搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真畢業(yè)設(shè)計說明

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1、搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動仿真畢業(yè)設(shè)計 1.1 課題背景 當(dāng)前國內(nèi)機(jī)械的應(yīng)用主要是機(jī)床加工,鍛造,熱處理等方面,不能滿足一些產(chǎn)品發(fā)展的需要。國外機(jī)械制造過程中,工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用很廣泛,能夠幫助人們完成很多產(chǎn)品的上下料過程。在這種國內(nèi)外的發(fā)展機(jī)械手的背景下,我國要加大機(jī)械手的研究和應(yīng)用。機(jī)械手是一種新型的工業(yè)自動裝置,主要是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來,并且在以后能夠有個很好的發(fā)展?fàn)顩r。在現(xiàn)代自動化、機(jī)械化生產(chǎn)過程中,機(jī)械手是廣泛運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中,機(jī)械手的研究開發(fā)和生產(chǎn)已成為創(chuàng)新科技領(lǐng)域中,快速發(fā)展并且長期發(fā)展的一個新興的創(chuàng)新技術(shù)。機(jī)械手這個技術(shù)的發(fā)展,能夠使機(jī)械手能更好地把機(jī)械化、自動

2、化充分的結(jié)合起來。機(jī)械手也是有缺點(diǎn)的,不能像手一樣的靈活,但它能夠模仿人的動作,不間歇的進(jìn)行長期工作,不用像人工一樣考慮一些問題,能夠快速工作,提高生產(chǎn)效率。 通過機(jī)械手能很大程度上提高勞動生產(chǎn)率,并能夠很好的降低成本。伴隨著我國工業(yè)化的生產(chǎn)速度加快,機(jī)械的自動化要求程度款速提高,實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或者操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動化,已經(jīng)引起人們的重視[1]。機(jī)械手從結(jié)構(gòu)還有結(jié)構(gòu)形式上看簡單,專用性和實(shí)用性強(qiáng),簡單的說就是機(jī)械的上下料裝置,是通過該機(jī)床的專用機(jī)械手[2]。工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,造就了可以通過程序進(jìn)行控制的機(jī)械手,它能夠按照程序編寫要求,很好的完成

3、顯示工作中的重復(fù)操作,而且它的使用范圍也是相當(dāng)廣泛的,我們也可以稱它普通機(jī)械手。因?yàn)槠胀C(jī)械手的價格便宜,可操作性比較高,可以運(yùn)用的方面比較廣。普通機(jī)械手如圖1-1,圖1-2 圖1-1 工業(yè)機(jī)械手 圖1-2 工業(yè)機(jī)械手 1.2 研究意義 機(jī)械手對我們現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)作業(yè)中起到很重要的作用,能解放我們的勞動生產(chǎn)力,提高機(jī)械化水平,讓我們的工業(yè)發(fā)展有很大的發(fā)展。根據(jù)我國機(jī)械手應(yīng)用與當(dāng)前的外國機(jī)械手的應(yīng)用進(jìn)行對比,不難得出的結(jié)論就是我們應(yīng)該大力發(fā)展機(jī)械手設(shè)計這方面的水平。我們研究機(jī)械的意義有一下：首先,應(yīng)用搬運(yùn)機(jī)機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送.共建的裝卸。刀具的更換以及機(jī)器的裝配的自動化的程度,

4、從而可以提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)本。其次,改善勞動條件,避免人身安全。人手直接操作的范圍是受到各方面的制約,比方說溫度過高過低,氣壓高低,液壓高低等方面,在這種不適宜人工作的環(huán)境下用機(jī)械手就可以部分或全部代替人手的功能,從而安全的完成作業(yè)。再就是,采用這種機(jī)械手進(jìn)行工作,使用的人工減少,讓我們多余的勞動力來干其他的事情,可以完全提高我們工廠等方面的勞動效率,也對我們?nèi)吮旧砭褪且粋€很好的保護(hù),為我們的發(fā)展提高一個從人工到機(jī)械操作的質(zhì)的飛越。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 簡單的說,我們國家機(jī)械手的發(fā)展水平相對較低。對于工業(yè)性的生產(chǎn)項(xiàng)目沒有打達(dá)到機(jī)械化水平,這就減緩了我們工業(yè)的發(fā)展速度。目前國內(nèi)一些

5、機(jī)床加工上下料,鍛造,壓力高低環(huán)境作業(yè)等方面都是用這樣的工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行操作,但是其數(shù)量,品種,性能等多方面還不能夠滿足當(dāng)前國家生產(chǎn)發(fā)展的要求,正因如此,國內(nèi)的工業(yè)要像快速發(fā)展,突破這種瓶頸,就必須加大對機(jī)械范圍的研究。我個人認(rèn)為重點(diǎn)發(fā)展在一些人工操作比較麻煩費(fèi)時的環(huán)境下應(yīng)用機(jī)械手,通過改善這種工作的條件,來提高我我們上產(chǎn)的效率。我們不光要發(fā)展通用機(jī)械手,還要多研究制造一些運(yùn)用于專業(yè)機(jī)械手,如果資源科技到位還可以研究制造示教式機(jī)械手,計算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。國內(nèi)對發(fā)展這種機(jī)械手新技術(shù)非常重視,在這些年來,這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直保持著比較快速的發(fā)展勢頭,這種產(chǎn)品也是在不斷的完善和修改,

6、品種和性能也是在不斷的增加,運(yùn)用領(lǐng)域方面也在不斷的擴(kuò)大[9]。 在國外機(jī)械制造業(yè)中,與國內(nèi)有著很大的不同,像這種工業(yè)機(jī)械手運(yùn)用較多,發(fā)展較快,運(yùn)用的領(lǐng)域也是比較廣泛的,也是值得我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)的。目前主要用于機(jī)床的上下料,還有鑄造方面的上下料,以及點(diǎn)焊,噴漆等作業(yè)中,它能夠很好的在比較惡劣的工作環(huán)境下進(jìn)行工作,但是有些缺點(diǎn)就是,不能對實(shí)際情況進(jìn)行反饋和傳感,只是進(jìn)行機(jī)械的重復(fù)操作。如發(fā)生像某些偏離時的情況,就會引起一些工件加工的損失和自身機(jī)械手的損傷。正是考慮到這方面的缺點(diǎn),國外很多的工業(yè)都在加快對這種機(jī)械手傳感反饋方面的研發(fā),讓工作更有保證的進(jìn)行,提高了工作的正確性。 1.4 研究的主要內(nèi)

7、容及方法 搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括手部、腕部、臂部及機(jī)身。按照課題要求,搬運(yùn)機(jī)械手采用液壓驅(qū)動的方式,來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升下降運(yùn)動及夾緊工件的動作。搬運(yùn)機(jī)械手按設(shè)計要求主要實(shí)現(xiàn)的動過過程為：工序一,臂部液壓缸工作,使手臂伸長至指定長度,準(zhǔn)備抓取工件。工序二,手部液壓缸工作,使手指夾緊工件。工序三,機(jī)身液壓缸工作,使工件升高。工序四,腕部旋轉(zhuǎn)液壓缸工作,使工件旋轉(zhuǎn)。工序五,機(jī)身旋轉(zhuǎn)液壓缸工作,實(shí)現(xiàn)機(jī)身整體旋轉(zhuǎn)。工序六,手部液壓缸工作,手指張開,將工件放置指定位置。工序七,機(jī)械手五個液壓缸同時工作,各結(jié)構(gòu)回到初始狀態(tài)。工序過程共計4個自由度。為了實(shí)現(xiàn)工序動作,須5個液壓缸,分別為：手部液壓缸實(shí)

8、現(xiàn)夾緊動作；腕部液壓缸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動作；臂部液壓缸實(shí)現(xiàn)伸縮動作；機(jī)身旋轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)整體轉(zhuǎn)動；機(jī)身液壓缸實(shí)現(xiàn)升降動作。 1、 查閱相關(guān)資料,了解并學(xué)習(xí)有關(guān)搬運(yùn)機(jī)械手的知識。 2、 根據(jù)給定的參數(shù),確定搬運(yùn)機(jī)械手的大體設(shè)計方案。 3、 根據(jù)確定的設(shè)計方案,分析計算各部分結(jié)構(gòu)的尺寸,并校核。 4、 繪制搬運(yùn)機(jī)械手的裝配圖和零件圖。 5、 對搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行三維建模,并進(jìn)行仿真。 1.5 工業(yè)機(jī)械手的分類,基本形式及組成 1.5.1 工業(yè)機(jī)械手的分類 通常工業(yè)機(jī)械手的樣式種類比較多。對于分類,當(dāng)前在國內(nèi)還沒有形成統(tǒng)一確切的分類規(guī)定,在此可以通過按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。

9、 按使用范圍可以分為：專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類。前者一般附屬于工作機(jī)器設(shè)備,動作程序固定,驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨(dú)立,亦可附屬于工作機(jī)器設(shè)備。而后者是獨(dú)立工作的自動化機(jī)械裝置。在規(guī)格性能范圍內(nèi),其動作程序是可變的,通過調(diào)整可在不同場合使用,驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。 按驅(qū)動方式可以分為：液壓傳動機(jī)械手、氣壓傳動機(jī)械手、電動傳動機(jī)械手、機(jī)械傳動機(jī)械手。 1.5.2 工業(yè)機(jī)械手的基本形式 機(jī)械手型式較多,按手臂的坐標(biāo)型式分類,主要有四種基本型式分別是：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式等[6]。 〔1〕直角坐標(biāo)式機(jī)械手 直角坐標(biāo)式機(jī)械手又稱為直移型機(jī)械手,是適合于工作位置成行

10、排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可作伸縮、左右和上下移動,按直角坐標(biāo)型式X、Y、Z三個方向的直線進(jìn)行運(yùn)動。其工作范圍可以是一個直線運(yùn)動、兩個直線運(yùn)動或三個直線運(yùn)動。這種型式的機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動直觀、便于實(shí)現(xiàn)高精度,缺點(diǎn)是占據(jù)空間大,相應(yīng)的工作范圍較小。如圖1-3 圖1-3 直角坐標(biāo)式 〔2〕圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手又稱為回轉(zhuǎn)型機(jī)械手,是應(yīng)用最多的一種型式,它適用于搬運(yùn)和測量工件。它具有直觀性好,結(jié)構(gòu)簡單,本體占用的空間較小而動作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X、Z、φ三個運(yùn)動組成。它的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,一個直線運(yùn)動,加一個不在直線運(yùn)動所

11、在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；二個直線運(yùn)動加一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒,手臂裝在滑動套筒上,手臂可在豎直方向上做直線運(yùn)動和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動。如圖1-4 圖1-4 圓柱坐標(biāo)式 球坐標(biāo)式機(jī)械手 球坐標(biāo)式機(jī)械手又稱為俯仰型機(jī)械手,是一種自由度較多,用途較廣的機(jī)械手。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動加一個直線運(yùn)動,與回轉(zhuǎn)型機(jī)械手相比,在占有同樣空間位置的情況下,其工作范圍更大,還能將臂伸向地面,完成從地面提取工件的任務(wù)。不足之處是運(yùn)動直觀性差,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,位置誤差會隨臂的伸長而放大。如圖1-5 圖1-5 球

12、坐標(biāo)式 1.5.3 基本組成 主要由手部、手腕、手臂和機(jī)身的行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動部件組成[4]。 多關(guān)節(jié)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是：動作靈活、運(yùn)動慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件,并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作[3]。隨著生產(chǎn)的需要,對多關(guān)節(jié)手臂的靈活性、定位精度及作業(yè)空間等提出越來越高的要求。多關(guān)節(jié)手臂也突破了傳統(tǒng)的概念,其關(guān)節(jié)數(shù)量可以從三個到十幾個甚至更多,其外形也不局限于像人的手臂,而根據(jù)不同的場合有所變化,多關(guān)節(jié)手臂的優(yōu)良性能是單關(guān)節(jié)機(jī)械手所不能比擬的。其機(jī)械手運(yùn)動示意如圖1-6 圖1-6機(jī)械手的運(yùn)動示意圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由手部、手腕、手臂和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動部件組成[4]

13、。 〔1〕手部 手部具有人手某種單一的動作功能。由于抓取物件的形狀不同,手部有夾持式和吸附式等型式。夾持式手部是由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。手指是直接與物件接觸的構(gòu)件。常用的手指運(yùn)動型式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,故應(yīng)用較廣泛；平移型手指應(yīng)用較少,其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但是平移型手指夾持圓形零件時,工件直徑變化不影響其軸心的位置,因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。如圖1-7所示 圖1-7手指運(yùn)動形式示意圖 手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位〔是外廓或是內(nèi)孔〕和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面、V形面和曲面；手指有外夾式和內(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙

14、指式等。 傳力機(jī)構(gòu)形式較多,常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式等。 吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁吸盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等,通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓和真空泵壓。詳情見圖1-8所示 圖1-8 吸附式手部示意圖 對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件,以及有網(wǎng)孔狀的板料等,通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力有直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負(fù)壓磁盤和電磁吸盤吸料,其吸盤的形狀、數(shù)量、和吸附力的大小,根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外,根據(jù)特殊需要,手部還有勺式〔如澆注機(jī)械手的澆包部分〕、托式

15、〔如冷擠齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部〕等型式。 〔2〕腕部 腕部是連接手部和臂部的部件,并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位,以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍,并使機(jī)械手變的更靈巧,適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度,能做回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求,有些動作較為簡單的專用機(jī)械手,為了簡化結(jié)構(gòu),可以不設(shè)腕部,而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。如圖見1-9所示 圖1-9 手腕運(yùn)動和結(jié)構(gòu)示意圖 目前,應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓〔氣〕缸,它的結(jié)構(gòu)緊湊,靈巧但回轉(zhuǎn)角度小〔一般小于〕,并且要求嚴(yán)格密封,否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回

16、轉(zhuǎn)角的情況下,采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 〔3〕臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部〔包括工作或夾具〕,并帶動他們做空間運(yùn)動。臂部運(yùn)動的目的是把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果要改變手部的姿態(tài)〔方位〕,則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)[6]。因此,一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求,即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降〔或俯仰〕運(yùn)動。 手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)〔如液壓缸或者氣缸〕和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),從臂部的受力情況分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷,而且自身運(yùn)動較為多,受力復(fù)雜。因此,它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響

17、機(jī)械手的工作性能。 <4>行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成比較遠(yuǎn)的距離的操作時,可以在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動。我國的行走機(jī)構(gòu)正處于仿真階段。 1.6 本章小結(jié) 本章主要介紹機(jī)械手的研究背景,研究意義,國內(nèi)外現(xiàn)狀,主要研究內(nèi)容,及組成部分和基本形式等。我通過這樣的了解,能夠初步的對機(jī)械手的設(shè)計有個大致的了解,也是對我后面的設(shè)計提供了準(zhǔn)備工作。 第2章 搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計方案 本設(shè)計主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計,并進(jìn)行搬運(yùn)機(jī)械手的三維建模和運(yùn)動仿真。在本章中對機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。搬運(yùn)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計是此

18、次設(shè)計的主要任務(wù)。 2.1 搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計參數(shù) 基本參數(shù)要求,見表2-1： 表2-1 基本設(shè)計參數(shù)及要求 抓重 30公斤 自由度數(shù) 4個 坐標(biāo)型式 圓柱坐標(biāo) 最大工作半徑 1600mm 手臂最大中心高 900mm 手臂運(yùn)動參數(shù),見表2-2： 表2-2手臂參數(shù) 伸縮行程〔X〕 800mm 伸縮速度 < 250mm/s 升降行程〔Z〕 330mm 升降速度 < 60mm/s 回轉(zhuǎn)范圍〔Φ〕 0°～210° 回轉(zhuǎn)速度 < 70°/s 手腕運(yùn)動參數(shù),見表2-3： 表2-3 手腕運(yùn)動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍〔ω〕 0°～180° 回轉(zhuǎn)速度

19、 90°/s 手指夾持范圍 φ65~φ85mm 手指握力〔即夾緊力〕 400公斤力 緩沖方式 用節(jié)流閥減速緩沖 位置檢測 用電位器反饋式 定位方式 由電氣定位系統(tǒng)控制電磁滑閥為"O"型機(jī)能使油缸慣性定位 重復(fù)定位精度 ±3mm 驅(qū)動方式 液壓 控制方式 采用HTL集成電路可編程序控制 程序步數(shù) 每循環(huán)程序步數(shù)少于32步 2.2 搬運(yùn)機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種：〔1〕直角坐標(biāo)型機(jī)械手；〔2〕圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；〔3〕球坐標(biāo)〔極坐標(biāo)〕型機(jī)械手；〔4〕多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手[12]。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)

20、構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小,因此本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)型,基本形式如圖2-1所示。 圖2-1 機(jī)械手基本形式示意圖 2.3 搬運(yùn)機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)確定 在搬運(yùn)機(jī)械手的基本形式和驅(qū)動方式選定后,根據(jù)設(shè)計要求, 搬運(yùn)機(jī)械手具有4個自由度,即手部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂回轉(zhuǎn)、手臂升降。因此,確定搬運(yùn)機(jī)械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成： 〔1〕手部,采用1個雙作用式液壓缸和一個單作用液壓缸,通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手抓的張合。初步確定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖2-2所示。 圖2-2 典型手部結(jié)構(gòu)展示 〔2〕腕部,采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn),如圖2-3所示 圖2-3 典型旋轉(zhuǎn)液壓缸結(jié)構(gòu)展

21、示 〔3〕臂部,采用直線缸來實(shí)現(xiàn)手臂平動。 〔4〕機(jī)身,采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。 2.4 本章小結(jié) 本章主要確定了搬運(yùn)機(jī)械手的整體設(shè)計方案。明確設(shè)計的參數(shù)要求后,選定機(jī)械手的基本形式,確定機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu),并且選擇了液壓驅(qū)動的方式。 第3章 搬運(yùn)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 搬運(yùn)機(jī)械手手部設(shè)計基本要求 對于手部的設(shè)計,首先要滿足以下幾個要求： 〔1〕應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力?？紤]工件的重量,以及在傳送或操作工程中所產(chǎn)生的慣性力和振動,以保證工件不會產(chǎn)生松動。 〔2〕手指應(yīng)具有一定的開閉角,手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度〔手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的

22、角度〕以便于抓取工件。若抓取不同直徑的工件,應(yīng)該按照最大直徑的工件考慮。 〔3〕要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高,在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下,盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,以利于減輕手臂的負(fù)載,使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上,以手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 〔4〕應(yīng)保證手抓的夾持精度[6]。 〔5〕應(yīng)考慮被抓對象的要求。主要考慮抓取形狀,抓取部位以及抓取數(shù)量等方面。 〔6〕考慮手指的多用性。手指是專用性強(qiáng)的部件,為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸要求,可制成組合式的手指。對于這種手指要求結(jié)構(gòu)簡單,安裝維修方便,更換迅速和準(zhǔn)確,以便擴(kuò)大機(jī)械手的使用范圍。 3.2 搬運(yùn)機(jī)械手手部的設(shè)計計算

23、常用的工業(yè)機(jī)械手手部采用夾持式手指,按運(yùn)動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結(jié)構(gòu)簡單,適于夾持平板方料,且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置,其理論夾持誤差為零。若采用典型的平移型手指,驅(qū)動力需加在手指移動方向上,這樣會使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大,顯然是不合適的,因此不選擇這種類型。 通過綜合考慮,本設(shè)計選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓,采用斜楔杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置,它在彈簧的作用下機(jī)械手手抓閉和,在壓力油作用下,彈簧被壓縮,從而機(jī)械手手指張開。 對于夾緊機(jī)械手,根據(jù)工件的形狀為圓形棒料,因此最常采用的是外卡式兩指鉗爪,夾緊方式用常閉彈簧夾緊

24、、松開,用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單,制造方便。結(jié)合設(shè)計參數(shù)要求,確定手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 圖3-1 手部張開示意圖 3.2.1 拉緊裝置原理 如圖3-2所示,手部的拉緊裝置為單作用液壓缸和彈簧組合而成。油缸左腔停止進(jìn)油時,活塞受到彈簧向左的壓力,使活塞桿向左運(yùn)動,活塞桿與兩手指銷軸連接,進(jìn)而使手指夾緊工件[8]。油缸左腔進(jìn)油時,活塞左側(cè)的壓力大于右側(cè)彈簧壓力,從而使活塞桿向右運(yùn)動,進(jìn)而使兩手指張開,放開工件。 圖3-2 拉緊裝置示意圖 3.2.2 手抓的受力分析 在杠桿3的作用下,銷軸2向上的拉力為F,并通過銷軸中心O點(diǎn),兩手指1的對銷軸的反作用力為F1和

25、F2其力的方向垂直于中心線OO1,并指向O點(diǎn),F1和F2的延長線交OO1于A及B,如圖3.3所示。 由得 由得 由得 因?yàn)閔= ,所以 式〔3-1〕 式中 a ——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心的距離〔mm〕； ——工件被夾緊時手指的方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。 由分析可知,當(dāng)驅(qū)動力F一定時,角增大,則握力FN也隨之增大,但過大會導(dǎo)致拉桿行程過大以及手部結(jié)構(gòu)增大,因此最好=30o～40°。 1——手指2——銷軸3——杠桿 圖3-3 斜楔杠桿式手部結(jié)構(gòu)受力分析 3.2.3 夾緊力及驅(qū)動力的計算

26、 手指加在工件上的夾緊力,是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計算。一般來說,需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷,以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： 式〔3-2〕 式中K1——安全系數(shù),通常取1.2?2.0； K2——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K2=1+,其中為重力方向的最大上升加速度。 式〔3-3〕 ——運(yùn)載時最大上升速度； ——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間,一般選取0.03?0.55； K3——方位系數(shù),根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇。 計算：設(shè)a=100 ,b=

27、50,10°<<40°,機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時間為0.5s,求夾緊力FN和驅(qū)動力F以及驅(qū)動液壓缸的尺寸。 設(shè) K1=1.5 帶入公式可知： 取=0.85 選取液壓缸直徑D為活塞桿直徑d的兩倍,根據(jù)表格3-1選擇液壓缸的工作壓力P=0.8Mpa。 表3-1液壓缸工作壓力參數(shù)表 作用在活塞上的外力F,N 液壓缸工作壓力,Mpa 作用在活塞上的外力F,N 液壓缸工作壓力,Mpa 小于5000 0.8至1.5 20000至30000 2.0至4.0 5000至10000 1.5至2.5 30000至50000 4.0至6.

28、0 10000至20000 2.5至4.5 50000以上 5.0以上 根據(jù)公式 式〔3-4〕 可得 結(jié)合以上計算,根據(jù)表3-2,選取液壓缸內(nèi)徑為D=63mm,活塞桿內(nèi)徑為d=32mm。 表3-2活塞桿直徑系列〔826-66> 10 12 14 16 18 20 22 25 28 30 32 35 40 45 50 55 60 63 65 70 75 80 85 90 95 3.2.4 手指夾持范圍計算 活塞運(yùn)動長度為30mm,保證手指張開角度大于60度。手指長度為100mm,指

29、間平行間距為50mm,所以最小夾持半徑25mm。根據(jù)圖示,可計算最大夾持半徑為： 式〔3-5〕 由計算得出,機(jī)械手夾持半徑為25mm至80mm。 3.2.5 彈簧的設(shè)計計算 圖3-4 彈簧示意圖 取硅錳彈簧鋼,查表的切應(yīng)力為800MPa,選取旋繞比C為8。 所以 式〔3-6〕 選擇彈簧的中徑為D=42mm,則彈簧截面的直徑大約為 式〔3-7〕 而根據(jù)彈簧截面公式 式〔3-8〕 可得： 查取標(biāo)準(zhǔn)后選取彈簧截面半徑為4mm,因此確定彈簧D=40mm,d=4mm,節(jié)距選取為6.5mm。 3.3 本章小結(jié) 本章為搬運(yùn)

30、機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的相關(guān)計算。通過對手部夾持結(jié)構(gòu)的受力分析,以及對手部結(jié)構(gòu)夾緊力、手指夾持范圍、驅(qū)動液壓缸及其彈簧等計算,確定了手部結(jié)構(gòu)的基本尺寸。 第4章 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu)分析計算 4.1 腕部設(shè)計的基本要求 腕部是連接手部和手臂的部件,它的作用主要是在臂部運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位,以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍,并使機(jī)械手變的更靈巧,適應(yīng)性更強(qiáng)。一般機(jī)械手手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求,一些動作較簡單的專用機(jī)械手,為簡化結(jié)構(gòu),可以不設(shè)置腕部搬運(yùn)工件。此外,機(jī)械手腕部具有獨(dú)立的自由度,可以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求[7]。 手腕運(yùn)動有：繞X軸轉(zhuǎn)動稱為

31、回轉(zhuǎn)運(yùn)動；繞Y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動〔或俯仰〕；繞Z軸轉(zhuǎn)動稱為左右擺動；沿Y軸方向的橫向移動〔或沿Z軸方向的縱向移動〕。因此手腕最多具有四個獨(dú)立運(yùn)動即四個自由度。腕部設(shè)計的基本要求可以概括為以下三點(diǎn)： 〔1〕力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端,它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然,腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷,直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此,在腕部設(shè)計時,必須力求結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕。 〔2〕結(jié)構(gòu)考慮,合理布局 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu),又承擔(dān)連接和支撐作用,除保證力和運(yùn)動的要求外,要有足夠的強(qiáng)度、剛度外,還應(yīng)綜合考慮,合理布局,解決好腕部與臂部和手部的連接。 〔3〕必

32、須考慮工作條件 對于本設(shè)計,機(jī)械手的工作條件是在工作場合中搬運(yùn)加工的棒料,因此不太受環(huán)境影響,沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中,所以對機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。 4.2 腕部結(jié)構(gòu)選型 4.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu) 〔1〕具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它因具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動一般是通過旋轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)。回轉(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定〔一般小于〕。 〔2〕齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下,可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大,一般適用于懸掛式臂部。 〔3〕具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和

33、垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。 4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn),綜合以上的分析考慮到各種因素,腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu),采用液壓驅(qū)動。結(jié)構(gòu)形式如圖4-1所示。 圖 4-1 腕部結(jié)構(gòu)示意圖 4.3 腕部的設(shè)計計算 4.3.1 腕部的驅(qū)動力矩計算 腕部慣性力力矩為M慣,腕部摩擦力矩為M摩,腕部偏心力矩M偏,驅(qū)動力矩可表示為： 式〔4-1〕 根據(jù)參數(shù)要求,夾持工件為30kg,手部和腕部的結(jié)構(gòu)可以等效為一個圓柱體,高位400mm,直徑為100mm,估算其重力：

34、 式〔4-2〕 慣性力矩公式為： 式〔4-3〕 ω為腕部旋轉(zhuǎn)角速度啟為1.57s-2,為啟動角度0.314rad。 轉(zhuǎn)動慣量公式為： 式〔4-4〕 式〔4-5〕 將上面結(jié)果帶入公式4-3得： 式〔4-6〕 偏心力矩M偏,因?yàn)楣ぜ匦呐c腕部回轉(zhuǎn)中心線重合,所以偏心力矩M偏=0。摩擦力矩M摩=0.

35、1M驅(qū)。 所以,由公式4-1可知,驅(qū)動力矩為 式〔4-7〕 解得： 圖4-2 旋轉(zhuǎn)液壓缸 4.3.2 腕部旋轉(zhuǎn)液壓缸的確定 液壓缸內(nèi)徑參數(shù)如表4-1 表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列〔826-66〕 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 液壓缸內(nèi)徑參數(shù)如表4-2 表4-2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑系列〔1068-67〕 缸內(nèi)徑〔mm〕 63 100 110 125 140 15

36、0 160 180 200 缸外徑〔mm〕 76 121 133 168 146 180 184 219 245 根據(jù)表4-2,選擇旋轉(zhuǎn)液壓缸的內(nèi)徑為180mm,外徑為219mm,考慮到螺栓,外徑設(shè)定為226mm,旋轉(zhuǎn)液壓缸動片厚度設(shè)定為30mm,輸出軸與手指液壓缸缸體相連,設(shè)定直徑為45mm,輸出軸與動片用鍵連接,鍵參數(shù)b×h=14×9〔mm〕。 回轉(zhuǎn)液壓缸工作壓力為 式〔4-8〕 所以選擇液壓缸的工作壓力為1.5Mpa。 4.3.3 腕部旋轉(zhuǎn)液壓缸螺釘?shù)挠嬎? 螺釘間距示意如圖4-3 圖4-3 螺釘間距示意圖 螺釘間距t與

37、p之間的關(guān)系如表4-3 表4-3 螺釘間距t與壓力P關(guān)系表 工作壓力P 螺釘間距t〔mm〕 0.5至1.5 小于150 1.5至2.5 小于120 2.5至5.0 小于100 5.0至10.0 小于80 螺釘間距t,與工作壓力P有關(guān),已選定工作壓力為1.5Mpa,所以旋轉(zhuǎn)液壓缸螺釘間距小于150mm,所以每個螺釘?shù)奈ｋU截面承受壓力為 式〔4-9〕 已知參數(shù)液壓缸工作壓力P=4Mpa,所以螺釘間距應(yīng)小于150mm,初步擬定螺釘數(shù)為4個,則： 式〔4-10〕 141.3mm小于150mm,所以擬定的螺釘數(shù)是合理的。 危險截面的面

38、積為： 式〔4-11〕 因此, 式〔4-12〕 又因?yàn)? 式〔4-13〕 所以可以求得, 式〔4-14〕 又因?yàn)槁葆敳牧蠟镼235, 式〔4-15〕 進(jìn)而求得螺釘直徑為, 式〔4-16〕 因此選擇螺釘?shù)闹睆絛=12mm。 4.4 本章小結(jié) 本章通過對機(jī)械手腕部力學(xué)計算,選取了旋轉(zhuǎn)液壓缸,確定了腕部結(jié)構(gòu)尺寸,并對旋轉(zhuǎn)液壓缸連接螺栓進(jìn)行了校核。 第5章 搬運(yùn)機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂是機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的重要部件,它的作用是將被抓取的工件傳送到指定的位置和方位上,因而一般機(jī)械手的手臂有三個自由度,即手臂的伸縮、

39、左右的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和伸展運(yùn)動是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的,立柱的橫向運(yùn)動即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動通常由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),因此,它不僅僅承受被抓取工件的重量,而且承受手部、腕部和手臂自身的重量[11]。 臂部運(yùn)動的目的是把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)〔方位>,則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此,一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求, 既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),從臂部的受力情況分析,它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷, 而且自身運(yùn)動較多。因此,它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直

40、接影響到機(jī)械手的工作性能。 5.1 手臂設(shè)計的基本要求 〔1〕臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕。 a、根據(jù)受力情況,合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。 b、提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離。 c、合理布置作用力的位置和方向。 d、注意簡化結(jié)構(gòu)。 e、提高配合精度。 〔2〕臂部運(yùn)動速度要高,慣性要小。 減少慣量具體有3個途徑：減少手臂運(yùn)動件的重量,采用鋁合金材料；減少臂部運(yùn)動件的輪廓尺寸；減少回轉(zhuǎn)半徑,再安排機(jī)械手動作順序時,先縮后回轉(zhuǎn)〔或先回轉(zhuǎn)后伸縮〕,盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作。 〔3〕手臂動作應(yīng)該靈活。 為減少手臂運(yùn)動之間的摩擦阻力,盡可能用滾動摩擦代替滑動

41、摩擦。對于懸臂式的機(jī)械手,其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理,使手臂運(yùn)動盡可能平衡,以減少對升降支撐軸線的偏心力矩,特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死〔自鎖現(xiàn)象〕。為此,必須計算使之滿足不自鎖的條件。 5.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)及選型 常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種： 〔1〕導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu) 手臂的典型運(yùn)動形式有：直線運(yùn)動,如手臂的伸縮,升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運(yùn)動,如手臂的左右擺動,上下擺動；符合運(yùn)動,如直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合,兩直線運(yùn)動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。 〔2〕雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu) 〔3〕活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu) 結(jié)合設(shè)計要求,綜合考慮,本設(shè)計選擇單導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu),驅(qū)動方式選擇液壓驅(qū)動,液壓缸選取雙

42、作用液壓缸。基本機(jī)構(gòu)形式如圖5-1所示： 圖5-1 典型手臂機(jī)構(gòu) 5.3 手臂結(jié)構(gòu)受力分析 在液壓缸直線運(yùn)動的過程中需要克服摩擦、慣性等幾個方面阻力,因此確定液壓缸所需驅(qū)動力,公式如下： 式〔5-1〕 直線運(yùn)動須導(dǎo)向支撐裝置,在此選擇單導(dǎo)向桿,導(dǎo)向桿相關(guān)計算涉及到的公式下,如表5-1所示： 表5-1 導(dǎo)向桿計算公式 式〔5-2〕 式〔5-3〕 式〔5-4〕 式〔5-5〕 式〔5-6〕 式〔5-7〕 式〔5-8〕 式〔5-9〕 G總—— 工件及結(jié)構(gòu)總重〔N〕 L —— 總重心到導(dǎo)向桿前段的距

43、離〔m〕 A —— 導(dǎo)向桿長度〔m〕 —— 當(dāng)量摩擦系數(shù) 導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)如圖5-2所示： 圖5-2 導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)示意圖 導(dǎo)向桿選取材料為鋼,支撐件材料選取材料為鑄鐵,因此,確定當(dāng)量摩擦系數(shù)為0.3,在此,估算工件與機(jī)構(gòu)總重為1000N,導(dǎo)向桿長度a為1185mm,總重心到導(dǎo)向支撐前段距離L為62.5mm。 根據(jù)這些參數(shù)值,可以分別求得摩擦力阻力、手臂慣性力、密封裝置摩擦阻力,進(jìn)而求得液壓缸的驅(qū)動力。 〔1〕摩擦阻力的計算 將數(shù)據(jù)帶入公式得到摩擦力為： 式〔5-10〕 〔2〕手臂慣性力的計算 根據(jù)設(shè)計要求,本機(jī)械手臂直線伸縮的速度為V=5m/min,慣性力的計算需要啟動

44、時間,在此設(shè)定啟動時間為0.2s。因此, 式〔5-11〕 〔3〕密封裝置摩擦阻力的計算 本機(jī)械手臂的密封圈均采用O型密封圈,根據(jù)設(shè)計要求,因?yàn)橐簤焊椎墓ぷ鲏毫π∮?0Mpa,因此密封裝置的總摩擦阻力可以近似估算為 式〔5-12〕 〔4〕液壓缸的驅(qū)動力計算 根據(jù)以上數(shù)據(jù),可以得出此液壓缸的驅(qū)動力為 式〔5-13〕 解得驅(qū)動力為12080N,因此選擇液壓缸的工作壓力為4Mpa。 5.4 手臂液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的確定 由以上計算和分析得出,搬運(yùn)機(jī)械手的臂部結(jié)構(gòu)采用雙作用液壓缸,液壓缸的相關(guān)計算如下： 無桿腔： 式〔5-14〕 有桿腔： 式〔5-15〕

45、 因此,有桿腔內(nèi)有 式〔5-16〕 無桿腔內(nèi)有 式〔5-17〕 由已知數(shù)據(jù)：F驅(qū) = 12080N,P = 4Mpa,機(jī)械效率為0.95。所以, 式〔5-18〕 根據(jù)表選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑,D=65mm。壁厚須大7mm,在此選擇液壓缸外徑為85mm,活塞桿直徑選擇為30mm,根據(jù)行程要求,活塞桿長度L取938mm。 5.5 手臂液壓缸活塞桿的強(qiáng)度校核 搬運(yùn)機(jī)械手手臂液壓缸活塞桿的長度L大于活塞桿直徑d的15倍以上,查取相關(guān)資料得,其強(qiáng)度計算應(yīng)該滿足以下公式： 式〔5-19〕 活塞桿的材料為碳鋼,因此取

46、100×106,將已知參數(shù)帶入公式5-19得： 式〔5-20〕 因此,活塞桿的強(qiáng)度是達(dá)到要求的。 5.6 本章小結(jié) 本章主要設(shè)計搬運(yùn)機(jī)械手的手臂部分。結(jié)合設(shè)計要求,確定了手臂的機(jī)構(gòu)形式,通過力學(xué)計算,對臂部液壓缸進(jìn)行了選型,并確定了其結(jié)構(gòu)尺寸。 第6章 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計 機(jī)械手的機(jī)身結(jié)構(gòu)是整體結(jié)構(gòu)的支撐和驅(qū)動部分。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動,這些運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)都安裝在機(jī)身上,或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此,臂部的運(yùn)動越多,機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的,也可以是行走的,既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動。 6.1 機(jī)

47、身的整體設(shè)計 按照設(shè)計要求,機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在機(jī)身處。為了設(shè)計出合理的運(yùn)動機(jī)構(gòu),就要綜合考慮分析。 機(jī)身承載著手臂,做回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動,是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種： 〔1〕回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳動路線長,花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。 〔2〕回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿,內(nèi)部導(dǎo)向,結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降,運(yùn)動部件較大。 〔3〕活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動帶動與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn),從

48、而使手臂左右擺動。 經(jīng)過綜合考慮,本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計機(jī)身包括兩個運(yùn)動, 機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降。如下圖所示,回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸連接,回轉(zhuǎn)缸的動片與轉(zhuǎn)軸連接,由動片帶動手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動?；剞D(zhuǎn)缸的底蓋與升降缸的活塞桿連接。具體結(jié)構(gòu)見圖6-1。 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動,回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔,一個進(jìn)油孔,一個排油孔,分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來決定,對于本設(shè)計就是考慮兩個葉片之間可以轉(zhuǎn)動的角度,為滿足設(shè)計要求,設(shè)計中動片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)。 圖6-1機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖 6.2 機(jī)身旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計

49、6.2.1 機(jī)身旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計 根據(jù)已知條件分析,手臂回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩計算公式如下 式〔6-1〕 慣性力矩計算公式為 式〔6-2〕 公式中,各個參數(shù)分別代表： —— 回轉(zhuǎn)缸動片的角速度變化量〔rad/s〕 —— 啟動時間〔s〕 J0—— 手臂結(jié)構(gòu)及工件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量〔N.m.s2〕 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長為1800mm,直徑為80mm的圓柱體,其質(zhì)量約200kg,設(shè)定啟動角速度為180°,則啟動角速度為0.314rad/s,啟動時間設(shè)定為1s。 因此回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量為 式〔6-3〕 手臂結(jié)構(gòu)及工件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量為 式〔6-4〕 回轉(zhuǎn)驅(qū)動

50、力矩為 式〔6-5〕 因?yàn)椴捎肙型密封圈,所以摩擦阻力矩可以估算為 式〔6-6〕 由以上可得回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩為5150.52N.m.s2 通過對旋轉(zhuǎn)液壓缸的力矩和參數(shù)要求,進(jìn)行類似于腕部旋轉(zhuǎn)液壓缸的分析計算,確定回轉(zhuǎn)缸的輸出軸徑d=50mm,旋轉(zhuǎn)液壓缸的內(nèi)徑為150mm,外徑為230mm,螺釘為M20,動片厚度為60mm,動片和輸出軸之間為鍵連接,鍵參數(shù)b×h×L=14×9×56。 6.2.2 機(jī)身升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計 根據(jù)參數(shù)要求,機(jī)械手的升降行程為330mm,升降速度小于60m/s。通過分析計算〔過程類似機(jī)械手臂液壓缸分析計算過程〕,并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)查取表格得出,升降液壓缸外徑為110m

51、m,內(nèi)徑為90mm,活塞桿直徑為50mm。 6.3 本章小結(jié) 本章為搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計。主要包括機(jī)身旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和機(jī)身升降結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計要求,對機(jī)械手機(jī)身進(jìn)行力學(xué)分析,確定了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)液壓缸的基本尺寸以及升降結(jié)構(gòu)液壓缸的基本尺寸。 第7章 搬運(yùn)機(jī)械手運(yùn)動仿真分析 7.1 運(yùn)動仿真簡介 機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真技術(shù)就是通過對機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動副、驅(qū)動器,使其運(yùn)動起來,實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模擬。機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真可以在任意時刻查看各個組成部件的位置、速度、加速度、軌跡、位移、運(yùn)動干涉等參數(shù)并加以分析,根據(jù)結(jié)果調(diào)整模型設(shè)計,以達(dá)到最優(yōu)的零件機(jī)構(gòu)配置。 機(jī)構(gòu)仿真還可以分析力與運(yùn)動之間的關(guān)系,分析運(yùn)動量以及

52、運(yùn)動副之間的相互關(guān)系,關(guān)鍵部件的受力分析情況,實(shí)時測量指定部分的各種參數(shù)并繪制相應(yīng)曲線、圖表,可直觀了解運(yùn)動主體上某點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。 總體方案設(shè)計主要是利用已知條件及目的,進(jìn)行機(jī)械的全局設(shè)計。建立運(yùn)動模型是指進(jìn)行機(jī)械各部分的具體設(shè)計,并在計算機(jī)上進(jìn)行二維繪圖和三維實(shí)體造型,然后通過裝配模塊完成各零件的組裝,形成整機(jī)。設(shè)置運(yùn)動環(huán)境是定義機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動所必需的各種條件如：動力源,初始位置和狀態(tài)等,分析運(yùn)動機(jī)構(gòu)是定義要分析的屬性。在PRO/E中包括裝配分析、速度分析、靜態(tài)分析、運(yùn)動分析等多種分析結(jié)果是將分析的結(jié)果通過可視化的方法表現(xiàn)出來,主要包括運(yùn)動回收,可分析干涉檢驗(yàn),運(yùn)動包絡(luò)等,還可測量系統(tǒng)中需要

53、跟蹤參數(shù),并將其變化趨勢通過圖形的形式直觀的表現(xiàn)出來。 7.2 搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動仿真與分析流程 搬運(yùn)機(jī)械手的Pro/E機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真分為以下幾個步驟[13]： 〔1〕創(chuàng)建模型。除了要建立可運(yùn)動的裝配模型外,還應(yīng)設(shè)置運(yùn)動軸的位置、運(yùn)動限制等內(nèi)容,對于含有凸輪、齒輪副等的機(jī)構(gòu),海英建立凸輪、齒輪副等特殊連接。 〔2〕檢測模型。創(chuàng)建模型后,應(yīng)通過"拖動"等方法驗(yàn)證其運(yùn)動,用于檢驗(yàn)定義的連接是否能產(chǎn)生預(yù)期的運(yùn)動。還可以在拖動的同時創(chuàng)建機(jī)構(gòu)位置的快照,用于以后定義運(yùn)動分析的起點(diǎn)。 〔3〕添加伺服電動機(jī)。伺服電動機(jī)用于定義機(jī)構(gòu)所需的絕對運(yùn)動,將其運(yùn)用到運(yùn)動軸或幾何圖元中,可指定機(jī)構(gòu)元件或元件上點(diǎn)

54、的位置、速度或加速度。 〔4〕準(zhǔn)備分析。進(jìn)行運(yùn)動分析前,定義機(jī)構(gòu)的初始位置快照以及創(chuàng)建測量。如果希望運(yùn)動分析從元件上指定是位置開始,可使用2中"拖動"過程中建立的快照；若要在運(yùn)動分析中測量機(jī)構(gòu)的位置,則應(yīng)在此步驟中創(chuàng)建測量。 〔5〕分析模型。此步驟是運(yùn)動學(xué)仿真的關(guān)鍵內(nèi)容,可進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析或位置分析,并模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程。 〔6〕查看分析結(jié)果。運(yùn)行位置分析或運(yùn)動學(xué)分析后,可回訪運(yùn)動的結(jié)果查看數(shù)據(jù)、創(chuàng)建軌跡曲線、創(chuàng)建運(yùn)動包絡(luò)等多種操作來使用分析結(jié)果。 基于以上有關(guān)Pro/E機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真與分析的相關(guān)步驟,結(jié)合本設(shè)計的工序動作要求,對其進(jìn)行動畫仿真,實(shí)現(xiàn)工序： 手臂伸長——夾緊工件——

55、升高工件——腕部旋轉(zhuǎn)——肩部旋轉(zhuǎn)——放開工件——回到初始狀態(tài)。 7.3 機(jī)械手靜態(tài)展示與局部放大展示 如圖7-1所示,為搬運(yùn)機(jī)械手初始狀態(tài),在初始狀態(tài)手指為張開狀態(tài)。 圖7-1 機(jī)械手初始狀態(tài)展示 如圖7-2所示為搬運(yùn)機(jī)械手的手部腕部結(jié)構(gòu)放大展示,手部拉緊裝置由一個液壓缸和彈簧組合而成,腕部旋轉(zhuǎn)裝置為一個旋轉(zhuǎn)液壓缸。 圖7-2 手部腕部放大展示 如圖7-3所示,為電機(jī)插入狀態(tài)展示,通過電機(jī)的插入,使搬運(yùn)機(jī)械手得以實(shí)現(xiàn)連貫動作。 圖7-3 伺服電機(jī)插入展示 7.4 搬運(yùn)機(jī)械手工序過程展示 工序一：臂部液壓缸工作,使手臂伸長至指定長度,準(zhǔn)備抓取工件。

56、圖7-4 工序一 工序二：手部液壓缸工作,使手指夾緊工件。 圖7-5 工序二 工序三：機(jī)身液壓缸工作,使工件升高。 圖7-6 工序三 工序四：腕部旋轉(zhuǎn)液壓缸工作,使工件旋轉(zhuǎn)。 圖7-7 工序四 工序五：機(jī)身旋轉(zhuǎn)液壓缸工作,實(shí)現(xiàn)機(jī)身整體旋轉(zhuǎn)。 圖7-8 工序五 工序六：手部液壓缸工作,手指張開,將工件放置指定位置。 圖7-9 工序六 工序七：機(jī)械手五個液壓缸同時工作,各結(jié)構(gòu)回到初始狀態(tài)。 圖7-10 工序七 7.5 本章小結(jié) 本章為搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真部分。利用三維建模軟件Pro/E,對已設(shè)計好的搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行建

57、模和運(yùn)動仿真。通過仿真分析可知,所設(shè)計的搬運(yùn)機(jī)械手的功能是可以實(shí)現(xiàn)的。 結(jié)論 通過此次畢業(yè)設(shè)計,使我了解到機(jī)械手的很多相關(guān)知識。讓我對當(dāng)前國內(nèi)外在此方面的一些先進(jìn)生產(chǎn)和制造技術(shù)有了一定的認(rèn)識。在搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計過程中,讓我掌握了一定的機(jī)械設(shè)計方面的基礎(chǔ),為以后的工作學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。 搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計,相對于通用機(jī)械手而言,其動作固定,結(jié)構(gòu)簡單,同時成本低廉,專用性比較高,可實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)的一些搬運(yùn)裝卸工作。搬運(yùn)機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓傳動,液壓系統(tǒng)驅(qū)動力比較大,傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏,并且可與電液伺服機(jī)構(gòu)結(jié)合。本設(shè)計手部采用二手指滑槽杠桿式機(jī)構(gòu),腕部和肩部采用旋轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動作

58、。機(jī)械手的夾持件為棒形工件,對于其他尺寸或形狀的工件,可通過更改夾持范圍或者更換機(jī)械手等方式實(shí)現(xiàn)。 在設(shè)計對搬運(yùn)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu),腕部結(jié)構(gòu)和臂部結(jié)構(gòu)和做了系統(tǒng)的計算設(shè)計,設(shè)計中沒有涉及到機(jī)械手液壓系統(tǒng)油路的設(shè)計,對此方面知識,需要在以后的工作學(xué)習(xí)中了解和掌握。 由于經(jīng)驗(yàn)知識水平的局限,設(shè)計難免有不到之處,望讀者指正。 致 謝 緊張而充實(shí)的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲,經(jīng)過王老師的悉心指導(dǎo)和同組同學(xué)的幫助,使得各項(xiàng)任務(wù)順利的完成,在此,首先對王老師付出的辛勞表示衷心的感謝。感謝王老師對我的論文題目及圖紙,還有仔細(xì)的進(jìn)行指導(dǎo)給我指明方向；感謝你對各位同學(xué)

59、的精心指導(dǎo)和耐心的講解。當(dāng)我迷茫于眾多的資料時,你為我提綱挈領(lǐng),梳理脈絡(luò),使我確立了文本的框架。論文寫作中,每周都得到王老師的親自指點(diǎn)。從框架的完善,到內(nèi)容的擴(kuò)充；從行文的用語,到格式的規(guī)范,王老師都嚴(yán)格的要求,力求完美。 在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中,當(dāng)理論和實(shí)踐相結(jié)合時,我深刻的認(rèn)識到,僅僅靠積累的課本知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。尤其對于自身而言,知識的零碎、有限都給我的設(shè)計帶來了很大的困難,從這些困難我意識到我應(yīng)該馬上加倍努力學(xué)習(xí),進(jìn)而提高自身的技術(shù)水平和專業(yè)知識修養(yǎng),在今后的工作中不斷提高自己,充實(shí)自己。 在本次設(shè)計中,同學(xué)之間互相幫助,互相學(xué)習(xí),充分發(fā)揮了各自的才能。大家一起討論問題,一起虛心的

60、請教指導(dǎo)老師,將一個個難題逐步攻克,才使得畢業(yè)設(shè)計最終能夠成功的完成。這次的設(shè)計對我而言,是我在大學(xué)四年中做的最有意義、最能體現(xiàn)綜合能力、最具有挑戰(zhàn)性的一個學(xué)習(xí)內(nèi)容。依我來看,我的設(shè)計是可行的,若有不足之處,還請老師加以指正。我將在今后的工作中更加努力,認(rèn)真的學(xué)習(xí)。 最后,我要十分的感謝指導(dǎo)老師不倦的教誨和同學(xué)們的熱心幫助。祝老師們工作順利,身體健康。祝同學(xué)們前途似錦！ 參考文獻(xiàn) [1] 史國生.機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用[J].中國工控信息網(wǎng),2005.6 [2] 李超.氣動通用上下料機(jī)械手的研究與開發(fā)[M].XX科技大學(xué),2003.14 [3] 范印越.機(jī)器人技術(shù)[M].:電子

61、工業(yè),1988.13 [4] 劉明保,呂春紅等.機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)的確定[J].XX高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2004.25 [5] 李明.單臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手設(shè)計[M].制造技術(shù)與機(jī)床,2004.6 [6] 張鐵 謝存禧. 機(jī)器人學(xué).XX：華南理工大學(xué),2000.36 [7] 金茂青,曲忠萍,張桂華.國外工業(yè)機(jī)械人發(fā)展的態(tài)勢分析[J].機(jī)械人技術(shù)與應(yīng)用,2001.41 [8] 蔡自興.機(jī)器人原理及其應(yīng)用[M].XX:中南工業(yè)大學(xué),1988.30 [9] 蔡自興.機(jī)械人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略[J].機(jī)械人技術(shù),2001.4 [10] 齊秀麗,陳修龍.機(jī)械原理[M].：中國電力,2010

62、.8 [11] 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計[M].第八版.：高等教育,2006.5 [12] XX大學(xué)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)[M].XX：XX科學(xué)技術(shù),1980.10 [13] 丁淑輝,孟曉軍,邊炳傳.工業(yè)產(chǎn)品類CAD技能二、三級〔三維幾何建模與處理〕Pro/Engineer培訓(xùn)教程[M].：清華大學(xué),2010.9 [14]董玉紅,徐麗萍．機(jī)械控制工程基礎(chǔ)．：機(jī)械工業(yè),2006.16 [15] 丁樹模主編,機(jī)械工程學(xué).[M] ：機(jī)械工業(yè),2007.23 [16] C. S. G. Lee. On the Control of Mechanical Manip

63、ulators[J]. Proc. Sixth IFAC Conf. Estimation and Parameter Identification,1982. [17] S. Kajita, O. Matsumoto and M. Saigo, Real-time 3D walking pattern generation for a biped robot with telescopic legs[J]. Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, 2001. [18]Koza J R.Genetic Programming, o

64、n the Programming of Computers by Means of Natural Selection, 2003 [19]B. M. KimY. B. KimC. H. Oh.A study on the convergence of genetic algorithms. Computers and Industrial Engineering,1997 [20]Nicol N.Schraudolph,Richard K. Belew.Dynamic Parameter Encoding for Genetic Algorithms. Machine Learning

65、, 2002 77 / 77 附錄 外文文獻(xiàn) TOWARDSEFFICIENT IMPLEMENTATION OF QUADRUPED GAITSWITH DUTY FACTOR OF 0.75 Vincent HUGELand Pierre BLAZEVIC Laboratoirede Robotique de Paris 10,12 avenue de l'Europe, 78140 VELIZY France XX ： {hugel,blazevic} robot.uvsq.fr Abstract ： this work deals

66、 with the implementation of an efficient walking pattern for quadruped robots. The main objective is to give the robot the ability to walk in every direction as quickly as possible. Not onlyforward motion, but also backward motion, turning gaits of variable curvature including rotation around the body platform center ofgravity are considered separately. For this purpose the well known crawl gait with duty factor of % represents the starting point of the experimental study. From this point