机械手的设计资料

关键词：工业机器人，机械手，气动，可编程序控制器DesignontheCurrencyPneumaticLoadingandUnloadingManipulatorAtfirst,thepaperintroducestheconceptionoftheindustrialrobotandtheelertaryinformationofthedevelopmentbriefly.What'smore,thepaperaccountsforbackgroundandtheprimarymissionofthetopic.Thepaperintroducesthefunction,composingandclassificationofthemanipulator,tellsoutthefree-degreeandtheformofcoordinate.Atthesametime,thepapergivesouttheprimaryspecificationparameterofthismanipulator.Thispaperdesignsthestructureofthehandandtheequipmentofthedriveofthemanipulator,andanalyzestheerroroftheorientationofthefingers.Thepaperdesignsthestructureofthewrist,computesthemomentofthedrivewhenthewristwheelsandthemomentofthe oftheThepaperdesignsthestructureofthearm,anddesignsthehydraulicpressurebufferwhenthemanipulator'sarmflexes,ascend,descendand wheels.Thepaperdesignsthesystemofairpressuredriveanddraws work ThemanipulatorusesPLCtocontrol.ThepaperinstitutestwocontrolschemesofPLCacordinetotheworkflowofthemanipulator.Thepaperdrawsouttheworktimesequencechartandthetrapeziachart.What’smore,thepaperworkoutthecontrolprogramofthePLC.KEYWORDSindustrialrobot,manipulator,pump,airpressuredrive,第一章绪论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2-1所示。1-1Fig.l-1PaneChartofCompositionof(一)1V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;2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手臂可能实现的运动如下导向装置结构形式，常用的有:V形槽、燕尾槽等导向型式。56(二)(三)(四)(一)机械手可分为专用机械手和通用机械手两种1批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”2通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一(二)1是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2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30所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3412国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势9110.39765万美元。PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成13030条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机统技术与国外比有差距;200台，约占全球已安装台“现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点: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本课题将要完成的主要任务如下(4)(6)PLC程序，并画出梯形图。图2- 所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图图2-1Fig.2-1SketchMapoftheMotionof(或俯PLC程序即可实现，非常方便快捷。110公斤左右的为数最多。105公斤的重物。1.2m/s1200°/slm/s，平900°/s。600mm,1500mm200mm2400(应大150mm。一、用途100吨以上冲床上下料。110公斤(夹持式手部5公斤(气流负压式吸盘24356 回转范 0°～ 回转范 0°～ ::0.5mZ10l1,13点位程序控制(2-6Fig.2-6WorkRangeof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: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(一)具有足够的握力(即夹紧力(二)(三)(四)(五)V型，其结构如附图所示1“V”b=120mm，R=24mm,f=0.10。3-2Fig.3-2GearWheel根据手部结构的传动示意图，其驱动力为P2b根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式实际驱动力

P2bN=490（N） PK1K 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取η=0.94K1a=g时，则K1a

4901.521563NF1 Ft式中

Fz——P——PaFtCflSGd 8DDtD2式中

Cf——L——弹簧预压缩量，mDt——弹簧平均直径，mD2——弹簧外径，mn——G——G=79.4X1在设计中，必须考虑负载率几的影响，则F1 由以上分析得单向作用气缸的直径 pπ4F1Ft

Gd 8D79.41093.51034/8301033677.46N/FtCflS pπ4F1Ft4490220.6/π0.51060.41/D=65d/D=O.2～0.3，可得活塞杆直径:d=(0.2～0.3)D=13～19.5d=18

有:d4Ft1/则

(4490/π120)1/

3δDPp/ 6——缸筒壁厚 D——气缸内径，Pp——Pp=1.5Pt材料为:ZL3,[σ]代入己知数据，则壁厚为δDPp/=656105/23106=6.5取δ=7.5mm，则缸筒外径为:D=65+7.52=80mm3.2图3-3Fig.3-3PrincipiumDiagramOfEjectA进入后，喷嘴开始一段由大到小逐渐收缩，而气流速度逐渐增大，当沿气流流动方向截面收缩X时〔即临界面积)即=0.528P,。为了使喷嘴出口处的压力低于Pk，必须在喷嘴临界面以后再加一段渐扩段，这样C处的气体不断CC处连接橡胶图3-4所示为可调的喷射式负压吸盘结构图。为了使喷嘴更有效地工作，喷嘴口与喷嘴套之间而使速度降低，因而降低了抽气速率;当间隙太大时，离喷射气体越远的气体被带着向前运动的速度3-456的相对位置是可以调节的，以便改变间隙的大小。1.2.3.4.5.6.图3-4Fig.3-4StructureofAdjustableEjectiveMinusPressure

4K1K2K3D——吸盘直径(cm).N——K2工作情况系数。若板料间有油膜存在则要求吸附力大些;料器，则吸附力就可小些。另外工件从模具取出时，也有摩擦力的作用，同时还的不同，选取工作情况系数，一般可在(1～3)K2=20.5～0.8;K3=lK3=5.代入数据得PP4K1K2K3505041.521=16.92x轴转动回转运动才可满足工作的要求。3600，并且要求严格的密封。动轴线不重合所产生的偏重力矩.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Fig.4-1BearForceConditionofWristWhen手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算MM+M+M+Mcm(4-式中 M驱——驱动手腕转动的驱动力矩M——惯性力矩M——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)产生的偏重力矩(Kg﹒cm),.M——手腕转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩M——手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(Kg﹒cm4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1M惯时间为△t，则 =JJ1

M

式中 ——JJG1e J——工件对过重心轴线的转动惯量(N·cm·s2G1工件的重量(N);——t——起动过程所需的时间2MMG1e1式中 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G1e1=03MM

fR A

RBd1式中 d1、d2——手腕转动轴的轴颈直径f——f=0.01得RBl+G3l3=G2l2+G1l同理，根据mBF0得R=G1l1G2l2 式中G2手部的重量1、11、l2、l3——4-1所示的长度尺寸4-22354把气腔分隔成两个.a进入时，pM的关系为:M （4- 或 p bR2r图4-2Fig.4-2SketchofRotatingGas M-回转气缸的驱动力矩(N﹒cm);P-回转气缸的工作压力(N﹒cm);R-缸体内壁半径(cm);r-输出轴半径b—动片宽度PP1P2之差该机械手的手臂结构如附图所示，现将其工作过程描述如下1c,e进入双作165和手部一同往复移动。6中通有三根伸缩气管，其中两根把压缩空气通往手腕回转气缸51缸体上方装置着导26在做伸缩运动时的转动，以保证手部的手指按正确1的两个接气管口c,e出分别串联了快速排气阀.4手臂伸缩运动的缓冲采用液压缓冲器实现5A-剖面a、b是接到手腕回转气缸的;d1内的三根气管采用了伸缩气管结构，其特点是机械手外观清晰、6做成筒状零件5.5.1.3手臂作水平伸缩时所需的驱动力图4-3Fig.4-3BearForceConditionofArmWhenPutting4-3P驱=P惯+P摩+P密+P （5-式中:P惯——手伶在起动过程中的惯性力P摩——摩擦阻力(包括导向装置和活塞与缸壁之间的摩擦阻力P密——密封装置处的摩擦阻力(N)，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同。P背——气缸非工作腔压力(即背压)所造成的阻力(N)，若非工作腔与油箱或大气相连时，则P背=0。5.211a,b,c,d,ef六条气路，在转柱上端用管接头和气管分别将压缩空气引到手腕回转气缸(a,b气路)，手部夹紧气缸(d气路)和手臂伸缩气缸(c,e气路)f气路，将压缩空气引到升降缸上腔314进行导435后，即带动6,7J,K两5来实现。最大可调行程为170mm,15-30mm,200mm89的位置而定。1根据手臂伸缩运动的驱动力公式:F=Ff

其中，由于手臂运动从静止开始，所以摩攘系数:ZL345f=0.17.质量计算:手臂伸缩70kg55kg.接触面积:S=O.5m2

70100.5350NF=Ff

35070600

55100.5275NF=Ff

=27555600103/则上料时:F=15401.2=1850(N)下料时:F=9351.2=11202

F2 其中 P——代入有关数据，得当推力做功时=4

1/π51030.4当拉力做功时根据设计要求,此活塞杆为空心活塞杆，目的是杆内将装有3可能大，假设取d=70mm,d0校核如下:(按纵向弯曲极限力计算气缸承受纵向推力达到极限力Fk以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使推力负载(气缸工作负载F1与工作总阻力Fz之和)小于极限力Fk。该极限力与气缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。有关公式为FK1

Lnk 式中 L——活塞杆计算长度d2dd2dA——

，m f——材料强度实验值，对钢取f=2.1107Pa代入有关数据，得FK1

Lnk 11/5000300103 7010325610311/5000300103 701032561032/推力负载为

代入有关数据，得

FF=π0.4106100103 FfFz<<4,根据公式：δ式中Pp为实验压力，取Pp=1.5P=0.6106ZL3，则[σ]=3MPaδ1001030.6 23=101ab，每个节动到定位前的减速位置时(20-40mm;15^-30mm)，运5a、单向阀5ABc流到右腔，油液继续缓冲器的级冲行程范围为28-39mm)a,b来实现，第二级缓冲的阻尼力可以调节节流c来实现(见缓冲工作原理图)30mm时，该缓冲器可以达到平均减速度约为24m/s20.03s.连接式的液压缓冲器，缓冲器第一级节流阻尼由单向节流阀(L1-25)4完成，第二级节流阻尼由装在A控制。每当手臂旋转要求有中间定位点时，挡块气缸活塞杆作一次伸缩运动，其动作时间与手1，使挡块气缸向左移动，左边缓冲油23中，从而起到缓冲作用.当此工位工作完毕，发出信号A1B进入气一0.2s以内。0-24mrn4,1500-2000N;在第二段行程24-40mm700-1000N6.16-1所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机(排气压力大于0.4～0.6MPa)通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电6-1Fig.6-1PrincipiumDiagramOfAirPressureSystemof第七章机械手的PLC(PLC)对机械手进行控制.PLC程序即FPC,德国西门子公司SIMATICN5PCOMRON(立石)C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造OMRONC28P型可编程序控制器。4个阶段。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询I/0状态表.器叫输入状态暂存器;CPUI/0状态在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的I/0I/0I/0状态和有关I/0状态表的输出状态暂存器中。的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。I/0器(LCDCRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。图、助记符程序、编辑、甚至调试)IBM-PC机，只要这个机器配有相应EPROM12当按下机械手启动按钮之后，机械手有如下动作先右转至右限位开关动作(1DT通电)→下降至下限位开关(5DT通电)→90°(7DT通电)→手臂伸长至限位开关(3DT通电)→检查有无物品，若有物品，手爪抓紧(9DT通电)→手臂收缩至限位开关(4DT通电)→上升至上限位开关(6DT通电)→左转至左限位开关动作(2DT通电→90°(8DT通电)→手臂伸长至最长(3DT通电)→手爪松开(IODT通电)→→手臂收缩最短(4DT通电)34,I/0OMRONC28PPC16个输入点，0000^0015;120500-0511.5、梯形图设计1/0分配，画出控制梯形图，如附图所示。由梯腕逆转到位(00