液压驱动圆柱坐标机械手臂设计【7张CAD图纸+文档全套】
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上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 _液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 学 院 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动 班 级 BJ1004 学 号 101002050425 姓 名 沈文豪 指导教师 蔡菲菲 定稿日期： 2014年 03月07 日14液压驱动圆柱坐标机械手臂设计摘要：机器人不仅是一种自动化的机器。机器人是一种可重新编程的、多功能的、机械手,为实现各种任务设计成通过可改变的程序动作来移动材料、零部件、工具或是其他专用装置。 本设计设计的是一种圆柱坐标式机械手,该装置具有三个独立运动(两个直线运动、一个旋转运动)，也就是所说的三个自由度。该机构中立柱可相对于机座旋转210度，回转速度70度/秒，可水平伸缩距离800，移动速度约0.25/s，机械手可上下垂直运动，其垂直升降量330，移动速度约0.6/s，机械手最大夹持重量15。根据课题要求，本设计的旋转运动采用摆动液压马达（旋转液压缸）驱动，水平伸缩运动采用液压缸驱动，垂直升降运动仍采用液压缸驱动。1 文献综述机器人技术的发展，可以说是科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，也是为社会经济发展产生了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。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，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,需求能够解放人的一种工具。那么这种工具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。另一方面，人们有各种各样的好的想法，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。2 选题背景及其意义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。我国的工业机械手是从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,目前已经基本掌握了机械手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，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台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，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。国内外实际使用的多是定位控制的机械手，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，使它能够对所抓取的工件进行分辨，能选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确地在机器上定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件，它由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件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，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件的滑动位移，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。这种具有感知能力并对感知的信息做出反映的工业机械手称之为“智能机械手”，它是有发展前途的。目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提高。由于发展实践较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其目前的发展趋势是:(一) 扩大机械手在热加工行业上的应用目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，而在铸、锻、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，是机械手更好地为热加工作业服务。同时，在其它行业和工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。(二) 提高机械手的工作性能机械手工作性能的优劣，决定着着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。(三) 发展组合式机械手从机械手本身的特点来说，可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新、多品种小批量的要求，但是它的成本高，专用机械手价廉，但适用范围又受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计、专门加工，这样就提高了产品成本。为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构设计成可以组合的型式。组合式机械手是将一些通用部件(如手臂伸缩部件、升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部件等)根据作业的要求，选择必要的能完成预定技能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系统化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，是一种有发展前途的机械手。3 研究内容一、 机械手的分类现在对机械手的分类尚无明确标准，一般都从规格和性能两方面来分类。1）按规格（所搬运工件的重量）分类：（1）微型的搬运重量在1公斤以下：（2）小型的搬运重量在10公斤以下：（3）中型的搬运重量在50公斤以下：（4）大型的搬运重量在50公斤以上。目前大多数机械手能搬运的重量为130公斤。最小的为0.5公斤，最大的已达到800公斤。2）按功能分类：（1）简易型机械手有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓和挡块转鼓控制：可变程序可插销板或顺序转动控制来给定程序。这种机械手多为气动或液动，结构简单，改变程序比较容易。只使用在程序较简单的点位控制，但作为一般单机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）记忆再现型机械手这种工业机械手由人工通过实验装置传动一遍，由磁带（或磁鼓）把程序记录下来，此机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这也是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者比较有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较广。（3）计算机数字控制的机械手可通过更换穿孔带或其他记忆介质来改变工业机械手的动作，还可以进行多种控制（DNC）。技术还可以是可编程序控制或普通的微机计算机。（4）智能机械手（机器人）由电子计算机控制，通过各种传感元件等具有视觉、热感、触觉、行走机构等。3）按用途分：（1）专用机械手附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，这种工业机械工作对象不变，手动比较简单，结构简单，使用可靠，施用于大批量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、动作灵敏、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。二、机械手的组成工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹、和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。在 工业生产中应用的工业机械手简称为“机械手”。 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成，各部分之间的相互关系如1-1所示。 工件执行机构驱动系统控制系统 位置检测装置图1-1机构相互关系图1、执行机构执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1)、手部（或称抓取机构）是与物体接触的部件，主要是抓取和放置物件的作用。 2)、手腕 是连接手部和手臂的部件，可以调整和改变工件方位。 3)、手臂 是支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标（绕横轴旋转，上下摆动和左右摆动）关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进行优化，便于提高机械手的动态操作性能。 4)、立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分。手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。 5)、机座 是机械手的基础部分。执行机构的各个部件和驱动系统均安装于机座上，起支承和连接的作用。有时为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。 2、驱动系统机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的动力装置，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。3、控制系统控制系统是机械手动作的指挥系统，用来控制动作的顺序（程序）、位置和时间、速度和加速度等，有点位控制和连续控制两种方式。4、位置检测装置位置检测装置控制执行机构的运动位置，可随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行机构以一定的精度达到设定位置。本液压机械手无位置检测装置。三、 机械手的运动与分类1、机械手的运动机械手以及及其手部所夹持的工件（或工具）在空间的位置，有臂部、腕部等部件以及整机的各自独立运动的合成来确定。机械手的每一个动作，必须要配有一个原动件，当各个原动件按一定的规律运动时，机械手各运动部件随之作确定的运动，从而使机械手具有运动和位置的确定性。2、机械手的分类机械手按不同的标准可有不同的分类方法，如按用途可分为通用机械手和专用机械手；按驱动方式可分为液压驱动机械手、气动驱动机械手、电力驱动机械手和机械驱动机械手；按控制方式可分为点位控制机械手和连续轨迹控制机械手两种。在实际应用中，大多按运动坐标形式将机械手分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节坐标式四种。此设计选用的是圆柱坐标。四 、机械手的主要参数机械手的主要参数是说明机械手的规格和具体指标，一般包括以下几项：1、抓取重量抓取重量（又称臂力）是机械手所能抓取或搬运物件的最大重量，它对其他参数如行程范围、运动速度、坐标形式和缓冲装置的设计均有影响，是机械手最基本的参数。本机械手的抓重根据夹持力来确定。2、自由度数目和坐标形式所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手的执行系统需要的独立运动参数的数目，它表示机械手动作灵活程度的参数。本设计需要考虑整机，手臂和手腕等运动共有几个自由度，并说明坐标形式，本机械手有三个自由度，分别为手腕回转、手臂回转、手臂升降。3、定位方式：固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置，这里用到固定机械挡块和行程开关；4、驱动方式：气动，液动，电动和机械式四种形式，这里用液压驱动；5、手臂运动参数：回转范围210；回转速度： 70/s；升降行程330mm，升降速度：60mm/s；6、手指夹持范围和握力，这里要求抓起15kg的重物；7、定位精度：定位精度是衡量机械手工作质量的又一指标，是机械手是运动部件从某一起始位置运动到预期的另一位置时所达到的实际位置的准确程度。定位精度的高低取决于位置控制方式以及机械手运动部件本身的精度和刚度，并和抓取重量、运动速度等因素也有密切关系。这里指的是位置设定精度和重复定位精度；8、轮廓尺寸：长宽高（毫米）；这里由于是圆柱坐标机械手，并且需满足手臂的回转，手臂的伸缩，以及手臂的升降三个动作。因此适合采取图3.1的设计。 图3.1五 、液压原理图总体设计1、确定供油方式：考虑到该机械手在各缸工作时的流量都相差不大，选择YB型叶片泵，其优点在于结构简单，性能稳定，排量范围大，压力流量脉动小，噪声低、寿命长等。2、调速方式的选择：在一般液压机械手的液压系统中，速度的控制一般采用节流阀或调速阀。手臂升降、回转及手腕的回转，采用单项调速阀回程节流调速。3、系统的安全可靠性的选择：为防止伸缩缸在仰起一定角度后的自由下滑，都采用单向顺序阀来平衡。为保证夹紧缸夹持工件的可靠性选用液控单向阀保压和锁紧。4、确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格：由于在机械手的液压系统设计时，采用一个油泵向四个油缸（夹紧缸，手臂伸缩缸，回转缸和升降缸）供油，但因机械手的动作顺序是依次进行，无重叠动作，就上述四个油缸的负荷而言，加紧缸的的负荷最大，而就流量而言，手臂回转缸的流量最大。六 、液压原件选择这里需要选择方向阀、压力阀、流量阀以及各类辅助装置。4工作特色及其难点，拟采取的解决措施一、整体结构 由于本设计要求完成手臂的升降，旋转以及伸缩三个动作。则可以考虑升降在下或回转缸在下两种方式。通过综合考虑，本次试验决定采用升降缸在下的形式。结构示意图如图4.1和图4.2所示回转缸花键轴空心活塞升降缸花键轴套图4.1图4.2手爪部分夹紧缸活塞活塞伸缩缸 如图4.1所示，花键轴套与机座相连，当中装有花键轴以此来对升降缸的活塞进行导向。同时回转缸的转轴与升降缸的活塞是一体的。回转缸的动叶片与缸体相连，而缸体的上端盖连接手臂，以此来带动整个手臂的回转。手臂部分如图4.2所示，在伸缩缸的活塞顶部安装夹紧缸。两者分别负责手抓的伸出和夹紧动作。二、手部计算与分析手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，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。1、滑槽杠杆式手部设计的基本要求这里的基本要求为：(1)应具有适当的夹紧力和驱动力。(2)手指应具有一定的开闭范围。(3)应保证工件在手指内的夹持精度。(4)要求结构紧凑，重量轻，效率高。(5)应考虑通用性和特殊要求。本设计考虑到设计的简便，采用了滑槽式杠杆回转型的手部结构。简图如下。驱动杆可以连接液压缸，由液压缸带动其往复运动从而让手指夹紧或放松。图4.3 1-手指 2-轴销 3-驱动杆三、腕部计算与分析1、 腕部设计的基本要求这里的基本要求为：（1）腕部处于臂部的前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。腕部的结构、重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。因此在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支承作用，除了保证力和运动的要求以及具有足够的强度和刚度外还应综合考虑合理布局腕部和手部的连接、腕部自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。（3）腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀，压力油的粘度和燃点，有关材料及电控电测元件的耐热性等问题）。四、 臂部计算与分析1、臂部设计的基本要求手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并带动它们作空间转动。臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。因此，臂部具有两个自由度才能满足基本要求：即手臂，左右回转和升降运动。手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，它在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。因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：1）机械手臂式机身的承载机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化，对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。为可提高刚度，尽量缩短臂杆的悬伸长度，还应注意：(1)根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸臂部和机身既受弯曲（而且不仅是一个方向的弯曲）也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。所以机械手常用工字钢或槽钢作为支撑板，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置，传动机构以及管道，有利于结构的紧凑，外形整齐。(2)高支承刚度和选择支承间的距离臂部和机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且同支撑的刚度和支撑件间距离有很大关系，要提高刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度以及支座与底版的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。(3)合理布置作用力的位置和方向在结构设计时，应结合具体受力情况，设法使各作用力的变形相互抵消，如：(a)设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理，确定调整补偿环节，以及减少重要不见的间隙，从而提高刚度。(b)水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或者大部分自重。(c)提高活塞和刚体内径配合精度，以提高手臂的刚度。2）臂部运动速度要高，惯性要小机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般时根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转要求均速运动，（V和w为常数），但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。对于高速运动的机械手，其最大移动速度设计在10001500mm/s，最大回转角速度设计在内，在大部分行程距离上平均移动速度为1000mm/s内，平均回转角速度为内。为减少转动惯量的措施：(1)减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。(2)减少手臂运动件的尺寸轮廓。(3)减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸），尽可能在前伸位置下进行回转动作，并且驱动系统中设有缓冲装置。3）手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滑动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件，导向件和定位件布置应合理，使手臂运动过程尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生“卡死”的现象（自锁现象）。4）位置精度要高一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度教高；关节式机械手的位置最难控制，精度差；在手册上加设定位装置和自检测机构，能较好的控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动，啮合件的间隙。除此之外，要求机械手同用性要好，能适合做种作业的要求；工艺性要好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的机械手，还要设置防尘装置等。五、液压元件的安装1、安装前元件应以煤油进行清洗，并要进行压力和密封性实验，合格后可安装。2、泵及其传动要求较高的同心度。3、油泵的入口，出口和旋转方向一般在泵上均有标明，不得接反。4、安装各种阀时，应注意进油口与回油口的方向。5、为了避免空气渗入阀内，连接处应保持密封良好。6、用法兰安装的阀件，螺钉不能拧的过紧，因为有时拧的过紧反而密封不良。5 论文工作量及预期进度2013年12月-2014年01月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。2014年01月-2014年03月： 绘制总装图2014年03月-2014年04月： 绘制部件图2014年04月-2014年05月： 绘制零件图2014年05月：撰写涉及计算说明书，答辩参考文献：1 郭洪红 工业机器人技术（第二版）西安电子科技大学出版社20132 孙志礼，冷兴聚，魏延刚等. 机械设计M. 东北大学出版社， 2003 3 徐灏. 机械设计手册M第5卷. 机械工业出版社， 1992 4 吴宗泽. 机械设计师手册M. 机械工业出版社， 2002 5 成大先. 机械设计图册M. 化学工业出版社， 2002 6 罗洪量. 机械原理课程设计指导书M（第二版）. 高等教育出版社，1986 7 JJ.杰克（美）. 机械与机构的设计原理M（第一版）. 机械工业出版社，1985 8 王玉新. 机构创新设计方法学M（第一版）. 天津大学出版社， 1996 9 张建民. 工业机器人BM. 北京理工大学出版社，1992 10 马香峰. 机器人结构学B M . 机械工业出版
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