此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除此文档仅供学习与交流河南科技学院新科学院2013届本科毕业论文（设工业机械手的设计系统工作原理及组成学生姓名：****系别：机械工程系所学专业：机械设计制造及其自动化导师姓名：****成时间：2013/4/23此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除此文档仅供学习与交流目录第一章1.1工业机械手概述1.2气动机械手的设计要求1.3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2.1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2.3机械手的手腕结构方案设计2.4机械手的手臂结构方案设计2.5机械手的驱动方案设计2.6机械手的控制方案设计2.7机械手的主要技术参数第三章手部结构设计3.1夹持式手部结构3.1.1手指的形状和分类................................................................................73.1.2设计时考虑的几个问题........................................................................73.1.3手部夹紧气缸的设计............................................................................8第四章手腕结构设计.........................................104.1手腕的自由度104.2手腕的驱动力矩的计算104.2.1手腕转动时所需的驱动力矩.............................................................104.2.2回转气缸的驱动力矩计算.................................................................114.2.3手腕回转缸的尺寸及其校核............................................................11第五章手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核................135.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核135.1.1手臂伸缩气缸的尺寸设计................................................................135.1.2尺寸校核............................................................................................135.1.3导向装臵............................................................................................135.1.4平衡装臵............................................................................................135.2手臂升降气缸的尺寸设计与校核135.2.1尺寸设计............................................................................................135.2.2尺寸校核............................................................................................135.3手臂回转气缸的尺寸设计与校核145.3.1尺寸设计............................................................................................14此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除此文档仅供学习与交流5.3.2尺寸校核............................................................................................14第六章气动系统设计..........................................15第七章机械手的PLC控制系统设计...............................177.1可编程序控制器的选择及工作过程177.1.1可编程序控制器的选择....................................................................177.1.2可编程序控制器的工作过程............................................................177.2可编程序控制器的使用步骤187.3机械手可编程序控制器控制方案187.3.1控制系统的工作原理及控制要求....................................................187.3.2气动机械手的工作流程（如图7-1所示）197.3.3197.3.4梯形图设计........................................................................................20第八章.....................................................23参考文献：..................................................24此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除此文档仅供学习与交流第一章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臵构成，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臵，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。 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 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。 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，一般不需设臵回收管道和容器: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 卜浇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即可建立起所需的 压力和速度。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 时，机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。 此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 (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， 似乎更难想象)。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 要进展过去介绍得不够，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 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1-1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 位臵检测装臵等所组成。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。位臵检测装臵随时将 执行机构的实际位臵反馈给控制系统，并与设定的位臵进行比较，然后通过控制 控制系统 （PLC） 驱动系统 （气压传动） 执行机构 位置检测装置 此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除此文档仅供学习与交流 系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位臵. (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 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臵， 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 取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位臵。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。它由动力装臵、调节装臵和辅 助装臵组成。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 此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 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。 控制机械手执行机构的运动位臵，并随时将执行机构的实际位臵反馈给控制系统，并与设定的位臵进行比较，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臵. 此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 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 在任意位臵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。 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臵，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。 此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 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 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 。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臵为好。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 mm 1400 。手臂升降行程定为 mm 120 。定位精度也是 基本参数之一。该机械手的定位精度为 mm 用途:用于自动输送线的上下料。 四．设计技术参数: 2、自由度数4个自由度 3、座标型式 圆柱座标 4、最大工作半径 mm 1400 5、手臂最大中心高 mm 1250 6、手臂运动参数 伸缩行程 mm 1200 伸缩速度 mm/400 升降行程 mm 120 升降速度 mm/250 回转范围

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