1、 毕 业 设 计题 目 名 称： 机器人快换接头的设计 学生姓名： 学号： 二级院校（系）/专业： 机械工程学院/机电一体化班 级： 指 导 教 师： 2015.12.012016.06.02南京工业职业技术学院毕业设计摘 要机器人在工业生产中，越来越普遍的需要更换各种各样的末端执行器。如抓手、真空工具、焊枪、电动和气动马达等末端执行器的更换，如果用人工的话会增加机器人的停工时间，降低机器人的工作效率。本课题的研究对象是快换接头。先从机器人快换接头的特点，引出国内外快换接头的发展状况。通过对机器人快换接头的简介与分类，引出本课题的主要内容：机器人手动快换接头的设计。机器人快换接头是用来快速、高
2、效的更换机器人手臂末端执行器的装置，能在数秒内完成末端执行器的更换，从而大大提高了机器人的工作效率。而本课题对手动快换接头本体的机械部分研究的关键在于锁紧装置和气路流通端口。锁紧装置设计的好坏决定了快换接头锁紧能力的高低，而气路的气密性决定气源补给的质量。本设计除了介绍机器人快换接头的分类及现状，锁紧装置的设计和气路流通端口的研究外，也介绍了机器人自动快换接头，进而与手动快换接头做了一些比较。关键词：机器人快换接头 锁紧装置 气路流通端口AbstractRobots in the industrial production, more and more common need to repla
3、ce a variety of end executor. Such as gripper, vacuum tools, welding torch, electric and pneumatic motor actuator at the end of the replacement, if using artificial increases the shutdown time of robot, reduce the working efficiency of the robot.This topic research object is quick change connectors.
4、 First from the characteristics of quick change robot joint, which leads to the fast at home and abroad for joint development. Through the description and classification of quick change robot joint, lead to the main content of this topic: the design of the robot manually quick change connectors. Rob
5、ot, quick change connector is used for rapid, efficient replacement actuators at the end of the robot arm device, can end in a few seconds to complete actuators change, thus greatly improve the work efficiency of the robot. Ontology and this topic opponent to move faster in joint locking device is t
6、he key of the mechanical part of the study of the gas port road circulation. The stand or fall of locking device design determines the level of the ability of quick change joint locking, and pneumatic air tightness determines the quality of air supply. This design in addition to the introduction to
7、the classification of the quick change connectors and the present situation, the design of the locking device and port road circulation research, also introduces the robot automatic quick change connectors, and then compared with the manual did some quick change joint.Keywords: Robot quick change co
8、nnectors Locking device Pneumatic circulation ports目 录第一章 绪论11.1 选题背景11.2 机器人快换接头简述11.3 发展前景21.4 意义2第二章 机器人快换接头特点和国内外状态32.1机器人快换接头的定义32.2机器人快换接头的特点32.3 机器人快换接头国内外发展情况32.3.1国内状况32.3.2国外状况42.3.3企业快换接头举例4第三章 机器人快换接头简介63.1机器人快换接头分类63.1.1机器人自动快换接头63.1.2机器人手动快换接头73.2 机器人快换接头应具有的特性7第四章 手动快换接头的设计94.1设计内容94.
9、2材料及参数的选择与设定94.3整体装配114.3.1具体操作124.3.2装配注意事项134.4主端口盘盖的设计134.5定位销的选择154.6锁紧装置的设计164.6.1中间销的设计164.6.2锁紧装置手柄的设计184.6.3锁紧销的设计194.6.4固定销的选择204.7工具端口的设计214.7.1工具端口外轮廓的设计214.7.2工具端口气源补给孔的设计22第五章 自动快换接头的介绍235.1主端口的介绍235.2工具端口的介绍23结 论25谢 辞26参考文献27附录28III第一章 绪论1.1 选题背景随着科技的进步，工业生产正逐步走向一体化和智能化。本世纪60年代初为了加快工业生
10、产力的发展，工业机器人应运而生，到如今机器人已成为大多数工业生产线不可缺少的“操作者”，机器人的运用代替了传统的劳动力生产，给工业生产带来了巨大的变革。长久以来，传统的工业生产都是依靠工人进行操作。然而在工业生产中，有许多工序都是需要不断地进行机械式的重复的，其过程枯燥乏味。不仅如此，工业生产线的环境有时也相对恶劣，越来越不适合人工作业，机器人的出现帮助工人摆脱了恶劣的环境和枯燥乏味的工作状态。虽然机器人在充满危险的环境下可以将繁重复杂、精密度要求高的工作完成得很出色，但是当代工业对生产商品的要求已不只在于质，他们对数量的需求也越来越高，所以提高机器人的作业速度是当前的主要任务之一。提高机器人
11、作业速度的方式之一就是减少机器人手臂末端执行器的更换时间，为了解决执行器更换速度慢、柔性差的问题，许多公司相继推出了机器人快换接头。快换接头的出现无疑是提高了工业机器人的作业效率，给工业生产带来了方便。现在，快换接头获得了普遍的运用，变成大多数工业机器人的重要组成部分。机器人快换接头在世界各地都能买到，从机器人快换接头输出规模来看，美国、德国、法国位居全球前三，其他国家在机器人快换接头的生产上也紧随其后。1.2 机器人快换接头简述此次的课题是研究机器人快换接头的组成及主体机械部分的设计。机器人快换接头的主体部分由主端口和工具端口两部分组成，主端口与机器人的手臂相连接，工具端口与机器人手臂的末端
12、执行器相连接。机器人快换接头的作用就是在机器人需要更换末端执行器时，减少人工的干预，缩短更换的时间，在电路与气路的帮助下将末端执行器精确定位到工业机器人的手臂末端。1.3 发展前景随着经济与科技水平的发展，工业生产也达到了空前的盛状，工业机器人也越来也多的运用到了生产线中，逐步取代了传统的劳动力。在机器人的实际应用中，社会需求激励着机器人技术不断地改进、优化，机器人快换接头就是为提高工业机器人的生产率和柔性而问世的。现如今，工业机器人越发普遍地运用到了生活当中，所从事的行业由工业制造领域延伸到了医疗领域和军事领域，这就需要快换接头也随着机器人性能的变化不断地优化和改良，所以在未来，快换接头的发
13、展远景还是十分可观的。1.4 意义该机器人快换接头虽然体积不大，但是它的外观简洁，内部结构细致，大有“麻雀虽小，五脏俱全”之势。在国内，机器人快换接头的生产技术还远不如国外，所以更要致力于该项目的研究。本课题的研究与设计不仅符合我国生产领域的发展趋势，也会给我将来的学习与工作带来很大的帮助。 第二章 机器人快换接头特点和国内外状态2.1机器人快换接头的定义机器人快换接头是一种通过快速更换机器人末端执行器，使机器人更具柔性的装置。2.2机器人快换接头的特点（1）、在工业生产线中，机器人快换接头能在短短数秒内完成末端执行器的更换；（2）、机器人在作业时，其维护和修理工具的更换快速、高效，大大减少机
14、器人的停工时间，从而减少生产过程中的损失；（3）、在投入实际生产应用时，机器人快换接头能够帮助机器人使用多个末端执行器，因而增加了柔性；（4）、末端执行器的传统更换方式过于笨重、繁琐，而自动交换单一功能的末端执行器方便快捷，完全可以取而代之。（5）、对于一些重要的应用，机器人快换接头还能提供一些备份工具，尽量避免意外事件的发生。2.3 机器人快换接头国内外发展情况2.3.1国内状况我国对机器人快换接头的研究开始得晚，而且发展相对慢一些。虽然国内的研究所和大学的相关部门都有研究，但是由于专业知识的局限性，专业技术水平也有待提高。国内生产的机器人快换接头普遍存在的问题就是产品的可靠性低、通用性差且
15、成本较高。现如今工业机器人在我国的应用越来越广泛，机器人快换接头的应用也随之增加，但是这与国内的快换接头的生产水平相矛盾，所以快换接头生产的当务之急就是降低生产成本、提高生产技术水平。2.3.2国外状况从目前来看，国外在机器人快换接头技术方面优于我国。他们对这方面的研究早于我国，发展也相对快于我国，所以机器人快换接头的质量也高于国内。但是，他们的价格昂贵，相关的技术也不对外公开。考虑到成本问题，许多的买家在机器人快换接头的购买上犹豫不决。在国外，工业生产已经趋于一体化和智能化，机器人在工业生产中的应用也已经越来越普遍，为提高机器人的作业效率，机器人快换接头也逐渐成为机器人的标配。2.3.3企业
16、快换接头举例美国ATI公司对机器人快换接头的研究起于1989年， 当时机器人的生产效率有待提高，加快机器人手臂末端执行器的更换速度成为提高机器人作业效率的方法之一。机器人快换接头的诞生为机器人手臂末端执行器的更换节约了大量的时间，为工业生产注入了新的能量。如图2-1所示，为美国ATI公司的QC-20快换接头，该自动快换接头由主端口和工具端口两部分组成。机器人手臂末端执行器在需要更换时，会逐步接近并对准工具端口，主端口中的滚珠会在空气流的推动下进入锁紧环，被牢牢锁住。当空气流注入解锁端口时，锁紧装置中的滚珠就会松开。图2-1 美国ATI公司的QC-20快换接头图2-2所示的德国SCHUNK公司的
17、快换接头与AIT公司的QC-20快换接头相似，也是利用滚珠在气流的推动下的移动来实现锁紧的。图2-2德国SCHUNK公司快换接头意大利GIMATIC S.p.A公司对机器人快换接头的研究也颇有成果。图2-3所示即为该公司研制的快换接头，该快换接头同样是由主端口和工具端口两部分组成。该装置的锁紧是通过工具端口的三个定位销来实现的，在锁紧时，工具端口的定位销与主端口相对接，同时旋转主端口，使工具端口的定位销插入主端口的卡槽中，实现锁紧。 图2-3 意大利快换接头第三章 机器人快换接头简介 3.1机器人快换接头分类机器人快换接头的造型美观，形状多样。虽然一个机器人快换接头只能安装在一台机器人上，但是
18、它能够方便灵活地安装在大部分工业机器人上，在多样的机器人加工领域表现得游刃有余。为了适应机器人在生产线中高强度、高精度的作业，机器人快换接头不仅具有高的硬度和负载能力，同时还具有显著的重复性。最重要的是，机器人快换接头能够快速更换机器人末端执行器，并且易于容纳同一装配机器或加工中心的多种不同零件，是机器人应用的理想选择。机器人快换接头按照本体部分锁紧装置的不同大体可分为两种：一种是自动快换接头，另一种是手动快换接头。3.1.1机器人自动快换接头 如图3-1所示为机器人自动快换接头，在快换系统的支持下，机器人自动快换接头会根据需要自动更换末端执行器来完成相应的任务。 将选好的工具与机器人快换接头
19、的工具端口相连接，机器人手臂与主端口相连接。快换接头上的定位销、销孔、电路、气路以及锁紧装置都能够帮助其进行准确的定位。在机器人手臂移动到确定的位置和姿态的时候，锁紧装置就会立刻启动，进而实现锁紧。图3-1机器人自动快换接头3.1.2机器人手动快换接头如图3-2所示为机器人手动快换接头，机器人手臂末端执行器在该快换接头的作用下，能够在几秒内快速地完成相应的更换。机器人手动快换接头的空气端口和电气连接器能够向系统输出瞬时动力，无需手动重新连接空气管道，从而减少了机器人的停工时间。 与自动快换接头不同的是，在进行锁紧、释放的过程中手动快换接头需要人工的干预，才能完成末端执行器的更换。图3-2 机器
20、人手动快换接头3.2 机器人快换接头应具有的特性综合考虑机器人快换接头的工作方式以及工作环境，机器人快换接头应该具备以下的特性：（1）、具有足够强的稳定性。当快换接头产生故障或者它的气压消失时，为了能够保证稳定可靠的连接，往往需要机器人快换接头具有足够的连接强度。而具有强稳定性的快换接头的锁紧装置能够出色地完成防止主端口与工具端口分离的任务。（2）、结构必须紧凑，尺寸要尽量的小。不同的机器人有不同的承重量，在设计机器人快换接头时要将机器人的最大持重量考虑在内。在保证不影响机器人功能发挥的前提下，机器人快换接头的尺寸要尽可能小，结构也要尽量紧凑，这样可以将对机器人运作时灵活性的影响降到最低。（3
21、）、重量轻 机器人手臂的持重量有限，如果机器人快换接头的重量过大那么末端执行器以及所夹持的物品的重量和种类将会受到更大的限制。所以，快换接头的选材显得尤为重要，应该尽量选择比重较轻的材料。（4）、通过性必须良好。机器人在进行末端执行器的更换时也会出现一些突发状况，为了保证末端执行器能够顺利地更换，机器人快换接头应该具备供气流流通的气路连接口，供信号交流的信号线所对应的端口以及允许电流流入的端口等。（5）、位置精度要保持足够。工业生产中对机器人作业时的位置精度的要求是非常高的，位置精度不够往往会造成产品质量的不合格，影响产量。机器人快换接头的位置精度越高，末端执行器的连接与释放就会越准确。第四章
22、 手动快换接头的设计4.1设计内容在我充分了解了机器人快换接头的特性、优点、工作原理以及适用的范围之后，基于对造型美观简洁的设计理念，确定了快换接头的外部轮廓；结合工业生产的现状提出了对快换接头本体机械部分相关细节的设计内容，并确定了有关的参数。在对机器人快换接头的研究中，我通过查阅资料的方法完成了该装置的细节上的设计、零件图及装配图的绘制。机器人快换接头作为机器人中的一部分，在工业生产中起到了很大的作用，在它的帮助下机器人得以在几秒内完成末端执行器的更换，进而使机器人更具柔性。 4.2材料及参数的选择与设定因为机器人手臂的承重有限，所以选择密度较小的铝合金作为快换接头本体的材料。考虑到机器人
23、应具备足够强的稳定性，在一些需要高耐磨性的零件的选择上尽量采用经过并行热处理的碳钢。因为该手动快换接头的使用对象为不超过12kg的物体，所以结合查阅的相关资料及实地观察将快换接头的质量控制在HWK的质量0.23kg,HWA的质量0.12kg。并将它能抓取物件的最大重量设定为12kg。（1）、锁紧力矩的设定机器人末端执行器不抓取重物时，机器人快换接头所承受的重量（末端执行器的重量）为6kg,因为手动快换接头在工作时所承受的总重（末端执行器和重物的总和）最多为18kg，所以机器人快换接头所承受的力最小为60N，最大为180N。机器人快换接头的直径d为50mm。根据公式（h为快换接头的半径d/2）可
24、知快换接头的锁紧力矩为1.5-4.5Nm。（2）、强度的计算根据表4-1常用材料的主要力学性能可知，铝合金的屈服点应力s 为274MPa。表4-1常用材料的主要力学性能材料名称牌号s/MPab/MPa5/普通碳素钢Q2352353723922527Q27527449051921优质碳素钢353145292045353598155037252714低合金钢09MnV2944312212Mn28050020合金钢20Cr5398331040Cr784980930CrMnSi88210788铝合金LY1227441219因为铝合金是塑性材料所以安全因数n为1.52.5。考虑到安全与经济方面的问题，取
25、较合适的安全因数以达到最实用的目的。根据公式（其中为许用应力，为屈服点应力，n为安全因数），可求得许用应力可取为109.61182.7MPa。取许用应力为110MPa，将工具端口与中间销接触的一个面近似看做直径为3.3mm的圆，受力图如图4-1所示。图4-1 中间销的受力图根据公式，可知；根据，求得该装置是安全的；根据，通过变换得；综合安全与便捷方面的考量，由此可设定结构的许可载荷为900N。4.3整体装配机器人手动快换接头由主端口盘盖、工具端口、中间销、手柄、锁紧螺栓、定位销组成，如图4-2所示。详细的外部轮廓如图4-3、4-4、4-5所示。图4-2 机器人手动快换接头 图4-3 手动快换接
26、头装配图A 图4-4手动快换接头装配图B图4-5 手动快换接头装配图C4.3.1具体操作图4-6 手动快换接头操作图1、释放操作：打开手柄90度，不需要完全打开手柄，只需轻轻打开一些就可以让半圆柱螺栓轻轻旋转。然后逆时针方向旋转主端口上的手柄，直到停止。将手柄放到打开的位置就无法实现连接，主端口和工具端口可以在这个位置上任意移动，如图4-6所示。2、锁紧操作顺时针旋转主端口上的手柄180度直到停止，就实现了锁紧。合拢手柄90度，将锁紧螺栓插入与之对应的孔中，固定手柄的位置即为图4-6的逆向操作。4.3.2装配注意事项在设计零件的时候首先要考虑的就是尺寸的问题，各个零件在配合尺寸的设定上一定要结
27、合装配的实际需求，提前确定好相应的尺寸。在装配的过中如若遇到装配不上的问题，切勿将装配图全盘否决，要耐心寻找问题的所在，如果发现是零件的设计尺寸有问题，应将该零件重新设计。如果要装配的零件数量繁多，应该将要装配的零件分成几个部分分别进行装配，再将装配好的几个部分总体装配。这样做的好处是当装配过程中出现问题的时候，可以缩小问题出现的范围，缩短查找问题的时间。4.4主端口盘盖的设计以造型美观简洁的设计理念为前提，将机器人快换接头设计为圆盘的形状。在不影响快换接头的性能的前提下将分度圆直径设定为50mm，厚度不超过30mm。机器人快换接头的主端口盘盖在设计时，将主端口的侧面供空气流流通的端口设计为螺
28、纹孔，其尺寸为M5，留出的密封沟槽用来放置圆环形密封圈，这样的设计可以提高气路的气密性。密封圈的选择对气密性的影响也是不可忽视的，一般以橡胶或者皮革材料为主。在盘盖异于空气流通端口的一侧切槽，留出供电机控制连接器连接的螺纹孔，并在开槽一侧通直径为10mm的光孔贯穿至相对面，为锁紧装置中的中间销预留空间，具体尺寸如图4-7所示。外部轮廓采用光滑的曲面，既美观也将对机器人作业时的影响降低到最小，如图4-8所示。图4-7 主端口盘盖图4-8 主端口盘盖图4-9为主端口的局部图，主端口对接表面的气源流通端口设计成圆孔，其孔直径设定为3mm。因该孔在对接的时候容易产生漏气的现象，使整个装置在运作时无法实
29、现快换的效果。所以结合实际情况，将圆孔改为锥孔，并将表面锪平，这样做有利于增强装置的气密性。图4-9 主端口局部图4.5定位销的选择销作为标准件，起到连接零件的作用。工业生产中常用到的销主要是圆柱销和圆锥销两种。该快换接头所用的定位销为圆柱销，在快换接头主端口与工具端口连接锁紧时，将主端口中该定位销插到与之相对应的光孔中，起到精确定位的作用。为了能与主端口和工具端口的定位孔相匹配，将定位销的直径d设置为4mm,根据表4-2圆柱销的选择标准将该定位销的长度l设置为12mm。表4-2 圆柱销选择标准（mm） dm6/h822.5345c0.350.400.500.630.80l（商品范围）6206
30、248308301050l系列6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、120、140、160、180、200（公称长度大于200mm，按20mm递增）。续表dm6/h86810121620c1.21.62.02.53.03.5l（商品范围）126014801695221402618035200l系列6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、120、140、160、180、200（公称长度大于200mm，按20mm递增）。4.6锁紧装置的设计锁紧装置由手柄、锁紧螺栓、中间销组成，该装置是机器人快换接头的核心部分。4.6.1中间销的设计中间销作为锁紧装置中的主要组成部分，在锁紧过程中发挥
