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机械手的设计

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更新时间：2014-09-21
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机械手的设计
机械手的设计
本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，气动技术的特点，PLC控制的特点及国内外的发展状况。
本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构;设计了机械手的手腕结构，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;设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。
设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。

关键词：工业机器人，机械手，气动，可编程序控制器(PLC)

Design on the Currency Pneumatic Loading
and Unloading Manipulator

ABSTRACT

At first,the paper introduces the conception of the industrial robot and the elertary information of the development briefly. What's more,the paper accounts for background and the primary mission of thetopic.

The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.

This paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator,and analyzes the error of the orientation of the fingers.

The paper designs the structure of the wrist,computes the needed
moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.

The paper designs the structure of the arm,and designs the hydraulic pressure buffer when the manipulator's arm flexes,ascend,descend and wheels .
The paper designs the system of air pressured rive and draws the work principle chair.

The manipulator uses PLC to control.The paper institutes two controls chemes of PLC acordine to the work flow of the manipulator.The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart.What’s more,the paper work out the control program of the PLC.

KEY WORDS industrial robot, manipulator, pump, air pressure drive, PLC
第二章机械手的设计方案

对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，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通用气动上下料机械手，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，动强度大和操作单调频繁的生产场合。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
图2-1所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。

图 2-1 机械手的运动示意图
Fig.2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator

2.2 机械手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。
2.3 机械手的手腕结构方案设计
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。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。

2.4 机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(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。

2.5 机械手的驱动方案设计

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。

2.6 机械手的控制方案设计

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。

2.7机械手的主要参数

1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为10公斤，高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部时可吸附5公斤的重物。
2、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1.2m/s，最大回转速度设计为1200°/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为900°/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1500mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。
定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5～±lmm

2.8机械手的技术参数列表

一、用途:
用于 100 吨以上冲床上下料。
二、设计技术参数:
1、抓重
10公斤 (夹持式手部)
5公斤 ( 气流负压式吸盘)
2、自由度数
4个自由度
3、座标型式
圆柱座标
4、最大工作半径
1500mm
5、手臂最大中心高
1380mm
6、手臂运动参数
伸缩行程 600mm
伸缩速度 500mm/s
升降行程 200mm
升降速度 300mm/s
回转范围 0°～ 240°
回转速度 90°
7、手腕运动参数
回转范围 0°～ 180°
回转速度 180°/s
8、手指夹持范围
棒料 : 80～150mm
片料 : 面积不大于0.5m Z
9、定位方式
行程开关或可调机械挡块等
10、定位精度
士0.5mm
l1,缓冲方式
液压缓冲器
12.驱动方式
气压传动
13、控制方式
点位程序控制(采用PLC) ...

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