中成药瓶盖旋紧机械手设计

欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 大学毕业设计 论文 报告纸 第 1 页 共 2 页 编号 毕业设说明书毕业设说明书 题 目 中成药瓶盖旋紧机械手设计中成药瓶盖旋紧机械手设计 院 系 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 指导教师单位 姓 名 职 称 教授 摘 要 随着现代机械工业的不断发展 科学技术日新月异 尤其是微机单片机等技术的 出现以及他们的优越的性能不断完善 还有现代测试技术的渗透发展 为了能在 21 世 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 大学毕业设计 论文 报告纸 第 2 页 共 2 页 纪激烈的竞争中立于不败之地 对各行各业提出了更高的要求 尤其是科技含量还有 就是效率 效率决定竞争的胜败 因此很多传统的手工作业 特别是机械行业必须要 求用现代化 自动化的机械代替人的工作 这样可以节省人力 提高效率 提高竞争 力 因此就出现了工业机器人 可以代替人做不同的工作 后来为了使机器人更加专 用化 减少成本 简单化 又要求一种特别的机器人 专用机械手就是其中一个 在 这里我将设计一个药瓶盖旋紧机械手 他是一个集机械 电气 测试 微机于一体的 典型的机电一体化产品 由机械部分作为他的执行机构 电气和液压作为驱动机构 各种传感器和电位器作为测试元件 单片机作为控制机构的一个专用机械手 本设计 本着简单 实用 经济 高效的原则 仅是为瓶盖旋紧而特地设计的专用机械手 他 只有三个自由度 包括手臂的升降 手臂的旋转还有手腕的旋转的三个自由度 他是 由液压控制手臂的升降 回转和手指的夹紧放松 用步进电机实现旋紧动作 用压力 传感器测定是否夹紧 防止夹坏或者夹不稳 这种设计既简单又能实现所要的功能 是一个圆柱坐标式机械手 本论文将对这个专用机械手进行方案的设计 分析 比较 然后确定最优方案 还要进行强度硬度等有关的校核 以及尺寸的确定 最后画出总 装配图 关键词 专用机械手 旋紧 单片机控制 混合驱动 计算校核 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 大学毕业设计 论文 报告纸 第 3 页 共 2 页 Abstract As the mechanical industry unceasingly develops science and technology change with each passing day especially the appearance of microcontroller and microcomputer makes it develop faster with their excellent function that is perfecter meanwhile which is with infiltration of development of modern measuring and testing technique For standing up for ever in cutthroat competition in the 21st century pushing all walks of life needs higher requirement especially including Scientific and technological content and efficiency because efficiency decides who will be winner much traditional work of hand esecially for Machinery Industry must require to use the machines of modernization and automation to do work commonly done by persons so it can save manpower improve efficiency and improve the competitive power So industrial robot appears with the very reasons who can replace people to do different jobs Then for the purpose of speciality in robot reducing cost and simplification it requires a kind of special robot to which special manipulator belongs Here I will design a manipulator using for tightening cover of medicine bottle it is typically a kind of product about mechanotronics which includes mechnism electric testing and microcomputer The parts of machine is actuator electric and hydraulic pressure is driver all kinds of sensors and potentiometer are used for testing components microcontroller controls manipulator as control mechnasm The special manipulator used for tightening the cover of medicine bottle has three DOF Hydraulic pressure controls the movement and rotation of the arm and clamping and disentwining of hand of manipulator with wrist owning three DOF Using step motor realize the action of tightening using force sensors measures whether it is clamped which prevented parts to be broken or instable This design is not only simple but also it can realize some function we need it is a rectangular coordinate s manipulator This paper decides to most excellent solution through designing anlyzing and comparing manipulator s solution meanwhile by checking intensity rigidity and so on and ensuring responding dimension at last I draw general assembly drawing Key words special manipulator tightening microcontroller control couple driving checking calculation 大学毕业设计 论文 报告纸 第 1 页 共 2 页 目 录 引言 1 1 绪论 3 1 1 机械手设计的目的 3 1 2 机械手设计的内容 3 1 3 机械手设计的要求 3 2 机械手的方案选择 4 2 1 机械手的组成 4 2 1 1 执行机构 4 2 1 2 驱动机构 5 2 1 3 控制系统 5 2 1 4 基体 6 2 2 方案的比较选择 6 2 2 1 手部的选定 6 2 2 2 腕部的选定 7 2 2 3 臂部的选定 8 2 2 4 驱动系统的选定 9 3 计算校核 12 3 1 计算机械手手部的夹紧驱动力 12 3 2 腕部回转力矩的计算 14 3 3 臂部与机身的计算 15 3 3 1 手部作升降运动的液压缸驱动力的计算 15 3 3 2 手臂回转液压缸的计算 17 4 驱动的选择 19 4 1 液压控制部分 19 4 1 1 液压控制简介 19 4 1 2 液压系统传动方案的确定 19 4 2 步进电机控制部分 25 4 2 1 步进电机的介绍 25 4 2 2 选择步进电机 28 4 2 3 选择步进电机的联轴器 29 4 2 4 步进电机的驱动方式选择 30 大学毕业设计 论文 报告纸 第 2 页 共 2 页 5 检测和控制 32 6 设计总结 34 谢 辞 35 参考文献 36 附录 1 37 附录 2 38 大学毕业设计 论文 报告纸 第 1 页 共 40 页 引言 首先我介绍一下机器人产生的背景 机器人技术的发展 它应该说是一个科学技 术发展共同的一个综合性的结果 同时 为社会经济发展产生了一个重大影响的一门 科学技术 它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入 就加强了本 国的经济的发展 比如说日本 战后以后开始进行汽车的工业 那么这时候由于它人 力的缺乏 它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造 提高生产效率降低人的劳动 强度 这是从社会发展需求本身的一个需求 另一方面它也是生产力发展的需求的必 然结果 也是人类自身发展的必然结果 那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发 展的情况 人们越来越不断探讨自然过程中 在改造自然过程中 认识自然过程中 来 需求能够解放人的一种奴隶 那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体 力劳动 实现人们对不可达世界的认识和改造 这也是人们在科技发展过程中的一个 客观需要 但另一方面 尽管人们有各种各样的好的想法 但是它也归功于电子技术 计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证 那么下面我谈一下就人们很关心的问题 为什么要发展机器人 那么简单说 机器 人有三个方面是我们必要去发展的理由 一个是机器人干人不愿意干的事 把人从有毒 的 有害的 高温的或危险的 这样的环境中解放出来 同时机器人可以干不好干的 活 比方说在汽车生产线上我们看到工人天天拿着一百多公斤的焊钳 一天焊几千个点 就重复性的劳动 一方面他很累 但是产品的质量仍然很低 另一方面机器人干人干 不了的活 这也是非常重要的机器人发展的一个理由 比方说人们对太空的认识 人 上不去的时候 叫机器人上天 上月球 以及到海洋 进入到人体的小机器人 以及 在微观环境下 对原子分子进行搬迁的机器人 都是人们不可达的工作 上述方面的 三个问题 也就是说机器人发展的三个理由 那么什么是机器人呢 这个问题是一个非常有意思的一个问题 但人们一般的理解 机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置或者叫自动化装置 它仍然是个机器 它有三个特点 一个是有类人的功能 比如说作业功能 感知功能 行走功能 还能 完成各种动作 它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作 这里一个显著的特点 就是它可以编程 改变它的工作 动作 工作的对象和工作的一些要求 它是人造的 机器或机械电子装置 所以这个机器人仍然是个机器 但是目前还没有一个统一的有 关机器人定义 一般来说我们认为机器人是计算机控制的可以编程的目前能够完成某 种工作或可以移动的自动化机械 这是美国工程师协会定的一个定义 但日本和其他 国家也对机器人有不同的看法 他们认为从完整的更为深远的机器人定义来看 应该 更强调机器人智能 所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境 能够有学习 情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器 那么这给机器人提出来更高层次的要求 大学毕业设计 论文 报告纸 第 2 页 共 40 页 那么比方说机器人在这里边可以代替人进行焊接 焊接的环境是非常复杂的 可以搬 运 它在生产线中搬运玻璃和各种各样的一些零件的搬运的工作 还可以在生产线中 码垛等等 这都是把人从繁重的体力劳动中解放出来的一个例子 那么什么是机械手呢 机械手就是一种简单的机器人 实际上就是专用的机械手 是一种可以模仿人的手和手臂的某些运动机能 能够安装给定的程序 轨迹和其他的 要求 实现抓取 搬运或者完成某些劳动作业的机械化 自动化的装置 那么总结一下 我们认为 机器人有三个发展阶段 那么也就是说 我们习惯于 把机器人分成三类 一种是第一代机器人 那么也叫示教再现型机器人 它是通过一 个计算机 来控制一个多自由度的一个机械 通过示教存储程序和信息 工作时把信 息读取出来 然后发出指令 这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果 再 现出这种动作 比方说汽车的点焊机器人 它只要把这个点焊的过程示教完以后 它 总是重复这样一种工作 它对于外界的环境没有感知 这个操作力的大小 这个工件 存在不存在 焊的好与坏 它并不知道 那么实际上这种从第一代机器人 也就存在 它这种缺陷 因此 在 20 世纪 70 年代后期 人们开始研究第二代机器人 叫带感觉 的机器人 这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉 比如说力觉 触觉 滑 觉 视觉 听觉和人进行相类比 有了各种各样的感觉 比方说在机器人抓一个物体 的时候 它实际上力的大小能感觉出来 它能够通过视觉 能够去感受和识别它的形 状 大小 颜色 抓一个鸡蛋 它能通过一个触觉 知道它的力的大小和滑动的情况 那么第三代机器人 也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段 叫 智能机器人 那么只要告诉它做什么 不用告诉它怎么去做 它就能完成运动 感知 思维和人机通讯的这种功能和机能 那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这 种智能的概念和含义 但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在 而只是 随着我们不断的科学技术的发展 智能的概念越来越丰富 它内涵越来越宽 下面我简单介绍一下我国机器人发展的基本概况 刚才谈到了日本在 20 世纪 60 年代和美国都在开始进行机器人的研究 由于我们国家存在很多其他的各种因素 问 题 我们国家在机器人的研究 在 20 世纪 70 年代后期 当时我们在国家北京举办一 个日本的工业自动化产品展览会 在这个会上有两个产品 一个是数控机床 一个是 工业机器人 这个时候 我们国家的许多学者 看到了这样一个方向 开始进行了机 器人的研究 但是这时候研究 基本上还局限于理论的探讨阶段 那么真正进行机器 人研究的时候 是在七五 八五 九五 十五将近这二十年的发展 发展最迅速的时 候 是在 1986 年我们国家成立了 863 计划是高技术发展计划 就将机器人技术作为 一个重要的发展的主题 国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究 使得我 们国家在机器人这一领域得到很快地 迅速地发展 大学毕业设计 论文 报告纸 第 3 页 共 40 页 1 绪论 1 1 机械手设计的目的 专用机械手设计是机械制造 机械设计和机械电子工程等专业的一个重要的教学 环节 是机械设计有关专业的学生毕业设计的一个综合设计课题 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 机电夜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 通过设计要求把有关的课程比如 机构分析与综合 机械原理 机械设计 液压与气压系统 测试技术 数控技术 微机和单片机原理及 应用等从中获得理论知识在实际中综合起来加以运用 使这些知识的到巩固和发展 并使理论与实际密切的结合起来 同时机械手设计是机械设计及制造专业的学生的一 次比较完整的机电一体化整机的设计 通过设计 培养学生独立的机械整机设计能力 树立正确的设计思想掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤 为日后工作打 好基础 通过设计使学生能熟练的应用有关参考资料 计算图表 手册 图册和规范 熟练有关国家标准和部颁标准 以完成一个工程技术人员在机械整机设计方面所必须 具备的基础技能训练 1 2 机械手设计的内容 在调研 广泛收集资料后拟定多种方案 经过充分的分析论证后选择最佳方案 完 成机械手总装配图设计 完成部分零件图纸 完成四万字符的英文翻译 两万字的毕业设计论文 要求论文 概念清晰 层次分明 完成该机械手的单片机控制系统硬件配置图及相关软件的设计 该机械手能自动完成规定的功能 也能按要求手动 分步完成规定的动作 1 3 机械手设计的要求 要求机械手动作灵敏 准确可靠 要求能检测药瓶是否准确到位 若检测药瓶没有准确到位 及时发出反馈的信号 调整药瓶的位置 要求控制拧紧力矩 以防过紧拧坏瓶盖或过松 要求机械手有良好的适应性 性能优良 体积尽可能小 制造费用低 大学毕业设计 论文 报告纸 第 4 页 共 40 页 2 机械手的方案选择 2 1 机械手的组成 机械手是由执行机构 驱动系统和控制系统所组成的 各部分关系如 2 1 图所示 控制系统 驱动系统 位置反馈装置 执行机构 工件 控制系统 驱动系统 位置反馈装置 执行机构 工件 图 2 1 机械手组成框图 2 1 1 执行机构 执行机构是由抓取部分包括手部 臂部 还有行走部件组成 手部 即是直接跟工件接触的部分 一般是回旋型或平移型 多为回旋型的 因其结构 简单 手爪多为两指 也有多指的 根据需要分为外抓式或内抓式两种 也可负压 式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘 传动机构型式较多 常见的有 滑槽杠杆式 连 杆杠杆式 斜契杠杆式 丝杠螺母式等 腕部 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 他可以上下 摆动 左右摆动 和绕自身轴线的回旋三个运动 如有特殊的要求手腕还可以有一个 小距离的横移 也有的机械手没有腕部的自由度 臂部 手臂有无关节臂和有关节臂之分 目前采用的手臂几乎都是无关节臂 多关节臂 还处在研究阶段 手臂的作用是引导手指准确地抓住工件 并运送到所需要的位置上 为了使机械 大学毕业设计 论文 报告纸 第 5 页 共 40 页 手能够正确地工作 手臂的三个自由度都需要精确地定位 总括机械手的运动 离不开直线移动和转动二种 因此它采用的执行机构主要是 直线油缸 摆动油缸 电液脉冲马达 伺服油马达 交流伺服马达 直流伺服马达和 步进马达等 手臂有三个自由度 可以采用直角坐标 圆柱坐标 球坐标和多关节四种方式 直角坐标占空间大 工作范围小 惯性大 所以一般不多用 只有在自由度较少 的时候用之 圆柱坐标占用空间较小 工作范围较大 但惯性也大 且不能抓取地面的物体 球坐标和多关节占用空间小 工作范围大 惯性小 所需动力小 能抓取底面的 物体 多关节还可以绕障碍物选择途径 但多关节机构较复杂 所以不多用 在本设计中选用了圆柱坐标式 行走机构 有的机械手带有行走机构 2 1 2 驱动机构 有气动 液动 电动 机械的四种形式 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时 有较高的重复定位精度 但是臂力一般在 300N 以下 液动式力气大 臂力可以达 1000N 以上 且可以用电液伺服机构 可以实现连续控制 使机械手的用途和通用性更广 定位精度在 1mm 范围内 目前常用的式气动和液动驱 动的方式 电动式用于小型的 机械式一般用于动作简单的场合 2 1 3 控制系统 机械手控制的要素 包括工作顺序 到达位置 动作时间 运动速度和加减速度 等 机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种 目前以点位控制为主 占 90 以上 控制系统可根据动作的要求 设计采用数字顺序控制 它首先要编制程序加以存 贮 然后再根据规定的程序 控制机械手进行工作 程序的存贮方式分为分离存贮和集中存贮两种 分离存贮是将各种控制因素的信 息分别存贮于两种以上的存贮装置中 如顺序信息存贮于插销 饭 凸轮转鼓 穿孔带 内 位置信息存贮于时间继电器 定速回转鼓等 集中存贮是将各种控制因素的信息全部存贮于一种存贮装置内 如磁带 磁鼓等 这种方式适用于顺序 位置 时间 速度等必须同时控制的场合 即连续控制的情况 下使用 对动作复杂的机械手 机械人 采用示教再现型控制系统 更复杂的机械手 机械 人 则采用数字控制系统 小型计算机或微处理机控制的系统 大学毕业设计 论文 报告纸 第 6 页 共 40 页 控制系统以插销板用得最多 其次是凸轮转鼓 它装有许多凸轮 每一凸轮分配 给一个运动轴 转鼓转动一周便完成一个工作循环 插销板适用于裕要迅速改变程序的场合 换一种程序只需抽换一种插销板就可 而同一插件又可以反复使用 穿孔带容纳的程序长度可不受限制 但如果发生错误时就要全部更换 穿孔卡的 信息容量有限 但便于更换 保存 可重复使用 磁芯和磁鼓仅适用子存贮容量较大的场合 范于选择那一种控制元件 则根据动 作的复杂程度和精确程度来确定 2 1 4 基体 基体是整个机械手的基础 2 22 2 方案的比较选择 2 2 1 手部的选定 归结起来 常用的手部 按其握持工件的原理 大致可以分为夹持和吸附两大类 夹持类主要用于所夹持的物体表面不是很光滑 特别是有螺纹的物体 而吸附式主要 用于表面特别光滑的物体利用真空吸附或者用能被磁铁吸附的物体 本设计要求的是 瓶盖的旋紧 通过比较可以选定用夹持式的手部 而夹持类主要是夹钳式 钩托式和 弹簧式 按其的运动方式又可以分为手指回旋型和手指平移型两种 根据要求可以知 道选择的是回旋型手指 夹钳式的手部是由手指 传动机构和驱动装置三部分组成的 他对抓取各种形状的工件具有较大的适应性 可以抓取轴类 盘类 套类零件 一般 情况下 多采用两个手指 少数采用三个指或者多个指 驱动装置根据驱动源可以分 为液压的 气压 大学毕业设计 论文 报告纸 第 7 页 共 40 页 图 2 2 为连杆杠杆式手部 图 2 3 为滑槽杠杆式手部 的和电动的等几类形式 常用的传动机构往往通过滑槽 斜槽 齿轮齿条 连杆机构 实现夹紧或松开的 根据需要 因为本设计要求是能夹紧瓶盖并且能够旋紧瓶盖 而 根据他们的特点液压和气压的很难能转过 360 度角 而本设计要求旋紧一般都要求大 于 360 度 虽然齿轮齿条 连杆机构能够转过 360 度 但是这两种结构对于这种只要 求简单动作的机械手来说 又太复杂了 又大材小用的感觉 而恰好用电动能够实现 任意的角度的旋转 所以选择电动作为手部的手腕旋转驱动源 而又由于液压的准确 性和稳定性所以又选定又选定用液压驱动来作为手部的夹紧和放松驱动源 典型的回转型手部有滑槽杠杆式和连杆杠杆式两类如上图所示 因为我选择的驱动方式式用液压来驱动机械手的放松和夹紧 又为了不占用太大 的空间 而两个比较 连杆杠杆式结构式个常开的手部 而且是驱动力是向下的时候 是夹紧 而滑槽杠杆式手部结构是驱动力向上的时候是夹紧 在结构上后者会占用更 大的空间所以选择了前者作为机械手的手部结构 2 2 2 腕部的选定 手腕部件具有独立的自由度 如图 2 4 所示 大学毕业设计 论文 报告纸 第 8 页 共 40 页 图 2 4 为 腕部的自由度 手部的运动有 绕 X 轴转动为回转运动 绕 Y 轴运动为上下摆动 绕 Z 轴转动称 为左右摆动 有的甚至是沿 Y 轴或 Z 轴的横向的移动 一般手部设有回转的或加上一 个摆动的即可以满足工作要求 一些动作较简单的专用机械手 为简化结构 可以不 设腕部 而直接由臂部的运动来驱使手部搬运工件 目前 应用最广泛的手腕运动机 构是回转液压缸 或者气压缸 他的结构紧凑 灵巧但是回转角度较小 一般小于 270 度 并且要求严格的密封 否则就难保证稳定的输出扭矩 因此在本设计中我选定用 电动机来驱动手腕的转动 可以实现任意的角度 因为为了简化结构 在保证能完成所要的动作的基础上 所以选定手腕只要一个 自由度就可以了 就是只要他能够绕 Y 轴转动就可以了 2 2 3 臂部的选定 手臂的各种运动通常用驱动机构 如液压或气压 和各种传动机构来实现 从臂 部的受力情况分析 它再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 因此 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 臂部设计的基本要求 臂部应承载能力大 刚性好 自重轻 臂部运动速度要高 惯性要小 手臂动作应该灵活 位置精度要高 手臂的典型运动形式又 直线运动 如手臂的伸缩 升降和横向 或纵向 移动 大学毕业设计 论文 报告纸 第 9 页 共 40 页 回转运动 如手臂的左右摆动 上下摆动 俯仰 复合运动 如直线云和回转运动组 合 两直线云的组合 首先 因为我要设计的是一个专用的机械手 完成以个简单的动作 没有必要手 臂的伸缩 也可以完成动作 所以只要手臂能够回转和升降就可以了 手臂所要实现 的动作是手臂回转到瓶盖所在位置 这个位置可以调整 一经调整就是一个固定的位 置 起到自动定位的作用 然后夹紧缸动作把瓶盖夹紧 手臂升起到一定的位置停止 回转到瓶子所在的位置 这个位置也是一个固定的位置 瓶子自动停止在固定的位置 然后自动夹紧等待上盖 下降 旋紧 放松 上升 又回转到原来的位置 进行下一 个循环 由所要实现的动作可以确定手臂的形式是只要升降机构和回转机构就可以了 手臂的回转和升降 通常由机身来实现 有三种典型的结构 回转缸置于升降缸之下的机身结构 手臂部件固定在升降台上 升降台下面与花键轴相连接 回转缸布置在升降台的 下面 回转缸的动片与花键轴套固定 动片在压力油的作用下回转时 通过花键轴套 回转 花键轴由两个径向滚珠轴承和一个平面推力轴承支撑在活塞杆上 活塞在升降 液压缸内做升降运动 带动花键上移 花键既作为导向又传递扭矩 这种结构能承受 较大的偏重力矩 其缺点是回转运动传动路线长 花键轴的变形对回转运动的精度的 影响不可以忽视 回转缸置于升降缸之上的结构 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 由缸体带动手臂做 回转运动 回转缸的转轴与升降缸的活塞杆一体 活塞杆内装一花键套与固定花键轴 配合 活塞升降由花键轴导 这种结构采用单缸活塞杆 导向杆在活塞杆内部 结构 紧凑 但是回转缸与臂部一起升降 运动部件较大 刚性较差 比较以上两种 因为本设计要求的回转精度要求比较高 而第一种类型不能满足 第二种虽然运动部件较大 刚性较差 但是这种是专用的机械手 要完成的动作所要 求的力矩 也就是动力不是很大 所以复符合要求 选定第二种结构 大学毕业设计 论文 报告纸 第 10 页 共 40 页 图 2 5 为回转缸在升降缸之上结构 2 2 4 驱动系统的选定 机械手的驱动系统通常有多种 常用的有 液压驱动 气压驱动 电机驱动等几 种基本的方式 一台机械手可以统一用一种方式驱动 也可以用几种方式驱动 各种 驱动方式都有自己的特点和使用范围 因此 我们要了解他们 并从使用机械手的技 术经济要求出发 在分析比较他们的优缺点的基础上 结合自己的情况 合适地选择 所用的驱动系统 以下是几种驱动方式的比较 液压驱动系统的优点 输出的驱动力和驱动力矩大 液压因其不可压缩性 可以传递高达每平方厘米二 三 百公斤的压力 通常使用的压力为 5 140 公斤 平方厘米 而机械手中多用 6 70 公 斤 平方厘米 所以 它驱动的机构 可以达到若干吨的作业力量 而通常在机械 手作业中的力量 要小得多 目前一般多为 10 100 公斤左右 所以 它具有较大 的潜在力可供利用 体积小 因为可以把动作油缸直接作为关节的一部分 故结构简单 紧凑 刚性好 控制性能好由于油在低压工作中不可以压缩性 能够方便地进行压力和流量的控制 实现各种运动的无级调速和缓冲定位 如可以实现任意速度的进行位移 并在任意 大学毕业设计 论文 报告纸 第 11 页 共 40 页 位置停止 并以较高精度定位 并且由于它反应灵敏 便于构成液压伺服系统 而 实现连续轨迹控制 使用性能好 由于油液本身能自我润滑液压元件 有利于延长其使用的寿命 并且 在系统中 一般都装有安全阀 可以有效的防止过载现象的发生 维修方便 液压驱动系统的缺点 费用高 液压元件本身 制造成本较高 这是由于对它的加工要求较高所致 另外 油路一般比较复杂 而所用油液 又需要定期更换 所以 其总费用是比较高的 作业环境条件又限制 因液压系统中的油液粘度 会随温度而变化 从而影响其工 作性能 特别在高温及低温时 不能应用 而且 油液容易燃烧 故应注意其工作 环境的温度 另外 在油液中混入气泡 水分等 也会使系统工作性能变坏 油液 的泄露 也会影响工作的稳定和定位精度 并污染环境 所以液压驱动宜用于不怕 油液污染的常温的环境中 且要求输出力大而速度较低的场合 气压驱动系统的优点 动作迅速 因为压缩空气粘性小 流速大 它在管路中的流速 可以达 180 秒左 右 而油液仅为 2 5 4 5 米 秒左右 故动作很快 不过 在作业中 应注意在执行机 构接近行程终点时 防止由于动作太快而产生冲击及越程 气体的供应和排放较方便 由于空气取用较方便 不用购买 只需要开动空气压缩 机既可获的压缩空气 由于空气粘性很小 故管路压力损失也很小 可以进行远距 离的输送 而用后的空气 可以直接派人大气 一般情况下不会造成污染 维修方 便 总花费较低 由于结构简单 制造也比较容易 故价格相对较便宜 使用中的花 费 也比液压驱动要小 故中花费也相对较低 气压驱动系统的缺点是 驱动力小 由于可压缩性很大 一般只适用于低压 所以 其驱动力较小 一般用 压缩空气驱动的机械手 常用于 10 公斤以下的物体 控制性能较差 由于空的可压缩性大 阻尼效果差 低速不易控制 故运动稳定性 差 执行机构的体积太大 因空气传递的压力小 所以 驱动汽缸等气动元件的体 积都相对较大 排放时有噪音 使用后的压缩空气 大气排放时 会产生噪音 故宜装置消音器 气中含有水汽而对使用不利 因压缩空气中往往含有水汽 易造成气压系统的锈 而在低温下 则由于冷凝结冰 有可能使启动困难 所以 气压驱动 宜用于驱动力 小于 30 公斤 但是要求速度快的场合 也适用于在易燃易爆 温度较高和尘土大的场 合 大学毕业设计 论文 报告纸 第 12 页 共 40 页 电机驱动的优缺点 步进电机是纯粹的数字控制电动机 它将电脉冲信号转变成 角位移 即给一个脉冲信号 步进电机就转动一个角度 因此非常适合于微机或单片 机控制 图 2 6 总装配简图的主视图 步进电机有如下特点 步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比 因此 当它转一转后 没有累计误 差 具有良好的跟随性 由于步进电机与驱动电路组成的开环树控系统 既非常简单廉价 有非常可靠 同 时它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统 步进电机的动态响应快 容易起停 正反转及变速 速度可以在相当宽的范围内平滑调节 低速下仍能保证获得大的转矩 因此 一 般可不用减速器而直接驱动负载 步进电机存在震荡和失真的现象 必须对控制系统和机械负载采取相应的措施 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行 它不能直接使用交流电源和直流电源 大学毕业设计 论文 报告纸 第 13 页 共 40 页 步进电机自身的噪音很震动大 带惯性负载的能力较差 本设计的要求是速度一般 驱动力不大 但是控制性要好体积不要太大 通过对 比选定是用液压驱动手臂的升降和回转和手部的夹紧 放松 而用电机驱动手部的回 转 因为要回转的角度大于 360 度 用步进电机可以很容易的实现 小结 最后选定手部用连杆杠杆式 腕部选定为一个自由度 回转 的简单结构 臂部选定为回转缸置于升降缸之上的结构 驱动系统选定为用液压驱动手臂的升降和 回转和手部的夹紧 放松 而用电机驱动手部的回转 结果画出总装配简图的主视图 为 3 计算校核 3 1 计算机械手手部的夹紧驱动力 图 3 1 为连杆式手部结构 作用在拉杆 3 上的驱动力为 F 两连杆 2 对拉杆的反 作用力为 F1和 F2 其方向沿连杆两铰链中心的连线 指向 O 点并与水平方向成 角 由拉杆的力平衡条件得 图 3 1 为手部受力分析图 大学毕业设计 论文 报告纸 第 14 页 共 40 页 FX 0 得 F1 F2 FY 0 得 F1 3 1 sin2 F F1 F1 M01 F 0 得 F1 h FNb 3 2 h ccos F tg FN 3 3 1 如上 3 1 图所示受力分析 由调查可知要旋紧瓶盖要的力大概都在 3 N m 以下 所以可以计算最大的夹紧了 就是瓶盖最大的时候了 计算如下 F f d 3 而 d 60 mm f 塑料经查资料的 0 6 所以 FN 3 0 6 0 06 83 3 N F tg FN tg600 83 3 288 7 N 3 c b22 60 60 4 2 设 K1 1 5 垂直方向的移动速度为 60 mm s 机械手达到最高速度的响应 时间是 0 5 s K2 1 1 13 2 3 g a 8 9 5 0 60 5 K3 1 03 根据驱动力公式得 FNmin 1 5 13 2 1 03 0 03 10 6 0 N 在这里设瓶盖为 30 克 而 FN 83 3 N FNmin 6 0N 所以符合要求 Fmin tg600 6 0 20 8 N 2 60 60 而 F 288 7 N FNmin Fmin 0 85 23 5 N 所以符合要求 在这里解释一下为什么这两个力相差那么大呢 那是因为不仅仅 要夹住瓶盖还要提供扭力给瓶盖来旋紧它 所以 F 288 7 N FN 83 3 N 才可以满足要求 3 校核夹紧缸 由夹紧缸的公式得 F 实 F D2 d2 p 4 3 大学毕业设计 论文 报告纸 第 15 页 共 40 页 6 在这里液压缸直径为 D 40 mm d 18 mm 根据液压缸内径系列 JB828 66 所以 得到 p 4F D2 d2 0 274 MPa 3 2 腕部回转力矩的计算 腕部回转时要克服以下几种阻力 腕部回转支撑处的摩擦力矩 M摩 如图所示 M摩 FR1D1 FR2D2 3 2 f 7 式中 FR1 FR2 轴承处支承反力 N 可以由静力平衡方程求得 D1 D2 轴承直径 m f 轴承的摩擦系数 对于滚动轴承取 0 01 0 02 对于滑动轴 承取 0 1 为了简化计算可以等效为 0 1 图中 G1 G2 G3 分别是工件的 M摩M总阻力距 重量 kg 手部的重量 手腕转动件的重量 克服由于工件重心偏置所需要的力矩M 偏 图 3 2 为手腕的受力分析图 G1e 3 8 M偏 式中 e 工件重心到手腕回转轴线的垂直距离 m 克服启动惯性所需要的力矩 M惯 启动过程近似等加速运动 根据手腕回转的角速度 及启动所用的时间 可 t启动 大学毕业设计 论文 报告纸 第 16 页 共 40 页 以按以下计算 J 3 9 M惯J工件t启动 式中 工件对手腕的回转轴线的转动惯量 N m s2 J工件 J 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量 N m s2 启动过程所要的时间 s 一般为 0 05 0 3s 所以 手腕回转所需要的驱动力矩为上述三项之和 3 M总M摩M偏M惯 10 设启动时间为为 0 1s 10 s 由于工件是瓶盖很轻 可以忽略不计算 t启动 现在把整个手部 手腕一起等效为一个回转圆筒 所以 J m l2 3 3 12 3 2 2R 2 1 R 11 9 65 9 0 0220 0342 12 0 11 N m s2 2 0 368 J 0 11 10 0 1 34 5 N m M惯J工件t启动 0 1 3 M总M摩M偏M惯M总M惯 12 因此可以求出 34 5 0 9 38 4 N m M总 选择电动机 因为所要的扭转力矩比较小所以可以选择较小的电机就可以了 3 3 臂部与机身的计算 3 3 1 手部作升降运动的液压缸驱动力的计算 F F惯 G 3 F摩F密F回 13 式中 为摩擦阻力 F摩 2 F1f 这里 f 0 16 F摩 G 零部件以及工件所受的总重力 密封装置处的摩擦阻力 F密 液压缸回油腔低压油液所造成的阻力 F回 F惯 启动和制动时 活塞杆所受的平均惯性力 大学毕业设计 论文 报告纸 第 17 页 共 40 页 在这里 F1等于 G总 G总由升降缸的活塞套筒 回转缸 横梁 手部等组成估计 总重量为 86 2kg 所以 G总 mg 86 2 9 8 845N 3 14 2 F1f 2 845 0 16 270 3 N F摩 的计算 一般被阻力都比较小 可以按 0 05p 计算 F回F回 的计算 因为是 O 型的密封圈 当液压缸的工作压力小于 10MPa 时 这时可以 F密 用 O 型的密封圈 而且液压缸密封处的总的摩擦力可以近似为 0 03F 还有就是导 杆处的密封 因为是垂直的 所以这里的摩擦力很小也可以近似为 0 01F 所以有 0 04F F密 F惯的计算 F惯 G总 v g t 3 15 G总就是参加运动的零部件的所受的总重力 包括工件重量 N G 重力加速度 取 9 8m s2 v 为由静止加速到常速的变化量 m s t 为启动过程时间 s 一般取 0 01 0 5s 对于轻载的低速运 动部件取较小的值 对重载高速运动部件取较大 的值 在这里取 0 1S v 为 0 06 m s F惯 G总 v g t 51 7 N 845 0 06 9 8 0 1 F F惯 G 51 7 270 3 0 04F 0 05PS 845 F摩F密F回 在这里 S 是有效的面积 背压面的面积 S R2 r2 0 07 0 07 0 045 0 045 0 009 m2 3 16 又因为液压缸的内径和压力的关系 当油进入无杆腔时 F F1 p D2 4 当油进入有杆腔的时候 F F2 p D2 d2 4 液压缸的有效面积是 S F p 所以得 F D2p 1 13 1 13 0 00117p 3 17 联合以上的 式可以求出 p 1 04MPa F 1217 N 式中 F 驱动力 N P 液压缸的工作压力 Pa 大学毕业设计 论文 报告纸 第 18 页 共 40 页 D 液压缸的内径 m D 活塞杆的直径 m 液压缸的工作效率 在工程机械中耐油橡胶可以取 0 8 液压缸壁厚的校核 因为由上面的计算可以知道压力比较小 所以立于选择薄壁的 即是 16 时 D 1000 6 59 mm 3 18 2 1 D p 110 2 14 0 04 1 而在本设计中选择了 25 mm 的壁厚的原因是 因为这里的液压缸不仅仅是液压缸 而也是支承手臂 手腕和手部还有工件的重量 所以设计的比较大 3 3 2 手臂回转液压缸的计算 驱动手臂回转的力矩 应该与手臂启动时所产生的惯性力矩及各密封处 M驱M惯 的摩擦阻力矩相平衡 M封 3 M驱M惯M封M回 19 式中 密封装置处的摩擦力矩 N m M封 J0 J0 3 M惯 t 20 式中 回转缸动片的角速度变化量 rad s 在启动过程中 t 起动过程的时间 s J0 手臂回转部件 包括工件 对回转轴线的转动惯量 N m s2 若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为 r 则 J0 JC 3 G g 2 r 21 式中 JC 回转零件对重心轴线的转动惯量 D2 d2 3 M驱 R r dpbd 2 pb 22 回转缸内径与压力的关系 D2 d2 所以 3 M驱 2 pb 23 P 2 D2 d2 b M驱 大学毕业设计 论文 报告纸 第 19 页 共 40 页 式中 D 回转缸的内径 m 作用在动片的外载荷力矩 M驱 P 回转液压缸的工作压力 Pa d 输出轴与动片连接处的直径 m b 动片的宽度 m 由经验得 0 03 3 M阻M封M回M驱 24 J0 J0 J0 15 7 J0 M惯 t 1 0 57 1 在这里把回转部分等分为三部分包括回转缸 横梁 手腕 转动惯量分别为 J1 J2 J3 所以 J0 J1 J2 J3 3 25 回转缸等效为外径为 R 100 mm 内径为 r 45 mm 长度为 l 120 mm 的圆筒 则有 J1 m l2 3 3 12 11 8 0 122 3 3 0 120 0452 12 2 2R 2 1 R 0 0143 N m s2 横梁等效为长 l 1300 mm a b 120 mm c d 100 mm 的方筒 偏离回转轴线 r 150 mm l2 a2 c2 1 32 0 122 0 12 3 2J 12 m 12 44 26 6 29 N m s2 J2 44 0 15 0 15 7 28 N m s2 2J 手腕和手部等效为圆筒由上面就可以知道 m l2 3 3 12 3J 2 2R 2 1 R 9 65 0 3682 9 0 0220 0342 12 0 11 N m s2 J3 mr2 3 3J 27 0 11 14 8 0 56 0 56 4 75 N m s2 J0 J1 J2 J3 大学毕业设计 论文 报告纸 第 20 页 共 40 页 4 75 7 28 0 0143 12 0 m s2 J0 J0 J0 15 7 J0 15 7 12 0 188 4 N m M惯 t 1 0 57 1 估算 0 85 221 6 N m M驱M惯 P 2 D2 d2 b M驱 代人数据得 P 0 27 MPa 4 驱动的选择 4 14 1 液压控制部分 4 1 1 液压控制简介 液压控制系统自 60 年代初到现在 已在机械手中获得了广泛的应用 目前 虽然 在中等负载以下的机械手中有采用电机驱动系统 但是在简易经济型 重型的工业继 续实施和喷涂机械手中采用液压系统的比较多 液压系统在机械手中所起的作用是通过电 液转换元件把控制信号进行功率放 大 对液压动力机构进行方向 位置和速度的控制 进而控制机械手的手臂按给定的 运动规律动作 液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动液压缸 用于实现手 臂的伸缩升降以及手腕 手臂的回转 程序控制机械手的液压控制系统 这类机械手属于非伺服控制机械手 在只有简 单搬运作业功能的机械手中 常常采用简易的逻辑控制装置或编程控制 对机械手实 现有限为的控制 这类机械手的液压控制设计与其他液压机械设计所考虑的问题大致 相同 只是 3 在以下方面须加以重视 液压缸的设计 在确保密封性的前提下 尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件 以减少摩擦阻力 提高液压缸的使用寿命 定位点的缓冲和制动 因机械手手臂的运动惯性量较大 在定位点前要加缓冲与 制动机构或锁紧装置 对惯性较大的运动轴和接近机械手末端的腕部运动轴的液压缸两侧 最好加设安 全保护装置 防止因碰撞过载弄坏机械结构 大学毕业设计 论文 报告纸 第 21 页 共 40 页 4 1 2 液压系统传动方案的确定 各液压缸的换向回路 为了便于机械手的自动控制 如采用可编程序或微机控制 这里使用单片机控制 因为由上一章可以知道系统的压力和流量都不是很搞 因此可以选用电磁换向阀回路 以获得较好的自动化长度和经济效益 在这里采用单泵供油 手臂旋转 手臂的升降 还有夹紧等机构采用并联供油 这样可以有效地降低系统的供油的压力 此时为了保 证多缸的系统互不干扰 实现同步或非同步的 运动 换