【物料搬运机械手的底座设计7200字（论文）】

II物料搬运机械手的底座设计目录TOC\o"1-3"\h\u219711绪论 1114911.1研究背景及意义 1145721.2国内外发展现状 173771.2.1国内发展现状 1175581.2.2国外发展现状 2283051.2.3机械手的发展历程 37421.3本文主要研究内容 399932物料搬运机械手总体方案设计 539502.1搬运现场分析 5120972.1.1物料搬运机械手工作环境分析 5323682.1.2物料搬运机械手主要技术指标 561092.2物料搬运机械手设计方案确定 5158382.2.1物料搬运机械手工作原理 580502.2.2物料搬运机械手的本体结构 5165402.2.3物料搬运机械手的总体外形设计 623952.2.4物料搬运机械手的自由度分配 6288253物料搬运机械手的零部件设计 8255623.1物料搬运机械手的具体结构设计 817533.1.1底座结构的设计 81363.1.2腰部结构的设计 1283593.1.3大臂结构的设计 13146413.1.4连杆结构的设计 14254843.1.5小臂结构的设计 16113953.1.6手爪处结构的设计 17198973.2手抓处抓取质量和精度分析 18146484电机的选型及其计算 19325174.1电机的选型 19296134.2电机功率的计算 19262985物料搬运机械手的总装配图 21289226总结 2225778参考文献 231绪论1.1研究背景及意义由于本世纪工业技术的迅速发展，以至于货物在两点之间的转移渐渐朝着智能机械化的方向发展，越来越多满足不同需求的自动化机械设备一个接一个诞生，很大程度上解决了很多行业效率不足的问题，例如快递分拣、轿车生产线生产、车间批量焊接等等。我国具备专业素质的科学家正在努力钻研智能化代替人工的方法，机械手由此诞生。它的出现表明工人们不必再需要亲力亲为的完成某些繁重的任务，同时在一些工作环境较为恶劣的场地它依旧能正常工作，生产成本能够大幅度缩减。相信机械手未来的应用会变得更加广泛，甚至完全取代人工劳动力也不无可能。传统物资运输服务一直都是供不应求，再加上我国近些年网购文化的蓬勃发展，传统运输行业不堪重负，物流运输行业应运而生。在现在的物流运输行业，货物已经从基本的人工劳力运作慢慢转变为机械手运作。其原理是通过把电气控制系统和机械结构结合起来，再通过传感器得到实时的数据反馈，接着就可以操作机械手进行作业，进而实现高效生产的目的。我国工业较发达省份的工业园，基本都采用了机械手，以达到降低成本和提高产能的目的，因此机械手的使用与发展是大势所趋。本设计的目的在于研究出一种高适配多种环境的搬运机械手代替人工劳动工作。研究方案必须要以机械手真实调查数据为依据，要通过对其的大体框架设计，零件的选择与优化，物料搬运机械手臂间的灵活度的合理分配，设置连杆参数，建立二维三维图形并分析出发，并要满足车间实际工作所需[4]。1.2国内外发展现状1.2.1国内发展现状自从20世纪70年代，相较于国外发达国家我国机械手的发展水平落后了将近30年。到1980年我国政府才认识到机器人领域的重要性，开始逐渐重视机器人方面的研究。在1986-1990的这五年间，国内陆续出现了一些优秀的工业机器人，例如装卸机器人，它的开发者是沈阳工业大学。这两年，许多个人公司和企业也开始在机器人的研究工作中发光发热[5]。大学与企业的合作也渐渐密切，他们联合研发工业机器人，并在一定程度上取得了非常显著的效果。例如：西安北村精密数控加工与哈尔滨工业大学学生伊同跃（奇瑞汽车创始人）联合研发的点焊机器人;昆山华恒与东南大学联合开发的弧焊机器人，他们都对机器人的研究作出了不可磨灭的贡献[6]。众所周知，在中国研究机器人的领域中有一股最不可忽视的力量，它就是中国的高校。他们虽然与国外知名机构无法对比，但是他们勤劳认真，不争不抢，在这样的厚积薄发下他们亦取得了可观的成果。比如说南京工业大学。他们制造了一个气体驱动方式的，能够让产品生产和运输储备的整个过程实现自动化，该大学的研究是由好几个不一样的子系统构成;和一般机器人相比，他们有一个主要的创新，那就是驱动方式的不同，他们使用的驱动方式是当时较为先进的气体驱动。他们的这个以气体为动力的研究是以人体的手臂为原型，基本还原了人手能做到的动作，通过模仿人手关节的协同工作可以做到机械手抓取、360°旋转以及带着物品转移[7]。除了南京工业大学外还有一个大学对机械手的研究也不容忽视，南京工业大学和浙江大学都是在当时比较早进行研究的高校。浙大是以书法为切入点，研究出了极其精通书法的机器人。因为书法的特殊要求所以着重与研究抓取毛笔的精确性和书写过程中的稳定性。虽然说他们研究的机械手对于工业领域用处不大，但是却为以后更加优秀工业机械手的出现打下了坚实的基础。对比开始研究机器人的时间，我国是要比国外晚上很多时间，实力也是不能作比的。但是要说在一定时间谁取得的进步最大，我们可以说是当仁不让。现在越来越多的人见识到了中国速度，这说明了中国的进步，我相信随着中国国力的不断强盛，机械手的研究必定会惊艳世界[8]。1.2.2国外发展现状日本关于机器人的研究也不是很早，但是日本人却很认真，他们的进步很快。因为起步晚很多，他们为了能更快的追上一流水平，也是购买了更先进的研究成果。就比如说Kawasaki等引进了西方国家AKM公司的相关技术。但日本的公司并不是说为了充面子而买的这些技术，他们是想在前人的肩膀上看到更远的风景。在不懈的努力之下，他们仅仅花了24个月就取得了自己的成果，并将这些技术用到了自家的机器人之中。在日本这个国家国民热爱机器人，各种仿真人的机器人尤为受欢迎，政府因此成立了机器人协会。现如今，在日本各地机器人的投入使用及其相关技术的应用数量已经远远超过America，日本又名机器人的家园[6]。日本不仅在机器人研究方面比较厉害，还努力在机械手和军用方面取得发展[10]。众所周知，美国是无利不起早，越是暴利的方面越热衷，所以关于军用机械手方面的研究独领风骚。在不远的将来机械手甚至可以代替农民进行传统的插秧，现在在一些发达的企业已经采用了机械手生产的生产链，只需要少量技术人员操纵，机器人技术的迅猛发展已经在不知不觉中改变着我们的生活习惯。目前手机是人们的标配，上至百岁老人下至牙牙学语的幼童都手持一部手机，相信在不远的未来，当机械手水平发展到一定高度，应用达到一定的水平，机械手甚至能够达到与手机相同的地位。国际知名专家大胆预料，在未来机械手可能是继小轿车、手机之后的一种全新的世界级技术产业。一份来自美洲报告说，机械手在世界范围内的使用率越来越高，甚至达到了每月1.3%的增长率，这份数据说明其发展水平甚至将GDP远远甩在身后[11]。调查显示，市面上高端的相关技术产品基本都在美国和日本，他们在世界各地已经拥有了专门的配件生产商，且这个数量在不断增长，截止到目前已经有了将近150家[12]。1.2.3机械手的发展历程在刚开始的时候机械手的结构极其简单，没什么用，这时就有人突发奇想废物利用为教学用品。直到单片机的诞生，这种情况才随之改变，这还要说到一个巧合。有好事者，把单片机和机械手组合在了一起，经过实验发现可以达到神奇的自动化，效率因此得到质的提高。20世纪60年代，有人发明了机械手的回转功能，直接的结果就是机械手开始用于车间等地方作为搬运物品的机械。随着各种各样特定需求的产生，机械手的发展开始变得多样性。机械手的发展过程能分为以下阶段：第一阶段，教学用品阶段，这个时期因为机械手存在很多的问题，基本不能应用，用不久可能就会损坏。第二阶段，自动化阶段，通过传感器数据采集，控制系统发布指令进行操作。第三阶段，柔性制造阶段，由于该技术还处于正在开发阶段，实际应用其实并不成熟，所以这里不再进行讨论。1.3本文主要研究内容本文是要研究一款高适配性的物料搬运机械手装置，用以实现在复杂环境中代替人工的全自动化生产任务。主要研究内容如下：（1）研究搬运机械手的工作原理（2）结合高适配性原则对机械手零部件进行再优化（3）零部件的计算校核（电机功率的计算、齿根弯曲疲劳强度的计算与校核、蜗杆传动强度的计算与校核、蜗杆刚度的计算与校核、齿面接触疲劳强度的计算与校核等等）（4）研究市面搬运机械手，设计高适配性搬运机械手（5）对机械手进行整体的装配2物料搬运机械手总体方案设计2.1搬运现场分析2.1.1物料搬运机械手工作环境分析工作环境一般为恶劣工作环境或需要机械性枯燥无限重复的工作环境恶劣工作环境：高温、高压、粉尘、强噪音、低温等机械性枯燥无限重复环境：快递分拣、传送带货物筛选等2.1.2物料搬运机械手主要技术指标机械手的运用必须要适合乃至要超出技术要求，它的精确度是实现工业运输的基石。而要获得完美的精确度，必须要控制好自由度，调控好使机械手顺利完成工作任务。为此，搬运机械手的大体技术指标总结如下：（1）满足手爪抓取最大距离下可抓取0.5KG-50KG；（2）以机械手底座为中心半径4M内皆为抓取范围（3）在抓取精准方面，必须严格规定在在3mm以下（指机械手抓取的最小物体的长或直径等），且每个运动关节之间的转速最好控制在5r以下。（4）自由度5个（5）电机配置380V/50Hz，4Kw2.2物料搬运机械手设计方案确定2.2.1物料搬运机械手工作原理为了能使机械手做到搬运物品，首先要使其能够做到智能的调节气压，究其本质就是检测机械手手抓处夹具和平衡气压缸内气体的压力，能够自主判断出机械手手臂上有没有载荷，这样就可以做到自主稳压的效果。机械手搬运货物的时候货物就如同飘在空气中，使其避免其与其他物品的触碰，能够轻易做到360°的移动，以实现物品的搬运。2.2.2物料搬运机械手的本体结构设计有5个自由度的机械手，构造如下：（1）底座，起支撑作用；（2）底座上面是各种传动结构；（3）工作部位，机械爪；（4）动力提供部位，电机。2.2.3物料搬运机械手的总体外形设计如图2-1，物料搬运机械手三维模型。其由底座、腰部及支座，运动大臂、连杆结构、旋转台、腕部以及抓取手爪组成。电机控制各个关节运动。图2-1搬运机械手爆炸图2.2.4物料搬运机械手的自由度分配经过连番的实验，以及思虑到需要的物料搬运机械手能力和使用的简便性，科学判断出5个自由度是最佳结果，并通过4+1的模式增加灵活度，简单来说就是4个旋转副加1个直线滑动副，旋转副位于物料搬运机械手的各个关节。下图为物料搬运机械手实物示例图：图2-2搬运机械手下图为物料搬运机械手的自由度结构简图。图2-3机械手结构简图3物料搬运机械手的零部件设计3.1物料搬运机械手的具体结构设计物料搬运机械手的设计顺序为先外观再内部。设计过程中要时刻留意机械手的技术参数是否符合标准，并且还要考虑到各个零部件的配合问题，以及是否可以进行再加工。3.1.1底座结构的设计物料搬运机械手的底座起支持整个机械手的作用，由于它影响着整体的性能，所以他的设计一定要保质保量。物料搬运机械手为了更好的完成工作，必须具备运转功能，这就说明他必须要具备旋转运动装置。图3-1为底座的具体结构，包括蜗轮蜗杆、主轴、轴承等。底座主轴有一个极其重要的作用就是定位轴线及轴的方向，因此它需要安装涡轮。图3-1底座爆炸图图下图为底座的外部结构图：图3-2外部结构图（1）底座蜗杆传动的强度的计算与校核如图3-3（f）。（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）取（g）图（f）图图3-3蜗杆传动详情图（2）底座蜗杆刚度的计算与校核本次设计蜗杆使用的是45钢。求最大挠度y及刚度条件:（）（3-5），所以涡杆刚度符合条件。（3）底座涡轮齿根弯曲疲劳强度的计算与校核（3-6）；；。（3-7）;;；（3-8）所以涡轮齿根弯曲疲劳强度符合要求。（4）底座涡轮齿面接触疲劳强度的计算与校核即：（3-9），，。（3-10）所以齿面接触疲劳强度符合要求。3.1.2腰部结构的设计物料搬运机械手腰部部分在整个设计中尤为重要，因为它起着承上启下的作用，上接大臂下连底座。因此在设计它的同时不仅要着重其本身构造，还尤其要注意上下零件间的协同配合。图3-4腰部结构图如图3-5所示，本次设计的腰部上沉孔、连孔分布均匀，零件固定采用的是锪孔螺栓连接底部。这种连接方式，能够大大的去除腰体的负面应力作用，大大缩减机械运作的时间。腰体和轴承支座的连接是通过两边的螺纹来连接螺纹孔的。图3-5腰部爆炸图3.1.3大臂结构的设计如图3-6所示，通过连杆可以做到连杆和腰体的协作，并慢慢传动到整个肩关节，这就是设计大臂的思路。简单来说机械手肩部，实质是物料搬运机械手与手臂。（g）前部（h）旁部图3-6大臂设计图3.1.4连杆结构的设计先后比对市面上多款机械手连杆结构，分析其优缺点，在本设计中做到取长补短，最终得出设计方案。最终发现通过将驱动连杆连接在腰体上面，是最合适的方案。（g）连杆a（h）连杆b（j）连杆c图3-7零件分解图连杆a首先获得动能，接着会带动b和c，这样就会进行完整的运动。驱动与腰体的连接用了螺钉，销钉的作用是定位。电机带动旋转，旋转带动驱动，驱动带动从动，从动带动转向台。图3-8连杆爆炸图3.1.5小臂结构的设计在物料搬运机械手的制造过程中，连杆的应用频率很高。相当于基本配件。小臂和手抓处的连接亦需要连杆的连接。并且经过分析得出结论：机械手小臂越长，机械手的工作半径越大。并且查阅资料发现，液压驱动的方法是较常用于机械手小臂的。图3-9小臂爆炸图物料搬运机械手要想正常完成搬运任务，首先就是要保证小臂关节结构得正常。如果采用了错误的安装方法并且安到了错误的位置，那结果显而易见，机械手小臂必然不能进行正常运转。所以安装之前一定要测量好即将安装的位置。想要定位的话就需要一个标准，这个标准一般来说是轴肩。接着即使安装正确也不可大意，因为安装正确并不代表着齿轮间能够完美配合。众所周知，完美的配合就是过盈配合，所以轴承、齿轮等之间安装时一定要注意过盈配合。要想楼层高，基础要建牢！同时也要考虑自由度的问题。最最后固定使用螺钉。3.1.6手爪处结构的设计手抓处结构的设计需使机械手的手像真的手一样，能够完成人手具备的基本抓取，把握能力，并在驱动的作用下进行搬运作业。与此同时还要精准把握手抓处的精度问题。如3-10显示，这是把手抓固定在了机械手手抓处结构上。图3-10手爪结构图固定手抓的方式：首先为手抓进行定位，这里使用的是销钉，它能起到很大的作用，尤其是在手抓稳定运作方面。下图为物料搬运机械手手爪的爆炸结构图：图3-11物料搬运机械手手爪的爆炸结构图3.2手抓处抓取质量和精度分析综合考虑多方因素，发现机械手因为工作环境原因，可能会产生一些不利影响。具体体现在哪些方面需要具体情况具体分析。由于物料搬运机械手总质量约为222KG，机械手运转时其机械臂为主要受力结构，质量约为53KG，所以在正常情况下手抓能够抓起自重为50KG的物品。查阅资料发现手抓抓取精度受多方面因素影响，这些因素有定位的方法，定位的速度，手抓制造精度，手抓使用的材料，所抓取物品的外形结构等等。如若手抓处制造时使用材料合格而制造工艺不行导致制造精度下降，则必会影响手抓的抓取精度。反之使用合适工艺而材料滥竽充数，亦会直接影响手抓的抓取精度。两个同等重量的正方体和圆锥体，在同等情况下等待抓取，考虑到手抓处5根抓指，抓取正方体的精度会比抓取圆锥体高。因此为了保证精度，在生产过程中必须遵循严格的生产要求，在各个方面都达到最优，方能将精度提高到最大。4电机的选型及其计算4.1电机的选型经过研究得出结论目前市面上机械手使用的电机总体分为三大类。首先是液压方式工作的电机，接着是电气方式工作的电机，最后是气压方式工作的电机。三者之间各有其特色，可分别适用于各个领域。当然一台机器上面使用了两种或者以上类型的电机也属正常现象，负责不同方向的工作。表4-1机械手工作电机选择的对比类别闪光点与非闪光点液压方式工作电机简单，大众，性价高，快，工作条件低，不易坏。较庞大，气压小，稳定不好，力气小。电气方式工作电机力气大，设计繁琐，速度小但稳，要求娇气怕火，性价比低气压方式工作电机用交流电工作电机基本无关性，稳定好，反应快，能精确工作用直流电工作电机使用简单，反应迅速，更加庞大，设计繁琐，不好的地方是容易摩损步进方式工作电机很精确，节能省电，稳定好，稍大，操作容易，力矩不能变，不能负担超过其能力的工作根据车间是实际情况分析，考虑操作性，持续性，反应速度等，得出结论应选择交流型的工作电机。4.2电机功率的计算已知机械手质量为222KG，假设搬运最重物品质量为50KG，则物料搬运机械手最终重量为272KG。查阅课本基础信息得到机械手工作速度要恒定，为1~1.5m/s即：（4-1）（4-2）（4-3）（4-4）带入公式（4-4）得最大功率为考虑到实际工作中电机功率不会达到超负荷工作所以可以得知：电机功率符合要求5物料搬运机械手的总装配图为了能够达到更加高效、快速、高质量的车间生产，我设计了这一款物料搬运机械手，主要从工作环境、技术指标、设计原则、原理、自由度、连杆参数、主要零部件等方面进行设计，但由于自身能力有限，可能不能尽善尽美。图5-1总配图6总结随着时代的发展，社会发展迎来了更快的发展。