机械系统设计机械手

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1、机械系统设计-机械手机械系统设计机械手第一章 引 言1.1 机械手概述工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种 仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产 设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率， 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家 工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳 动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有 毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常

2、的工作，意义更为重大。因此，在机 械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方 面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床 的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的 按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。 由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小 批量生产中获得广泛的引用。液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 : 介质李源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。

3、但是，由于空气具有 可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30公斤 以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘 大的环境中进行工作。液压技术有以下优点:（1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速；（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往 复运动的转换；（4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用

4、寿命长；6)操纵控制简便，自动化程度高7)容易实现过载保护。1.2 液压机械手的设计要求1.2.2 课题的设计要求本课题将要完成的主要任务如下:(1) 机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。(2) 选取机械手的座标型式和自由度。(3) 设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用 性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需 要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。(4) 液压传动系统的设计本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液压元器件的选取，液压回路的设计， 并绘出液压原理图。(5) 机械手的

5、控制系统的设计本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号， 根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。1.3 机械手的系统工作原理及组成机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。图1-1机械手的系统工作原理框图机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所 组成。在PLC程序控制的条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要 求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构 发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 位置检测装

6、置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通 过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.（一）执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课 题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指 （或手爪）和传力机构所构成。手指是与 物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制 造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆 形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的

7、工件。手 指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有: 滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（即姿势）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。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油 缸、液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、液压 或电机等）相配合，以实现手臂的

8、各种运动。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，手臂的回转运动和升降（或俯仰） 运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可 移式立柱。5、机座 机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机座上，故 起支撑和连接的作用。（二）驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组 成。常用的驱动系统有液压传动、 液压传动、机械传动。（三）控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统 一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。该机械手采用

9、的是PLC程序控 制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺 序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时 可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。（四）位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并 与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到 设定位置.第二章 机械手的整体设计方案对液压机械手的基本要求是能快速、准确地拾-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

10、在任意位置都能自动定位等特 性。设计液压机械手的原则是: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液压上下料机械手（如图2-1所示），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，动作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的场合。图2-1机械手的整体机

11、械结构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。（如图2-2所示）左右枢紛图2-2 机械手的运动示意图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

12、，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液 压缸。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。 手臂的各种运动由液压缸来实现。2.5 机械手的驱动方案设计由于液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 械手采用液压传动方式。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

13、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 机械手的主要技术参数一. 机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用液压方式驱动，因此考虑抓取的 物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓 取的工件质量为5公斤。二. 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。（如图2-3所示）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 1.0m / s 。 最大回转速度设计为90。/s。平均移动速度为0.8m/s。平均回转速

14、度为60。/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1400mm。手臂升降行程定为120 mm。定位精度也是基本参数之一。该 机械手的定位精度为+ 1mm。三. 用途:用于自动输送线的上

15、下料。四设计技术参数:1、抓重5kg2、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1400mm5、手臂最大中心高1250mm6、手臂运动参数伸缩行程1200 mm 伸缩速度400mm / s 升降行程120 mm升降速度250mm / s 回转范围0。-180。回转速度90。/ s7、手腕运动参数8、手指夹持范围9、定位方式10、定位精度11、驱动方式12、控制方式回转范围0。-180。 回转速度90。/ s棒料: 80mm - 150mm行程开关或可调机械挡块等土 1mm液压传动点位程序控制（采用PLC）图2-3机械手的工作范围第三章 手部结构设计3.1 夹持式手部结构 夹持式手部结构由手指（或手爪）和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽 杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件 的部位又可分为内卡式（或内涨式）和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支 点回转型，二支点回转型和移动型（或称直进型），其中以二支点