多用途气动机器人设计.docx

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多用途气动机器人设计

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；尤其在咼温、咼压、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

李源极为方便，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。

（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

1.2.2课题的设计要求

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，它的适用面相对较广。

（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、控制系统以及位置检测装置等所组成。

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取物件，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。

1机按平爪部

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L

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置，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。

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

1.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。

2.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。

3.用途：

用于自动输送线的上下料。

4.

5kg

个自由度圆柱座标1400mm1250mm

设计技术参数：

1、抓重

2、自由度数4

3、座标型式

4、最大工作半径

5、手臂最大中心高

6、手臂运动参数

伸缩行程1200mm

伸缩速度400mm/s

升降行程120mm

升降速度250mm/s

回转范围0180

回转速度90/s

7、手腕运动参数

回转范围0180

回转速度90/s

8、手指夹持范围

棒料：

80mm150mm

9、定位方式

行程开关或可调机械挡块等

10、定位精度

1mm

、驱动方式

气压传动

12、控制方式

点位程序控制（采用PLC）

11

8

E

图2-3机械手的工作范围

第三章手部结构设计

3.1夹持式手部结构

夹持式手部结构由手指（或手爪）和传力机构所组成。

其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

3.1.1手指的形状和分类

夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式：

按手指夹持工件的部位又可分为内卡式（或内涨式）和外夹式两种：

按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型（或称直进型），其中以二支点回转型为基本型式。

当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支

点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。

回转型手指开闭角较小，结构简单,制造容易，应用广泛。

移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。

3.1.2设计时考虑的几个问题

（一）具有足够的握力（即夹紧力）

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。

（二）手指间应具有一定的开闭角

两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。

手指的开闭角应保证

工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。

对于移动型手指只有开闭幅度的要求。

（三）保证工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。

例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。

（四）具有足够的强度和刚度

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。

（五）考虑被抓取对象的要求

根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点，两指回转

型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。

3.1.3手部夹紧气缸的设计

1、手部驱动力计算

本课题气动机械手的手部结构如图3-1所示：

—131

图3-1齿轮齿条式手部

其工件重量G=5公斤,

（1）根据手部结构的传动示意图，其驱动力为

2bN

（2）根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式

N0.5tg（）

0.55tg（60542'）

25（N）

所以

2bN

R

245（N）

（3）实际驱动力：

K1K2

P实际P—

1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取0.94，并取Ki1.5。

若被抓取工件的最大加速

度取a3g时，则：

心1旦4

g

154

所以p实际245上-1563（N）

0.94

所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N

2、气缸的直径

本气缸属于单向作用气缸。

根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为：

D2P

F1FtFz

4

式中：

F1-活塞杆上的推力，N

Ft-弹簧反作用力，N

Fz-气缸工作时的总阻力，N

P-气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算：

FtGf（1s）

Gf

Gf=

Gd14

D13n

4

Gd1

3~

8D1n

式中：

Gf-弹簧刚度，N/m

1-弹簧预压缩量，m

s-活塞行程，m

d1-弹簧钢丝直径，m

D1-弹簧平均直径，•n-弹簧有效圈数.

G-弹簧材料剪切模量，一般取G79.4109Pa在设计中，必须考虑负载率的影响，则：

由以上分析得单向作用气缸的直径

4（FiFt）

P

代入有关数据，可得

Gdi479.4109（3.5103）

8D13n8（30103）315

3677.46（N/m）

FtGf（1s）

3677.466010

220.6（N）

所以：

D

4（F1Ft）4（490220.6）

丫pnV0.5106

65.23（mm）

查有关手册圆整，得D65mm

由d/D0.20.3,可得活塞杆直径：

d（0.20.3）D1319.5mm

圆整后，取活塞杆直径d18mm校核，按公式F1/（/4d2）[]

有：

d（4F1/[]）0.5

其中，[]120MPa，F1750N

则：

d（4490/120）0.5

2.2818

满足实际设计要求。

3、缸筒壁厚的设计

缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。

一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算：

DPp/2[]

式中:

6-缸筒壁厚，mm

D-气缸内径，mm

Pp-实验压力，取Pp1.5P,Pa

材料为:

ZL3,[]=3MPa

代入己知数据，则壁厚为：

DPp/2[]

656105/（23106）

6.5（mm）

取7.5mm，则缸筒外径为：

D1657.5280（mm）

第四章手腕结构设计

4.1手腕的自由度

手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。

手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺

要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。

由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕X轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转

运动的机构，应用最多的为回转油（气）缸，因此我们选用回转气缸。

它的结构紧凑，但回转角度小于360，并且要求严格的密封。

4.2手腕的驱动力矩的计算

4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩

手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩图4-1所示为手腕受力的示意图。

1.工件2.手部3.手腕

图4-1手碗回转时受力状态

手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算：

M驱M惯M偏M摩M封

式中：

M驱-驱动手腕转动的驱动力矩（Ncm）;

M惯-惯性力矩（Ncm）;

M偏-参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸的动片）对转动轴线所产

生的偏重力矩（Ncm）.

矩（Ncm）;

下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算：

1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦

若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为t，则:

M惯（JJJ-（N.cm）

式中：

J-参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量（N-cm-s2）;

Ji-工件对手腕转动轴线的转动惯量（N.cm.s2）。

若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量Ji为：

Ji

Jc色ei2

g

式中：

Jc-工件对过重心轴线的转动惯量（N.cm.s2）:

Gi-工件的重量（N）;

e-工件的重心到转动轴线的偏心距（cm）,

-手腕转动时的角速度（弧度/s）;

t-起动过程所需的时间（s）;

—起动过程所转过的角度（弧度）。

2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M扁

M偏Ge+G3Q（Ncm）

式中：

G3-手腕转动件的重量（N）;

e3-手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距（cm）

当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G1e10.

3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封

M封（RAd2RBd1）（Ncm）

式中：

di,d2-转动轴的轴颈直径（cm）;

f-摩擦系数，对于滚动轴承f0.01，对于滑动轴承f0.1；Ra,Rb-处的支承反力（N），可按手腕转动轴的受力分析求解，根据Ma（F）0,得：

Rb1G3I3G2I2Gil

同理，根据Mb（F）0,得:

Ra

Gi（lli）G2（lI2）G3UI3）

式中：

G2-的重量（N）

I,Ii,I2,I3,—如图4-i所示的长度尺寸（cm）.

4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类

型有关，应根据具体情况加以分析。

4.2.2回转气缸的驱动力矩计算

在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-2所示，

定片i与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。

动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。

反之，输出轴作顺时针方向回转。

单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为：

2M

22

b（Rr）

pb（Rr2）

Fipr4-3SketchofRotatingGasVat

式中；M——回轻社缸的呃动力Mi（N-cm）*

p——四转气缸的工柞压力（N

R—*1体内摊半径Wmh

I補出柚华径（c[n>：

若慨

b——片宽度（cm）,

上述刪动力便和压力的关系式足对于低压辭背库为塞的情况卜•而百的.

压胶白一定的背压，则上式中的P应代以工作压力pl埠背压R之蹩*

423手腕回转缸的尺寸及其校核

1.尺寸设计

26mmD2=26mm,

0.4MPa,

气缸长度设计为b100mm,气缸内径为D1=96mm半径R48mm,轴径D2

半径R13mm,气缸运行角速度=90/s，加速度时间t=0.1s,压强P

则力矩:

pb（R2r2）

2

0.41060.1（0.04820.0262）

2

32.6（N.m）

2.尺寸校核

（1）测定参与手腕转动的部件的质量mi10kg,分析部件的质量分布情况,

质量密度等效分布在一个半径r

50mm的圆盘上，那么转动惯量:

2

mir

J—

2

2

100.05

2

0.0125（kg.m2）

工件的质量为5kg,质量分布于长I100mm的棒料上，那么转动惯量:

ml

12

0.1

12

2

0.0042（kg.m）

假如工件中心与转动轴线不重合,

对于长I100mm的棒料来说，最大偏心距

e50mm，其转动惯量为

JJcge]20.004250.0520.0167（kg.m2）

M惯（JJJ—t

（0.01250.0167）90

0.1

26.3（N.m）

（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心

与转动轴线重合，00，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线e50mm,贝U:

M偏G©+G3e3

101005100.05

2.5（N.m）

（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承f0.01，对于滑动轴承f=0.1,d1,d2为手腕转动轴的轴颈直径，d130mm,d?

20mm,Ra,Rb为轴颈处的支承反力，粗略估计Ra300N,