工业机械手用于搬运工件毕业论文.doc

第 1 页 工业机械手用于搬运工件毕业论文工业机械手用于搬运工件毕业论文 目录目录 摘要摘要 I ABSTRACTABSTRACT II 1 1 绪论绪论 1 1 1 工业机械手的含义 1 1 2 工业机械手的产生 应用与发展 1 1 3 工业机械手的组成与运动 5 2 工业机械手的手部设计工业机械手的手部设计 13 2 1 概述 13 2 2 手部机构形式 13 2 3 钳爪式手部机构的选用要点 14 2 4 滑槽杠杆式钳爪的夹紧力分析与计算 15 2 5 滑槽杠杆式钳爪手部机构的驱动力计算 17 2 6 手部夹紧液压缸的设计与计算 18 3 工业机械手的腕部设计工业机械手的腕部设计 21 3 1 概述 21 3 2 腕部回转力矩的计算 21 4 工业机械手臂部的设计工业机械手臂部的设计 24 4 1 概述 24 4 2 工业机械手臂部的结构形式 25 4 3 工业机械手臂部运动驱动液压缸的设计与计算 28 4 4 工业机械手的液压缓冲装置 34 5 结论结论 35 5 1 工业机械手主要规格参数 35 5 2 设计总结 35 6 致谢致谢 37 7 参考文献参考文献 38 第 1 页 1 1 绪论绪论 1 1工业机械手的含义 机械手 mechanical hand 也被称为 自动手 auto hand 多数 是指附属于主机 程序固定的自动抓取 操作装置 国内一般称作机械手或 者专用机械手 它 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 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 它特别是在高温 高压 多粉尘 易燃 易爆 放射性等恶劣环境中 以及笨重 单调 频繁的操作中代替人作业 因此获得 日益广泛的应用 1 2 工业机械手的产生 应用与发展 1 2 1 工业机械手的产生 简史 早在 20 世纪初 随着机床 汽车等制造业的发展就出现了机械手 1913 年美国福特汽车工业公司安装了第一条零件加工自动线 为了解决自动线 自 动机的上下料与工件的传送 采用了专用机械手代替人工上下料与传送工件 可见专用机械手就是作为自动机 自动线的附属装置出现的 1958 年 美国联合控制公司研制出第一台机械手 它的结构是 机体上安 装了一个回转长臂 顶部装有电磁铁的工件抓放结构 控制系统是示教型的 1962 年 美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再 现型机械手 商名为 Unimate 即万能自动 运动系统仿造坦克炮塔 臂可以 回转 俯仰 伸缩 用液压驱动 控制系统用磁鼓作为存储装置 不少球坐标 通用机械手就是在这个基础上发展起来的 1962 年 美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手 该机 械手的中央立柱可以回转 升降 采用液压驱动控制系统 也是示教再现型的 虽然这两种机械手出现在 60 年代初 但都是国外工业机械手发展的基础 第 2 页 1978 年 美国 Unimate 公司和斯坦福大学麻省理工学院联合研制出了一种 Unimate Vicarm 型工业机械手 装有小型电子计算机进行控制用于装配作业 定位误差小于 1mm 联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手 主要应用于起重运输 焊接和设备的上下料作业 联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手 采用关 节式结构和程序控制 前苏联自六十年代开始发展应用机械手 至 1977 年底 其中一半是国产 一半是进口 日本是工业机械手发展最快 应用最多的国家 自 1969 年从美国引进两种 机械手后大力从事机械手的研究 我国虽然开始研究工业机械手仅比日本晚 5 6 年 但由于种种原因 工业 机械手计时的发展比较慢 目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人 工业机械手 技术 通过引进 仿制 改造 创新 工业机械手技术必将获 得迅速发展 机械手一般分为三类 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 它的特点是具备普通机械的性能之外 还具备通用机械 记忆 智能的三元机械 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 工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴 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 目前 工业机械手大部分还属于第一代 主要依靠工人进行控制 改进的 方向主要是降低成本和提高精度 第二代机械手正在加紧研制 它设有微型电子计算控制系统 具有视觉 触觉能力 甚至听 想的能力 研究安装各种传感器 把感觉到的信息反馈 是机械手具有感觉机能 第 3 页 第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务 它与电子计算机和电视 设备保持联系 并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环 1 2 2 应用简况 机械手的应用意义可以概括如下 一 以提高生产过程中的自动应用化程度 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 二 以改善劳动条件 避免人身事故 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 而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业 使劳动条件得以改善 在一些简单 重复 特别是较笨重的操作中 以机械手代替人进行工作 可以 避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故 三 可以减轻人力 并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作 这是直接减少人力的一个侧面 同时由于应 用机械手可以连续的工作 这是减少人力的另一个侧面 因此 在自动化机床 的综合加工自动线上 目前几乎都是机械手 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 现代工业中 生产过程的机械化 自动化已成为突出的主题 化工等连续 性生产过程的自动化已基本得到解决 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 应用的对象还会有所改变 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 第 4 页 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 床共同组成一个综合的数控加工系统 采用机械手进行装配更始目前研究的重点 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 1 2 3 发展趋势 目前工业机械手主要用于机床加工 铸造 热处理等方面 无论数量 品 种和性能方面还是不能满足工业发展的需要 在国内主要是逐步扩大应用范围 重点发展铸造 热处理方面的机械手 以减轻劳动强度 改善作业条件 在应用专用机械手的同时 相应的发展通用 机械手 有条件的还要研制示教式机械手 计算机控制机械手和组合机械手等 将机械手各运动构件 如伸缩 摆动 升降 横移 俯仰等机构以及根据不同 类型的加紧机构 设计成典型的通用机构 所以便根据不同的作业要求选择不 同类型的基加紧机构 即可组成不同用途的机械手 既便于设计制造 有便于 更换工件 扩大应用范围 同时要提高速度 减少冲击 正确定位 以便更好 的发挥机械手的作用 此外还应大力研究伺服型 记忆再现型 以及具有触觉 视觉等性能的机 械手 并考虑与计算机连用 逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元 在国外机械制造业中工业机械手应用较多 发展较快 目前主要用于机床 横锻压力机的上下料 以及点焊 喷漆等作业 它可按照事先指定的作业程序 来完成规定的操作 此外 国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手 使它具 有一定的传感能力 能反馈外界条件的变化 作相应的变更 如位置发生稍许 偏差时 即能更正并自行检测 重点是研究视觉功能和触觉功能 目前已经取 得一定成绩 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪 即距离传感器 以及微型计算机 工作是电视照相机将物体形象变成视频信号 然后送给计算 机 以便分析物体的种类 大小 颜色和位置 并发出指令控制机械手进行工 第 5 页 作 触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置 工作时机械手首先伸 出手指寻找工作 通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用 然后伸向 前方 抓住工件 手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制 达到自动 调整握力的大小 总之 随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一 步提高 更重要的是将机械手 柔性制造系统和柔性制造单元相结合 从而根本改 变目前机械制造系统的人工操作状态 1 3 工业机械手的组成与运动 3 1 工业机械手的组成 工业机械手主要由执行系统 驱动系统和控制系统三大部分组成 其组成 关系如图 1 1 图 1 1 执行系统 执行系统是工业机械手完成握取工件 或者工具 实现所需的各种运动的机械 第 6 页 部件 包括以下几个部分 1 手部 是工业机械手直接与工件 或者工具 的部件 有些工业机械手 直接将工具 如焊枪 喷枪 容器 装在手部位置 而不再设置手部 2 腕部 是工业机械手中联接手部与臂部 主要用来确定手部工作位置并 扩大臂部动作范围的部件 有些专用机械手没有手腕部件 而是直接将手部安 装在臂部的端部 3 臂部 是工业机械手用来支承腕部和手部实现较大运动范围的部件 4 机身 是工业机械手用来支承手臂部件 并安装驱动装置及其他装置的 部件 专用机械手一般将臂部装在主机上 成为主机的附属装置 驱动系统 驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置 采用的动力源不同 驱动系统 的传动方式也不同 驱动系统的传动方式有四种 液压式 气压式 电气式和机 械式 1 液压式 液压驱动主要是通过油缸 阀 油泵和油箱等实现传动 它利 用油缸 马达加上齿轮 齿条实现直线运动 利用摆动油缸 马达与减速器 油缸与齿条 齿轮或链条 链轮等实现回转运动 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 系统复杂成本较高 2 气压式 气压驱动所采用的元件为气压缸 气压马达 气阀等 一般采 用 4 6 个大气压 个别的达到 8 10 个大气压 它的优点是气源方便 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 速度不易控制 响应慢 动作不平稳 有冲击 只能用于点位控制 而且润滑性较差 气压系统容易生锈 为了减少停机时产生的冲击 气压系统 装有速度控制机构或缓冲机构 3 电气式 其驱动系统一般是由电机驱动 现在都用三相感应电动机作 为动力 用大减速比减速器来驱动执行机构 直线运动则用电动机带动丝杠螺 母机构 有的采用直线电动机 优点是电源方便 信号传递运算容易 响应快 驱动力较大 适用于中小型工业机械手 但是必须要使用减速机构 如齿轮减 第 7 页 速器 谐波齿轮减速器等 所需要的电机有步进电机 DC 伺服电机和 AC 伺服 电机等 4 机械式 其驱动系统由电机 齿轮 齿轮齿条 连杆等机械装置组成 传动可靠 适用于专一简单的机械手 这种方式结构比较庞大 本设计的手部夹紧 手臂伸缩 手臂升降 手臂俯仰 手臂回转均采用液 压式 腕部回转考虑到回转精度的原因 采用电气式 控制系统 控制系统是工业机械手的指挥系统 它控制驱动系统 让执行系统按照规 定的要求进行工作 并检测其正确与否 一般常见的为电气与电子回路控制 计算机控制系统也不断增多 就其控制方式 可分为分散控制与集中控制两种 类型 若以控制的运动轨迹来分 原则上分为两种 1 点位控制 主要控制空间两点或者有限多个点的空间位置 而对其运 动路径没有要求 专用机械手绝大多数均采用这种点位控制方式 2 连续轨迹控制 是用连续的信息对运动轨迹的任意位置进行控制 其 运动轨迹是连续的 对运动轨迹有要求的工业机械手需要连续轨迹控制 如电 弧焊 切割等 3 2 工业机械手的运动 工业机械手的运动 拟分为工业机械手的自由度 运动范围和各种运动形 式来叙述 工业机械手的自由度 工业机械手的手部所握持的工件 或工具 在空间的位置 是由臂部 腕 部以及整机等各自独立运动的合成来确定 确定手部中心位置与手部方位的独 立变化参数 就是工业机械手的自由度 有时被称为运动轴 运动度等 它是 工业机械手的重要参数之一 工业机械手的每一个自由度 都要相应地配一个原动件 如伺服马达 油 缸 气缸 步进马达等驱动装置 当各原动件按一定的规律运动时 机械手各 运动件就随之确定的运动 自由度数与原动件数必须相等 只有这样才能使工 业机械手具有确定的运动 对于机械手来说 如果自由度越多 就能更接近人 第 8 页 手的多种机能 通用性就更好 但自由度越多 结构越复杂 从而不容易满足 对整体结构在重量轻 体积小和高效率等方面的要求 这是工业机械手设计中 的矛盾 目前一般工业机械手的自由度 除手部夹紧动作外 大多不超过五个 工业机械手常见的各种自由度包括 臂伸缩 臂回转 臂俯仰 臂升降 腕部 回转 腕部俯仰 腕部直移 腕部摆动等 如图 1 2 所示 图1 2 工业机械手的运动示意图 工业机械手的运动范围 工业机械手的运动范围 是指机械手在平面或空间的运动轨迹图形的形状 及其大小 是机械手的技术参数之一 机械手所具有的自由度数目及其组合不 同 其运动轨迹图形也不同 而每个自由度的运动变化量 即直线运动的距离 第 9 页 和回转运动的回转角度 的大小都决定着运动轨迹图形的大小 一般情况下 臂部的自由度主要是用来确定手部以及工件 或工具 在空间的运动范围和位 置的 因此 臂部运动也称为机械手的主运动 而腕部的自由度则主要用来调 整手部以及工件 或工具 在空间的方位 表 1 1 所列为臂部几种自由度的不同组合及其运动范围的图形 臂部具有 一个自由度时的运动轨迹为宜直线或圆弧 具有两个自由度时 其运动轨迹为 一平面或圆柱面 具有三个自由度时 其运动轨迹则从面扩大到空间成为立方 体或回转体 包括圆柱体和球体等 表 1 2 为臂部运动组合的一般状况 表 1 1 臂部自由度的组合及其运动范围 组合运动 自由度数 直线运动 T 回转运动 R 直线运动与回转运动 T R 1 一直线运动构成一个直 线轨迹 一回转运动构成一圆弧 轨迹 2 二直线运动构成一个矩 形平面 二回转运动构成一个球 面轨迹 一个直线运动与一个回 转运动组合 当直线 运动方向与回转中心线 垂直时构成扇面形 当 直线运动方向与回转中 心线想平行时构成一个 圆柱面 3 三个直线运动构成一个 立方体 二直线运动 一个回 转运动构成圆柱体 二 个回转运动 一个直线 运动构成球体 表 1 2 臂部运动组合的一般状况 第 10 页 3T4 4 2T3 60 3 1T2 20 0T3 0R1R2R3R 工业机械手的各种运动形式 如前所示 由于臂部自由度的不同组合 其运动范围的图形也不同 可以 将其归纳为以下五种形式 1 圆柱坐标型 这种运动形式的机械手的臂部都具有回转 伸缩与升降 三个自由度 其与电脑范围的图形为一个圆柱体 它具有占地面积小而活动范 围大 结构较简单 紧凑 并能达到较高的定位精度 应用广泛 运动直观性 强 2 极坐标型 该运动形式工业机械手的臂部有一个直线运动与两个回转 运动组成 即有一个伸缩 一个俯仰与一个回转运动组成 其运动范围的图形 为一个球体 它具有动作灵活 占地面积小而工作时的运动范围大灯特点 但 结构较复杂 定位精度较低 运动直观性差 3 直角坐标型 直角坐标型的工业机械手的臂部由三个直线运动组成 即由沿 x y z 轴三个方向的运动组成 运动范围的图形为立方体 其特点是结 构简单 定位精度高 运动直观性强 但占地面积打而工作范围小 惯性大灵 活性差 4 多关节型 这种运动形式的工业机械手的臂部类似人的手臂可作几个 方向的转动 它由立柱和大 小两臂组成 大小两臂之间的联接为肘关节 大 臂与立柱之间的联接为肩关节 客使大臂作回转运动 小臂俯仰和大臂活动 其特点是工作范围大 动作灵活 通用性强 能抓取靠近机座的物体 但是 其运动直观性差 手部中心位置是由多个回转角确定的 要达到较高的定位精 度很困难 5 SCARA 型 这种形式的机械手实为水平多关节型机械手 多用于装配 故也被称为装配机械手 动作灵活 速度快 定位精度高 表 1 3 列出了各种 第 11 页 运动形式的特点对比 表 1 3 各种运动形式特点对比 形式运动组 合 工作范 围 所占空 间 运动惯 性 国外应用 状况 国内应用 状况 直观 性 其它 圆柱坐标 型 2T 1R 较大较小较大最多多较强 极坐标型 1T 2R 大较小较小多较少差能抓取地面物 品 直角坐标 型 3T 小大较大少较多强 多关节型最大较小较小较多最少最差能绕过障碍选 取途径 SCARA 型大小较小多少较差用于装配 综上所述 最后基本确定本设计工业机械手的运动形式为圆柱坐标型 自 由度数为 5 包括腕部回转 臂伸缩 臂升降 臂回转 臂俯仰 其中 臂俯 仰机构采用在伸缩臂的后方加装一直线油缸 起平衡作用 减少工件带来的偏 移 而且使臂部可以俯仰 从而增大整个工业机械手的运动范围 第 12 页 2 工业机械手的手部设计工业机械手的手部设计 2 1 概述 手部机构是工业机械手最重要的执行机构 它是工业机械手直接与工件 工具等接触的部件 能执行人手的部分功能 由于被握持工件的形状 尺寸 重量 材质及表面状态的不同 其手部机构是多种多样的 大部分的手部机构 都是根据特定的工件要求而专门设计的 2 2 手部机构形式 各种手部的工作原理不同 故其结构形态各异 钳爪式手部机构是最常见 的形式之一 按其抓取工件的方式有两种 外卡式和内撑式 从其机械结构特 征 外观与功用来看 有多种形式 且叫法不一 常用的手部机构有如下几种 1 拔杆连杆式钳爪 2 平行连杆式钳爪 3 齿轮齿条移动式钳爪 4 重力式钳爪 5 自锁式钳爪 6 自动定心钳爪 7 抓取不同直径工件的钳爪 8 具有压力接触销的钳爪 9 抓勾与定位销式钳爪 10 复杂形状工件用的自动调整是钳爪 11 同时抓取一对工件的钳爪 一般钳爪式手部机构由以下几部分组成 2 2 1 手指 第 13 页 它是直接与工件接触的构件 手部松开和夹紧工件 就是通过手指的张开与闭 合来实现的 一般情况下 机械手的手部只有两个手指 少数是三个或多指 2 2 2 传动机构 它是向手指传递运动和动力 以实现夹紧和张开的机构 2 2 3 驱动装置 它是向传递机构提供动力的装置 安驱动方式不同 可有液压 气压 电动和 机械驱动 此外 还有连接和支承元件 将上述有关部分连成一个整体 2 3 钳爪式手部机构的选用要点 2 3 1 应具有足够的夹紧力 工业机械手的手部机构靠钳爪夹紧工件后便把工件从一个位置移动到另一个位 置 由于工件本身的重量以及移动过程中产生的惯性力和振动等 钳爪必须具 有足够大的夹紧力 以保证工件在移动过程中不致产生松动或脱落 2 3 2 应具有足够的张开角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的张开角 手指的 张开角应保证工件能顺利进入或脱开 而且夹持工件的中心位置变化要小 即 定位误差小 若夹持不同直径的工件 应按最大直径的工件考虑 对于移动 型手指只有开闭幅度的要求 对于移动式钳爪要有足够大的移动范围 2 3 3 应能保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置 必须根据被抓取工件的形状 选择相应的钳爪形状来定位 例如圆柱形工件采用带 V 形面的手指 以便自 动定心 2 3 4 应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外 还受到机械手在运动过程中所产生 的惯性力和振动的影响 要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形 第 14 页 2 3 5 应适应被抓取对象的要求 适应工件的形状 工件的形状为圆柱形 则采用带 V 型钳口的手爪 工件 形状为圆球形则选用二指或三指钳爪 对于特殊形状的工件应设计与工件向适 应的钳爪 适应工件被抓取部位的尺寸 工件被抓取部位的尺寸尽可能是不变的 若加 工尺寸略有变化 那么钳爪应能适应尺寸变化的要求 工件表面要求高的 对 钳爪应采取相应的措施 如加软垫等 适应工作位置的状况 如工作位置窄小时可用薄片型钳爪 2 3 6 应尽可能具有一定的通用性 钳爪一般专用性较强 在可能的情况下 应考虑到产品零件的更换 为适应不 同形状和尺寸的要求 可将钳爪制成组合式结构 也可在设计时适当选取其结 构尺寸和参数以扩大其适应范围 综上所述 选用滑槽杠杆式钳爪 2 4 滑槽杠杆式钳爪的夹紧力分析与计算 如图2 1所示 拉杆2端部安装着圆柱销3 当拉杆2向上拉时 圆柱销就 在两个钳爪4的滑槽中移动 带动钳爪4绕与两回转指点回转夹紧工件 当 1 O 2 O 拉杆2向下推时 使钳爪4松开工件 设P为作用在拉杆2上的驱动力 为两钳 1 P 爪的滑槽对圆柱销的作用力 N为钳爪的夹紧力 钳爪的尺寸关系如图2 1所示 第 15 页 图2 1 滑槽杠杆式钳爪 1 手架 2 拉杆 3 圆柱销 4 钳爪 根据圆柱销的平衡条件可知 0F cos 则 1 2PP cos2 1 P P 按照钳爪的平衡条件 得 0M NbhP 1 1 P b h N 因为 cos a h 所以 式2 1 P b a N 2 cos 1 2 式中 a 钳爪回转支点 或 到对称中心线的距离 1 O 2 O 第 16 页 b 钳爪回转支点到钳口中心线的距离 从式 2 1 可知 在驱动力P一定的情况下 增大 则夹紧力N也随之增大 但过大会导致拉杆 即活塞杆 的行程过大 以及钳爪滑槽部分尺寸长度增 大 使手部结构加大 所以一般取 30 40 为宜 本设计选取30 因为钳爪会在各个方向都抓取工件 所以 在计算当量夹紧力时 以最 大夹紧力来计算 G f N 5 0 查表得 钢与钢的静摩擦力系数f 0 1 所以 N 5G 5 30 10 1500 N 2 5 滑槽杠杆式钳爪手部机构的驱动力计算 如图2 1所示 a 225mm b 150mm 30 又求得N 1500 N PN 2 30cos 1 150 2 225 P 1500 N 即 N 1500 计算 P 2 2 21K K PP 计算实际 式中 手部机构的机械效率 0 85 0 9 安全系数 1 5 2 0 1 K 工作情况系数 主要应考虑惯性力的影响 a为 2 KgaK 1 2 被抓取工件的最大加速度 本设计取1m 2 s 最后求得 2911 N 实际 P 第 17 页 2 6 手部夹紧液压缸的设计与计算 由式 2 2 得 2911 N 实际 P 根据表 2 1 和表 2 2 选取液压缸的工作压力 小于 5000N 所以液压缸的工作 压力 P 1MPa 载荷 KN 50 工作压力 MPa 0 8 11 5 22 5 33 44 5 5 表 2 1 按载荷选择工作压力 液压缸的公 称压力系列 GB T7938 1987 Mpa 0 63 1 0 1 6 2 5 4 6 3 10 16 25 31 5 40 0 液压缸内径 系列 GB T2348 1993 mm 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 90 100 110 125 1 40 160 180 200 220 250 280 320 360 400 450 500 液压缸活塞 杆外径尺寸 系列 GB T2348 1993 mm 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 28 0 320 360 液压缸 行程系 列 第 1 系 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 第 18 页 列 第 2 系 列 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 GB T2 349 1980 mm 第 3 系 列 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1 050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 表 2 2 液压缸的主要参数 缸筒内径 D 3 57 61mm P F 2 10 根据表 2 2 取 D 63mm 缸筒壁厚 一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1 10 其壁厚可按薄壁 筒公式计算 2 p DP 式中 缸筒壁厚 mm 气缸内径 mmD 实验压力 取 Pa p PPPp5 1 选取材料为 45钢 120MPa 代入己知数据 则壁厚为 0 3mm 2 p DP 考虑到缸筒外径上要安装深沟球滚子轴承 且缸盖与缸筒采用外螺纹连接 初 步选取 6mm 则缸筒外径为 752663 1 mmD 缸筒外径上攻标准螺纹 1 0 85 75 2 5 625mm 6mm 符合要求 所 1 以 壁厚取6mm 活塞杆直径 d D 为速比 根据标准取1 46 1 第 19 页 0 063mm 11mm 46 1 146 1 根据表2 2标准取16mm 活塞杆强度校核 mm 满足实际设计要求 F d 4 120 14 3 2911 4 导向长度 H L 20 D 2 36 5mm L为液压缸行程 根据表2 2选标准值100mm 导向套长度 A 0 6 1 6 D 50mm 活塞长度 B 0 6 1 0 D 50mm 考虑到此液压缸行程较短 所以不用外加导向装置 第 20 页 3 工业机械手的腕部设计工业机械手的腕部设计 3 1 概述 工业机械手的腕部是连接手部和手臂的部件 起支承手部的作用 并调整或改 变工件的空间方位 腕部实际所具有的自由度数目应根据机械手的工作性能要 求来确定 在大多数情况下 腕部具有两个自由度 回转和俯仰或摆动 设计腕部时要注意下列几点 1 结构尽量紧凑 重量尽量轻 对于自 由度数较多以及驱动力要求较大的腕部 结构设计矛盾较为突出 因为对于腕 部每一个自由度就要相应的配一个驱动件和执行件 要使腕部在较小的空间同 时容纳几套元件 困难较大 2 转动灵活 密封性要好 3 要适应工作 环境的需要 对于高温作业和腐蚀性介质中工作的工业机械手 其腕部与手部 经常在高温区域或者腐蚀介质中停留与操作 直接受到影响 故一定要采取相 应的措施 但本设计因为臂部增加了俯仰功能 所以本设计的腕部只有一个自由度 回转 同时因为考虑到控制精度的原因 腕部的回转采用步进电机直接带动 手部夹紧液压缸缸体回转的方式 同时 考虑到步进电机的扭矩可能部够 因 此 通过一对减速齿轮增大扭矩 如图3 1所示 第 21 页 图 3 1 腕部 3 2 腕部回转力矩的计算 手腕回转时 驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性阻 力矩 手腕的转动轴与支承处的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线 不重合所产生的偏置力矩 计算方法如下 3 2 1 摩擦阻力矩 摩 M N m 摩 M 2211 2 DNDN f 式中 摩擦系数 对于滚动轴承 对于滑动轴承 f02 0 f1 0 f 轴承的支承反力 N 可按手腕转动轴的受力分析求解 21 N N 轴承直径 m 21 D D 0 02 2 2730 0 075 2380 0 02 摩 M 2 52 N m 3 2 2工件重心偏置引起的偏置力矩 偏 M 第 22 页 Ge N m 偏 M 式中 G 工件重量 N e 偏心距 即工件重心到回转中心线的垂直距离 当工件重心与 手腕回转中心线重合时 为 0 本设计中工件外形比较规则 且工件尺寸 偏 M 不大 所以 可以考虑为工件中心一直与手腕回转中心线重合 即为 0 偏 M 3 2 3 腕部启动时的惯性阻力矩 惯 M 3 2 3 1 当知道手腕回转角速度时 可用下式计算 N m 惯 MJ 工件 J 启 t 式中 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 J 工件对手腕转动轴线的转动惯量 工件 J 手腕转动时的角速度 弧度 s 起动过程所需的时间 s 启 t 3 2 3 2当知道手腕回转启动过程中转过的角度时 可用下式计算 启 N M 惯 MJ 工件 J 启 2 2 式中 手腕转动时的角速度 弧度 s 启动过程中转过的角度 rad 启 启 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算 M N M 惯 M 摩 M 偏 M 本设计中腕部启动时间设计为0 1s 考虑到摩擦损失等因素 一般将M取大一些 可取 M 1 1 N M 惯 M 摩 M 偏 M 1 1 91 58 2 52 0 103 5 N M 考虑到步进电机的扭矩可能不够 而且为了减小轴向尺寸 因此使步进电 机与液压缸平行安装 中间通过一对减速齿轮来增大扭矩 第 23 页 4 工业机械手臂部的设计工业机械手臂部的设计 4 1 概述 臂部是工业机械手的主要执行部件 其作用是支承手部和腕部 并改变手 部在空间的位置 工业机械手的臂部一般具有2 3个自由度 即伸缩 回转 俯仰和升降 臂部总重量较大 受力一般较为复杂 在运动时 直接承受腕部 手部和工件 或工具 的动 静载荷 尤其高速运动时 将产生较大的惯性力 或惯性矩 引起冲击 影响定位的准确性 臂部运动部分零部件的重量直 接影响着臂部结构的刚度和强度 专用机械手的臂部一般直接安装在主机上 工业机械手的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身上 机身可以是 固定式的 也可以带有行走机构 可沿地面或导轨运动 臂部的结构形式必须根据机械手的运动形式 抓取重量 动作自由度 运 动精度等因素来确定 同时 设计时必须考虑到手臂的受力情况 油气缸及导 向装置的布置 内部管路与手腕的连接形式等因素 因此设计臂部机构时一般 要注意下述要求 1 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形 手臂的截面形 状要合理 工字形截面的弯曲强度一般比圆截面大 空心管的弯曲刚度和扭转 刚度都比是新轴大 所以常用钢管作臂杆及导向杆 用工字钢和槽钢作支承板 2 导向性要好 为防止手臂在直移运动中 沿运动轴线发生相对转动 或设置导向装置 或设计方形 花键等形式的臂杆 3 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产 生的静力矩 为提高机械手的运动速度 要尽量减小臂部运动部分的重量 以 减小偏重力矩和整个臂部对回转轴的转动惯量 4 运动要平稳 定位精度要高 由于臂部运动速度越高 重量越大 惯 性力引起的定位钱的冲击也就越大 运动既不平稳 定位精度也不会高 故应 尽量减小臂部运动部分的重量 使结构紧凑 重量轻 同时要采取一定形式的 第 24 页 缓冲措施 4 2 工业机械手臂部的结构形式 工业机械手的臂部结构一般包括臂部伸缩 回转 俯仰 升降等运动的结构以 及与其有关的构件 如传动机构 驱动装置 导向定位装置 支承连接件和位 置检测元件等 此外还有与腕部连接的有关构件及配管 线等 4 2 1工业机械手臂部伸缩运动的结构 伸缩运动的结构主要有以下几种形式 采用倍增机构的臂伸缩结构 这种结构的特点是传递效率高 易于实现较大 的行程和速度 采用单导向杆的臂伸缩结构 这种结构由于活塞杆 导向杆和检测棒全部藏 在缸体内 结构紧凑 外观整洁 但增加了缸体厚度 将大幅度增加臂部结 构的重量 一般用于小型机械手 采用大直径导向管的臂伸缩结构 该结构一根大直径导向管作伸缩臂 采用燕尾型导轨的臂伸缩结构 采用这种导轨导向 刚度大 工作平稳 采用双导向杆的臂伸缩结构 其特点是手里均衡 可用于抓重大 行程较长 的场合 采用四根导向柱的臂伸缩结构 其特点是行程长 抓重较大 工件形状不规 则时 为了防止产生较大的偏重力矩 采用四根导向柱 本设计的手部伸缩运动的机构采用形式 即双导向杆结构 如图4 1 第 25 页 图4 1 4 2 2工业机械手臂部俯仰运动的结构 工业机械手的臂部俯仰运动 一般采用铰接油气缸来实现 铰接油气缸位于油 缸下方 活塞杆与手臂之间用铰链连接 缸体与立柱之间用耳插销轴等方式连 接 如图4 2所示 臂部的俯仰由铰接臂部的活塞杆的运动来实现 图 4 2 4 2 3臂部回转及升降的结构 本设计采用齿条缸式臂回转结构 如图 4 3 所示 这种齿条缸比一般回转缸 第 26 页 有较大的输出扭矩和较大的回转角 可大于 360 但结构尺寸一般比较大 所以安装在升降缸的下部固定在底座上 回转运动由齿条活塞杆驱动齿轮带 动输出轴转动 输出轴和升降缸缸体连接 带动缸体转动 再带动手臂回转 升降运动由升降缸活塞杆带动手臂升降 图 4 3 4 2 4 导向装置 工业机械手的手臂伸缩及升降运动机构上设有导向装置 其目的是 防止移动件在伸缩及升降时产生不必要的转动 以保证手臂运动方位的 准确性 增大移动 部件的刚性 减少移动部件由于自重与抓取重量变化所引起 的变形与位移 承受移动部件的部分自重和抓取工件 或工具 的部分重量 第 27 页 4 3 工业机械手臂部运动驱动液压缸的设计与计算 计算臂部运动驱动力 包括力矩 时 把臂部所受的全部负荷考虑进去 机 械手工作时 臂部所受的负荷主要是惯性力 摩擦力和重力等 4 3 1 手臂水平伸缩运动驱动液压缸的计算 手臂水平伸缩运动驱动力的计算 手臂作水平伸缩运动时 首先要克服摩擦阻力 包括油缸与活塞之间的摩擦力 及导向杆与支承滑套之间的摩擦力等 还要克服启动过程中的惯性力 其驱动 力可按下式计算 q P N 式 q P m FFg 4 1 式中 各支承处的摩擦阻力 m F 启动过程中惯性力 其大小按下式估算 Fg N 式Fga g W 4 2 式中 W 手臂伸缩部件的总重量 N g 重力加速度 10 s m 2 a 启动过程中平均加速度 s m 2 而 a t v s m 2 速度变化量 如果手臂从静止状态加速到工作速度 则这个过程中速v 度变化量就等于手臂的工作速度 启动过程所用时间 一般为 0 01 0 5 s t 本设计中 设计启动时间为 0 1s 工作速度为 500mm s 导向套摩擦系数为 0 1 第 28 页 粗略计算运动部件重量为 80Kg 最后计算得 0 1 80 800 10 0 5 0 1 N q P 480 N 手臂水平伸缩运动驱动液压缸的设计与计算 本设计中 此液压缸安全系数取 1 2 由式 4 1 得 480 N q P P 480 1 2 576 N 根据表 2 1 和表 2 2 选取液压缸的工作压力 小于 5000N 所以液压缸的工 作压力 P 1MPa 缸筒内径 D 3 57 24 63mm P F 2 10 根据表 2 2 取 D 40mm 缸筒壁厚 一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1 10 其壁厚可按薄壁 筒公式计算 2 p DP 式中 缸筒壁厚 mm 气缸内径 mmD 实验压力 取 Pa p PPPp5 1 选取材料为 45钢 120MPa 代入己知数据 则壁厚为 0 25mm 2 p DP 考虑缸盖与缸筒采用外螺纹连接 初步选取 5mm 则缸筒外径为 502 540 1 mmD 缸筒外径上攻标准螺纹 1 0 85 50 2 3 75mm 5mm 符合要求 所 1 以 壁厚取5mm 活塞杆直径 d 1 5 1 3 D 13mm 根据表2 2标准取14mm 第 29 页 活塞杆强度校核 mm 满足实际设计要求 F d 4 120 14 3 576 4 导向长度 H L 20 D 2 45mm L为液压缸行程 根据表2 2选标准值500mm 导向套长度 A 0 6 1 6 D 50mm 活塞长度 B 0 6 1 0 D 40mm 4 3 2 手臂垂直升降运动驱动液压缸的设计与计算 手臂垂直升降运动驱动力的计算 手臂作垂直运动时 除克服摩擦力和惯性力之外 还要克服臂部运动部件的 重力 故其驱动力可按下式计算 q P W N 式 4 3 q P m FFg 式中 各支承处的摩擦阻力 m F 启动过程中惯性力 按式 4 2 计算 Fg W 手臂运动部件的总重量 N 上升时为正 下降时为负 粗略计算得运动部件的重量为 135 Kg 升降速度 250mm s 启动时间 0 2s 计算得 1350 10 1350 10 0 25 0 2 1350 1653 N q P 手臂垂直升降运动驱动液压缸的设计与计算 在本设计中 此液压缸的安全系数为 1 1 由 式 4 3 得 P 1653 1 1 1818 N 根据表 2 1 和表 2 2 选取液压缸的工作压力 小于 5000N 所以液压缸的工作 压力 P 1MPa 缸筒内径 D 3 57 48 23mm P F 2 10 根据表 2 2 取 D 50mm 缸筒壁厚 一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1 10 其壁厚可按薄壁 筒公式计算 2 p DP 式中 缸筒壁厚 mm 第 30 页 气缸内径 mmD 实验压力 取 Pa p PPPp5 1 选取材料为 45钢 120MPa 代入己知数据 则壁厚为 0 6mm 2 p DP 考虑到缸盖与缸筒采用外螺纹连接 初步选取 5mm 缸筒外径上攻标准螺纹 1 0 85 60 2 4 5mm 5mm 符合要求 所以 壁 1 厚取5mm 活塞杆直径 d 1 5 1 3 D 11mm 根据表2 2标准取12mm 活塞杆强度校核 3 9mm 满足实际设计要求 F d 4 120 14 3 1818 4 导向长度 H L 20 D 2 50mm L为液压缸行程 根据表2 2选标准值500mm 导向套长度 A 0 6 1 6 D 60mm 活塞长度 B 0 6 1 0 D 50mm 4 3 3 手臂俯仰运动驱动液压缸的设计与计算 手臂俯仰运动驱动力的计算 5 30 10 1 2 15 15 10 0 7 20 10 0 2 25 10 0 25 1 Fl 632 5 N M 式 4 4 632 5 0 25 2530 N 1 F 式中 运动部件重力矩 1 Fl 驱动力 1 F 手臂俯仰运动驱动液压缸的设计与计算 本设计中 安全系数选 1 2 由 式 4 4 得 P 2530 1 2 3036N 根据表 2 1 和表 2 2 选取液压缸的工作压力 小于 5000N 所以液压缸的工作 压力 P 1MPa 第 31 页 缸筒内径 D 3 57 61 9mm P F 2 10 根据表 2 2 取 D 63mm 缸筒壁厚 一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1 10 其壁厚可按薄壁 筒公式计算 2 p DP 式中 缸筒壁厚 mm 气缸内径 mmD 实验压力 取 Pa p PPPp5 1 选取材料为 45钢 120MPa 代入己知数据 则壁厚为 0 3mm 2 p DP 考虑到缸盖与缸筒采用外螺纹连接 初步选取 6mm 缸筒外径上攻标准螺纹 1 0 85 75 2 5 625mm 6mm 符合要求 所 1 以 壁厚取6mm 活塞杆直径 d 1 5 1 3 D 16mm 根据表2 2标准取16mm 活塞杆强度校核 8mm 满足实际设计要求 F d 4 120 14 3 3063 4 导向长度 H L 20 D 2 47 5mm L为液压缸行程 根据表2 2选标准值320mm 导向套长度 A 0 6 1 6 D 60mm 活塞长度 B 0 6 1 0 D 50mm 4 3 4 手臂回转运动驱动力矩的计算 臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的 摩擦力矩来计算 由于启动过程一般不是等加速运动 故最大驱动力矩要比 平均要比理论平均值大些 一般去平均值的 1 3 倍故驱动力矩可按 q M 下式计算 1 3 N m 式 4 5 q MMmMg 第 32 页 式中 各支承处的摩擦力矩 Mm 启动时惯性力矩 一般可按下式计算 Mg J N m Mg 启 t 式中 J 手臂部件对其回转轴线的转动惯量 手臂转动的角速度 弧度 s 起动过程所需的时间 s 启 t 如果零件看作为质点 它对回转轴线的转动惯量为 0 J 2 p g G 如果零件中心与回转轴线不重合 则它对回转轴线的转动惯量为 式4 6 a J c J 2 p g G 式中 零件对其重心的转动惯量 c J 零件的重心到回转轴线的距离p G 零件的重量 N g 重力加速度 本设计中 工作角速度为45 s 启动时间0 1s 根据 式4 6 计算得 77 Kg a J 2 m 根据 式4 5 计算得