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多用途气动机器人结构设计
摘要 本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手硬件和软件的组成，即PLC控制的气动机械手的系统工作原理，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点，PLC控制的特点。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，大大提高了绘图效率和图纸质量。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图，并绘制了可编程序控制器的控制程序。
关键词： 工业机器人 机械手 气动 可编程序控制器（PLC）
Structural Design of Multi-purpose Pneumatic Robot
Abstract At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. 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,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This 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.The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart, the manipulator uses PLC to control. The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator. The paper draws out the work time sequence chart and the trapezium chart. What’s more, the paper workout the control program of the PLC,
KEY WORDS: industrial robot manipulator pump air pressure drive PLC
目 录
第一章 引言
1.1机械手概述..................1
1.2气动机械手的设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．2
1.3机械手的系统工作原理及组成...........2
第二章 机械手的整体设计方案
2.1机械手的座标型式与自由度 ．．．．．．．．．6
2.2机械手的手部结构方案设计 ．．．．．．．．．．．7
2.3机械手的手腕结构方案设计．．．．．．．．7
2.4机械手的手臂结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.5机械手的驱动方案设计．．．．．．．．．．．7
2.6机械手的控制方案设计．．．．．．．．．．．8
2.7机械手的主要技术参数．．．．．．．．．．．．．．．．8
第三章 手部结构设计
3.1夹持式手部结构．．．．．．．．．10
3.1.1手指的形状和分类
3.1.2设计时考虑的几个问题
3.1.3手部夹紧气缸的设计
第四章 手腕结构设计
4.1手腕的自由度．．．．．．．．14
4.2手腕的驱动力矩的计算．．．．．．．．．14
4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩
4.2.2回转气缸的驱动力矩计算
4.2.3回转气缸的驱动力矩计算校核
第五章 手臂伸缩，升降，回转气缸的设计与校核
5.1手臂伸缩部分尺寸设计与校核．．．．．．．．．．．20
5.1.1尺寸设计
5.1.2尺寸校核
5 .1 .3导向装置
5 .1 .4平衡装置
5.2手臂升降部分尺寸设计与校核．．．．．．．．．．．．．21
5.2.1尺寸设计
5.2.2尺寸校核
5.3手臂回转部分尺寸设计与校核．．．．．．23
5.3.1尺寸设计
5.3.2尺寸校核
第六章 气动系统设计
6.1气压传动系统工作原理图及元器件的选择．．．．．．．．．．．．25
第七章 机械手的PLC控制系统设计
7.1可编程序控制器的选择及工作过程．．．．．．．．．．．．26
7.1.1可编程序控制器的选择
7.1.2可编程序控制器的工作过程
7.2可编程序控制器的使用步骤．．．．．．．．．27
7.3机械手可编程序控制器控制方案．．．．．．．．．．．．28
7.3.1控制系统的工作原理及控制要求
7.3.2 气动机械手的工作流程
7.3.3 I/0分配
7.3.4梯形图设计
第八章 结论．．．．．．．．．．．．．．．36
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．37
参考文献．．．．．．．．．．．．38
第一章 引 言
1.1 工业机械手概述
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。
气压传动机械手是以压缩空气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，气动动作迅速，结构简单，成本低。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。
气动技术有以下优点:
(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.
(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。
(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。
(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。
(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。
(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。
