅(qū)動力：
（1） 測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力
（2）考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),
總受力
所以標(biāo)準(zhǔn)氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動力要求要求。
氣壓驅(qū)動的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，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)，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和吸取的物體重量等因素來確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。
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。
在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)吸取的物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。
3.3.2手臂升降氣缸計(jì)算
1、尺寸設(shè)計(jì)
氣缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為=118mm,氣缸內(nèi)徑為=110mm,半徑R=55mm,氣缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間=0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動力
2、尺寸校核
（1）測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力
（2）設(shè)計(jì)加速度，則慣性力
（3）考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)，
總受力
所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。
3.3.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸計(jì)算
1、 尺寸設(shè)計(jì)
氣缸長度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間0.5s,壓強(qiáng),
則力矩：
2、 尺寸校核
1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
（）
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù),
總驅(qū)動力矩
設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。
第四章 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
本次設(shè)計(jì)的紙箱碼垛機(jī)器人用氣動夾具設(shè)計(jì)靠氣壓驅(qū)動機(jī)械手。因此，相應(yīng)地有手臂升降、手臂伸縮機(jī)構(gòu)均用氣缸驅(qū)動與控制。
設(shè)計(jì)要求
（1）滿足機(jī)械手動作順序要求。動作順序的各個(gè)動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應(yīng)的電磁鐵，按程序依次步進(jìn)動作而實(shí)現(xiàn)。
（2）機(jī)械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)。
（3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足伸縮臂動作邏輯要求，氣缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運(yùn)動時(shí)間要求
4.2驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
采用螺桿壓縮機(jī)供氣，動作順序：從原位開始——升降臂下降——夾持器夾緊——升降臂上升——底座快進(jìn)回轉(zhuǎn)——底座慢進(jìn)——手腕回轉(zhuǎn)——伸縮臂伸出——夾持器松開——伸縮臂縮回；待加工完畢后，伸縮臂伸出——夾持器夾緊——伸縮臂縮回——底座快退(回轉(zhuǎn))——底座慢退——手腕回轉(zhuǎn)——升降臂下降——夾持器松開——升降臂上升到原位停止，準(zhǔn)備下次循環(huán)。
上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應(yīng)的電磁鐵（電磁換向閥），按程序依次步進(jìn)動作而實(shí)現(xiàn)。
（1）各氣缸的換向回路
為便于機(jī)械手的自動控制，采用可編程控制器進(jìn)行控制，前分析可得系統(tǒng)的壓力和流量都不高，選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化成都和經(jīng)濟(jì)效益。氣動搬運(yùn)機(jī)械手，手臂伸縮，手腕回轉(zhuǎn)，夾持動作采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時(shí)為了保證多缸運(yùn)動的系統(tǒng)互不干擾，實(shí)現(xiàn)同步或非同步運(yùn)動，換向閥采用中位“O”型換向閥。
（2）調(diào)速方案
整個(gè)氣系統(tǒng)只用單泵工作，各氣缸所需的流量相差較大，各氣缸都用氣泵的全流量是無法滿足設(shè)計(jì)要求的。盡管有的氣缸是單一速度工作，但也需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，用以保證氣缸的平穩(wěn)運(yùn)行。各缸可選擇進(jìn)路或回路節(jié)流調(diào)速，選用節(jié)流閥調(diào)速。
單泵供氣系統(tǒng)以所有氣缸中需流量最大的來選擇泵的流量。系統(tǒng)較為簡單，所需元件較少，經(jīng)濟(jì)性好，考慮到系統(tǒng)功率較小，其溢流損失也較小。
（3）緩沖回路
伸縮臂處設(shè)置緩沖回路，使用單向節(jié)流閥
（4）系統(tǒng)安全可靠性
夾緊缸在夾緊工件時(shí)，為防止失電等意外情況，設(shè)置鎖緊保壓回路。
手臂升降缸在系統(tǒng)失壓的情況下會自由下落或超速下行，所以在回路中設(shè)置平衡回路。
第五章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1PLC控制的優(yōu)點(diǎn)
(1)在采用PLC控制，主要是用軟件實(shí)現(xiàn)對其運(yùn)行的自動控制，可靠性大大提高。
(2)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，外部線路簡化。
(3)PLC可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，方便地增加或改變控制功能。
(4)PLC可進(jìn)行故障自動檢測與報(bào)警顯示，提高運(yùn)行安全性，并便于檢修。
(5)用于群控調(diào)配和管理，并提高病床呼叫運(yùn)行效率。
(6)更改控制方案時(shí)不需改動硬件接線。
5.2 PLC的工作原理
PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
5.3程序梯形圖
5.4控制程序的調(diào)試
STEP 7-Micro/WIN V3.1(西門子S7-200編程軟件)編寫的梯形圖程序，并注意選擇對應(yīng)的PLC型號（CPU226）。編譯無錯(cuò)誤后使用引出命令將梯形圖程序存成后綴為.awl格式的可執(zhí)行程序文件并保存在你設(shè)定的文件夾中（如bchjxt.awl）。打開西門子S7-200仿真程序漢化版，輸入密碼，設(shè)定PLC的CPU型號為CPU226，打開“程序”使用“裝載程序”命令將bchjxt.awl程序文件載入仿真程序軟件中，點(diǎn)擊命令“切換到運(yùn)行狀態(tài)”，打開“查看“使用”內(nèi)存監(jiān)視“命令輸入你所要觀察的輸入輸出的位。通過對仿真程序中指示燈的運(yùn)行狀態(tài)的觀察來檢驗(yàn)程序是否準(zhǔn)確，并對錯(cuò)誤部分進(jìn)行修改，完成程序。在程序運(yùn)行過程中可以配合秒表，手表等器材大概的估計(jì)時(shí)間的準(zhǔn)確性，并實(shí)時(shí)的對錯(cuò)誤的程序段進(jìn)行標(biāo)記，以方便后面的修正工作。最好有兩個(gè)人分工協(xié)作對程序校驗(yàn)，以免一個(gè)人分心做不同的事而造成不必要的錯(cuò)誤
結(jié) 論
本文所設(shè)計(jì)的紙箱碼垛機(jī)器人用氣動夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較簡單，功能比較簡單，設(shè)計(jì)比較合理，能夠滿足部分不同形狀的工件的轉(zhuǎn)移、夾取、安裝等功能，方便快捷。其設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：
（1）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(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作。
（2）末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)
末端執(zhí)行器采用平行開閉型氣爪，結(jié)構(gòu)簡單，直接采用成品材料。針對實(shí)際的要求，可以換用其他各種末端執(zhí)行器，對不同種類的工件實(shí)現(xiàn)夾取、轉(zhuǎn)移、安裝。
（3）機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)
將旋轉(zhuǎn)氣缸安裝在底板上，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，使機(jī)械手向左或向右擺動。機(jī)械手末端執(zhí)行器的水平伸縮運(yùn)動和豎直升降運(yùn)動各由一個(gè)氣缸控制，即以最簡單的形式，在兩個(gè)位置（完全伸出和回縮位置）之間進(jìn)行切換。
由于個(gè)人知識及能力水平有限，論文中難免會有一些紕漏或錯(cuò)誤之處，懇請各位老師批評指正，不勝感謝！
致 謝
在論文完成之際，我首先向我的導(dǎo)師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導(dǎo)師在學(xué)業(yè)上嚴(yán)格要求，精心指導(dǎo)，在生活上給了我無微不至的關(guān)懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學(xué)業(yè)階段的學(xué)業(yè)的同時(shí)，也學(xué)到了很多做人的道理，明確了人生目標(biāo)。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識，實(shí)事求是的作風(fēng)，平易近人、寬以待人和豁達(dá)的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發(fā)，必將終生受益。
經(jīng)過近半年努力的設(shè)計(jì)與計(jì)算，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因?yàn)樗俏矣眯?、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來對所學(xué)知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。
四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。
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