机械手的设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 机械手的设计 摘要 本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，气动技术的特点， 本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构 ;设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩 ;设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。 设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原 理图。利用可编 程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的 据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。 关键词 ：工业机器人，机械手，可编程序控制器 (下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 on t of of s of of of of of of of of of of of of of s of LC to LC to of s of 载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 目录 摘要 . I . 绪 论 . 1 . 1 . 2 . 5 . 6 2夹紧机构 . 7 2 1夹钳 . 7 2 2扇形齿轮 . 8 2 3液压缸 . 9 2 3 1 缸径 . 9 2 3 2 活塞 . 10 2 3 3 后端盖 . 11 2、 3、 4 前端盖 . 13 3拖动系统 . 16 3 1电机的选取 . 16 3 2齿轮箱部分 . 17 3 . 26 . 26 . 27 . 27 . 27 . 28 . 28 4控制系统 . 30 4 1概述 . 30 4 1 1 概述及定义 . 30 4 1 2 特点 . 30 4 1 3 应用和发展 . 31 4 2原理 . 32 运机械手的动作顺序 . 33 机的可编程控制 . 35 . 39 结论 . 42 致谢 . 43 参考文献 . 44 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 1 绪 论 械手概述 工业 机 器 人由操作机 (机械本体 )、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。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的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工 业自动化水平的重要标志。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 . 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”。生产中应用机械手可以提高生产的 自动化水平和劳动生产率 :可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产 ;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用 . 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。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。 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 械手的组成 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。各系统相互之间的关系如方框图 2 图 1一 )执行机构 包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附 式手部。 夹持式手部由手指 (或手爪 )和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。 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，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。 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力 (如吸盘内形成负压或产生电磁力 )吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。 对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。 对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。 用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力 大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。 此外，根据特殊需要，手部还有勺式 (如浇铸机械手的浇包部分 )、托式 (如冷齿轮机床上下料机械手的手部 )等型式 . 2、手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位 (即姿势 )。 3、手臂 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。 手臂可能实现的运动如下 : 手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装 置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件 受力状态简单。 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 导向装置结构形式，常用的有 :单圆柱、双圆柱、四圆柱和 V 形槽、燕尾槽等导向型式。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作 横向移动，即称为可移式立柱 。 5、行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安 装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置 。 6、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。 (二 )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，通常由动力源、控制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、电力传动和 机械传动。 (三 )控制系统 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。 (四 )位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制 系统，并与 设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构 以一定的精度达到设定位置 。 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 内外发展状况 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 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 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。 (7)机器人化机械开始兴起。从 94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻 关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人 ;其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线 (站 )上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如 :可靠性低于国外产 品 ； 机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距 ;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约 200 台 ，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程 863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人， 6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机 器人、爬壁机器人、管道机器人等机种 :在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 计的目的及意义 在现代汽车生产中 ， 生产过程的自动化已成为突出的主题。 为适应生产的快节奏 ，提高 生产效率，保证产品质量， 减少人为的因素对产品精度的影响，大量使用自动化程度较高的各种装置，曲轴本身为一刚度低、精度高的特殊轴类零件。其主要加工表面为不连续且不同轴的外圆柱表面。而且精度要求高，加工量大。为了达到加工要求 ，安排了较多的加工工序，这样就与产量形成了矛盾，所以现代生产中， 通过使用各种辅助的装置与专用设备配合，以减少辅助工时，提高生产率。本次设计的机械手既是在磨削加工中起到自动完成对工件的搬运，以减少工人的劳动强度，提高劳动生产率，降低工时等作用。 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 2 夹紧机构 夹紧结构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。 机械式夹紧 机构是最基本的一种，其应用广泛，种类繁多，结构简单。基于其以上特点本次设计决定采用机械式夹紧机构。 机构 主要有以下部分组成（见主装配图，手部） 动力部分：液压缸 传动部分：扇形齿轮 执行部分：夹钳 支架 设计过程如下： 2 1 夹钳 曲轴重 40 钳口 角度为 552 ，如图所示， 夹紧机构在抓取工件时必须有一定的夹紧力，其夹紧力的大小与夹紧机构的形式、夹紧的方位和工件的形状都有关。本次设计中手爪垂直放置加水平放置工件、工件 的截面形状为圆形。 已知机械手从零加速到 响应时间为 紧力的计算 引用参考文献 1,夹紧力系数按文献 160页表 4 3得 下列计算 : 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 1K 2K 3G (其中 ： 安全系数 ,通常取 2; 工作情况系数 ,主要考虑惯性力的影响 ,可按 a/ 方位系数 ; G 被夹取工件的重量 (即重力 , 取 2=1 a/g=1 (3=0.51 f 040N 由于该机械手要求能夹持系列工件 ,所以两夹钳之间的横向和纵向 距离均设计成可调式。 2 2 扇形齿轮 根据 文献 2对传递动力的传动摸数 取应不小于 2，齿数 Z 18 30。 初取 m =2,r =25 则齿顶圆 271225* aa (齿根圆 25* (初取钳口中心至扇形齿轮圆心垂直距离 135 （即 力臂），液压缸活塞杆柱销中心 至 扇形齿轮圆心垂直距离 (即液压缸的 力臂 )。 再根据力臂关系计算液压缸驱动力 143135=F 计算 (F 计算 =400N 由于该手爪传动机构简单灵活 ,效率高一些 ,取 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 F 实际 =400/45N 需要说明的是采用扇形齿轮作为机械手手部的传动件可以使结构大大简化并且 运行平稳 ,工作可靠 . 2 3 液压缸 液压缸的设计计算主要包括缸的直径、缸筒厚度和活塞杆直径。 2 3 1 缸径 D= 实际4 (=21 圆整到 25 其中 为液压缸机械效率 ,取 = 应与机床系统压强相等 ,取 p = 缸筒臂厚 ： 2P( = 缸筒试验压力。 缸筒材料许用应力。 = =500/5=100 b 为材料抗拉强度 ，这里缸筒采用 #20 无缝钢管，b=500 n 为安全系数，当 10D时取 n=5； 为了尽量减小液压缸的体积 ,所以前端盖与缸筒的连接采用螺纹式 , 不能太小 ,实际需 5。 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 2 3 2 活塞 (1)根据文献 3 的活塞参数 由 1 得 d=10 (活塞杆直径 ) 91 2（无杆缸面积） 12 2（有杆缸面积） (2) 密封 装置 的选取 液压 缸在工作中，缸内压力较缸外（大气压）的压力高的很多，缸内的进油腔 压力较回油腔压力也高的多。这样油液油液就可能通过固定件的联接处和相对运动部件的配合间隙而泄露。这种泄露既有 内漏也有外漏。外漏不但使油液损失影响环境，而且有着火的可能。内漏则将使油液发热 、液 压缸的容积效率降低，从而使液压缸的工作性能变坏。因此应最大限度的减少泄露。 因 装尺寸小、摩擦力不大、密封性好等优点故本次设计采用 O 形密封圈。 O 形密封圈一般用耐油橡胶制成，具有较强的抗腐蚀性。 由于 该活塞直径为 25，所以选取的 0型圈的直径为 ,0型圈横截面直径为 塞上沟槽宽度为 ,深为 。 (3)图 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 (4)取钳口张开交度为 25 ，能够满足夹持系列工件的要求，如图：此时，活塞行程活塞杆端头的行程为 20，由于活塞工作时不必走至终端，前端盖 端预留，所以取活塞行程为 25。 图 5)取 s,因为取太大容易造成对工件的冲击 此时计算出进油口的流量为 Q= 35104.3 m /s (2 3 3 后端盖 (1)由文献 3查表 取 1的进口螺纹，细 颈 处直径 5。 (2)液压缸 与机架有多种定位的结构，其中支座 式、法兰式适用于缸筒与基架间没有相对运动的场合，轴销式、 耳环式、球头式适用于缸筒与机架间有相对运动的场合。本次设计采用耳环式定位。 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 由文献 3查 15选 10 号 ，额定作用力 8000N 图 用青铜套以过度配合压入耳环轴 孔内， 轴套 内圆应在精度加工前压成各个菱形凹穴，错开排列，以保存 润滑剂。 根据 文献 3宽度 b 当压力为 16 b=压力为 32 b=系统压力为 16 b=于上面已经确定 d=10 b=12 半径 R： 带轴套取 R=2 材料：缸后盖选用铸钢，选 500, ,满足20。至少 25018 ，满足 至少 12%的要求。 校核：耳环销孔支撑压力计算060 10 由文献 3 (445N 一般取 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 0 0为材料抗拉强度 （ =50060 4 5 p =以 满足要求 图 2、 3、 4 前端盖 (1)前端盖密封圈的选用同上，选用内径为 径为 端沟深 (2)撑环）的选取 0 0 活塞杆的偏心载荷，暂取 5 9N 之为活塞杆长度 130 则 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 ； ( 活塞杆的导向环承受的载荷（ N）； 活塞至导 向环的间距，取活塞走至终点的值为准0 宽度 Fb 10 导向轴材料允许的支撑压力，青铜为 8 d 活塞杆的直径 10 则 b 取 3，采用 2个。 (3)活塞杆直径为 10，选取直径为 径为 密封圈，槽深为 宽 (4)由文献 323得 型号 10 缸径 25 公称力 8000N 10 9)10 6)12 ER(3 CL(6 (5)文献 3查 6得 螺纹长 12 图 载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 图 要说明的是，由于该液压缸行程短，速度慢，摩擦和其他因素的阻力很 小，加之对液压缸活塞杆伸出的速度的平稳性无太大要求，因此该液压系统不采用背压。 下载文档送对应 纸 咨询 14951605 买文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 3 拖动系统 拖动系统既要拖动机械手手臂部分的伸缩以实现将工件提起的动作，也要拖动整个机身的横向移动，以实现将工件运走的目的，由于其原理基本相同所以在本次设计中只对机械手臂的拖动系统进行设计。 在考虑采用何种拖动方式的时候供选择的常用方式主要有：齿轮 齿条式和液压式拖动，而最终决定采用齿轮 齿条式是因为齿轮传动是机械传动中最广泛的一种方式，其主要的优点是效率高，传动比准确，结构紧凑，工作可靠，寿命长。最主要的 一点，它使整个系统的控制工作变的简单，动作很有条理。 但不可否认的是齿条暴露在空气中，齿轮有齿轮箱中伸出，由闭式润滑到开齿传动，有污染工作场所的缺点，所以设计中应尽量考虑减小污染的设计。 机械手臂拖动系统 组成： 、动力部分：电动机； 、执行部分：齿轮箱、柱形齿条； 、支架： 套筒； 在设计之前，先要看一下系统对拖动速度的要求，将工件提起的速度初取 s，取之过大则会对齿轮等部件产生较大的冲击，对寿命不利。 3 1 电机的选取 已知曲轴和机械手臂自身 总 重 约 95 千克， 由 P= 根据 文献5选取 6型电磁制动三相异步电动机 额定功率： 载转速： 910r/定电压： 380V,50定电流： 载效率： 最大额定转距 /额定转距 =2 重量： 28系统电动机是 Y（