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This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis current This paper mainly use at the transporting of circular good material that quality is short to 10KG. The different fingernail finger was Choice for transporting the good material that diameter is 50 to 100mm. Under controller function the robot move the components from one assembly line to other assembly line and turn over it in space, perform relatively simple takes. Keywords: three degrees of freedom; robot; transporting; industrial robot 目 錄 1 緒論 ..................................................................................1 壓縮包內含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 1.1 自動抓取機構的概述 ...............................................................1 1.1.1 自動抓取機構的簡介 .........................................................1 1.1.2 自動抓取機構的類型 .........................................................1 1.2 氣動自動抓取機構的發(fā)展 ...........................................................2 1.3 自動抓取機構的主要工作 ...........................................................2 2 自動抓取機構的工作過程及其控制要求 ....................................................2 2.1 自動抓取機構的基本結構 ...........................................................2 2.2 自動抓取機構的控制要求 ...........................................................3 3 自動抓取機構的方案設計及其主要參數 ....................................................4 3.1 自動抓取機構主要類型和自由度選擇 .................................................4 3.2 自動抓取機構的驅動方案設計 .......................................................4 3.3 自動抓取機構的控制方案設計 .......................................................5 3.4 自動抓取機構的技術參數 ...........................................................5 4 自動抓取機構設計 ......................................................................6 4.1 自動抓取機構手部結構的設計 .......................................................6 4.1.1 手指的形狀和分類 ...........................................................6 4.1.2 設計時考慮的幾個問題 .......................................................7 4.1.3 手部夾緊氣缸的設計 .........................................................8 4.2 自動抓取機構手腕結構的設計 .....................................................11 4.2.1 手腕的自由度 ..............................................................11 4.2.2 手腕轉動時所輸的驅動力矩 ..................................................11 4.2.3 回轉氣缸的驅動力矩計算 ....................................................13 4.3 自動抓取機構手臂結構的設計 .....................................................14 4.3.1 手臂伸縮驅動力的計算 ......................................................14 4.3.2 手臂伸縮氣缸的設計 ........................................................15 4.3.3 手臂伸縮氣缸缸徑的確定 ....................................................18 4.3.4 手臂伸縮氣缸型號的選擇 ....................................................18 設計小結 ...............................................................................20 參考文獻 ...............................................................................21 畢業(yè)設計 1 1 緒論 1.1 自動抓取機構的概述 1.1.1自動抓取機構的簡介 自動抓取機構是模仿人手的動作，按照給定程序、軌跡和要求能實現自動抓取、搬 運的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的自動抓取機構叫做“工業(yè)自動抓取機構”。在 實際生產中，應用自動抓取機構可以提高生產的自動化水平和勞動生產率，可以減輕勞 動強度、保證產品質量、實現安全生產。尤其在惡劣的環(huán)境下代替人進行工作，意義非 常重大。隨著科學技術的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機械加工、沖壓、鍛、 鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等領域得到了越來越廣 泛的應用。 1.1.2 自動抓取機構的類型 工業(yè)自動抓取機構的結構形式主要有四種分別介紹如下： (1).直角坐標自動抓取機構結構特點 直角坐標自動抓取機構的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的，如圖 1- 1.a。 （2）.圓柱坐標自動抓取機構結構特點 圓柱坐標自動抓取機構的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的，如 圖 1-1.b。 （3）.球坐標自動抓取機構結構特點 球坐標自動抓取機構的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的，如圖 1-1.c。 （4）.關節(jié)型自動抓取機構結構特點 關節(jié)型自動抓取機構的空間運動是由三個回轉運動實現的，如圖 1-1.d。 畢業(yè)設計 2 圖 1-1 四種機器人坐標形式 1.2 氣動自動抓取機構的發(fā)展 氣動技術被譽為工業(yè)自動化之“肌肉”的傳動與控制技術，在制造領域越來越受到 重視，并且得到了廣泛應用。目前，隨著通信技術、微電子技術和自動化控制技術的發(fā) 展，氣動技術也在創(chuàng)新，以實際應用為目標，取得了空前的的發(fā)展。另一方面，氣動技 術作為“廉價的自動化技術”，因其元器件性能的提高，生產成本的降低，被廣泛應用 于現代工業(yè)生產領域。在現代化的成套設備與自動化生產線上，幾乎都配有氣動系統(tǒng)。 1.3 自動抓取機構的主要工作 分析三個自由度的功能和作業(yè)任務，確定自動抓取機構的結構形式，進行自動抓取 機構各關節(jié)的結構設計，進行三維裝配圖的建模，關鍵零部件設計計算。 2 自動抓取機構的工作過程及其控制要求 2.1 自動抓取機構的基本結構 本設計中的自動抓取機構采用上下升降加平面轉動式結構，自動抓取機構的動作由 氣動缸驅動，氣動缸由相應的電磁閥來控制，電磁閥由 PLC 控制驅動執(zhí)行元件完成，能 十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產線中。圖 2-1 為自動抓取機構簡圖,其中 1-執(zhí)行氣爪， 2-水平伸縮氣缸，3-旋轉軸，4-豎直氣缸，5-底座，6-工件。 畢業(yè)設計 3 圖 2-1 自動抓取機構簡圖 根據分析可得出自動抓取機構的工作流程圖，如圖 2-2 所示。 原位 下降 夾緊 上升 右移 停止 左移 上升 松開 下降 下限延時上限左限 啟 動 右 限 圖 2-2 自動抓取機構工作流程圖 可見，實現要求功能需要如下條件： (1)底座與橫梁之間需要旋旋轉氣缸，旋轉氣缸有葉片式和齒輪齒條式。 齒輪齒條 式，是由齒輪和齒條嚙合組成，氣壓推動齒條做直線運動，齒條與齒輪嚙合，齒條的運 動會形成齒輪的轉動。 (2)橫梁在普通情況下長度是固定的，如果工作臺不進行調整，橫梁長度可永遠不變。 由于課題任務要求手臂可以伸出縮短，本設計中在橫梁上安裝了執(zhí)行氣缸，可使用手動 按鈕調整橫梁長度。 (3)豎直方向上是頻率較高上下工作的機構，故選用執(zhí)行氣缸，其經濟、環(huán)保、噪音 低，同時符合課題要求。 (4)抓緊機構也可選用氣動執(zhí)行爪和執(zhí)行氣缸并用組成氣動執(zhí)行模塊。 2.2 自動抓取機構的控制要求 （1）自動抓取機構的自動運行： ① 下降：當自動抓取機構檢測到傳送帶 A 上有工件時，原點位置開始下降，下降到 畢業(yè)設計 4 位時，當碰到下極限開關，自動抓取機構停止下降，于此同時接通加緊電磁閥線圈。 ② 加緊工件：當自動抓取機構加緊到位時，壓力繼電器動合觸電閉合，接通上升電 磁閥線圈。 ③ 上升：當自動抓取機構夾緊到位時，自動抓取機構開始上升，上升到位時，碰到 上極限開關，自動抓取機構停止上升，同時接通右移電磁閥線圈。 ④ 右移：當自動抓取機構上升到位時，自動抓取機構開始右移，右移到位時，碰到 有極限開關，自動抓取機構停止右移同時接通下降電磁閥線圈。 ⑤ 下降：當自動抓取機構右移到位時，自動抓取機構重新開始下降，下降到位時， 碰到下極限開關，自動抓取機構停止下降，于此同時釋放加緊電磁閥線圈。 ⑥ 放松工件：放松動作為時間控制，設為 2 秒。 ⑦ 上升：工件放松后，自動抓取機構開始上升，上升到位時，碰到上極限開關，自 動抓取機構停止上升，同時接通左移電磁閥線圈。 ⑧ 左移：自動抓取機構上升到位后，開始左移，左移到位時，碰到左極限開關，自 動抓取機構停止左移。 ⑨ 回到原位：自動抓取機構左移到位后，回到原點位置，再次自動啟動傳送帶 A， 當光電開關檢測到工件后，開始又一次工作周期。 自動抓取機構的手動運行 （2）手動運行是指自動抓取機構的上升、下降、左移、右移及夾緊操作通過對應的 手動操作按鈕控制，與操作順序無關。 3 自動抓取機構的方案設計及其主要參數 3.1自動抓取機構的主要類型和自由度選擇 手臂的機構基本上決定了工作空間范圍，按自動抓取機構手臂運動的不同運動的坐 標形式和形態(tài)來進行分類，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。 因為自動抓取機構在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，在操作機中主動關 節(jié)的數目應等于操作機的自由度，因此，采用圓柱座標型式，相應的自動抓取機構具有 三個自由。 畢業(yè)設計 5 3.2 自動抓取機構的驅動方案設計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的反應靈敏，動作迅速，阻力損失和泄漏較小，成本低廉所以該 自動抓取機構采用氣壓傳動方式。 3.3 自動抓取機構的控制方案設計 當改變自動抓取機構的動作流程時，只需改變PLC控制程序即可，方便快捷。 圖 3-1 送料自動抓取機構的工作示意圖 3.4 自動抓取機構的技術參數 一、用途: 用于 100 噸以上沖床上下料。 二、設計技術參數: 1、抓重 10 公斤 (夾持式手部) 2、自由度數 3 個自由度 3、座標型式 圓柱座標 4、最大工作半徑 1500mm 5、手臂最大高 畢業(yè)設計 6 1188mm 6、手臂運動參數 伸縮行程 150mm 伸縮速度 500mm/s 升降行程 170mm 升降速度 50mm/s 回轉范圍 0°～ 240° 回轉速度 40°/s 7、手腕運動參數 回轉范圍 士 115° 回轉速度 180°/s 8、手指夾持范圍 棒料 : 50～100mm 9、定位方式 行程 開 關 或可調機械擋塊等 10 定位精度 士 0.5mm l1、緩沖方式 液壓緩沖器 12、驅動方式 氣壓傳 動 13、控制方式 點位程序控制(采用 PLC) 4 自動抓取機構設計 4.1 自動抓取機構手部結構的設計 為了使自動抓取機構的通用性更強，把自動抓取機構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。 4.1.1 手指的形狀和分類 最常見的一種是夾持式，常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件 的部位又可分為外夾式和內卡式兩種: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?yōu)橐恢c回轉型手指;同理，當二支 畢業(yè)設計 7 點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構 簡單，應用廣泛，制造容易。移動型應用少，而且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，從而能可以夾持不同直徑的工件。 4.1.2 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生的 慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 (二)手指間應具有一定的開閉角 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，還受到自動抓取機構在運動過程中所產生的 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。 (五)考慮被抓取對象的要求 根據自動抓取機構的工作需要，通過比較，我們采用的自動抓取機構的手部結構是 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. 4.1.3 手部夾緊氣缸的設計 1、手部驅動力計算 本課題氣動自動抓取機構的手部結構如圖 4-1 所示，其工件重量 G=10 公斤，“V”形 手指的角度 2 =120°，b=120mm， R=24mm,摩擦系數為 f=0.10。? 畢業(yè)設計 8 圖 4-1 齒輪齒條式手部 (1)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為: NR2bP? (2)根據手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: ???NtgGtgN50426015.0)(5.0`???????? 所以： =490（N）R2bP? (3)實際驅動力: ?21K?實 際 因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取 =0.94 ，并取 =1.5.1 若被抓取工件的最大加速度取 a=g 時，則: 212??gaK 所以： ??NP156394.0??實 際 故夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為 1563N。 2、氣缸的直徑 畢業(yè)設計 9 本氣缸是單向作用氣缸 ，其公式為: ztFpDF??4 21? 式中: ——活塞桿上的推力，N1F ——彈簧反作用力， Nt ——氣缸工作時的總阻力，Nz P——氣缸工作 壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: ??SlCFft?? nDGdf31 48 2t?? 式中: —— 彈簧剛度，N/mfC L—— 彈簧預壓縮量，m S——活塞行程，m d ——彈簧鋼絲直徑，m1 D ——彈簧平均直徑，mt D ——彈 簧外徑， m2 n —— 彈 簧 有效 圈數 G—— 彈簧 材料剪切模量，一般取 G=79.4X 1 護 Pa 在設計中，必須考慮負載率幾的影響，則: tFpD??4 21?? 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: ??p t????????1 代入有關數據，可得： nDGdCf31 48 ??????mN/46.715038/105.9 43????? SlCFft? 畢業(yè)設計 10 N6.20137 3??? 所以： ??p FDt????????14 ??????m23.654.015./6.09 2/16?? 查有關手冊圓整，得 D=65 mm 由 d/D=O.2～0.3， 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 ?????24/dFt 有: ??/1td? 其中 =120MPa, F =750N???t 則:d (4 490/ 120)?2/ =2.28 18? 滿足設計要求。 3、缸筒壁厚的設計 缸筒必須要有一定厚度，其壁厚可按薄壁筒公式計算: ????2/pDP? 式中: 6—— 缸筒壁厚 mm D——氣缸內徑 ，咖 P ——實驗壓力，取 P =1.5P Pap pt 材料為 : ZL3,[ ] =3MPa? 代入己知數據，則壁厚為: ???2/p? = ??36510106??? =6.5 mm 取 =7.5 mm，則缸筒外徑為:D=65+7.5 2 =80 mm。? 畢業(yè)設計 11 4.2 自動抓取機構手腕結構的設計 4.2.1 手腕的自由度 手腕自由度的選用與自動抓取機構的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位 精度等許多因素有關。由于本自動抓取機構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。其 結構緊湊，但回轉角度小于 360 度，并要求嚴格的密封。 4.2.2 手腕轉動時所輸的驅動力矩 手腕的回轉、左右和上下擺動都是回轉運動.圖 4-2 所示為手腕受力的示意圖。 1.工件 2.手部 3.手腕 圖 4-2 手碗回轉時受力狀態(tài) 手腕轉動時所需的驅動力矩可以按照下面的公式計算: M = M + M + M +M cm (4-1)驅 慣 偏 摩 封 式中 : M ——驅動手腕轉動的驅動力矩(Kg﹒cm);驅 M —— 慣性力矩(Kg﹒cm);慣 M —— 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 偏 畢業(yè)設計 12 動 軸線所產生的偏重力矩 (Kg﹒cm),. M —— 手腕轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(Kg﹒cm);摩 M —— 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封 (Kg﹒cm ); 如圖 4-1 所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算: 1、手腕加速運動時產生的慣性力矩 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: M = (N.cm)慣 ??tJ???1 若手腕轉動時的角速度為 ，起動過程所轉過的角度為△ ，則:? M = (N.cm)慣 ???21J 式中: J——參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量(N·cm·s );2 J ——工件對手腕轉動軸線的轉動慣量(N·cm·s );。1 2 若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量 J ,為:1211egGJ?? J ——工件對過重心軸線的轉動慣量(N·cm·s );g 2 G ——工件的重量(N);1 ——工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm)-,e ——手腕轉動時的角速度(弧度/s);? ——起動過程所需的時間(S);t? ——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生的偏重力矩 M偏 M =偏 31eG? 式中 : G ——手腕轉動件的重量(N);3 e ——手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距(cm). 當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則 =0 .1eG 3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M摩 M =摩 ??12dRfBA? 式中: d 、d ——手腕轉動軸的軸頸直徑 (cm);12 f——軸承摩擦系數，對于滾動軸承 f=0.01 ，對于滑動軸承 f=0.1; R 、 R ——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AB 得:????0FmA R l+G l =G l + G l321 畢業(yè)設計 13 同理，根據 得:????0FmB R =AllG321?? 式中: G ——手部的重量 (N)2 1、1 、l 、 l ——如圖 4-1 所示的長度尺寸(cm).23 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 ，與選用封 的密襯裝置的類型有關，應根據具體情況加以分析。 4.2.3 回轉氣缸的驅動力矩計算 在自動抓取機構的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉氣缸，它的二理如 圖 4-3 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 4 回轉，則低壓腔的氣從 b 孔排出。 反之同理。單葉 J 氣缸的壓力 p 和驅動力矩 M 的關系為: （4-9）??2rRbM?? 或： 2rp 圖 4-3 回轉氣缸簡圖 畢業(yè)設計 14 式中: M- 回轉氣缸的驅動力矩(N﹒cm); P- 回轉氣缸的工作壓力(N﹒cm); R- 缸體內壁半徑(cm); r- 輸出軸半徑(cm); b— 動片寬度 (cm). 4.3 自動抓取機構手臂結構的設計 4.3.1 手臂伸縮驅動力的計算 手臂作水平伸縮時所需的驅動力: 圖4-4手嘴伸出時的受力狀態(tài) 圖 4-4 所示為活塞氣缸驅動手臂前伸時的示意圖。驅動力計算公式為: P 驅 = P 慣 + P 摩 + P 密 + P 背 N （5-1） 式中:P 慣 ——手伶在起動過程中的慣性力(N); P 摩 ——摩擦阻力(包括導向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N); P 密 ——密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻力不同 。 P 背 ——氣缸非工作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與 油箱或大氣相連時，則 P 背 =0 。 畢業(yè)設計 15 4.3.2 手臂伸縮氣缸的設計 1．驅動力計算 根據手臂伸縮運動的驅動力公式:F=F f + tm?? 其中，由于手臂運動從靜止開始，所以△v=v, 設計氣缸材料為 ZL3，活塞材料為 45 鋼，查詢手冊可知 f=0.17.質量計算:手臂伸縮 部分主要由手臂回轉氣缸、手臂伸縮氣缸、手臂伸縮用液壓緩沖器、夾緊氣缸、手爪及 相關的固定元件組成。氣缸為標準氣缸，根據氣動元件廠的《產品樣本》可估其質量， 同時測量設計的相關尺寸，從而得知伸縮部分夾緊物體時它的質量為 70kg，放松物件后 它的質量為 55kg.接觸面積為:S=O.5m 2 則上料時： ??NFf 350.170?? F=F + ftm?? = 05.6353?? =1540（N） 下料時： ??Ff 27.10?? F=F + ftm?? = 05./165273?? =935(N) 考慮安全因素，應乘以安全系數K=1.2 則上料時: F=1540 1.2=1850 (N)? 下料時: F=935 1.2=1120 (N) 2、氣缸的直徑 根據雙作用氣缸的計算公式: 41??DpF? ?? 22d? 其中: F ——活塞桿伸出時的推力，N1 F ——活塞桿縮入時的拉力2 d——活塞直徑，mm P——氣缸工作壓力，Pa 代入有關數據，得: 當推力做功時: 畢業(yè)設計 16 ??pFD14? = ?? 2/134.0580???????? =108.5(mm) 當拉力做功時: D=(1.01～1.09)(4F /2??2/1??p =(1.01～1.09) ?2/154.04?? =92.12(mm) 圓整后，取 D=100mm 3、活塞桿直徑的計算 根據設計要求,此活塞桿為空心活塞桿，目的是桿內將裝有 3 根伸縮氣管。因此，活 塞桿內徑要盡可能大，假設取 d=70mm, d =56mm.0 校核如下:(按縱向彎曲極限力計算) 氣缸承受縱向推力達到極限力 F 以后，活塞桿會產生軸向彎曲，出現不穩(wěn)定現象。k 因此，必須使推力負載(氣缸工作負載 F 與工作總阻力 F 之和)小于極限力 F 。1z k 有關公式為: 式中: L——活塞桿計算長度，m K——活塞桿橫截面回轉半徑，空心桿 ，m4 20dK?? d ——空心活塞桿內孔直徑，m0 A ——活塞桿橫截面面積，空心桿 ，m1 ??6 401A??2 f——材料強度實驗值，對鋼取f=2.1 10 Pa?7 a——系數，對鋼a=1/5000 21????????kLnafAFK 畢業(yè)設計 17 代入有關數據，得: 21????????kLnafAFK = ??????4/1056107/305/149 232337 ???????? =573(KN) 推力負載為: PDFzf 24?? 代入有關數據，得: =zf???236104.0??? =3142(N) <
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