搬運機械手的設計論文(完整版)

1、摘 要隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展,控制器的需求量逐年增大,搬運機械手的應用也逐漸 普及, 主要在汽車, 電子, 機械加工、 食品、 醫(yī)藥等領域的生產(chǎn)流水線或貨物裝卸調(diào)運 , 可 以更好地節(jié)約能源和提高運輸設備或產(chǎn)品的效率,以降低其他搬運方式的限制和不足,滿 足現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的要求。搬運機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器,在本設計 中,通過對機械手手部結(jié)構(gòu)的設計,臂部結(jié)構(gòu)的設計,以及液壓系統(tǒng)的設計,實現(xiàn)四自由 度的運動,完成了搬運機械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計。關鍵詞:搬運機械手;結(jié)構(gòu)設計;液壓系統(tǒng);四自由度ABSTRACTWith the popularization and d

2、evelopment of industrial automation, control demand increased year by year, carrying manipulator application also gradually popular, mainly in the automotive, electronics, machinery, food, medicine and other fields of production lines or cargo transport, can be better to save energy and improve the

3、efficiency of transport equipment or products, in order to reduce other handling the limitation and inadequacy, meet the needs of modern economic development.Manipulator is a kind of automatic positioning control and can be programmed to change the multi-function machines, In this design, through th

4、e mechanical hand arm structure design, structure design, and the design of the hydraulic system, to achieve four degrees of freedom movement, completed the manipulator system structure design.Key words:manipulator ; structure design ; hydraulic system ; four degrees of freedom movement目 錄1.6本設計的主要內(nèi)

5、容 . 72. 搬運機械手的整體設計 . . 8 2.1執(zhí)行機構(gòu) . . 8 2.2驅(qū)動系統(tǒng) . . 9 2.3控制系統(tǒng) . 92.4位置檢測裝置 . 93 手部結(jié)構(gòu) . . 10 3.1概述 . 10 3.2設計時應考慮的幾個問題 . 10 3.3驅(qū)動力的計算 . 10 3.4兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 . 123.5手抓加持范圍計算 . 125 臂部運動驅(qū)動力計算 . . 18 5.1臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算 . 18 5.2手臂回轉(zhuǎn)運動 . 195.3臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算 . 197 PLC控制回路的設計 . . 30 7.1機械手工作流程 . 30 7.2電磁鐵動作順 .

6、 30 7.3器件分配 . 31 7.4PLC 梯形圖 PLC 指令表 . 32 7.5PLC 指令表 . 33結(jié) 論 . . 35致 謝 . . 36參考文獻 . . 37畢業(yè)設計(論文1 緒論1.1設計背景機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置,它 是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來,隨著電子技術特別是 電子計算機的廣泛應用,機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新 興技術,它更加促進了機械手的發(fā)展,使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機 結(jié)合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作,減輕人類勞動強度,提高勞動

7、生產(chǎn) 力。機械手越來越廣泛的得到了應用,在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ,加工工件的 搬運、裝卸,特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前,機械手已發(fā)展成 為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個重要組成部分。 把機床設備和機械手共 同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元,它適應于中、小批量生產(chǎn),可以節(jié)省龐大的工 件輸送裝置,結(jié)構(gòu)緊湊,而且適應性很強。當工件變更時,柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變,有 利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種,提高產(chǎn)品質(zhì)量,更好地適應市場競爭的需要。而目前 我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離,應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化 水平低,機械手的研究和

8、開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高,從經(jīng)濟上、技術上 考慮都是十分必要的。因此,進行機械手的研究設計是非常有意義的。1.2機械手簡介(1機械手的發(fā)展機械手的結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛 的引用。專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展,如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機 械手的應用和發(fā)展,進而促進了智能機器人的研制。智

9、能機器人涉及的知識內(nèi)容,不僅包 括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識,而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、 計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等,因此它是一項綜合性較強的新技術。目前 國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術都很重視,幾十年來,這項技術的研究和發(fā)展一直比較活躍,設 計在不斷地修改,品種在不斷地增加,應用領域也在不斷地擴大。早在 40年代,隨著原子能工業(yè)的發(fā)展,已出現(xiàn)了模擬關節(jié)式的第一代機械手。5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。 這種機 械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特 (Unimate機械手即屬于這種類型。6070年代, 又相繼把通用機械手用于汽車車

10、身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上, 亦即是 第二代機械手這一新技術進入了應用階段。80-90年代,裝配機械手處于鼎盛時期,尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展, 除了在工業(yè)上廣泛應用外, 農(nóng)、 林、 礦業(yè)、 航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務業(yè)、軍事領域上有較大的應用。90年代以后,隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展,機械手技術也 得到飛速的多元化發(fā)展?？傊?目前機械手的主要經(jīng)歷分為三代:第一代機械手主要是靠人工進行控制,控制方式為開環(huán)式,沒有識別能力;改進的方 向主要是將低成本和提高精度;第二代機械手設有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

11、裝各種傳感器,把接收到的信息反饋,使機械手具有感 覺機能;第三代機械手能獨立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(lián) 系,并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing System和柔性制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell中重要一環(huán)。(2液壓機械手液壓傳動機械手是以壓縮液體的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。 其主要特點是 :介質(zhì)李源極為方便,輸出力小,液壓動作迅速,結(jié)構(gòu)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

12、械手的結(jié)構(gòu)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(nèi)平穩(wěn)的自動調(diào)節(jié)牽引速度,并可實現(xiàn)無極調(diào)速;3換向容易,在不改變電機旋轉(zhuǎn)方向的情況下,可以較方便地實現(xiàn)工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線 往復運動的轉(zhuǎn)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(zhì),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(xiàn)過載保護。在機械工業(yè)中,機械手的應用意義可以概括如下:(1可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應用機械手,有利于提

13、高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的 自動化程度,從而可以提高勞動生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本,加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動 化的步伐。(2可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、 臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中,用人手直接操作是有危險 或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè),大大地改善了工 人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中,以機械手代替人手進行工作,可 以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。(3可以減少人力,便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應用機械手代替人手進行工作,這是直接減少人力的一個側(cè)面,同時由

14、于應用機械手 可以連續(xù)地工作,這是減少人力的另一個側(cè)面。因此,在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn) 線上,目前幾乎都設有機械手,以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍,便于有節(jié)奏地進 行生產(chǎn)。綜上所述,有效地應用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。在現(xiàn)代工業(yè)中, 生產(chǎn)過程的機械化、 自動化已成為突出的主題。 在機械工業(yè)中, 加工、 裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。 專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法, 程控機床、 數(shù)控機床、 加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)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(xiàn)機械 化。據(jù)資料介紹,美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中,有 75%

15、是小批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批量 中有四分之三在 50件以下, 零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的 5%。 從這 里可看出,裝卸、搬運等工序機械化的迫切性,工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化 而產(chǎn)生的。機械手可在空間抓放物體,動作靈活多樣,適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批 量自動化生產(chǎn),廣泛應用于柔性自動線。國內(nèi)外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應用于以下幾方面:(1熱加工方面的應用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動,很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效 率,和確保工人的人身安全,尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需 要采用機械手操作。(2冷加工方面的應用冷加工方面

16、機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的 上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應用,成為設備的一個組成部 分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應用,成為機床、設備上下工序聯(lián)接的重要于段。 (3拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一,促進了機械手的發(fā)展。目前國 內(nèi)鐵路工廠、機務段等部門,已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、 組裝輪對、清除石棉等,減輕了勞動強度,提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車 車內(nèi)噴漆通用機械手,可用以對客車內(nèi)部進行連續(xù)噴漆,以改善勞動條件,提高噴漆的質(zhì) 量和效率。近些年,隨著計算機技術、電子技術以及

17、傳感技術等在機械手中越來越多的應用,工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。目前國內(nèi)工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面,數(shù)量、品種、性能方 面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此,國內(nèi)主要是逐步擴大機械手應用范圍,重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手, 以減輕勞動強度,改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時,相應地發(fā)展通用機械手,有 條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構(gòu)件,如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu),以及適于不同類型 的夾緊機構(gòu),設計成典型的通用機構(gòu),以便根據(jù)不同的作業(yè)要求,選用不用的典型部件, 即可組成各種不同用途的機械手

18、。 既便于設計制造, 又便于改換工作, 擴大了應用的范圍。 同時要提高精度,減少沖擊,定位精確,以更好地發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究 伺服型、記憶再現(xiàn)型,以及具有觸覺、視覺等性能地機械手,并考慮于計算機聯(lián)用,逐步 成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機械制造業(yè)中,工業(yè)機械手應用較多,發(fā)展較快。目前主要用于機床、模鍛壓 力機的上下料, 以及點焊、 噴漆等作業(yè)中, 它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作, 但是還不具備任何傳感反饋能力,不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時,就將引起零 部件甚至機械手本身的損壞。為此,國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機 械手,使其擁有一定

19、的傳感能力,能反饋外界條件的變化,做出相應的變更。如位置發(fā)生 稍些偏差時,即能更正,并自行檢測,重點是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀(即距離傳感器以及衛(wèi)星計 算機。工作時,電視照相機將物體形象變成視頻信號,然后傳送給計算機,以便分析物體 的種類、大小、顏色和方位,并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工 件,通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用,然后伸向前方,抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制,達到自動調(diào)整握力的大 小?？傊?隨著傳感技術的發(fā)展,機械手的裝配作業(yè)

20、的能力將進一步提高。到 1995年, 全世界約有 50%的汽車由機械手裝配。現(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合,從 而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。1.3 PLC概況及在機械手中的應用(1 可編程序控制器的應用和發(fā)展概況可編程序控制器(programmable controller ,現(xiàn)在一般簡稱為 PLC (programmable logic controller,它是以微處理器為基礎,綜合了計算機技術、半導體集成技術、自 動控制技術、數(shù)字技術、通 信網(wǎng)絡技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等領域獲得了

21、廣泛的應用,成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大 支柱之一。在可編程序控制器問世以前,工業(yè)控制領域中是繼電器控制占主導地位。傳統(tǒng)的繼電 器控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點,在工業(yè)生產(chǎn)中應用甚廣。但是控制裝 置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少,特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng),接線 繁雜, 當生產(chǎn)工藝或控制對象改變時, 原有的接線刻控制盤 (柜 就必須隨之改變或更換, 通用性和靈活性較差。(2 PLC 的應用概況PLC 的應用領域非常廣,并在迅速擴大,對于而今的 PLC 幾乎可以說凡是需要控制系 統(tǒng)存在的地方就需要 PLC ,尤其近幾年來 PLC 的性價比不斷提高已被廣泛應用在冶金、機 械、石油

22、、化工、輕功、電力等各行業(yè)。按 PLC 的控制類型,其應用大致可分為以下幾個方面。1用于邏輯控制這是 PLC 最基本, 也是最廣泛的應用方面。 用 PLC 取代繼電器控制和順序控制器控制。 例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。2用于模擬量控制PLC 通過模擬量 I/O模塊,可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換,并對模擬量控制。 3用于機械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代 PLC 具有很強的數(shù)據(jù)處理功能,它可以與機械加工中的數(shù)字控制(NC 及計算機 控制(CNC 緊密結(jié)合,實現(xiàn)數(shù)字控制。4用于工業(yè)機器人控制5用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的 PLC 具有較強的通信聯(lián)通能力,可實現(xiàn) PLC 與 PLC

23、之間、 PLC 與遠程 I/O之 間、 PLC 與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網(wǎng)絡。(3 PLC 的特點1可靠性高、抗干擾能力強PLC 能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工 作, PLC 的平均無故障間隔時間高, 日本三菱公司的 F1系列 PLC 平均無故障時間間隔長達 30萬 h ,這是一般微機所不能比擬的。2控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強由于 PLC 是采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能,對同一控制對象,當控制要求改變需改變 控制系統(tǒng)的功能時,不必改變 PLC 的硬件設備,只需相應改變軟件程序。3編程簡單、使用、維護方便4組合方便、功能強、

24、應用范圍廣PLC 既可用于開關量的控制又可用于模擬量的控制;既可用單片機控制,又可用于組 成多級控制系統(tǒng);既可控制簡單系統(tǒng),又可控制復雜系統(tǒng)。因此, PLC 應用范圍很廣。 5體積小、重量輕、功耗低PLC 采用了半導體集成電路,外形尺寸很小,重量輕,同時功耗也很低,空載功耗約 1.2KW 。(4 PLC 在機械手中的應用機械手通常應用于動作復雜的場合來代替人的反復的操作,從而節(jié)省人的勞動,普通 繼電器由于其體積和接口等各方面限制,經(jīng)常被應用于動作簡單的電氣及流水線控制,而 PLC 以其可靠性高、抗干擾能力強 ; 控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強 ;編程簡單、使用、維護方便 ; 組合方便、功能強、應用

25、范圍廣 ; 體積小、重量輕、功 耗低等有點被廣泛應用于類似機械手的控制動作復雜的場合,本設計正是以 PLC 控制為基 礎從而實現(xiàn)機械手的各種動。1.4 設計目的本設計通過對機電一體化技術專業(yè)大學三年的所學知識進行整合,完成一個特定功 能、特殊要求的搬運機械手的設計,能夠比較好地體現(xiàn)機電一體化技術專業(yè)畢業(yè)生的理論 研究水平,實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度,具有較強的針對性和明確的實施目標,能 夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。目前,在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成,勞動強度大、生 產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率 , 降低成本 , 并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) , 適應現(xiàn)代自

26、動化大生產(chǎn) , 針對具體生產(chǎn)工藝 , 利用機器人技術,設計用一臺裝卸機械手代替 人工工作,以提高勞動生產(chǎn)率。本機械手主要與數(shù)控車床(數(shù)控銑床,加工中心等組合最終形成生產(chǎn)線,實現(xiàn)加工 過程(上料、加工、下料的自動化、無人化。目前,我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展,越來 越多的資金流向制造業(yè), 越來越多的廠商加入到制造業(yè)。 本設計能夠應用到加工工廠車間, 滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求,從而減輕工人勞動強 度,節(jié)約加工輔助時間,提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。1.5設計原則在設計之前,必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設計的設計原則是:以任務書所要求 的具體設計要求為根本設計目標,充分考慮機

27、械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在 滿足工藝要求的基礎上, 盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練, 盡可能采用標準化、 模塊化的通用元配件, 以降低成本,同時提高可靠性。本著科學經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設計原則,同時也考慮本 次設計是畢業(yè)設計的特點,將大學期間所學的知識,如機械設計、機械原理、液壓、氣動、 電氣傳動及控制、可編程控制器(PLC 、電子技術、自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可 能多的綜合運用到設計中,使得經(jīng)過本次設計對大學階段的知識得到鞏固和強化,同時也 考慮個人能力水平和時間的客觀實際,充分發(fā)揮個人能動性,腳踏實地,實事求是的做好 本次設計。1.6 本設計的主要內(nèi)容(1機械手的最大抓重是其規(guī)格的主

28、參數(shù),由于是采用液壓方式驅(qū)動,因此考慮抓 取的物體不應該太重,查閱相關機械手的設計參數(shù),結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況,本設計設 計抓取的工件質(zhì)量為 60Kg 。(2基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要 求,設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及 回轉(zhuǎn)的速度。該機械手手臂最大中心高設計為 848mm 。最大回轉(zhuǎn)角設計為 0-180度。平均升 降速度為 67mm/s。平均伸縮速度為 83mm/s。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度 存在,用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面,因為平均速度與行程有關,故用平均 速度表示速度的快慢更

29、為符合速度特性。除了運動速度以外,手臂設計的基本參數(shù)還有伸 縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。 過大的伸縮行程和工作半徑,必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自 動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較,該機械手手臂的伸縮行程定為 800mm, 最大工作半徑約 為 1200mm 。手臂升降行程定為 300mm 。2. 搬運機械手的整體設計對搬運機械手的基本要求是能快速、準確地拾 -放和搬運物件,這就要求它們具有高 精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自 動定位等特性。設計搬運機械手的原則是 :充分分析作業(yè)對

30、象 (工件 的作業(yè)技術要求,擬 定最合理的作業(yè)工序和工藝,并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件 ; 明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材 料特性,定位精度要求,抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等,從而進一步確定 對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件,簡化設計制造過程,兼顧通 用性和專用性,并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制 . 本次設計的機械手是一種適合于成批或中、 小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備,動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生 產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。機械手的工作原理:機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)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

31、壓傳動方式,來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(diào)整, 從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設定位置。2.1執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的還增設行走機構(gòu)。(1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(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指 (或手爪 和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手

32、指是與 物件直接接觸的構(gòu)件,常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單,制 造容易,故應用較廣泛。平移型應用較少,其原因是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔 和物件的重量及尺寸。 而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構(gòu)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手腕是連接手部和手臂的部件,并可用來調(diào)整被抓取物件的方位 (即姿勢 (3手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕

33、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(qū)動手臂運動的部件 (如 油缸、液壓缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等 與驅(qū)動源 (如液壓、液壓或電機等 相配合,以實現(xiàn)手臂的各種運動。(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,手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降 (或俯 仰 運動均與立柱有密切的聯(lián)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。(5機座機座是機械手的基礎部分,機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上,故 起支撐和連接的作用。2.2驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的。它由動力裝

34、置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組 成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、機械傳動。由于液壓傳動系統(tǒng)的動作迅速,反應靈敏, 阻力損失和泄漏較小,成本低廉因此本機械手采用液壓傳動方式。2.3 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)和電氣定位 (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(gòu)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?？紤]到 機械手的通用

35、性,同時使用點位控制,因此我們采用可編程序控制器 (PLC對機械手進行 控制。當機械手的動作流程改變時,只需改變 PLC 程序即可實現(xiàn),非常方便快捷。2.4 位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置,并隨時將執(zhí)行機構(gòu)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(diào)整,從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到 設定位置 .3 手部結(jié)構(gòu)3.1 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,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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及型式根 據(jù)它的使

36、用場合和被夾持工件的形狀,尺寸,重量,材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設 計各種類型的手部結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)由手指和傳力機構(gòu)組成。其傳力機構(gòu)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。3.2 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作過程中所產(chǎn)生的 慣性力和振動,以保證工件不致產(chǎn)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

37、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(jù)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(chǎn)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(jié)構(gòu)簡 單緊湊,自重輕。(5應考慮被抓取對象的要求應根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同,來設計和確定手指的形狀。 3.3 驅(qū)動力的計算如圖 2-1所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿 3作用下銷軸 2向上的拉力為 P ,并通

38、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O1O B 和O2OA 均為直 角三角形,故 AOC= BOC=。根據(jù)銷軸的力平衡條件,即0; , 021=y x F P P Fcos21P P = cos2/1P P = 圖 3-1 滑槽杠桿式手部受力分析1. 手指 2. 銷軸 3. 拉桿 4. 指座 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(nèi),并設兩力的大小相等,方向相反,以

39、 N 表 示。由手指的力矩平衡條件,即m01(F=0得b N h P = 1 (3-1因為 cos /a h =所以 a N P / (cosb 22=式中 a 手指的回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)支點連線間的夾角。由上式可知,當驅(qū)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(jié)構(gòu)加大,因此,一般 取 4030=。這里取角 30=度。這種手部結(jié)構(gòu)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,

40、綜合前面驅(qū)動力的 計算方法,可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及 傳力機構(gòu)效率的影響,其實際的驅(qū)動力 P 實際應按以下公式計算,即:/21K PK P =實際 (3-2式中 手部的機械效率,一般取 95. 085. 0;K1 安全系數(shù),一般取 22. 1;K2 工作情況系數(shù),主要考慮慣性力的影響, K2可近似按下式估計, g K /a 12+=,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,當它的移動速度為 500毫米 /秒,移動加速度 為 1000毫米 /秒 2,工件重量 G 為 98牛頓, V 型鉗口的夾角為

41、120,=30時,拉緊油 缸的驅(qū)動力 P 和 P 實際計算如下:根據(jù)鉗爪夾持工件的方位,由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當量夾緊力計算 公式G N 5. 0= 把已知條件代入得當量夾緊力為(300N N =由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式a N b P / (cos22= 得(75030030cos 33/5522N P P = (計 算/21K K P P 計算 實際 = (3-3取 85. 0=, 5. 11=K , 1. 19810/100012+=K則 (N P 145585. 0/1. 15. 1490=實際3.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析如圖 2-2所示,鉗口與鉗爪的連接

42、點 E 為鉸鏈聯(lián)結(jié) , 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22 sin /(a b R l x -+-=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2max 2 sin /(a b R l -+-=2min 2 sin /(a b R l -+-其中 l=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120 ,=15mm ,Rmax=30mm代入公式計算得最大定位誤差= 44.2-44.7 =0.50.8故符合要求 .3.5 手抓加持范圍計算為了保證手抓張開角為 60,活塞桿運

43、動長度為 34mm ,手指長為 100mm 。當手抓么有 張開的時候,如圖 2-3(1 所示,根據(jù)機構(gòu)設計,它的最小夾持半徑 R1=25mm,當張開 60如圖 2-3(2所示,最大夾持半徑 R2計算如下:mm R 12330cos 2530tan 1102=+=所以機械手的夾持半徑從 .12325mmmm 。 圖 3-2 帶浮動鉗口的鉗爪 (1 (2 圖 3-3 鉗口持半徑4臂部的設計手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部(包括工件或工 具,并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括 3個運動:伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘 述手臂的伸縮運動,手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動設置在機身處,將在下一

44、章敘述。臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方 位,則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此,一般來說臂部應該具備 3個自由度才能滿足基 本要求,既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種 傳動機構(gòu)來實現(xiàn),從臂部的受力情況分析,它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件 的靜、動載荷,而且自身運動較多。因此,它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到 機械手的工作性能。4.1 臂部設計的基本要求(1臂部應承載能力大、剛度好、自重輕根據(jù)受力情況,合理選擇截面形狀和輪廓尺寸,提高支撐剛度和合理選擇支撐點的 距離,合理布置作用力的位置和方向,注意簡化結(jié)構(gòu),提

45、高配合精度。(2臂部運動速度要高,慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一,它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于 高速度運動的機械手,其最大移動速度設計在 smm /15001000,最大回轉(zhuǎn)角速度設計在 s /180 內(nèi),大部分平均移動速度為 smm /1000,平均回轉(zhuǎn)角速度在 s /90 。在速度和回轉(zhuǎn) 角速度一定的情況下,減小自身重量是減小慣性的最有效,最直接的辦法,因此,機械 手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 3個途徑:減少手臂運動件的重量,采用鋁合金材料。減少臂部運動件的輪廓尺寸。減少回轉(zhuǎn)半徑 ,再安排機械手動作順序時,先縮后回轉(zhuǎn)(或先回轉(zhuǎn)后伸縮,盡可 能在較小的前伸位置下進行

46、回轉(zhuǎn)動作。驅(qū)動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。(3手臂動作應該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力,盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的 機械手,其傳動件、導向件和定位件布置合理,使手臂運動盡可能平衡,以減少對升降 支撐軸線的偏心力矩,特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死(自鎖現(xiàn)象。為此,必須計算使之滿足 不自鎖的條件?？偨Y(jié):以上要求是相互制約的,應該綜合考慮這些問題,只有這樣,才能設計出完 美的、性能良好的機械手。4.2 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種:(1雙導桿手臂伸縮機構(gòu)。手臂的典型運動形式有:直線運動,如手臂的伸縮,升降和橫向移動;回轉(zhuǎn)運動, 如手臂的左右擺動,上下擺動;符合運動,如

47、直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合,兩直線運動的 雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。(2雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。(3活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。通過以上,綜合考慮,本設計選擇雙導桿伸縮機構(gòu),使用液壓驅(qū)動 , 液壓缸選取雙作 用液壓缸 。4.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算先進行粗略的估算,或類比同類結(jié)構(gòu),根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關機構(gòu)的主要尺 寸,再進行校核計算,修正設計。如此反復,繪出最終的結(jié)構(gòu)。做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾 個方面的阻力,來確定來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算。慣 回 密 摩 F F F F F +=分析:摩擦力的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀,

48、其摩擦阻力是不同的,要根據(jù)具 體情況進行估算。上圖是機械手的手臂示意圖,本設計是雙導向桿,導向桿對稱配置在 伸縮崗兩側(cè)。機械手臂部受力分析如圖 3-1所示。 圖 4-1 機械手臂部受力示意計算如下:由于導向桿對稱配置,兩導向桿受力均衡,可按一個導向桿計算。0A M= b G L aF =總 得 b G L F a =總0Y =b a G F F +=總得a L a F G a += 總 (4-1 a b a b F F F F F =+=+摩 摩 摩 2L a F G a +=總 摩 (4-2式中 G 總 參與運動的零部件所受的總重力(含工件 (N ;L 手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離(m , 參考上一節(jié)的計算 ;a 導向支撐的長度(mm ; 當量摩擦系數(shù),其值與導向支撐的截面有關。對于圓柱面:(57. 127. 124 = = 摩擦系數(shù),對于靜摩擦且無潤滑時:鋼對青銅:取 15. 01. 0=鋼對鑄鐵:取 3. 018. 0=計算:導 向 桿 的 材 料 選 擇 鋼 , 導 向 支 撐 選 擇 鑄 鐵 3. 05. 120. 0 =, N G 1070=總 ,L=1.69-0.028=1.41m,導向支撐 a 設計為 0.016m將有關數(shù)據(jù)代入進行計算本設計要求手臂平動是 min m/5=V , 在計算慣性力的時候 , 設置啟動時間 s t 2. 0=,