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搬运机器人结构设计 毕业设计正文

发布于:2019-10-17  |   作者:admin  |   已聚集:人围观

  搬运机器人结构设计 毕业设计正文_工学_高等教育_教育专区。南昌航空大学学士学位论文 4-DOF 搬运机器人的结构设计 学生姓名: 指导老师: 班级: 摘要:在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,工业机器人 作为自动化生产线上的重要成

  南昌航空大学学士学位论文 4-DOF 搬运机器人的结构设计 学生姓名: 指导老师: 班级: 摘要:在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,工业机器人 作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平 和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前,工业机器人主要 承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。 本文研究了国内外机械手发展的现状,通过学习机械手的工作原理,熟悉了搬运 机器人的运动机理。在此基础上,确定了四自由度搬运机器人的基本系统结构,对搬 运机器人的结构进行了简单的强度计算,完成了搬运机器人机械方面的设计(包括传 动部分、执行部分、驱动部分)和简单的三维实体造型工作。本设计为四自由度圆柱 坐标型工业机器人,其工作方向为两个直线方向、一个旋转方向和一个气爪运动。机 器人的机械结构主要包括由三个电磁阀控制的气缸来实现机器人的上升下降运动及 夹紧工件的动作,一个步进电机控制机器人的正反转。 在控制器的作用下,搬运机器人执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一 简单的动作。设计的搬运机器人运用于自动化生产线,实现自动化生产,减轻产业工 人大量的重复性劳动,同时又可以提高劳动生产率,本文是对整个设计工作较全面的 介绍和总结。 关键词:搬运机器人,强度计算,结构设计 指导老师签名: 1 南昌航空大学学士学位论文 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, 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 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 mechanism . On this basis, identified 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 four 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 manipulator 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 repetitive 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 2 南昌航空大学学士学位论文 Signature of Supervisor: 目录 摘 要............................................................................................................................................. 1 Abstract......................................................................................................................................... 2 目 录............................................................................................................................................. 3 1 绪论..................................................................................................................................... 4 1.1 搬运机器人概述............................................................................................................... 4 1.2 搬运机械人的应用简况................................................................................................... 6 1.3 搬运机器人的应用意义................................................................................................... 7 1.4 机械手的发展概况与发展趋势....................................................................................... 7 1.5 本论文的主要工作........................................................................................................... 9 2 搬运机械手总体设计方案............................................................................................... 10 2.1 自由度和坐标系的选择................................................................................................. 10 2.2 搬运机器人的组成......................................................................................................... 11 2.3 搬运机器人的技术参数................................................................................................. 13 2.4 搬运机器人结构简图..................................................................................................... 14 3 零部件结构设计.............................................................................................................. 15 3.1 夹持式手部结构............................................................................................................. 15 3.2 臂部的设计及有关计算................................................................................................. 16 3.3 步进电机的选型............................................................................................................. 21 3.4 联轴器的选择设计......................................................................................................... 22 3.5 机座设计及电磁阀的选择............................................................................................ 24 4 结构强度计算、尺寸设计与校核................................................................................... 28 4.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核................................................................................. 28 4.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核................................................................................. 29 4.3 步进电机的尺寸设计与校核......................................................................................... 30 4.4 总体结构图、实体图的绘制......................................................................................... 32 5 控制系统........................................................................................................................... 34 5.1 PLC 的主要特点............................................................................................................. 34 3 南昌航空大学学士学位论文 5.2 PLC 的发展阶段............................................................................................................. 35 5.3 PLC 的选择..................................................................................................................... 35 5.4 机械手的循环工作说明................................................................................................. 36 6 结论................................................................................................................................... 37 参考文献....................................................................................................................................... 39 致谢............................................................................................................................................... 41 附录 A 4-DOF 搬运机器人的结构设计 1 绪论 1.1 搬运机器人概述 搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手,机械手的发展是由于它的积极作用 正日益为人们所认识:其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的 要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要 的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产 率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大 量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污 染的场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果, 受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。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。 4 南昌航空大学学士学位论文 机器人就是用机器代替人手,把工件由某个地方移向指定的工作位置,或按照工 作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用 机器人,也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可以 根据任务的需要编制程序,以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之 外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的,称为操作机 (Manipulator)。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后 来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属 于这一范畴。第三类是专业机器人,主要附属于自动机床或自动生产线上,用以解决 机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”,它是 为主机服务的,由主机驱动。除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。 机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型,其中关节型机器人以其结构紧 凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样 一些特点,成为机器人中使用最多的一种结构形式,世界一些著名机器人的本体部分 都采用这种机构形式的机器人。 要机器人像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、 关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构;像肌肉那样使手臂运动的驱动-传 动系统;像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。 一般而言,机器人通常就是由执行机构、驱动-传动系统和控制系统这三部分组成, 如图 1-1 所示。 图 1-1 机器人的一般组成 对于现代智能机器人而言,还具有智能系统,主要是感觉装置、视觉装置和语言 识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”,使它能识别物体和躲避障碍 5 南昌航空大学学士学位论文 物,以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的,或者说并不 是简单的叠加在一起,从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能,机 器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关 系如图 1-2 所示。 图 1-2 机器人各组成部分之间的关系 机器人的机械系统主要由执行机构和驱动-传动系统组成。执行机构是机器人赖以完 成工作任务的实体,通常由连杆和关节组成,由驱动-传动系统提供动力,按控制系 统的要求完成工作任务。 1.2 搬运机械人的应用简况 在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中, 加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法,程控机床、 数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。 但除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现 机械化。据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有 75%是小批量生产;金属加 工生产批量中有四分之三在 50 件以下,零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产 时间的 5%。从这里可看出,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为 实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,适用于 可变换生产品种的中、小批量自动化生产,广泛应用于柔性自动线。 国内外机械工业机搬运械手主要应用于以下几方面: 1)热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动,很久以来就要求实现自动化。为了提高工 作效率,和确保工人的人身安全,尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作 业就更需要采用机械手操作。 6 南昌航空大学学士学位论文 2)冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工 时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用,成为设备的一 个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用,成为机床、设备上下工序联接的 重要于段。 3)拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一,促进了机械手的发展。目 前国内铁路工厂、机务段等部门,已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装 卸轴箱、组装轮对、清除石棉等,减轻了劳动强度,提高了拆修装的效率。近年还研 制了一种客车车内喷漆通用机械手,可用以对客车内部进行连续喷漆,以改善劳动条 件,提高喷漆的质量和效率。 近些年,随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用, 工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。 1.3 搬运机器人的应用意义 在机械工业中,搬运机器人的应用意义可以概括如下: 1)可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配 等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械 化和自动化的步伐。 2)可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪 声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作 是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大 大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替 人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3)可以减少人力,便于有节奏地生产 应用机械人代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机 械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动化机床和综合加工 7 南昌航空大学学士学位论文 自动生产线上,目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便 于有节奏地进行生产。 综上所述,有效地应用机器人是发展机械工业的必然趋势。 1.4 机械手的发展概况与发展趋势 专用机械手经过几十年的发展,如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通 用机械手的应用和发展,进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容, 不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识,而且还应用一些电子技术、电视技术、 通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等,因此它是一项综合性较强 的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视,几十年来,这项技术的研究和发 展一直比较活跃,设计在不断地修改,品种在不断地增加,应用领域也在不断地扩大。 1.4.1 机器手发展概况 早在 40 年代,随着原子能工业的发展,已出现了模拟关节式的第一代机械手。 50~60 年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。 这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。 60~70 年代,又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上, 亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。 80-90 年代,装配机械手处于鼎盛时期,尤其是日本。 90 年代机械手在特殊用途上有较大的发展,除了在工业上广泛应用外,农、林、 矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。 90 年代以后,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机械手 技术也得到飞速的多元化发展。 总之,目前机械手的主要经历分为三代: 第一代机械手主要是靠人工进行控制,控制方式为开环式,没有识别能力;改进 的方向主要是将低成本和提高精度;第二代机械手设有电子计算机控制系统,具有视 觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把接收到的信息反馈,使 机械手具有感觉机能;第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机 和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性系统 FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步,针对于上述各个领域的机器人系 统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大 的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计 8 南昌航空大学学士学位论文 算机集成制造(CIM)要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研 究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平,要求机器人系统具有开放结构和集成 各种外部传感器的能力。 1.4.2 机械手的发展趋势 目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,数量、品种、 性能方面都不能满足工业生产发展的需要。 因此,国内主要是逐步扩大机械手应用范围,重点发展铸锻、热处理方面的机械 手,以减轻劳动强度,改善作业条件。在应用专用机械手的同时,相应地发展通用机 械手,有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。 将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及适于不同 类型的夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不用的典 型部件,即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造,又便于改换工作,扩大 了应用的范围。同时要提高精度,减少冲击,定位精确,以更好地发挥机械手的作用。 此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能地机械手,并考 虑于计算机联用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 在国外机械制造业中,工业机械手应用较多,发展较快。目前主要用于机床、模 锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业中,它可按照事先制定的作业程序完成规 定的操作,但是还不具备任何传感反馈能力,不能应付外界的变化。如发生某些偏离 时,就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此,国外机械手的发展趋势是大力研 制具有某些智能的机械手,使其拥有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,做出 相应的变更。如位置发生稍些偏差时,即能更正,并自行检测,重点是研究视觉功能 和触觉功能。 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪(即距离传感器)以及卫 星计算机。工作时,电视照相机将物体形象变成视频信号,然后传送给计算机,以便 分析物体的种类、大小、颜色和方位,并发出指令控制机械手进行工作。 触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找 工件,通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用,然后伸向前方,抓住工件。 手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制,达到自动调整握力的 大小。总之,随着传感技术的发展,机械手的装配作业的能力将进一步提高。到 1995 年,全世界约有 50%的汽车由机械手装配。 现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结 9 南昌航空大学学士学位论文 合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 1.5 本论文的主要工作 本文研究了国内外机械手发展的现状,通过学习机械手的工作原理,熟悉了搬运 机器人的运动机理。在此基础上,确定了四自由度搬运机器人的基本系统结构,对搬 运机器人的结构进行了简单的强度计算,完成了搬运机器人机械方面的设计(包括传 动部分、执行部分、驱动部分)和简单的三维实体造型工作。 本课题将要完成的主要工作如下: 1) 选取机械手的座标型式和自由度; 2) 确定四自由度搬运机器人驱动系统的类型; 3) 确定四自由度搬运机器人的整体结构设计方案; 4) 设计出机械人的各执行机构,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; 5) 零部件结构强度计算与校核; 6)绘制机器人的各零部件图,并完成搬运机器人装配图,最后运用三维软件画出 实体图; 7)控制方案的设计。 2 搬运机器人总体设计方案 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气动上下料机械手,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,它可用于操作环境恶劣,劳动强度大和操 作单调频繁的生产场合。 2.1 自由度和坐标系的选择 机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独 10 南昌航空大学学士学位论文 立运动数,对于一个构件来说,它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件 自由度的总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较 困难的,因为人的手指、掌、腕、臂由 19 个关节组成,共有 27 个自由度。而生产实 践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为 3-6 个(不包括手部)。本次设计的 搬运机器人为 4 自由度即:手爪张合;臂部伸缩;臂部升降;臂部回转。 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节 型结构四种。各结构形式及其相应的特点,分别介绍如下: 1) 直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线(a) 所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制,所以,直角坐标机器人有可能达到 很高的位置精度(μm 级)。但是,这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结 构尺寸来讲,是比较小的。因此,为了实现一定的运动空间,直角坐标机器人的结构 尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业 及搬运作业,直角坐标机器人有悬臂式、龙门式、天车式三种结构。 2)圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线(b)。这种机器人构造比较简单,精度还可以,常用于搬运作业。其工作空间是 一个圆柱状的空间。 3)球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线 (c)。这种机器人结构简单、成本较低,但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工 作空间是一个类球形的空间。 4) 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的,如图 2-1(d)。关节型机器 人动作灵活,结构紧凑,占地面积小。相对机器人本体尺寸,其工作空间比较大。此 种机器人在工业中应用十分广泛,如焊接、喷漆、搬运、装配等作业,都广泛采用这 种类型的机器人。 关节型机器人结构,有水平关节型和垂直关节型两种。 根据要求及在实际生产中的用途,本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。 11 南昌航空大学学士学位论文 (a)直角坐标型(b)圆柱坐标型(c)球坐标型(d)关节型 图 2-1 四种机器人坐标形式 2.2 搬运机器人的组成 搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 2.2.1 执行机构 1)手部 手部既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构 简单)。手部多为两指(也有多指);根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以用负 压式或真空式的空气吸盘(主要用于可吸附的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁 吸盘。 传力机构形式较多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿 条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择气动手爪手部结构。 本次设计的搬运机器人手部执行部件如图 2-2。 12 南昌航空大学学士学位论文 图 2-2 搬运机器人手部执行部件示意图 如图 2-2 的机构简图,手部执行依靠气缸的伸缩运动来实现其张合运动,结构紧 凑,产生的驱动力也必将大。 2)腕部 腕部是连接手部和臂部的部件,并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的 动作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、 上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求, 有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动 驱动手部搬运工件。 3)臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹 具),并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方 位),则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基 本要求,即手臂的伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现, 从臂部的受力情况分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身 运动较为多,受力复杂。因此,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精 13 南昌航空大学学士学位论文 度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部 的回转运动。手臂的运动参数:伸缩行程:100mm;伸缩速度:200mm/s;升降行程: 200mm;升降速度:250mm/s;回转范围: 0 ~ 180 。机器人手臂的伸缩使其手臂的工 作长度发生变化,在圆柱坐标式结构中,手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的 圆柱表面直径。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。 4)机座 机座是机身机器人的基础部分,起支撑作用。对固定式机器人,直接联接在地面 上,对可移动式机器人,则安装在移动结构上。机身由臂部运动(升降、平移、回转 和俯仰)机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且,臂部的升降、回转或俯仰 等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多,机身的结构和受力越 复杂。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构;臂部和机身的配 置型式采用立柱式单臂配置,其驱动源来自步进电机。 2.2.2 驱动机构 驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同,工业机械手的驱动 机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。 液压驱动压力高,可获得大的输出力,反应灵敏,可实现连续轨迹控制,维修方 便,但是,液压元件成本高,油路比较复杂。气动驱动压力低,输出力较小如需要输 出力大时,其结构尺寸过大,阻尼效果差低速不易控制,但结构简单,能源方便,成 本低。电动机驱动有:异步电动机、步进电动机为动力源,电动机使用简单,且随着 材料性能的提高,电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运机器人的驱动机构采用气 动和步进电机相结合驱动的方式。 2.2.3 控制机构 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。 2.3 搬运机器人的技术参数 1)用途:用于车间搬运 2)设计技术参数: a) 抓重:1Kg(平行气爪); b) 自由度数:4 个自由度(手爪张合;臂部伸缩;臂部回转;臂 部升降 4 个运动); 14 南昌航空大学学士学位论文 c) 坐标型式:圆柱坐标系; d) 最大工作半径:300mm; e) 手臂最大中心高:591mm; f) 手臂运动参数: 伸缩行程:100mm; 伸缩速度:200mm/s 升降行程:200mm 升降速度:250mm/s 回转范围:0~180° 回转速度:45°/s 2.4 搬运机器人结构简图 结构简图如下图 2-3 图 2-3 四自由度搬运机器人结构简图 1-步进电机 2-标准气缸 3-标准气缸 4-平行气爪 3 零部件的结构设计 15 南昌航空大学学士学位论文 3.1 夹持式手部结构 机器人的手部是机器人最重要的部件之一,从其功能和形态上看,分为工业机器 人的手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多,也较成熟,后者正在发展中。 工业机器人的手部夹持器(亦称抓取机构)是用来握持工件或工具的部件,由于 被握持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同。其手部结构也是多种多样 的,大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的,按握持原理的不同, 常用的手部夹持器分为如下两类: 1)夹持式:包括内撑式与外夹式,常用的还有勾托式和弹簧式等。 2)吸附式:包括气吸式与磁吸式等。 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。 3.1.2设计时考虑的几个问题 1)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。 2)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。 3)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。 4)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯 性力和振动的影响,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,当应尽量使结 构简单紧凑,自重轻。 16 南昌航空大学学士学位论文 5)考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是平行气动手爪。 搬运工件是小于一千克的物体,所以我们选择 MHZ2-40C 型气动手爪。夹紧装置依靠 气缸的伸缩实现手爪的张开和闭合,这种型号的气爪夹持力范围在 300-800N,足够夹 紧 1 千克的工件。平行气动手爪其结构如图 3-1 所示。 图 3-1 平行气动手爪结构图 3.2 臂部的设计及有关计算 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工件或工 具),并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括 3 个运动:伸缩、回转和升降。本 节叙述手臂的伸缩运动,手臂的回转和升降运动设置在机身处,将在下一节详述。 臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方 位),则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部应该具备 3 个自由度才能满 足基本要求,既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构 17 南昌航空大学学士学位论文 和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中即直接承受腕部、手部、 和工件的静、动载荷,而且自身运动较多。因此,它的结构、工作范围、灵活性等直 接影响到机械手的工作性能。 3.2.1 臂部设计的基本要求 臂部设计首先要实现所要求的运动,为此,需要满足下列各项基本要求: 1) 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 对于机械手臂部或机身的承载能力,通常取决于其刚度。以臂部为例,一般结构 上较多采用悬臂梁形式(水平或垂直悬伸)。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大,则刚度 愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷 能力影响很大。为提高刚度,除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外,尚应注意以下几方面: a)根据受力情况,合理选择截面形状和轮廓尺寸; b)提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离; c)合理布置作用力的位置和方向; d)注意简化结构; e)提高配合精度。 2) 臂部运动速度要高,惯性要小 机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一,它反映机械手的生产水平。对 于高速度运动的机械手,其最大移动速度设计在 250mm/s 最大回转角速度设计在 90 / s 内,大部分平均移动速度为 200mm/s,平均回转角速度在 45 / s 。在速度和回 转角速度一定的情况下,减小自身重量是减小惯性的最有效,最直接的办法,因此, 机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有 4 个途径: a)减少手臂运动件的重量,采用铝合金材料; b)减少臂部运动件的轮廓尺寸; c)减少回转半径ρ,再安排机械手动作顺序时,先缩后回转(或先回转后伸缩), 尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作; d)在驱动系统中设缓冲装置。 3) 手臂动作应该灵活 为减少手臂运动之间的摩擦阻力,尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式 的机械手,其传动件、导向件和定位件布置合理,使手臂运动尽可能平衡,以减少对 升降支撑轴线的偏心力矩,特别要防止发生机构卡死(自锁现象)。为此,必须计算 使之满足不自锁的条件。 18 南昌航空大学学士学位论文 4) 位置精度要求高 一般来说,直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高;关节式机械手的位置精 度最难控制,故精度差;在手臂上加设定位装置和检测结构,能较好地控制位置精度, 检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件间的间隙。 5) 设计合理 合理设计与腕和机身的连接部位,臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强 度、刚度和承载能力,而且还直接影响到机器人的外观。 总结:除此之外,要求机械手的通用性要好,能适合多种作业的要求;工艺性好, 便于加工和安装;用于热加工的机械手,还要考虑隔热、冷却;用于作业区粉尘大的 机械手还要设置防尘装置等。 以上要求是相互制约的,应该综合考虑这些问题,只有这样,才能设计出完美的、 性能良好的机械手。 3.2.2 手臂的典型机构及结构的选择 1)手臂的典型运动机构 常见的手臂伸缩机构有以下几种: a)双导杆手臂伸缩机构; b)手臂的典型运动形式有:直线运动,如手臂的伸缩,升降和横向移动;回转运 动,如手臂的左右摆动,上下摆动;符合运动,如直线运动和回转运动组合,两直线 运动的双层液压缸空心结构; c)双活塞杆液压缸结构; d)活塞杆和齿轮齿条机构。 2)手臂运动机构的选择 通过以上,综合考虑,本次设计选择气缸伸缩机构,使用气压驱动,水平伸缩气缸选 用伸缩式气缸。 3.2.3 伸缩手臂气缸直径选择 本设计气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理,单向作用气缸2活塞杆上的输 出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力,其公式为: F1 ? ?D 2 P 4 ? Ft ? Fz (3-1) 上式中: F1 - 活塞杆上的推力,N 19 南昌航空大学学士学位论文 Ft - 弹簧反作用力,N Fz - 气缸工作时的总阻力,N P - 气缸工作压力,Pa 弹簧反作用按下式计算: Ft ? G f ? s Gf ? Gd 4 1 D13n Gf = Gd 4 1 8 D13 n 上式中: G f - 弹簧刚度,N/m 1- 弹簧预压缩量,m s - 活塞行程,m d1 - 弹簧钢丝直径,m D1 - 弹簧平均直径,. n - 弹簧有效圈数. G - 弹簧材料剪切模量,一般取 G ? 79.4 ?109 Pa 在设计中,必须考虑负载率? 的影响,则: F1 ? ?D 2 p? 4 ? Ft 由以上分析得单向作用气缸的直径: D? 4(F1 ? Ft ) ?p? 代入有关数据,可得 G f ? Gd14 8 D13 n ? 79.4 ?109 ? (3.5 ?10?3 ) 4 8 ? (30 ?10?3 )3 ? 50 ? 1103.24(N / m) Ft ? G f ? s ? 1103.24 ?100 ?10?3 ? 110.3(N ) 20 (3-2) (3-3) (3-4) 南昌航空大学学士学位论文 所以: D ? 4(F1 ? Ft) ? ?pn 4 ? (100 ? 110.3) ? ? 0.5 ?106 ? 23.14(mm) 查有关手册圆整,得 D ? 20mm 3.2.4 升降手臂气缸直径选择 设计气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理,单向作用气缸1活塞杆上的输出 推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力,其公式为: F1 ? ?D 2 P 4 ? Ft ? Fz (3-5) 上式中: F1 - 活塞杆上的推力,N Ft - 弹簧反作用力,N Fz - 气缸工作时的总阻力,N P - 气缸工作压力,Pa 弹簧反作用按下式计算: Ft ? G f ? s Gf ? Gd14 D13 n Gf = Gd14 8 D13 n 上式中: G f - 弹簧刚度,N/m 1- 弹簧预压缩量,m s - 活塞行程,m d1 - 弹簧钢丝直径,m (3-6) D1 - 弹簧平均直径,. n - 弹簧有效圈数. G - 弹簧材料剪切模量,一般取 G ? 79.4 ?109 Pa 在设计中,必须考虑负载率? 的影响,则: 21 南昌航空大学学士学位论文 F1 ? ?D 2 p? 4 ? Ft 由以上分析得单向作用气缸的直径: D? 4(F1 ? Ft ) ?p? 代入有关数据,可得 G f ? Gd14 8 D13 n ? 79.4 ?109 ? (3.5 ?10?3 ) 4 8 ? (30 ?10?3 )3 ?100 ? 551.62(N / m) (3-7) (3-8) Ft ? G f ? s ? 551.62 ? 200 ?10?3 ? 110.3(N ) 所以: D ? 4(F1 ? Ft) ? ?pn 4 ? (500 ? 110.3) ? ? 0.5 ?106 ? 39.43(mm) 查有关手册圆整,得 D ? 40mm 3.3 步进电机选型 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非 超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受 负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方 向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控 制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机流行于 20 世纪 70 年代, 70 年代中期以后多用宽调速直流伺服电机, 进入 80 年代以来,交流 伺服电机调速技术取得了突破性进展, 并大举进入电气传动调速控制的各个领域, 占据了绝对优势。但是, 步进电机结构简单、价格低廉、容易控制、维修方便, 而且 随着计算机技术的发展, 其驱动控制除功率放大电路外, 都可以由软件实现。因此, 本设计选用步进电机来带动气缸的回转。 3.3.1 工作原理 步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供 电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱 22 南昌航空大学学士学位论文 动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器 虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机 在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。 因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化 控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个 国民经济领域都有应用。 3.3.2 步进电机的特点与选用 步进电机具有如下特点 1)一般步进电机的精度为步进角的 3-5%,且不累积。 2)步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因 此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材 料的退磁点都在摄氏 130 度以上,有的甚至高达摄氏 200 度以上,所以步进电机外表 温度在摄氏 80-90 度完全正常。 3)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电 动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力 矩下降。 4)步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 本设计是一个小型的气动机械手,需要的转矩不大,查阅相关资料,同时根据步 进电机的特点我们选用二相混合式步进电机,初步定为拓达步进电机型号为 TDA332-S。 3.4 联轴器的选择设计 3.4.1 联轴器的类型 根据联轴器有无弹性元件、对各种相对位移有无补偿能力,即能否在发生相对位 移条件下保持联接功能以及联轴器的用途等,联轴器可分为刚性联轴器,挠性联轴器 和安全联轴器。联轴器的主要类型、特点及其在作用,详见表 3-1。 表 3-1 联轴器类型 23 南昌航空大学学士学位论文 类别 在传动系统中的作用 备注 刚性联轴 只能传递运动和转矩,不具备其 包括凸缘联轴器、套筒联轴器、夹 器 他功能 壳联轴器等 无弹性元件的挠性联轴器,不 仅能传递运动和转矩,而且具有不 包括齿式联轴器、万向联轴器、 同程度的轴向、径向、角向补偿性 链条联轴器、滑块联轴器等 能 挠性联轴 有弹性元件的挠性联轴器,能 器 包括各种非金属弹性元件挠性 传递运动和转矩;具有不同程度的 联轴器和金属弹性元件挠性联轴器, 轴向、径向、角向补偿性能;还具 各种弹性联轴器的结构不同,差异较 有不同程度的减振、缓冲作用,改 大,在传动系统中的作用亦不尽相同 善传动系统的工作性能 传递运动和转矩,过载安全保 安全联轴 包括销钉式、摩擦式、磁粉式、 护。挠性安全联轴器还具有不同程 器 离心式、液压式等安全联轴器 度的补偿性能 3.4.2 联轴器类型的选择 选择联轴器类型时,应考虑: 1)所需传递转矩的大小和性质、对缓冲、减振功能的要求以及时否可能发生共振 等。 2)由制造和装配误差、轴受载和热膨胀变形以及部件之间的相对运动等引起两轴 轴线)许用的外形尺寸和安装方法,为了便于装配、调整和维修所必需的操作空间。 对于大型的联轴器,应能在轴不需作轴向移动的条件下实现装拆。 此外,还应考虑工作环境、使用寿命以及润滑和密封和经济性等条件,再参考各 类联轴器特性,选择一种合用的联轴器类型。 3.4.3 联轴器的选择与绘制 由于设计的气动式机械手的转矩很小,我采用的是自己设计的安全联轴器,外形 尺寸有利于安装、调整和维修,而且联轴器不容易松动。CAD 绘制联轴器如图 3-2 所 示 24 南昌航空大学学士学位论文 图 3-2 联轴器结构图 3.5 机座设计及电磁阀的选择 机座是直接支撑手臂的部件。臂部的运动越多,机座的受力情况就越复杂,负载 也越大。机座是可以固定的,也可以是行走的,既可以沿地面或架空轨道运动。本设 计的是小型气动机械手,结构比较简易,重量也很小,所以机座的设计也很简单。 3.5.1 机座的整体设计 按照设计要求,机械手要实现手臂180 的回转运动,实现手臂的回转运动机构一 般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构,就要综合考虑分析。机座承载着手臂, 做回转,升降运动,是机械手的重要组成部分。经过综合考虑,本设计选用步进电机 置于升降缸之下的结构。手臂部件与步进电机的轴联接。机座具体结构见图 3-3。 25 南昌航空大学学士学位论文 图 3-3 机座结构图 3.5.2 电磁阀的选择 电磁阀是用来控制流体方向的自动化基础元件,属于执行器;通常用在机械控制 和工业阀门上面,通过一个电磁线圈来控制阀芯位置,切断或接通气源以达到改变流 体流动方向的目的,来对介质方向进行控制,从而达到对阀门开关的控制。当有电流 通过线圈时,固定铁芯吸合动铁芯,改变滑阀芯的位置,发生励磁作用,动铁芯带动滑 阀芯并压缩弹簧,从而改变流体的方向。当线圈失电时,依靠弹簧的弹力推动滑阀芯, 顶回动铁芯,使流体按原来的方向流动。 电磁阀从原理上分为三大类: 1)直动式电磁阀。 它分常开、常闭两种。图为直动常闭电磁阀,在断电时, 电磁阀呈关闭状态, 当 电磁阀线圈通电后, 产生的电磁力使动铁芯与静铁芯吸合, 直接开启阀口, 介质从 进口流向出口, 当线圈断电后,动铁芯在复位弹簧的作用下复位, 直接关闭阀口, 而 切断了介质的流通。常开式则断电时阀门开启, 通电时,阀门关闭。 特点:结构简 26 南昌航空大学学士学位论文 单、动作可靠,在零压差或真空下能正常工作,可任意方向安装, 但一般适用于通径在 25mm 以下。 2)分步直动式电磁阀。 它由主阀与导阀组成, 动作分步实现, 而电磁力直接吸合动铁芯到主阀芯。如图 3-4 为常闭式, 当电磁线圈通电后, 产生的电磁力使动铁芯与静铁芯吸合, 导阀口 开启而导阀口设在主阀芯上, 动铁芯与阀芯通过机械方式直接连续一起。此时, 主阀 上腔的压力通过导阀口卸荷, 由于压力差和电磁力的联合作用, 使主阀芯向上运动, 开启主阀介质流通。当线圈断电时, 电磁力消失, 动铁芯因自重脱离静铁芯, 并关闭 了导阀孔, 此时介质从平衡孔进入主阀芯上腔, 使上腔压力升高, 在主阀芯自重的 作用下, 阀门关闭, 介质断流。 特点:在压差等于零及抽真空时亦能可靠动作,但功 率消耗较大,通径受一定限制,且应竖直安装。 图 3-4 常闭分步直动式电磁阀 3)先导式电磁阀。 它由先导阀与主阀组成, 两者有通道联系着, 如图 3-5 当电磁线圈通电, 动铁 芯与静铁芯吸合而导阀孔①开放, 阀芯背腔②的压力通过导阀孔①流向出口, 此时 阀芯背腔②的压力低于进口侧的压力, 利用压差使得阀芯脱离主阀座③, 介质从进 口流向出口。当线圈断电, 动铁芯与静铁芯脱离, 关闭了导阀孔①, 阀芯背腔②压力 受进口侧压力关闭了导阀孔①, 阀芯背腔②压力受进口侧压力的补充逐渐趋于和进 口侧平衡, 阀芯因弹簧作用把阀门关闭。先导阀也可配常开式。特点:功率消耗低、 27 南昌航空大学学士学位论文 通径较大, 而结构简单、安装方向任意, 但只能用于电磁阀两端有一定压差的场合。 图 3-5 先导式电磁阀 在生产中常用的电磁阀有二位二通、二位三通、二位四通、二位五通等。 二位二通(1 个进气、1 个出气) 二位三通(1 个进气、1 个出气、1 个排气) 二位四通(1 个进气、2 个出气、1 个排气) 二位五通(1 个进气、2 个出气、2 个排气) 电磁阀分为常闭型和常开型两种,常闭型指线圈没通电时气路是断的,常开型指 线圈没通电时气路是通的。电磁阀选型应该依次遵循安全性,可靠性,适用性,经济 性四大原则和六个现场工况要求。本设计为标准单作用气缸,查阅相关资料,应该选 择而位三通直动式电磁阀比较合适。电磁阀 1 控制气缸 1,电磁阀 2 控制气缸 2,电 磁阀 3 控制气动手爪,电磁阀型号都为 VKF332。 28 南昌航空大学学士学位论文 4 结构强度计算、尺寸设计与校核 4.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 4.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计 手臂伸缩气缸采用标准气缸,参看各种型号的结构特点,尺寸参数,结合本设 计的实际要求,尺寸系列初选内径为? 20,气缸用CM2C20-100S型气缸: 4.1.2 尺寸校核 1.在校核尺寸时,只需校核气缸内径 D1 =20mm,半径R=10mm的气缸的尺寸满足使 用要求即可,设计使用压强 P ? 0.4MPa , 则驱动力: F ? P ??R 2 (4-1) ? 0.4 ?106 ? 3.14 ? 0.0102 ? 125.6(N ) 手爪质量约为1kg,物体重量1kg,设计加速度 a ? 5(m / s) , G=mg=2x10=20(N) 则惯性力 F1 ? ma ? 2?5 ? 10(N ) 2.考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数 k ? 0.2 , Fm ? k.F1 ? 0.2 ?10 ? 2(N ) (4-2) (4-3) ? 总受力 F0 ? F1 ? Fm ? 10 ? 2 ? 12(N ) F0 ? F 所以标准CM2C20-100S型号气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。 4.1.3 气缸图形绘制 气缸2的CAD图如图4-1 29 南昌航空大学学士学位论文 图4-1 气缸2结构尺寸图 4.2手臂升降气缸的尺寸设计与校核 4.2.1 手臂升降气缸的尺寸设计 手臂升降气缸采用标准气缸,参看各种型号的结构特点,尺寸参数,结合本设 计的实际要求,尺寸系列初选内径为? 40,气缸用CM2B40-200S型气缸: 4.2.2 尺寸校核 气缸运行长度设计为 l =200mm,气缸内径为 D1 =40mm,半径R=20mm,气缸运行速度,加 速度时间 ?t =0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力 G0 ? p.?R 2`` (4-4) ? 0.4 ?106 ? 3.14 ? 0.0202 ? 502.4(N ) 1.气爪质量约为1kg,工件质量为1kg,气缸2重量约为3kg,则重力 G ? mg ? 5 ?10 ? 50(N ) 2.设计加速度 a ? 5(m / s) ,则惯性力 G1 ? ma ? 5?5 ? 25(N ) 30 南昌航空大学学士学位论文 3. 考虑活塞等的摩擦力,设定一摩擦系数 k ? 0.1 , Gm ? k.G1 ? 0.1? 25 ? 2.5(N ) ? 总受力 Gq ? G ? G1 ? Gm ? 50 ? 25 ? 2.5 ? 77.5(N ) Gq ? G0 所以设计尺寸符合实际使用要求。 4.2.3 气缸的图形绘制 气缸1的CAD图如图4-2 图 4-2 气缸 1 结构尺寸图 4.3 步进电机的尺寸设计与校核 4.3.1 尺寸设计 本设计选择的是2相拓达步进电机,型号为TDA332-S各参数分别为 步距角:1.8° 电压:3.2V 电流:4A 电阻:0.9Ω 电感:2.6mH 31 南昌航空大学学士学位论文 长度:80mm 保持力矩 M:3.2N.M 步进电机运行角速度:45°/s 适配驱动器:DA6280 4.3.2 尺寸校核 参与手臂转动的部件的质量约为 m1 ? 9kg ,分析部件的质量分布情况,质量密度 等效分布在一个半径 r ? 40mm 的圆盘上,那么转动惯量: J ? m1r 2 2 (4-5) ? 9 ? 0.042 ? 0.0072 ( kg.m2 ) 2 M惯 ? ? J. ?t ? 0.0072 ? 90 0.5 ? 1.296(N.m) 考虑轴承间的摩擦力,设定摩擦系数 k ? 0.2 , M 摩 ? k.M 惯 (4-6) (4-7) ? 0.2 ?1.296 ? 0.2(6 N.m) 总驱动力矩 M驱 ? M惯 ? M摩 (4-8) ? 1.296 ? 0.26 ? 1.55(6 N.m) M 驱〈M ? 设计尺寸满足使用要求。 4.3.3 步进电机的图形绘制 步进电机的CAD图如图4-3 32 南昌航空大学学士学位论文 图 4-3 拓达步进电机 TDA332-S 4.4 总体结构图的绘制 4.4.1 CAD绘制总体结构图如下图4-4 33 南昌航空大学学士学位论文 图4-4 总体结构尺寸图 1-机座 2-拓达步进电机 3-联轴器 6-螺母M20 7-单耳环 8-螺母M14 4-气缸1 9-螺母M30 5-气缸2 10-螺栓 34 南昌航空大学学士学位论文 5 控制系统 5.1 PLC的主要特点 1) 高可靠性 a)所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之 间电气上隔离。 b)各输入端均采用 R-C 滤波器,其滤波时间常数一般为 10~20ms。(3)各模块均 采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。 c)采用性能优良的开关电源。 d)对采用的器件进行严格的筛选。 e)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU 立即采用有 效措施,以防止故障扩大。 f)大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统,使可靠 性更进一步提高。 2) 丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号,如:交流或直流;开关 量或模拟量;电压或电流;脉冲或电位;强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现 场的器件或设备,如:按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控 制阀等直接连接。 3) 采用模块化结构为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型 PLC 以外, 绝大多数 PLC 均采用模块化结构。PLC 的各个部件,包括 CPU,电源,I/O 等均采用 模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要 自行组合。 4) 编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对 使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解 和掌握。 5) 安装简单,维修方便 PLC 不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运 行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接,即可投入运行。各种 模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块 化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复 运行。 35 南昌航空大学学士学位论文 5.2 PLC 的发展阶段 虽然 PLC 问世时间不长,但是随着微处理器的出现,大规模,超大规模集成电路 技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步,PLC 也迅速发展,其发展过程大致可分 三个阶段: 1) 早期的 PLC(60 年代末—70 年代中期)早期的 PLC 一般称为可编程逻辑控制 器。这时的 PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的含义,其主要功能只是执行原先 由继电器完成的顺序控制,定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现,在 I/O 接口 电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小 规模集成电路,存储器采用磁芯存储器。其中 PLC 特有的编程语言—梯形图一直沿用 至今。 2) 中期的 PLC(70 年代中期—80 年代中,后期)在 70 年代,微处理器的出现 使 PLC 发生了巨大的变化。美国,日本,德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为 PLC 的中央处理单元(CPU)。这样,使 PLC 得功能大大增强。在软件方面,除了保持 其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、 通讯、自诊断等功能。在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟 量模块、远程 I/O 模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量,使各种逻辑线 圈的数量增加,还提供了一定数量的数据寄存器,使 PLC 得应用范围得以扩大。 3) 近期的 PLC(80 年代中、后期至今)进入 80 年代中、后期,由于超大规模集 成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的 PLC 所采 用的微处理器的当次普遍提高。而且,为了进一步提高 PLC 的处理速度,各制造厂商 还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得 PLC 软、硬件功能发生了巨大变化。 5.3 PLC 的选择 可编程逻辑控制器(PLC)是在工业环境中使用的数字操作的电子系统,又称可 编程控制器。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令,这些指令用来实现逻辑 运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种机 电一体化,程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低,特别是 易于控制、价格便宜等特点。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。 36 南昌航空大学学士学位论文 5.4 机械人循环动作说明 电磁阀 3 得电,气动手指张开;延迟 2 s 后电磁阀 2 得电,汽缸 2 伸长;延 迟 2 s 后电磁阀 3 断电,气动手指闭合夹紧工件;延迟 2 s 后电磁阀 1 得电,汽缸 1 上升;延迟 2 s 后步进电机顺时针转动 2 s 刚好转 90°;停顿 1 s 钟后电磁阀 3 得电,气动手指张开松开工件;然后电磁阀 2 断电汽缸 2 回缩,电磁阀 3 断电气 动手指闭合,电磁阀 1 断电,汽缸 1 下降,步进电机逆时针转动转 90°回原点。根 据动作要求得出流程图,如图 4-1 所示。在运用中可根据实际需要修改电路和程序。 原点 气动手指 张开 机械臂伸长 夹紧工件 机械臂 上升 机械手正 转 90° 机械手反 转 90° 机械臂下 降 气动手指 闭合 机械臂回 缩 图 4-1 机械手搬运工件流程图 松开工 件 可编程逻辑控制器(PLC)又称可编程控制器。它是在工业环境中使用的数字操 作的电子系统。它使用可编程存储器存储用户设计的程序指令,这些指令用来实现逻 辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入,输出来控制各种 机电一体化,程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低,特别 是易于、价格便宜等特点,具有广泛的应用前景。正是基于 PLC 这些特点,远远可以 满足该套工业机械手的要求。 6 结论 37 南昌航空大学学士学位论文 为了改善劳动环境,提高生产效率,快速实现工业生产的机械化和自动化,搬运 机器人受到很多国家的重视,并被广泛运用。 本文研究了国内外机器人发展的现状,通过学习机器人的工作原理,熟悉了搬运 机器人的运动机理。在此基础上,确定了搬运机器人的基本系统结构,完成了机器人 机械方面的设计(包括传动部分、执行部分、驱动部分)工作。文章从搬运机器人的 实用方面入手,提出了一套总体设计方案,并根据机器人自由度的要求选取圆柱坐标 系为本次设计坐标系。同时,就搬运机器人的组成(执行机构和驱动机构)以及现实 作业,给出了具体的手部、腕部、臂部和机座的结构形式;并选择气压驱动作为本次 设计的驱动机构。最后用三维软件画出实体图,如图 6-1、图 6-2 所示。 本设计还有很多不足之处,由于自身的知识储备还很浅薄,所以在结构设计、力 的计算及系统分析上还有很多漏洞,这些都需要自己在以后的生活中不断学习研究并 通过实践加以完善。 38 图 6-1 三维实体图 南昌航空大学学士学位论文 图 6-2 三维实体图 参考文献 [1]吴振彪主编.工业机器人[M]. 武汉:华中科技大学出版社,2004 [2]张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社,2007 [3]蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术,2003 [4]金茂青,曲忠萍,张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用 ,2005 [5]王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封,2004 [6]朱世强,王宣银.机器人技术及其应用[M].浙江:浙江大学出版社,2004 [7]孙树栋.工业机器人技术基础[M].西安:西北工业大学出版社,2006 [8]严学高,孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社,2003 [9]谢存禧,张铁.机器人技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2008 [10]黄锡恺,郑文伟.机械原理.北京:人民教育出版社,2006 [11]陆祥生 杨秀莲主编.机械手理论及应用[M]. 北京:中国铁道出版社,1983 [12]杜祥瑛主编.工业机器人及应用[M]. 北京:机械工业出版社,1986 [13]马香峰主编.机器人机构学[M]. 北京:机械工业出版社,1991 [14]隗金文,王慧.液压传动[M].沈阳:东北大学出版社,2001 39 南昌航空大学学士学位论文 [15]丛明,徐晓飞.玻璃基搬运机器人的设计[J].自动化学报,2008, 17(4):1001-2265 [16]范印越.机器人技术[M].北京:电子工业出版社,1988 [17]李成伟 朱秀丽撰写.码垛机器人机构设计与控制系统研究[J] (81-84).机电工程.北京: 北京航空航天大学,1001-4551(2008)12-0081-04 [18] 孟宇撰写.基于机器人装卸物料的研究[J](19-21).现代制造技术与装配.济南: 济南大学,2007 [19]丛明,徐晓飞.玻璃基搬运机器人的设计[J].自动化学报,2008,17(4):1001-2265 [20]王宣银.气动机械臂的控制原理及其实现.机械工程师,2001, 2 [21]张建民.机电一体化系统设计[M].北京:高等教育出版社,2007 [22] 徐永生.气压传动.北京:机械工业出版社,2002 [23]吴振顺.气压传动与控制.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004 [24]郑洪生.气压传动及控制.北京:机械工业出版社,2007 [25]姜培刚.盖玉先. 机电一体化系统设计. 北京:机械工业出版社,2008 [26]SMC (中国) 有限公司. 现代实用技术[M ] 二版.北京: 机械工业出版社, 2003 [27]杨惠英,王玉坤.机械制图[M].北京:清华大学出版社,2002 [28]刘鸿文.材料力学[M].第四版.北京:高等教育出版社,2004 [29]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].第八版.北京:高等教育出版社,2006 [30]成大先主编.机械设计手册(第五版) [M]. 北京:化学工业出版社,2002 [31]熊幸明,曹才开. 一种工业机械手的 PLC 控制.微计算机信息,2006 [32]刘轩,王丽伟. 机械手的 PLC 控制. 机床电器. 2006 [33]张应金. 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