毕业设计（论文）-曲轴加工搬运机械手设计（圆柱坐标）.doc

本科生毕业设计第1章 绪 论1.1工业机械手概况工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。它是一种自动的、位置可控的、具有编程功能的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置以执行各种任务。而机械手臂的研究，开发和设计是从二十世纪中叶开始的。我国的工业机械手是从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”，“八五”科技攻关，目前已经基本掌握了机械手的设计制造技术，控制系统硬件及软件设计技术，运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，弧焊，点焊，装配，搬运等机器人.其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已经应用在汽车制造企业的焊装生产线上。但总的来看，我国的工业机械手技术及其工程应用水平和国外比还有一定得距离，如：可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件，硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业，其中汽车工业占第一位（占28.8%），电器制造业第二位（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。发达国家汽车行业机械手应用占保有量百分比为23.4%-53%，年产每万量汽车所拥有的机械手数为（包括整车和零部件）：日本88.0台，德国64.0台，法国32.2台，英国26.9台，美国33.8台，意大利48.0台。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、旋转等独立运动方式，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23个自由度上料机械手与通用机械手相比，其中上料机械手种的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材料挤压成型铝棒料的搬运及高温棒料的自动上料作业，最大抓取棒料直径可达180mm,最大抓握重量可达30公斤。最大行走距离为1200mm.根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站，电气控制系统组成。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用OMRON的可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。国内外实际上使用的多为定位控制的机械手，没有视觉及触觉反馈。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可以进行分辨，能选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器中定位，定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件，它由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件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，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件的滑动位移，来修正握力。因此，这种机械手具有以下几个方面的性能：1、能准确的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、抓空或抓里不足时能够检测出来。这种具有感知能力并对感知的信息做出反映的工业机械手称之为智能机械手。现在，工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是代替从事繁重工作，危险工作，单调重复的工作，恶劣环境下的工作方面尤其明显。至于像汽车工业和电子工业之类的消费工业部分，机械手的应用情况决不能说是最好的。虽然这些工业部门工时不足的问题尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序，其原因是，其原因是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作范围很狭小。这是主要原因。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来看，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格化得要求，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。目前，工业机械手有很大一部分应用于制造业的物流搬运中。极大的促进物流自动化，随着生产的发展，搬运机器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提高。气动机械手大量的应用到物流搬运机器人领域。在手爪的机械结构方面根据所应用场合的不同以及对工件夹持的特殊要求，采取了多种形式的机械结构来完成对工件的夹紧和防止工件脱落的锁紧措施。在针对同样的目标任务，采取多种运动方式相结合的方式来达到预定的目的。驱动方面采用了一台工业机器人多种驱动方式的情况，有液压驱动，气压驱动，步进电机驱动，伺服电机驱动等等。愈来愈多的搬运机器人是采用混合驱动系统的，这样能够更好的发挥各驱动方式的优点，避免缺点。并且在它的控制精度方面和搬运效率方面有了很大的提高。在搬运机械手的控制方面，出现了多种控制方式。如：由原始的电控的机械手，较先进的基于工控机控制的，基于PC控制的，进一步的嵌入式PC控制技术，还有采用PLC可编程控制的。 在物料搬运方面近年来呈现出的趋势就是系统化。无论是我国还是国外，物料搬运的发展都是由单一设备走向成套设备，由单机走向系统。在制造业方面，随着JIT,FMS,CIMS等现代制造技术的发展，对物料搬运系统也提出了新的要求。其特点是力求减少库存、压缩等待和辅助时间，使多品种、少批量的物料准时到达要求的地点。这一趋势在机械工业方面得到了很大的应用。其中采用了机器人等先进的物料搬运技术，促进了机械工业的技术进步和生产水平提高。1.2工业机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；1、专用机械手附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，这种机械手工作对象不变，动作较简单，结构简单，实用可靠，适用于成批，大批量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，动作灵敏，动作灵活多样的机械手。通用机械手工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于工件经常变换的中，小批量自动化生产。按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 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，一般没有独立的控制装置。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。1.3工业机械手在工业生产中的应用工业机械手在生产中的应用非常广泛，可以归纳为以下一些方面：1、建造旋转零件体（轴类，盘类，环类零件）自动线，一般都采用机械手在机床之间传送工件。2、在实现单机自动化方面。（1）各类半自动车床，有自行夹紧，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，可实现全自动化生产。（2）注塑机有加料，合模，成型，分模等自动工作循环，装上机械手自动取料，可实现全自动生产。（3）冲床有自动上下冲压循环，安装机械手上下料，可实现冲压生产自动化。3、铸、锻、焊、热处理等加工方面。总的来说，由于工业机械手的特点满足了社会生产的需要，进而带来了经效益。其特点：1、对环境的适应性强，能代替人从事危险，有害的操作，在长时间对人体害的场所，机械手不受影响。2、机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重的单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。3、动作准确，可保证稳定和 产品的质量，同时，可避免人为的操作错误。4、通用性灵活性好，特别是通用工业机械手，能适应产品品种迅速变化的要求，满足柔性生产的需要。5、采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。第2章 工业机械手的设计方案2.1 工业机械手的组成工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图执行机构执行机构包括抓取部分（手部），腕部，臂部和行走机构等运动部件所组成。1、手部：直接与工件接触的部分，一般是会转型或平移型。传力机构的形式较多。常用的有：滑槽杠杆式，连杆杠杆式，弹簧式等。2、腕部：是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。3、臂部：手部是支撑被抓取物件，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定的位置。该设计的手臂有四个自由度，采用圆柱坐标（前后、上下直线往复运动和左右旋转）。圆柱坐标占空间小，工作范围大，惯性大，且不能抓取底面物体，一般为专用机械手。4、行走机构：有的工业机械手带有行走机构。该机械手采用V型导轨作为底座行走机构（X轴向直线移动）5、驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。该机械手采用液压驱 动。6、控制系统：点位控制及连续控制。7、机身。22规格参数 工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：1、抓重：额定抓取重量或额定负荷，单位为公斤。该机械手抓重为30kg。2、自由度数目和坐标形式：该机械手整机，手臂和手腕等运动共有4个自由度，坐标形式为圆柱坐标。3、驱动方式：液动。4、手臂运动参数：800mm5、手腕运动参数：小于1806、手指夹持范围：65857、定位精度：3mm8、轮廓尺寸：2350*1950*900(mm)9、整机重量：略。2.3 设计路线与方案2.3.1 设计步骤1、查阅相关资料。2、确定研究技术路线与方案构思。3、结构和运动学分析。4、根据所给规格，范围，性能进行分析，强度及运动学校核。5、根据所给技术参数进行计算。6、绘制工作装配图草图。7、绘制总图及零件图等。8、总结问题进行分析解决。2.3.2 研究方法和措施使用现代设计方法和液压传动技术进行设计，采用圆柱坐标（4个自由度）2.4本章小结 本章主要按照机械手的组成初步拟定了总体的设计方案和设计路线，制定了初步的设计步骤，给出该机械手的相关参数。第三章 计算与分析3.1 手部手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式，该机械手采用夹钳式手部设计。夹钳式手部由手指，传动机构和驱动装置组成，它对抓取各种形状的工件有较大的适应性，可以抓取轴，盘，套类零件，该机械手采用2个手指。3.1.1 夹钳手部设计的基本要求1、应具有适当的夹紧力和驱动力。2、手指应具有一定得开闭范围。3、应保证工件在手指内的夹持精度。4、 要求结构紧凑，重量轻，效率高。5、 考虑通用性和特殊要求。3.1.2手部的计算与分析1、手部受力分析：如图3.1 图3.1手部受力简图2、由拉杆力平衡条件： 得 由（）=0 得 初选 3、夹紧力计算（）取 =1+a/g设 机械手缓冲时最大加速度为20m/s2()=1.03 ()所以 ()取 ()4、确定油缸直径D()选取柱塞 压力油工作压力所以（）根据液压油缸内径及活塞杆外径系列（GB/T2348-1993）选取油缸内径为40mm则活塞杆直径为 ()壁厚选夹紧缸壁厚 （）3.1.3夹持误差分析工件平均半径（）V型钳夹角偏转角按最佳偏转角确定取为2倍工件平均半径 所以夹持误差满足设计要求。3.2腕部3.2.1腕部设计的基本要求手腕部件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，用以扩大机械手的动作范围，适应性强。手腕具有独立的自由度，手腕有绕X轴转动的一个自由度。该机械手采用手腕的回转运动机构为回转油缸，它结构紧凑，灵活，自由角度符合设计要求，它要求严格密封，才能保证稳定的输出转矩。1、腕部处于臂部的最前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。腕部的结构，重量和动力载荷直接影响着臂部的结构，重量和运动性能。因此在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。2、腕部作为机械手的执行机构，由承担连接和支撑作用，除了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，合理布局及腕部和手部的连接，腕部自由度的位置检测，管线布置，以及润滑，维修，调整等问题。3、腕部设计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，有关材料及电控点测元件的耐热性等）。3.2.2腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服一下几种阻力：1、腕部回转支承处的摩擦力矩M摩由图3.2 可知：M摩= （R1D1+R2D2） (kgf-m)式中： R1 R2 轴承处支承反力（kgf-m）；可由静力学平衡方程求得。 D1 D2 轴承直径 （m）f 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f= 为简化计算取M摩=0.1M总阻力矩图 3.2 腕部回转力矩简图G1 工件重量 G2手部重量 G3手腕转动件重量2、克服由于工件G1重心偏置所产生的力矩M偏M偏= G1e （kgf）式中：e 工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）3、克服起动惯性所需的力矩M惯起动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角加速度及起动所用的角速度起：M惯=0.0175（J+J工件）22 （kgf-m）式中：J工件 工件对手腕回转轴线的转动惯量 （kgf-m-s） J 手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量（kgf-m-s） 手腕回转过程中的角速度（度/秒） 起动过程所转过的角度 (度)手腕回转所需要的驱动力矩应当等于上述三项之和M总=M偏+M摩+M惯因为手腕回转部分的转动惯量（J+ J工件）不是很大，手腕起动过程所产生的转动力矩也不大，为了简化计算，可以将计算M偏，M摩。适当放大，而省略掉M惯，这时M总+1.1（M偏+M摩）设手爪，手爪驱动油缸及回转油缸转动件为一个等效圆柱体，高为7（cm） ，直径为22（cm），其重量为G=394.8（N）摩擦阻力矩M摩=0.1M总阻力矩起动过程所转过的角度起=18，等速转动角速度=200/s。 则M惯=0.0175（J+J工件）22 查型钢表有：J=12mR2=0.084 (kgf-m-s) J工件=112m（L2+3R2）=5.03（kgf-m-s2） 代入M惯=99.59 （Nm） M偏=0 M摩=0.1M总阻力矩 M=0.1M总阻力矩+99.59=110.661、回转油缸所产生的驱动力矩计算：回转油缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩，图 所示为机械手的手腕回转运动所采用的单叶片回转油缸，定片1与缸体2相连，动片3与转轴5相连，当a，b口分别进出油时，动片带动转轴回转达到手腕回转目的。式中：M总 手腕回转总的阻力矩 P 回转油缸工作压力R 缸体内径半径r 输出轴半径b 动片宽度注：可按外形要求或安装空间大小，先设定b，R，r中的两个： D/d= ，2，取D/d=2， =2 设r=40（mm） R=100（mm） b=30（mm） 确定回转油缸工作压力： P=47 （N/cm）由于系统工作压力P=441.45（N/cm），所以回转油缸工作压力足以克服摩擦力。3.3臂部3.3.1臂部设计的基本要求手臂部件是机械手的主要执行部件。他的作用是支撑腕部和手部（包括工件），并带动它们作空间转动。臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。机身是固定的，它是直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的升降，回转等运动。臂部要实现所要求的运动，需满足下列的各项基本要求：1、对于机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。显然，伸缩臂杆的悬伸长度越大，则刚度越差，而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。为了提高刚度，尽量缩短臂杆的悬伸长度，还应注意：(1)根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。臂部和机身既受弯曲力（而且不仅是一个方向的弯曲力）也受扭转力，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。所以机械手常用无缝钢管坐导向杆，用工字钢或槽钢作为支撑板，这样既提高了手臂刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置，传动机构以及管道，有利于结构的紧凑，外形整齐。(2)高支承刚度和选择支承间的距离。臂部和机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且同支承的刚度和支撑件间距离有很大关系，要提高支承刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度以及支座与底板的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。(3)合理布置作用力的位置和方向。在结构设计时，应结合具体受力情况，设法使各作用力的变形相互抵消。(4)设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性越低，因此应尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理确定调整补偿环节，以减少重要部件的间隙，从而提高刚度。(5)水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或大部分自重和抓取重量。(6)提高活塞和缸体内径配合精度，以提高手臂前伸时的刚度。2、臂部运动速度要高，惯性要小。机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般时根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂的移动，回转和上升均要求匀速运动，（V和为常数），但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。图3.3 左中A点为起动位置，B点位缓冲位置，C点为终点位置，t1起动时间，t2为制动时间，T为运动周期。对于告诉运动的机械手，其最大移动速度设计在mm/s，最大回转角度设计在180/s内，在大部分形行程距离上平均移动速度为1000mm/s，平均回转角速度为90/s。手臂伸缩时所产生的惯性力为F惯=ma= m 质量 （kg） a 加速度 （m/s）G 手臂运动件质量 （kgf）g 重力加速度 （9.8m/s）t 起动或制动时间 v 起动或制动的速度差手臂回转时产生的惯性力矩为：M惯=0.0175J =0.0175（Jc+J0）式中：J 角加速度 （/s） 起动或制动的角速度差 （/s） J臂部回转件对回转中心的转动惯量 （kg-m-s） Jc 臂部零件对其重心的转动惯量 （kg-m-s）、 J0 臂部零件作为重心位置的质点对臂部回转中心的转动惯 J0=Gg； 回转半径；为减少转动惯量：（1）减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。（2）减少手臂运动件的轮廓尺寸。（3）减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。（4）驱动系统中设有缓冲装置。3、手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式机械手，其传动件，导向件和定位件布置应合理，使手臂运动过程尽可能平衡，以减少对升降支承轴线的偏心力矩，特别要防止发生“卡死”的现象(自锁)。为此必须计算使之满足不自锁条件。如图3.3右所示：（1）偏重力矩的计算步骤：计算零件重量，可分解为规则的体型进行计算。计算零件重心位置，求出重心至回转轴线的距离。求重心位置并计算偏重力臂G总=G工+G爪+G腕+G臂+=i=1nGi= = 计算偏重力矩M偏=G总=vi=1nG iXi图3.3手部伸缩所受惯性力简图(2)升降导向柱不自锁条件手臂在G总的作用下有向下的趋势，而立柱导套防止手臂这种趋势。由力的平衡有R1=R2 R1h=G总 R1=R2=G总h所谓不自锁的条件：G总 F1+F2=2F1 =2R1fh2f取f=0.15则h0.304、位置精度要求高一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高；关节式机械手的位置最难控制，精度差；在手册上加设定位装置和自检测机构，能较好的控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件的间隙。除此之外，要求机械手通用性要好，能适合多种作业的要求；工艺性要好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的接携手，还要设置防尘装置等。3.3.2手臂的设计计算通常先进行粗略的估算，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。为了便于进行液压机械手的设计计算，我们分别就伸缩缸，升降缸，回转油缸的设计叙述如下：3.3.3伸缩油缸的设计计算1、 作水平伸缩直线运动油缸的驱动力根据油缸驱动时所需克服的负载，摩擦，密封装置及惯性等几个方面的力，确定油缸所需的驱动力。油缸活塞的驱动力P的设计计算如图3.4所示P = P摩 P密 P回 P惯式中： P摩 摩擦阻力。手臂运动时，运动表面间的摩擦力。如导向装置、活塞和缸壁等处的阻力。图 3.4油缸活塞的驱动力简图由于导向杆相对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。 = 0 GL = aR 得：R = = 0GR = R 得：R=G得：P摩 = Pa摩 Pb摩 =所以：P摩 = = 1.3350.29.81 = 267N式中：G 参与运动的零部件的总重量（含工件重） （kgf） L 手臂参与运动的零部件的总重量的重心C到导向支承前端的距离 (cm) a 导向支承的长度 (cm) 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时： 钢对铸铁：取 =0.18 0.3（刚对铸铁） = （4/2） P密 密封装置处的摩擦阻力，“0”型密封。当油缸工作压力小于100（kgf/cm）。活塞杆直径为油缸直径的一般，活塞与活塞杆都采用“0”型密封圈密封时，油缸密封处的总的摩擦力为：P封1 P封2 = 0.03P式中：P为驱动力P封1 P封2 = 0.033655.4 = 109.6（N）P封3 = 式中： p 工作压力 （kgf/cm）P 100 (kgf/cm)时， = 0.05 0.023 d伸缩油管直径 （cm）； l 密封的有效长度 （cm）P封3 = 739.810.0352 = 673.91 (N)P封 = P封1 P封2 P封3 = 10