畢業(yè)論文設計(液壓機械手裝配結構設計)

1、畢 業(yè) 設 計 設計題目學生姓名學 號 2012815693專業(yè)班級指導教師專業(yè)名稱 機械設計制造及其制動化 2014 年 5月 21日目錄1. 中文摘要 . 42. 英文摘要 . 4 第一章 緒 論 . 5 1.1 機器人概述 . 5 1.2 機器人的歷史、現狀 . 6 1.3 機器人發(fā)展趨勢 . 8 第二章 機械手的整體設計方案 . 8 2.1 液壓機械手介紹 . 8 2.2 液壓機械手的設計要點 . 8 2.3 自由度及關節(jié) . 9 2.4 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 . . 9 第三章 液壓機械手設計參數的確定 . 10 3.1 臂力的確定 . 10 3.2 工作范圍的確定 . 10

2、3.3 確定運動速度 . 10 3.4 手臂的配置形式 . 11 3.5 位置檢測裝置的選擇 . 11 3.6 驅動與控制方式的選擇 . 11 第四章 手臂伸縮氣缸的尺寸設計與驗算 . 11 4.1 概述 . 11 4.2 驅動力的計算 . 12 4.3 腕部的結構 . 14 4.3.1概述 . 14 4.3.2 腕部的結構形式 . 15 4.3.3手腕驅動力矩的計算 . 15 4.3.4手腕回轉缸的尺寸及其校核 . 17 第五章 手臂結構的設計與校核 . 20 5.1概述 . 20 5.2手臂直線運動機構 . 21 5.2.1 手臂伸縮運動 . 21 5.2.2 手臂的升降運動 . 21 5

3、.2.3 手臂回轉運動 . 22 5.2.4 手臂的橫向移動 . 22 5.3 導向裝置 . . 23II5.4 臂部運動驅動力計算 . 24 5.4.1臂水平伸縮運動驅動力的計算 . 24 5.4.2臂垂直升降運動驅動力的計算 . 24 5.4.3臂部回轉運動驅動力矩的計算 . 25 5.5 手臂伸縮油缸的設計與校核 . . 25 5.5.1尺寸校核 . 25 5.5.2計算作用在活塞上的總機械載荷 . 26 5.6 手臂升降油缸的設計與校核 . . 26 5.7 手臂回轉油缸的設計與校核 . . 27 第六章液壓系統(tǒng)的設計 . 32 6.1 液壓系統(tǒng)簡介 . 32 6.2 液壓系統(tǒng)的組成

4、. 32 6.3 機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 . . 32 6.3.1壓力控制回路 . 33 6.3.2速度控制回路 . 33 6.3.2方向控制回路 . 33 6.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng) . 33 6.4.1上料機械手的動作順序 . 33 6.4.2自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理介紹 . 34 6.4.3上料機械手典型動作動作循環(huán)動作說明 . 35 第七章 其它零部件的選擇設計 . 33 7.1油缸的密封 . 36 7.1.1活塞式油缸的泄漏與密封 . 36 7.1.2回轉油缸的泄漏與密封 . 38 7.2 機械手的運動平穩(wěn)性與定位精度 . . 40 7.2.1 油缸的緩沖裝置 . 40 7.2

5、.2 緩沖裝置的設計原則 . 40 結 論 . 41 參考文獻 . 42 附錄 . 43 致 謝 . 44液壓機械手裝配結構設計液壓機械手裝配結構設計摘 要在當今大規(guī)模制造業(yè)中,企業(yè)為提高生產效率,保障產品質量,普遍重視生產過程的自動化程 度,工業(yè)機器人作為自動化生產線上的重要成員,逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術水平和應 用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平,目前,工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運 以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作,工作方式一般采取示教再現的方式。本文將設計一臺四自由度的工業(yè)機器人, 用于給沖壓設備運送物料。 首先, 本文將設計機器人的底座、 大

6、臂、 小臂和機械手的結構, 然后選擇合適的傳動方式、 驅動方式, 搭建機器人的結構平臺; 在此基礎上, 本文將設計該機器人的控制系統(tǒng),包括數據采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端 子板電路的設計以及控制軟件的設計,重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性,最終實現 的目標包括:關節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人的各個關節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和 在線修改程序、設置參考點和回參考點。關鍵詞 :機械手、示教編程、液壓、控制ABSTRACTIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises

7、pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance theproduction efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and

8、the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of

9、these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmis

10、sion method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the re

11、liability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to referenc

12、e point.KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake4 / 43合肥工業(yè)大學機械制造及其自動化論文集第 1章 緒論1.1、機器人概述在現代工業(yè)中, 生產過程的機械化、 自動化已成為突出的主題。 化工等連續(xù)性生產過程 的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中,加工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大 批量生產自動化的有效辦法; 程控機床、 數控機床、 加工中心等自動化機械是有效地解決多 品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外,還有大量的裝卸、搬運、裝配等 作業(yè), 有待于進一步實現機械化。 機器人的出現并得到應用, 為這些作業(yè)的機

13、械化奠定了良 好的基礎。“工業(yè)機器人” (Industrial Robot由操作機 (機械本體 、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和 檢測傳感裝置構成,是一種仿人操作,自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè) 的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產 品質量,提高生產效率,改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人應用情況, 是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 生產中應用機械手可以提高 生產的自動化水平, 可以減輕勞動強度、 保證產品質量、 實現安全生產 ; 尤其在高溫、 高壓、 低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中,它代替

14、人進行正常的工作, 意義更為重大。因此,在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及 輕工業(yè)、 交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。 機械手的結構形式開始比較簡單, 專用 性較強, 僅為某臺機床的上下料裝置, 是附屬于該機床的專用機械手。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展, 制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作,適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手” , 簡稱通用機械手。 由于通用機械手能很快的改變工作程序, 適應性較強, 所以它在不斷變換 生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。機器人一般分為三類。 第一類是不需要人工操作的通用機器人, 也即本文所研究的對象。 它是一種獨立的、 不附屬

15、于某一主機的裝置, 可以根據任務的需要編制程序, 以完成各項規(guī) 定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外,還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第 二類是需要人工操作的,稱為操作機(Manipulator 。它起源于原子、軍事工業(yè),先是通過 操作機來完成特定的作業(yè), 后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。 工業(yè)中 采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。 第三類是專業(yè)機器人, 主要附屬于自動機床或自動生產 線上, 用以解決機床上下料和工件傳送。 這種機器人在國外通常被稱之為 “ Mechanical Hand ” , 它是為主機服務的,由主機驅動。除少數外,工作程序一般是固定的,因此是專用的

16、。 機器人按照結構形式的不同又可分為多種類型, 其中關節(jié)型機器人以其結構緊湊, 所占 空間體積小,相對工作空間最大,甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點, 成為機器人中使用最多的一種結構形式, 世界一些著名機器人的本體 部分都采用這種機構形式的機器人。要機器人像人一樣拿取東西,最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等 部分組成的抓取和移動機構執(zhí)行機構; 像肌肉那樣使手臂運動的驅動-傳動系統(tǒng); 像大 腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。 這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。 一般而言, 機器人 通常就是由執(zhí)行機構、驅動-傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成,如圖 1-1 所示。5 / 43液

17、壓機械手裝配結構設計 6 / 43圖 1-1 機器人的一般組成對于現代智能機器人而言, 還具有智能系統(tǒng), 主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝 置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛” ,使它能識別物體和躲避障礙物,以及機器 人的觸覺裝置。 機器人的這些組成部分并不是各自獨立的, 或者說并不是簡單的疊加在一起, 從而構成一個機器人的。 要實現機器人所期望實現的功能, 機器人的各部分之間必然還存在 著相互關聯、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖 1-2 所示。圖 1-2 機器人各組成部分之間的關系 機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構和驅動-傳動系統(tǒng)組成。 執(zhí)行機構是機器人賴以完成 工作任務

18、的實體, 通常由連桿和關節(jié)組成, 由驅動-傳動系統(tǒng)提供動力, 按控制系統(tǒng)的要求 完成工作任務。 驅動-傳動系統(tǒng)主要包括驅動機構和傳動系統(tǒng)。 驅動機構提供機器人各關節(jié) 所需要的動力, 傳動系統(tǒng)則將驅動力轉換為滿足機器人各關節(jié)力矩和運動所要求的驅動力或 力矩。 有的文獻則把機器人分為機械系統(tǒng)、 驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。 其中的機械系統(tǒng) 又叫操作機 (Manipulator,相當于本文中的執(zhí)行機構部分。1.2 機器人的歷史、現狀機器人首先是從美國開始研制的。 1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機器人。它 的結構特點是機體上安裝一回轉長臂, 端部裝有電磁鐵的工件抓放機構, 控制系統(tǒng)是示教型 的

19、。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969年從美國引進兩種典型機器人 后,大力從事機器人的研究。目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代,主要依靠人工進行控制;控制方式則為開環(huán)式, 沒有識別能力;改進的方向主要是降低成本和提高精度。合肥工業(yè)大學機械制造及其自動化論文集第二代機器人正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng),具有視覺、觸覺能力, 甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器,把感覺到的信息進行反饋,使機器人具有感覺機 能。第三代機器人 (機器人 則能獨立地完成工作過程中的任務。 它與電子計算機和電視設 備保持聯系,并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS(Flexible Manufac

20、turing System 和柔性 制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell 中的重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大, 國際性學術交流活動十分活躍, 歐美各 國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議 ISIR 決定每年召開一次會議, 討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。目前,工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面,無論數量、品種 和性能方面還不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。 使用工業(yè)機器人代替人工操作的, 主要是在危 險作業(yè)(廣義的 、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。在國外機械制造業(yè)中,工業(yè)機器人應用

21、較多,發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓 力機的上下料,以及點焊、噴漆等作業(yè),它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作,但 還不具備傳感反饋能力, 不能應付外界的變化。 如發(fā)生某些偏離時, 就將引起零部件甚至機 器人本身的損壞。隨著現代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步, 針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應 用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。 制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強 大的編程環(huán)境, 適應不同的應用場合和多品種、 小批量的生產過程。 計算機集成制造 (CIM 要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。 研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的 性能和智能水平, 要求機器人系

22、統(tǒng)具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。 然而, 目前 商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結構的專用控制器, 一般采用專用計算機作為上層主控計算 機, 使用專用機器人語言作為離線編程工具, 采用專用微處理器, 并將控制算法固化在 EPROM 中,這種專用系統(tǒng)很難(或不可能集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴 的, 如果不進行重新設計, 多數情況下技術上是不可能的。 解決這些問題的根本辦法是研究 和使用具有開放結構的機器人系統(tǒng)。美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展,大致經歷了以下幾個階段:(1 1963-1967年為試驗定型階段。 1963-1966年, 萬能自動化公司制造的工業(yè)機器 人供用戶做工藝

23、試驗。 1967年,該公司生產的工業(yè)機器人定型為 1900型。(2 1968-1970年為實際應用階段。這一時期,工業(yè)機器人在美國進入應用階段,例 如,美國通用汽車公司 1968年訂購了 68臺工業(yè)機器人; 1969年該公司又自行研制出 SAM 新工業(yè)機器人,并用 21組成電焊小汽車車身的焊接自動線;又如,美國克萊斯勒汽車公司 32條沖壓自動線上的 448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工 件。(3 1970年至今一直處于推廣應用和技術發(fā)展階段。 1970-1972年,工業(yè)機器人處于 技術發(fā)展階段。 1970年 4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。 據當時統(tǒng)計,美國大約 200

24、臺工業(yè)機器人,工作時間共達 60萬小時以上,與此同時,出現 了所謂了高級機器人,例如:森德斯蘭德公司(Sundstrand 發(fā)明了用小型計算機控制 50臺機器人的系統(tǒng)。又如,萬能自動公司制成了由 25臺機器人組成的汽車車輪生產自動線。 麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。其他國家,如日本、蘇聯、西歐,大多是從 1967, 1968年開始以美國的“ Versatran ” 和“ Unimate ”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說, 1967年,日本豐田織機公司 引進美國的 “ Versatran ” , 川崎重工公司引進 “ Unimate ” , 并獲得迅速發(fā)展

25、。 通過引進技術、7 / 43液壓機械手裝配結構設計仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產化機器人,技術水平很快趕上美國并超過其他國家。經過 大約 10年的實用化時期以后,從 1980年開始進入廣泛的普及時代。我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚 5-6年, 但是由于種種原因, 工業(yè)機器人技術 的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術,通過引進、仿制、改 造、創(chuàng)新,工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。隨著現代化生產技術的提高, 機器人設計生產能力進一步得到加強, 尤其當機器人的生 產與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合, 從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài), 提高 了生產效率。就目前來看

26、,總的來說現代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢:a 提高運動速度和運動精度, 減少重量和占用空間, 加速機器人功能部件的標準化和模 塊化,將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人;b 開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合, 如開發(fā)微動機構用以保證精度; 開發(fā)多關節(jié) 多自由度的手臂和手指;開發(fā)各類行走機器人,以適應不同的場合;c 研制各類傳感器及檢測元器件,如,觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等,用 傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、 位置信息、 狀態(tài)信息以完成模式識別、 狀態(tài)檢測。 并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃,同時,越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。第 2章 液

27、壓機械手整體設計方案2.1 液壓機械手介紹液壓傳動機械手是以壓縮液體的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是 :介 質源極為方便,輸出力小,液壓動作迅速,結構簡單,成本低。但是,由于空氣具有可壓縮 的特性,工作速度的穩(wěn)定性較差,沖擊大,而且氣源壓力較低,抓重一般在 30公斤以下, 在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大, 所以適用于高速、 輕載、 高溫和粉塵大的環(huán)境 中進行工作。液壓技術有以下優(yōu)點 :1、體積小、重量輕,因此慣性力較小,當突然過載或停車時,不會發(fā)生大的沖擊;2、能在給定范圍內平穩(wěn)的自動調節(jié)牽引速度,并可實現無極調速;3、換向容易,在不改變電機旋轉方向的情況下,可以較方便地

28、實現工作機構旋轉和直線往 復運動的轉換;4、液壓泵和液壓馬達之間用油管連接,在空間布置上彼此不受嚴格限制;5、由于采用油液為工作介質,元件相對運動表面間能自行潤滑,磨損小,使用壽命長;6、操縱控制簡便,自動化程度高;7、容易實現過載保護。2.2 液壓機械手的設計要點1.2.2 課題的設計步驟本課題將要完成的主要任務如下 :(1機械手為通用機械手,因此相對于專用機械手來說,它的適用面相對較廣。(2選取機械手的座標型式和自由度。(3設計出機械手的各執(zhí)行機構,包括 :手部、手腕、手臂等部件的設計。為了使通用性 更強, 手部設計成可更換結構, 不僅可以應用于夾持式手指來抓取棒料工件, 在工業(yè)需要的 8

29、 / 43合肥工業(yè)大學機械制造及其自動化論文集時候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。(4液壓傳動系統(tǒng)的設計 本課題將設計出機械手的液壓傳動系統(tǒng), 包括液壓元器件的選 取,液壓回路的設計,并繪出液壓原理圖。(5機械手的控制系統(tǒng)的設計 本機械手擬采用可編程序控制器 (PLC對機械手進行控制, 本課題將要選取 PLC 型號,根據機械手的工作流程編制出 PLC 程序,并畫出梯形圖。機器人具有四個自由度 ,即腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié),都為轉動關節(jié);還有 一個用于夾持物料的機械手。2.4 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成機械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖 1-1所示。 圖 1-1機械手的系統(tǒng)工作原理框圖機械

30、手的工作原理:機械手主要由執(zhí)行機構、 驅動系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等 所組成。 在 PLC 程序控制的條件下, 采用液壓傳動方式, 來實現執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī) 定要求的,有順序,有運動軌跡,有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí) 行機構發(fā)出指令, 必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視, 當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報 警信號。 位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng), 并與設定的位置進行比 較,然后通過控制系統(tǒng)進行調整,從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置 .2. 4. 1執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的還增設行走機構。2. 4. 1. 1 手部

31、 手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同,可分為夾持 式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。 夾持式手部由手指 (或手爪 和傳力機構9 / 43液壓機械手裝配結構設計所構成。 手指是與物件直接接觸的構件, 常用的手指運動形式有回轉型和平移型。 回轉型手 指結構簡單,制造容易,故應用較廣泛。平移型應用較少,其原因是結構比較復雜,但平移 型手指夾持圓形零件時, 工件直徑變化不影響其軸心的位置, 因此適宜夾持直徑變化范圍大 的工件。 手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、 被抓部位 (是外廓或是內孔 和物件的重量 及尺寸。 而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。 傳力機

32、構型式較多時常 用的有 :滑槽杠桿式、 連桿杠桿式、 斜面杠桿式、 齒輪齒條式、 絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2. 4. 1. 2、 手腕 手腕是連接手部和手臂的部件, 并可用來調整被抓取物件的方位 (即 姿勢 2. 4. 1. 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動 手指去抓取物件, 并按預定要求將其搬運到指定的位置。 工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂 運動的部件 (如油缸、液壓缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等 與驅動源 (如液壓、液壓或電機等 相配合,以實現手臂的各種運動。2. 4. 1. 4、立柱 立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分

33、,手臂的回轉 運動和升降 (或俯仰 運動均與立柱有密切的聯系。 機械手的立柱因工作需要, 有時也可作橫 向移動,即稱為可移式立柱。2. 4. 1. 5、機座 機座是機械手的基礎部分,機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均 安裝于機座上,故起支撐和連接的作用。2. 4. 2驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調節(jié) 裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。2. 4. 3控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè) 機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電器定位 (或機械擋塊定位 系統(tǒng)組成。 該機械手采 用的是 PLC 程序控

34、制系統(tǒng), 它支配著機械手按規(guī)定的程序運動, 并記憶人們給予機械手的指 令信息 (如動作順序、 運動軌跡、 運動速度及時間 , 同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā) 出指令,必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視,當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 2. 4. 4位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置,并隨時將執(zhí)行機構的實際位 置反饋給控制系統(tǒng), 并與設定的位置進行比較, 然后通過控制系統(tǒng)進行調整, 從而使執(zhí)行機 構以一定的精度達到設定位置。第三章 液壓機械手設計參數的確定3.1、臂力的確定目前使用的機械手的臂力范圍較大,國內現有的機械手的臂力最小為 0.15N ,最大為 8000N 。本液壓機

35、械手的臂力為 N 臂 =1650(N ,安全系數 K 一般可在 1.53,本機械手取 安全系數 K=2。定位精度為±3mm 。3.2、工作范圍的確定機械手的工作范圍根據工藝要求和操作運動的軌跡來確定。 一個操作運動的軌跡是幾個 動作的合成, 在確定的工作范圍時, 可將軌跡分解成單個的動作, 由單個動作的行程確定機 械手的最大行程。本機械手的動作范圍確定如下:手腕回轉角度 0°180°手臂伸長量 400mm手臂回轉角度 0°210°10 / 43合肥工業(yè)大學機械制造及其自動化論文集手臂升降行程 300mm3.3、確定運動速度機械手各動作的最大行程

36、確定之后,可根據生產需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間, 進而確定各動作的運動速度。 液壓上料機械手要完成整個上料過程, 需完成夾緊工件、 手臂 升降、伸縮、回轉,平移等一系列的動作,這些動作都應該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內完成, 具體時間的分配取決于很多因素, 根據各種因素反復考慮, 對分配的方案進行比較, 才能確 定。機械手的總動作時間應小于或等于工作拍節(jié), 如果兩個動作同時進行, 要按時間長的計 算,分配各動作時間應考慮以下要求:1、給定的運動時間應大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間;2、伸縮運動的速度要大于回轉運動的速度,因為回轉運動的慣性一般大于伸縮運動的 慣性。 在滿足工作拍節(jié)要求的條件下,

37、應盡量選取較底的運動速度。 機械手的運動速度與臂 力、行程、驅動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關系,應根據具體情況加以確定。 3、在工作拍節(jié)短、動作多的情況下,常使幾個動作同時進行。為此驅動系統(tǒng)要采取相 應的措施,以保證動作的同步。液壓上料機械手的各運動速度如下:手腕回轉速度 V腕回 = 90°/s手臂伸縮速度 V臂伸 = 300 mm/s手臂回轉速度 V臂回 =90°/s手臂升降速度 V臂升 = 70 mm/s立柱水平運動速度 V柱移 = 50 mm/s手指夾緊油缸的運動速度 V夾 = 50 mm/s3.4、手臂的配置形式機械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。

38、運動要求、 操作環(huán)境、 工作對象的 不同, 手臂的配置形式也不盡相同。 本機械手采用機座式。 機座式結構多為工業(yè)機器人所采 用,機座上可以裝上獨立的控制裝置,便于搬運與安放,機座底部也可以安裝行走機構,已 擴大其活動范圍, 它分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在機座立柱上兩種形式, 本機械手 采用手臂配置在機座立柱上的形式。 手臂配置在機座立柱上的機械手多為圓柱坐標型, 它有 升降、伸縮與回轉運動,工作范圍較大。3.5、位置檢測裝置的選擇機械手常用的位置檢測方式有三種:行程開關式、 模擬式和數字式。 本機械手采用行程 開關式。利用行程開關檢測位置,精度低,故一般與機械擋塊聯合應用。在機械手中,用

39、行 程開關與機械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠,故應用也是最多的。3.6、驅動與控制方式的選擇機械手的驅動與控制方式是根據它們的特點結合生產工藝的要求來選擇的, 要盡量選擇 控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。控制系統(tǒng)也有不同的類型。 除一些專用機械手外, 大多數機械手均需進行專門的控制系 統(tǒng)的設計。驅動方式一般有四種:氣壓驅動、液壓驅動、電氣驅動和機械驅動。按照設計要求, 本機械手采用的驅動方式為液壓驅動, 控制方式為固定程序的 PLC 控制。 第四章 手部尺寸設計及校核11 / 43液壓機械手裝配結構設計4.1、概述手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件

40、, 它具有模仿人 手的功能, 并安裝于機械手手臂的前端。 機械手結構型式不象人手, 它的手指形狀也不象人 的手指、 ,它沒有手掌,只有自身的運動將物體包住,因此,手部結構及型式根據它的使用 場合和被夾持工件的形狀, 尺寸, 重量, 材質以及被抓取部位等的不同而設計各種類型的手 部結構,它一般可分為鉗爪式,氣吸式,電磁式和其他型式。鉗爪式手部結構由手指和傳力 機構組成。 其傳力機構形式比較多, 如滑槽杠桿式、 連桿杠桿式、 斜楔杠桿式、 齒輪齒條式、 彈簧杠桿式等,這里采用滑槽杠桿式。設計時應考慮的幾個問題1、應具有足夠的握力(即夾緊力在確定手指的握力時, 除考慮工件重量外, 還應考慮在傳送或操

41、作過程中所產生的慣性 力和振動,以保證工件不致產生松動或脫落。2、手指間應有一定的開閉角兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。 手指的開閉角保證 工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件,應按最大直徑的工件考慮。3、應保證工件的準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置, 必須根據被抓取工件的形狀, 選擇相應的 手指形狀。例如圓柱形工件采用帶V形面的手指,以便自動定心。4、應具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外, 還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振 動的影響,要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形,但應盡量使結構簡單緊湊, 自重輕。5、

42、應考慮被抓取對象的要求應根據抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數量的不同,來設計和確定手指的形狀。 4.2、驅動力的計算 12 / 43合肥工業(yè)大學機械制造及其自動化論文集圖 1 滑槽杠桿式手部受力分析如圖所示為滑槽式手部結構。在拉桿 3作用下銷軸 2向上的拉力為 P ,并通過銷軸中心 O 點,兩手指 1的滑槽對銷軸的反作用力為 P1、 P2,其力的方向垂直于滑槽中心線 OO1和 OO2并指向 O 點, P1和 P2的延長線交 O1O2于 A 及 B ,由于O1OA 和O2OA 均為直角三角 形,故AOC=BOC=。根據銷軸的力平衡條件,即Fx=0,P1=P2;Fy=0P=2P1cosP1=P/2

43、cos銷軸對手指的作用力為 p1。手指握緊工件時所需的力稱為握力(即夾緊力 ,假 想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內,并設兩力的大小相等,方向相反,以 N 表示。由手指的力矩平衡條件,即m01(F=0得P1h=Nb因 h=a/cos所以 P=2b(cos 2N/a式中 a手指的回轉支點到對稱中心線的距離(毫米 。工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角。由上式可知,當驅動力 P 一定時, 角增大則握力 N 也隨之增加,但 角過大會導致 拉桿(即活塞的行程過大,以及手指滑槽尺寸長度增大,使之結構加大,因此,一般取 =30°40°。這里取角 =30度。這種手部

44、結構簡單,具有動作靈活,手指開閉角大等特點。查工業(yè)機械手設計基礎 中表 2-1可知, V 形手指夾緊圓棒料時, 握力的計算公式 N=0.5G, 綜合前面驅動力的計算方 法, 可求出驅動力的大小。 為了考慮工件在傳送過程中產生的慣性力、 振動以及傳力機構效 率的影響,其實際的驅動力 P 實際應按以下公式計算,即:P 實際 =PK1K 2/式中 手部的機械效率,一般取 0.850.95;K1安全系數,一般取 1.22K2工作情況系數, 主要考慮慣性力的影響, K2可近似按下式估計, K2=1+a/g, 其中 a 為被抓取工件運動時的最大加速度, g 為重力加速度。本機械手的工件只做水平和垂直平移,

45、當它的移動速度為 308毫米 /秒,移動加速度為 616毫米 /秒 2,工件重量 G 為 350牛頓, V 型鉗口的夾角為 120°,=30°時,拉緊油缸的 驅動力 P 和 P 實際計算如下:把已知條件代入得當量夾緊力為N=175(N 由滑槽杠桿式結構的驅動力計算公式P=2b(cos 2N/a 得P=P計算 =2*48(cos30°2*175/44=286.4(N13 / 43液壓機械手裝配結構設計 14 / 43P 實際 =P計算 K1K2/則 P實際 =286.4*1.5*1.1/0.85=556(N4.2.1、兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析圖 2 帶浮動鉗

46、口的鉗爪鉗口與鉗爪的連接點 E 為鉸鏈聯結 , 如圖示幾何關系 , 若設鉗爪對稱中心 O 到工件中心 O的距離為 x, 則 x=22 sin /(a b R l -+-當工件直徑變化時 ,x 的變化量即為定位誤差,設工件半徑 R 由 Rmax 變化到 Rmin 時 , 其最大定位誤差為 = 22 sin max/(a b R l -+-22 sin min/(a b R -+-其中 l=48mm ,b=6mm ,a=44mm ,2=120° ,Rmin=25mm ,Rmax=35mm代入公式計算得故符合要求 .4.3、腕部的結構4.3.1、 概述合肥工業(yè)大學機械制造及其自動化論文集腕

47、部是連接手部與臂部的部件,起支承手部的作用。設計腕部時要注意以下幾點:1、結構緊湊,重量盡量輕。2、轉動靈活,密封性要好。3、注意解決好腕部也手部、臂部的連接,以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以 及潤滑、維修、調整等問題4、要適應工作環(huán)境的需要。另外, 通往手腕油缸的管道盡量從手臂內部通過, 以便手腕轉動時管路不扭轉和不外露, 使外形整齊。4.3.2、腕部的結構形式本機械手采用回轉油缸驅動實現腕部回轉運動,結構緊湊、體積小,但密封性差,回轉 角度為 0°180°.如下圖所示為腕部的結構, 定片與后蓋, 回轉缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和定 位, 動片與手部的夾緊油缸

48、缸體用鍵連接。 夾緊缸體也指座固連成一體。 當回轉油缸的兩腔 分別通入壓力油時,驅動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉動,即為手腕的回轉運動。 圖 3 機械手的腕部結構4.3.3、手腕驅動力矩的計算驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩必須克服手腕起動 時所產生的慣性力矩,手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩,動片與缸徑、定片、端蓋等 處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動的重心與軸線不重合所產生的偏重力矩。 手腕轉動時 所需要的驅動力矩可按下式計算:15 / 43液壓機械手裝配結構設計 16 / 43M 驅 =M慣 +M偏 +M摩 (N.m 式中 M驅驅動手腕轉動的驅動力矩M 慣

49、慣性力矩 (N.m M 偏參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉缸體的動片對轉動軸 線所產生的偏重力矩 (N.m M 摩手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩 (N.m 圖 4 腕部回轉力矩計算圖、摩擦阻力矩 M 摩M 摩 =2f (N1D1+N2D2 (N.m 式中 f軸承的摩擦系數,滾動軸承取 f=0.02,滑動軸承取 f=0.1;N1 、 N2 軸承支承反力 (N ;D1 、 D2 軸承直徑(m M 摩 =0.1*(200*0.035+800*0.054 /2得 M摩 =2.50(N.m 、工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏M 偏 =G1 e (N.m 式中 G1工件重量(N e

50、偏心距 (即工件重心到碗回轉中心線的垂直距離 , 當工件重心與手腕回轉中心線 重合時, M 偏為零當 e=0.010, G1=350N時M 偏 =3.5(N²m、腕部啟動時的慣性阻力矩 M 慣、當知道手腕回轉角速度 時,可用下式計算 M 慣合肥工業(yè)大學機械制造及其自動化論文集 17 / 43M慣 =(J+J工件t (N²m 式中手腕回轉角速度 (0.79/s T 手腕啟動過程中所用時間(s , (假定啟動過程中近為加速運動J 手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量(kg²m2J 工件工件對手腕回轉軸線的轉動慣量 (kg²m2按已知計算得J=2.5, J 工件 =6.25, =0.79/ s,t=2故 M慣 = 3.46