论工业文（设计）工业机械手的设计系统工作原理及组成目录第一章引言.............................................................................................................................11.1工业机械手概述1.2气动机械手的设计要求..........................................................................................21.3机械手的系统工作原理及组成第二章机械手的整体设计方案..............................................................................................52.1机械手的座标型式与自由度2.2机械手的手部结构方案设计..................................................................................62.3机械手的手腕结构方案设计..................................................................................62.4机械手的手臂结构方案设计..................................................................................62.5机械手的驱动方案设计..........................................................................................62.6机械手的控制方案设计..........................................................................................72.7机械手的主要技术参数第三章手部结构设计..............................................................................................................83.1夹持式手部结构......................................................................................................83.1.1手指的形状和分类3.1.2设计时考虑的几个问题3.1.3手部夹紧气缸的设计第四章手腕结构设计134.1手腕的自由度.......................................................................................................134.2手腕的驱动力矩的计算.......................................................................................134.2.1手腕转动时所需的驱动力矩134.2.2回转气缸的驱动力矩计算154.2.3手腕回转缸的尺寸及其校核15第五章手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核185.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核185.1.1手臂伸缩气缸的尺寸设计185.1.2尺寸校核185.1.3导向装置185.1.4平衡装置185.2手臂升降气缸的尺寸设计与校核195.2.1尺寸设计195.2.2尺寸校核195.3手臂回转气缸的尺寸设计与校核195.3.1尺寸设计195.3.2尺寸校核19第六章气动系统设计...........................................................................................................21第七章机械手的PLC控制系统设计237.1可编程序控制器的选择及工作过程237.1.1可编程序控制器的选择237.1.2可编程序控制器的工作过程237.2可编程序控制器的使用步骤247.3机械手可编程序控制器控制方案247.3.1控制系统的工作原理及控制要求247.3.2气动机械手的工作流程（如图7-1所示）257.3.3267.3.4梯形图设计26第八章结论...........................................................................................................................3031参考文献：...........................................................................................................................32第一章引言1.1工业机械手概述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。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，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。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：介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但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^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。 气动技术有以下优点： (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器 ：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，阻力损失较小(一般不 塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。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。气动系统一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需 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 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较低，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。传统观点认为 ：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难 (尤其在高速情况下， 似乎更又t 想象)。此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 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。 1.2 气动机械手的设计要求 本课题将要完成的主要任务如下： (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，包括：手部、手腕、手臂等部件的设计。为 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 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! 号，根据机械手白^工作流程编制出PLC?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1-1 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?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。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式 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 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，手臂的回转运动和开 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，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机 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 PLC?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 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 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。 机械手爪部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 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，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， 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 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PLC1 序即可实 现，非常 方便快捷。 2.7 机械手的主要技术参数 一.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5 公斤。 二.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 1400mm。手臂升降行程定为 120mm。定位精度也是基 本参数之一。该机械手的定位精度为 1mm。 .用途：用于自动输送线、座标型式 圆柱座标 4、最大工作半径 1400mm 5、手臂最大中心高 1250mm

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