纸箱码垛机器人用气动夹具设计

更多设计请移步：http:/shop102709696.taobao.com 咨询纸 箱 码 垛 机 器 人 用 气 动 夹 具 设 计 目 录摘 要 1Abstract1第 一 章 绪 论 .31.1 机 械 手 简 史 .31.2 机 械 手 分 类 .51.3 机 械 手 的 组 成 .81.4 应 用 机 械 手 的 意 义 10第 二 章 纸 箱 码 垛 机 器 人 用 气 动 夹 具 总 体 方 案 设 计 .122.1 机 械 手 的 坐 标 形 式 与 自 由 度 122.2 机 械 手 的 结 构 方 案 确 定 132.3、 机 械 手 的 主 要 参 数 的 确 定 .142.4、 机 械 手 气 路 回 路 的 设 计 .15第 三 章 纸 箱 码 垛 机 器 人 用 气 动 夹 具 结 构 设 计 163.1 末 端 执 行 器 （ 手 部 结 构 的 设 计 ） 163.1.2 资 料 收 集 .173.2 机 械 手 手 腕 的 结 构 设 计 223.2.1 手 腕 转 动 时 所 需 的 驱 动 力 矩 .233.2.2 回 转 气 缸 的 驱 动 力 矩 计 算 .243.2.3 手 腕 回 转 缸 的 设 计 计 算 .253.3 手 臂 伸 缩 、 升 降 、 旋 转 气 缸 的 校 核 计 算 26第 四 章 自 动 控 制 系 统 设 计 294.1 气 动 系 统 设 计 要 求 294.2 驱 动 系 统 设 计 方 案 29第 五 章 PLC 控 制 系 统 设 计 30更多设计请移步：http:/shop102709696.taobao.com 咨询5.1PLC 控制的优点315.2PLC 的工作原理325.3 程序梯形图.335.4 控制程序调试34结 论 .32致 谢 .33参 考 文 献 ： .34第 1 页摘 要气 动 机 械 手 是 能 模 仿 人 手 和 臂 的 某 些 动 作 功 能 ， 用 以 按 固 定 程 序 吸 取 的 、搬 运 物 件 或 操 作 工 具 的 自 动 操 作 装 置 。 它 可 代 替 人 的 繁 重 劳 动 以 实 现 生 产 的 机 械化 和 自 动 化 ， 能 在 有 害 环 境 下 操 作 以 保 护 人 身 安 全 ， 因 而 广 泛 应 用 于 机 械 制 造 、冶 金 、 电 子 、 轻 工 和 原 子 能 等 部 门 。本 文 主 要 进 行 了 纸 箱 码 垛 机 器 人 用 气 动 夹 具 的 总 体 结 构 设 计 和 气 动 设 计 。机 械 手 的 机 械 结 构 由 气 缸 、 气 爪 和 连 接 件 组 成 ， 可 按 预 定 轨 迹 运 动 ， 实 现 对 工件 的 吸 取 的 、 搬 运 和 卸 载 。 气 动 部 分 的 设 计 主 要 是 选 择 合 适 的 控 制 阀 ， 设 计 合理 的 气 动 控 制 回 路 ， 通 过 控 制 和 调 节 各 个 气 缸 压 缩 空 气 的 压 力 、 流 量 和 方 向 来使 气 动 执 行 机 构 获 得 必 要 的 力 、 动 作 速 度 和 改 变 运 动 方 向 ， 并 按 规 定 的 程 序 工作 。关键词：气动机 械 手 ； 气 缸 ； 气 动 回 路 ； 四 自 由 度 。AbstractPneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop ；Four degrees of freedom第 2 页.第 一 章 绪 论机 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 。 不 论 是 传 统 产 业 ， 还 是 新 兴 产 业 ， 都 离 不 开 各 种 各 样 的 机 械 装 备 ，机 械 工 业 所 提 供 装 备 的 性 能 、 质 量 和 成 本 ， 对 国 民 经 济 各 部 门 技 术 进 步 和 经 济 效益 有 很 大 的 和 直 接 的 影 响 。 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 。工 业 机 械 手 是 近 几 十 年 发 展 起 来 的 一 种 高 科 技 自 动 化 生 产 设 备 。 工 业 机 械 手的 是 工 业 机 器 人 的 一 个 重 要 分 支 。 它 的 特 点 是 可 通 过 编 程 来 完 成 各 种 预 期 的 作 业任 务 ， 在 构 造 和 性 能 上 兼 有 人 和 机 器 各 自 的 优 点 ， 尤 其 体 现 了 人 的 智 能 和 适 应 性 。机 械 手 作 业 的 准 确 性 和 各 种 环 境 中 完 成 作 业 的 能 力 ， 在 国 民 经 济 各 领 域 有 着 广 阔的 发 展 前 景 。机 械 手 是 在 机 械 化 ， 自 动 化 生 产 过 程 中 发 展 起 来 的 一 种 新 型 装 置 。 在 现 代 生第 3 页产 过 程 中 ， 机 械 手 被 广 泛 的 运 用 于 自 动 生 产 线 中 ， 机 械 人 的 研 制 和 生 产 已 成 为高 技 术 邻 域 内 ， 迅 速 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 的 技 术 ， 它 更 加 促 进 了 机 械 手 的 发 展 ，使 得 机 械 手 能 更 好 地 实 现 与 机 械 化 和 自 动 化 的 有 机 结 合 。 机 械 手 虽 然 目 前 还 不 如人 手 那 样 灵 活 ， 但 它 具 有 能 不 断 重 复 工 作 和 劳 动 ， 不 知 疲 劳 ， 不 怕 危 险 ， 抓 举 重物 的 力 量 比 人 手 力 大 的 特 点 ， 因 此 ， 机 械 手 已 受 到 许 多 部 门 的 重 视 ， 并 越 来 越 广泛 地 得 到 了 应 用 。机 械 手 技 术 涉 及 到 力 学 、 机 械 学 、 电 气 气 技 术 、 自 动 控 制 技 术 、 传 感 器 技术 和 计 算 机 技 术 等 科 学 领 域 ， 是 一 门 跨 学 科 综 合 技 术 。 机 械 手 是 一 种 能 自 动 化 定位 控 制 并 可 重 新 编 程 序 以 变 动 的 多 功 能 机 器 ， 它 有 多 自 由 度 ， 可 用 来 搬 运 物 体 以完 成 在 各 个 不 同 环 境 中 工 作 。1.1 机械手简史现 代 工 业 机 械 手 起 源 于 20 世 纪 50 年 代 初 ， 是 基 于 示 教 再 现 和 主 从 控 制 方式 、 能 适 应 产 品 种 类 变 更 ， 具 有 多 自 由 度 动 作 功 能 的 柔 性 自 动 化 产 品 。机 械 手 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 手 。 他 的 结 构 是 ： 机 体 上 安 装 一 回 转 长 臂 ， 端 部 装 有 电 磁 铁 的 工 件 抓 放 机 构 ，控 制 系 统 是 示 教 型 的 。1962 年 ， 美 国 机 械 铸 造 公 司 在 上 述 方 案 的 基 础 之 上 又 试 制 成 一 台 数 控 示 教再 现 型 机 械 手 。 商 名 为 Unimate(即 万 能 自 动 )。 运 动 系 统 仿 造 坦 克 炮 塔 ， 臂 回转 、 俯 仰 ， 用 气 驱 动 ； 控 制 系 统 用 磁 鼓 最 存 储 装 置 。 不 少 球 坐 标 式 通 用 机 械 手就 是 在 这 个 基 础 上 发 展 起 来 的 。 同 年 该 公 司 和 普 鲁 曼 公 司 合 并 成 立 万 能 自 动 公 司（ Unimaton） ,专 门 生 产 工 业 机 械 手 。1962 年 ， 美 国 机 械 铸 造 公 司 也 试 验 成 功 一 种 叫 Versatran 机 械 手 ， 原 意 是灵 活 搬 运 。 该 机 械 手 的 中 央 立 柱 可 以 回 转 ， 臂 可 以 回 转 、 升 降 、 伸 缩 、 采 用 气驱 动 ， 控 制 系 统 也 是 示 教 再 现 型 。 虽 然 这 两 种 机 械 手 出 现 在 六 十 年 代 初 ， 但 都 是国 外 工 业 机 械 手 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-Vic-arm 型 工 业 机 械 手 ， 装 有 小 型 电 子 计 算 机 进 行 控 制 ， 用 于 装 配 作 业 ，第 4 页定 位 误 差 可 小 于 1 毫 米 。美 国 还 十 分 注 意 提 高 机 械 手 的 可 靠 性 ， 改 进 结 构 ， 降 低 成 本 。 如 Unimate公 司 建 立 了 8 年 机 械 手 试 验 台 ， 进 行 各 种 性 能 的 试 验 。 准 备 把 故 障 前 平 均 时 间（ 注 ： 故 障 前 平 均 时 间 是 指 一 台 设 备 可 靠 性 的 一 种 量 度 。 它 给 出 在 第 一 次 故 障 前的 平 均 运 行 时 间 ） ， 由 400 小 时 提 高 到 1500 小 时 ， 精 度 可 提 高 到 0.1 毫 米 。德 国 机 器 制 造 业 是 从 1970 年 开 始 应 用 机 械 手 ， 主 要 用 于 起 重 运 输 、 焊 接 和设 备 的 上 下 料 等 作 业 。 德 国 KnKa 公 司 还 生 产 一 种 点 焊 机 械 手 ， 采 用 关 节 式 结构 和 程 序 控 制 。瑞 士 RETAB 公 司 生 产 一 种 涂 漆 机 械 手 ， 采 用 示 教 方 法 编 制 程 序 。瑞 典 安 莎 公 司 采 用 机 械 手 清 理 铸 铝 齿 轮 箱 毛 刺 等 。日 本 是 工 业 机 械 手 发 展 最 快 、 应 用 最 多 的 国 家 。 自 1969 年 从 美 国 引 进 二种 典 型 机 械 手 后 ， 大 力 研 究 机 械 手 的 研 究 。 据 报 道 ， 1976 年 从 事 机 械 手 的 研究 工 作 的 大 专 院 校 、 研 究 单 位 多 达 50 多 个 。 1979 年 120 多 个 大 学 和 国 家 研 究部 门 用 在 机 械 手 的 研 究 费 用 42%。 1979 年 日 本 机 械 手 的 产 值 达 443 亿 日 元 ，产 量 为 14535 台 。 其 中 固 定 程 序 和 可 变 程 序 约 占 一 半 ， 达 222 亿 日 元 ， 是1978 年 的 二 倍 。 具 有 记 忆 功 能 的 机 械 手 产 值 约 为 67 亿 日 元 ， 比 1978 年 增 长50%。 智 能 机 械 手 约 为 17 亿 日 元 ， 为 1978 年 的 6 倍 。 截 止 1979 年 ， 机 械 手累 计 产 量 达 56900 台 。 在 数 量 上 已 占 世 界 首 位 ， 约 占 70%， 并 以 每 年50% 60%的 速 度 增 长 。 使 用 机 械 手 最 多 的 是 汽 车 工 业 ， 其 次 是 电 机 、 电 器 。 预计 到 1990 年 将 有 55 万 机 器 人 在 工 作 。第 二 代 机 械 手 正 在 加 紧 研 制 。 它 设 有 微 型 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 感 觉 到 的 信 息 反 馈 ， 使机 械 手 具 有 感 觉 机 能 。 目 前 国 外 已 经 出 现 了 触 觉 和 视 觉 机 械 手 。第 三 代 机 械 手 （ 机 器 人 ） 则 能 独 立 地 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(Flexible Manufacturing system)和 柔 性 制 造 单 元 (Flexible Manufacturing Cell)中 重 要 一环 。第 5 页随 着 工 业 机 器 手 （ 机 器 人 ） 研 究 制 造 和 应 用 的 扩 大 ， 国 际 性 学 术 交 流 活 动十 分 活 跃 ， 欧 美 各 国 和 其 他 国 家 学 术 交 流 活 动 开 展 很 多 。1.2 机械手的分类目 前 对 机 械 手 还 没 有 统 一 的 分 类 标 准 。 按 照 不 同 的 分 类 方 式 可 以 把 机 械 手分 成 多 种 类 型 。1.按 驱 动 方 式 分 类按 驱 动 装 置 的 动 力 源 ， 机 械 手 可 分 为 以 下 的 几 种 。（ 1） 气 式 机 械 手 。 这 种 机 械 手 的 驱 动 系 统 通 常 由 液 动 机 （ 各 种 油 缸 、 油 马达 ） 、 伺 服 阀 、 油 泵 、 油 箱 等 组 成 ， 这 种 机 器 人 通 常 具 有 很 大 的 抓 举 能 力 并 且 结构 紧 凑 ， 动 作 平 稳 ， 耐 冲 击 、 耐 振 动 ， 防 爆 性 好 ， 但 对 制 造 精 度 和 密 封 性 能 要 求很 高 ， 否 则 易 发 生 漏 油 而 污 染 环 境 。（ 2） 气 压 式 机 械 手 。 其 驱 动 系 统 通 常 采 用 通 常 汽 缸 、 气 阀 、 气 罐 和 空 压 机组 成 。 特 点 是 气 源 方 便 ， 动 作 迅 速 ， 结 构 简 单 、 造 价 较 低 、 维 修 方 便 ， 但 难 于 进行 速 度 控 制 ， 并 因 气 压 不 能 太 高 ， 固 抓 举 能 力 较 小 。（ 3） 电 动 式 机 械 手 。 电 力 驱 动 是 目 前 机 械 手 使 用 的 最 多 的 一 种 驱 动 方 式 。其 特 点 是 电 源 方 便 ， 响 应 快 ， 驱 动 力 较 大 ， 信 号 检 测 、 传 递 、 处 理 方 便 ， 可 以 采用 多 种 灵 活 的 控 制 方 案 。 驱 动 电 机 一 般 采 用 交 流 伺 服 电 机 、 直 流 伺 服 电 机 和 步 进电 机 。 由 于 电 机 速 度 高 ， 通 常 还 须 采 用 减 速 机 构 （ 如 谐 波 减 速 机 构 、 论 析 减 速 机构 、 滚 珠 丝 杠 和 多 杆 机 构 ） 。 目 前 也 有 一 些 特 制 电 机 直 接 进 行 驱 动 ， 以 简 化 机 构 ，提 高 控 制 精 度 。其 他 还 有 采 用 混 合 驱 动 的 机 械 手 ， 如 液 -气 混 合 驱 动 机 械 手 或 电 -气 混 合 驱动 机 械 手 。2.按 用 途 分 类机械手按用途可分为下列几种。（1） 搬运机械手;（2） 喷涂机械手;（3） 焊接机械手;第 6 页（4） 装配机械手;（5） 其他用途的机械手。如航天用机械手，探海用机械手，以及排险作业机械手等。3.按操作机的位置机构类型和自由度数量分类操 作 机 的 位 置 机 构 是 机 械 手 的 重 要 外 形 特 征 ， 固 常 用 作 分 类 的 依 据 。 按 这 一分 类 要 求 ， 机 械 手 可 分 为 直 角 坐 标 型 、 圆 柱 坐 标 型 、 球 坐 标 型 、 关 节 型 机 械 手 。第 7 页a） 直角坐标型 b）圆柱坐标型 c）球坐标型 d）多关节型 e）平面关节型图 1-1 工业机械手的基本结构形式操 作 机 本 身 的 自 由 度 最 能 反 应 机 器 人 的 作 业 能 力 ， 也 是 分 类 的 重 要 依 据 。 按这 一 分 类 要 求 ， 机 械 手 可 分 为 4 自 由 度 、 5 自 由 度 、 6 自 由 度 和 7 自 由 度 机 械手 。4.按 其 他 方 法 还 可 以 分 为（ 1） 家 务 型 机 械 手 ： 能 帮 助 人 们 打 理 生 活 ， 做 简 单 的 家 务 活 。（ 2） 操 作 型 机 械 手 ： 能 自 动 控 制 ， 可 重 复 编 程 ， 多 功 能 ， 有 几 个 自 由 度 ，可 固 定 或 运 动 ， 用 于 相 关 自 动 化 系 统 中 。第 8 页（ 3） 程 控 型 机 械 手 ： 按 预 先 要 求 的 顺 序 及 条 件 ， 依 次 控 制 机 械 手 的 机 械动 作 。（ 4） 示 教 再 现 型 机 械 手 ： 通 过 引 导 或 其 它 方 式 ， 先 教 会 机 械 手 动 作 ， 输入 工 作 程 序 ， 机 械 手 则 自 动 重 复 进 行 作 业 。（ 5） 数 控 型 机 械 手 ： 不 必 使 机 械 手 动 作 ， 通 过 数 值 、 语 言 等 对 机 器 人 进 行示 教 ， 机 械 手 根 据 示 教 后 的 信 息 进 行 作 业 。（ 6） 感 觉 控 制 型 机 械 手 ： 利 用 传 感 器 获 取 的 信 息 控 制 机 械 手 的 动 作 。（ 7） 适 应 控 制 型 机 械 手 ： 能 适 应 环 境 的 变 化 ， 控 制 其 自 身 的 行 动 。（ 8） 学 习 控 制 型 机 械 手 ： 能 “体 会 ”工 作 的 经 验 ， 具 有 一 定 的 学 习 功 能 ， 并将 所 “学 ”的 经 验 用 于 工 作 中 。（ 9） 智 能 机 械 手 ： 以 人 工 智 能 决 定 其 行 动 的 机 械 手 。1.3 机械手的组成工业机械手通常由执行机构、驱动传动装置、控制系统和智能系统四部分组成。图 1-2 为工业机械手的典型结构，图 1-3 为工业机械手的组成方框图。 图 1-2 工业机械手的典型结构 第 9 页图 1-3 工业机械手的组成方框图执 行 机 构 （ 也 称 操 作 机 ） 是 机 械 手 赖 以 完 成 工 作 任 务 的 实 体 ， 通 常 由 杆 件和 关 节 组 成 。 从 功 能 的 角 度 ， 执 行 机 构 可 分 为 ： 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 和 基 座等 。工业机械手执行机构驱动装置控制系统智能系统腕部腰部臂部基座部（固定或移动）电、液或气驱动装置单关节伺服控制器关节协调及其它信息交换计算机感觉装置子视觉装置子语言识别装置手部第 10 页手 部 又 称 末 端 执 行 器 ， 是 工 业 机 械 手 直 接 进 行 工 作 的 部 分 ， 可 以 是 各 种 夹持 器 。 有 时 人 们 也 把 诸 如 电 焊 枪 、 油 漆 喷 头 等 划 作 机 器 手 的 手 部 ； 腕 部 与 手 部相 连 ， 主 要 功 能 是 带 动 手 部 完 成 预 定 姿 态 ， 是 操 作 机 的 中 结 构 最 为 复 杂 的 部 分 ；臂 部 用 以 连 接 腰 部 和 腕 部 ， 通 常 由 两 个 臂 杆 （ 小 臂 和 大 臂 ） 组 成 ， 用 于 带 动 腕 部做 平 面 运 动 ； 腰 部 是 连 接 臂 和 基 座 的 部 件 ， 通 常 是 回 转 部 件 ， 腰 部 的 回 转 运 动 加上 臂 部 的 平 面 运 动 ， 就 能 使 腕 部 做 空 间 运 动 。 腰 部 是 执 行 结 构 的 关 键 部 件 ， 它的 制 造 误 差 、 运 动 精 度 和 平 稳 性 ， 对 机 械 手 的 定 位 精 度 有 决 定 性 的 影 响 ； 基 座是 整 个 机 械 手 的 支 撑 部 分 ， 有 固 定 式 和 移 动 式 两 种 。 该 部 件 必 须 有 足 够 的 刚 度 和稳 定 性 。工 业 机 械 手 的 驱 动 -传 动 装 置 包 括 驱 动 器 和 传 动 机 构 两 个 部 分 ， 它 们 通 常 与执 行 机 构 连 成 一 体 。 传 动 装 置 常 用 的 有 谐 波 减 速 器 、 滚 珠 丝 杠 、 链 、 带 以 及 各 种齿 轮 系 。 驱 动 器 通 常 有 电 机 （ 直 流 伺 服 电 机 、 步 进 电 机 、 交 流 伺 服 电 机 ） 、 气或 气 动 装 置 ， 目 前 使 用 最 多 的 是 交 流 伺 服 电 机 。控 制 系 统 一 般 有 控 制 计 算 机 和 伺 服 控 制 器 组 成 。 控 制 系 统 有 两 种 方 式 。 一种 是 集 中 式 控 制 ， 即 机 械 手 的 全 部 控 制 由 一 台 微 型 计 算 机 完 成 。 另 一 种 是 分 散（ 级 ） 式 控 制 ， 即 采 用 多 台 微 机 来 分 担 机 器 人 的 控 制 ， 如 当 采 用 上 、 下 两 级 微 机共 同 完 成 机 器 人 的 控 制 时 ， 主 机 常 用 于 负 责 系 统 的 管 理 、 通 讯 、 运 动 学 和 动 力 学计 算 ， 并 向 下 级 微 机 发 送 指 令 信 息 ； 作 为 下 级 从 机 ， 各 关 节 分 别 对 应 一 个CPU， 进 行 插 补 运 算 和 伺 服 控 制 处 理 ， 实 现 给 定 的 运 动 ， 并 向 主 机 反 馈 信 息 。 根据 作 业 任 务 要 求 的 不 同 ， 机 械 手 的 控 制 方 式 又 可 分 为 点 位 控 制 、 连 续 轨 迹 控 制和 力 （ 力 矩 ） 控 制 。智 能 系 统 是 目 前 机 械 手 系 统 中 一 个 不 够 完 善 但 发 展 很 快 的 子 系 统 。 它 可 分为 两 个 部 分 ： 感 知 系 统 和 分 析 -决 策 智 能 系 统 。 前 者 主 要 靠 硬 件 （ 各 种 传 感 器 ）实 现 ;后 者 主 要 靠 软 件 （ 如 专 家 系 统 ） 实 现 。1.4 应用机械手的意义随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 机 械 手 也 越 来 越 多 的 地 被 应 用 。 在 机 械 工 业 中 ， 铸 、焊 、 铆 、 冲 、 压 、 热 处 理 、 机 械 加 工 、 装 配 、 检 验 、 喷 漆 、 电 镀 等 工 种 都 有 应 用的 实 理 。 其 他 部 门 ， 如 轻 工 业 、 建 筑 业 、 国 防 工 业 等 工 作 中 也 均 有 所 应 用 。第 11 页在 机 械 工 业 中 ， 应 用 机 械 手 的 意 义 可 以 概 括 如 下 ：一 、 以 提 高 生 产 过 程 中 的 自 动 化 程 度应 用 机 械 手 有 利 于 实 现 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 的 程 度 ， 从 而 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 和 降 低 生 产 成 本 。二 、 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 他 毒 性污 染 以 及 工 作 空 间 狭 窄 的 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 的 完 成 作 业 ， 使 劳 动 条 件 得 以 改 善 。在 一 些 简 单 、 重 复 ， 特 别 是 较 笨 重 的 操 作 中 ， 以 机 械 手 代 替 人 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 。三 、 可 以 减 轻 人 力 ， 并 便 于 有 节 奏 的 生 产应 用 机 械 手 代 替 人 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 的 工 作 ， 这 是 减 少 人 力 的 另 一 个 侧 面 。 因 此 ， 在 自 动 化 机 床 的 综合 加 工 自 动 线 上 ， 目 前 几 乎 都 没 有 机 械 手 ， 以 减 少 人 力 和 更 准 确 的 控 制 生 产 的 节拍 ， 便 于 有 节 奏 的 进 行 工 作 生 产 。综 上 所 述 ， 有 效 的 应 用 机 械 手 ， 是 发 展 机 械 工 业 的 必 然 趋 势 。第 12 页第 二 章 纸 箱 码 垛 机 器 人 用 气 动 夹 具 设 计 总 体 方案 设 计本课题是一个用于纸箱码垛机器人用气动夹具的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及气动回路的设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。2.1机械手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，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。2.2 机械手的手部结构方案确定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。考虑到机械手的通用性，同时由于被吸取的工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。按照吸取的工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。由于气压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手采用气压传动方式。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，非常第 13 页方便快捷。2.3 机械手的主要参数确定机械手的最大吸取载荷是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑吸取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计吸取的工件质量为 5 公斤。基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。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 。最大回转速度设计为 。sm/0.1s/90平均移动速度为 。平均回转速度为 。机械手动作时有启动、停止过程sm/8.06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。大部分机械手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，该机械手手臂的伸缩行程定为 600mm,最大工作半径约为 。手臂升降行程定为m140。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为 。m120 1设 计 技 术 参 数 如 下 ：1、 载 重 ： 5Kg (夹 持 式 手 部 )2、 自 由 度 数 ： 4 个 自 由 度3、 坐 标 型 式 ： 圆 柱 坐 标4、 最 大 工 作 半 径 ： 1400mm5、 机 身 最 大 中 心 高 ： 1250mm6、 主 要 运 动 参 数 ：手 臂 伸 缩 行 程 ： 1200mm 手 臂 伸 缩 速 度 ： 200mm/s机 身 升 降 行 程 ： 120mm 机 身 升 降 速 度 ： 100mm/s机 身 回 转 范 围 ： 0- 180 机 身 回 转 速 度 ： 90/s第 14 页2.4 机械手气路回路设计机 械 手 气 动 回 路 的 设 计 主 要 是 选 用 合 适 的 控 制 阀 ， 通 过 控 制 和 调 节 各 个 气缸 压 缩 空 气 的 压 力 、 流 量 和 方 向 来 使 气 动 执 行 机 构 获 得 必 要 的 力 、 动 作 速 度 和 改变 运 动 方 向 ， 并 按 规 定 的 程 序 工 作 ， 设 计 的 气 动 回 路 图 如 图 2-2 所 示 。图 2-2 机械手气动回路图本 设 计 的 气 动 机 械 手 完 成 各 个 运 动 的 气 缸 只 有 完 全 伸 出 和 完 全 缩 回 两 个 状 态 ，选 择 两 位 五 通 换 向 阀 控 制 各 个 气 缸 的 运 动 方 向 ， 气 缸 的 进 出 口 回 路 各 设 置 一 个 单向 节 流 阀 ， 通 过 控 制 进 出 口 空 气 流 量 的 大 小 来 控 制 气 缸 执 行 器 动 力 的 大 小 和 运 动速 度 。 设 计 中 采 用 PLC 控 制 机 械 手 实 现 各 种 规 定 的 预 定 动 作 ， 既 可 以 简 化 控制 线 路 ， 节 省 成 本 ， 又 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 。第 15 页第 三 章 纸 箱 码 垛 机 器 人 用 气 动 夹 具 设 计 结 构 设计3.1 末端执行器设计（手部结构）末 端 执 行 器 是 装 在 机 械 手 臂 的 末 端 处 ， 用 于 机 械 手 完 成 作 业 任 务 而 专 门 设 计的 装 置 。 末 端 执 行 器 种 类 繁 多 ， 与 机 械 手 的 用 途 密 切 相 关 ， 根 据 其 用 途 ， 末 端执 行 器 可 分 为 搬 运 用 、 加 工 用 和 测 量 用 等 种 类 。搬 运 用 末 端 执 行 器 是 指 各 种 夹 持 装 置 ， 用 来 吸 取 的 或 吸 附 被 搬 运 的 物 体 。加 工 用 末 端 执 行 器 是 带 有 喷 枪 、 焊 枪 、 砂 轮 、 铣 刀 等 加 工 工 具 的 机 器 人 附 加装 置 ， 用 来 进 行 相 应 的 加 工 作 业 。测 量 用 末 端 执 行 器 是 装 有 测 量 头 或 传 感 器 的 附 加 装 置 ， 用 来 进 行 测 量 及 检 验作 业 。在 设 计 机 械 手 末 端 执 行 器 时 ， 应 注 意 以 下 问 题 ；1.机 械 手 末 端 执 行 器 是 根 据 机 械 手 作 业 要 求 来 设 计 的 。 一 个 新 的 末 端 执 行器 的 出 现 ， 就 可 以 增 加 一 种 机 械 手 新 的 应 用 场 所 。 因 此 ， 根 据 作 业 的 需 要 和 人们 的 想 象 力 而 创 造 的 新 的 机 械 手 末 端 执 行 器 ， 将 不 断 的 扩 大 机 械 手 的 应 用 领 域 。2.机 械 手 末 端 执 行 器 的 重 量 、 被 吸 取 的 物 体 的 重 量 及 操 作 力 和 机 械 手 容 许的 负 荷 力 。 因 此 ， 要 求 机 械 手 末 端 执 行 器 体 积 小 、 重 量 轻 、 结 构 紧 凑 。3.机 械 手 末 端 执 行 器 的 万 能 性 与 专 用 性 是 矛 盾 的 。 万 能 末 端 执 行 器 在 结 构 上很 复 杂 ， 甚 至 很 难 实 现 ， 例 如 ， 仿 人 的 万 能 机 器 人 灵 巧 手 ， 至 今 尚 未 实 用 化 。 目前 ， 能 用 于 生 产 的 还 是 那 些 结 构 简 单 、 万 能 性 不 强 的 机 械 手 末 端 执 行 器 。 从 工业 实 际 应 用 出 发 ， 应 着 重 开 发 各 种 专 用 的 、 高 效 率 的 机 械 手 末 端 执 行 器 ， 加 之以 末 端 执 行 器 的 快 速 更 换 装 置 ， 以 实 现 机 械 手 多 种 作 业 功 能 ， 而 不 主 张 用 一 个万 能 的 末 端 执 行 器 去 完 成 多 种 作 业 。 因 为 这 种 万 能 的 执 行 器 的 结 构 复 杂 且 造 价 昂贵 。4.通 用 性 和 万 能 性 是 两 个 概 念 ， 万 能 性 是 指 一 机 多 能 ， 而 通 用 性 是 指 有 限 的第 16 页末 端 执 行 器 ， 可 适 用 于 不 同 的 机 械 手 ， 这 就 要 求 末 端 执 行 器 要 有 标 准 的 机 械 接口 （ 如 法 兰 ） ， 使 末 端 执 行 器 实 现 标 准 化 和 积 木 化 。5.机 械 手 末 端 执 行 器 要 便 于 安 装 和 维 修 ， 易 于 实 现 计 算 机 控 制 。 用 计 算 机 控制 最 方 便 的 是 电 气 式 执 行 机 构 。 因 此 ， 工 业 机 械 手 执 行 机 构 的 主 流 是 电 气 式 ，其 次 是 气 式 和 气 压 式 （ 在 驱 动 接 口 中 需 要 增 加 电 -液 或 电 -气 变 换 环 节 ） 。末 端 执 行 器 即 机 械 手 手 爪 ， 多 为 双 指 手 爪 。 按 手 指 的 运 动 方 式 ， 可 分 为 回转 型 和 移 动 型 ， 按 夹 持 方 式 来 分 ， 有 外 夹 式 和 内 撑 式 两 种 。机 械 手 夹 持 器 （ 手 爪 ） 的 驱 动 方 式 主 要 有 三 种1.气 动 驱 动 方 式 这 种 驱 动 系 统 是 用 电 磁 阀 来 控 制 手 爪 的 运 动 方 向 ， 用 气流 调 节 阀 来 调 节 其 运 动 速 度 。 由 于 气 动 驱 动 系 统 价 格 较 低 ， 所 以 气 动 夹 持 器 在 工业 中 应 用 较 为 普 遍 。 另 外 ， 由 于 气 体 的 可 压 缩 性 ， 使 气 动 手 爪 的 吸 取 的 运 动 具有 一 定 的 柔 顺 性 ， 这 一 点 是 吸 取 的 动 作 十 分 需 要 的 。2.电 动 驱 动 方 式 电 动 驱 动 手 爪 应 用 也 较 为 广 泛 。 这 种 手 爪 ， 一 般 采 用直 流 伺 服 电 机 或 步 进 电 机 ， 并 需 要 减 速 器 以 获 得 足 够 大 的 驱 动 力 和 力 矩 。 电 动 驱动 方 式 可 实 现 手 爪 的 力 与 位 置 控 制 。 但 是 ， 这 种 驱 动 方 式 不 能 用 于 有 防 爆 要 求 的条 件 下 ， 因 为 电 机 有 可 能 产 生 火 花 和 发 热 。3.气 驱 动 方 式 气 驱 动 系 统 传 动 刚 度 大 ， 可 实 现 连 续 位 置 控 制 。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 。 回 转 型 手 指 开 闭 角 较 小 ， 结 构 简 单 ， 制 造 容 易 ，应 用 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 位 置 ， 能 适 应 不 同 直 径 的 工 件 。3.1.1夹 持 式 手 部 结 构 设 计 要 素(一 )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 。第 17 页(二 )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 。(三 )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 吸 取 的 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 。(四 )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 。(五 )考 虑 被 吸 取 的 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 。第 18 页图 3-1 手 部 结 构 图由 于 其 工 件 重 量 G=5公 斤 ，V形 手 指 的 角 度 ， ,摩 擦 系 数 为120mRb2410.f(1)根 据 手 部 结 构 的 传 动 示 意 图 ， 其 驱 动 力 为 :Rbp2N(2)根 据 手 指 夹 持 工 件 的 方 位 ， 可 得 握 力 计 算 公 式 :)(5.0tg第 19 页)(25)42560. Ntg所 以 Rbp)(245(3)实 际 驱 动 力 :21K实 际1、 因 为 传 力 机 构 为 齿 轮 齿 条 传 动 ， 故 取 ， 并 取 。 若 被 吸 取 的94.05.1K工 件 的 最 大 加 速 度 取 时 ， 则 :ga312gaK所 以 )(15694.025Np实 际所 以 夹 持 工 件 时 所 需 夹 紧 气 缸 的 驱 动 力 为 。N15632、 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 :ztFPDF421式 中 : - 活 塞 杆 上 的 推 力 ， N- 弹 簧 反 作 用 力 ， Nt- 气 缸 工 作 时 的 总 阻 力 ， NzF- 气 缸 工 作 压 力 ， PaP弹 簧 反 作 用 按 下 式 计 算 :)1(sGftnDdf314Gf = 3148第 20 页式 中 : - 弹 簧 刚 度 ， N/mfG- 弹 簧 预 压 缩 量 ， m1- 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 :tFpD421由 以 上 分 析 得 单 向 作 用 气 缸 的 直 径 :pt)(1代 入 有 关 数 据 ， 可 得fGnDd314843915)0(7/6.mN)(sFft)(6.2014373所 以 : DpnFt)6105.).249()(23.65m查 有 关 手 册 圆 整 ， 得 m6由 ,可 得 活 塞 杆 直 径 :.0/d mDd5.193).02(圆 整 后 ， 取 活 塞 杆 直 径 校 核 ， 按 公 式18)4/(21dF有 : 5.0)/14(F第 21 页其 中 ， ，MPa120NF7501则 : .0)/49(d8.满 足 实 际 设 计 要 求 。3、 缸 筒 壁 厚 的 设 计缸 筒 直 接 承 受 压 缩 空 气 压 力 ， 必 须 有 一 定 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 :2pDP式 中 :6- 缸 筒 壁 厚 ， mm- 气 缸 内 径 ， mm- 实 验 压 力 ， 取 , Papp5.1材 料 为 :ZL3, =3MPa代 入 己 知 数 据 ， 则 壁 厚 为 :2/pDP)(5.6)103(65m取 ， 则 缸 筒 外 径 为 :7 )(8025.761mD3.2 机械手手腕结构设计手 腕 是 连 接 手 部 和 手 臂 的 部 件 ， 它 的 作 用 是 调 整 或 改 变 工 件 的 方 位 ， 因 而 它具 有 独 立 的 自 由 度 ， 以 使 机 械 手 适 应 复 杂 的 动 作 要 求 。 手 腕 自 由 度 的 选 用 与 机 械手 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 手 吸 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 油 (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 ，360并 且 要 求 严 格 的 密 封 。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 动第 22 页轴 线 不 重 合 所 产 生 的 偏 重 力 矩 .图 3-1所 示 为 手 腕 受 力 的 示 意 图 。图 3-1 手 腕 回 转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 3-2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 2)(rRp)(2rRbMp