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搬运机械手设计及运动仿真搬运机械手设计及运动仿真 摘要摘要 机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术 它是一种模仿人体上肢的部分 功能 按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备 对实现工业生产自动化 推动工业生产的进一步发展起着重要作用 因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎 实践证明 机械手可以代替人手的繁重劳动 显著减轻工人的劳动强度 改善劳动条件 提高 劳动生产率和自动化水平 工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁 单调的操作 采用机械手是有效的 此外 它能在高温 低温 深水 宇宙 放射性和其他有毒 污染环境 条件下进行操作 更显示其优越性 有着广阔的发展前途 本课题通过应用对机械手进行结构设计和液压传动原理设计 运用技术对上料机械手进行 三维实体造型 并进行了运动仿真 使其能将基本的运动更具体的展现在人们面前 关键词 关键词 机械手 自由度 液压 自动化 a a a a 目录目录 1 前言 1 2 抓取机构设计 1 2 1 手部的设计和计算 1 2 1 1 手部设计的要求 1 2 1 2 拉紧装置原理 2 2 2 腕部的设计计算 4 2 3 臂伸缩机构设计 6 3 液压系统原理设计及草图 9 3 1 手部抓取缸 9 3 2 腕部摆动液压回路 10 3 3 小臂伸缩缸液压回路 11 3 4 总体系统图 12 4 机身机座的结构设计 13 4 1 电机的选择 13 4 2 减速器的选择 15 4 3 螺柱的设计与校核 15 5 机械手的定位与平稳性 17 5 1 常用的定位方式 17 5 2 影响平稳性和定位精度的因素 17 5 3 机械手运动的缓冲装置 18 6 机械手的控制 19 7 机械手的组成与分类 20 7 1 机械手组成 20 7 2 机械手分类 21 8 机械手的三维造型及运动仿真 23 总结 24 致谢 25 参考文献 26 附录 27 1 1 前言前言 机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术 并已成为现代机械制造生产系统中的一个 重要组成部分 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识 其一 它能不分地 代替人工操作 其二 它能按照生产工艺的要求 遵循一定的程序 时间和位置来完成工件的传 送和装卸 其三 他能操作必要的机具进行焊接和装配 从而大大的地改善工人的劳动田间 显 著提高劳动生产率 加快实现工业生产机械化和自动化的步伐 因此受到各先进工业国的重视 投入大量的人力物力加以研究和应用 在我国 近几年也有较快的发展 并取得一定的效果 受 到机械工业和铁路工业部门的重视 通过中的虚拟样机技术在第一台物理样机之前 以机械运动学 多体动力学 有限元分析和 控制理论为核心 将产品各零部件的设计和分析集成在一起 建立机械系统的数字模型 从而为 产品的设计 研究 优化提供基于计算机虚拟现实的研究平台 在进行产品三维结构设计的同时 运用分析仿真软件 对产品工作性能进行虚拟仿真 发现设计缺陷 根据分析仿真结果 用三 维设计软件对产品设计结构进行修改 2 2 抓取机构设计抓取机构设计 2 12 1 手部的设计和计算手部的设计和计算 2 1 1 手部设计的要求 1 有适当的夹紧力 手部在工作时 应具有适当的夹紧力 以保证夹持稳定可靠 变形小 且不损坏工件的已加 工表面 2 有足够的开闭范围 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置 工作时 一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭 范围 手指开闭范围的要求与许多因素有关 如工件的形状和尺寸 手指的形状和尺寸 一般来 说 如工作环境许可 开闭范围大一些较好 3 力求结构简单 重量轻 体积小 手部处于腕部的最前端 工作时运动状态多变 其结构 重量和体积直接影响整个机械手的 结构 抓重 定位精度 运动速度等性能 因此 在设计手部时 必须力求结构简单 重量轻 体积小 4 手指应有一定的强度和刚度 5 其它要求 夹紧机械手 根据工件的形状 采用最常用的外卡式两指钳爪 夹紧方式用常闭史弹簧夹紧 松开时 用单作用式液压缸 此种结构较为简单 制造方便 2 1 2 拉紧装置原理 如图 2 1 所示 4 油缸右腔停止进油时 弹簧力夹紧工件 油缸右腔进油时松开工件 图 2 1 油缸示意图 1 右腔推力为 2 1 4908 7N 2 根据钳爪夹持的方位 查出当量夹紧力计算公式为 2 2 其中 N 498392N 带入公式 2 2 得 392 1764N 则实际加紧力为 2 3 3424N 经圆整 F1 3500N 3 计算手部活塞杆行程长 L 即 2 4 25 30 23 1 经圆整取 25 4 确定 V 型钳爪的 L 取 2 5 式中 2 6 由公式 2 5 2 6 得 3 150 取 V 型钳口的夹角 2 则偏转角按最佳偏转角来确定 查表得 22 39 5 机械运动范围 速度 1 1 伸缩运动 500 50 2 上升运动 500 40 3 下降 800 80 4 回转 90 30 所以取手部驱动活塞速度 60 6 手部右腔流量 2 7 60 60 3 14 25 1177 5 7 手部工作压强 2 8 1 78 2 22 2腕部的设计计算腕部的设计计算 腕部是联结手部和臂部的部件 腕部运动主要用来改变被夹物体的方位 它动作灵活 转动 惯性小 本设计腕部具有回转这一个自由度 可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构 要求 回转 角速度 以最大负荷计算 当工件处于水平位置时 摆动缸的工件扭矩最大 采用估算法 工件重 10 长度 650 如图 2 2 所示 1 计算扭矩 4 设重力集中于离手指中心 200 处 即扭矩为 S 2 9 10 9 8 0 2 19 6 N M F S F 图 2 2 腕部受力简图 2 油缸 伸缩 及其配件的估算扭矩 M2 4 5 10 带入公式 2 9 得 5 9 8 0 1 4 9 N M 3 摆动缸的摩擦力矩 M 摩 4 300 N 估算值 20 估算值 6 N M 4 摆动缸的总摩擦力矩 M 4 2 10 30 5 N M 5 由公式 2 11 其中 b 叶片密度 这里取 3 摆动缸内径 这里取 10 转轴直径 这里取 3 所以代入 2 11 公式 0 89 又因为 所以 27 2 32 3 臂伸缩机构设计臂伸缩机构设计 手臂是机械手的主要执行部件 它的作用是支撑腕部和手部 并带动它们在空间运动 臂部运动的目的 一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上 从臂部的受力情况看 它在工作中即直接承受着腕部 手部和工件的动 静载荷 而且自身运动又较多 故受力较复 杂 机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上 所以在选择合适的导向装置和定位方 式就显得尤其重要了 手臂的伸缩速度为 200 行程 500 1 手臂右腔流量 公式 2 7 得 1004800 1000 2 手臂右腔工作压力 公式 2 8 得 2 12 式中 F 取工件重和手臂活动部件总重 估算 所以代入公式 2 12 得 3 绘制机构工作参数表如图 2 3 所示 图 2 3 机构工作参数表 4 由初步计算选液压泵 4 所需液压最高压力 所需液压最大流量 选取型液压泵 齿轮泵 此泵工作压力为 10 转速为 1800 工作流量 Q 在 32 70之间 可以满足需要 5 验算腕部摆动缸 2 13 2 14 式中 m 机械效率取 0 85 0 9 v 容积效率取 0 7 0 95 所以代入公式 2 13 得 25 8 代入公式 2 14 得 因此 取腕部回转油缸工作压力 流量 圆整其他缸的数值 手部抓取缸工作压力 流量 小臂伸缩缸工作压力 流量 3 3 液压系统原理设计及草图液压系统原理设计及草图 3 13 1 手部抓取缸手部抓取缸 图 3 1 手部抓取缸液压原理图 1 手部抓取缸液压原理图如图 3 1 所示 2 泵的供油压力 P 取 10 流量 Q 取系统所需最大流量即 因此 需装图 3 1 中所示的调速阀 流量定为 工作压力 采用 10B 溢流阀 25 调速阀 23E1 10B 二位三通阀 3 23 2 腕部摆动液压回路腕部摆动液压回路 图 3 2 腕部摆动液压回路 1 腕部摆动缸液压原理图如图 3 2 所示 2 工作压力 1 流量 采用 25 调速阀 34E1 10B 换向阀 10B 溢流阀 3 33 3 小臂伸缩缸液压回路小臂伸缩缸液压回路 图 3 3 小臂伸缩缸液压回路 1 小臂伸缩缸液压原理图如图 3 3 所示 2 工作压力 流量 采用 10B 溢流阀 25 调速阀 23E1 10B 二位三通阀 3 43 4 总体系统图总体系统图 图 3 4 总体系统图 1 总体系统图如图 3 4 所示 2 工作过程 小臂伸长 手部抓紧 腕部回转 小臂回转 小臂收缩 手部放松 3 电磁铁动作顺序表 元件 动作 12345 小臂伸长 手部抓紧 腕部回转 小臂收缩 手部放松 卸荷 图 3 5 总体系统图 4 确电机规格 液压泵选取型液压泵 额定压力 工作流量在 32 70 之间 选取 80 为 额定流量的泵 因此 传动功率 3 1 式中 经验值 所以代入公式 3 1 得 16 7 选取电动机 61 2 型电动机 额定功率 17 转速为 4 4 机身机座的结构设计机身机座的结构设计 机身的直接支承和传动手臂的部件 一般实现臂部的升降 回转或俯仰等运动的驱动装置或 传动件都安装在机身上 或者就直接构成机身的躯干与底座相连 因此 臂部的运动愈多 机身 的结构和受力情况就愈复杂 机身既可以是固定式的 也可以是行走式的 臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局 本课题机械手的机身设计成机座式 这样机械手可以是独立的 自成系统的完整装置 便于随意安放和搬动 也可具有行走机构 臂 部配置于机座立柱中间 多见于回转型机械手 臂部可沿机座立柱作升降运动 获得较大的升降 行程 升降过程由电动机带动螺柱旋转 由螺柱配合导致了手臂的上下运动 手臂的回转由电动 机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转 从而达到了自由度的要求 4 14 1 电机的选择电机的选择 机身部使用了两个电机 其一是带动臂部的升降运动 其二是带动机身的回转运动 带动臂 部升降运动的电机安装在肋板上 带动机身回转的电机安装在混凝土地基上 1 带动臂部升降的电机 10 初选上升速度 所以 选择 Y904 型电机 属于笼型异步电动机 采用 B 级绝缘 外壳防护等级为 44 冷却方式为 I 014 即全封闭自扇冷却 额定电压为 380V 额定功率为 50 如图 4 1 Y904 电动机技术数据所示 满载时堵转电 流 堵转转 矩 最大转 矩 型号额定功 率 电流 A转速效率 功率因 素 额定电 流 额定转 矩 额定转 矩 Y9041 12 71400790 786 52 22 2 图 4 1 Y904 电动机技术数据 2 带动机身回转的电机 10 初选转速 由于齿轮 3 减速器 30 所以 选择 Y906 型笼型异步电动机 电动机采用 B 级绝缘 外壳防护等级为 44 冷却方式为 I 014 即全封闭自扇冷却 额定 电压为 380V 额定功率为 50 如图 4 2 Y906 电动机技术数据所示 图 4 2 Y906 电动机技术 4 24 2 减速器的选择减速器的选择 减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置 用来降低转速和增 转矩 以满足工作需要 6 初选 80 型圆柱蜗杆减速器 为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器 蜗杆的材料为 38 调质 蜗轮的材料为 19 4 中心矩 80 4 0 11 4 1 传动比 30 传动惯量 0 265 10 m 4 3 螺柱的设计与校核螺柱的设计与校核 螺杆是机械手的主支承件 并传动使手臂上下运动 螺杆的材料选择 6 从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁 螺距 6 梯形螺纹 螺纹的工作高度 0 5P 4 2 3 螺纹牙底宽度 4 3 螺杆强度 4 4 螺纹牙剪切 弯曲 1 当量应力 6 4 5 式中 T 传递转矩 N 螺杆材料的许用应力 所以代入公式 4 5 得 即 合格 2 剪切强度 6 旋合圈数 4 6 4 7 3 弯曲强度 6 0 48 45 合格 5 5 机械手的定位与平稳性机械手的定位与平稳性 5 15 1 常用的定位方式常用的定位方式 机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块 当机械手经减速运行到终点时 紧靠挡块而定位 若定位前已减速 定位时驱动压力未撤除 在这种情况下 机械挡块定位能达到较高的重复 精度 一般可高于 0 5 若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力 这时机械手可能被挡块碰回 一个微小距离 因而定位精度变低 5 25 2 影响平稳性和定位精度的因素影响平稳性和定位精度的因素 机械手能否准确地工作 实际上是一个三维空间的定位问题 是若干线量和角量定位的组合 在许多较简单情况下 单个量值可能是主要的 影响单个线量或角量定位误差的因素如下 1 定位方式 不同的定位方式影响因素不同 如机械挡块定位时 定位精度与挡块的刚度和碰接挡块 时的速度等因素有关 2 定位速度 定位速度对定位精度影响很大 这是因为定位速度不同时 必须耗散的运动部件的能量不同 通常 为减小定位误差应合理控制定位速度 如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率 控制驱动 系统使运动部件适时减速 3 精度 机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响 4 刚度 机械手本身的结构刚度和接触刚度低时 因易产生振动 定位精度一般较低 5 运动件的重量 运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量 运动件重量的变化对定位精度影响较大 通常 运动件重量增加时 定位精度降低 因此 设计时不仅要减小运动部件本身的重量 而且要考虑工作时抓重变化的影响 6 驱动源 液压 气压的压力波动及电压 油温 气温的波动都会影响机械手的重复定位精度 因此 采用必要的稳压及调节油温措施 如用蓄能器稳定油压 用加热器或冷却器控制油温 低速时 用温度 压力补偿流量控制阀控制 7 控制系统 开关控制 电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的 这不仅是因为各种控制 元件的精度和灵敏度不同 而且也与位置反馈装置的有无有关 本课题所采用的定位精度为机械挡块定位 5 35 3 机械手运动的缓冲装置机械手运动的缓冲装置 缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式 内缓冲形式有油缸端部缓冲装置和缓冲回路等 外 缓冲形式有弹性机械元件和液压缓冲器 内缓冲的优点是结构简单 紧凑 但有时安置位置有限 外缓冲的优点是安置位置灵活 简便 缓冲性能好调等 但结构较庞大 本课题所采用的缓冲装置为油缸端部缓冲装置 当活塞运动到距油缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室 利用节流的原理 使缓冲室产生临时背压阻力 以使运动减速直至停止 而避免硬性冲击的装置 称为油缸端部缓 冲装置 在缓冲行程中 节流口恒定的 称为恒节流式油缸端部缓冲装置 设计油缸端部恒节流缓冲装置时 最大加速度 缓冲腔最大冲击压力 和 残余速度 三个参数是受工作条件限制的 通常采用的办法是先选定其中一个参数 然后 校验其余两个参数 步骤如下 选择最大加速度 通常 值按机械手类型和结构特点选取 同时要考虑速度与载荷大小 对于重载低速 机械手 取 5以下 对于轻载高速机械手 取 5 10 计算沿运动方向作用在活塞上的外力 F 水平运动时 5 1 138N 计算残余速度 5 2 6 6 机械手的控制机械手的控制 控制系统是机械手的重要组成部分 在某种意义上讲 控制系统起着与人脑相似的作用 机 械手的手部 腕部 臂部等的动作以及相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的 主要控 制内容有动作的顺序 动作的位置与路径 动作的时间 机械手要用来代替人完成某些操作 通常需要具有图 6 1 所示的机能 3 实现上述各种机能的控制方式有多种多样 机械手的程序控制方式可分为两大类 即固定程 序控制方式和可变程序控制方式 本课题所用的是固定程序控制类别的机械式控制 常用凸轮和杠杆机构来控制机械手的动作顺序 时间和速度 一般常与驱动机构并用 因此 结构简单 维修方便 寿命较长 工作比较可靠 适用于控制程序步数少的专用机械手 图 6 1 机械手的控制机能 7 7 机械手的组成与分类机械手的组成与分类 7 17 1 机械手组成机械手组成 机械手主要由执行机构 驱动系统 控制系统组成 9 1 执行机构 包括手部 手腕 手臂和立柱等部件 有的还增设行走机构如 手部 是机械手与工件接触的部件 由于与物体接触的形式不同 可分为夹持式和吸附式手 部 由于本课题的工件是圆柱状棒料 所以采用夹持式 由手指和传力机构所构成 手指与 工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务 手腕 是联接手部和手臂的部件 起调整或改变工件方位的作用 手臂 支承手腕和手部的部件 用以改变工件的空间位置 立柱 是支承手臂的部件 手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系 机械手的立 柱通常为固定不动的 机座 是机械手的基础部分 机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上 故起支 承和联接的作用 2 驱动系统 机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置 常用的有液压传动 气压传动 电力传动和机械传动等四种形式 3 控制系统 控制系统是机械手的指挥系统 它控制驱动系统 让执行机构按规定的要求进 行工作 并检测其正确与否 一般常见的为电器与电子回路控制 计算机控制系统也不断增多 7 27 2 机械手分类机械手分类 1 根据所承担的作业的特点 工业机械手可分为以下三类 承担搬运工作的机械手 这种机械手在主要工艺设备运行时 用来完成辅助作业 如装 卸毛坯 工件和工夹具 生产工业用机械手 可用于完成工艺过程中的主要作业 如装配 焊接 涂漆 弯曲 切断等 通用工业机械手 其用途广泛 可以完成各种工艺作业 2 按功能分类 专用机械手 它是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 专用机 械手具有动作少 工作对象单一 结构简单 实用可靠和造价低等特点 适用于大批 大量的自动化生产 如自动机床 自动线的上 下料机械手和 加工中心 附属的自 动换刀机械手 通用机械手 又称工业机器人 它是一种具有独立控制系统的机械装置 具有程序可 变 工作范围大 定位精度高 通用性强的特点 适用于不断变换品种的中小批量自 动化的生产 示教再现机械手 采用示教法编程的通用机械手 所谓示教 即由人通过手动控制 拎着 机械手做一遍操作示范 完成全部动作后 其储存装置即能记忆下来 机械 手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作 3 按驱动方式分 液压传动机械手 气压传动机械手 机械传动机械手 4 按控制方式分 固定程序机械手 控制系统是一个固定程序的控制器 程序简单 程序数少 而且 是固定的 行程可调但不能任意点定位 可编程序机械手 控制系统是一个可变程序控制器 其程序可按需要编排 行程能 很方便改变 8 8 机械手的三维造型及运动仿真机械手的三维造型及运动仿真 是当今最为流行的三维软件之一 它具有基于特征 参数化 实体造型等特点 整个设计 基于装配关系进行 装配的基础要素是相关的零件 零件是由若干参数化的可以基于装配关系的 特征堆砌而成 特征是一些与机械设计的表达意图相关的一些简单几何形体 这些几何形体的基 础是参数化的 可以基于装配关系的二维或者三维草图 草图是一些简单类型的图线 可以用集 合关系 装配关系和驱动尺寸加以约束 当中的虚拟样机技术在对产品进行三维结构设计的同时 运用分析仿真软件 对产品工 作性能进行虚拟仿真 发现设计缺陷 根据分析仿真结果 用三维设计软件对产品设计结构进行 修改 与传统的仿真分析相比 传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真 而虚拟样机技术则是 强调整体的优化 它通过虚拟整机与虚拟环境的耦合 对产品的多种设计方案进行测试 评估 并不断改进设计方案 直到获得最优的整机性能 运用虚拟样机技术可以快速地建立包括控制系 统 液压系统 气动系统在内的多体系动力学虚拟样机 实现产品的并行设计 可在产品设计初 期及时发现问题 解决问题 把系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动 总结总结 毕业设计马上就快结束了 在这两个月的设计学习过程中 我取得了长足的进步 机械自动化作为工业发展的一个方向 它有着广阔的市场 属于实际需要去研制的一种项 目 机械手能模仿人体上肢的某些动作 就需要有一定的灵敏度 对设计的要求较高 通过这次 设计 提高了我分析和解决问题的能力 扩宽和深化了学过的知识 掌握了设计的一般程序规范 和方法 培养了我们正确使用机身材料 国家标准 图册等工具书的能力 我的毕业设计的课题是搬运机械手的设计及运动仿真 这是一个我以前所没有接触的 通过毕业设计我收获很多 比如学会了查相关资料和相关标准 分析数据 提高了自己的绘图能 力 懂得了许多公式的运用 这个软件对我来说是陌生的 经过指导老师的帮助和对参考资料的 拜读 使我能基本运用这个软件的一些功能 但是毕业设计也让我感觉到很多方面的不足