搬運機器人結構設計

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1、搬運機器人結構設計 優(yōu)秀設計 4-DOF搬運機器人的結構設計 學生姓名: 班級: 指導老師: 摘要:在當今大規(guī)模制造業(yè)中,企業(yè)為提高生產效率,保障產品質量,工業(yè)機器人作為自動化生產線上的重要成員,逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平。目前,工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作。 本文研究了國內外機械手發(fā)展的現狀,通過學習機械手的工作原理,熟悉了搬運機器人的運動機理。在此基礎上,確定了四自由度搬運機器

2、人的基本系統(tǒng)結構,對搬運機器人的結構進行了簡單的強度計算,完成了搬運機器人機械方面的設計(包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅動部分)和簡單的三維實體造型工作。本設計為四自由度圓柱坐標型工業(yè)機器人,其工作方向為兩個直線方向、一個旋轉方向和一個氣爪運動。機器人的機械結構主要包括由三個電磁閥控制的氣缸來實現機器人的上升下降運動及夾緊工件的動作,一個步進電機控制機器人的正反轉。 在控制器的作用下,搬運機器人執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡單的動作。設計的搬運機器人運用于自動化生產線,實現自動化生產,減輕產業(yè)工人大量的重復性勞動,同時又可以提高勞動生產率,本文是對整個設計工作較全面的介紹和總

3、結。 關鍵詞:搬運機器人,強度計算,結構設計 指導老師簽名: Structure designing of 4-DOF handling robot Student name: Class: Supervisor: Abstract:In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve productivity, and, guarantee product quality,

4、 as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked

5、 with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work. This paper studies the current situation of the development of mechanical hand, by studying the working principle of the robot, familiar with handling robot locomotion mechanismOn this basis, identified

6、 4-DOF of handling robot s basic system architecture , simple strength calculation was made on handling robot structure , finish handling robot mechanical design including transmission part, operative, driving part and simple 3D solid modeling work.This scheme introduced a cylindrical robot for fo

7、ur degree of freedom. It is composed of two linear axes ,one rotary axis and a pneumatic claw movement.The manipulator mechanical structure includes three solenoid valves controlled by air cylinder to achieve the increased decline in sports and workpiece clamping action, a stepper motor control mani

8、pulator positive inversion Controller only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. Designed of the handling robot used in automatic production line, realizing the automatic production, reduce industrial workers much repeti

9、tive work, also can improve labor productivity. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work. Keywords:Transfer robot, Strength calculation, Structure design Signature of Supervisor: 目 錄 摘 要 1 Abstract 2 目 錄 3 1 緒論 4 1.1搬運機器人概述 4 1.2搬運機械

10、人的應用簡況 6 1.3搬運機器人的應用意義 7 1.4機械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢 7 1.5本論文的主要工作 9 2 搬運機械手總體設計方案 10 2.1自由度和坐標系的選擇 10 2.2搬運機器人的組成 11 2.3搬運機器人的技術參數 13 2.4搬運機器人結構簡圖 14 3 零部件結構設計. 15 3.1夾持式手部結構 15 3.2臂部的設計及有關計算 16 3.3步進電機的選型 21 3.4聯軸器的選擇設計 22 3.5 機座設計及電磁閥的選擇 24 4 結構強度計算、尺寸設計與校核 28 4.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核 28 4.2手臂升

11、降氣缸的尺寸設計與校核 29 4.3步進電機的尺寸設計與校核 30 4.4總體結構圖、實體圖的繪制 32 5 控制系統(tǒng) 34 5.1 PLC的主要特點 34 5.2 PLC的發(fā)展階段 35 5.3 PLC的選擇 35 5.4機械手的循環(huán)工作說明 36 6 結論 37 參考文獻 39 致謝 41 附錄A4-DOF 搬運機器人的結構設計 1 緒論1.1 搬運機器人概述 搬運機器人在實際的工作中就是一個機械手,機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識:其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生產工藝的要求,遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和

12、裝卸;其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配,從而大大的改善了工人的勞動條件,顯著的提高了勞動生產率,加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而,受到很多國家的重視,投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合,應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展,并且取得一定的效果,受到機械工業(yè)的重視。機械手的結構形式開始比較簡單,專用性較強。隨著工業(yè)技術的發(fā)展,制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作,適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”,簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序,適應性較強,所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用

13、。 機器人就是用機器代替人手,把工件由某個地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操縱工件進行加工。機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人,也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置,可以根據任務的需要編制程序,以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外,還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的,稱為操作機(Manipulator)。它起源于原子、軍事工業(yè),先是通過操作機來完成特定的作業(yè),后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人,主要附屬于自動機床或自動生產線

14、上,用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”,它是為主機服務的,由主機驅動。除少數外,工作程序一般是固定的,因此是專用的。 機器人按照結構形式的不同又可分為多種類型,其中關節(jié)型機器人以其結構緊湊,所占空間體積小,相對工作空間最大,甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點,成為機器人中使用最多的一種結構形式,世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構形式的機器人。 要機器人像人一樣拿取東西,最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構??執(zhí)行機構;像肌肉那樣使手臂運動的驅動-傳動系統(tǒng);像大腦那樣

15、指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。一般而言,機器人通常就是由執(zhí)行機構、驅動-傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成,如圖1-1所示。 圖1-1機器人的一般組成 對于現代智能機器人而言,還具有智能系統(tǒng),主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”,使它能識別物體和躲避障礙物,以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的,或者說并不是簡單的疊加在一起,從而構成一個機器人的。要實現機器人所期望實現的功能,機器人的各部分之間必然還存在著相互關聯、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖1-2所示。 圖1-

16、2機器人各組成部分之間的關系 機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構和驅動-傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構是機器人賴以完成工作任務的實體,通常由連桿和關節(jié)組成,由驅動-傳動系統(tǒng)提供動力,按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。 1.2搬運機械人的應用簡況 在現代工業(yè)中,生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè)中,加工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法,程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。 但除切削加工本身外,還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè),有待于進一步實現機械化。據資料介紹,美國生產的全部工業(yè)零件中,有75%是小

17、批量生產;金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下,零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5%。從這里可看出,裝卸、搬運等工序機械化的迫切性,工業(yè)機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。機械手可在空間抓放物體,動作靈活多樣,適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產,廣泛應用于柔性自動線。 國內外機械工業(yè)機搬運械手主要應用于以下幾方面: 1)熱加工方面的應用 熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動,很久以來就要求實現自動化。為了提高工作效率,和確保工人的人身安全,尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。 2)冷加工方面的應用

18、 冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數字控制等機床上應用,成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產線、自動線上應用,成為機床、設備上下工序聯接的重要于段。 3)拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一,促進了機械手的發(fā)展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門,已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等,減輕了勞動強度,提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內噴漆通用機械手,可用以對客車內部進行連續(xù)噴漆,以改善勞動條件,提高噴漆的質量和效率。 近些年

19、,隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用,工業(yè)機械手已經成為工業(yè)生產中提高勞動生產率的重要因素。 1.3搬運機器人的應用意義 在機械工業(yè)中,搬運機器人的應用意義可以概括如下: 1)可以提高生產過程的自動化程度 應用機械手,有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度,從而可以提高勞動生產率,降低生產成本,加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。 2)可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中,用人手直

20、接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè),大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中,以機械手代替人手進行工作,可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 3)可以減少人力,便于有節(jié)奏地生產 應用機械人代替人手進行工作,這是直接減少人力的一個側面,同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作,這是減少人力的另一個側面。因此,在自動化機床和綜合加工自動生產線上,目前幾乎都設有機械手,以減少人力和更準確地控制生產的節(jié)拍,便于有節(jié)奏地進行生產。 綜上所述,有效地應用機器人是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.4機械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨

21、勢 專用機械手經過幾十年的發(fā)展,如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用和發(fā)展,進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內容,不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識,而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等,因此它是一項綜合性較強的新技術。目前國內外對發(fā)展這一新技術都很重視,幾十年來,這項技術的研究和發(fā)展一直比較活躍,設計在不斷地修改,品種在不斷地增加,應用領域也在不斷地擴大。 1.4.1機器手發(fā)展概況 早在40年代,隨著原子能工業(yè)的發(fā)展,已出現了模擬關節(jié)式的第一代機械手。 50~60年代即制成了傳

22、送和裝卸工件的通用機械手和數控示教再現型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特Unimate機械手即屬于這種類型。 60~70年代,又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產自動線上,亦即是第二代機械手這一新技術進入了應用階段。 80-90年代,裝配機械手處于鼎盛時期,尤其是日本。 90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展,除了在工業(yè)上廣泛應用外,農、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務業(yè)、軍事領域上有較大的應用。 90年代以后,隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發(fā)展,機械手技術也得到飛速的多元化發(fā)展。 總之,目前機械手的主要

23、經歷分為三代: 第一代機械手主要是靠人工進行控制,控制方式為開環(huán)式,沒有識別能力;改進的方向主要是將低成本和提高精度;第二代機械手設有電子計算機控制系統(tǒng),具有視覺、觸覺能力,甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器,把接收到的信息反饋,使機械手具有感覺機能;第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系,并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMSFlexible Manufacturing System和柔性制造單元FMCFlexible Manufacturing Cell中重要一環(huán)。 隨著現代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步,針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研

24、究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境,適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產過程。計算機集成制造(CIM)要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平,要求機器人系統(tǒng)具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。 1.4.2機械手的發(fā)展趨勢 目前國內工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面,數量、品種、 性能方面都不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。 因此,國內主要是逐步擴大機械手應用范圍,重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手,以減輕勞動強度,改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時,相應

25、地發(fā)展通用機械手,有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。 將機械手各運動構件,如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構,以及適于不同類型的夾緊機構,設計成典型的通用機構,以便根據不同的作業(yè)要求,選用不用的典型部件,即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造,又便于改換工作,擴大了應用的范圍。同時要提高精度,減少沖擊,定位精確,以更好地發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現型,以及具有觸覺、視覺等性能地機械手,并考慮于計算機聯用,逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在國外機械制造業(yè)中,工業(yè)機械手應用較多,發(fā)展較快。目前主要用于機床、模鍛

26、壓力機的上下料,以及點焊、噴漆等作業(yè)中,它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作,但是還不具備任何傳感反饋能力,不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時,就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此,國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手,使其擁有一定的傳感能力,能反饋外界條件的變化,做出 相應的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時,即能更正,并自行檢測,重點是研究視覺功能和觸覺功能。 視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀(即距離傳感器)以及衛(wèi)星計算機。工作時,電視照相機將物體形象變成視頻信號,然后傳送給計算機,以便分析物體的種類、大小、顏色和方位,并發(fā)出指令控制機械手進行工作

27、。 觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件,通過裝在手指內的壓力敏感元件產生觸感作用,然后伸向前方,抓住工件。 手的抓力大小可通過裝在手指內側的壓力敏感元件來控制,達到自動調整握力的大小。總之,隨著傳感技術的發(fā)展,機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。到1995年,全世界約有50%的汽車由機械手裝配。 現今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結合,從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 1.5 本論文的主要工作 本文研究了國內外機械手發(fā)展的現狀,通過學習機械手的工作原理,熟悉了搬運機器人的運動機理

28、。在此基礎上,確定了四自由度搬運機器人的基本系統(tǒng)結構,對搬運機器人的結構進行了簡單的強度計算,完成了搬運機器人機械方面的設計(包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅動部分)和簡單的三維實體造型工作。 本課題將要完成的主要工作如下: 選取機械手的座標型式和自由度; 確定四自由度搬運機器人驅動系統(tǒng)的類型; 確定四自由度搬運機器人的整體結構設計方案; 設計出機械人的各執(zhí)行機構,包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。為了使通用性更強,手部設計成可更換結構; 零部件結構強度計算與校核; 6繪制機器人的各零部件圖,并完成搬運機器人裝配圖,最后運用三維軟件畫出實體圖; 7)控制方案的設計

29、。 2 搬運機器人總體設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾放和搬運物件,這就要求它們具有高精度、快速反應、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。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象工件的作業(yè)技術要求,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;明確工件的結構形狀和材料特性,定位精度要求,抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等,從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件,簡化設計制造過程,兼顧通用性和專用性,并能實現柔性轉換和編程控制。 本次設計的機械手是氣動上下料機械手

30、,是一種適合于成批或中、小批生產的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備,它可用于操作環(huán)境惡劣,勞動強度大和操作單調頻繁的生產場合。 2.1 自由度和坐標系的選擇 機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當于固定坐標系所具有的獨立運動數,對于一個構件來說,它有幾個運動坐標就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機器人的自由度數。機器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的,因為人的手指、掌、腕、臂由19個關節(jié)組成,共有27個自由度。而生產實踐中不需要機器人的手有這么多的自由度一般為3-6個(不包括手部)。本次設計的搬運機器人為4自由度即:手爪張合;臂部伸縮;臂部升降;臂部

31、回轉。 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構、關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點,分別介紹如下: 直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的,如圖2-1a所示。由于直線運動易于實現全閉環(huán)的位置控制,所以,直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度(μm級)。但是,這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講,是比較小的。因此,為了實現一定的運動空間,直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè),直

32、角坐標機器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結構。 2圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人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2-1(b)。這種機器人構造比較簡單,精度還可以,常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3球坐標機器人結構 球坐標機器人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2-1(c)。這種機器人結構簡單、成本較低,但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 4 關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現的,如圖2-1(d)。關節(jié)型機器人動作靈活,結構緊湊,占

33、地面積小。相對機器人本體尺寸,其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛,如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè),都廣泛采用這種類型的機器人。 關節(jié)型機器人結構,有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 根據要求及在實際生產中的用途,本次設計的搬運機器人采用圓柱坐標。 圖2-1四種機器人坐標形式 2.2搬運機器人的組成 搬運機器人由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。 2.2.1 執(zhí)行機構 1)手部 手部既直接與工件接觸的部分,一般是回轉型或平動型(多為回轉型,因其結構簡單)。手部多為兩指(也有多指);根據需要分為外抓式和內抓式兩種;也可以用負壓式或真空式

34、的空氣吸盤(主要用于可吸附的,光滑表面的零件或薄板零件)和電磁吸盤。 傳力機構形式較多,常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。本次設計的手部選擇氣動手爪手部結構。 本次設計的搬運機器人手部執(zhí)行部件如圖2-2。 圖2-2 搬運機器人手部執(zhí)行部件示意圖 如圖2-2的機構簡圖,手部執(zhí)行依靠氣缸的伸縮運動來實現其張合運動,結構緊湊,產生的驅動力也必將大。 2)腕部 腕部是連接手部和臂部的部件,并可用來調節(jié)被抓物體的方位,以擴大機械手的動作范圍,并使機械手變的更靈巧,適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動

35、、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求,有些動作較為簡單的專用機械手,為了簡化結構,可以不設腕部,而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 3)臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部(包括工作或夾具),并帶動他們做空間運動。 臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位),則用腕部的自由度加以實現。因此,一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求,即手臂的伸縮、左右旋轉、升降(或俯仰)運動。 手臂的各種運動通常用驅動機構(如液壓缸或者氣缸)和各種傳動機構來實現,從臂部的受力情況

36、分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷,而且自身運動較為多,受力復雜。因此,它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設計實現臂部的上下移動、前后伸縮、以及臂部的回轉運動。手臂的運動參數:伸縮行程:100mm;伸縮速度:200mm/s;升降行程:200mm;升降速度:250mm/s;回轉范圍:。機器人手臂的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化,在圓柱坐標式結構中,手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的圓柱表面直徑。伸縮式臂部機構的驅動可采用液壓缸直接驅動。 4)機座 機座是機身機器人的基礎部分,起支撐作用。對固定式機器人,直接聯接在地面上

37、,對可移動式機器人,則安裝在移動結構上。機身由臂部運動(升降、平移、回轉和俯仰)機構及其相關的導向裝置、支撐件等組成。并且,臂部的升降、回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動越多,機身的結構和受力越復雜。本次畢業(yè)設計的搬運機器人的機身選用升降回轉型機身結構;臂部和機身的配置型式采用立柱式單臂配置,其驅動源來自步進電機。 2.2.2 驅動機構 驅動機構是搬運機器人的重要組成部分。根據動力源的不同,工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。 液壓驅動壓力高,可獲得大的輸出力,反應靈敏,可實現連續(xù)軌跡控制,維修方便,但是,液壓元件成本高

38、,油路比較復雜。氣動驅動壓力低,輸出力較小如需要輸出力大時,其結構尺寸過大,阻尼效果差低速不易控制,但結構簡單,能源方便,成本低。電動機驅動有:異步電動機、步進電動機為動力源,電動機使用簡單,且隨著材料性能的提高,電動機性能也逐漸提高。本次設計的搬運機器人的驅動機構采用氣動和步進電機相結合驅動的方式。 2.2.3 控制機構 考慮到機械手的通用性,同時使用點位控制,因此我們采用可編程序控制器PLC對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時,只需改變PLC程序即可實現,非常方便快捷。 2.3搬運機器人的技術參數 1用途:用于車間搬運 2設計技術參數: a 抓重:

39、1Kg平行氣爪; b 自由度數:4個自由度(手爪張合;臂部伸縮;臂部回轉;臂 部升降4個運動); c 坐標型式:圓柱坐標系; d 最大工作半徑:300mm; e 手臂最大中心高:591mm; f 手臂運動參數: 伸縮行程:100mm; 伸縮速度:200mm/s 升降行程:200mm 升降速度:250mm/s 回轉范圍:0~180 回轉速度:45/s 2.4 搬運機器人結構簡圖 結構簡圖如下圖2-3 圖 2-3 四自由度搬運機器人結構簡圖 1-步進電機 2-標準氣缸 3-標準氣缸 4-平行

40、氣爪 3 零部件的結構設計 3.1 夾持式手部結構 機器人的手部是機器人最重要的部件之一,從其功能和形態(tài)上看,分為工業(yè)機器人的手部和類人機器人的手部。目前前者應用較多,也較成熟,后者正在發(fā)展中。 工業(yè)機器人的手部夾持器(亦稱抓取機構)是用來握持工件或工具的部件,由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同。其手部結構也是多種多樣的,大部分的手部結構都是根據特定的工件要求而專門設計的,按握持原理的不同,常用的手部夾持器分為如下兩類: 1)夾持式:包括內撐式與外夾式,常用的還有勾托式和彈簧式等。 2)吸附式:包括氣吸式與磁吸式等。 3.1.1手指的

41、形狀和分類 夾持式是最常見的一種,其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內卡式或內漲式和外夾式兩種: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,就變成了一支點回轉型手指;同理,當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時,就成為移動型。 3.1.2設計時考慮的幾個問題 1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。 2手指間

42、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。 3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。 4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,還受到機械手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。 5考慮被

43、抓取對象的要求 根據機械手的工作需要,通過比較,我們采用的機械手的手部結構是平行氣動手爪。搬運工件是小于一千克的物體,所以我們選擇MHZ2-40C型氣動手爪。夾緊裝置依靠氣缸的伸縮實現手爪的張開和閉合,這種型號的氣爪夾持力范圍在300-800N,足夠夾緊1千克的工件。平行氣動手爪其結構如圖3-1所示。 圖 3-1 平行氣動手爪結構圖 3.2 臂部的設計及有關計算 手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部(包括工件或工具),并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括3個運動:伸縮、回轉和升降。本節(jié)敘述手臂的伸縮運動,手臂的回轉和升

44、降運動設置在機身處,將在下一節(jié)詳述。 臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位),則用腕部的自由度加以實現。因此,一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求,既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現,從臂部的受力情況分析,它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷,而且自身運動較多。因此,它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 3.2.1 臂部設計的基本要求 臂部設計首先要實現所要求的運動,為此,需要滿足下列各項基本要求: 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 對于

45、機械手臂部或機身的承載能力,通常取決于其剛度。以臂部為例,一般結構上較多采用懸臂梁形式(水平或垂直懸伸)。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大,則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力影響很大。為提高剛度,除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外,尚應注意以下幾方面: a根據受力情況,合理選擇截面形狀和輪廓尺寸; b提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離; c合理布置作用力的位置和方向; d注意簡化結構; e提高配合精度。 2 臂部運動速度要高,慣性要小 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數之一,它反映機械手的生產水平

46、。對于高速度運動的機械手,其最大移動速度設計在250mm/s最大回轉角速度設計在內,大部分平均移動速度為200mm/s,平均回轉角速度在。在速度和回轉角速度一定的情況下,減小自身重量是減小慣性的最有效,最直接的辦法,因此,機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個途徑: a減少手臂運動件的重量,采用鋁合金材料; b減少臂部運動件的輪廓尺寸; c減少回轉半徑ρ,再安排機械手動作順序時,先縮后回轉(或先回轉后伸縮), 盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作; d在驅動系統(tǒng)中設緩沖裝置。 3 手臂動作應該靈活 為減少手臂運動之間的摩擦阻力,盡可能

47、用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手,其傳動件、導向件和定位件布置合理,使手臂運動盡可能平衡,以減少對升降支撐軸線的偏心力矩,特別要防止發(fā)生機構卡死(自鎖現象)。為此,必須計算使之滿足不自鎖的條件。 位置精度要求高 一般來說,直角和圓柱坐標式機械手位置精度要求較高;關節(jié)式機械手的位置精度最難控制,故精度差;在手臂上加設定位裝置和檢測結構,能較好地控制位置精度,檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。 設計合理 合理設計與腕和機身的連接部位,臂部安裝形式和位置不僅關系到機器人的強度、剛度和承載能力,而且還直接影響到機器人的外觀。 總結:除

48、此之外,要求機械手的通用性要好,能適合多種作業(yè)的要求;工藝性好,便于加工和安裝;用于熱加工的機械手,還要考慮隔熱、冷卻;用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手還要設置防塵裝置等。 以上要求是相互制約的,應該綜合考慮這些問題,只有這樣,才能設計出完美的、性能良好的機械手。 3.2.2 手臂的典型機構及結構的選擇 1手臂的典型運動機構 常見的手臂伸縮機構有以下幾種: a雙導桿手臂伸縮機構; b手臂的典型運動形式有:直線運動,如手臂的伸縮,升降和橫向移動;回轉運動,如手臂的左右擺動,上下擺動;符合運動,如直線運動和回轉運動組合,兩直線運動的雙層液壓缸空心結構; c

49、雙活塞桿液壓缸結構; d活塞桿和齒輪齒條機構。 2手臂運動機構的選擇 通過以上,綜合考慮,本次設計選擇氣缸伸縮機構,使用氣壓驅動,水平伸縮氣缸選用伸縮式氣缸。 3.2.3伸縮手臂氣缸直徑選擇 本設計氣缸屬于單向作用氣缸。根據力平衡原理,單向作用氣缸2活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力,其公式為: (3-1) 上式中: - 活塞桿上的推力,N - 彈簧反作用力,N - 氣缸工作時的總阻力,N - 氣缸工作壓力,Pa 彈簧反作用按下式計算: (3-2) 上式中:

50、- 彈簧剛度,N/m - 彈簧預壓縮量,m - 活塞行程,m - 彈簧鋼絲直徑,m - 彈簧平均直徑,. - 彈簧有效圈數. - 彈簧材料剪切模量,一般取 在設計中,必須考慮負載率的影響,則: (3-3) 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 3-4 代入有關數據,可得 所以: 查有關手冊圓整,得 3.2.4升降手臂氣缸直徑選擇 設計氣缸屬于單向作用氣缸。根據力平衡原理,單向作用氣缸1活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力,其公式為: 3-5

51、 上式中: - 活塞桿上的推力,N - 彈簧反作用力,N - 氣缸工作時的總阻力,N - 氣缸工作壓力,Pa 彈簧反作用按下式計算: 3-6 上式中:- 彈簧剛度,N/m - 彈簧預壓縮量,m - 活塞行程,m - 彈簧鋼絲直徑,m - 彈簧平均直徑,. - 彈簧有效圈數. - 彈簧材料剪切模量,一般取 在設計中,必須考慮負載率的影響,則: (3-7) 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: (3-8) 代入有關數據,可得 所以:

52、 查有關手冊圓整,得 3.3步進電機選型 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下,電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數,而不受負載變化的影響,當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度,稱為“步距角”,它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的。步進電機流行于20世紀70年代, 70年代中期以后多用寬調速直流伺服電機, 進入80年代以來,交流伺服電機調速技

53、術取得了突破性進展, 并大舉進入電氣傳動調速控制的各個領域, 占據了絕對優(yōu)勢。但是, 步進電機結構簡單、價格低廉、容易控制、維修方便, 而且隨著計算機技術的發(fā)展, 其驅動控制除功率放大電路外, 都可以由軟件實現。因此, 本設計選用步進電機來帶動氣缸的回轉。 3.3.1 工作原理 步進電機是一種感應電機,它的工作原理是利用電子電路,將直流電變成分時供電的,多相時序控制電流,用這種電流為步進電機供電,步進電機才能正常工作,驅動器就是為步進電機分時供電的,多相時序控制器 雖然步進電機已被廣泛地應用,但步進電機并不能象普通的直流電機,交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功

54、率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事,它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 步進電機作為執(zhí)行元件,是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展,步進電機的需求量與日俱增,在各個國民經濟領域都有應用。 3.3.2 步進電機的特點與選用 步進電機具有如下特點 1一般步進電機的精度為步進角的3-5%,且不累積。 2)步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁,從而導致力矩下降乃至于失步,因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點;一般來講,磁性材料的退磁

55、點都在攝氏130度以上,有的甚至高達攝氏200度以上,所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 3)步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。 當步進電機轉動時,電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢;頻率越高,反向電動勢越大。在它的作用下,電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導致力矩下降。 4)步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。 本設計是一個小型的氣動機械手,需要的轉矩不大,查閱相關資料,同時根據步進電機的特點我們選用二相混合式步進電機,初步定為拓達步進電機型號為TDA332-S。 3.4聯軸器的選擇設計 3.4.1 聯軸器的類型

56、 根據聯軸器有無彈性元件、對各種相對位移有無補償能力,即能否在發(fā)生相對位移條件下保持聯接功能以及聯軸器的用途等,聯軸器可分為剛性聯軸器,撓性聯軸器和安全聯軸器。聯軸器的主要類型、特點及其在作用,詳見表3-1。 表3-1 聯軸器類型 類別 在傳動系統(tǒng)中的作用 備注 剛性聯軸器 只能傳遞運動和轉矩,不具備其他功能 包括凸緣聯軸器、套筒聯軸器、夾殼聯軸器等 撓性聯軸器 無彈性元件的撓性聯軸器,不僅能傳遞運動和轉矩,而且具有不同程度的軸向、徑向、角向補償性能 包括齒式聯軸器、萬向聯軸器、鏈條聯軸器、滑塊聯軸器等 有彈性元件的撓性聯軸器,能傳遞運動和轉矩;具有不同程

57、度的軸向、徑向、角向補償性能;還具有不同程度的減振、緩沖作用,改善傳動系統(tǒng)的工作性能 包括各種非金屬彈性元件撓性聯軸器和金屬彈性元件撓性聯軸器,各種彈性聯軸器的結構不同,差異較大,在傳動系統(tǒng)中的作用亦不盡相同 安全聯軸器 傳遞運動和轉矩,過載安全保護。撓性安全聯軸器還具有不同程度的補償性能 包括銷釘式、摩擦式、磁粉式、離心式、液壓式等安全聯軸器 3.4.2 聯軸器類型的選擇 選擇聯軸器類型時,應考慮: 1所需傳遞轉矩的大小和性質、對緩沖、減振功能的要求以及時否可能發(fā)生共振等。 2由制造和裝配誤差、軸受載和熱膨脹變形以及部件之間的相對運動等引起兩軸軸線

58、的相對位移程度。 3許用的外形尺寸和安裝方法,為了便于裝配、調整和維修所必需的操作空間。對于大型的聯軸器,應能在軸不需作軸向移動的條件下實現裝拆。 此外,還應考慮工作環(huán)境、使用壽命以及潤滑和密封和經濟性等條件,再參考各類聯軸器特性,選擇一種合用的聯軸器類型。 3.4.3 聯軸器的選擇與繪制 由于設計的氣動式機械手的轉矩很小,我采用的是自己設計的安全聯軸器,外形尺寸有利于安裝、調整和維修,而且聯軸器不容易松動。CAD繪制聯軸器如圖3-2所示 圖3-2 聯軸器結構圖 3.5機座設計及電磁閥的選擇 機座是直接支撐手臂的部件。臂部的運動越多,機座的受力情況就

59、越復雜,負載也越大。機座是可以固定的,也可以是行走的,既可以沿地面或架空軌道運動。本設計的是小型氣動機械手,結構比較簡易,重量也很小,所以機座的設計也很簡單。 3.5.1機座的整體設計 按照設計要求,機械手要實現手臂的回轉運動,實現手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構,就要綜合考慮分析。機座承載著手臂,做回轉,升降運動,是機械手的重要組成部分。經過綜合考慮,本設計選用步進電機置于升降缸之下的結構。手臂部件與步進電機的軸聯接。機座具體結構見圖3-3。 圖3-3 機座結構圖 3.5.2電磁閥的選擇 電磁閥是用來控制流體方向的自動化基礎元件,屬

60、于執(zhí)行器;通常用在機械控制和工業(yè)閥門上面,通過一個電磁線圈來控制閥芯位置,切斷或接通氣源以達到改變流體流動方向的目的,來對介質方向進行控制,從而達到對閥門開關的控制。當有電流通過線圈時,固定鐵芯吸合動鐵芯,改變滑閥芯的位置,發(fā)生勵磁作用,動鐵芯帶動滑閥芯并壓縮彈簧,從而改變流體的方向。當線圈失電時,依靠彈簧的彈力推動滑閥芯,頂回動鐵芯,使流體按原來的方向流動。 電磁閥從原理上分為三大類: 1)直動式電磁閥。 它分常開、常閉兩種。圖為直動常閉電磁閥,在斷電時, 電磁閥呈關閉狀態(tài), 當電磁閥線圈通電后, 產生的電磁力使動鐵芯與靜鐵芯吸合, 直接開啟閥口, 介質從進口流向出口

61、, 當線圈斷電后,動鐵芯在復位彈簧的作用下復位, 直接關閉閥口, 而切斷了介質的流通。常開式則斷電時閥門開啟, 通電時,閥門關閉。 特點:結構簡單、動作可靠,在零壓差或真空下能正常工作,可任意方向安裝, 但一般適用于通徑在25mm以下。 2)分步直動式電磁閥。 它由主閥與導閥組成, 動作分步實現, 而電磁力直接吸合動鐵芯到主閥芯。如圖3-4為常閉式, 當電磁線圈通電后, 產生的電磁力使動鐵芯與靜鐵芯吸合, 導閥口開啟而導閥口設在主閥芯上, 動鐵芯與閥芯通過機械方式直接連續(xù)一起。此時, 主閥上腔的壓力通過導閥口卸荷, 由于壓力差和電磁力的聯合作用, 使主閥芯向上運動,開啟主閥介質流通。當線圈斷電時, 電磁力消失, 動鐵芯因自重脫離靜鐵芯, 并關閉了導閥孔, 此時介質從平衡孔進入主閥芯上腔, 使上腔壓力升高, 在主閥芯自重的