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機械手的設計

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機械手的設計
機械手的設計
本文簡要地介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，機械手的自由度和座標型式，氣動技術(shù)的特點，PLC控制的特點及國內(nèi)外的發(fā)展狀況。
本文對機械手進行了總體方案設計，確定了機械手的座標型式和自由度，確定了機械手的技術(shù)參數(shù)。同時，分別設計了機械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)以及吸附式手部結(jié)構(gòu);設計了機械手的手腕結(jié)構(gòu)，計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩;設計了機械手的手臂結(jié)構(gòu)，設計了手臂伸縮、升降用液壓緩沖器和手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器。
設計出了機械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編程序控制器對機械手進行控制，選取了合適的PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖和梯形圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人，機械手，氣動，可編程序控制器(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
第二章機械手的設計方案

對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾一放和搬運物件，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。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象
(工件)的作業(yè)技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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，動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。

2.1機械手的座標型式與自由度

按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關(guān)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(zhuǎn)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(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度
圖2-1所示為機械手的手指、手腕、手臂的運動示意圖。

圖 2-1 機械手的運動示意圖
Fig.2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator

2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計

為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。
2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。

2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。

2.5 機械手的驅(qū)動方案設計

由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。

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、主參數(shù)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。故該機械手主參數(shù)定為10公斤，高速動作時抓重減半。使用吸盤式手部時可吸附5公斤的重物。
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(zhuǎn)的速度。
該機械手最大移動速度設計為1.2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設計為1200°/s，平均移動速度為lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為900°/s。
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(guān)，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行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(應大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機械手設計成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。
定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為土0.5～±lmm

2.8機械手的技術(shù)參數(shù)列表

一、用途:
用于 100 噸以上沖床上下料。
二、設計技術(shù)參數(shù):
1、抓重
10公斤 (夾持式手部)
5公斤 ( 氣流負壓式吸盤)
2、自由度數(shù)
4個自由度
3、座標型式
圓柱座標
4、最大工作半徑
1500mm
5、手臂最大中心高
1380mm
6、手臂運動參數(shù)
伸縮行程 600mm
伸縮速度 500mm/s
升降行程 200mm
升降速度 300mm/s
回轉(zhuǎn)范圍 0°～ 240°
回轉(zhuǎn)速度 90°
7、手腕運動參數(shù)
回轉(zhuǎn)范圍 0°～ 180°
回轉(zhuǎn)速度 180°/s
8、手指夾持范圍
棒料 : 80～150mm
片料 : 面積不大于0.5m Z
9、定位方式
行程開關(guān) 或可調(diào)機械擋塊等
10、定位精度
士0.5mm
l1,緩沖方式
液壓緩沖器
12.驅(qū)動方式
氣壓傳動
13、控制方式
點位程序控制(采用PLC) ...

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