多用途氣動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書

無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書PAGEPAGE9第一章引言1。1工業(yè)機(jī)械手概述工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)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(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)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(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)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(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手",簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序,適應(yīng)性較強(qiáng)，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.氣壓傳動機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手.其主要特點(diǎn)是：介質(zhì)李源極為方便,輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)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公斤氣動技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：（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(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)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?。ㄒ话悴徊窛踩麅H為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)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(yán)重污染。（3）動作迅速,反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0。02s—0。3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，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(shí)，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。(5）工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)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(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性,因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實(shí)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(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受,而且對于不太復(fù)雜的機(jī)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(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里,對氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。1.2氣動機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求1。2.2課題的本課題將要完成的主要任務(wù)如下：(1）機(jī)械手為通用機(jī)械手，因此相對于專用機(jī)械手來說,它的適用面相對較廣.（2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度。(3)設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括：手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì).為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu),不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時(shí)候還可以用氣流負(fù)壓式吸盤來吸取板料工件。（4）氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng),包括氣動元器件的選取，氣動回路的設(shè)計(jì)，并繪出氣動原理圖。(5)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制,本課題將要選取PLC型號，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖.1.3機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖1—1所示。控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)（PLC）位置檢測裝置驅(qū)動系統(tǒng)位置檢測裝置驅(qū)動系統(tǒng)（氣壓傳動）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)立柱手臂手腕手部立柱手臂手腕手部圖1-1機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖機(jī)械手的工作原理:機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下,采用氣壓傳動方式,來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的,有順序，有運(yùn)動軌跡，有一定速度和時(shí)間的動作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號。位置檢測裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。（一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu).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在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指（或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成.手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛.平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(jié)構(gòu)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。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。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(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動.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(zhuǎn)運(yùn)動和升降(或俯仰）運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動,即稱為可移式立柱。5、機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。（二）驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的。它由動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、機(jī)械傳動.（三）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位）系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息（如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時(shí)間），同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號.（四）位置檢測裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置,并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較,然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.第二章機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾—放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、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(shè)計(jì)氣動機(jī)械手的原則是：充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)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(jié)構(gòu)形狀和材料特性,定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動上下料機(jī)械手（如圖2—1所示)，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(yùn)或操作設(shè)備，動作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。圖2-1機(jī)械手的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)2.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此,采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動的自由度.（如圖2—2所示）圖2—2機(jī)械手的運(yùn)動示意圖2。2機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部；當(dāng)工件是板料時(shí),使用氣流負(fù)壓式吸盤。2。3機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求。因此,手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。2。4機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度,即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰）運(yùn)動.手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移.手臂的各種運(yùn)動由氣缸來實(shí)現(xiàn)。2。5機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計(jì)由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動方式.2。6機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制,因此我們采用可編程序控制器（PLC）對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷.2.7機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)=1\*CHINESENUM3一。機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動,因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況,本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為5公斤。=2\＊CHINESENUM3二.基本參數(shù)運(yùn)動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍.(如圖2—3所示)而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計(jì)為.最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動速度為.平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)械手動作時(shí)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?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)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(jì)和比較,該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為.=3\＊CHINESENUM3三。用途:用于自動輸送線的上下料。=4\＊CHINESENUM3四．設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、抓重2、自由度數(shù)4個(gè)自由度3、座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑5、手臂最大中心高6、手臂運(yùn)動參數(shù)伸縮行程伸縮速度升降行程升降速度回轉(zhuǎn)范圍回轉(zhuǎn)速度7、手腕運(yùn)動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍