毕业论文：机械手毕业设计正文

2 41.3国内外发展状况 6 81.4.1课题的提出 8 9 2.1机械手的座标型式与自由度 2.7机械手的主要参数 2.8机械手的技术参数列表 3手部结构设计 3.1夹持式手部结构 3.1.1手指的形状和分类 3.1.3手部夹紧气缸的设计 3.2气流负压式吸盘 4.1手腕的自由度 4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩 5手臂结构设计 5.1手臂伸缩与手腕回转部分 255.1.1结构设计 25 5.1.3手臂伸缩驱动力的计 5.2手臂升降和回转部分 5.2.1结构设计 275.3手臂伸缩气缸的设计 5.4手臂伸缩、升降用液压缓冲器 5.5手臂回转用液压缓冲器 参考文献 34致谢 361.2机械手的组成和分类机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1.1所示。(一)执行机构即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易构件，故应用较广泛平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运手臂运动力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降5、行走机构6、机座(三)控制系统较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所2、连续轨迹控制而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。1.4课题的提出及主要任务随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点：(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。(3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高；且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点：(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器：介质清洁，管道不易堵塞不存在介质变质及补充的问题。(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般仅为油路的千分之一),空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑6。现，非常方便快捷7。斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为10公斤，高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部时可吸附5公斤的重物。该机械手最大移动速度设计为1.2m/s,最大回转速度设计为120/s。平均移手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于1800,否则需安装用于100吨以上冲床上下料。5公斤(气流负压式吸盘)4个自由度伸缩速度500mn/s回转范围0-240°回转速度90/s回转速度180/s液压缓冲器气压传动性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳8。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。3.1.3手部夹紧气缸的设计1、手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如图3.2所示，其工件重量G=10kg,“V”形手指的角度20=120°,b=120mm,R=24mm,摩擦系数为f=0.1。图3.1齿轮齿条式手部(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为：(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式：N=0.5Gtg(0-φ)=0.5×10×1g(60"-5°42)≈50(N)所以：(3)实际驱动力：因为传力机构为齿轮齿条传动，故取η=0.94,并取K=1.5。若被抓取工件所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N。2、气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为：弹簧反作用按下式计算：D,=D,-d1—弹簧预压缩量，mS—活塞行程，mn—弹簧有效圈数在设计中，必须考虑负载率η的影响，则：代入有关数据，可得F,=C,(1+S)取活塞杆直径d=18mm校核，按公式F1/(π/4d2)≤[σ]3、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径比小或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算：δ=DP/2[o]3.2气流负压式吸盘图3.3喷射气流原理图K时(即临界面积),流速达到临界速度即音速，此时压力近似为喷嘴进口处的压以后再加一段渐扩段，这样可以在喷嘴出口处获得比音速并在该处建立低压区域，使C处的气体不断的被高速流体卷带走，如C处形成密封空腔，就可使腔内压力下降而形成负压。当在C处连接橡胶皮腕吸盘，即可吸住工图3.4所示为可调的喷射式负压吸盘结构图。为了使喷嘴更有效地工作，喷嘴口与喷嘴套之间应当有适当的间隙，以便将被抽气体带走。当间隙太小时，喷射气大时，离喷射气体越远的气体被带着向前运动的速度就越低，同时间隙过大，从喷嘴套出口处反流回来的气体就越多，这就使抽气速率大大的降低。因此，间隙要适喷嘴5与喷嘴套6的相对位置是可以调节的，以便改变间隙的大小"。1.橡胶吸盘2.吸盘芯子3.通气螺钉4.吸盘体5.喷嘴6.喷嘴套下面计算吸盘的直径12:式中：P—吸盘吸力(N),本机械手的吸盘吸力为50N,故P=50N;D—吸盘直径((cm).n—吸盘数量，本机械手吸盘数量为1;K₁—吸盘吸附工件在起动时的安全系数，可取K,月2-2,在此取K₁=1.5;K₂—工作情况系数。若板料间有油膜存在则要求吸附力大些；若装有分料器，则吸附力就可小些。另外工件从模具取出时，也有摩擦力的作用，同时还应考虑吸盘在运动过程中由于加速运动而产生的惯性力影响。因此，应根据工作条件的不同，选取工作情况系数，一般可在(1-3的范围内选取。在此，取K₂=2。K₃—方位系数.当吸盘垂直吸附时，则K₃=1/f,f为摩擦系数，橡胶吸盘吸附金属材料时，取f=0.5~0.8;当吸盘水平吸附时，取K₃=1。在此，取K₃=0.5.代入数据得：4.1手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整工件的方位，因而它具有独立加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360°,并且要求严格的密封4。4.2手腕的驱动力矩的计算不重合所产生的偏重力矩.图4.1所示为手腕受力的示意图。手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算151:驱动手腕转动的驱动力矩(kg·cm);M—参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(kg·cm).,M糜—手腕转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩(kg·cm);M封一手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力下面以图4.1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算：1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为w,起动过程所用的时间为△t,则：式中：J—参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量(N·cm·s²);J₁—工件对手腕转动轴线的转动惯量(N·cm·s²)。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J₁为：G₁—工件的重量((N);e₁—工件的重心到转动轴线的偏心距(cm),w—手腕转动时的角速度(弧度/s);△t一起动过程所需的时间(S);△φ一起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏e₃—手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm).当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G₁e₁=0.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M摩式中：d₁d₂—手腕转动轴的轴颈直径(cm);f一轴承摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01,对于滑动轴承f=0.1;R₄Rg—轴颈处的支承反力((N),可按手腕转动轴的受力分析求解，同理，根据ZMg(F)=0得：L,L,L₂,L₃—如图4-1所示的长度尺寸(cm).4.2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶J气缸的压力p和驱动力矩M图4.2回转气缸简图b—动片宽度(cm).腔有一定的背压，则上式中的P应代以工作压力P₁与背压P₂之差。5.1手臂伸缩与手腕回转部分手臂主要由双作用式气缸1、导向杆2、定位拉杆3和两个可调定位块4等组成。双作用式气缸1的缸体固定，当压缩空气分别从进出气孔c、e进入双作用式气缸1的两腔时，空心活塞套杆6带动手腕回转缸5和手部一同往复移动。在空心活塞套杆6中通有三根伸缩气管，其中两根把压缩空气通往手腕回转气缸5,一根把压缩空气通往手部的夹紧气缸。在双作用式气缸1缸体上方装置着导向杆2,用为了保证手嘴伸缩的快速运动。在双作用式气缸1的两个接气管口c、e出分别串达到。手臂伸缩运动的缓冲采用液压缓冲器实现.手腕回转是由回转气缸5实现，5.1.2导向装置图5.3手臂伸出时的受力状态因此，驱动力计算公式为20:式中：P—手伶在起动过程中的惯性力(N);P—摩擦阻力(包括导向装置和活塞与缸壁之间的摩擦阻力)(N);力不同。P胃—气缸非工作腔压力(即背压)所造成的阻力(N),若非工作腔与油箱或大气相连时，则P=0。5.2手臂升降和回转部分5.2.1结构设计其结构如附图所示。手臂升降装置由转柱1、升降缸活塞轴2、升降缸体3、碰铁4、可调定位块5、定位拉杆6、缓冲撞铁7、定位块联接盘13和导向杆14等组成。转柱1上钻有a、b、c、d、e和f六条气路，在转柱上端用管接头和气管分别将压缩空气引到手腕回转气缸(用a、b气路),手部夹紧气缸(用d气路)和手臂伸缩气缸(用c、e气路),转柱下端的f气路，将压缩空气引到升降缸上腔，当压缩空气进入上腔后，推动升降缸体3上升，并由两个导向杆14进行导向，同时碰铁4随升降缸体3一同上移，当碰触上边的可调定位块5后，即带动定位拉杆6、缓冲撞铁7向上移动碰触升降用液压缓冲器进行缓冲。当J、K两面接触时而定位。上升行程大小通过调整可调定位块5来实现。最大可调行程为170mm,缓冲行程根据抓重和手臂移动速度的要求亦可调整，其范围为15-30mm,故上升行程最大实现机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、缸体10、转轴11(它与动片焊接成一体，见E-E剖面)、定片12、回转定位块8、回转中间定位块9和回转用液压缓冲器(此部件位置参见附图)等组成。当压缩空过平键而带动升降气缸活塞轴、定位块联接盘、导向杆、定位拉杆、升降缸体和转柱等同步回转。因转柱和手臂用螺栓连接，故手胃亦作回转运动。手臂回转气缸采用矩形密封圈来密封，密封性能较好，对气缸孔的机械加工精度也易于保证。手臂回转运动采用多点定位缓冲装置。手臂回转角度的大小，通过调整两块回转定位块8和回转中间定位块9的位置而定22。5.3手臂伸缩气缸的设计其中，由于手臂运动从静止开始，所以△v=v。摩攘系数：设计气缸材料为ZL3,活塞材料为45钢，查有关手册可知f=0.17。质量计算：手臂伸缩部分主要由手臂伸缩气缸、手臂回转气缸、夹紧气缸、手臂伸缩用液压缓冲器、手爪及相关的固定元件组成。气缸为标准气缸，根据中国烟台气动元件厂的《产品样本》可估其质量，同时测量设计的有关尺寸，得知伸缩部分夹紧物体时其质量为70kg,放松物件后其质量为55kg.接触面积：S=0.5m²X考虑安全因素，应乘以安全系数K=1.22、气缸的直径根据双作用气缸的计算公式：代入有关数据，得：当推力做功时当拉力做功时D=(1.01-1.09)·(4F₂/πpη)=(1.01～1.09)(4×1122/3、活塞杆直径的计算24]根据设计要求，此活塞杆为空心活塞杆，目的是杆内将装有3根伸缩管。因此，活塞杆内径要尽可能大，假设取d=70mm,d₀=56mm.校核如下：(按纵向弯曲极限力计算)气缸承受纵向推力达到极限力Fk以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使推力负载(气缸工作负载F,与工作总阻力F:之和)小于极限力该极限力与气缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。有关公式为：d₀—空心活塞杆内孔直径，mf—材料强度实验值，对钢取f=2.1×10⁷Paa—系数，对钢a=1/5000代入有关数据，得：推力负载为：代入有关数据，得：F₁+F=π/4×0.4×10⁶(100×10³)²=3142(N)所以，安全。设计符合要求。式中Pp为实验压力，取P₀=1.5P=0.6×10⁶Pa材料为ZL3,则[o]=3MPa则5.4手臂伸缩、升降用液压缓冲器手劈伸缩、升降用的是两级节流阻尼的液压缓冲器，其工作原理相同，结构略有差异，手臂伸缩用液压缓冲器结构和工作原理如附图所示。在缓冲器缸体1上，装置了可调节流阀a和b,每个节流阀各自并联两只单向阀组成第一级缓冲油路，由可调节流阀c单独组成第二级缓冲油路。当手臂运动到定位前的减速位置时(对于伸缩运动定位前的20-40mm;对于升降运动定位前的15-30mm),运动部件接触缓冲器油缸的活塞杆5,使油缸左腔里的油液通过节流阀a、单向阀d、e(见原理图)流到油缸的右腔，油液受阻产生阻力抵消运动件(手臂)的部分驱动力和惯性力，使手臂减速运动。当活塞杆5的活塞堵住油口A时，左腔的油液经油口B和节流阀c流到右腔，油液继续受阻，手臂继续减速并最后定位。缓冲器的级冲行程范围为0~39mm(第一级缓冲行程范围为0~28mm;第二级缓冲行程范围为28-39mm)。第一级缓冲的阻尼力可分别调节节流阀a、b来实现，第二级缓冲的阻尼力可以调节节流阀c来实现(见缓冲工作原理图)。当缓冲行程为30mm时，该缓冲器可以达到平均减速度约为24m/s²,阻尼时间约为0.03s26。5.5手臂回转用液压缓冲器即将停止时