....................................................................................
20
4.1
电
机
的
选
择 ..................................................... 20 4.2 螺柱的设计与校核 ............................................... 22 第五章 机械手的定位与平稳性................................................................................ 24 5.1 常用的定位方式 ................................................. 24 5.2 影响平稳性和定位精度的因素 ..................................... 24 5.3 机械手运动的缓冲装置 ........................................... 25 总 结............................................................................................................................ 27 参考资料...................................................................................................................... 28 致 谢............................................................................................................................ 29 成都电子机
械高等专科学校毕业设计论文 前言 工业机械手是工业生产的必然产物,它是一种模仿人体上肢的部分功能, 按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备,对实现工业生 产自动化,推动工业生产的进一步发展起着重要作用.因而具有强大的生命力 受到人们的广泛重视和欢迎.实践证明,工业机械手可以代替人手的繁重劳动, 显著减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高劳动生产率和自动化水平.工 业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁,单调的操作,采用机械手是 有效的. 机械手主要由手部和运动机构组成.手部是用来抓持工件的部件,根据被 抓持物件的形状,尺寸,重量,材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型, 托持型和吸附型等.运动机构,使手部完成各种转动,移动或复合运动来实现 规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势.我设计的是一种液压机械手.本 机构具有快速,高效等优点. 液压传动的基本原理是在密闭的容器内,利用有压力的油液作为工作介质来实 现能量转换和传递动力的.其中的液体称为工作介质,一般为矿物油,它的作 用和机械传动中的皮带,链条和齿轮等传动元件相类似. (1)体积小,重量轻,因此惯性力较小,当突然过载或停车时,不会发生大的 冲击; (2)能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度,并可实现无极调速; (3)换向容易,在不改变电机旋转方向的情况下,可以较方便地实现工作机构 旋转和直线往复运动的转换; (4)液压泵和液压马达之间用连接,在空间布置上彼此不受严格; (5)由于采用油液为工作介质,元件相对运动表面间能自行润滑,磨损小,使 用寿命长; 第 1 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 (6)操纵控制简便,自动化程度高; (7)容易实现过载保护. 第 2 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 第一章 机械手的组成与分类 1.1 机械手组成 在我国,工业机器人的应用虽然起步较晚,但发展很快.目前,国内机器 人已经从仿制引进阶段,逐渐过渡到自行设计和开发阶段了. 机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置.能模仿 人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取,搬运物件或操作工具的自动 操作装置.它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环 境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造,冶金,电子,轻工和原 子能等部门.近年来,随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用,机器人的 研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术,它更加促进了 机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合. 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线 上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有的控制装置.有 些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作 手也常称为机械手 工业机械手是工业生产的必然产物,它是一种模仿人体上肢的部分功能, 按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备,对实现工业生 产自动化,推动工业生产的进一步发展起着重要作用.因而具有强大的生命力 受到人们的广泛重视和欢迎.实践证明,工业机械手可以代替人手的繁重劳动, 显著减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高劳动生产率和自动化水平.工 业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁,单调的操作,采用机械手是 有效的.机械手主要由手部和运动机构组成.手部是用来抓持工件的部件,根 据被抓持物件的形状,尺寸,重量,材料和作业要求而有多种结构形式,如夹 持型,托持型和吸附型等.运动机构,使手部完成各种转动,移动或复合运动第 3 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势.我设计的是一种液压机械 手.本机构具有快速,高效等优点. 机械手主要由手部和运动机构组成.手部是用来抓持工件(或工具)的部 件,根据被抓持物件的形状,尺寸,重量,材料和作业要求而有多种结构形式, 如夹持型,托持型和吸附型等.运动机构,使手部完成各种转动(摆动) ,移动 或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势.运动机构的升 降,伸缩,旋转等运动方式,称为机械手的自由度 .为了抓取空间中任意 位置和方位的物体,需有 6 个自由度.自由度是机 械手设计的关 键参数.自 由 度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂.一般专用机 械手有 2～3 个自由度. 机械手主要由执行机构,驱动系统,控制系统组
成. 〖9〗 (1)执行机构:包括手部,手腕,手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构如 7.1 所示. 图 7.1 机构简图第 4 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 ① 手部:是机械手与工件接触的部件.由于与物体接触的形式不同,可分为夹 持式和吸附式手部.由于本课题的工件是圆柱状棒料,所以采用夹持式.由 手指和传力机构所构成, 手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完 成夹放工件的任务. ② 手腕:是联接手部和手臂的部件,起调整或改变工件方位的作用. ③ 手臂:支承手腕和手部的部件,用以改变工件的空间位置. ④ 立柱:是支承手臂的部件.手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联 系.机械手的立柱通常为固定不动的. ⑤ 机座:是机械手的基础部分.机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于 机座上,故起支承和联接的作用. (2)驱动系统:机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置.常用的有液压 传动,气压传动,电力传动和机械传动等四种形式. 1.2 机械手分类 (1)根据所承担的作业的特点,工业机械手可分为以下三类: ① 承担搬运工作的机械手:这种机械手在主要工艺设备运行时,用来完成 辅助作业,如装卸毛坯,工件和工夹具. ② 生产工业用机械手: 可用于完成工艺过程中的主要作业, 如装配, 焊接, 涂漆,弯曲,切断等. ③ 通用工业机械手:其用途广泛,可以完成各种工艺作业. (2)按功能分类 ① 专用机械手:它是附属于主机的具有固定程序而无控制系统的机 械装置.专用机械手具有动作少,工作对象单一,结构简单,实用可 靠和造价低等特点,适用于大批大量的自动化生产,如自动机床,自 动线的上,下料机械手和\"加工中心\"附属的自动换刀机械手. ② 通用机械手:又称工业机器人.它是一种具有控制系统的机械装 置.具有程序可变,工作范围大,定位精度高,通用性强的特点,适 第 5 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文用于不断变换品种的中小批量自动化的生产. ③ 示教再现机械手:采用示教法编程的通用机械手.所谓示教,即由人 通过手动控制, \"拎着\"机械手做一遍操作示范,完成全部动作后, 其储存装置即能记忆下来.机械手可按示范操作的程序行程进行重复 的再现工作. (3)按驱动方式分 ① 液压传动机械手 ② 气压传动机械手 ③ 机械传动机械手 (4)按控制方式分 ① 固定程序机械手:控制系统是一个固定程序的控制器.程序简单, 程序数少,而且是固定的,行程可调但不能任意点定位. ② 可编程序机械手:控制系统是一个可变程序控制器.其程序可按需 要编排,行程能很方便改变. 第 6 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 第二章 抓取机构设计 2.1 手部设计计算 一,对手部设计的要求 1,有适当的夹紧力 手部在工作时,应具有适当的夹紧力,以保证夹持稳定可靠,变形小,且 不损坏工件的已加工表面.对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调 节,对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置. 2,有足够的开闭范围 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置.工作时,一个手指开闭位置以最 大变化量称为开闭范围.对于回转型手部手指开闭范围,可用开闭角和手指夹 紧端长度表示.手指开闭范围的要求与许多因素有关,如工件的形状和尺寸, 手指的形状和尺寸,一般来说,如工作环境许可,开闭范围大一些较好,如图 2.1 所示. 第 7 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 图 2.1 机械手开闭示例简图 3,力求结构简单,重量轻,体积小 手部处于腕部的最前端,工作时运动状态多变,其结构,重量和体积直接 影响整个机械手的结构,抓重,定位精度,运动速度等性能.因此,在设计手 部时,必须力求结构简单,重量轻,体积小. 4,手指应有一定的强度和刚度 5,其它要求 因此送料,夹紧机械手,根据工件的形状,采用最常用的外卡式两指钳爪, 夹紧方式用常闭式弹簧夹紧,松开时,用单作用式液压缸.此种结构较为简单, 制造方便. 二,拉紧装置原理 如图 2.2 所示:油缸右腔停止进油时,弹簧力夹紧工件,油缸右腔进油第 8 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文松开工件. 图 2.2 油缸示意图 1,右腔推力为 FP=(π/4)DP =(π/4) × 0.5 × 25 × 10 =4908.7N 2,根据钳爪夹持的方位,查出当量夹紧力计算公式为: F1=(2b/a) × (cosα′)N′ 其中 N′=4 × 98N=392N,带入公式 2.2 得: F1=(2b/a) × (cosα′)N′ =(2 × 150/50) × (cos30) × 392 =17N 则实际加紧力为 F1 实际=PK1K2/η =17 × 1.5 × 1.1/0.85=3424N (2.3) (2.2) (2.1) 经圆整 F1=3500N 3,
计算手部活塞杆行程长 L,即 L=(D/2)tgψ =25×tg30 (2.4) 第 9 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 =23.1mm 经圆整取 L=25mm 4,确定\"V\"型钳爪的 L,β. 取 L/Rcp=3 式中: Rcp=P/4=200/4=50 (2.5) (2.6) 由公式(2.5) (2.6)得:L=3×Rcp=150 取\"V\"型钳口的夹角 2α=120,则偏转角β按最佳偏转角来确定, 查表得: β=2239′ 5,机械运动范围(速度) (1)伸缩运动 Vmax=500mm/s Vmin =50mm/s (2)上升运动 Vmax=500mm/s Vmin =40mm/s (3)下降运动 Vmax=800mm/s Vmin=80mm/s (4)回转运动 Wmax=90/s Wmin=30/s 所以取手部驱动活塞速度 V=60mm/s 6,手部右腔流量 Q=sv =60πr =60×3.14×25 =117750mm/s =117.75mm/s (2.7) 7,手部工作压强 P= F1/S =3500/1962.5=1.78Mpa (2.8) 第 10 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 2.2 腕部设计计算 腕部是联结手部和臂部的部件,腕部运动主要用来改变被夹物体的方位, 它动作灵活,转动惯性小.本课题腕部具有回转这一个自由度,可采用具有一 个活动度的回转缸驱动的腕部结构. 要求:回转±90 角速度 W=45/s 以最大负荷计算: 当工件处于水平位置时, 摆动缸的工件扭矩最大, 采用估算法, 工件重 10kg, 长度 l=650mm.如图 2.3 所示. 1,计算扭矩 M1〖4〗 设重力集中于离手指中心 200mm 处,即扭矩 M1 为: M1=F×S =10×9.8×0.2=19.6(NM) (2.9) F 工件 S F 图 2.3 腕部受力简图 2,油缸(伸缩)及其配件的估算扭矩 M2 F=5kg S=10cm 带入公式 2.9 得 M2=F×S=5×9.8×0.1 =4.9(NM) 3,摆动缸的摩擦力矩 M 摩 第 11 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 F 摩=300(N) (估算值) S=20mm (估算值) M 摩=F 摩×S=6(NM) 4,摆动缸的总摩擦力矩 M〖4〗 M=M1+M2+M 摩 =30.5(NM) 5.由公式 T=P×b(ΦA1-Φmm)×10 /8 其中: b—叶片密度,这里取 b=3cm; ΦA1—摆动缸内径, 这里取ΦA1=10cm; Φmm—转轴直径, 这里取Φmm=3cm. 所以代入(2.11)公式 P=8T/b(ΦA1-Φmm)×10 6 6 (2.10) (2.11) =8×30.5/0.03×(0.1-0.03)×106 =0.Mpa 又因为 W=8Q/(ΦA1-Φmm)b 所以 Q=W(ΦA1-Φmm)b/8 =(π/4) (0.1-0.03)×0.03/8 =0.27×10-4m/s =27ml/s 2.3 臂伸缩机构设计 手臂是机械手的主要执行部件. 它的作用是支撑腕部和手部, 并带动它们 在空间运动. 臂部运动的目的, 一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上, 从臂部 的受力情况看,它在工作中即直接承受着腕部,手部和工件的动,静载荷,而 第 12 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文且自身运动又较多,故受力较复杂. 机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上. 所以在选择合适的导 向装置和定位方式就显得尤其重要了. 手臂的伸缩速度为 200m/s 行程 L=500mm 1,手臂右腔流量,公式(2.7)得:4 Q=sv =200×π×40 =1004800mm/s =0.1/10m/s =1000ml/s 2,手臂右腔工作压力,公式(2.8) 得:4 P=F/S 〖 〗 【 】 (2.12) 式中:F——取工件重和手臂活动部件总重,估算 F=10+20=30kg, F 摩 =1000N. 所以代入公式(2.12)得: P=(F+ F 摩)/S =(30×9.8+1000)/π×40 =0.26Mpa 3,绘制机构工作参数表如图 2.4 所示: 图 2.4 机构工作参数表第 13 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 4,由初步计算选液压泵 所需液压最高压力 P=1.78Mpa 所需液压最大流量 Q=1000ml/s 选取 CB-D 型液压泵(齿轮泵) 此泵工作压力为 10Mpa,转速为 1800r/min,工作流量 Q 在 32—70ml/r 之 间,可以满足需要. 5,验算腕部摆动缸: T=PD(ΦA1-Φmm)ηm×106/8 W=8θηv/(ΦA1-Φmm)b 式中:Ηm—机械效率取: Ηv—容积效率取: 所以代入公式(2.13)得: T=0.×0.03×(0.1-0.03)×0.85×10 /8 =25.8(NM) T 〖 带动臂部升降的电机:10〗 初选上升速度 V=100mm/s 第 21 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 P=6KW 所以 n=(100/6)×60=1000 转/分 选择 Y90S-4 型电机,属于笼型异步电动机.采用 B 级绝缘,外壳防护等级 为 IP44,冷却方式为 I(014)即全封闭自扇冷却,额定电压为 380V,额定功 率为 50HZ. 如图 4.1 Y90S-4 电动机技术数据所示: 型号 额定功 率 KW 电流 A 满载时 转速 r/min 效率% 功率因 素 堵转电 堵转转 最大转 流 矩 矩 额定电 额定转 额定转 流 矩 2.2 矩 2.2 Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 图 4.1 Y90S-4 电动机技术数据 4.2 4.2 螺柱的设计与校核 螺杆是机械手的主支承件,并传动使手臂上下运动. 螺杆的材料选择: 〖6〗 从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁. 螺距 P=6mm 梯形螺纹 h=0.5P =3mm 螺纹牙底宽度 螺杆强度 b=0.65P=0.65×6=3.9mm [σ]= σs/3～5 =150/3～5 =30～50Mpa (4.3) (4.4) (4.2) 螺纹的工作高度 第 22 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文螺纹牙剪切[τ]=40 弯曲[σb]=45～55 1,当量应力〖6〗 4F T σ = 2 + 3 0.2d 3 ≤ [σ ] πd 1 1 2 2 (4.5) 式中 T——传递转矩 Nmm [σ]——螺杆材料的许用应力 所以代入公式(4.5)得: σ= (4×200×9.8/πd1)+3(200×9.8×0.6/0.2d1) = (2495/ d1)+3(61.2/ d1)≤30～50×106 =(2495/ d1)+3(61.2/ d1)≤900～2500×10 =6225025/d14+11236/d16≤900～2500×10 6225025d12+11236≤900d16×1012 6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012 即 171pa<535340pa 合格 2,剪切强度〖6〗 Z=H/P=160/6 τ=F/πd1bz (旋合圈数) (4.6) (4.7) 12 12 =200×9.8/π×0.029×3.9×(160/6)×10-3 =206.8×103pa =0.206Mpa<[τ]=40Mpa 3,弯曲强度〖6〗 σb=3Fh/πd1b2z =3×200×9.8×3/π×2.9×3.92×(160/6) =0.48Mpa<[σ]=45Mpa 合格 第 23 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文第五章 机械手的定位与平稳性 5.1 常用的定位方式 机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块. 当机械手经减速运行到终点时, 紧靠挡块而定位. 若定位前已减速,定位时驱动压力未撤除,在这种情况下,机械挡块定位 能达到较高的重复精度.一般可高于 ±0.5mm,若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力,这时机械手可能被挡块碰回 一个微小距离,因而定位精度变低. 5.2 影响平稳性和定位精度的因素 机械手能否准确地工作,实际上是一个三维空间的定位问题,是若干线量 和角量定位的组合.在许多较简单情况下,单个量值可能是主要的.影响单个 线量或角量定位误差的因素如下: (1, )定位方式 不同的定位方式影响因素不同.如机械挡块定位时,定位精度与挡块的 刚度和碰接挡块时的速度等因素有关. (2, )定位速度 定位速度对定位精度影响很大.这是因为定位速度不同时,必须耗散的运 动部件的能量不同.通常,为减小定位误差应合理控制定位速度,如提高缓冲 装置的缓冲性能和缓冲效率,控制驱动系统使运动部件适时减速. (3, )精度 机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响. (4, )刚度 机械手本身的结构刚度和接触刚度低时,因易产生振动,定位精度一 般较低. (5, )运动件的重量第 24 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量. 运动件重量的变化对定位精度影响较大.通常,运动件重量增加时,定位 精度降低.因此,设计时不仅要减小运动部件本身的重量,而且要考虑工作时 抓重变化的影响. (6, )驱动源 液压,气压的压力波动及电压,油温,气温的波动都会影响机械手的重复 定位精度.因此,采用必要的稳压及调节油温措施.如用蓄能器稳定油压,用 加热器或冷却器控制油温,低速时,用温度,压力补偿流量控制阀控制. (7, )控制系统 开关控制,电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的.这不 仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同,而且也与位置反馈装置的有无有 关. 本课题所采用的定位精度为机械挡块定位 5.3 机械手运动的缓冲装置 缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式.内缓冲形式有油缸端部缓冲装置 和缓冲回路等.外缓冲形式有弹性机械元件和液压缓冲器.内缓冲的优点是结 构简单,紧凑.但有时安置位置有限;外缓冲的优点是安置位置灵活,简便, 缓冲性能好调等,但结构较庞大. 本课题所采用的缓冲装置为油缸端部缓冲装置. 当活塞运动到距油缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲 室.利用节流的原理使 缓冲室产生临时背压阻力,以使运动减速直至停止,而 避免硬性冲击的装置,称为油缸端部缓冲装置. 在缓冲行程中,节流口恒定的,称为恒节流式油缸端部缓冲装置. 设计油缸端部恒节流缓冲装置时,amax(最大加速度) max(缓冲腔最大冲 ,P 击压力)和 Vr(残余速度)三个参数是受工作条件的.通常采用的办法是 先选定其中一个参数,然后校验其余两个参数.步骤如下: ① 选择最大加速度 第 25 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文通常,amax 值按机械手类型和结构特点选取,同时要考虑速度与载荷大小. 对于重载低速机械手,- amax 取 5m/s 以下,对于轻载高速机械手,-amax 取 5～10 m/s 2 2 ② 计算沿运动方向作用在活塞上的外力 F 水平运动时: F=PSA-Ff =0.25×103×π×3.62-7 =138N ③ 计算残余速度 Vr Vr=VO/ 1-amaxm/F (5.2) (5.1) =0.1/0.=0.15m/s 第 26 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 总 结 通过这次毕业设计,提高了我分析和解决问题的能力,扩宽和深化了学过 的知识.在这次毕业设计中,我有很多收获,首先把我几年来所学的知识做了 一次系统的复习,更深一步了解了所学的知识,培养了我综合运用所学知识, 分析问题和解决问题的能力,也使我学会怎样更好的利用图书馆,网络查 找资料和运用资料,还使我学会如何与同学共同讨论问题.这对我以后的工作 有很大的帮助,今后我会在工作中不断的学习,努力的提高自己的水平.在设计 过程中,我经常遇到各种各样的问题,不过在指导老师帮助和自己的努力下, 终于使得我顺利完成了设计. 通过这次毕业设计也对自己未来将从事的工作进行一次适应性的训练,从 中锻炼自己分析问题,解决问题的能力,为将来工作打下良好的基础. 第 27 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文参考资料 [1] 徐灏.机械设计手册 3.机械工业出版社,2003 [2] 徐灏.机械设计手册 4.机械工业出版社 2003 [3] 徐灏.机械设计手册 5.机械工业出版社,2004 [4] 张建民.工业机器人.北京理工大学出版社,2005 [5] 《工业机械手》编写组.工业机械手-机械结构上.上海科学技术出版社.2004 [6] 《机床设计手册》 编写组.机床设计手册 3.部件, 机构及总体设计 机械工业出版,2005 [7] 丁树模.液压传动.机械工业出版社,2006 [8] 刘力.机械制图.高等教育出版社,2005 [9] 李恒权,朱明臣,王德云.毕业设计指导书.青岛海洋出版社,2002 [10] 王栋梁.机械基础.中国劳动出版社,2003 [11] 黄鹤汀.机械制造技术.机械工业出版社,2003 第 28 页 共 29 页 成都电子机械高等专科学校毕业设计论文 致 谢 在此衷心感谢我的老师三年来给我的教育和培养, 特别要感谢周幼民老师在 我的毕业设计期间对我悉心的指导,耐心的解答我提出的问题,并提出宝贵的 意见.在此表示衷心的感谢! 陈宏刚 2008 年 5 月 第 29 页 共 29 页 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容
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