一種機械手的設(shè)計與分析

一種機械手的設(shè)計與分析

0地位不健全的固體制劑該集團有限公司的傳統(tǒng)加工技術(shù)是將彈簧外殼從車內(nèi)排出，然后再加工空腔。該工藝的缺點是無法充分利用原材料和加工費。隨著加工技術(shù)的不斷完善,目前彈藥引信殼體加工改為通過溫擠壓機來實現(xiàn)。但從中頻感應(yīng)加熱爐加熱出來的1000℃棒料需要送到溫擠壓機工作臺的模具中擠壓成型,高溫棒料不利于工人手工操作,本文就此設(shè)計了一種耐高溫自動供料機械手,滿足工作需求。1液壓成型控制本機械手用于將中頻感應(yīng)加熱爐加熱的坯料自動送入到溫擠壓成型機中的成型工位,同時控制擠壓成型機的成型動作、中頻感應(yīng)爐的出料時間。(1)中頻感應(yīng)加熱爐負責(zé)坯料工件的加熱,當(dāng)前端的坯料在感應(yīng)加熱爐中加熱至所需溫度時,感應(yīng)爐向機械手控制系統(tǒng)發(fā)出可以出料的信號,機械手控制裝置根據(jù)感應(yīng)加熱爐出料信號,和熱壓成型機中的前道熱壓成型已完成并出料的情況,控制機械手伸出,準(zhǔn)備接料。(2)當(dāng)中頻感應(yīng)加熱爐出料時,坯料呈水平方向,機械手手指水平伸出將棒料夾持,然后控制底座旋轉(zhuǎn)90°,機械手將坯料送至熱壓成型機前,到指定位置后,夾持坯料的機械手手指旋轉(zhuǎn)90°使坯料呈垂直方向,整個手臂下降至合適的高度。(3)機械手控制系統(tǒng)控制手臂伸至熱壓成型機成型工位,并控制機械手手指將料松開,完成送料。并延反方向返回。(4)機械手控制系統(tǒng)收到機械手到位并撤除的信號后,發(fā)出指令給熱壓成型機,熱壓成型機開始成型。同時機械手系統(tǒng)控制持續(xù)接受中頻感應(yīng)加熱爐坯料加熱到達溫度的信號,準(zhǔn)備開始下一循環(huán)的工作。(5)當(dāng)后端的液壓成型機出現(xiàn)故障,機械手控制系統(tǒng)發(fā)出信號,停止感應(yīng)加熱爐出料和機械手的動作,發(fā)出故障報警信號。機械手結(jié)構(gòu)如圖1所示,它有五個自由度。即底座回轉(zhuǎn)、左右移動、上下移動、工件回轉(zhuǎn)、手指抓握。2機械手的功能(1)模塊化機械手及組成。模塊式機械手是將一些通用部件,根據(jù)工作要求,選擇能完成預(yù)定功能的單元部件,以基座為基礎(chǔ)進行組合,配以相應(yīng)的控制部分,即成為能完成特殊要求的機械手。通過模塊選擇與組合可以構(gòu)成一定范圍內(nèi)不同功能或同功能不同性能、不同規(guī)格的系列產(chǎn)品。并且在產(chǎn)品變化或臨時需要對機械手進行新的分配任務(wù)時,可以方便的改動或重新設(shè)計其它新部件,能快速投產(chǎn)并降低費用。自動供料機械手按其功能可分為基座、立柱、手臂、手腕、手部等五個模塊。該機械手的手臂模塊、手腕模塊和手部模塊是該機械手的基本模塊,并可以細分為不同功能的局部模塊。其中手腕模塊選用回轉(zhuǎn)模塊,手部模塊選用夾持式模塊。(2)機械手總體結(jié)構(gòu)和設(shè)計。該機械手采用圓柱坐標(biāo)形式,結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。抓重是機械手規(guī)格中的主要參數(shù),先確定抓重的大小,初步選定所用氣缸缸徑,根據(jù)行程范圍確定氣缸行程。然后選擇與氣缸相關(guān)的連接件和導(dǎo)向裝置,裝配成獨立功能模塊。各模塊都依次設(shè)計好后進行部裝,完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計流程如圖3所示。3機器人末端執(zhí)行器運動學(xué)建模(1)機械手運動學(xué)分析。機械手可以看作一個開式運動鏈。它是由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動或移動關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)而成。開式運動鏈的一端固定在地面基座上,另一端是自由的,安裝著工具(或稱為末端執(zhí)行器),用來完成各種作業(yè)。關(guān)節(jié)由驅(qū)動器驅(qū)動,使連桿之間發(fā)生相對運動,從而使末端工具到達所需的位姿。為了研究機械手的運動學(xué),需在每個連桿上固接一個坐標(biāo)系,然后通過描述這些坐標(biāo)系之間的關(guān)系來描述連桿的位姿。機械手運動學(xué)就是建立各運動構(gòu)件與末端執(zhí)行器空間的位置、姿態(tài)之間的關(guān)系,為機械手的運動控制提供分析的手段和方法。機械手運動學(xué)主要研究兩個問題:一個是運動學(xué)正問題,即給定機械手的幾何參數(shù)及連接構(gòu)件運動的關(guān)節(jié)變量(位置、速度、加速度)求機器人末端執(zhí)行器對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài);另一個是運動學(xué)逆問題,即已知各構(gòu)件的幾何參數(shù),機器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài),求是否存在這個位姿的關(guān)節(jié)變量及有幾種解。下面以該機械手為研究對象,采用D-H方法,通過4×4齊次變換矩陣研究其運動學(xué),建立了機械手的運動學(xué)方程。4個自由度分別為手腕旋轉(zhuǎn)運動、手臂伸縮運動、手臂升降運動和主體旋轉(zhuǎn)運動。利用Denavit&Hartenberg法的連桿變換矩陣的一般表達式:可以得到各個連桿變換矩陣,式中:sθ=sinθ,cθ=cosθ。如果機械手基坐標(biāo)系{0}相對于參考坐標(biāo)系{s}的變換矩陣為0ST,而手指中所握工件相對于末端連桿變換矩陣為T3T,那么,工件相對于參考坐標(biāo)系的位姿為:式(1)即為機械手的運動學(xué)方程,值得注意的是,由于連桿坐標(biāo)系的規(guī)定不是唯一的,因此,相應(yīng)的連桿變換矩陣和手臂變換矩陣也不唯一。(2)機械手動力學(xué)分析。研究機械手動力學(xué)的目的主要是為了實時控制,利用機械手的動力學(xué)模型,才有可能進行最優(yōu)控制,以期達到最優(yōu)指標(biāo)或更好的動態(tài)性能。根據(jù)機械手的動力學(xué)模型,整個機構(gòu)系統(tǒng)的動能為:若忽略摩擦力和所有其他內(nèi)部的物理力,則廣義力(矩)為:f1=Tθ;f2=fh2-(m2+m3+m4)gh2;f3=fh3;f4=Tθ1。式中:Tθ,fh1,fh3,fh4—分別為連桿1、2、3、4的控制力矩和控制力;g—重力加速度。至此,系統(tǒng)的總動能T和廣義力(矩)fq(q=1,2,3,4)已經(jīng)確定,因而可以直接利用拉格朗日方程來建立系統(tǒng)的動態(tài)模型。首先,對于q=1,代入拉格朗日方程后得:其次,對于q=2,代入拉格朗日方程后得:對于q=3,代入拉格朗日方程后得:最后,對于q=4,代入拉格朗日方程后,得:方程(3)、(4)、(5)和(6)描寫了機械手的動態(tài)模型。它們是4個互相耦合的非線性微分方程。需要說明的是,由于篇幅所限,在這些方程中沒有引入摩擦力。4建立/e環(huán)境下三維仿真及仿真(1)機械手在Pro/E環(huán)境下的三維建模。本機械手的三維模型是在Pro/E環(huán)境下建立的,本機械手在Pro/E環(huán)境下建立的三維模型如圖4所示。(2)機械手的建模仿真。在進行機械設(shè)計時,建立模型后設(shè)計者往往需要通過虛擬的手段,在電腦上模擬所設(shè)計的機構(gòu),來達到在虛擬的環(huán)境中模擬現(xiàn)實機構(gòu)運動的目的。對于提高設(shè)計效率降低成本有很大的作用。Pro/E中“機構(gòu)”模塊是專門用來進行運動仿真和動態(tài)分析的模塊,其運動仿真如圖5所示。5械手的定位精度隨著現(xiàn)代工