基于cad的氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

基于cad的氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

0機(jī)械手的發(fā)展該設(shè)備是在機(jī)械化和自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程中開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種新設(shè)備。近年來(lái),隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高科技技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)。它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展,使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。目前,機(jī)械手雖然還不如人手那樣靈活,但它具有可不斷重復(fù)工作、能在條件比較惡劣的環(huán)境下工作、載重量大、定位精確等特點(diǎn),因此受到了農(nóng)業(yè)部門(mén)的重視。它可以在惡劣的環(huán)境中收割作物,提高收割精度和產(chǎn)量,使機(jī)械手在農(nóng)業(yè)方面越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。1機(jī)械手結(jié)構(gòu)1.1桿風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)機(jī)械手總體尺寸為1800mm×800mm×1650mm,如圖1所示。它采用了四桿鉸鏈機(jī)構(gòu),底座與步進(jìn)電機(jī)相連,可沿導(dǎo)軌準(zhǔn)確定位,適應(yīng)于中小輕型物品的搬運(yùn)和定位放置,并分別用3個(gè)氣缸和1個(gè)由電動(dòng)機(jī)控制的絲杠控制,以實(shí)現(xiàn)沿x軸直線行走、沿y軸直線行走、沿z軸直線行走和繞z軸旋轉(zhuǎn)的4個(gè)自由度。1.2作物調(diào)濕機(jī)械手當(dāng)貨物到達(dá)時(shí),機(jī)械手系統(tǒng)開(kāi)始工作,旋轉(zhuǎn)氣缸和伸出氣缸迅速定位到達(dá)作物上方,絲杠旋轉(zhuǎn)下降,同時(shí)機(jī)械手氣缸放氣,機(jī)械手爪張開(kāi),機(jī)械手到達(dá)作物中部。機(jī)械手氣缸充氣,將作物夾緊。絲杠旋轉(zhuǎn)上升,旋轉(zhuǎn)氣缸開(kāi)始旋轉(zhuǎn),伸出氣缸開(kāi)始收縮,同時(shí)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)。放置作物時(shí),機(jī)械手迅速定位至指定位置的上方,絲杠旋轉(zhuǎn)下降,機(jī)械手氣缸放氣,作物被放入指定位置。2目前我國(guó)的機(jī)械手生產(chǎn)的現(xiàn)狀以及主要的特點(diǎn)為了使機(jī)械手有較大的力矩和更好的穩(wěn)定性,機(jī)械手的最大張角要控制在一定的范圍,最大角度為50°,其尺寸也有一定的限制?？紤]到作物在夾緊過(guò)程中打滑,一般將作物放在機(jī)械手手部的中間位置,最大直徑為130mm,如圖2所示。目前市場(chǎng)上機(jī)械手手爪與機(jī)械手的整個(gè)裝置是一體的,一個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)只有一個(gè)手型,這種機(jī)械手只能抓取范圍很小的一類東西。特別是對(duì)于現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品小批量、多品種的發(fā)展趨勢(shì),以往的這種機(jī)械手暴露出很多弊端。當(dāng)作物變化時(shí),企業(yè)不得不花費(fèi)大量的資金來(lái)買(mǎi)新的機(jī)械手。買(mǎi)來(lái)的機(jī)械手可能用不了多久隨著作物品種的更換,這些機(jī)械手就被廢棄了,造成企業(yè)資金的嚴(yán)重浪費(fèi)。針對(duì)以往機(jī)械手適應(yīng)性不強(qiáng)的弊端,為使其靈活適應(yīng)不同的工作要求,在設(shè)計(jì)機(jī)械手的手部時(shí),保證手的活動(dòng)部位的活動(dòng)原理不變,而手的根部和手指之間采用可拆卸的螺栓連接,也就是手爪部設(shè)計(jì)成大小、形狀、材料不同的產(chǎn)品,分系列生產(chǎn),以靈活適應(yīng)工作要求的變化,實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)械手多用的目的。遇到特殊情況,可以自己設(shè)計(jì)爪部,并安裝到機(jī)械手的根部。在農(nóng)業(yè)收割中,當(dāng)需要用機(jī)械手抓取的農(nóng)作物表面質(zhì)量要求較高、不能損害時(shí),可以把機(jī)械手手部面積設(shè)計(jì)得較大些,增加作物的受力面積,在保證受力不變的情況下減小壓強(qiáng),同時(shí)把手爪的掌面安裝軟墊,軟墊材料用一般的合成橡膠,可多次更換。軟墊表面是均勻分布的三角凹坑,以增大摩擦,如圖3所示。這樣,可使作物在夾緊過(guò)程中被抓物體的受力從開(kāi)始到加緊有一個(gè)緩慢的過(guò)程,從而保護(hù)被抓物體的表面。3支撐桿的應(yīng)力分析3.1選擇低合金鋼撐桿的基本特征如表1所示。由于機(jī)械手伸出的“臂”在強(qiáng)度分析上相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu),所以對(duì)其起主要支撐作用的撐桿有更高的強(qiáng)度要求。普通碳鋼應(yīng)用較廣泛,價(jià)格低廉,但其強(qiáng)度和適應(yīng)環(huán)境的能力還不夠好,因此選擇了低合金鋼。這是一種可塑性好、有著比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼更高的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的材料。低合金鋼還有著較好的冷熱加工成型性、良好的焊接性、較低的冷脆傾向、缺口和時(shí)效敏感性以及較好的抗腐蝕能力,可在比較惡劣的環(huán)境中作業(yè)。3.2梁結(jié)構(gòu)的受力分析對(duì)于撐桿的受力分析,可看作是對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)的受力分析,將撐桿的一端固定,另一端施以400N的法向均布載荷和在孔面上施加100N的軸向載荷。3.3對(duì)等應(yīng)力分析通過(guò)Solidworks軟件對(duì)零件的結(jié)構(gòu)分析得到的數(shù)據(jù)如表2所示。Solidworks軟件對(duì)零件的分析采用的是一種被稱為對(duì)等應(yīng)力(也稱VonMises應(yīng)力)的應(yīng)力分析方式。VonMises等效應(yīng)力其實(shí)就是一維屈服應(yīng)力在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的等效表達(dá)。盡管一個(gè)點(diǎn)處的對(duì)等應(yīng)力不能夠定義此點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài),它卻可為許多延性材料提供評(píng)估設(shè)計(jì)安全性的適當(dāng)信息。軟件程序使用VonMises屈服準(zhǔn)則。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:當(dāng)對(duì)等應(yīng)力達(dá)到材料的屈服力時(shí),材料開(kāi)始屈服。3.4最大承載能力分析由撐桿應(yīng)力分析得出撐桿的應(yīng)力最大和最小值都在撐桿的連接端部,此處對(duì)材料性能的要求更高。而對(duì)于整個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),其最大承載能力就由此撐桿的承載能力決定。分析表明:在對(duì)撐桿施加400N的均布載荷時(shí),撐桿仍能保證最低5.3的安全系數(shù),其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足。4回轉(zhuǎn)發(fā)酵裝置回轉(zhuǎn)氣動(dòng)機(jī)械手的回路設(shè)計(jì)主要由4個(gè)回路組成,控制機(jī)械手的升降、伸縮、抓緊與放松及回轉(zhuǎn)4個(gè)動(dòng)作,分別由3個(gè)直動(dòng)式氣缸和1一個(gè)回轉(zhuǎn)氣缸組成。在氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)三位五通的電磁換向閥控制換向,由于4個(gè)氣缸先后動(dòng)作,所以設(shè)計(jì)有中位。可以通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的節(jié)流口控制流量大小,從而控制氣缸運(yùn)動(dòng)的速度。氣動(dòng)回路很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,可以通過(guò)PLC來(lái)控制換向閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向。此外,氣動(dòng)回路可以適應(yīng)任何惡劣環(huán)境,比較容易維護(hù),因此在自動(dòng)控制中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。5句表的寫(xiě)作準(zhǔn)備流程圖是PLC程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。只有設(shè)計(jì)出流程圖,才可能順利而便捷地編寫(xiě)出梯形圖并寫(xiě)出語(yǔ)句表,最終完成程序的設(shè)計(jì)。因此,寫(xiě)出流程圖非常關(guān)鍵,也是程序設(shè)計(jì)首先要做的任務(wù)。根據(jù)三軸聯(lián)動(dòng)簡(jiǎn)易機(jī)械手的控制要求,繪制流程圖如圖5所示。同時(shí),在手抓位置安裝了光電傳感器,用以感應(yīng)作物的存在以及是否成熟,從而向PLC發(fā)出反饋信號(hào),PLC再發(fā)出信號(hào)決定是否抓取。6機(jī)械手的選擇和使用基于plc的技術(shù)的可本文對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制進(jìn)行了設(shè)計(jì),從三維造型到運(yùn)動(dòng)仿真到應(yīng)力分析,都采用了CAD/CAE軟件來(lái)設(shè)計(jì),全面提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)可行性與科學(xué)性。針對(duì)當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多品種和自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì),大膽和創(chuàng)新地對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了手部可更換設(shè)計(jì),提高了該機(jī)械手的使用范圍。氣動(dòng)技術(shù)在該機(jī)械手中的應(yīng)