气动机械手回转臂结构设计

1、毕业设计气动机械手回转臂结构设计毕 业设计 任务书题目名称:气动机械手回转臂结构设计具体要求:（原始数据、试验方案、手段及预期结果）结合所学专业知识査阅相关书籍及资料深入理解设讣课题得要求完成设讣任务具体要求如下:收集相关资料气动机械手得工作原理确定总体设讣方案做开题报告翻 译一篇与该课题有关得不少于5000个英文字符得外文资料。2.位置检测精度达到1毫米。伸缩行程100mm,升降行程50mmO旋转18003.抓握零件直径05-020,最大重量0、5kgO4.总结设计过程撰写毕业设计论文准备答辩,按照论文撰写规范书写毕业设讣论文并做好答辩前得准备工作。基本内容如下:本课题将要完成得主要任务如下

2、:进行气动机械手得总体研究，并进行整体运动方式设计;设计气动机械手气路设计，进行关键部件得设计计算;设计气动机械伸缩、回转臂部分结构,进行关键部件得设计计算;PLC控制系统得设讣及编程。其中:参考文献篇数：10篇以上说明书字数：6000字以上 图 纸张数：折合A0图纸3张，其中至少1张装配图专业负责人意见签名:气动机械手回转臂结构设计本文简要介绍了工业机器人得概念，机械手得组成与分类，机械手得自山度与坐标形 式，气动技术得特点,PLC控制得特点及国内外得发展状况。本文对机械手进行总体方案设讣，确定了机械手得坐标形式与自山度,确定了机械手 得技术参数。同时，设讣了机械手得夹持式手部结构，设计了机

3、械手得手腕结构，计算出 了手腕转动时所需得驱动力矩与回转气缸得驱动力矩。设计了机械手得手臂结构。设讣出了机械手得气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，对气压系统工作原 理图得参数化绘制进行了研究,大大提高了绘图效率与图纸质量。利用可编程序控制器对机械手进行控制,选取了合适得PLC型号，根据机械手得工 作流程制定了可编程序控制器得控制方案，设计了机械手得丄作时序图，并绘制了可编程 序控制器得控制程序。设计达到了设计得预期U标。关键词 丄业机器人;机械手;气动;PLCPneumatic manipulator arm structure designAbstractThis paper bri

4、efly introduces the concept of industrial robot manipulator, the position and classification of the manipulator, freedom and coordinates, pneumatic technology of PLC control, the characteristics of the development of both at home and abroad This paper makes an overall manipulator, the design scheme

5、of the inanipulator coordinates and freedom, the technical parameters of the robot At the same time, the design of clamping inanipuiator hand structure, the design of the structure of the manipulator wrist, calculates the wrist curls when driving torque and rotary cylinder driving torque、 The design

6、 of inanipulator arm structureDesign a robot manipulator, pneumatic system, pneumatic system working principle of pneumatic system principle diagram of parameterized drawing was studied, and greatly imp rove the efficiency of drawing and drawings、Using inanipuiator progranimable controller, the cont

7、rol of PLC suitable model, according to the working process of the manipulcUor programmable controller has formulated the control scheme, the work of the manipulator, and draws the sequential diagram PLC control proccdures、 Design meets the design target、Keywords Industrial robot; ManipuIator ; Air

8、pressure drive; PLC.2.2“4.4.4.4.4.4“6.6.6.6“9.9.9.910101010II1111131315151515161616162122目录摘要Abstract1绪论1、1气动机械手概述1、2机械手得组成与分类1、2、1机械手得组成1、2、2机械手得分类1、3国内外发展状况仁4课题得提出及任务2机械手得设计方案2、1机械得坐标形式与门山度2、2机械手得手部结构方案设计2、3机械手得手腕方案设计2、4机械手驱动方案设计2、5机械手技术参数列表 3手腕结构设计3、1手腕得自山度3、2手腕得驱动力矩计算3、2、1手腕转动时所需要得驱动力矩4手伸缩.升降回转气

9、缸得尺寸计算与校核.4、1于臂伸缩气缸得尺寸设计打校核4、i、1手臂伸缩气缸得尺寸设计4、1、2尺寸校核4、1、3导向装置4、1、4平衡装置4、2手臂升降缸得尺寸设计与校核 4、2、1尺寸设计 4、3手臂回转缸得尺寸设讣打校核4、3、1尺寸设计4、3、2尺寸校核5气动系统设计5、1气压传动系统作原理图6机械手得PLC控制6、1可编程序控制器得选择及工作过程6、1、1可编程序控制器得选择6、1、2工作过程6、2机械手可编程序控制器控制方案6、2、1系统简介6、2、2工业机械手得工作流程6、2、3机械手工作时序图竝參考文献26致谢1绪论1.1气动机械手概述气动机械手山操作机(机械本体)、控制器、伺

10、服驱动系统与检测传感装置构成，就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得机电一体化自动化 设备131。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件与产品得快速更新换代 起着十分要得作用1讥 机器人应用情况，就是一个国家工业自动化水平得重要标志。在 工业生产中应用得机械手被称为工业机械手”【叭生产中应用机械手可以提商生产得 自动化水平与劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产【叽山于通 用机械手能很快得改变工作程序适应性较强所以它在不断变换生产品种得中小批量生 产中获得广泛得引用。1.2机械手得组成与分类121机械手得组成机械手主要山执行机构、驱动系统

11、、控制系统以及位置检测装置等所组成闻。各系 统相互之间得关系如方框图M所示。图1J机械手组成方框图122机械手得分类一.按用途分机械手可分为专用机械手与通用机械手两种同:(1)专用机械手它就是附属于主机得、具有固定程序而无独立控制系统得机械装置。专用机械手 具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠与造价低等特点【气适用于大批量得 自动化生产得自动换刀机械手，如自动机床、自动线得上下料机械手与加工中心(2)通用机械手它就是一种具有独立控制系统得、程序可变得、动作灵活多样得机械手|讥 通用机 械手得工作范圉大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种得中小批量自动 化得生产|4|。二.按驱

12、动方式分(1) 液压传动机械手液压传动机械手以液压得压力来驱动执行机构运动得机械手3。其主要特点就是: 抓重可达儿百公斤以上、传动平稳.结构紧凑、动作灵敏1。但对密封装置要求严格. 不然油得泄漏对机械手得工作性能有很大得影响，且不宜在高温、低温下工作4。(2) 气压传动机械手气压传动机械手以压缩空气得压力来驱动执行机构运动得机械手3。其主要特点就 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U。(3) 机械传动机械手机械传动机械手就是山机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮与齿条、间歇机构等)驱 动得机械手3。它就是一种附属于工作主机得专用机械手，其动力就是山工作机械传递 得1。1

13、.3国内外发展状况国外机器人领域发展近儿年有如下儿个趋势：(1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作与维修),而单机 价格不断下降平均单机价格从91年得10. 3万美元降至97年得65万美元2。(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中得伺服电机、减速机、检测 系统三位一体化:山关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外己有模块化装 配机器人产品问市。(3) 1：业机器人控制系统向基于PC机得开放型控制器方向发展便于标准化、网络化; 器件集成度提高控制柜日见小巧且釆用模块化结构;大大提高了系统得可靠性、易操作 性与可维修性。1.4课题得提出及任务进入2

14、1世纪随着我国人口老龄化得提前到来近来在东南沿海还出现在大量得缺工 现象，迫切要求我们提高劳动生产率,降低丄人得劳动强度提高我国工业自动化水平势在 必行将机械手，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产 线实现自动化生产，减轻产业工人大量得重复性劳动，同时乂可以提高劳动生产率。本课题将要完成得主要任务如下：(1) 进行气动机械手得总体研究，并进行整体运动方式设计；(2) 设计气动机械手气路设计，进行关键部件得设计计算；(3) 设计气动机械伸缩、回转臂部分结构ja行关键部件得设计计算；(4) PLC控制系统得设计及编程。2机械手得设计方案2.1机械手得坐标形式与自由度按机

15、械手手臂得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、球座标式与关节式3。山于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动 因此釆用圆柱座标型式。相应得机械手具有三个自山度为了弥补升降运动行程较小得 缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动得自山度。2.2机械手得手部结构方案设计为了使机械手得通用性更强，把机械手得手部结构设计成可更换结构，当工件就是棒 料时，使用夹持式手部，当工件就是板料时，使用气流负压式吸盘。2.3机械手得手腕方案设计考虑到机械手得通用性同时由于被抓取丄件就是水平放置，因此手腕必须设有回转 运动才可满足丄作得要求。因此手腕设计成回转结构，实

16、现手腕回转运动得机构为回转 气缸。2.4机械手驱动方案设计山于气压传动系统得动作迅速反应灵敏阻力损失与泄漏较小,成本低廉因此本机械 手采用气压传动方式。2.5机械手技术参数列表一.用途:用于自动输送线得上下料。一、设计技术参数:抓重:0、5絶自山度数:4个自山度(3)座标型式:圆柱座标(4) 手臂运动参数:伸缩行程lOOmm 伸缩速度40inin/s 升降行程50mm 升降速度lOOmm/s回转范用0-180回转速度90/$(5) 手腕运动参数：回转范用0_180 回转速度90/(6) 手指夹持范围:棒料:05-020(7) 手腕运动参数；回转速度90/$(8)手指夹持范圉：棒料 0150(9

17、)定位方式:行程开关(10) 定位精度:土皿(11) 驱动方式:气压传动(12) 控制方式:点位程序控制(采用PLC)3手腕结构设计3.1手腕得自由度手腕就是连接手部与手臂得部件它得作用就是调整或改变工件得方位因而它具有 独立得自山度，以使机械手适应复杂得动作要求。手腕自山度得选用与机械手得通用性、 加丄工艺要求、工件放置方位与定位精度等许多因素有关。山于本机械手抓取得工件就 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得要 求U前实现手腕回转运动得机构，应用最多得为回转油（气）缸。3.2手腕得驱动力矩计算3.2.1手腕转动时所需要得驱动力矩手腕得回转、上下与左右摆

18、动均为回转运动，驱动手腕回转时得驱动力矩必须克服手 腕起动时所产生得惯性力矩手腕得转动轴与支承孔处得摩擦阻力矩动片与缸径、定 片、端盖等处密封装置得摩擦阻力矩以及由于转动件得中心与转动轴线不重合所产生得 偏重力矩、图3-1所示为手腕受力得示意图。ZS)(h卜一1、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得驱动力矩可按下式计算：M 鑒=%+%+%+M 封(3-1)式中：M朋-驱动手腕转动得驱动力矩（Nw）M惯-惯性力矩（N5）参与转动得零部件得重量（包括工件、手部、手腕回转缸得动片）对转动轴线所产生得偏重力矩（Nv/）下面以图4-1所示得手腕受力悄况，分析各阻力矩得计算:(1

19、)手腕加速运动时所产生得惯性力矩M惯若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时得角速度为起动过程所用得时间为3, 则：(3-2)M惯=(/ + )罟(Ns)式中：丿-参与手腕转动得部件对转动轴线得转动惯量人-工件对手腕转动轴线得转动惯量(N/)若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量人为:(3-3)式中：工件对过重心轴线得转动惯量(Mem/)5 -工件得重量(N) 勺-工件得重心到转动轴线得偏心距(cm)Q-手腕转动时得角速度(弧度/s) 山-起动过程所需得时间(S)起动过程所转过得角度(弧度)(2)手腕转动件与工件得偏重对转动轴线所产生得偏重力矩M偏(3-4)式中：03-手腕转动件得重量(N)勺-

20、手腕转动件得重心到转动轴线得偏心距(cm)当工件得重心与手腕转动轴线重合时，则G局=3、手腕转动轴在轴颈处得摩擦阻力矩M封(3-5)式中：d,，心-转动轴得轴颈直径(cm)/-摩擦系数,对于滚动轴承f = 0,01,对于滑动轴承/=01R, /?-处得支承反力(N),可按手腕转动轴得受力分析求解,Rr! + GJ3=GJ2+GJ(3-6)廿创+G右-G乙(3-7)同理，根据2：M/ = 0,得:nqa+G + G2(/+/2)+ G3(/ 厶)(3-8)=:式中：G厂得重量(N)人仏厶一如图4-1所示得长度尺寸(cm)4手臂伸缩、升降回转气缸得尺寸计算与校核4.1手臂伸缩气缸得尺寸设计与校核4

21、.1.1手臂伸缩气缸得尺寸设计手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产得标准气缸参瞧此公司生产得各种型号得结 构特点，尺寸参数，结合本设汁得实际要求,气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为 0100/63。4丄2尺寸校核1、在校核尺寸时，只需校核气缸内径9=63沏”半径R=31、5mm得气缸得尺寸满 足使用要求即可，设计使用压强P = 04MPg则驱动力:(4-1)= 0.4x10x344x0.0315-= 1246(N)斤=ma测定手腕质量为50kg,设计加速度 = 10%,则惯性力:(4-2)= 50x10= 500(N)2、考虑活塞等得摩擦力，设定摩擦系数 = 02,(4-3)= 0.2x500= 100(N)(4-总受力= 500 + 100= 600(N)所以标准CTA气缸得尺寸符合实际使用驱动力要求。4)4丄3导向装置气压驱动得机械手臂在进行伸缩运动时为了防止手臂绕轴线转动以保证手指得正 确方向并使活塞杆不受较大得弯