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文档格式.docx

1、5.平行杠杆式手爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。2.3机械手的手腕结构方案设计1.机械手手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机械手手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机械手腕部的灵活性愈高，机械手对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机械手的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机械手手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机械手手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动

2、就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机械手的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。2.机械手腕部安装在机械手手臂的末端，在设计机械手手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机械手腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。3.机械手手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。4.机械手的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。5.要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。13第二章机械手的设计方案6.手腕各关节轴转动要有

3、限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。机械手的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机械手手臂末端的手腕，则给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机械手手腕是机械手操作机的最末端，它与机械手手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。考虑到机械手的优化，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机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求

4、的工作空间内的运动。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则；1.应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。2.机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。3.为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。

5、力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。4.机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。5.机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，

6、这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在14四川理工学院毕业设计（论文）机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。6.机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-5所示：机械手的

7、垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，气压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择气压驱动方式，通过气压缸的直接驱动，气压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且气压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。因为气压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂气压缸的设计原则是缸的

8、直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大气压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。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、横移和升降运动。手臂的横移、升降运动是通过立柱来实现的。手臂的各种运动由气缸来实现。15第

9、二章机械手的设计方案图2-4机械手手抓部分将结构图2.5机械手的驱动方案设计工业机械手的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。1.液压驱动系统由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。2.气动驱动系统具有速度快，系统结构简

10、单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机械手中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，如在上、下料和冲压机械手中应用较多。3.电动驱动系统由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机械手中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动16四川理工学院毕业设计（论文）机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机械手中被广泛的使用。设计机械手时，驱动系统的选择，要根据机械

11、手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下：1.物料搬运（包括上下料）使用的有限点位控制的程序控制机械手，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机械手多采用气动驱动系统。2.用于点焊和弧焊及喷涂作业的机械手，要求具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机械手多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运

12、机械手选用液压驱动系统。2.5.1机械手气压驱动1、气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低、故使用安全。2、工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。3、输出力以及工作速度的调节非常容易。气缸的动作速度一般为50500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快。4、可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为百万次，而SMC的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过2亿次。5、利用空气的压缩性，可贮存能量，实现集中供气。可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲。对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持

13、能力。6、全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。7、由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。综上气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉等优点，因此本机械手采用气压传动方式。2.5.2机械手气压驱动系统2.5.2机械手气压驱动系统气动机械手采用压缩空气为动力源，一般从工厂的压缩空气站引到机械手作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机械手具有气源使用方便、不污染环境、17第二章机械手的设计方案动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业

14、，机床上、下料，仪表及轻工行业中、小型零件的输送和自动装配等作业，食品包装及运输，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机械手中的。这类机械手多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构；3-5个自由度；负荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重复定位精度为+/-0.1-0。5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器（PLC）在易燃、。易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成。1.气源由总压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如

15、果没有压缩空气站的条件，可以按机械手及配套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。2.气动三联件由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是一般情况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增加使用寿命。3.气动阀气动阀的种类很多，在工业机械手的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。4.气动执行机构多数情况下使用气缸（直线气缸或摆动气缸）。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外（如手爪机构上用的）

16、，多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点位置缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机械手机构的连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等）由设计机械手时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机械手的运动分析和动力分析进行计算。为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降低摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机械手中用得比较多还有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。5

17、.制动器气动机械手的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气缸活塞的运动速度容许达1.5m/s，如果气缸以1m/s的速度计算，电磁气阀以较大关闭时间70ms18四川理工学院毕业设计（论文）计，那么气缸活塞两个停点的距离约为70mm，两个停点的步长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀，吸合关闭时间较小，停点的步长也要相应缩短。因此对机械手一个单自由度而言，停点数目最多6-9个。为增加定位点数，除采用多位置气缸外可采用制动的方法还有：反压制动，制动装置制动。6.限位器气动机械手各运动轴的制动和定位点到位发讯，可由编程器发指令，或由限位开关发讯。根据要求和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限位开关

18、是无接触接近开关，这种开关的反映时间小于20ms，在机械手中应用比较理想。当气缸活塞运动到定位点时，为保证定位精度，需要将运动轴锁紧。常用的限位机构是由电磁阀控制的气缸带动锁紧机构（插锁，滑块等）将机械手运动机构锁定。再启动时，事先打开锁紧机构。2.6机械手的缓冲方案设计缓冲的字面意思是减缓冲击力。除了真正的冲击力外，缓冲还有抽象的意义。凡是使某种事物的变化过程减慢或减弱进行都可以叫缓冲。比如让化学反应不那么剧烈的物质就叫缓冲剂。缓冲的程度不同，可用减缓的百分数来表达。本设计机械手设计中的缓冲均采用液压缓冲器进行缓冲。液压缓冲器就是一种从外部控制的能量吸收装骶。借液压阻尼作用对在作惯性滑行的车

19、皮进行缓冲减速至停止。19第二章机械手的设计方案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为3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1.0m/s。平均移动速度为0.8m/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

20、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、横移行程和升降。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。过大的运动行程，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，该机械手手臂的参数：伸缩行程定为100mm,横移行程为150mm，手臂升降行程定为30mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为0.5mm。2.8机械手的技术参数列表一、用途:用于自动加工的上下料。二、设计技术参数:1、抓重3Kg2、自由度数3个自由度3、座标型式直角座标4、手臂最大中心高1250mm5、手臂运动参数伸缩行程100mm

21、伸缩速度4020四川理工学院毕业设计（论文）升降行程30mm升降速度60mm横移行程150mm6、手指夹持范围棒料:80mm?150mm7、定位方式固定挡块或可调机械挡块等8、定位精度0.5mm9、驱动方式气压传动10、控制方式继电器程21第三章手部结构设计第三章3.1夹持式手部结构手部结构设计夹持式手部结构由手指（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。图3-1机械手手部结构简图3.2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

22、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，能适应不同直径的工件。22四川理工学院毕业设计（论文）3.3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

23、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

24、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3.4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，23第三章手部结构设计图3-1冲床专用机械手手部手部机构其工件重量G=5公斤，V形手指的角度2?=120，b=120mmR=24mm,摩擦系数为f=0.10（1）根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:p=2bNR（2）根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:N=0.5tg（?）=0.55tg（60?542）=25（N）所以p

25、=2bN=245（N）R（3）实际驱动力:p实际pK1K2I,因为传力机构为齿轮齿条传动，故取=0.94，并取K1=1.5。若被抓取工件的最大加24四川理工学院毕业设计（论文）速度取a=3g时，则:K2=1+所以p实际=2451.54=1563（N）0.94a=4g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:F1=D2P4?Ft?Fz式中:F1-活塞杆上的推力，NFt-弹簧反作用力，NFz-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

26、算:Ft=Gf（1+s）Gf=Gd134D1n4Gf=Gd18D1n3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，mD1-弹簧平均直径，.n-弹簧有效圈数.25第三章手部结构设计G-弹簧材料剪切模量，一般取G=79.4109Pa在设计中，必须考虑负载率的影响，则:F1=D2p4?Ft由以上分析得单向作用气缸的直径:D=4（F1+Ft）p代入有关数据，可得79.4109（3.510?3）Gf=38（303）3158D1nGd1=3677.46（N/m）44Ft=Gf（1+s）=3677.46603=220.6（N）所以:D=4（F1+Ft）=pn4（490

27、+220.6）0.5106=65.23（mm）查有关手册圆整，得D=65mm由d/D=0.2?0.3,可得活塞杆直径:d=（0.2?0.3）D=13?19.5mm圆整后，取活塞杆直径d=18mm校核，按公式F1/（/4d2）有:d（4F1/）0.5其中，=120MPa，F1=750N则:d（4490/120）0.5=2.2818满足实际设计要求。26四川理工学院毕业设计（论文）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:=DPp/2式中:6-缸筒壁厚，mmD-气缸内径，mmPp-实验压力，取Pp=1.5P,

28、Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:=DPp/2=656105/（23106）=6.5（mm）取=7.5mm，则缸筒外径为:D1=65+7.52=80（mm）27第四章手臂伸缩、升降、横移的尺寸设计与校核第四章手臂伸缩，升降，横移的尺寸设计与校核4.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核4.1.1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。图4-1气缸局部示意图4.1.2尺寸校核1.在校核尺寸时，只需校

29、核气缸内径D1=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P=0.4MPa,则驱动力：F=P?R2=0.41063.140.03152=1246（N）1，测定手腕质量为50kg,设计加速度a=10（m/s），则惯性力F1=ma=5010=500（N）28四川理工学院毕业设计（论文）2.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k=0.2,Fm=k.F1=0.2500=100（N）总受力F0=F1+Fm=500+100=600（N）F0F所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。4.1.3.导向装置4.1.3.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因素来确定，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。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导