基于plc控制的轻型平动搬运机械手设计.doc

重庆科技学院毕业设计（论文） 题 目 基于PLC控制的轻型 平动搬运机械手设计 学 院 机械与动力工程学院 专业班级 机电普2008-03 学生姓名 梅武斌 学号 2008440848 指导教师 王晓梅 职称 讲 师 评阅教师 黎泽伦 职称 副教授 2012 年 6 月 1日学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日重庆科技学院本科生毕业论文 摘要摘 要本课题研究的轻型平动搬运机械手具有结构简单，工作稳定性高，精度准确，研究成本低，使用寿命长等特点。可以应用在不同的场合，大大的改善了工人的劳动条件，显著提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本文第一章节简述了机械手的发展及研究意义；第二章节至第六章节对机械手的结构部分设计；最后两章节对机械手的电气控制、PLC编程及程序调试进行简述。通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计并绘制装配图及PLC控制系统设计和程序调试。关键词：机械手 气压传动 PLC控制 程序调试重庆科技学院本科生毕业论文 ABSTRACT ABSTRACTThe research of light parallel manipulator has the advantages of simple structure, high working stability, accuracy, of low cost, long life and other characteristics. Can be used in different occasions, greatly improved the conditions of labour, improve labor productivity, accelerate the realization of industrial production mechanization and automation of the pace.The first chapter introduces the development and significance of research of manipulator; chapter second to sixth chapters on the structure of the manipulator design; the last two chapters on the manipulator control, PLC programming and debugging were reviewed in this paper.Through the study of the manipulators principle of work, familiar with the manipulator motion mechanism. On this basis, determine the carrying manipulator for the basic system structure, the manipulator motion for a simple mechanics model analysis, completed the mechanical mechanical aspects of mobile phone design work ( including transmission part, operative, driving part ) the design and PLC control system design and debugging.Keywords：Manipulator；Pneumatic transmission；PLC control；Program debugging重庆科技学院本科生毕业论文 目录 目 录摘 要ABSTRACT1 绪 论11.1前言11.2工业机械手简史11.3研究工业机械手的目的和意义31.4国内外研究现状及展望41.5本课题研究内容51.5.1机械手实现的运动参数52机械手总体设计62.1总体构想62.2驱动方式的选择和计算62.3整体机构的确定72.3.1执行机构72.3.2驱动系统82.3.3控制系统83 机械手手部的设计计算93.1手部设计基本要求93.2选择手爪的类型及夹紧装置93.3机械手手爪的力学分析93.3.1手爪的力学分析93.3.2夹紧力及驱动力的计算113.3.3手爪夹持范围计算113.4 机械手手爪夹持精度的分析计算124 手腕结构设计134.1手腕的自由度134.2 手腕的驱动力矩的计算134.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩134.2.2 回转气缸的驱动力矩计算154.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核155 手臂设计及计算185.1手臂的设计要求185.2手臂的结构设计185.3 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核195.3.1手臂伸缩气缸的尺寸设计195.3.2尺寸校核195.4手臂升降气缸的尺寸设计与校核205.4.1尺寸设计205.4.2尺寸校核206 机座设计计算216.1机座结构设计216.2手臂双气缸齿轮齿条机构的尺寸设计与校核216.2.1尺寸设计216.2.2尺寸校核217 控制回路设计237.1气压传动系统工作原理图237.2绘制动作顺序表248 机械手的PLC控制设计268.1PLC选型268.1.1输入输出分配表268.1.2选择PLC型号268.1.3使用的环境条件268.1.4 绘制原理接线图278.2操作系统设计和控制面板设计288.3 程序的总体结构288.3.1 程序梯形图设计288.3.2 编写程序指令表298.3.3 程序调试和系统调试319 结 论33参考文献34致 谢35IV重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论1 绪 论1.1前言用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2工业机械手简史现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。37重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展越来越多。1.3研究工业机械手的目的和意义在现代工业中，随着社会经济的快速发展，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现在大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，本设计的目的就是设计一个气动搬运机械手，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。我国机械手发展起步比较晚，但发展速度快，并且机械手技术和产业化在中国具有一定的现实基础和广阔的市场前景。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本课题以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上建有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。本课题研究的轻型平动搬运机械手是工业机械手中的一种，它具有工业机械手的特点并且有着独特的应用场合和广大的经济市场。该机械手主要的工作是搬运，它能部分替代人工操作，按照生产工艺的要求，遵循给定的程序来完成所需物体的传送，并且可以不断重复的运动。该机械手还具有结构简单，工作稳定性高，精度准确，研究成本低，使用寿命长等特点。可以应用在不同的场合，尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合应用的更为广泛，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。近年来，该类机械手在我国发展速度快，受到了各企业单位的高度重视，投入大量的人力物力来研究和应用，并取得了一定的效果。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.4国内外研究现状及展望机器人技术的发展，应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。机器人的发展也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。目前机器人已经从制造业逐渐转向了非制造业和服务行业，例如：如图1.1所示，在美国，他们研制的像大型客机这种清洗工作，如果人来做的话十分繁重，那么大一个机体来清洗的话，工作量是很大，而且也很不方便，那么他们采用这种机器人来实现像飞机的这些清洗的工作，包括一些国家开发像高层建筑的清洗机器人，这也都是服务行业的机器人，还包括像家庭使用的，还有一些宾馆和一些公共场合使用的这种清洁机器人，对地面来进行清扫，还包括网球场上能够自动地把撒下的球，集中收集起来，这种机器人也都是存在的。图1.1 飞机清洗机器人图1.2 水下机器人我国目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人（如图1.2），空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。目前国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。1.5本课题研究内容本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计及PLC控制系统设计和调试。根据机械结构的设计计算结果，绘制机械手的整体装配图。1.5.1机械手实现的运动参数1）机械手爪重5kg；2）自由度4（即左移/右移、上升/下降、夹紧/放松、左旋/右旋）；3）手腕运动参数： 回转范围0180，最大速度 45/s；4）手臂运动参数：伸缩范围500mm，最大速度200mm/s，升降行程40mm；5）机座运动参数：旋转范围0180。重庆科技学院本科生毕业论文 2 机械手总体设计2机械手总体设计2.1总体构想工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序，轨迹和要求代替人手搬运或操作工具或进行操作自动化装置。机械手的总体设计要进行综合考虑，尽可能使之做到结构简单，紧凑，容易操作安全可靠，安装维护方便，经济性好。为了提高机械手的运动速度和控制精度，在保证机械手有足够强度与刚度的条件下，尽可能从结构域材料上设法减轻机械手的重量，力求选高强度，轻质材料，通常用高强度的铝合金制造。据设计题目给定的坐标形式和基本参数确定该设计和各项结构，其中已确定的各项有：1）本工业机械手是通用机械手，是一种具有独立控制系统的，程序可变，动作灵活多样的机械手。通用机械手工作的范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。本工业机械手的控制定位方式是简易型的定位控制，因此，其控制系统不是很复杂。图2.1 机械手手臂的坐标形式2）如图2.1所示，工业机械手手臂的坐标形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式及关节式。本工业机械手是圆柱坐标的坐标形式，其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转运动所组成，即沿X轴的伸缩，沿Z轴的升降和Z轴的回转。特点：占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到较高的定位精度，应用广泛，但因机械手结构关系，沿Z轴方向移动的最低位置的限制，故不能抓取地面上的物体。3）本工业机械手是四自由度机械手。所谓工业机械手的自由度就是整机手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动。2.2驱动方式的选择和计算根据有关资料显示，现在机械手驱动方式的成熟控制方式有多种，主要以下几种方式，分析并进行比较选择：图2.2机械传动机械手（1）机械传动机械手，它是由机械传动机构（凸轮、连杆、齿轮、齿条、间歇机构等）驱动执行机构运动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高、但结构尺寸较大，动作程序不可变。一般用作自动机的上料或卸料装置。图2.3液压传动机械手（2）液压传动机械手，它是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。抓重能力大，结构小巧轻便，传动平稳，动作灵便，可无级调速，进行连续轨迹控制。但因油的泄露对工件性能影响较大，故它对密封装置要求严格，且不宜在高温或低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统 ，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。（3）气动传动机械手，它是利用压缩空气的压力，来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是介质来源方便，气动动作迅速，结构简单，成本低。能在高温、高速和粉尘大的环境中工作、但由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，且因气源压力低，只宜轻载下工作。图2.4气动搬运机械手图2.5 电动缸机械手（4）电力传动机械手，它是由特殊设计的电动机、直线电动机或步进电动机直接驱动执行机构运动的机械手。因不需中间转换机构，结构简单，其中直线电机机械手的运动速度快，行程长，使用和维护方便。目前机械手设计正朝“机电一体化”方向发展，采用电力直接驱动机械手将日益增多。综合上述四种驱动方式的优缺点结合本设计之工业机械手的各项规格要求，应选用气压传动来实现，则其抓重和定位都可达到，且结构简单，其传动平稳和动作灵敏性可达到设计要求。因此，本设计选用气压传动机械手作为驱动方式。2.3整体机构的确定2.3.1执行机构（1）手部：即与物体直接接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的：手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。本课题采用V形面双指式手指和滑槽杠杆式传力机构。（2）手臂：是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。本课题设计在手臂上加有定位挡块和缓冲挡块，且定位挡块和缓冲挡块位置连续可调，这样既保证了位置精度，又可满足不同规格工作的需要。（3）机座：机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。在基座上安装齿轮齿条旋转机构，使手臂达到 0180的旋转。2.3.2驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。本课题采用气压传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。2.3.3控制系统控制系统是支配工业机械手按规定的要求运动的系统。系统由可编程序控制器系统和行程开关电气定位以及相关继电器组成的控制系统。整个机构如图2.6所示：1爪部 2腕部 3臂部A 手指开合气缸 B回转气缸 C伸缩气缸 D升降气缸 E旋转机构图2.6机械手整体机构简图重庆科技学院本科生毕业论文 3 机械手手部的设计计算3 机械手手爪的设计计算3.1手爪设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（3）要求结构紧凑、重量轻、手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4）应保证手爪的夹持精度。3.2选择手爪的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手爪张合角=60，夹取重量为5Kg。常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单，适于夹持平板方料，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指， 驱动力需加在手指移动方向上，这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手爪，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手爪闭和，在驱动力作用下，弹簧被压缩，从而机械手手爪张开。3.3机械手手爪的力学分析3.3.1手爪的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构，图（b）为受力分析。杠杆形手指1的一端装有V形指，另一端开有长滑槽。驱动杆上的圆柱销套在滑槽内，当驱动连杆同圆柱销一起做往复运动时，即可拨动两个手指各绕其支点做相对回转运动，从而实现手指的夹紧与松开动作。滑槽式杠杆式传动机构的定心精度与滑槽的制造精度有密切关系。此机构依靠驱动力紧锁，机构本身无自锁性能。(a) (b)1手指 2销轴 3杠杆图3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2并指向O点,交F1和F2的延长线于A及B。由=0 得 F1=F2 =0 得 由(F)=0 得h F= （3.1）式中 a手指的回转支点到对称中心的距离（mm）。 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力F一定时，角增大，则握力FN也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好。3.3.2夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算：FNK1K2K3G （3.2）式中 K1安全系数，通常1.22.0； K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估K2=1+， K3 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择； G 被抓取工件所受重力（N）。计算：设a=25mm，b=50mm，求夹紧力FN和驱动力F和驱动气压缸的尺寸。（1）设K1=1.5 K2=1+=1+=1.02 K3=0.5 根据公式，将已知条件带入： FN=1.51.020.550=38.25N（2）根据驱动力公式得： Fm=28.7N（3）取=0.85 F=33.8N（4）选取气压缸初选气压缸型号为QGX，其内径D=12mm，工作压力0.150.8MPa，介质温度-560，当压力为0.4 MPa时，理论输出力为50N，行程范围660mm，满足设计要求。则活塞杆内径为：d=120.5=6mm，选取d=6mm3.3.3手爪夹持范围计算为了保证手爪张开角为60，活塞杆运动长度为17mm。手指长50mm，当手爪没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径R1=25mm，当张开60时，如图3.2（b）所示，最大夹持半径R2计算如下：R2=50+25cos3050mm机械手的夹持半径从2550mm。（a） (b)图3.2手爪张开示意图3.4 机械手手爪夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。图3.3 手爪夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为40mm90mm。一般夹持误差不超过1mm，分析如下：工件的平均半径：Rcp=65mm，手指长l=50mm，取V型夹角2=120偏转角按最佳偏转角确定：计算 R0=lsincos=100sin60cos46=60.15mm当RMAXR0RMIN时带入有：夹持误差满足设计要求。重庆科技学院本科生毕业论文 4 手腕结构设计4 手腕结构设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。 4.1手腕的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕X轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360，并且要求严格的密封。 4.2 手腕的驱动力矩的计算 4.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩。图4.1所示为手腕受力的示意图。1工件 2爪部 3手腕图4.1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算： M驱= M +M偏+M惯+M封 式中： M驱驱动手腕转动的驱动力矩(Ncm)； M惯惯性力矩(Ncm)；M偏参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(Ncm)；M封 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(Ncm)；下面以图4.1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算：（1）手腕加速运动时所产生的惯性力矩M惯若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为t， 则：M惯 = (J+J1）/t式中：J参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量；J1工件对手腕转动轴线的转动惯量；手腕转动时的角速度(弧度/s)；t起动过程所需的时间(s)；若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为：J1=式中：Jc工件对过重心轴线的转动惯量；G1工件的重量(N)； 工件的重心到