工业机械手设计

【实例简介】
详细介绍工业机器人的手部、腕部、臂部等的设计过程，并附有大量图册，供大家参考。
本书系统地阐述了工业机械手的设计理论和方法,全面而详细地讨论 分析了工业机械手的手部、腕部、臂部和机身等主要部件的设计计算、液 压驱动系统、可编程序控制器控制系统以及机械手的运动学和动力学。本 书还介绍和剖析了工业机械手的一些典型的实例。 本书叙述简洁,条理清晰,可作为高等学校机械设计与制造专业、机 电一体化专业、机械制造自动化以及相近专业的教材或教学参考书,也可 供有关教师与科技人员参考 工业机械手设计 广东机械学院陸允叉主编 责任编辑:张一萍版式设计。王颖 封面设计:肖晴责任校对:姚培新 责任印制:王国光 机械工业出版社出版(北京阜成门外百万庄南街一号) 邮政编:100037 (北京市书刊出版业营业许可证出字第117号) 机械工业出版社丰印刷厂即 新华书店北京发行所发行·新华书唐经售 开本787×10921/16·印张8.75·字数207千字 1996年5月第1版第1次印刷 印数0001-3000定价:7.80元 ISBN7-111-04781-8/TH·618(课) ISBN7-111-04781-8 9787111047810> 前 本书是根据全国高等工科院校机椃设计及制造专业教学指导委员会199年审定的编写计 划,为适应机械设计及制造专业、机电一体化专业及其他相近专业的数学要求,满足从事机 械加工自动化的设计、制造等技术人员的迫切需要而编写的。在编写内容上既注意基础理论 及技术的阚述,也考虑了如何提读者机构分析与综合的能力、机械结构设计和机电一体化 系统设计的能力 本书原稿于1987年11月作为内部教材印出,经全国20多所院校使用后,深得各方的热懵 支持和鼓励。现在原稿的基础上,编者对全书作了详细的修改,并对第五、六、七章又充实 了新的内容。 本书由痊允文主編,赵松年主审。参加缩写工作的还有张仕铁晓春、昊黎明、杺丽明、 郑汉卿等,参加文稿工作的有朱铮涛、陈益民、张晓燕等,李定华教授仔细阅读了书稿,指 导了全书的编写工作。 本书编写肘参阅了有关院校、工厂、科研单位的资料文軼,并得到许多同行专家的支持 和帮助,在此谨致谢意。 限于水平,书中定有不少缺点错误,恳请读者批评指正。 编者 94年8月 器 前言 第五章驱动系统………………15 第一章诸论 ……………] 第一节工业手驱动系统的选择……55 第一节工业机械手设计的目的 冒◆曲 第二节液压驱动系缆 第二节工业机械手设计的内容… 第三节何服控制机械手的液压系统 6 第三节工业机械手在生产中作用 第四节计算实例…… 第四节工业机械手的分类…………3第六章电气控制系统 第五节工业机械手的组成~ 第一节行程控制传感器………84 第六节工业机械手的规格参数 第二节机槭手可编程序顺序控制… 第七节工业机械手的技术发展方向 第三节PC的工作原理及指令系统 9 第二章手部 第四节实例………………………99 第一节夹鉗式手部设计的基本要求……10第七章工业杋械手运动与动力学 第二节典型手部结构 “70 分析 第三节夹钳式手部的计算与分析=……14 第一节工业机械手的坐标变换与 第三章腕部 运动学分析 4·导号自看音b产m日 第一节腕部设计的基本要求… 22 第二节工业机械手运动学方程的 第二节典型胱部结构 建立及求解 第三节腕部回转力矩的计算 26 第三节工业机械手动力学分析 76 第四章臂部和机身…………………30附录………4 第一节臂部设计的基本要求……………30附录A程控通用机械手 724 第二节手臂典型运动机构 ………35附录B设计选题…… 2 第三节手臂的设计计算…… 考文献………………………………13 第 绪论 第一节业机械手设计的目的 工业机械手设计是机械制造、槭设计和机械电子工程(机电一体化)等专业的一个重 要的教学环节,是学完技术酣课汝有关专业课以后的一次安业课程内容的综合设计。通过 设计提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构设计的能力机电液一体化系统设计能力, 掌握实现生产过程自动北的议计方法。通过这一教学环节要求达到: 1〕通过设计,把有关课椹(构分析与缤合、玑梂原理、机椩设计、液厔与气动被尽 自动控制理论、测试技术、控技术、缨型计算杋原埋及应用、自动机镜设计等)中所获得 的理论知识在实际中综合地加以运用,使这些知识得到巩固和发展,并使理论知识生产密 切地结合起来。因此,工业∷手设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的号业课 设计。 2)工业机被手设计是槭设计及制造专业和机电子工程专业的学生一次比较完整的 机电一体化整机设计。通过设计,培养学生独立的机械整机设计的能力,树立正确的设计思 忽,掌握机电一体化机械产品没计的基本方法和步骤,为自动机械设计打下良好的础。 3)通过设计,使学生能就练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册和翅范;热 悉有关国家标准和部颁标准,以完成一个工程技术人员在机桃整休设计方面所必须具备的甚 本技能训练。 4)由于整个机械手设计工作量较大,为了使学生在三周内得到一个完整的训练因此建 议可由一名学生完成,也可出两名学生完成一个完整的工业钒极手设计。这样既能培养学小 独立工作与分工协作完成大型设计的能力,又解决了工作量大、时间短的矛盾。 第二节工业机械手设计的内容 要求本设计能较藓明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体化技术,是机械工程 找术吸收微电子找术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。尽管机 电一体化的产品名目多,并由于它们的功能不同而有不同的形式和氨染程度,但做功的机 械本体部分(包插动力装置)和微电子控制部分(包括信息处理)是其最基本的、必不可少 的要素。我们选择工业机械手作为设计题目,无论从内容的深度、份量以及覆蓝备斜知识面 的程度来衡量都是适当的。 在规定的学时数内,要求每个学生完成以下工作 拟定(或评述)整体方案,别是传感、控制方式与机椃本体有机结合的设计方 案 2)根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构。 8)各部件的设计计算。 4)工业械手工作装配图的设计与绘制。 5)液压系统图的设计与绘制。 6)电气控制图(含接口电路)的绘制(可作为微型计算机原理及应用的大作业 7)机械手运动分析(可作为机构分折与综合的大作业)。 8)编写设计计算说明书。 第三节工业机械手在生产中的作用 机松手在工业生产中的应用极为广泛,可以归纳为以下一些方面。 、建遘旋转体零件(轴类、盘类、环类)自动线 般都采用机械手在机之间传送I件。国内已建成的这类自动线很多,如沈阳水泵广 的深井泵轴承体加工自动线(环类),大连电机厂的4号和5号电动机轴加工自动线(轴类), 上海拖拉机齿轮厂的齿坯加工自动线(盘类)等。 加工箱体类零件的组合机床自动线,一般釆用随行夹具传送工件,也有采刖机械手的, 如上:海动力机厂的气缸盖加工自动线转位机械手。 二、在实现单机自动化方面 )各类半自动车床,有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能,但仍需人工上下 料;装上机械手,可实现全自动生产,一人看管多台机床。目前,机械手在这方面应用最多, 如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机槭手,大连第二机床厂的自动循环液压仿 形车床机械手,沈阳第三机床厂的￥38滚齿机手,青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手 等。由于赵方面使用已有成热的经验,国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械 手,或为用户自行安装机械手提供条件。 2)注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环,装上机被手自动装卸工件,可实 现全自动生产。 3)冲有自动上下料冲压循环,装上机械手上下料,可实现冲压生产自动化。目前机械 在冲床上应用两个方面:一是160以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t 冲床磁力起动器壳体下料机被手和天津拖拉机厂400冲床的下料机械手等;-是用于多工位 冲床,用作冲压件工位间步进,如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机椃手(生产线中 有两台多工位冲床)和天津二轻局技术姸究所制作的120140t多工位冲床机械等。 铸、锻、焊、热处理等热加工方面 在锻方面,国内大批量生产的3t、5、10模锻锤,其所配的转底炉,用两只机械手成 ∷角布置在炉前,实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、治萍拖拉机厂竽 1较热的经验。 总的来说,[业机械手满足了社会生产的需要,其主要转点是: )对环境的适应性强,能代替人从事危险、有害的操作,在长时间I作对人体有售的 场所,杋手不受影响,只要祗据作环境进行合理设计,选择适当的材料和结构,机械 手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下,以及沖压、灭火 等危险环境中胜任工作。 为了谋求操作安全和彻底防止公害,在工伤事故多的工种,如冲压、压铸、热处理、锻 造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中,推广工业机械手或机器人。 2)机械手能持久、耐劳,可以把人从繁重单调的劳动中解放出来,并能扩大和延伸人 的功能。人在连续工作几小时后,总会感到疲劳或厌倦,而机械手只要注意维护、检修,即 能胜任长时间的单调重复劳动。 3)由于机手的动作谁确,因此可以稳定和提高产品的质量,同时又可避免人为的据 作错误。 4)机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好,能较好地适应产品品种的不断 变化,以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置(或轨迹)能够十分灵 活快速地予以改变,而其众多的自由羧,又提供了迅速改变作业内容的可能,在中、小批量 的自动化生产中,最能发挥其作用。 5)采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本 第四节工业机槭手的分类 目前,我国对工业机械于尚无较为统一的分类标作。一般可按机械手的趣格、功能或用 途等来分类。 、按规格(所搬运的工件重量)分粪 1)微型的——搬运重量在1kg以下。 2)小型的-搬运重量在10kg以下。 3)中型的—-辍运重量在50kg以下。 4)大型的——搬运重量在500kE以上。 目前大多数工业机械手能搬运的重量为1~30kg。最小的为05kg,最大的已达800kg。 、按功能分类 l。筒易型工业机械手有固定程序和可变程两种。固定程序由凸轮转戴成挡块转鼓 控網,可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。近年来,普遍采用可编程序控制器(PC) 组成控俐系统。 这种机被手多为气动或液动,结构简单,价格便宜,改变程序较容易。只适用于程序较 简单的点位控制,但作为一般单机服务的搬运作业已足够。所以,目前这种工业机械手数量 最多。 2。记忆再现型工业机械手这种工业机械手由人工通过示教装置领动一遍,由记忆元 件(如磁盘、磁带或存储器)把程记录下来,以后机械手就自动按记亿的程序重复进行循 环动作。 这是采用较多的一种,多为电液伺服驱动。与前者比较,有较多的自由度,能进行程序 较复杂的作业,通用性较广。 3。讦算机数字控制的工业机械手可通过更换穿孔带或其它记忆介质来改变工业机械 手的动作程序,还可以进行多机控制(DNC)。计算机可以是可編程序控制器或微型计算机。 4。智能工业机械手(机器人)由电子计算机通过各种传感元件等进行控制,具有视觉、 热觉、触觉、行走机构等。 、按用途分类 1。专用机械手附属于主机的、具有固定程序无独立控制系统的机械装置。这种机 械手工作对象不变,动作固定,结构简的,实用可靠,迺用于成批、大量生产的生产自动线 或专机作为自动上、下料用。 2。通用机械手具有独立招 程序可变、动作灵活多样的机械手。通用机機手 的工作范围大,定位精度高,通用性强,适用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。 第五节工业机械手的组成 工业机械手是由执行机构、驱动烈绕控:制系统所组成的,各部关系如图1-1所示,械 手的组成示意图如图1-2所示。 部系结|驱动系「执行机构卜工件 执行机构 执行机构由抓取部分(于)、 腕鄗、臂部和行走机构等运动部件组 位置检测装置 医-!工业机械红成茌阁 1,手部详见第二章,即直接与上件接触的部分,一般是回转型或平移型(多为回转 形,因其结构简单)。手爪多为两指(也有多指)根据需要分为外抓式或内抓式两种;也可 用负压式或真空式的空气吸盘 (它主要用于吸取冷的,光滑 表面的零件或薄板零件)和电 磁吸盘 传力机构型式较多,常用 的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆 执行机 式、斜彬杠杆式、齿轮齿条 式、丝杠螺母式、弹簧式和重 力式。 2。腕部详见第三章, 是连接手部和手臂的部件,并 机座 可用来调整被抓畅体的方位 (即姿态)。如图1-3。它可以 有上下摆动,左右摆动和绕自 身轴线的回转三个运动。如有 特球要求(将轴类零件放在顶 控制系统 尖七,将筒类、盘类零件卡在 卡盘上等),手腕还可以有一 驱动系统 个小距离的横移。也有的工业 机械手没有脱部自由度。 1-2业机械手组成示意图 1—手指2—手部3一手腕回转液压缸4一导向杆5-手伸绝液 3。臂部详见第四章, 压缸6—手臂回转液压铤7—手臂升降液压魟8—液臣系统控制 手臂是支承被抓物体、手部、 9液压泵电动机10—液压系1-油箱 腕部的重要鄗仲。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绘定的位 置 手臂有三个自由度,可采用直角坐标(前后、上下、左右都是直线),圆柱巫标(前后 上下直线往复运动和左右旋转),球坐标(前 后伸缩、上下摆动和左右旋转)和多关节(手 臂能任意伸屈)四种方式,如图1-4所示。 直角坐标占空间大,工作范围小,惯性 ,所以一般不多用,只有在自由度数较少 时乐之。 圆柱坐标占空较小,工作范围较大, 手胞 但惯性也大,且不能抓取底面物体。 图1-3手腕运动和结构示意图 球坐标式和多关节式占用空间小,工 0一绕启身轴线回转中1-左右摆 作范围大,惯性小,所需动力小,能抓取底 动θ1一上下摆动Y1-小距离横移 面物体,多关节还可以绕障碍物选择途径,但多关节式结构较复杂,所以也不多用。 目前常用的是球坐标式和圆柱坐标式的工业机械手。 4。行走机构有的工业机械手带有行走机构。 图1-4直角坐标式 图1-5圆柱坐标 手背运动:Ⅹ一伸缩Y一横移z一升降 手运动:φ一水平呵转 〓、驱动机构 有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快,结构简单,成本低。采用点 位控钳或机械挡块定位时,有较高的重复定位精度,但臂力一般在300N以下。液动式的出 力人,臂力可达1000N以上,且可用电液伺服机构,可实现连续控制,使工业机械手的用途 和通用性更广,定位精度一般在mm范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用 于小型,机械式只用于动作简单的场合 三、控制系統 有虑动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制,也有采用可编程 序控铜器控制、微型计算机数字控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制 的是坐标位置,并注意其加速度特性。 【实例截图】
【核心代码】