自动夹取工件机械臂的设计

引言随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等工作的自动化，已愈来愈引起人们的重视。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”，它是近几十年来出现的一种技术设备。工业机械手是在电子技术、机械技术和自动控制技术相互渗透的基础上发展期来的，是电子和机械高度结合的技术密集型产业，而机械手技术本身又是促进工业实现高度自动化的先导技术，因而在生产应用中可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度，保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更加重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。因为机械手对国民经济和社会生活都产生了很大的影响，因此机械手已成为工业先进国家重要的技术发展领域之一。气动机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。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各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。本次毕业设计题目是自动取料系统设计，主要为机械手的设计工作，主要是根据生产的具体要求进行接受方案的设计，以便选择和确定机械手的坐标形式、基本参数、机械结构、驱动方式及系统原理图和控制方式及线路图等工作。在现代工业自动化领域里，材料的搬运、机床的取料、整体的装配等是十分重要的环节，而实现这些环节的自动化将大大提高生产效率，减少成本。用自动化机械代替人的工作可以减少事故的发生。工业机械手就是为了实现这些环节的自动化而设计的。2总体方案设计关于机械手设计的具体工作，是不可能有一整套固定不便的设计步骤和工作内容的，必须根据具体情况作具体的分析。现将本次自动取料机械手设计时的有关工作内容和一般需要考虑的问题分析一下。2.1明确设计要求2.1.1被抓对象的情况被抓对象的情况就是被抓取物件的重量、形状、尺寸、材料、表面加工情况、易碎性及数量等，以便选择手部的结构及计算必要的加紧力或吸附力大小。2.1.2工作现场的情况同位素自动取料机械手涉及到力学、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，是一门跨学科综合技术。它是一种能自动控制并可以从新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。新型同位素自动取料机不仅提高了分装计量精度和工作效率，而且改善了工人的劳动条件，避免了同位素对人体辐射的危害，工作安全可靠。同位素自动取料机械手所附属于工作主机或自动线的工作场地面积和空间大小，工作主机的排列情况，决定着机械手的安装情况。如场地允许可选择地面固定式；若因场地面积窄小或其它原因不宜把机械手固定在地面，则可以采用悬挂式或固定在工作主机机身上某适当位置；若利用一台机械手进行多机床管理，则可选择悬挂轨道式或地面轨道式。2.1.3上、下料道和储料装置与工作主机的配置情况上、下料道和储料装置与工作主机的相对位置，决定了工件在上料前和下料后在空间所处的位置和姿势，这直接影响手臂的坐标形式。2.1.4生产工艺和工作机械对机械手的要求由于产品生产工艺过程的不同和工作机械的不同生产特点，影响机械手的自由度、运动轨迹、运动速度和定位精度的确定，因此必需对生产工艺进行分析，比较工艺的先进性和稳定性，最后按先进的工艺，设计必要的机械手，以完成辅助工作。2.1.5工作环境及其它特殊要求如在高温环境工作的机械手，由于有热的传导和辐射问题，手部要采取冷却与隔热措施；如在粉尘的环境工作的机械手，应加防护罩及密封装置；如在有腐蚀性的环境里工作的机械手，应选择耐酸或耐碱的材料或涂敷耐酸、碱的橡胶。2.2传动方案的确定确定传动方案是设计机械手首先要进行的工作。随着传动方案的确定，机械手的总体布局也就有了概貌。确定传动个方案的主要内容有两个：一是确定机械手的驱动方式。究竟是用液压、气压、电动，还是机械传动，这要根据生产工艺过程、生产节拍和工作环境，结合工厂具体条件确定，本次设计采用气压传动驱动方式。二是确定运动路线（即运动轨迹）。专用机械手要实现设计所需的动作要求，例如把工件从一个位置传送到另一个位置，往往可有好几个运动路线，需要通过分析比较最后确定一个路线最短、动作最少的方案。考虑运动路线时，一般可参照人的手臂和手腕的动作进行模拟类比，较直观的拟定方案，同时参照手臂坐标形式来进行方案比较。总之，在确定运动路线时，主要根据动作要求，并结合其它设计要求进行全面分析比较，使手臂、手腕、手指分工配合协同动作，达到运动路线既短，结构又简单、紧凑、合理、可靠。2.3基本参数的确定机械手的基本参数有抓重（即臂力）、自由度、工作行程（或转角）、工作速度和定位精度。2.3.1抓重抓重是指机械手所能搬运物件的重量。抓重可以根据被抓取物件的重量并考虑适当的安全系数来作决定。考虑到手臂机构强度等因素，通常安全系数K可在2~3范围内选取。2.3.2自由度、工作行程或转角在确定了机械手运动路线后，对运动路线进行分析，将复杂的运动路线分解成若干个简单的直线运动和回转运动，每一个简单的独立运动即是一个自由度。结合机械手安装的位置和工作机器、上下料道或储料装置的相对位置的尺寸，就能确定运动路线分解后的各段工作行程和转角，考虑到行程、转角调整的需要，适当加大其数值后，机械手的各个运动的最大行程便可据此确定。2.3.3工作速度在各个分解运动的最大行程确定后，便可根据动作节拍确定各动作时间的分配，从而确定各动作的工作速度。机械手的动作节拍是指机械手完成一个动作循环所需的时间。它可以直接等于机械设备的生产节拍。如冲床上料机械手与冲床联动，冲头上、下运行时，机械手退出和送料。亦有机械手的节拍占整个生产节拍的一部分。如切削机床用的上下料机械手，在机床加工时机械手时不动作的，当某一工序加工结束时机械手开始动作，这时机械手的动作节拍应按需要和可能加以确定。若某机械手要完成某一上料动作，需完成夹紧工件、手臂上升、手腕回转、手臂回转、伸出、下降、放松工件、手臂缩回、反转、手臂反转等一系列动作，这些动作都需要在节拍所规定的时间内完成。令节拍为T，各动作时间分别设为、……，则T＋＋＋……＋（各动作依次进行）或T＋＋＋……＋（如手腕回转时间<手臂回转时间）在按动作节拍要求进行各动作时间分配时，要考虑下列问题：1．由于继电器、电磁滑阀以及执行机构都有一定的惯性，从动作指令发出到开始动作需要一段时间，因此单个动作时间不宜少于0.2秒（直流电磁阀的打开响应时间直＝0.1~0.15秒，交流电磁阀的打开响应时间交＝0.01~0.07秒）。2．夹紧或放松动作时间一般可定为0.2~0.3秒。3．手臂伸缩、水平回转和升降的时间，是机械手动作节拍的主要部分，要考虑抓重和行程大小、驱动方式、缓冲和定位方式而加以确定。在动作时间和行程确定后就可以求出机械手各动作的速度。2.3.4定位精度表2-1定位精度数值表普通搬运作业±3～±5mm或无定位精度要求切削机床上下料±1mm冲床上下料±1mm点焊、弧焊±1mm喷漆±2mm模锻水平方向为±0.5mm垂直方向为±1mm装配、测量±0.1～±0.01mm机械手的定位精度是由加工工艺要求、机械手本省的结构特点（如制造精度、结构刚度）、抓重、工作行程、工作速度以及驱动、控制方式和缓冲定位方式诸因素所决定。但是，加工工艺要求是主要的因素。设计机械手时，应力求保证各种不同的加工工艺对定位精度的要求。3机械手的整体设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手,如图3-1所示，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。图3-1机械手的整体机械结构3.1机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。如图3-2所示图3-2机械手的运动示意图3.2机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。3.3机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。3.4机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。3.5机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。3.6机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。3.7机械手的主要技术参数1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5公斤。2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。（如图3-2所示）而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为。最大回转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。3.用途:用于自动输送线的上下料。4．设计技术参数如表3-1所示:表3-1设计参数抓重自由度数4个自由度座标型式圆柱座标最大工作半径手臂最大中心高手臂运动参数伸缩行程伸缩速度升降行程升降速度回转范围回转速度手腕运动参数回转范围回转速度手指夹持范围棒料:定位方式行程开关或可调机械挡块等定位精度驱动方式气压传控制方式点位程序控制(采用PLC)图3-3机械手的工作范围4总结此机械手共有三个自由度，分别是机械手臂的伸缩，支座的360度旋转，以及支座的起降，能保证机械手在上下以及左右位置的调整。全程动力源是液压系统，安装有压力传感器，实现手臂定位，保证工件装卡定位准确。对于机械手结构的选择，有直角坐标机器人结构，圆柱坐标机器人结构，球坐标机器人结构，关节型机器人结构，在此选择圆柱坐标型，因为圆柱型坐标能实现支座的回转与升降功能。手爪选用单自由度手爪，即在抓取重物之后实现回转放料，料由气动虎钳自动加紧。如此即可实现机床上下料的功能，所以是可行的。参考文献1.濮良贵，纪名刚．机械设计（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2000：100-317；2.吴振彪.工业机器人[M].武汉：华中科技大学出版社,2008；3.王承义.机械手及其应用[M].北京：机械工业出版社，1981；4.费仁元.机器人机械设计和分析[M].北京：北京工业大学出版社，1997；5.龚正等.液压传动与控制[M].上海：上海科学技术出版社，1989；6.张铁.机器人学[M].广州：华南理工大学出版社，2000；7.吴美芳.机器人控制基础[M].北京：中国铁道出版社，1992；8.侯珍秀.机械系统设计[M].黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，2000；9.徐灏主.机械设计手册[J].北京：机械工业出版社，1991；10.邵忍平.机械系统动力学[M].北京：机械工业