轻型平动工业机械手de设计

轻型平动工业机械手设计 机电学院 机电技术教育 052 高自永 摘要 本文将设计一部三自由度的工业机械手，能够实现上下空间，平面伸缩以及机身回转的动作，用于给设备运送物料。介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明自由度和机械手整体座标的形式。分析搬运机械手的设计理论与方法。全面分析搬运机械手的手部、手臂以及机身等主要部件的结构设计，本文将分析计算机械手的手部，臂部，机身的结构选择合适的驱动机构。 机械手的分类 第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。 第二类是需要人工操做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。 第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本设计所做的机械手是属于第三类机械手。 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下 驱动机构 驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电力驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较少。 液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本比较高。 气压驱动的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 电力驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。 机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。 综合分析，最后确定采用液压驱动。 机械手的应用意义 （ 1）以提高生产过程中的自动化程度 。比如应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 （ 2）以改善劳动条件，避免人身事故。比如在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，因此可以采用机械手。 （ 3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产 。比如应用机械手可以连续的工作， 以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。 确定机械手的动作 机械手原位 机械手上升 机械手前伸 机械手抓取并夹紧 机械手后退 机械手下降 机械手左转 90 机械手前伸 机械手松开 机械手后退 机械手右转90 退至原位。 机械手坐标形式选择 上图中图 占用空间大，工作范围小，惯性大，一般不多用，只有在自由度较少时才考虑用。 图 用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。 图 用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体。 图 用空间小，工作范围大，惯性小，能抓多空间物体，但多关节式结构复杂，所以也不多用。 根据设计题目为平动型工业机械手，所以选择为圆柱坐标式。而且平动不需要考虑腕部的回转，所以选择圆柱坐标式更合适。可以在最简单的结构下最合适的完成要求动作。 手抓的分析设计 本设计采用为滑槽杠杆二指手抓 原理图如下 结论： 驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好 4030c o s手抓的夹持范围计算 已知手抓张开角为 ，手指长 80手抓没有张开角 的时候，如图（ a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径 =40张开时，如图（ b）所示，最大夹持半径计算如下： 060 060230c o s/403080 002 机械手臂部的设计 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括 3个运动：伸缩、回转和升降。 臂部设计的基本要求 （ 1） 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 （ 2） 臂部运动速度要高，惯性要小 （ 3）手臂动作应该灵活 总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。 通过综合分析比较，本设计选取双导杆伸缩机构，使用液压驱动 ,液压缸选取双作用液压缸。 伸缩液压缸驱动力计算 驱动力 为摩擦阻力，手臂运动时，运动件表面的摩擦阻力。 为起动或者制动时活塞杆所受的平均惯性力。 （ 1）摩擦阻力计算。 如右图分析可得： （ 2）惯性力的计算。 本设计要求手臂平动为 V=100mm/s。在计算惯性力的时候，设置起动时间为 ,起动速度为 。 所以 ， 惯摩 摩 摩摩摩00 ）（总摩 0tg v 总惯 2 5259 0 0 惯摩液压缸内径计算 当油进入无杆腔 当油进入有杆腔 所以， (取机械效率 = 由标准液压缸系列选取 D=32 d=12行校核 设计中活塞杆取材料为碳刚， 取 所以得出结论：活塞杆拉压强度足够 。 421 4 )(222 24 00M P 2机身的分析设计 经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构如下图所示。 机身升降机构的设计 最大偏重力矩产生于手臂伸缩缸全部伸出，并夹持额定重量的零件时，简图如图所示。 的重心位置距回转重心的距离 所以偏重力矩为 如图所示，手臂在 的作用下有顺时针方向倾斜的趋势，而在立柱导套可阻止手臂倾斜。导套对升降立柱的作用力如图示 和 ,根据升降立柱的力平衡条件，经过推导可得出： 为不自锁条件 总 总偏 液压回路的设计分析 本设计中，都是采用的液压驱动。具体的液压回路设计如下图所示。 选用流量为 12L/分的 过滤油器从油箱中吸取，供应给各缸。在油路上串接一单向阀，以防止油液的回流，保证油泵在断电故障时，机械手不会因重力而造成跌落事故。通过溢流阀可以调整油泵的供油压力。各油缸的动作顺序由四个二位四通电磁换向阀分别控制。 为防止断电时工件从机械手抓中掉出，必须使 2机械手保持在加紧状态。只有当 2降油缸安装 4电时压力油进入下腔，以防止手臂即工件因自重下落。手臂伸缩缸和回转摆动缸属于水平方向的安装，不存在脱落问题。专业机械手不需要经常调整速度，可选择适宜的缸径和流量，从而确定机械手的速度。机械手工作时，多余的压力从溢流阀返回油箱，当机械手不工作时，全部油液会从溢流阀返回油箱，将差生大量热能，使油温升高，油质变坏，致使机械手性能下降。因此，利用二位二通换向阀来控制溢流口与油箱联通或隔断。当机械手各油缸都不工作时，电磁阀 1二位二通换向阀打开，时溢流阀与油箱直接联通，油泵供给的油液经溢流阀返回油箱，使油泵卸荷，不致发热。液压系统采用单向节流阀来调节油量，以控制机械手的速度。 总结 本次毕业设计，设计了能实现了机械手在上下空间，平面伸缩以及回转运动的机构。掌握了一定的机械设计方面的基础，为以后的工作学习创造了一定基础。通过本次的毕业设计，把大学里所学的主要的机械专业知识都用到了，把机械制造，液压与气动，材料力学等知识系统的进行了综合运用。提高了我的综合思考能力。 本次设计由于经验知识水平的局限，只对搬运机械手的结构和驱动做了系统的计算设计，设计中没有涉及到机械手