四自由度机械手的设计与运动仿真

1、 毕业设计 (论文 四自由度机器手的系统设计及 运动仿真系 别 :机械与电子工程系专 业 (班 级 :机械设计制造自动化 09级 3班 作 者 (学 号 :指 导 教 师 :完 成 日 期 : 2013年 07月 08日蚌埠学院教务处制四自由度机器手的系统设计及运动仿真摘要: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。通过编程来完成各 种动作,它的准确性和多自由度,保证了机械手能在各种不同的环境中工作。 机械手在工业生产中应用较多,机械手的使用能够显著的提高生产效率,减少 人为因素造成的废次品率。机械手可以完成很多工作,它在自动化车间中用来 运送物料,从事多种工艺操作。它的特点是通过编

2、程来完成各种预期的作业, 在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点,尤其体现了人的灵活协调和机器 人的精确到位。本课题通过应用 AutoCAD 技术对机械手进行结构设计和液压传 动原理设计,运用 Solidworks 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:机械手、 AutoCAD 、 SolidworksSystem design and dynamic simulation on 4-DOF machine handAbstract :Manipulator is developed a kind of high-tech au

3、tomated production equipment in recent decades. Completing all kinds of action through the programming , the accuracy and many degrees of freedom ensure that the manipulator can work up at all kinds of environments. Manipulator can improve the production efficiency obviously , reduce the rate of was

4、te defective by man-made. Manipulator used to deliver the materials in automation workshop , work on all kinds of process operation. Its structure and performance have the man and the robot s advantages , especially reflect on the man s flexibility and the robot s accuracy. This subject according to

5、 use AutoCAD to design the structure and the hydraulic transmission principle, using the Solidworks to do the 3D modelling, and do the motion simulation, in order to show the basic movement to us.Key words:Manipulator ; AutoCAD ; Solidworks .目 录第一章 绪论 . .5 1.1 前言 . 5 1.2 机械手的发展简史 . 5 1.3 机械手的基本组成 .

6、6 1.4 机械手在生产中的应用 .6 1.5 应用机械手的意义 . .7第二章 机械手的总体设计方案 .7 2.1拟定原始数据 .7 2.2技术要求 . 7 2.3动作要求 .8 2.4 本章总结 . 8 第三章 机械手的总体设计 .9 3.1 手部设计计算 .9 3.2 拉紧装置结构设计 . 10 3.2.1 夹紧力计算 .10 3.2.2 驱动力计算 .10 3.2.3 机械运动参数 . 11 3.2.4 夹紧液压缸的设计 . 11 3.3 腕部的结构设计 . 12 3.4 伸缩机构的结构设计 .14 3.5 机身机座的结构设计 . .15 第四章 机械手 SOILDWORKS 三维造型

7、 . 17 4.1 软件 Solidworks 的认识 . 17 4.2 软件的优势 . 18 4.3 机械手的三位造型 . . 18 4.3.1 上手爪的几何造型结构简析 . 18 4.3.2 创建上手爪 . 19 4.3.3 螺栓的绘制 . 23 第五章 . 总结 . . . 27参考文献 . 28插图清单图 2.1 动作要求分析 .8 图 3.1 开闭示例简图 .10 图 3.2 单作用缸简图 .12 图 3.3 腕部受力示意简图 .13 图 4.1 上手爪 .18 图 4.2 新建 Solidworks 文件对话框 .19 图 4.3 绘制中心线 .20 图 4.4上手爪草图绘制 .2

8、0 图 4.5 拉伸基体 .21 图 4.6拉伸表面草图 .22 图 4.7 切除凸台基体 .22 图 4.8 上手爪 .22 图 4.9 派生螺栓 .23 图 4.10 螺栓 .24 图 4.11 螺纹截面草图 .24 图 4.12生成螺旋线 .25 图 4.13第二截面 .26 图 4.14第三截面 .26插表清单表 3.4 机构工作参数表 Y90S-4电动机技术数据 .15 表 3.5 Y90S-4电动机技术数据 .16 表 3.6 Y90S-6电动机技术数据 .16第一章 绪 论1.1 前言机械手是模仿着人手的部分动作,根据指定的程序,来实现自动抓取、搬运和操作 的自现人手的功能的技术

9、装置称为机动机械装置。 是近代自动控制领域中出现的一种新 技术,并已成为现代机械生产系统中的一个重要组成部分。它涉及到力学、机械系统设 计、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机控制技术等多个科学领域,是 一门跨学科的综合技术。机械手的结构形式开始比较简单,专用性比较强。随着工业技术的发展,制成了能 够独立的按程序控制实现操作,使用范围较广的通用机械手。由于通用机械手能够适应 性的改变工作程序,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中得到了广泛的应用 。 1.2 机械手的发展简史现代工业机械手起源于 20世纪中期,它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

10、手。德国机器制造业是从 1971年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的 上下料等作业。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家,自 1969年从美国引进二种典型机 械手后, 大力开始机械手的研究, 使用机械手最多的是现代化生产程度很高的汽车工业, 也为后来日本汽车工业的发展做出了巨大的贡献。前苏联 20世纪 60年代才开始发展研究机械手,到 80年代后期应用到生产中的机械手 将近有一半是国产的,大多数的工业机械手用于自动化程度低、工作环境恶劣的工作场 所。国内机械手的发展始于上世纪 70年代初期,当时,工人在车间冲压作业时,生产 节拍过快,又缺乏保护措施,手指经常被切断,工厂的技术人

11、员就自发地研发机械手, 比如天津锻压机械厂研制的锻件上下料机械手是我国最早的第一批工业机械手。1.3机械手的基本组成生产中的工业机械手主要由执行机构、传动机构和控制机构三部分组成。(1 执行机构执行机构由手、腕部、手臂和支柱组成,与人体手臂相似。手为抓取机构,用于抓 取工件。 腕部是连接手与手臂的关键性原件, 具有多方位旋转特性。 支柱用来支撑手臂, 可做活动支柱方便机械手多方位移动。(2 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。 根据动力源的不同 , 工业机械手的驱动机构大致可 分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手 , 结构简单、尺寸 紧凑、重量轻、控制方便。(3 控制机

12、构机械手按照制定的程序, 步骤和参数进行运作完成。 该指定工作要依靠控制系统来 实现。简易机械手通常情况下不使用专用的控制系统,只有动作复杂的机械手采用可编 程控制器,微型计算机控制进行动作。1.4机械手在生产中的应用机械手是模仿着人手的部分动作,根据指定的程序,来实现自动抓取、搬运和操 作的自现人手的功能的技术装置称为机动机械装置。 是近代自动控制领域中出现的一种 新技术,并已成为现代机械生产系统中的一个重要组成部分。它涉及到力学、机械系统 设计、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机控制技术等多个科学领域, 是一门跨学科的综合技术。机械手的结构形式开始比较简单,专用性比较强。随着工

13、业技术的发展,制成了能 够独立的按程序控制实现操作,使用范围较广的通用机械手。由于通用机械手能够适应 性的改变工作程序,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中得到了广泛的应用 。 1.2 机械手的发展简史1.5应用机械手的意义随着科技的发展,机械手应用的越来越多。在机械工业中,机械手应用的意义概括 如下:(1 提高生产过程自动化程度,增强生产效率。机械手方便与材料的传送、工件的装卸、刀具的更换等自动化过程,从而提高劳动 生产率和降低劳动投入,从而降低生产成本。(2 改善劳动条件在车间的劳动环境下,高温、高压、噪音、灰尘等污染会严重影响人的身体健康, 人在车间工作不可避免的会接触到危险,而应用

14、机械手可以替代人安全的完成作业,从 而改善劳动条件。在一些简单,重复的工作中以机械手代替人进行工作可以避免因疲劳 和疏忽造成的事故。(3 减少人力资源,便于节奏生产。机械手的应用增强了自动化生产,会减少人力的使用。机械手可以长时间重复性连 续完成工作,这是人工无法实现并完成的。生产线增加使用机械手以减少人力和精准的 生产节拍,有利于节奏性的工作生产。综上所述,机械手的合理利用是机械行业发展的必然趋势。第二章 机械手的总体设计方案2.1 拟定原始数据:1、生产纲领:100000件(两班制生产2、自由度个数:四自由度3、臂转动 1804、臂上下运动 450mm5、臂伸长(收缩 450mm6、手部转

15、动 ±180º2.2 技术要求主要参数的确定:a 、坐标形式:直角坐标系b 、臂的运动行程:伸缩运动 450mm ,回转运动 180º。c、运动速度:使生产率满足生产纲领的要求即可。d、控制方式:起止设定位置。e、定位精度:±0.5mm 。f、工件重量:10kgg、驱动方式:液压驱动。2.3动作要求动作一:送 料动作二:预夹紧动作三:手臂上升动作四:手臂旋转动作五:小臂伸长动作六:手腕旋转预夹紧 图 2.1 动作要求分析2.4 本章总结本章主要对所要设计的机械手的一些技术要求和主要参数做了下拟定 , 并对机械手 的动作流程做了下规划,以便对机械手的每个部

16、分的设计能够逐一的进行下去。第三章 机械手的总体设计3.1 手部设计要求手部设计时,主要考虑对手部设计的一些动作要求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。 夹紧力大小的调节应该根据工件的表面的刚性度和手爪内部接触面的 摩擦系数。2、有足够的开闭范围机械手中夹持手指都有张开装置和闭合装置。工作时,一个手指从张开到闭合允许 的最大行程称为开闭范围。回转型的手部手指的张开闭合程度可用张开闭合的角度表 示。手指张开闭合的最大范围与许多因素有关,如工件的夹持表面形状和夹持尺寸,手 指的夹持表面形状和夹持尺寸,一般来说,如工作环境许可,

17、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夹持手部手指在夹紧工件时,在考虑到工件的重量和表面粗糙度以及表面接触面, 根据所需要的手指的夹持力与力矩的大小来考虑手指的所用材料, 以确保手指有一定的 强度和刚度能在行程范围内顺利上料。5、其它要求因此送料机械手的夹紧装置,根据工件的形状,采用最常用的外卡式两指手爪,夹 紧方式用常闭式弹簧夹紧。如图 3.1为机械手开闭示例简图 图 3.1

18、 开闭示例简图3.2 拉紧装置结构设计3.2.1 夹紧力计算手爪对工件的夹紧力可按下列公式计算123=N F K K K G1K -安全系数,这里取 1.5;2K -工件情况系数,约为 1;3K -方位系数,查机械手册可得,此处粗略取 3K 3G -被抓取工件的重力;=1. 513100=45N F (3.1 3.2.2 驱动力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系,可得:22b=cos a N F F 驱(3.2 式中:a-滚子至销轴之间的距离; b-爪至销轴之间的距离; -楔块的倾斜角可得22100=(cos30 4501350N 50F 驱 (3.3 考虑手爪的机械效率 ,此处取 0.85,则

19、:1350=1588N0.85F F 计算驱 实际 (3.4 3.2.3 机械运动参数(速度 (1伸缩运动 V max =500mm/sV min =50mm/s(2上升运动 V max =500mm/sV min =40mm/s(3下降 Vmax=800mm/sVmin=80mm/s(4回转 Wmax=90º/sWmin=30º/s所以取手部驱动活塞速度 V=60mm/s 3.2.4 夹紧液压缸的设计设计方案中采用开合式夹紧装置,液压缸为单作用缸,压力油只能作用于液压缸的 一个腔,而反方向依靠外力来运动,本设计采用复位弹簧来实现手爪的张开如图 3.2所 示,提供实际的夹紧

20、力 :22=d 4F 实际 D - P (3.5式中 D-液压缸活塞直径 d-液压缸活塞杆直径 P-液压缸驱动力选工作压力 P=1.5MPa,选取活塞杆直径 d=0.5D 据公式(3.5计算可得液压缸内径:(3.6 根据液压设计手册,取 D=32mm 活塞杆直径:d=0.5D=0.532mm=16mm活塞厚:B=(0.6-1.0D 取 B=0.8d=0.716mm=11.2mm,取 12mm活塞行程:当抓取 70mm 工件时,即手爪从张开 110mm 减小到 70mm ,楔块向前 移动大约 40mm ,取液压缸行程 S=35mm。 1、液压缸夹紧时流量226111q 322060100.965

21、/min 4V AV D L -=2、手部右腔流量Q=SV (3.7 =60r² =60×3.14×25² =1177.5mm³/s3、手部工作压强P= F1/S (3.8=3500/1962.5=1.78Mpa 图 3.2单作用缸简图3.3 腕部的机构设计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。根据本课题腕部具有回转这一个自由度,可以采用具有一个自由度的 回转液压缸驱动。要求:回转角度:180°角速度 W=45º/s以最大承载力计算:当工件处于水平位置时,摆动缸的工件扭矩最

22、大,采用估算法,工件重 10kg ,长度 l=650mm。如图 3.3所示。1、计算扭矩1M设手指中心距离工件重心 S=200mm处,即扭矩1M 为:1M =F×S (3.9 =10×9.8×0.2=19.6( N·m 图 3.3 腕部受力示意简图2、油缸(伸缩及其配件的估算扭矩2MF=5kg S=10cm带入公式 2.9得2M =F×S=5×9.8×0.1 =4.9(N·M 3、摩擦力矩F 摩 =300(N (估算值 S=20mm (估算值 M 摩 =F 摩 ×S=6(N·m 4、摆动缸的总摩

23、擦力矩 MM =1M +2M +M 摩 (2.10 =30.5(N·m 5. 由公式T=P×b 221mm (- A ×106/8 (2.11其中: b叶片密度,这里取 b=3cm ;A1摆动缸内径 , 这里取 A1=10cm ; mm 转轴直径 , 这里取 mm=3cm。 所以代入(2.11公式P=8T/b221mm (- A ×106=8×30.5/0.03×(0.1²-0.03² ×106=0.89Mpa又因为W=8Q/221mm (- A b所以 Q=W221mm (- A b/8=(/4 (0.

24、1²-0.03² ×0.03/8 =0.27×10-4m³/s =27ml/s 3.4伸缩机构的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, 主要是通过自身的伸缩与上下运动将手部送达到允许的指定位置 上。而且其受力情况复杂,但主要精度还是放在手部的夹持精度上,所以影响它的还是 其导向精度。手臂的伸缩速度为 250m/s行程 L=450mm1、手臂右腔流量由公式(2.10得:Q=SV=250××40²=1004800mm³/s=1.005L/s2、手臂右

25、腔工作压力由公式(2.11 得:P=F总/S (2.12式中:F 取工件重和手臂活动部件总重,估算 F 总 =10+20=30kg, F摩=1000N。所以代入公式(2.12得:P=(F 总 +F 摩/S=(30×9.8+1000 /×40²=0.26Mpa3、绘制机构工作参数表如表 3.4所示:表 3.4机构工作参数表 4、根据计算初步选择液压泵maxP =1.78MpamaxQ =1000ml/s选取 CB-D 型液压泵(齿轮泵此泵工作压力为 10Mpa ,转速为 1800r/min,工作流量 Q 在 32 70ml/r之间,可以满足需要。第四章 机械手 So

26、ildworks 三维造型4.1 软件 Soildworks 的认识首先我要对 Solidworks 进行介绍一下,它是一种先进的,智能化的参变量式 CAD 设计软件,在业界被称为“ 3D 机械设计方案的领先者” ,易学易用,界面友好,功能强 大,在机械制图和结构设计领域,掌握和使用 Solidworks 已经成为最基本的技能之一。 与传统的 2D 机械制图相比, 参变量式 CAD 设计软件具有许多优越性, 是当代机械制 图设计软件的主流和发展方向。传统的 CAD 设计通常是按照一定的比例关系,从正视, 侧视,俯视等角度,根据投影,透视效果逐步绘出所需要的各个单元,然后标注相应尺 寸,这就要求

27、制图和看图人员都必须具备良好的绘图和三维空间想象能力。如果标注尺 寸发生变化,几何图形的尺寸不会同步变更;如果改变了几何图行,其标注尺寸也不会 发生变化,还要重新绘制,标注,因此绘图工作相当繁重。参变量式 CAD 设计软件,是参数式和变量式的统称。在绘制完草图后,可以加入尺 寸等数值限制条件和其他几何限制条件, 让草图进入完全定义状态, 这就是参数式模式。 由于软件自动加入了关联属性,如果修改了标注尺寸,几何图形的尺寸就会同步更新。 也可以暂时不充分的限制条件,让草图处于欠定义状态,这就是变量式操作模态。4.2 软件的优势SolidWorks 是三维机械设计软件,集成了有限元分析软件,相对二维

28、软件, SolidWorks 可以进行产品的运动模拟, 检查干涉碰撞从而降低样机报废成本, 减少原型 机制造成本;且 SolidWorks 软件的三维模型、二维工程图、装配体是全相关的;对与 其中任何一个参数的更改,其他的将发生相应的变更,这样就减少图纸的出错率,减少 工程更改单次数, 从而缩短产品的上市周期。 同时, Simulation 分析软件可以对产品进 行受力、受热、疲劳强度等的分析;进行零配件的强度和刚度分析,从而优化设计,降 低原材料成本等,降低新产品开发方面的成本。所以 SolidWorks 能够帮助企业在大型 项目中的竞争力。4.3 机械手的三维造型4.3.1 上手爪的几何造

29、型结构简析从图 4-1可看出手爪为一个拉伸长出的基体板,其端面五段直线、一段圆弧、一个 导向槽和一个圆构成封闭的草图,并对其拉伸基体,然后再创建根除草图。切除实体, 可依据以下的顺序进行建模。图 4.1上手爪4.3.2 创建上手爪草图绘制1. 启动 Solidworks 后,单击“标准”工具栏上的“新建” (命令按钮,或选 择“文件”“新建”菜单命令,打开“新建 Solidworks 文件”对话框如图 4-2所 示。图 4-2新建 Solidworks 文件对话框2. 单击“零件”图标(或单击“高级”按钮,进入 Tutrial 窗口,然后选择“零件”图标 。3. 单击“确定”按钮,这时就会创建

30、一个新的零件文件。首先要绘制草图,然后拉伸生成零件的基体特征。由于该草图是减速器正箱体,为 了保证对称,要先绘制中心线,然后利用中心线镜向草图。在 Feture.Manager 设计树 中选择前视基准面。4. 单击草图绘制工具栏的“草图绘制” (命令按钮,此时在前视基准面上打开 一张草图。5. 单击草图绘制工具栏上的“中心线” (命令按钮,将指针移到草图原点处。 当指针变为点时,表示指针正位于原点上。单击鼠标左键,向上移动指针,生成中心线 如图 4-3所示。图 4-3绘制中心线 6.单击草图绘制工具栏上的“直线” (命令按钮,或选择“工具”“草图绘 制实体” “直线” 菜单命令,须绘制如图 4

31、-4草图。 指针形变笔形。单击放置第一点, 然后拖动拉出第一段,第二段(或直接绘制一个矩行图 4-4上手爪草图绘制7.单击草图绘制工具栏上的“圆” (命令按钮,或选择“工具”“草图绘 制工具”“圆”菜单命令, 绘制圆和圆孤。草图为蓝色:表示欠定义,因此可以自由调动形状和大小。8.单击标准工具栏的选择命令。选择上手爪的直线,双击此直线上的尺寸可以任意 改变它的数值,按其上手爪的零件图写入正确的尺寸。拉伸基体特征通过拉伸所绘制的草图来生成基体的操作步骤如下:1.单击 “特征” 工具栏上的 “拉伸凸台基体” ( 命令按钮, 拉伸 PropertyManager 出现。在“方向 1”组框中,执行如下操

32、作。将终止条件设置为“给定深度” 。设置深度为 52mm 。可使用方向键或直接输入数值 来增加数值。图形区域中显示拉伸的预览。2.单击确定按钮,生成拉伸。新特征“拉伸 1”出现在 Feature Manager设计树中 和图形区域如图 4-5。 图 4-5拉伸基体3.单击 Feature Manager 设计树中“拉伸 1”旁的加号,用于拉伸特征的“草图 1” 现已列在特征的下面。4.单击标准工具栏上的保存命令按钮,在“文件名”文本框中键入“上手爪” ,单 击“保存”按钮。5.选中拉伸表面,单击草图绘制工具栏的“草图绘制”(命令按钮,此时在拉 伸表面上打开一张草图如图 4-6所示。图 4-6拉

33、伸表面草图6.单击 “特征” 工具栏上的 “切除凸台基体” (命令按钮, 切除 PropertyManager 出现。7.在“方向 1”组框中,执行如下操作。将终止条件设置为“给定深度” 。设置深度为 33mm 。可使用方向键或直接输入数值 来增加数值。图形区域中显示拉伸的预览。8.单击确定按钮,生成切除。新特征“切除 1”出现在 Feature Manager设计树中和图形区域如图 4-7图 4-7切除凸台基体9. 同理挖两个圆柱如图 4-8所示4.3.3 螺栓的绘制1.新建一个文件,并将其命名为“螺纹。 Sldprt ” .2.调出模板库特征以建立派生螺栓。如图 4-9所示 .在一个空白文

34、件中依次选择菜单“工具“ /” FeaturePalatte ”命令。将弹出“ FeaturePalatte ”窗口,切换到“安装目录 data palette partsHardware ”下, 按住鼠标左键,将法兰螺栓拖到空白文件的图形区域,弹出一样询问对话框询问是否建 立一个派生零件。单击”是“按扭,绘图区出现了一个法兰螺栓。图 4-9派生螺栓 3. 编辑特征管理器中箭头的“ flange.bolt ”名称,在弹出的快捷菜单中选择“关联中 编辑”命令,该调色板特征分解为所包含的单个特征。右击“ Thread Cut ”的名称,在 弹出的快捷键菜单中选择“编辑草图”命令,将值为 0.05m

35、m 的尺寸 D1修改为 1.30mm, 并单击确定“命令按扭 . ” 如图 4-10所示图 4-10螺栓4.添加螺纹主体 绘制截面草图以 plane2为草绘平面 , 绘制等边三角行草图 , 作为螺纹扫描是截面 . 按住 ctrl键并 单击其中的两条边 , 在属性管理器中单击”相等约束”按扭 , 再另外选两条边 , 并添加同 样的约束 . 三角形边长为 1.5mm. 其中一边与螺纹圆柱体纵剖面边线重合 , 且该边的一个 端点与梯面的投影线重合 . 如图 4-11所示图 4-11螺纹截面草图绘制螺旋线基圆以阶梯面为草绘平面 , 绘制一个阶梯面与螺纹圆柱面的交线圆重合的圆 , 此圆控制 着螺旋线的直经.添加基准轴单击基准轴按扭或依次选择菜单 “插入” /“参考几何体” /“基准轴”命令;将 弹出基准轴属性管理器,然后在绘图区域选择螺纹圆柱面,此时面 1出现在基准轴 对话框中的所选项目中,选择定义方式为“圆柱 /圆锥面” ,单击“确定”按扭,生成基 准轴。4添加螺旋线选取步骤 2中所绘制的草图圆,依次选择菜单“插入” /“曲线” /“螺旋线” /“涡壮线”命令,将弹出“螺旋线”对话框,选择定义方式为“螺 距 和圈数” ,螺 距改为 1.50mm ,圈数为 19, 起始角度为 0°, 选中顺时针旋转,单击“确定”按