五自由度液压机械手设计

第15页共25页五自由度液压机械手设计摘要本课题是应用在各种类型的小型机床上，或者配以行走机构大范围的搬运零件的液压机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行工作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。液压传动较其他传动有以下几个优点：液体压力大，能够获得较大的输出力；油的可压缩性小，压力、流量均较易控制，可无极变速；反映灵敏，能实现连续轨迹控制，维修方便，特别实用于高强度作业。在我的毕业论文中，我主要做了以下几个方面的内容：手部的结构设计、腕部的结构设计、小臂的结构设计、大臂的结构设计、液压系统的设计。并运用CAD等软件进行了绘图。关键词：机械手；结构设计；液压系统。HydraulicMaterialHandingRobotDesignAbstractThistopicisusedinalltypesofsmallMachineTool,walkingorsupportedbyawiderangeofagencieshandingpartsofthehydraulicmanipulator.Industrialmachineryhandsistheinevitableproductofindustrialproduction,itisacopyoftheupperpartofthehumanbodyfunctions,inaccordancewiththescheduledtransferrequestHoldthepieceofwordortoolsfortheautomationtechnologyandequipment,industrialautomationandpromotethefurtherdevelopmentofindustrialproductionplaysanimportantRole.Sotheyhavestrongvitalityofthepeoplebytheextensiveattentionandwelcome.Practicehasprovedthattheindustrialrobotcanreplacetheheavylabor,significantlyreducedlaborintensityandthelevelofautomation.Hydraulictransmissionthanotherrotaionhasthefollowingadvantages:fluidpressure,togetgreateroutput;oilcompressibilitysmall,pressureandflowareeasiertocontrol,continuouslyvarible;reflectthesensitiveandcanachievecontinuousTrackmaintenanceforcontrol,especiallyusefulinhigh-intensityoperations.Igraduatedfromathree-monthdesign,Imainlydothefollowing:thestructuraldesignofthehand,wriststruturaldesign,structuraldesignofthearm,thearmofthestructuraldesign,hydraulicsystemdesign.UsesomesoftwaretoPaintsuchasCAD.Keywords:Manipulator;StructuralDesign;HydraulicSystem.第一章绪论1.1课题背景和意义工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的*性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用［1］。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志［2］。机器人并不是在简单意义上代替要工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化中的过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备［3］。在我国，汽车制造业中的机器人冲压线，焊接线，涂装线与总装线，家电制造业中的机器人装配线，微电子业中的IC芯片的后封装技术，各种制造业中的自动化物流输送系统，以及信息，食品，制药等行业，对机器人及其生产线放成套技术提供了巨大的市场需求。客户化小量生产是市场的需求，是今后制造业中非常重要的一种生产模式，它对自动化装备提出了新的要求，即要求生产线具有较高的柔性和敏捷性，以适应客户的需求和产品经常变型的需求［4］。生产效率是制造企业的核心问题和永恒追求的目标。它不仅可以降低产品的成本，直接影响产品的性能价格比，而且还间接的影响空间的设备的利用率［5］。现在，我们的工厂虽然有了一些单元自动化。但某些关键岗位仍有人工操作，造成了连续生产线的堵塞，原因是这些工作岗位的操作复杂多变。采用机器人或智能化机器人是大幅度提高生产率的一个很好的解决办法［6］。中国机器人经过了二十多年的发展，已经作好了产业化的准备。随着中国加入WTO，中国企业将加入国际化的竞争，特别是“十五”计划国家将汽车工业作为重点发展行业，提高生产的自动化水平是快速发展的基础。因此，发展中国的机器人产业，特别是发展高级信息智能化和生产系统的机器人化。将是中国工业机器人发展的新阶段。我们要抓住这一机遇，迎头赶上去。人在连接工作几个小时之后，总会感到疲劳或厌倦，机械手只要对它注意维修和检修就能任长时间的单调简单重复劳动。机械手对环境适应性强，能代替人从事危险有害的工作。在长时间工作对人有害的场所，机械手不受影响，只要针对工作环境进行合理设计，选用适当的材料和结构。机械手就可以在异常高温或低温，异常压力或有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、厌火环境下胜任工作［7］。机械手能持久、耐久，可以把人从繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人手的功能。并且动作准确，可保证稳定和提高产品的质量。同时可避免人为的操作失误。液压机械手作为机械手的一种有下面几个特点：液体压力大，能够获得较大的输出力油的可压缩性小，压力、流量均较易控制，右无级变速。反映灵敏，能实现连续轨迹控制维修方便，特别实用于高强度作业。1．2国内外研究状况早在1962年美国机械铸造公司就实验成功了一种叫versatrap的机械手，愿意是灵活搬动。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统是示教再现型。是国外工业机械手的发展基础。联邦德国是从1970年开始把液压机械手用于工业生产，主要用于起重运输、焊接和设备的搬运。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。只1969年冲美国引进二种典型液压机械手后，大力从事研究。1979年从事研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年某个大学和国家研究部门用在机器手的研究费用占总研究费用的42%。1979年日本机械手的产值达433亿日元，其中液压机械手占大部分。苏联自六十年代开始使用发展液压机械手[8]。国内的液压机械手较国际上起步较晚，但是发展比较迅速。在这方面比较突出的大学有：中国科学技术大学，哈尔滨市工业大学，浙江大学。本报讯日前，由哈工大机器人研究所牵头研制的“863”重点顼目“小型智能飞行机器人系统空间机械手系统”通过“863”专家组验收[9]。该空间机械手系统在空间站搭建、卫星故障修复、空间舱内科学实验、深空探测等空间作业领域及核工业等危险作业环境方面具有较大的推广应用价值。据了解，为更好地完成该系统的研究，哈工大成功研制了空间机械手系统原型样机。该样机包括6自由度可折叠机械臂、手爪、中央控制器和支撑锁紧机构。关节采用模块化设计方法，集机构、驱动、传感和控制为一体，用用大中心孔设计方法实现机械臂的内部走线，以消除空间环境对导线及其传输信号的影响：空间机器人手主要技术规格“砂型最大尺寸：1450ｘ1200ｘ800ｍｍ砂型最小尺寸：800ｘ600ｘ200ｍｍ最大提升重量：3000说明：液压机械手可配升降、行走机构，需根据客户要求现场情况另行非标设计[10]。1．3课题研究的内容本课题作为一个实际课题，是关于液压机械手的研制，主要的研究内容有以下几个方面：手部的结构设计油缸及其附属的选择和校核、活塞杆校核。腕部的结构设计这是连接手部与臂部的部件，手腕的设计除了要满足启动和传送的过种中所需要的力矩外，还要使手腕的结构简单、紧凑。并且用来调整被抓物体的位置方位，本机械手上下摆动和饶自身轴线的回转二个自由度。小臂的结构设计手臂是机械手的主要执行部件，其作用是支撑腕部和手训主要用来改变工件的位置，手部在空间的活动范围主要取决臂部的运动方式。小臂的伸缩范围和回转的角度。大臂的结构设计大臂的升降高度的范围和回转的角度的确定等。液压控制系统的设计设计合理的液压控制系统来现好的完成五自由度的工作要求，让机械手更精确漂亮的完成给予它的任务。第2章总体方案的设计论证2．1设计思想概述人在连续工作几个小时以后，总会感受到疲劳或是厌倦，机械手只要对它注意维护和检修即能胜任长时间的单调简单重复劳动。机械手对环境适应性强，能代替人从事危险、有害的工作。在长时间工作寻人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选用适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或者低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作[8]。机械手能持久、耐劳，能把人从繁重的劳动中解放好来，并能扩大和延伸人手的功能。并且动作准确，可保证稳定和提高产品质量，同时，可避免人为的操作失误。2．2设计工作要求本此课程设计的目的就是要设计一种工业搬运机械手，把人从沉重的劳动中解放出来。该机械手要求至少要有五个自由度，以便是工件在有限三维空间能达到任意位置。并在保证上述设计要求的前提下，*量满足标准化，经济性，可靠性和人机工程学等方面的要求。2．3根据工作要求，拟定机械手运动参数2.3.1拟定机械后运动结构简图如图2-1：图2-1机械手运动结构简图由简图可知：机械手的组成包括手部、腕部、小臂、大臂四部分。手部：直接接触工件的部分，用来夹紧工件此机械手采用回转型外夹式两指式结构。腕部：连接手部与小臂的部分，用来调整抓取物体的方位，它有上下摆动和饶自身轴线转动两个自由度。小臂：连接腕部与大臂的部分，可发沿轴线线方向伸缩。大臂：连接小臂与固定机械手整体的部分，有饶自身轴线转动和伸缩两个自由度。2．3．2各部分长度*寸的拟定如图2-2图2-2各部分长度尺寸简图手部及腕部总长度为400mm小臂总长度为400-600mm，其中200大臂总长度为500-650mm，其中1502．3．3选取坐标形式及自由度数本机械手采用5自由度球坐标形式分别是：沿X方向的伸缩；沿Z方向的升降；绕X轴的转动；绕Z轴的转动；饶P点，在XZ平面的转动。2．3．4机械手运动参数设计如表2-1表2-1机械手运动参数设计运动方式动作范围速度缓冲方式腕部回转-90°～90°90°/sec节流阀调速手臂摆动-90°～90°90°/sec节流阀调速小臂伸缩300mm100mm/sec节流阀调速大臂升降200mm100mm/sec节流阀调速大臂回转-90°～90°90°/sec节流阀调速2．3．5机械手总体参数如表2-2表2-2机械手总体参数项目技术参数结构形式球坐标式自由度数5驱动方式液压驱动最大负荷10Kg手指夹持范围φ48-φ80定位精度±1mm安装环境0-50°2．4本章小节通过构思设计思想，我拟定了运动结构简图和各部分长度尺寸还有机械手的总体参数。让我对这个课题有了更进一步的了解，为我以后的设计计算做好了铺垫，是我的毕业设计由大框理论向精确的设计计算过度。第三章各部分结构设计论证3．1手部的结构设计手部设计时应注意的问题：手指应有足够的夹紧力。为使手指牢靠地夹紧工件，除考虑被夹持工件的重量外，还应考虑工件在传送过程中所产生的动载荷[9]。手指应有一定的开闭范围，其大小不仅与工件的*寸有关，而且注意手部接近工件时的运动路线及方位的影响。应保证工件在手指内准确定位。结构尽量昆凑、重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。据应用条件考虑通用性。3．1．1油缸及其附属的选择及校核如图3-1所示手部结构：图3-1手部结构图其受力分析如图3-2：图3-2受力分析图其中C=28mmB=80mmα3．1．1．1油缸内径的选择及其校核根据销轴的力平衡条件，p1=p2=p（3-1）2cosα然后由力矩平衡条件，即ΣM0(F)=0得：p1·h=N·b由于h=ccosα所以p=2Nb·cos2α（3-2）cb—工件中心到回转支点的距离（--）；c—销到对称中心线的距离（--）；α—滑槽方向与两销轴连线得夹角（。）。手部的计算：手指夹紧力N=K1·K2·K3·G（3-3）式中：K1—安全系数，通常取1.2—2.0K2—工件情况系数，主要考虑惯性力的影响。K2可以近似估算。K2=1+a/g，其中a为被抓取工件的最大加速度，G为重力加速度。取9.8m/s。K3—方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。G—被抓取工件的重量。以知：V钳形口角度2θ=120°取K1=1.2工件最大缓冲加速度a=2m/s2K2=1+a/g=1+2/9.8=1.2已知：V型钳口角度2θ=120°，根据所选机械手手部特点，查表选：K3=5将已知条件代入：N=K1·K2·K3·G=1.21.2ｘ5ｘ10x9.8=706.8N（3-4）由驱动公式P计算=2Nb·cos2αc=2ｘ706.8ｘ80·cos245°28=2019N（3-5）取η=0.9P实际=P实际=2019=2244Nη0.9确定油缸直径DP实际==π(D2-d2)p/4（3-6）选取活塞杆直径d=0.5D选取压力油工作压力p=4MPa活塞杆内径D2=4P实际πp(1-0.52)=4ｘ22443.14ｘ4ｘ106ｘ0.75D=30.86mm（3-7）根据油缸内径系列选取油缸内径D=32mm则活塞杆直径：d=D/2=16mm油缸壁厚度的计算：油缸内径确定后，由强度条件计算所需要的最薄处缸壁厚度δ，再根据体的结构来确定适当数值[3]。以满足设计要求。依据材料力学的薄壁公式，油缸的壁厚δ：δ≥pyD（3-8）2[σ]δ——油缸臂厚（mm）py——油缸内实验压力，当液压缸的额定压力pn≤16MPa，py=1.5pn(MPa)D——油缸内径（mm）[δ]—缸壁材料的许用应力，[δ]=[b]/n为材料抗拉强度，n为安全系数，一般在3。5～5之间，在这里我们取n=5工作压力pn=4MPaPY=pnｘ150％=4ｘ150％=6MPa缸壁材料选用45号钢σb=600MPa[δ]=σb/n=600/5=120MPaδ≥pyD=6ｘ32=0.6mm2[σ]2ｘ120但出于对其他总件的装配考虑，油缸壁厚选为12—3．1．2活塞杆校核3．1．2．1活塞杆的稳定性校核由于活塞杆长度L（200mm）远小于15d（8003．1．2．2活塞杆的强度校核夹紧缸内的活塞杆主要是受轴向压力作用，因此只要对他抗压强度进行校核即可。活塞杆受力如图3-3图3-3活塞杆受力示意图受压强度的计算：σ=pπd2/4=2244πｘ(0.016)2/4=11MPa（3-9）[σ]=203MPaσ≤[σ]故活塞杆取16mm3．1．3油缸端盖螺钉的校核油缸端盖共有4个螺钉，均布，则每个螺钉受力：Q=Q′+F式中：Q——预紧力，Q′=KFF——工件载荷F=P·S=4ｘ106·π·[(0.032)2-(0.032)2]=2411.5N44K取1.6：因为KF=2411.5ｘ1.6=3858.4所以Q=2411.5+3858.4=6269.9N根据工程手册，选取直径为6—的内六角螺钉即可。由于篇幅有限，只对主要部件进行校核，并且预留了较大的—量，其他部件根据以往的经验进行设计，不再一一校核。3．2腕部的结构设计手腕的设计：它是连接手部与臂部的部件，手腕的设计除了满足启动和传送过程中所需的力矩外，还要使手腕的结果简单、紧凑。并且用来调整被抓物体的方位，本机械手上下摆动和饶自身轴线和回转两个自由度。3．2．1手腕回转缸的计算结构的估计重量：由于对结构的重量计算不便，本设计采用结构估重，即把所需的部件看作一个实心体，用它的体积乘以材料的密度，把所得结果作为所求结果得质量。由于工件内部有较多空间存在，这样得结果计算有较大余量，更加保证了工作要求。1-定片2-缸体3-回转轴4-动片5-密封圈图3-4腕部回转缸简图3．2．1．1手腕回转所需的驱动力矩M总=M摩+M偏+M惯（3-11）由设计图纸估测得，手抓、手抓驱动缸及回转缸所占空间等效为一个高L=400mm，半径r=30G约=ρυ=7.8ｘ103ｘπｘ(0.030)2ｘ0.4=8.821kg了计算方便取G=10取摩擦力矩M摩=0.1M总M惯=0.0175（J+J工件）ψ２／２φ起（3-12）启动过程中所转过的角度φ起=18°等速角速度转动ψ=90°/secJ=0.5ｘｍｒ２=0.5ｘ10ｘ(0.03)２=0.0045kg·m２考虑手部夹持的范围，工件的最大尺寸为L=300mm，r=40J工件=————=————=————（3-13）M总=——————由于腕部为中心对称结构，M偏=0。M总=M摩+M偏+M惯=0。1M总+3。4所以M总=3。73．2．1．2确定转轴的*寸（1）由强度条件计算该轴的最小直径——————（3-14）W-——抗扭截面模量————材料所受的最大剪应力[-]—材料的许用剪应力对于轴类零件W-————则——————（3-15）对于本设计所使用的45号钢，取[-]=————————————出于对结构上以及整体加工制造和安装等方面得得综合考虑，根据油缸内径系列选取：D=56--，-=24—回转油缸所产生的驱动力矩计算：M=————————（3-16）式中：M总—手腕回转总的阻力距；回转油缸的工作压力；缸体内径；回转轴半径；动片宽度。取————，定转轴的最小*寸代入参数：——————————满足设计要求，故可以选用。3．2．2腕部摆缸的设计3．2．2．1偏离中心——的计算腕部受力如图3-5：图3-5腕部受力图根据腕部及手部结构，机械手空载重心偏向摆缸，估测得15--。由——————得：150*10+350*10=（10+10）*XX=2503．2．2．2油缸的选择与校核M总=M摩+M偏+M惯取摩擦力矩M摩=0。1M总M偏=————M惯=————启动过程中所转过的角度——等速角速度转动————由于手腕部结构复杂，很难计算其转动惯量，可以将其质量全部假设在重心——处，经分析得，由此得到得转动惯量数值大于其实际数值，故可以用其校核，保证了其工程强度，并且有较大余量。J=————————考虑手部夹持的范围，工件的最大*寸为L=300--，-=40--，远小于工件到O点距离—，故可也可近似得将其质量放在重心处计算其转动惯量。J工件=————M惯=————因为M=————所以M总=————3．2．2．3油缸轴回转的选择与校核（1）由强度条件计算该轴的最小直径————W抗扭截面模量材料所受的最大剪应力材料得许用剪应力对于轴类零件W——则————对于本设计所使用的45号钢，取[-]=————————-出于对结构上以及整体加工制造和安装等方面得得综合考虑，根据油缸内径系列选取：R=40--，-=24--。回转轴得校核回转油缸所产生的驱动力矩计算：M=————式中：M总—手腕回转总的阻力矩；--回转油缸的工作压力；缸体内径；回转轴半径；--动片宽度。取——————确定转轴的最小*寸代入参数————=——满足设计要求，故可以选用。3．3小臂的结构设计手臂是机械手的主要执行部件，其作用是支*腕总和手部主要用来改变工件的位置。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。设计时注意以下几点：钢度要好。要合理的选择臂部的截面形状和轮廓*寸。我们选用悬臂梁无封钢管作导向杆，用钢板作支*板，以保证有足够的刚度。偏重力矩要小。偏重力矩是指臂部的重量对其支*回转轴（即机身————产生的力矩。它对臂部的升降运动和转动都产生影响。设计时应使臂部的质量分布合理，*减少其偏重力矩。质量要轻，惯量要小。由于机械手在高速情况下常丐停和换向，为了减少运动状态变化时所产生的冲击必须采用有效的缓冲装置，力求结构紧凑，重量轻、以减少其偏重力。得向性要好。为了防止臂部在直线移动中沿轴线发生相对转动，以保证手部的正确方向和准确定位，必须有导向装置，其结构应根据臂部的安装形式抓取重量和运动行程等因素来确定类比同类型结构，设计小臂结构如下：1-导向杆2-支持板3-油缸图3-6小臂伸缩机构3．3．1伸缩油缸的设计根据油缸驱动时所需克服负荷，摩擦，密封装置，及惯性等几个方面的阻力，确定油缸提驱动力。驱动力公式：P=P摩+P密+P回+P惯式中：P摩—摩擦阻力。手臂运动时，运动件表面得摩擦力，要根据具体情况进行估算。本设计为双导向杆，导杆对称配置在油缸两侧，两导杆受力均衡，因此可按一个导杆进行计算。根据体积对各部分行重量进行估算，取————得，G导=————为计算方便取G导=3—G总=G导+G腕+G工件=3+10+10=23—3.5本章小结在本章我对设计的各个部分进行了较深刻的理论计算，确定了设计的产品能够正常运行，能够胜任设计的要求。这期间我查阅了不少资料。让我对大学四年的理论知识有了更深刻的认识。第4章液压控制系统的拟定4．1液压系统的各种方案整个机械全是液压驱动，因此液压控制系统是一个比较复杂的部件。因为机械手是用微机或可编程顺序控制的以及从工况图可知压力和流量都不高，所以都用电磁换向阀作为换向部件，以获得较好的自动化程度。4．1．1调速方案整个液压系统一般只用单泵或都双泵工作，根据工况图可知，各液压缸都用泵的全流量工作是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一速度，但也需要进行节流调速。各缸可选择进油路或回油路节流调速，因为对速成度稳定性要求不高，一般适宜选节流阀。在一般的情况下，手臂伸缩缸和手臂升降缸所需的流量较为接近，手腕回转缸和手臂回转缸及夹紧缸所需流量较为接近，且它们两组所需的流量相差较远。这样不但可以选择如图4-1所示的单泵供油系统。还可以选择如图4-2所示的双泵供油系统。图4-1单泵供油系统图4-2双泵供油系统单泵供油系统要以所有液压缸中需就是最大的来选择泵的流量。优点是系统较为简单，所需的元件较少，经济性好，缺点是当所需流量少的岗动作时，溢流损失较大，能源利用率较低。对于系统功率较小的场合是可取的。双泵供油系统，它在需大流量工作的缸运动时，双泵同时给其供油；在需小流量工作的缸运动时，则用小流量泵2供油，而大流量泵1卸荷。优缺点与单泵供油系统相反。而且可以用双联泵代替双泵。4．1．2减速缓冲回路通用工业机械手要求可变行程，它是由微机控制可在行程中任意点定位，故应在液压系统中采用缓冲回路。如图4-3所示，就是一例。它由二信二通电磁换向阀和节流阀并联组成。当油缸运动快到希望点时，由位置检测装置（电位器）发讯给微机，微机控制电磁铁通电关闭油路，油缸回油改经节流阀回油箱，油缸速度减慢防止冲击，达到缓冲目的。这种回路也适用于摆动缸。也可以在油路中设置单向行程节流阀进行缓冲，有可靠、定位程度高的优点。但不如上述方案的自动化程度高和通用性好。图4-3缓冲回路4．1．3系统安全可靠性手辟升降缸在系统失压情况下会自由下落，应在回路中增加平衡回路，方法可用单向顺序阀或平衡阀。手臂伸缩缸若有俯仰状态时，*应同样考虑。夹紧缸在夹持工件时，为了防止失电等意外情况，应加锁紧保压回路。为防止夹紧缸压力过高，导致夹紧力过大损坏工件，可用减压回路保证夹紧缸的压力一定。4．1．4液压系统的设计如图4-3和4-4所示：本次设计所采用液压系统的具体布置如下：换向回路夹紧缸采用三位三通阀，其他缸采用三位四通换向阀。这样便于微机控制。调建方案由于本系统功率较小，故选简单的进油路节流阀调速，并且选用单泵供油，以获得较好的经济性。缓冲回路选择4。1。2中提到的第3点方案，便于微机控制，提高自动化程度。系统的安全可靠性为了防止伸缩缸在仰起一定角度后自由下落，采用单向顺序阀平衡。图4-4液压