气动机械臂设计

I 编 号 无锡太湖学院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 题目： 气动机械臂设计 信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业 学 号： 0923121 学生姓名： 袁 博 指导教师： 宋广雷（职称：副教授） 2013 年 5 月 25 日 I 无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 气动机械臂设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业 设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计 （论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 93 学 号： 0923121 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无 锡 太 湖 学 院 信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业 毕 业 设 计 论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、题目 气动机械臂设计 2、专题 二、课题来源及选题依据 机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要 标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 新的世纪，生产水平及科学技术的不断进步和发展带动了整个机械行业的快 速前进与发展。在现代化工业中，加工和装配等生产时不连续的。单靠人力 将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率相当低下。同时人的 劳动强度非常大，有时还会出现伤害和失误。显然，这严重影响和制约了整 个生产过程的效率和自动化程度。机械臂的应用很好的解决了这一情况，它 不存在重复偶然的失误，也能有效避免了人身事故。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉机械臂的发展历程，特别是近十几年来的发展状况； 熟练掌握气动技术，尤其是执行件的结构； 熟练掌握气动机械臂的结构原理及工作流程； 完成气动机械臂的整体方案设计； II 完成气动机械臂装配图的绘制及主要零部件的绘制； 完成说明书的撰写，翻译一篇外文资料。 四、接受任务学生： 机械 93 班 姓名 袁博 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 本文简要介绍了工业机器人的概念，讲述了机械臂的分类与历史还有当今国内外的 发展状况，机械臂硬件和软件的组成，即机械臂各个部件的整体尺寸设计与校核，气动 技术的特点与优点，PLC 控制的特点，PLC 控制的气动机械臂系统的工作原理。本文对 机械臂进行总体的方案设计： 1、确定了机械臂的坐标形式，自由度和机械臂的各项技术参数。 2、设计了机械臂的手臂结构，计算出了回转气缸的尺寸大小以及升降气缸的大小， 并对手臂伸缩气缸进行了选型和校核。 3、设计了机械臂的夹持式手部结构和机械臂的手腕结构，计算出了手腕转动时所需 的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。 4、设计出了机械臂的气动系统，绘制了机械臂气压系统工作原理图。 因为设计的机械臂为通用机械臂，分析了可编程控制器是如何来控制气动机械臂的 运动与工作，可以利用可编程序控制器根据需要编写不同的程序对机械手进行控制，最 终做出了机械臂运动的流程图。 关键词：气动；工业机器人；机械臂；PLC。 IV Abstract This article briefly introduces the concept of industrial robots, telling the story of the classification of the mechanical arm and the historical and current development status at home and abroad, robot arm of hardware and software.The robot arm design and check the overall dimensions of the parts, the characteristics and advantages of pneumatic technology, PLC control, the characteristics of the working principle of PLC control system of pneumatic manipulator. In this article, the robot arm for the overall scheme design. 1、Determining the coordinates of the mechanical arm forms，degrees of freedom, and the technical parameters of manipulator. 2、Designing the manipulator arm structure, calculating the rotary cylinder size and the size of the lift cylinder, and the selection and checking of the telescopic cylinder and the arm . 3、Designing holding type hand structure of mechanical arm and the robot arms wrist structure.Calculating the driving moment of the wrist when needed and driving moment of the rotary cylinder. 4、Designing the pneumatic system of mechanical arm and the map of mechanical arm pressure system working principle. 5、Because the mechanical arm is designed for general mechanical arm, analysis of the programmable logic controller is how to control the pneumatic motor and mechanical arm.We can make use of the programmable controller according to the need to write a different program to control the manipulator, finally making the mechanical arm movement flow chart. Key words: Air pressure drive; Industrial robot; Robot arm; Programmable Logic Controller. V 目 录 摘 要 .III ABSTRACT .IV 目 录 .V 1 绪 论 .1 1 .1 机械臂概论 .1 1.1.1 机械臂历史与发展 .1 1.1.2 机械臂的历史 .2 1.1.4 机械臂的组成 .2 1.1.4 机械臂的分类 .3 1.2 气动技术概述 .3 1.3 气动机械臂的设计要求 .4 2 机械臂整体设计方案 .5 2.1 机械臂的座标型式与自由度 .5 2.2 机械臂的手腕结构方案设计 .5 2.3 机械臂的手臂结构方案设计 .6 2.4 机械臂的手部结构方案设计 .6 2.5 机械臂的驱动方案设计 .6 2.6 机械臂的控制方案设计 .6 2.7 机械臂的主要技术参数 .6 3 手腕结构设计 .9 3.1 手腕的自由度 .9 3.2 手腕的驱动力矩的计算 .9 3.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩 .9 3.2.2 回转气缸的驱动力矩计算 .11 3.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 .12 4 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核 .15 4.1 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 .15 4.1.1 尺寸设计 .15 4.1.2 尺寸校核 .15 4.2 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 .16 4.2.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计 .16 4.2.2 尺寸校核 .16 4.2.3 平衡装置 .16 4.2.4 导向装置 .16 4.3 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 .17 4.3.1 尺寸设计 .17 4.3.2 尺寸校核 .17 VI 5 手部结构设计 .18 5.1 夹持式手部结构 .18 5.1.1 手指的形状和分类 .18 5.1.2 设计时考虑的几个问题 .18 5.1.3 手部夹紧气缸的设计 .18 6 气动系统设计 .22 6.1 气动系统设计的主要内容及设计程序 .22 6.2 气压传动系统原理图 .22 7 机械臂的控制方式 .25 7.1 可编程序控制器的选择及工作过程 .25 7.1.1 可编程序控制器的选择 .25 7.1.2 可编程序控制器的工作过程 .25 7.2 可编程序控制器的使用步骤 .25 7.3 控制系统的工作原理 .26 7.4 控制要求 .26 7.4.1 手动工作方式 .26 7.4.2 单动工作方式 .26 7.4.3 自动工作方式 .27 7.5 气动机械手的工作流程 .27 8 结 论 .29 8.1 结论 .29 8.2 不足之处及展望 .29 致 谢 .30 参考文献 .31 气动机械臂设计 1 1 绪 论 1 .1 机械臂概论 1.1.1 机械臂历史与发展 机械臂是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，它对稳定并且提高产品 质量，提高生产效率，改善劳动条件与产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械 臂是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是机器人的一个特别重 要分支。机械臂的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在性能与构造上兼有 人和机器各自的优点，尤其体现了人的适应性和智能。在现代生产过程中，机械臂被广 泛的运用于自动生产线中，机械臂虽然目前还不如人的手那样灵活，但它具有能不断重 复工作和劳动，不知疲劳，抓举重物的力量比人臂力大的特点，因此，机械臂已受到许 多部门的重视，并得到了越来越广泛地应用。 机械臂首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械臂。 它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是 示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现 型机械臂。商名为Unimate （即万能自动） 。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、 伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械臂就是在这个 基础上发展起来。同年，美国机械制造公司也成功实验一种叫Vewrsatran机械臂。该机械 臂的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六 十年代初的机械臂，是后来国外工业机械臂发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦 福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械臂，装有小型电子计算机 来进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊 机械臂，采用关节式结构和程序控制。目前，机械臂大部分还属于第一代，主要依靠人 工进行控制；改进的方向主要是提高精度和降低成本。第二代机械臂正在加紧研制。它 设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至想和听的能力。研究安装各种 传感器，把感觉到的信息反馈，使机械臂具有感觉功能。第三代机械臂则能独立完成工 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制造系统 FMS和柔性制造单元FMC 中的重要一环节。 目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、性能、品种方面 都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸 造、热处理方面的机械臂，改善作业条件，以减轻劳动强度，在应用专用机械臂的同时， 相应的发展通用机械臂，有条件的还要研制示教式机械臂、计算机控制机械臂和组合机 械臂等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械臂的作用。此外 还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械臂，并考虑与计 算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 国外机械臂在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压 力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操 作。国外机械臂的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械臂。使它具有一定的传感能 无锡太湖学院学士学位论文 2 力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行 检测，重点是研究触觉功能和视觉功能。目前已经取得一定成绩。 目前世界高端工业机械手均有高精化、高速化、轻量化、多轴化的发展趋势。定位 精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量产产品达到6轴，负载 2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械臂、柔性制造系统和柔性制造单元 相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械臂的小型化 和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科 学及航空航天等高端行业发展。 1.1.2 机械臂的历史 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的 产业。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因 此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。新的世纪，生产水 平及科学技术的不断进步和发展带动了整个机械工业快速发展。现代工业中，生产过程 的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工和装配等生产是不连续 的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳 动强度非常大，有时还会出现伤害和失误。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效 率和自动化程度。机械臂的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也 能有效的避免了人身事故。 在机械工业中，机械臂的应用具有以下意义： （1） 可以提高生产过程的自动化程度 应用机械臂，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，从而可以提高生产的劳动率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化 与自动化的步伐。 （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甚至根本不可能的。而应用机械手 即可部分或全部代替人安全地作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作 简单但又重复作业的操作过程中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疏忽 或者疲劳而造成的人身事故。 （3） 可以减少人力，便于有节奏的生产 应用机械臂代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械 臂可以连续地工作，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节拍，便于有节奏地 进行生产。 1.1.4 机械臂的组成 （1） 手部 包括手指、传力机构等，主要起放置与抓取物件的作用。 （2） 传送机构 包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向与位置的作用。 （3） 控制部分 它是机械臂动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序与位置等 气动机械臂设计 3 （4） 驱动部分 它是手部与传送机构的动力，因此也称动力源，常用的有液压、 气压、 电力和机械四种驱动形式。 （5） 其它部分 如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。 1.1.4 机械臂的分类 1.1.4.1 按使用范围分类 （1） 专用机械臂 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机 器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械臂” 、 “曲拐自动车床 机械臂”、 “油泵凸轮轴自动线机械臂 ”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动 作比较简单的大批量生产的场合。 （2） 通用机械臂 指具有可变程序与单独驱动的控制系统，不从属于某种机器， 而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机械手按其定位与控制方式 的不同，可分为简易型与伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺 服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。 1.1.4.2 按运动坐标型式分类 （1） 直角坐标式机械臂 臂部可以沿直角坐标轴 X、Y 、Z 三个方向移动，亦即臂 部可以前后伸缩( 定为沿 X 方向的移动)、左右移动 (定为沿 Y 方向的移动)和上下升降(定 为沿 Z 方向的移动) ； （2） 圆柱坐标式机械臂 手臂可以沿直角坐标轴的 X 和 Z 方向移动，又可绕 Z 轴 转动(定为绕 Z 轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动； （3） 球坐标式机械臂 臂部可以沿直角坐标轴 X 方向移动，还可以绕 Y 轴和 Z 轴 转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿 X 方向移动)、上下摆动 (定为绕 Y 轴摆动)和左右转动 (仍定为绕 Z 轴转动)； （4） 多关节式机械臂 这种机械臂的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连 接(肘部 )以及大臂和机体的连接(肩部) 均为关节(铰链 )式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部 上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。 1.1.4.3 按驱动方式分类 （1） 液压驱动机械臂 以压力油进行驱动； （2） 气压驱动机械臂 以压缩空气进行驱动； （3） 电力驱动机械臂 直接用电动机进行驱动； （4） 机械驱动机械臂 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递 给机械臂的一种驱动方式。 1.1.4.4 按机械臂的臂力大小分类 （1） 微型机械臂 臂力小于 1； （2） 小型机械臂 臂力为 110； （3） 中型机械臂 臂力为 1030； （4） 大型机械臂 臂力大于 30。 1.2 气动技术概述 气压传动机械臂是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械臂。其主要特点是: 无锡太湖学院学士学位论文 4 介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具 有可压缩的特性，工作速度稳定性较差，冲击大，而且气源的压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温 与粉尘大的环境中进行工作。 气动技术有以下优点： （1）成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质与加 工精度要求，制造容易，成本较低； (2) 动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需的压力与 速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制； (3) 阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小，空气便于集中 供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染； (4) 能源可储存。压缩空气可存贮与储气罐之中，因此，发生突然断电等情况时，机 器及其工艺流程不致突然发生中断等情况； (5) 介质提取和处理方便。工作介质提取容易，气压传动工作的压力较低，而后排入 大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器介质清洁，管道不易堵存在介质变质及 补充的问题； (6) 工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中， 气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，并且不会因温度的变化影响控制机 传动的性能。 传统观点认为：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。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动 功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系 统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够， 因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。 1.3 气动机械臂的设计要求 本课题将要完成的主要任务如下 （1） 机械臂为通用机械臂，因此相对于专用机械臂来说，它的适用面相对较广。 （2） 选取机械臂的座标型式和自由度。 （3） 设计出机械臂的各执行机构，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，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在 工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。 （4） 气压传动系统的设计 本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并 绘出气动原理图。 （5） 了解气动机械臂的工作控制原理。 气动机械臂设计 5 2 机械臂整体设计方案 对气动机械臂的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有一 定的承载能力、高精度、快速反应、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。设计气动机械臂的原则是：充分分析作业对象作业技术要求，拟定最 合理的作业工序，并满足系统环境条件和功能要求；明确工件结构形状和材料特性，定 位精度要求抓取和搬运时的受力特性、尺寸及其质量参数等，从而进一步确定对机械臂 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。本次设计的机械臂是通用气动上下料机械臂， 是一种适合于成批或者中、小批生产的、可以改变动作程序的操作设备或者自动搬运， 动作强度大和操作单调频繁的生产场合。气动机械臂可用于操作环境比较恶劣的场合。 2.1 机械臂的座标型式与自由度 按机械手手臂的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、球座标式和关节式。由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，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度。考虑到机械手的通用性，同 时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求，所以 增加一自由度。共四自由度。 图 2.1 坐标模型及自由度示意图 2.2 机械臂的手腕结构方案设计 考虑到机械手通用的特性，同时由于被抓取的工件是水平放置，因此手腕必须设有 回转运动才可以满足机械臂的工作要求。因此，手腕设计具有回转结构，实现手腕回转 无锡太湖学院学士学位论文 6 运动的机构为回转气缸。 2.3 机械臂的手臂结构方案设计 按照机械手抓取工件的要求，此机械手的手臂需要三个自由度，即手臂的伸缩、左 右回转和降运动。手臂的升降和回转运动都是通过立柱来实现的，立柱的横向移动就是 手臂的横移。手臂的各种运动方式均由气缸来实现。 2.4 机械臂的手部结构方案设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒 料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。 2.5 机械臂的驱动方案设计 机械臂常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种基本形式。 液压驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，响应快，精度较高。但是需要 有液压源，而且容易发生液体泄漏。 电机传动能源简单，机构速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，使用 方便，噪声低，控制灵活。 气压驱动的能源、结构都比较简单，传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和 泄漏较小，成本低廉因此本机械臂采用气压传动方式。 2.6 机械臂的控制方案设计 考虑到机械臂的通用性，同时使用点位控制，控制机械手执行机构的运动位置，并 随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制 系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 2.7 机械臂的主要技术参数 （1） 机械臂的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑 抓取的物体不应该太重，查阅相关机械臂的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设 计设计抓取的工件质量为 5kg。 （2） 基本参数运动速度是机械臂主要的基本参数。操作节拍对机械臂速度提出了 要求，设计速度过低限制了它的使用范围。 （如图 2-3 所示）而影响机械手动作快慢的主 要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为 1.0m/s。最大回转速度设 计为 90/s。平均移动速度为 0.8m/s。平均回转速度为 60/s。机械手动作时有启动、停止 过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与 行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂 设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械臂设计成相当于人工坐着或站着 且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降 低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械臂手臂的伸缩行 程定为 600mm,最大工作半径约为 1400mm。手臂升降行程定为 120mm。定位精度也是基 本参数之一。该机械臂的定位精度为1mm。 （3） 用途: 用于自动输送线的上下料。 气动机械臂设计 7 （4） 设计技术参数: 1） 抓重 5kg 2） 自由度数 4 个自由度 3） 座标型式 圆柱座标 4） 手臂最大中心高 1250mm 5） 最大工作半径 1400mm 6） 手腕运动参数 回转范围 0-180 回转速度 90/s 7） 手臂运动参数 伸缩行程 1200mm 伸缩速度 400mm/s 升降行程 120mm 升降速度250mm/s 回转范围0-180 回转速度90/s 8） 手指夹持范围 棒料: m1508 9） 定位方式 行程开关或可调机械挡块等 10） 定位精度 1mm 11） 驱动方式 气压传动 图 2.2 机械臂的工作范围示意图(主视) 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 2.3 机械臂的工作范围示意图(主视) 气动机械臂设计 9 3 手腕结构设计 3.1 手腕的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是改变或调整工件的方位，因而它具有独 立的自由度，以使机械臂适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械臂的通用性、 加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械臂抓取的工件是 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的要求 目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转气缸，因此我们选用回转气缸。它的 结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。 3.2 手腕的驱动力矩的计算 3.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服 手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、 定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生 的偏重力矩.图4-1所示为手腕的示意图。 图 3.1 手碗回转时状态 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: (3.1) 惯偏摩封驱 MM 式中：M 驱 - 驱动手腕转动的驱动力矩(Ncm)； M 封 -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 ( 无锡太湖学院学士学位论文 10 )； cmN M 摩 - 手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩； M 偏 - 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 )对转动 轴线所产生的偏重力矩(Ncm)； M 惯 - 惯性力矩(Ncm)。 图 3.2 手腕受力示意图 下面以图 3.2 所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: 转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 M 封 ，与选用的密衬装 置的类型有关，应根据具体情况来分析。 (2) 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 M 封 (3.2) )(21dFfMBA摩 式中: - 转动轴的轴颈直径(cm) ； 1,d - 摩擦系数，对于滚动轴承 ，对于滑动轴承 ；f 01.f 1.0f - 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，BA, 根据 ，得：0 (3.3)123lGlF (3.4)lB 31 同理，根据 0BM (3.5)l llFA )()()( 321 气动机械臂设计 11 式中： - 手指的重量(N)；2G - 如图 4.2 所示的长度尺寸(cm)。31,l (3) 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 M 偏 (3.6)31eM偏 式中: - 手腕转动件的重量 (N)；3 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 。01eG - 手腕转动件重心到转动轴线的偏心距(cm)。3e (4) 手腕加速运动时所产生的惯性力矩 M 惯 若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为 ，起动过程所用的时间为 ，则 :t (3.7)tJM）（惯 1 式中: - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量（Ncms 2） ；J - 工件对手腕转动轴线的转动惯量（Ncms 2） 。1 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 为：1J (3.8) 211egGJc 式中： - 工件对过重心轴线的转动惯量（ Ncms2） ；c - 工件的重量 (N)；1 - 工件的重心到转动轴线的偏心距 (cm)；e - 手腕转动时的角速度(弧度/s)； - 起动过程所需的时间(s) ；t - 起动过程所转过的角度 (弧度)。 3.2.2 回转气缸的驱动力矩计算 在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图 4-2 所 示，定片 1 与缸体 2 固连，动片 3 与回转轴 5 固连。动片封圈 4 把气腔分隔成两个.当压 缩气体从孔 a 进入时，推动输出轴作逆时 4 回转，则低压腔的气从 b 孔排出。反之，输出 轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力 P 驱动力矩 M 的关系为: 或 (3.9)( 2rRbMp2)(rRpb 无锡太湖学院学士学位论文 12 图 3-3 回转气缸示意图 式中：M回转气缸的驱动力矩（Ncm） ； P回转气缸的工作压力（Ncm） ； R缸体内壁半径（cm） ； r输出轴半径（cm） ； b动片宽度（cm） 。 上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言，若低压腔有一 定的背压，则上式中的 P 应代以工作压 P1 与背压 P2 只差。 3.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 3.2.3.1 尺寸设计 气缸长度设计为 b=100mm,气缸内径为 D1=96mm,半径 R=48mm,轴径 D2=26mm,半径 R=13mm,气缸运行角速度 =90/s，加速度时间 =0.1s,压强 P=0.4MPa,t 则力矩： (3.10)2 )(rRpbM )(6.3 )026.48.(104.6mN 3.2.3.2 尺寸校核 （1）测定参与手腕转动的部件的质量 m1=10kg，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=50mm 的圆盘上，那么转动惯量： (3.11) 21rJ 气动机械臂设计 13 2 05.1 （ ）.2mkg 工件的质量为 5kg,质量分布于长 l=100mm 的棒料上，那么转动惯量： (3.12) 042.1.5 2lJc 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长 l=100mm 的棒料来说，最大偏心距 ，其转动惯量为:me51 (3.13)(067. 5.4221kgeJc 惯Mt J1 (3.14)(3.26 1.097.05mN （2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为 M 偏 ，考虑手腕转动 件重心与转动轴线重合， ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 ,则：1e me503 (3.15)31GM偏 )(5.2 05.0mN （3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 M 摩 ，对于滚动轴承 ，对于滑动01.f 轴承 ， ， 为手腕转动轴的轴颈直径， ， ， ， 为1.fd2 md301d2AFB 轴颈处的支承反力，粗略估计 ， ，NFA30B5 (3.16) )(12fMBA摩 ).5.30. )(5.mN （4） 回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 M 封 ，与选用 的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计 M 封 为 M 摩 的 3 倍， 摩封 3M 05. )(1mN 无锡太湖学院学士学位论文 14 封摩偏惯驱 MM 15.0.523.6 )(9mN 驱 设计尺寸符合使用要求，安全。 气动机械臂设计 15 4 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核 4.1 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 4.1.1 尺寸设计 气缸长度设计为 气缸内，径为 ，半径 ，轴径mb150mD210mR105 ，半径 ，气缸运行角速度 ，加速度时间 ，压强mD402R2s/9st. ，MPa. 则力矩： (4.1)2)(rpb ).(5 )02.15.(04.6mN 4.1.2 尺寸校核 1测定参与手臂转动的部件的质量 ,分析部件的质量分布情况，kg120 质量密度等效分布在一个半径 的圆盘上，那么转动惯量：r (4.2)2 1rJ 0. ）（ 26.mkg (4.3)t JM惯 )(108 5.9N 考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数 ,2.0k (4.4)惯摩 k. ）（ m.45 2 总驱动力矩： (4.5)摩惯驱 M ）（ N.413 08 驱 设计尺寸满足使用要求。 无锡太湖学院学士学位论文 16 4.2 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 4.2.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计 手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的 结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸选用 CTA 型气缸，尺寸系列初选内 径为 100/63，关于此气缸的资料详情请参看烟台气动元件厂公司主页。 4.2.2 尺寸校核 （1）测定手腕的质量为 50kg,设计加速度为 ，则惯性力：sma/10 (4.6)maF1 )(50N （2）考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数 ，2.0k (4.7)1km )(0 2. 总受力： (4.8)mF10 )(6 5N （3）在校核尺寸时，只需校核气缸内径 ，半径 的气缸的尺寸mD631mR5.31 满足使用要求即可，设计使用压强 ，MPa4.0 则驱动力： (4.9)2RPF )(146 315.02N 0 所以标准 CTA 气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。 4.2.3 平衡装置 在本设计中，为了减少手抓一侧重力矩性能的影响，使手臂的两端能够尽量接近重 力矩平衡状态，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量 根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况来调节，使两端尽量接近平衡。 4.2.4 导向装置 气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的 正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构 时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等 因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少对回转中心的惯量和运动部件的重 气动机械臂设计 17 量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单 导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 4.3 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 4.3.1 尺寸设计 气缸运行长度设计为 ，气缸内径为 ，半径 ，气缸运ml18mD10mR5 行速度，加速度时间 ，压强 ,则驱动力：st5.0MPa4.0 (4.10) 2RpG 2605.143. )(79N 4.3.2 尺寸校核 （1）测定手腕及整个上半部分的总质量为 80kg,则重力： (4.11)mgG )(80 1N （2）设计加速度 ，则惯性力：)/(5sa (4.12)a1 )(40 5 （3）考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数 ，1.k (4.13)Gm )(40 .N 总受力 (4.14)mq1 )(240 8 Gq 所以设计尺寸符合实际使用要求。 无锡太湖学院学士学位论文 18 5 手部结构设计 5.1 夹持式手部结构 夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽 杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 5.1.1 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(或称作直进型)，其中以二 支点回转型为基本型。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。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用相对广泛。移动型应用较 少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的相对位 置，能适应夹取不同直径的工件。 5.1.2 设计时考虑的几个问题 (1) 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。 (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 满足工件能顺利进入或脱开，如果夹持不同直径的工件，应按工件的最大直径考虑。对 于移动型的手指只有开闭幅度的要求。 (3) 具有足够的夹紧力 在确定手指的夹紧力时，考虑工件的重量外，还应考虑在传送和操作过程中工件所 产生的振动和惯性力，保证工件不致产生松动以至于脱落。 (4) 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一支点， 两指 回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V 型，其结构如附图所示。 (5) 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，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 5.1.3 手部夹紧气缸的设计 (1) 手部驱动力计算 本课题气动机械臂的手部结构如图 5.1 所示： 气动机械臂设计 19 图 5.1 齿轮齿条式手部 其工件重量 ，V形手指的角度 ， ,摩擦系数为kgG5120mRb24.f 1) 根据手指夹持工件的方位 ，可得握力计算公式： (5.1)(.0tN )(25 )4256g 2）根据手部结构的传动示意图，其驱动力为： (5.2)NRbp 所以 )(245 3) 实际驱动力： (5.3) 21Kp实 际 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取 ，并取 。若被抓取工件的最大94.05.1K 加速度取 时，则：ga3 (5.4) 412K 无锡太湖学院学士学位论文 20 所以 )(156394.025Np实 际 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N。 (2) 气缸的直径 本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸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: (5.5)zt FPDF42 式中: - 活塞杆上的推力，F)(N - 弹簧反作用力，t - 气缸工作时的总阻力，z - 气缸工作压力，P)(Pa 弹簧反作用按下式计算: (5.6)slGFft (5.7)nD df314 式中： - 弹簧刚度，N/mf - 弹簧预压缩量， ml - 活塞行程，ms - 弹簧钢丝直径，m1d - 弹簧平均直径，.D - 弹簧有效圈数，n - 弹簧材料剪切模量，一般取GPaG9104.7 在设计中，必须考虑负载率 的影响，则: (5.8) t Fp42 由以上分析得单向作用气缸的直径: (5.9)p tD)(1 代入有关数据，可得 nGdf31 48 ）（ mN/46.3715)0( .943 气动机械臂设计 21 )1(sGFft 6.20 4373N 所以: pnFtD)1( ）（ m23.650. 6.49 查机械手册圆整，得 D65 由 ,可得活塞杆直径：.0/d.193)2.( 圆整后，取活塞杆直径 校核，按公式d8 (5.10)4/F 有: 5.0)/(d 其中， ，MPa12NF750 则: 5.0)/49(8. 满足实际设计要求。 (3) 缸筒壁厚设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定的厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小 于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算： (5.11)2/pDP 式中: - 缸筒壁厚，mm - 气缸内径， mmD - 实验压力，取 ， （Pa）pPp5.1 材料为:45钢, =3MPa 代入己知数据，则壁厚为： 2/p )(5.6 )103(65m 取 ，则缸筒外径为：782.1D 无锡太湖学院学士学位论文 22 6 气动系统设计 6.1 气动系统设计的主要内容及设计程序 （1）明确工作要求 设计气动系统前，一定要弄清运动和操作力的要求和工作环境条件等。 运动和操作力的要求包括主机的运动顺序、动作时间、运动速度及可调范围、运动 的平稳性、定位精度、操作力及自动化程度等。 工作环境条件如温度、防尘、防爆、防腐蚀要求及工作场所等情况必须调查清楚。 机、电、液控制相配合的情况及对气动系统的要求。 （2）设计气动回路 列出气动执行元件的工作程序图。画信号-动作状态线图或者卡诺图，也可直接写出 逻辑函数表达式。 画逻辑原理图。 画回路原理图。 （3）选择执行元件 选择执行元件包括确定气缸或气马达类型，气缸的安装形式及具体尺寸和行程长度、 密封形式、耗气量等。应优先选用标准气缸的参数。 （4）选择控制元件 确定控制元件类型 确定控制元件的通径，一般控制阀的通径可按阀的工作压力与最大流量确定。 （5） 选择气动辅件 分水过滤器 其类型主要根据过滤精度要求而定。 油雾器 根据油雾颗粒大小和流量来选取。 减压阀、分水过滤器和油雾器串联使用时，三件的通径需要一致。 消声器 根据工作场所选用不同形式的消声器，其通径大小按通过流量而定。 储气罐 按理论容积及安装场合选择具体结构及尺寸 （6） 压力损失的验算 各管段直径可根据该段的流量，并考虑与前后连接元件通径一致的原则初步选定， 在 验算压力损失后最终确定通径。 压力损失的验算 总压力损失为沿流程压力损失和局部压力损失只和，在车间内可取 总压力损失小于或者等于 0.010.1MPa。 （7） 选择空气压缩机 确定空压机的供气量 根据各设备的平均用气量的和，再计及各种影响和状态，乘以 适当背书即为空压机的供气量。 确定空压机的供气压力，根据用气设备的额定压力与气动系统总压力损失之和来求。 6.2 气压传动系统原理图 气动机械臂设计 23 图 6.1 机械臂气压传动系统工作原理图 表 6-1 气路元件表 序号 名称 数量 1 手动截止阀 1 2 储气缸 1 3 水分滤气器 1 4 压力阀 1 5 油雾器 1 6 压力继电器 1 7 二位五通电磁阀 4 8 二位五通电磁阀 1 9 梭阀 1 10 单向节流阀 2 各通行机构的调速，凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流 阻尼螺钉进行调节，这种方法的特点是结构简单效果好。如平臂伸缩气缸在接近气缸处 安装两个快速排气阀，可加快启动速度，也可调节全程的速度。升降气缸采用气节流的 单向节流阀以调节手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀 排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸的排气节流，可用来调整回转液压缓 无锡太湖学院学士学位论文 24 冲器的背压大小。 电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸，行程，速度计算出所需压缩空气流量， 与选用的电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。 气动机械臂设计 25 7 机械臂的控制方式 考虑到机械臂手抓的通用性，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。当机械臂的动作流程改变时，只需改变 PLC 程序即可实现，非常方 便快捷。 7.1 可编程序控制器的选择及工作过程 7.1.1 可编程序控制器的选择 目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC, 德国西 门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC 等。我们可以根 据生产过程中的需要自行编写程序来达到目的。 7.1.2 可编程序控制器的工作过程 可编程序控制器是通过执行用户的程序来完成对各种不同任务的控制。因此采用了 循环扫描的工作方式。 具体的工作过程可分为四个阶段： 第一阶段是初始化处理： 可编程序控制器的输入端子是不直接和主机相连，CPU 对输入输出状态的询问是针 对输入输出状态暂存器而言。输入输出状态暂存器也称为 I/0 状态表。I/0 状态表是一个专 门存放输入输出状态信息的存储区域。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存 器；存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU 首先使 I/0 状态表清零， 然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。 第二阶段是处理输入信号阶段： 在处理输入信号的阶段，CPU 对输入的状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状 态信息存放到 I/0 状态表中。在同一扫描周期中，各个输入点的状态在 I/0 状态表中保持 不变化，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了 本周期内用户程序执行的正确性。 第三阶段是程序处理阶段： 当输入状态信息全部进入 I/0 状态表后，CPU 工作进入到了第三个阶段。在这个阶段 中，可编程序控制器对用户程序进行逐步依次扫描，并根据各 I/0 状态和有关指令进行运 算和处理，最后将结果写入 I/0 状态表的输出状态在暂存器中。 第四阶段是输出处理阶段： CPU 对用户程序已处理扫描完毕，并将运算结果写入到 I/0 状态表状态暂存器中。此 时将输入信号从输出状态暂存器中取出来，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈， 被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU 返回执行下一个循环扫描周期。 7.2 可编程序控制器的使用步骤 在可编程序控制器与被控对象(设备、机器或生产过程)构成一个自动控制系统时，通 常需要进行七个步骤： (1) 系统设计 即确定被控制对象控制要求，工作原理，动作及动作流程。 无锡太湖学院学士学位论文 26 (2) I/0 分配 即确定哪个信号是送到可编程序控制器并分配给相应的输入端号；哪个信号是由可 编程序控制器送到被控对象并分配相应的输出端号。此外，对用到的可编程序控制器内 部的计数器和定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来认识信号的。 (3) 画梯形图 它与继电器控制逻辑的梯形图概念大同小异，表明了系统中全部动作的相互联系。 如果使用图形编程器，则画出梯形图等于编制出了程序，可以把梯形图直接加载进可编 程序控制器。对简易编程器，往往要经过下一步的助记符程序的转换过程。 (4) 助记符机器程序 相当于微机中助记符程序，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)，使用简易编程器的时候，必须将梯形图转化为助记符程序，才能将其输入 到可编程序控制器中。 (5) 编制程序 即检查程序中每条语法是否有错误，如果有应该修改。这项工作需要可编程序控制 器的参与。 (6) 调试程序 即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，则应该在编程器上更正。程序设 计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在其它工具上进行。 (7) 保存程序 调试通过的程序，应固化在 EPROM 中或保存在磁盘中备份。 7.3 控制系统的工作原理 控制对象为圆柱座标气动机械臂。它的手臂具有三个自由度，即竖直方向的上、下; 水平方向的伸、缩;绕竖直