机械手毕业设计说明书.doc

精品资料 摘要摘要 在当今大规模的制造业中 企业为提高生产效率 保障产品质量 普遍 重视生产过程的自动化程度 工业机械手作为自动化生产线上的重要成员 逐渐被企业认同并采用 工业机械手的技术水平和应用程度在一定程度上 反映了一个国家的工业自动化水平 目前 工业机器人主要承担着焊接 喷 涂 搬运以及堆垛等重要性并且劳动强度极大的工作 工作方式一般采取试 教在线的方式 本文将设计一台四自由度的工业机械手 用于给冲压设配运送物料 首 先 本文将设计工业机器人的底座 手 手腕 臂部等结构 然后选择合适的 传动方式 驱动方式 搭建工业机器人的结构平台 在此基础上 本文将设 计该机械手的控制系统 包括数据采集卡和伺服放大器的选择 反馈方式和 反馈元件的选择 端子板电路的设计以及控制软件的设计 重点加强控制软 件的可靠性和机械手运行的安全性 最终实现目标包括 关节的伺服控制和 制动问题实时的检测机械手的各关节的运动情况 机械手的示教编程和在 线修改程序 设置参考点和回参考点 关关键词键词 机械手 示教编程 伺服 制动 精品资料 ABSTRACT In today s large scale manufacturing the enterprise to improve production efficiency and ensure product quality universal attention production process automation degree manipulator as an important member of automatic production line gradually by enterprise and the use of identity Industrial robot technology level and application degree to a certain extent reflect a nation of industrial automation level Currently the manipulator main bear the welding painting handling and storage and the intensity of labor great importance of the work work way to try to teach the general way online This paper will design a four degrees of freedom industrial robot are used to transport materials with stamping set First of all this article will design the base of the industrial robot hand wrist arm the structure etc And then choose the appropriate transmission mode driving way build the structure of manipulator platform On this basis this paper will design the system control system including data collection card and the choice of servo amplifiers feedback and feedback of components of the way choice terminal board circuit design and control of the software design focusing on the reliability of the control software and operation safety of manipulator Finally realize the goals include the joint servo control and braking problems in real time detection of each joint movement of the manipulator the manipulator Teaching program and on line modification program set the reference points and back to the point of reference Keywords Manipulator Demonstration program Servo brake 精品资料 目目录录 摘要摘要 I ABSTRACT II 1 绪论绪论 1 1 1 工业机械手的分类 2 1 2 工业机械手的组成 3 1 3 工业机械手在生产中的作用 6 1 4 工业机械手设计的目的 8 1 5 工业机械手设计的内容 9 1 6 工业机械手的技术发展方向 9 2 机械手机械手总总体体设计设计方案方案 12 2 1 原始数据 主要参数 12 2 2 工作要求 12 2 3 系统组成 13 2 4 总体技术方案 13 3 机械手的手部机械手的手部设计计设计计算算 15 3 1 手部结构设计 15 3 2 夹钳式手部设计的基本要求 16 3 3 夹钳式手部的计算与分析 17 3 4 楔块等尺寸的确定 29 3 5 材料及连接件选择 33 4 机械手的腕部机械手的腕部设计计设计计算算 34 4 1 腕部设计的基本要求 34 精品资料 4 2 腕部结构的选取 36 4 3 腕部结构的计算 37 总结总结 50 参考参考文文献献 51 致致谢谢 53 附附录录 外文文献外文文献 54 精品资料 1 绪论绪论 机械工业是国民的装备部 是为国民经济提供装备和为人民提供耐用 消费品的产业 不论是传统产业 还是新兴产业 都离不开各种各样的机械 设备 机械工业所提供装备的性能 质量和成本 对国民经济各部门技术进 步和经济效益有很大的和直接的影响 机械工业的规模和技术水平是衡量 国家经济实力和科学技术水平的重要指标 因此 世界各国都把发展机械工 业作为发展本国经济战略重点之一 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备 工业 机械手的工业机器人的一个重要分支 它的特点是通过编程来完成各种预 期的作业任务 在构造和性能上兼有人和机器各自的优点 尤其体现了人的 智能和适应性 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力 在国民 经济各领域有着广阔的发展前景 机械手是在机械化 自动化生产过程中发展起来的一种新型装置 在现 代化生产过程中 机械手被广泛的运用于自动化生产线中 机器人的研制和 生产已成为高技术领域内 迅速发展起来的一门新兴技术 它更加促进了机 械手的发展 使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合 机械 手虽然目前还不如人手那样灵活 但它具有能不断重复和劳动 不知疲劳 不惧危险 抓举重物的力量比人手大的特点 因此机械手已受到许多部门的 重视 并越来越广泛的得到了应用 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动 而是综合了人的特长和 机器特长的一种拟人的电子机械装置 既有人对环境状态的快速反应和分 析判断能力 又有机器可长时间持续 工作 精确度高 抗恶劣环境的能力 从某种意义上说它也是机器的进化过程产物 它是工 业以及非产业界的 重要生产和服务性设备 也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 精品资料 机械手技术涉及到力学 机械学 电气液压技术 自动控制技术 传感 器技术和计算机技术等科学领域 是一门跨多种学科的综合技术 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器 它有多个自由度 可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作 1 1 工工业业机械手的分机械手的分类类 目前 我国对工业机械手尚无交统一的分类标准 一般可按机械手的规 格 功能或用途等来分类 1 1 1 按按规规格 所搬运的工件重量 分格 所搬运的工件重量 分类类 1 微型的 搬运重量在 1kg 以下 2 小型的 搬运重量在 10kg 以下 3 中型的 搬运重量在 50kg 以下 4 大型的 搬运重量在 500kg 以下 目前大多数工业机械手能搬运的重量为 1 30kg 最小的为 0 5kg 最大 的已达 800kg 1 1 2 按功能分按功能分类类 1 简易型工业机械手 有固定程序和可变程序两种 固定程序有凸 轮转鼓或挡块转鼓控制 可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序 近年来 普遍采用可编程序控制器 PC 组成控制系统 这种机械手多为气动或液动 结构简单 价格便宜 改变程序较容易 只适用于程序较简单的点位控制 但作为一般单服务的搬运作业已足够 所 以 目前这种工业机械手数量最多 2 记忆再现型工业机械手 这种工业机械手有人工通过示教装置领 动一遍 有记忆元件 如磁盘 磁带或存储器 把程序记录下来 以后机械手 就自动按记忆的程序重复进行循环动作 精品资料 这是采用较多的一种 多为电液伺服驱动 与前者相比较 有较多的自 由度 能进行程序较复杂的作业 通用性较强 3 计算机数字控制的工业机械手 可通过更换穿孔带或其它记忆介 质来改变工业机械手的动作程序 还可以进行多机控制 DNC 计算机可 以是可编程序控制器或微型计算机 4 智能工业机械手 有计算机通过各种传感元件等进行控制 具有 视觉 热觉 触觉 行走机构等 1 1 3 按用途分按用途分类类 1 专用机械手 附属于主机的 具有固定的程序而无独立的控制系统 的机械装置 这种机械手工作对象不变 动作固定 结构简单 实用可靠 适 用于成批 大量生产的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 动作灵活多样的机械手 通用机械手的工作范围大 定位精度高 通用性强 使用于工件经常变换的 中 小批量自动化生产 1 2 工工业业机械手的机械手的组组成成 工业机械手是由执行机构 驱动机构和控制系统所组成的 各部分关系 如图 1 1 所示 机械手的组成示意图如图 1 2 所示 控制系统驱动系统执行机构 位置检测装置 工件 图 1 1 工业机械手组成框图 精品资料 图 1 2 工业机械手组成示意图 1 手指 2 手部 3 手腕回转液压缸 4 导向杆 5 手臂伸缩液压缸 6 手臂回转液压缸 7 手臂升降液压缸 8 液压系统控制阀 9 液压泵电动机 10 液压泵 11 油箱 1 2 1 执执行机构行机构 执行机构由抓取部分 手部 腕部 臂部和行走机构等运动部件组成 1 手部 详见第三章 即直接与工件接触的部分 一般是回转型或平 移型 多为回转型 因其结构简单 手爪多为两指 也有多指 根据需要分 为外抓式或内抓式两种 也可用负压或真空式的空气吸盘 它主要用于吸取 冷的 光滑表面的零件或薄板零件 和电磁吸盘 传力机构型式较多 常用的有 滑槽杠杆式 连杆杠杆式 斜楔杠杆式 齿轮杠杆式 丝杠螺母式 弹簧式和重力式 2 腕部 详见第四章 是连接手部和手臂的部件 并可用来调整被抓 物体的方位 即姿态 精品资料 3 臂部 手臂是支撑被抓物体 手部 腕部的重要部件 手臂的作用 是带动手指去抓取物体 并按预定要求将其搬运到给定的位置 手臂有三个自由度 可采用直角坐标系 前后 上下 左右都是直线 圆柱坐标系 前后 上下直线往复运动和左右旋转 球坐标系 前后伸缩 上下摆动和左右旋转 和多关节 手臂能任意伸缩 四种方式 直角坐标占空间大 工作范围小 惯性小 所以一般不多用 只有在自 由度数较少时用之 圆柱坐标占空间较小 工作范围较大 但惯性也大 且不能抓取底面物 体 球坐标式和多关节式占用空间小 工作范围较大 惯性小 所需动力小 能抓取底面物体 多关节还可以绕障碍物选择途径 但多关节式结构较复杂 所以也不多用 目前常用的是球坐标式和圆柱坐标式的工业机械手 4 行走机构 有的工业机械手带有行走机构 1 2 2 驱动驱动机构机构 有气动 液动 电动和机械式四种形式 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控制时 有较高的重复定位精度 但臂力 一般在 300N 以下 液动式的臂力可达 1000N 以上 且可用电液伺服机构 可实现连续控制 使工业机械手的用途和通用性更广 定位精度一般在 1mm 范围内 目前常用的是气动和液动驱动方式 电动式用于小型 机械式 只用于动作简单的场合 1 2 3 控制系控制系统统 有点动控制和连续控制两种方式 大多数用插销板进行点位程序控制 也有采用可编程序控制器控制 微型计算机控制 采用凸轮 磁盘磁带 穿 精品资料 孔卡等记录程序 主要控制的是坐标位置 并注意其加速度特性 1 2 4 基体 机身 基体 机身 基体是整个机械手的基础 1 3 工工业业机械手在生机械手在生产产中的作用中的作用 机械手在工业生产中的应用极为广泛 可以归纳为以下一些方面 1 3 1 建造旋建造旋转转体零件 体零件 轴类轴类 盘类盘类 环类环类 自 自动线动线 一般都采用机械手在机床之间传送工件 国内已建成的这类自动线很 多 如沈阳水泵厂的深井泵轴承体加工自动线 环类 大连电机厂的 4 号 和 5 号电动机轴加工自动线 轴类 上海拖拉机齿轮厂的齿柸加工自动线 盘类 等 加工箱体类零件的组合机床自动线 一般采用随行夹具传送工件 也有 采用机械手的 如上海动力机厂的气缸盖加工自动线转位机械手 1 3 2 在在实现单实现单机自机自动动化方面化方面 1 各类半自动车床 有自动夹紧 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 可实现全自动生产 一人看管多台机床 目 前 机械手在这方面应用最多 如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动 车床机械手 大连第二机床厂的自动循环液压仿形车床机械手 沈阳第三机 床厂的 Y38 滚齿机械手 青海第二机床厂的滚齿花键机床机械手等 由于 这方面使用已有成熟的经验 国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就 附上机械手 或为用户自行安装机械手提供条件 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 装卸工件 可实现全自动生产 3 冲床有自动上下料冲压循环 装上机械手上下料 可实现冲压生产 自动化 目前机械手在冲床上应用有两个方面 一是 160t 以上的冲床用机 精品资料 械手的较多 如沈阳低压开关厂 200t 冲床磁力起动器壳体下料机械手和天 津拖拉机厂 400t 冲床的下料机械手等 一是用于多工位冲床 用作冲压件 工位间步进 如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手 生产线中有 两台多工位冲床 和天津二轻局技术研究所制作的 12t 和 40t 多工位冲床机 械手等 1 3 3 铸铸 锻锻 焊焊 热处热处理等加工方面理等加工方面 在模锻方面 国内大批量生产的 3t 5t 10t 模锻锤 其所配的转底炉 用两只机械手成一定夹角布置在炉前 实现进出料自动化 上海柴油机厂 北京内燃机厂 洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验 总的来说 工业机械手满足了社会生产的需要 其特点是 1 对环境的适应性强 能代替人从事危险 有害的操作 在长时间工 作对人体有害的场所 机械手不受影响 只要跟据工作环境进行合理设计 选择适当的材料和结构 机械手就可以在异常的高温或低温 异常压力和有 害气体 粉尘 放射线作用下 以及冲压 灭火等危险环境中胜任工作 为了谋求操作安全和彻底防止公害 在工伤事故多的工种 如冲压 压 铸 热处理 钢造 喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊接等作业中 推广 工业机械手或机器人 2 由于机械手的动作准确 因为可以稳定和提高产品的质量 同时又 可以避免人为的操作错误 3 机械手能持久 耐劳 可以把人从繁重单调的劳动中解放出来 并 能扩大和延伸人得功能 人在连续工作几小时后 总会感到疲劳或厌倦 而 机械手只要注意维护 检修 即能胜任长时间的单调重复劳动 4 机械手特别是通用工业机械手的通用性 灵活性好 能较好的适应 产品品种的不断变化 以满足柔性生产的需要 这是因为机械手动作程序和 运动位置 或轨迹 能够十分灵活快速地予以改变 而其众多的自由度 又提 精品资料 供了迅速改变作业内容的可能 在中 小批量的自动化生产中 最能发挥其 作用 5 采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本 1 4 工工业业机械手机械手设计设计的目的的目的 工业机械手设计是机械制造 机械设计和机械电子工程 机电一体化 等专业的一个重要的教学环节 是学完技术基础课程及有关专业课以后的 一次专业课程的综合设计 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 通过这一教学环节要求可以达到 1 通过设计 把有关课程 机构分析与综合 机械原理 机械设计 液 压与气动技术 自动控制理论 测试技术 数控技术 微型计算机原理及应 用 自动机械设计等 中所获得的理论知识在实际中综合地加以应用 使这 些知识得到巩固和发展 并使理论知识和生产密切的结合起来 因此 工业 机械手设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计 2 工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学 生一次比较完整的机电一体化整机设计 通过设计 培养学生独立的机械整 机设计的能力 树立正确的设计思想 掌握机电一体化机械产品的基本方法 和步骤 为自动机械设计打下良好基础 3 通过设计 使学生能熟练地应用有关资料 计算图表 手册 图册和 规范 熟练有关国家标准和部颁标准 已完成一个工程技术人员在机械整机 设计方面必须具备的基本技术训练 4 由于整个机械手设计工作量大为了是学生在几个周之内得到一个 完整的训练 因此此次设计我们小组四个人分工协作一个完整的工业机械 设计 这样既能培养学生独立工作与分工协作完成大型设计的能力 又解决 了工作量大 时间短的矛盾 精品资料 1 5 工工业业机械手机械手设计设计的内容的内容 要求本设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思 所谓机电一体化 技术 是机械工程技术吸收微电子技术 信息处理技术 传感技术等而形成 的一种新的综合集成技术 尽管机电一体化的产品名目较多 并由于它们的 功能不同而有不同的形成和复杂程度 但做功的机械本体部分 包括动力装 置 和微电子控制部分 包括信息处理 是其最基本的 必不可少的要素 我 们选择工业机械手作为毕业设计题目 无论从内容的深度 份量以及覆盖各 科知识面的程度来衡量都是适当的 此设计要就我们组各成员完成以下工作 1 拟定整体设计方案 特别是传感 控制方式与机械本体的有机结合 的设计方案 2 根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部 腕部 臂身和机身 的结构 3 各部分的设计计算 4 工业机械手工作装配图的设计与绘制 5 液压系统图的设计与绘制 6 机械手的运动分析 8 编写设计计算说明书 9 就本次设计参加答辩 1 6 工工业业机械手的技机械手的技术发术发展方向展方向 现在工业机械手的应用简况 在现在工业中 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 精品资料 有资料统计 美国偏重于毛坯的生产 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 机床组合成一个综合的数控系统 采用机械手进行装配更是现在研究的重点 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 国内外实际上使用的定位控制的机械手 没有 视觉 和 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 取的工件进行分辨 选取所需要的工件 并正确地夹持工件 进而精确地在 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法 分辨形状不同的零 件 它有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作 为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物体滑落下来 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 直接检测指部与物体的滑动位移 来修正握力 因此 这种机械手就具有以下几个方面的性能 1 能准确地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 抓空或抓力不足时能检测出来 精品资料 这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能 机械手 它是具有发展前途的 现在 工业机械手的使用范围只限于在简单的操作方面节省人力 其效 用是代替人从事繁重的工作和危险地工作 在恶劣的环境下尤其明显 至于 在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门 机械手的应用情况决不能 说是很好的 虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐 但采用机械手只限 于一小部分工序 其原因之一是 工业机械手的性能还不能满足这些部门的 要求 适于机械手工作的范围很狭小 另外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理化的要求 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 精品资料 2 机械手机械手总总体体设计设计方案方案 2 1 原始数据 主要参数 原始数据 主要参数 1 抓重 200N 2 自由度 4 个 3 标形式 球坐标 4 手指夹持范围 棒料 直径 40 60mm 长度 450 1200mm 5 定位方式 电位器设定 点位控制 6 驱动方式 液压 中 低压系统 7 定位精度 3mm 8 控制方式 可编程控制 9 手臂运动参数 运动名称符号形成范围速度 回转 0 120 小于 90 s 俯仰 0 45 小于 90 s 伸缩 X350小于 250mm s 10 手腕参数 运动名称符号形成范围速度 回转 0 180 小于 90 s 11 放松时的两爪的最大距离为 80 90mm 1s 抓紧 夹紧速度 20mm s 2 2 工作要求工作要求 精品资料 机械手的工作流程 机械手的原位 伸缩臂前伸 夹持器夹紧 机械手臂向左回转 90 机械手手腕逆时针回转 90 机械手臂向下俯仰 30 机械手松开工件 机 械手臂向上俯仰 30 机械手手腕顺时针回转 90 机械手臂向右回转 90 伸缩臂后缩 机械手复位 依次循环 其机械手球坐标型运动简图如下图所示 图 2 1 球坐标式 手臂运动 俯仰 或大臂上下摆动 2 3 系系统组统组成成 本次设计工业机械手是由执行机构 驱动系统和控制系统组成的 其中 机体有本体部分组成 传送机构主要有伸缩臂及抓紧机构组成 动力源由液 压驱动和机械驱动两种形式构成控制装置主要由自动控制和手动控制两部 分组成 2 4 总总体技体技术术方案方案 毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来 并进 行灵活运用 现在的发展趋势是机电一体化 因此 我们的毕业设计是要我 们将 机 电 液 三者合并起来 精品资料 2 4 1 动动作分析作分析 工业机械手的机械机构是指它的执行系统 是机械手抓持工件 进行操 作及各种运动的机械部件 机械部件主要包括手部 手臂前后伸缩部分 手 臂上下升降部分 腰转部分以及机座 2 4 2 手部手部 手部 包括杠杆手指 单向作用式握紧油缸等 其工件原理 物体进入手 指之后 拉杆手油缸作用 通过拉杆带动杠杆手指回转 实现握紧或松开动 作 手臂的前后伸缩部分 由直线油缸带动实现 当直线油缸工作时通过活 塞杆行程的变化 完成手臂的伸缩运动 2 4 3 腰腰转转部分主要由部分主要由转盘转盘和回和回转转油缸油缸组组成成 当压力油进入回转油缸时 回转油缸的回转销回转 通过活塞杆的伸缩 带动转盘的转动 从而实现机械手的左右转动 精品资料 3 机械手的手部机械手的手部设计计设计计算算 3 1 手部手部结结构构设计设计 手部 亦称抓取机构 是用来直接握持工件的部件 由于被握持工件的 形状 尺寸大小 重量 材料性能 表面状况等的不同 所以工业机械手的手 部结构是多种多样的 大部分的手部结构是根据持定的工件要求而设计的 归结起来 常用的手部 按其握持工件的原理 大致可分为夹持和吸附两大 类 夹持类常见的主要有夹钳式 此外还有钩托式和弹簧式 夹持类手部按 其手指夹持工件时的运动方式 可分为手指回转型和手指平移型两种 吸附类中 有气吸式和磁吸式 夹钳式手部是有手指 传动机构和驱动装置三部分组成的 它对抓取各 种形状的工件具有较大的适应性 可以抓取轴 盘 套类零件 一般情况下 多采用两个手指 少数采用三指或多指 驱动装置为传动机构提供动力 驱 动源有液压的 气动的和电动的等几种形式 常见的传动机构往往通过滑槽 斜楔 齿轮齿条 连杆机构实现加紧或松开 平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动 适于夹持平板 方料 在夹 持直径不同的圆棒时 不会引起中心位移的偏移 但这种手指结构比较复杂 体积大 要求加工精度高 回转型手指的张开闭合靠手指根部 以枢轴支点为中心 的回转运动来 完成 枢轴支点为一个的 称单支点回转型 为两个的 称为双支点回转型 这种手指结构简单 形状小巧 但夹持不同工件会产生夹持定位误差 精品资料 综合考虑以上各种手部结构和本次设计所需的工作要求 最后确定手 部的基本结构为夹钳式双支点回转型手部结构 图 3 1 回转型和平移型手指 a 单支点回转型 b 双支点回转型 c 平移型 平直指 3 2 夹钳夹钳式手部式手部设计设计的基本要求的基本要求 1 应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力 夹紧力 大小适宜 力量 过大则动力消耗多 结构庞大 不经济 甚至会损坏工件 力量过小则夹持 不住或产生松动 脱落 在确定握力时 除考虑工件重量外 还应考虑传送 或操作过程中所产生的惯性力和振动 以保证工件夹持安全可靠 而对手部的驱动装置来说 应有足够的驱动力 应指出 由于机构传力 比不同 在一定的夹持力条件下 不同的传动机构所需驱动力的大小是不同 的 2 手指应具有一定的开闭范围 手指应具有足够的开闭角度 手指从 张开到闭合绕支点所转过的角度 或开闭距离 对平移型手指从张开到合 闭的直线移动距离 S 以便于抓取和退出工件 3 应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件 在手 指内部都有准确的相对位置 这对一些有方位要求的场合更为重要 如曲拐 凸轮轴一类复杂的工件 在机床上安装的位置要求严格 因此机械手的手部 在夹持工件后应保持相对的位置精度 4 要求结构紧凑 重量轻 效率高 在保证本身刚度 强度的前提下 尽可能使结构紧凑 重量轻 以利于减轻手臂的负载 5 应考虑通用性和特殊要求 一般情况下 手部多是专用的 为了扩 精品资料 大它的使用范围 提高它的通用化程度 以适应夹持不同尺寸和形状的工件 要求 通常采取手指可调整的办法 如更换手指甚至更换整个手部 此外 还要考虑能适应工件环境提出的特殊要求 如耐高温 耐腐蚀 乃承受锻锤 冲击力等 3 3 夹钳夹钳式手部的式手部的计计算与分析算与分析 3 3 1 夹紧夹紧力的力的计计算算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据 必须对其大小 方向 作用点进行分析 计算 一般来说 夹紧力必须克服工件的重力所产生的静 载荷 惯性力或惯性力矩 以使工件保持可靠的加紧状态 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算 F K K K G 式 3 1 N123 式中 K 安全系数 由机械手的工艺及设计要求确定 通常取 1 2 2 0 1 取 1 5 K 工件情况系数 主要考虑惯性力的影响 计算最大加速度 得 2 出工作情况系数K2 K2 1 1 1 002 a 为机器人搬运 g a 8 9 1 02 0 工件过程的加速度或减速度的绝对值 m s K 方位系数 根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进 3 行选定 手指与工件位置 手指水平放置 工件水平放置 精品资料 表 3 1 夹紧力的方位系数 手指 与工 件位 置 手指水平放置夹水平放 置工件 手指水平放置夹水平悬臂 放置工件 手指水平放置夹垂直放 置工件 V 型 指 夹 圆 棒 K 0 5 3 K 2 13 3 H L 粗略计算 K 3 H L3 K 3 f sin5 0 V 型手指半角 粗略计算 K 4 3 手指 与工 件位 置 手指水平放置夹水平放 置工件 手指水平放置夹水平悬臂 放置工件 手指水平放置夹垂直放 置工件 V 型 指 夹 圆 棒 精品资料 K 3 ftan1 tan5 0 粗略计算 K 0 9 1 1 3 K 3 f sin5 0 粗略计算 K 4 3 手指与工件形状 V 型指端夹持圆柱型工件 即根据手指与工件的位置要求查表 3 1 得K 0 5 3 G 被抓工件重量 因此 求得夹紧力F FN K1K2K3G 1 5 1 002 0 5 200 150 3N 取整的 151N 3 3 2 驱动驱动力的力的计计算算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式 F 式 3 2 N bsin2 cF 式中 c 滚子至销轴之间的距离 b 抓至销轴之间的距离 楔块的倾斜角 可得F 146 89N 得出 F 为理论计算 c bsin2 N F 34 16sin602151 值 实际采取的液压缸驱动力 F 要大于理论计算值 考虑手爪的机械效率 一般取 0 8 0 9 此处取 0 88 则 F 166 93N 取 F 500N F 88 0 89 146 精品资料 3 3 3 液液压压缸缸驱动驱动力力计计算算 设计方案中压缩弹簧使爪牙张开 故为常开式夹紧装置 液压缸为单作 用缸 提供推力 F 式 3 3 推 PD 2 4 式中 D 活塞直径 d 活塞杆直径 p 驱动压力 F推 F 已知液压缸驱动力 F 且 F 500N 10KN 由表 3 2 于 F 10KN 故选工作压力 P 1MP 3 3 4 液液压压缸内缸内经计经计算算 据公式计算可得液压缸内径 D mm 25 231mm 114 3 5004 4 P F 表 3 2 液压缸工作压力 作用在活塞上的外力 F N 液压缸工作压力 MP 5000 0 8 1 0 5000 100001 5 2 0 10000 200002 5 3 0 20000 300003 0 4 0 30000 500004 0 5 0 50000 5 0 7 0 根据液压设计手册 见表 3 2 圆整后再结合液压缸标准取 D 40mm 表 3 3 液压缸的内径系列 JB826 66 20253240 50 5563 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110125 130 140 160 180200 250 注 1 括号内尺寸尽可能不用 精品资料 2 号者为 JB1086 67 标准系列 3 3 5 活塞杆的活塞杆的计计算 算 活塞杆的尺寸要满足活塞 或液压缸 运动的要求和强度的要求 按强度条件校验活塞杆直径 d 按拉 压强度计算 式 3 4 2 4 d F 或 d 式 3 5 F4 式 3 6 n 碳钢取 100 120MP n 一般不小于 1 4 计算出的直径 d 再按表 3 3 标准 值取整 活塞行程 当抓取 60mm 工件时 即手爪从张开 90mm 减小到 60mm 楔块向前移动大约 40mm 取液压缸行程 S 40mm 表 3 4 液压缸工作压力与活塞杆直径 液压缸工作压力 p MPa 55 7 7 推荐活塞杆直径 0 5 0 55 D 0 6 0 7 D0 7D 即可得 活塞杆直径 d 0 5D 0 5 40 20mm 按强度条件校验活塞杆直径 d 可得 d 2 52mm 查表 3 5 取标准直径值为 20mm F4 6 1010014 3 5004 活塞厚 B 0 6 1 0 D 取 B 0 8d 0 8 40 32mm 缸筒长度 L 20 30 D 取 L 123mm 活塞行程 当抓取 60mm 工件时 即手爪从张开 90mm 减小到 60mm 楔块向前移动大约 30mm 去液压缸行程 S 30mm 精品资料 液压缸流量计算 Q 式 3 7 S dD 22 4 放松时流量 qV 1 1304L min 112V A 622 106020 2040 4 夹紧时流量 qV 1 5072 L min 111V A S D 2 4 62 10602040 4 表 3 5 活塞杆的直径系列 JB826 66 10121416182022252830 323540455055 60 63 65 70 75 80 85 90 95 注 括号内的尺寸尽可能不用 3 3 6 液液压压缸壁厚缸壁厚计计算算 液压缸壁厚计算 在实际使用中有下列三种公式 1 中等壁厚 即 16 3 2 时 D C 式 3 8 1 1 p3 2 p D 式中 p1 液压缸内工作压力 Pa 强度系数 当无缝钢管时 1 C 计入管壁公差及侵蚀的附加厚度 一般圆整到标准厚度值 D 液压缸内径 m 2 薄壁 即 16 时 D 精品资料 式 3 9 2 p1D 3 厚壁 即当 3 2 时 D 式 3 10 2 D 1 3 1 4 0 1 1 P P 式中 n 材料抗拉强度 Pa n 安全系数 n 3 5 5 一般常用缸体材料的许用应力 锻钢 110 120MPa 铸铁 60MPa 无缝钢管 100 110MPa 结合该液压缸内径大小取中等壁厚即 C 1 1 p3 2 p D C 1 11003 2 401 考虑工程机械标准液压缸外径和 C 值取壁厚 5mm 3 3 7 液液压压缸外径的缸外径的选选取取 具体参照表 3 6 表 3 6 标准液压缸外径 JB1086 67 液压 缸外 径 4050638090100110125140150160180 20 钢 160 MP 50607695108121153168146180194219 30 钢 200 MP 50607695108121153168146180194219 由液压缸内经和液压缸壁厚尺寸可确定液压缸外径尺寸为 50mm 精品资料 3 3 8 选选用用夹夹持器液持器液压压缸缸 经网络查询 温州中冶液压气动有限公司所生产的轻型拉杆液压缸 型号为 MOB B 40 FB 结构简图 外形尺寸及技术参数如下 图 3 2 结构简图 图 3 3 外形尺寸 精品资料 表 3 7 夹持器液压缸技术参数 受压面积工作 压力 使用 温度 范围 允许 最大 速度 效率 传动 介质 缸径无杆 腔 有杆 腔 速度 比 1MPa 10 80 300m s 90 常规 矿物 液压 油 40mm12 58 61 45 3 3 9 手爪的手爪的夹夹持持误误差及分析差及分析 机械手能否准确夹持工件 把工件送到指定的位置 不仅取决于机械 手定位精度 右臂部和腕部等运动部件确定 而且也与手指的夹持误差大 小有关 特别是在多品种的中 小批量生产中 为了适应工件尺寸在一定范 围内变化 避免产生手指夹持的定位误差 必须注意选用合理的手部结构参 数 见下图 图 3 4 夹持不同直径工件时的夹持误差 精品资料 R 和 R 不同工件 C C 1212 从而使夹持误差控制在较小范围内 在机械加工中 通常情况使手爪的夹持 误差不超过 1mm 就可以了 这就可以在满足定位精度的条件下 采用简单 的回转型手爪 而避免单纯追求自动定心 而使设计出的结构过分复杂 本次设计为楔块杠杆式回转型夹持器 选用两支点回转型手爪 如图所 示 图 3 5 两支点回转型手爪 其中 l为手指长度 选取为 60mm AB 2 为 V 型槽的夹角 选取为 120 为偏转角 2a 为两回转支点距离 选取为 50mm 若把工件轴心位置 C 到手爪两支点连线的垂直距离 CD 以 X 表示 根 据几何关系有 X 式 3 11 22 2 a cos sin l 2 sin l RR ABAB 为讨论方便起见上式改写为 X 式 3 12 22 2 2 2 sincossinl sin 1 alR ABAB 或 1 a sinlsin cossinl a sinl 2222 2 222 AB 2 AB AB RX 精品资料 该方程同样为双曲线方程 如图 3 6 所示 10 20 30 40 50 60 70 80 90 97 98 99 100 101 102 103 R0 Xmin Rmin Rmax AB 2 120o 54o44 图 3 6 工件半径与夹持误差 关系曲线 由上图 3 6 得 当工件半径为 R 时 X 取最小值 X 又从上式可以 min 求出 通常取 2 120 cossinl 0AB R X lsin minAB 若工件的半径 R变化到 R时 X 值的最大变化量 即为夹持误max min 差 用 表示 在设计中 希望按给定的 R和 R来确定手爪各部分尺寸 为减少夹max min 持误差 一方面可加长手指长度 但手指过长 使其结构增大 另一方面可 选取合适的偏转角 是夹持误差最小 这时的偏转角称为最佳偏转角 只 有当工件的平均半径 R取为 R 时 夹持误差最小 此时必须说明 对于ep 双支点回转型手爪 尤其当 a 值较大时 偏转角 的大小不易按夹持误差 最小的条件确定 主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时 两手爪的 BE 和 B E 边平行 抓不着工件 为避免上述情况 通常按手爪抓取工件的平均 精品资料 半径 R 以 BCD 90 为条件确定两支点回转型手爪的偏转角 即 为 ep 式 3 13 AB R l 1 a sin cos ep 1 表 3 8 最佳偏转角 2 120 m ep l R AB 1 522 533 544 55 最佳偏转角 39 40 5444 6229 6723 7044 7313 7402 7639 其中 2a 50mm l 60mm V 型钳的夹角 2 120 即 AB 56 932 60 1 25 60sin 50 cos 1 由 R lsin cos 60 sin60 cos56 932 28 35mm AB 如下表 3 9 则 R R R 此时定位误差为 和 中的最大值 min max12 1 2222max2max2 sincos sin 2 sin ala R l R lAB AB AB 222222 25932 56sin6025932 56cos 60sin 30 602 60sin 30 60 43 667 43 626mm 0 041mm 2 2222min2min2 sincos sin 2 sin ala R l R lAB AB AB 222222 25932 56sin7025932 56cos 60sin 20 602 60sin 20 60 精品资料 43 679 43 625mm 0 054mm 所以 由 0 054mm 1mm 即手指夹持误差满足设计要求 12 由以上各值可得 X 56 63mm 22 2 2 2 sincossinl sin 1 alR ABAB 取值为 X 57mm 3 4 楔楔块块等尺寸的确定等尺寸的确定 楔块进入杠杆手指时的力分析如下 图 3 7 上图 3 7 中 斜楔角 30 时有增力作用 滚子与斜楔面间当量摩擦角 tan d D tan 为滚子与 2222 转轴间的摩擦角 d 为转轴直径 D 为滚子外径 tan f f 为滚子与转 222 轴间摩擦系数 精品资料 支点 O 至斜面垂线与杠杆的夹角 表 3 9 回转型手爪的定位误差计算 二支点回转型手抓 手爪 形式 手爪参数 与定位误差 2 通常可取 2 120 手指长 l AB 不要太大 a不要太大 参 数 的 选 择 偏转角 通常取 cos AB RR l 1 a sin2 minmax1 定位误差的计算 当 R R R或 R R R 0minmaxminmax0 2max22max2 a cos sin l 2 sin l RR ABAB 2min2min2 a cos sin l 2 sin l RR ABAB 当 R R R定位误差为 和 中最大者 min0max12 1 2max22max2 a cos sin l 2 sin l RR ABAB 222 a sinl AB 2 2min22min2 a cos sin l 2 sin l RR ABAB 222 a sinl AB 其中 R lsin cos AB 对于只抓取 R和 R 1 两种尺寸时 偏转 2 cos sin l 2 211 AB RR 精品资料 角 按表右选取 定 为误差为零 注意 此时 a 值尽量要取小些 l 杠杆驱动端杆长 l 杠杆夹紧端杆长 杠杆传动机械效率 3 4 1 斜斜块块的的传动传动效率效率 斜块的传动效率 可由下式表示 式 3 14 2 sin sin 22 tan d tan D 杠杆传动机械效率 取 0 834 tan 取 0 1 d D 取 0 5 则可得 2 26 036 90 取整得 26 2 3 4 2 动动作范作范围围分析分析 阴影部分杠杆手指的动作范围 即 90 见下图 2 图 3 8 如果 则楔面对杠杆作用力沿杆身方向 夹紧力为零 且为不稳 2 精品资料 定状态 所以 必须大于 此外 当 90 时杠杆与斜面平行 呈直线接 2 触 且与回转支点在结构上干涉 即为手指动作的理论极限位置 3 4 3 斜楔斜楔驱动驱动行程与手指开行程与手指开闭闭范范围围 当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时 沿两斜面对称中心线方向的 驱动行程为 L 此时对应的杠杆手指由位置转到位置 其驱动行程可用 1 2 下式表示 式 3 15 21 21 cos cos sin l sin lcos lcos L 杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为 式 3 16 21 cos cosls 通常状态下 在 90 左右范围内 则由手指需要的开闭范围来 2 1 确定 由给定条件可知最大 s 为 15 25mm 最小设定为 15mm 即 15 15 25 已知 26 可得 90 64 2 3 4 4 l 与与 l 的确定的确定 斜楔传动比 i 可由下式表示 式 3 17 lsin sinl L l i 可知 一定时 l 愈大 i 愈大 且杠杆手指的转角 在 90 范围内 l 增大时 传动比减小 即斜楔等速前进 杠杆手指转速逐渐减小 则由 l 120 分配距离为 l 31mm 17mm l l 3 4 5 确定确定 1 由前式得 s 25 15 10 s 10 60 cos 26 cos 76 26 50 623 取 50 1 1 1 精品资料 3 4 6 L 的确定的确定 L 为沿斜面对称中心线方向的驱动行程 由下图中关系 图 3 9 L 30 56mm 取 L 31mm 则楔块上边长为 76cos 50cos 14sin 25 8mm 3 5 材料及材料