机械手毕业设计说明书.doc

摘要 在当今大规模的制造业中 企业为提高生产效率 保障产品质量 普 遍重视生产过程的自动化程度 工业机械手作为自动化生产线上的重要成 员 逐渐被企业认同并采用 工业机械手的技术水平和应用程度在一定程 度上反映了一个国家的工业自动化水平 目前 工业机器人主要承担着焊 接 喷涂 搬运以及堆垛等重要性并且劳动强度极大的工作 工作方式一 般采取试教在线的方式 本文将设计一台四自由度的工业机械手 用于给冲压设配运送物料 首先 本文将设计工业机器人的底座 手 手腕 臂部等结构 然后选择 合适的传动方式 驱动方式 搭建工业机器人的结构平台 在此基础上 本文将设计该机械手的控制系统 包括数据采集卡和伺服放大器的选择 反馈方式和反馈元件的选择 端子板电路的设计以及控制软件的设计 重 点加强控制软件的可靠性和机械手运行的安全性 最终实现目标包括 关 节的伺服控制和制动问题实时的检测机械手的各关节的运动情况 机械手 的示教编程和在线修改程序 设置参考点和回参考点 关键词 机械手 示教编程 伺服 制动 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 目录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 工业机械手的分类 2 1 2 工业机械手的组成 3 1 3 工业机械手在生产中的作用 6 1 4 工业机械手设计的目的 8 1 5 工业机械手设计的内容 9 1 6 工业机械手的技术发展方向 9 2 机械手总体设计方案 12 2 1 原始数据 主要参数 12 2 2 工作 要求 12 2 3 系统组成 13 2 4 总体技术方案 13 3 机械手的手部设计计算 15 3 1 手部结构设计 15 3 2 夹钳式手部设计的基本要求 16 3 3 夹钳式手部的计算与分析 17 3 4 楔块等尺寸的确定 29 3 5 材料及连接件选择 33 4 机械手的腕部设计计算 34 4 1 腕部设计的基本要求 34 4 2 腕部结构的选取 36 4 3 腕部 结构的计算 37 总结 50 参考 文献 51 致谢 53 附录 外文文献 54 1 绪论 机械工业是国民的装备部 是为国民经济提供装备和为人民提供耐用 消费品的产业 不论是传统产业 还是新兴产业 都离不开各种各样的机 械设备 机械工业所提供装备的性能 质量和成本 对国民经济各部门技 术进步和经济效益有很大的和直接的影响 机械工业的规模和技术水平是 衡量国家经济实力和科学技术水平的重要指标 因此 世界各国都把发展 机械工业作为发展本国经济战略重点之一 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备 工业 机械手的工业机器人的一个重要分支 它的特点是通过编程来完成各种预 期的作业任务 在构造和性能上兼有人和机器各自的优点 尤其体现了人 的智能和适应性 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力 在 国民经济各领域有着广阔的发展前景 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 在 现代化生产过程中 机械手被广泛的运用于自动化生产线中 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 机械手虽然目前还不如人手那样灵活 但它具有能不断重复和劳动 不知疲劳 不惧危险 抓举重物的力量比人手大的特点 因此机械手已受 到许多部门的重视 并越来越广泛的得到了应用 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动 而是综合了人的特长和 机器特长的一种拟人的电子机械装置 既有人对环境状态的快速反应和分 析判断能力 又有机器可长时间持续 工作 精确度高 抗恶劣环境的能 力 从某种意义上说它也是机器的进化过程产物 它是工 业以及非产 业界的重要生产和服务性设备 也是先进制造技术领域不可缺少的自动化 设备 机械手技术涉及到力学 机械学 电气液压技术 自动控制技术 传 感器技术和计算机技术等科学领域 是一门跨多种学科的综合技术 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器 它有多个自由度 可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作 1 1 工业机械手的分类 目前 我国对工业机械手尚无交统一的分类标准 一般可按机械手的 规格 功能或用途等来分类 1 1 1 按规格 所搬运的工件重量 分类 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 搬运重量在 50kg 以下 4 大型的 搬运重量在 500kg 以下 目前大多数工业机械手能搬运的重量为 1 30kg 最小的为 0 5kg 最 大的已达 800kg 1 1 2 按功能分类 1 简易型工业机械手 有固定程序和可变程序两种 固定程序有 凸轮转鼓或挡块转鼓控制 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 组成控制系统 这种机械手多为气动或液动 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 这种工业机械手有人工通过示教装置 领动一遍 有记忆元件 如磁盘 磁带或存储器 把程序记录下来 以后 机械手就自动按记忆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 与前者相比较 有较多的 自由度 能进行程序较复杂的作业 通用性较强 3 计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 机可以是可编程序控制器或微型计算机 4 智能工业机械手 有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 1 1 3 按用途分类 1 专用机械手 附属于主机的 具有固定的程序而无独立的控制系 统的机械装置 这种机械手工作对象不变 动作固定 结构简单 实用可 靠 适用于成批 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 具有独立控制系统 程序可变 动作灵活多样的机 械手 通用机械手的工作范围大 定位精度高 通用性强 使用于工件经 常变换的中 小批量自动化生产 1 2 工业机械手的组成 工业机械手是由执行机构 驱动机构和控制系统所组成的 各部分关 系如图 1 1 所示 机械手的组成示意图如图 1 2 所示 控 制 系 统 驱 动 系 统 执 行 机 构位 置 检 测 装 置 工 件 图 1 1 工业机械手组成框图 图 1 2 工业机械手组成示意图 1 手指 2 手部 3 手腕回转液压缸 4 导向杆 5 手臂伸缩液压缸 6 手臂回转液压缸 7 手臂升降液压缸 8 液压系统控制阀 9 液压泵电动机 10 液压泵 11 油箱 1 2 1 执行机构 执行机构由抓取部分 手部 腕部 臂部和行走机构等运动部件组 成 1 手部 详见第三章 即直接与工件接触的部分 一般是回转型 或平移型 多为回转型 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 连杆杠杆式 斜楔杠杆 式 齿轮杠杆式 丝杠螺母式 弹簧式和重力式 2 腕部 详见第四章 是连接手部和手臂的部件 并可用来调整 被抓物体的方位 即姿态 3 臂部 手臂是支撑被抓物体 手部 腕部的重要部件 手臂的 作用是带动手指去抓取物体 并按预定要求将其搬运到给定的位置 手臂有三个自由度 可采用直角坐标系 前后 上下 左右都是直线 圆柱坐标系 前后 上下直线往复运动和左右旋转 球坐标系 前后 伸缩 上下摆动和左右旋转 和多关节 手臂能任意伸缩 四种方式 直角坐标占空间大 工作范围小 惯性小 所以一般不多用 只有在 自由度数较少时用之 圆柱坐标占空间较小 工作范围较大 但惯性也大 且不能抓取底面 物体 球坐标式和多关节式占用空间小 工作范围较大 惯性小 所需动力 小 能抓取底面物体 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 1 2 2 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 采用点位控制或机械挡块定位控制时 有较高的重复定位精度 但臂力一般在 300N 以下 液动式的臂力可达 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 1mm 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 1 2 3 控制系统 有点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制器控制 微型计算机控制 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 1 2 4 基体 机身 基体是整个机械手的基础 1 3 工业机械手在生产中的作用 机械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 1 3 1 建造旋转体零件 轴类 盘类 环类 自动线 一般都采用机械手在机床之间传送工件 国内已建成的这类自动线很 多 如沈阳水泵厂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柸加工自 动线 盘类 等 加工箱体类零件的组合机床自动线 一般采用随行夹具传送工件 也 有采用机械手的 如上海动力机厂的气缸盖加工自动线转位机械手 1 3 2 在实现单机自动化方面 1 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 和座圈自动车床机械手 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 Y38 滚齿机械手 青海第二机床厂的滚齿花键机床机械 手等 由于这方面使用已有成熟的经验 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 装上机械 手自动装卸工件 可实现全自动生产 3 冲床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 目前机械手在冲床上应用有两个方面 一是 160t 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械手 和天津拖拉机厂 400t 冲床的下料机械手等 一是用于多工位冲床 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械手 生产 线中有两台多工位冲床 和天津二轻局技术研究所制作的 12t 和 40t 多工 位冲床机械手等 1 3 3 铸 锻 焊 热处理等加工方面 在模锻方面 国内大批量生产的 3t 5t 10t 模锻锤 其所配的转底炉 用两只机械手成一定夹角布置在炉前 实现进出料自动化 上海柴油机厂 北京内燃机厂 洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验 总的来说 工业机械手满足了社会生产的需要 其特点是 1 对环境的适应性强 能代替人从事危险 有害的操作 在长时 间工作对人体有害的场所 机械手不受影响 只要跟据工作环境进行合理 设计 选择适当的材料和结构 机械手就可以在异常的高温或低温 异常 压力和有害气体 粉尘 放射线作用下 以及冲压 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 钢造 喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊接等作业中 推广工业机械手或机器人 2 由于机械手的动作准确 因为可以稳定和提高产品的质量 同 时又可以避免人为的操作错误 3 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 并能扩大和延伸人得功能 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 4 机械手特别是通用工业机械手的通用性 灵活性好 能较好的 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 由度 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 1 4 工业机械手设计的目的 工业机械手设计是机械制造 机械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 是学完技术基础课程及有关专业课以后的 一次专业课程的综合设计 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 机电一体化系统设计能力 掌握实现生产过程自动 化的设计方法 通过这一教学环节要求可以达到 1 通过设计 把有关课程 机构分析与综合 机械原理 机械设 计 液压与气动技术 自动控制理论 测试技术 数控技术 微型计算机 原理及应用 自动机械设计等 中所获得的理论知识在实际中综合地加以 应用 使这些知识得到巩固和发展 并使理论知识和生产密切的结合起来 因此 工业机械手设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课 程设计 2 工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的 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 树立正确的设计思想 掌握机电一体化机械产品的基 本方法和步骤 为自动机械设计打下良好基础 3 通过设计 使学生能熟练地应用有关资料 计算图表 手册 图册和规范 熟练有关国家标准和部颁标准 已完成一个工程技术人员在 机械整机设计方面必须具备的基本技术训练 4 由于整个机械手设计工作量大为了是学生在几个周之内得到一 个完整的训练 因此此次设计我们小组四个人分工协作一个完整的工业机 械设计 这样既能培养学生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 1 5 工业机械手设计的内容 要求本设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思 所谓机电一体化 技术 是机械工程技术吸收微电子技术 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较多 并由于它 们的功能不同而有不同的形成和复杂程度 但做功的机械本体部分 包括 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毕业设计题目 无论从内容的深度 份 量以及覆盖各科知识面的程度来衡量都是适当的 此设计要就我们组各成员完成以下工作 1 拟定整体设计方案 特别是传感 控制方式与机械本体的有机 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 臂身和 机身的结构 3 各部分的设计计算 4 工业机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 机械手的运动分析 8 编写设计计算说明书 9 就本次设计参加答辩 1 6 工业机械手的技术发展方向 现在工业机械手的应用简况 在现在工业中 生产过程的机械化 自 动化已成为突出的主题 化工等连续性生产过程已基本得到解决 但在机 械工业中 加工 装配等生产是不连续的 因此 装卸 搬运等工序机械 化的迫切性 工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的 有资料统计 美国偏重于毛坯的生产 日本偏重于机械加工 随着机 械手技术的发展 应用的对象还有所改变 机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力 改善 热 累等劳动条件 国内机械手工业 铁路工业中首先在单机 专机上采用机械手上下料 减轻工人的劳动强度 国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴 轮等大 中批零件 并 和机床组合成一个综合的数控系统 采用机械手进行装配更是现在研究的重点 国外已研究采用摄像机和 力传感装置和微型计算机连在一起 能确定零件的方位达到镶装的目的 国内外实际上使用的定位控制的机械手 没有 视觉 和 触觉 反 馈 目前 世界各国正积极研制带有 视觉 和 触觉 的工业机械手 使它能对所抓取的工件进行分辨 选取所需要的工件 并正确地夹持工件 进而精确地在机器中定位 定向 为使机械手有 眼睛 去处理方位变化的工件和法 分辨形状不同的 零件 它有视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息 通过计算机进行图 形分辨 判别是否是所要抓取的工作 为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物体滑落下来 一般采 用两种方法 一是检测把握物体手臂的变形 以决定适当的握力 另一种 是直接检测指部与物体的滑动位移 来修正握力 因此 这种机械手就具有以下几个方面的性能 1 能准确地抓住方位变化的物体 2 能判断对象的重量 3 能自动避开障碍物 4 抓空或抓力不足时能检测出来 这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能 机械手 它是具有发展前途的 现在 工业机械手的使用范围只限于在简单的操作方面节省人力 其 效用是代替人从事繁重的工作和危险地工作 在恶劣的环境下尤其明显 至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门 机械手的应用情况决 不能说是很好的 虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐 但采用机械 手只限于一小部分工序 其原因之一是 工业机械手的性能还不能满足这 些部门的要求 适于机械手工作的范围很狭小 另外经济性问题当然也很 重要 采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的 然而 利用 机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求 今后还会持续 增长 只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决 机械手的应用必将 会飞跃发展 2 机械手总体设计方案 2 1 原始数据 主要参数 1 抓重 200N 2 自由度 4 个 3 标形式 球坐标 4 手指夹持范围 棒料 直径 40 60mm 长度 450 1200mm 5 定位方式 电位器设定 点位控制 6 驱动方式 液压 中 低压系统 7 定位精度 3mm 8 控制方式 可编程控制 9 手臂运动参数 运动名称 符号 形成范围 速度 回转 0 120 小于 90 s 俯仰 0 45 小于 90 s 伸缩 X 350 小于 250mm s 10 手腕参数 运动名称 符号 形成范围 速度 回转 0 180 小于 90 s 11 放松时的两爪的最大距离为 80 90mm 1s 抓紧 夹紧速度 20mm s 2 2 工作要求 机械手的工作流程 机械手的原位 伸缩臂前伸 夹持器夹紧 机械手臂向左回转 90 机械手手腕逆时针回转 90 机械手臂向下俯仰 30 机械手松开工件 机械手臂向上俯仰 30 机械手手腕顺时针回转 90 机械手臂向右回转 90 伸缩臂后缩 机械手复位 依次循环 其机械手球坐标型运动简图如下图所示 图 2 1 球坐标式 手臂运动 俯仰 或大臂上下摆动 2 3 系统组成 本次设计工业机械手是由执行机构 驱动系统和控制系统组成的 其 中机体有本体部分组成 传送机构主要有伸缩臂及抓紧机构组成 动力源 由液压驱动和机械驱动两种形式构成控制装置主要由自动控制和手动控制 两部分组成 2 4 总体技术方案 毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来 并进 行灵活运用 现在的发展趋势是机电一体化 因此 我们的毕业设计是要 我们将 机 电 液 三者合并起来 2 4 1 动作分析 工业机械手的机械机构是指它的执行系统 是机械手抓持工件 进行 操作及各种运动的机械部件 机械部件主要包括手部 手臂前后伸缩部分 手臂上下升降部分 腰转部分以及机座 2 4 2 手部 手部 包括杠杆手指 单向作用式握紧油缸等 其工件原理 物体进 入手指之后 拉杆手油缸作用 通过拉杆带动杠杆手指回转 实现握紧或 松开动作 手臂的前后伸缩部分 由直线油缸带动实现 当直线油缸工作时通过 活塞杆行程的变化 完成手臂的伸缩运动 2 4 3 腰转部分主要由转盘和回转油缸组成 当压力油进入回转油缸时 回转油缸的回转销回转 通过活塞杆的伸 缩带动转盘的转动 从而实现机械手的左右转动 3 机械手的手部设计计算 3 1 手部结构设计 手部 亦称抓取机构 是用来直接握持工件的部件 由于被握持工件 的形状 尺寸大小 重量 材料性能 表面状况等的不同 所以工业机械 手的手部结构是多种多样的 大部分的手部结构是根据持定的工件要求而 设计的 归结起来 常用的手部 按其握持工件的原理 大致可分为夹持 和吸附两大类 夹持类常见的主要有夹钳式 此外还有钩托式和弹簧式 夹持类手部 按其手指夹持工件时的运动方式 可分为手指回转型和手指平移型两种 吸附类中 有气吸式和磁吸式 夹钳式手部是有手指 传动机构和驱动装置三部分组成的 它对抓取 各种形状的工件具有较大的适应性 可以抓取轴 盘 套类零件 一般情 况下 多采用两个手指 少数采用三指或多指 驱动装置为传动机构提供 动力 驱动源有液压的 气动的和电动的等几种形式 常见的传动机构往 往通过滑槽 斜楔 齿轮齿条 连杆机构实现加紧或松开 平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动 适于夹持平板 方料 在 夹持直径不同的圆棒时 不会引起中心位移的偏移 但这种手指结构比较 复杂 体积大 要求加工精度高 回转型手指的张开闭合靠手指根部 以枢轴支点为中心 的回转运动 来完成 枢轴支点为一个的 称单支点回转型 为两个的 称为双支点回 转型 这种手指结构简单 形状小巧 但夹持不同工件会产生夹持定位误 差 综合考虑以上各种手部结构和本次设计所需的工作要求 最后确定手 部的基本结构为夹钳式双支点回转型手部结构 图 3 1 回转型和平移型手指 a 单支点回转型 b 双支点回转型 c 平移型 平直指 3 2 夹钳式手部设计的基本要求 1 应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力 夹紧力 大小适宜 力量过大则动力消耗多 结构庞大 不经济 甚至会损坏工件 力量过小 则夹持不住或产生松动 脱落 在确定握力时 除考虑工件重量外 还应 考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动 以保证工件夹持安全可靠 而对手部的驱动装置来说 应有足够的驱动力 应指出 由于机构传 力比不同 在一定的夹持力条件下 不同的传动机构所需驱动力的大小是 不同的 2 手指应具有一定的开闭范围 手指应具有足够的开闭角度 手指 从张开到闭合绕支点所转过的角度 或开闭距离 对平移型手指从张开 到合闭的直线移动距离 S 以便于抓取和退出工件 3 应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件 在 手指内部都有准确的相对位置 这对一些有方位要求的场合更为重要 如 曲拐 凸轮轴一类复杂的工件 在机床上安装的位置要求严格 因此机械 手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度 4 要求结构紧凑 重量轻 效率高 在保证本身刚度 强度的前提 下 尽可能使结构紧凑 重量轻 以利于减轻手臂的负载 5 应考虑通用性和特殊要求 一般情况下 手部多是专用的 为了 扩大它的使用范围 提高它的通用化程度 以适应夹持不同尺寸和形状的 工件要求 通常采取手指可调整的办法 如更换手指甚至更换整个手部 此外 还要考虑能适应工件环境提出的特殊要求 如耐高温 耐腐蚀 乃 承受锻锤冲击力等 3 3 夹钳式手部的计算与分析 3 3 1 夹紧力的计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据 必须对其大小 方 向 作用点进行分析 计算 一般来说 夹紧力必须克服工件的重力所产 生的静载荷 惯性力或惯性力矩 以使工件保持可靠的加紧状态 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算 F K K K G 式 3 1 N123 式中 K 安全系数 由机械手的工艺及设计要求确定 通常取 1 2 1 2 0 取 1 5 K 工件情况系数 主要考虑惯性力的影响 计算最大加速度 2 得出工作情况系数 K2 K 2 1 1 1 002 a 为机器人ga8 91 02 搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值 m s K 方位系数 根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进3 行选定 手指与工件位置 手指水平放置 工件水平放置 表 3 1 夹紧力的方位系数 手指 与工 件位 置 手指水平放置夹水平放 置工件 手指水平放置夹水平悬臂 放置工件 手指水平放置夹垂直放 置工件 V 型 指 夹 圆 棒 K 0 53 K 213 HL 粗略计算 K 3 K 3fsin5 0 V 型手指半角 粗略计算 K 43 手指 与工 件位 置 手指水平放置夹水平放 置工件 手指水平放置夹水平悬臂 放置工件 手指水平放置夹垂直放 置工件 V 型 指 夹 圆 棒 K 3 ftan15 0 粗略计算 K 0 9 1 1 3 K 3fsin5 0 粗略计算 K 43 手指与工件形状 V 型指端夹持圆柱型工件 即根据手指与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 求得夹紧力 F FN K1K2K3G 1 5 1 002 0 5 200 150 3N 取整的 151N 3 3 2 驱动力的计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式 F 式 3 2 N bsin2c 式中 c 滚子至销轴之间的距离 b 抓至销轴之间的距离 楔块的倾斜角 可得 F 146 89N 得出 F 为理论计csin2 N3416sin0215 算值 实际采取的液压缸驱动力 F 要大于理论计算值 考虑手爪的机械效 率 一般取 0 8 0 9 此处取 0 88 则 F 166 93N 取 F 500N 8 09146 3 3 3 液压缸驱动力计算 设计方案中压缩弹簧使爪牙张开 故为常开式夹紧装置 液压缸为单 作用缸 提供推力 F 式 3 3 推 PD24 式中 D 活塞直径 d 活塞杆直径 p 驱动压力 F 推 F 已知液压缸驱动力 F 且 F 500N 10KN 由表 3 2 于 F 10KN 故选工作压力 P 1MP 3 3 4 液压缸内经计算 据公式计算可得液压缸内径 D mm 25 231mm14 350 PF 表 3 2 液压缸工作压力 作用在活塞上的外力 F N 液压缸工作压力 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 根据液压设计手册 见表 3 2 圆整后再结合液压缸标准取 D 40mm 表 3 3 液压缸的内径系列 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 括号内尺寸尽可能不用 2 号者为 JB1086 67 标准系列 3 3 5 活塞杆的计算 活塞杆的尺寸要满足活塞 或液压缸 运动的要求和强度的要求 按强度条件校验活塞杆直径 d 按拉 压强度计算 式 3 424F 或 d 式 3 5 F 式 3 6n 碳钢取 100 120MP n 一般不小于 1 4 计算出的直径 d 再按表 3 3 标准值取整 活塞行程 当抓取 60mm 工件时 即手爪从张开 90mm 减小到 60mm 楔块向前移动大约 40mm 取液压缸行程 S 40mm 表 3 4 液压缸工作压力与活塞杆直径 液压缸工作压力 p MPa 5 5 7 7 推荐活塞杆直径 0 5 0 55 D 0 6 0 7 D 0 7D 即可得 活塞杆直径 d 0 5D 0 5 40 20mm 按强度条件校验活塞杆直径 d 可得 d 2 52mm 查表 3 5 取标准直径值为 20mm F4610 35 活塞厚 B 0 6 1 0 D 取 B 0 8d 0 8 40 32mm 缸筒长度 L 20 30 D 取 L 123mm 活塞行程 当抓取 60mm 工件时 即手爪从张开 90mm 减小到 60mm 楔块向前移动大约 30mm 去液压缸行程 S 30mm 液压缸流量计算 Q 式 3 7 SdD 24 放松时流量 qV 1 1304L min12VA6210 0 夹紧时流量 qV 1 5072 L min1 SD24624 表 3 5 活塞杆的直径系列 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 括号内的尺寸尽可能不用 3 3 6 液压缸壁厚计算 液压缸壁厚计算 在实际使用中有下列三种公式 1 中等壁厚 即 16 3 2 时 D C 式 3 8 1p3 2 式中 p1 液压缸内工作压力 Pa 强度系数 当无缝钢管时 1 C 计入管壁公差及侵蚀的附加厚度 一般圆整到标准厚度值 D 液压缸内径 m 2 薄壁 即 16 时 D 式 3 9 2p1 3 厚壁 即当 3 2 时 式 3 10 2D 1 3 40P 式中 n 材料抗拉强度 Pa n 安全系数 n 3 5 5 一般常用缸体材料的许用应力 锻钢 110 120MPa 铸铁 60MPa 无缝钢管 100 110MPa 结合该液压缸内径大小取中等壁厚即 C 1p3 2 DC 1 03 2 4 考虑工程机械标准液压缸外径和 C 值取壁厚 5mm 3 3 7 液压缸外径的选取 具体参照表 3 6 表 3 6 标准液压缸外径 JB1086 67 液压 缸外 径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 20 钢 16 0MP 50 60 76 95 108 121 153 168 146 180 194 219 30 钢 20 0MP 50 60 76 95 108 121 153 168 146 180 194 219 由液压缸内经和液压缸壁厚尺寸可确定液压缸外径尺寸为 50mm 3 3 8 选用夹持器液压缸 经网络查询 温州中冶液压气动有限公司所生产的轻型拉杆液压缸 型号为 MOB B 40 FB 结构简图 外形尺寸及技术参数如下 图 3 2 结构简图 图 3 3 外形尺寸 表 3 7 夹持器液压缸技术参数 受压面积工作 压力 使用 温度 范围 允许 最大 速度 效率 传动 介质 缸径 无杆 腔 有杆 腔 速度 比 1MPa 10 80 300m s 90 常规 矿物 液压 油 40mm 12 5 8 6 1 45 3 3 9 手爪的夹持误差及分析 机械手能否准确夹持工件 把工件送到指定的位置 不仅取决于机 械手定位精度 右臂部和腕部等运动部件确定 而且也与手指的夹持误 差大小有关 特别是在多品种的中 小批量生产中 为了适应工件尺寸在 一定范围内变化 避免产生手指夹持的定位误差 必须注意选用合理的手 部结构参数 见下图 图 3 4 夹持不同直径工件时的夹持误差 R 和 R 不同工件 C C 1212 从而使夹持误差控制在较小范围内 在机械加工中 通常情况使手爪的夹 持误差不超过 1mm 就可以了 这就可以在满足定位精度的条件下 采用 简单的回转型手爪 而避免单纯追求自动定心 而使设计出的结构过分复 杂 本次设计为楔块杠杆式回转型夹持器 选用两支点回转型手爪 如图 所示 图 3 5 两支点回转型手爪 其中 l 为手指长度 选取为 60mm AB 2 为 V 型槽的夹角 选取为 120 为偏转角 2a 为两回转支点距离 选取为 50mm 若把工件轴心位置 C 到手爪两支点连线的垂直距离 CD 以 X 表示 根 据几何关系有 X 式 3 11 222 a cosinl sinl RABAB 为讨论方便起见上式改写为 X 式 3 12 222 sicosilsin1alRABAB 或 1 sinlsico ail 2222AB ABRX 该方程同样为双曲线方程 如图 3 6 所示 1023456789098RXminminax AB o 图 3 6 工件半径与夹持误差 关系曲线 由上图 3 6 得 当工件半径为 R 时 X 取最小值 X 又从上式可 min 以求出 通常取 2 120 cosinl0AB X l sin mi 若工件的半径 R 变化到 R 时 X 值的最大变化量 即为夹持误axin 差 用 表示 在设计中 希望按给定的 R 和 R 来确定手爪各部分尺寸 为减少夹min 持误差 一方面可加长手指长度 但手指过长 使其结构增大 另一方面 可选取合适的偏转角 是夹持误差最小 这时的偏转角称为最佳偏转角 只有当工件的平均半径 R 取为 R 时 夹持误差最小 此时必须说明 ep 对于双支点回转型手爪 尤其当 a 值较大时 偏转角 的大小不易按夹 持误差最小的条件确定 主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时 两手 爪的 BE 和 B E 边平行 抓不着工件 为避免上述情况 通常按手爪抓取 工件的平均半径 R 以 BCD 90 为条件确定两支点回转型手爪的偏ep 转角 即 为 式 3 13 ABRl1a sincoep1 表 3 8 最佳偏转角 2 120 m eplRAB1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5 最佳偏转角 39 40 54 44 62 29 67 23 70 44 73 13 74 02 76 39 其中 2a 50mm l 60mm V 型钳的夹角 2 120 即AB 56 932 6015sinco1 由 R l sin cos 60 sin60 cos56 932 28 35mm AB 如下表 3 9 则 R R R 此时定位误差为 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 即手指夹持误差满足设计要求 12 由以上各值可得 X 56 63mm 222 sincosinl sinalRABAB 取值为 X 57mm 3 4 楔块等尺寸的确定 楔块进入杠杆手指时的力分析如下 图 3 7 上图 3 7 中 斜楔角 30 时有增力作用 滚子与斜楔面间当量摩擦角 tan d D tan 2 22 为滚子与转轴间的摩擦角 d 为转轴直径 D 为滚子外径 tan f f 为滚子与转轴间摩擦系数 22 支点 O 至斜面垂线与杠杆的夹角 表 3 9 回转型手爪的定位误差计算 二支点回转型手抓 手爪 形式 手爪参数 与定位误差 2 通常可取 2 120 手指长 lAB 不要太大 a 不要太大 参 数 的 选 择 偏转角 通常取 cos ABRl1a sin2miax1 定位误差的计算 当 R R R 或 R R R0minaxminax0 222 cosil sil ABAB 2min2min2 asll 当 R R R 定位误差为 和 中最大者in0ax12 1 2max2m2 cosinl sinl RABAB 2a sinl AB 2 2i2isll 2il 其中 R l sin cos AB 对于只抓取 R 和 R1 两种尺寸时 偏2 cos sinl21 转角 按表右选取 定为误差为零 注意 此时 a 值尽量要取小些 l 杠杆驱动端杆长 l 杠杆夹紧端杆长 杠杆传动机械效率 3 4 1 斜块的传动效率 斜块的传动效率 可由下式表示 式 3 14 2sin 22tandt D 杠杆传动机械效率 取 0 834 tan 取 0 1 d D 取 0 5 则可得 26 036 90 取整得 26 2 3 4 2 动作范围分析 阴影部分杠杆手指的动作范围 即 90 见下图2 图 3 8 如果 则楔面对杠杆作用力沿杆身方向 夹紧力为零 且为不2 稳定状态 所以 必须大于 此外 当 90 时杠杆与斜面平行 呈2 直线接触 且与回转支点在结构上干涉 即为手指动作的理论极限位置 3 4 3 斜楔驱动行程与手指开闭范围 当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时 沿两斜面对称中心线方向 的驱动行程为 L 此时对应的杠杆手指由 位置转到 位置 其驱动行程1 2 可用下式表示 式 3 15 2121 cos sinlsilco l 杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为 式 3 16 21c col 通常状态下 在 90 左右范围内 则由手指需要的开闭范围2 1 来确定 由给定条件可知最大 s 为 15 25mm 最小设定为 15mm 即 15 15 25 已知 26 可得 90 64 2 3 4 4 l 与 l 的确定 斜楔传动比 i 可由下式表示 式 3 17 lsinLi 可知 一定时 l 愈大 i 愈大 且杠杆手指的转角 在l 90 范围内增大时 传动比减小 即斜楔等速前进 杠杆手指转速逐 渐减小 则由 l 120 分配距离为 l 31mm 17mm l l 3 4 5 确定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 的确定 L 为沿斜面对称中心线方向的驱动行程 由下图中关系 图 3 9 L 30 56mm 取 L 31mm 则楔块上边长为 76cos 5014sin2 8mm 3 5 材料及连接件选择 V 型指与夹持器连接选用圆柱销 GB T119 1 d 6mm 需使用 2 个 杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销 GB T119 1 d 8mm 需使用 2 个 滚子与手指连接选用圆柱销 GB T119 1 d 4mm 需使用 2 个 以上材料均为钢 无淬火和表面处理 楔块与活塞杆采用螺纹连接 基本尺寸为公称直径 8mm 螺距 p 1 旋合 长度为 10mm 4 机械手的腕部设计计算 4 1 腕部设计的基本要求 手腕部件设置于手部和臂部之间 它的作用主要是在臂部运动的基础 上进一步改变或调整手部在空间的方位 以扩大机械手的动作范围 并使 机械手变的更灵巧 适应性更强 一般机械手手腕设有回转运动或再增加 一个上下摆动即可满足工作要求 一些动作较简单的专用机械手 为简化 结构 可以不设置腕部搬运工件 此外 机械手腕部具有独立的自由度 如下图所示 手腕运动有 绕 X 轴转动称为回转运动 绕 Y 轴转动称为上 下摆动 或俯仰 绕 Z 轴转动称为左右摆动 有的甚至是沿 Y 轴 或 Z 轴 的横向移动 图 4 1 腕部的自由度 1 臂部 2 腕部 3 手部 图 4 2 运动简图符号 a 表示手指 b 表示垂直 升降 c 表示水平伸缩运动 d 表示回转运动 e 表示俯仰运动 f 表示轮轨 行走机构 此设计中要求有绕中轴的回转运动 应满足的基本要求有 1 力求结构紧凑 重量轻 腕部处于臂部的最前端 它连同手部的静 动载荷均由臂部承受 显 然 腕部的结构 重量和动力载荷 直接影响着臂部结构 重量和运作性 能 因此 在腕部设计时 必须力求结构紧凑 重量轻 2 综合考虑 合理布局 腕部作为机械手的执行机构 又承担连接和支承作用 除保证力和运 动的要求以及具有足够的强度 刚度外 还应综合考虑 合理布局 如应 解决好腕部与臂部和手部的连接 腕部各个自由度的位置检测 管线布置 以及润滑 维修 调整等问题 3 必须考虑工作条件 对于高温作业和腐蚀性介质中工作的机械手 其腕部在设计时应充分 估计环境对腕部的不良影响 如热膨胀 压力油的粘度和燃点 有关材料 及电控元件的耐热性等 对于本设计 机械手的工作条件是在工作场合 中搬运加工的棒料 因此不太受环境影响 没有处在高温和腐蚀性的工作 介质中 所以对机械手的腕部没有太多不利因素 4 2 腕部结构的选取 典型的腕部结构有以下几种形式 1 具有一个自由度的回转缸的腕部结构 2 用齿条活塞驱动的腕部结构 3 具有两个自由度的回转缸驱动的腕部结构 4 机 液结合的腕部结构 综合考虑此次设计的各参数情况和机械手工作的环境条件 本次设计 我选用第一种具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构 如下图所示 采用一个回转液压缸 实现腕部的旋转运动 从 A A 剖视图上可以看到 回转叶片 简称动片 用螺钉 销钉和转轴 10 连续在一起 定片 8 则和 缸体 9 连接 压力油分别由油孔 5 7 进出油腔 实现手部 12 的旋转 旋 转角的极限值由动 静片之间允许回转的角度来决定 一般小于 270 图中缸可回转 90 腕部旋转位置控制问题 可采用机械挡块定位 当 要求任意点定位时 可采用位置检测元件对所需位置进行检测并加以反馈 控制 图 4 3 用一个回转液压缸实现腕部旋转的机构 1 手部驱动液压缸 2 回转液压缸 3 通向手部的油管 4 腕架 5 左进油孔 6 通向摆动缸油管 7 右进油孔 8 固定叶片 9 缸体 10 回转轴 11 回转叶片 12 手部 图 4 3 所示手部的开闭动作采用单作用液压缸 只需一个油管 通向 手部驱动液压缸的油管是从回转中心通过 腕部回转时 油路认可保证畅 通 这种布置可使油管既不外露 又不受扭转 腕部用来和臂部连接 三 根油管 一根供手部油管 两根供腕部回转液压缸 由手臂内通过并经腕 部架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸 本设计要求手腕回转 180 综合以上的分析考虑到各种因素 腕部结构选择具有一个自由度的回 转驱动腕部结构 采用液压驱动 参考上图典型结构 4 3 腕部结构的计算 4 3 1 腕部回转力矩的计算 腕部回转时 需要克服以下几种阻力 腕部回转时支承处的摩擦力 矩 M 磨 克服由于工件重心偏置所需的力矩 M 偏 克服启动惯性所需的 力矩 M 惯 手腕回转所需的驱动力矩相当于上述三项之和 即 M M 磨 M 偏 M 惯 式 4 1 总 1 腕部回转支承处的摩擦力矩 M 磨 的计算 如图所示 图 4 4 腕部支承反力计算 M 磨 式 4 2 2112DFfR 式中 F F 轴承处支反力 N 可由静力平衡方程求得 1R1 D D 轴承直径 m 2 f 轴承的摩擦系数 对于滚动轴承 f 0 01 0 02 对于滚 动轴承 f 0 1 为简化计算 取 M 磨 0 1M 总驱动力 图中所示 G 为工件重量 N G 为手部重量 N G 为手腕转动件123 重量 N 2 克服由于工件重心偏置所需的力矩 M 偏 的计算 M 偏 G e 式 4 3 1 式中 e 工件重心到手腕回转轴线的垂直距离 m G e 的计算 理论上机械手加持棒料时 棒料的重心在其轴线1 上偏距为 0mm 考虑实际情况在此假设机械手夹持棒料中心的误差不超过 5 即 e 5mm 则 M G e 200 0 005 1N m1偏 G e 的计算 G 为 G 为手部重量 N G 为手腕转动件重量4423 N 的和 取 G 150N 取误差不超过 5 即 e 5mm 则 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 克服启动惯性所需的力矩 M 惯 的计算 启动过程近似等加速运动 根据手腕回转的角速度 及启动所用时 间 t 启 按下式计算 M 惯 J J 式 4 4 工 件 启t 或者根据腕部角速度 及启动过程转过的角度 按下式计算启 M 惯 J J 式 4 5 工 件 启 2 式中 J 工件对手腕回转轴线的转动惯量 N m s 工 件 2 J 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量 N m s 手腕回转过程的角速度 s t 启动过程中所需时间 s 一般取 0 05 0 3s 此处取 0 1s启 启动过程所转过的角度 rad 启 表 4 1 均质物体的转动惯量 序号 零件 计算公式 备注 1 细长杆 J ml 122 m G g G 构件重量 g 重力加速度 2 薄圆盘 J m R 4 2 J m R 2 R 2 3 圆柱体 J m R 2 2 J m l 3R 12 当 R l 8 可按细直杆 计算 当 l 2R 5 时 可按薄 圆盘计算 误差不超过 5 4 圆形环 J m R R 412 J m R R 2 5 圆形管 J m l 3 R 3 R 12212 J m R R 2 当 l 2R 5 时 可按圆 形环计算 误差不超过 5 6 长方体 J m l a 12 2 J m a b 12 手爪 手爪驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体 高为 200mm 直径 100mm 其重力估算为 G 为 150N 等效圆柱体的转动惯量 J 0 01913221MR2gG205 891 工件的转动惯量 已知圆柱体工件 R 40 60mm l 450 1200mm J 2 454工 件 2l