碼垛機器人

碼垛機器人,碼垛,機器人 分 類 號 密 級 寧 畢業(yè)設計(論文) 碼垛機器人設計 所在學院 機械與電氣工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 11機自x班 姓 名 學 號 指導老師 2015 年 3 月 31 日 摘 要 機器人碼垛機非常適合用于柔性包裝流水線，大大縮短了包裝周期時間。具有極高的精度，再加上卓越的傳送帶跟蹤性能，不論是固定位置操作，還是運動中操作，其拾放精度均為一流。體積小、速度快，配有全套輔助設備（從集成式空氣與信號系統(tǒng)至抓料器）?？膳涮资褂冒b軟件，機械方面集成簡單，編程更是十分方便。從效率上說，碼垛機器人不僅能承擔高負重，而且速度和質(zhì)量遠遠高于人工。 關鍵詞：機器人，碼垛 27 Abstract The robot palletizer is very suitable for the flexible packaging production line, greatly shorten the cycle time of packaging. With high precision, and excellent tracking performance of conveyor belt, whether fixed position operation, or movement in the operation, the pick and place precision are first-class. Small size, fast speed, equipped with a full set of auxiliary equipment (from the integrated air and signal system to catch feeder). Supporting the use of packaging machinery integration software, simple programming, it is very convenient. From the efficiency, palletizing robot can not only bear the high load, and the speed and quality is much higher than that of artificial. Key Words:palletizer 目 錄 第一章 前言 1.1機械手概述...............................................1 1.2機械手的組成和分類.......................................2 1.2.1機械手的組成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 1.2.2機械手的分類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 第二章 機械手的設計方案 2.1機械手的坐標型式與自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.2機械手的手部結構方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.3機械手的手腕結構方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.4機械手的手臂結構方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 2.5機械手的驅(qū)動方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.6機械手的控制方案設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 2.7機械手的主要參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 2.8機械手的技術參數(shù)列表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 第三章 手部結構設計 3.1夾持式手部結構．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 3.1.1手指的形狀和分類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 3.1.2設計時考慮的幾個問題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 3.1.3動力設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 第四章 手腕結構設計 4.1手腕的自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 4.2手腕的驅(qū)動力矩的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 4.2.1手腕轉動時所需的驅(qū)動力矩．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17 4.2.2回轉氣缸的驅(qū)動力矩計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18 第五章 手臂伸縮，升降，回轉氣缸的設計與校核 5.1手臂伸縮部分尺寸設計與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 5.1.1尺寸設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 5.1.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 5 .1 .3導向裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22 5 .1 .4平衡裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5.2手臂升降部分尺寸設計與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5.2.1尺寸設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5.2.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5.3手臂回轉部分尺寸設計與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5.3.1尺寸設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24 5.3.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 第六章 機械手的PLC控制設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 6.1可編程序控制器的選擇及工作過程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 6.1.1可編程序控制器的選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 6.1.2可編程序控制器的工作過程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 6.2可編程序控制器的使用步驟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 第七章 結論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 專業(yè)相關的資料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 摘 要 在設計手臂時考慮到工作要求并不高，承重也不大，所以在設計中優(yōu)先考慮用同步電機驅(qū)動，其中底盤第一軸電機選擇動力較大的馬達， 第二軸選擇力度適中的馬達第三軸選擇了力度比前2個較小的馬達，底盤考慮用壓鑄模做，因為底盤一定要重才行，否則很可能會整個機器側翻，手臂選用鈑金做，一個是考慮鈑金加工簡單，成本低，可塑性強，在軸的位置選擇用軸承來固定旋轉，固定軸承的部件用車床加工。至于手指用CNC銑出來。 在設計時第一軸底盤旋轉中才用3個齒輪傳動減速，原打算2個可是空間不允許，所以才用4:1:1的降速，第一個和第二個配合達到4:1減速作用，第二個第三個配合起到一個一比一轉速目的是為了加大空間。然后第三個齒輪上開幾個螺絲孔，用來固定轉盤。第二軸的旋轉軸固定在底盤轉盤上，選擇了一對小軸承做軸心，傳動上使用了第一齒輪直接固定在電機上來帶到第二個固定在手臂上的齒輪,達到3:1的降速。第三軸手肘部分采用跟第二軸同樣原理，只是在齒輪設計上采用的是3:2的減速配合。 。 限位方案一：才有行程開關限位，即到了極限位置后觸動開關使馬達斷電。 限位方案二：才有傳感器控制，本設計中比較適合的是光耦傳感器，即紅外發(fā)射信號，物體運動到極限位置時，發(fā)射器給接受器一個信號，傳感器接收信號后傳給控制器，使馬達停止轉動。 限位方案三：采用的是硬性限位及擋板碰撞限位，機械手臂的運動范圍手其結構的限制，在手臂的運動到達結構位置之前，必須使其自動停止。考慮到簡單方便本設計中直接用該方案。 第一章 前言 1.1 機械手概述： 機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 在現(xiàn)今的生活上,科技日新月益的進展之下,機械人手臂與有人類的手臂最大區(qū)別就在于靈活度與耐力度。也就是機械手的最大優(yōu)勢可以重復的做同一動作在機械正常情況下永遠也不會覺得累！機械手臂的應用也將會越來越廣泛,機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備，作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力。工業(yè)機械手機器人的一個重要分支。 種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式。特點是可以通過編程來完 成各種預期的作業(yè)，構造和性能上兼有人和機械手機器各自的優(yōu)點. 1.2 機械手的組成和分類 1.2.1.機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖2-1所示。 機械手組成方框圖:1-1 (一)執(zhí)行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 1、手部: 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手腕: 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 3、手臂: 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 4、立柱: 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5、行走機構: 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 6、機座: 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動， 并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (二)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 1.2.2 .機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1、專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和加工中心。 2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制，伺服型可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅(qū)動方式分 1、液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2、氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。 4、電力傳動機械手 即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構運動的械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 第二章 機械手的設計方案 對電動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計電動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，勞動強度大和操作單調(diào) 2.1．機械手的坐標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 圖2-1 機械手的運動示意圖 2.2 .機械手的手部結構方案設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部; 2.3 .機械手的手腕結構方案設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉。 2.4 .機械手的手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過模擬人的手臂通過3個軸的旋轉來實現(xiàn)的。 2.5 .機械手的驅(qū)動方案設計 由于電動傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，簡單，安裝和維修簡單成本低廉因此本機械手采用電動傳動方式。 2.6 .機械手的控制方案設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 2.7 .機械手的主要參數(shù) 1.機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質(zhì)量為5公斤 2.基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮最大工作半徑約為1800。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。 2.8. 機械手的技術參數(shù)列表 一、用途: 用于自動輸送線的上下料。 二、設計技術參數(shù): 1、抓重: 2、自由度數(shù):5個自由度 3、坐標型式:圓柱坐標 4、最大工作半徑:1800mm 5、手臂最大中心高:1800mm 6、手臂運動參數(shù): 伸縮行程900mm 伸縮速度90°/s 升降行程900mm 回轉范圍0到150° 回轉速度 7、手肘運動參數(shù): 回轉范圍 0到270° 回轉速度 8、底盤運動參數(shù)：回轉范圍 0到270° 回轉速度90°/s 9、定位方式:行程開關或可調(diào)機械擋塊等 10、定位精度: 11、驅(qū)動方式:電動傳動 12、控制方式: 機械手臂效果圖2-6 第三章 手部結構設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部:如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結構， 3.1夾持式手部結構 夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 3.1.2設計時考慮的幾個問題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 (二)手指間應具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 (三)保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 (四)具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。 (五)考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如附圖所示。 3.1.3動力設計 1、手部驅(qū)動力計算 本課題電機機械手的手部結構如圖3-2所示， 蝸輪蝸桿參數(shù) 受力分析 其工件重量G=5公斤， V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1)根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: 所以 (3)實際驅(qū)動力: I,因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加 速度取時，則: 所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。 第四章 手腕結構設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為馬達。 4.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉油(氣)缸，因此我們選用回轉氣缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于，并且要求嚴格的密封。 4. 2手腕的驅(qū)動力矩的計算 4.2.1手腕轉動時所需的驅(qū)動力矩 手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅(qū)動手腕回轉時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。 圖4-1手碗回轉時受力狀態(tài) 手腕轉動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算: 式中: - 驅(qū)動手腕轉動的驅(qū)動力矩(); - 慣性力矩(); - 參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉電機)對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩()., ; - 手腕回轉與定片端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩(); 下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算: 1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M悅 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則: 式中:- 參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量; - 工件對手腕轉動軸線的轉動慣量`。 若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量為: 式中: - 工件對過重心軸線的轉動慣量: - 工件的重量(N); - 工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm), - 手腕轉動時的角速度(弧度/s); - 起動過程所需的時間(s); — 起動過程所轉過的角度(弧度)。 2、手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 + () 式中: - 手腕轉動件的重量(N); - 手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距(cm) 當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則. 3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 () 式中: ，- 轉動軸的軸頸直徑(cm); - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承; ,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉動軸的受力分析求解， 根據(jù),得: 同理，根據(jù)(F),得: 式中:- 的重量(N) ,— 如圖4-1所示的長度尺寸(cm). 第五章 手臂伸縮的尺寸設計與校核 5.1手臂伸縮結構的尺寸設計與校核 5.1.1手臂尺寸 手臂伸縮為900mms所用電機為 90TDY060-3A:最大功率為70W 同步轉速為60R/min 最大轉矩為3600mN.m 自重3.2kg 轉軸轉動范圍為270°，設計思路在0°到270°的2邊各安裝一個行程開關，或者紅外傳感器。 5.2.2 尺寸校核 長度設計為=900mm, 電機功率：P=1.732×U×I×cosφ 電機轉矩：T=9549×P/n ； 電機功率 轉矩=9550*輸出功率/輸出轉速 轉矩=9550*輸出功率/輸出轉速 P = T*n/9550 公式推導 電機功率，轉矩，轉速的關系 功率=力*速度 P=F*V---公式1 轉矩(T)=扭力(F)*作用半徑(R) 推出F=T/R ---公式2 1．測定手腕質(zhì)量為10kg,則重力 1， 設計加速度，則慣性力 總受力 所以設計尺寸符合實際使用要求。 5.3.2 尺寸校核 1．測定參與手臂轉動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量： （） 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數(shù), 總驅(qū)動力矩 設計尺寸滿足使用要求。 第五章 機械手的PLC控制設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 6. 1可編程序控制器的選擇及工作過程 6.1.1 可編程序控制器的選擇 目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考慮到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。 6.1.2 可編程序控制器的工作過程 可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個階段。 第一階段是初始化處理。 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。 第二階段是處理輸入信號階段。 在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。 第三階段是程序處理階段。 當輸入狀態(tài)信息全部進入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關指令進行運算和處理，最后將結果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。 第四階段是輸出處理階段。 段CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設備進行各種相應的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。 6.2 機械手可編程序控制器控制方案 第七章 結論 1、本次設計的是電動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由 度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。 2、采用電動傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 工作環(huán)境適應性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。同時成本低廉。 3、通過對電動傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度， 節(jié)省了大量時間和避免了不必要的重復勞動，同時做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。 4、機械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進 行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設定PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù) 機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強。 總 結 通過這次設計，使我對工業(yè)機器人有了感性的認識，同時對國內(nèi)外的工業(yè)機器人的發(fā)展也有所了解。根據(jù)國內(nèi)外機器人發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結合當前國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的具體情況，機器人技術重點應在開展智能機器人、機器人化及其相當技術的開發(fā)及應用。經(jīng)過努力，我國已研制了許多示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人以及噴涂、焊接裝配等機器人。而國外，工業(yè)機器人的發(fā)展更迅速，機器人化機械已經(jīng)興起。 通過這次設計，使我綜合運用機械設計的理論和實際知識，結合生產(chǎn)實際知識，培養(yǎng)分析和解決一般工程實際問題的能力，并使所學的知識得到進一步鞏固、深化和擴展；通過設計，使我掌握機械設計的一般規(guī)律，樹立正確的設計思想，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力；學會從機器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動機構類型，制定設計方案，正確計算零件的工作能力，確定它的尺寸、形狀、結構及材料，并考慮制造工藝、使用、維護、經(jīng)濟和安全等問題，培養(yǎng)獨立設計能力。 當然在設計過程中，也碰到了許多問題。在老師的指導和一些同學的幫助下，我也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個設計。由于本人缺乏經(jīng)驗及水平有限，設計仍存在一些問題，如機器人的動力學分析以及缺少機器人的動作模擬仿真，望老師給予指正。 參考文獻 1.孫桓 等主編.機械原理(第六版) .高等教育出版社，2001 2.馬香峰 主編.工業(yè)機器人的操作機設計. 冶金工業(yè)出版社 ,1996 3.宗光華 張慧慧譯.機器人設計與控制. 科學出版社 ， 2004 4. 鄭笑級 工業(yè)機器人技術及應用[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2004 5.Y.Fujimoto and A.kawamura.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. 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