三自由度圓柱坐標平面關節(jié)示教型自動上下料的氣動機械手設計含CATIA三維及7張CAD圖

三自由度圓柱坐標平面關節(jié)示教型自動上下料的氣動機械手設計含CATIA三維及7張CAD圖,自由度,圓柱,坐標,平面,關節(jié),示教型,自動,上下,氣動,機械手,設計,catia,三維,cad 上下料的氣動機械手的設計 摘要 隨著我國科學技術的不斷突破、制造業(yè)的快速發(fā)展以及改革開放帶來的市場競爭的 加劇，企業(yè)在如何提高生產效率、保證產品質量和降低生產成本等問題上采取了大量措 施，自動化和機械化在現(xiàn)代企業(yè)中普遍應用，這為機械手的廣泛運用奠定了基礎。機械 手利用機械技術、人工智能技術、控制技術、傳感器技術以及計算機技術，達到模仿人 手和臂、實現(xiàn)某些動作功能的目的，機械手可以按照設置好的程序完成抓取動作、搬運 物件或操作工具，特別是與數(shù)控車床、加工中心組合使用，不僅提高了柔性制造系統(tǒng)的 加工效率，而且將人從反復、單一的工作中解脫出來，降低了人工成本，保證了產品質 量。 本課題是在數(shù)控車床和加工中心基礎上而設計的一種抓取柴油機曲軸毛坯的三自由 度圓柱坐標平面關節(jié)型自動上下料氣動機械手設計，此機械手主要與數(shù)控車床組合，實 現(xiàn)加工過程的自動化，即由機械手完成上料-加工-下料整個生產節(jié)拍的過程。此機械手 具有結構簡單，易于拆裝、組合的特點，同時通過驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)加 工過程的模擬，加深學生對專業(yè)知識的理解。 關鍵詞:自動化；上下料；機械手；氣壓傳動；PLC Abstract With the continuous breakthrough in science and technology, the rapid development of the manufacturing industry and the intensification of market competition brought by the reform and opening up, a large number of measures have been taken to improve the production efficiency, guarantee the quality of the products and reduce the cost of production. Automation and mechanization are widely used in the present generation enterprises. This is a mechanical hand. The extensive use of the foundation is laid. The manipulator uses mechanical technology, artificial intelligence technology, control technology, sensor technology and computer technology to achieve the purpose of imitating the hands and arms and realizing certain action functions. The manipulator can carry out the grasping, handling, or operating tools according to the set program, especially with the CNC lathe and the machining center. Combined use, not only improves the processing efficiency of the flexible manufacturing system, but also relieves people from repeated and single work, reduces the labor cost and ensures the quality of the product. With the attention to the ecological environment and the breakthrough of science This topic is a kind of teaching type automatic up and down manipulator designed on the basis of CNC lathe and machining center. This manipulator is mainly combined with numerical control lathe to realize the automation of the processing process, that is, the manipulator completes the process of the overall production of the feeding, processing and cutting. This manipulator has the characteristics of simple structure, easy disassembly and combination. At the same time, through the design of the driving system and control system, the simulation of processing process is realized, and the students understanding of professional knowledge is deepened. Key words: automation; loading and unloading; manipulator; pneumatic transmission; PLC 目錄 第 1 章 緒論 .1 1.1 選題背景 .1 1.2 設計目的 .1 1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 .1 第 2 章 機械手的組成 .3 2.1 執(zhí)行機構 .3 2.2.1 手部 .3 2.1.2 腕部 .3 2.1.3 手臂 .4 2.1.4 行走機構 .4 2.1.5 機座 .4 2.2 驅動系統(tǒng) .4 2.3 控制系統(tǒng) .5 2.4 位置檢測系統(tǒng) .5 第 3 章 機械手總體設計 .6 3.1 主要技術參數(shù) .6 3.2 主要部件及其運動 .7 3.3 總體結構設計 .8 第 4 章 手部設計 .9 4.1 確定手部結構 .9 4.2 手部驅動力計算 .9 4.3 手部夾緊力的計算 .10 4.4 手部夾緊缸的設計計算 .11 4.4.1 夾緊缸主要尺寸的計算 .11 4.4.2 缸體結構及驗算 .12 4.4.3 活塞桿的設計計算 .13 第五章手臂的設計 .15 5.1 手臂結構的設計 .15 5.1.1 氣缸的校核 .16 5.1.2 活塞桿的計算 .16 5.1.3 缸筒壁厚的選擇 .19 5.2 手臂整體結構圖 .20 第 6 章 機身的設計 .21 6.1 設計時注意的問題 .21 6.2 機身的升降回轉運動 .22 6.2.1 機身升降運動 .22 6.2.2 機身回轉運動 .22 6.2.3 氣壓升降缸設計計算 .23 6.2.4 氣壓擺動缸設計計算 .25 6.3 機身整體結構圖 .30 第 7 章 氣壓系統(tǒng)設計 .30 7.1 氣壓系統(tǒng)簡介 .30 7.2 氣壓系統(tǒng)方案設計 .31 7.3 氣壓系統(tǒng)的控制回路設計 .31 第 8 章 機械手 PLC 控制系統(tǒng)設計 .31 8.1 機械手的工藝過程 .31 8.2 機械手工作流程 .33 8.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設計 .35 8.3.1 機械手動作順序表 .35 8.3.2 現(xiàn)場器件與 PLC 內部繼電器對照表 .36 8.3.3 PLC 接線圖 .36 8.4.4 梯形圖 .37 8.4.5 指令程序表 .39 結論 .40 謝辭 .41 參考文獻 .42 1 第 1 章 緒論 1.1 選題背景 隨著人工智能、仿生物技術、信息和傳感技術等多學科的快速發(fā)展和技術突破，機 器人的功能變得更加豐富多樣，應用領域正在不斷拓寬，特別是在工業(yè)領域，應用相當 廣泛，機械手技術的不斷更新成熟，為更好地實現(xiàn)機械手與機械化和自動化的有機結合 奠定了良好基礎。氣動技術是在生產過程自動化中蓬勃發(fā)展起來的一門新技術，它以壓 縮氣體為工作介質，實現(xiàn)能量和信號的傳遞。機械手是新形勢下，機器進化過程的產物， 是適應柔性生產、提高產品質量和生產效率、改善勞動條件必不可少的自動化裝置，機 械手的廣泛運用，不僅降低了工人的勞動強度，將工人從重復、沉重的工作中解脫出來， 同時還能保證產品質量、實現(xiàn)安全生產。目前我國的工業(yè)機器人制造技術水平及其應用 規(guī)模、產業(yè)化水平和國外還有一定的距離，機械手的研究程度和開發(fā)情況，直接影響到 我國自動化生產水平，因此，從經濟上、技術上考慮，對機械手的設計進行研究都是十 分必要和有意義的。 1.2 設計目的 隨著市場競爭的加劇以及工業(yè)自動化程度的提高，傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式已經滿足不 了現(xiàn)代化企業(yè)的生產要求，跟不上現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展趨勢和時代的步伐。為了更好的提高 效率、降低成本，越來越多的企業(yè)將機械手與機床設備組合起來，在原有的柔性加工系 統(tǒng)或柔性制造單元的基礎上，結合工廠實際情況和生產要求，設計自動化生產線，進一 步完善和提高整個生產線的加工柔性，這樣不僅為企業(yè)節(jié)省了龐大的工件輸送裝置采購 費用，還節(jié)省了大量空間，縮短了加工時間，同時生產效率更高、適應性更強。 本設計立足生產實際，主要應用氣壓驅動和可編程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)基于數(shù)控機床特 殊功能、特殊要求的自動上下料機械手的設計，具有較強的專用性，一是能夠應用到工 廠加工車間，實現(xiàn)數(shù)控機床、加工中心對工件的加工過程中的上料工序和下料工序，代 替人工，節(jié)約加工輔助時間，提高生產效率和生產力，二是為了能讓學生可以更好的理 解機械手的工作原理和工作過程，對機械手自動上下料以及自動化生產有更加直觀深刻 的印象，提高學生動手實踐能力的目的，特設計此機械手。 2 1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 目前，國內外機器人已經成為一個新浪潮，科研狀態(tài)大體趨勢如下： 1將機器人的各基本組成結構按照功能和運動特性劃分為幾大模塊，這些模塊便是 機器人新的基本組成，如關節(jié)模塊、連桿模塊等，通過對模塊的規(guī)?；?、標準化生產以 及將不同功能的模塊重新裝配組合，可以簡化生產過程，提高生產機器人的效率。機械 結構模塊化、可重構化的發(fā)展有利于模塊化裝配機器人的推廣和應用。 2隨著電器零件集成度的提高以及結構的模塊化，機器人的控制系統(tǒng)越來越精巧， 正逐漸向開放型可編程控制器方向發(fā)展，不僅改善了設備的集成度，還提高了機械系統(tǒng) 的效率和可靠性，方便網絡和標準化， 維修更加方便。 3.多傳感器融合技術的應用，使機器人能夠更好的感知環(huán)境并作出判斷。除傳統(tǒng)的 速度、加速度、位置等傳感器，視覺、聲覺、觸覺、力覺等傳感器也越來越多的應用在 機器人中。 4通過實現(xiàn)機械手產品標準化、通用化、模塊化、系列化的設計；加強機械手柔性 仿形復合機構、伺服軸軌跡、控制系統(tǒng)等研究開發(fā)的程度，更好的提高機械手的智能化 程度。 機器人的發(fā)展趨勢主要總結為兩個方面，即“兩多三化”：一是傳感器、控制器越 來越多，能夠更好的應用先進的電子控制系統(tǒng)和控制算法，使機器人控制更加精細化； 二是智能化、模塊化、市場化，隨著智能化和模塊化程度不斷加深，大大降低了機械手 的生產成本，在滿足生產加工要求的前提下，簡化了生產程序和過程，拓寬了機器人在 不同領域的應用，擴大推廣規(guī)模，促進了機器人的市場化。 3 第 2 章 機械手的組成 機械手主要由以下四部分組成，分別是執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢 測裝置等。 2.1 執(zhí)行機構 執(zhí)行機構一般由手部、手腕、手臂和立柱等部件組成，有的為了使機械手工作區(qū)域 更廣，還增設行走機構。 2.2.1 手部 手部是機器人的末端執(zhí)行器，相當于我們的人手，可以實現(xiàn)對工件的抓取和松開， 是夾緊工件的部分，與工件直接接觸，按照接觸方式的不同，可分為夾持式和吸附式， 夾持式機械手是手爪對工件的抓緊力，主要為回轉型和平面型；吸附式機械手則是機械 手對工件的吸附力，主要有負壓吸盤和電磁吸盤；按夾持方式不同，可以分為外夾式和 內撐式兩種。手指一般多為兩指結構，雙指手爪。 機器人手爪按驅動方式可選為可選為氣動驅動；優(yōu)勢如下： 1. 手爪的運動方向由電磁閥控制，運動速度用氣流調節(jié)閥來調節(jié)； 2. 氣動驅動系統(tǒng)成本較低，氣動元件在工業(yè)中應用廣泛； 3.抓取動作靈活，具有一定的柔順性 2.1.2 腕部 手腕是連接手臂和手部的關節(jié)，起到連接手臂和手的作用，是機器人操作機構的最 末端，它與機器人手臂配合運動，調節(jié)抓握工件的方向，使機器人手爪更靈活、適應性 更強，能夠擴大機械手的作業(yè)范圍，實現(xiàn)手爪的空間運動，使手爪按照預設的運動軌跡 和姿態(tài)運動，完成所需要的作業(yè)動作。實際生產和設計中，在滿足作業(yè)要求的前提下， 應使手腕的自由度數(shù)盡可能的少，根據(jù)實際情況，具體要求具體分析，全面考慮機器人 的運動和布局，設計多種方案，并選擇滿足要求的最簡單的方案。 2.1.3 手臂 手臂是是機器人不可或缺的重要組成部分，其作用是在一定載荷和速度下，支撐手 腕和手完成預定的空間運動。 4 手臂運行目的：在工作空間內，實現(xiàn)符合運動軌跡要求的動作，一般情況下，手臂 要有三個自由度以符合工作需求，即水平方向的伸縮運動、空間回轉運動、垂直方向的 提升（或俯仰）運動，。 手臂一般依靠驅動部件和驅動源來完成手臂預設動作的運行。由于手臂受力復雜， 除了承受手腕、手部及工件的重量，還要承受彎曲力和扭轉力，為了增加手臂的剛性， 一般增加導向裝置以減小手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩，同時減小手臂作回轉運動時 在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單，提高其穩(wěn)定性和運動準 確性。 2.1.4 行走機構 為了工業(yè)機器人能夠在相對長的距離上工作或擴大其工作區(qū)域時，可以在機座上安 裝滾輪、軌道等機構，達到工業(yè)機器人整體運動、行走的目的。 2.1.5 機座 機座是機械手的支承部分，是機械手的基礎，幾乎承擔了機械手的全部重量，比如 機械手執(zhí)行機構的各部件和以及驅動系統(tǒng)等的重量，它是機器人的第一個回轉關節(jié)，主 要起支撐和連接的作用。 2.2 驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動機器人完成所有動作的動力裝置、力量來源。沒有驅動系統(tǒng)，機械 手就不能工作，按照驅動方式不同，可分為氣壓傳動、液壓傳動、電動傳動和機械傳動 四種，每種驅動方式都有其自己的適用場合和特點，可以根據(jù)生產要求選擇不同的驅動 方式。 液壓驅動系統(tǒng)容易實現(xiàn)直接驅動，由于動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響 應高，主要適合于在承載能力大、慣量大的工作環(huán)境以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機 器人，但是動作慢，構造較復雜，適合短距離操縱，工作噪音較高，設備維護要求高， 價格昂貴，同時液壓系統(tǒng)的液體泄露也會對環(huán)境產生污染。 氣壓驅動系統(tǒng)多適用于在中、小型負荷的機器人和程序控制的機器人。氣壓驅動系 統(tǒng)結構簡單，動作迅速、反應快，而且動力源來源普遍、不污染環(huán)境、價格低廉，同時 環(huán)境適應性好、維修方便， 電動驅動系統(tǒng)優(yōu)點突出，它能量不需要轉換，使用方便，而且噪聲較低，控制靈活， 所以在機器人中被大量采用。但是電動驅動系統(tǒng)對工作環(huán)境要求高、結構復雜、設備維 護要求較高，相較于液壓驅動和氣壓驅動，工作壽命短，價格昂貴，成本上較其他兩種 5 驅動系統(tǒng)高。 2.3 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)相當于機械手的大腦，是機械手的神經中樞，是控制機械手完成規(guī)定要求 運動的系統(tǒng)，一般分為兩種組成方式：一是程序控制系統(tǒng)二是電氣定位(或機械擋塊定位)系 統(tǒng)。 控制系統(tǒng)具有良好的記憶功能和監(jiān)測功能，不僅能夠記憶人們給予機械手設定的指 令程序，并根據(jù)這些程序對執(zhí)行機構發(fā)出指令，使機械手按規(guī)定程序運動，同時還能對 機械手的動作執(zhí)行情況進行監(jiān)測，如果機械手沒有按照既定的軌跡運動、完成相應的動 作，即發(fā)出報警信號，以確保預定動作順利完成。 2.4 位置檢測系統(tǒng) 位置檢測系統(tǒng)是確保執(zhí)行機構能夠以一定的精度達到設定位置。它相當于一名位置 檢測員，能夠檢測機械手執(zhí)行機構的運動位置，確定各執(zhí)行機構是否運行到位，并將執(zhí) 行機構的實際位置反饋給大腦 - 控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再通過實際位置與預設位置的比 較結果進行調整。 第 3 章 機械手總體設計 考慮到氣動機械手能快速、準確的抓取和搬運工件的基本要求以及具有高精度和一 定的承載力，并能夠快速反應等特性，在設計機械手時主要考慮到以下三點： 6 1. 從工件的作業(yè)要求出發(fā)，充分分析作業(yè)對象，滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件影響 的基礎上，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝； 2. 明確工件的結構形狀、材料特性以及定位精度等具體要求，了解機械手抓取、搬 運時的受力特性、尺寸和質量參數(shù)等，從而進一步確定機械手結構及運行控制的要求； 3. 盡量選用標準組件，以達到簡化設計制造過程、實現(xiàn)柔性轉換和編程控制的目的。 3.1 主要技術參數(shù) 機械手的驅動方式采用氣壓傳動系統(tǒng)驅動，同時為了提高機械手的適用性、靈活性 和準確性，采用可編程序控制器(PLC）對機械手進行點位控制。當機械手的工作步序、 動作流程改變時，只需重新設計 PLC 程序并進行指令語句的輸入更新，機械手便可按照 新的預設軌跡運動，方便快捷。 由于采用氣壓傳動，機械手抓重不宜過大，同時本機械手主要為教學用機械手，所 以本機械手設計擬抓取的工件質量為 1 公斤。 主要技術參數(shù)如表 3-1 所示。 表 3-1 機械手主要技術參數(shù) 機械手類型 平面關節(jié)型 自由度 3個 坐標形式 圓柱坐標 回轉范圍 0-180 手指夾持范圍 15-30 驅動系統(tǒng) 氣壓傳動 控制系統(tǒng) 點位控制 抓重 1公斤 伸縮行程 1200mm 升降行程 400mm 3.2 主要部件及其運動 基于工作環(huán)境及設計目的需要，選擇設計為平面關節(jié)型的圓柱坐標式機器手，機器 手共有三個自由度，可以實現(xiàn)手臂水平方向的伸縮運動、升降運動和回轉運動，其中垂 直方向上的升降運動和回轉運動是通過立柱實現(xiàn)的，手爪在夾緊缸作用下，能夠完成夾 持動作，滿足設計要求。 7 機械手主要組成： 1.手部：采用一個夾緊氣壓缸完成夾持動作。 2.手臂：只承受載荷，使用伸縮氣缸并結合導桿機構。 3.機身：采用一個提升缸和一個齒輪齒條擺動氣缸實現(xiàn)機械手的升降和回轉運動。 3.3 總體結構設計 機器人由機身、手臂、手三部分組成，結構簡單，方便操作，整體大部分采用螺栓 固定螺紋連接，易于拆卸，便于學生理解和操作。機械手總體結構配圖如圖 3-1 所示。 圖 3-1 機械手總裝配圖 第 4 章 手部設計 4.1 確定手部結構 按照要求設計的手部完整結構如圖所示。 8 圖 4-1 手部結構圖 4.2 手部驅動力計算 假定 為手指對附件的夾緊力，F(xiàn) 為手部夾緊缸活塞桿的牽引力，抓重為 1 公斤。N 由手部結構對稱，則 12 由公式 （4-1） 由 得 0yF （4-2） 由 得0)(1FMo （4-3） 由上述可得 （4-4） sin21FcFbNcos1 6.32.9cos5.1in026cosin2bFNsin2bcFPN 9 （4-5） 方程中，b 代表手指旋轉中心到滑槽支點之間的間距，b=15.5mm； c 代表夾緊附件的幾何中心到滑槽支點之間的間距,c=50mm； 表示工件被夾緊時手指連桿與水平方向的夾角， 。 6.39 4.3 手部夾緊力的計算 附件上的夾緊力是確定手部設計的重要根據(jù)。通常，夾緊力必須大于由工件的重力 和由慣性力和慣性矩產生的工件移動狀態(tài)引起的摩擦力，確保附件具有可靠的夾持狀態(tài)。 由公式可知手指對工件的夾緊力為： （4-6）GKFN321 式中，K 1表示安全系數(shù)，取 K11.5； K2代表工件情況數(shù)據(jù)，主要考慮慣性力，取 K21.03； K3代表方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀和手指與工件位置不同進行選擇，因為手指 水平放置，工件垂直放置，且是 V 型手指夾持圓柱形工件，所以 K 34； G 代表被夾緊附件所受引力（N），由于 m=1kg 所以 G=10N。故： 1.51.024G=61.2N GFN321 （4- 7） 式中 手指傳遞效率，取 0.85。 4.4 手部夾緊缸的設計計算 4.4.1 夾緊缸主要尺寸的計算 上述已知，夾緊缸為單作用彈力歸位氣壓缸，假定夾緊附件時的路程為 15mm，時間 為 3s，則需要抓握力為： 2.56.139cos02.6s1 bFN Nbc 6.32.9cos5.in06osin理 論 2.384理 論實 際F 10 （48） 式中： F活塞桿實際輸出力； P 彈 彈簧壓縮時的作用力。 其中： （49） 式中： G彈簧材料的剪切模量，對于鋼材， ；528.10(/)Gkgcm D彈簧的鋼絲直徑（3mm）； DZ彈簧中徑（30mm）； Z彈簧的有效圈數(shù)（18 圈）； L 及 S活塞的行程及彈簧的與預縮量，L=15mm, S=10mm。 =846.2N1500NF 查看表作業(yè)壓力取 1 ，為使氣壓缸結構緊密，操作壓力取 2 。aMPaMP 由公式 ： （410） 得： （411） 式中: D氣壓缸內徑； P氣壓缸工作壓力； 氣壓缸工作效率， 0.95。 由 QGHJ 標準系列將缸內徑圓整為 D70mm，同理查得活塞桿直徑 d20m。 4.4.2 缸體結構及驗算 采用缸體 45 號鐵無縫鋼管，由 JB106867 查得選擇圓筒外徑為 90m，壁厚 10mm 。 1. 氣壓缸額定工作壓力 應低于一定極限值，以保證工作安全()NPMa 43)628ZdLSND彈 （ NpF2.8462.3彈實 際 24FDPmF4.6 11 （412） 式中:D 表示缸筒內徑（m）； D1表示缸筒外徑（m）； 表示缸筒材料的屈服點，（45 號鋼為 340 ）。SMPa 已知工作壓力 ，故安全。aMPN57.392 2.為避免缸筒在工作時發(fā)生塑形變形，氣壓缸的額定壓力 值應與塑性變形壓力有N 一定的比例范圍。 （413）1)42.035.(PN 式中： 缸筒發(fā)生完全塑性變形時的壓力（ ），1P Ma （414） 計算可得： （415） 已知實際工作壓力 ,故安全。MPaPN67.21 4.4.3 活塞桿的設計計算 活塞桿一邊用螺紋與活塞相接連，另一邊也用外螺紋與手指連接，如圖 4-3 所示。 圖 4-3 活塞桿外端部結構圖 活塞桿直徑 d20mm，故取 A40mm （螺紋長短型）。 活塞桿采用實心桿，結構如圖 4-4 圖所示。 211lg.DPSaP92.61 57.3909.6.1345.035.022621 DPSN 7.35.0 12 圖 4-4 活塞桿結構圖 桿體原料選擇 35 號鐵，加工處理到剛性為 229285HBS，如果必要的話，需要高頻 淬火，剛性達 4555HRC?；钊麠U直徑 d 的圓度公差值，加工密度 8 級，其圓度公差值， 加工密度 9、10 級；端面 T 的垂直度公差值應加工密度 7 級；外圓表面毛糙度應該在 0.50.9 范圍內。m 選取活塞桿的長度為 68mm，已知活塞桿直徑 20mm 則 屬于短程離活塞桿，關鍵估算拉伸力度。 （416） 已知 d20mm，故安全。 式中：F氣壓缸最大推力，F(xiàn) 取 1.5846.21269.3； D活塞桿直徑，n s安全系數(shù)，一般取 ns3； 活塞桿材料屈服極限（ ），查資料知 35 號鋼為 310 。sMPaMPa 643.527.10sFnm52910268dl 13 第五章手臂的設計 手臂的伸縮是直線運動，本機械手采用氣壓驅動的標準活塞氣缸實現(xiàn)機械手的直線 往復運動。由于水平伸縮氣缸軸向上不承受工作載荷，主要是克服摩擦力矩，徑向上承 受工作載荷，容易產生彎曲變形，所以為了增大水平伸縮氣缸的抗彎能力，同時采用雙 導向桿作為導向裝置，保證手指的正確運動方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用， 增加手臂的剛性和導向性。 5.1 手臂結構的設計 根據(jù)機械手設計方案，手臂伸縮氣缸采用煙臺未來自動設備有限公司生產的標準氣 缸，根據(jù)此公司生產的各種型號氣缸的結構特點和尺寸參數(shù)，結合本設計的實際要求， 采用QGA型氣缸，尺寸系列初選內徑為63/63。 5.1.1 氣缸的校核 (1)在校核尺寸時，只需校核氣缸內徑 ,半徑 的氣缸的尺寸滿足使mD6315.31R 用要求即可,設計使用壓強 ，MPa4.0 則驅動力： (5-1)NRF126 （2) 手腕質量和重物的質量之和擬為5kg,加速度 ，sa/10 則慣性力 ma01 （3）考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù) ,2.kNkF12.51 總受力 （5-2）FFm6010 所以標準QGA型氣缸的尺寸符合實際使用要求。 5.1.2 活塞桿的計算 1）按強度條件計算 當活塞桿的長度L較小時（L10d），可以只按強度條件計算活 塞桿直徑d 所以有： (5-3) 式中： PFd14 14 按縱向彎曲極限力計算，氣缸承受軸向壓力以后，會產生軸向彎曲，當縱向力 達KF 到極限力以后，活塞桿會產生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝 方式、活塞桿直徑及行程有關。 當長細比 時nKL85/ 有： （5-4） 當長細比 時nKL85/ 有： （5-5） 實心桿 （5-6） 空心桿 （5-7） 實心桿 （5-8） 空心桿 64/)(04dI （5-9） 實心桿 空心桿 。安 全 系 數(shù) ， ） ；材 料 的 抗 拉 強 度 （ ） ；（活 塞 桿 材 料 的 許 用 應 力） ；氣 缸 的 推 力 （ 4.11SSPaNFbP4 1dAIK4I 214dA 21LnafAFK2/LEINFK4/20d 15 （5-10） 式中 L活塞桿計算長度（m） K活塞桿橫截面回轉半徑， I活塞桿橫截面慣性矩， 空心活塞桿內徑直徑（m）；0d 活塞桿截面積；1A 系數(shù)；n 材料彈性模量，對鋼取 ；EPaE10.2 材 料 強 度 實 驗 值 ， 對 鋼 取 ；f f749 系 數(shù) ， 對 鋼 取a50/1a 5.1.3缸筒壁厚的選擇 由于缸筒直接承受壓力，所以要有一定的厚度。由于一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比 ，所以通?？梢园幢”谕补接嬎?（5-11） 式中 氣缸筒的壁厚（m）； 氣缸筒內徑（缸徑）（m）； 氣缸試驗壓力，一般取 氣缸工作壓力（Pa）； 缸筒材料許用應力（ Pa）； 材料抗拉強度（Pa）； 安全系數(shù)，一般取 常用缸筒材料有：鑄鐵HT150或HT200等，其 Q235A鋼管、20鋼管，其 鋁合金ZL3，其 ；45鋼，其 本氣缸選用45號缸, ，其 所以 )(4201dA 16 常用計算出的缸筒壁厚都相當薄，但考慮到機械加工，缸筒兩端要安裝缸蓋等需要，往 往將氣缸筒壁厚作適當加厚，且盡量選用標準內徑和壁厚的鋼管和鋁合金管。因加工等 原因選 =5 mm. 5.2 手臂整體結構圖 圖 5-2 手臂結構圖 520.3.610.9 17 第 6 章 機身的設計 6.1 設計時注意的問題 1.具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 2.運動要靈活，提升運動的導套長度要適宜。 3.結構布置要合理，便于維修。 6.2 機身的升降回轉運動 6.2.1 機身升降運動 圖 6-1 機身提升回轉結構圖 如圖 6-1 所示機身提升回轉機構圖。氣壓提升缸固定在回轉軸上，當升降缸上下兩 個室通過氣體時，提升缸的活塞做上下運動。由活塞桿帶動機身上部做升降運動。 其中 導向桿和軸承固定座共同構成升降導軌，使機身結構既能承受較大的軸向載荷又能具有 一定的抗傾覆性。其中旋轉運動用齒輪齒條擺動氣缸實現(xiàn)，當充入氣體時，齒輪齒條使 氣缸的直線運動轉化為旋轉運動。 18 6.2.2 機身回轉運動 實現(xiàn)身體運動的機體有多種形式，常用的有旋轉圓筒、齒輪傳動機構、鏈輪驅動機 制、杠桿機制等。本機器人采用齒輪齒條擺動氣缸機制，如圖 6.1 所示。 圖 6.1 齒輪齒條擺動氣缸 6.2.3 氣壓升降缸設計計算 1.機身升降運動驅動力的計算。 機身作垂直運動時，除了克服摩損力矩和慣性力之外，還必須克服機身運行工件的 重力，使得驅動力可被估算如下： （61） 式中, 表示各支承處的摩擦力（N）， ，f=0.16；F件 Ff件件 （6-2） G 表示機身運動部件及手臂工件的總重量（N）=490N； 所以有： 490.256.8GvFNgt總慣 NkF6.30718.21, 實 G慣回密摩 =+0.3F件件件件件 19 （6-3） 計算得： F=1228N 2.結構尺寸的確定。 缸內徑計算： （6-4） 取 D=50mm 根據(jù)強度要求，計算活塞桿直徑 d。 （6-5） d 取 20mm 在結構上，活塞桿內部裝有套筒，可以完成導向作用，同時可使活塞桿在升降運動 中運動平穩(wěn)，且獲得較大剛度。 (1)查表得：臂厚取 。m10 (2)聯(lián)接螺釘強度計算： 取螺釘數(shù)目 Z=4，工作載荷 （6-6） 則： 查手冊取 ，螺距 P=0.75，材料為 35 號鋼的內六角螺釘。16dm =+0.16.30.562.490FFGF件慣件 mFD4.59.0126374mF2.610.374 NZFQ9.764.301mFdQ8.310625.7941 5.8.63201.sn 20 6.2.4 氣壓擺動缸設計計算 1.機身回轉運動驅動力矩的計算 機身旋轉運動傳動力應按照驅動時所產生的慣力與旋轉工件的支承處的摩損力矩來 估算。如果軸承摩損力忽略不計，則 ，在計算時，為了簡單估算 可不=M+驅 慣 件 M件 考慮。直接計入旋轉筒效率中， 則 取 0.9 （68） （6-9） 式中， 表示角速度變化量（rad/s）；w 表示啟動過程時間，0.050.5s,取 ；t 0.1ts 代表手臂旋轉元件（包括工件）對旋轉軸的慣性力矩。0J 根據(jù)分析，如果手臂完全伸展，這時 達到高峰，估算此時回轉零件的重心到轉軸0J 線的距離為 =150mm,則 （6-10） （6-11） （6-12） （6-13） （6-14） （6-15） M=慣驅 0=Jwt慣 0 1.92M=J(1.250.8)5.6cwJtt慣 件件.6=.409慣驅 08.)4.6.(4412323）（工 件 Rm0c件15.522Jc2()7.38pdDM驅 21 2bdD3db2.回轉缸參數(shù)的計算。 （6-16） 式中：D 表示回轉缸內徑；d 表示轉軸直徑； p 表示回轉缸工作壓力； b 表示動片寬度。為減少動片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，當選擇可移動板的寬度（即氣缸寬度）時，可 選 擇這里 且 D=2d 對于活塞、導向套和油缸等的回轉慣性都必須做詳細估計，因為這些組件的體重較 大或回轉半徑較大，計算結果的總體影響也較大，對于小工件則可作為重點估計，其回 轉慣性、重心的轉動慣量可以忽略。 6.3 機身整體結構圖 圖 6-3 機身整體結構圖 28bpMDd驅 22 第 7 章 氣壓系統(tǒng)設計 7.1 氣壓系統(tǒng)簡介 機械手的驅動系統(tǒng)將空氣作為機械手運動的動力來源，將空氣通過壓縮機壓縮，壓 縮的氣體經過氣體凈化裝置通過管道和一些控制設備進入氣壓缸，通過氣體促進活塞桿 的運動，將氣體壓力轉化為機械能，完成機械手的運動，如使手指夾緊、手臂的伸縮以 及立柱的升降運動。機械手在運動過程中的摩擦阻力和將工件夾在手上所需的夾緊力與 氣體壓力和活塞桿的有效工作面積有關。氣壓缸的容積尺寸決定了各執(zhí)行機構的運動速 度。 7.2 氣壓系統(tǒng)方案設計 機器人設計為結構簡單、相對工作范圍較大的圓柱坐標形式，手臂的伸縮運動、立 柱的升降運動和回轉運動以及手爪的夾緊運動組成機器手臂的全部運動。 根據(jù)每個動作 設計所需的氣壓控制，由于手指開口小，工件質量小，所以使用小負載小直徑短行程的 方式夾緊氣壓缸控制；手臂只進行伸縮運動，所以采用普通標準的活塞氣壓缸即可；由 于機身旋轉驅動臂工作載荷大沖程大，所以采用大負載擺動氣壓缸，以同樣的方式完成 機器人升降機氣壓缸的設計，所以使用大負載大直徑雙向氣壓缸。 7.3 氣壓系統(tǒng)的控制回路設計 圖 7.3 氣壓系統(tǒng)控制回路圖 23 第 8 章 機械手 PLC 控制系統(tǒng)設計 為了提高機械手的適用性、靈活性和準確性，采用可編程序控制器(PLC）對機械手 進行點位控制。當機械手的工作步序、動作流程改變時，只需重新設計 PLC 程序并進行 指令語句的輸入更新，機械手便可按照新的預設軌跡運動，方便快捷。 8.1 機械手的工藝過程 機械手具有三個自由度，它的動作分別是水平手臂的伸縮、立柱垂直缸的升降、執(zhí) 行手爪的加緊與松開以及腰部的旋轉。機械手的所有動作均采用氣壓驅動方式驅動，通 過電磁閥控制氣缸，使機械手完成水平方向的伸縮、垂直方向上的升降、正反旋轉以及 機械手夾緊、松開的動作。因此選擇 PLC 的八個輸入端及其對應的輸出端與電磁閥的 8 個線圈相連，通過對動作過程的編程設計，使電磁閥各線圈能夠按一定序列激勵，使機 械手完成相對應的動作，實現(xiàn)機械手能夠按照預定軌跡工作的目的.如下降電磁閥通電， 機械手下降；下降電磁閥斷電，機械手下降停止，在機械手運動過程中，其他電磁閥同 理，只有電磁閥通電，才能實現(xiàn)相應動作，電磁閥斷電，相應動作即停止。如果改變工 作步序，導致機械手的動作流程發(fā)生改變，只要重新輸入新的指令程序語句，機械手就 能按照新的軌跡運動。同時為了確保各動作到位，在伸出、收縮、上升、下降、正轉、 反轉六個動作末端均放置一限位開關，如果某動作沒有到位，則下一動作不能正常完成， 加工停止。 為了更好的滿足生產要求，結合生產實際，同時便于學生對每一工步的理解，機械 手設置了手動工作和自動工作兩種工作模式，其中自動工作方式又分為單一操作、單周 期操作和連續(xù)操作三種工作方式。 1） 手動工作方式：人通過對要進行的功能進行選擇，實現(xiàn)對機械手每一步動作的 控制。例如，按下“下降” 按鈕，機械手下降；按下“上升”按鈕，機械手上升。手動 操作可用于調整工作位置，方便學生清晰理解每一個加工動作。 2） 單一工作方式：從原點開始，機械手按照設定好的自動工作的步序工作，每按 一次啟動按鈕，機械手完成一步動作，動作完成后自動停止。單一工作方式可用于教學 時，老師對加工過程進行逐步操作，方便講解和學生的理解。 3） 單周期工作方式： 每 次 啟 動 ， 機 械 手 完 成 一 個 執(zhí) 行 周 期 ， 即機械手將從原點出發(fā)，按照 設定好的工作步序自動完成一個工作周期 ，動作完成后機械手仍返回原點。 24 4） 連續(xù)工作方式： 按下啟動按鈕 ， 機 械 手 將 持 續(xù) 工 作 ， 即 機械手從原點 開 始 按照設 定的工作步序自動工作，循環(huán)執(zhí)行工作周期，按下停止按鈕后，機械手在完成最后一個 工作周期的動作后停止運動，回到原點。 控 制 面 板 設 計 圖 如 圖 8-1 所 示 。 圖 8-1 控制面板 8.2 機械手工作流程 圖 8-2 設 計 布 局 圖 25 圖 8-3 機 械 手 工 作 流 程 圖 上料過程：從原點開始，按下啟動按鈕，水平氣缸伸出，碰到前限位開關后，前伸 停止 下降電磁閥通電，手爪夾緊缸電磁閥通電，機械手下降，同時手爪張開，下降 到位后碰到下限位開關，下降電磁閥斷電，下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件 上 升電磁閥通電，機械手上升，時間繼電器通電，使機械手保持夾緊狀態(tài)，上升到位后， 碰到上限位開關，上升停止 收縮電磁閥通電，機械手水平手臂開始后縮，當后縮到 位，碰到后限位開關時，后縮停止 回轉缸驅動立柱順時針轉動90度，碰到限位開關 后，機械手停止轉動 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開 關，下降電磁閥斷電，下降停 機械手開始水平定位前伸，將工件裝入機床卡盤，當 工件裝入到位后，卡盤收緊，時間繼電器斷電，夾緊狀態(tài)保持結束，機械手松開手爪， 準備離開 后縮電磁閥通電，機械手開始后縮，后縮到位后，碰到后限位開關，后縮 電磁閥斷電，后縮停止 機械手停止轉動，上料過程結束，等待機床進行加工。 下料過程：機床加工完工件時，PLC輸出脈沖驅動機械手前伸 下降電磁閥通電， 同時手爪夾緊缸松開電磁閥通電，時間繼電器通電，使機械手保持張開狀態(tài) 機械手 下降到位后碰到下限位開關，下降停止，夾緊電磁閥通電，時間繼電器通電，使手爪夾 26 緊已加工好的工件并保持，機床卡盤松開，機械手將工件從機床上取出，準備運走 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，上升電磁閥斷電，上升停止 接著 機械手水平手臂開始后縮，當后縮到位時，后縮停止 回轉缸驅動立柱順時針轉動90 度到位后，機械手停止轉動 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，下降停止 手爪夾緊缸松開電磁閥通電，時間繼電器斷電，手爪張開，放下工件準備離開 上 升電磁閥通電，機械手上升碰到上限位開關，上升停止同時手爪也閉合復原 回轉缸 驅動立柱逆時針轉動180度到位后，機械手回到原點，停止轉動，下料過程結束。 每一個上下料過程結束后，機械手都在原點等待命令，準備進行下一個工作循環(huán)。 8.3 PLC控制系統(tǒng)程序設計 8.3.1 機械手動作順序表 圖 8-4 機械手動作順序表 27 8.3.2 現(xiàn)場器件與 PLC內部繼電器對照表 ，如圖所示。 圖 8-5 現(xiàn)場器件與PLC內部繼電器對照表 8.3.3 PLC接線圖 圖 8-6 PLC接線圖 28 8.4.4梯形圖 29 圖 8-7 梯形圖 30 8.4.5 指令程序表 圖 8-8 指令程序表 31 結論 通過畢業(yè)設計，我了解了許多機械手方面的知識，也了解到國內外目前在這方面的 發(fā)展趨勢和前景，通過對機械手基本結構的設計、驅動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的設計，又重 新鞏固、梳理了相關的專業(yè)知識，通過這次設計，能夠熟練使用 CATIA、CAD 等繪圖軟件， 并且對氣壓傳動和可編程控制的知識有了更深入的了解，為未來的工作奠定了一定的基 礎，在設計過程中，我也認識到自身的不足，最突出的是專業(yè)知識的匱乏和知識掌握不 扎實，這也為我指出了日后努力的方向。 1.本次設計的是上下料的氣動機械手設計，能夠實現(xiàn)整個加工過程即上料加工 下料的自動化。動作固定，成本低，專用性比較高。 2.本次設計是在數(shù)控車床和加工中心基礎上而設計的一種示教型機械手，為了方便 學生觀察和理解，所以結構簡單，易于拆裝、組合，同時通過驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設 計，可以對加工過程進行模擬，可以逐步操作也可以連續(xù)控制，靈活度高，適用性強。 我的設計還有許多不足的地方，請老師多多指教！ 32 謝辭 畢業(yè)設計是大學學習的最后一個至關重要的環(huán)節(jié)，幾乎涵蓋了整個四年所學的知識， 經過幾個月的緊張準備，也即將完成。在此次畢業(yè)設計中，不但檢驗了我在大學期間的 學習成果，也讓我重新梳