气动机械手论文

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1、气动机械手的结构设计摘要：本文介绍的是基于气动换刀技术的机械手，由于气动技术具有结构 简单、价格低廉、无污染等一系列显著优点，在工业生产中得到越来越广泛的应 用，已成为自动化不可缺少的重要手段，备受人们的重视，同时气动伺服定位技 术突破传统的定位方法使气缸在高速运动下实现任意点自动定位，因此气动机械 手也相应得到发展。本文介绍了机械手的一般结构设计原理，采用模块化的设计 理念，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，以便于标准化、系列化设计和 组织专业化生产。同时为了保证气动执行机构的定位精度、工作稳定和可靠性等 要求，通过理论计算选型，确定各执行元件的参数。关键词：气动机械手；结构设计；气缸A

2、bstract：What we introduced in this paper is the tool changing manipulator based on pneumatic technology. For the pneumatic technology has been widely used in industry for its advantages of simple structure，low price，recycling etc .It is becoming one of the most important methods of facility automati

3、on line. People draw more and more attention to it. As well as，Pneumatic servo positioning technology can realize automatic orientation when cylinder moves in high velocity. Correspondingly， Pneumatic mechanical hand is also developed and breaks through the traditional Positioning method.Firstly, th

4、e general machine design principle of manipulator is introduced in this paper. Parametric and serial idea is used to design the pneumatic manipulator. This design has given attention to special purpose in use and versatility in design at the same time. So it is advantageous of standardization ，seria

5、lization and organization of the special production. To meet the requirement of positioning precision，stable work and reliability ，the pneumatic driving components are being confirmed through the academic calculation and simulating analyze.Key words: pneumatic manipulator; structure design；cylinder0

6、.引言工业机械手是一种独立的，具有计算机控制系统，可编程的，用以搬运物料， 零件和工具或完成多种操作功能的自动化机械装置。它由于具备工作范围大，定 位精度高，通用性强，可大量代替单调往复或高精度需要的工作等特点，被广泛 地应用于机械工业、轻工业、建筑业、国防工业等领域。为了提高系统的定位精度，以提高机器人（机械手）的定位精度，世界各国都 作了大量的工作，尝试各种控制方式和控制策略。近年来，随着微电子技术、PLC 技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用, 尤其是集电子技术、 气动技术和人工智能为一体的 Tron-X 电子气动机器人的出现，证实气动技术能 够实现机器人中最难解决的灵活

7、的自由度, 具有在足够工作空间的适应性、高精 度和快速灵敏的反应能力。气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之 一。近 20 年来,气动技术的应用领域迅速拓宽,尤其是在各种自动化生产线上得 到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合 ,使整个系统自动化程度更 高,控制方式更灵活,性能更加可靠;气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展,对气 动技术提出了更多更高的要求;微电子技术的引入,促进了电气比例伺服技术的发 展,现代控制理论的发展 ,使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制 ,控制精 度不断提高;由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等 特点,国内外都在大力开发研究。

8、气动技术是以空气压缩机为动力源,以压缩空气为工作介质,进行能量传递或 信号传递的工程技术是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。在 70年 代,由于气动技术与电子技术的结合应用,在自动化控制领域得到广泛的推广。80 年代进入气动集成化、微型化的时代。90年代至今,气动技术突破了传统的死区, 经历着飞跃性的发展,人们克服了阀的物理尺寸局限 ,真空技术日趋完美,高精度 模块化气动机械手问世,智能气动这一概念产生,气动伺服定位技术使气缸高速下 实现任意点自动定位,智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中 控制问题。由于气压传动系统使用安全、可靠, 可以在高温、震动、易燃、易爆、 多尘埃

9、、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种, 它具 有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无 级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以, 气动机械手被广泛 应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工, 食品和药品的包装、精密 仪器和军事上。现代汽车制造工厂的生产线, 尤其是主要工艺的焊接生产线, 大多采用了气 动机械手。车身在每个工序的移动; 车身外壳被真空吸盘吸起和放下, 在指定工 位的夹紧和定位; 点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊, 都采 用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序 过

10、程的高度自动化, 堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。可以预见, 在不久的将来, 气动机械手由于其具备的诸多优点将越来越广泛 地进入工业、军事、航空、医疗、生活等领域。1. 气动机械手机构1.1 技术指标机器人的主要技术指标详见下表项目参数抓重100克最大移动速度1.2m/s最大回转速度120 o/s机械手手臂的伸缩行程75mm最大工作半径180mm手臂回转行程范围定90 0手臂升降行程100mm1.2 系统构成1.2.1.气动机械手的结构示意图如图所示c-E三5A 一手臂摆动气缸 B 一升降气缸 C 一伸缩气缸 D 一气抓1. 基座.2 手臂关节. 3.导向装置.4.定位挡块 5.手腕手节

11、图 2-3 机械手结构示意图1.2.2 手部结构设计1.2.2.2 手部形式确定夹持式手部结构直接采用 SMC 的标准回转式气抓，并安装两只手指，它的结 构简单，利用外夹的夹持方式。1.2.2.3 摆动气爪选择选取 SMC 的 MHC2 系列支点开闭型摆动气抓。1.3 手臂结构 手臂是机械手的主要部分，它是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的 作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。本机械手的 手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、立柱的左右回转和升降运动。1.3.1 导向装置的设计目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等。在手臂伸缩 模块中，采用单导向杆来增加

12、手臂的刚性和导向性，如图（ 3-3）所示。在导向 杆末端还可以加装一个定位挡块，调节实现手部的定位位置。图3-3手臂导向装置1.3.2立柱升降立柱安装在与基座连接的转台之上，用以支撑手臂并带动它升降和移动的机构对 立柱的设计要求是坚固，刚性好。根据换刀机械手立柱升降气缸运动过程的要求, 气缸承受的外力主要是气爪、抓重、伸缩气缸及导向装置的重量。工挣升關立准图 3-5 升降立柱平衡1.3.2.1 导向装置的设计如上图所示，手臂在G总的作用下有顺时针方向倾斜趋势，而在立柱导向装置可总阻止手臂倾斜。图 3-6 立柱导向装置1.3.3 手臂的回转模块实现机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样的，这里选

13、用的是最新型的 齿轮齿条式摆动马达，由两个带齿条的活塞驱动一个齿轮，其输出扭矩比普通摆 动马达大一倍。1.4 基座结构设计基座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基 座上，是支撑起机械手全部重量的构件。采用转台与立柱实现连接，以减少直接连接而应起的偏载和轴向冲击。1转台2：角接触球轴承3:套杯4：轴承端盖5:底座6:摆动气缸6:套筒7:圆螺母8:套筒图 3-5 基座结构图2 驱动系统设计机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。气压传动在工业机械手 中应用得较多，尤其是高速机械手。以满足驱动系统定位精度、工作稳定和维护 方便等要求为目的，根据模拟换刀机械手各关节运动

14、行程和时间要求，设计机械 手气动的驱动系统，对各驱动元件进行计算选型与校核。2.1 机械手驱动系统的控制设计根据换刀机械手的动作要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要有两种 :(1) 直线运动(缸体固定，活塞杆运动);(2)摆动(缸体固定)。其气动系统原理图如图(3-6) 所示。图 3-6 驱动系统原理图本文对气动机械手的结构设计、分析和控制的一些普遍性问题及方法进行研 究。并设计了用于教学的气动试验平台气动换刀机械手。在分析换刀机械手功 能的基础上，重进行了机械手机构设计的研究工作。现总结如下:1.结构设计采用模块化的设计理念，兼顾了使用上的专性和设计上的通用性, 便于标准化、系列化设计和组织专业化生产，有利于提机械手的质量和降低造价， 缩短设计周期。机械手结构具有模块式特点，每一件成为一个模块，通过更换或 调整伸缩缸、升降缸、气爪及其连接件等若干模块可适应不同类型的工作要求。2.根据模块设计的方法，认真分析了气缸的性能，并选出了合适的气缸参数 及各缸之间的连接方式，使得各个模块有效的连接成一个能够实现特定功能的装 置。