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近距离自动移动式机械手臂设计——气压驱动式.doc

JD01-109@近距离自动移动式机械手臂设计——气压驱动式

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机械毕业设计全套
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JD01-109@近距离自动移动式机械手臂设计——气压驱动式,机械毕业设计全套
内容简介：
1 PLC 控制机械手设计 机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。 1、机械手传送工件系统示意图，如图 1 所示。 图 1 机械手传送示意及操作面板图 nts 2 2、输入和输出点分配表 及原理接线图 表 1 机械手传送系统输入和输出点分配表 名 称 代号 输入 名 称 代号 输入 名 称 代号 输出 启动 SB1 X0 夹紧 SB5 X10 电磁阀下降 YV1 Y0 下限行程 SQ1 X1 放松 SB6 X11 电磁阀夹紧 YV2 Y1 上限行程 SQ2 X2 单步上升 SB7 X12 电磁阀上升 YV3 Y2 右限行程 SQ3 X3 单步下降 SB8 X13 电磁阀右行 YV4 Y3 左限行程 SQ4 X4 单步左移 SB9 X14 电磁阀左行 YV5 Y4 停止 SB2 X5 单 步右移 SB10 X15 原点指示 EL Y5 手动操作 SB3 X6 回原点 SB11 X16 连续操作 SB4 X7 工件检测 SQ5 X17 nts 3 3、操作系统 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图 3 所示。 其原理是： 把旋钮置于回原点， X16 接通，系统自动回原点， Y5 驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则 X6 接通，其常闭触头打开，程序不跳转（ CJ 为一跳转指令，如果 CJ 驱动，则跳到指针 P 所指 P0 处），执行手动程序。之后，由于 X7 常闭触点，当执行 CJ 指令时，跳转到 P1 所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既 X6 常闭闭合、 X7 常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。 4、回原位程序 回原位程序如图 4 所示。用 S10S12 作回零操作元件。应注意，当用 S10S19 作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043 置 1。 nts 4 5、手动单步操作程序 如图 5 所示。图中上升 /下降，左移 /右移都有联锁和限位保护。 nts 5 6、自动操作程序 自动操作状态转移见图 6 所示。当机械手处于原位时，按启动 X0 接通，状态转移到 S20，驱动下降 Y0，当到达下限位使行程开关 X1 接通，状态转移到 S21，而 S20 自动复位。 S21 驱动 Y1 置位，延时 1 秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当 T0 接通，状态转移到 S22，驱动 Y2 上升，当上升到达最高位， X2 接通，状态转移到 S23。 S23 驱动 Y3右移。 移到最右位， X3 接通，状态转移到 S24 下降。下降到最低位， X1 接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1 秒。延时时间到， T1 接通，状态转移到 S26 上升。上升到最高位， X2 接通，状态转移到 S27 左移。 左移到最左位，使 X4 接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。 在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。 7、机械手传送系统梯形图 如图 7 所示。图中从第 0 行到第 27 行为回原位状态程序。从第 28行到第 66 行，为手动单步操作程序。从第 67 行到第 129 行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图 3 的操作系统运行的。 nts 6 回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以 RET 结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态 S1。而自动操作程序能自动返回初态 S2。 nts 7 8、指令语句表 nts 南 京 理 工 大 学 毕业设计 (论文 )前期工作材料 学生姓名 : 唐晓静 学 号： 0101140104 学院 (系 ): 机械工程学院 专 业 : 机械设计制造及其自动化 设计 (论文 )题目 : 近距离自动移动式机械手臂设计 气压驱动式 指导教师 : 吕夏 副高 (姓 名 ) (专业技术职务 ) 材 料 目 录 序号 名 称 数量 备 注 1 毕业设计 (论文 )选题、审题表 1 2 毕业设计 (论文 )任务书 1 3 毕业设计 (论文 )开题报告含文献综述 1 4 毕业设计 (论文 )外文资料翻译含原文 1 5 毕业设计（论文）中期检查表 1 2005 年 6 月 nts 南 京 理 工 大 学 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 唐晓静 学 号： 0101140104 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 设计 (论文 )题目 ： 近距离自动移动式机械手臂设计 气压驱动式 指 导 教 师 : 吕夏 2005 年 3 月 31 日 nts 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成 ，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 15篇（不包括辞典、手册）； 4 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2004 年 3 月 15 日”或“ 2004-03-15”。 nts 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。 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。 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组成。 （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。 2、 手腕 是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。 3、 手臂 支承手腕和手部的 部件，用以改变工件的空间位置。 4、 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。 5、行走机构 机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。 滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。 6、机座 它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基座上， 故 起支承和联接的作用。 （二）驱动系统 机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。 nts 1、 液压传动 是 以 油液的压力来驱动执行机构运动。其主要特点是：抓重可达几百 公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。 但对密封装置要求严格，不然有的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在 高温、低温下工作。 2、 气压传动 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动。其主要特点是介质来 源极 方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性差，而且气源压力较低，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 3、 机械传动 即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动。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，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于为工作主机的上、下料。 4、电力传动 即由特殊结构的感应 电动机、直线电机 或功率步进电机直接驱动执行机构运动 ，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。 其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 （三）控制系统 有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。它是机械 手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给与 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进度达到设定位置。 这里介绍 我将要做的 近距离 自动移动式机械手臂设计 气压驱动。 一、 气源系统 压缩空气是保证气动系统正常工作的动力源，空气压缩机是将动力机供给的机械能转换成气体压力能的一种能量转换装置。 二、气动执行机构 气动执行机构由气缸和气动马达。气缸是利用压缩空气的压力能转换为机械能的一种 能量转换装置。它可以输出力，驱动工作部分作直线往复运动或往复摆动。 气缸nts 可分为：单向作用式气缸和双作用式气缸。气动马达是把压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换装置， 其作用同于液压传动的油马达。它输出力矩，驱动机构作回转运动。 三、空气控制阀 1、 压力控制阀 分为：调压阀、安全阀和顺序阀等。 2、 流量控制阀是用来调节和控制压缩空气的流量、流速以改变执行机构的工作速度。流量控制阀主要有节流 阀、单向截流阀和排气节流阀等。 3、方向控制阀是用来控制气流的方向、 气路的通断，从而使执行机构的动作发生变化的气动原件。方向控制阀在整个气动元件中数量占有相当大的比例，并在气动系统中起着神经中枢的作用。 四、气动基本回路 1、方向控制回路主要有：单作用气缸中间停止回路， 双作用气缸换向回路，双作用气缸的活塞可在任意位置停止的回路，延时控制回路。 2、速度控制回路主要有：单作用气缸的速度控制回路，双作用气缸单向速度控制回路，双作用气缸双向速度控制回路，双作用气缸速回运动控制回路，双缸同步动作的速度控制回路，缓冲 回路。 五、其他部分 行走机构有：车轮式行走机构，履带式行走机构，步行式行走机构。 六、机械手的发展趋势： 机械手目前多数应用于机床、模锻 压力 机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按事先制订的程序完成操作，但 普通不具备传感反馈能力， 不能应付外界的变化。如发生某些偏离时 ，将引起零件甚至机械手本身的损坏。 为此，机械手发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，设它拥有一定的传感能力， 能反馈外界条件的变化作相应的变更， 如位置发生稍些偏 差时即能更正，并自行检测。重点是研究视觉功能，将机械手和柔性制造系 统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态。 主要参考文献： 1 曹承志 .电机、拖动与控制学 .第 3 版 . 北京：机械工业出版社 .2000 2 王庭树 .机器人运动学及动力学 .第 2 版 . 西安：西安电子科技大学出版社， nts 1990.12 3 孟繁华 .机器人应用技术 .第 1 版 . 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 1989.6 4 马香峰 .机器人机构学 .第 1 版 .北京：机械工业出版社 .1991.9 5 赵锡芳 .机器人动力学 .第 1 版 .上海：上海交通大学出版社， 1992.12 6 高松海 .遥控机器人 .第 1 版 .北京：原子能出版社， 1981 7 孙耀明 .微型机算计在机器人技术中的作用 .第 1 版 .北京：科学技术文献出版社， 1987 8 路甬祥 .液压气动技术手册 .第 2 版 .北京：机械工业出版社 .2002 9 陈奎生 .液压传动与气压传动 .第 1 版 .武汉：武汉理工大学出版社， 2001.8 10 何存兴 .张铁华 .液压传动与气压传动 .第 3 版 .武汉：华中理工大学出版社， 1998 11 宋学义 .袖珍液压气动手册 .第 1 版 .重庆：重庆大学出版社， 1997 12 机械工业部 .中小型电机产品样 本 .第 1 版 .北京：机械工业出版社 ， 1995 13 李发海 .王岩 .电机与拖动基础 .第 1 版 .北京：清华大学出版社， 1994 14 诸静 .机器人与控制技术 .第 1 版 .浙江：浙江大学出版社， 1991 15 熊有伦 .丁汉 .刘恩沧 .机器人学 .第 1 版 . 机械工业出版社， 1993 16 吴广玉 .姜复兴 .机器人工程导论 .第 1 版 .哈尔滨工业大学出版社， 1988 nts 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人 劳动条件， 显著的提高劳动生产率加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本课题主要研究的问题是“近距离自动移动式机械手臂设计 气压驱动式”。设计包括两大方面，其中之一是自动行走部分，另一部分为手臂的运转。采用同一驱动能源 气泵。行走部分可以采用气压马达带动两轮转动。气压泵固定在某处，用一软管将泵与马达相连， 马达安装在行走装置中。运动手臂的直线运动用气缸来实现，旋转运动用气压马达来实现。分析手臂的受力，考虑到整个装置的平衡。行走的时候手臂不动，手臂运动的时候，行走部分停止运动。 行走部分我采用滚轮式， 用轮子在地面上滚动的方式完成行走运动时比较稳定的，应为轮子总是离不开地面的。运动手臂采用三个自由度，分别为上升下降，前后和转动。 nts 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 指导教师意见 ： 1对“文献综述”的评语： 该生对机器人的类型及应用领域已比较清楚，说明该生已阅读了一定的相关资料。 并对毕业设计任务所要面临的问题有了初步的了解，并已明确了设计任务中所要用到的气动原件，为开展毕业设计奠定了良好的基础。该生的开题报告已达到了学校规定的要求。 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对 设计（论文）结果的预测： 该生的设计任务适中 ，且已明确了目标，故预计能够圆满完成毕业设计任务。 指导教师： 吕夏 2005 年 4 月 13 日 nts 所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 nts 南 京 理 工 大 学 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 唐晓静 学 号： 0101140104 学院 (系 ): 机械工程学院 专 业 : 机械设计制造及其自动化 题 目 : 近距离自动移动式机械手臂设计 -气压驱动式 指导者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2005 年 6 月 吕夏 副高 nts毕业设计说明书（论文）中文摘要 机械手 是能够 模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。 在机械制造业中，机械手已被广泛应用， 从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。在我国，工业机械手近年来有较快的发展，投入了大量的人力物力加以研究和应用，并且很好的效 果。 本课题主要研究的问题是“近距离自动移动式机械手臂设计 气压驱动式”。设计包括两大方面，其中之一是自动行走部分，另一部分为手臂的运转。采用同一驱动能源 气泵。行走部分可以采用气压马达带动两轮转动。气压泵固定在某处，用一 根 软管将泵与马达相连，马达安装在行走装置中。运动手臂的直线运动用气缸来实现，旋转运动用气压马达来实现。行走的时候手臂不动，手臂运动的时候，行走部分停止运动。 关键词 机械手 气压驱动 自动 移动 气泵 nts毕业设计说明书（论文）外文摘要 Title THE DESIGN OF MECHANIC ARM MOVING AUTOMATICLY IN CLOSE RANGE-THE DRIVE OF ATMOSPHERIC PRESSURE Abstract Manipulator is to be able to imitate manpower movement, and according to set program, locus and requirement substitute manpower to grab (inhale), take things or tool or the automation installation that operated， it can be partial to replace the handwork labor of person. The manipulator of higher level type can still imitate the arm movement of person， completes more complex work. In mechanical manufacturing industry, manipulator has been applied extensively， so improved the labor condition of worker greatly, raising labor productivity notably, quickly realize the step of industrial production mechanization and automation. In our country, industrial manipulator has more rapid development in recent years, have put in plenty of manpower material resources to study and apply， and get very good effect. The problem of this program major research is “ the design of manipulator arm moving automatically in close range - the drive of atmospheric pressure ” . Design includes two big aspects, one is pushcart move part,the other is the operation of arm. They both With same drive energy - air pump. Walk part can drive two wheels to turn with the motor of atmospheric pressure. The pump of atmospheric pressure fixed in certain place, use a flexible tube linked the pump and motor, motor installation in walk part. The movement of arm in straight line realizes with cylinder, revolving movement realizes with the motor of atmospheric pressure. Walking arm do not move, when the arm moving, walk part stop sport. nts Keywords Manipulator The drive of atmospheric pressure Automatic movable Air pump nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页 目 次 1 引言（或绪论） 1 1.1 机械手及其组成 1 1.2 机械手 的分类 2 1.3 应用机械手 的 意义 3 1.4 机械手的发展概况 3 2 机械手的设计 5 2.1 机械手设计的总体方案 5 2.2 机器人的规格参数 6 2.3 气动部件设计的简要分析 7 3 机械手的计算 17 3.1 设计手臂结构应注意的问题 17 3.2 小车的设计及计算 23 4 机械手臂的工作原理 21 4.1 气动原理图 25 4.2 电磁铁动作程序表 27 4.3 机械手的缓冲和定位 28 结论 29 致谢 30 参考文献 31 附录 A 装配图 28 附录 B 零件图 28 nts 1 附件 1：外文资料翻译译文 机器人应用的用户指南 工业机器人的应用的发展 和运用 能够通过一个符合逻辑顺序的方法来 被很好的 探讨。由于机器人内部固有的限制，仔细考虑这些限制对任何一个机器人的成功应用是很重要的。 对 一般 固定位置索 引的选择，机器人应用的短周期的方法包括：更长更复杂的周期；有跟踪系统， 不 同 寻常 的姿势及 位置的机器人和 分步操作 代替 工具操作的流水线操作等的平行操作 。 维护和编程应该由 受过机构内部培训的人员来操作，而不是签订服务合同的制造商。 在应用中 大多数设备维护人员 都要有必需的专门知识 并且他们的职责应该包括编 程和维护机器人。 介绍 在 生产 操作 中 工业 机 器人的使用是制造工程的一个比较新的方面。机器人的应用的发展和运用 一般跟随着像 其它 任何制造过程一样的步骤。然而，为了成功应用， 机器人的灵活性和局限性的独特结合还需要一些特殊的考虑。 通过对机器人十年的实践以及它们在汽车集中制造的各种各样的任务中的使用， 一个对机器人应用的系统而有序的方法已经在这里产生和 提出了。一些选择“传统的”机器人的方法也已被提出并且它们的潜在优势已被发掘了。 维护和编写程序的必要条件也已被考察并且机构内部的性能在这些领域的发展也被讨论了。 一个 基于实 际经验 经过慎重考虑的 标明了 “要做什么”和“不要做什么” 的列表来做为机器人应用发展的检查清单。 应用发展 机器人应用发展的第一步是去熟悉它们的潜在能力并且使设备的限制变为可行的。今天的机器人从简单选择并放置设备到多路线变化，计算机用从 几盎司到半 吨或者更多吨的处理能力和在操作中在固定的方位上停止， 点位控制 或是 连续轨迹运动 控制机器。为了简化这项任务，首先要决定你想让机器人 执行什么操作然后集中精神的查看一下有能力执行这些工作的机器。例如，如果你想把胶水、油漆或相似的材料涂到一个物体上（它通常包括一个喷雾器），你将有 可能需要nts 2 一个连续轨迹 控制 的 机器，这个机器能够缩小相当大的搜索范围。 从机器人制造商那里可以获得很多详细的信息，这些信息能够作为数据的主要来源。为了使分析更简单，开发一 个模型，这样可以直接的对如负载能力 、削减的数量、工作面、存贮容量 、控制系统、速度、价格，购买权等等这些方面进行比较，这样能够快速的在各种各样的机器人中作出决定。这个模型在转变成具体的实物应用时将成为一个有价值的参考工具。 同时也要记录可以得到机器人的其他一些 独特的特征以供将来参考。做关于各种各样机器人能力和缺陷等具体问题的笔记并且和制造商一起讨论 一下。实际上， 你对可用设备越熟悉， 确定是否任何机器都有做这项具体任务的能力就 越简单，其次可以缩小范围进行充分的选择。 用所有的这些知识来武装 自己， 你就有能力对潜在的应用做一个 最初的调查了 。某种意义上讲，寻找 的这个任务应该符合这些标准： 根据负载，工作面和复杂性等方面，操作必须在机器人的能力范围之内； 不可以要求用来判断除了简单关系外的操作，并且这些操作必须符合机器人的使用标准。 首先这些标准不能 超越机器人的能力，必须相当确定的按照工作量和工作范围。这个任务的 复杂度将决定存贮容量 和 /或者所需的控制复杂度，同时还有 必须的运动所减少的次数。 按照判断需求，除了它编程好的位置，机器人完全依赖于外部信息。 一个部分的偏离或缺少就是一个比特的信息，这些信息通常是必要的并且提供这些信息是很容易被做到的。然而，决定这个部位是好是坏可能明显的更困难并且如果这个决定是必要的，你就应该考虑到另外一些任务的机器化。应该有这样一个想法，一个机器人是一个通过编程而移动和在空间不同位置停止 的装置，它以一个相当高的精度和重复度来执行这项工作；然而，如果要处理的物体或者工作不是以至少相似的精度连续定位的，那么机器人就不可以了。同样的，如果机器人用工 具处理故障，即使它不完成 任何事情，机器人仍然会按其原本的轨迹运动。 最后的标准正当的应该包括一些因素，例如：经济，健康状况，安全性，工作强度或生产质量，至少在最初的调查阶段，你将需要一些指导或方法来引导你。 你的最初调查将产生一个潜在应用的列表，这个列表将需要更多的详细的调查来补充它。在进行这一步之前，和 各种各样的能完成这些工作的机器人的制造nts 3 商洽谈一下，就你现有的机器人模型的性能决定向那家制造商咨询。要求他们的应用工程师看一下你的清单上所列的工作并且对其中每个做一下评价。在这个过程中， 他们也将了解一下你所忽 略的潜在问题。极力建议你多找几个生产商看一下你所列的工作，至少要两个，而且如果可能 的话越多的意见越 好。 如果只有大概三分之一的意见是积极的， 那么至少要在你有更多经验的时候你 才 可以通过这项工作。在可视过程中另外一个求助源可能是有相似机器人应用的其他人（如果你知道一些）或者其他机器人的主要用户。通常制造商在这方面能给你一些指导。 即使你已经征求了他们的意见，但是谨慎的考虑一下制造商的意见和推荐还是很明智的。记住他们的工作就是卖机器人即使他们不可能故意误导，但有时他们也有些趋于“积极”。 经过初步的对 机器人潜在应用 的广泛调查， 你在细节上完全准备完毕 。为了机器人的第一次安装，在你的工作清单上选择最简单的工作 。 复杂的，不易懂的工作从工程立场 上 看更有挑战性并且可能甚至在投资上得到更大的回报， 但是最好避免试图去征服这些坚硬的机器人直到你已建立了相当程度的能力和合理的自信。 一旦首次应用被选定后，选好并了解工作。如果是一个手工操作（或将是）确保你对机器人所要做的每件事都要了解。记住，机器人在做决定的能力上是及其受限制的 ， 确保机器人不要用感官如看或摸， 这些都是它所没有的或者它不能够做出有价值的判断。同时，保证你所见的每件事都是机 器人必须做的。 不要被那些机器人不能处理 但人也不能做到的行为和过程所误导。 在这一点上，建议你考虑一些别的选择，而不是要机器人做手边上的工作。如果这项工作用专用自动化设备来做更简单更廉价，并且这种自动化设备在短期内不会被淘汰 的话 ，那么机器 人 就不是最好的选择 了。换句话说，不要轻易的使用机器人因 为它们 还 是新颖的独特的。 要注意的另外一件 事是从某种意义上讲 ， 固定一个机器人的可能优势 并不是脚着地的 姿势，许多机器人可以是倒立的，在工作位置上悬 挂的或者是悬在墙上的或者是相似的支撑。机器人的一个不同寻常的姿势可能对解决另外的难题提供一个简单的解决方法。 但你必须选择一个能操作你已为它设定好的不同姿势的机器人， 并且考虑把通常的拿着工具去工作的方式倒过来让机器人带着工作去设计nts 4 工具。 在分析工作中，应尽力 预先考虑 和这项工作相关联的 所有有可能出错的东西 ，这也是许多明显比较简单的运用失败的地方。例如：如果这个操作是要求将零件转移到传输机上。 钩子或篓筐会停在同一个地方吗？ 当传输机停止钩子会稳定吗或是像钟摆一样摇摆呢？输送进来的零件会经常在同一个地方或是朝着同一个 方向吗？如果传输机在机器人准备好之前拿了另一个零件，会有什么事发生呢？如果机器人错过了一个钩子，它将做什么呢 ， 再试一次或是等待下一个钩子？甚至它知道自己错过了吗？假设在下一次操作中来了一个空的钩子，将会是什么结果呢？记住机器人 执行工作是有一系列的顺序的并且很多都不能改变它们的工作方式。在查看操作上花点时间，大多数问题将会最终避免掉。在你看得时候站在机器人的角度上思考一下，想像它在执行任务中将经历的动作。 下一步要考虑的是为 你的机器人做好一个辅助系统。虽然机器人已相当的可靠（长时间的实践 平均可达 98%），但它 们仍然有坏的时候。 为了保证在机器人坏的时候不会造成生产的损失，辅助系统是必须被提供的。 这个辅助系统能简单的存储若干的零件把它放到后来的操作中或 者 是 一个手工的备份系统。在多机器人安装时，用机器人自己来互相安装将是有可能的 ，但这将可能不会提供 100%的生产效率。开发一个辅助系统所要考虑的另一点是：当机器人坏了后，将不可能很快回到流水线上，它通常是一个复杂的装置并且即使是一个经验丰富的人员进行故障查找也是相当慢的。 现在，你将为你的特殊任务来选择机器人做好准备并且设计应用。确保所选的机器人 做这工作时的 速度、 存贮、 编程能力、负 载能力上能达到要求。 如果可能的话提供一些额外的能力。不要忘记 了机器人的负载也包括工具部分并且高速操作也能使设备上的惯性负载明显增加。 考虑 一下 环境，内部安全和防爆性可能被要求或者机器人被保护 而 不受灰尘、油漆喷涂、金属微粒，过热等的危害。 一旦 选好机器人，为安装做一个布局来决定它的位置、可能的干涉、设备所需的变动等， 这时也要决定在机器人和其他设备之间需要什么结合面和设备供应的打算像电力、压缩的空气、冷却水等。为了保护 那里的工作人员（记住 机器人是看不见的）足够的连锁装置和保护装置是必须被提供的并且也要 保护机器不受材料处理器和其他的可能伤害。 末端执行器 作业也必须被提供。这里机器人制造nts 5 商 将能帮助你尤其在设计零件抓紧装置的操作设备上。如果需要线性跟踪 ， 一个合适的反馈装置的安装和交互必须被提供 。而且，当机器人坏了 的时候 ，要提供一个辅助系统为了保护生产、 备用零件和用来维护的测试设备。 假若你已有安装的资格和已经预订了机器人， 你应该为安装尽可 能的多做些准备工作。服务的落实，场地的准备，连接界面，布局和末端执行器 作业都应提前做好。 在机器人来之前应该先在制造商的设备上进行 维护和编程的训练，但是不要太过提前而且一些最新的 训练还是要现场被 安排。 当机器人来时， 安装和内部连接就可以完成了，维护训练能够被执行并且程序也将产生。一般，在安装和启动时 ，像安装任何新的设备一样你将会遇到一些启动问题，这时 机器人制造商将 会 提供帮助。 程序将必须被改善，工具被调整，时间和连锁装置被一致化等等。然而，如果你已经做了工程应用的整个工作，这些启动时的问题将减少。 一旦进行生产，要对操作进行一段时间相当严密的监控。保 留 停机时间的轨迹（做个记录是很好的方法）以便你能够辨认要出现的问题，不只对机器人而且对周围的设备。在某种意义上讲，你应该对预算和实际花费 做一下比较， 储蓄和性能供将来参考。当然，连续的对操作进行监视将会有改善的方法。 nts 6 南 京 理 工 大 学 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 学院 （ 系）： 机械工程学院 专 业： 机械设计及其自动化 姓 名： 唐晓静 学 号： 0101140104 外文出 处： INDUSTRIAL ROBOTS 附 件： 1.外文资料翻译译文； 2.外文原文。 指导教师评语： 签名： 年 月 日 注： 请将该封面与附件装订成册。 (用外文写 ) nts 7 附件 2：外文原文 （复印件） nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 31 页 驱动部分 传送机构 控制部分 行程检测装置 手部 传感装置 被传送物件 1 绪论 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。 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。 1.1 机械手及其组成 1.1.1 什么是机械手 机械手是一种 能模仿人手臂的某些动作功能， 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。 机械手是工厂企业高度自动化的标志，它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动，尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不适宜以人工工作的环境中，机械手起到了不可取代的作用。 1.1.2 机械手的组成 机械手的组成及其相互之间的 关系如图所示。 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组成。 （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。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 31 页 2、手腕 是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。 3、手臂 支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。 4、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。 5、行走机构 机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。 6、机座 它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基座上，故起支承和联接的作用。 7、其它部分 行程检测装置和传感装置等。 行程检测装置是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。 传感装置其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的位置是否准确、手指对物件的握紧力 是否与物件的重量相适应。 （二）、运动机构 使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 2 3个自由度。 1.2 机械手的分类 、 按机械手的使用范围分类： 专用机械手 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线， 用以自动的传送物件或操作某一工具。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。 通用机械手（也称工业机器人）即指具有可变程序和单独驱动的控制系统，又不从属于某种机器，而能自动地完成传送物件或操作某些工具的机械装置。 、 按机械手的驱动方式分类： 液压驱动机械手 以压力油进行驱动。 气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动。 电力驱动机械手 直接用电机进行驱动。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 31 页 机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。 、 按机械手臂力大小分类： 微型机械手 臂力小于 1公斤。 小型机械手 臂力为 1 10公斤。 中型机械手 臂力为 10 30公斤。 大型机械手 臂力大于 30公斤。 按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 1.3 应用机械手的意义 随着科学技术的发展， 机械手也越来越多地被应用。在机械工业中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。其它部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。 机械工业中，应用机械 手的主要目的： 一、可以提高生产过程的自动化程度。 应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 二、可以改善劳动条件、避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作时有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行工 作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 三、可以减少人力，并便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏进行生产。 综上所述，有效地应用机械手，使发展工业的必然趋势。 1.4 机械手的发展概况 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 31 页 1.4.1 对机械手的一般要求： 1、 降低机械手的成本 为了扩大机械手的使用范围，必须降 低机械手的成本。据统计，机械手电气控制装置所占成本的比重较大。 2、 品种多样化 为了适应不同工作的需要，应使的机械手的品种多样化，用机械手代替更多的人的手工劳动，进而实现生产过程的自动化。特别是那些工作比较单一、重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的工种，更应注意设计和使用各种类型的机械手。 3、 零件、部件系列化、通用化、标准化 为了加速扩大机械手的应用领域，应尽量缩短其设计和制造周期。这样，就要求机械手的某种零件、部件 (如手部、臂部等）系列化、通用化、标准化。然后，即可根据具体工作的需要，将 这些零件、部件（或再相应地增加一些其它零件、部件）进行组合，组成需要的机械手。当然，这样的机械手还应保证组合方便，一旦工作变更时，就能迅速而顺利的重新组合。 4、 产品性能应准确可靠 机械手的重要技术指标之一，就是其性能应稳定可靠。为此，要求设计合理，元件稳定，制造精确。 1.4.2 机械手的发展概况与发展趋势 机械手是机械、电子、计算机、液压液力与气压传动等多学科高新技 术融合的成果，是当代技术进步的典型范例。机械手通常用作机床或其它 机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心 中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手。 专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气压传动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视。 气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受 ，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统已被接受。由于气动技术与电子技术的结合，以及周边技术的成熟，在工业自动化领域里，气动机械手、气动机器人的实用性已经充分体现出来。因为气动伺服定位技术一出现，就受到工业界和学术界的高度重视，同时为气动机器人、气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 31 页 研制具有一定“感触”和“智力”的智能机器人。这种机器人，具有各种传感装置，并配备有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当起“大脑”，使它能“思考”、能“分析”、能“记忆”。用电视摄像机、测距仪、纤 维光学传感器、导光管或其它光敏元件作为“眼睛”，在其“视野”的范围内能“看”。用听筒和声敏元件等作“耳朵”能“听”。用扬声器等作“嘴”能“说话”进行“应答”。用热电偶和电阻应变仪等作“触觉”能“感触”。用滚轮或双足式的行走机构作为“脚”来实现自动移位。这样的智能机器人，可以由人用特殊的语言对其下达命令，布置任务。受令后的智能机器人，即可根据现场环境的各种条件或信息，独立地“分析”和“判断”并自编或自变程序的进行工作；能够自找（选择）物件的方位，字调握力的大小，自找传送路线以避开障碍物。因此，它将成为“无人化 ”系统的重要组成环节之一。 2 机械手的设计 2.1 机械手设计的总体方案 由于 本次设计的机器人需要 通过气缸来 实现机械手臂的 三个方向上的自由度如：手臂的 上下的升降运动、手臂的前后伸缩运动、手臂的回转运动以及 用气压马达来实现 小车按轨道 运动。总体设计方案如下面的框图所示： 机 械 手 手 臂 小 车 气压马达 减 速 装置 轮 子 空气压缩机 控制调节装置（各类阀类） 控制系统压力、运动方向、运动速度 气 泵 上下升降气缸 前后伸缩气缸 左右回转气缸 手指夹紧气缸 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 31 页 设计示意图如下所示 伸 缩伸降回转气压驱动近距离自动移动式机械手臂的结构示意图1 、 手 指 夹 紧 气 缸 2 、 手 臂 伸 缩 气 缸 3 手 臂 升 降 气 缸 4 、 回 转 气 缸 5 、 小 车5夹 紧 张 开 机械手的执行机构由于采用积木式连接，结构非常简单、实用。 2.2 机器人的规格 参数 该机械手属于圆柱坐 标式 。 （一） 机器 手的 参数： 1、主参数 机械手的最大抓重是 其规格的主参数，机械手最大抓重以 10公斤左右的为最多。故该机械手主参数定为 10公斤。 2、基本参数 运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低则限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。 该机械手最大移动速度设计为 1200 毫 米 /秒，最大回转速度设计为 1200/秒。平均移动速度为 1000 毫 米 /秒，平均回转速度为 900/秒。 机械手动作时有起动、停止过程的加、 减速度存在，用速度 行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。则手臂 前后伸缩平均速度为 1000 毫米 /秒，手臂上下升降平均速度为 500 毫米 /秒，手臂回转平均速度为 900/秒。 除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力 矩增 大而 使 刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为 600 毫米，最大工作半径 为 1500 毫米，nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 31 页 手臂安装前后可调 200 毫米。 手臂回转行程范围定为 2400，又由于该机械手设计成手臂安装方位可调，从而扩大了它的适用范围。手臂升降行程定为 150 毫米。 气压驱动 工作压力 P 为 4 6 公斤 /厘米 2。 机械手臂定位和缓冲采用 机械挡块和缓冲器定位； 定位精度为 0.5 1 毫米。 2.3 气动 部件设计的简要分析 1、 气缸 气缸是利用压缩空气的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。它可以输出力，驱动工作部分作直线运动或往复摆动。气缸是由缸体、活塞、活塞杆、密封件及紧固件等组成。气缸的种类很多， 主要有单作用气缸、双作用气缸、组合气缸，摆动气缸。单作用气缸又可分为柱塞式气缸、活塞式气缸、薄膜式气缸；双作 用气缸又可分为普通气缸、双活塞杆气缸、不可调缓冲气缸、可调缓冲气缸、活塞带导向杆气缸、串联式气缸；组合气缸又可分为气液阻尼缸和步进式气缸；摆动气缸又可分为单叶片摆动气缸和双叶片摆动气缸。 本次机械手的设计中 ： 手臂的 升降机构 中采用了单作用气缸中的柱塞式气缸，压缩空气推动活塞单方向向上运动，借助自重下降。结构简单又实用。 手臂的前后伸缩机构中采用了双作用气缸中的普通气缸，压缩空气推动活塞双 向运动，应用很广泛。 手臂的回转机构中采用了摆动气缸中的单叶片摆动气缸， 将压缩空气的能量变为回转运动的机械能，摆动角度小于 3600。刚开始打算采用两个直动气缸带动链条链轮或带动齿 条齿轮来获得回转运动，经设计方案的比较得出采用回转气缸的结构要紧凑 的多，所以还是采用了摆动气缸 。 手指夹紧气缸中我采用了单作用气缸中的活塞式气缸，压缩空气推动活塞但方向运动，借助弹簧力反向运动。结构简单，压缩空气用量较柱塞式少。 2、 空气控制阀 空气控制阀是气动控制元件，它 的作用是控制和调节气路系统中压缩空气的压力、 流量和方向，从而保证气动执行机构按规定的程序正常地进行工作。空气控制 阀按 其作用可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀三类。 压力控制阀根据它 的作用不同又可分为：调压法、安全阀和顺序阀。 流量控制阀是用来调节和控制压缩空气的流量、流速以及改变执行机构的工作速度。它主要有截流阀、单向截流阀和排气节流阀。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 31 页 方向控制阀是用来控制气流的方向、气路的通断，从而使执行机构的动作发生变化的气动元件。方向控制阀按阀内气流的方向分：单向型方向控制阀，它只允许气流沿一个方向流动。如单向阀、快速排气阀等；换向型方向阀，它可以改变 气流流动的方向。按控制方式分：电磁、气压、机械和人力等控制方法实现。按动作方式可分为：直动式和先导式。按联结方式分：管式连接、板式连接和法 兰 连 接 式连接。 本次机械手的设计中： 经过考虑和分析后，在 不光满足各气路 要求的条件下又考虑到控制阀的统一性 和方便性， 我 统一 选择了型号为 Q24D2H-15-S1的电磁方向控制阀。 各气缸凡能采用排气节流方式的，都通过电磁阀的排气口节流阻尼螺钉（锥面式）调速。 手臂前后伸缩气缸的气路上，在最接近气缸处，装有两个快速排气阀，以加快启动速度和调节全行程上的速度，同时通过调节阀又可 使其加速度限制在允许的范围内，以减少制动时的惯性冲击，提高定位精度。 手臂的上下升降则采用进气节流方式，用一个单向节流阀调整手臂的上升速度。下降（靠自重下降）速度仍有电磁阀排气口节流调整。 3、 气动基本回路 气动回路和液压回路相比，有几方面的不同； 一台气动机械手的气动系统有时比较复杂，但经过剖析却不外乎一些基本回路所组成。掌握了气动基本回路以后，对分析和设计气动机械手的气动系统都有较大的帮助。 第一， 空气压缩机输出的压缩空气首先储存于储气罐中，然后供给各个回路使用。画气动回路图示空气压缩机常省略不画，但设计气 动东回路时，不要忘记考虑气源的能力。 第二， 气动回路使用过的空气是经排气口排入大气的，因而不设回气管道来回收空气。 第三， 由于空气的粘性很小，在管路中的压力损失较小。因此，在尽量缩短气动管路的情况下管路仍然很长，并不妨碍使用。 由于气动执行机构中，以气缸应用最广泛，故下面所论及的基本回路均以气缸为其执行机构。设计机械手的气动系统时，最简便的方法是把选定的完成不同任务的基本回路组合起来。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 31 页 气动基本回路的种类 ： 气动基本回路的种类很多，为了便于设计机械手的气动回路，仅将气动基本回路按方向控制回路和速度控制回路两方面加以叙述。 方向控制回路 （一） 单作用气缸中间停止回路（图 2-1） 这种回路可使活塞停在气缸中间的任意位置。当三位三通电磁阀的滑阀处在中间位置时，气缸的通路封闭，活塞停止运动。滑阀处在位置 I 时，活塞下腔进气，推动活塞杆伸出。滑阀处在位置 II 时，活塞下腔排气，弹簧力推动活塞下行。 （二） 双作用气缸换向回路（图 2-2） 采用二位五通单电控滑阀控制活塞双向运动。图示位置，活塞右腔进气，左腔排气，活塞向左运动。滑阀切换后，活塞左腔进气，右腔排气，实现了气缸活塞的换向。这种回路时双作用气缸的最基本的换向回路。 （三） 双作用气缸的活塞可在任意位置停止的回路 图 2-3 所示为单活塞杆气缸的这种回路。它采用中封式三位五通双电控滑阀，当滑阀处在中间位置时，各口互不相通，活塞可停留在气缸的任意位置。这种回路不允许有漏损，这样才能保证气缸可靠地工作。在气缸终端需要保持活塞固定的停止位置时，也使用这种回路。 图 2-4 所示为双活塞杆气缸的这种回路。它采用中封式三位五通双电控滑阀，当滑阀处在中间位置时，压缩空气同时与活塞左、右两腔相通。因两腔活塞的有效受压面积相等，从 而保证了活塞两腔同时受压时，活塞能停留在任意位置。但当外界加在2 2 双作用气缸换向回路 2 1 单作用气缸中间停止回路 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 31 页 活塞杆上的轴向力不平衡时，则活塞停止的位置不稳定。为了克服这个缺点，可增设调压阀进行压力调解，控制活塞两侧压力平衡，如图 2-5 所示。这种回路可允许有少量漏损，比采用中封式阀较可靠。 （四） 延时控制回路 图 2-6 所示的延时控制回路，为控制信号 A 使二位四通 单 气 控滑阀 1 切换时，压缩空气经阀 1、单向节流阀 3 向气容 4 充气，经过一定的时间，气容压力达到一定数值，控制二位三通气控阀 2 切换。压缩空气经阀 2 的 B 口输往执行机构。信号 A 取消后，阀 1 又弹簧复位，压缩空气 控制阀 2 也复位而关闭， B 口无输出。气容 4 中的空气经阀 3 的单向阀、阀 1 而排空。 延时控制回路用于不允许使用时间继电器的场合，如易燃、易爆和大粉尘的场合。 1422 4双活塞杆气缸任意位置停止回路 2 3 单活塞杆气缸 任意位置停止回路 2 5 带调压阀的双活塞杆气缸任意位置停止回路 2 6 延时控制回路 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 31 页 速度控制回路 （一） 单作用气缸的速度控制回路（图 2-7） 它由二位三通单电控滑阀 1 和两个单向节流阀 2 和 3 所组成。阀 1 使气缸换向，阀 2 的节流阀控制气缸活塞杆的伸出速度。阀 3 的节流阀控制活塞杆的退回速度。调节节流阀的开 度，可以改变活塞双向的运动速度。 2 31（二） 双作用气缸单向速度控制回路（图 2-8） 该回路是在气缸的一个气路上装设单向节流阀 1。图示位置为压缩空气经二位五通单电控滑阀 2 和阀 1 的单向阀进入气缸活塞的右腔，推动活塞左移。当阀2 切换后，活塞右腔的排气速度受阀 1 可调节流阀的限制，从而控制了活塞杆的伸出速度。由于背压的存在，也增加了气缸工作行程的稳定性。除此之外。活塞返回行程的急回运动，也可用来提高机器的生产率。 2 7 单作用气缸的速度控制回路 2 8 双作用气缸单向速度控制回路 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 31 页 （三） 双作用气缸双向速度控制回路 图 2-9 所示是 将两个单向节流阀装在气缸的两条气路上，分别控制活塞两个方向运动时 的排气速度。调节节流阀，即可得到活塞不同的运动速度。 图 2-10 所示是带有排气节流阀的速度控制回路。它是将节流阀安装在二位五通单电控滑阀的排气口上。调节节流阀，即可控制气缸的排气速度，从而使活塞得到不同的运动速度。这种回路的特点是结构较简单。 2 9 双作用气缸双向速度控制回路 2 10 带有排气节流阀的速度控制回路 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 31 页 图 2-11 所示使活塞可得到快速运动的速度控制回路。它是在单向节流阀 1 和 2的后面气路上并联了二位二通阀 3 和 4。这样，不仅可以由阀 1 和阀 2 来调节（排气节流）活塞两个方向的运动速度，而且当阀 3 打开时，则活塞可快速左行。二位五通单电控滑阀 5 切换后，若阀 4 打开，则活塞可快速右行。因此，可根据需要得到活塞双向的快速运动。 （四） 双作用气缸速回运动控制回路 该回路当活塞杆右行时，压缩空气经由二位五通单电控滑阀 3 和快速排气阀2 进入气缸活塞的左腔，推动活塞 右行。此时，气缸右腔的空气经单向节流阀 1节流控制后排空。阀 3 切换（图示位置）后，压缩空气经阀 1 的单向阀进入气缸的右腔。此时，气缸左腔的空气从阀 2 快速排入大气，获得急回运动。这种回路要求气缸附加缓冲装置。 2 11 活塞做快速运动的速度控制回路 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 31 页 31（一） 双缸同步动作的速度控制回路 该回路时采用一个二位四通单电控滑阀来控制两个气缸，并在每个气缸的气路中装设单向节流阀，以调整和控制活塞的速度，使之达到同步运动的目的。如用双缸或多缸操纵一个重型框架起落时，同步举升或降落极为重要，否则框架被扭斜将 产生很大的附加阻力，甚至不能运动。这种回路应以阻力最大的那个气缸为准，调整其它缸的运动速度以达到同步的目的。 （二） 气液操作缸同步回路 图 2-14 所示的同步回路是由于连接两个气液操作缸被封入油液，所以两活塞的运动速度可完全同步。设计时，应考虑到缸 5 有杆腔和缸 4 无杆腔有效面积的关系，当有效面积相等时，两缸获同步运动。也可以设计成两缸按一定比例的速度运动。 2 12 双作用气缸速回运动控制回路 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 31 页 气油油气（三） 缓冲回路 对可调行程 位置的气缸（如某些机械手的气缸）缓冲问题，可采用缓冲回路来解决。 图 2-15 所示的缓冲回路，是在气缸的两条气路上并联两个二位二通阀 1 和 2。在阀 1 和阀 2 的排气口装设节流螺钉。并在回路中的二位五通双电控滑阀 3 的两个排气2 13 双缸同步动作的速度控制回路 2 14 气液操作缸同步回路 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 31 页 口上也装设节流螺钉。调节阀 1 和阀 2 的排气节流螺钉，以控制活塞快速行程时的速度。调节阀 3 的排气节流螺钉，以控制活塞的减速。从而达到减速缓冲的目的。 31图 2-16 所示的缓冲回路，是在单向节流阀 3 和 4 的气路上并联二位二通阀 1和阀 2。并 在二位五通双电控滑阀 5 的排气口上装设节流螺钉。活塞快速行程时，阀 1（或阀 2）切换，排气腔的空气经阀 1（或阀 2）和阀 5 排出，调节阀 5 的节流螺钉，可控制快速行程时的速度。减速运动时，阀 1（或阀 2）复位关闭，调节阀 3 和阀 4 的节流阀以控制减速运动，达到减速缓冲的目的。 图 2-17 所示为操作气缸采用油液阻尼的缓冲回路。操作缸 1 两条气路上的快速排气阀 2 和 3 为快速行程时排气所用。缸 1 活塞右行时，快速运动到固结在缸1 活塞杆上的撞块与挡块 II 碰撞后，带动油缸 5 活塞杆开始减速右行直到停止，在此减速过程中，缸 5 活塞右腔油液经单 向节流阀 6 节流阻尼后，经单向节流阀7 的单向阀进入缸 5 的左腔。缸 1 活塞左行时，撞块碰撞挡块 I 后，油缸 5 活塞杆开始减速左行，直到停止。补油装置 8 用作 向缸 5 补油。 2 15 装设节流螺钉的缓冲回路 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 31 页 41534235687撞块停慢速右行快速右行挡块2挡块1在本次设计 机械手中我主要用到了其中的 气动基本回路为双作用气缸换向回路 、单作用气缸的进气调速回路、双作用气缸单向速度控制回路、带有排气截流阀的速度控制回路。 3 机械手的 计算 3.1 设计手臂结构应注意的问题 手臂的结构形式是根据机械手的抓取重量、自由度数、运动速度、工作范围、定2 16 装设 单向节流阀的缓冲 回路 2 17 采用油液阻尼的缓冲回路 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 31 页 位精度以及机械手的整体布局等因素决定的。手臂结构是否设计的合理，对机械手的工作性能有着很大的影响，在设计手臂结构是，除了考虑上述诸因素外，还应注意以下几点： 、应使手臂刚度大、重量轻 由于机械手的手臂一般悬伸长度比较长，若手臂的刚度不够时，会发生手臂弯曲变形过大，就会引起手臂的定位不准，而且也直接影响活塞杆（即手臂）运动的灵活性。另外，手臂在起动或制动过程中受到惯性力或惯性力矩的作用，手臂将发生颤动，由于手臂的颤动，也会影响手臂的定位精 度，除了采用可靠的定位装置外，应对手臂结构有一定的刚度要求，才能保证手臂的准确的工作和一定的定位精度。 、应使手臂运动速度快、惯性小 为了减小惯性冲击，一般采取的措施有： 手臂架选用铝合金等轻质材料来制造，以减轻手臂运动件的质量。 尽量缩短手臂悬伸部分的长度，使手臂未伸出时的总重量的重心偏于伸缩方向的反侧，以减小回转半径。 减小手臂运动件的轮廓尺寸，使其结构紧凑。 在驱动系统中增设缓冲装置，使运动件减速缓冲。 、手臂动作应灵活 为使手臂运行轻快、灵活，除手臂本身结构紧凑轻巧外，应 减少手臂运动件之间的摩擦阻力，用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬伸式的机械手，手臂上零部件（如传动件、导向件、定位件等）的布置应合理，使手臂运动过程中尽量保持平衡，以减少对升降支承轴线的偏重力矩，使手臂运动灵活，防止发生“卡死”（即自锁）现象。 、应使手臂传动准确、导向性好 为了能准确的传递工件和保证传动的平稳，应设有导向支承装置，以保证手指的正确方向，并增强手臂的刚性。另外装在手臂上的零部件要求便于装拆和调整。 、输气管道的布置应合理 机械手上的各工作气缸彼此在空间作相对的直线运动或回转运动，要求结构紧凑 、外形整齐、动作灵活， 因此 对各 个 工作气缸的输气管道布置应给 予 足够的重视，尤其是接近工作对象的手腕和手指夹紧缸，在外部用很多的软管向气缸输入压缩空气，虽然软管安装维修较方便，但是他会影响机械手的运动，并易损伤，而且手臂外形不整齐。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 31 页 、其他要求 对于在粉尘场合工作的机械手，应设有防尘装置等。 3.1.1 手臂的 计算 气缸的 计算 ： 气缸的 设计应根据作用在活塞杆上的外力（推力 或拉力 ）的大小、活塞的行程和运动速度以及安装形式等方面提出的要求来进行。 气缸的容积要选择的适宜，过大的容积不仅及使缸体的尺寸重量 增加，同时使压缩空气的需要量增加，造成了浪费和增加了成本。 活塞的行程是决定气缸长度的主要参数，形成过长队压杆的稳定性当然不好，对缸筒的加工业会带来困难。另一方面活塞的运动速度决定与气缸进气管道内径的大小，活塞的运动速度越高，则要求进气管道的直径越大。目前气缸的运动速度由于各方面条件的限制，一般速度的最大值不超过 1.2米 /秒。 气缸的选择参考下表： 气缸的有关尺寸参数： 2、气缸壁厚的计算：气缸的内景 D确定后，有强度条件计算所需的最小的气缸壁厚 ，气缸 直径 (mm) 活塞 杆直 径 供气孔直径 （英制管螺 纹） 气缸端 盖螺栓 d*个数 工作压力（共斤 /厘米 2） 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 活塞推力（公斤）不计效率 活塞推力（公斤）不计效率 50 16 G1/4” M6*4 39 59 78 98 118 35 53 70 88 103 75 20 G1/4” M8*4 88 133 177 211 265 82 123 164 205 247 100 25 G1/4” -3/8” M10*4 157 235 314 392 471 147 221 294 368 442 125 30 G1/4” -3/8” M10*4 245 368 491 613 736 231 347 462 578 694 150 30 G3/8” -1/2” M10*6 353 530 707 883 1060 339 509 678 848 1018 200 40 G3/8” -1/2” M12*6 628 943 1257 1571 1885 603 905 1206 1508 1810 250 50 G1/2” -3/4” M16*6 982 1473 1964 2454 2945 943 141411885 1885 2356 2828 300 55 G1/2” -3/4” M16*6 1414 2121 2828 3534 4241 1366 2049 2732 3415 4099 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 31 页 再根据具体的结构来确定适当的数值。依据材料力学的薄壁筒公式，气缸的壁厚 可在下表查出： 材 料 气 缸 内 径 D (毫米 ) 50 75 100 120 150 200 250 300 气 缸 壁 厚 （毫米） 铸铁 HT15-33 7 8 10 10 12 12 16 16 钢 A3,钢 A5 5 5 6 6 8 8 10 10 铝合金 ZL3 810 810 1012 1012 1214 1214 1417 1417 升降气缸的壁厚 ：缸径 125毫米，气缸材料选钢 A3，则 为 6 毫米。 前后伸缩气缸的壁厚 ：缸径为 100毫米，气缸材料选钢 A3，则 为 6毫米。 手指夹紧气缸的壁厚 : 缸径 50毫米，气缸材料选钢 A3，则 为 5毫米。 、升降气缸的参数及计算： 升降气缸由气动上升，靠自重下 降，行程 150 毫米，缸径 125 毫米，活塞杆直径为 30 毫米，升降速度为 500 毫米 /秒，若按气压 p=4 公斤 /厘米 2和汽缸效率 =0.8计算。 则其上升时的驱动推力 P 推 为 P 推 = 公斤49142 pD 则输入空气流量 Q=(Q1+Q2)n 米 3/分 式中 n 活塞每分钟往复行程的次数，次 /分； Q1 无杆腔的压缩空气耗气量， 米 3。 Q1=62104 SD式中 S 气缸的行程，厘米； D 活塞直径，厘米 ； Q2 有杆腔的压缩空气耗气量， 米 3。 Q2= 622104 SdD式中气 d 活塞杆直径，厘米 ； 由于升降气缸靠自重下降，所以 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 31 页 Q=62104 SD=0.07(米 3/分 ) 、前后伸缩气缸的参数及计算： 前后伸缩气缸的行程为 600毫米，缸径为 100毫米，活塞杆直径为 25毫米，若按气压 p=4公斤 /厘米 2和气缸效率 =0.8 计算。 则其上升时的驱动推力 P 推 为 P 推 = 公斤25142 pD P 拉 = p4 dD22 =235公斤 则输入空气流量 Q为 Q=（62104 SD+ 622104 SdD） n = 0.65(米 3/分 ) 、 回转气缸的参数及计算： 经过设计方案的比较得出的结论是：采用回转气缸比用两个直动气缸带动齿条齿轮所获得回转运动的结果要紧凑。回转气缸的结构尺寸设计为 B=120 毫米，缸径2R=180毫米，轴径 2r=50毫米， 若按气压 p=4公斤 /厘米 2和气缸效率 =0.9计算。 回转气缸的扭矩是由动片受压面积及其中心到回转轴线的半径决定的。当计及气缸效率后输出的扭矩 M的计算公式为 M=Bp(R2-r2)/2 =1240.9（ 92-2.52） /2=1620公斤 .厘米 =16.2 公斤 .米 则输入空气流量为： Q3=3b(D2-d2) /400=3 12 (182-52)0.5/400=13.455 升 /分 =0.0135 米 3/分 、手指夹紧气缸的参数及计算： 手指夹紧气缸的设计参数为：缸径 50毫米，活塞直径为 16 毫米， v=2.5厘米 /秒，工件重量 G=10 公斤，“ v”形手指的角度 2 =1200， b=50mm,h=36mm, =300,摩擦nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 31 页 系数 f=0.1。若按气压 p=4公斤 /厘米 2和气缸效率 =0.8计算，其手 张开时的驱动力为： 根据销轴的力平衡条件，即 Fx=0,P1=P2； Fy=0 P=2P1cos ， P1=P/（ 2cos ） 销轴对于手指的作用力为 P1 ,且 P1 =-P1。夹紧力为 N。由手指的力矩平衡条件，即 m01(F)=0得： P1 h=Nb 22121夹紧气缸的驱动力 : P=(2b/h) N 又因握力 : N=0.5Gtg( - ); =tg-1f =0.510tg(600-5042 ) 7kg 所以 P=(2b/h) N=(2 50/36) 7=19.4kg P 实际 21KKP 式中 -手部的机械效率，取 0.85； K1-安全系数，取 1.5； K2-工作情况系数，可近似按下式估计， K2=1+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（ g=9.8m/s2）。 P 实际 = 21KKP 62kg 则输入空气流量为： Q4=(D2v)/4=(3.14 52 2.5)/4=0.050 米 3/分 则总的空气流量为： Q=Q1+Q2+Q3+Q4=0.7835米 3/分 3.1.2 空气压缩机的选择 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 31 页 空气压缩机是将动力供给的机械能转换成气体压力能的一种能量转换装置。 空气压缩机的种类有很多如：风冷微型空气压缩机、移动式风冷 V型空气压缩机、固定式水冷 L型空气压缩机，活塞式无油润滑空气压缩机。 根据 上面的计算出的 总的空气流量选择空气压缩机，具体参数见下表： 最后决 定选择：双级压缩型的，型号为 3W-0.8/10，就 能满足要求。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 31 页 3.2 小车的设计及计算 在本设计中，小车作为机械手的行走装置，它是采用气压马达提供动力并带动轮子沿轨道运动，由于气马达输出的转速比小车运动快，所以需要配一个减速装置，减速装置可用一个减速箱加上 链传动。由于机械手 运动时可能翻转 ， 所以设计时配重块要和手臂一起做回转运动。 小车的尺寸设计为：长为 800毫米，宽为 500毫米，高为 300 毫米，材料为铝合金 （铝合金密度为 2.7吨 /立方米） 。 3.2.1 气压马达的选择 小车的速度为： V=3 厘米 /秒 气压马 达的选用： 选用的气压马达的功率能克服摩擦力产生的功率就可以。摩擦力产生的最大功率为： wvFPf 660=0.9 马力 经考虑我选择了 HS-50A型号的活塞式气马达，额定功率为 3 马力，工作气压为 p=5-7公斤 /厘米 2，额定转速为 1050r/min，额定空气消耗量为 3 米 3/分。 参考书：机械设计手册 P816 表 12-91 73.12073 4438.2V3 3.2.2 轴的计算与校核 （ 1）轴直径的计算 小车轮子的转速 n=30r/min,则轴的转速 n1=n=30r/min,气 压马达的功率 P0=5KW,则 P1= P0 0=50.9=4.5 Kw T1=9550 P1/ n1=95504.5/30=1432.5N.m d1 AnP 311P1 轴所传递的功率， KW； 0 传动效率； T1 轴所传递的扭矩， N.M； d1 轴的截面直径， mm； 轴的材料选用 45 号钢，查表得 A=110 代入式中得 d1 58.44mm 则取 d1=60mm nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 25 页 共 31 页 计算公式参考：机械设计基础 P454 （ 2）轴的强度校核 由于传动轴主要是受转矩，所以轴的强度条件为： = T1/WT 9.55106（ P1/ n1 ） /0.2 3d =34.8MPa , =40 MPa 周的扭转剪应力， MPa； WT 轴的抗扭截面模量， mm3，查表得 对于实心圆轴， WT= 3d /16 0.2 3d ; 许用扭转剪应力， MPa； 所以
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本文标题：JD01-109@近距离自动移动式机械手臂设计——气压驱动式
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