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定单361-说明书修改后0523.doc
资源目录 搬运机器人结构设计【全套CAD图纸+毕业论文】【原创资料】.rar搬运机器人结构设计图纸PLC控制图.dwg传动系统图A2.dwg手臂升降机构图A1.dwg手部结构图A1.dwg液压回路图A1.dwg装配图A0.dwg
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1第一章前言1.1工业机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯（Taloas，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。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的人形操作，可自动控制，可被重新编程，在三维空间完成各种任务的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种，多样化的柔性生产。其稳定性对提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的升级换代迅速，起着非常重要的作用。机器人并不是简单意义上代替人工的劳动，但人的专业知识和拟人化机特种机电设备，既有人对环境状态的快速反应和分析能力，但机器的结合可以是一个漫长连续操作，精确度高，抗恶劣环境，在一定意义上，它也是机器进化的产物，它是工业和非工业行业的重要生产和服务设备，是先进制造技术不可缺少的自动化设备。1.2世界上工业机器人的发展国外的工业机器人发展近期有如下几个趋势（1）.工业机器人的参数不断提高（高速、高精、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格已经从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。（2）．机械结构向模块化，可重构化开发。例如关节模块中的伺服电机，减速机，检测系统三位一体关节模块，连杆模块重组机器人机（3）．工业机器人控制系统的一个开放的基于PC的控制器方向，促进规范化，网络化，设备集成度提高，控制柜变得日趋小型化和模块化结构，大大提高了系统的可靠性，易用性和可维护性。（4）．机器人中的传感器作用越来越重要，除采用传统的位置，速度，加速度传感器，装配，焊接机器人还应用了视觉，力觉等传感器，而遥控机器人使用睡眠视觉，声2音触觉，触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制，在产品配置技术已经成熟应用的多传感器融合系统。（5）．虚拟现实技术中的作用在机器人仿真，预演用于过程控制的发展，如遥控机器人操作者产生的感觉来操纵机器人远程操作环境的暴露。（6）．现代远程机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，但正在致力于运营商和机器人的交互控制，即远程和本地自治系统构成一个完整的监控远程操作系统，智能机器人出来的实验室成实用阶段。美国发射到火星上的索杰纳机器人成功应用这样一个系统是最有名的例子。7．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出虚拟轴机床以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.3我国的工业机器人发展概述有些人认为，机器人只是为了节省劳动力，而中国有丰富的劳动力资源，开发机器人不一定符合中国国情。这是一种误解。在中国，社会主义制度的优越性决定了机器人可以充分发挥自己的优势。它不仅能带来高度的中国的经济建设生产力和巨大的经济利益，同时也为我国空间开发，海洋开发和利用核能源等新兴领域的发展作出了突出贡献。在国家的支持下，中国的工业机器人从在80年代的计划的科学和技术开始，通过的七月，八月科学和技术，已基本掌握了机器人操作机的设计和制造技术，在控制系统的硬件和软件设计技术，运动学和轨迹规划技术，生产的一些关键部件的机器人开发一幅画，弧焊，点焊，装配，搬运等机器人其中有超过20家企业的130余台套喷漆机器人在近30自动喷漆生产线（站）到大规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线。但是，总体而言，中国的工业机器人技术和其工程应用的水平和国外比有一定的距离，如可靠性低于国外产品;机器人应用工程启动晚，窄应用，技术和生产线系统在国外比有差距;在应用规模，中国已经安装了约200国内工业机器人，在世界各地安装的单位，数量的万分之四。最主要的原因是没有形成机器人产业之上，目前的机器人生产都是根据用户的请求，一个客户，一个重新的设计，不同规格，数量小，低度零部件通用化，交货周期长，成本不低，但质量，可靠性不稳定。是一个迫切需要解决的关键技术产业化初期，产品的一个全面的计划，提高系列化，通用化，模具设计，并积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在863计划的支持下，也取得了不少成果。其中最3突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人成果处于世界领先水平，还开发出直接遥控机器人手臂的协调控制机器人，爬壁机器人，机器人和其他飞机管;在机器人视觉，触觉，触觉，良好的睡眠和其他基础设施的开发和应用技术等方面开展了很多工作，有一定的发展基础。但是，在多传感器信息融合控制技术，远程和本地自治系统遥控机器人，智能装配机器人，机器人机械等方面的开发和应用还刚刚起步，与国外先进水平有很大差距，你需要原来的得分一个集中的系统研究的基础上，以形成一个实用的系统配套技术和产品，要想在十五后期跻身于世界先进行列的立场。1.4本文设计的机械手1.4.1臂力的确定目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本机械手的臂力为N臂1650（N），安全系数K一般可在1.53，本机械手取安全系数K2。定位精度为±1mm。1.4.2工作范围的确定机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下手腕回转角度±115°手臂伸长量150mm手臂回转角度±115°手臂升降行程170mm手臂水平运动行程100mm1.4.3确定运动速度机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。搬运机器人要完成整个搬运过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求4①给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间②伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。③在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。液压上料机械手的各运动速度如下手腕的旋转速度V腕回40°/s手臂的伸展速度V臂伸50mm/s手臂的旋转速度V臂回40°/s手臂的升降速度V臂升50mm/s立柱的移动速度V柱移50mm/s手指夹紧油缸的速度V夹50mm/s1.4.4手臂的配置形式机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用机座式。机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部安装履带行走机构，以满足搬运需要，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。1.4.5驱动与控制方式的选择机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。控制系统也有不同的类型。除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。驱动方式一般有四种气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。参考工业机器人表96和表97，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的PLC控制。5第二章手部结构2.1概述机械手是直接用于抓取和夹住工件或夹紧零件的特殊工具，它具有模仿人手的功能，安装在机器人手臂的前端。机器人结构类型确实不像人，这是不象一个人的手指的手指的形状，它确实没有手掌，所以在结构和类型的手根据其使用场合和夹紧的工件的形状，大小的移动，重量，材料和其他部件被抓取和手的结构设计，颚式，气吸式，电磁式和其他类型可分为不同的类型。钳爪形手结构由手指和力机构。功率传输更多的机构形式，如溜槽杆，棒杆，楔形杆，齿条和小齿轮，弹簧杆......等，其中使用滑槽杆。2.2设计时应考虑的几个问题①应具有足够的握力（锁紧力）在设计手部结构时，除了考虑工件重量，也要可以考虑转动或在操作过程中的惯性力和振动，以保证工件不会产生松动或脱落。②手指应该有一定的开闭角度两个手指打开和关闭的角度的两个极限位置被称为夹紧手指的开合角度。手指开合角度，确保工件能顺利进入或脱开。如果夹紧不同直径的工件，工件的最大直径应予以考虑。③应确保定位准确的工件手指和工件保持精确的相对位置必须爬形状的工件，选择手指的形状。例如，使用与V形的脸手指自定心的圆柱形工件。④应具有足够的强度和刚度除了工件保持由手指的反应，而且还由机器人在运动过程中的惯性力和振动是需要有足够的强度和刚度，以防止断裂或弯曲变形，但其结构应进行简单，紧凑，重量轻。⑤应考虑被抓取的对象的要求工件的形状应该抓住，抓住不同部位的数量，抓取到手指的形状设计，并确定。2.3驱动力的计算61.手指2.销轴3.拉杆4.指座图1滑槽杠杆式手部受力分析图中显示手槽的结构。在杠杆3的力的作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为1P、2P，其力的方向垂直于滑槽中心线1OO和2OO并指向O点，1P和2P的延长线交12OO于A及B，由于△1OOA和△2OOA均为直角三角形，故∠AOC∠BOC?。根据销轴的力平衡条件，即120,,0xyFPPF?????12cosPP??1/2cosPP??销轴对手指的作用力为1P?。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即??010mF??得1PhNb??因/cosha??所以22cos/PbNa??7式中a手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。?工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力P一定时，?角增大则握力N也随之增加，但?角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取3040????。这里取角30???。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基础中表21可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式0.5NG?，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即12/PPKK??实际式中?手部的机械效率，一般取0.850.951K安全系数，一般取1.222K工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，2K可近似按下式估计，21/Kag??，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒2，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120°，α30°时，拉紧油缸的驱动力P实际计算如下根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式0.5NG?把已知条件代入得当量夹紧力为49NN?由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式22cos/PbNa??计算2245/27cosPN?????PP?实际计算12/KK?8取0.85??，11.5K?，01.1K???则122.51.51.1/0.85238PN????实际2.4两支点回转式钳爪的定位误差的分析图2带浮动钳口的钳爪钳口与钳爪的连接点E为铰链联结，如图示几何关系，若设钳爪对称中心O到工件中心O?的距离为x，则22/sinxlRba?????当工件直径变化时，x的变化量即为定位误差△，设工件半径R由maxR变化到minR时，其最大定位误差为△∣22max/sinlRba?????22sinmin/abRl????∣其中minmax45,5,27,lmmbmmammRmmRmm????????代入公式计算得最大定位误差△∣44.244.7∣0.5＜0.8故符合要求.9第三章腕部的结构3.1概述从支承部的手部，手的手腕和臂连接。设计手腕应注意以下几点①结构紧凑，重量越轻越好。②转动灵活，密封性要好。③也要注重解决手的手腕，手臂连接，位置检测，管道布局和润滑，维修，调整等问题。④必须要能适应工作得环境需要。3.2腕部的结构形式该机器人采用旋转气缸驱动，实现旋转运动手腕，结构紧凑，体积小，但密封不良，回转角度为±115°.下图显示了在手腕上的结构，包含有固定板和盖，旋转滚筒和前盖螺丝。当旋转滚筒的两个腔室被引入压力油，驱动器动片与夹紧缸体，是指座椅一起旋转，即手腕的旋转运动。图3机械手的腕部结构3.3手腕驱动力矩的计算驾驶手腕克服转动惯量的的手腕旋转轴的支承孔的摩擦力矩，可动片的孔，固定片，10盖等摩擦转矩和启动时产生的驱动扭矩的转动手腕的密封装置，由于重力的中心的旋转轴线不重合产生的转矩由强调。在手腕下列公式计算所需的驱动转矩计算M驱动力M惯性力M偏重力M摩擦力（Nm?）式中M驱动力用来驱动手腕转动的力矩M惯性力惯性力矩（Nm?）M偏重力参与转动的所有零件的总质量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩（Nm?）M摩手腕转动轴与固定处的摩擦力矩（Nm?）图4腕部回转力矩计算图⑴摩擦阻力矩M摩擦力M摩擦力11222fNDND?（Nm?）式中f轴承的摩擦系数，滚动轴承取0.02f?，滑动轴承取0.1f?1N、2N轴承支承反力（N）1D、2D轴承直径（m）由设计知,0.054,800,200,98,0.020DmDmNNNNGNe??????时M摩0.0.054/2?????得M摩2.5Nm??）⑵工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏M偏1Ge（Nm?）11式中1G工件重量（N）e偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零当0.02e?，198GN?时1.96MNm??偏⑶腕部启动时的惯性阻力矩M惯①当知道手腕回转角速度?时，可用下式计算M惯M惯JJt???工件式中?手腕回转角速度（/s）T手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动）J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量按已知计算得2.5J?，6.25J?工件，20.3/mm??，2t?故M惯1.3Nm??②当知道启动过程所转过的角度?时，也可以用下面的公式计算M惯M惯（JJ工件）??22式中?启动过程所转过的角度?手腕回转角速度。考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取1.11.2MMMM???惯偏摩1.22.51.961.36.9MNm??????12第四章臂部的结构4.1概述机械臂的主要执行单位，其作用是支持的手臂和手腕，将被转移到工件抓取特定的位置和方向，这是一般的机器人手臂的自由，即伸缩臂有三个度，调头上下运动。回转和起重臂的运动是通过立柱。列是在臂的横向移动的横向移动。各种动作的臂由驱动机构通常是各种传动机构来实现的，因此，它不仅承担被抓取工件的重量，下的手，手腕和臂的自身重量。臂结构，范围工作，灵活性和伟大的渔获小（即，手臂），并因此直接影响定位精度机器人的工作性能，所以你必须爬的机器人的重量，运动形式，自由度，移动速度下和定位精度的要求来设计的臂的结构类型。在同一时间，在设计中必须考虑的力臂，气缸和导向装置连接的内部管道和手腕的表格和其他因素的影响。因此设计臂部时一般要注意下述要求①刚度要大为了防止臂在运动过程中的过度变形的臂的横截面形状是一个合理的选择。蝴蝶结形横截面的弯曲刚度一般大于圆形横截面的中空管的弯曲刚度和扭转刚度远大于实心轴。因此通常使用的臂和钢导杆，与梁和支撑板。②导向性要好为了防止在一条直线上移动，沿该轴的运动的相对运动的臂，或设置的导向装置，一个正方形或设计，比如样条臂的形式。③偏重力矩要小侧重于所谓的转矩装置支承的旋转轴，其产生的静态转矩臂的重量。要增加机器人的速度，以尽量减少臂移动部分的重量，以减少在旋转臂的转动惯量的转矩和强调。④运动要平稳、定位精度要高手臂运动的速度越高，重量越大，定位之前，运动不平滑的影响更大的惯性力引起的，定位精度不高。故应尽量减少运动部件的重量的小臂上，结构紧凑，重量轻，并采取措施的缓冲区。4.2手臂直线运动机构伸缩机械臂，升降和横向运动属于直线运动，实现臂往复直线运动的体制形式是较常用的活塞油（气）缸，活塞缸机架和齿轮传动机构，丝杠螺母机构和活塞缸和联动。4.2.1手臂伸缩运动在这里实现所述活塞的直线往复运动是由液压缸驱动的。由于活塞缸的体积小，重量轻，因此，机器人臂机构申请。如图所示为两个导杆的伸缩臂结构。手臂和手腕的板安装在提升缸的上端，当两个腔室的压力油引入的双作用缸1，然后推入杆2（即臂）作13往复直线运动。导杆导套4内移动时，为了防止旋转的伸缩臂（和满足的手腕和手旋转滚筒67夹紧缸与石油管道）。由于伸缩臂油缸安装在两个导杆导杆弯曲，拉伸和压缩杆之间的效果，所以受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓材料，行程较长。图5双导向杆手臂的伸缩结构4.2.2导向装置液压驱动的伸缩机械臂携带（或向下）移动，以防止臂绕轴转动，以确保手指的正确方向，并从一个大的弯矩作用在活塞杆，为了提高刚性的臂，臂的结构的设计中，必须采用适当的导向。而应最大限度地减少的重量和旋转中心的臂的移动部件的结构设计和布局，它被安装在臂的形式，具体的结构重量和其他因素来确定抓取的转动惯量。导向装置，目前使用一个导杆，两个导杆，4个导杆和其他导向装置，机器人使用一个双导杆导向机构。双导杆伸缩气缸排列在两侧手臂和手部和腕部迎合输油管道。臂的膨胀和收缩，以防止导杆延伸的弯曲变形的大的行程，所述导杆的末尾可以是另外的辅助支撑框架，为了提高导向杆的刚性。为了防止导杆延伸的弯曲变形，在图5中所示，一个大的行程的伸缩臂，所述导杆的末尾可以是另外的辅助支撑框架，以提高刚性导杆。图4.3.2示出的导杆1与支撑框架4连接的两个导杆，支撑框架2两个滚动轴承安装在两侧，随着膨胀汽缸的后端时，沿移动导杆杆支撑框架上的支撑表面的支撑板3的辊的滚动轴承。14图6双导向杆手臂结构4.2.3手臂的升降运动图7示出了臂机构的升降运动。当提升缸的压力油通过的上部和下部腔室，所述活塞向上移动和向下杆4做的活塞缸2被固定在旋转轴。活塞杆套3做升降运动的带动下。通过指导立柱平键9实施其作用。图7手臂升降和回转机构图4.3手臂回转运动臂机构的旋转运动来实现各种各样的形式，常用的旋转滚筒，齿轮传动装置，链轮传动机构，连杆机构。在机械臂与齿条汽缸型旋转机构，如图6所示，活塞杆8的旋转15运动由驱动齿轮齿条，传动轴和气缸与油一起旋转，然后通过气缸来驱动上的平坦的外套键9转动旋转臂实现。4.4手臂的横向移动如图7所示为手臂的横向移动机构。手臂的横向移动是由活塞缸5来驱动的，回转缸体与滑台1用螺钉联结，活塞杆4通过两块连接板3用螺钉固定在滑座2上。当活塞缸5通压力油时，其缸体就带动滑台1，沿着燕尾形滑座2做横向往复运动。图8手臂横向移动机构4.5臂部运动驱动力计算手臂的驱动力的运动（包括转矩）计算，应考虑到臂遭受的整个负载。机器人的操作，在主臂的负荷受到惯性力，重力和摩擦力。4.5.1臂水平伸缩运动驱动力的计算水平臂做伸展运动时，首先克服的摩擦阻力，包括气缸和活塞导杆和轴承套筒等之间的摩擦阻力之间的摩擦，而且还克服了在启动过程中的惯性力。其驱动力qP可按下式计算16qmgPFF??式中mF各支承处的摩擦阻力gF启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算gWFag??式中W手臂伸缩部件的总重量g重力加速度（9.8m/s2）;a启动过程中的平均加速度（m/s2），而a?tv??v?速度变化量。如果手臂从静止状态加速到工作速度v时，则这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度t?启动过程中所用的时间，一般为0.01∽0.5s。当80,/mFNWNvmms????时，.5qPN??????4.5.2臂垂直升降运动驱动力的计算手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力mF和惯性力gF之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力qP可按下式计算qmgPFFW???式中mF各支承处的摩擦力gF启动时惯性力可按臂伸缩运动时的情况计算W臂部运动部件的总重量?上升时为正，下降时为负。当40mFN?，100gFN?，1098WN?时8qPN????174.5.3臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驱动力矩qM可按下式计算1.3qmgMMM???式中mM各支承处的总摩擦力矩gM启动时惯性力矩，一般按下式计算gMJt???式中J手臂部件对其回转轴线的转动惯量?回转手臂的工作角速度t?回转臂启动时间当84mMNm??，0.88320.2gMNm????1.qMNm????对于活塞、导向套筒和油缸等的转动惯量都要做详细计算，因为这些零件的重量较大或回转半径较大，对总的计算结果影响也较大，对于小零件则可作为质点计算其转动惯量，对其质心转动惯量忽略不计。对于形状复杂的零件，可划分为几个简单的零件分别进行计算，其中有的部分可当作质点计算。可以参考工业机器人表41。18第五章液压系统的设计5.1液压系统简介机器人是为工作介质的液压动力传递流体的压力。马达驱动的泵输出的压力油供给的机械能转化为压力能的马达油。压力油通过的管道，和一些控制和调节进入气缸装置，推杆的运动，使伸缩臂，起重及其他运动时，流体压力能转换成机械能。臂在运动中克服摩擦阻力的大小，而将工件夹紧钳手的握力须维持活塞杆和活塞的流体压力和相关的有效工作区的大小。ARM做各种运动取决于在气缸密封数量的流体体积流量。这意味着移动体积变化的压力油的液压动力传递被称为排量的液压传动，液压驱动机械手属于液压传动位移。5.2液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成①油泵是供给油压的液压系统，电机输出的机械能转换为压力能的流体，与整个液压系统的压力油驱动器。②液动机外部压力油驱动工作部件的运动部件。ARM直线运动，流体的动机是为了武装伸缩缸。的流体的旋转运动是公知的动力马达油，小于360°的旋转角的液体动力，通常被称为旋转滚筒③控制调节装置各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。5.3机械手液压系统的控制回路操纵器的液压系统，根据程度的自由度机器人的数量，液压系统可以是简单的或复杂的，但不超过基本控制回路的总数。这些基本的控制电路，它具有的各种功能，如工作压力调整泵的卸荷，扭转运动，运行速度调节和同步运动。5.3.1压力控制回路①调压回路在定量泵的液压系统中，为了控制系统的最大工作压力，一般在油泵溢流阀出口附近，用它来调节系统压力和多余的液体溢流槽。②卸荷回路机械手不工作时，燃料箱，泵电动机不停止的情况下，为了降低油泵的功率损耗，以节省电源，减少热量的产生系统，泵必须在低负荷下工作的，所以使用卸荷回路。该机器人采用两个电磁阀控制溢流阀远程控制端口卸荷回路。③减压回路为了使机器人的液压系统中的分压降低或稳定，减压阀与串联的前19一分支，以获得较低的压力比系统所要求的压力。④平衡与锁紧回路在液压系统中，以防止任何垂直的机构，通过其自身重量下降，可以垂直体重平衡的电路的平衡。为了使机器人手臂的移动过程中，在任何位置停止，以防止发生由于外力的位移，可以锁相环油箱返回线路脱落的活塞停止移动，并拧紧。该机器人采用单向阀，以实现任意位置做平衡阀锁定回路。⑤油泵出口处接单向阀泵出口止回阀。它的作用是双重的首先是对泵进行保护。液压系统，泵的压力流体供给到系统中，以驱动气缸动作的演技。一旦使电机停止转动，机油泵不再，中原和一些高压流体系统具有一定的能量，将迫使泵的转动方向相反，从而在噪声，加速泵的磨损。额外的油泵，单向阀，关闭系统和高压泵油的接触时间，从而在口中，发挥作用，保护汽缸。第二个是，以防止空气夹带系统。在关机时，单向阀和泵切断系统可以防止系统来自油泵的油流回油箱，避免了对空气的混合，以确保顺利启动。5.3.2速度控制回路液压机械臂各种体育速度控制，主要是改变流入钢瓶问控制方法有两类一类是采用定量泵，即利用节流流截面来改变电机的油进入气缸或流;另一种是采用变排量泵，更换机油泵容积。本机械手采用定量油泵节流调速回路。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用LI型单向节流阀、LCI型单向节流阀或QI型单向调速阀等进行调节。节流调速阀的优点是简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。使用的节流阀节流，当负载的变化会引起气缸的速度变化，从而使速度稳定性差。其原因是，在负载变化将导致液压缸速度的变化，高速稳定性较差。其原因是，负载变化引起的压力油入口和出口节流的变化，从而通过节流阀，以及所述变速缸的流量。与负载控制阀可自动调节的变化和无负荷变化时，通过气缸的流速稳定的速度稳定性要求的场合，它是适合于实现节流控制阀。5.3.3方向控制回路用于控制各汽缸的液压系统的机器人，运动和电机的方向打开或关闭油，通常是由两个通，两个三，二位三通电磁阀及电动液压滑阀，电控系统发送的电信号来控制电磁20阀换向，电机油舱和换油实现直线往复运动和正向和反向旋转。目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D型）和直流电磁阀（E型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为220V（也有380V或36V），直流电磁阀的使用电压一般为24V（或110V）。这里采用交流电磁阀。AC电磁阀，起动性能好，换向时间短，接线简单，价格低廉，但是当烟雾不容易烧坏，可靠性差，减刑有一定的影响，使换向频率端，寿命较短。5.4机械手的液压传动系统映射的液压系统的液压操纵器的一个主要设计。各种液压组件的液压系统图，以满足要求的机器人运动的有机连接图。它通常包括一些典型的压力控制，流量控制，方向控制电路组成一些特殊用途的电路。画出的液压系统图的一般顺序是首先确定在燃料箱和泵，然后在中间配置的控制调节回路的组件和相应的其他辅助设备，从而构成整个液压系统和液压系统图形符号，绘制液压原理。5.4.1自动机械手液压系统原理介绍图9机械手液压系统图液压系统原理如图9所示。该系统选用功率N7.5千瓦的电动机，带动双联叶片泵21YB35/18，其公称压力为60105帕，流量为35升/分18升/分53升/分，系统压力调节为30105帕，油箱容积选为250升。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同时供油手臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有小油泵供油，大泵自动卸荷。手臂伸缩、手臂升降、手臂回转、手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀（QI63B、QI25B、QI10B）回程节流，因而速度可调，工作平稳。设置有单向阀序列的臂提升缸滑，可以调整顺序阀保持打开状态，在活塞上的弹簧力时，活塞杆和轴承流体在压力下所造成的武器等权重。提升缸的上部腔室，工作油的泵的输出压力油进入，以使该阀处于增加的压力的作用，活塞向下移动。当活塞上升时，通过单向阀进入下腔的流体压力的升降油缸阀不被阻碍的顺序，使单向阀，以克服臂的重量等，为了防止下降，滑手指夹紧缸带单向阀，当手指夹紧工件系统压力波动保证手指工件的牢固。当反向进油时，油箱的油通过控制阀打开顶端单向的，从而使油折回，油箱。在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支路前串有减压阀（J10），使定位油缸获得适应压力为1518105帕，同时还给电液动滑阀（或称电液换向阀，34DY63B）来实现，空载卸荷不致使油温升高。系统的压力由溢流阀来调节。此系统四个主压力油路的压力测量，是通过转换压力表开关（K3B）的位置来实现的，被测量的四个主油路的压力值，分别从压力表（Y60）上表示出来。5.5机械手液压系统的简单计算计算的主要内容是，根据所需要的输出的致动器力和速度的大小来决定的气缸内的流动速率和结构，液压系统是必需的，以确定总的油流来选择泵的马达泵的规格和选择的功率。确定各控制阀，并通过该装置的流量和压力的辅助参数。在本机械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式油缸（可以使输出轴得到小于360°的往复回转运动）及无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）。5.5.1双作用单杆活塞油缸22图10双作用单杆活塞杆油缸计算简图①流量、驱动力的计算当压力油输入无杆腔，使活塞以速度1v运动时所需输入油缸的流量1Q为1Q2140Dv??对于手臂伸缩油缸310.98/Qcms?，对于手指夹紧油缸311.02/Qcms?，对于手臂升降油缸310.83/Qcms?。油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力1P即油缸的驱动力为2114PDP??对于手臂伸缩油缸1196PN?，对于手指夹紧油缸1126PN?，对于手臂升降油缸1320PN?当压力油输入有杆腔，使活塞以速度2v运动时所需输入油缸的流量2Q为222240QDdv???对于手臂伸缩油缸310.87/Qcms?，对于手指夹紧油缸310.96/Qcms?，对于手臂升降油缸310.72/Qcms?油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力2P即油缸的驱动力为2322214PDdP???对于手臂伸缩油缸1172PN?，对于手指夹紧油缸1108PN?，对于手臂升降油缸1305PN?②计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P为PPPPPP?????工导回封惯其中P工为工作阻力P导导向装置处的摩擦阻力P封密封装置处的摩擦阻力P惯惯性阻力P回背压阻力562PN??????③确定油缸的结构尺寸㈠油缸内径的计算油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即1PP?（无杆腔）2P（有杆腔）油缸（即活塞）的直径可由下式计算141.131PPD???厘米（无杆腔）对于手臂伸缩油缸50Dmm?，对于手指夹紧油缸30Dmm?，对于手臂升降油缸80Dmm?，对于立柱横移油缸40Dmm?或2411PPdDP????厘米（有杆腔）㈡油缸壁厚的计算依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚?可用下式计算24??2PD???计厘米P计为计算压力???油缸材料的许用应力。对于手臂伸缩油缸6mm??，对于手指夹紧油缸17mm??，对于手臂升降油缸16mm??，对于立柱横移油缸17mm??㈢活塞杆的计算可按强度条件决定活塞直径d。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即??24Pd?????即??4Pdcm???对于手臂伸缩油缸30dmm?，对于手指夹紧油缸15dmm?，对于手臂升降油缸50dmm?，对于立柱横移油缸16dmm?5.5.2无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）图11齿条活塞缸计算简图25①流量、驱动力的计算2133DdQ???当103Dmm?，40dmm?，0.95/rads??时952QN?②作用在活塞上的总机械载荷PPPPPP????工回封惯其中P工为工作阻力P封密封装置处的摩擦阻力P惯惯性阻力P回背压阻力PN????③油缸内径的计算根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得4PDp??45Dmm?5.5.3单叶片回转油缸在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，其计算简图如下26图12回转油缸计算简图①流量、驱动力矩的计算当压力油输入回转油缸，使动片以角速度?运动时，需要输入回转油缸的流量Q为223400bDdQ???当100Dmm?，35dmm?，35bmm?，0.95/rads??时30.02/Qms?回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M228bPDdM??得0.8MNm??②作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩MMMMMM????工回封惯其中M工为工作阻力矩M封密封装置处的摩擦阻力矩M惯参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩M回回转油缸回油腔的背反力矩2.30.851.221.085.45MNm??????27③回转油缸内径的计算回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得28MDdbp??30Dmm?5.5.4油泵的选择一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力P泵和最大流量Q泵来确定。⑴确定油泵的工作压力P泵P泵≧PP???式中P油缸的最大工作油压P??压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失。P泵56010Pa?⑵确定油泵的Q泵油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q最大，并考虑系统的总泄漏来确定Q泵KQ最大其中K一般取1.101.25Q泵53升/分5.5.5确定油泵电动机功率N612PQN??式中P油泵的最大工作压力Q所选油泵的额定流量?油泵总效率N7.5（千瓦）28第六章PLC控制回路的设计6.1电磁铁动作顺序表1电磁铁的动作顺序表序号电磁铁1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT11DT12DT13DT14DT1插定位销2手臂前伸3手指张开4手指闭合5手臂上升6手臂回缩7立柱横移8手腕回转9拔定位销10手臂回转11插定位销12手臂前伸13手臂中停、大泵卸荷14手指张开15手指闭合16手臂缩回17手臂下动作29降18手腕反转19拔定位销20手臂反转21立柱回移22待料卸荷23注表示电磁铁线圈通电6.2根据机械手的动作顺序表，选定电磁阀、开关等现场器件相对应的PLC内部等效继电器的地址编号，其对照表如下表2现场器件与PLC内部等效继电器对照表现场器件内部继电器地址说明输入1SB2SB3SB1ST2ST3ST4ST5ST6ST7ST8ST9ST10STX000X001X002X003X004X005X006X007X010X011X012X013X014启动按扭连续启动按扭连续停止按扭手腕回转限位开关手腕反转限位开关手臂回转限位开关手臂反转限位开关手臂上升限位开关手臂下降限位开关手臂前伸限位开关手臂缩回限位开关立柱横移限位开关立柱移回30输出1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT11DT12DT13DT14DTHLY000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y010Y011Y012Y013Y014Y015Y016手臂前伸电磁阀手臂缩回电磁阀手指张开电磁阀手臂上升电磁阀手臂下降电磁阀手腕回转电磁阀手腕反转电磁阀定位油缸电磁阀手臂回转电磁阀手臂反转电磁阀卸荷电磁阀卸荷电磁阀立柱横移电磁阀立柱移回电磁阀工作指示灯6.3PLC与现场器件的实际连接图根据表2画出PLC与现场器件的实际连接图，如下所示图13PLC与现场器件的实际连接316.4梯形图满足机械手工艺流程的梯形图如下图所示32图14机械手梯形图33结束语我做的毕业设计，是移动机器人的设计，通过超过3个月的努力，终于完成了设计。这次设计给了我一个很好的机会，让我了解基本的工艺设计工作和设计方法。在本次毕业设计中，我遇到了许多以前从未遇到过的问题，但通过导师的指导和我的努力后，这些问题已经得到较好的解决。虽然我的设计仅仅是一个简单的机器人，但需要完成伸缩，升降，旋转，滑动等，以及对各部件的设计和计算，以及油路及其部件，电气控制电路的选择及控制设计。通过这些设计，使我把理论知识和实践结合，巩固和深化了所学专业知识。在设计过程中，我不断地探索，学习和修改。由于时间问题，对于本次机器人的设计还存在许多问题，许多地方都还有待改进和提高，希望各位专家评审多多指教。34参考文献1邓星钟.机电传动控制M.华中科技大学出版社，20022孙志礼、冷兴聚、魏延刚等.机械设计M.东北大学出版社，20033徐灏.机械设计手册M第5卷.机械工业出版社，19924吴宗泽.机械设计师手册M.机械工业出版社，20025成大先.机械设计图册M.化学工业出版社，2002年6罗洪量.机械原理课程设计指导书M（第二版）.高等教育出版社，19867JJ.杰克（美）.机械与机构的设计原理M（第一版）.机械工业出版社，19858王玉新.机构创新设计方法学M（第一版）.天津大学出版社，19969张建民.工业机器人BM.北京理工大学出版社，199210马香峰.机器人结构学BM.机械工业出版社，199111俄IO.M.索罗门采夫.工业机器人图册BM.机械工业出版社，199312黄继昌、徐巧鱼、张海贵等.实用机械机构图册BM.人民邮电出版社，199613天津大学工业机械手设计基础编写组.工业机械手设计基础BM.天津科学技术出版社，198114金茂菁.我国工业机器人发展现状J.机器人技术与应用，）15乔东凯黄崇林.移动式工业机器人设计的动力学分析J.茂名学院学报，）16张广鹏方英武田忠强.工业机器人整机结构方案的动态性能评价J.西安理工大学学报，）17王田苗.工业机器人发展思考J.机器人技术与应用，2004年，（2）期18李瑞峰.21世纪中国工业机器人的快速发展时代J.中国科技成果，2001，（18）期19曲忠萍.国外工业机器人发展态势分析J.机器人技术与应用，2001，（02）20徐学林.互换行与测量技术基础M.湖南大学出版社，2005，21机械设计手册联合编写组.机械设计手册M下册.石油化学工业出版社，1978，22赵松年、张奇鹏.机电一体化机械系统设计M.机械工业出版社，1996，23大连理工大学工程画教研室.机械制图M.高等教育出版社，2003，35致谢在这个设计过程中，一直得到了导师老师的慈爱关怀和精心指导下，这其中充满老师的汗水。导师敏锐的学术思想，严谨务实的治学态度，渊博的知识，严谨的工作作风
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关&键&词： 搬运 机器人 结构设计 全套 cad 图纸 毕业论文 原创 资料
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搬运机器人的设计机械设计制造及其自动化 & & & &指导老师： &摘 要 本次设计的搬运机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图、PLC控制系统原理图。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手腕回转采用回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的横移采用横向移动油缸；整个机器人的移动采用在底部的履带实现。在PLC控制回路中，采用的PLC类型为FX2N，当按下连续启动后，PLC按指定的程序，通过控制电磁阀的开关来控制机械手进行相应的动作循环，当按下连续停止按钮后，机械手在完成一个动作循环后停止运动。本设计拟开发的搬运机器人可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。 关键词 机械手、液压、控制回路、PLCThe design of the manipulator Machine Design & Manufacture and Automation & & & & Instructor : Abstract &The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ；The PLC control circuit use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement ，PLC in accordance with the prescribed procedures ，through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign.The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger workpieces .Keywords &Manipulator 、Hydraulic、Control Loop 、PLC目 &录摘 &要IAbstractII目 &录III第1章 前言11.1工业机器人简介11.2世界机器人的发展11.3我国工业机器人的发展21.4我要设计的机器人3第2章 手部结构62.1概述62.2设计时应考虑的几个问题62.3驱动力的计算72.4两支点回转式钳爪的定位误差的分析9第3章 腕部结构103.1概述103.2腕部的结构形式103.3 手腕驱动力矩的计算11第4章 臂部结构134.1概述134.2手臂直线运动机构134.3 手臂回转运动164.4手臂横向移动164.5 臂部运动驱动力计算16第5章 液压系统设计195.1液压系统简介195.2 液压系统的组成195.3 机械手液压系统的控制回路195.4 机械手的液压传动系统215.5 机械手液压系统的简单计算22第6章 PLC控制回路的设计296.1电磁铁动作顺序296.2 机械手的动作顺序表306.3 PLC与现场器件的实际连接图316.4 梯形图32结束语34参考文献35致谢36第一章 前言 & 1.1 工业机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。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的人形操作，可自动控制，可被重新编程，在三维空间完成各种任务的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种，多样化的柔性生产。其稳定性对提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的升级换代迅速，起着非常重要的作用。 机器人并不是简单意义上代替人工的劳动，但人的专业知识和拟人化机特种机电设备，既有人对环境状态的快速反应和分析能力，但机器的结合可以是一个漫长连续操作，精确度高，抗恶劣环境，在一定意义上，它也是机器进化的产物，它是工业和非工业行业的重要生产和服务设备，是先进制造技术不可缺少的自动化设备。1.2世界上工业机器人的发展国外的工业机器人发展近期有如下几个趋势：（1）. 工业机器人的参数不断提高（高速、高精、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格已经从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。（2）．机械结构向模块化，可重构化开发。例如关节模块中的伺服电机，减速机，检测系统三位一体；关节模块，连杆模块重组机器人机；（3）．工业机器人控制系统的一个开放的基于PC的控制器方向，促进规范化，网络化，设备集成度提高，控制柜变得日趋小型化和模块化结构，大大提高了系统的可靠性，易用性和可维护性。（4）．机器人中的传感器作用越来越重要，除采用传统的位置，速度，加速度传感器，装配，焊接机器人还应用了视觉，力觉等传感器，而遥控机器人使用睡眠视觉，声音触觉，触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制，在产品配置技术已经成熟应用的多传感器融合系统。（5）．虚拟现实技术中的作用在机器人仿真，预演用于过程控制的发展，如遥控机器人操作者产生的感觉来操纵机器人远程操作环境的暴露。（6）．现代远程机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，但正在致力于运营商和机器人的交互控制，即远程和本地自治系统构成一个完整的监控远程操作系统，智能机器人出来的实验室成实用阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人成功应用这样一个系统是最有名的例子。(7)．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
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