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丽水学院毕业设计〔论文〕说明书〔2010届〕题目机械手的改良设计指导教师江洁院系机械电子与建筑工程学院班级机自061学号06105010140姓名林金毅二〇一〇年四月二十三日机械手的改良设计机械设计制造及其自动化机自061林金毅指导教师江洁摘要本次设计主要设计自动上下料机械手的机械系统。该系统要实现的是4自由度〔RPRRR—回转关节P—直线运动关节〕关节型机械手的运动,本设计选用液压驱动系统。液压驱动应用广泛,传动平稳,且易于控制。该系统的控制系统采用一般PLC所具有的位移存放器和位移指令来编程。关键词:机械手;4自由度;关节型;液压驱动;控制系统Manipulator'simprovementdesignAbstractThispaperdesignsautomaticloadingandunloadingmanipulator'smechanicalsystem.Thissystemmayrealize4degreesoffreedom(RPRRRrotationjointPtranslationjoint)thejointmanipulatormovement.Thisdesignselectsthehydraulicdrivingsystem.Thehydraulicdrivingapplicationiswidespread.Thetransmissionissteady.Alsocontroliseasy.ControlsystemofthissystemusesthedisplacementregisterandtheshiftorderwhichgeneralPLChasprograms.ThecontrolsystemofthissystemcanprogrambyusingthedisplacementregisteranddisplacementinstructionofPLC.Keywords:Manipulator4degreesoffreedomJointHydraulicDrivingsystemControlsystem目录1绪论11.1工业机械手概况11.2工业机械手的分类31.3工业机械手在工业生产中的应用41.4改良目标52工业机械手的设计方案72.1工业机械手的组成7设计方案7执行机构7驱动机构7控制方式9规格参数93机械手各局部的计算与分析113.1手部计算与分析113.1.1滑槽杠杆式手部设计的根本要求113.1.2手部的计算和分析113.2腕部计算与分析173.2.1腕部设计的根本要求173.2.2腕部回转力矩的计算183.2.3腕部摆动油缸设计203.2.4选键并校核强度223.3臂部计算与分析233.3.1臂部设计的根本要求233.3.2手臂的设计计算253.4机身计算与分析334液压系统344.1液压缸344.2计算和选择液压元件364.2.1液压泵的选取要求及其具体选取364.2.2选择液压控制阀的原那么384.2.3选择液压辅助元件的要求384.2.4具体选择液压元件385机械手控制系统416总结42谢辞43参考文献441绪论1.1工业机械手概况工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.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,目前已经根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,生产了局部机器人关键元器件,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。如:可靠性低于国外产品,机械手应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手开展的关键平台因素就是其软件,硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业,其中汽车工业占第一位〔占28.9%〕,电器制造业第二位〔占16.4%〕,化工第三位〔占11.7%〕。兴旺国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为23.4%~53%,年产每万辆汽车所拥有的机械手数为〔包括整车和零部件〕:日本88.0台,德国64.0台,法国32.2台,英国26.9台,美国33.8台,意大利48.0台。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开展的。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。机械手的开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开展和科技的不断进步,这项技术将日益完善。上料机械手与卸料机械手相比,其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料,工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业,最大抓取棒料直径达180mm,最大抓握重量可达30公斤,最大行走距离为1200mm。根据作业要求及载荷情况,机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪,小臂,大臂,手臂回转机构,小车行走机构,液压泵站电器控制系统组成,同时具有高温棒料启动疏料装置及用于平安防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上,结构紧凑。电气控制系统采用OMRON可编程控制器,各种作业的实现可以通过编程实现。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”反应。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)抓空或抓力缺乏时能检测出来。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”,它是有开展前途的。现在,工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力,其效用是代替从事繁重的工作,危险的工作,单调重复的工作,恶劣环境下的工作方面尤其明显。至于像汽车工业和电子工业之类的费工的工业局部,机械手的应用情况决不能说是好的。虽然这些工业部门工时缺乏的问题锋利,但采用机械手只限于一小局部工序,其原因是,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,这是主要原因。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得到解决,机械手的应用必将会飞跃开展。随着机电一体化技术和计算机技术的应用,其研究和开发水平获得了迅猛的开展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域,特别是工业机械手在生产加工中的广泛应用。轿车半轴加工上料机械手设计在综合多种机械手的设计原理和设计思想,根据轿车半轴加工的特点提出的,有一定的理论根底,设计水平和应用价值。1.2工业机械手的分类现在对工业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。按规格〔所搬运工件的重量〕分类:—搬运重量在1公斤以下:—搬运重量在10公斤以下:—搬运重量在50公斤以下:—搬运重量在50公斤以上。目前大多数工业机械手能搬运的重量为1~30公斤。最小的为0.5公斤,最大的已到达800公斤。按功能分类: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,改变程序比拟容易。只使用在程序较简单的点位控制,但作为一般单机效劳的搬运作业已足够。所以,目前这种工业机械手数量最多。记忆再现型工业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。与前者比拟有较多的自由度,能进行程序较复杂的作业,通用性较广。计算机数字控制的工业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。智能工业机械手〔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。按用途分: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,手动比拟简单,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。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。1.3工业机械手在工业生产中的应用工业机械手在生产中的应用非常广泛,还可以归纳为以下的一些方面:建造旋转零件体自动线方面建造旋转零件体〔轴类、盘类、环类零件〕自动线,一般都采用机械手在机床之间传送工件。在实现单机自动化方面(1)各类半自动车床,有自行夹紧、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,可实现全自动化生产。(2)注塑机有加料、合模、成型、分模等自开工作循环,装上机械手自动取料,可实现全自动生产。(3)冲床有自动上下冲压循环,机械手上下料可实现冲压上产自动化。铸、锻、焊、热处理等方面总的来说,由于工业机械手的特点满足了社会生产的需要,进而带来了经济效益。其特点:(1)对环境的适应性强,能代替人从事危险,有害的操作,在长时间对人体有害的场所,机械手不受影响。(2)机械手能持久、耐劳、可以把人从单调的繁重的劳动中解放出来,并能扩大和延伸人的功能。(3)动作准确,可保证稳定和提高产品的质量,同时可防止人为操作的错误。(4)通用性灵活性好,特别是通用机械手,能适应产品品种迅速变化的要求,满足柔性生产的需要。(5)采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低本钱。1.4改良目标根底:我国的工业机器人从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,目前己根本掌握了机器人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,生产了局部机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套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,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国己安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、本钱也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程。改良的方面:我设计的机械手主要由手爪,小臂,大臂,手臂回转机构,小车行走机构,液压泵站电器控制系统组成,同时具有高温棒料启动疏料装置及用于平安防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上,结构紧凑。电气控制系统采用OMRON可编程控制器,各种作业的实现可以通过编程实现。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)抓空或抓力缺乏时能检测出来。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”。现在,工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力,其效用是代替从事繁重的工作,危险的工作,单调重复的工作,恶劣环境下的工作方面尤其明显。至于像汽车工业和电子工业之类的费工的工业局部,机械手的应用情况决不能说是好的。虽然这些工业部门工时缺乏的问题锋利,但采用机械手只限于一小局部工序,其原因是,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,这是主要原因。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得到解决,机械手的应用必将会飞跃开展。随着机电一体化技术和计算机技术的应用,其研究和开发水平获得了迅猛的开展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域,特别是工业机械手在生产加工中的广泛应用。轿车半轴加工上料机械手设计在综合多种机械手的设计原理和设计思想,根据轿车半轴加工的特点提出的,有一定的理论根底,设计水平和应用价值。2工业机械手的设计方案2.1工业机械手的组成工业机械手是由执行机构,驱动机构和控制局部所组成,各局部关系如下框图:图2.1工业机械手各局部关系图执行机构包括抓取局部〔手部〕、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。1.手部:直接与工件接触的局部,一般是回转型或平移型。传动机构形式多样,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。2.腕部:是联接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓取物体的方位。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件,并按预定要求将其搬运到给定位置。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.行走机构:有的工业机械手带有行走机构。驱动机构:有气动,液动,电动和机械式四种形式,比拟这四种驱动方式:〔1〕电动机驱动电动机驱动首先要考虑电源和电动机的调速控制装置等的组成。a、电源电源为驱动电动机提供电能,电动机将电源的电能转化为机械能,通过传动装置或直接驱动车门机构。目前,应用最广泛的电源是铅酸蓄电池,但随着电动汽车技术的开展,铅酸蓄电池由于比能量较低,充电速度较慢,寿命较短,逐渐被其他蓄电池所取代。正在开展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等。b、驱动电动机驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能,通过传动装直接驱动车轮和工作装置。目前汽车上广泛采用直流串激电动机,这种电机具有"软"的机械特性,串激电动机负载的大小对电动机的转速影响较大,当负载转矩较大时电动机的转速较低,当负载轻时,转速又升高;还有一个优点就是启动时的励磁电流大,所以与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花,比功率较小、效率较低,维护保养工作量大,随着电机技术和电机控制技术的开展,势必逐渐被直流无刷电动机〔BCDM〕、开关磁阻电机〔SRM〕和交流异步电动机所取代。c、电动机调速控制装置电动机调速控制装置的作用是控制电动机的电压或电流,完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。应用较广泛的是晶闸管斩波调速,通过均匀地改变电动机的端电压,控制电动机的电流,来实现电动机的无级调速。在驱动电动机的旋向变换控制中,直流电动机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向,实现电动机的旋向变换。〔2〕气压驱动气压驱动的动力源来自空压机产生的压缩空气,通过气压传动来控制执行机构的运动。〔3〕液压驱动液压泵是将电动机输出的机械能转换为液体压力能的能量转换装置,是液压系统的动力源。液压驱动执行机构是液压缸,是将液体的压力能转化为机械能,用于驱开工作机构作直线往复运动或往复摆动的。其结构简单、工作可靠,与杠杆、连杆、齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等机构配合能实现多种机械运动。液压缸按其作用方式的不同,分为单作用式和双作用式两大类。单作用液压缸只利用液压力推动向一个方向运动,而反向运动那么依靠重力、弹簧力等来实现;双作用缸正反向的运动都依靠液压力推动来实现。如果采用液压缸来驱动,那么可以实现机械手的多方位运动。综合以上,本文所采取的驱动方式为液压驱动。控制方式有电气控制、电子控制、流体控制和气动控制等多种,本文采用PLC控制。与普通微机类似,PLC也是由硬件和软件组成的,在软件的控制下,PLC才能正常工作,PLC的工作过程如下:a.输入现场信息:在系统软件的控制下,顺次扫描各输入点,读入各输入点的状态。b.行程序:顺次扫描用户程序中的各条指令,根据输入状态和指令内容进行逻辑运算;c.输出控制信号:根据逻辑运算的结果,输出状态存放器向各输出点并行发出相应的控制信号,实现所需要的逻辑控制功能。上述过程执行完后,又重新开始,反复的执行,每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十ms。在实际应用中,PLC的程序与机械设备的动作一一对应,自动完成整个开门、关门的动作。程序编制简单、直观,不容易出错,而且容易修改。为了提高工作的可靠性,及时接受外来的控制命令,PLC每次在扫描期间,除完成上述三步操作外,通常还要故障自诊断,完成与编程器等的通信。处理完通信后,PLC继续往下扫描,输入现场信息,顺序执行用户程序,输出控制信号,完成一个扫描周期,然后又从自诊断开始,进行第二轮扫描。PLC就这样不断反复循环,实现对机器的连续控制,直到接受到停机命令,或因停电、出现故障等才停止工作。PLC的主要优点:(1)应用灵活,用户程序可以简单而方便的修改和编制安装和现场接线简便。(2)操作方便,用户程序编制清晰直观。(3)完善的监视和诊断功能。(4)控制功能强,既可完成顺序控制,又可进行闭环回路控制,还可实现数据处理和简单的生产事务管理。(5)体积小,重量轻,省电。PLC能够实现整个过程的自动控制,有很强的逻辑功能,机械手的所有动作均可通过编程来控制。工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标,一般包括以下几个方面:1.抓重〔又称臂力〕:额定抓取重量或称额定负荷,单位为公斤;2.自由度数目和坐标形式:整机,手臂和手腕等运动共有几个自由度,并说明坐标形式;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;4.驱动方式:气动,液动,电动和机械式四种形式;5.手臂运动参数;6.手腕运动参数;7.手指夹持范围和握力;8.定位精度:位置设定精度和重复定位精度;9.轮廓尺寸:长×宽×高〔毫米〕;10.重量:整机重量。3机械手各局部的计算与分析3.1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局部组成,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。3.1.1滑槽杠杆式手部设计的根本要求(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。3.1.2手部的计算和分析〔1〕手部受力分析图3.1手部受力图(1)图3.2手部受力图(2)〔2〕手指尺寸初步设定由拉杆的力平衡条件:得由得又由工件的平均半径mm初取V型手指的夹角2mm,,,,滑杆总长h=170(3)夹紧力计算又由于工件的直径不影响其轴心的位置即定位误差为零,手指水平位置夹取水平位置放置的工件。由工业机械手设计根底表2-1查得×又因为〔3.1〕当取最小值时,那么增力比拟大,手指走到最小行程时那么有那么又因为2amin取平安系数,工作情况系数传动机构的机械效率(3.2)手指夹紧时:夹紧缸活塞移动范围L=130mm,其动作时间t=1.5s〔由机械手的动作节拍时间得之〕,所以夹紧活塞移动得平均速度v为:运动部件得总重估算G=10kg夹紧力N与驱动力P的关系:由于结构左右对称,在驱动力P的作用下,每一滑槽杠杆受力相等在不计摩擦力的情况下,为夹紧状态得倾斜角=50°夹紧工件半径为50mm为例=38.9kg(3.3)根据各力对回转支点的力矩平衡条件,同样在不计摩擦力的情况下,c为杠杆动力臂,即驱动销对滑槽杠杆作用力对支点的垂直距离。又因为a=50mmC=那么Nb=当夹紧半径为25mm的工件时,=那么Nb=(4)动作特性和传动特点定位到最大行程时,那么取又因为,滑槽杠杆手指最大开闭角为滑槽倾斜角的变化范围可以为可见机构传动比将在以下范围内变化,所以开始所初步取的a,b与均符合要求。〔5〕确定夹紧油缸外径D驱动杆行程与手指开闭范围关系-分别为手指夹紧工件范围值时,滑槽相对于两支点连接的倾斜角。机构效率考虑到机构效率,传力比N/P的公式应力又因为G=250N,夹紧力F=500N,-工作负载即为重物重力=250N。-导轨摩擦阻力负载,对于平导轨-垂直于导轨的工作负载,=0。f-导轨摩擦系数,取静摩擦系数为0.2,动摩擦系数为0.1。,,一般取0.5s,时间内速度变化量启动:稳态:。计算液压缸内径D和活塞杆直径d,由负载可知最大负载F为275N。根据液压系统设计手册表2-2可取,为0.95,d/D为0.7。又因为(3.4)根据液压系统设计手册表2-4,将液压缸内径圆整为标准系列直径D=25mm,活塞杆直径按d/D=0.7及表2-5活塞直径系列取d=18mm。按工作要求夹紧力为一个夹紧缸提供,考虑到夹紧力的稳定性。夹紧缸的工作压力应大于复位弹簧的弹力。又因为进油缸在有杆腔,那么其有效工作面积(3.5)液压缸壁厚和外径计算,为最大工作压力的1.5倍,。高强度铸铁,=60液压缸工作行程确实定,并参照表2-6中的系列尺寸选取标准值S=100mm。缸盖厚度确实定一般液压缸为平底缸盖,其有效厚度t按强度要求计算。(3.6)现取t=20mm。活塞的宽度B一般取B=()D=0.6D=15mm。夹紧缸弹簧确实定。弹簧工作载荷F=50N最大轴直径最小筒直径弹簧刚度查机械设计手册表30.2-8圆柱螺旋压缩弹簧的尺寸及参数得材料直径d=2.5mm,弹簧中径D=25mm,节距P=10.4mm.单圈弹簧工作极限载荷下变形量为7.075mm,单圈弹簧刚度。(3.7)曲度系数=1.14,G-弹簧材料的剪切弹性模量,钢材G=Z=110mm,那么活塞缸总长L=120mm。3.2腕部计算与分析3.2.1腕部设计的根本要求手腕部件置于手部和臂部之间,它的作用主要是在臂部运动的根底上进一步改变或调整手部在空间的方位,以扩大机械手的动作范围,适应性更强。手腕具有独立的自由度,此设计手腕有绕X轴转动和沿X轴左右摆动两个自由度。手腕回转运动机构为回转油缸,摆动也采用回转油缸。他的结构紧凑,灵活,自由度符合设计要求,它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。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,又承当联接和支承作用,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〕。3.2.2腕部回转力矩的计算腕部回转时,需要克服以下几种阻力:从图3.4可知:=××-轴承直径〔m〕式中:-轴承处支反力;可静力学平衡方程求得。f-轴承的摩擦系数,对于滚动轴承f=为简化计算取图3.4腕部回转支承处的受力图-工件重量〔kgf〕,-手部重量〔kgf〕,-手腕转动件重量〔kgf〕重心偏置所引起的力矩=〔kgf〕式中e-工件重心到手腕回转轴线的垂直距离〔m〕3.克服启动惯性,所需的力矩启动过程近似等加速运动,根据手腕回转的角加速度及启动所用的角速度:=(3.8)式中:-工件对手腕回转轴线的转动惯量J-手腕回转局部对手腕回转轴线的转动惯量-手腕回转过程的角加速-启动过程所转过的角度〔度〕手腕回转所需要的驱动力矩应当等于上述三项之和。(3.9)因为手腕回转局部的转动惯量不是很大,手腕起动过程所产生的转动力矩也不大,为了简化计算,可以将计算,适当放大,而省略掉,这时(1)设手指,手指驱动油缸及回转油缸转动件为一个等效圆柱体,L=50cm,直径D=10cm,那么m=27.5kg。(2)摩擦阻力矩(3)设起动过程所转过的角度=,等速转动角速度计算:求=查型钢表有:代入=256〔N·m〕=0;;+265M=确定转轴的最小尺寸,-抗扭剖面模量,查得,,取转轴直径d=40mm。回转油缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩,机械手的手腕回转运动所采用的单叶片回转油缸,定片1与缸体2固连,动片3与转轴5固连,当a,b口分别进出油时,动片带动转轴回转到达手腕回转目的。M=(3.10)式中:—手腕回转总的阻力矩〔N·m〕P—回转油缸的工作压力r—缸体内径半径〔cm〕R—输出轴半径〔cm〕b—动片宽度注:可按外形要求或安装空间大小,先设定b,R,r中两个:—2.5,,取=2,=3又因为d=40mm,那么D=80mm,b=60mm去顶回转油缸工作压力:(3.11)由于系统工作压力远远大于此压力,因此回转油缸的工作压力足以克服摩擦力。3.2.3腕部摆动油缸设计偏离重心e的计算及图3.5腕部摆动油缸设计尺寸图估计L=45cm,,=30cm克服重心偏置所需的力矩克服摩擦所需力矩克服运动惯性所需的力矩=0.7654(kg-m-)==25=5.1(kg-m-)=5.8654(kg-m-)=JW/t设w=,/=12.83(kgf·m)那么摆动所需的驱动力矩=32.14(kgf·m)确定转轴的最小直径抗拒剖面摸量所需驱动力矩(3.12)取d=50mm所以机械手的摆动采用单叶片回转油缸,定片与缸体固连,动片与转轴固连,当两油口分别进出油时,动片带动转轴转动到达腕部摆动目的。(3.13)又因为:—2.5,,取=2,=3所以:d=50mm,所以D=100mm,b=75mm确定回转油缸工作压力(3.14)由于系统工作压力远远大于此压力,因此该缸的工作压力足以克服摩擦力。3.2.4选键并校核强度转轴直径d=40mm,由GB1095-79选键为bh=128转轴直径d=50mm,由GB1095-79选键为bh=2010键校核如下公式=2T/kld[],K——接触面的高度取接方式:静连接,轻微冲击,查得=100所以满足要求3.3臂部计算与分析3.3.1臂部设计的根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根本要求:即手臂,左右回转和俯仰运动。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,需满足以下各项根本要求: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,那么刚度逾差,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。(1)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。(2)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,使导向杆承受局部或者大局部自重。(3)提高活塞和刚体内径配合精度,以提高手臂俯仰的刚度。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,手臂回转俯仰均要求均速运动,〔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,否那么引起冲击和振动。对于告诉运动的机械手,其最大移动速度设计在1000~1500mm/s,最大回转角速度设计在内,在大局部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。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力,尽可能用滚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〕。为此,必须计算使之满足不自锁的条件。(1)计算零件重量,可分解为规那么的体形进行计算。(2)计算零件重心位置,求出重心至回转轴线的距离。(3)求重心位置并计算偏重力臂(3.15)(3.16)(4)计算偏重力矩(3.17)一般说来,直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高;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,要求机械手通用性要好,能适合各种作业的要求;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。3.3.2手臂的设计计算通常先进行粗略的估算,根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸,在进行校核计算,修正设计。为了便于进行液压机械手的设计计算,分别俯仰缸回转油缸的设计表达如下:设小臂L=40cm,D=60cm那么m=那么手臂总重,L=100mm俯仰缸的设计计算图3.6仰俯缸的设计尺寸图设,,当手臂处在仰角为的位置时,驱动力P通过连杆机构产生的驱动力矩为因为,又因为=,=,而P=P—油缸的工作压力〔〕D—油缸内径〔cm〕—活塞缸与缸径,活塞杆与端差的密封装置处的摩擦阻力〔kg〕—通油箱,=0=10600kg10600·cm当手臂处在俯角为的位置时,驱动力P通过连杆机构产生的驱动力因为:所以那么当手臂处在水平位置即为驱动力矩时因为由于手臂与支柱连轴有振动轴承,摩擦力矩较小=0所以验证油缸是否满足要求,满足上仰条件,出于时(3.18)==1134kgf选取=0.7,所以(3.19)整理得到D=63mm,那么d=45mm。液压缸壁和外径计算(3.20)高强度铸铁,=60液压缸为平底缸差,其厚度t按强度要求计算无孔时(3.21)取t=3mm液压缸工作行程确实定由那么S=16mm那么由表2-6中的系列尺寸查得〔液压系统设计手册〕S=25cm那么活塞杆L=30cm活塞杆的稳定性校核,活塞杆由45钢制成。杆长300mm,d=45mm最大压力P=1134N设稳定平安系数为,由式〔10.9〕求出(3.22)活塞杆两端可简化为铰支座,故,活塞杆横截面为圆形i=故为,因为,故不能用欧拉公式计算使用直线公式,由表10.1查得,优化碳钢的由公式〔10.12〕可得可见活塞杆是小柔度变压杆,由直线公式求出而P=1134N,活塞杆的工作平安系数为n=所以满足要求。为保证连接的紧密性,必须规定螺钉的间距,进而决定螺钉的数目。缸的一端为缸体与缸盖铸造成一体,另一端缸体与缸盖采用螺钉连接。(1)缸盖螺钉的计算为保证连接的紧密性,必须规定螺钉的间距,进而决定螺钉的数目在这种连接中,每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷Q和预进力之和。式中:P—驱动力kgfP—工作压力kgf/Z—螺钉数目,取8—预紧力kgf=K螺钉的强度条件为:式中:——计算载荷〔kgf〕表3-1螺钉间距与压力p的关系工作压力〔〕螺钉间距〔mm〕5—15<15015—25<12025—50<10050—100<80()抗拉许用应力,——螺纹内径〔cm〕表3-2常用螺钉材料的流动极限钢号10A2A3354540cr210022002400320036006500-9000(2)缸体螺纹计算(3.23)式中,,D—油缸内径—考虑螺纹拉应力和扭应力合成作用系数取驱动手臂回转的力矩D—输出轴与缸差密封处的直径〔cm〕L—密封的有效长度〔cm〕—“O”形密封圈的截面直径〔cm〕—“O”—摩擦系数P—回转轴缸的工作压力〔kg/〕选取=0.5,b=10cm,p=80kg/,设=6mm假设,那么取,取,那么,D=14cm选用O型橡胶密封圈S58型,那么(3.24)—动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力距—回转缸动片的角速度变化量,在启动过程中〔弧度/秒〕—启动过程时间—手臂回转部件,对回转轴的轻功惯量〔〕假设手臂回转零件的重心与回转轴的距离为那么—回转零件对重心轴线的转动惯量(3.25)=649.2〔〕设角速度,启动时间—般取=0.2P=16〔〕由内径公式(3.26)根本满足要求,那么D=16cm,d=8cm。又由螺钉的强度条件为或〔取=8mm〕式中:—螺钉的内径〔cm〕—计算载荷〔kgf〕—螺钉材料作用拉应力3.4机身计算与分析机身是直接支撑和传动手臂的部件。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,或者直接构成机体的躯干与底座相连。因此,臂部的运动愈多,机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定的,也可以是行走的,即可以沿地面或架空轨道运动。此次设计机身为地面轨道运动式。它的驱动系统是步进电机其型号为Y132S—8功率2.2KW转速710r/min,再电动机后接了一个圆锥圆柱齿轮减速器其输出速度为1.2m/s。在后是一个制动箱。其主要参数是由外部计算机调整和控制,在很大程度上是由运动学和轨迹运动而去编制小车的运行程序。4液压系统4.1液压缸根据前面设计好的各种液压缸的参数。参数〔包括设计出的参数〕:—表示第几个缸的参数}无杆腔进油}有杆腔进油参数:注意参数中在前面设计中不够明确时,那么要进行分析。参数〔包括已设计好的参数〕(1)单作用弹簧复位的夹紧缸;=25mm,=18mmF=注意:为尚未夹持工件的时间。(2)手腕回转缸。=80mm,=40mm,=60mm(4.1)(3)手腕摆动缸(4)手臂回转缸=160mm=80mm=120mm注意:忽略角加速度和角减速度的影响(5)手臂仰俯活塞缸:=63mm,=45mmV=5cm/s(1)夹紧缸:。(2)手腕回转缸:(3)手腕摆动缸:(4)手臂回转缸:(5)手臂仰俯活塞缸:4.2计算和选择液压元件4.2.1液压泵的选取要求及其具体选取〔1〕计算液压泵的工作压力泵的工作压力是所有液压缸中工作压力最大者与管道压力损失之和。即:—管道和各类阀的全部压力损失之和。可先估计,一般取:=〔5—8〕〔2〕计算液压泵的流量,式中:K——〔3〕选择液压泵的规格参照设计手册或产品样本,选取其额定压力比高25%—60%,其流量与上述计算一致的液压泵。〔4〕计算功率,选用电动机按工况图,找出所有缸N-t图中最高功率点的对应的〔计算值〕和泵额定流量的乘积,然后除以泵的总效率(4.2)确定液压泵的流量压力和选择泵的规格,泵的工作压力确实定。考虑到正常工作中进油路有一定的压力损失,所以,泵的工作压力为:—液压泵的最高工作压力;—执行元件的最高工作压力——,,=4.5+0.5=5上述计算所得的是系统的静态压力,考虑到系统在各种工况的过渡,阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外考虑到,一定的压力储藏量并确保泵的寿命,因此选泵的额定压力应满足泵流量确实定。液压泵的最大流量应为:,—液压泵的最大流量—同时工作的各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正进行工作,尚需加溢流阀的最小溢流量2~3L/min—系统泄漏系数,一般取=1.1-1.3,现取选择液压泵的规格。根据以上算得和,再查阅有关手册,现选用YB-80BI双联叶片泵,该泵的根本参数为:每转排量:10—194mL/r;泵的额定压力;电动机转速;容积效率;总效率。——0.14。同时,应注意到,为了使所选择的电动机在经过泵的流量特性曲线最大功率点时,不致停车,需进行验算,即(4.3)——泵出油量—油头—主管损失油头—泵的功率—传动效率直接传递为1选电机:4.2.2选择液压控制阀的原那么按控制阀的额定流量大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量原那么4.2.3选择液压辅助元件的要求(1)滤油器按泵的最大流量选取流量略大些的滤油器,滤油精度在为网式或线段式滤油器即可。(2)油管和管接头的通径与阀一致来选取。(3)油箱容积Q=50Qp注意:Qp单位假设为L/min时,V的单位为Qp单位假设为时,V的单位为4.2.4具体选择液压元件1.换向回路的选择紧缸换向选用二位三通阀,其他缸全部选用B型的三位四通电磁换向阀。选用B型电磁阀便于微机控制,选中位为O型是使定位准确。本系统是功率较小的,应选简单的进油路节流阀调速。选用二位三通阀参加油路,便于微机控制,提高自动化程度。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。单向压力补偿调速阀:QI-63B,QI-130B,QI-23B单向阀:I-25减压阀:I-10单向顺序阀:XI-160B二位三通电磁阀:23D-10B,23D-50B,23D-100B二位四通电磁阀:24D-25B,34DY-63B,34S-160B线隙式滤油器:XU-B327-75XU-1337-50压力表:Y-60=29mm夹紧油路d=11mm手腕回转油路d=18mm手腕摆动油路d=18mm手腕回转油路d=26mm手腕仰俯油路d=28mm液压油箱的设计:〔1〕液压油箱有效容积确实定液压油箱在不同的工作条件下,影响散热的条件很多,通常按压力范围来考虑。液压油箱的有效容量v可概略地确定为:在中低压系统中〔p〕,可取v=〔5—7〕。式中:V—液压油箱有效容量;—液压泵额定流量V=3=696=576,故V=576L应当注意:设备停止运转后,设备中的那局部会因重力作用而流回液压油箱。为了防止液压油从油箱中溢出,油箱中液压油位不能太高,一般不应超过液压油箱高度的80%。〔2〕液压油箱的外形尺寸液压油箱的有效容积确定需设计液压油箱的外形尺寸,一般尺寸比〔长:宽:高〕为:1:1:1—1:2:3。为提高冷却效率,在安装位置不受限制时,可将液压油箱的容量予以增大。根据油箱有效容量可选BEX—630。5机械手控制系统本次设计的机械手是以PLC控制个液压元件来实现机械手各关节的运动。至于机械手在空间的运动和定位那么由外部的电脑操作系统完成,它主要先进行机器手的运动学分析,动力学分析,轨迹规划和编程。从而由上述系统完成整个机械手在空间的行走,定位和重复定位等操作。电磁铁动作循环图如图6-1所示。图6.1PLC控制液压系统图6总结本篇设计的机械手综合运用了机械零件、理论力学、材料力学、机械原理、金属工艺学、热处理、技术测量、机械制图等知识,它主要是应用在那些单调、频繁的操作中用以代替人的劳动

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