機械手手部課程設計.doc

181前言1.1工業(yè)機器人簡介工業(yè)機器人由操作機（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?lián)Q代起著十分重要的作用。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù) 工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工 業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 1.2世界機器人的發(fā)展國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：（1） 工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修） （2）機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問市。（3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。（4）機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。（5）虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。（6）當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。1.3我國工業(yè)機器人的發(fā)展我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，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，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業(yè)化進程。1.4我要設計的機械手1. 臂力的確定 目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內現(xiàn)有的機械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.53，本機械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為1mm。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110手臂伸長量500mm手臂回轉角度110手臂升降行程100mm3. 確定運動速度 機械手各動作的最大行程確定之后，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： 給定的運動時間應大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間； 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，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。 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。 液壓機械手的手部各運動速度如下： 手腕回轉速度 V腕回 = 45/s 手指夾緊油缸的運動速度 V夾 = 50 mm/s4. 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(shù)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(lián)合應用。在機械手中，用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。5. 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(shù)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。 參考工業(yè)機器人表9-6和表9-7，按照設計要求，本機械手采用的驅動方式為液壓驅動，控制方式為繼電-接觸器控制。2 手部結構2.1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。(一) 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. 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(shù)量的不同，來設計和確定手指的形狀。2.2驅動力的計算 1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座圖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F，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、 ，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，和的延長線交O1O2于A及B，AOC=BOC=。根據銷軸的力平衡條件，即 Fx=0 得 ; Fy=0 得 銷軸對手指的作用力為。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，以表示。由手指的力矩平衡條件，即得 h=a/cos F=式中 a手指的回轉支點到對稱中心線的距離（mm）。 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F一定時，角增大則握力也隨之增加，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=3040。這里取角=30 。 這種手部結構簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。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F實際應按以下公式計算，即： 本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為250mm/s，系統(tǒng)達到最高速度的時間根據設計參數(shù)選取，一般取0.030.5s，移動加速度為，工件重量G為294N，V型鉗口的夾角為120，=30時，拉緊油缸的驅動力F和計算如下：(1) 手指對工件的夾緊力計算公式：式中 安全系數(shù)，通常取1.22.0; 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估算 =1.05，其中 方位系數(shù)，根據手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定按工業(yè)機械手設計表2-2選取。 由滑槽杠桿式結構的驅動力計算公式(2) 得 (3) 取手指傳力效率 =0.85, 則 2.2夾緊缸的設計計算1. 夾緊缸主要尺寸的計算由前知，夾緊缸為單作用彈簧復位液壓缸，設夾緊工件時的行程為25mm，時間為0.5s，則所需夾緊力為：工作壓力取1MP，考慮到為使液壓缸結構尺寸簡單緊湊，取工作壓力為2.5MP。選取d=0.5D得： 式中：D液壓缸內徑 P液壓缸工作壓力 液壓缸工作效率，根據液壓缸內徑系列（JB826-66）選取液壓缸內徑，D=50mm 同理查得活塞桿直徑 d=22mm2. 缸體結構及驗算缸體采用45號無縫鋼管，由JB1068-67查得可取缸筒外徑75mm，則 則，3. 液壓缸額定工作壓力（MP）應低于一定極限值，以保證工作安全式中： D缸筒內徑 缸筒外徑 缸筒材料的屈服點，45號鋼為340MPa 已知工作壓力，故安全。4. 缸筒兩端部的計算 缸筒底部厚度的計算此夾緊缸采用了平行缸底，且底部設有油孔，則底部厚度為考慮結構要求，取h=10mm式中： D缸筒內徑 液壓缸最大工作壓力，取 缸底材料的許用應力，材料為45號鋼，n為安全系數(shù)，取n=5。 缸筒端部聯(lián)接強度計算缸筒端部與手指是用螺釘聯(lián)接，聯(lián)接圖如下：圖3 螺釘聯(lián)接圖螺紋處的拉應力： 螺紋處的剪應力：則合成應力：則知螺紋連接處安全可靠。 其中：K擰緊螺紋的系數(shù)，取K=3 螺紋連接處的摩擦系數(shù)， 螺紋外徑， 螺紋底徑， Z螺釘數(shù)量，Z=43 腕部的結構3.1概述腕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： 結構緊湊，重量盡量輕。 轉動靈活，密封性要好。 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 要適應工作環(huán)境的需要。 3.2 腕部的結構形式 本機械手采用回轉油缸驅動實現(xiàn)腕部回轉運動，結構緊湊、體積小，但密封性差，回轉角度為115. 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： 式中：驅動手腕轉動的驅動力矩 慣性力矩 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 手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩 腕部回轉力矩計算圖1. 摩擦阻力矩M摩 式中： f軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取f=0.010.02，滑動軸承取f=0.1； N1 、N2 軸承支承反力 （N）； D1 、D2 軸承直徑（m）由設計知D1=0.035m D2=0.075m N1=800N N2=200N G1=294N e=0.020時 得 M摩 =2.15（N.m）2. 工件重心引起的偏置力矩 式中 G1工件重量（N） e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，為零 當e=0.020，G1=294N時 =5.88 （Nm） 3. 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 式中 手腕回轉角速度 （1/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）一般取0.050.3s J手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（kgm） 工件對手腕回轉軸線的轉動慣量 （kgm） 按已知計算: 故 = 0.29（Nm） 考慮到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取：因此，得4. 回轉液壓缸所產生的驅動力矩計算回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大干總的阻力矩。下圖為機械手的手腕回轉液壓缸，定片1與缸體2固定連接，動片3與轉軸5固定連接，當a、b口分別進出油時，動片帶動轉軸回轉，達到手腕回轉目的?；剞D缸簡圖式中：手腕回轉時的總的阻力矩 p回轉液壓缸的工作壓力 R缸體內孔半徑 r輸出軸半徑 b動片寬度3 手部液壓系統(tǒng)的設計3.1液壓系統(tǒng)簡介 機械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉換成油液的壓力能。壓力油經過管道及一些控制調節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，將油液的壓力能又轉換成機械能。手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關。3.2液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成： 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉換為油液的壓力能，用這壓力油驅動整個液壓系統(tǒng)工作。 液壓缸 壓力油驅動運動部件對外工作部分。也有回轉運動的液動缸，一般叫作回轉油缸（或稱擺動油缸）。 控制調節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。3.3機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 機械手的液壓系統(tǒng)，根據機械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調節(jié)以及同步運動等。1 壓力控制回路 調壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設置溢流閥，用它來調節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。 卸荷回路 在機械手各油缸不工作時，油泵電機又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負荷下工作，所以采用卸荷回路。此機械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。 減壓回路 為了是機械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)一個減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。 平衡與鎖緊回路 在機械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機構因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機構的自重給以平衡。 為了使機械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關閉，使活塞停止運動并鎖緊。本機械手采用單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。 油泵出口處接單向閥 在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護油泵。液壓系統(tǒng)工作時，油泵向系統(tǒng)供應高壓油液，以驅動油缸運動而做功。當一旦電機停止轉動，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉動，結果產生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯(lián)系，從而起到保護油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機時，單向閥把系統(tǒng)能夠和油泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動時的平穩(wěn)性。 2 速度控制回路 液壓機械手各種運動速度的控制，主要是改變進入油缸的流量Q。其控制方法有兩類：一類是采用定量泵，即利用調節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進入油缸或油馬達的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機械手采用定量油泵節(jié)流調速回路。 節(jié)流調速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調速范圍較大、價格便宜。其缺點是：有壓力和流量損耗，在低速負荷傳動時效率低，發(fā)熱大。3 方向控制回路 在機械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達的運動方向和接通或關閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達的油路換向，實現(xiàn)直線往復運動和正反向轉動。 3.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)圖的繪制是設計液壓機械手的主要內容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機械手動作要求的有機聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用回路所組成。繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調節(jié)回路和相應元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出液壓原理圖。4結束語此次課程設計我做的是基于液壓工業(yè)機械手手部的設計，通過3周努力，設計終于完成。這次設計給了我們一個很好的機會，使我們了解了設計工作的基本流程和設計的方法以及理念。在此次的課程設計中，我遇到了許多以前從未遇到過的問題，但過通過指導教師的指導和我的努力，這些問題都得到了較好的解決。雖然我們設計的只是個機械手的手部，但需要完成手部伸縮和回轉功能，對應分別要對這些液壓缸進行設計，計算和校核。通過這些機設計，使理論知識與實際相結合，鞏固和深化了所學過的專業(yè)理論知識。在設計的過程中我不斷探索、不斷學習和修改。自學了許多相關學科的內容，求教了多位專業(yè)老師，上網和在圖書館查閱大量相關資料。由于時間問題，對于本次機械手的設計還存在許多問題，許多地方都還有待改進和提高，希望各位專家評審多多指教。5 參考文獻1 鄧星鐘. 機電傳動控制M. 華中科技大學出版社， 2002 2 孫志禮、冷興聚、魏延剛等 . 機械設計M. 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謝在本設計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，得到了導師老師的親切關懷和精心指導，使得本設計得以順利完成，其中無不飽含著老師的汗水和心血。導師敏銳的學術思想、嚴謹踏實的治學態(tài)度、淵博的學識、精益求精的工作作風、誨人不倦的育人精神，將永遠銘記在學生心中，使學生終生受益。他對本設計的構思、框架和理論運用給予了許多深入的指導，使得設計得以順利完成。在此謹向尊敬的導師老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。通過這次畢業(yè)設計，大大的提高了我們的自主學習和認真思考的能力，對學術態(tài)度的嚴謹性也有了很高的認識。我相信在以后的學習和工作過程中，一定可以好好的解決問題，提高自己的能力，較快地適應工作和社會激烈的競爭。 還要感謝兩位同學，在畢業(yè)設計期間，他們給了我許多建議和意見，才使整個設計得以順利完成，感謝機電控制工導和老師對我的關心和幫助。再次感謝所有支持和幫助過我的領導、老師、同學們。