机械毕业设计1184平衡臂机械手的设计之平衡臂及机械手爪.doc
机械毕业设计1184平衡臂机械手的设计之平衡臂及机械手爪
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机械毕业设计1184平衡臂机械手的设计之平衡臂及机械手爪,机械毕业设计论文
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- 1 - 目 录 摘要、关键词 1 第 1 章 绪 论 . .4 1.1 国内外机械手综述 . 4 1.1.1 简史 . 4 1.1.2 应用简况 . 5 1.1.3 国内外机械人发展趋势 . 5 1.2 机械手的组成和分类 . 7 1.2.1 机械手的组成 . 7 1.2.2 机械手的分类 . 8 1.3 本课题研究的主要内容及意义 . 9 1.3.1 课题 七杆二自由度机械手设计内容及基本要求 . 9 1.3.2 重点研究的问题： . 错误 !未定义书签。 1.3.3 本次设计的意义 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 机械 手基本参数的确定 . 错误 !未定义书签。 2.1 抓重 . 10 2.2 转角 . 10 2.3 工作速度 . 错误 !未定义书签。 2.4 定位精度 .11 第 3 章 机械手机械结构的设计计算 . 错误 !未定义书签。 3.1 机械手机构的分析与设计 .11 3.1.1 机械手的自由度 .11 3.1.2 坐标形式 . 13 3.1.3 机械手的机构简图以及部件尺寸 . 13 3.1.4 机械手总体方案的比较 . 错误 !未定义书签。 3.2 机构杆件的受力校核分析 . 14 3.2.1 支撑杆的受力校核 . 14 3.2.2 导轨滑杆的强度检验 . 错误 !未定义书签。 3.2.3 立柱支撑轴的强度校核 . 错误 !未定义书签。 3 3 机械手手指结构的设计与计算 . 错误 !未定义书签。 3.3.1 概述 . 16 3.3.2 手指的驱动力计算 . 17 3.3.3 手部伸缩的驱动装置 . 18 3.3.4 手指定位误差的分析 . 19 3.4 机械手手腕结构的设计与计算 . 19 3.4.1 手腕自由度和结构 . 19 3.4.2 手 腕的结构 . 19 3.4.3 手腕驱动力矩的计算 . 20 3.4.4 回转缸的驱动力矩计算 . 错误 !未定义书签。 nts - 2 - 3.5 手臂结构分析 . 23 3.5.1 大手臂的结构及其工作原理 . 23 3.5.2 大手臂做升降运动时所需的驱动力 . 25 3.5.3 驱动油缸的计算 . 26 3.5.4 缸盖的强度计算 . 27 3.5.5 活塞杆的稳定行验算 . 28 3.5.6 大手臂系统温升的验算 . 28 3.5.7 设计手臂时注意的问题 . 29 总结 31 参考文献 32 附录一 英文文献翻译 . 33 附录二 英文翻译原文 . 40 nts 3 平衡臂机械手的设计之平衡臂及机械手爪 摘 要 ： 论文 模仿机械手的基本功能和设计思路，根据给定的规定动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成了机械手的设计，并绘制必要的零部件图和装配图，其中包括机器装置的原理方案构思 和拟定；原理方案的实现、传动方案的设计；主要结构的设 计简图；设计计算与说明；控制油路系统的设计。 工业机械手设计的主要技术关键问题为：夹持机构的夹紧与翻转；行程机构的转向与伸缩；提升机构的提升；控制油路系统的设计。 关键词 ： 工业机械手 ； 手爪 ； 伸缩油缸 ； 转动油缸 Manipulator arm of a balanced design and mechanical gripper arm balance Summary： The thesis deploys the basic function and the way of design of the automatic hand , according to the given provision of action in proper order, comprehensively using the basic theories, basic knowledge and the related professional knowledge of mechanical design, completing the design of mechanical hand, and drying the diagrams of the necessary spare parts and the assemble diagram, including the consideration and the establishment of the principle;The realization of the principle, powertrains of the project; sketch plan of the structure;calculation of design and the elucidation; design of the the liquid press system. The mainly key problem of design a mechanical hand is :Clipping the object and revolving;The route of travel organization;the promotion of the organization;the design of the liquid press system. Keyword:Industrial mechanical hand Hand claw Flexible oil urn recolcing oil urn nts 4 第 1 章 绪 论 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已经成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科 机械手工程。 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大得改善人工的劳动条件，显著得提高劳动生产效率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究 和应用。尤其在高温，高压，粉尘，噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。 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，以完成各项规定操作。它的特点是具备普通机械的物理性能外，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作的，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顶的作业，后来发展到用无线电寻好操作机械手来进行 月球的探测等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要负数于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为Mechanical Hand，它是为主机服务的，有主机驱动；除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 1.1 国内外机械手综述 1.1.1 简史 机械手首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。她的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，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 试制一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动）。同年，美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatrap 机械手，原意是灵活搬运。 nts 5 1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工大学联合研制一种叫Unnimation-Viearm 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。 到目前为止，日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家。 但是，目前的机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是减低成本和提高精度。 第二代机械手设 有微型电子计算机控制系统，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，使机械手具有感觉机能。 第三代机械手（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。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（ Flexible Manufacturing System）和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一环。 1.1.2 应用简况 就国内机械工业，铁路 部门应用机械手的简况，介绍如下： （一） 热加工方面的应用 热加工是高温、 危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了实现高效率和工作安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更加需要采用机械手操作 （二） 冷加工方面 冷加工方面机械手主要采用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联结和重要手段。 （三） 拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂 、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。 采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄象机和里的传感装置和微型计算机联系在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。 1.1.3 国内外机械人发展趋势 在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为 主流安装机型，第三代智能机器人也占有一定比重 (占日本 1998 年安装台数的 10%，销售额的 36% )。 nts 6 机械结构 以关节型为主流， 80 年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的 1/3。应 3K和汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。 CAD , CAM 等技术己普遍用于设计、仿真和制造中。 控制技术 大多采用 32 位 CPU，控制轴数多达 27 轴， NC 技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于 PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流。 驱动技术 80年代发展起来的 AC 伺服驱动已成为主流驱动技术应用于工业机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已 由 FANUC等公司开发并用于工业机器人中 ;在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。 应用智能化的传感器 装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。 通用机器人编程语言 在 ABB 公司的 20 多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。最近美国机器人空间技术公司开发了 Robot Script V.10 通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器 URC 的 Win NT/95 环境下。该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数 WINDOWS 软件产品兼容。 网 络通讯方式 大部分机器人采用了 Ether 网络通讯方式，占总量的 41.3%，其他采用RS-232, RA-422, RS-485 等通讯接口。 高速、高精度、多功能化 目前，最快的装配机器人最大合成速度为 16. 5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达 80m/ s;而另一种并联结构的 NC机器人，其位置重复精度达 limo 90 年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。 集成化与系统化 当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边 设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的 “ 虚拟制造 ” ，为工业机器人系统化的发展推波助澜。 随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在 FMS, CIMS 系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应 “ 敏捷制造 ”(Agile Manufacturing) ，满足多样化、个性化的需求，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。 我国的工业机器人从 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，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、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 (站 )上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制nts 7 造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如 :可 靠 性低于国外产品 :机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距 :在应用 规模上，我国己安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球己安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求， “ 一位客户，一次重新设计 ” ，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而目 质量、可 靠 性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在 “86 “ 计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人技术居世界领先水平，还开发 出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种 :在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在 “ 十五 ” 后期立于世界先进行列之中。 国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸锻，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，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教型机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。更为主要的是将机械手和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。 1.2 机械手的 组成和分类 1.2.1 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。 一、 执 行 机 构 （ 1） 手部 手部安装在手臂的前端，手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕， 以转动、伸屈手腕、开闭手指。 机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。 nts 8 （ 2） 手臂 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。 手臂的作用是引导手指准确得抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能 够正确的工作，手臂的三个自由读都需要精确的定位。 （ 3） 躯干 躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。 二、 驱 动 系 统 驱动机构主要有四种：液压驱动、气体驱动、电气驱动和机械驱动。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。 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱实现传动。它的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。 气动驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。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。尤其空气的可压缩性大，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。为了减少停机时产生的冲击，气压系统的装有速度控制机构或缓冲减震机构。 电器驱动都采用三相感应电机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。电气驱动的优点是动力源简单；维护、使用方便。一般只用于动作固定的场合。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开，工作速度高，成本低；缺点是不易于调整。 三、 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诡计控制两种。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储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。 程序的存储方式分为分离存储和集中存储两种。对于动作复杂的机械手（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、小型计算器或微处理机控制的系统。 1.2.2 机械手的分类 一、按 用 途 分 类 1. 专用机械手 nts 9 专用机械手是专为一定设备服务的，简单、使用，目前在生产中运用的比较广泛。它一般只能完成一、二种特定的作业。如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要。 2. 通用机械手 通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动话装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大概是采用顺 序控制系统。 通用机械手又分简易型、示教再现型和只能机械手、草中式机械手等几种。 三、 按控制型式分类 1.点位控制型机械手 点位控制型机械手的运动诡计是空间二个点之间的连接。控制点书越多，性能越好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机械手是点位控制型。 2.连续轨迹控制型机械手 这种机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂的动作。工作性能完善，但控制部分比较复杂。 控制方式分为开关式和伺服式两种。 1.3 本课题研究的主要内容及意义 1.3.1 课题 七杆二自由 度机械手设计内容及基本要求 设计一个机械手，用于工厂机床边抓取圆棒料和饼类零件，实现从地面到机床卡盘和从机床卡盘到地面的运动。 抓取重量； 40 千克。在总体的设计过程中，该抓取物重量可以减小。 机械臂活动范围：活动半径 2 m 夹持物最大直径 100mm（轴类）、最大直径15。进行压杆稳定性验算。 活塞杆由 45#钢制成，s=350MPa，p=28MPa， E=210GPa，长度 l =1200mm，直径 d=60mm，最大压力MAXP=15.1KN，规定稳定安全系数为stn=8 10。校核稳定性： 21 866EP g 活塞杆简化成两端铰支杆 1 ，截面为圆形， i=4qdA ，柔度为1 1 2 0 0 806044lldi 柔度1。 所以不能用欧拉公式计算临界压力。若用直线公式，由表查的优质钢的 a和 b分别为： a=461MPa， b=2.568MPa。 2 4 6 1 3 5 0 4 3 . 22 . 5 6 8sa b 。 可见活塞杆的柔度 介于2和1之间，是中等柔度压杆。由直线公式求出临界压力为：4 6 1 2 . 5 6 8 8 0 3 0 1cr ab MPa。 活塞杆的安全系数为： n=m a x4 7 . 8 3 1 . 6 61 5 . 1crstP nP 。 所以满足稳定性要求。 3.5.6 大手臂系统温升的验算 在整个机械手的工作循环中，上升阶段所占的时间最长，为了简化计算，主要考虑上升时的发热量。一般情况下，上升时发热量最大，因为液压系统提供的能量很大一部分用来化为机械手的构件的势能，由于限压试变量泵在流量不同时，下率相差极大，所以分别计算最大，最小时的发热量，然后加以比较，取数值大者进nts 29 行分析。 当 V=1500cm/min 时 Q= 244Dv 20.13 15 m3 /min=25.9L/min 此时泵的效率为 0.7，泵的出口压力为 3.2MPa，则有 P输 入= 3 .2 2 .5 96 0 0 .1 kW=1.38Kw P输 出=Fv=13600 150060 2310 10 kW =4.005Kw 此时的功率损失为： P P P 输 入 输 出1.3533kW 当 v=125cm/min 时， q=9042L/min,总效率 =0.7 则 P输 入= 3 .2 9 .4 26 0 0 .7 kW=0.718Kw P输 出=Fv=13600 1060 125 3.5.7 设计手臂时注意的问题 一、手臂应该刚度大，重量轻 我们设计的机械手悬伸长度比较长，若手臂的刚度不够，则会导致手臂弯曲变形过大，就会引起手臂的定位不竟准，而且也直接影响活塞杆（大手臂）运动的灵活性。另外，手臂在起动或制动的过程 中受到惯性力或者惯性力矩的作用，手臂将会发生颤动，由于手臂的颤动，也回影响手臂的定位精度，除了采用可靠的定位装置外，应对手臂结构有一定的刚度要求，才能保证手臂的准确工作和一定的定位精度。 手臂悬伸的弯曲变形主要与手臂的抓取重量、手臂结构本身的材料、截面形状以及几何尺寸等有关。在相同的条件下，工字形截面梁的弯曲刚度比圆截面要大 1020 倍；空心管的弯曲刚度为实心轴的 45 倍。而且，工字形梁和空心梁的重量比能承受同样弯曲刚度的实心轴要轻的多，所以，在本次设计中，我们采用的是工字形的梁臂结构。它承受垂直方向的载荷 能力大，而且手臂结构简单轻巧。 二 .应使手臂运动速度快、惯性大 手臂的运动速度是由形成大小、生产节拍的时间和运动平稳性及抓重大小来决定的。一般情况下，我们设计的好艘比的移动和回转速度均为等速运动（即 V 和 为常数），但是在手臂启动和制动的过程中，它的运动为加速和减速运动。理想状态下，机械手在运动到形成终点的时候，加速度为零，所以停止的瞬间没有惯性冲击，这是最理想的状态。但是因为加速度是变化的，手臂非等速运动，设计时就复杂的多。其运动曲线如图nts 30 所示： 由于制 造设计的复杂性，我们放弃了理想中机械手的最佳运动方案。而采取了一般的设计。为了减少惯性冲击，我们采取了以下的措施： （ 1） 手臂架选用铝合金这种轻质材料来制造，以减轻手臂运动件的重量。 （ 2） 尽量缩短了手臂悬伸部分的长的，使手臂未伸出时的总重量的重心尽量靠近立柱，以减小回转半径，此外对编制程序时，应该尽量先缩回后再回转或在较小的前伸位置下进行回转，以减小惯性力矩。 （ 3） 减小手臂运动件的轮廓尺寸，使其结构紧凑。 （ 4） 在驱动系统中增设缓冲装置，使运动减速缓冲。 四、 应使手臂传动准确、导向性好 为了能准确的传递工件和保证传动 的平稳，我们设计了导向和支承装置，以保证手指的正确方向，并增强
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