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摘要 在當今大規(guī)模的制造業(yè)中 企業(yè)為提高生產(chǎn)效率 保障產(chǎn)品質(zhì)量 普 遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度 工業(yè)機械手作為自動化生產(chǎn)線上的重要成 員 逐漸被企業(yè)認同并采用 工業(yè)機械手的技術水平和應用程度在一定程 度上反映了一個國家的工業(yè)自動化水平 目前 工業(yè)機器人主要承擔著焊 接 噴涂 搬運以及堆垛等重要性并且勞動強度極大的工作 工作方式一 般采取試教在線的方式 本文將設計一臺四自由度的工業(yè)機械手 用于給沖壓設配運送物料 首先 本文將設計工業(yè)機器人的底座 手 手腕 臂部等結(jié)構(gòu) 然后選擇 合適的傳動方式 驅(qū)動方式 搭建工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)平臺 在此基礎上 本文將設計該機械手的控制系統(tǒng) 包括數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇 反饋方式和反饋元件的選擇 端子板電路的設計以及控制軟件的設計 重 點加強控制軟件的可靠性和機械手運行的安全性 最終實現(xiàn)目標包括 關 節(jié)的伺服控制和制動問題實時的檢測機械手的各關節(jié)的運動情況 機械手 的示教編程和在線修改程序 設置參考點和回參考點 關鍵詞 機械手 示教編程 伺服 制動 ABSTRACT In today s large scale manufacturing the enterprise to improve production efficiency and ensure product quality universal attention production process automation degree manipulator as an important member of automatic production line gradually by enterprise and the use of identity Industrial robot technology level and application degree to a certain extent reflect a nation of industrial automation level Currently the manipulator main bear the welding painting handling and storage and the intensity of labor great importance of the work work way to try to teach the general way online This paper will design a four degrees of freedom industrial robot are used to transport materials with stamping set First of all this article will design the base of the industrial robot hand wrist arm the structure etc And then choose the appropriate transmission mode driving way build the structure of manipulator platform On this basis this paper will design the system control system including data collection card and the choice of servo amplifiers feedback and feedback of components of the way choice terminal board circuit design and control of the software design focusing on the reliability of the control software and operation safety of manipulator Finally realize the goals include the joint servo control and braking problems in real time detection of each joint movement of the manipulator the manipulator Teaching program and on line modification program set the reference points and back to the point of reference Keywords Manipulator Demonstration program Servo brake 目錄 摘要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1 1 工業(yè)機械手的分類 2 1 2 工業(yè)機械手的組成 3 1 3 工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的作用 6 1 4 工業(yè)機械手設計的目的 8 1 5 工業(yè)機械手設計的內(nèi)容 9 1 6 工業(yè)機械手的技術發(fā)展方向 9 2 機械手總體設計方案 12 2 1 原始數(shù)據(jù) 主要參數(shù) 12 2 2 工作 要求 12 2 3 系統(tǒng)組成 13 2 4 總體技術方案 13 3 機械手的手部設計計算 15 3 1 手部結(jié)構(gòu)設計 15 3 2 夾鉗式手部設計的基本要求 16 3 3 夾鉗式手部的計算與分析 17 3 4 楔塊等尺寸的確定 29 3 5 材料及連接件選擇 33 4 機械手的腕部設計計算 34 4 1 腕部設計的基本要求 34 4 2 腕部結(jié)構(gòu)的選取 36 4 3 腕部 結(jié)構(gòu)的計算 37 總結(jié) 50 參考 文獻 51 致謝 53 附錄 外文文獻 54 1 緒論 機械工業(yè)是國民的裝備部 是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民提供耐用 消費品的產(chǎn)業(yè) 不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 還是新興產(chǎn)業(yè) 都離不開各種各樣的機 械設備 機械工業(yè)所提供裝備的性能 質(zhì)量和成本 對國民經(jīng)濟各部門技 術進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響 機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是 衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要指標 因此 世界各國都把發(fā)展 機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟戰(zhàn)略重點之一 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備 工業(yè) 機械手的工業(yè)機器人的一個重要分支 它的特點是通過編程來完成各種預 期的作業(yè)任務 在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點 尤其體現(xiàn)了人 的智能和適應性 機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力 在 國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景 機械手是在機械化 自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置 在 現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中 機械手被廣泛的運用于自動化生產(chǎn)線中 機器人的研 制和生產(chǎn)已成為高技術領域內(nèi) 迅速發(fā)展起來的一門新興技術 它更加促 進了機械手的發(fā)展 使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié) 合 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活 但它具有能不斷重復和勞動 不知疲勞 不懼危險 抓舉重物的力量比人手大的特點 因此機械手已受 到許多部門的重視 并越來越廣泛的得到了應用 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動 而是綜合了人的特長和 機器特長的一種擬人的電子機械裝置 既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分 析判斷能力 又有機器可長時間持續(xù) 工作 精確度高 抗惡劣環(huán)境的能 力 從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物 它是工 業(yè)以及非產(chǎn) 業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備 也是先進制造技術領域不可缺少的自動化 設備 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 是一門跨多種學科的綜合技術 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器 它有多個自由度 可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作 1 1 工業(yè)機械手的分類 目前 我國對工業(yè)機械手尚無交統(tǒng)一的分類標準 一般可按機械手的 規(guī)格 功能或用途等來分類 1 1 1 按規(guī)格 所搬運的工件重量 分類 1 微型的 搬運重量在 1kg 以下 2 小型的 搬運重量在 10kg 以下 3 中型的 搬運重量在 50kg 以下 4 大型的 搬運重量在 500kg 以下 目前大多數(shù)工業(yè)機械手能搬運的重量為 1 30kg 最小的為 0 5kg 最 大的已達 800kg 1 1 2 按功能分類 1 簡易型工業(yè)機械手 有固定程序和可變程序兩種 固定程序有 凸輪轉(zhuǎn)鼓或擋塊轉(zhuǎn)鼓控制 可變程序用插銷板或轉(zhuǎn)鼓控制來給定程序 近 年來 普遍采用可編程序控制器 PC 組成控制系統(tǒng) 這種機械手多為氣動或液動 結(jié)構(gòu)簡單 價格便宜 改變程序較容易 只適用于程序較簡單的點位控制 但作為一般單服務的搬運作業(yè)已足夠 所以 目前這種工業(yè)機械手數(shù)量最多 2 記憶再現(xiàn)型工業(yè)機械手 這種工業(yè)機械手有人工通過示教裝置 領動一遍 有記憶元件 如磁盤 磁帶或存儲器 把程序記錄下來 以后 機械手就自動按記憶的程序重復進行循環(huán)動作 這是采用較多的一種 多為電液伺服驅(qū)動 與前者相比較 有較多的 自由度 能進行程序較復雜的作業(yè) 通用性較強 3 計算機數(shù)字控制的工業(yè)機械手 可通過更換穿孔帶或其它記憶 介質(zhì)來改變工業(yè)機械手的動作程序 還可以進行多機控制 DNC 計算 機可以是可編程序控制器或微型計算機 4 智能工業(yè)機械手 有計算機通過各種傳感元件等進行控制 具 有視覺 熱覺 觸覺 行走機構(gòu)等 1 1 3 按用途分類 1 專用機械手 附屬于主機的 具有固定的程序而無獨立的控制系 統(tǒng)的機械裝置 這種機械手工作對象不變 動作固定 結(jié)構(gòu)簡單 實用可 靠 適用于成批 大量生產(chǎn)的生產(chǎn)自動線或?qū)C作為自動上 下料用 2 通用機械手 具有獨立控制系統(tǒng) 程序可變 動作靈活多樣的機 械手 通用機械手的工作范圍大 定位精度高 通用性強 使用于工件經(jīng) 常變換的中 小批量自動化生產(chǎn) 1 2 工業(yè)機械手的組成 工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)所組成的 各部分關 系如圖 1 1 所示 機械手的組成示意圖如圖 1 2 所示 控 制 系 統(tǒng) 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 執(zhí) 行 機 構(gòu)位 置 檢 測 裝 置 工 件 圖 1 1 工業(yè)機械手組成框圖 圖 1 2 工業(yè)機械手組成示意圖 1 手指 2 手部 3 手腕回轉(zhuǎn)液壓缸 4 導向桿 5 手臂伸縮液壓缸 6 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸 7 手臂升降液壓缸 8 液壓系統(tǒng)控制閥 9 液壓泵電動機 10 液壓泵 11 油箱 1 2 1 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)由抓取部分 手部 腕部 臂部和行走機構(gòu)等運動部件組 成 1 手部 詳見第三章 即直接與工件接觸的部分 一般是回轉(zhuǎn)型 或平移型 多為回轉(zhuǎn)型 因其結(jié)構(gòu)簡單 手爪多為兩指 也有多指 根 據(jù)需要分為外抓式或內(nèi)抓式兩種 也可用負壓或真空式的空氣吸盤 它主 要用于吸取冷的 光滑表面的零件或薄板零件 和電磁吸盤 傳力機構(gòu)型式較多 常用的有 滑槽杠桿式 連桿杠桿式 斜楔杠桿 式 齒輪杠桿式 絲杠螺母式 彈簧式和重力式 2 腕部 詳見第四章 是連接手部和手臂的部件 并可用來調(diào)整 被抓物體的方位 即姿態(tài) 3 臂部 手臂是支撐被抓物體 手部 腕部的重要部件 手臂的 作用是帶動手指去抓取物體 并按預定要求將其搬運到給定的位置 手臂有三個自由度 可采用直角坐標系 前后 上下 左右都是直線 圓柱坐標系 前后 上下直線往復運動和左右旋轉(zhuǎn) 球坐標系 前后 伸縮 上下擺動和左右旋轉(zhuǎn) 和多關節(jié) 手臂能任意伸縮 四種方式 直角坐標占空間大 工作范圍小 慣性小 所以一般不多用 只有在 自由度數(shù)較少時用之 圓柱坐標占空間較小 工作范圍較大 但慣性也大 且不能抓取底面 物體 球坐標式和多關節(jié)式占用空間小 工作范圍較大 慣性小 所需動力 小 能抓取底面物體 多關節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑 但多關節(jié)式結(jié)構(gòu) 較復雜 所以也不多用 目前常用的是球坐標式和圓柱坐標式的工業(yè)機械手 4 行走機構(gòu) 有的工業(yè)機械手帶有行走機構(gòu) 1 2 2 驅(qū)動機構(gòu) 有氣動 液動 電動和機械式四種形式 氣動式速度快 結(jié)構(gòu)簡單 成本低 采用點位控制或機械擋塊定位控制時 有較高的重復定位精度 但臂力一般在 300N 以下 液動式的臂力可達 1000N 以上 且可用電液伺 服機構(gòu) 可實現(xiàn)連續(xù)控制 使工業(yè)機械手的用途和通用性更廣 定位精度 一般在 1mm 范圍內(nèi) 目前常用的是氣動和液動驅(qū)動方式 電動式用于小 型 機械式只用于動作簡單的場合 1 2 3 控制系統(tǒng) 有點動控制和連續(xù)控制兩種方式 大多數(shù)用插銷板進行點位程序控制 也有采用可編程序控制器控制 微型計算機控制 采用凸輪 磁盤磁帶 穿孔卡等記錄程序 主要控制的是坐標位置 并注意其加速度特性 1 2 4 基體 機身 基體是整個機械手的基礎 1 3 工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的作用 機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應用極為廣泛 可以歸納為以下一些方面 1 3 1 建造旋轉(zhuǎn)體零件 軸類 盤類 環(huán)類 自動線 一般都采用機械手在機床之間傳送工件 國內(nèi)已建成的這類自動線很 多 如沈陽水泵廠的深井泵軸承體加工自動線 環(huán)類 大連電機廠的 4 號和 5 號電動機軸加工自動線 軸類 上海拖拉機齒輪廠的齒柸加工自 動線 盤類 等 加工箱體類零件的組合機床自動線 一般采用隨行夾具傳送工件 也 有采用機械手的 如上海動力機廠的氣缸蓋加工自動線轉(zhuǎn)位機械手 1 3 2 在實現(xiàn)單機自動化方面 1 各類半自動車床 有自動夾緊 進刀 切削 退刀和松開的功 能 但仍需人工上下料 裝上機械手 可實現(xiàn)全自動生產(chǎn) 一人看管多臺 機床 目前 機械手在這方面應用最多 如上海柴油機廠的曲拐自動車床 和座圈自動車床機械手 大連第二機床廠的自動循環(huán)液壓仿形車床機械手 沈陽第三機床廠的 Y38 滾齒機械手 青海第二機床廠的滾齒花鍵機床機械 手等 由于這方面使用已有成熟的經(jīng)驗 國內(nèi)一些機床廠已在這類機床產(chǎn) 品出廠時就附上機械手 或為用戶自行安裝機械手提供條件 2 注塑機有加料 合模 成型 分模等自動工作循環(huán) 裝上機械 手自動裝卸工件 可實現(xiàn)全自動生產(chǎn) 3 沖床有自動上下料沖壓循環(huán) 裝上機械手上下料 可實現(xiàn)沖壓 生產(chǎn)自動化 目前機械手在沖床上應用有兩個方面 一是 160t 以上的沖床 用機械手的較多 如沈陽低壓開關廠 200t 沖床磁力起動器殼體下料機械手 和天津拖拉機廠 400t 沖床的下料機械手等 一是用于多工位沖床 用作沖 壓件工位間步進 如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機械手 生產(chǎn) 線中有兩臺多工位沖床 和天津二輕局技術研究所制作的 12t 和 40t 多工 位沖床機械手等 1 3 3 鑄 鍛 焊 熱處理等加工方面 在模鍛方面 國內(nèi)大批量生產(chǎn)的 3t 5t 10t 模鍛錘 其所配的轉(zhuǎn)底爐 用兩只機械手成一定夾角布置在爐前 實現(xiàn)進出料自動化 上海柴油機廠 北京內(nèi)燃機廠 洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經(jīng)驗 總的來說 工業(yè)機械手滿足了社會生產(chǎn)的需要 其特點是 1 對環(huán)境的適應性強 能代替人從事危險 有害的操作 在長時 間工作對人體有害的場所 機械手不受影響 只要跟據(jù)工作環(huán)境進行合理 設計 選擇適當?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu) 機械手就可以在異常的高溫或低溫 異常 壓力和有害氣體 粉塵 放射線作用下 以及沖壓 滅火等危險環(huán)境中勝 任工作 為了謀求操作安全和徹底防止公害 在工傷事故多的工種 如沖壓 壓鑄 熱處理 鋼造 噴漆以及有強烈紫外線照射的電弧焊接等作業(yè)中 推廣工業(yè)機械手或機器人 2 由于機械手的動作準確 因為可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量 同 時又可以避免人為的操作錯誤 3 機械手能持久 耐勞 可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來 并能擴大和延伸人得功能 人在連續(xù)工作幾小時后 總會感到疲勞或厭倦 而機械手只要注意維護 檢修 即能勝任長時間的單調(diào)重復勞動 4 機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性 靈活性好 能較好的 適應產(chǎn)品品種的不斷變化 以滿足柔性生產(chǎn)的需要 這是因為機械手動作 程序和運動位置 或軌跡 能夠十分靈活快速地予以改變 而其眾多的自 由度 又提供了迅速改變作業(yè)內(nèi)容的可能 在中 小批量的自動化生產(chǎn)中 最能發(fā)揮其作用 5 采用機械手能明顯地提高勞動生產(chǎn)率和降低成本 1 4 工業(yè)機械手設計的目的 工業(yè)機械手設計是機械制造 機械設計和機械電子工程 機電一體化 等專業(yè)的一個重要的教學環(huán)節(jié) 是學完技術基礎課程及有關專業(yè)課以后的 一次專業(yè)課程的綜合設計 通過設計提高學生的機構(gòu)分析與綜合的能力 機械結(jié)構(gòu)設計的能力 機電一體化系統(tǒng)設計能力 掌握實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動 化的設計方法 通過這一教學環(huán)節(jié)要求可以達到 1 通過設計 把有關課程 機構(gòu)分析與綜合 機械原理 機械設 計 液壓與氣動技術 自動控制理論 測試技術 數(shù)控技術 微型計算機 原理及應用 自動機械設計等 中所獲得的理論知識在實際中綜合地加以 應用 使這些知識得到鞏固和發(fā)展 并使理論知識和生產(chǎn)密切的結(jié)合起來 因此 工業(yè)機械手設計是有關專業(yè)基礎課和專業(yè)課以后的綜合性的專業(yè)課 程設計 2 工業(yè)機械手設計是機械設計及制造專業(yè)和機械電子工程專業(yè)的 學生一次比較完整的機電一體化整機設計 通過設計 培養(yǎng)學生獨立的機 械整機設計的能力 樹立正確的設計思想 掌握機電一體化機械產(chǎn)品的基 本方法和步驟 為自動機械設計打下良好基礎 3 通過設計 使學生能熟練地應用有關資料 計算圖表 手冊 圖冊和規(guī)范 熟練有關國家標準和部頒標準 已完成一個工程技術人員在 機械整機設計方面必須具備的基本技術訓練 4 由于整個機械手設計工作量大為了是學生在幾個周之內(nèi)得到一 個完整的訓練 因此此次設計我們小組四個人分工協(xié)作一個完整的工業(yè)機 械設計 這樣既能培養(yǎng)學生獨立工作與分工協(xié)作完成大型設計的能力 又 解決了工作量大 時間短的矛盾 1 5 工業(yè)機械手設計的內(nèi)容 要求本設計能較鮮明地體現(xiàn)機電一體化的設計構(gòu)思 所謂機電一體化 技術 是機械工程技術吸收微電子技術 信息處理技術 傳感技術等而形 成的一種新的綜合集成技術 盡管機電一體化的產(chǎn)品名目較多 并由于它 們的功能不同而有不同的形成和復雜程度 但做功的機械本體部分 包括 動力裝置 和微電子控制部分 包括信息處理 是其最基本的 必不可少 的要素 我們選擇工業(yè)機械手作為畢業(yè)設計題目 無論從內(nèi)容的深度 份 量以及覆蓋各科知識面的程度來衡量都是適當?shù)?此設計要就我們組各成員完成以下工作 1 擬定整體設計方案 特別是傳感 控制方式與機械本體的有機 結(jié)合的設計方案 2 根據(jù)給定的自由度和技術參數(shù)選擇合適的手部 腕部 臂身和 機身的結(jié)構(gòu) 3 各部分的設計計算 4 工業(yè)機械手工作裝配圖的設計與繪制 5 液壓系統(tǒng)圖的設計與繪制 6 機械手的運動分析 8 編寫設計計算說明書 9 就本次設計參加答辯 1 6 工業(yè)機械手的技術發(fā)展方向 現(xiàn)在工業(yè)機械手的應用簡況 在現(xiàn)在工業(yè)中 生產(chǎn)過程的機械化 自 動化已成為突出的主題 化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程已基本得到解決 但在機 械工業(yè)中 加工 裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的 因此 裝卸 搬運等工序機械 化的迫切性 工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的 有資料統(tǒng)計 美國偏重于毛坯的生產(chǎn) 日本偏重于機械加工 隨著機 械手技術的發(fā)展 應用的對象還有所改變 機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力 改善 熱 累等勞動條件 國內(nèi)機械手工業(yè) 鐵路工業(yè)中首先在單機 專機上采用機械手上下料 減輕工人的勞動強度 國外鐵路工業(yè)中應用機械手以加工鐵路車軸 輪等大 中批零件 并 和機床組合成一個綜合的數(shù)控系統(tǒng) 采用機械手進行裝配更是現(xiàn)在研究的重點 國外已研究采用攝像機和 力傳感裝置和微型計算機連在一起 能確定零件的方位達到鑲裝的目的 國內(nèi)外實際上使用的定位控制的機械手 沒有 視覺 和 觸覺 反 饋 目前 世界各國正積極研制帶有 視覺 和 觸覺 的工業(yè)機械手 使它能對所抓取的工件進行分辨 選取所需要的工件 并正確地夾持工件 進而精確地在機器中定位 定向 為使機械手有 眼睛 去處理方位變化的工件和法 分辨形狀不同的 零件 它有視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息 通過計算機進行圖 形分辨 判別是否是所要抓取的工作 為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物體滑落下來 一般采 用兩種方法 一是檢測把握物體手臂的變形 以決定適當?shù)奈樟?另一種 是直接檢測指部與物體的滑動位移 來修正握力 因此 這種機械手就具有以下幾個方面的性能 1 能準確地抓住方位變化的物體 2 能判斷對象的重量 3 能自動避開障礙物 4 抓空或抓力不足時能檢測出來 這種具有感知能力并能對感知的信息作出反應的工業(yè)機械手稱為智能 機械手 它是具有發(fā)展前途的 現(xiàn)在 工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單的操作方面節(jié)省人力 其 效用是代替人從事繁重的工作和危險地工作 在惡劣的環(huán)境下尤其明顯 至于在汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè)部門 機械手的應用情況決 不能說是很好的 雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題很尖銳 但采用機械 手只限于一小部分工序 其原因之一是 工業(yè)機械手的性能還不能滿足這 些部門的要求 適于機械手工作的范圍很狹小 另外經(jīng)濟性問題當然也很 重要 采用機械手來節(jié)約人力從經(jīng)濟上看不一定總是合算的 然而 利用 機械手或類似機械設備節(jié)省人力和實現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求 今后還會持續(xù) 增長 只要技術方面和價格方面存在的問題獲得解決 機械手的應用必將 會飛躍發(fā)展 2 機械手總體設計方案 2 1 原始數(shù)據(jù) 主要參數(shù) 1 抓重 200N 2 自由度 4 個 3 標形式 球坐標 4 手指夾持范圍 棒料 直徑 40 60mm 長度 450 1200mm 5 定位方式 電位器設定 點位控制 6 驅(qū)動方式 液壓 中 低壓系統(tǒng) 7 定位精度 3mm 8 控制方式 可編程控制 9 手臂運動參數(shù) 運動名稱 符號 形成范圍 速度 回轉(zhuǎn) 0 120 小于 90 s 俯仰 0 45 小于 90 s 伸縮 X 350 小于 250mm s 10 手腕參數(shù) 運動名稱 符號 形成范圍 速度 回轉(zhuǎn) 0 180 小于 90 s 11 放松時的兩爪的最大距離為 80 90mm 1s 抓緊 夾緊速度 20mm s 2 2 工作要求 機械手的工作流程 機械手的原位 伸縮臂前伸 夾持器夾緊 機械手臂向左回轉(zhuǎn) 90 機械手手腕逆時針回轉(zhuǎn) 90 機械手臂向下俯仰 30 機械手松開工件 機械手臂向上俯仰 30 機械手手腕順時針回轉(zhuǎn) 90 機械手臂向右回轉(zhuǎn) 90 伸縮臂后縮 機械手復位 依次循環(huán) 其機械手球坐標型運動簡圖如下圖所示 圖 2 1 球坐標式 手臂運動 俯仰 或大臂上下擺動 2 3 系統(tǒng)組成 本次設計工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構(gòu) 驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的 其 中機體有本體部分組成 傳送機構(gòu)主要有伸縮臂及抓緊機構(gòu)組成 動力源 由液壓驅(qū)動和機械驅(qū)動兩種形式構(gòu)成控制裝置主要由自動控制和手動控制 兩部分組成 2 4 總體技術方案 畢業(yè)設計的目的就是要把我們所學的比較分散的知識綜合起來 并進 行靈活運用 現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是機電一體化 因此 我們的畢業(yè)設計是要 我們將 機 電 液 三者合并起來 2 4 1 動作分析 工業(yè)機械手的機械機構(gòu)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 2 4 2 手部 手部 包括杠桿手指 單向作用式握緊油缸等 其工件原理 物體進 入手指之后 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 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 2 4 3 腰轉(zhuǎn)部分主要由轉(zhuǎn)盤和回轉(zhuǎn)油缸組成 當壓力油進入回轉(zhuǎn)油缸時 回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)銷回轉(zhuǎn) 通過活塞桿的伸 縮帶動轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動 從而實現(xiàn)機械手的左右轉(zhuǎn)動 3 機械手的手部設計計算 3 1 手部結(jié)構(gòu)設計 手部 亦稱抓取機構(gòu) 是用來直接握持工件的部件 由于被握持工件 的形狀 尺寸大小 重量 材料性能 表面狀況等的不同 所以工業(yè)機械 手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的 大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)持定的工件要求而 設計的 歸結(jié)起來 常用的手部 按其握持工件的原理 大致可分為夾持 和吸附兩大類 夾持類常見的主要有夾鉗式 此外還有鉤托式和彈簧式 夾持類手部 按其手指夾持工件時的運動方式 可分為手指回轉(zhuǎn)型和手指平移型兩種 吸附類中 有氣吸式和磁吸式 夾鉗式手部是有手指 傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成的 它對抓取 各種形狀的工件具有較大的適應性 可以抓取軸 盤 套類零件 一般情 況下 多采用兩個手指 少數(shù)采用三指或多指 驅(qū)動裝置為傳動機構(gòu)提供 動力 驅(qū)動源有液壓的 氣動的和電動的等幾種形式 常見的傳動機構(gòu)往 往通過滑槽 斜楔 齒輪齒條 連桿機構(gòu)實現(xiàn)加緊或松開 平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動 適于夾持平板 方料 在 夾持直徑不同的圓棒時 不會引起中心位移的偏移 但這種手指結(jié)構(gòu)比較 復雜 體積大 要求加工精度高 回轉(zhuǎn)型手指的張開閉合靠手指根部 以樞軸支點為中心 的回轉(zhuǎn)運動 來完成 樞軸支點為一個的 稱單支點回轉(zhuǎn)型 為兩個的 稱為雙支點回 轉(zhuǎn)型 這種手指結(jié)構(gòu)簡單 形狀小巧 但夾持不同工件會產(chǎn)生夾持定位誤 差 綜合考慮以上各種手部結(jié)構(gòu)和本次設計所需的工作要求 最后確定手 部的基本結(jié)構(gòu)為夾鉗式雙支點回轉(zhuǎn)型手部結(jié)構(gòu) 圖 3 1 回轉(zhuǎn)型和平移型手指 a 單支點回轉(zhuǎn)型 b 雙支點回轉(zhuǎn)型 c 平移型 平直指 3 2 夾鉗式手部設計的基本要求 1 應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力 手指握力 夾緊力 大小適宜 力量過大則動力消耗多 結(jié)構(gòu)龐大 不經(jīng)濟 甚至會損壞工件 力量過小 則夾持不住或產(chǎn)生松動 脫落 在確定握力時 除考慮工件重量外 還應 考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動 以保證工件夾持安全可靠 而對手部的驅(qū)動裝置來說 應有足夠的驅(qū)動力 應指出 由于機構(gòu)傳 力比不同 在一定的夾持力條件下 不同的傳動機構(gòu)所需驅(qū)動力的大小是 不同的 2 手指應具有一定的開閉范圍 手指應具有足夠的開閉角度 手指 從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度 或開閉距離 對平移型手指從張開 到合閉的直線移動距離 S 以便于抓取和退出工件 3 應保證工件在手指內(nèi)的夾持精度 應保證每個被夾持的工件 在 手指內(nèi)部都有準確的相對位置 這對一些有方位要求的場合更為重要 如 曲拐 凸輪軸一類復雜的工件 在機床上安裝的位置要求嚴格 因此機械 手的手部在夾持工件后應保持相對的位置精度 4 要求結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕 效率高 在保證本身剛度 強度的前提 下 盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕 以利于減輕手臂的負載 5 應考慮通用性和特殊要求 一般情況下 手部多是專用的 為了 擴大它的使用范圍 提高它的通用化程度 以適應夾持不同尺寸和形狀的 工件要求 通常采取手指可調(diào)整的辦法 如更換手指甚至更換整個手部 此外 還要考慮能適應工件環(huán)境提出的特殊要求 如耐高溫 耐腐蝕 乃 承受鍛錘沖擊力等 3 3 夾鉗式手部的計算與分析 3 3 1 夾緊力的計算 手指加在工件上的夾緊力是設計手部的主要依據(jù) 必須對其大小 方 向 作用點進行分析 計算 一般來說 夾緊力必須克服工件的重力所產(chǎn) 生的靜載荷 慣性力或慣性力矩 以使工件保持可靠的加緊狀態(tài) 手指對工件的夾緊力可按下列公式計算 F K K K G 式 3 1 N123 式中 K 安全系數(shù) 由機械手的工藝及設計要求確定 通常取 1 2 1 2 0 取 1 5 K 工件情況系數(shù) 主要考慮慣性力的影響 計算最大加速度 2 得出工作情況系數(shù) K2 K 2 1 1 1 002 a 為機器人ga8 91 02 搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值 m s K 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3 行選定 手指與工件位置 手指水平放置 工件水平放置 表 3 1 夾緊力的方位系數(shù) 手指 與工 件位 置 手指水平放置夾水平放 置工件 手指水平放置夾水平懸臂 放置工件 手指水平放置夾垂直放 置工件 V 型 指 夾 圓 棒 K 0 53 K 213 HL 粗略計算 K 3 K 3fsin5 0 V 型手指半角 粗略計算 K 43 手指 與工 件位 置 手指水平放置夾水平放 置工件 手指水平放置夾水平懸臂 放置工件 手指水平放置夾垂直放 置工件 V 型 指 夾 圓 棒 K 3 ftan15 0 粗略計算 K 0 9 1 1 3 K 3fsin5 0 粗略計算 K 43 手指與工件形狀 V 型指端夾持圓柱型工件 即根據(jù)手指與工件的位置要求查表 3 1 得 K 0 5 3 G 被抓工件重量 因此 求得夾緊力 F FN K1K2K3G 1 5 1 002 0 5 200 150 3N 取整的 151N 3 3 2 驅(qū)動力的計算 根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關系式 F 式 3 2 N bsin2c 式中 c 滾子至銷軸之間的距離 b 抓至銷軸之間的距離 楔塊的傾斜角 可得 F 146 89N 得出 F 為理論計csin2 N3416sin0215 算值 實際采取的液壓缸驅(qū)動力 F 要大于理論計算值 考慮手爪的機械效 率 一般取 0 8 0 9 此處取 0 88 則 F 166 93N 取 F 500N 8 09146 3 3 3 液壓缸驅(qū)動力計算 設計方案中壓縮彈簧使爪牙張開 故為常開式夾緊裝置 液壓缸為單 作用缸 提供推力 F 式 3 3 推 PD24 式中 D 活塞直徑 d 活塞桿直徑 p 驅(qū)動壓力 F 推 F 已知液壓缸驅(qū)動力 F 且 F 500N 10KN 由表 3 2 于 F 10KN 故選工作壓力 P 1MP 3 3 4 液壓缸內(nèi)經(jīng)計算 據(jù)公式計算可得液壓缸內(nèi)徑 D mm 25 231mm14 350 PF 表 3 2 液壓缸工作壓力 作用在活塞上的外力 F N 液壓缸工作壓力 MP 5000 0 8 1 0 5000 10000 1 5 2 0 10000 20000 2 5 3 0 20000 30000 3 0 4 0 30000 50000 4 0 5 0 50000 5 0 7 0 根據(jù)液壓設計手冊 見表 3 2 圓整后再結(jié)合液壓缸標準取 D 40mm 表 3 3 液壓缸的內(nèi)徑系列 JB826 66 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 注 1 括號內(nèi)尺寸盡可能不用 2 號者為 JB1086 67 標準系列 3 3 5 活塞桿的計算 活塞桿的尺寸要滿足活塞 或液壓缸 運動的要求和強度的要求 按強度條件校驗活塞桿直徑 d 按拉 壓強度計算 式 3 424F 或 d 式 3 5 F 式 3 6n 碳鋼取 100 120MP n 一般不小于 1 4 計算出的直徑 d 再按表 3 3 標準值取整 活塞行程 當抓取 60mm 工件時 即手爪從張開 90mm 減小到 60mm 楔塊向前移動大約 40mm 取液壓缸行程 S 40mm 表 3 4 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑 液壓缸工作壓力 p MPa 5 5 7 7 推薦活塞桿直徑 0 5 0 55 D 0 6 0 7 D 0 7D 即可得 活塞桿直徑 d 0 5D 0 5 40 20mm 按強度條件校驗活塞桿直徑 d 可得 d 2 52mm 查表 3 5 取標準直徑值為 20mm F4610 35 活塞厚 B 0 6 1 0 D 取 B 0 8d 0 8 40 32mm 缸筒長度 L 20 30 D 取 L 123mm 活塞行程 當抓取 60mm 工件時 即手爪從張開 90mm 減小到 60mm 楔塊向前移動大約 30mm 去液壓缸行程 S 30mm 液壓缸流量計算 Q 式 3 7 SdD 24 放松時流量 qV 1 1304L min12VA6210 0 夾緊時流量 qV 1 5072 L min1 SD24624 表 3 5 活塞桿的直徑系列 JB826 66 10 12 14 16 18 20 22 25 28 30 32 35 40 45 50 55 60 63 65 70 75 80 85 90 95 注 括號內(nèi)的尺寸盡可能不用 3 3 6 液壓缸壁厚計算 液壓缸壁厚計算 在實際使用中有下列三種公式 1 中等壁厚 即 16 3 2 時 D C 式 3 8 1p3 2 式中 p1 液壓缸內(nèi)工作壓力 Pa 強度系數(shù) 當無縫鋼管時 1 C 計入管壁公差及侵蝕的附加厚度 一般圓整到標準厚度值 D 液壓缸內(nèi)徑 m 2 薄壁 即 16 時 D 式 3 9 2p1 3 厚壁 即當 3 2 時 式 3 10 2D 1 3 40P 式中 n 材料抗拉強度 Pa n 安全系數(shù) n 3 5 5 一般常用缸體材料的許用應力 鍛鋼 110 120MPa 鑄鐵 60MPa 無縫鋼管 100 110MPa 結(jié)合該液壓缸內(nèi)徑大小取中等壁厚即 C 1p3 2 DC 1 03 2 4 考慮工程機械標準液壓缸外徑和 C 值取壁厚 5mm 3 3 7 液壓缸外徑的選取 具體參照表 3 6 表 3 6 標準液壓缸外徑 JB1086 67 液壓 缸外 徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 20 鋼 16 0MP 50 60 76 95 108 121 153 168 146 180 194 219 30 鋼 20 0MP 50 60 76 95 108 121 153 168 146 180 194 219 由液壓缸內(nèi)經(jīng)和液壓缸壁厚尺寸可確定液壓缸外徑尺寸為 50mm 3 3 8 選用夾持器液壓缸 經(jīng)網(wǎng)絡查詢 溫州中冶液壓氣動有限公司所生產(chǎn)的輕型拉桿液壓缸 型號為 MOB B 40 FB 結(jié)構(gòu)簡圖 外形尺寸及技術參數(shù)如下 圖 3 2 結(jié)構(gòu)簡圖 圖 3 3 外形尺寸 表 3 7 夾持器液壓缸技術參數(shù) 受壓面積工作 壓力 使用 溫度 范圍 允許 最大 速度 效率 傳動 介質(zhì) 缸徑 無桿 腔 有桿 腔 速度 比 1MPa 10 80 300m s 90 常規(guī) 礦物 液壓 油 40mm 12 5 8 6 1 45 3 3 9 手爪的夾持誤差及分析 機械手能否準確夾持工件 把工件送到指定的位置 不僅取決于機 械手定位精度 右臂部和腕部等運動部件確定 而且也與手指的夾持誤 差大小有關 特別是在多品種的中 小批量生產(chǎn)中 為了適應工件尺寸在 一定范圍內(nèi)變化 避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差 必須注意選用合理的手 部結(jié)構(gòu)參數(shù) 見下圖 圖 3 4 夾持不同直徑工件時的夾持誤差 R 和 R 不同工件 C C 1212 從而使夾持誤差控制在較小范圍內(nèi) 在機械加工中 通常情況使手爪的夾 持誤差不超過 1mm 就可以了 這就可以在滿足定位精度的條件下 采用 簡單的回轉(zhuǎn)型手爪 而避免單純追求自動定心 而使設計出的結(jié)構(gòu)過分復 雜 本次設計為楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 選用兩支點回轉(zhuǎn)型手爪 如圖 所示 圖 3 5 兩支點回轉(zhuǎn)型手爪 其中 l 為手指長度 選取為 60mm AB 2 為 V 型槽的夾角 選取為 120 為偏轉(zhuǎn)角 2a 為兩回轉(zhuǎn)支點距離 選取為 50mm 若把工件軸心位置 C 到手爪兩支點連線的垂直距離 CD 以 X 表示 根 據(jù)幾何關系有 X 式 3 11 222 a cosinl sinl RABAB 為討論方便起見上式改寫為 X 式 3 12 222 sicosilsin1alRABAB 或 1 sinlsico ail 2222AB ABRX 該方程同樣為雙曲線方程 如圖 3 6 所示 1023456789098RXminminax AB o 圖 3 6 工件半徑與夾持誤差 關系曲線 由上圖 3 6 得 當工件半徑為 R 時 X 取最小值 X 又從上式可 min 以求出 通常取 2 120 cosinl0AB X l sin mi 若工件的半徑 R 變化到 R 時 X 值的最大變化量 即為夾持誤axin 差 用 表示 在設計中 希望按給定的 R 和 R 來確定手爪各部分尺寸 為減少夾min 持誤差 一方面可加長手指長度 但手指過長 使其結(jié)構(gòu)增大 另一方面 可選取合適的偏轉(zhuǎn)角 是夾持誤差最小 這時的偏轉(zhuǎn)角稱為最佳偏轉(zhuǎn)角 只有當工件的平均半徑 R 取為 R 時 夾持誤差最小 此時必須說明 ep 對于雙支點回轉(zhuǎn)型手爪 尤其當 a 值較大時 偏轉(zhuǎn)角 的大小不易按夾 持誤差最小的條件確定 主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時 兩手 爪的 BE 和 B E 邊平行 抓不著工件 為避免上述情況 通常按手爪抓取 工件的平均半徑 R 以 BCD 90 為條件確定兩支點回轉(zhuǎn)型手爪的偏ep 轉(zhuǎn)角 即 為 式 3 13 ABRl1a sincoep1 表 3 8 最佳偏轉(zhuǎn)角 2 120 m eplRAB1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5 最佳偏轉(zhuǎn)角 39 40 54 44 62 29 67 23 70 44 73 13 74 02 76 39 其中 2a 50mm l 60mm V 型鉗的夾角 2 120 即AB 56 932 6015sinco1 由 R l sin cos 60 sin60 cos56 932 28 35mm AB 如下表 3 9 則 R R R 此時定位誤差為 和 中的最大值 min max 12 1 22ax2 sincosisi alll ABABAB 22222 593 6si0593 6cs0in60sin36 43 667 43 626mm 0 041mm 2 22min2min sincoss alaRll ABABAB 22222 593 6si70593 6cs0in60sin6 43 679 43 625mm 0 054mm 所以 由 0 054mm 1mm 即手指夾持誤差滿足設計要求 12 由以上各值可得 X 56 63mm 222 sincosinl sinalRABAB 取值為 X 57mm 3 4 楔塊等尺寸的確定 楔塊進入杠桿手指時的力分析如下 圖 3 7 上圖 3 7 中 斜楔角 30 時有增力作用 滾子與斜楔面間當量摩擦角 tan d D tan 2 22 為滾子與轉(zhuǎn)軸間的摩擦角 d 為轉(zhuǎn)軸直徑 D 為滾子外徑 tan f f 為滾子與轉(zhuǎn)軸間摩擦系數(shù) 22 支點 O 至斜面垂線與杠桿的夾角 表 3 9 回轉(zhuǎn)型手爪的定位誤差計算 二支點回轉(zhuǎn)型手抓 手爪 形式 手爪參數(shù) 與定位誤差 2 通?？扇?2 120 手指長 lAB 不要太大 a 不要太大 參 數(shù) 的 選 擇 偏轉(zhuǎn)角 通常取 cos ABRl1a sin2miax1 定位誤差的計算 當 R R R 或 R R R0minaxminax0 222 cosil sil ABAB 2min2min2 asll 當 R R R 定位誤差為 和 中最大者in0ax12 1 2max2m2 cosinl sinl RABAB 2a sinl AB 2 2i2isll 2il 其中 R l sin cos AB 對于只抓取 R 和 R1 兩種尺寸時 偏2 cos sinl21 轉(zhuǎn)角 按表右選取 定為誤差為零 注意 此時 a 值盡量要取小些 l 杠桿驅(qū)動端桿長 l 杠桿夾緊端桿長 杠桿傳動機械效率 3 4 1 斜塊的傳動效率 斜塊的傳動效率 可由下式表示 式 3 14 2sin 22tandt D 杠桿傳動機械效率 取 0 834 tan 取 0 1 d D 取 0 5 則可得 26 036 90 取整得 26 2 3 4 2 動作范圍分析 陰影部分杠桿手指的動作范圍 即 90 見下圖2 圖 3 8 如果 則楔面對杠桿作用力沿桿身方向 夾緊力為零 且為不2 穩(wěn)定狀態(tài) 所以 必須大于 此外 當 90 時杠桿與斜面平行 呈2 直線接觸 且與回轉(zhuǎn)支點在結(jié)構(gòu)上干涉 即為手指動作的理論極限位置 3 4 3 斜楔驅(qū)動行程與手指開閉范圍 當斜楔從松開位置向下移動至夾緊位置時 沿兩斜面對稱中心線方向 的驅(qū)動行程為 L 此時對應的杠桿手指由 位置轉(zhuǎn)到 位置 其驅(qū)動行程1 2 可用下式表示 式 3 15 2121 cos sinlsilco l 杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為 式 3 16 21c col 通常狀態(tài)下 在 90 左右范圍內(nèi) 則由手指需要的開閉范圍2 1 來確定 由給定條件可知最大 s 為 15 25mm 最小設定為 15mm 即 15 15 25 已知 26 可得 90 64 2 3 4 4 l 與 l 的確定 斜楔傳動比 i 可由下式表示 式 3 17 lsinLi 可知 一定時 l 愈大 i 愈大 且杠桿手指的轉(zhuǎn)角 在l 90 范圍內(nèi)增大時 傳動比減小 即斜楔等速前進 杠桿手指轉(zhuǎn)速逐 漸減小 則由 l 120 分配距離為 l 31mm 17mm l l 3 4 5 確定1 由前式得 s 25 15 10 s 10 60 cos 26 cos 76 26 50 623 取1 1 50 1 3 4 6 L 的確定 L 為沿斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程 由下圖中關系 圖 3 9 L 30 56mm 取 L 31mm 則楔塊上邊長為 76cos 5014sin2 8mm 3 5 材料及連接件選擇 V 型指與夾持器連接選用圓柱銷 GB T119 1 d 6mm 需使用 2 個 杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷 GB T119 1 d 8mm 需使用 2 個 滾子與手指連接選用圓柱銷 GB T119 1 d 4mm 需使用 2 個 以上材料均為鋼 無淬火和表面處理 楔塊與活塞桿采用螺紋連接 基本尺寸為公稱直徑 8mm 螺距 p 1 旋合 長度為 10mm 4 機械手的腕部設計計算 4 1 腕部設計的基本要求 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)整手部在空間的方位 以擴大機械手的動作范圍 并使 機械手變的更靈巧 適應性更強 一般機械手手腕設有回轉(zhuǎn)運動或再增加 一個上下擺動即可滿足工作要求 一些動作較簡單的專用機械手 為簡化 結(jié)構(gòu) 可以不設置腕部搬運工件 此外 機械手腕部具有獨立的自由度 如下圖所示 手腕運動有 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 或俯仰 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 圖 4 1 腕部的自由度 1 臂部 2 腕部 3 手部 圖 4 2 運動簡圖符號 a 表示手指 b 表示垂直 升降 c 表示水平伸縮運動 d 表示回轉(zhuǎn)運動 e 表示俯仰運動 f 表示輪軌 行走機構(gòu) 此設計中要求有繞中軸的回轉(zhuǎn)運動 應滿足的基本要求有 1 力求結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕 腕部處于臂部的最前端 它連同手部的靜 動載荷均由臂部承受 顯 然 腕部的結(jié)構(gòu) 重量和動力載荷 直接影響著臂部結(jié)構(gòu) 重量和運作性 能 因此 在腕部設計時 必須力求結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕 2 綜合考慮 合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu) 又承擔連接和支承作用 除保證力和運 動的要求以及具有足夠的強度 剛度外 還應綜合考慮 合理布局 如應 解決好腕部與臂部和手部的連接 腕部各個自由度的位置檢測 管線布置 以及潤滑 維修 調(diào)整等問題 3 必須考慮工作條件 對于高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作的機械手 其腕部在設計時應充分 估計環(huán)境對腕部的不良影響 如熱膨脹 壓力油的粘度和燃點 有關材料 及電控元件的耐熱性等 對于本設計 機械手的工作條件是在工作場合 中搬運加工的棒料 因此不太受環(huán)境影響 沒有處在高溫和腐蝕性的工作 介質(zhì)中 所以對機械手的腕部沒有太多不利因素 4 2 腕部結(jié)構(gòu)的選取 典型的腕部結(jié)構(gòu)有以下幾種形式 1 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸的腕部結(jié)構(gòu) 2 用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu) 3 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu) 4 機 液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu) 綜合考慮此次設計的各參數(shù)情況和機械手工作的環(huán)境條件 本次設計 我選用第一種具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的典型腕部結(jié)構(gòu) 如下圖所示 采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸 實現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運動 從 A A 剖視圖上可以看到 回轉(zhuǎn)葉片 簡稱動片 用螺釘 銷釘和轉(zhuǎn)軸 10 連續(xù)在一起 定片 8 則和 缸體 9 連接 壓力油分別由油孔 5 7 進出油腔 實現(xiàn)手部 12 的旋轉(zhuǎn) 旋 轉(zhuǎn)角的極限值由動 靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定 一般小于 270 圖中缸可回轉(zhuǎn) 90 腕部旋轉(zhuǎn)位置控制問題 可采用機械擋塊定位 當 要求任意點定位時 可采用位置檢測元件對所需位置進行檢測并加以反饋 控制 圖 4 3 用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)腕部旋轉(zhuǎn)的機構(gòu) 1 手部驅(qū)動液壓缸 2 回轉(zhuǎn)液壓缸 3 通向手部的油管 4 腕架 5 左進油孔 6 通向擺動缸油管 7 右進油孔 8 固定葉片 9 缸體 10 回轉(zhuǎn)軸 11 回轉(zhuǎn)葉片 12 手部 圖 4 3 所示手部的開閉動作采用單作用液壓缸 只需一個油管 通向 手部驅(qū)動液壓缸的油管是從回轉(zhuǎn)中心通過 腕部回轉(zhuǎn)時 油路認可保證暢 通 這種布置可使油管既不外露 又不受扭轉(zhuǎn) 腕部用來和臂部連接 三 根油管 一根供手部油管 兩根供腕部回轉(zhuǎn)液壓缸 由手臂內(nèi)通過并經(jīng)腕 部架分別進入回轉(zhuǎn)液壓缸和手部驅(qū)動液壓缸 本設計要求手腕回轉(zhuǎn) 180 綜合以上的分析考慮到各種因素 腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回 轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu) 采用液壓驅(qū)動 參考上圖典型結(jié)構(gòu) 4 3 腕部結(jié)構(gòu)的計算 4 3 1 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 腕部回轉(zhuǎn)時 需要克服以下幾種阻力 腕部回轉(zhuǎn)時支承處的摩擦力 矩 M 磨 克服由于工件重心偏置所需的力矩 M 偏 克服啟動慣性所需的 力矩 M 慣 手腕回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動力矩相當于上述三項之和 即 M M 磨 M 偏 M 慣 式 4 1 總 1 腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 M 磨 的計算 如圖所示 圖 4 4 腕部支承反力計算 M 磨 式 4 2 2112DFfR 式中 F F 軸承處支反力 N 可由靜力平衡方程求得 1R1 D D 軸承直徑 m 2 f 軸承的摩擦系數(shù) 對于滾動軸承 f 0 01 0 02 對于滾 動軸承 f 0 1 為簡化計算 取 M 磨 0 1M 總驅(qū)動力 圖中所示 G 為工件重量 N G 為手部重量 N G 為手腕轉(zhuǎn)動件123 重量 N 2 克服由于工件重心偏置所需的力矩 M 偏 的計算 M 偏 G e 式 4 3 1 式中 e 工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離 m G e 的計算 理論上機械手加持棒料時 棒料的重心在其軸線1 上偏距為 0mm 考慮實際情況在此假設機械手夾持棒料中心的誤差不超過 5 即 e 5mm 則 M G e 200 0 005 1N m1偏 G e 的計算 G 為 G 為手部重量 N G 為手腕轉(zhuǎn)動件重量4423 N 的和 取 G 150N 取誤差不超過 5 即 e 5mm 則 M G e 150 0 005 0 75 N m2偏 4 M 偏 M M 1 0 75 1 75N m1偏 2偏 3 克服啟動慣性所需的力矩 M 慣 的計算 啟動過程近似等加速運動 根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度 及啟動所用時 間 t 啟 按下式計算 M 慣 J J 式 4 4 工 件 啟t 或者根據(jù)腕部角速度 及啟動過程轉(zhuǎn)過的角度 按下式計算啟 M 慣 J J 式 4 5 工 件 啟 2 式中 J 工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 N m s 工 件 2 J 手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 N m s 手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度 s t 啟動過程中所需時間 s 一般取 0 05 0 3s 此處取 0 1s啟 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度 rad 啟 表 4 1 均質(zhì)物體的轉(zhuǎn)動慣量 序號 零件 計算公式 備注 1 細長桿 J ml 122 m G g G 構(gòu)件重量 g 重力加速度 2 薄圓盤 J m R 4 2 J m R 2 R 2 3 圓柱體 J m R 2 2 J m l 3R 12 當 R l 8 可按細直桿 計算 當 l 2R 5 時 可按薄 圓盤計算 誤差不超過 5 4 圓形環(huán) J m R R 412 J m R R 2 5 圓形管 J m l 3 R 3 R 12212 J m R R 2 當 l 2R 5 時 可按圓 形環(huán)計算 誤差不超過 5 6 長方體 J m l a 12 2 J m a b 12 手爪 手爪驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體 高為 200mm 直徑 100mm 其重力估算為 G 為 150N 等效圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量 J 0 01913221MR2gG205 891 工件的轉(zhuǎn)動慣量 已知圓柱體工件 R 40 60mm l 450 1200mm J 2 454工 件 2l