气动机器人结构设计【含全套CAD图纸和WORD说明书】

陕西理工学院陕西理工学院 毕业设计说明书毕业设计说明书 题 目： 气动机器人的结构设计 系 别： 机械工程学院 专业班级： 000 姓 名： 000 学 号： 指导教师： 000 职 称： 二一 0 年 五 月 二十 日 目 录 摘 要. ABSTRACT. 1 绪论.1 1.1 工业机械人概述.1 1.2 机械手的分类.3 1.2.1 按用途分.4 1.2.2 按驱动方式分.4 1.2.3 按控制方式分.5 1.3 气动机械手的设计要求.5 1.4 机械手的系统工作原理及组成.6 1.5 本课题研究的意义.8 1.6 本课题的设计任务.8 2 机械手的整体设计方案.10 2.1 机械手的坐标形式与自由度.11 2.2 机械手的手部结构方案设计.12 2.3 机械手的手腕结构方案设计.12 2.4 机械手的手臂结构方案设计.12 2.5 机械手的驱动方案设计.12 2.6 机械手的控制方案设计.12 2.7 机械手的主要技术参数.12 3 手部结构设计.15 3.1 手指的形状和分类.15 3.2 设计时考虑的几个问题.15 3.3 手部夹紧气缸的设计.16 4 手腕结构设计.20 4.1 手腕的自由度.20 4.2 手腕的驱动力矩的计算.20 4.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩.20 4.2.2 回转气缸的驱动力矩计算.22 4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核.23 5 手臂各气缸的尺寸设计与校核.26 5.1 气缸的尺寸设计与校核.26 5.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计.26 5.1.2 尺寸校核.26 5.1.3 导向装置.27 5.1.4 平衡装置.27 5.2 升降气缸的尺寸设计与校核.27 5.2.1 尺寸设计.28 5.2.2 尺寸校核.28 5.3 回转气缸的尺寸设计与校核.29 5.3.1 尺寸设计.29 5.3.2 尺寸校核.29 6 气动系统设计与 PLC 控制系统设计.31 6.1 气动系统的设计.31 6.2 机械手的 PLC 控制系统设计.31 结论.32 致谢.33 参考文献.34 附录.35 I 气动机器人的结构设计气动机器人的结构设计 摘 要 本次课题研究的主要目的是提高生产过程中的自动化程度和改善劳动条件，避 免人身事故，同时也可以减轻人力，并便于有节奏的生产，整体改进生产效率。 本文简要介绍了工业机器人的概念，以及其在国内外的研究现状。另外介绍了 机械手硬件和软件的组成，即机械手各个部件的整体尺寸设计以及气动技术的特点。 除此之外本文还对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度， 以及机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构和机械手的手腕结 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。简单指出了机械手的气动系统和利用可编程序控制器对机械手进行控制。 关键词关键词 工业机器人/机械手/气动/可编程控制器 II Structural Design of Multi-purpose Pneumatic Robot ABSTRACT The main purpose of the research is to improve the production process automation and improvement of working conditions, to avoid the accident, but also can reduce the human, and to facilitate the production of rhythm, the overall improvement of production efficiency. This paper introduces the concept of industrial robots, and the status of their research at home and abroad. Also describes the robot hardware and software components, namely, the various components of robot design and the overall dimensions of the characteristics of pneumatic technology. In addition to this robot was also the overall design, to determine the coordinates of the manipulator forms and degrees of freedom, as well as technical parameters of the robot. At the same time, the design of the robot hand gripper-type structure and the structure of the robot wrist, the wrist rotation to calculate the torque required and torque of rotating cylinders. Design of the manipulator arm structure. Simply pointed out the robot and use of pneumatic system programmable controller to control the manipulator KEY WORDS industrial robot, manipulator, pump air pressure drive，PLC 1 1 绪论 1.1 工业机械人概述 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。 机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以 提高生产的自动化水平，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。 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:介质源极为方便，输出力小，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，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓 重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高 速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 气动技术有以下优点: (1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排 入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质 变质及补充的问题. (2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不浇 塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动 2 那样，造成压力明显降低和严重污染。 (3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力 和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。 (4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时， 机器及其工艺流程不致突然中断。 (5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环 境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影 响传动及控制性能。 (6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和 加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此， 在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。 此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然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己 被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够， 因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑 虑。 1.2.1 按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: （1）专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具 有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的 自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手等。 （2）通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。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。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产 品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型 3 和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的， 也可以实现连续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机 械手属于数控类型。 1.2.2 按驱动方式分 （1）液压传动机械手 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，不然油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）气压传动机械手 主要特点是:介质源极为方便，输出力小，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，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压 力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所 以适用于高速、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。主要特点是运 动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。 （4）电力传动机械手 即有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 的械手，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。 1.2.3 按控制方式分 （1）点位控制 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。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使 用的专用和通用工业机械手均属于此类。 （2）连续轨迹控制 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，但电气控制系统 4 复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 1.2 气动机械手的设计要求 本课题将要完成的主要任务如下 (1) 选取机械手的自由度和坐标。 (2) 设计机械手的各个执行机构，包括:手臂、手腕、手部部件的设计和计算。为了 增强通用性，把手部设计成为可更换的结构，不仅能用于夹持式手指来抓取棒料工 件，而且还可以用于气流负压式吸盘来吸取板料工件。 1.3 机械手的系统工作原理及组成 机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。 图1-1 机械手的系统工作原理框图 控制系统 （PLC） 驱动系统 （气压传动） 执行机构 位置检测装置 手部 手腕 手臂 立柱 5 机械手的工作原理：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。在PLC程序控制下，采用气压传动方式，来实现执行机构的各个部 位发生设计要求的，有次序，有运动轨迹，有相应速度和时间的动作。同时按其控 制系统的信息命令对执行机构发出指令，可对机械手的动作进行监测，当动作发生 错误或故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控 制系统，并与系统设定的位置进行对比，然后通过控制系统进行调整，从而使执行 机构达到一定精度的设定位置. (一)执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。 1、手部 与物件接触的部件。因为与物件接触的形式不同，把它可分为夹持式和吸附式。 夹持式手部由手指或手爪和传动机构构成。手指是和物件直接接触的构件，一般可 分为回转型和平移型。回转型手指制造容易,结构简单。平移型不常应用，其原因是 结构复杂，但是平移型手指夹持圆形零件,不会因为工件直径的变化而影响其轴心的 位置，所以适宜夹持直径变化大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状和 外廓或是内孔和物件的重量及尺寸。而传动机构通过手指产生夹紧力来夹放物件。 常用的传动机构有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母 弹簧式等。 2、手腕 是连接手部和手臂的部件，可用来调整被抓取物件的姿势 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。 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。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向 移动，即称为可移式立柱。 5、机座 6 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。它由动力装置、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、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。该机械手采用 的是PLC程序控制系统，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. 1.4 本课题研究的意义 （1） 提高过程中的自动化程度 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 的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 （2） 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、有放射性或其他毒性污染 以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是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。 （3） 可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械 7 手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工 自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于 有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋 势。 1.5 本课题的设计任务 本课题将要完成的主要任务如下: （1） 综合运用自己在大学里学到的专业知识，设计四自由度气动机器人的结构； （2） 设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。 （3） 学会运用机械原理及机械设计中所学到的内容，进而熟练掌握大学所学知 识在现实生活中的应用； （4） 有效的把机器人和机构设计及相关的软件统一起来,实现有机结合,使自己更 深层次的了解机械设计在前沿高新技术中的重要应用； 8 2 机械手的整体设计方案 对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具 有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意 位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作 业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确 工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质 量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组 件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次 设计的机械手是通用气动上下料机械手（如图2-1所示），是一种适合于成批或中、 小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频 繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。 9 图2-1机械手的整体机械结构 2.1 机械手的坐标形式与自由度 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标形式可分为直角坐标式、 圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及 回转运动，因此，采用圆柱坐标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升 降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。 （如图2-2所示） 10 图2-2 机械手的运动示意图 2.2 机械手的手部结构方案设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是 棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。 2.3 机械手的手腕结构方案设计 11 致 谢 在这里首先我要对000老师表示诚挚的感谢，从课题的选择以及整个设计的过 程中，我遇到了很多麻烦，是韦老师给予了我真诚的鼓励、中肯的建议和指导。 对韦老师的辛勤指导，呈上我最诚挚的谢意，并致以崇高的敬意！另外在课题的 研究和开发阶段，得到了学校老师的支持，在此也向他们表示我衷心的感谢。在 日常生活和学习中，学校的各位老师，以及全体同学给予我大力支持和帮助，在 此我向他们表示衷心的感谢。感谢在我大学四年学习生活中，给予我谆谆教诲所 有的老师们，谢谢您们曾经给予我的一切。祝所有人幸福快乐！ 12 参考文献 1张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，1988 2朱冬梅.机械制图，第五版.高等教育出版社. 3蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，2001, 4 4金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用 ， 2001, 2 5王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封，1999, 5 6严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，1992 7费仁元