6070CR10通用气动机械手设计

1目录摘 要 .2Abstract.3第一章 绪论 .41.1 机械手发展概况 .41.2 机械手的分类 .61.4 机械手研究的意义 .11第二章 总体方案的设计 .132.1 机械手的基本结构 .132.2 机械手的选型 .142.3 机械手的主要部件及运动参数设计 .14第三章 机械手手部的设计 .163.1 手部的基本要求 .163.2 手部的结构设计 .163.3 手部的设计计算 .17第四章 机械手碗部的设计 .214.1 腕部的基本要求 .214.2 腕部的结构设计 .214.3 腕部的计算 .22第五章 机械手臂部的设计 .275.1 臂部的基本要求 .275.2 臂部的具体设计方案 .275.3 手臂伸缩的计算 .285.4 手臂升降的计算 .295.5 手臂回转气缸的计算 .29第六章 气动系统的设计 .326.1 气动系统的设计要求 .326.2 气压回路的选择 .336.3 气压传动系统工作原理图 .33致 谢 .35参考文献 .362摘 要气 动 机 械 手 是 能 模 仿 人 手 和 臂 的 某 些 动 作 功 能 ， 用 以 按 固 定 程 序 抓 取 、搬 运 物 件 或 操 作 工 具 的 自 动 操 作 装 置 。 它 可 代 替 人 的 繁 重 劳 动 以 实 现 生 产 的机 械 化 和 自 动 化 ， 能 在 有 害 环 境 下 操 作 以 保 护 人 身 安 全 ， 因 而 广 泛 应 用 于 机械 制 造 、 冶 金 、 电 子 、 轻 工 和 原 子 能 等 部 门 。本 文 主 要 进 行 了 气 动 机 械 手 的 总 体 结 构 设 计 和 气 动 设 计 。 机 械 手 的 机 械结 构 由 气 缸 、 气 爪 和 连 接 件 组 成 ， 可 按 预 定 轨 迹 运 动 ， 实 现 对 工 件 的 抓 取 、搬 运 和 卸 载 。 气 动 部 分 的 设 计 主 要 是 选 择 合 适 的 控 制 阀 ， 设 计 合 理 的 气 动 控制 回 路 ， 通 过 控 制 和 调 节 各 个 气 缸 压 缩 空 气 的 压 力 、 流 量 和 方 向 来 使 气 动 执行 机 构 获 得 必 要 的 力 、 动 作 速 度 和 改 变 运 动 方 向 ， 并 按 规 定 的 程 序 工 作 。关键词：气动机 械 手 ； 气 缸 ； 气 动 回 路 ； 控 制 阀3AbstractPneumatic 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 ；Control valve4第一章 绪论机 械 工 业 是 国 民 的 装 备 部 ， 是 为 国 民 经 济 提 供 装 备 和 为 人 民 生 活 提 供 耐用 消 费 品 的 产 业 。 不 论 是 传 统 产 业 ， 还 是 新 兴 产 业 ， 都 离 不 开 各 种 各 样 的 机械 装 备 ， 机 械 工 业 所 提 供 装 备 的 性 能 、 质 量 和 成 本 ， 对 国 民 经 济 各 部 门 技 术进 步 和 经 济 效 益 有 很 大 的 和 直 接 的 影 响 。 机 械 工 业 的 规 模 和 技 术 水 平 是 衡 量国 家 经 济 实 力 和 科 学 技 术 水 平 的 重 要 标 志 。 因 此 ， 世 界 各 国 都 把 发 展 机 械 工业 作 为 发 展 本 国 经 济 的 战 略 重 点 之 一 。工 业 机 械 手 是 近 几 十 年 发 展 起 来 的 一 种 高 科 技 自 动 化 生 产 设 备 。 工 业 机械 手 的 是 工 业 机 器 人 的 一 个 重 要 分 支 。 它 的 特 点 是 可 通 过 编 程 来 完 成 各 种 预期 的 作 业 任 务 ， 在 构 造 和 性 能 上 兼 有 人 和 机 器 各 自 的 优 点 ， 尤 其 体 现 了 人 的智 能 和 适 应 性 。 机 械 手 作 业 的 准 确 性 和 各 种 环 境 中 完 成 作 业 的 能 力 ， 在 国 民经 济 各 领 域 有 着 广 阔 的 发 展 前 景 。机 械 手 是 在 机 械 化 、 自 动 化 生 产 过 程 中 发 展 起 来 的 一 种 新 型 装 置 。 在 现代 生 产 过 程 中 ， 机 械 手 被 广 泛 的 运 用 于 自 动 生 产 线 中 ， 机 械 人 的 研 制 和 生 产已 成 为 高 技 术 邻 域 内 ， 迅 速 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 的 技 术 ， 它 更 加 促 进 了 机 械手 的 发 展 ， 使 得 机 械 手 能 更 好 地 实 现 与 机 械 化 和 自 动 化 的 有 机 结 合 。 机 械 手虽 然 目 前 还 不 如 人 手 那 样 灵 活 ， 但 它 具 有 能 不 断 重 复 工 作 和 劳 动 ， 不 知 疲 劳 ，不 怕 危 险 ， 抓 举 重 物 的 力 量 比 人 手 力 大 的 特 点 ， 因 此 ， 机 械 手 已 受 到 许 多 部门 的 重 视 ， 并 越 来 越 广 泛 地 得 到 了 应 用 。机 械 手 技 术 涉 及 到 力 学 、 机 械 学 、 电 气 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 。 机 械 手 是 一 种 能自 动 化 定 位 控 制 并 可 重 新 编 程 序 以 变 动 的 多 功 能 机 器 ， 它 有 多 自 由 度 ， 可 用来 搬 运 物 体 以 完 成 在 各 个 不 同 环 境 中 工 作 。1.1 机械手发展概况现 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5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 。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 年 ， 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 ， 1976 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 。 1979 年 120 多 个 大 学 和6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 器 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（机器人）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很多。1.2 机械手的分类目前对机械手还没有统一的分类标准。按照不同的分类方式可以把机械手分成多种类型。1.2.1 按 驱 动 方 式 分 类按驱动装置的动力源，机械手可分为以下的几种：（1）液压式机械手。这种机械手的驱动系统通常由液动机（各种油缸、油马达） 、伺服阀、油泵、油箱等组成，这种机器人通常具有很大的抓举能力并且结构紧凑，动作平稳，耐冲击、耐振动，防爆性好，但对制造精度和密封性能要求很高，否则易发生漏油而污染环境。（2）气压式机械手。其驱动系统通常采用通常汽缸、气阀、气罐和空压机组成。特点是气源方便，动作迅速，结构简单、造价较低、维修方便，但难于进行速度控制，并因气压不能太高，固抓举能力较小。（3）电动式机械手。电力驱动是目前机械手使用的最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，可以7采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机。由于电机速度高，通常还须采用减速机构（如谐波减速机构、论析减速机构、滚珠丝杠和多杆机构） 。目前也有一些特制电机直接进行驱动，以简化机构，提高控制精度。其 他 还 有 采 用 混 合 驱 动 的 机 械 手 ， 如 液 -气 混 合 驱 动 机 械 手 或 电 -气 混合 驱 动 机 械 手 。1.2.2 按 用 途 分 类机械手按用途可分为下列几种。（1） 喷涂机械手;（2） 搬运机械手;（3） 装配机械手;（4） 焊接机械手;（5） 其他用途的机械手。如航天用机械手，探海用机械手，以及排险作业机械手等。1.2.3 按 操 作 机 的 位 置 机 构 类 型 和 自 由 度 数 量 分 类操 作 机 的 位 置 机 构 是 机 械 手 的 重 要 外 形 特 征 ， 固 常 用 作 分 类 的 依 据 。 按这 一 分 类 要 求 ， 机 械 手 可 分 为 直 角 坐 标 型 、 圆 柱 坐 标 型 、 球 坐 标 型 、 关 节 型机 械 手 。(a)(b)8(c)(d)(e)a） 直角坐标型 b）圆柱坐标型 c）球坐标型 d）多关节型 e）平面关节型图 1-1 工业机械手的基本结构形式操 作 机 本 身 的 自 由 度 最 能 反 应 机 器 人 的 作 业 能 力 ， 也 是 分 类 的 重 要 依 据 。按 这 一 分 类 要 求 ， 机 械 手 可 分 为 4 自 由 度 、 5 自 由 度 、 6 自 由 度 和 7 自 由 度机 械 手 。91.2.4 按 其 他 方 法 分 类此 处 省 略 XXXXXXXXXX。 如 需 完 整 文 档 ， 请 联 系 发 布 者 账 号 中 的 企 鹅 号2686987875， 免 费 赠 送 文 档 ， 配 套 相 关 图 纸 、 源 文 件 可 以 咨 询 购 买 。1.3 机 械 手 的 组 成 工业机械手通常由执行机构、驱动传动装置、控制系统和智能系统四部分组成。图 1-2 为工业机械手的典型结构，图 1-3 为工业机械手的组成方框图。图 1-2 工 业 机 械 手 的 典 型 结 构工业机械手执行机构驱动装置控制系统腕部腰部臂部基座部（固定或移动）电、液或气驱动装置单关节伺服控制器手部10图 1-3 工业机械手的组成方框图执 行 机 构 （ 也 称 操 作 机 ） 是 机 械 手 赖 以 完 成 工 作 任 务 的 实 体 ， 通 常 由 杆件 和 关 节 组 成 。 从 功 能 的 角 度 ， 执 行 机 构 可 分 为 ： 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部和 基 座 等 。手 部 又 称 末 端 执 行 器 ， 是 工 业 机 械 手 直 接 进 行 工 作 的 部 分 ， 可 以 是 各 种夹 持 器 。 有 时 人 们 也 把 诸 如 电 焊 枪 、 油 漆 喷 头 等 划 作 机 器 手 的 手 部 ； 腕 部 与手 部 相 连 ， 主 要 功 能 是 带 动 手 部 完 成 预 定 姿 态 ， 是 操 作 机 的 中 结 构 最 为 复 杂的 部 分 ； 臂 部 用 以 连 接 腰 部 和 腕 部 ，