搬运机械手设计说明书机械制造工业自动化_机械制造-工业自动化.pdf

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1、 机械及装备工程学院 课程设计说明书（2016/2017 学年第 1 学期）课程名称：机械设计课程设计 题 目：搬运机械手设计 专业班级：机械设计制造及其自动化 学生姓名：学 号：130200216 指导教师：设计周数：2周 设计成绩：2016年 12 月 31 日 1/34 目录 第一章 绪论.0 1.1 机械手应用现状.0 1.2 机械手研究目、意义.0 1.3 设计时要解决几个问题.1 第二章 机械手总体方案设计.3 2.1 机械手系统工作原理及组成.3 2.2 机械手基本结构及工作流程.4 第三章 机械手方案设计及其主要参数.6 3.1 坐标形式和自由度选择.6 3.2 执行机构.7

2、3.3 驱动系统.8 3.4 控制系统.9 第四章 结构设计及优化.10 4.1 手部夹紧气缸设计.10 4.1.1 手部夹紧气缸设计.10 4.1.2 确定气缸直径.11 4.1.3 气缸作用力计算及校核.11 4.1.4 缸筒壁厚设计.12 4.1.5 气缸基本组成部分及工作原理.13 4.2 手臂结构优化设计.13 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林

3、和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能2/34 4.2.1 问题描述.13 4.2.2 设计分析.13 4.2.3 建立数学模型.15 4.2.4 优化计算.16 4.2.5 优化结果分析.20 第五章 Adams运动仿真.22 总结及展望.26 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的

4、苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能摘 要 机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设

5、备，它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品快速更新换代起着十分重要作用，随着工业机械化和自动化发展以及气动技术自身一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化各个行业。本设计中搬运机械手动作由气动缸驱动，气动缸由相应电磁阀来控制，电磁阀由 PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便嵌入到各类工业生产线中。本文中对机械手臂运用 MATLAB 算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握，从而避免编写各种复杂运算程序，提高了设计效率。用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数，得出了机械手运动过程演示动画，发现设计结构能有机地结合在一起，工作平稳，并在指定速

6、度和负载等参数下得出了所需要驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估，可以降低设计成本，缩短开发周期，而且设计质量和效率都可以得到提高。关键词:机械手，气动，优化设计，仿真 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而

7、成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能4/34 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的

8、时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能0/34 第一章 绪论 1.1 机械手应用现状 工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用及制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机

9、械手及数控加工中心，自动搬运小车及自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产发展，功能和性能不断改善和提高，机械手应用领域日益扩大。1.2 机械手研究目、意义（1）以提高生产过程中自动化程度 应用机械手有利于实现材料传送、工件装卸、刀具更换以及机器装配等自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（2）以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能，而应用机械手即可部分或全部代替人安全完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重

10、操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成人身事故。（3）可以减轻人力，并便于有节奏生产 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花

11、里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能1/34 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力一个侧面，同时由于应用机械手可以连续工作，这是减少人力另一个侧面。因此，在自动化机床综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确控制生产节拍，便于有节奏进行工作生产。综上所述，有效应用机械手，是发展机械工业必然趋势。1.3 设计时要解决几个问题（1）具有足够握力(夹紧力)在确定手指握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。（2）手指间应具有一定开闭角 两

12、手指张开及闭合两个极限位置所夹角度称为手指开闭角。手指开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径工件，应按最大直径工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度要求。（3）保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确相对位置，必须根据被抓取工件形状，选择相应手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面手指，以便自动定心。（4）具有足够强度和刚度 手指除受到被夹持工件反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生惯性力和振动影响，要求有足够强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部中心在手腕回转轴线上，以使手腕扭转力矩最小为佳。（5）考虑被抓取对象要求 下午以前的学生曼来看我来

13、了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能2/34 根据机械

14、手工作需要，通过比较，我们采用机械手手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V型。下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的

15、女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能3/34 第二章 机械手总体方案设计 2.1 机械手系统工作原理及组成 图 2.1 机械手系统工作原理框图 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在控制系统（PLC）位置检测装置 手臂 手部 立柱 被 抓取 物品 驱动系统（气压传动）执行机构 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为

16、自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能4/34 PLC程序控制条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构相应部位发生规定要求，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间动作。同时按其控制系统信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手动作进行监视，当动作有错

17、误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构实际位置反馈给控制系统，并及设定位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定精度达到设定位置。2.2 机械手基本结构及工作流程 机械手是一个水平、垂直运动机械设备，用来将工件由左工作台搬到右工作台。有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间移动，替代人工作业，实现生产自动化。本设计中机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手动作由气动缸驱动，气动缸由相应电磁阀来控制，电磁阀由 PLC 控制驱动执行元件完成，能十分方便嵌

18、入到各类工业生产线中。根据要求：机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转。当光电开关检测到物品后，左传送带停止运行。根据分析可得出机械手工作流程图，如图 2.2 所示 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇

19、见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能5/34 图 2.2 机械手工作流程图 原位 下降 夹紧 上升 右移 停止 左移 上升 松开 下降 启动 右限 下限 延时 上限 左限 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明

20、显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能6/34 第三章 机械手方案设计及其主要参数 3.1 坐标形式和自由度选择 直角坐标型 圆柱坐标型 球坐标型 关节型 具有

21、三个移动关节（PPP）具有两个移动关节和一个转动关节（PPR），受部坐标为（z，r，）具有两个转动关节和一个移动关节（RRP）具有三个转动关节（RRR）由于其运动方程可独立处理，且为线性，具有定位精度高，控 制 简 单 等 特点，但操作灵活性较差，运动速度低特点 这种操作机优点是所占空间尺寸较小，相对工作范围较大，结构简单，手部可获得较高速度。而缺点是手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分辨精度愈低。通常用于搬运机优 点 是 结 构 紧凑，所占空间尺寸小，但目前应用较少。具有结构紧凑，所 占 空 间 体 积少，相对工作空间大等特点，用于 复 杂 设 备 当中。下午以前的学生曼来看我来了她以优异的

22、成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能7/34 器 人。图 3.1

23、本机械手采用圆柱座标型式，具有三个自由度，即腰关节、肘关节和腕关节，都为转动关节；还有一个用于夹持物料机械手。3.2 执行机构 1、手部 在本设计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。手指运动形式采用平移型手指，其夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心位置，因此适宜夹持直径变化范围大工件。手指结构采用带有一定中心距“V”形面手指。2、手臂 手臂是支承被抓物件、手部重要部件。手臂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位置。3、立柱 立柱是支承手臂部件，立柱也可以是手臂一部分，手臂回转运动和升降(或俯仰)运动均及立柱有密切联系。机械手立柱因工作需要，

24、有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。4、机座 机座是机械手基础部分，机械手执行机构各部件和驱动系统均安装于机座上，下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋

25、之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能8/34 故起支撑和连接作用。3.3 驱动系统 液压驱动系统 气动驱动系统 电动驱动系统 由于液压技术是一种比较成熟技术，它具有动力大、力（或力矩）及惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆环境中工作机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷机

26、器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制机器人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。由于低惯量、大转矩交、直流伺服电机及其配套伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低。大多数电机后面需安装精密传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。图 3.3 机械手驱动系统 气压驱动优点：下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一

27、边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能9/34（）能量储蓄简单易行，可以获得短时间高速动作：（）夹紧时无能量消耗，不发热；（）柔软，安全性高；（）体积小，重量轻，输出质量比高；（）处理简便，成本低川。由于气压

28、传动系统具有以上所述优点，所以本机械手采用气压传动方式。3.4 控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定要求运动系统。目前工业机械手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。该机械手采用是 PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定程序运动，并记忆人们给予机械手指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。相对于其他控制系统，PLC具有如下优点：（）抗干扰能力强，可靠性高；（）控制系统结构简单，通用性强；（）编程方便，使用简易；（）功能完善；（）设计、施工和调

29、试周期短；（）体积小，维护操作方便同。下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为

30、我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能10/34 第四章 结构设计及优化 4.1 手部夹紧气缸设计 4.1.1 手部夹紧气缸设计 夹紧气缸夹紧、驱动力确定，工件重 5kg。(g=9.8N/kg)（1）夹紧力：F夹=G4f cos （4.1.1）（其中=45，G=49N，f=0.1）F夹=4940.1 cos450=174（N）（2）驱动力 F驱=2bNtg c （4.1.2）（其中 b=50，c=30，=23）故 F驱=250174tg23030 =250（N）F实际F驱K1K2 （4.1.3）其中 K1：安全系数，一般取 1.2 2 取 K1=1.5；下午以前的学生曼来看我来了她以优异

31、的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能11/34 K2：工作情况系

32、数，主要考虑惯性力影响，K2可近似按下式估计，K2=1+ag 式中 a 为被抓取工件运动时最大加速度，a=vt v：升降速度 0.2m/s，t：机械手达到最高速度响应时间为 0.1s，g 为重力加速度 g=9.8m/s2。那么：K2=1+0.20.1 9.8=1.204；：手部机械效率，一般取 0.85 0.95 取=0.85（滚动摩擦）；F实际=250 1.5 1.2040.85=531（N）4.1.2 确定气缸直径 取空气压力为 P 空气=0.5 MPa=5105Pa，D=4F实际P空气 （4.1.4）D=45315105=0.0368(m)=36.8(mm)圆整气缸直径 D=40mm 4

33、.1.3 气缸作用力计算及校核 F气缸=D2P空气4 （4.1.5）F气缸=（4010-3）251054=628(N)因为 F 气缸F实际 ，所以 满足设计要求。由 d/D=O.20.3，可得活塞杆直径:d=(0.2 0.3)D=8 12 mm 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼

34、说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能12/34 圆整后，取活塞杆直径 d=12 mm 校核，按公式 F实际/4d2 （4.1.6）其中 =120MPa,F 实际=531N 则:d (4 531/120)1/2 =2.37mm 12mm 满足设计要求。4.1.4 缸筒壁厚设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚及内径之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公

35、式计算:=DPP/2 （4.1.7）式中:缸筒壁厚 mm D 气缸内径，40mm PP实验压力，取 PP=1.2P=6105Pa 材料为:ZL3,=3MPa 代入己知数据，则壁厚为:=DPP/2 =406105/2 3106 =4 mm 取=4 mm，则缸筒外径为:D=40+42=48 mm。于是选择 SC-4050 型夹紧气缸。下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上

36、遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能13/34 4.1.5 气缸基本组成部分及工作原理 气动手爪开闭是通过由气缸活塞产生往复直线运动带动及手爪相连曲柄连杆机构，驱动各个手爪同步做开、闭运动。4.2 手臂结构优化设计 4.2.1 问题描述 机械手臂作为机器人一个重要组成部分，一直是机器人科学研究热点

37、之一。机械手臂结构设计通常是一多解问题。目前，还未形成完备设计方案。这里针对具体实例，运用目前较为流行结构优化计算来调整截面尺寸和手臂长度，使其在满足强度、刚度和尺寸要求前提下，得到最优尺寸和最小质量，实现结构优化设计。4.2.2 设计分析 手臂运动由提升重物竖直运动及带动重物旋转水平回转运动组成。手臂自重相对于重物来说，对手臂强度计算影响较小，可不作考略，故设计时仅考虑重物 G作用。手臂受力如图 4.2.1 所示。图 4.2.1 机械手臂受力图 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴

38、晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能14/34（1）抗拉强度条件 如图 4.2.1 所示，手臂 N点处受到最大拉应力 max，max是由弯矩 M产生拉应力 1 及向心力 F产生应

39、力 2 组成。其中 1=zWM式中，Wz为抗弯截面系数，仅及截面形状、尺寸有关。对于外径为 D，内径为 d 圆环截面有：Wz=323D1-(Dd)4 （4.2.1）M=GL （4.2.2）2=AF式中，A为手臂横截面积（m2），A=(2D)2-(2TD)2=41(2DT-T2)（4.2.3）F=1mL2 （4.2.4）据抗拉强度条件有：man=ZNWM+AFs （4.2.5）将式（4.2.1）（4.2.2）（4.2.3）（4.2.4）及已知数据代入式（4.2.5），取g=10m/s2（下同），计算整理得：120D3-970D2+34D-6.4LD 0（2）抗剪强度条件 手臂 N点处所受剪应力最

40、大。因圆环截面壁厚 T 远小于外径 D，故最大剪应力为：下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零

41、我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能15/34 max=2AQN （4.2.6）据抗剪强度条件有；man=2AG （4.2.7）将己知数据代入式 计算整理得：D0.2（cm）（3）刚度条件 如图 4.2.1 所示，受力分析得，M点处挠度最大。据刚度条件 man=ELGL33=1000L （4.2.8）式中，E为材料弹性模量(GPa)；I 为截面惯性矩(cm4)，I=64(D4-d4)（4.2.9）将式(4.2.8)及己知数据代入式（4.2.9）计算整理得：30D3-18D2-0.64L2 0（4）结构尺寸限制 D2T L40(cm)4.2.3 建立数学模型 优化设计追

42、求目标是机械手臂质量 m2最小。m2计算表达式为：下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我

43、的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能16/34 m2（x）=M（21，）=LTDD2-4122）（=0.005LD-0.001L (4.2.10)式中，设计变量TTDL,21 由第二步设计分析计算得 D值约 3.5cm，故式（4.2.10）可简化为：m2（x）=0.0046LD 显然，L、D越小，m2值越小。据此，可写出优化设计数学模型1：min m2(x)=0.0046 LD x=L,DT s.t.120D3-97D2+34D-6.4LD0 D0.2（cm）30D3-18D2-0.64L20 DT L40（cm）此数学模型是一个单目标非线性二维约束优化问题。4.2.4 优

44、化计算 我们将用于求解优化设计数学模型方法或寻优方法称为优化计算方法。对于机械优化设计问题，求解常常需要经过多步迭代，最终收敛得到最优解1。这里运用数学规划方法理论，根据数学模型特点，利用 MATLAB6.5 软件进行辅助优化计算及设计，以求得机械手臂最佳设计参数234。（1）函数性态分析 应用 MATLAB6.5 编程：下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林

45、和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能17/34 x,y=meshgrid(linspace0,6,30),linspace(0,50,30);%根据函数定义划分网格区域 M=0.0046yx;%目标函数 mesh(x,y,M);%通过三维网格模拟目标函数图形 在 MATLAB6.5 下运行程序可画出目标函

46、数三维图形，如图 4.2.2 所示：图 4.2.2 目标函数图像 Fig.2 The function diagram of M=.0.0046LD 0 x10，0y50 同样，通过编程，MATLAB6.5 可绘出各约束函数图形。程序如下：ezplot(120 x3-97 x2+34 x-6.4 y X，0,10,0,50)%抗拉强度条件图形，hold on y=0：0.1：50；X=.0.2；plot(x，y，k）%抗剪强度条件图形，k指图形颜色为黑色 hold on 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不

47、太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能18/34 ezplot(30 x3-18 x2-0.64 y2，0,10,0,50)%刚度条件图形 hold on

48、y=0：0.1：50；x=0.4；plot(x,y,k）%截面尺寸边界条件图形 hold on x=0：0.1:：10；y=40；plot(x,y,m）%长度尺寸边界条件图形，m 指图形颜色为紫红色 hold on title(各个约束函数图像）%标注图形名称 text(4,45,可行域）%注明可行域区域 hold off 运行程序绘出约束函数图形，如 3 所示：图 4.2.3 设计变量可行域 下午以前的学生曼来看我来了她以优异的成绩升入了开封高中真正的苦心人天不负刚刚结束军训的她晒得黑了整个人显得又高又瘦脸上本来不太明显的雀斑经过烈日的暴晒颜色变得更深打过招呼的她一边用手拉开胸口的衣服给我看

49、啊有谁能不为自己辛苦付出而得来的果实幸福呢她告诉我说和妍一起在街上遇见了林和何这两个执迷不悟的孩子还没有感觉到自己的错误依然在甜蜜的坚守着爱情的圣地可曼说那是爱情吗在说这话的时候曼笑得灿烂而成熟就好像一严为代价那只能叫愚蠢曼说我惊愕是为了我前任课代表能说出这样理智的话要知道她和早恋之花里的女主人公可是同龄人啊怪不得人家说恋爱中的女人智商是零我为我的曼而骄傲为我陷身早恋之海的那两个孩子感到痛惜为自己不能19/34 Fig.3 Feasible region of variable design 由图 2 可以看出：目标函数图像规则，即性态好，对于多数优化方法均适用。对图 3 可行域分析可知，实际

50、起约束作用有：刚度条件：30D3-18D2-0.64L20 结构尺寸限制条件：L-400 所以，计算时只须考虑这两个条件。这样就大大简化了计算过程。（2）应用 MATLAB 软件求解 编及目标函数 m文件:objfun.m,返回 x 处函数值 f。function f=Objfun(x)f=0.0046 x(1)x(2);因设计约束含非线性约束，故需编写一个描述非线性 约束 m文件：NonLinConstr.m function c,ceq=NonLinConstr(x)c=-30 x(1)3+18x(1)2+0.64x(2)2；ceq=；给定变量初值，并调用优化函数：x0=4 40；A=0-