【正文】 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 氣動(dòng)通用上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì) 摘 要 本文簡要地介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，機(jī)械手的自由度和座標(biāo)型式，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)， PLC控制的特點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了手臂伸縮、升降用液壓緩沖器和手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。 機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分 析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備 . 機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。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(tái)機(jī) 床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖 21 所示。 夾持式手部 由手指 (或手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。 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。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，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。 對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。 (3)手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有 :單圓柱、雙圓柱、四圓柱和 V 形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。滾滾輪輪式式布行走機(jī)構(gòu)可分為有軌 的和無軌的兩種。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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 。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 (2)通用機(jī)械手 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。 (1) 液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。 (2)氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維 護(hù)和使用方便。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。 、可重構(gòu)化發(fā)展。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可 靠性、易操作性和可維修性。 ，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙 控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。 我國的工業(yè)機(jī)器人從 80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā) 出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人 。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”， 品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。 課題的提出及主要任務(wù) 課題的提出 隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動(dòng)場合必將由機(jī)器人所代替。 現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn) : (摩擦損失、泄露損失等 )； 液壓傳動(dòng)易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。 ，液壓元件的制造工藝水平要 求較高，故價(jià)格較高 。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。 4. 能源可儲(chǔ)存。 6. 成本低廉。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)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(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng)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(dòng)化領(lǐng)域里，對氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 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(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出 PLC程序 。 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(dòng)上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批 生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。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(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加 一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度 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 。 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 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)和升降 (或俯仰 )運(yùn)動(dòng)。 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。使用吸盤式手部時(shí)可吸附 5 公斤的重物。 該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為 ，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 1200176。 除了運(yùn)動(dòng)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。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 1500mm，手臂安裝前后可調(diào) 200mm。該機(jī)械手的定位精度為土 ～177。 回轉(zhuǎn)速度 90176。 /s (8)手指夾持范圍 棒料 : 80～ 150mm 片料 : 面 積不大于 Z (9)定位方式 行程 開 關(guān) 或可調(diào)機(jī)械擋塊等 (10)定位精度 士 (11)緩沖方式 液壓緩沖器 (12)驅(qū)動(dòng)方式 氣壓傳 動(dòng) (13)控制方式 點(diǎn)位程序控制 (采用 PLC) 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁 第 3 章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 夾持式手部結(jié)構(gòu) 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。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造 容易，應(yīng)用廣泛。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的 慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量 使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭 轉(zhuǎn)力矩最小為佳。N tg? ?????? 所以 Rbp 2? N )(245 N? (3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 : 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 ? 21KKpp ?實(shí)際 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒 輪齒條傳動(dòng)，故取 ?? ，并取 ?K 。 缸筒直接承受壓縮空液壓力，必須有一定厚度。 按形成負(fù)壓 (或真空 )的方法，氣流負(fù)壓式手部可分為真空式、氣流負(fù)壓式和擠壓排氣式吸盤。所以，壓縮空氣由噴嘴進(jìn)口處 A 進(jìn)入后，噴嘴開始一段由大到小逐漸收縮，而 氣流速度逐漸增大，當(dāng)沿氣流流動(dòng)方向截面收縮到最小處 X 時(shí)（ 即臨界面積 )，流速達(dá)到臨界速度即音速，此時(shí)壓力近似為噴嘴進(jìn)口處的壓力之半，即 PK= 8P,。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(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油 (氣 )缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。 M偏 —— 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量 (包括工件、手 部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片 )對轉(zhuǎn) 動(dòng) 軸 線 所 產(chǎn)生 的 偏 重 力 矩 (Kg﹒ cm),. M摩 —— 手 腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩 (Kg﹒ cm)。 s2 )。 若工件中心 與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1 ,為 : Jg —— 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (N178。 1e —— 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 (cm), ? —— 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度 (弧度 /s)。 e3 —— 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 (cm). 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則 11eG =0 . M M= 式中 : d1 、 d2 —— 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑 (cm)。 動(dòng)片密封圈 4把 氣腔分隔成兩個(gè) .當(dāng)壓縮氣體從孔 a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí) 4 回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從 b 孔排出。 R 缸 體 內(nèi)壁 半徑 (cm)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。同時(shí) ， 氣 壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮 (或升降 )運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝 置。雙作用式氣 的缸體固定，當(dāng)壓縮空氣分別從進(jìn)出氣孔 c, e 進(jìn)入雙作 用式氣缸的兩腔時(shí)，空心活塞套桿帶動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)缸和手部一同往復(fù)移動(dòng)。在雙作用式氣缸的兩個(gè)接氣管口 c, e 出分別 串聯(lián)了快速排氣閥 .手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的行程大小，通過調(diào)整兩塊可調(diào)定位塊的位置而達(dá)到。它應(yīng)根據(jù)手臂的安平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 27 頁 裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng) 盡量減少