一种简易搬运机械手的设计.doc

1 72 兰州工业学院 毕毕业业设设计计 论论文文 任任务务书书 机电工程 学院 机电一体化技术 专业 设 计 题 目 搬运机械手设计及 PLC 控制 学 生 姓 名 班 级 起 止 日 期 指 导 教 师 李宝栋 年 月 日 2 72 1 1 毕业设计的原始数据 毕业设计的原始数据 1 论文所用相关资料从校图书馆书籍或网上下载获得 2 数据资料由教师根据生产实践提供 2 2 毕业设计毕业设计 论文论文 的内容和要求的内容和要求 包括技术要求 图表要求以及工作要求等包括技术要求 图表要求以及工作要求等 设计一搬运机械手 满足下列技术要求 绘制各主要零件图和装配图 并采用 S7 200 PLC 进行控制 1 末端载荷 5KG 2 自由度数 4 3 坐标形式 圆柱坐标 4 最大工作半径 1500mm 5 手臂最大中心高 800mm 6 手臂伸缩速度 750 mm s 手臂升降速度 250mm s 手臂回转速度 110 s 手腕回转速度 360 s 7 手臂伸缩行程范围 0 500mm 手臂升降行程范围最大 0 100mm 手臂 回转行程范围 0 220 8 定位方式 行程开关或可调机械挡块等 9 定位精度 mm1 10 驱动方式 液压驱动 11 控制方式 点位程序控制 采用 PLC 3 3 毕业设计应完成的技术文件 毕业设计应完成的技术文件 1 撰写设计说明书 2 装配图 各主要零件图 一套 3 PLC 接线图以及其它相关设备的电气图 4 4 主要参考文献 主要参考文献 1 李允文 工业机械手设计 北京 机械工业出版社 1996 4 2 濮良贵 纪名刚 机械设计 北京 高等教育出版社 2001 3 陆祥生 杨绣莲 机械手 北京 中国铁道出版社 1985 1 4 张建民 工业机械人 北京 北京理工大学出版社 1992 3 72 5 5 毕业设计毕业设计 论文论文 进度计划进度计划 以周为单位以周为单位 起 止 日 期工 作 内 容备 注 第 1 周 12 月 9 日 12 月 15 日 第 2 4 周 12 月 16 日 12 月 29 日 第 5 周 12 月 30 日 1 月 5 日 第 6 7 周 1 月 6 日 1 月 19 日 查阅相关资料 确定设计总 方案 完成相关设计计算 绘制装配图 各主要零件图 PLC 控制部分设计及调试 撰写设计说明书 教研室审查意见 教研室主任 年 月 日 学院审查意见 学院院长 年 月 日 4 72 摘 要 在现代工业中 生产过程的机械化 自动化已成为突出的主题 化工等连续性生产 过程的自动化已基本得到解决 专用机床是大批量生产自动化的有效的办法 控制机床 数控机床 加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法 但除切削加工本身外 还有大量的装卸 搬运 装配等作业 有待于进一步实现机械化 工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的 机械手是能够模仿人体上肢的部分 功能 可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自 动化生产设备 自上世纪六十年代 PLC 设计的机械手被实现为一种产品后 对它的开发 应用也在不断发展 它可以在减轻繁重的体力劳动 改善劳动条件和安全生产 提高生 产效率 稳定产品质量 降低废品率 降低生产成本 增强企业的竞争力等方面起到及 其重要的作用 关键字 关键字 机械手 PLC 现代工业 5 72 ABSTRACT AbstractAbstract In modern industry the production process of mechanization automation has become a prominent theme Continuity of the chemical production process of autom ation has been basically resolved Dedicated high volume production automated machine tools is an effective way controlled machine tools However in addition to cutting its own there are a lot of loading and unloading transportation assembly and other operations to be further mechanized According to the data PLC robot was designed to achieve a product it has been the development and application development the most typical of this development are the producers of health products used in industry in order to achieve the much needed health inspection in a short period of time a large number of sample data but in the field of health as a result of the use of robot goods in a single sample color reagent method using filters and structural design resulting in expensive reagents restrictions The product market With the advances in technology the robot has actually broken the design of a single reagent and heating the filter constraints Keyword robot PLC modern industrial 6 72 目录 摘 要 4 ABSTRACT 5 目录 6 1 绪论 8 1 1 前言 8 1 2 工业机械手在生产中的应用 10 1 2 1 建造旋转零件 转轴 盘类 环类 自动线 11 1 2 2 在实现单机自动化方面 11 1 2 3 铸 锻 焊热处理等热加工方面 11 1 3 机械手的组成 11 1 4 1 执行机构 11 1 4 2 驱动机构 13 1 4 3 控制系统及其分类 13 1 5 工业机械手的分类 13 1 6 工业机械手的发展趋势 14 1 7 工业机械手的自由度和座标型式 15 1 8 工业机械手的展望 16 1 9 本文主要研究内容 17 1 10 本章小结 18 2 机械手的总体设计方案 19 2 1 机械手基本形式的选择 19 2 2 机械手的主要部件及运动 19 2 3 驱动机构的选择 20 2 4 机械手的技术参数列表 20 2 5 本章小结 21 3 机械手手部的设计计算 22 3 1 手部设计基本要求 22 3 2 典型的手部结构 22 3 3 机械手手抓的设计计算 22 3 3 1 选择手抓的类型及夹紧装置 22 3 3 3 夹紧力及驱动力的计算 24 3 3 4 手抓夹持范围计算 25 3 4 机械手手抓夹持精度的分析计算 26 3 5 弹簧的设计计算 27 7 72 3 6 本章小结 29 4 腕部的设计计算 30 4 1 腕部设计的基本要求 30 4 2 腕部的结构以及选择 30 4 2 1 典型的腕部结构 30 4 3 腕部的设计计算 30 4 2 2 腕部结构和驱动机构的选择 30 4 3 1 腕部设计考虑的参数 31 4 3 3 腕部驱动力的计算 31 4 3 4 液压缸盖螺钉的计算 33 4 3 5 动片和输出轴间的连接螺钉 34 4 4 本章小结 35 5 臂部的设计及有关计算 36 5 1 臂部设计的基本要求 36 5 2 手臂的典型机构以及结构的选择 37 5 2 1 手臂的典型运动机构 37 5 2 2 手臂运动机构的选择 37 5 3 手臂直线运动的驱动力计算 37 5 3 1 手臂摩擦力的分析与计算 37 5 3 2 手臂惯性力的计算 39 5 3 3 密封装置的摩擦阻力 39 5 4 液压缸工作压力和结构的确定 40 5 5 本章小结 41 6 机身的设计计算 42 6 1 机身的整体设计 42 6 2 机身回转机构的设计计算 42 6 3 机身升降机构的计算 47 6 3 1 手臂偏重力矩的计算 47 6 3 2 升降不自锁条件分析计算 48 6 3 3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 49 6 4 轴承的选择分析 50 6 5 本章小结 50 50 7 7 PLCPLC 及其应用及其应用 51 7 1 PLC 的概念 51 7 2 PLC 的组成 51 7 3 PLC 工作原理及其特点 53 8 72 四 PLC 的应用 53 7 4 PLC 控制方案分析 54 7 4 1 对 PLC 的选取 54 7 4 2 系统的整体设计分析 56 7 5 设计内容 56 7 5 1 机械结构和控制要求 56 7 5 2 系统硬件设计 57 7 5 3 系统软件设计 57 三 系统软件设计 58 三 系统软件设计 60 7 6 系统调试 61 7 7 设计总结 62 结 论 70 致 谢 71 参考文献 72 1 绪论 9 72 1 1 前言 用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手 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 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术 并已成为现代机械制造生产 系统中的一个重要组成部分 这种新技术发展很快 逐渐成为一门新兴的学科 机械 手工程 机械手涉及到力学 机械学 电器液压技术 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 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备 工业机械手也是工业 机器人的一个重要分支 他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业 在构造和性 能上兼有人和机器各自的优点 尤其体现在人的智能和适应性 机械手作业的准确性和 环境中完成作业的能力 在国民经济领域有着广泛的发展空间 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识 其一 它能部分的代替人 工操作 其二 它能按照生产工艺的要求 遵循一定的程序 时间和位置来完成工件的 传送和装卸 其三 它能操作必要的机具进行焊接和装配 从而大大的改善了工人的劳 动条件 显著的提高了劳动生产率 加快实现工业生产机械化和自动化的步伐 因而 受到很多国家的重视 投入大量的人力物力来研究和应用 尤其是在高温 高压 粉尘 噪音以及带有放射性和污染的场合 应用的更为广泛 在我国近几年也有较快的发展 并且取得一定的效果 受到机械工业的重视 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器 他有多个自由度 可 以搬运物体以完成在不同环境中的工作 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 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 10 72 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 1979 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 1976 年个大学和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 机械人 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 机械人 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 工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象 机械手可以完成许多工作 如搬物 装配 切割 喷染等等 应用非常广泛 5 广泛 在现代工业中 生产过程中的自动化已成为突出的主题 各行各业的自动化水平越 来越高 现代化加工车间 常配有机械手 以提高生产效率 完成工人难以完成的或者 危险的工作 可在机械工业中 加工 装配等生产很大程度上不是连续的 据资料介绍 美国生产的全部工业零件中 有 75 是小批量生产 金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下 零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5 从这里可以看出 装 卸 搬运等工序机械化的迫切性 工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的 11 72 目前在我国机械手常用于完成的工作有 注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传 诵到下一个生产工序 机械手加工行业中用于取料 送料 浇铸行业中用于提取高温熔 液等等 本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象 下面具体说明机械手在工 业方面的应用 1 2 1 建造旋转零件 转轴 盘类 环类 自动线 一般都采用机械手在机床之间传递零件 国内这类生产线很多 如沈阳永泵厂的深 井泵轴承体加工自动线 环类 大连电机厂的 4 号和 5 号电动机加工自动线 轴类 上海拖拉机厂的齿坯自动线 盘类 等 加工箱体类零件的组合机床自动线 一般采用随行夹具传送工件 也有采用机械手 的 如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手 1 2 2 在实现单机自动化方面 各类半自动车床 有自动加紧 进刀 切削 退刀和松开的功能 单仍需人工上下 料 装上机械手 可实现全自动化生产 一人看管多台机床 目前 机械手在这方面应 用很多 如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手 大连第二车床厂的自 动循环液压仿行车床机械手 沈阳第三机床厂的 Y38 滚齿机械手 青海第二机床厂的滚 铣花键机床机械手等 由于这方面的使用已有成功的经验 国内一些机床厂已在这类产 品出厂是就附上机械手 或为用户安装机械手提供条件 如上海第二汽车配件厂的灯壳 冲压生产线机械手 生产线中有两台多工位机床 和天津二注塑机有加料 合模 成型 分模等自动工作循环 装上机械手的自动装卸工件 可实现全自动化生产 目前机械手 在冲床上应用有两个方面 一是 160t 以上的冲床用机械手的较多 如沈阳低压开关厂 200t 环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂 400t 冲床的下料机械手等 其 一是用于多工位冲床 用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的 120t 和 40t 多工位 冲床机械手等 1 2 3 铸 锻 焊热处理等热加工方面 模锻方面 国内大批量生产的 3t 5t 10t 模锻锤 其所配的转底炉 用两只机 械手成一定角度布置早炉前 实现进出料自动化 上海柴油机厂 北京内燃机厂 洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验 1 3 机械手的组成 工业机械手是一种模仿人手动作 并按设定的程序 轨迹和要求代替人手抓取 搬 运工件或操持工具或进行操作的自动化装置 目前国内工业机械手的种类和型式比较多 但是从结构型式分析 主要由执行机构 驱动系统和控制系统等组成 12 72 1 4 1 执行机构 主要由手部 手腕 受臂和行走机构等运动部件组成 1 手部 它具有人手某种单一动作的功能 由于抓取物件的形状不同 手部有夹 持式和吸附式等型式 夹持式手部是由手指和传力机构组成 手指是直接与物件接触的构件 常用的手指运动型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 平移型手指应用较少 其原因是结构比较复杂 但是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 传力机构形式教多 常用的有 滑槽杠杆式 连杆杠杆式 斜槭杠杆式 齿轮齿条 式 丝杠螺母式 弹簧式和重力式等 吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类 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 流负压和真空泵压 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 电磁吸盘的吸力有直流电磁铁和交流电磁铁产生 用负压磁盘和电磁吸盘吸料 其吸盘的形状 数量 和吸附力的大小 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 如浇注机械手的浇包部分 托式 如冷挤齿 轮机床上下料机械手的手部 等型式 2 腕部 是连接手部和臂部的部件 并可用来调节被抓物体的方位 以扩大机械 手的动作范围 并使机械手变的更灵巧 适应性更强 手腕有独立的自由度 有回转运 动 上下摆动 左右摆动 一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要 求 有些动作较为简单的专用机械手 为了简化结构 可以不设腕部 而直接用臂部运 动驱动手部搬运工件 目前 应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压 气 缸 它的结构紧凑 灵巧但回转角度小 一般小于 2700 并且要求严格密封 否则就难保证稳定的输出 扭距 因此在要求较大回转角的情况下 采用齿条传动或链轮以及轮系结构 3 臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件 它的作用是支撑腕部和手部 包括 工作或夹具 并带动他们做空间运动 臂部运动的目的 把手部送到空间运动范围内任意一点 如果改变手部的姿态 方 位 则用腕部的自由度加以实现 因此 一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要 求 即手臂的伸缩 左右旋转 升降 或俯仰 运动 手臂的各种运动通常用驱动机构 如液压缸或者气缸 和各种传动机构来实现 从 臂部的受力情况分析 它在工作中既受腕部 手部和工件的静 动载荷 而且自身运动 13 72 较为多 受力复杂 因此 它的结构 工作范围 灵活性以及抓重大小和定位精度直接 影响机械手的工作性能 4 行走机构 当工业机械手需要完成比较远的距离的操作时 可以在机座上安装 滚轮 轨道等行走机构 以实现工业机械手的整机运动 我国的正处于仿真阶段 1 4 2 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分 根据动力源的不同 工业机械手的驱动机 构大致可分为液压 气动 电动和机械驱动等四类 采用液压机构驱动机械手 结构简单 尺寸紧凑 重量轻 控制方便 1 4 3 控制系统及其分类 它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 在机械手的控制上 有点动控制和连续控制两种方式 大多数用插销板进行点位控 制 1 5 工业机械手的分类 工业机械手的种类很多 关于分类的问题 目前在国内尚无统一的分类标准 在此 暂按使用范围 驱动方式和控制系统等进行分类 按使用范围可以分为 专用机械手和通用机械手两大类 前者一般附属于工作机器 设备 动作程序固定 驱动系统和控制系统可以独立 亦可附属于工作机器设备 而后 者是独立工作的自动化机械装置 在规格性能范围内 其动作程序是可变的 通过调整 可在不同场合使用 驱动系统和控制系统是独立的 按驱动方式可以分为 液压传动机械手 气压传动机械手 电动传动机械手 机 械传动机械手 1 液压传动机械手 是以由油液的压力来驱动执行机构运动的机械手 其主要特 点是 抓重可以达到几百公斤以上 传动平稳 结构紧凑 动作灵敏 但是对密封装置 要求严格 不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响 并且不宜在高温 低温下 工作 若机械手采用电液伺服驱动系统 可实现连续轨迹控制 使机械手的通用性扩大 但是电液伺服阀的制造精度高 油液过滤要求严格 成本高 2 气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手 其主要 特点是 介质来源极其方便 气动动作迅速 结构简单 成本低 但是 由于空气具有 可压缩的特征 工作速度的稳定性较差 而且气源压力较低 抓重一般在 30 公斤以下 适用于高速 轻载 高温和粉尘大的环境中进行工作 3 机械传动机械手 即由机械传动机构 如凸轮 连杆 齿轮和齿条 间歇机构 等 驱动的机械手 它是一种附属于工作主机的专用机械手 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 动作程序可不变 它常 被用于为工作主机的上 下料 4 电动传动机械手 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 14 72 驱动执行机构运动的机械手 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 按控制方式可以分为 点位控制和连续轨迹控制 前者它的运动为空间点到点之间 的移动 只能控制运动过程中几个点的位置 不能控制其运动轨迹 若欲控制的点数越 多 则必然增加电气控制系统的复杂性 目前多数机械手属于点位控制 后者它的运动 轨迹为空间的任意连续曲线 其特点是设定点为无限的 整个移动过程处于控制之下 可以实现平稳和准确的运动 并且使用范围广 但是电气控制系统复杂 1 6 工业机械手的发展趋势 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PC机的开放型控制器方向发展 便于标准化 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 15 72 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 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 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 1 7 工业机械手的自由度和座标型式 1 工业机械手的自由度 自由度是机械手设计的主要参数 每一个构件 即运动件 相对固定坐标系所 具有的独立运动称为自由度 每一个构件相对固定坐标系最多可有六个自由度即沿 X Y Z三个方向独立的往复运动和绕X Y Z轴的三个独立的回转运动 两个构件组 成相对运动的联接称为运动副 对相对运动加以限制的条件即为约束条件 因为 组成 运动副的各构件的运动是受到约束的 不能任意运动 必须按照人们预定的规律而运动 分析机械手的手臂 手腕 手指等部件的本身和它们之间的关系 不外乎是由一组相互 联系着的构件和运动副所组成 这些运动副又可以分为只有一个自由度的回转副和移动 副或有三个自由度的球面副 所谓工业机械手的自由度就是整机 手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动 有几个独立运动就有几个自由度 手指的抓取动作或吸盘的吸放动作一般不记在自由度 数目内 工业机械手自由度数的多少 决定着工业机械手动作多样化的程度 一般为了确定 被抓取对象在空间的位置和方位 即姿势 需要有六个自由度 但实际上由于有些工 件或工具具有对称性或放置状态一定 往往并不需要工业机械手都具有六个自由度 工业机械手的自由度数越多 它的动作越灵活 应用越广 但同时也使控制系统和机械 结构越复杂 定位精度难以保证 整机的造价高 自重大 所以 在设计工业机械手时 应按照生产实际需要选用最少的自由度数 目前国内外现有的工业机械手的自由度数目 多数为2 5个 2 座标型式 16 72 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况 其座标型式可以分为下列几种 1 直角坐标式 其手臂的运动系由三个直线运动所组成 即沿直角座标系的X轴的 伸缩 沿Z轴的升降 沿Y轴的横移 这种座标型式的机械手称为直角座标式机械手 它 的特点是结构简单 定位精度高 适用于主机位置成行排列的场合 但是由于占地面积 大而工作范围小以及灵活性差 限制了它的使用范围 2 圆柱座标式 其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转所组成 即沿直角座 标系的X轴的伸缩 沿Z轴的升降和绕Z轴的回转 这种座标型式的机械手称为圆柱座标式 机械手 它与直角坐标式相比较 占地面积小而活动范围小 结构简单 并能达到较高 的定位精度 因此应用较广泛 但是由于机械手结构的关系 沿Z轴方向移动的最低位置 受到限制 故不能抓取地面上的物件 3 球座标式 其手臂的运动系由一个直线运动和两个回转所组成 即沿X轴的伸缩 绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转 这种座标型式的机械手称为 球座标式机械手 这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件 为了使手部能适应被抓取物件方 位的要求 常常设有手腕上下摆动 使其手部保持水平位置或其它状态 这种型式的机 械手手臂具有动作灵活 占地面积小而工作范围大等特点 它使用于沿轴伸缩方向外作 业的传动形式 但是结构复杂 此外 手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误 差放大 4 关节式 其机械手的运动类似人的手臂可作几个方向的转动 它由大小两臂和 立柱等组成 大小两臂之间的联动为肘关节 大臂与立柱之间的联接为肩关节 各关节 均由铰链构成以实现转动 手臂的运动系由三个回转运动所组成 即大臂的俯仰 小臂 俯仰和大臂的回转 这种座标型式的机械手称为关节式机械手 它的特点是工作范围大 动作灵活 通用性强 能抓取靠近机座的物件 并能绕过机体和工作主机之间的障碍物 去抓取物件 此为其它型式的机械手不可比拟的优点 但是关节式机械手的手指定位是 由各个关节相互转角来决定的 所以定位精度较差 另外 控制装置和机械机构比其它 型式的机械手均复杂 机械手座标型式的正确选择 要通过座标型式方案的比较来确定 在拟定座标型式 方案时 又须根据现场具体生产情况和工艺 精度 安装空间的要求 结合各种座标型 式的特点来分析比较 确定比较合理的座标型 1 8 工业机械手的展望 目前工业机械手的应用逐步扩大 技术性能在不断提高 由于发展时间较短 人们 对它有一个逐步认识的过程 机械手在技术上还有一个逐步完善的过程 其目前的展望 为 1 扩大机械手在热加工行业上应用 目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多 而在铸 锻 焊 热处理等 热加工以及装配作业等方面的应用较少 因热加工作业的物件重 形状复杂 环境温度 高等 给机械手的设计 制造带来不少困难 这就需要解决技术上的难点 使机械手更 17 72 好地为热加工作业服务 同时 在其它行业和工业部门 也将随着工业技术水平的不断 提高 而逐步扩大机械手的使用 2 提高工业机械手的工作性能 机械手工作性能的优劣 决定着它能否正常地应用于生产中 机械手工作性能中的 重复定位精度和工作速度两个指标 是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键 因素 因此要解决好机械手的逐个平稳性和快速性的要求 除了从解决缓冲定位措施入 手外 还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀 将伺服控制系统应用于机械手 上 3 发展组合式机械手 从机械手本身的特点来说 可变程序的机械手更适应产品改型 设备更新 多品种小批 量的要求 但是它的成本高 专用机械手价廉 但适用范围又受到限制 因此 对一些 特殊用途的场合 就需要专门设计 专门加工 这样就提高了产品成本 为了适应应用 领域分门别类的要求 可将机械手的机构设计成可以组合的型式 组合式机械手是将一 些通用部件 如手臂伸缩部件 升降部件 回转部件和腕部回转 俯仰部件等 根据作 业的要求 选择必要的能完成预定机能的单元部件 以机座为基础进行组合 配上与其 相适应的控制部分 即成为能完成特殊要求的机械手 它可以简化结构 兼顾了使用上 的专用性和设计上的通用性 便于标准化 系列化设计和组合专业化生产 有利于提高 机械手的质量和降低造价 是一种有发展前途的机械手 4 研制具有 视觉 和 触觉 的所谓 智能机器人 对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合 工业机械手很难替代人的劳动 如在工作过程中出现事故 障碍和情况变化等 机械手不能自动分辨纠正 而只能停机 待人们排除意外事故后才能继续工作 因此 人们对机械手提出了更高的要求 希望使 其具有 视觉 触觉 等功能 使之对物体进行判断 选择 能连续调节以适应变化 的条件 并能进行 手 眼 协调动作 这就需要一个能处理大量信息的计算机 要求 人与机器 对话 进行信息交流 这种带 视觉 触觉 反馈的 由计算机控制的 具有人的部分 智能 的机械 装置称为 智能机器人 所谓 智能 是包括 识别 学习 记忆 分析判断的功能 而识别功能是通过 视觉 触觉 和 听觉 等感觉 器官 认识对象的 具有感觉功能的机器人 其工作性能是比较完善的 能准确的夹持任意方位的物 件 判断物件重量 越过障碍物进行工作 自动检测夹紧力的大小 并且能自动调节 适用于从事复杂 精密的操作 如装配作业 国外研制的装配机器人 能将活塞装入间 隙仅有20微米的汽缸内 它有着一定的发展前途 智能机器人是一种新兴的技术 对它的研究将涉及到电子技术 控制论 通讯技术 电视技术 空间机构和仿生机械学等学科 它是当代自动控制技术的一个新兴领域 随 着科学技术的发展 智能机器人将会代替人做更多的工作 18 72 1 9 本文主要研究内容 本文研究了国内外机械手发展的现状 通过学习机械手的工作原理 熟悉了搬运机 械手的运动机理 在此基础上 确定了搬运机械手的基本系统结构 对搬运机械手的运 动进行了简单的力学模型分析 完成了机械手机械方面的设计工作 包括传动部分 执 行部分 驱动部分 的设计工作 1 10 本章小结 本章简要的介绍了机械手的基本概念 在机械手的组成上 系统的从执行机构 驱 动机构以及控制部分三个方面说明 比较细致的介绍了机械手的发展趋势 简要的叙述 了本文研究的内容 19 72 2 机械手的总体设计方案 本课题是轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真 本设计主要任务是完成机械手的 结构方面设计 在本章中对机械手的座标形式 自由度 驱动机构等进行了确定 因此 在机械手的执行机构 驱动机构是本次设计的主要任务 2 12 1 机械手基本形式的选择机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态 按坐标形式大致可以分为以下4种 1 直角 坐标型机械手 2 圆柱坐标型机械手 3 球坐标 极坐标 型机械手 4 多关节型机机 械手 其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑 定位精度较高 占地面积小 因此本设计采 用圆柱坐标 图1 1 是机械手搬运物品示意图 图中机械手的任务是将传送带A上的 11 型 物品搬运到传送带B 图1 1 机械手基本形式示意 2 22 2 机械手的主要部件及运动机械手的主要部件及运动 在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后 根据设计任务 为了满足设计要 求 本设计关于机械手具有4个自由度既 手部回转 手臂伸缩 手臂回转 手臂升降4 个主要运动 本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成 1 手部 采用一个双作用式液 压缸 通过机构运动实现手抓的张合 2 腕部 采用一个回转液压缸实现手部回转 3 臂部 采用直线缸来实现手臂平动1 2m 4 机身 采用一个直线缸和一个 0 180 回转缸来实现手臂升降和回转 20 72 2 32 3 驱动机构的选择驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分 工业机械手的性能价格比在很大程度上取 决于驱动方案及其装置 根据动力源的不同 工业机械手的驱动机构大致可分为液压 气动 电动和机械驱动等四类 液压机构驱动机械手的优点 1 由于液压传动是油管连接 所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构 这是比机械传动优越的地方 例如 在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动 以克 服长驱动轴效率低的缺点 由于液压缸的推力很大 又加之极易布置 在挖掘机等重型 工程机械上 已基本取代了老式的机械传动 不仅操作方便 而且外形美观大方 2 液压传动装置的重量轻 结构紧凑 惯性小 例如 相同功率液压马达的体积为 电动机的 12 13 液压泵和液压马达单位功率的重量指标 目前是发电机和电动机的 十分之一 液压泵和液压马达可小至 0 0025N W 牛 瓦 发电机和电动机则约为 0 03N W 3 可在大范围内实现无级调速 借助阀或变量泵 变量马达 可以实现无级调速 调速范围可达 1 2000 并可在液压装置运行的过程中进行调速 4 传递运动均匀平稳 负载变化时速度较稳定 正因为此特点 金属切削机床中的 磨床传动现在几乎都采用液压传动 5 液压装置易于实现过载保护 借助于设置溢流阀等 同时液压件能自行润滑 因此使用寿命长 6 液压传动容易实现自动化 借助于各种控制阀 特别是采用液压控制和电气控 制结合使用时 能很容易地实现复杂的自动工作循环 而且可以实现遥控 7 液压元件已实现了标准化 系列化和通用化 便于设计 制造和推广使用 液压机构驱动机械手的缺点 1 液压系统中的漏油等因素 影响运动的平稳性和正确性 使得液压传动不能保证 严格的传动比 2 液压传动对油温的变化比较敏感 温度变化时 液体粘性变化 引起运动特性的 变化 使得工作的稳定性受到影响 所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作 3 为了减少泄漏 以及为了满足某些性能上的要求 液压元件的配合件制造精度要 求较高 加工工艺较复杂 4 液压传动要求有单独的能源 不像电源那样使用方便 5 液压系统发生故障不易检查和排除 总之 液压传动的优点是主要的 随着设计制造和使用水平的不断提高 有些缺点 正在逐步加以克服 液压传动有着广泛的发展前景 因此 机械手的驱动方案选择液压驱动 2 42 4 机械手的技术参数列表机械手的技术参数列表 2 4 12 4 1 用途 搬运用途 搬运 用于车间搬运用于车间搬运 2 4 22 4 2 设计技术参数设计技术参数 1 抓重 5Kg 夹持式手部 2 自由度数 4个自由度 21 72 3 座标型式 圆柱座标 4 最大工作半径 1600mm 5 手臂最大中心高 1248mm 6 手臂运动参数 伸缩行程 1500mm 伸缩速度 750mm s 升降行程 800mm 升降速度 250mm s 回转范围 0 220 7 手腕运动参数 回转范围 0 220 2 52 5 本章小结本章小结 本章对机械手的整体部分进行了总体设计 选择了机械手的基本形式以及自由度 确定了本设计采用液压驱动 给出了设计中机械手的一些技术参数 下面的设计计算将 以次进行 22 72 3 3 机械手手部的设计计算机械手手部的设计计算 3 13 1 手部设计基本要求手部设计基本要求 1 应具有适当的夹紧力和驱动力 应当考虑到在一定的夹紧力下 不同的传动机构 所需的驱动力大小是不同的 2 手指应具有一定的张开范围 手指应该具有足够的开闭角度 手指从张开到闭合 绕支点所转过的角度 以便于抓取工件 3 要求结构紧凑 重量轻 效率高 在保证本身刚度 强度的前提下 尽可能使结 构紧凑 重量轻 以利于减轻手臂的负载 4 应保证手抓的夹持精度 3 23 2 典型的手部结构典型的手部结构 1 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种 2 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动 3 平面平移型 3 33 3 机械手手抓的设计计算机械手手抓的设计计算 3 3 13 3 1 选择手抓的类型及夹紧装置选择手抓的类型及夹紧装置 本设计是设计平动搬运机械手的设计 考虑到所要达到的原始参数 手抓张合角 夹取重量为30Kg 常用的工业机械手手部 按握持工件的原理 分为夹持和吸附 0 60 两大类 吸附式常用抓取工件表面平整 面积较大的板状物体 不适合用于本方案 本设 计机械手采用夹持式手指 夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移 型 平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动 这种手指结构简单 适于夹持平板方 料 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置 其理论夹持误差零 若采用典型的平 移型手指 驱动力需加在手指移动方向上 这样会使结构变得复杂且体积庞大 显然是不 合适的 因此不选择这种类型 通过综合考虑 本设计选择二指回转型手抓 采用斜楔杠杆这种结构方式 夹紧装 置选择常开式夹紧装置 它在弹簧的作用下机械手手抓闭和 在压力油作用下 弹簧被 压缩 从而机械手手指张开 23 72 3 3 23 3 2 手抓的力学分析手抓的力学分析 下面对其基本结构进行力学分析 斜楔杠杆 图 3 1 a 为常见的斜楔杠杆式手部结 构 a b 图 3 1 斜楔杠杆式手部结构 受力分析 1 手指 2 销轴 3 杠杆 在杠杆 3 的作用下 销轴 2 向上的拉力为 F 并通过销轴中心 O 点 两手指 1 的对销 轴的反作用力为 F1和 F2 其力的方向垂直于中心线和并指向点 交和的延 1 oo 2 oo o1 F 2 F 长线于 A 及 B 由 0 得 x F 12 FF 0 得 y F 1 2cos F F 11 FF 由 0 得h 01 M F 1N FF cos a h 24 72 F 2 cos N b F a 3 1 式中 a 手指的回转支点到对称中心的距离 mm 工件被夹紧时手指的方向与两回转支点的夹角 由分析可知 当驱动力一定时 角增大 则握力也随之增大 但角过大会导致F N F 拉杆行程过大 以及手部结构增大 因此最好 0 30 0 40 3 3 33 3 3 夹紧力及驱动力的计算夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力 是设计手部的主要依据 必须对大小 方向和作用点进行 分析计算 一般来说 需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性 力产生的载荷