四自由度圓柱坐標通用上下料機械手結構設計含13張CAD圖,自由度,圓柱,坐標,通用,上下,機械手,結構設計,13,cad 第 I 頁 共 頁 通用上下料機械手結構設計 摘要：本文通過對機械手的組成和分類，及國內(nèi)外的發(fā)展狀況的了解，進行了總 體方案設計，確定了機械手用四自由度和圓柱坐標型式。 本機械手為通用機械手，故同時設計了機械手的夾持式手部結構和吸附式手 部結構，可以更換使用。計算出了手腕轉動時所需的驅動力矩和回轉汽缸的驅動 力矩，確定了相關尺寸，設計了機械手的腕部結構；設計了機械手的手臂結結構； 設計了手臂伸縮，升降用液壓緩沖器和手臂回轉用液壓緩沖器。 控制部分采用 PLC 可編程控制器作為工件抓取機械手的控制系統(tǒng)，首先根據(jù) 機械手的動作流程和輸入輸出要求選擇了 PLC 的型號，然后根據(jù)機械手功能和特 性對各原件進行了選型并對其進行了計算與校和，之后對機械手手爪進行了設計 并對其進行計算與校和，在此基礎上對電氣回路進行了設計，最后對控制系統(tǒng)硬 件及編輯原件進行了選擇，同時確定 I/O 接口，進行程序的編輯與調(diào)試，從而使 機械手完成最后的裝夾任務 關鍵詞 上下料，機械手，氣缸，plc 第 II 頁 共 頁 Mechanical Structural Design of Air Pressure Drive Upper and Lower Material Manipulator Abstract: At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the information of the development briefly. Whats more, the paper accounts for background and the primary mission of the topic.The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator. This paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator，and analyzes the error of the orientation of the fingers. the paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump. the paper designs the structure of the arm, and designs the hydraulic pressure buffer when the manipulators arm flexes, ascend, descend and wheels. Key words: upper and lower material, manipulator, air cylinder. 第 III 頁 共 頁 目錄 1 緒論 ...............................................................1 1.1 機械手概述 .....................................................1 1.2 機械手的組成和分類 .............................................2 1.2.1 機械手的組成 .............................................2 1.2.2 機械手的分類 .............................................4 1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況 .................................................6 1.4 課題的提出及主要任務 ...........................................8 1.4.1 課題的提出 ...............................................8 1.4.2 課題的主要任務 ...........................................9 2 機械手的設計方案 ..................................................10 2.1 機械手的座標型式與自由度 ......................................10 2.2 機械手的手部結構方案設計 ......................................10 2.3 機械手的手腕結構方案設計 ......................................10 2.4 機械手的手臂結構方案設計 ......................................10 2.5 機械手的驅動方案設計 ..........................................11 2.6 機械手的控制方案設計 ..........................................11 2.7 機械手的主要參數(shù) ..............................................11 2.8 機械手的技術參數(shù)列表 ..........................................11 3 手部結構設計 ......................................................14 3.1 夾持式手部結構 ................................................14 3.1.1 手指的形狀和分類 ........................................14 3.1.2 設計時考慮的幾個問題 ....................................14 3.1.3 手部夾緊氣缸的設計 ......................................15 3.2 氣流負壓式吸盤 ................................................18 4 手腕結構設計 ......................................................21 4.1 手腕的自由度 ..................................................21 4.2 手腕的驅動力矩的計算 ..........................................21 4.2.1 手腕轉動時所需的驅動力矩 ................................21 5 手臂結構設計 ......................................................25 5.1 手臂伸縮與手腕回轉部分 ........................................25 5.1.1 結構設計 ................................................25 5.1.2 導向裝置 ................................................26 5.1.3 手臂伸縮驅動力的計 ......................................26 5.2 手臂升降和回轉部分 ............................................27 5.2.1 結構設計 ................................................27 5.3 手臂伸縮氣缸的設計 ............................................28 5.4 手臂伸縮、升降用液壓緩沖器 ....................................31 第 IV 頁 共 頁 5.5 手臂回轉用液壓緩沖器 ..........................................32 第 6 章 控制系統(tǒng)設計 .................................................33 6.1 控制系統(tǒng)硬件設計 .................................................33 6.2 PLC 梯形圖中的編程元件 ......................................33 6.3 PLC 的 I/O 分配 ..............................................34 6.4 機械手控制系統(tǒng)的外部接線圖 .................................35 6.5 控制系統(tǒng)軟件設計 ..............................................35 6.6 公用程序 ....................................................36 6.7 自動操作程序 ...............................................37 5.8 手動單步操作程序 ............................................38 5.9 回原位程序 .................................................38 6.10 本章小結 .....................................................51 7 結論 ...............................................................52 參考文獻 .............................................................53 致謝 .................................................................55 第 1 頁 共 36 頁 1 緒論 1.1 機械手概述 工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構 成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機 電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、 提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重 要的作用。 機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、 仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。 機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特 長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力， 又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它 也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也 是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、 搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。 生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、 保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、 有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。 因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工 業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用 1。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置， 是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序 控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械 手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生 產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用 2。 第 2 頁 共 36 頁 1.2 機械手的組成和分類 1.2.1 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖 1.1 所示。 控制系統(tǒng) 驅動系統(tǒng) 被抓取工件執(zhí)行機構 位置檢測裝置 圖 1.1 機械手的組成方框圖 (一)執(zhí)行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式 手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的 構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易 構件，故應用較廣泛平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾 持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍 大的工件。 手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指 數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較 常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母多，式 彈簧式和重力式等。 附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電吸磁 力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方 第 3 頁 共 36 頁 式有氣流負壓式和真空泵式。 對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁 吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸 附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷 齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓 取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手 臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與 驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 手臂可能實現(xiàn)的運動如下: 手臂運動 基本運動 復合運動 直線運動與回轉運動的組合(即螺旋運動) 兩直線運動的組合(即平面運動 ) 回轉運動:如水平回轉、左右擺動運動 直線運動:如伸縮、升降、橫移運動 兩回轉運動的組合(即空間曲面運動 )。 手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝 置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩 和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件 受力狀態(tài)簡單。 導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和 V 形槽、燕尾槽等 導向型式。 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，手臂的回轉運動和升 第 4 頁 共 36 頁 降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因 工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5、行走機構 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安 裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分 為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 6、機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機 座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制 調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和 機械傳動等四中形式。 （三）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的 控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng) 有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給 予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制 系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有 錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制 系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構 以一定的精度達到設定位置 3。 1.2.2 機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準， 在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 第 5 頁 共 36 頁 1、專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械 手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大 附屬，如自動機床、自動線的上、下料機械手和加工中心”批量的自動化生產(chǎn) 的自動換刀機械手。 2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。通過 調(diào)整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，控制 系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷 變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。 通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以 “開一關”式控制定位，只能是點位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)， 可以點位控制，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類 型。 (二)按驅動方式分 1、液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百 公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的 泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手 采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電 液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主 要特點是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但 是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓 力較低，抓重一般在 30 公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大， 所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。 它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它主要特 第 6 頁 共 36 頁 點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工 作主機的上、下料。 4、電力傳動機械手 即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運 動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械 手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展 前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不 能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目 前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動 過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制 系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制 4。 1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)， 而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 10.3 萬美元降至 97 年的 65 萬美 元。 (2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、 檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已 有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、 網(wǎng)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng) 的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳 第 7 頁 共 36 頁 感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用 視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳 感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如 使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者 與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)， 使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器 人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種 新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的 工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下通過“七五”、 “八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng) 硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件， 開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有 130 多臺套噴漆機器人在 二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用 在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的 水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應用工程起步較 晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的 國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒 有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次 重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也 不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對 產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其 中最為突出的是水下機器人，6000m 水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還 開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種: 在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有 了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙 第 8 頁 共 36 頁 控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國 外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成 系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中 5。 1.4 課題的提出及主要任務 1.4.1 課題的提出 隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞 動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以 大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn) 中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率。為此， 我們把上下料機械手作為我們研究的課題。 現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點: (1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液 壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且 影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。 (2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性 變化。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用 維護需要較高技術水平。 鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動，氣動技術有以下優(yōu)點: (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后 排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器：介質(zhì)清潔，管道不易堵塞 不存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題。 (2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般僅 為油路的千分之一)，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那 樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。 (3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需 第 9 頁 共 36 頁 的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時， 機器及其工藝流程不致突然中斷。 (5)工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣 環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變 化影響傳動及控制性能。 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì) 和加工精度要求，制造容易，成本較低。 傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精 度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低， 抓舉力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅動功能已有部分被工業(yè)界所接受， 而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動 機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化 領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮 6。 1.4.2 課題的主要任務 本課題將要完成的主要任務如下: (1)機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面必須更廣。 (2)選取機械手的座標型式和自由度。 (3)設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。為 了使通用性更強，手部設計成可更換結構，既可以用夾持式手指來抓取棒料工件， 又可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。 第 10 頁 共 36 頁 2 機械手的設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾放和搬運物件，這就要求它們 具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在 任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工 件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境 條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、 尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求；盡量選用 定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換 和編程控制。 本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批 生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，它可用于操作環(huán)境惡劣，勞 動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。 2.1 機械手的座標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、 圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮 及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌 補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的 自由度。 2.2 機械手的手部結構方案設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工 件是棒料時，使用夾持式手部；當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 第 11 頁 共 36 頁 2.3 機械手的手腕結構方案設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設 有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運 動的機構為回轉氣缸。 2.4 機械手的手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右 回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的 橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 2.5 機械手的驅動方案設計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉 因此本機械手采用氣壓傳動方式。 2.6 機械手的控制方案設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變 PLC 程序即可實 現(xiàn)，非常方便快捷 7。 2.7 機械手的主要參數(shù) 1、主參數(shù)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機械手最大抓重以 10 公斤左右的為數(shù)最多。故該機械手主參數(shù)定為 10 公斤，高速動作時抓重減半。使 用吸盤式手部時可吸附 5 公斤的重物。 2、基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出 了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素 是手臂伸縮及回轉的速度。 該機械手最大移動速度設計為 1. 2m/s，最大回轉速度設計為 120o/s。平均 移動速度為 lm/s，平均回轉速度為 900/s。 機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說 明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢 更為符合速度特性。 除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分 機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和 第 12 頁 共 36 頁 工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝 置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為 600mm,最大工作半徑約 為 1500mm，手臂安裝前后可調(diào) 200mm。手臂回轉行程范圍定為 2400(應大于 1800，否則需安裝多只手臂)，又由于該機械手設計成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴 大了它的使用范圍。手臂升降行程定為 150mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該 機械手的定位精度為土 0. 51 mm。 2.8 機械手的技術參數(shù)列表 一、用途: 用于 100 噸以上沖床上下料。 二、設計技術參數(shù): 1、抓重 10 公斤(夾持式手部) 5 公斤(氣流負壓式吸盤) 2、自由度數(shù) 4 個自由度 3、座標型式 圓柱座標 4、最大工作半徑 1500mm 5、手臂最大中心高 1380mm 6、手臂運動參數(shù) 伸縮行程 600mm 伸縮速度 500mn/s 升降行程 200mm 升降速度 300mm/s 回轉范圍 00 -2400 回轉速度 900/s 7、手腕運動參數(shù) 第 13 頁 共 36 頁 回轉范圍 0 0--1800 回轉速度 1800/s 8、手指夾持范圍 棒料:80150mm 片料:面積不大于 0. 5 9、定位精度 士 0. 5mm 10、緩沖方式 液壓緩沖器 11、傳動方式 氣壓傳動 12、控制方式 點位程序控制(采用 PLC) 第 14 頁 共 36 頁 3 手部結構設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工 件是棒料時，使用夾持式手部:當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 3.1 夾持式手部結構 夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多， 如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1 手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指 夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作， 手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點 回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時， 就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時， 就成為移動型。回轉型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動 型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響 其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 3.1.2 設計時考慮的幾個問題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所 產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 (二)手指間應具有一定的開閉角 第 15 頁 共 36 頁 P兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 (三)保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。(四)具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳 8。(五)考慮被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成 V 型，其結構如附圖所示。3.1.3 手部夾緊氣缸的設計1、手部驅動力計算 9本課題氣動機械手的手部結構如圖 3.2 所示，其工件重量 G=10，“V”形手指的角度 2 =120 0，b=120mm，R=24mm,摩擦系數(shù)為 f=0. 1。 第 16 頁 共 36 頁 2bpNR00.5()0.51(6542)(NGtgtgN29bpNR12KP實 際 2ag1.549063pN 實 際 214tzDPFF1 tfFcS4318fGdCDn2 圖 3.1 齒輪齒條式手部 （1）根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅動力為: （2）根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: 所以： (3)實際驅動力: 因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取 =0. 94，并取 K1=1. 5 。若被抓取工 件的最大加速度取 a= g 時，則: 所以： 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為 1563N。 2、氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出 推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: 式中:F 1活塞桿上的推力，N Ft彈簧反作用力，N Fz氣缸工作時的總阻力,N P氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: 式中:C f彈簧剛度，N/m 1彈簧預壓縮量，m 第 17 頁 共 36 頁 214tDpF1tp413879.0.534/801356/fGdCDnNm 3137.4026tfFS1tDp1/42Fd 1 S活塞行程，m d1彈簧鋼絲直徑，m D1彈簧平均直徑，. D2彈簧外徑，m n彈簧有效圈數(shù) G彈簧材料剪切模量，一般取 G=79. 4 X 109Pa 在設計中，必須考慮負載率 的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關數(shù)據(jù)，可得 所以： =4(490+220.6)/( 0.51060.4)) =65.23 (mm) 查有關手冊圓整，得 D=65 mm 由 d/D=0.20.3，可得活塞桿直徑:d= (0. 2-0. 3) D=13-19. 5 mm 圓整后， 取活塞桿直徑 d=18 mm 校核，按公式 第 18 頁 共 36 頁 /2DP/2DP B P2K10 =20MPa, F1=750N 則:d (4 490/ 120) =2.2818 滿足設計要求。 3、缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑比 小或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: 式中:缸筒壁厚， D氣缸內(nèi)徑， P 實驗壓力，取 P =1.5P, Pa 材料為:ZL3, =3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: =656105/（2310 6）10 -3 =6.5 取 =7. 5，則缸筒外徑為:D=65+7. 5 2=80 mm。 3.2 氣流負壓式吸盤 氣流負壓式吸盤是利用吸盤(即用橡膠或軟性塑料制成皮腕)內(nèi)形成負壓將工 件吸住。它適用于搬運一些薄片形狀的工件，如薄鐵片、板材、紙張以及薄壁易 碎的玻璃器皿、弧形殼體零件等，尤其是玻璃器皿及非金屬薄片，吸附效果更為 明顯。 氣流負壓式與鉗爪式手部相比較，氣流負壓式手部具有結構簡單，重量輕， 表面吸附力分布均勻，但要求所吸附表面平整光滑、無孔和無油。按形成負壓(或 真空)的方法，氣流負壓式手部可分為真空式、氣流負壓式和擠壓排氣式吸盤。在 本機械手中，擬采用噴射式氣流負壓吸盤。 第 19 頁 共 36 頁 23416圖 3.3 噴射氣流原理圖噴射式氣流負壓吸盤的工作原理如圖 3.3 所示，根據(jù)流體力學，氣體在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，單位時間內(nèi)氣體經(jīng)過噴嘴的每一個截面的氣體質(zhì)量均相等。因此，在最簡單的情況下，低流速(高壓強)截面的噴嘴應當具有大面積，而高流速(低壓強)截面的噴嘴應當具有小面積。所以，壓縮空氣由噴嘴進口處 A 進入后，噴嘴開始一段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當沿氣流流動方向截面收縮到最小處 K 時即臨界面積)，流速達到臨界速度即音速，此時壓力近似為噴嘴進口處的壓力之半，即 PK =0. 528P1。為了使噴嘴出口處的壓力 P2低于 PK 必須在噴嘴臨界面以后再加一段漸擴段，這樣可以在噴嘴出口處獲得比音速還要大的流速即超音速，并在該處建立低壓區(qū)域，使 C 處的氣體不斷的被高速流體卷帶走，如C 處形成密封空腔，就可使腔內(nèi)壓力下降而形成負壓。當在 C 處連接橡膠皮腕吸盤，即可吸住工件 10。圖 3.4 所示為可調(diào)的噴射式負壓吸盤結構圖。為了使噴嘴更有效地工作，噴嘴口與噴嘴套之間應當有適當?shù)拈g隙，以便將被抽氣體帶走。當間隙太小時，噴射氣流和被抽氣體將由于與套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽氣速率;當間隙太大時，離噴射氣體越遠的氣體被帶著向前運動的速度就越低，同時間隙過大，從噴嘴套出口處反流回來的氣體就越多，這就使抽氣速率大大的降低。因此，間隙要適宜，最好使噴嘴與噴嘴套之間的間隙可以調(diào)節(jié)，以便噴嘴有效地工作。在圖 3.4 中，噴嘴 5 與噴嘴套 6 的相對位置是可以調(diào)節(jié)的，以便改變間隙的大小 11。 第 20 頁 共 36 頁 2134nDpK 123450..516.92PKDncm 1.橡膠吸盤 2.吸盤芯子 3.通氣螺釘 4.吸盤體 5.噴嘴 6.噴嘴套 圖 3.4 可調(diào)噴射式負壓吸盤結構 下面計算吸盤的直徑 12: 吸盤吸力的計算公式為: 式中:P吸盤吸力(N)，本機械手的吸盤吸力為 50N，故 P=50N; D 吸盤直徑((cm). n 吸盤數(shù)量，本機械手吸盤數(shù)量為 1; K1吸盤吸附工件在起動時的安全系數(shù)，可取 K,月 2-2，在此取 K1=1.5; K2工作情況系數(shù)。若板料間有油膜存在則要求吸附力大些;若裝有分 料器，則吸附力就可小些。另外工件從模具取出時，也有摩擦力的作用， 同時還應考慮吸盤在運動過程中由于加速運動而產(chǎn)生的慣性力影響。因 此，應根據(jù)工作條件的不同，選取工作情況系數(shù)，一般可在(1-3 的范 圍內(nèi)選取。在此，取 K2=2。 K3方位系數(shù).當吸盤垂直吸附時，則 K3=1/f，f 為摩擦系數(shù)，橡膠吸盤 吸附金屬材料時，取 f=0.50.8;當吸盤水平吸附時，取 K3=l。在此， 取 K3=0.5. 代入數(shù)據(jù)得: _ 第 21 頁 共 36 頁SGSGRLLCddsGCR 4 手腕結構設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設 有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運 動的機構為回轉氣缸 13。 4.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整工件的方位，因而它具有獨 立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通 用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手 抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞 x 軸轉動回轉運 動才可滿足工作的要求。目前實現(xiàn)手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉氣缸， 因此我們選用回轉氣缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于 3600，并且要求嚴格的 密封 14。 4.2 手腕的驅動力矩的計算 4.2.1 手腕轉動時所需的驅動力矩 手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必 須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩， 動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動件的中心與轉 第 22 頁 共 36 頁 動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖 4.1 所示為手腕受力的示意圖。 1.工件 2.手部 3.腕部 圖 4.1 手碗回轉時受力狀態(tài) 手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算 15: M 驅 = M 慣 +M 偏 +M 摩 +M 封 （4.1） 式中: M 驅 驅動手腕轉動的驅動力矩(cm); M 慣 慣性力矩(Kg -cm); M 偏 參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉缸的動片) 對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩()., M 摩 手腕轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(cm); M 封 手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩 ( cm); 下面以圖 4.1 所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算: 1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M 慣 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為 ，起動過程所用的 時間為t，則: 第 23 頁 共 36 頁 1MJt慣 21MJ慣 211cGJeg （4.2） 若手腕轉動時的角速度為 ，起動過程所轉過的角度為，則: (4.3) 式中:J參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量 (Ns 2); J1工件對手腕轉動軸線的轉動慣量 (Ns 2)。 若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量 J1為: （4.4 ） 式中:J c工件對過重心軸線的轉動慣量(Ns 2): G1工件的重量((N); e1工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm), 手腕轉動時的角速度(弧度/s); t 一起動過程所需的時間(S); 起動過程所轉過的角度(弧度)。 2、手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 M 偏 (N) （4.5） 式中:G 3手腕轉動件的重量(N); e3手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距(). 當工件的重心與手腕轉 動軸線重合時，則 G1 e1=0. 13MGe偏偏 第 24 頁 共 36 頁 21ABfMRdNcm摩 321BRGL3N 213AGLLGR 2pbRrM 3 3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M 摩 (4.6) 式中:d 1d2手腕轉動軸的軸頸直徑(cm); f 一軸承摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 f=0. 01，對于滑動軸承 f=0.1； RARB軸頸處的支承反力((N)，可按手腕轉動軸的受力分析求解， 根據(jù)M A(F)=0 得: （4.7） 同理，根據(jù)M B (F)=0 得: （N） （4.8） 式中:G 2手部的重量(N) L，L 1，L 2，L 3如圖 4-1 所示的長度尺寸(cm). 4回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 M 封 ，與選 用的密襯裝置的類型有關，應根據(jù)具體情況加以分析 16。 在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉氣缸，它的原理如 圖 4.2 所示，定片 1 與缸體 2 固連，動片 3 與回轉軸 5 固連。動片封圈 4 把氣腔 分隔成兩個.當壓縮氣體從孔 a 進入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉，則低壓腔 的氣從 b 孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。單葉 J 氣缸的壓力 p 和驅動 力矩 M 的關系為: （4.9） 第 25 頁 共 36 頁 圖 4.2 回轉氣缸簡圖 式中:M回轉氣缸的驅動力矩((N); P回轉氣缸的工作壓力((N); R缸體內(nèi)壁半徑(cm); r輸出軸半徑(cm); b動片寬度(cm). 上述驅動力矩和壓力的關系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低 壓腔有一定的背壓，則上式中的 P 應代以工作壓力 P1與背壓 P2之差。 5 手臂結構設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右 回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的立柱的橫 向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 5.1 手臂伸縮與手腕回轉部分 5.1.1 結構設計 手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復運動采用的是氣壓驅動的活塞氣缸。 由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂結構中應用比較多。同時， 氣壓驅動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉 動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂 的剛性，在設計手臂結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應根據(jù)手臂的安裝形 第 26 頁 共 36 頁 式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減 少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。在本機械手中采用的是單 導向桿作為導向