三自由度搬运机械手机构毕业设计

三自由度搬运机械手机构毕业设计 摘 要 机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用机械手是提高产品质 量与劳动生产率,实现生产过程自动化,改善劳动条件,减轻劳动强度的一种有效手段。 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操作的自动 化技术装备。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, 提高劳动生产率和生产自动化水平。 工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、 频繁、单调的操作,采用机械手是有效的;此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放 射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作,更显示其优越性,有着广阔的发展前途。 本课题的主要内容是采用机械设计原理,进行三自由度搬运机械手的设计,熟悉三 自由度机械手的运用场合和相关的设计步骤。机械手可以代替很多重复性的体力劳动, 从而减轻工人的劳动强度,提高生产效率。结合三自由度设计的各方面的知 识,在设计 过程中学会怎样发现问题.解决问题.研究问题。并且在设计中融入自己的想 法和构思, 提高自己的创新能力。尽力使机械手使用方便,结构简单。 关键词:机械手,输送工件,搬运,三自由度?Abstract? Manipulator? is? a? mechanical? technology? and? electronic? technology? with? the? combination? of? high? technology? products.?Using?manipulator? is? to? improve? product? quality? and?productivity,?and?realize?the?automatic?production?process,? improve?working?conditions,? and?reduce?labor?intensity?of?a?kind?of?effective?method.?It?is?an?imitation?of?the?upper?part?of? the?human?body?function,?according?to?the?predetermined?requirement?or?parts?transportation? holding?tools?for?operation?of?the?automation?technology?and?equipment.?Robots?can?replace? the?hands?of?heavy?labor,?significantly?reduce?the?labor?intensity,?improve?working?conditions,? and? improve? labor?productivity?and?production?automation? level.?Industrial?production?often? appears? in? the? handling? of? the? heavy? and? long?term,? frequent,? drab? operation,? USES? the? manipulator? is? effectiveIn? addition,? it? can? be? in? high? temperature,? low? temperature,? deep? water,? the?universe,? radioactive?and?other? toxic,?pollution?environment?conditions?operation,? more?shows?its?superiority,?with?broad?prospectsThis?topic?is?the?main?content?of?the?mechanical?design?principle?of?the?design?of?the three? dof? carrying? manipulator,? familiar? with? three? degrees? of? freedom? of? the? manipulator? using?occasions?and?related?design?steps.?Robots?can?replace?a?lot?of?repeatability?of?physical? labor,?so?as?to?reduce?the?labor?intensity,?improve?production?efficiency.?Combined?with?three? degrees?of? freedom?all?aspects?of?design?knowledge,? in?the?design?process?learn?how?to?find? out?the?problem?to?solve?problems.?And? in?the?design? idea?and? into?their? idea,? improve?their? innovation?ability.?Try?to?make?robots?easy?to?use simple?structureKey?Words:?Manipulator,?conveying?work?piece,?handling,?three? degrees?of?freedom?目 录 摘 要1? Abstract. 1? 目 录2? 第 1章 绪 论 3? 1.1机械手的特点. 4? 1.2机械手的组成. 4? 1.3?本文研究主要内容5? 第 2章 三自由度搬运机械手机构总体设计. 5? 2.1机械手的基本技术参数确定5? 2.1.1自由度6? 2.1.2坐标形式的选择6? 2.1.3规格参数8? 2.1.4有效负载8? 2.1.4运动特性9? 2.2?机械手材料的选择9? 2.3机械臂的运动方式. 10? 2.4机械手的驱动元件. 11? 第 3章 各主要组成部分设计 12? 3.1? 爪部机构设计 12? 3.1.1?手部设计计算 12 3.1.2?腕部设计计算 16? 3.1.3?臂伸缩机构设计18? 3.2?液压驱动系统设计. 20? 3.3?机身结构的设计22? 3.3.1?电机的选择. 22? 3.3.2?减速器的选择 23? 3.3.3?螺柱的设计与校核. 23? 3.3.4?机座的机械结构示意图25? 与展望27? 参考文献 27? 致 谢28? 第?1章 绪 论 随着人类科技的进步,社会经济的发展,机器人学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。它体 现了光机电一体化技术的最新成就,机械手作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。在人类社会 中,凡是有机械活动的地方,都能看到机械手的身影。机械手产品的应用已经由核工业和军事科技等高 端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了,并且各式各样的机械手正在涌现出来,以 惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。机械手是由于人类期望生产水平的提高,为了提升生产效率而 出现的。然而由于机械手善于完成重复的,单调的,精确度要求高的工作,能取代人在恶劣的环境中完 成人类不能或者不愿完成的工作,因此,机械手的出现又大大解放了人类的生产力。所以说机械手的发 展是社会发展的结果,也是社会发展的必然趋势。现在,很多发达国家都追逐着机械手这一发展趋势, 积极地进行着机械手的各种开发和研制的工作,并且其中一些国家已经取代了不错的成果,研制出了许 多新型且实用的机械手或者是机器人。例如:日本的跳舞机器人、犬型机器人爱宝AIBO;。英国研制 的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人;美国?iRobot?公司推出了能避开障碍,自动设计行进 路线吸尘器机器人 Roomba;上海世博会使用过的福娃机器人等等。 由于机械手的迅猛发展,机械手进入学校教学是必然的。三自由度机械手作为是机械手的典型产 品,其设计及应用对机电一体化、机械结构工艺、机械制造、自动化、电子信息等专业的教学及研究都 有着很重要的意义。 1.1机械手的特点? 1?机械手能进行自动化生产,降低成本。就本次设计的三自由度搬运机械手而言,它能不间断的搬 运零件和各种材料的输送。这样既提高了生产率又降低了生产成本。? 2?机械手能使产品品质稳定,减少人工污染。人工生产会使产品质量受工人状态起伏而影响。对于 某些高精度产品,人工送取会产生人工污染。? 3?机械手能改善劳动条件,避免各种工伤。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有 放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中,人工操作会有危险,机械手能代替人工作,改善了 人们的劳动条件。? 4?机械手能持久、耐劳,可以把人从繁重的劳动中解放出来,人在连续工作几个小时后,总会感到 疲劳或厌倦,以机械手代替人进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。? 5?机械手的灵活性、通用性强。它能通过更换部件来适应不同产品的生产。并通过改变程序和自由 度来达到迅速改变作业的可能性。这样机械手能满足各种各样的零件生产,在生产中发挥重大作用。? 1.2机械手的组成 工业机械手是由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。? 1.2.1执行机构 一般机械手的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位,还有行走机构组成。? 1.2.2驱动机构 驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用 的最多。 液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点,它利用油缸、马达 加上齿轮、齿条实现直线运动;利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链 条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点,结构紧凑,刚性 好。定位精度高,克实现任意位置开停。有很多专业机械手能直接利用主机的液压系统。 但缺点是需要配备压力源,系统复杂成本较高。 气动驱动结构简单、造价低廉。气源方便,所需的压缩气源一般工厂都有,并且无 污染,一般采用的压力 0.4-0.6MPa,最高可达 1MPa。缺点是出力小,体积大。由于空气 的可压缩性大,很难实现中间位置的停止,只能用于点位控制,而且润滑性较差,气压 系统容易生锈。 电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂, 很少采用。机械式用于简单的场 合。 1.2.3 控制机构 机械手的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位 程序 控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿 孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。 1.3 本文研究主要内容 通过利用网络工具、图书馆的书籍和各类期刊、杂志查阅了解三自由度搬运机械手 的相关知识,确定本设计符合要求,满足需要。具体设计方法如下: 1、查阅资料、结合所学专业课程,产生三自由度搬运机械手结构设计的基本思路, 2、查阅各类机械机构手册,确定合理的三自由度搬运机械手结构; 3根据给定的自由度和技术参数来选择合适的手部、腕部、臂部等部位 4、重点对驱动机构及控制机构进行设计研究; 5、通过研究国内外情况,确定本设计课题的重点设计; 6、完成 2D装配图的设计和绘制,并由此绘制零件图: 7、编写设计说明书; 8、检查并完善本设计课题。 本设计采用的方法是理论设计与经验设计相结合的方案,所运用的资料来源广泛, 内容充足。 第?2章 三自由度搬运机械手机构总体方案设计 本文的重要任务是完成机械手的设计,本章内容是围绕机械手机构设计任务 来展开,介绍机械手执 行机构设计思路。? 2.1机械手的基本技术参数确定 表示机器人特性的基本技术参数主要有自由度、坐标形式的选择、 2.1.1自由度 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,但是一般不包括手部(末端操 作器)的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度,在三维空间中描述一个物体的 位置和姿态需要六个自由度。 机械手的自由度越多,越接近人手的动作机能,其通用性就越好,但是结构也越复 杂,自由度的增加也意味着机械手整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对 矛盾,,此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低,在灵活性和轻量化之间必须 做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑,往往体积 庞大,负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用机械手有? 5~6?个自由度即可满足 使用要求(其中臂部有 3个自由度,腕部和行走装置有 2~3个自由度),专用机械手有? 1~2个自由度即可满足使用要求。 此次机械手设计要求的工作方向为两个直线方向和一 个旋转方向。在控制器的作用下,它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简 单的动作。在满足前提条件上尽量使结构简单,所以我们这次选择三自由度机械手。? 2.1.2坐标形式的选择 机械手的坐标形式主要可分为:直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型 另外还有比较复杂的 SCARA型和并联型。? 1直角坐标型机械手:这类机械手就是如图 2?1a得直移型,其手部空间位置的改变 通过沿三个互相垂直轴线的移动来实现,该形式机械手具有位置精度高,控制无耦合、 简单,壁障性好等特点。但结构较庞大,动作范围小,灵活性差,且移动轴的结构复杂, 占地面积大。而且需架空线路。? 2?圆柱坐标型机械手:这种机械手如图?2?1(b)的回转型机械手,通过两个移动和 一个转动实现手部空间位置的改变,手臂的运动系由垂直立柱平面内的伸缩和沿立柱的 升降两个直线运动及手臂绕立柱的转动复合而成。这种机械手,占地面积小 而活动范围 较大,结构亦较简单,并能达到较高的定位精度,因而应用范围较广泛。机身采用立柱 式,机械手侧面行走,顺利完成上料、翻转、转位等功能。但是结构也比较庞大,两个 移动轴的设计较为复杂。? 3?球坐标型机器人: 这类机械手如图? 2?1(c)的俯仰型机械手,其手臂沿?X?方向 伸缩,绕 Y轴俯仰和绕?Z轴回转。这类机械手具有占地面积小、结构紧凑、重量较轻、 位置精度尚可等特点,能与其他机器人协调工作,但避障性差,存在着平衡问题,位置 误差与臂长有关。? 4?关节坐标型机械手:如图?2?1(d)的屈伸型机械手,主要由立柱、前臂和后臂组 成。机器人的运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成,其结构最紧凑,灵活性大,占 地面积最小,工作空间最大,能与其他机器人协调工作,避障性好,但是位置精度较低, 存在平衡以及控制耦合的问题,故比较复杂。 图 2??1机械手的坐标形式 本次设计的三自由度机械手主要用来运输 2流水线的零件,2者距离 1.5m, 这就要 求机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小。根据上面? 4?种坐标形式,我选择了 圆柱坐标形式,这种形式比较符合这次设计的需要。图 2?2是机械手搬运物品示意图。 图中机械手的任务是将传送带?A上的物品搬运到传送带 B。 图 2??2? 机械手基本形式示意? 2.1.3规格参数 用途:搬运物料 抓重:5?kg? 工件的重量为 2.72kg此数据通过 3D软件测量所得为了保证有一定的负载余量? 自由度:3? 坐标形式:圆柱坐标形式 最大工作半径:800mm 两条输送带间距为 1.5m,将机械手的位置布置在 2条输送带 之间,保留每边 50mm的余量? 手臂最大中心高:1.5m? 2.1.4有效负载 有效负载是指机器人操作臂在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩,它表示了机 械手的负载能力。机器人的载荷不仅仅取决于负载的质量,还与机器人运动 的速度和加速度的大小及方 向有关。为了安全起见,有效负载是指高速运行时的有效负载。本文中机械手的作业对象为质量较轻的 物体,零件尺寸:内孔 100,壁厚? 10,高?100。 零件材料:45?钢,工件的重量为?2.72kg此数据通过? 3D软件测量所得为了保证有一定的负载余量,机械手的有效负载暂且设定为 5公斤。 图 2?3?工件图? 2.1.4运动特性 速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。提高速度可以提高工作效率,因 此提高机器人的加减速速能力,保证机器人加速过程的平稳性是非常重要的。对于本文 中的机械手, 在没有负载时可以适当地加快其运动速度?而在其有负载时, 末端执行器手 爪通常要和物体直接接触,为了安全起见,务必要尽量减少手臂的运动速度。总的来 说,机械手的速度在一定范围内要是可调的,这样才能满足在各种不同情况下的使用需 要。 2.2 机械手材料的选择 机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来进行选择,并满足机器人的设计 和制作 要求。从设计的思想出发,机器人手臂要完成各种运动。因此,对材料的一个要求是作 为运动的部件,它应是轻型材料。另一方面,手臂在运动过程中往往会产生振动,这必 然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时,需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑, 以便有效地提高手臂的动态性能。 此外, 机器人手臂选用的材料与一般的结构材料不同。 机器人手臂是一种伺服机构,要受到控制,必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时, 可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。 总之,选择机器人手臂的材料时,要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、 外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机器人手臂常用的材料:? l碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢:这类材料强度好,尤其是合金结构钢强度增 加了 4~5倍、弹性模量?E大、抗变形能力强,是应用最广泛的材料2铝、铝合金及其它轻合金材料:其共同特点是重量轻、弹性模量? E?不大,但是材 料密度小,则 E/p之比仍可与钢材相比3?陶瓷:陶瓷材料具有良好的品质,但是脆性大,可加工型不好,与金属等零件连 接的接合部需要特殊设计。然而,日本己试制了在小型高速机器人上使用的 陶瓷机器人 手臂的样品从本文设计的机械手的角度来看,在选用材料时不需要很大的负载能力,也不需要 很高的弹性模量和抗变形能力,此外还要考虑材料的成本,可加工性等因素。在衡量了 各种因素和结合工作状况的条件下,初步选用铝合金作为机械臂的构件。? 2.3机械臂的运动方式 根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见的机器人的运动形式有 五种:直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和 SCARA型。同一种运动形式为适 应不同生产工艺的需要,可采用不同的结构。具体选用哪种形式,必须根据作业要求、 工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况,分析比较并择优选取。 考虑到机械手的作业特点,即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧 凑、占用空间小等特点,故选用关节型机械手。这类机械手一般由 2个肩关节和 1个肘 关节进行定位,由 2个或 3个腕关节进行定向。其中,一个肩关节绕铅直轴旋转,另一 个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴 线,如图所 示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占 地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类机械手运动学比较复杂,运动 学的反解比较困难?确定末端杆件的姿态不够直观,且在进行控制时,计算量比较大。 图 2?1?常见的运动方式 2.4 机械手的驱动元件 在机器人驱动系统中,使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服 电机以及最近几年出现的超声波电机和 HD电动机等几种。 ?步进电机可直接将电脉冲信号转换成转角,每输入一个脉冲,步进电机就回转一 定的角度,其角度大小与脉冲数成正比,旋转方向取决于输入脉冲的顺序。步进电机可 在很宽的范围内,通过改变脉冲的频率来调速,能够快速起动、反转和制动,有较强的 阻碍偏离稳定的能力。在机器人中无位置反馈的位置控制系统中得到了广泛的应用。 直流伺服电机在机器人中应用也很广泛。常用它直接带动滚珠丝杠驱动关节手臂关 节运动。直流伺服电机的工作原理和基本结构均与一般动力用直流电机相同。按激磁方 式直流伺服电机可分为永磁式、他激式、并激式和串激式等。在机器人驱动系统中多采 用永磁式直流伺服电机。交流伺服电机在机器人中的应用情况与置流伺服电机相同,但交流伺服电机与直流 伺服电机相.比,,功率大、过载能力强、无电刷、环境适应性好,因而交流伺服电机是 今后机器人用电机的发展方向。 低速电机主要用于系统精度要求高的机器人。为了提高功率体积比,伺服电机制成 高转速,经齿轮减速后带动机械负载。由于齿轮传动存在间隙,系统精度不易提高,若 对功率体积比要求不十分严格,而对于精度有严格的要求,则最好取消减速齿轮,采用 大力矩的低速电机,配以高分辨率的光电编码器及高灵敏度的测速发电机,实现直接驱 动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点,使用在机器人的关节处,不需齿轮减速, 可直接驱动负载,因而可大大改善功率重量比,并可利用其中空结构传递信息。HD?电 动机High? Density? Motor是一种小型大转矩大推力的电动机,电动机可直 接与负载连 接,可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。 通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较,综合考虑本文机械手臂并不要求有 很高的扭矩,但是要求有较高精度并要求能够快速启动和制动,所以选择应用较为广泛 的直流伺服电机作为驱动电机。 第?3章 各主要组成部分设计? 3.1? 爪部机构设计? 3.1.1?手部设计计算 1对手部设计的要求 a有适当的夹紧力 手部在工作时,应具有适当的夹紧力,以保证夹持稳定可靠,变形小,且不损坏工 件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节,对于笨重的工 件应考虑采用自锁安全装置。 b有足够的开闭范围 根据工件外圆大小,夹持的大小直径必须大于 120mm 。 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时,一个手指开闭位置以最大变化量 称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围,可用开闭角和手指夹紧端长 度表示。手 指开闭范围的要求与许多因素有关,如工件的形状和尺寸,手指的形状和尺寸,一般来 说,如工作环境许可,开闭范围大一些较好,如图 3.1 所示。 图 3.1 机械手机构开闭示例简图? c?力求结构简单,重量轻,体积小 手部处于腕部的最前端,工作时运动状态多变,其结构,重量和体积直接影响整个 机械手机构的结构,抓重,定位精度,运动速度等性能。因此,在设计手部时,必须力 求结构简单,重量轻,体积小。? d?手指应有一定的强度和刚度? e其它要求: 因此送料,夹紧机械手机构,根据工件的形状,采用最常用的外卡式两指钳爪,夹 紧方式用常闭史弹簧夹紧,松开时,用单作用式液压缸。此种结构较为简单,制造方便。? 2拉紧装置 [4] 如图 3.2所示:油缸右腔停止进油时,弹簧力夹紧工件,油缸右腔进油时松开工件。 图 3.2 油缸示意图? a?右腔推力为 设定活塞的直径 D50mm,系统压力 P25Mpa ? P?D?F?p? 2?4?/ p (3.1) ? 3?2? 10?25?50?4?/ p 4908.7N b根据钳爪夹持的方位,查出当量夹紧力计算公式为: ? N?a?b?F ? 2?1? cos?/?2 a (3.3) 其中 N′4?98N392N,带入公式 2.2 得: ? N?a?b?F ? 2?1? cos?/?2 a 2?150/50?(cos30?)??392 1764N 则实际加紧力为 F1 实际PK1K2/η (3.3) 1764?1.5?1.1/0.853424N 经圆整 F13500N 由公式 p?b?a?N a cos?/?1?2?/? 得: a50.5 mm b72 mm P c计算手部活塞杆行程长 L,即 j?tg?D?L? 2?/ (3.4) 25×tg3023.1mm 经圆整取 l25mm d确定“V”型钳爪的 L、β [3] 。 取 L/Rcp3 (3.5) 式中: RcpP/4200/450 (3.6) 由公式(3.5)(3.6)得:L3×Rcp150 取“V”型钳口的夹角 2α120?,则偏转角β按最佳偏转角来确定, 查表得: β22?39′ 5机械运动范围(速度) a伸缩运动 V500mm/s Vmin50mm/s? b上升运动 V500mm/s? Vmin40mm/s? c下降 V800mm/s Vmin80mm/s d回转? ?W? 90?/s? min?W? 30?/s 所以取手部驱动活塞速度 V60mm/s? 6手部右腔流量? SV?Q (3.7)? 60? 2?r p 60×3.14×251177.5mm?/s 7手部工作压强? S?F?P? /?1 (3.8) 3500/1962.51.78Mpa 机械手手部的尺寸如图 3.3所示: 图 3.3 示意图? 3.1.2?腕部设计计算 腕部是联结手部和臂部的部件,腕部运动主要用来改变被夹物体的方位,它 动作灵 活,转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度,可采用具有一个活动度 的回转缸 驱动的腕部结构。 要求:回转?90角速度v 45?/s 以最大负荷计算: 当工件处于水平位置时,摆动缸的工件扭矩最大,采用估算法,工件重 10kg, 长度 l 650mm。如图 3.4 所示。 1计算扭矩? 1 M [4] 设重力集中于离手指中心 200mm 处,即扭矩? 1 M 为: S?F M?1? (3.9) 10×9.8×0.219.6(N?M) F S F 图 3.4 腕部受力简图 2油缸(伸缩)及其配件的估算扭矩? 2 M [4] F 5kg S 10cm 带入公式 2.9 得? S?F M?2? 5×9.8×0.1 4.9(N?M) 3摆动缸的摩擦力矩 摩 M [4] 摩?F? 300(N)(估算值)? S20mm? (估算值) 摩 M? ? 摩?F? ×S?6(N?M) 4摆动缸的总摩擦力矩M [4] M ? 1 M +? 2 M + 摩 M (3.10) 30.5(N?M) 5由公式 ? 8?/?10?6?2?1-? mm?A?b?P?T y y (3.11) 其中: b?叶片密度,这里取 b3cm;? 1?A y ?摆动缸内径, 这里取? 1?A y 10cm; 工 mm y ?转轴直径, 这里取? mm y 3cm。 所以代入(3.11)公式 ? 6?2?1? 10?8-? mm?A?b?T?P y y 8×30.5/0.03×(0.1?-0.03?)×10 6 0.89Mpa 又因为 b?A?Q?W? mm?2?1?/?8 y y - 所以 ? 8?/?2?1? b?A?W?Q? mm y y - (π/4)(0.1?-0.03?)×0.03/8 0.27×10 -4 m?/s 27ml/s? 3.1.3?臂伸缩机构设计 手臂是机械手机构的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部,并带动它们在空 间运动。 臂部运动的目的,一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上,从臂部的受力情 况看,它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷,而且自身运动又较多, 故受力较复杂。 机械手机构的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装 置和定位方式就显得尤其重要了 [5] 。 手臂的伸缩速度为 200m/s 行程 L500mm 1手臂右腔流量,公式(3.7)得:? SV?Q 200×π×401004800mm?/s 0.1/10?m?/s 1000ml/s 2手臂右腔工作压力,公式(3.8) 得:? S?F?P? / (2.12) 式中:F ??取工件重和手臂活动部件总重,估算 F 10+2030kg, 摩?F? 1000N。 所以代入公式(3.12)得: ? S?F?F?P? /?摩 + (30×9.8+1000)/π×400.26Mpa 3绘制机构工作参数表如表 3.1 所示: 表 3.1 机构工作参数表 机构名称 工作速度 行程 工作压力 流量 手部抓紧 腕部回转 小臂伸缩 60mm/s 45?/s 200mm/s 25mm ?90? 500mm 1.78 Mpa 0.89 Mpa 0.26Mpa 117.8m/s 27m/s 1000ml/s 4由初步计算选液压泵 所需液压最高压力 P 1.78Mpa 所需液压最大流量 Q 1000ml/s 选取 CB-D 型液压泵(齿轮泵) 此泵工作压力为 10Mpa,转速为 1800r/min,工作流量 Q在 32?70ml/r 之 间,可以 满足需要。 5验算腕部摆动缸: ? 8?/?10?6?2?1- ? m?mm?A?PD?T h y y (3.13) b?A?W? mm?m? 2?1?/?8 y y qh - (3.14) 式中:? m?H? ?机械效率取: 0.85~0.9? v?H? ?容积效率取: 0.7~0.95 所以代入公式(3.13)得: T 0.89×0.03×(0.1?-0.03?)×0.85×10 6 /8 25.8(N?M) T M30.5(N?M) 代入公式(3.14)得: W (8×27×10?-6 )×0.85/(0.1?-0.03?)×0.03 0.673rad/s W π/4?0.785rad/s 因此,取腕部回转油缸工作压力 P 1Mpa 流量 Q 35ml/s 圆整其他缸的数值: 手部抓取缸工作压力? 1?P?2Mpa 流量? 1?Q?120ml/s 小臂伸缩缸工作压力? 2?P?0.25Mpa 流量? 2?Q? 1000ml/s? 3.2?液压驱动系统设计 液压控制机械手机构的一种主要的控制形式。机械手机构的运动速度和操作 室根据 油的流量与压力来确定,因而只要控制油的流量和压力,就可以控制机械手 机构的运动 速度和操作力, 油压压力一般在 5?140 公斤/厘米范围内, 最大臂力可达 160 公斤以上。 主要优点: 1液压执行元件马达和油缸结构紧凑,重量轻,功率小。 2可通过液压油带走大量热能,保证机械的正常运行,并由于液压油的润滑作用, 可延长元件的使用寿命。 3液压元件有直线位移式和旋转式二种,适用范围较广,其控制速度的区间也比 较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。 4响应速度比较快,能高速启动,制动和反向,无后滞现象。其力矩一惯量比也 较大,因而其加速度能力较强。 5液压元件于其他驱动元件相比,刚度较大,位置误差小,定位精度高,而且耐 振动等。 缺点: 1液压控制需要一套液压系统,不像电力容易获得,而且价格较贵。 2油温有上限,并难以保持不漏,比较脏,易于使阀和执行元件堵塞。 3控制系统比较复杂,处理功率讯号的数学运算误差,检测,放大,测试和补偿功能 不如电子,机电装置灵活简便 [4-6] 。总体系统图 图? 3.8?总体系统图 1总体系统图如图 3.8所示,? 2工作过程: 小臂伸长?手部抓紧?腕部回转?小臂回转?小臂收缩?手部放松 3电磁铁动作顺序表: 表 3.2 总体系统图 元 件 动作? 1DT? 2DT 3DT 4DT 5DT 小臂伸长 手部抓紧 腕部回转 小臂收缩 - - - - + + + - + - - - - - + - - - - - 手部放松 卸荷 - + - ? + ? - ? - ? 4确电机规格: 液压泵选取 CB-D 型液压泵,额定压力 P 10Mpa,工作流量在 32~70ml/r 之间。选 取 80L/min 为额定流量的泵, 因此:传动功率 h?/?Q?P?N (3.15) 式中:η0.8 (经验值) 所以代入公式(3.15)得: N 10×80×10 3 ×10 6 /60×0.8 16.7KN 选取电动机 JQZ-61-2 型电动机,额定功率 17KW,转速为 2940r/min。? 3.3?机身结构的设计 机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装 置或传动件都安装在机身上,或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此,臂部的运 动愈多,机身的结构和受力情况就愈复杂,机身既可以是固定式的,也可以是行走式的 臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手机构的总体布局。本课题机械手机构的 机身设计成机座式,这样机械手机构可以是独立的,自成系统的完整装置,便于随意安 放和搬动,也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间,多见于回转型机械 手机构。 臂部可沿机座立柱作升降运动, 获得较大的升降行程。 升降过程由电动机带动螺柱旋转。 由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带 动了机身的旋转,从而达到了自由度的要求 [7-9] 。? 3.3.1?电机的选择 机身部使用了两个电机, 其一是带动臂部的升降运动; 其二是带动机身的回转运动。 带动臂部升降运动的电机安装在肋板上,带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。 带动臂部升降的电机: 初选上升速度 V 100mm/s P 6KW 所以 n (100/6)×601000 转/分 选择 Y90S-4 型电机,属于笼型异步电动机。采用 B级绝缘,外壳防护等级为 IP44, 冷却方式为 I(014)即全封闭自扇冷却,额定电压为 380V,额定功率为 50HZ。 如表 3.3 Y90S-4 电动机技术数据所示: 表 3.3 Y90S-4 电动机技术数据 型号 额定功 率 KW 满载时 堵转电 流 堵转转 矩 最大转 矩 电流 A 转速 r/min 效率% 功率因 素 额定电 流 额定转 矩 额定转 矩 Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 2.2 2.2? 3.3.2?减速器的选择 减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增 转矩,以满足工作需要。 初选?WD80型圆柱蜗杆减速器。? WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。 蜗杆的材料为 38siMnMo?调质 蜗轮的材料为 ZQA19?4? 中心矩? a80 Ms×q4.0×11? (3.16) 传动比 I?30? 传动惯量 0.265×10ˉ?kg?m3.3.3?螺柱的设计与校核 螺杆是机械手机构的主支承件,并传动使手臂上下运动。 螺杆的材料选择: 从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。 螺距 P 6mm 梯形螺纹 螺纹的工作高度 h 0.5P (3.17) 3mm 螺纹牙底宽度 b 0.65P0.65×63.9mm (3.18) 螺杆强度 〖11〗 [ ] a σs/3~5 (3.19) 150/3~5 30~50Mpa 螺纹牙剪切 [ ] b 40 弯曲 [ ]?b a 45~55 1当量应力 [ ] s p s? ? è + ? ? è ? 2? 3? 1? 2? 2? 1? 20? 3? 4? d? T? d? F? 3.20 式中 T??传递转矩 N?mm [σ]??螺杆材料的许用应力 所以代入公式(3.20)得: a ? 2?31? 2?2? 1? ?20?/?60?89?200??3??/?89?200?4?? d?d? +? p ? 6?2?31? 2?2? 1? 10?50?~?30??/?261???/?2495?? +? d?d? (2495/ d1?)?+3(61.2/ d1?)??900~2500×10 12 6225025/d1 4 +11236/d1 6 ?900~2500×10 12 6225025d1 2 +11236?900d1 6 ×10 12 6225025×0.029 2 +11236?900×0.029 6 ×10 12 即 16471pa<535340pa 合格 2剪切强度? P?H?Z? / 160/6 (旋合圈数) (3.21)? bz?d?F? 1?/p t (3.22) 200×9.8/π×0.029×3.9×(160/6)×10 -3 206.8×10 3 pa 0.206Mpa<[τ]40Mpa 3弯曲强度? z?b?d?Fh?b? 2? 1?/?3 p s 3×200×9.8×3/π×2.9×3.9 2 ×(160/6) 0.48Mpa<[σ]45Mpa 合格? 3.3.4?机座的机械结构示意图 带动机身回转的电机: 初选转速 W 60?/s N 1/6 转/秒 10 转/分 由于齿轮 I 3 减速器 I 30 所以 n 10×3×30900 转/分 选择 Y90L-6 型笼型异步电动机 电动机采用 B级绝缘。外壳防护等级为 IP44,冷却方式为 I(014)即全封闭 自扇冷 却,额定电压为 380V,额定功率为 50HZ。 如表 3.4 Y90S-6 电动机技术数据所示: 表 3.4 Y90L-6 电动机技术 型号 额定功 率 KW 满载时 堵转电 流 堵转转 矩 最大转 矩 电流 A 转速 r/min 效率 % 功率因 素 额定电 流 额定转 矩 额定转 矩 Y9OL-6 1.1 3.2 910 73.5 0.72 6.0 2.0 2.0 机座的机械结构如图 3.10 所示: 图 3.10 机座结构图 三自由度搬运机械手装配总图 图 3.11 三自由度搬运机械手装配总图 总结与展望 木文设计了一种小体积的移动机械手,详细地设计了移动机械手的各个子模块,包括一个移动抓手 和一个三自度的机械手。在全面分析各个系统的基础上,对系统研究过程中所遇到的一些问题也进行了 深入的研究。 本文所完成的工作达到了预期的目标,但是仍有进一步研究的必要,需要进一步改进的工作是本文 在设计时考虑到的移动机械手的工作范围仍然是有限的,在将来可以集成更多的传感器在小车的车身 上,以便移动平台能够更好的适应室外的工作环境。 参考文献 [1]成大先. 《机械设计手册》 [M]. 北京: 化学工业出版社,2008. [2]尚久浩. 《自动机械设计》[M]. 北京: 中国轻工业出版社,2006. [3] 顾晓勤.工程力学??[M]. 北京: 机械工业出版社,2008. [4]卢秉恒.机械制造技术基础[M]. 北京: 机械工业出版社,2008. [5] 单辉祖. 材料力学[M].北京:高等教育出版社, 2010. [6]张铁,谢存禧.机器人学[M].广州:华南理工大学出版社,2001[7]余达太, 马香峰.工业机器人应用工程[M].北京:冶金工业出版社,2001[8]吴琰琨. 液压与气动技术[M]. 北京: 人民邮电出版社,2008. [8]周伯英编, 工业机器人设计,机械工业出版社,1995 [8]加藤一郎编,上海交通大学机械手及机器人研究室译, 机械手图册,上海科学技术出 版社,1979 [9]濮良贵,纪名刚主编 , 机械设计第七版, 高等教育出版社, 2001 [10]周开勤主编, 机械设计手册第五版, 高等教育出版社,2001 [11]华大年主编, 机械原理第二版, 高等教育出版社, 1994 [12]达道安主编, 真空设计手册第三版, 国防工业出版社,2004 [13]朱辉,曹桄,唐保宁,陈大复等编, 画法几何及工程制图第五版, 上海科学技术 出版社,2003 [14]王永华主编,宋寅卯,陈玉国,郑安平副主编, 现代电气控制及 PLC 应用技术,北京 航空航天大学出版社,2003 致 谢 本是在导师的悉心指导下完成的,在这次毕业设计中,何老师给了我很大的帮 助,不仅让我在规定时间能完成了毕业设计,还使我学到了很多有用的经验。在这里我 衷心的感谢她。我还要感谢这四年能教授我知识的老师们,还有曾经帮过我 的同学们。 经过几个月的努力,毕业设计已经接近尾声。由于实践经验的匮乏,本次设计难免 有考虑不周的地方。如果没有何老师的悉心指导以及本组人员的支持,恐怕设计不会这 么顺利完成。自开题一来,何老师一直认真指导设计的每个环节,从资料的查阅到具体 方案的修改,任老师都提出了宝贵的建议,让我受益匪浅。除此之外,何老师科学严谨 的治学态度和渊博的专业知识更是我永远学习的榜样。再次对老师及本组的同学表示衷 心的感谢! 最后还要感谢曾执导过和给我帮助的老师!是你们曾经辛勤的付出才有了我今天知 识的积累。