4-DOF搬运机器人的结构设计

4-DOF搬运机器人的结构设计学生姓名 指导老师：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，结构设计目 录摘 要1Abstract2目 录31 绪论41.1搬运机器人概述41.2搬运机械人的应用简况61.3搬运机器人的应用意义71.4机械手的发展概况与发展趋势71.5本论文的主要工作92 搬运机械手总体设计方案102.1自由度和坐标系的选择102.2搬运机器人的组成112.3搬运机器人的技术参数132.4搬运机器人结构简图143 零部件结构设计.153.1夹持式手部结构153.2臂部的设计及有关计算163.3步进电机的选型213.4联轴器的选择设计223.5 机座设计及电磁阀的选择244 结构强度计算、尺寸设计与校核284.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核284.2手臂升降气缸的尺寸设计与校核294.3步进电机的尺寸设计与校核304.4总体结构图、实体图的绘制325 控制系统345.1 PLC的主要特点345.2 PLC的发展阶段355.3 PLC的选择355.4机械手的循环工作说明366 结论37参考文献39致谢41 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。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。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。5060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。6070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运动来实现的，如图2-1(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（m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运动来实现的，如图2-1（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运动来实现的，如图2-1（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。(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。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：。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）；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：0180 回转速度：45/s2.4 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。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内，大部分平均移动速度为200mm/s，平均回转角速度在。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，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。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: （3-1）上式中: - 活塞杆上的推力，N - 弹簧反作用力，N- 气缸工作时的总阻力，N- 气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算: （3-2）= 上式中:- 弹簧刚度，N/m- 弹簧预压缩量，m- 活塞行程，m- 弹簧钢丝直径，m- 弹簧平均直径，.- 弹簧有效圈数.- 弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则: （3-3）由以上分析得单向作用气缸的直径: (3-4)代入有关数据，可得 所以:查有关手册圆整，得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: (3-5)上式中: - 活塞杆上的推力，N - 弹簧反作用力，N- 气缸工作时的总阻力，N- 气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算: (3-6)= 上式中:- 弹簧刚度，N/m- 弹簧预压缩量，m- 活塞行程，m- 弹簧钢丝直径，m- 弹簧平均直径，.- 弹簧有效圈数.- 弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则: （3-7）由以上分析得单向作用气缸的直径: （3-8）代入有关数据，可得 所以:查有关手册圆整，得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 联轴器类型类别在传动系统中的作用备注刚性联轴器只能传递运动和转矩，不具备其他功能包括凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器等挠性联轴器无弹性元件的挠性联轴器，不仅能传递运动和转矩，而且具有不同程度的轴向、径向、角向补偿性能包括齿式联轴器、万向联轴器、链条联轴器、滑块联轴器等有弹性元件的挠性联轴器，能传递运动和转矩；具有不同程度的轴向、径向、角向补偿性能；还具有不同程度的减振、缓冲作用，改善传动系统的工作性能包括各种非金属弹性元件挠性联轴器和金属弹性元件挠性联轴器，各种弹性联轴器的结构不同，差异较大，在传动系统中的作用亦不尽相同安全联轴器传递运动和转矩，过载安全保护。挠性安全联轴器还具有不同程度的补偿性能包括销钉式、摩擦式、磁粉式、离心式、液压式等安全联轴器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的相对位移程度。3)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 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。 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开放, 阀芯背腔的压力通过导阀孔流向出口, 此时阀芯背腔的压力低于进口侧的压力, 利用压差使得阀芯脱离主阀座, 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, 阀芯背腔压力受进口侧压力关闭了导阀孔, 阀芯背腔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、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。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=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, 则驱动力： （4-1） 手爪质量约为1kg,物体重量1kg,设计加速度，G=mg=2x10=20(N)则惯性力 （4-2） 2.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数, （4-3） 总受力 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 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=200mm,气缸内径为=40mm,半径R=20mm,气缸运行速度，加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力 （4-4） 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 2.设计加速度，则惯性力 3. 考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数， 总受力 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：0.9电感：2.6mH长度：80mm保持力矩M：3.2NM步进电机运行角速度：45/s适配驱动器：DA62804.3.2 尺寸校核参与手臂转动的部件的质量约为,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （4-5） （） （4-6） 考虑轴承间的摩擦力，设定摩擦系数, （4-7） 总驱动力矩 （4-8） 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 图4-3 拓达步进电机TDA332-S4.4 总体结构图的绘制4.4.1 CAD绘制总体结构图如下图4-4 图4-4 总体结构尺寸图1-机座 2-拓达步进电机 3-联轴器 4-气缸1 5-气缸26-螺母M20 7-单耳环 8-螺母M14 9-螺母M30 10-螺栓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1020ms。（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。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