四自由度多用途气动机器人结构及控制设计说明书

四自由度多用途气动机器人结构及控制设计说明书资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。目录目录1HYPERLINK../../../wfpaper/y566384wz.pdf文摘3Abstract3HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf第一章 绪论HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf1.1机械手概4HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf1.2机械手的组成和分4HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf1.2.1机械手的组成.HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf1.2.2机械手的分类HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf1.3国内外发展状..7HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf1.4课题的提出及主要任……………8HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf1.4.1课题的提出HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf1.4.2课题的主要任务HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf第二章机械手的设计方案HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf2.1机械手的座标型式与自由…….10HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf2.2机械手的手部结构方案设…….1HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf2.3机械手的手腕结构方案设……..12HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf2.4机械手的手臂结构方案设…….12HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf2.5机械手的驱动方案设………….12HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf2.6机械手的控制方案设…………..12HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf2.7机械手的主要参……………..12HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf2.8机械手的技术参数列…………12HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf第三章手部结构设计HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf3.1夹持式手部结………………….14HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf3.1.1手指的形状和分类HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf3.1.2设计时考虑的几个问题HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf3.1.3手部夹紧气缸的设计HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf第四章手腕结构设计HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf4.1手腕的自由…………………….18HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf4.2手腕的驱动力矩的计…………..19HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf4.2.2回转气缸的驱动力矩计算HYPERLINK../../wfpaper/y.pdf4.2.3回转气缸的驱动力矩计校核HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf第五章手臂伸缩,升降,回转气缸的设计与校核HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf5.1手臂伸缩部尺寸设计与校…………………..24HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf5.1.1尺寸设计HYPERLINK../../wfpaper/y.pdf5.1.2尺寸校核5.1.3导向装置5.1.4平衡装置HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf5.2手臂升降部分尺寸设计与校…………………26HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf5.2.1尺寸设计HYPERLINK../../wfpaper/y.pdf5.2.2尺寸校核HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf5.3手臂回转部分尺寸设计与校核…………………27HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf5.3.1尺寸设计HYPERLINK../../wfpaper/y.pdf5.3.2尺寸校核HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf第六章气动系统设计HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf6.1气压传动系统工作原理………29HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf6.2气压传动系统工作原理图的参数化绘………30HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf第七章机械手的PLC控制设计HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf7.1可编程序控制器的选择及工作过…………….31HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf7.1.1可编程序控制器的选择HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf7.1.2可编程序控制器的工作过程HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf7.2可编程序控制器的使用步…….31HYPERLINK../../../wfpaper/y.pdf7.3机械手可编程序控制器控制方………………..32第八章结论………………...36致谢………….37参考文献四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现机械设计制造及其自动化 121130 谢刚指导教师: 俞国燕中文摘要:本文简要介绍了工业机器人的概念机械手的组成和分类机械手的自由度和标形式,气动技术的特点PLC控制的特点及国内外的发展状况。本文对机械手进行总体方案设计确定了机械手的坐标形式和自由度确定了机械手的技术参数同时设计了机械手的夹持式手部结构设计了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。设计出了机械手的气动系统绘制了机械手气压系统工作原理图对气压系统工作原理图的参数化绘制进行了研究,大大提高了绘图效率和图纸质量。利用可编程序控制器对机械手进行控制,选取了合适PLC型号,根据机械手的工作流程制定了可程序控制器的控制方案画出了机械手的工作时序图并绘制了可编程序控制器的控制程序。关键词工业机器人,机械手,气动,可编程序控制器PLC)ASAT:tfrst,thepprntroducsthecocptonofthendustrlrobotndthee. drynformtonofthedvopmntbrfy.htsmor,thepprccoutsfrthebckgroundndtheprmrymssonofthetopc.Thepprntroducsthefucton,composngndcssfctonofthemnputor,tsoutthefr-dgrendthefrmfcoordnte.tthesmetm,thepprgvsoutthermryspcfctonprmtrofthsmnpulto,Thepprdsgnsthestrcturefthehndndthequpmntoftherveofthemnputor,Thspprdsgnsthesructreof thewrst,computsthenddmomntofthedrvewhntherstwhsndthemomntofthedrveofthepump.Thepprdsgnsthestrctureftherm.Thepprdsgnsthesstmfrprsurervenddrsthewrkprncpechrt,themnputorussPC tocontrol.ThepprnsttutstwocotrolschmsofPCccrdngtothewrkfowfthemnputor.Thepprdrwsouttheworktmesqucechrtndthetrpachrt.htsmore,thepprworkottheconrolprogrmfthePC,EYS: ndusrlrobot,mnpultor,pump,rprsurerve,PC第一章 绪论11工业机械手概述工业机器人由操作(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,改进劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用情,是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设.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”工业机械手生产中应用机械手能够提高生产的自动化水平和劳动生产:能够减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生;特别在高温、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.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”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,因此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。1.2机械手的组成和分类1.2.1机械手的组成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各系统相互之间的关系如方框2-1所示。机械手组成方框:Panechartofcompositionofmanipulator(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,可分为夹持式和吸式手在本课题中我们采用夹持式手部结构夹持式手部由手(或手爪)和传力机构所构成手指是与物件直接接触的构件常见的手指运动形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应用较少其原因是结构比较复杂但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(是外廓或是内)和物件的重量及尺寸。常见的指形有平面的V形面的和曲面:手指有外夹式和内撑;指数有双指式多指式和双手指式等而传力机构则经过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较时常见的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕是连接手部和手臂的部件并可用来调整被抓取物件的方(即姿势)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.工业机械手的手臂一般由驱动手臂运动的部(如油缸气缸齿轮齿条机构连杆机构螺旋机构和凸轮机构)与驱动(如液压气压或电机等)相配合,以实现手臂的种运动。4、立柱立柱是支承手臂的部件立柱也能够是手臂的一部分手臂的回转运动和升(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的I因工作需要,有时也可作横向移动,即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作,或扩大使用范围时,可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮轨道等行走机构以实现工业机械手的整机运动滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装。6、机座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。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的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。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。当前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定(或机械挡块定位)系统组成控制系统有电气控制和射流控制两种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(如动作顺序运动轨迹运动速度及时)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报警信号。(二)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当前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定(或机械挡块定)系统组成控制系统有电气控制和射流控制两种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)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。(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,并与设的位置进行比较然后经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.1.2.2机械手的分类工业机械手的种类很多关于分类的问题当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。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两:1、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、下料机械手和‘口工中心”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经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和伺服型两:简易型以”开一关”式控制定位,只能是点位控:能够是点位的,也能够实现连续轨控制,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。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点: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,可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:介质李源极为方便输出力小气动动作迅速结构简单成本低可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30公斤以下在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大因此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(如凸轮连杆齿轮和齿条间歇机构)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,用于工作主机的上、下料。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。此类机械手当前还不多,但有发展前途。(三)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当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能够实现平稳和准确的运动而且使用范围广但电气控制系统复杂类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.3国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋:(1)工业机器人性能不断提(高速度高精度高可靠性便于操作和维)而单机价格不断下降,平均单机价格91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(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:由关节模块连杆模块用重组方式构造机器人整;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: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;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”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94年美国开发”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中国的工业机器人从80年”七五科技攻关开始起步在国家的支持下经过”七五”八五科技攻关当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(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中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: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;在应用规模上,中国己安装的国产工业机器人200台,约占全球已安装台数的万分之四以上原因主要是有形成机器人产业当前中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.中国的智能机器人和特种机器人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:在机器人视、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作有了一定的发展基础可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应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”十五后期立于世界先进行列之中。1.4课题的提出及主要任务1.4.1课题的提出进入21世纪,随着中国人口老龄化的提前到来,近来在东南沿海还出现在大量的缺工现象迫切要求我们提高劳动生产率降低工人劳动强度提高中国工业自动化水平势在必行本设计的目的就是设计一个气动搬运机械手应用于工业自动化生产线把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线实现自动化生产减轻产业工人大量的重复性劳动,同时又能够提高劳动生产率。。现在的机械手大多采用液压传动,液压传动存在以下几个缺:(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损(摩擦损失、泄露损失):液压传动易泄漏,不但污染工作场地,限制其应用范围,可能引起失火事故,而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时,液体度变化,引起运动特性变化。(3)因液压脉动和液体中混入空气,易产生噪声。(4)为了减少泄漏液压元件的制造工艺水平要求较高故价格较;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷,本机械手拟采用气压传动,气动技术有以下优:(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: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(一般不卜浇塞仅为油路的千分之),空气便于集中应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样,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: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(特别在高速情况下,似乎更难想)。另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。1.4.2课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如:(1)机械手为通用机械手,因此相对于专用机械手来说,它的适用面相对较.(2)选取机械手的座标型式和自由度(3)设计出机械手的各执行机构包:手部手腕手臂等部件的设计为了使通用性更强,手部设计成可更换结构,不但能够应用于夹持式手指来抓取棒料工件,在工业需要的时候还能够用气流负压式吸盘来吸取板料工件。(4)气压传动系统的设计本课题将设计出机械手的气压传动系统,包括气动元器件的选取,气动回路的设计,并绘出气动原理图。(5)对气压传动系统原理图的参数化绘制进行研究,提绘图效率,改进绘图质量。(6)机械手的控制系统的设计本机械手拟采用可编程序控制(PLC)对机械手进行控制,本课题将要选PLC型号,根据机械手的工作流程编制PLC程序,并画出梯形图。第二章 械手的计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确地-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:充分分析作业对(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;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;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.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手,是一种适合于成批或中小批生产的能够改变动作程序的自动搬运或操作设备动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,劳2.1机械手的座标型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座标型式可分为直角座标式圆柱座标式、球座标和关节式。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,采用圆柱座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图2-1机械手的运动示意图Fia.2-1SketchMapoftheMotionofManipulator2.2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;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考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求因此手腕设计成回转结构实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.4机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求本机械手的手臂有三个自由度即手臂的伸缩左回转降(或俯仰)运动手臂的回转和升降运动是经过立柱来实现的立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。2.5机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失和泄漏较小,成本低廉因本机械手采用气压传动方式。2.6机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性同时使用点位控制因此我们采用可编程序控制(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时,只需改PLC程序即可实现,非常方便快捷。2.7机械手的主要参数1.机械手的最大抓重是其规格的主参数由于是采用气动方式驱动因此考虑抓取的物体不应该太重查阅相关机械手的设计参数结合工业生产的实际情况本设计设计抓取的工件质量5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m/s。最大回转速度设计为90/s。平均移动速度为m/s。平均回转速度为60/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在,用速度一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。除了运动速度以,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刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较,该机械手手臂的伸缩行程定600mm,最大工作半径约为m。手臂升降行程定为m。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为m。2.8机械手的技术参数列表一、用途:用于自动输送线的上下料。二、设计技术参:1、抓重5kg2、自由度数4个自由度3、座标型式圆柱座标4、最大工作半径5、手臂最大中心高6、手臂运动参数伸缩行程伸缩速度m/s升降行程升降速度m/s回转范围0180回转速度90/s7、手腕运动参数回转范围

0180回转速度90/s8、手指夹持范围棒料:8m159、定位方式行程开关或可调机械挡块等10、定位精度11、驱动方式气压传动12、控制方式点位程序控(采用PLC)图2-6 ‘机械手的工作范围Fig.2-6Work第三章 部结构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:如果有实际需要,还能够换成气压吸盘式结构,3.1夹持式手部结构夹持式手部结构由手(或手爪)和传力机构所组成其传力结构形式比较多如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.1手指的形状和分类夹持式是最常见的一种,其中常见的有两指式、多指式和双手双指:按手指夹持工件的部位又可分为内卡(或内涨式)和外夹式两:按模仿人手手指的动作,手指可分为一支点回转型,二支点回转型和移动(或称直进),其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时就变成了一支点回转型手;同理当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时就成为移动型回转型手指开闭角较小结构简单制造容易应用广泛移动型应用较少其结构比较复杂庞大当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置,能适应不同直径的工件。3.1.2设计时考虑的几问题(一)具有足够的握(即夹紧力)在确定手指的握力时除考虑工件重量外还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开若夹持不同直径的工件应按最大直径的工件考虑对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置必须根据被抓取工件的形状选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带V”形面的手指,便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形当应尽量使结构简单紧凑自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要,经过比较,我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型,由于工件多为圆柱形,故手指形状设计V型,其结构如附图所示。3.1.3手部夹紧气缸的设计1、手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如3-2所示,图3-2齿轮齿条式手部Fig.3-2GearWheelHand其工件重G=5公斤,V形手指的角度12,bmRm,摩擦系数为f(1)根据手部结构的传动示意图,其驱动力:

10pbNR(2)根据手指夹持工件的方位,可得握力计算公:Ntg)55tg60542')2(N)因此pbNR

24(N)(3)实际驱动:p pK1K2实际 I,因为传力机构为齿轮齿条传动,故取94,并取K15。若被抓取工件的最大加a速度取a3g时,则:K21 4g因此p

24554156(N)94因此夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为N。2、气缸的直径本气缸属于单向作用气缸根据力平衡原理单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力,其公式:D2P1

tz4式中:

1-活塞杆上的推力NFt-弹簧反作用力NFz-气缸工作时的总阻,NP-气缸工作压力Pa弹簧反作用按下式计:tGf1s)G4G1G4f 3Gf=

1n1Gd4118D3n1式中:Gf- 弹簧刚度N/m1-弹簧预压缩量ms-活塞行程md1-弹簧钢丝直径m1-弹簧平均直径.n-弹簧有效圈.G-弹簧材料剪切模量,一般取G409Pa在设计中,必须考虑负载率的影响,则:D21

t4由以上分析得单向作用气缸的直:D (1Ft)代入有关数据,可得Gd4 9

341 7410

510)Gf

18D3n1

830103)3

15374(N/)tGf1s)367466010322(N)因此:D

(1Ft)pn

4(00.6)0.506()查有关手册圆整,得D由d/D23,可得活塞杆直:d2)D3圆整后,取活塞杆直径dm校核,按公式1

//4d2)]有:d(4F1/)0.5其中,[]Pa,10N则:d(40/0)058满足实际设计要求。3,缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力必须有一定厚度一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计:Pp/]式中:6-缸筒壁厚mmD-气缸内径mmp-实验压力,取p

1.5P,Pa材料为:ZL3,[]=3MPa代入己知数据,则壁厚:Pp/]656105/(23106)()取m,则缸筒外为:15520(m)第四章 腕结构计考虑到机械手的通用性同时由于被抓取工件是水平放置因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求因此手腕设计成回转结构实现手腕回转运动的机构为回转气缸。4.1手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件它的作用是调整或改变工件的方位因而它具有独立的自由度以使机械手适应复杂的动作要求手腕自由度的选用与机械手的通用性加工工艺要求工件放置方位和定位精度等许多因素有关由于本机械手抓取的工件是水平放置,同时考虑到通用性,此给手腕设一x轴转动回转运动才可满足工作的要求当前实现手腕回转运动的机构应用最多的为回转(气)缸因此我们选用回转气缸它的结构紧凑,但回转角度小于36,而且要求严格的密封。4.2手腕的驱动力矩的计算4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转上下和左右摆动均为回转运动驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩动片与缸径定片端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合产生的偏重力.图4-1所示为手腕受力的示意图。1.工件2.手部3.手腕图4-1手碗回转时受力状态Fig.4-1BearForceConditionofWristWhenRotating手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计:M驱M惯M偏M摩M封式中:

M驱- 驱动手腕转动的驱动力(Nm);M惯- 惯性力矩(Nm);M偏- 参与转动的零部件的重(包括工件手部手腕回转缸的动)对转动轴线所产生的偏重力(Nm).,; M封- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(Nm);下面以图4-1所示的手腕受力情况,分析各阻力矩的计:1、手腕加速运动时所产生的惯性力M悦若手腕起动过程按等加速运动手腕转动时的角速度为起动过程所用的时间为t,则:惯 )M J惯 )t

(N)式中:J-参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量(Ncs2);2J1-工件对手腕转动轴线的转动惯量(Ncs2

)`。若工件中心与转动线不重合,其转动惯量J1为:JJ

1e21 c g 12式中:2

Jc-工件对过重心轴线的转动惯量(Ncs):1-工件的重(N);1-工件的重心到转动轴线的偏心(cm),-手腕转动时的角速(弧度/s);t-起动过程所需的时(s);—起动过程所转过的角(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力M偏M偏11

+G3e3

(Nm)式中:

G3-手腕转动件的重(N);e3-手腕转动件的重心到转动轴线的偏心(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时,则110.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封fM封

(RAd22

RB

d1)(Nm)式中:d1

,d2-转动轴的轴颈直(cm);f-摩擦系数,对于滚动轴承f

01,对于滑动轴承f

1;RA,RB-处的支承反力(N),可按手腕转动轴的受力分析求解,根据MA

0,得:RBlG3l3G2l21lRB

11G2l2G3l3l同理,根据MB(F)0,得:R1l1)G2ll2)G3ll3)A l式中:G2-的重量(N)l,1,l2,l3,—如图4-1所示的长度尺(cm).4转缸的动片与缸径定片端盖等处密封装置的摩擦阻力M封与选用的密衬装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。4.2.2回转气缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸,它原理如图4-2所示,定片1与缸体2固连,动3与回转轴5固连。动片封4把气腔分隔成两.当压缩气体从孔a进入时推动输出轴作逆时4回转则低压腔的气b孔排出反之输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压P驱动力矩M的关系:pb(R2r2)M ,或p2

2Mb(R2r2)4.2.3手腕回转缸的尺寸及其校核1.尺寸设计气缸长度设计为bm,气缸内径为1=96mm,半径Rm,轴径D26

D2=26mm,半径Rm,气缸运行角速度=90

/s加速度时间t=0.1s,压强PP,则力矩pb(R2r2)M20.4060.(0.820.62)22.6(Nm)2.尺寸校核1．测定参与手腕转动的部件的质量m1

0kg,分析部件的质量分布情况,质量密度等效分布在一半径rm的圆盘上那么转动惯量:2J1r2200.5225(km2)工件的质量为5kg,质量分布于长lm的棒料上,那么转动惯量Jc

ml21250.2120.004(km2)。假如工件中心与转动轴线不重合对于长lm的棒料来说,最大偏心距10m,其转动惯量:2JJc11200425052016(km2)M惯(JJ1)t(0.50.7)0.16.(Nm)2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力为M偏,考虑手腕转动件重心与转动轴线重合,10,夹持工件一端时工件重心偏离动轴线e30m,则M偏11

+G3e3000500.2.(Nm)3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力为M摩,对于滚动轴承f

01,对于滑动轴承f=0.1,d1

,d2为手腕转动轴的轴颈直径,d10m,

d20m,

RA,RB为轴颈处的支承反,粗略估计RA0N,RB0N,fM摩

(RAd22

RB

d1)01300021500)20(N)4．回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力M封,与选用的密衬装置的类型有关,应根据具体情况加以分析在此处估计M封为M摩的3倍,M封3M摩31(N) M驱M惯M偏M摩M封3552(Nm)M〈M设计尺寸符合使用要求,安全。第五章 臂伸缩升降,转气缸尺设与校核5.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核5.1.1手臂伸缩气缸的尺寸设计手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸参看此公司生产的各种型号的结构特点,尺寸参数,结合本设计的实际要求气缸用CTA型气缸,尺寸系列初选内径为100/63,关于此气缸的资料详情请参看烟台气动元件厂公司主页:HYPERLINK.cn/products.asp.5.1.2尺寸校核1.在校核尺寸时,只需校核气缸内径1=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强PPa,则驱动力:FPR24106140312124(N)1,测定手腕质量50kg,设计加速度a1(m/s),则惯性力100(N)2.考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数k2,mk10.200(N) 总受力01m00(N)0F因此标CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。5.1.3.导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时,为了防止手臂绕轴线转动,以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等素来确定,同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆当前常采用的装置有单导向杆,双导向杆,四导向杆等,在本设计中才用单导向杆来增加手的刚性和导向性。5.1.4平衡装置在本设计中为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态减少手一侧重力矩对性能的影响故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置装置内加放砝码砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节,务求使两端尽量接近平衡。5.2手臂升降气缸的尺寸设计与校核5.2.1尺寸设计气缸运行长度设计为l=118mm,气缸内径为1=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度,加速度时间t=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力G0R

240642379(N)5.2.2尺寸校核1．测定手腕质量80kg,则重力G00(N)2,设计加速度a(m/s),则惯性力1050(N)3.考虑活塞等的摩擦力,设定一摩擦系数k1,Gmk10.100(N) 总受力GqG1Gm000(N)GqG0因此设计尺寸符合实际使用要求。5.3手臂回转气缸的尺寸设计与校核5.3.1尺寸设计气缸长度设计为bm,气缸内径为10m,半径R=105mm,轴径D20m半径Rm,气缸运行角速度=90

/s,加速度时间t0.5s,压强PPa,pb(R2r2)则力矩:M20.4060.2(0.520.02)25(Nm)5.3.2尺寸校核1．测定参与臂转动的部件的质量m1

0kg,分析部件的质量分布情况,质量密度等效分布在一个半径rm的圆盘上,那么转动惯量:2J1r2200.0226(km2)M J.惯 t0.60.58(Nm)考虑轴承,油封之间的摩擦力,设定一摩擦系数k2,M摩kM惯0.210854

Nm)总驱动力矩M驱M惯M摩108.4114

N)M〈M 设计尺寸满足使用要求。第七章 械手PC控设计考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制(PLC)对机械手进行控.当机械手的动作流程改变时,只需改PLC程序即可实现,非常方便快捷。7.1可编程序控制器的选择及工作过程7.1.1可编程序控制器的选择当前,国际上生产可编程序控制器的厂家很多,如日本三菱公司F系列PC,德国西门子公司的SIMATICN5系列PC日本OMRON(立石)公司的C型P型PC等考虑到本机械手的输入输出点不多,工作流程较简单,同时考虑到制造成本,因此在本次设计中选择了OMRON公司C28P型可编程序控制器。7.1.2可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是经过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分4个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称I/0状态.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时CPU首先使I/0状态表清零,然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后,进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段CPU对输入状态进行扫描将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放在同一扫描周期内各个输入点的状态I/0状态表中一直保持不变不会受到各个输入端子信号变化的影响因此不能造成运算结果混乱保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信全部进入I/0状态表后CPU工作进入到第三个阶段在这个阶段中,可编程序控制器对用户程序进行依次扫描,并根据I/0状态和有关指令进行运算和处理,最后将结果写I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。段CPU对用户程序已扫描处理完毕,并将运算结果写入I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出,送到输出锁存电路,驱动输出继电器线圈,控制被控设备进行各种相应的动作。然后CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。7.2可编程序控制器的使用步骤在可编程序控制器与被对象(机器、设备或生产过)构成一个自动控制系统时,通常以七个步骤进:(1)系统设计即确定被控对象的动作及动作顺序。(2)I/0分配即确定哪些信号是送到可编程序控制器的并分配给相应的输入端;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的并分配相应的输出端.另外对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是经过编号来识别信号的。(3)画梯形图它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同,表示了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程(LCD或CRT),则画出梯形图相当编制出了程序,可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器,则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。(4)助记符机器程序相当于微机的助记符程序,是面向机器(即不同厂家的可编程序控制器,助记符指令形式不同),用简易编程器时,应将梯形图转化成助记符程序,才能将其输入到可编程序控制器中。(5)编制程序即检查程序中每条语法错误,若有则修改。这项工作在编程器上进行。(6)调试程序即检查程序是否能正确完成逻辑要求不合要求能够在编程器上修改程序设(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调)也可在的工具上进行。IBM-PC机,只要这个机器配有相应的软件。(7)保存程序调试经过的程序,能够固化EPROM中或保存在磁盘上备用。7.3机械手可编程序控制器控制方案7.3.1系统简介控制对象为圆柱座标气动机械手它的手臂具有三个自由度即水平方向的伸;竖直方向的上下;绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转另外其末端执行装置—机械手还可完成抓放功能以上各动作均采用气动方式驱动即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈对应两个相反动)分别控制五个气缸使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条,使气缸的直线运动转化为旋转运动这样可PLC的8个输出端与电磁阀8个线圈相连经过编程使电磁阀各线圈按一定序列激励从而使机械手按预先安排的动作序列工.如果欲改变机械手的动作,不需改变接线,只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。另外,除抓放外,其余六个动作末端均放置一限位开关,以检测动作是否到位,如果某动作没有到位,则出错指示灯亮。7.3.2工业机械手的工作流程此机械手用自动输送线的上下料。当按下机械手启动按钮之后,机械手有下动:先右转至右限位开关动(1DT通电)下降至下限位开(5DT通电)手腕逆时针转动90(7DT通电)手臂伸长至限位开(3DT通电)检查有无物品若有物品手爪抓紧(9DT通电)手臂收缩至限位开(4DT通电)上升至上限位开(6DT通电)左转至左限位开关动(2DT通电)手腕顺时针转900(8DT通电)手臂伸长至最长(3DT通电)手爪松开(IODT通电)延时手臂收缩最(4DT通电)至此一个工作循环完毕。7.3.3机械手工作时序图如附图所示4,1/0分配根据系统输入输出点的数目,选OMRONC28P型PC,它有16个输入点,标号为0000-0015;12个输出点,标号0500-0511.5、梯形图设(如附图所)根据机械手的逻辑时序图1/0分配,画出控制梯形图,如附图所示。由梯形图能够看:(1)手臂左转的条:左转不到(0003为OFF),