機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書.doc

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摘要 在當(dāng)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(dòng)化程度 工業(yè)機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成 員 逐漸被企業(yè)認(rèn)同并采用 工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程 度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)自動(dòng)化水平 目前 工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊 接 噴涂 搬運(yùn)以及堆垛等重要性并且勞動(dòng)強(qiáng)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(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的工業(yè)機(jī)械手 用于給沖壓設(shè)配運(yùn)送物料 首先 本文將設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的底座 手 手腕 臂部等結(jié)構(gòu) 然后選擇 合適的傳動(dòng)方式 驅(qū)動(dòng)方式 搭建工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái) 在此基礎(chǔ)上 本文將設(shè)計(jì)該機(jī)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(shè)計(jì)以及控制軟件的設(shè)計(jì) 重 點(diǎn)加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)械手運(yùn)行的安全性 最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)包括 關(guān) 節(jié)的伺服控制和制動(dòng)問題實(shí)時(shí)的檢測(cè)機(jī)械手的各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況 機(jī)械手 的示教編程和在線修改程序 設(shè)置參考點(diǎn)和回參考點(diǎn) 關(guān)鍵詞 機(jī)械手 示教編程 伺服 制動(dòng) 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(jī)械手的分類 2 1 2 工業(yè)機(jī)械手的組成 3 1 3 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的作用 6 1 4 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的目的 8 1 5 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的內(nèi)容 9 1 6 工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向 9 2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)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(shù)方案 13 3 機(jī)械手的手部設(shè)計(jì)計(jì)算 15 3 1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3 2 夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求 16 3 3 夾鉗式手部的計(jì)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(jī)械手的腕部設(shè)計(jì)計(jì)算 34 4 1 腕部設(shè)計(jì)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(jì)算 37 總結(jié) 50 參考 文獻(xiàn) 51 致謝 53 附錄 外文文獻(xiàn) 54 1 緒論 機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部 是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民提供耐用 消費(fèi)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(jī) 械設(shè)備 機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能 質(zhì)量和成本 對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門技 術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響 機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是 衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要指標(biāo) 因此 世界各國(guó)都把發(fā)展 機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略重點(diǎn)之一 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備 工業(yè) 機(jī)械手的工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支 它的特點(diǎn)是通過編程來完成各種預(yù) 期的作業(yè)任務(wù) 在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn) 尤其體現(xiàn)了人 的智能和適應(yīng)性 機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力 在 國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景 機(jī)械手是在機(jī)械化 自動(dòng)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(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線中 機(jī)器人的研 制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi) 迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù) 它更加促 進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展 使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié) 合 機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活 但它具有能不斷重復(fù)和勞動(dòng) 不知疲勞 不懼危險(xiǎn) 抓舉重物的力量比人手大的特點(diǎn) 因此機(jī)械手已受 到許多部門的重視 并越來越廣泛的得到了應(yīng)用 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng) 而是綜合了人的特長(zhǎng)和 機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置 既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分 析判斷能力 又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)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(jī)器的進(jìn)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(wù)性設(shè)備 也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化 設(shè)備 機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué) 機(jī)械學(xué) 電氣液壓技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù) 傳 感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域 是一門跨多種學(xué)科的綜合技術(shù) 機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器 它有多個(gè)自由度 可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作 1 1 工業(yè)機(jī)械手的分類 目前 我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)械手尚無交統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn) 一般可按機(jī)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(yùn)的工件重量 分類 1 微型的 搬運(yùn)重量在 1kg 以下 2 小型的 搬運(yùn)重量在 10kg 以下 3 中型的 搬運(yùn)重量在 50kg 以下 4 大型的 搬運(yùn)重量在 500kg 以下 目前大多數(shù)工業(yè)機(jī)械手能搬運(yùn)的重量為 1 30kg 最小的為 0 5kg 最 大的已達(dá) 800kg 1 1 2 按功能分類 1 簡(jiǎn)易型工業(yè)機(jī)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(jī)械手多為氣動(dòng)或液動(dòng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 價(jià)格便宜 改變程序較容易 只適用于程序較簡(jiǎn)單的點(diǎn)位控制 但作為一般單服務(wù)的搬運(yùn)作業(yè)已足夠 所以 目前這種工業(yè)機(jī)械手?jǐn)?shù)量最多 2 記憶再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)械手 這種工業(yè)機(jī)械手有人工通過示教裝置 領(lǐng)動(dòng)一遍 有記憶元件 如磁盤 磁帶或存儲(chǔ)器 把程序記錄下來 以后 機(jī)械手就自動(dòng)按記憶的程序重復(fù)進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作 這是采用較多的一種 多為電液伺服驅(qū)動(dòng) 與前者相比較 有較多的 自由度 能進(jìn)行程序較復(fù)雜的作業(yè) 通用性較強(qiáng) 3 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的工業(yè)機(jī)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(jī)械手的動(dòng)作程序 還可以進(jìn)行多機(jī)控制 DNC 計(jì)算 機(jī)可以是可編程序控制器或微型計(jì)算機(jī) 4 智能工業(yè)機(jī)械手 有計(jì)算機(jī)通過各種傳感元件等進(jìn)行控制 具 有視覺 熱覺 觸覺 行走機(jī)構(gòu)等 1 1 3 按用途分類 1 專用機(jī)械手 附屬于主機(jī)的 具有固定的程序而無獨(dú)立的控制系 統(tǒng)的機(jī)械裝置 這種機(jī)械手工作對(duì)象不變 動(dòng)作固定 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 實(shí)用可 靠 適用于成批 大量生產(chǎn)的生產(chǎn)自動(dòng)線或?qū)C(jī)作為自動(dòng)上 下料用 2 通用機(jī)械手 具有獨(dú)立控制系統(tǒng) 程序可變 動(dòng)作靈活多樣的機(jī) 械手 通用機(jī)械手的工作范圍大 定位精度高 通用性強(qiáng) 使用于工件經(jīng) 常變換的中 小批量自動(dòng)化生產(chǎn) 1 2 工業(yè)機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)所組成的 各部分關(guān) 系如圖 1 1 所示 機(jī)械手的組成示意圖如圖 1 2 所示 控 制 系 統(tǒng) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)位 置 檢 測(cè) 裝 置 工 件 圖 1 1 工業(yè)機(jī)械手組成框圖 圖 1 2 工業(yè)機(jī)械手組成示意圖 1 手指 2 手部 3 手腕回轉(zhuǎn)液壓缸 4 導(dǎo)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(dòng)機(jī) 10 液壓泵 11 油箱 1 2 1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)由抓取部分 手部 腕部 臂部和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)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(fù)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(jī)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(dòng)手指去抓取物體 并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到給定的位置 手臂有三個(gè)自由度 可采用直角坐標(biāo)系 前后 上下 左右都是直線 圓柱坐標(biāo)系 前后 上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn) 球坐標(biāo)系 前后 伸縮 上下擺動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn) 和多關(guān)節(jié) 手臂能任意伸縮 四種方式 直角坐標(biāo)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(shí)用之 圓柱坐標(biāo)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(biāo)式和多關(guān)節(jié)式占用空間小 工作范圍較大 慣性小 所需動(dòng)力 小 能抓取底面物體 多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑 但多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu) 較復(fù)雜 所以也不多用 目前常用的是球坐標(biāo)式和圓柱坐標(biāo)式的工業(yè)機(jī)械手 4 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu) 1 2 2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 有氣動(dòng) 液動(dòng) 電動(dòng)和機(jī)械式四種形式 氣動(dòng)式速度快 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位控制時(shí) 有較高的重復(fù)定位精度 但臂力一般在 300N 以下 液動(dòng)式的臂力可達(dá) 1000N 以上 且可用電液伺 服機(jī)構(gòu) 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制 使工業(yè)機(jī)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(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 電動(dòng)式用于小 型 機(jī)械式只用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的場(chǎng)合 1 2 3 控制系統(tǒng) 有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式 大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制 也有采用可編程序控制器控制 微型計(jì)算機(jī)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(biāo)位置 并注意其加速度特性 1 2 4 基體 機(jī)身 基體是整個(gè)機(jī)械手的基礎(chǔ) 1 3 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的作用 機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)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(dòng)線 一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳送工件 國(guó)內(nèi)已建成的這類自動(dòng)線很 多 如沈陽水泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線 環(huán)類 大連電機(jī)廠的 4 號(hào)和 5 號(hào)電動(dòng)機(jī)軸加工自動(dòng)線 軸類 上海拖拉機(jī)齒輪廠的齒柸加工自 動(dòng)線 盤類 等 加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線 一般采用隨行夾具傳送工件 也 有采用機(jī)械手的 如上海動(dòng)力機(jī)廠的氣缸蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手 1 3 2 在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面 1 各類半自動(dòng)車床 有自動(dòng)夾緊 進(jìn)刀 切削 退刀和松開的功 能 但仍需人工上下料 裝上機(jī)械手 可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn) 一人看管多臺(tái) 機(jī)床 目前 機(jī)械手在這方面應(yīng)用最多 如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動(dòng)車床 和座圈自動(dòng)車床機(jī)械手 大連第二機(jī)床廠的自動(dòng)循環(huán)液壓仿形車床機(jī)械手 沈陽第三機(jī)床廠的 Y38 滾齒機(jī)械手 青海第二機(jī)床廠的滾齒花鍵機(jī)床機(jī)械 手等 由于這方面使用已有成熟的經(jīng)驗(yàn) 國(guó)內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類機(jī)床產(chǎn) 品出廠時(shí)就附上機(jī)械手 或?yàn)橛脩糇孕邪惭b機(jī)械手提供條件 2 注塑機(jī)有加料 合模 成型 分模等自動(dòng)工作循環(huán) 裝上機(jī)械 手自動(dòng)裝卸工件 可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn) 3 沖床有自動(dòng)上下料沖壓循環(huán) 裝上機(jī)械手上下料 可實(shí)現(xiàn)沖壓 生產(chǎn)自動(dòng)化 目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個(gè)方面 一是 160t 以上的沖床 用機(jī)械手的較多 如沈陽低壓開關(guān)廠 200t 沖床磁力起動(dòng)器殼體下料機(jī)械手 和天津拖拉機(jī)廠 400t 沖床的下料機(jī)械手等 一是用于多工位沖床 用作沖 壓件工位間步進(jìn) 如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手 生產(chǎn) 線中有兩臺(tái)多工位沖床 和天津二輕局技術(shù)研究所制作的 12t 和 40t 多工 位沖床機(jī)械手等 1 3 3 鑄 鍛 焊 熱處理等加工方面 在模鍛方面 國(guó)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(jī)械手成一定夾角布置在爐前 實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料自動(dòng)化 上海柴油機(jī)廠 北京內(nèi)燃機(jī)廠 洛陽拖拉機(jī)廠等已有較成熟的經(jīng)驗(yàn) 總的來說 工業(yè)機(jī)械手滿足了社會(huì)生產(chǎn)的需要 其特點(diǎn)是 1 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng) 能代替人從事危險(xiǎn) 有害的操作 在長(zhǎng)時(shí) 間工作對(duì)人體有害的場(chǎng)所 機(jī)械手不受影響 只要跟據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理 設(shè)計(jì) 選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu) 機(jī)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(xiǎn)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(qiáng)烈紫外線照射的電弧焊接等作業(yè)中 推廣工業(yè)機(jī)械手或機(jī)器人 2 由于機(jī)械手的動(dòng)作準(zhǔn)確 因?yàn)榭梢苑€(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量 同 時(shí)又可以避免人為的操作錯(cuò)誤 3 機(jī)械手能持久 耐勞 可以把人從繁重單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來 并能擴(kuò)大和延伸人得功能 人在連續(xù)工作幾小時(shí)后 總會(huì)感到疲勞或厭倦 而機(jī)械手只要注意維護(hù) 檢修 即能勝任長(zhǎng)時(shí)間的單調(diào)重復(fù)勞動(dòng) 4 機(jī)械手特別是通用工業(yè)機(jī)械手的通用性 靈活性好 能較好的 適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化 以滿足柔性生產(chǎn)的需要 這是因?yàn)闄C(jī)械手動(dòng)作 程序和運(yùn)動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)中 最能發(fā)揮其作用 5 采用機(jī)械手能明顯地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本 1 4 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的目的 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械制造 機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械電子工程 機(jī)電一體化 等專業(yè)的一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié) 是學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課程及有關(guān)專業(yè)課以后的 一次專業(yè)課程的綜合設(shè)計(jì) 通過設(shè)計(jì)提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)分析與綜合的能力 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力 掌握實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng) 化的設(shè)計(jì)方法 通過這一教學(xué)環(huán)節(jié)要求可以達(dá)到 1 通過設(shè)計(jì) 把有關(guān)課程 機(jī)構(gòu)分析與綜合 機(jī)械原理 機(jī)械設(shè) 計(jì) 液壓與氣動(dòng)技術(shù) 自動(dòng)控制理論 測(cè)試技術(shù) 數(shù)控技術(shù) 微型計(jì)算機(jī) 原理及應(yīng)用 自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)等 中所獲得的理論知識(shí)在實(shí)際中綜合地加以 應(yīng)用 使這些知識(shí)得到鞏固和發(fā)展 并使理論知識(shí)和生產(chǎn)密切的結(jié)合起來 因此 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)是有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課以后的綜合性的專業(yè)課 程設(shè)計(jì) 2 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)及制造專業(yè)和機(jī)械電子工程專業(yè)的 學(xué)生一次比較完整的機(jī)電一體化整機(jī)設(shè)計(jì) 通過設(shè)計(jì) 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的機(jī) 械整機(jī)設(shè)計(jì)的能力 樹立正確的設(shè)計(jì)思想 掌握機(jī)電一體化機(jī)械產(chǎn)品的基 本方法和步驟 為自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)打下良好基礎(chǔ) 3 通過設(shè)計(jì) 使學(xué)生能熟練地應(yīng)用有關(guān)資料 計(jì)算圖表 手冊(cè) 圖冊(cè)和規(guī)范 熟練有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn) 已完成一個(gè)工程技術(shù)人員在 機(jī)械整機(jī)設(shè)計(jì)方面必須具備的基本技術(shù)訓(xùn)練 4 由于整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)工作量大為了是學(xué)生在幾個(gè)周之內(nèi)得到一 個(gè)完整的訓(xùn)練 因此此次設(shè)計(jì)我們小組四個(gè)人分工協(xié)作一個(gè)完整的工業(yè)機(jī) 械設(shè)計(jì) 這樣既能培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作與分工協(xié)作完成大型設(shè)計(jì)的能力 又 解決了工作量大 時(shí)間短的矛盾 1 5 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的內(nèi)容 要求本設(shè)計(jì)能較鮮明地體現(xiàn)機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)構(gòu)思 所謂機(jī)電一體化 技術(shù) 是機(jī)械工程技術(shù)吸收微電子技術(shù) 信息處理技術(shù) 傳感技術(shù)等而形 成的一種新的綜合集成技術(shù) 盡管機(jī)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(fù)雜程度 但做功的機(jī)械本體部分 包括 動(dòng)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(jī)械手作為畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 無論從內(nèi)容的深度 份 量以及覆蓋各科知識(shí)面的程度來衡量都是適當(dāng)?shù)?此設(shè)計(jì)要就我們組各成員完成以下工作 1 擬定整體設(shè)計(jì)方案 特別是傳感 控制方式與機(jī)械本體的有機(jī) 結(jié)合的設(shè)計(jì)方案 2 根據(jù)給定的自由度和技術(shù)參數(shù)選擇合適的手部 腕部 臂身和 機(jī)身的結(jié)構(gòu) 3 各部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 4 工業(yè)機(jī)械手工作裝配圖的設(shè)計(jì)與繪制 5 液壓系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)與繪制 6 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析 8 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 9 就本次設(shè)計(jì)參加答辯 1 6 工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向 現(xiàn)在工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用簡(jiǎn)況 在現(xiàn)在工業(yè)中 生產(chǎn)過程的機(jī)械化 自 動(dòng)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(jī) 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(yùn)等工序機(jī)械 化的迫切性 工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的 有資料統(tǒng)計(jì) 美國(guó)偏重于毛坯的生產(chǎn) 日本偏重于機(jī)械加工 隨著機(jī) 械手技術(shù)的發(fā)展 應(yīng)用的對(duì)象還有所改變 機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力 改善 熱 累等勞動(dòng)條件 國(guó)內(nèi)機(jī)械手工業(yè) 鐵路工業(yè)中首先在單機(jī) 專機(jī)上采用機(jī)械手上下料 減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 國(guó)外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車軸 輪等大 中批零件 并 和機(jī)床組合成一個(gè)綜合的數(shù)控系統(tǒng) 采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更是現(xiàn)在研究的重點(diǎn) 國(guó)外已研究采用攝像機(jī)和 力傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)連在一起 能確定零件的方位達(dá)到鑲裝的目的 國(guó)內(nèi)外實(shí)際上使用的定位控制的機(jī)械手 沒有 視覺 和 觸覺 反 饋 目前 世界各國(guó)正積極研制帶有 視覺 和 觸覺 的工業(yè)機(jī)械手 使它能對(duì)所抓取的工件進(jìn)行分辨 選取所需要的工件 并正確地夾持工件 進(jìn)而精確地在機(jī)器中定位 定向 為使機(jī)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(gè)視圖方向的視覺信息 通過計(jì)算機(jī)進(jìn)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(cè)把握物體手臂的變形 以決定適當(dāng)?shù)奈樟?另一種 是直接檢測(cè)指部與物體的滑動(dòng)位移 來修正握力 因此 這種機(jī)械手就具有以下幾個(gè)方面的性能 1 能準(zhǔn)確地抓住方位變化的物體 2 能判斷對(duì)象的重量 3 能自動(dòng)避開障礙物 4 抓空或抓力不足時(shí)能檢測(cè)出來 這種具有感知能力并能對(duì)感知的信息作出反應(yīng)的工業(yè)機(jī)械手稱為智能 機(jī)械手 它是具有發(fā)展前途的 現(xiàn)在 工業(yè)機(jī)械手的使用范圍只限于在簡(jiǎn)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(xiǎn)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(fèi)工的工業(yè)部門 機(jī)械手的應(yīng)用情況決 不能說是很好的 雖然這些工業(yè)部門工時(shí)不足的問題很尖銳 但采用機(jī)械 手只限于一小部分工序 其原因之一是 工業(yè)機(jī)械手的性能還不能滿足這 些部門的要求 適于機(jī)械手工作的范圍很狹小 另外經(jīng)濟(jì)性問題當(dāng)然也很 重要 采用機(jī)械手來節(jié)約人力從經(jīng)濟(jì)上看不一定總是合算的 然而 利用 機(jī)械手或類似機(jī)械設(shè)備節(jié)省人力和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求 今后還會(huì)持續(xù) 增長(zhǎng) 只要技術(shù)方面和價(jià)格方面存在的問題獲得解決 機(jī)械手的應(yīng)用必將 會(huì)飛躍發(fā)展 2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)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(gè) 3 標(biāo)形式 球坐標(biāo) 4 手指夾持范圍 棒料 直徑 40 60mm 長(zhǎng)度 450 1200mm 5 定位方式 電位器設(shè)定 點(diǎn)位控制 6 驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)參數(shù) 運(yùn)動(dòng)名稱 符號(hào) 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(yùn)動(dòng)名稱 符號(hào) 形成范圍 速度 回轉(zhuǎn) 0 180 小于 90 s 11 放松時(shí)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(jī)械手的工作流程 機(jī)械手的原位 伸縮臂前伸 夾持器夾緊 機(jī)械手臂向左回轉(zhuǎn) 90 機(jī)械手手腕逆時(shí)針回轉(zhuǎn) 90 機(jī)械手臂向下俯仰 30 機(jī)械手松開工件 機(jī)械手臂向上俯仰 30 機(jī)械手手腕順時(shí)針回轉(zhuǎn) 90 機(jī)械手臂向右回轉(zhuǎn) 90 伸縮臂后縮 機(jī)械手復(fù)位 依次循環(huán) 其機(jī)械手球坐標(biāo)型運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下圖所示 圖 2 1 球坐標(biāo)式 手臂運(yùn)動(dòng) 俯仰 或大臂上下擺動(dòng) 2 3 系統(tǒng)組成 本次設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的 其 中機(jī)體有本體部分組成 傳送機(jī)構(gòu)主要有伸縮臂及抓緊機(jī)構(gòu)組成 動(dòng)力源 由液壓驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)兩種形式構(gòu)成控制裝置主要由自動(dòng)控制和手動(dòng)控制 兩部分組成 2 4 總體技術(shù)方案 畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的就是要把我們所學(xué)的比較分散的知識(shí)綜合起來 并進(jìn) 行靈活運(yùn)用 現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是機(jī)電一體化 因此 我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)是要 我們將 機(jī) 電 液 三者合并起來 2 4 1 動(dòng)作分析 工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械機(jī)構(gòu)是指它的執(zhí)行系統(tǒng) 是機(jī)械手抓持工件 進(jìn)行 操作及各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件 機(jī)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(jī)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(jìn) 入手指之后 拉桿手油缸作用 通過拉桿帶動(dòng)杠桿手指回轉(zhuǎn) 實(shí)現(xiàn)握緊或 松開動(dòng)作 手臂的前后伸縮部分 由直線油缸帶動(dòng)實(shí)現(xiàn) 當(dāng)直線油缸工作時(shí)通過 活塞桿行程的變化 完成手臂的伸縮運(yùn)動(dòng) 2 4 3 腰轉(zhuǎn)部分主要由轉(zhuǎn)盤和回轉(zhuǎn)油缸組成 當(dāng)壓力油進(jìn)入回轉(zhuǎn)油缸時(shí) 回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)銷回轉(zhuǎn) 通過活塞桿的伸 縮帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng) 從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的左右轉(zhuǎn)動(dòng) 3 機(jī)械手的手部設(shè)計(jì)計(jì)算 3 1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手部 亦稱抓取機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)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(shí)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成的 它對(duì)抓取 各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性 可以抓取軸 盤 套類零件 一般情 況下 多采用兩個(gè)手指 少數(shù)采用三指或多指 驅(qū)動(dòng)裝置為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供 動(dòng)力 驅(qū)動(dòng)源有液壓的 氣動(dòng)的和電動(dòng)的等幾種形式 常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)往 往通過滑槽 斜楔 齒輪齒條 連桿機(jī)構(gòu)實(shí)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(dòng) 適于夾持平板 方料 在 夾持直徑不同的圓棒時(shí) 不會(huì)引起中心位移的偏移 但這種手指結(jié)構(gòu)比較 復(fù)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(diǎn)為中心 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 來完成 樞軸支點(diǎn)為一個(gè)的 稱單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型 為兩個(gè)的 稱為雙支點(diǎn)回 轉(zhuǎn)型 這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 形狀小巧 但夾持不同工件會(huì)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(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)回轉(zhuǎn)型 b 雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型 c 平移型 平直指 3 2 夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求 1 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力 手指握力 夾緊力 大小適宜 力量過大則動(dòng)力消耗多 結(jié)構(gòu)龐大 不經(jīng)濟(jì) 甚至?xí)p壞工件 力量過小 則夾持不住或產(chǎn)生松動(dòng) 脫落 在確定握力時(shí) 除考慮工件重量外 還應(yīng) 考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng) 以保證工件夾持安全可靠 而對(duì)手部的驅(qū)動(dòng)裝置來說 應(yīng)有足夠的驅(qū)動(dòng)力 應(yīng)指出 由于機(jī)構(gòu)傳 力比不同 在一定的夾持力條件下 不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力的大小是 不同的 2 手指應(yīng)具有一定的開閉范圍 手指應(yīng)具有足夠的開閉角度 手指 從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度 或開閉距離 對(duì)平移型手指從張開 到合閉的直線移動(dòng)距離 S 以便于抓取和退出工件 3 應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度 應(yīng)保證每個(gè)被夾持的工件 在 手指內(nèi)部都有準(zhǔn)確的相對(duì)位置 這對(duì)一些有方位要求的場(chǎng)合更為重要 如 曲拐 凸輪軸一類復(fù)雜的工件 在機(jī)床上安裝的位置要求嚴(yán)格 因此機(jī)械 手的手部在夾持工件后應(yīng)保持相對(duì)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(qiáng)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(fù)載 5 應(yīng)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(kuò)大它的使用范圍 提高它的通用化程度 以適應(yīng)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(gè)手部 此外 還要考慮能適應(yīng)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(jì)算與分析 3 3 1 夾緊力的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù) 必須對(duì)其大小 方 向 作用點(diǎn)進(jìn)行分析 計(jì)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(duì)工件的夾緊力可按下列公式計(jì)算 F K K K G 式 3 1 N123 式中 K 安全系數(shù) 由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)器人ga8 91 02 搬運(yùn)工件過程的加速度或減速度的絕對(duì)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(jìn)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(jì)算 K 3 K 3fsin5 0 V 型手指半角 粗略計(jì)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(jì)算 K 0 9 1 1 3 K 3fsin5 0 粗略計(jì)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(dòng)力的計(jì)算 根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和夾緊力之間的關(guān)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(jì)csin2 N3416sin0215 算值 實(shí)際采取的液壓缸驅(qū)動(dòng)力 F 要大于理論計(jì)算值 考慮手爪的機(jī)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(dòng)力計(jì)算 設(shè)計(jì)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(dòng)壓力 F 推 F 已知液壓缸驅(qū)動(dòng)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(jì)算 據(jù)公式計(jì)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(shè)計(jì)手冊(cè) 見表 3 2 圓整后再結(jié)合液壓缸標(biāo)準(zhǔn)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(hào)內(nèi)尺寸盡可能不用 2 號(hào)者為 JB1086 67 標(biāo)準(zhǔn)系列 3 3 5 活塞桿的計(jì)算 活塞桿的尺寸要滿足活塞 或液壓缸 運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度的要求 按強(qiáng)度條件校驗(yàn)活塞桿直徑 d 按拉 壓強(qiáng)度計(jì)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(jì)算出的直徑 d 再按表 3 3 標(biāo)準(zhǔn)值取整 活塞行程 當(dāng)抓取 60mm 工件時(shí) 即手爪從張開 90mm 減小到 60mm 楔塊向前移動(dòng)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(qiáng)度條件校驗(yàn)活塞桿直徑 d 可得 d 2 52mm 查表 3 5 取標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度 L 20 30 D 取 L 123mm 活塞行程 當(dāng)抓取 60mm 工件時(shí) 即手爪從張開 90mm 減小到 60mm 楔塊向前移動(dòng)大約 30mm 去液壓缸行程 S 30mm 液壓缸流量計(jì)算 Q 式 3 7 SdD 24 放松時(shí)流量 qV 1 1304L min12VA6210 0 夾緊時(shí)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(hào)內(nèi)的尺寸盡可能不用 3 3 6 液壓缸壁厚計(jì)算 液壓缸壁厚計(jì)算 在實(shí)際使用中有下列三種公式 1 中等壁厚 即 16 3 2 時(shí) D C 式 3 8 1p3 2 式中 p1 液壓缸內(nèi)工作壓力 Pa 強(qiáng)度系數(shù) 當(dāng)無縫鋼管時(shí) 1 C 計(jì)入管壁公差及侵蝕的附加厚度 一般圓整到標(biāo)準(zhǔn)厚度值 D 液壓缸內(nèi)徑 m 2 薄壁 即 16 時(shí) D 式 3 9 2p1 3 厚壁 即當(dāng) 3 2 時(shí) 式 3 10 2D 1 3 40P 式中 n 材料抗拉強(qiáng)度 Pa n 安全系數(shù) n 3 5 5 一般常用缸體材料的許用應(yīng)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(jī)械標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)查詢 溫州中冶液壓氣動(dòng)有限公司所生產(chǎn)的輕型拉桿液壓缸 型號(hào)為 MOB B 40 FB 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 外形尺寸及技術(shù)參數(shù)如下 圖 3 2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖 3 3 外形尺寸 表 3 7 夾持器液壓缸技術(shù)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(dòng) 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(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件 把工件送到指定的位置 不僅取決于機(jī) 械手定位精度 右臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件確定 而且也與手指的夾持誤 差大小有關(guān) 特別是在多品種的中 小批量生產(chǎn)中 為了適應(yīng)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(shí)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(jī)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(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)型手爪 而避免單純追求自動(dòng)定心 而使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)過分復(fù) 雜 本次設(shè)計(jì)為楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 選用兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪 如圖 所示 圖 3 5 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪 其中 l 為手指長(zhǎng)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(diǎn)距離 選取為 50mm 若把工件軸心位置 C 到手爪兩支點(diǎn)連線的垂直距離 CD 以 X 表示 根 據(jù)幾何關(guān)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(guān)系曲線 由上圖 3 6 得 當(dāng)工件半徑為 R 時(shí) 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(shí) X 值的最大變化量 即為夾持誤axin 差 用 表示 在設(shè)計(jì)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(zhǎng)手指長(zhǎng)度 但手指過長(zhǎng) 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(shí)的偏轉(zhuǎn)角稱為最佳偏轉(zhuǎn)角 只有當(dāng)工件的平均半徑 R 取為 R 時(shí) 夾持誤差最小 此時(shí)必須說明 ep 對(duì)于雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪 尤其當(dāng) a 值較大時(shí) 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(shí) 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(diǎn)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(shí)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(shè)計(jì)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(jìn)入杠桿手指時(shí)的力分析如下 圖 3 7 上圖 3 7 中 斜楔角 30 時(shí)有增力作用 滾子與斜楔面間當(dāng)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(diǎn) 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(jì)算 二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手抓 手爪 形式 手爪參數(shù) 與定位誤差 2 通常可取 2 120 手指長(zhǎng) 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(jì)算 當(dāng) R R R 或 R R R0minaxminax0 222 cosil sil ABAB 2min2min2 asll 當(dāng) 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(duì)于只抓取 R 和 R1 兩種尺寸時(shí) 偏2 cos sinl21 轉(zhuǎn)角 按表右選取 定為誤差為零 注意 此時(shí) a 值盡量要取小些 l 杠桿驅(qū)動(dòng)端桿長(zhǎng) l 杠桿夾緊端桿長(zhǎng) 杠桿傳動(dòng)機(jī)械效率 3 4 1 斜塊的傳動(dòng)效率 斜塊的傳動(dòng)效率 可由下式表示 式 3 14 2sin 22tandt D 杠桿傳動(dòng)機(jī)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(dòng)作范圍分析 陰影部分杠桿手指的動(dòng)作范圍 即 90 見下圖2 圖 3 8 如果 則楔面對(duì)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(dāng) 90 時(shí)杠桿與斜面平行 呈2 直線接觸 且與回轉(zhuǎn)支點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上干涉 即為手指動(dòng)作的理論極限位置 3 4 3 斜楔驅(qū)動(dòng)行程與手指開閉范圍 當(dāng)斜楔從松開位置向下移動(dòng)至夾緊位置時(shí) 沿兩斜面對(duì)稱中心線方向 的驅(qū)動(dòng)行程為 L 此時(shí)對(duì)應(yīng)的杠桿手指由 位置轉(zhuǎn)到 位置 其驅(qū)動(dòng)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(shè)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(dòng)比 i 可由下式表示 式 3 17 lsinLi 可知 一定時(shí) 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(shí) 傳動(dòng)比減小 即斜楔等速前進(jìn) 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(duì)稱中心線方向的驅(qū)動(dòng)行程 由下圖中關(guān)系 圖 3 9 L 30 56mm 取 L 31mm 則楔塊上邊長(zhǎng)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(gè) 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(gè) 滾子與手指連接選用圓柱銷 GB T119 1 d 4mm 需使用 2 個(gè) 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(zhǎng)度為 10mm 4 機(jī)械手的腕部設(shè)計(jì)計(jì)算 4 1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間 它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ) 上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位 以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍 并使 機(jī)械手變的更靈巧 適應(yīng)性更強(qiáng) 一般機(jī)械手手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或再增加 一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求 一些動(dòng)作較簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手 為簡(jiǎn)化 結(jié)構(gòu) 可以不設(shè)置腕部搬運(yùn)工件 此外 機(jī)械手腕部具有獨(dú)立的自由度 如下圖所示 手腕運(yùn)動(dòng)有 繞 X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 繞 Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上 下擺動(dòng) 或俯仰 繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng) 有的甚至是沿 Y 軸 或 Z 軸 的橫向移動(dòng) 圖 4 1 腕部的自由度 1 臂部 2 腕部 3 手部 圖 4 2 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào) a 表示手指 b 表示垂直 升降 c 表示水平伸縮運(yùn)動(dòng) d 表示回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) e 表示俯仰運(yùn)動(dòng) f 表示輪軌 行走機(jī)構(gòu) 此設(shè)計(jì)中要求有繞中軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 應(yīng)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(dòng)載荷均由臂部承受 顯 然 腕部的結(jié)構(gòu) 重量和動(dòng)力載荷 直接影響著臂部結(jié)構(gòu) 重量和運(yùn)作性 能 因此 在腕部設(shè)計(jì)時(shí) 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(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 又承擔(dān)連接和支承作用 除保證力和運(yùn) 動(dòng)的要求以及具有足夠的強(qiáng)度 剛度外 還應(yīng)綜合考慮 合理布局 如應(yīng) 解決好腕部與臂部和手部的連接 腕部各個(gè)自由度的位置檢測(cè) 管線布置 以及潤(rùn)滑 維修 調(diào)整等問題 3 必須考慮工作條件 對(duì)于高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作的機(jī)械手 其腕部在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分 估計(jì)環(huán)境對(duì)腕部的不良影響 如熱膨脹 壓力油的粘度和燃點(diǎn) 有關(guān)材料 及電控元件的耐熱性等 對(duì)于本設(shè)計(jì) 機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合 中搬運(yùn)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(duì)機(jī)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(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸的腕部結(jié)構(gòu) 2 用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu) 3 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu) 4 機(jī) 液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu) 綜合考慮此次設(shè)計(jì)的各參數(shù)情況和機(jī)械手工作的環(huán)境條件 本次設(shè)計(jì) 我選用第一種具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的典型腕部結(jié)構(gòu) 如下圖所示 采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸 實(shí)現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 從 A A 剖視圖上可以看到 回轉(zhuǎn)葉片 簡(jiǎn)稱動(dòng)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(jìn)出油腔 實(shí)現(xiàn)手部 12 的旋轉(zhuǎn) 旋 轉(zhuǎn)角的極限值由動(dòng) 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(jī)械擋塊定位 當(dāng) 要求任意點(diǎn)定位時(shí) 可采用位置檢測(cè)元件對(duì)所需位置進(jìn)行檢測(cè)并加以反饋 控制 圖 4 3 用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)腕部旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu) 1 手部驅(qū)動(dòng)液壓缸 2 回轉(zhuǎn)液壓缸 3 通向手部的油管 4 腕架 5 左進(jìn)油孔 6 通向擺動(dòng)缸油管 7 右進(jìn)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(dòng)作采用單作用液壓缸 只需一個(gè)油管 通向 手部驅(qū)動(dòng)液壓缸的油管是從回轉(zhuǎn)中心通過 腕部回轉(zhuǎn)時(shí) 油路認(rèn)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(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸和手部驅(qū)動(dòng)液壓缸 本設(shè)計(jì)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(gè)自由度的回 轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu) 采用液壓驅(qū)動(dòng) 參考上圖典型結(jié)構(gòu) 4 3 腕部結(jié)構(gòu)的計(jì)算 4 3 1 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 腕部回轉(zhuǎn)時(shí) 需要克服以下幾種阻力 腕部回轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)慣性所需的 力矩 M 慣 手腕回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力矩相當(dāng)于上述三項(xiàng)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(jì)算 如圖所示 圖 4 4 腕部支承反力計(jì)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(duì)于滾動(dòng)軸承 f 0 01 0 02 對(duì)于滾 動(dòng)軸承 f 0 1 為簡(jiǎn)化計(jì)算 取 M 磨 0 1M 總驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jì)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(jì)算 理論上機(jī)械手加持棒料時(shí) 棒料的重心在其軸線1 上偏距為 0mm 考慮實(shí)際情況在此假設(shè)機(jī)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(jì)算 G 為 G 為手部重量 N G 為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣性所需的力矩 M 慣 的計(jì)算 啟動(dòng)過程近似等加速運(yùn)動(dòng) 根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度 及啟動(dòng)所用時(shí) 間 t 啟 按下式計(jì)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(dòng)過程轉(zhuǎn)過的角度 按下式計(jì)算啟 M 慣 J J 式 4 5 工 件 啟 2 式中 J 工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 N m s 工 件 2 J 手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 N m s 手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度 s t 啟動(dòng)過程中所需時(shí)間 s 一般取 0 05 0 3s 此處取 0 1s啟 啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度 rad 啟 表 4 1 均質(zhì)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 序號(hào) 零件 計(jì)算公式 備注 1 細(xì)長(zhǎng)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(dāng) R l 8 可按細(xì)直桿 計(jì)算 當(dāng) l 2R 5 時(shí) 可按薄 圓盤計(jì)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(dāng) l 2R 5 時(shí) 可按圓 形環(huán)計(jì)算 誤差不超過 5 6 長(zhǎng)方體 J m l a 12 2 J m a b 12 手爪 手爪驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)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(dòng)慣量 J 0 01913221MR2gG205 891 工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知圓柱體工件 R 40 60mm l 450 1200mm J 2 454工 件 2l