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1、2008届机械设计制造专业创新设计机械创新设计2010-2011第2学期姓 名： 班 级： 指导教师： 成 绩： 日期：2011 年 7 月前 言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。机器人应用情况，是一个国家
2、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备.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
3、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。目 录摘 要5第一章 机械手概况71.1机械手的组成和分类7第二章 机械手的设计
4、方案132.1机械手的座标型式与自由度142.2 机械手的手部结构方案设计152.3 机械手的手腕结构方案设计152.4 机械手的手臂结构方案设计152.5 机械手的驱动方案设计162.6 机械手的控制方案设计162.7机械手的主要参数162.8机械手的技术参数列表17第三章 手部结构设计1931手部设计19第四章 手腕结构设计284.1手腕的自由度284.2 手腕的驱动力矩的计算29第五章 手臂结构设计335.1手臂伸缩与手腕回转部分345.2手臂升降和回转部分375.3手臂伸缩气缸的设计385.4手臂伸缩、升降用液压缓冲器425.5手臂回转用液压缓冲器43第六章 气动系统设计446.1气压
5、传动系统工作原理图44第七章 机械手的PLC控制设计467.1 可编程序控制器的选择及工作过程467.2可编程序控制器的使用步骤487.3机械手可编程序控制器控制方案49结 论51摘 要本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，气动技术的特点，PLC控制的特点及国内外的发展状况。本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构;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，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和
6、手臂回转用液压缓冲器。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。利用可编 程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编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)ABSTRACTThis article briefly introduces the concept of industrial robots, robot formation and classification of degrees of freedom and the c
7、oordinates of the manipulator model, thecharacteristics of pneumatic technology, PLC control features and state of development at home and abroad. In this paper, the overall mechanical design in hand, to determine the coordinates of the manipulator types and degrees of freedom to determine the techn
8、ical parameters of the manipulator. At the same time, were designed manipulator gripper-type hand structure and the adsorption of hand structure; designed manipulator wrist structure, calculated the wrist rotation required driving torque and the rotary cylinder driving torque; designed a manipulator
9、 arm structure, designed telescopic arm, lifting the hydraulic shock absorber and the rotary hydraulic shock absorber arm. Designed pneumatic manipulator system, rendering the work of the mechanical hand pressure system schematic. Programmable logic controller to control the manipulator, select the
10、appropriate PLC type, according to the workflow manipulator developed PLC control program, draw a timing diagram manipulator and ladder work, and prepared to programmed controller control program.KEY WORDS: industrial robot, robot, pneumatic, programmable logic controller (PLC)机械手的组成和分类机械手的组成执行机构手腕手
11、臂立柱行走机构机座驱动系统控制系统位置检测装置机械手的分类液压传动机械手气压传动机械手机械传动机械手电力传动机械手点位控制连续轨迹控制机械手的设计方案机械手的座标型式与自由度机械手的手部结构方案设计机械手的手腕结构方案设计机械手的手臂结构方案设计机械手的驱动方案设计机械手的控制方案设计机械手的主要参数机械手的技术参数列表手部结构设计手指的形状和分类设计时考虑的几个问题手部夹紧气缸的设计手部驱动力计算气缸的直径缸筒壁厚的设计气流负压式吸盘手腕结构设计手腕的自由度手腕的驱动力矩的计算腕转动时所愉的驱动力矩回转气缸手臂结构设计手臂伸缩与手腕回转部分结构设计手臂伸缩驱动力的计算结构设计手臂伸缩气缸的设
12、计气缸的直径活塞杆直径的计算手臂伸缩、升降用液压缓冲器手臂回转用液压缓冲器气动系统设计气压传动系统工作原理图机械手的PLC控制设计可编程序控制器的选择及工作过程可编程序控制器的选择可编程序控制器的工作过程可编程序控制器的使用步骤机械手可编程序控制器控制方案气动机械手第一章 机械手概况1.1机械手的组成和分类1.1.1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图2-1所示。图1-1机械手的组成方框图(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
13、吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用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。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式
14、、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。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式和真空泵式。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。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，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(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式.2、手腕是连接手部和手臂的部件，
15、并可用来调整被抓取物件的方位(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。手臂可能实现的运动如下:手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、
16、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。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。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，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，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分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置。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用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构
17、运动的动力装置，通常由动力源、控制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、电力传动和机械传动。(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。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，
18、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。1.1.2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。(一)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，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。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。在
19、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。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种:简易型以 “开一关”式控制定位，只能是点位控制: 伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，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
20、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，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:介质李源极为方便，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
21、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，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。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。(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。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
22、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，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。第二章 机械手的设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，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
23、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，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，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。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
24、，从而增加一个手臂上下摆动的自由度图2-1所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。图 2-1 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、左右回转和升降(或俯仰
25、)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，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，成本低廉因此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器 (PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.7机械手的主要参数1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为10公斤，高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部时可
26、吸附5公斤的重物。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1.2m/s，最大回转速度设计为1200/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为900/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
27、，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为600mm,最大工作半径约为1500mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5lmm2.8机械手的技术参数列表一、用途:用于 100 吨以上冲床上下料。二、设计技术参数:1、抓重10公斤 (夹持式手部)5公斤 ( 气流负压式吸盘)2、自由度数4个自由度3、坐标型式圆柱坐标4、最大工作半径
28、1500mm5、手臂最大中心高1380mm6、手臂运动参数伸缩行程 600mm伸缩速度 500mm/s升降行程 200mm升降速度 300mm/s回转范围 0 240回转速度907、手腕运动参数回转范围 0 180回转速度 180/s8、手指夹持范围棒料 : 80150mm片料 : 面 积不大于0.5m Z9、定位方式行程 开 关 或可调机械挡块等10、定位精度士0.5mml1,缓冲方式液压缓冲器12.驱动方式气压传 动13、控制方式点位程序控制(采用PLC)图2- 6机械手的工作范围第三章 手部结构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
29、部:当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。31手部设计3.1.1手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种: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型(或称直进型)，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指;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
30、不同直径的工件。3.1.2设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(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，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被
31、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，通过比较，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，故手指形状设计成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图3-2所示，其工件重量G=10公斤，“V”形手指的角度2=120，b=120mm， R=24mm,摩擦系数为f=0.10 。图3-2 齿轮齿条式手部(
32、1) 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:(2) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:所以：=490（N）(3) 实际驱动力:因为传力机构为齿轮齿条传动，故取=0.94 ，并取=1.5.若被抓取工件的最大加速度取a=g 时，则:所以：所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N。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，其公式为:式中: 活塞杆上的推力，N弹簧反作用力，N气缸工作时的总阻力，NP气缸工作 压力，Pa弹簧反作用按下式计算:式中: 弹簧刚度，N/mL 弹簧预压缩量，mS活塞行程，md弹
33、簧钢丝直径，mD弹簧平均直径，mD弹 簧外径，mn 弹 簧 有效 圈数G 弹簧 材料剪切模量，一般取G=79.4X 1 护Pa在设计中，必须考虑负载率几的影响，则:由以上分析得单向作用气缸的直径:代入有关数据，可得：所以：查有关手册圆整，得D=65 mm由d/D=O.20.3， 可得活塞杆直径:d=(0.20.3)D=1319.5 mm圆整后，取活塞杆直径d=18 mm校核，按公式有: 其中=120MPa, F=750N则:d (4490/120)=2.28 18满足设计要求。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算:式中: 6 缸筒壁厚 mmD气缸内 径 ，咖