多用途气动机器人设计文档格式.docx

1、（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，包括: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，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的 时候还可以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）机械手的控制系统的设计本机械手拟采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根 据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。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-

2、1机械手的系统工作原理框图机械手的工作原理：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程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要 求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。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。 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 .（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

3、。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题 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。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。 传力机构型式较多时常用的有：滑槽杠杆式、连杆 杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母

4、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。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、 机座机座是机械手的基础部分，机械手

5、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

6、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.第二章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

7、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。1 机按平爪部 ! I BIB JITu! LJ 5 I ; Of Si I 1 j iL图2-1机械手的整体机械结构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

8、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。（如图2-2所示）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

9、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、左右回转和降 （或 俯仰）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机械手的主要技术参数1. 机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动

10、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。（如图2-3所示）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。最大回转速度设计为90 /s。平均移动速度为0.8m/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

11、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，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1400m m。手臂升降行程定为120m m。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为1mm。3.用途：用于自动输送线的上下料。4.5 kg个自由度 圆柱座标 1400mm 1250mm设计技术参数：1、抓重2 、自由度数 43、 座标型式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1200m

12、m伸缩速度400mm/s升降行程120mm升降速度250mm/ s回转范围0 180回转速度90 /s7、手腕运动参数8、手指夹持范围棒料：80mm 150mm9、定位方式行程开关或可调机械挡块等10、定位精度1mm、驱动方式气压传动12、控制方式点位程序控制（采用PLC）118E图2-3机械手的工作范围第三章手部结构设计3.1夹持式手部结构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。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

13、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

14、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，

15、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3-1所示：131图3-1齿轮齿条式手部其工件重量G=5公斤,（1）根据手部结构的传动示意图，其驱动力为2b N（2）根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式N 0.5tg（ ）0.5 5 tg（60 5 42）25（N）所以2bNR245（N）（3）实际驱动力：K1K2P实际 P 1、因

16、为传力机构为齿轮齿条传动，故取 0.94，并取Ki 1.5。若被抓取工件的最大加速度取a 3g时，则：心 1旦4g1 5 4所以p实际245 上 -1563（N）0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N2、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 ：D2PF1 Ft Fz4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算：Ft Gf（1 s）GfGf =Gd14D13 nGd 138D1 nGf-弹簧刚度，N

17、/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.G-弹簧材料剪切模量，一般取 G 79.4 109Pa 在设计中，必须考虑负载率 的影响，则：由以上分析得单向作用气缸的直径4（ Fi Ft）P代入有关数据，可得Gdi4 79.4 109 （3.5 10 3）8D13n 8 （30 10 3）3 153677.46（N /m）3677.46 60 10220.6（N）所以：D4（F1 Ft） 4 （490 220.6）丫 pnV 0.5 10665.23（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

18、.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 （4 490/ 120）0.52.28 18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算：DPp/2式中:6-缸筒壁厚，mmD -气缸内径，mmPp-实验压力，取Pp 1.5P, Pa材料为:ZL3, =3MPa代入己知数据，则壁厚为：65 6 105 /（2 3 106）6.5（mm）取 7.5mm，则缸筒外径为：D1

19、 65 7.5 2 80（mm）第四章手腕结构设计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，因此给手腕设一绕X轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油（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360，并且要求严格的密封。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

20、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所产生的偏重力矩 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手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算：M驱 M惯 M偏 M摩 M封M驱-驱动手腕转动的驱动力矩（N cm）;M惯-惯性力矩（N cm）;M偏-参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩（N cm）.矩（N cm）;下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计

21、算：1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩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:M惯（J JJ - （N.cm）J-参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 （N -cm-s2）;Ji-工件对手腕转动轴线的转动惯量（N.cm.s2）。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 Ji为：JiJc 色 ei2Jc-工件对过重心轴线的转动惯量（N.cm.s2）:Gi-工件的重量（N）;e -工件的重心到转动轴线的偏心距（cm）,-手腕转动时的角速度（弧度/s）;t-起动过程所需的时间（s）;起动过程所转过的角度（弧度）。2、 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产

22、生的偏重力矩 M扁M 偏 Ge + G3Q （ N cm）G3 -手腕转动件的重量（N）;e3-手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距（cm）当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 G1e1 0.3、 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 M封M 封 （RAd2 RBd1） （ N cm）di , d2-转动轴的轴颈直径（cm）;f -摩擦系数，对于滚动轴承f 0.01，对于滑动轴承f 0.1 ； 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（F） 0,得：Rb1 G3I3 G2I2 Gi l同理，根据 Mb（F） 0,得:RaGi（l li） G2（l I2） G3U

23、I3）G2 -的重量（N）I,Ii,I2,I3,如图4-i所示的长度尺寸（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矩 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，它的原理如图 4-2所示，定片i与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a 进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回 转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为：2M2 2b（R r ）pb（R r2）Fipr 4-3 Sketch of

24、 Rotating Gas Vat式中；M回轻社缸的呃动力Mi （N-cm）*p四转气缸的工柞压力（N：若慨b片宽度（cm）,上述刪动力便和压力的关系式足对于低压辭背库为塞的情况卜而百的.压胶白一定的背压，则上式中的P应代以工作压力p l埠背压R之蹩*423手腕回转缸的尺寸及其校核1.尺寸设计26mm D2 =26mm,0.4MPa,气缸长度设计为b 100mm,气缸内径为D1=96mm半径R 48mm,轴径D2半径R 13mm,气缸运行角速度 =90 /s，加速度时间t=0.1s, 压强P则力矩:pb（R2 r2）20.4 106 0.1（0.0482 0.0262）32.6（N.m）2.尺

25、寸校核（1）测定参与手腕转动的部件的质量 mi 10kg,分析部件的质量分布情况,质量密度等效分布在一个半径r50m m的圆盘上，那么转动惯量:mirJ 10 0.050.0125 （ kg.m2）工件的质量为5 kg ,质量分布于长I 100mm的棒料上，那么转动惯量:ml120.10.0042 （kg .m ）假如工件中心与转动轴线不重合,对于长I 100mm的棒料来说，最大偏心距e 50mm，其转动惯量为J Jc ge2 0.0042 5 0.052 0.0167（kg.m2）M 惯（J JJt（0.0125 0.0167）9026.3（N.m）（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为 M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，0 0，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 e 50mm ,贝U:M 偏 G + G3e310 10 0 5 10 0.052.5（N.m）（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 M摩，对于滚动轴承f 0.01，对于滑动轴承f =0.1 , d1 , d2为手腕转动轴的轴颈直径，d1 30mm, d? 20mm, Ra,Rb为轴颈处的支承反力， 粗略估计 Ra 300N ,