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機(jī)械手的設(shè)計(jì)

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機(jī)械手的設(shè)計(jì)
機(jī)械手的設(shè)計(jì)
本文簡(jiǎn)要地介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，機(jī)械手的自由度和座標(biāo)型式，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，PLC控制的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。
本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，分別設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)以及吸附式手部結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計(jì)算出了手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩;設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出了機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編程序控制器對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，選取了合適的PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫(huà)出了機(jī)械手的工作時(shí)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(jī)器人，機(jī)械手，氣動(dòng)，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(jī)械手的設(shè)計(jì)方案

對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(yùn)物件，這就要求它
們具有高精度、快速反應(yīng)、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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)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(yùn)時(shí)的
受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;
盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)
柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動(dòng)上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批
生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。

2.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度

按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度
圖2-1所示為機(jī)械手的手指、手腕、手臂的運(yùn)動(dòng)示意圖。

圖 2-1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖
Fig.2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator

2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

為了使機(jī) 械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤(pán)。
2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
考慮到機(jī) 械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。

2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

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

2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)

考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。

2.7機(jī)械手的主要參數(shù)

1、主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機(jī)械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為10公斤，高速動(dòng)作時(shí)抓重減半。使用吸盤(pán)式手部時(shí)可吸附5公斤的重物。
2、基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。
該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為1.2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為1200°/s，平均移動(dòng)速度為lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為900°/s。
機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c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(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)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(yīng)大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)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(jī)械手的定位精度為土0.5～±lmm

2.8機(jī)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(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
1、抓重
10公斤 (夾持式手部)
5公斤 ( 氣流負(fù)壓式吸盤(pán))
2、自由度數(shù)
4個(gè)自由度
3、座標(biāo)型式
圓柱座標(biāo)
4、最大工作半徑
1500mm
5、手臂最大中心高
1380mm
6、手臂運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(kāi) 關(guān) 或可調(diào)機(jī)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(dòng)方式
氣壓傳動(dòng)
13、控制方式
點(diǎn)位程序控制(采用PLC) ...

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