鍛壓機自動上料機械手執(zhí)行系統(tǒng)設計,鍛壓機自動上料機械手執(zhí)行系統(tǒng)設計,鍛壓,自動,機械手,執(zhí)行,履行,系統(tǒng),設計 （學號）： 0623418 長春理工大學光電信息學院 畢 業(yè) 設 計（論 文）譯文 鍛壓機自動上料機械手執(zhí)行系統(tǒng)設計 Forging manipulator automatic feeding system design implementation 姓 名 劉仲峰 學 院 機電工程分院 專 業(yè) 機械手機自造及其自動化 班 級 06234 指導教師 陳玲 2010 年 6 月 20 日 摘要 鍛壓機自動上料機械手的作用是將被加熱的坯料從上料位置將熱坯料搬運到立式精鍛機上鍛打，其成品鍛件由下料機械手從立式精鍛機上取下并送到轉(zhuǎn)換機械手上，轉(zhuǎn)換機械手先把鍛件反轉(zhuǎn) 90度成水平位置，由丙烷切割裝置將兩端切齊，切割完畢運送到車間外面的倉庫。該機械手包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，本文主要設計了機械手的執(zhí)行系統(tǒng)即手部.腕部和臂部的設計，實現(xiàn)了手部的夾持、腕部的回轉(zhuǎn)和臂部的伸縮等功能，用 CAD完成了該機械手的總裝圖及手部和臂部的繪制，并分析操作該機械手的各種力學參數(shù) ,討論了其工作空間的情況。同時對其進行動力學分析，得到各傳動關節(jié)所需的驅(qū)動力，得出了最終方案。 關鍵詞： 鍛壓機 執(zhí)行系統(tǒng) 力學參數(shù) Abstract The forge press automatic high-quality goods manipulator's function is the semifinished materials which heats up from the high-quality goods position the hot semifinished materials is transported to the vertical fine forging machine on hammers, its end product forging takes down by the yummy treats manipulator from the vertical fine forging machine and delivers transforms on the manipulator, transforms the manipulator to reverse the forging 90 degrees to become the first horizontal position, cuts neat by the propane cutter device the both sides, cutting finished ships to the workshop outside the warehouse. Manipulator including the implementation of the system, drive system and control system, this paper designed a robot hand that the implementation of the system. Wrist and arm of the design, implementation of the hand's grip, wrist rotation and arm stretching functions use CAD to complete assembly of the mechanical hand and hand and arm map rendering, and analysis to operate the various mechanical parameters of the manipulator, discussed the situation of their work space. At the same time the dynamic of its analysis, the driving force needed to drive joint, come to the final program. Keyword: forging machine the implementation of the system the mechanical parameters 目錄 第一章 緒論…………………………………………………….1 1.1 機械手發(fā)展狀況 1 1.1.1 發(fā)展歷史 1 1.1.2現(xiàn)代研究趨勢 2 1. 1. 3 國內(nèi)發(fā)展狀況 3 1.1.4應用舉例 4 1. 2機械手的研究意義 6 1.3應用價值 7 第二章 功能原理和結構評價設計…………………………...8 2.1參考數(shù)據(jù) 8 2.2 工作要求 9 2.3系統(tǒng)組成 9 2.4總體方案 10 2.5具體結構方案 11 第三章機械手執(zhí)行系統(tǒng)設計與計算………………………….13 3.1機械手執(zhí)行系統(tǒng)設的各部分設計結構 13 3.1.1手部結構 13 3. 1.2腕部結構 14 3.1.3臂部結構 14 3.2.機械手手部設計： 15 3.2.1手部結構： 15 3.2.2夾緊力計算： 15 3.2.3 手臂的設計計算 16 3.3液壓缸結構尺寸液壓缸內(nèi)徑計算： 17 3.4.液壓缸壁厚計算 18 3.5.液壓缸零件的連接計算 20 總結…………………………………………………………….22 致謝…………………………………………………………….23 參考文獻……………………………………………………….24 II 第一章 緒論 1.1 機械手發(fā)展狀況 1.1.1 發(fā)展歷史 1954年，被稱為“機器人之父”的美國科學家 George Devol取得了附有重放記憶裝置的第一臺機械手的專利權，該設備能執(zhí)行從一點到另一點的受控運動(即點-點運動)，這被認為是機器人時代的開始。五年后，普蘭耐特公司(Planet Corp.)出售第一臺工業(yè)用機器人。 60年代中期，隨著機器人學這一新領域的發(fā)展，在麻省理工學院、斯坦福大學、斯坦福研究所(SRI)，以及蘇格蘭愛丁堡大學這樣的理工學院中，出現(xiàn)了好幾個研究中心，并出現(xiàn)了涉及人工智能的研究課題。1970年，機器人學界早期的改革家之一，Victor Schenman在斯坦福大學演示一種計算機控制的工業(yè)機械手，這就是非常著名的斯坦機械手。它非常先進，技術很復雜，迄今還被很多研究中心使用。 70年代以后，機械手和以機械手為核心的自動化設備在工業(yè)發(fā)達國家，尤其在日本，有了廣泛的應用。由工業(yè)機械手與其它設備組成的生產(chǎn)線極大的提高了企業(yè)的勞動生產(chǎn)率，提高和穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，大大縮短了產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期。這些應用在很大程度上激發(fā)了人們對機械手的研究和開發(fā)，它的技術也因此取得了長足的進步。80年代，人們?yōu)榱俗寵C器人技術向各行各業(yè)擴展、應用，于有了用于社會服務、海洋開發(fā)、宇宙空間、地下采礦、軍事作戰(zhàn)、救災搶險等領域的機器人。應用于這些領域的機器人，絕大多數(shù)都是由機械手和與之對應的安裝平臺組成的。 到了上世紀 90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展和它們之間的相互整合，機械手技術得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機械手水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的特種機械手也有了長足的進展。現(xiàn)代控制理論使得機械手控制系統(tǒng)的性能進一步提高。傳感器技術的發(fā)展和應用大大的提高了機械手的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。網(wǎng)絡通信技術實現(xiàn)了多個機械手的協(xié)調(diào)工作，也使得機械手山過去的專用設備向標準化設備發(fā)展。微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機械手的可靠性有了很大的提高。還有通過諸如模態(tài)分析、有限元分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方法的運用，某些領域的機械手己經(jīng)實現(xiàn)了優(yōu)化設計，在這個方面做的比較突出的是德國的 KUKA公司。 近年來，隨著人類活動領域的進一步擴大，人們對非制造業(yè)用機械手的研究空前活躍起來。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結構化和不確定性，因而對機械手的要求更高，需要機械手具有對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等。美國的 AUSS、俄羅斯的 MT-88、法國的 EPAVLARD等裝有水下機械手的機器人系統(tǒng)己用于海洋石油開采，海底勘探、救撈作業(yè)、管道敷設和檢查、電纜敷設和維護等方面，形成了有纜水下機器人和無纜水下機器人兩大類。核工業(yè)用機械手，國外的研究主要集中在機構靈巧，動作準確可靠、反應快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手。己完成的典型系統(tǒng)，如美國 ORML基于機器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應堆用雙臂操作器，加拿大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的 C7靈巧手等。目前，機器人技術發(fā)達的國家都在競相開發(fā)地下機械手、醫(yī)用機械手、建筑用機械手和軍用機械手，并已經(jīng)取得了一些卓有成效的結果。 1.1.2現(xiàn)代研究趨勢 目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機械手共性技術的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下幾個方面: 1)工業(yè)機械手的優(yōu)化設計技術:探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載/ 自重比，同時機構向著模塊化、可重構方向發(fā)展。 2)機械手控制技術:重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機械手控制器的標準化和網(wǎng)絡化，以及從于 Pc機網(wǎng) 絡式控制器己成為研究熱點。編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。 3)多傳感器系統(tǒng):為進一步提高機械手的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器信息融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器信息融合算法。另一個問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。 4)機械手的結構靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 5)機械手遙控及監(jiān)控技術，半自主和自主技術，多個機械手和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡建立大范圍內(nèi)的機械手遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。 6)虛擬機械手技術，基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術，實現(xiàn)機械手的虛擬遙控操作和人機交互。 7)多智能體調(diào)節(jié)控制技術:這是目前機械手研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。 8)軟機械手技術:主要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機械手設計未考慮與人緊密共處，因此其結構材料多為金屬或硬性材料，軟機械手技術要求其結構、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機械手意外地與環(huán)境或人碰撞時是安個，機器人對人是友好的。 9)仿人和仿生技術:這是機械手技術發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎研究。 1. 1. 3 國內(nèi)發(fā)展狀況 我國的機械手研究與開發(fā)工作起步較早，曾經(jīng)有過一些成果，但在產(chǎn)業(yè)化和應用上， 一直步履維艱。改革開放以來，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前基本掌握了機械手的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機械手關鍵元器件，開發(fā)出了噴漆、弧焊、裝配、搬運等機械手.但是，我國的機械手技術及其應用程度和發(fā)達國家相比還有很大的差距，如:可靠性低于國外產(chǎn)品;機械手應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上遠遠趕不上發(fā)達國家。以上原因主要是沒有實現(xiàn)機械手的高度產(chǎn)業(yè)化。當前我國機械手的生產(chǎn)幾乎都是應用戶的要求，“一個客戶，一次重新設計，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本高，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 1.1.4應用舉例 移動機器人的研究始于 60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的 Nils Nilssen和 Charles Rosen等人，在 1966年至 1972年中研制出了取名 Shakey的自主移動機器人。目的是研究應用人工智能技術，在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。70年代末，隨著計算機的應用和傳感技術的發(fā)展，移動機器人研究出現(xiàn)了高潮。特別是在 80年代中期，設計和制造機器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司開始研制移動機器人平臺，這些移動機器人主要作為大學實驗室及研究機構的移動機器人實驗平臺，從而促進了移動機器人學多種研究方向的出現(xiàn)。90年代以來，計算機硬件水平不斷提高，并行分布式處理技術、硬件控制技術、傳感器技術及軟件開發(fā)環(huán)境不斷發(fā)展，為移動機器人的研究提供了必要的物質(zhì)條件。人工智能技術尤其是機器理解、搜索、任務及路徑規(guī)劃、視覺識別、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，使移動機器人向著智能化、自主化方向發(fā)展。 隨著科技發(fā)展和實際應用的需要，現(xiàn)在各類型的移動機器人普遍加裝了機械手，以使其成為一種多功能、高度自動化的作業(yè)平臺，在實際應用中有著不可估量的作用，特別是在軍事領域。下面介紹的幾款移動機器人是目前該發(fā)展領域的代表產(chǎn)品。 西班牙羅斯·羅卡公司研制的“羅德”輪式機器人。該機器人可用于清理雷場和處理炸藥等危險物品。如圖 1. 1. 1所示，該車長 1. 4m、寬 0. 67m、高 0. 8m、重 350kg,(6 X 6)驅(qū)動、動力裝置為 1臺電動機，車上供電蓄電池可使用 2h，車速(前進或后退)可在 0~6. 5km/h之間連續(xù)變化。車上裝有活動操作臂，有 6個自由度，固定在機器人車的旋轉(zhuǎn)塔上。操作臂不伸長時可吊重 80kg，伸直時最長為 1. 5m，此時可吊重 16kg。操作臂頂端裝有夾爪，夾緊力可達 30kg，能把物體提升至 2. 75m高。該車采用 100m(或 250m)長的電纜或無線電裝置進行遙控。操作手完成整個操作過程必須借助 1臺黑白或彩色電視顯示器，顯示車上 3個攝像機獲得的監(jiān)視駕駛、操作臂控制和夾爪操作的圖像。車上裝有兩個鹵氣探照燈，可在夜間或能見度很低的地區(qū) 圖1.1.1“羅 德”輪式機器人 英國研制的履帶式“手推車”及“超級手推車”排爆機器人 MPR-800型多功能智能機器人。它可以完成地雷探測與排險、滅火、監(jiān)視、清除核放射性沾染物等工作，最大時速為 8千米，能爬 40“的陡坡，其機械手臂能提起 220千克的重物，還可安裝滑膛槍和各種傳感器，并裝配有兩部監(jiān)視戰(zhàn)場和實施遙控的攝像機。最近英國又將手推車機器人加以優(yōu)化，研制出土撥鼠及野牛兩種遙控電動排爆機器人，如圖 1. 1. 2所示，英國皇家工程兵在波黑及科索沃都用它們探測及處理爆炸物。土撥鼠重 35公斤，在桅桿上裝有兩臺攝像機。野牛重 210公斤，可攜帶 100公斤負載。兩者均采用無線電控制系統(tǒng)，遙控距離約 1公里。 圖 1.1.2“土撥鼠”和“野?！迸疟瑱C器人 2004年由我國自行研制生產(chǎn)的“靈晰-B”型排爆機器人在南京市公安局特勤支隊正式服役。如圖 1. 1. 3所示，“靈晰一 B”型排爆機器人為三段履帶式設計，身上裝置行走、機械手、云臺三個攝像頭，最大行走速度 3米/秒，能抓取 15公斤熏物，爬行 40度斜坡和樓梯，越過 40厘米高障礙和 50厘米寬壕溝，自帶電源可連續(xù)作 4小時。排爆人員可在遠距離以有纜及無纜操作方式對機器人進行精確操控。 圖 1.1.3“靈晰-B，型排爆機器人 1. 2機械手的研究意義 機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化。隨著科學技術的發(fā)展，機械手廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 在機械制造方面機械手最早應用在汽車行業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可以替代人從事危險，有害，有毒，低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作;替代人完成繁重，單調(diào)重復勞動，保證生產(chǎn)質(zhì)量，提高生產(chǎn)效。目前主要應用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)，機械手與數(shù)控加工中心，機械手和計算機集成制造系統(tǒng) 實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善的提高，機械手的應用領域日益擴大。 1.3應用價值 用于軸類零件精鍛自動生產(chǎn)線上，將加熱后的坯料從運輸車上取下搬運到立式精鍛機上。機械手固定安裝在 JD100立式精鍛機前。 第二章 功能原理和結構評價設計 2.1參考數(shù)據(jù) 抓重： 60公斤 自由度數(shù)： 4個 座標型式： 圓柱坐標 最大工作半徑： 1700毫米 手臂最大中心高： 2300毫米 手臂運動參數(shù)： 手臂伸縮范圍： 0~500毫米 手臂伸縮速度： 200mm/s 手臂升降范圍： 0~600毫米 手臂升降速度： 150mm/s 手臂回轉(zhuǎn)范圍： 0~200 手臂回轉(zhuǎn)速度： 630/s 手腕運動參數(shù)： 手腕回轉(zhuǎn)范圍： 0~180 手腕回轉(zhuǎn)速度： 201/s 手指夾持范圍： Φ30-Φ120mm 緩沖方式及定位方式： 手臂伸縮： 伸出時由行程開關適時發(fā)信切斷油路，手臂滑行緩沖，死擋塊快定位，伸縮時無緩沖措施，由活塞和油缸端蓋相碰定位 手臂升降： 上升時是靠可調(diào)碰鐵觸動行程開關而發(fā)信，使電液換向閥變?yōu)?O 型劃塊機能，切斷油路而實現(xiàn)緩沖定位，下降時靠油缸端部節(jié)流緩沖，以導向套和升降缸支撐座相碰而定位。 手臂回轉(zhuǎn)： 采用行程節(jié)流閥減速緩沖，用定位油缸驅(qū)動定位銷而定位。 手腕回轉(zhuǎn)： 采用行程開關發(fā)信，切斷油路滑行緩沖，死擋塊定位。 驅(qū)動方式： 液壓 控制方式： 點位程序控制 機械結構設計的基本要求，包括對機器整機的設計要求和對組成零件的設計要求兩個方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。 2.2 工作要求 機械手的工藝流程 機械手原位→機械手前伸→機械手上升→機械手抓取并夾緊→機械手退 機械手左轉(zhuǎn)→機械手前伸→機械手松開→機械手下降→機械手右轉(zhuǎn)→退至位 2.3系統(tǒng)組成 本機械手系統(tǒng)由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)包括手部、手臂、手腕。驅(qū)動系統(tǒng)包括動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成?？刂葡到y(tǒng)由程序控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成 2.4總體方案 本文主要是鍛壓機自動上料機械手的執(zhí)行系統(tǒng)的設計，主要涉及手部的加持，腕部的回轉(zhuǎn)和臂部的伸縮等運動，其具體方案如下 1驅(qū)動 驅(qū)動采用液壓驅(qū)動其特點 （1）驅(qū)動力和驅(qū)動力矩較大，臂力可達 100公斤 （2）速度反應性較好 2執(zhí)行系統(tǒng)設計結構 手部采用滑槽杠桿夾持式手部，手指兩個 優(yōu)點：兩個手指除具有一個手指的功能外，還能抓住物體并可精確的控制物體的位置和取向。 手腕部采用回轉(zhuǎn)油缸來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)。 手臂的伸縮采用雙作用式油缸來實現(xiàn)前后伸縮。 2.5具體結構方案 工業(yè)機械手的機械機構是指它的執(zhí)行系統(tǒng)，是機械手抓持工件、進行操作及各種運動的機械部件。機械部件主要包括手部，手臂前后伸縮部分，手臂上下升降部分腰轉(zhuǎn)部分以及機座。機械手的動作主要包括手部的夾緊、手臂的伸縮及回轉(zhuǎn) （1）手部：包括杠桿手指，單向作用式握緊油缸等。其工作原理：物體進入手指后，拉桿手油缸作用，通過拉桿帶動杠桿手指回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)握緊或松開動作。 （2）手臂的前后伸縮部分：手臂的前后伸縮部分由直線油缸帶動實現(xiàn)。當直線油缸工作時通過活塞桿行程的變化，完成手臂的伸縮運動。 （3）自動上料機械手手臂伸降機構 手臂的上下升降部分采用雙作用式油缸實現(xiàn)垂直升降運動。其行程最大為600毫米。升降機構中，升降缸體與缸體支撐座用螺釘聯(lián)結，活塞桿14的上端通過球形鉸鏈,上球形鉸座、連接盤和導向套等組成升降機構的升降部分。當壓力油經(jīng)油管進到升降缸上下兩腔后，推動活塞桿并帶動導向套一起作升降運動。在導向套上裝有導向鍵，它能在缸體支撐座上的鍵槽內(nèi)滑動，用此鍵防止導向套升降機時可能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動。用導向套作導向裝置，其導向性能好，剛度大，工作平穩(wěn)?；钊麠U與連接盤間用球形鉸鏈聯(lián)結，可自動彌補導向套傾斜所引起的偏差。手臂下降運動的緩沖，由油缸底部的緩沖調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)。手臂升降行程是通過安裝在側(cè)板1上的可調(diào)撞塊7和行程開關來控制。 （4）上料機械手中間部座 齒圈固定在支架上，并與手臂回轉(zhuǎn)油缸的齒輪嚙合，齒輪與手臂回轉(zhuǎn)油缸的轉(zhuǎn)軸固定連接,而回轉(zhuǎn)油缸的殼體又固定在手臂伸縮機構的中間架體上。當回轉(zhuǎn)油缸的轉(zhuǎn)軸帶動齒輪自傳時，因齒圈固定，齒輪除自傳外還要繞齒圈做公轉(zhuǎn)，致使手臂伸縮機構為一整體而回轉(zhuǎn)，即手臂回轉(zhuǎn)與東?；剞D(zhuǎn)油缸殼體上裝有行程減速閥，齒輪端面上裝有擋塊。當手臂回轉(zhuǎn)時，行程減速閥與擋塊相接觸壓冬閥芯徐徐關斷油路，實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)終點位置的緩沖。在支架上裝有連接座，在開關座上裝有組合式行程開關，在手臂回轉(zhuǎn)過程中靠碰塊（手臂回轉(zhuǎn)定位油缸上）出動組合式行程開關發(fā)出信號，控制手臂回轉(zhuǎn)運動位置。為使其精確定位，控制系統(tǒng)發(fā)出信號，使安裝在手臂中間架體上的定位油缸動作，實現(xiàn)插銷定位。 優(yōu)缺點：利用齒輪結構，機械手的旋轉(zhuǎn)定位更準確，但它具有保養(yǎng)條件高，產(chǎn)生的機械振動影響其零件的工作壽命等缺點。 （5） 手臂回轉(zhuǎn)油缸的結構 手臂回轉(zhuǎn)油缸的結構由回轉(zhuǎn)缸體和上端蓋、下端蓋、定片間用螺釘連接，并將他們作為一體通過上端蓋與手臂伸縮機構連接形成一個運動部件。轉(zhuǎn)軸支持在上、下端蓋上，與動片固定連接，其身伸出端通過花鍵軸部分與中間座的齒輪連接，向手臂傳遞動。 優(yōu)缺點與雙作用油缸相似。 （6） 手臂回轉(zhuǎn)定位油缸 用螺釘和圓柱銷固定在手臂伸縮機構的中間架體上，使手臂在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)得到精確定位，其結構簡單，動作靈活可靠。 第三章機械手執(zhí)行系統(tǒng)設計與計算 3.1機械手執(zhí)行系統(tǒng)設的各部分設計結構 3.1.1手部結構 機械手手部結構形式多樣，但總的設計都有如下幾點基本要求 1)應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結構龐大，不經(jīng)濟，甚至會損壞抓取物體;力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力是，除考慮抓取物體重量外，還應考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證夾持安全可靠。 2)手指應具有一定的開閉范圍，手應具有一定的開閉角度(手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度)或開閉范圍(對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離)，以便于抓取或退出物體機械零件材料的選擇是機械設計的一個重要問題，不同材料制造的零件不但機械性能不同，而且加工工藝和結構形狀也有很大差別。機械零件常用材料有黑色金屬、有色金屬、非金屬材料和各種復合材料等。從材料選用原則的使用要求、加工要求和經(jīng)濟要求出發(fā)，選擇機械手的零件材料。。 3)應保證抓取物體在手指內(nèi)的夾持精度，應保證每個被抓取的物體，在手指內(nèi)都有準確的相對位置。 4)要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。在這里還必須討論一下機械手手指數(shù)量的問題，不同的手指數(shù)量可以完成的動作、動作復雜程度都不通，可以根據(jù)機械手必須完成的動作確定機械手所需的最少手指數(shù)。一個手指能推、滾或滑動小物體，還可用力操縱開關等;兩個手指除具有一個手指的功能外，還能抓住物體并可精確的控制物體的位置和取向:三個手指除能完成兩個手指完成的功能外，它還有在手中反復抓握物體的功能，如將物體拋入空中并在新的方向抓住物體;多個手指則具有更大的靈活性，如能抓住和操縱多個物體。對于本文的移動機器人，只需要能夠抓住物體，控制物體的位置和取向，兩個手指就能滿足此工作要求，所以在結構上將采用兩指。 3. 1.2腕部結構 手腕部件設置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調(diào)整手部在空間的位置，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕的運動形式可以有:繞 X軸轉(zhuǎn)動稱為回轉(zhuǎn)運動;繞 Y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動;繞 Z軸轉(zhuǎn)動稱為左右擺動:有的甚至是沿 Y軸或 Z軸的橫向移動。一般手腕設有回轉(zhuǎn)或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求。 3.1.3臂部結構 手臂部件是機械手的主要部件。它的作用是支承腕部和手部，并帶動它們做空間運動 臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)，則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運動。 設計基本要求： 1)臂部應承載能力大、剛度好、自重輕臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，機械手常采用無縫鋼管作為導向桿，用工字鋼或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結構緊湊、外形整齊。 2)臂部運動速度要高，慣性要小. 3.2.機械手手部設計： 3.2.1手部結構： 機械手的手部結構采用夾鉗式手部，其手部是由手指，傳動結構和驅(qū)動結構三部分組成的。采用兩個手指，驅(qū)動裝置為傳動機構提供動力，驅(qū)動源為液壓驅(qū)動裝置。傳動機構通過滑槽彈簧實現(xiàn)夾緊或松開。 3.2.2夾緊力計算： 手指加在工件上的加緊力，是設計手部的重要依據(jù)。在設計時，必須考慮到夾緊力克服重力所產(chǎn)生的靜荷載（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下式計算： ?FN≥K1*K2*K3*G 式中 K1：安全系數(shù)，通常取 1.2～2.0；取 K1=1.5； K2：工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 K2可近似按下式估算： K2=1+a/g 其中 a?運載工件時重力方向上的最大上升加速度； g?重力加速度 g=9.8m/s2 a=Vmax/t響 Vmax：運載工件時重力方向上的最大上升速度； t響:系統(tǒng)達到最高速度的時間，根據(jù)設計參數(shù)，一般取 0.03～0.5s；取 t響=0.5s K3：方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定，按工業(yè)機械手設計表 2-2讀取；K3=0.5 G：被抓取工件所受重力（N），G=10kg/N Vmax=πr/t=3.14*0.155/1.25=0.39/ s2 K2=1+a/g=1+0.39/0.5/9.8=1.08 m/s2 ∴Fn=1.5*1.08*0.5*10*9.8=79.38N 3.2.3 手臂的設計計算 (1)左到右的液壓缸的設計計算： (2)液壓缸活塞的驅(qū)動力計算： 水平移動液壓缸受力圖 F=F摩+F密+F慣+F回 F摩—摩擦阻力 F密—密封裝置處的摩擦阻力； F慣—啟動或制動時，活塞桿所受平均慣性力 F回—液壓缸回油腔低壓處造成阻力 機械手總重 800N，手臂不參與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐前端的距離為 75mm，導向支撐為 15mm。 ∵F摩 uG總 U：當量摩擦系數(shù) U=(4/π?π/2)u=(1.27?1.57)u 鋼對鑄鐵取 u=0.18?0.3, 取 u=0.2 ∴F摩=0.26*800=208N F密計算:液壓缸工作壓力小于 10Mpa,活塞桿直徑為液壓缸直徑的一半,活塞與活塞桿外都采用O型密封圈。 ∴F封 1=pπd1? p工作壓力, p=4Mpa D：活塞直徑為 32mm, I：密封有效長度. ∴F封2=0.03F ∴I=d0*2k-k2 ∵k=0.08～014取k=0.08,d0=0.018 I=0.18*2*0.08-0.08*0.08=0.007m ∴F 封 1=4*106 π*0.032*0.007=2813.44N F封 2=0.03F=0.03*P*π*R2=0.03*4*106 *2*0.0162 =96.46N ∴F回= F 封 1+ F封 2=2813.44+99.46=2909.9N F回計算，∵背壓為 0，∴F回=0 F慣的計算 F慣=G總?V/8?t G總:參與運動的零件的總動力，?V由靜止加速到常速的變化量?V=0.094m/s △t起動過程中時間取 0.01～0.5s 取 t=0.5s ∴F慣=ma=80×0.094/0.5=15.04N ∴F=F慣+F摩+F回=15.04+208+2909.9=3132.94N 3.3液壓缸結構尺寸液壓缸內(nèi)徑計算： 液壓缸內(nèi)徑計算 雙作用液壓缸機構示意圖 油進入無桿腔 F=F1η=P*πd2/4η 油進入有桿腔 F=F2η=P*（D2-d2）/4η? 工作壓力 P=4Mpa η?液壓缸機械效率，一般取η=0.95 ? D—液壓缸內(nèi)徑 F—理論推力 d—活塞桿直徑 ∴D=（4F/πPη）1/2=0.032m 按<機械設計手冊>表 19-6-3 液壓缸內(nèi)徑系列取 D=32mm 由于公稱壓力為 P=4MPa<10MPa, ∴取ψ=1.33 ψ=v2/v1=A1/A2=π/4D2/[π/4(D2-d2)]=D2/D2-d2 ψ液壓缸活塞往復運動時的速比則 d=(D2-D2/1.33)1/2=0.0159m 按表 19-6-3活塞肛直徑系列，取 d=16mm 由于液壓缸的工作時間 t=πD2s/4q S?行程 Q=流量 m3/s Q=πD2s/4=π*0.0322*0.13/4=76*10-6 m3/s 3.4.液壓缸壁厚計算 1.一般按壁厚缸筒公式計算 t≥PD/2p[σ] t=(45-32)/2=6.5mm P—液壓缸內(nèi)工作壓力 Pa D—液壓缸內(nèi)徑 m δP—剛體材料許用拉應力 δP=[δs]/s s為安全系數(shù)，推薦在 3.5～5范圍內(nèi) d選用，一般取 S=5 由于缸體材料為鍛鋼 δP=（110～120）MPa 取δP=110MPa ∴t≥4*106*0.032/2*110*106=0.00058m<6.5mm ∴滿足要求 ∵t/D=6.5/32=0.203>1/10 ∴按壁厚公式校核 2.按壁厚公式計算： t≥d/2[(δP+0.4P/δP -1.3p)*1/2-1]=0.0005m=0.5mm<6.5mm ∴滿足要求 3.按強度條件驗算活塞桿直徑 d(L≤10d)時 d≥(4F1/πδp)l/2 F1—活塞桿推力， L—活塞桿長度 Δp—活塞桿材料的許用應力 δp=δs/s δs：材料屈服極限 s為安全系數(shù)，取s=2 δs=300N/mm2 ∴δp=150 N/mm2 d≥(4*3132.94/150π)1/2=5.16<6.5mm ∴滿足要求 ∵L=150mm<10d=160mm ∴受壓柱塞式活塞桿無須做壓桿穩(wěn)定性計算 3.5.液壓缸零件的連接計算 回轉(zhuǎn)液壓缸計算圖 缸體與缸蓋用法蘭連接的螺栓計算合成應力：δn=δ=KF1/ASZ1PA Z：螺栓數(shù)量，X=4 AS：螺栓螺紋部分危險剖面積計算螺紋預緊系數(shù)，K1.35～1.6s，取 k=1.5s ∴δn=1.5*3132.94/8*4=146.86N/mm2 由于內(nèi)六角圓柱頭螺紋精度為8.8級 ∴δn=146.86N/mm2<800N/mm2 ∴強度足夠 5.活塞與活塞桿螺紋連接的計算： 活塞桿的拉力 ∴F2=π（D2-d2）p/4=π(0.0322-0.0162)/4=2411.52N 活塞桿危險斷面處的合成應力 δn=δ=Kf2/πd22/4≤δp d2：活塞桿危險斷面處的直徑為d2 =d-3=16-3=13mm K螺紋預緊系數(shù)：取K=1 δp=δs s?安全系數(shù)，取s=1.75 對于調(diào)質(zhì)硬度 HB=240?270HBS 的 40Cr鋼δs =700MP ，δp=40MP ∴δn=1.4*2412.7/π*132 /4=25<400MP ∴滿足要求 總結 機械手設計是一個集機械結構，電子技術，傳感器技術，控制測試技術，液壓與氣壓傳動等多學科統(tǒng)一的綜合系統(tǒng)機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。。本文以鍛壓機自動上料機械手為研究課題，提出其各項技術指標，以此基礎進行設計。文中著重研究分析了該機械手的執(zhí)行系統(tǒng)及各部分零件結構和液壓傳動部分兩大問題，初步完成了一個機械手的整體設計。 本課題的設計工作總結如下： 1.課題要點：通過在大學學習期間所學到的知識，對機械手的機械原理進行建摸，再進行各方案比對，選出最佳方案。此后設計均圍繞所選方案開展。 2.課題核心：利用CATIA和CAD對機械手的整體機械結構以及部分非標零件進行實體設計并裝配。在設計中不僅要遵照最初方案，還要充分考慮部分實體設計的合理性。 3.驗證工作：用力學知識對機械手的非標零件進行設計及校核，來驗證其是否可以適應工作要求。 4.完成構建：提出操作機械手的控制策略——液壓傳動＋電子控制，用CAD和DXP構建原理圖，并與機械結構相結合完成此課題。 機械手的設計與開發(fā)涉及多個領域和多個學科。由于作者水平有限和時間有限，此課題仍有許多問題需要解決。根據(jù)實際工作環(huán)境和造價的要求，對于這一課題，本人認為今后可以按以下幾方面開展。 1. 本文非標件偏多，液壓系統(tǒng)有些復雜，需要進一步優(yōu)化機械結構。 2.本文采用多部機械手配合，PLC電子控制；考慮機械手發(fā)展趨勢，最好采用單機械手＋單片機來優(yōu)化整個生產(chǎn)過程。 3.本文沒提及機械手的運動學、動力學和仿真，建議今后將其完善。 致謝 首先衷心感謝我的指導老師陳玲老師對我論文的指導與熱情的幫助。無論是在論文的選題還是定稿、研究的方法、技術路線以及本文的撰寫都得到陳老師的嚴格要求和精心指導，陳老師都付出了相當?shù)木托难诟鱾€環(huán)節(jié)中給了我許多寶貴的意見。在幾個月的論文設計中，陳老師嚴謹?shù)膶W術作風、治學態(tài)度，求實的工作作風和孜孜不倦的探索創(chuàng)新精神，以及平易近人的師長風范給我造就了良好的設計環(huán)境。陳老師不僅關心我的設計，還在生活上給了我無微不至的關懷，這些都是我不斷前進的動力，必將對我今后的學習和生活受益匪淺，我將終生學習和銘記。在此，謹向陳玲老師致以深深的謝意! 在論文資料收集階段，得到了校圖書館和系里老師的幫助，在此也致以感謝。 再次感謝所有關心過我的老師和同學們??！ 參考文獻 【1】.張福學機器人技術及其應用.北京:電子工業(yè)出版社，2000 【2】.蔣新松 Robotics.沈陽:遼寧科學技術出版社，1994 【3】.王承義機械手及其應用.北京:機械工業(yè)出版社，1981 【4】.何發(fā)昌邵遠多功能機器人的原理及應用.北京:高等教育出版社，1996 【5】.王華坤范元勛機械設計基礎.北京:兵器工業(yè)出版社，2000 【6】.邱宣懷機械設計第四版.北京:高等教育出版社，1997 【7】.鄭志峰鏈傳動設計與應用手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1992 【8】.唐世恭李慧中工程材料及成型工藝.北京:兵器工業(yè)出版社，1996 【9】.徐錦主機械設計手冊.第 3卷.北京:機械工業(yè)出版社，1995 【10】.王特典工程材料.南京:東南大學出版社，1996 【11】.馬香峰機器人機構學 .北京:機械工業(yè)出版社，1991 【12】.鄭洪生氣壓傳動.北京:機械工業(yè)出版社，1981 【13】.季明善液氣壓傳動.北京:機械工業(yè)出版社，2002 【14】John J.Craig,Introduction to Robotics Mcchanics And Control[M],Second Edition,Addison-Wesley, Rcading,MA,1989 【15】.Beom-Sahag Ryuh, Gordon R.Pennock. 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