套機械設備設計方案-機械手說明書

1緒1緒選題背組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機使用更普遍。設計目展，越來越多的流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設計能夠應用到國內外研究現(xiàn)狀和趨勢2設計2設計方機械手的總體設計直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(a)球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖(a)直角坐標型 (b)圓柱坐標型 (c)球坐標型 (d)關節(jié)型圖2-1四種機器人坐標形式2-2機械手工作布局圖具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件的質量達30KG，且長度達500MM，動,其中的伸縮和立柱升降為兩個直線運動,另一個為的回轉運動,綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為3，坐標形式選擇圓柱坐標形式，即一個轉動自由度兩個移動自由度，其特點是:結構比較簡單,運動范圍大,且有較高的定位準確度。機械手工作布局圖如圖2-2所示。機械手腰座結構的設計腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器（電動、及氣動）動部分的殼體是由較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小機械手的整體結構，齒輪采具體結構如圖2-3所示：機械 的結構設

2-3機械手的設計要小與機器人的長度，關節(jié)的轉動范圍有密切的關系。但機器人末端工作求，則其末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。為了提高機器人運動速度與制精度，保證機器人足夠強剛度的條件下，盡能在結構上、料上設減輕的重量。求選用高強度質材料，通常選用強度鋁合金制機器人。目前，在國外也在研究用碳維復合材料制造機器。碳纖維合材料拉強度高，抗振性，?。ㄆ湎喈斢阡摰?/4，相當于鋁合金的2/3，但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造進行機器人結構的化設計。在保證所強度與剛度的況下，輕器人重。機器人的相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高機器人運動的響應速度是非常有利的[7]。在設計機器人的時，應盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡殘余的不平衡重量。機器人在結構上要考慮各關節(jié)的限位開關和具有一定緩沖能力的機械機械手的垂直（大臂）升降和水平（小臂）的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)?？紤]到的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅動均選擇驅動方式，通過缸的直接驅動，缸既是驅動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設計另外的執(zhí)行件了；而且缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易機械手腕部的結構設計機器人的運動（包括腰座的回轉運動，給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作其工作空間中的運動姿態(tài)[8]。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人23個，有的需要的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就通過對數(shù)控機下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機臂手爪聯(lián)結梁）結構見圖2-4。水平缸支承手手執(zhí)行機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進量及檢驗業(yè)在設計機器人末端執(zhí)行器時，應注意以下問機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人作業(yè)要求來設計的。一個新的末端執(zhí)行氣動驅動方式這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流電動驅動方式電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流驅動方式驅動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制50mm2-5所示：2-5手爪的結構形式機械手的機械傳動機構的設計適當?shù)淖枘岜龋瑱C械零件產生時，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，各級傳動比的最佳分配原則。當計算出傳動比后，為使系統(tǒng)結構緊湊，角誤差為max，則nnmaxk/式中： 第k個齒輪所具有的轉角誤差

（2-則四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉角誤差（1、2、...、8）換算到末級 1234567 （2- ii i 23 3 諧波齒輪傳動具有結構簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百，傳動精絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦，前者結構簡40%。后者雖然結構復雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效（92%～98%滾珠絲杠的工作絲杠下降，所以，預加載荷不應超過工作載荷的1/3。40m/s具體到本設計，因為選用了缸作為機械手的水平和垂直，由于比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。機械手驅動系統(tǒng)的設計 (1)驅動系速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調速，效率比電動驅動系統(tǒng)低，系統(tǒng)的液體會用伺服驅動系統(tǒng)。只有采用或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電-液轉換元件把控制信號進行功率放馬人驅動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。程序控制機器人的系件，以減小摩擦阻力，提高缸的。伺服控制機器人的系電-液步進缸，回轉伺服執(zhí)行器（RSA-RotaryServeActuator）等各種電-樣可以減少伺服閥到機構間的管道容積，以增大固有頻率。 伺服擺動馬達，也可以用電-液步進馬達。回轉執(zhí)行器是一種由伺服電機，步進電機或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達或連續(xù)回轉馬達轉子內的一個回轉滑閥，通過機械反饋，驅動轉子運動的一種電-液伺服機構[20]。它可安裝在機器人和手腕的關節(jié)上，實現(xiàn)直接驅動。它既是關節(jié)機構，又是動力元件。接，生產自動化等方面獲得大量應用。（PLC氣源由總壓縮空氣站提供。氣源部分包括空氣壓縮機，儲氣罐，氣水分離氣動三聯(lián)件由分水濾氣器，調壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，般情況下，建議也在氣裝上油霧器，以減少氣缸摩擦力，增加使用。氣動閥氣動閥的種類很多，在工業(yè)機器人的氣動驅動系統(tǒng)中，常用的閥件氣動執(zhí)行機構多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動氣缸。直線氣缸分單動式和雙動式兩類。除個別用單動式氣缸外（如手爪機構上用的，多數(shù)采動制動器氣動機器人的定位問題很大程度上是如何實現(xiàn)停點的制動。氣缸活塞的運動速度容許達1.5m/s，如果氣缸以1m/s的速度計算，電磁氣閥以較大關閉時間70ms計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為70mm，兩個停點的步長應大于這個數(shù)機器人一個單自由度而言，停點數(shù)目最多6-9個。為增加定位點數(shù)，除采用多位置氣缸限位器氣動機器人各運動軸的制動和定位點到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，轉矩低慣量的交、直流電機在機器人中的應用，因此一般情況下，負重在100kg以下的工業(yè)機器多數(shù)采用電動驅動系統(tǒng)。其驅動原理方塊圖如下所示：動機，有刷繞組永磁直流伺服電動機，大慣量永磁直流伺服電動機（力矩電機，反40-60萬個脈沖，這種直接驅動的電機（DD驅動電機）在快速高精度定位的裝配機器人用范圍、適用的驅動器見表2-1：2-圍小慣量適用于對快速直流直流永性要求嚴格而服驅動器磁伺服負載力矩不大有刷繞直流伺SCR組永磁直流伺軸向平面間服電動隙機大慣量永磁直流伺服又稱力矩電適用于驅動力因可不用齒輪直流伺SCR2-1續(xù)表反應步將電脈沖信號直接轉換成轉電機轉子無體構成轉子用于數(shù)字系統(tǒng)中作為執(zhí)行元如數(shù)控機直流伺服驅動器SCR變壓驅同步交流伺服轉子由永久主要用于中小容量的伺服驅交流變異步交轉速低于定子繞組所定子由對稱三相繞組組用于數(shù)控機床主軸等容量大交流變直流伺服電機驅動器目前多采用脈沖寬度調制（）伺服驅動器。其電源電壓伺服驅動器具有調速范圍寬、低速特性好，響應快、效率高、過載能力強等功率放大器的作用是將環(huán)行分配器輸出的毫安級電流放大成級電流以驅動來做水平和垂直，故大小臂均采用驅動；同時考慮隨著機床加工的工件機器人的平衡機構設使得本身可能達到平衡[23]。關節(jié)機器人一般都需要平衡裝置，以減小驅動器活塞式平衡系統(tǒng)有和氣動兩種：平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的理論分析和設計計算3.1傳動系統(tǒng)設計計算確定系統(tǒng)基本方動。二者的特點及適用場合見表3-1：3- 回動寬大本設計因為機械手的形式為圓柱坐標形式，具有3個自由度，一個轉動，兩個移為直線運動。因此，機械手的水平和垂直都采用單活塞桿缸，來實現(xiàn)直擬定執(zhí)行元件運動控制回執(zhí)行元件確定后，其運動方向和運動速度的控制是回路的問題。本設計的系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調定系統(tǒng)壓力。為了保證液繪制系統(tǒng)本機械手的系統(tǒng)圖如圖3-1所示向節(jié)流閥。當5DT得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。證系統(tǒng)的安全性，采用V2構成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以水平伸垂缸電液伺執(zhí)行手爪水平伸垂缸電液伺圖3-1機械手的系統(tǒng)原理確定系統(tǒng)的主要參計算缸的總機械載FFwFmFsfFfFb 式中Fw 為外加的載荷，因為水平方無外載荷，故為0； Fm的計FG （3- 式中G---------為缸所要移動的總重量，取為

9.81m/s2t啟動或制動時間，一般為0.01～0.5s，取將各值帶入上式，得：Fm=1.02Fsf的計

Fsfpf （3-式中pf--------------克服缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該缸工作壓力

FfFfG （3-式中 為機械手和所操作工件的總重量，取為 Ff=98NFb的計

Fbpb （3- pb-----為回油背壓，一般為0.3MPa～0.5MPa，取=0.3MPaA2-------------為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2。F1088NNk1k2 （3-式中 為所需夾持力k1安全系數(shù)，通常取k2------------

為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按

g在搬運工件過程的加速度ms2a9.8ms2gk3-----方位系數(shù)，查表選取k3G-----被抓持工件的重 30kg N120N p2bN1

（3-R式 為柱塞缸所需理論驅動力 P

Fk1k4

（3-式中 為計算驅動力k1---安全系數(shù)，此處選FcFcP （3-式中P 經(jīng)計算，所需的油壓約為：針對本設計是一個機械手的特點考慮，機械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行缸徑的擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結構動穩(wěn)、全[5]。至于缸的工作力和缸的工作速度，放在系統(tǒng)設計；3-2手爪執(zhí)行柱塞缸參數(shù)缸內徑壁厚直徑行程5表3-3水平伸縮缸參缸內徑壁厚桿直徑行程1加

表3-4垂 缸內徑壁厚桿直徑行程1力矩（由加工工件的重力引起的。作為執(zhí)行元件，滿足此處的驅動力要求是輕當D/10時，缸壁厚的較核公式如下[[][](2式中 為缸筒內徑

（3-[為缸筒材料的許用應力，[]b/nb為材料抗拉強度，經(jīng)查相關資料取為650MPan為安全系數(shù)，此處取n5。[[式中 為活塞桿上作用力 為活塞桿材料的許用應力，此處[b/1.4(1)泵的計ppp1 （3-式 p1-----------------計算工作壓力，前以定為 pp41 （3-確

qpK （3-式中K---------為因數(shù)，取 qmaxA （3-

qmax=3.140L/qp1.13.1403.454L/確

P2

pp60

（3-式中qmax為最大運動速度下所需的流量，同前，取為3.140L/minpp------------------泵實際工作壓力，5MPa--------為泵總效率，取為0.8。 P工=0.654kw。泵出口流量以3.140L/MIN計，選取6 泵吸油管稍微粗些，選擇8其余都選為5V5qp53.2 繪制系統(tǒng)圖后，進行壓力損失驗算。因為該系統(tǒng)比較簡單，該項驗算從略。本系統(tǒng)采用回路簡單，效率比較高，功率小，發(fā)熱少，油箱容量取得較大，因此，不再進行驗算。電機選型有關參數(shù)計算負載額定功率：

W6104GD2N

（3-負載力矩（折算到電機軸

（3-aTWVL （3-M 2 M負載GD2（折算到電機軸

MGD2W M

（3-

(GD2GD2)ta ta375(TT (GD2GD2)td td375(TT

T19550GD2N

（3-

（3-a負載力矩（折算到電機軸

T T

（3-LlNMLl

LGD2(NL)2GD （3-LNlNM

(GD2GD2)ta ta375(TT (GD2GD2) d式中 為額定功率 為加速功率

TL

（3- 為負載軸回轉速度 為電機軸回轉速度 為負載的速度------- 為負載轉矩（負載軸Nm 為負載轉矩（折算到電機軸上NmlGD 為負載的GD2Nm2lLGD 為負載GD2（折算到電機軸上Nm2LMGD 為電機的GD2Nm2MTlFfRGfR 為滾動軸承摩擦系數(shù)，取0.005；G-------為機械手本身與負載的重量之和，取100KGR-------為回轉軸上傳動大齒輪分度圓半徑，R=240mm。 Tl=0.12Nm；且，GDlmgD2 GDl=10.45667Nm2。P0

Pata0.002962s3ms td3ms Nm四通電機公司）的步進電機，具體型號為：110BYG550B-SAKRMA-0301 110BYG550B-SAKRMT-0301 驅動方式：升頻升壓；步距角中距角0.36°，同時因為腰部齒輪傳動為1：120，步進電機經(jīng)過1/120（理論上）實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相當高的，完全能滿足機械手上下料的定位精度要求。圖3-2所選電機相關參數(shù)機械手控制系統(tǒng)的設計機械手控制系統(tǒng)硬件設計機械手的動作有水平的伸縮，垂直的升降，執(zhí)行手爪的加緊與松開以及腰部的旋轉。其中，垂直升降和水平伸縮有實現(xiàn)驅動。而缸又由相應的電磁4-1上下料機械手工作流程圖定位，前伸到位后，停止前伸；——→下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件；——→上升電磁閥通電，機械手開始上升，速脈沖，驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動；——→接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，機械手到達卡盤中心高度；——→機械手開始水手松開手爪，準備離開；——→接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位械手作順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動，機械手回到原點待命；——→機床進行加工。加工好的工件；——→機床卡盤松開；——→機械手開始前伸，將工件從機取出，準備運走；——→上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限PLC90，PLC停止同時手爪也閉合復原；——→接著機械手水平開始后縮，準備回原點，當4-24-2機械手操作面板示意圖計開發(fā)的工業(yè)控制器---PLC，選擇在國內應用較多的西門子S7-200型PLC[29]。具體型號為SIMATICS7-200CPU224。圖4-3SIMATICS-700該機集成14/1024I/O7展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)空間。6個獨立的30kHz，220kHzPID1PID節(jié)和功率放大后，驅動電液伺服閥對缸進行伺服定位。PLC將上位機輸入的給定4-4PLC（尤其是模擬量，節(jié)省了系圖4-4水平伺服定位控制原理為適應水平缸的伺服定位的控制要求，利用西門子SIMATICS7-EM232，鑒于伺服放大器和位移傳感器的輸入要求，PLC采用-10V~+10V輸入輸出，各輸入輸出點及其接線如圖4-5所示[31]。PLC的具體硬件

4-5PLC件出//機械手控制系統(tǒng)軟件設計4-6機械手控制主程序流程圖機械手控制系統(tǒng)的軟件設計采用西門子S7-200PLC的編程軟件4-7STEP7-MICRO/WIN32要求的數(shù)控機下料機械手的設計，比較地體現(xiàn)機設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，實現(xiàn)了理論和實踐的有機結合。通過這次畢業(yè)設計使我初步掌握機械設計、PLC控制設計、系統(tǒng)設計的方法機械手的運動空間，然后根據(jù)機械手的運動空間要求確定機械手的總體結構、結構緊湊、工作可靠，設計周期短且造價較低。PLC程改變時，只要對I/O點的接線稍作修改，或對I/O重新分配，在控制程序中作簡單致此本人首先向他們表示感謝。在畢業(yè)設計過程中，我的指導老師老師給予很多專擇時，為我所需要重點掌握的知識范圍，并幫助我分析相應知識難點的原理，使是他們的諄諄教誨使我明白了為人處事的道理，給我今后的人生烙下更深的還有在中華工業(yè)控制網(wǎng)和中國機器人網(wǎng)上以及在其他場合給提供我?guī)椭闹烂趾筒恢烂值呐笥眩诖艘惨徊⒅轮x，謝謝！實現(xiàn)[R].機床與.2003,(6):90～92[2]丁又青,才.一種新型型鋼翻面機系統(tǒng)設計[A].機床與液.2003,(5):128～129[3],.物流自動化搬運機械電系統(tǒng)研究[C].機床與液壓.2003,(1):126～128[4],,,溫齊全.PLC在電液比例與伺服控制系統(tǒng)中的應用[R].機床與.2003,(5):143～144胡學林.可編程控制器(基礎篇[D]).:電子工業(yè),胡學林.可編程控制器(實訓篇)[D].:電子工業(yè),,,施永康.基于PLC的機械手混合驅動控制[A].與氣動.2005,(3):37～39,,