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搬运机器人结构设计【全套CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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搬运机器人结构设计

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图纸

PLC控制图.dwg

传动系统图A2.dwg

手臂升降机构图A1.dwg

手部结构图A1.dwg

液压回路图A1.dwg

装配图A0.dwg

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关键词：: 搬运机器人结构设计全套 cad 图纸毕业论文原创资料

资源描述：

搬运机器人的设计

机械设计制造及其自动化指导老师：

摘要本次设计的搬运机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图、PLC控制系统原理图。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手腕回转采用回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的横移采用横向移动油缸；整个机器人的移动采用在底部的履带实现。在PLC控制回路中，采用的PLC类型为FX2N，当按下连续启动后，PLC按指定的程序，通过控制电磁阀的开关来控制机械手进行相应的动作循环，当按下连续停止按钮后，机械手在完成一个动作循环后停止运动。

本设计拟开发的搬运机器人可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。

关键词机械手、液压、控制回路、PLC

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The design of the manipulator

Machine Design & Manufacture and Automation Instructor :

Abstract The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ；The PLC control circuit use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement ，PLC in accordance with the prescribed procedures ，through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign.

The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger workpieces .

Keywords Manipulator 、Hydraulic、Control Loop 、PLC

摘要I

AbstractII

目录III

第1章前言1

1.1工业机器人简介1

1.2世界机器人的发展1

1.3我国工业机器人的发展2

1.4我要设计的机器人3

第2章手部结构6

2.1概述6

2.2设计时应考虑的几个问题6

2.3驱动力的计算7

2.4两支点回转式钳爪的定位误差的分析9

第3章腕部结构10

3.1概述10

3.2腕部的结构形式10

3.3 手腕驱动力矩的计算11

第4章臂部结构13

4.1概述13

4.2手臂直线运动机构13

4.3 手臂回转运动16

4.4手臂横向移动16

4.5 臂部运动驱动力计算16

第5章液压系统设计19

5.1液压系统简介19

5.2 液压系统的组成19

5.3 机械手液压系统的控制回路19

5.4 机械手的液压传动系统21

5.5 机械手液压系统的简单计算22

第6章 PLC控制回路的设计29

6.1电磁铁动作顺序29

6.2 机械手的动作顺序表30

6.3 PLC与现场器件的实际连接图31

6.4 梯形图32

结束语34

参考文献35

致谢36

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第一章前言

1.1 工业机器人简介

几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。

到了近代，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。

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的人形操作，可自动控制，可被重新编程，在三维空间完成各种任务的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种，多样化的柔性生产。其稳定性对提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的升级换代迅速，起着非常重要的作用。

机器人并不是简单意义上代替人工的劳动，但人的专业知识和拟人化机特种机电设备，既有人对环境状态的快速反应和分析能力，但机器的结合可以是一个漫长连续操作，精确度高，抗恶劣环境，在一定意义上，它也是机器进化的产物，它是工业和非工业行业的重要生产和服务设备，是先进制造技术不可缺少的自动化设备。

1.2世界上工业机器人的发展

国外的工业机器人发展近期有如下几个趋势：

（1）. 工业机器人的参数不断提高（高速、高精、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格已经从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

（2）．机械结构向模块化，可重构化开发。例如关节模块中的伺服电机，减速机，检测系统三位一体；关节模块，连杆模块重组机器人机；

（3）．工业机器人控制系统的一个开放的基于PC的控制器方向，促进规范化，网络化，设备集成度提高，控制柜变得日趋小型化和模块化结构，大大提高了系统的可靠性，易用性和可维护性。

（4）．机器人中的传感器作用越来越重要，除采用传统的位置，速度，加速度传感器，装配，焊接机器人还应用了视觉，力觉等传感器，而遥控机器人使用睡眠视觉，声音触觉，触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制，在产品配置技术已经成熟应用的多传感器融合系统。

（5）．虚拟现实技术中的作用在机器人仿真，预演用于过程控制的发展，如遥控机器人操作者产生的感觉来操纵机器人远程操作环境的暴露。

（6）．现代远程机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，但正在致力于运营商和机器人的交互控制，即远程和本地自治系统构成一个完整的监控远程操作系统，智能机器人出来的实验室成实用阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人成功应用这样一个系统是最有名的例子。

(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。

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装配图A0.gif

传动系统图A2.gif

手臂升降机构图A1.gif

手部结构图A1.gif

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内容简介：: 1 第一章前言 1.1 工业机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯（ Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。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的人形操作，可自动控制，可被重新编程，在三维空间完成各种任务的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种，多样化的柔性生产。其稳定性对提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的升级换代迅速，起着非常重要的作用。机器人并不是简单意义上代替人工的劳动，但人的专业知识和拟人化机特种机电设备，既有人对环境状态的快速反应和分析能力，但机器的结合可以是一个漫长连续操作，精确度高，抗恶劣环境，在一定意义上，它也是机器进化的产物，它是工业和非工业行业的重要生产和服务设备，是先进制造技术不可缺少的自动化设备。 1.2世界上工业机器人的发展国外的工业机器人发展近期有如下几个趋势：（ 1） . 工业机器人的参数不断提高（高速、高精、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格已经从 91 年的 10.3 万美元降至 97 年的 6.5 万美元。（ 2）机械结构向模块化，可重构化开发。例如关节模块中的伺服电机，减速机，检测系统三位一体；关节模块，连杆模块重组机器人机；（ 3）工业机器人控制系统的一个开放的基于 PC 的控制器方向，促进规范化，网络化，设备集成度提高，控制柜变得日趋小型化和模块化结构，大大提高了系统的可靠性，易用性和可维护性。（ 4）机器人中的传感器作用越来越重要，除采用传统的位置，速度，加速度传感器，装配，焊接机器人还应用了视觉，力觉等传感器，而遥控机器人使用睡眠视觉，声nts 2 音触觉，触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制，在产品配置技术已经成熟应用的多传感器融合系统。（ 5）虚拟现实技术中的作用在机器人仿真，预演用于过程控制的发展，如遥控机器人操作者产生的感觉来操纵机器人远程操作环境的暴露。（ 6）现代远程机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，但正在致力于运营商和机器人的交互控制，即远程和本地自治系统构成一个完整的监控远程操作系统，智能机器人出来的实验室成实用阶段。美国发射到火星上的 “索杰纳 ”机器人成功应用这样一个系统是最有名的例子。 (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。 1.3 我国的工业机器人发展概述有些人认为，机器人只是为了节省劳动力，而中国有丰富的劳动力资源，开发机器人不一定符合中国国情。这是一种误解。在中国，社会主义制度的优越性决定了机器人可以充分发挥自己的优势。它不仅能带来高度的中国的经济建设生产力和巨大的经济利益，同时也为我国空间开发，海洋开发和利用核能源等新兴领域的发展作出了突出贡献。在国家的支持下，中国的工业机器人从在 80 年代的 “计划 ”的科学和技术开始，通过的 “七月 ”， “八月 ”科学和技术，已基本掌握了机器人操作机的设计和制造技术，在控制系统的硬件和软件设计技术，运动学和轨迹规划技术，生产的一些关键部件的机器人开发一幅画，弧焊，点焊，装配，搬运等机器人；其中有超过 20 家企业的 130 余台套喷漆机器人在近 30 自动喷漆生产线（站）到大规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线。但是，总体而言，中国的工业机器人技术和其工程应用的水平和国外比有一定的距离，如：可靠性低于国外产品 ;机器人应用工程启动晚，窄应用，技术和生产线系统在国外比有差距 ;在应用规模，中国已经安装了约 200 国内工业机器人，在世界各地安装的单位，数量的万分之四。最主要的原因是没有形成机器人产业之上，目前的机器人生产都是根据用户的请求， “一个客户，一个重新的设计 ”，不同规格，数量小，低度零部件通用化，交货周期长，成本不低，但质量，可靠性不稳定。是一个迫切需要解决的关键技术产业化初期，产品的一个全面的计划，提高系列化，通用化，模具设计，并积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在 “863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最nts 3 突出的是水下机器人， 6000 米水下无缆机器人成果处于世界领先水平，还开发出直接遥控机器人手臂的协调控制机器人，爬壁机器人，机器人和其他飞机管 ;在机器人视觉，触觉，触觉，良好的睡眠和其他基础设施的开发和应用技术等方面开展了很多工作，有一定的发展基础。但是，在多传感器信息融合控制技术，远程和本地自治系统遥控机器人，智能装配机器人，机器人机械等方面的开发和应用还刚刚起步，与国外先进水平有很大差距，你需要原来的得分一个集中的系统研究的基础上，以形成一个实用的系统配套技术和产品，要想在 “十五 ”后期跻身于世界先进行列的立场。 1.4 本文设计的机械手 1.4.1 臂力的确定目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为 0.15N，最大为8000N。本机械手的臂力为 N 臂 =1650（ N），安全系数 K 一般可在 1.53，本机械手取安全系数 K=2。定位精度为 1mm。 1.4.2 工作范围的确定机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下：手腕回转角度 115 手臂伸长量 150mm 手臂回转角度 115 手臂升降行程 170mm 手臂水平运动行程 100mm 1.4.3 确定运动速度机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。搬运机器人要完成整个搬运过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求： nts 4 给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间；伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。液压上料机械手的各运动速度如下：手腕的旋转速度 V 腕回 = 40/s 手臂的伸展速度 V 臂伸 = 50 mm/s 手臂的旋转速度 V 臂回 = 40/s 手臂的升降速度 V 臂升 = 50 mm/s 立柱的移动速度 V 柱移 = 50 mm/s 手指夹紧油缸的速度 V 夹 = 50 mm/s 1.4.4 手臂的配置形式机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部安装履带行走机构，以满足搬运需要，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。 1.4.5 驱动与控制方式的选择机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。参考工业机器人表 9-6 和表 9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的 PLC 控制。 nts 5 第二章手部结构 2.1概述机械手是直接用于抓取和夹住工件或夹紧零件的特殊工具，它具有模仿人手的功能，安装在机器人手臂的前端。机器人结构类型确实不像人，这是不象一个人的手指的手指的形状，它确实没有手掌，所以在结构和类型的手根据其使用场合和夹紧的工件的形状，大小的移动，重量，材料和其他部件被抓取和手的结构设计，颚式，气吸式，电磁式和其他类型可分为不同的类型。钳爪形手结构由手指和力机构。功率传输更多的机构形式，如溜槽杆，棒杆，楔形杆，齿条和小齿轮，弹簧杆 .等，其中使用滑槽杆。 2.2 设计时应考虑的几个问题应具有足够的握力（锁紧力）在设计手部结构时，除了考虑工件重量，也要可以考虑转动或在操作过程中的惯性力和振动，以保证工件不会产生松动或脱落。手指应该有一定的开闭角度两个手指打开和关闭的角度的两个极限位置被称为夹紧手指的开合角度。手指开合角度，确保工件能顺利进入或脱开。如果夹紧不同直径的工件，工件的最大直径应予以考虑。应确保定位准确的工件手指和工件保持精确的相对位置必须爬形状的工件，选择手指的形状。例如，使用与 “V”形的脸手指自定心的圆柱形工件。应具有足够的强度和刚度除了工件保持由手指的反应，而且还由机器人在运动过程中的惯性力和振动是需要有足够的强度和刚度，以防止断裂或弯曲变形，但其结构应进行简单，紧凑，重量轻。应考虑被抓取的对象的要求工件的形状应该抓住，抓住不同部位的数量，抓取到手指的形状设计，并确定。 2.3 驱动力的计算 nts 6 1. 手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座图 1 滑槽杠杆式手部受力分析图中显示手槽的结构。在杠杆 3 的力的作用下销轴 2 向上的拉力为 P ，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1P、2P，其力的方向垂直于滑槽中心线1OO和2OO并指向 O 点，1P和2P的延长线交12OO于 A 及 B ，由于 1OOA和 2OOA均为直角三角形，故 AOC = BOC = 。根据销轴的力平衡条件，即 120 , , 0xyF P P F 12 cosPP1 / 2 c o sPP 销轴对手指的作用力为1P。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以 N 表示。由手指的力矩平衡条件，即 01 0mF得 1Ph Nb 因 / cosha 所以 22 ( c o s ) /P b N a nts 7 式中 a 手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力 P 一定时，角增大则握力 N 也随之增加，但角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取 30 40 : 。这里取角 30。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基础中表 2-1 可知， V 形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式 0.5NG ，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力 P 实际应按以下公式计算，即： 12/P P K K 实际式中手部的机械效率，一般取 0.850.95； 1K安全系数，一般取 1.22 2K工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，2K可近似按下式估计，2 1/K a g，其中 a 为被抓取工件运动时的最大加速度， g 为重力加速度。本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为 500 毫米 /秒，移动加速度为 1000 毫米 /秒 2 ，工件重量 G 为 98 牛顿， V 型钳口的夹角为 120， =30时，拉紧油缸的驱动力 P 实际计算如下：根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式 0.5NG 把已知条件代入得当量夹紧力为 49NN 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 22 ( c o s ) /P b N a 计算 22 4 5 / 2 7 ( c o s 3 0 ) 4 9 1 2 2 . 5PN PP实际计算12/KKnts 8 取 0.85 ，1 1.5K ，2 1 1 0 0 0 / 9 8 1 0 1 . 1K 则 1 2 2 . 5 1 . 5 1 . 1 / 0 . 8 5 2 3 8PN 实际2.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析图 2 带浮动钳口的钳爪钳口与钳爪的连接点 E 为铰链联结，如图示几何关系，若设钳爪对称中心 O 到工件中心 O 的距离为 x ，则 22( / s i n )x l R b a 当工件直径变化时， x 的变化量即为定位误差，设工件半径 R 由maxR变化到minR时，其最大定位误差为 = 22( m a x / s i n )l R b a 22 )s inm in /( abRl 其中m i n m a x4 5 , 5 , 2 7 , 2 1 2 0 , 1 5 , 3 0l m m b m m a m m R m m R m m 代入公式计算得最大定位误差 = 44.2-44.7 =0.5 0.8 故符合要求 . nts 9 第三章腕部的结构 3.1 概述从支承部的手部，手的手腕和臂连接。设计手腕应注意以下几点：结构紧凑，重量越轻越好。转动灵活，密封性要好。也要注重解决手的手腕，手臂连接，位置检测，管道布局和润滑，维修，调整等问题。必须要能适应工作得环境需要。 3.2 腕部的结构形式该机器人采用旋转气缸驱动，实现旋转运动手腕，结构紧凑，体积小，但密封不良，回转角度为 115. 下图显示了在手腕上的结构，包含有固定板和盖，旋转滚筒和前盖螺丝。当旋转滚筒的两个腔室被引入压力油，驱动器动片与夹紧缸体，是指座椅一起旋转，即手腕的旋转运动。图 3 机械手的腕部结构 3.3 手腕驱动力矩的计算驾驶手腕克服转动惯量的的手腕旋转轴的支承孔的摩擦力矩，可动片的孔，固定片，nts 10 盖等摩擦转矩和启动时产生的驱动扭矩的转动手腕的密封装置，由于重力的中心的旋转轴线不重合产生的转矩由强调。在手腕下列公式计算所需的驱动转矩计算： M 驱动力 =M 惯性力 +M 偏重力 +M 摩擦力（ Nm ）式中 M 驱动力用来驱动手腕转动的力矩 M 惯性力惯性力矩（ Nm ） M 偏重力参与转动的所有零件的总质量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩（ Nm ） M 摩手腕转动轴与固定处的摩擦力矩（ Nm ）图 4 腕部回转力矩计算图摩擦阻力矩 M 摩擦力 M 摩擦力 =1 1 2 2()2f N D N D（ Nm ）式中 f轴承的摩擦系数，滚动轴承取 0.02f ，滑动轴承取 0.1f ； 1N、2N轴承支承反力（ N ）； 1D、2D轴承直径（ m ）由设计知1 2 1 2 10 . 0 3 5 , 0 . 0 5 4 , 8 0 0 , 2 0 0 , 9 8 , 0 . 0 2 0D m D m N N N N G N e 时 M 摩 0 . 1 ( 2 0 0 0 . 0 3 5 8 0 0 0 . 0 5 4 ) / 2 得 M 摩 2.5Nm）工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏 M 偏 =1Ge（ Nm ） nts 11 式中 1G工件重量（ N ） e偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时， M偏为零当 0.02e ，1 98GN时 1 . 9 6M N m偏腕部启动时的惯性阻力矩 M 惯当知道手腕回转角速度时，可用下式计算 M 惯 M 惯 ()JJt工件式中手腕回转角速度（ /s） T 手腕启动过程中所用时间（ s），（假定启动过程中近为加速运动） J 手腕回转部件对回转轴线的转动惯量 J 工件工件对手腕回转轴线的转动惯量按已知计算得 2.5J ， 6.25J 工件， 20.3 /mm ， 2t 故 M 惯 1.3Nm 当知道启动过程所转过的角度时，也可以用下面的公式计算 M 惯： M 惯 =（ J +J工件）22 式中启动过程所转过的角度手腕回转角速度。考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将 M 取大一些，可取 1 . 1 1 . 2 ( )M M M M :惯偏摩1 . 2 ( 2 . 5 1 . 9 6 1 . 3 ) 6 . 9M N m nts 12 第四章臂部的结构 4.1 概述机械臂的主要执行单位，其作用是支持的手臂和手腕，将被转移到工件抓取特定的位置和方向，这是一般的机器人手臂的自由，即伸缩臂有三个度，调头上下运动。回转和起重臂的运动是通过立柱。列是在臂的横向移动的横向移动。各种动作的臂由驱动机构通常是各种传动机构来实现的，因此，它不仅承担被抓取工件的重量，下的手，手腕和臂的自身重量。臂结构，范围工作，灵活性和伟大的渔获小（即，手臂），并因此直接影响定位精度机器人的工作性能，所以你必须爬的机器人的重量，运动形式，自由度，移动速度下和定位精度的要求来设计的臂的结构类型。在同一时间，在设计中必须考虑的力臂，气缸和导向装置连接的内部管道和手腕的表格和其他因素的影响。因此设计臂部时一般要注意下述要求：刚度要大为了防止臂在运动过程中的过度变形的臂的横截面形状是一个合理的选择。蝴蝶结形横截面的弯曲刚度一般大于圆形横截面的中空管的弯曲刚度和扭转刚度远大于实心轴。因此通常使用的臂和钢导杆，与梁和支撑板。导向性要好为了防止在一条直线上移动，沿该轴的运动的相对运动的臂，或设置的导向装置，一个正方形或设计，比如样条臂的形式。偏重力矩要小侧重于所谓的转矩装置支承的旋转轴，其产生的静态转矩臂的重量。要增加机器人的速度，以尽量减少臂移动部分的重量，以减少在旋转臂的转动惯量的转矩和强调。运动要平稳、定位精度要高手臂运动的速度越高，重量越大，定位之前，运动不平滑的影响更大的惯性力引起的，定位精度不高。故应尽量减少运动部件的重量的小臂上，结构紧凑，重量轻，并采取措施的缓冲区。 4.2 手臂直线运动机构伸缩机械臂，升降和横向运动属于直线运动，实现臂往复直线运动的体制形式是较常用的活塞油（气）缸，活塞缸机架和齿轮传动机构，丝杠螺母机构和活塞缸和联动。 4.2.1 手臂伸缩运动在这里实现所述活塞的直线往复运动是由液压缸驱动的。由于活塞缸的体积小，重量轻，因此，机器人臂机构申请。如图所示为两个导杆的伸缩臂结构。手臂和手腕的板安装在提升缸的上端，当两个腔室的压力油引入的双作用缸 1，然后推入杆 2（即臂）作nts 13 往复直线运动。导杆导套 4 内移动时，为了防止旋转的伸缩臂（和满足的手腕和手旋转滚筒 6 7 夹紧缸与石油管道）。由于伸缩臂油缸安装在两个导杆导杆弯曲，拉伸和压缩杆之间的效果，所以受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓材料，行程较长。图 5 双导向杆手臂的伸缩结构 4.2.2 导向装置液压驱动的伸缩机械臂携带（或向下）移动，以防止臂绕轴转动，以确保手指的正确方向，并从一个大的弯矩作用在活塞杆，为了提高刚性的臂，臂的结构的设计中，必须采用适当的导向。而应最大限度地减少的重量和旋转中心的臂的移动部件的结构设计和布局，它被安装在臂的形式，具体的结构重量和其他因素来确定抓取的转动惯量。导向装置，目前使用一个导杆，两个导杆， 4 个导杆和其他导向装置，机器人使用一个双导杆导向机构。双导杆伸缩气缸排列在两侧手臂和手部和腕部迎合输油管道。臂的膨胀和收缩，以防止导杆延伸的弯曲变形的大的行程，所述导杆的末尾可以是另外的辅助支撑框架，为了提高导向杆的刚性。为了防止导杆延伸的弯曲变形，在图 5 中所示，一个大的行程的伸缩臂，所述导杆的末尾可以是另外的辅助支撑框架，以提高刚性导杆。图 4.3.2 示出的导杆 1 与支撑框架4 连接的两个导杆，支撑框架 2 两个滚动轴承安装在两侧，随着膨胀汽缸的后端时，沿移动导杆杆支撑框架上的支撑表面的支撑板 3 的辊的滚动轴承。 nts 14 图 6 双导向杆手臂结构 4.2.3 手臂的升降运动图 7 示出了臂机构的升降运动。当提升缸的压力油通过的上部和下部腔室，所述活塞向上移动和向下杆 4 做的活塞缸 2 被固定在旋转轴。活塞杆套 3 做升降运动的带动下。通过指导立柱平键 9 实施其作用。图 7 手臂升降和回转机构图 4.3 手臂回转运动臂机构的旋转运动来实现各种各样的形式，常用的旋转滚筒，齿轮传动装置，链轮传动机构，连杆机构。在机械臂与齿条汽缸型旋转机构，如图 6 所示，活塞杆 8 的旋转nts 15 运动由驱动齿轮齿条，传动轴和气缸与油一起旋转，然后通过气缸来驱动上的平坦的外套键 9 转动旋转臂实现。 4.4 手臂的横向移动如图 7 所示为手臂的横向移动机构。手臂的横向移动是由活塞缸 5 来驱动的，回转缸体与滑台 1 用螺钉联结，活塞杆 4 通过两块连接板 3 用螺钉固定在滑座 2 上。当活塞缸 5 通压力油时，其缸体就带动滑台 1，沿着燕尾形滑座 2 做横向往复运动。图 8 手臂横向移动机构 4.5 臂部运动驱动力计算手臂的驱动力的运动（包括转矩）计算，应考虑到臂遭受的整个负载。机器人的操作，在主臂的负荷受到惯性力，重力和摩擦力。 4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算水平臂做伸展运动时，首先克服的摩擦阻力，包括气缸和活塞导杆和轴承套筒等之间的摩擦阻力之间的摩擦，而且还克服了在启动过程中的惯性力。其驱动力qP可按下式计算： nts 16 q m gP F F式中 mF各支承处的摩擦阻力； gF启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算： gWFag 式中 W 手臂伸缩部件的总重量； g 重力加速度（ 9.8m/s 2 ） ; a 启动过程中的平均加速度（ m/s 2 ），而 atvv 速度变化量。如果手臂从静止状态加速到工作速度 v 时，则这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度； t 启动过程中所用的时间，一般为 0.01 0.5s。当 8 0 , 1 0 9 8 , 5 0 0 /mF N W N v m m s 时， 1 0 9 8 0 . 58 0 8 0 1 1 2 1 9 29 . 8 0 . 5qPN 4.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力mF和惯性力gF之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力qP可按下式计算： q m gP F F W 式中 mF各支承处的摩擦力； gF启动时惯性力可按臂伸缩运动时的情况计算； W 臂部运动部件的总重量；上升时为正，下降时为负。当 40mFN， 100gFN， 1098WN 时 4 0 1 0 0 1 0 9 8 1 2 3 8qPN nts 17 4.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些，一般取平均值的 1.3 倍。故驱动力矩qM可按下式计算： 1 . 3 ( )q m gM M M 式中 mM各支承处的总摩擦力矩； gM启动时惯性力矩，一般按下式计算： gMJt 式中 J 手臂部件对其回转轴线的转动惯量回转手臂的工作角速度 t 回转臂启动时间当 84mM N m， 0 . 88 3 20 . 2gM N m 1 . 3 1 1 6 1 5 0 . 8qM N m 对于活塞、导向套筒和油缸等的转动惯量都要做详细计算，因为这些零件的重量较大或回转半径较大，对总的计算结果影响也较大，对于小零件则可作为质点计算其转动惯量，对其质心转动惯量忽略不计。对于形状复杂的零件，可划分为几个简单的零件分别进行计算，其中有的部分可当作质点计算。可以参考工业机器人表 4-1。 nts 18 第五章液压系统的设计 5.1 液压系统简介机器人是为工作介质的液压动力传递流体的压力。马达驱动的泵输出的压力油供给的机械能转化为压力能的马达油。压力油通过的管道，和一些控制和调节进入气缸装置，推杆的运动，使伸缩臂，起重及其他运动时，流体压力能转换成机械能。臂在运动中克服摩擦阻力的大小，而将工件夹紧钳手的握力须维持活塞杆和活塞的流体压力和相关的有效工作区的大小。 ARM 做各种运动取决于在气缸密封数量的流体体积流量。这意味着移动体积变化的压力油的液压动力传递被称为排量的液压传动，液压驱动机械手属于液压传动位移。 5.2 液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成：油泵是供给油压的液压系统，电机输出的机械能转换为压力能的流体，与整个液压系统的压力油驱动器。液动机外部压力油驱动工作部件的运动部件。 ARM 直线运动，流体的动机是为了武装伸缩缸。的流体的旋转运动是公知的动力马达油，小于 360的旋转角的液体动力，通常被称为旋转滚筒控制调节装置各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。 5.3 机械手液压系统的控制回路操纵器的液压系统，根据程度的自由度机器人的数量，液压系统可以是简单的或复杂的，但不超过基本控制回路的总数。这些基本的控制电路，它具有的各种功能，如工作压力调整泵的卸荷，扭转运动，运行速度调节和同步运动。 5.3.1 压力控制回路调压回路在定量泵的液压系统中，为了控制系统的最大工作压力，一般在油泵溢流阀出口附近，用它来调节系统压力和多余的液体溢流槽。卸荷回路机械手不工作时，燃料箱，泵电动机不停止的情况下，为了降低油泵的功率损耗，以节省电源，减少热量的产生系统，泵必须在低负荷下工作的，所以使用卸荷回路。该机器人采用两个电磁阀控制溢流阀远程控制端口卸荷回路。减压回路为了使机器人的液压系统中的分压降低或稳定，减压阀与串联的前nts 19 一分支，以获得较低的压力比系统所要求的压力。平衡与锁紧回路在液压系统中，以防止任何垂直的机构，通过其自身重量下降，可以垂直体重平衡的电路的平衡。为了使机器人手臂的移动过程中，在任何位置停止，以防止发生由于外力的位移，可以锁相环油箱返回线路脱落的活塞停止移动，并拧紧。该机器人采用单向阀，以实现任意位置做平衡阀锁定回路。油泵出口处接单向阀泵出口止回阀。它的作用是双重的：首先是对泵进行保护。液压系统，泵的压力流体供给到系统中，以驱动气缸动作的演技。一旦使电机停止转动，机油泵不再，中原和一些高压流体系统具有一定的能量，将迫使泵的转动方向相反，从而在噪声，加速泵的磨损。额外的油泵，单向阀，关闭系统和高压泵油的接触时间，从而在口中，发挥作用，保护汽缸。第二个是，以防止空气夹带系统。在关机时，单向阀和泵切断系统可以防止系统来自油泵的油流回油箱，避免了对空气的混合，以确保顺利启动。 5.3.2 速度控制回路液压机械臂各种体育速度控制，主要是改变流入钢瓶问：控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用节流流截面来改变电机的油进入气缸或流 ;另一种是采用变排量泵，更换机油泵容积。本机械手采用定量油泵节流调速回路。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用 LI 型单向节流阀、 LCI 型单向节流阀或QI 型单向调速阀等进行调节。节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。使用的节流阀节流，当负载的变化会引起气缸的速度变化，从而使速度稳定性差。其原因是，在负载变化将导致液压缸速度的变化，高速稳定性较差。其原因是，负载变化引起的压力油入口和出口节流的变化，从而通过节流阀，以及所述变速缸的流量。与负载控制阀可自动调节的变化和无负荷变化时，通过气缸的流速稳定的速度稳定性要求的场合，它是适合于实现节流控制阀。 5.3.3 方向控制回路用于控制各汽缸的液压系统的机器人，运动和电机的方向打开或关闭油，通常是由两个通，两个三，二位三通电磁阀及电动液压滑阀，电控系统发送的电信号来控制电磁nts 20 阀换向，电机油舱和换油实现直线往复运动和正向和反向旋转。目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（ D 型）和直流电磁阀（ E 型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为 220V（也有 380V 或 36V），直流电磁阀的使用电压一般为 24V（或 110V）。这里采用交流电磁阀。 AC 电磁阀，起动性能好，换向时间短，接线简单，价格低廉，但是当烟雾不容易烧坏，可靠性差，减刑有一定的影响，使换向频率端，寿命较短。 5.4 机械手的液压传动系统映射的液压系统的液压操纵器的一个主要设计。各种液压组件的液压系统图，以满足要求的机器人运动的有机连接图。它通常包括一些典型的压力控制，流量控制，方向控制电路组成一些特殊用途的电路。画出的液压系统图的一般顺序是：首先确定在燃料箱和泵，然后在中间配置的控制调节回路的组件和相应的其他辅助设备，从而构成整个液压系统和液压系统图形符号，绘制液压原理。 5.4.1 自动机械手液压系统原理介绍图 9 机械手液压系统图液压系统原理如图 9 所示。该系统选用功率 N =7.5 千瓦的电动机，带动双联叶片泵nts 21 YB-35/18 ，其公称压力为 60105 帕，流量为 35 升 /分 +18 升 /分 =53 升 /分，系统压力调节为 30105 帕，油箱容积选为 250 升。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同时供油；手臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有小油泵供油，大泵自动卸荷。手臂伸缩、手臂升降、手臂回转、手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀（ QI-63B、 QI-25B、 QI-10B）回程节流，因而速度可调，工作平稳。设置有单向阀序列的臂提升缸滑，可以调整顺序阀保持打开状态，在活塞上的弹簧力时，活塞杆和轴承流体在压力下所造成的武器等权重。提升缸的上部腔室，工作油的泵的输出压力油进入，以使该阀处于增加的压力的作用，活塞向下移动。当活塞上升时，通过单向阀进入下腔的流体压力的升降油缸阀不被阻碍的顺序，使单向阀，以克服臂的重量等，为了防止下降，滑手指夹紧缸带单向阀，当手指夹紧工件系统压力波动保证手指工件的牢固。当反向进油时，油箱的油通过控制阀打开顶端单向的，从而使油折回，油箱。在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支路前串有减压阀（ J-10），使定位油缸获得适应压力为 1518105 帕，同时还给电液动滑阀（或称电液换向阀， 34DY-63B）来实现，空载卸荷不致使油温升高。系统的压力由溢流阀来调节。此系统四个主压力油路的压力测量，是通过转换压力表开关（ K-3B）的位置来实现的，被测量的四个主油路的压力值，分别从压力表（ Y-60）上表示出来。 5.5 机械手液压系统的简单计算计算的主要内容是，根据所需要的输出的致动器力和速度的大小来决定的气缸内的流动速率和结构，液压系统是必需的，以确定总的油流来选择泵的马达泵的规格和选择的功率。确定各控制阀，并通过该装置的流量和压力的辅助参数。在本机械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式油缸（可以使输出轴得到小于 360的往复回转运动）及无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）。 5.5.1 双作用单杆活塞油缸 nts 22 图 10 双作用单杆活塞杆油缸计算简图流量、驱动力的计算当压力油输入无杆腔，使活塞以速度1v运动时所需输入油缸的流量1Q为 1Q 2140Dv对于手臂伸缩油缸： 31 0 .9 8 /Q c m s，对于手指夹紧油缸： 31 1 .0 2 /Q c m s，对于手臂升降油缸： 31 0 .8 3 /Q c m s。油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力1P即油缸的驱动力为： 2114P D P对于手臂伸缩油缸：1 196PN，对于手指夹紧油缸：1 126PN，对于手臂升降油缸：1 320PN当压力油输入有杆腔，使活塞以速度2v运动时所需输入油缸的流量2Q为： 2222()40Q D d v对于手臂伸缩油缸： 31 0 .8 7 /Q c m s，对于手指夹紧油缸： 31 0 .9 6 /Q c m s，对于手臂升降油缸： 31 0 .7 2 /Q c m s油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力2P即油缸的驱动力为： nts 23 2221()4P D d P对于手臂伸缩油缸：1 172PN，对于手指夹紧油缸：1 108PN，对于手臂升降油缸：1 305PN 计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷 P 为 P P P P P P 工导回封惯其中 P工为工作阻力 P导导向装置处的摩擦阻力 P封密封装置处的摩擦阻力 P惯惯性阻力 P回背压阻力 8 3 1 2 5 6 6 8 0 2 0 8 5 6 2PN 确定油缸的结构尺寸油缸内径的计算油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即 1PP（无杆腔） = 2P（有杆腔）油缸（即活塞）的直径可由下式计算 14 1 . 1 31PPD厘米（无杆腔）对于手臂伸缩油缸： 50D mm ，对于手指夹紧油缸： 30D mm ，对于手臂升降油缸： 80D mm ，对于立柱横移油缸： 40D mm 或 2411P P dDP 厘米（有杆腔）油缸壁厚的计算：依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： nts 24 2PD 计厘米 P计为计算压力油缸材料的许用应力。对于手臂伸缩油缸： 6mm ，对于手指夹紧油缸： 17mm ，对于手臂升降油缸： 16mm ，对于立柱横移油缸 : 17mm 活塞杆的计算可按强度条件决定活塞直径 d 。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即 24Pd即 4 ()Pd c m对于手臂伸缩油缸： 30d mm ，对于手指夹紧油缸： 15d mm ，对于手臂升降油缸： 50d mm ，对于立柱横移油缸： 16d mm 5.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）图 11 齿条活塞缸计算简图 nts 25 流量、驱动力的计算 2133DdQ 当 103D mm ， 40d mm ， 0 .9 5 /ra d s 时 952QN 作用在活塞上的总机械载荷 P P P P P P 工回封惯其中 P工为工作阻力 P封密封装置处的摩擦阻力 P惯惯性阻力 P回背压阻力 6 6 1 0 8 2 0 8 3 8 2PN 油缸内径的计算根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得 4PDp45D mm 5.5.3 单叶片回转油缸在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，其计算简图如下： nts 26 图 12 回转油缸计算简图流量、驱动力矩的计算当压力油输入回转油缸，使动片以角速度运动时，需要输入回转油缸的流量 Q 为： 223 ( )400b D dQ 当 100D mm ， 35d mm ， 35b mm ， 0 .9 5 /ra d s 时 30 .0 2 /Q m s 回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩 M ： 22()8bP D dM 得 0.8M N m 作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩 M M M M M M 工回封惯其中 M工为工作阻力矩 M封密封装置处的摩擦阻力矩 M惯参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩 M回回转油缸回油腔的背反力矩 2 . 3 0 . 8 5 1 . 2 2 1 . 0 8 5 . 4 5M N m nts 27 回转油缸内径的计算回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得： 28MDdbp30D mm 5.5.4 油泵的选择一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力 P 泵和最大流量 Q 泵来确定。确定油泵的工作压力 P 泵 P 泵 PP 式中 P 油缸的最大工作油压 P 压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失。 P 泵 = 560 10 Pa 确定油泵的 Q 泵油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量 Q 最大，并考虑系统的总泄漏来确定 Q 泵 = KQ 最大其中 K 一般取 1.101.25 Q 泵 =53 升 /分 5.5.5 确定油泵电动机功率 N 612PQN 式中 P 油泵的最大工作压力 Q 所选油泵的额定流量油泵总效率 N=7.5（千瓦） nts 28 第六章 PLC 控制回路的设计 6.1 电磁铁动作顺序表 1 电磁铁的动作顺序表序号电磁铁1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 6DT 7DT 8DT 9DT 10DT 11DT 12DT 13DT 14DT 1 插定位销 + 2 手臂前伸 + + 3 手指张开 + + 4 手指闭合 + 5 手臂上升 + + 6 手臂回缩 + + 7 立柱横移 + + 8 手腕回转 + + 9 拔定位销 10 手臂回转 + 11 插定位销 + 12 手臂前伸 + 13 手臂中停、大泵卸荷 + + 14 手指张开 + + 15 手指闭合 + 16 手臂缩回 + + 17 手臂下 + + 动作 nts 29 降 18 手腕反转 + + 19 拔定位销 20 手臂反转 + 21 立柱回移 + 22 待料卸荷 + + 23 注： +表示电磁铁线圈通电 6.2 根据机械手的动作顺序表，选定电磁阀、开关等现场器件相对应的 PLC 内部等效继电器的地址编号，其对照表如下：表 2 现场器件与 PLC 内部等效继电器对照表现场器件内部继电器地址说明输入 1SB 2SB 3SB 1ST 2ST 3ST 4ST 5ST 6ST 7ST 8ST 9ST 10ST X000 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X007 X010 X011 X012 X013 X014 启动按扭连续启动按扭连续停止按扭手腕回转限位开关手腕反转限位开关手臂回转限位开关手臂反转限位开关手臂上升限位开关手臂下降限位开关手臂前伸限位开关手臂缩回限位开关立柱横移限位开关立柱移回 nts 30 输出 1DT 2DT

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