多用途气动机器人结构设计.docx

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多用途气动机器人结构设计

摘要本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手硬件和软件的组成，即PLC控制的气动机械手的系统工作原理，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点，PLC控制的特点。

本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。

同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。

设计了机械手的手臂结构。

设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，大大提高了绘图效率和图纸质量。

利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图，并绘制了可编程序控制器的控制程序。

关键词：

工业机器人机械手气动可编程序控制器（PLC）

StructuralDesignofMulti-purposePneumatic

Robot

AbstractAtfirst,thepaperintroducestheconceptionoftheindustrialrobotandtheEller.Dairyinformationofthedevelopmentbriefly.What’smore,thepaperaccountsforthebackgroundandtheprimarymissionofthe

topic.Thepaperintroducesthefunction,composingandclassificationofthemanipulator,tellsoutthefree-degreeandtheformofcoordinate.Atthesametime,thepapergivesouttheprimaryspecificationparameterofthismanipulator,Thepaperdesignsthestructureofthehandandtheequipmentofthedriveofthemanipulator.Thispaperdesignsthestructureofthewrist,computestheneededmomentofthedrivewhenthewristwheelsandthemomentofthedriveofthepump.Thepaperdesignsthestructureofthearm.Thepaperdesignsthesystemofairpressuredriveanddrawstheworkprinciplechart,themanipulatorusesPLCtocontrol.ThepaperinstitutestwocontrolschemesofPLCaccordingtotheworkflowofthemanipulator.Thepaperdrawsouttheworktimesequencechartandthetrapeziumchart.What’smore,thepaperworkoutthecontrolprogramofthePLC,

KEYWORDS:

industrialrobotmanipulatorpumpairpressuredrive PLC

目 录

第一章 引言

1.1机械手概述 1

1.2气 动 机 械 手 的 设 计 要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

1.3机 械 手 的 系 统工作 原 理 及 组成.....................................． 2

第二章机械手的整体设计方案

2.1机 械 手 的 座 标 型 式 与 自 由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

2.2机 械 手 的 手 部 结 构 方 案 设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2.3机 械 手 的 手 腕 结 构 方 案 设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2.4机 械 手 的 手 臂 结 构 方 案 设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2.5机 械 手 的 驱 动 方 案 设

计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2.6机 械 手 的 控 制 方 案 设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

2.7机 械 手 的 主 要 技 术 参

数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8第三章手部结构设计

3.1 夹 持 式 手 部 结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

3.1.1手指的形状和分类

3.1.2设计时考虑的几个问题

3.1.3手部夹紧气缸的设计第四章手腕结构设计

4.1手 腕 的 自 由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

4.2手 腕 的 驱 动 力 矩 的 计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩

4.2.2回转气缸的驱动力矩计算

4.2.3回转气缸的驱动力矩计算校核

第五章手臂伸缩，升降，回转气缸的设计与校核

5.1手 臂 伸 缩 部 分 尺 寸 设 计 与 校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20

5.1.1尺寸设计

5.1.2尺寸校核

5.1.3导向装置

5.1.4平衡装置

5.2手 臂 升 降 部 分 尺 寸 设 计 与 校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21

5.2.1尺寸设计

5.2.2尺寸校核

5.3手 臂 回 转 部 分 尺 寸 设 计 与 校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23

5.3.1尺寸设计

5.3.2尺寸校核第六章气动系统设计

6.1 气 压传动 系统工 作原理图 及元器 件的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25

第七章机械手的PLC控制系统设计

7.1可 编 程 序 控 制 器 的 选 择 及 工 作 过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26

7.1.1可编程序控制器的选择

7.1.2可编程序控制器的工作过程

7.2可 编 程 序 控 制 器 的 使 用 步骤．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27

7.3机 械 手 可 编 程 序 控 制 器 控 制 方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28

7.3.1控制系统的工作原理及控制要求

7.3.2气动机械手的工作流程

7.3.3I/0 分配

7.3.4梯形图设计

第 八 章 结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36

致

谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．37

参 考 文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．38

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;尤其在高温、高压、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。

控制系统

（PLC）

驱动系统

（气压传动）

位置检测装置

执行机构

手部

手腕

手臂

立柱

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。

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

一.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。

二.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90o/s。

平均移动速度为0.8m/s。

平均回转速度为60o/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。

三.用途:

用于自动输送线的上下料。

四．设计技术参数:

1、抓重

5kg

2

、自由度数

4

个自由度

3、座标型式

圆柱座标

4、最大工作半径

1400mm

5

、手臂最大中心高

1250mm

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0o 180o

回转速度90o/s

7、手腕运动参数 回转范围

0o 180o

回转速度90o/s

8、手指夹持范围 棒料:

80mm 150mm

9、定位方式 行程开关或可调机械挡块

等

10、定位精度 1mm

11 、驱动方式 气压传动

12、控制方式 点位程序控制（采用PLC）

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