棒料搬运机械手设计概述(doc 37页).doc

I 摘摘 要要 在社会不断发展的今天 机器人在工业现场中的应用也越来越广泛 用机器的力量 代替人力 而将人类从繁重的体力劳动中解放出来是历史发展的趋势 近十几年来 机器人的开发不仅越来越优化 而且涵盖了许多领域 应用的范畴十 分广阔 在工业上 自动控制系统有着广泛的应用 如工业自动化机床控制 计算机系统 机器人等 而工业机器人是相对较新的电子设备 它正开始改变现代化工业面貌 本设计的机械手是基于提高劳动生产率 产品质量和经济效益 减轻工人劳动强度 而设计的 在某些劳动条件极其恶劣的条件下 工人难以用手工工作 可用本机械手代 替人力劳动 本设计为四自由度圆柱坐标型工业机械手 其工作方向为两个直线方向和两个旋转 方向 本设计中的四自由度棒料搬运机械手 主要是针对质量少于 2KG 的圆形棒料的搬运 通过气爪手指的不同选择可满足直径小于 60mm 的棒料的搬运 在控制器的作用下 机械手执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线并把工件翻 转过来这一简单的动作 关键词 四自由度 机械手 搬运 工业机器人 II Abstract Today that develop continuously in the society The robot are more and more Using at industry scene application Replaces the manpower with the machine strength It s the historical development tendency that liberates the humanity from the arduous physical labor In the recent several years the robot development not only more and more optimizes but also moreover has covered many domains Industrially automatic control systems are found in numerous applications such as automation machine tool control computer systems and robotics Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry This paper design for enhances the labor productivity product quality economic efficiency and reduces the worker labor intensity Some job working at extremely bad environment that people can t work in hand so the robots can replace worker to do it This scheme introduced a cylindrical robot for four degree of freedom It is composed of two linear axes and two rotary axis current This paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 2KG The different fingernail finger was Choice for transporting the good material that diameter is smaller than 60mm Under controller function the robot move the components from one assembly line to other assembly line and turn over it in space perform relatively simple takes Key words four degrees of freedom robot transporting Industrial robot 目目 录录 摘 要 IV Abstract V 目 录 VII 1 绪论 1 1 1 工业机器人的技术与发展 1 1 2 本设计中的四自由度棒料搬运机械手所实现的功能 2 1 3 本设计中的四自由度棒料搬运机械手设计的意义 2 2 机械手的总体设计 3 2 1 设计要求 3 2 2 机械手的组成 3 2 3 总方案的拟定 4 2 4 机器人的工作空间 4 2 5 机械手驱动系统的设计 5 2 5 1 机械手驱动器 5 2 5 2 机械手传动机构 5 3 机械手的传动设计 7 3 1 滚珠丝杠的选择 7 3 2 谐波齿轮减速器参数的确定 8 4 机械手的各电机选择 12 4 1 机械手手臂升降步进点击的选择 12 4 2 机械手底座回转驱动电动机的选择 14 5 机械手各气动件的设计计算 18 5 1 气爪夹紧力的起算与气爪的选择 18 5 1 1 气爪夹紧力的要求 18 5 1 2 缸径的确定 19 5 1 3 行程的确定 20 5 1 4 气缸的动速度 20 5 1 5 摆动气缸的选择 21 5 2 手臂伸缩气缸的选择 23 6 机器人控制系统的设置 26 6 1 机械手控制器的选择 26 6 2 机械手控制系统的特点及对控制功能的基本要求 26 6 3 控制系统的总体设计 27 7 手臂验算与机械手参数 29 7 1 手臂平衡的验算 29 7 2 机械手参数 30 8 结论与展望 31 8 1 结论 31 8 2 不足之处及未来展望 31 致 谢 32 参考文献 33 0 1 绪论绪论 1 1 工业机器人的技术与发展工业机器人的技术与发展 机器人 又称机械手 机械人 英文名称 Robot 在人类科技发展史上其来有自 早在三国时代 诸葛亮发明的木牛流马即是古代中国人的智能结晶 随着近代的工业革 命 机器产业的不断发展成为近代工业的主要支柱 机器人的研究从一开始就是拟人化的 所以才有机械手 机械臂的开发与制作 也 是为了以机械来代替人去做人力所无法完成的劳作或探险 但近十几年来 机器人的开 发不仅越来越优化 而且涵盖了许多领域 应用的范畴十分广阔 工业机器人是典型的机电一体化高技术产品 在许多生产领域 它对于提高生产自 动化水平 提高劳动生产率 产品质量和经济效益 改善工人劳动条件的作用日见显著 不少劳动条件恶劣 生产要求苛刻的场合 工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势 工业机器人是一种机体独立 动作自由度较多 程序可灵活变更 能任意定位 自 动化程度高的自动操作机械 主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或 夹具 工业机器人以刚性高的手臂为主体 与人相比 可以有更快的运动速度 可以搬运 更重的东西 而且定位精度相当高 它可以根据外部来的信号 自动进行各种操作 工业机器人的发展 由简单到复杂 由初级到高级逐步完善 它的发展过程可分为 三代 第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人 它主要由手部 臂部 驱动系统和控制系统组成 它的控制方式比较简单 应用在线编程 即通过示教 存贮信息 工作时读出这些信息 向执行机构发出指令 执行机构按指令再现示教的操 作 第二代工业机器人是带感觉的机器人 它具有寻力觉 触觉 视觉等进行反馈的能力 其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多 这种机器人从 1980 年开始进入了实用阶段 不久即将普及应用 第三代工业机器人即智能机器人 这种机器人除了具有触觉 视觉等功能外 还能够 根据人给出的指令认识自身和周围的环境 识别对象的有无及其状态 再根据这一识别 自动选择程序进行操作 完成规定的任务 并且能跟踪工作对象的变化 具有适应工作 环境的功能 这种机器人还处于研制阶段 尚未大量投入工业应用 世界上工业机器人萌芽于 50 年代的美国 经过 40 多年的发展 已被不断地应用于 人类社会很多领域 正如计算机技术一样 机器人技术正在日益改变着我们的生产方式 进入 90 年代 世界机器人工业继续稳步增长 每年增长率保持在 10 左右 世界上 已拥有机器人数量达到 70 万台左右 1992 1993 年世界机器人市场曾一度出现小的低谷 棒料搬运机械手设计 1 近年除日本外 欧美机器人市场也开始复苏 并日益兴旺 与全球机器人市场一样 中 国机器人市场也逐渐活跃 1997 年上半年 我国从事机器人及相关技术产品研制 生产 的单位已达 200 家 研制生产的各类工业机器人约有 410 台 其中已用于生产的约占 3 4 目前全国约有机器人用户 500 家 拥有的工业机器人总台数约为 1200 台 其中从 40 家外国公司进口的各类机器人占 2 3 以上 并每年以 100 150 台的速度增加 从机器人的应用与发展来看 在很多方面工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势 工业机器人将来必定有广阔的发展前景 1 2 本设计中的四自由度棒料搬运机械手所实现的功能本设计中的四自由度棒料搬运机械手所实现的功能 本设计中的四自由度棒料搬运机械手 主要是针对质量少于 2KG 的圆形棒料的搬运 本设计中的机械手有四个自由度 由底座的旋转 手臂的升降 手臂的伸缩 手爪的旋 转组成 本设计中的机械手是一种通用型棒料搬运机械手 通过气爪手指的不同选择可 满足小于直径 60mm 的棒料的搬运 通过示教再现或程序的直接控制可实现在机械手工 作范围内把棒料从指定点搬运到另一指定点 并把棒料翻转过来 通过对机械手的相应 控制还可实现对棒料的排列 1 3 本设计中的四自由度棒料搬运机械手设计的意义本设计中的四自由度棒料搬运机械手设计的意义 机器人工程是近二十多年迅速发展起来的 目前已应用与许多生产领域 由目前的 发展状况看 在可预见的将来它将在生产中扮演越来越重要的角色 本机械手就是基于 此并为提高劳动生产率 产品质量和经济效益 减轻工人劳动强度而设计的 在某些劳 动条件极其恶劣的条件下 工人难以用手工工作 可用本机械手代替人力劳动 在社会 不断发展的今天 机器人在工业现场中的应用也越来越广泛 用机器的力量代替人力 而将人类从繁重的体力劳动中解放出来是历史发展的趋势 2 2 机械手的总体设计机械手的总体设计 2 1 设计要求设计要求 要求 本毕业设计要求学生掌握机器人或工业机械手的结构及工作原理 实现机械手 的上升 下移 左移 右移抓紧和放松等多个自由度 完成一四自由度搬运机器人设计 要求所设计机器人能抓取一定质量的工件并到达规定的地点 2 2 机械手的组成机械手的组成 图 2 1 机械手的组成图 本机械手由机械系统 执行系统 驱动系统 控制检测系统组成 机械系统 1 执行系统 执行系统是工业机器人完成抓取工件 实现各种运动所必需的机械部件 它包括气爪 手臂升降 手臂伸缩 底座旋转 2 驱动系统 为执行系统各部件提供动力 并驱动其动力的装置 本设计选用机械传 动 气压传动和电机驱动 控制系统 通过对驱动系统的控制 使执行系统按照规定的要求进行工作 当发生错误或故障时 发出报警信号 机 械 手 机 械 系 统 控 制 系 统 执 行 机 构 驱 动 机 构 气爪旋转机构 伸缩机构 升降机构 底座 电器混合驱动 棒料搬运机械手设计 3 2 3 总方案的拟定总方案的拟定 由设计要求本设计机械手实现的作用 自动线上有 两条输送带 之间距离为 0 7m 现设计机械手将一棒料工件从 A 带送到 B 带并将棒料翻转过来 确定为四自由度的机械手 其中 2 个为旋转 2 个为平移 在工业机器人的诸多功能中 抓取和移动是最主要的功能 这两项功能实现的技术 基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动 本次设计就是在这一思维下展开的 根据设计内容和需求确定机械手 利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋 转运动 利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转 从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起 的手臂实现上下运动 考虑到本设计中的机械手工作范围不大 故利用气缸驱动实现手 臂的伸缩运动 末端夹持器则选用气爪来做夹持器 用小型气缸驱动夹紧 气爪的旋转 则由与气爪连接的摆动气缸实现 其外观与工作移动方位如图 2 2 图 2 2 机器人外形图 2 4 机器人的机器人的工作空间工作空间 本机械手底座采用圆柱坐标型结构 其工作空间是一个具有一定角度的绕机械手转动 轴的扇形体立体空间 机器人具有较大的相对工作空间和绝对工作空间 所谓相对工作 空间是指手腕端部可抵达的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比 绝对工作空间是 指手腕端部可抵达的最大空间体积 只要工件搬运点都在此范围内即可实现搬运 下图 2 3 描述了本机械手的工作空间 是顶视图 高度即为手臂可升降的高度 4 图 2 3 工作空间图 2 5 机械手驱动机械手驱动系统的设计系统的设计 2 5 1 机械手驱动器机械手驱动器 机械手驱动系统包括驱动器和传动机构 它们常和执行器联成一体 驱动臂 杆和载荷 完成指定的运动 常用的驱动器有电机 液压和气动等驱动装置 其中采用电机驱动器 是最常用的驱动方式 包括直流伺服电机 交流伺服电机及其步进电机等 本设计中底 座的旋转与手臂升降都是采用步进电机作为驱动器 在第 5 章计算说明步进电机的选择 而手臂的伸缩则选用七缸作为驱动器 气爪的翻转是通过摆动气缸来作为驱动器 10 2 5 2 机械手机械手传动机构传动机构 手臂的升降是步进电机通过联轴器直接与丝杆连接 手臂上安装丝杆螺母副 从而 驱动手臂的升降 手臂的伸缩是通过气缸杆直接连接装有摆动气缸的摆动气缸安装板 从而实现伸缩 运动的 气爪的旋转是摆动气缸通过气爪的连接附件直接相连接 5 如下图 2 4 图 2 4 气爪连接示图 底座的旋转是通过步进电机联接谐波齿轮直接驱动转动机座转动 从而实现机械手 棒料搬运机械手设计 5 的旋转运动 5 如下图 2 5 1 支座 2 电机 3 轴承 4 带传动 5 壳体 6 位置传感器 7 柔轮 8 波发生器 9 刚轮 图 2 5 机械手底座传动示图 本设计中的四自由度棒料搬运机械手的有关技术参数见表 2 1 表 2 1 机械手参数表 3 机械手的传动机械手的传动设计设计 3 1 滚珠丝杠滚珠丝杠的选择的选择 丝杆所受载荷主要是手臂的重力 设计的手臂质量约为 25KG 即等效载荷 机械手类型四自由度圆柱坐标型 抓取重量2Kg 自由度4 个 2 个回转 2 个移动 底座长 290mm 回转运动 回转角 240 步进电机驱动 PLC 控制 手臂升降机构长 550mm 升降运动 升降范围 400mm 步进电机驱动 PLC 控制 手臂伸缩机构长 826mm 伸缩运动 伸缩范围 270mm 气缸驱动 活塞位置控制 气爪旋转机构旋转运动 旋转角 180o 气缸驱动 行程开关控制 6 丝杆选为有效行程 450mm 由前电机选择的计算丝杆转速 N F 245 m min525 m r n 设计使用寿命取 L 27 106r 工作温度低于 100 可靠度 95 精度为 3 级精度 1 计算工作载荷 F K mcF 式中 K 颠覆力矩影响的实验系数 设计取为 1 2 FF mc K 1 2 245 294 N 最大动负载 C 的计算 最大动负载 C 的计算公式 12 mmFLC f 3 查机电综合设计指导书式 2 14 得 式中 L 工作寿命 单位为 106r 本设计取为 27 106r fm 运转状态系数 无冲击取 本设计取 1 22 1 1 Fm 滚珠丝杆工作载荷 N 把以上数据代入mmFLC f 3 得 4 10582942 127 3 C 选择滚珠丝杆副的型号 C 1058 4N 按 查机电综合设计指导书表 2 7 选用汉江机床厂 FN 型滚珠丝aCC 杠 系列代号为 FN 2506 24 12 其中 7747aCN 25 mm 6mm 0 D n P 螺杆不长 变形量不大无需验算 效率计算 螺旋导程角 3 57 d Pn arctan o n d P arctan 效率的计算公式 12 tan tan 查机电综合设计指导书式 2 15 得 式中 丝杆螺旋导程角有前计算的 753 摩擦角丝杆副摩擦系数为 其摩擦角为 004 0 003 0f 0 1 把以上数据代入得 tan tan 棒料搬运机械手设计 7 95950 0 01753tan 753tan 3 2 谐波齿轮减速器参数的确定谐波齿轮减速器参数的确定 一般一级谐波齿轮减速比可以在 50 500 之间 谐波齿轮结构简单 零件少 重量 轻 运动误差小 无冲击 齿的磨损小 传动精度高 传动平稳 谐波齿轮减速传动装 置明显的优点 已广泛用于机器人和其它机电一体化机械设备中 本设计的底座旋转采用谐波齿轮减速器传动 谐波齿轮采用带杯形柔轮的谐波传动组合件 它是由三个基本构件构成的 带凸缘 的环形刚轮 杯形的柔轮和柔性轴承 椭圆盘构成的波发生器 谐波齿轮的设计基本参数如下 传动比 100 i2 柔轮变形波数 U 2 柔轮齿数 2001002i UZR 刚轮齿数 2022200rc UZZ 模数 mm44 0m 柔轮臂厚 mm5 0 H 尺宽 mm20b 其中 柔轮与柔轮的啮合参数经计算分别确定如下 全齿高 mm7 0h Rmm72 0hc 分度圆直径 mm80dR mm 8 80dc 齿顶圆直径 mm 2 83daR mm 8 82dac 齿根圆直径 mm7 79dfR mm28 84dfc 齿形角 20R 20c 变位系数 7 3 RX71 3 CX 8 柔轮与刚轮均采用渐开线齿形 波发生器采用控制式发生器 其中长轴 2a 59 9mm 短轴 2b 58 2mm 并且采用具有 23 个直径为 7 14mm 滚珠的薄臂轴承 谐波齿轮轮齿的耐磨计算 由于谐波齿轮的柔轮和刚轮的齿数均很多 两齿形曲线半径之差很小 所以轮齿工 作时很接近面接触 则轮齿工作表面的磨损可由齿面的比压 P 来控制 轮齿工作表面的 耐磨损能力可由下式计算 7 2000 p Rnv T K PP d h b Z A A A A 式中 T 作用在柔轮上的转矩 由前计算取得 m Nm2 NT 柔轮分度圆直径 本设计中取为 80mm RdRd 最大啮入深度 近似取 m 本设计中取nhnh6 1 4 1 1 4 0 40 56 n hmm b 齿宽 mm 设计中取为 b 20mm 当量于沿齿廓工作段全啮合的工作齿数 一般可取vZ 15200075 0 v Z K 载荷系数 取 设计中取为 K 1 5 75 1 3 1 K 齿宽许用比压 对于无润滑条件下工作的调质柔轮 取 8MPA PPPP 所以 代入得 vnbhd 2000 Z KT P R 2000 2 1 5 80 0 56 20 15 0 4464MPa P 因满足 所以符合耐磨性要求 MPAMPA84464 0 aPP 柔轮强度计算 谐波齿轮工作时 柔轮筒体处于变应力状态 其正应力基本上是对称变化的 而切 应力则呈脉动变化 若以分别表示正应力和切应力的应力幅和平均应力 11 mam 1 正应力的应力幅和平均应力分别为 0 h 35 3 2 m pD E 棒料搬运机械手设计 9 2 由变形和外载荷所引起的切应力分别为 1 2 p p 2 p 1 y 2000 hE 0 5 D h T D 则 切应力的应力幅和平均应力为 5 0 a ym 以上式中 T 柔轮工作转矩 由前计算取为 T 2 m Nm N 柔轮齿根处的臂厚 mm 设计中取为 0 6mm 1h1h 计算平均直径 mm 设计中为 PD mm D 1 796 0 7 79 hd1fp E 弹性模量 设计中为 E 206000 aMPaMP 变形量 mm 本设计中为 Rcd d 80 8 80 0 8mm 将具体数据代分别代入上式中得 3 2 3 2 2 0 8 206 100 6 3 5556 103 79 1 0 0 8 206 100 6 0 57 902 79 1 2000 2 0 339 79 10 6 0 5 0 5 7 9020 339 4 121 aa m ya a amya MP MP MP MP 柔轮工作条件较恶劣 为使柔轮在额定载荷下不产生塑性变形和疲劳破坏 并考虑 加工工艺较高的要求 决定选用 30CrMnSiA 作为柔轮材料 30CrMnSiA 的力学性能如下 6 球化处理后硬度为 1100 900 basa MPMP HRC26 24 且 取 1 1 0 450 45 1100495 0 250 25 1100275 ba ba MP MP 10 柔轮正应力安全系数和切应力安全系数分别为 1 1 495 3 529 2 5 56 103 275 23 38 0 22 25 4 801 0 2 4 801 a am n k n k 柔轮的安全系数 489 3 38 23529 3 n 38 2359 3nn nn 2222 此数值大于许用安全系数 1 5 则柔轮强度满足要求 棒料搬运机械手设计 11 4 机械手的各电机选择机械手的各电机选择 进电动机又称脉冲电动机 是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或 直线位移的执行电机 本机械手系统所要求的定位精度较高 而步进电机对系统位置控 制比较准确且控制易于实现 故本机械手选用的驱动电机都是步进电机 4 1 机械手手臂升降步进点击的选择机械手手臂升降步进点击的选择 机械手手臂升降用步进电机来驱动 通过丝杆传动来实现升降 初选步进电机 8 75003BF 由前计算丝杆导程为 mmLo6 本设计机械手手臂升降速度选定为 smmS35 所以丝杆转速 min r 98 349 OLSW 回转转矩 fgacMMM 式中 机械手手臂升降相对丝杆的回转力矩 cM 机械手手臂升降相对丝杆的摩擦阻力矩 fM 机械手手臂升降在停止 制动 过程中相对与丝杆的惯性力矩 gaM 其中 t w oga JM 式中 手臂升降启动或制动过程中角速度的变化量 也就是工作的角速度 A 2 349 98 min 349 9836 649 60 rrad s A tA 手臂升降启动或制动的时间 本设计取为 s3 0t 手臂升降时各部件对回转轴线的转动惯量 0 J 2 mkg 其中 dlsJJJJ o 式中 丝杆对其转动轴的转动惯量 sJ 2 mkg 其中 43 7 810smJDL 式中 丝杆的公称直径由前计算得 mD m025 0 m D 丝杆的长度本设计取为 0 6 m L 12 代入得 2 34 mkg00137 0 1045 0 025 0 8 7s J 升降电机与丝杆间的联轴器的转动惯量 lJ 2 smkg0018 0 J 查机械设计手册 软件版 R2 0 得 步进电机转子的转动惯量 dJ 2 dmkg0001764 0 J 查机电综合设计指导书表 2 18 得 代入得 2 d 0 00335 0 00017640 00180 00137 mmkg JJJJols 把以上代入得 t w oga JM409 0 3 0 649 36 00335 0 ga M 其中 2fDmfGM 式中 G 手臂的自重约为 200N f 丝杆螺母副与丝杆间的摩擦系数 f 0 08 查机械设计手册 软件版 R2 0 得 代入得 m2 02025 0 08 0 2002f m f NDGM 得 m609 0 409 02 0fgac NMMM 电机与丝杆直接联接所以 i 1 所以 srad64936m609 0 plpcip WWNMM 上式中 负载峰值转速 rad s 如上计算 lpW srad 649 36lp 负载峰值力矩 如上计算 lpM N mA m609 0 ip NM 电动机的功率计算式 lplp m M P 上式中 计算系数 其中一般 本设计中取 5 2 5 1 2 棒料搬运机械手设计 13 丝杆传动装置的效率 一般取 本设计中取 9 0 7 0 8 0 代入以上数据得 lplp m M P 2 0 609 36 649 0 8 55 80 W 根据负载峰值力矩最大静转矩 选用步矩角为步进电机 其最大静转矩为lpM 300375BF 0 882 满足负载峰值力矩最大静转矩的要求 12 m NlpM 表 4 1 电机参数 电机型 号 相数步距角 电 压 V 最大静转矩 N m cm kgf 最高 空载 启动 频 率 HZ 运行频 率 HZ 转子转动 惯量 10Kg m 5 2 分配 方 式 质量 Kg 75BF00 3 3 330 0 882 9 1250160001 568三相 六拍 1 58 4 2 机械手底座回转驱动电动机的选择机械手底座回转驱动电动机的选择 机械手机身安装在底座上所以底座作旋转时将手臂与机身一起旋转 机械手底座转速 设计选取为即旋转 1800的时间为 3s 10 minr 回转转矩 fgacMMM 式中 cM 机械手整体相对底座回转轴的回转力矩 fM 机械手整体相对底座回转轴的摩擦阻力矩 gaM 机械手底座在停止 制动 过程中相对与丝杆的惯性力矩 其中 t w ga OJM 式中 底座旋转在启动或制动过程中角速度的变化量 也就是工作角速度 A 2 10 min 101 047 60 rrad s A 14 t 底座旋转启动或制动的时间 本设计中 s 30t 与的转化系数 本设计中取 fMgaM95 0 85 0 85 0 手臂 机身 转轴对底座旋转轴线的转动惯量oJ 2 mkg 由于本机械手是一个不规则 不均匀的回转体所以算得转动惯量并不一定 十分准确 在选用电机时相应把最大静转矩要求提高来选择 式中 手臂无气爪边的质量 kg 本机械手为 m1 kg15m1 手臂有气爪边的质量 kg 本机械手为 2mkg15m2 其中 手臂的质量 手臂两边都看作长杆来计算转动惯量 21mm 机身的质量 kg 本机械手为 3mkg20m3 其中 的转动惯量看作均匀圆柱体来计算 3m 与相对应的长度 m 3 21 rrr321 mmm 把以上数据代入得 0 1 047 9 733 853 0 3 ga MJN m t A A A 33 853 39 827 0 85 ga f M MN m A 33 85339 82773 68 cgaf MMMN m A 底座电机通过谐波减速器连接转动轴 偕波减速器传动比为 i 100 所以 73 68 0 737 100 c lp M MN m i A 222 01 12 23 3 222 2 111 332 111 15 0 415 0 420 0 9 332 9 7 Jmrm rm r kg m A 棒料搬运机械手设计 15 1 047 100104 7 lp irad s 上式中 负载峰值转速 rad s 如上计算 lp srad 7 104lp 负载峰值力矩 如上计算 lpM N mA m737 0 lp NM 电动机功率的计算公式式 lplp m M P 0 737 104 7 2 0 8 192 910W 式中 步进电动机的功率 W mP 负载峰值转速 rad s 由前计算 lp srad 7 104lp 负载峰值力矩 由前计算 0 737 lpMm NlpMm N 计算系数 其中一般 本设计中取 5 2 5 1 2 底座传动装置的效率 估算为 本机械手取为 9 0 7 0 8 0 根据负载峰值力矩最大静转矩 选用步矩角为的步进电机 90BF003 其最大 lpM 3 静转矩为 1 96 满足要求 m N 表 4 2 电机参数 电机型 号 相数步距角 电 压 V 最大静转矩 N m cm kgf 最高 空载 启动 频 率 HZ 运行频 率 HZ 转子转动惯 量 10Kg m 5 2 分配 方 式 质量 Kg 16 90BF00 3 3 360 1 96 20 1500800017 64三相 六拍 4 2 棒料搬运机械手设计 17 5 机械手各气动件的设计计算机械手各气动件的设计计算 5 1 气爪夹紧力的起算与气爪夹紧力的起算与气爪的选择气爪的选择 5 1 1 气爪气爪夹紧力的要求夹紧力的要求 由设计任务书的要求气爪连工件的重量为 5KG 从而确定夹紧的工件重量约为 2kg 本设计设计的机械手搬运的工件定为圆柱形的棒料 其加紧视图如图 5 1 图 5 1 工件夹紧视图 工件重力 G 2 9 8 19 6N 夹起工件主要是靠气爪手指与工件的静摩擦力克服工件的重力 气爪拿起工件所需的力 1 GKKKFL321 式中 G 机器人的手爪抓取的工件的重力 N 本设计 G 19 6 安全系数 一般取 本设计中取 1 2 1K0 2 2 11 K1K 机器人的手部工作状况系数 按计算得 1 2 2K g a K 122K a 为机器人手爪运动加速度的绝对值 方位系数 根据机器人手爪与工件形状选 13K3K 把以上数据代入得 GKKKFL321 1 2 1 2 1 19 6LF 28 224N 气爪能拿起工件所需的夹紧力 L N F F 式中 钢与钢接触的摩擦系数 0 2 查机械设计手册 软件版 R2 0 6 得 18 把以上数据代入得 L N F F NFN12 114 2 0 224 28 气缸的选定中 首先确定其负载的大小 负载决定了缸径的大小 其次要确定其行 程 安装形式等 5 1 2 缸径的确定缸径的确定 缸径与所使用的气源的压力有关 同时要确定动作方向是推力还是拉力 本设计的气爪气缸工作主要以拉力 本设计满足气缸理论推力 拉力速度为 50 500mm s 的范围 其力学计算公式为 拉力 pd25 0 22 DF 式中 D 气缸直径 m 本设计初取为 0 04m d 气缸活塞杆直径 m 本设计初取为 0 012m P 气缸工作压力 Pa 本设计取为 0 6MPa F 气缸理论推力 拉力 N 把以上数据代入得 pd25 0 22 DF 226 F 0 25 0 040 012 0 6 10 686 104N 计算得的 F 为理论拉力 其实际拉力可根据计算 FFS 式中 气缸的工作效率 一般在之间 当工作压力增高 缸径增大时 95 0 7 0 效率增大 本设计工作压力交大取为 0 85 把以上数据代入得 FFS 0 85 686 104sF 583 189N 气缸是气爪的的驱动器 气缸与气爪手指的连接结构如下图 5 2 棒料搬运机械手设计 19 图 5 2 气缸与气爪手指的连接结构 图中 L 50mm 为气爪手指夹紧工件的力臂 R 22mm 为活塞杆推动手指的力臂 气爪夹紧工件的力LRFFSN 1 代入数据得 5022189 5831 NF 256 603N 由计算得所以初选的缸径 40mm 活塞杆直径 12mm 满足设计要求 NNFF 1 5 1 3 行程的确定行程的确定 气缸的行程就是活塞移动的距离 对外表现为负载移动的距离 确定此距离时要 充分考虑工况情况 应预留出一点行程 避免活塞杆撞坏 由气爪的工作要求本气缸的行程为 15mm 5 1 4 气缸的动速度气缸的动速度 气缸的运动速度主要由所驱动的工作机构的需要来决定 本气爪要求速度缓慢 平稳 采用节流调速 节流调速的方式有 本气缸为水平安 装采用用排气节流 本设计中缸体选用的是不锈钢式 固本气缸需要加油润滑 本气缸使用注意事项 1 一般气缸的正常工作条件 环境温度为 35 80 工作压力为 0 4 0 6MPa 2 安装前 应在 1 5 倍工作压力条件下进行试验 不应漏气 3 装配时 所有密封元件的相对运动工作表面应涂以润滑脂 20 4 安装的气源进口处必须设置气源调节装置 过滤器 减压阀 油雾器 5 1 5 摆动摆动气缸的选择气缸的选择 前选择的 HGW 40 A 的气爪其转动惯量 124 10 4gJ 2 kgm 其爪夹持的工件的转动惯量为 22 g3 12 m lRJ 式中 工件的质量 kg 本设计为 2kg mm 工件的半径 m 本设计为 20mm RR 工件的长度 m 本设计为 50mm ll 把以上数据带入得 22 g3 12 m lRJ 22 2 3 0 020 05 12 gJ 42 6 167 10 kgm 加在摆动气缸工作上的转动惯量为 由摆动气缸工作转动惯量 167 130410167 6 410124 2 kgmgJJqg 选用预选费斯托公司的 DSM 32 270 P PW 型气缸 2 kgm167 130 J 该气缸的许用转动惯量为 500X10 4 满足要求 2 kgm 由下图 5 3 气缸摆动的时间约需 0 3s 图 5 3 气缸工作转动惯量与摆动时间关系 该气缸是叶片驱动双作用气缸 在整个摆角范围内可实现无极摆角调节 终端位置 可通过止动螺钉和紧固螺母调节 止动杆上的冲击能量由弹性缓冲板吸收 终端缓冲由 缓冲器实现 转动叶片本身不用于确定终端位置 既止动杠杆和止动装置不能移动 该 棒料搬运机械手设计 21 摆动气缸防水防尘 本气缸可实现摆角范围内无极摆角调节下图 5 4 为其摆角调节结构示图 3 锁紧螺钉 用于夹紧挡块 4 供气孔 5 终端调节 6 锁紧螺钉 用于夹紧挡块 7 无极可调节挡块 图5 4 摆角调节示图 表5 1 气缸各部件的材料 机壳 止动杠杆阳极氧化铝 轴镀镍钢 转动叶片GRP 固定挡快 螺钉电镀钢 缓冲器支座电镀钢 挡块螺钉不锈钢 端盖GRP 材料 密封聚氨酯 表 5 2 摆动气缸参数 结构特点工作压力缓冲角重量 32MM叶片驱动的摆动缸1 5 10bar0 9o 1 7o1 02kg 22 5 2 手臂伸缩气缸手臂伸缩气缸的选择的选择 缸径的确定 缸径的计算公式 41 PFD 查 液压气动系统设计手册 得 式中 P 气缸的工作压力 本气缸选为 0 6aMPaMP 气缸总的机械效率 本气缸估算为 0 4 D 气缸的内径 m 气缸的负载力 N 本气缸负载较小取为 10N1F 把以上数据代入得 41 PFD 6 4 5 0 63 0 4 10 D 0 02526m 查 机械设计手册 气压传动 表 22 1 64 气缸内径取标准为 32mm 4 行程的确定 由设计的工作要求活塞行程取为 320mm 气缸型号的选择 由以上参数的计算选费斯托公司的 DNG 32 320 PPV A 型气缸 本气缸活塞安装有传感装置 活塞位置可以被行程开关检测到 从而实现对气缸位置 的控制 选用的控制安装附件为 SMB 2 B 该气缸的缓冲长度为 19mm 表 5 3 气缸参数 最大许用工作压力12bar 160 320mm 10bar 温度范围 20 80 mm 6bar 时推进力 N 6bar 时推进力 N 缓冲长度 mm 连续尺寸 3248241519 8 1 G 表 5 4 气缸材料 棒料搬运机械手设计 23 连接形式 由于本气缸工作行程较大 且推杆端的垂直负载较大 使推杆受的弯曲应力较大 选 用该气缸的一个安装附件 导向单元 FENG 32 320 KF 气缸直接安装在该导向单元 上 下图为该导向单元外观图 5 5 图 5 5 导向单元 下图 5 6 为最大工作负载与导杆投影距离之间的关系图 型号 DNG 轴承和端盖 缸筒 铝 高质合金钢 活塞杆 拉杆 高质320250 合金钢 密封 丁腈 24 图 5 6 负载特性图 由上图表可查得本设计选用的 FENG 32 气缸在最大伸长距离 320mm 的情况下其最大 负载为 55N 而气爪连工件的质量约为 4kg 摆动气缸质量为 1 02kg 所以导向单元 的实际总负载 5 02kg 49 196N 满足设计要求 该导向单元可用 fGNG55f 气缸 DNG 用于补偿径向和轴向偏差的连轴节 用户可以根据需要在这根轴上加打安装孔 图 5 7 导向单元与气缸连接图 棒料搬运机械手设计 25 6 机器人控制系统机器人控制系统的设置的设置 6 1 机械手控制器机械手控制器的选择的选择 工业机械于是一种模仿人手动作 井按设定的程序轨迹和要求代替人手抓取 搬运工 件或操持工具进行操作的机电一体化自动化装置 工业机械手的电气控制系统是通过控制气缸电磁换向阀 电机的正反转来实现不同 的动作的 有采用单片机控制的 也有采用可编程控制器来控制的 若采用单片机控 制 由于电磁的工作电压高于单片机的 5伏电源 所需驱动电流较大 因而须设计功率 接口电路 还要进行抗干扰及其可靠性的设计 而采用PLC控制 则无需考虑上述问题 有着极大的灵活性 易于模块化 当机械手工艺流程改变时 只要对 点的接线稍作修改 或 继电器重新分配 程序中作简单修改 补充扩展即可 机 械手的速度 电机运行所需的脉冲数都可以根据给定的要求给予置 用 控制的机 械手将更具灵活性 可靠性 降低成本 提高效率 有着很好的经济效益 本设计机械手采用 控制 6 2 机械手控制系统的特点及对控制功能机械手控制系统的特点及对控制功能的基本要求的基本要求 工业机器人具有多个自由度 每个自由度一般包括一个伺服机构 它们必须协调起来 组成一个多变量控制系统 这种多变量的控制系统 一般可用单片机 PLC 计算机等来 实现 在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹运动 并保 持设定的姿态 在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作 在机器人的各类作业中 运动和控制方式主要有两种 1 点位控制方式 PTP控制 这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些 规定的点上进行操作 因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业质 量要求 而对达到目标点的运动轨迹 包括移动的路径和运动的姿态 则不作任何规定 这种控制方式易于实现 但不易达到较高的定位精度 适用于上下料 搬运 点焊和在 电路板上安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位姿的作业中 2 连续轨迹控制方式 CP控制 这种控制方式要求末端执行器严格按规定的轨迹和速 度在一定精度要求内运动 以完成作业要求 这种必须保证机器人各关节连续 同步地 实现相应的运动 这种连续轨迹运动 可看成是若干密集轨迹曲线 若设定的点足够密 就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动 本设计机械手用于棒料的点对点搬运 对运动轨迹没太大要求 所以选用点位控制方 式 26 6 3 控制系统的总体控制系统的总体设计设计 机械手控制系统的基本功能 本机械手要具有回原点 手动 点动 和自动 单步 连续1控制的操作方式 手动操作 用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制 回原点操作方式 按下回原点启动按钮 机械手自动返回原点位置 自动操作 包括单步操作和连续运行两种操作方式 操作前提是机械手须处在原点位 置上 1 单步操作 每按一次按钮 机械手完成一步动作后自动停止 2 连续运行 系统一旦启动 机械手的动作将自动地连续不断地周期性循环 期间若 按停止按钮 要完成一个完整的动作循环才停止 为方便控制系统适应各具体工作情况作小幅 整个控制系统采用模块化结构 以方便 指令中的IST状态初始化指令来进行设计 总软件系统包括初始化电路 故障报警程序 点动操作程序 回原点程序及自动操作程序五大模块构成 分别解决单个问题 然后再 进行综合 各结构模块如下 END 图6 1 机械手系统模块 本设计机械手完成的动作是一个固定的循环动作 其 循环动作如下图6 2 图6 2 机械手的动作示意图及动作顺序 初始电路 障碍报警程序 点动操作程序 回原点程序 自动操作程序 初始位置手臂下降 夹紧手臂上升 底座旋转 手臂伸长手臂下降松开手臂上升手臂收缩 底座旋转 棒料搬运机械手设计 27 本机械手中驱动部分由电机与气动两部分组成 其中电机部分由PLC直接控制 而气 动部分则由PLC控制电磁筏来实现控制 下图6 3为气动部分原理图 图6 3 气动原理 表6 1 气动系统工作顺序 电磁铁 动作 1YA2YA3YA4YA5YA6YA 气爪夹紧 气爪松开 手臂伸出 手臂收缩 翻转工件 转正气爪 为了使机械手在作过程中实现自动或手动运行及运行的安全可靠 摆动气缸 手臂升 降都选用限位开关控制 以给相应的电磁阑传递通 断信息 而气爪 伸缩气缸则运用 其内部的位置传感器作为位置的控制 将其传感器的信息传递给PLC 以实现PLC对其位 置的控制 而底座旋转通过带传动带动底座位置传感器 从而将位置信息传给PLC实现控 28 制 7 手臂验算与手臂验算与机械手参数机械手参数 7 1 手臂平衡的验算手臂平衡的验算 手臂工作长度较大 而且手臂伸缩端安装有气爪 气爪夹紧工件 此处对丝杆力矩较大 所以应该作平衡验算 手臂气爪端对丝杆的力矩 zgbgGGGLM 式中 gM 手臂工件端对丝杆的力矩 Nm bG 摆动气缸的重力 N 本设计为