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自动取料机械手--修改

发布时间:2020-07-18 16:31

  目 录 1 引言 ....................................................... 1 2 总体方案设计 ............................................. 4 2.1 明确设计要求.......................................... 4 2.2 传动方案的确定........................................ 5 2.3 基本参数的确定........................................ 5 3 机械手的整体设计方案 ..................................... 7 3.1 机械手的座标型式与自由度 ............................... 8 3.2 机械手的手部结构方案设计 ............................... 9 3.3 机械手的手腕结构方案设计 ............................... 9 3.4 机械手的手臂结构方案设计 ............................... 9 3.5 机械手的驱动方案设计 ................................... 9 3.6 机械手的控制方案设计 ................................... 9 3.7 机械手的主要技术参数 ................................... 9 4 手部结构设计 ............................................ 11 4.1 手指的形状和分类..................................... 11 4.2 设计时注意的几个问题 ................................. 11 4.3 手部夹紧气缸的设计 ................................... 12 5 手腕结构设计 ............................................. 15 5.1 手腕的自由度.......................................... 15 5.2 手腕的驱动力矩的计算 .................................. 16 6 手臂伸缩,升降,回转气缸的尺寸设计与校核 ............... 20 6.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 .......................... 20 6.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 .......................... 21 6.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 .......................... 22 总结与致谢 .................................................. 24 参考文献 .................................................... 25 附 录 ...................................................... 26 1 引言 随着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸、转向、 输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等工作的自动化,已愈来愈引起 人们的重视。 机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运 或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” ,它是近 几十年来出现的一种技术设备。工业机械手是在电子技术、机械技术和自动控制技术 相互渗透的基础上发展期来的,是电子和机械高度结合的技术密集型产业,而机械手 技术本身又是促进工业实现高度自动化的先导技术,因而在生产应用中可以提高生产 的自动化水平和劳动生产率;可以减轻劳动强度,保证产品质量、实现安全生产;尤 其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它 代替人进行正常的工作,意义更加重大。因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、 热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。 因为机械手对国民经济和社会生活都产生了很大的影响,因此机械手已成为工业先进 国家重要的技术发展领域之一。 气动机械手由操作机(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 自动化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。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。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。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动, 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过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服 务性设各, 也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分 动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业 生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动 化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、 保证产品质量、 实现安全生产;尤其在高温、 1 高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行 正常的工作,意义更为重大。因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电 镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构 形式开始比较简单,专用性较强,仅为某台机床的上下料装置,是附属于该机床的专 用机械手。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用 范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手能很快的 改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛 的引用。 从二十世纪四十年代中期,美国开始研制应用在核能领域的机械手开始,机械手 先后经历了单臂机械手、双臂机械手、电随动机械手、行走式机械手等时代。经过了 十几年的发展,机械手已经有了多种规格并且广泛应用在多种工业领域。机械手的结 构形式开始比较简单,专用性强,仅为某台机床的上下料装置,是附属于该机床的专 用机械手。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,使用 范围比较广的“程序控制通用机械手” ,简称通用机械手。 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: 1.工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),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。 2.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检 测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块 化装配机器人产品问市。 3.工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络 化;器件集成度提高, 控制柜日见小巧, 且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、 易操作性和可维修性。 4.机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器 外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声 觉、 力觉、 触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置 技术在产品化系统中已有成熟应用。 5.虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥 控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 6.当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机 器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能 2 机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种 系统成功应用的最著名实例。 7.机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装 置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人 从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科 技攻关,目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计 技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、 点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自 动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但 总的来看, 我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离, 如: 可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚, 应用领域窄, 生产线系统技术与国外 比有差距;在应用规模上,我国己安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台 数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应 用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度 低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化 前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推 进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不 少成果。 其中最为突出的是水下机器人, 6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平, 还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种: 在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一 定的发展基础。 但是在多传感器信息融合控制技术、 遥控加局部自主系统遥控机器人、 智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距 较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的 技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 本次毕业设计题目是自动取料系统设计,主要为机械手的设计工作,主要是根据 生产的具体要求进行接受方案的设计, 以便选择和确定机械手的坐标形式、 基本参数、 机械结构、驱动方式及系统原理图和控制方式及线路图等工作。 在现代工业自动化领域里,材料的搬运、机床的取料、整体的装配等是十分重要 的环节,而实现这些环节的自动化将大大提高生产效率,减少成本。用自动化机械代 替人的工作可以减少事故的发生。工业机械手就是为了实现这些环节的自动化而设计 的。 3 2 总体方案设计 关于机械手设计的具体工作,是不可能有一整套固定不便的设计步骤和工作内容 的,必须根据具体情况作具体的分析。现将本次自动取料机械手设计时的有关工作内 容和一般需要考虑的问题分析一下。 2.1 2.1.1 明确设计要求 被抓对象的情况 被抓对象的情况就是被抓取物件的重量、形状、尺寸、材料、表面加工情况、易 碎性及数量等,以便选择手部的结构及计算必要的加紧力或吸附力大小。 2.1.2 工作现场的情况 同位素自动取料机械手涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传 感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。它是一种能自动控制并 可以从新编程以变动的多功能机器,它有多个自由度,可以搬运物体以完成在不同环 境中的工作。新型同位素自动取料机不仅提高了分装计量精度和工作效率,而且改善 了工人的劳动条件,避免了同位素对人体辐射的危害,工作安全可靠。同位素自动取 料机械手所附属于工作主机或自动线的工作场地面积和空间大小,工作主机的排列情 况,决定着机械手的安装情况。如场地允许可选择地面固定式;若因场地面积窄小或 其它原因不宜把机械手固定在地面,则可以采用悬挂式或固定在工作主机机身上某适 当位置;若利用一台机械手进行多机床管理,则可选择悬挂轨道式或地面轨道式。 2.1.3 上、下料道和储料装置与工作主机的配置情况 上、下料道和储料装置与工作主机的相对位置,决定了工件在上料前和下料后在 空间所处的位置和姿势,这直接影响手臂的坐标形式。 2.1.4 生产工艺和工作机械对机械手的要求 由于产品生产工艺过程的不同和工作机械的不同生产特点, 影响机械手的自由度、 运动轨迹、运动速度和定位精度的确定,因此必需对生产工艺进行分析,比较工艺的 先进性和稳定性,最后按先进的工艺,设计必要的机械手,以完成辅助工作。 2.1.5 工作环境及其它特殊要求 如在高温环境工作的机械手,由于有热的传导和辐射问题,手部要采取冷却与隔 4 热措施;如在粉尘的环境工作的机械手,应加防护罩及密封装置;如在有腐蚀性的环 境里工作的机械手,应选择耐酸或耐碱的材料或涂敷耐酸、碱的橡胶。 2.2 传动方案的确定 确定传动方案是设计机械手首先要进行的工作。随着传动方案的确定,机械手的 总体布局也就有了概貌。 确定传动个方案的主要内容有两个:一是确定机械手的驱动方式。究竟是用液压、气 压、电动,还是机械传动,这要根据生产工艺过程、生产节拍和工作环境,结合工厂 具体条件确定,本次设计采用气压传动驱动方式。二是确定运动路线(即运动轨迹) 。 专用机械手要实现设计所需的动作要求,例如把工件从一个位置传送到另一个位置, 往往可有好几个运动路线,需要通过分析比较最后确定一个路线最短、动作最少的方 案。考虑运动路线时,一般可参照人的手臂和手腕的动作进行模拟类比,较直观的拟 定方案,同时参照手臂坐标形式来进行方案比较。 总之,在确定运动路线时,主要根据动作要求,并结合其它设计要求进行全面分 析比较,使手臂、手腕、手指分工配合协同动作,达到运动路线既短,结构又简单、 紧凑、合理、可靠。 2.3 基本参数的确定 机械手的基本参数有抓重(即臂力) 、自由度、工作行程(或转角) 、工作速度和 定位精度。 2.3.1 抓重 抓重是指机械手所能搬运物件的重量。抓重可以根据被抓取物件的重量并考虑适 当的安全系数来作决定。考虑到手臂机构强度等因素,通常安全系数 K 可在 2~3 范围 内选取。 2.3.2 自由度、工作行程或转角 在确定了机械手运动路线后,对运动路线进行分析,将复杂的运动路线分解成若 干个简单的直线运动和回转运动,每一个简单的独立运动即是一个自由度。 结合机械手安装的位置和工作机器、上下料道或储料装置的相对位置的尺寸,就 能确定运动路线分解后的各段工作行程和转角,考虑到行程、转角调整的需要,适当 加大其数值后,机械手的各个运动的最大行程便可据此确定。 5 2.3.3 工作速度 在各个分解运动的最大行程确定后,便可根据动作节拍确定各动作时间的分配, 从而确定各动作的工作速度。 机械手的动作节拍是指机械手完成一个动作循环所需的时间。它可以直接等于机 械设备的生产节拍。如冲床上料机械手与冲床联动,冲头上、下运行时,机械手退出 和送料。 亦有机械手的节拍占整个生产节拍的一部分。 如切削机床用的上下料机械手, 在机床加工时机械手时不动作的,当某一工序加工结束时机械手开始动作,这时机械 手的动作节拍应按需要和可能加以确定。 若某机械手要完成某一上料动作,需完成夹紧工件、手臂上升、手腕回转、手臂 回转、伸出、下降、放松工件、手臂缩回、反转、手臂反转等一系列动作,这些动作 都需要在节拍所规定的时间内完成。 令节拍为 T,各动作时间分别设为 t1 、 t2 ?? t n ,则 T ? t1 + t2 + t 3 +??+ t n (各动作依次进行) 或 T ? t1 + t2 + t4 +??+ t n (如手腕回转时间 t 3 手臂回转时间 t4 ) 在按动作节拍要求进行各动作时间分配时,要考虑下列问题: 1.由于继电器、电磁滑阀以及执行机构都有一定的惯性,从动作指令发出到开 始动作需要一段时间,因此单个动作时间不宜少于 0.2 秒(直流电磁阀的打开响应时 间 t 直=0.1~0.15 秒,交流电磁阀的打开响应时间 t 交=0.01~0.07 秒) 。 2.夹紧或放松动作时间一般可定为 0.2~0.3 秒。 3.手臂伸缩、水平回转和升降的时间,是机械手动作节拍的主要部分,要考虑 抓重和行程大小、驱动方式、缓冲和定位方式而加以确定。 在动作时间和行程确定后就可以求出机械手各动作的速度。 2.3.4 定位精度 表 2-1 定位精度数值表 普通搬运作业 切削机床上下料 冲床上下料 点焊、弧焊 喷漆 模锻 水平方向为 ±3~±5 mm 或无定位精度要求 ±1 mm ±1 mm ±1 mm ±2 mm ±0.5 mm 6 垂直方向为 装配、测量 ±1 mm ±0.1~±0.01 mm 机械手的定位精度是由加工工艺要求、机械手本省的结构特点(如制造精度、结 构刚度) 、抓重、工作行程、工作速度以及驱动、控制方式和缓冲定位方式诸因素所决 定。但是,加工工艺要求是主要的因素。设计机械手时,应力求保证各种不同的加工 工艺对定位精度的要求。 3 机械手的整体设计方案 对气动机械手的基本要求是能快速、 准确地拾-放和搬运物件, 这就要求它们具有 高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置 都能自动定位等特性。 设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术 要求, 拟定最合理的作业工序和工艺, 并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结 构形状和材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等, 从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件, 简化设计 制造过程, 兼顾通用性和专用性, 并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是 通用气动上下料机械手,如图3-1所示,是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改 变动作程序的自动搬运或操作设备,动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用 于操作环境恶劣的场合。 图 3-1 机械手的整体机械结构 7 3.1 机械手的座标型式与自由度 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况,其座标型式可分为直角座标式、 圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及 回转运动,因此,采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度,为了弥补升 降运动行程较小的缺点,增加手臂摆动机构,从而增加一个手臂上下摆动的自由度。 如图3-2所示 图3-2 机械手的运动示意图 8 3.2 机械手的手部结构方案设计 为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构,当工件 是棒料时,使用夹持式手部;当工件是板料时,使用气流负压式吸盘。 3.3 机械手的手腕结构方案设计 考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有 回转运动才可满足工作的要求。因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动的 机构为回转气缸。 3.4 机械手的手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回 转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的,立柱的横向移 动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。 3.5 机械手的驱动方案设计 由于气压传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失和泄漏较小,成本低廉因此 本机械手采用气压传动方式。 3.6 机械手的控制方案设计 考虑到机械手的通用性, 同时使用点位控制, 因此我们采用可编程序控制器(PLC) 对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常 方便快捷。 3.7 机械手的主要技术参数 1.机械手的最大抓重是其规格的主参数,由于是采用气动方式驱动,因此考虑 抓取的物体不应该太重,查阅相关机械手的设计参数,结合工业生产的实际情况, 本设计设计抓取的工件质量为5公斤。 2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了 要求,设计速度过低限制了它的使用范围。(如图3-2所示)而影响机械手动作快慢 的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为 1.0 m / s 。最大 回转速度设计为 90? / s 。平均移动速度为 0.8m / s 。平均回转速度为 60? / s 。机械手动 作时有启动、停止过程的加、减速度存在,用速度一行程曲线 全面,因为平均速度与行程有关,故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。 除了运动速度以外,手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手 设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径, 必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据 统计和比较,该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为 1400 mm 。手臂 升降行程定为 120mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为 ? 1mm。 3. 用途: 用于自动输送线 设计参数 抓重 自由度数 座标型式 最大工作半径 手臂最大中心高 5kg 4个自由度 圆柱座标 1400 mm 1250 mm 伸缩行程 1200 mm 伸缩速度 400 mm / s 手臂运动参数 升降行程 120mm 升降速度 250 mm / s 回转范围 0 ? 180 ? ? 回转速度 90 / s 回转范围 手腕运动参数 ? 0 ? ? 180? 回转速度 90 / s ? 手指夹持范围 定位方式 定位精度 驱动方式 控制方式 棒料: ? 80m m ? ?150m m 行程开关或可调机械挡块等 ? 1mm 气压传 点位程序控制(采用PLC) 10 图3-3 机械手的工作范围 4 手部结构设计 夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多, 如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 4.1 手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种,其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹 持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作,手 指可分为一支点回转型,二支点回转型和移动型(或称直进型),其中以二支点回转 型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时,就变 成了一支点回转型手指;同理,当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时,就成 为移动型。回转型手指开闭角较小,结构简单,制造容易,应用广泛。移动型应用 较少,其结构比较复杂庞大,当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的 位置,能适应不同直径的工件。 4.2 设计时注意的几个问题 1.具有足够的握力(即夹紧力) 在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产 生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。 11 2.手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭 角应保证工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考 虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 3.保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选 择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指,以便自动定心。 4.具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯 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。 5.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。 4.3 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4-1所示: 图4-1 齿轮齿条式手部 其工件重量G=5公斤,V形手指的角度 2? ? 120? ,b ? 120 mm ? R ? 24 mm ,摩擦系 数为 f ? 0.10 12 (1)根据手部结构的传动示意图,其驱动力为: 2b N p? R (2)根据手指夹持工件的方位 ,可得握力计算公式: N ? 0.5tg (? ? ? ) (4-1) (4-2) ? 0.5 ? 5 ? tg (60o ? 5o 42 ) ? 25( N ) 所以 p? (3)实际驱动力: 2b N ? 245( N ) R K1 K 2 p ?p ? (4-3) 1)因为传力机构为齿轮齿条传动,故取 ? ? 0.94 ,并取 K1 ? 1.5 。若被抓取工件 的最大加速度取 a ? 3g 时,则: K 2 ? 1 ? 所以 p实际 ? 245 ? 1.5 ? 4 ? 1563 ( N ) 0.94 a ?4 g 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 1563 N。 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: F1 ? ?D 2 P 4 ? Ft ? Fz (4-4) 式中: F1 - 活塞杆上的推力(N) Ft - 弹簧反作用力(N) Fz - 气缸工作时的总阻力(N) P - 气缸工作压力(Pa) 弹簧反作用按下式计算: Ft ? G f (1 ? s) (4-5) 13 Gf ? Gf ? Gd1 3 4 4 D1 n Gd1 (4-6) 8 D1 n 3 (4-7) 式中: G f - 弹簧刚度(N/m) 1 - 弹簧预压缩量(m) s - 活塞行程(m) d1 - 弹簧钢丝直径(m) D1 - 弹簧平均直径(m) n - 弹簧有效圈数. G - 弹簧材料剪切模量,一般取 G ? 79.4 ? 109 Pa 在设计中,必须考虑负载率 ? 的影响,则: F1 ? ?D 2 p? 4 ? Ft (4-8) 由以上分析得单向作用气缸的直径: D? 4( F1 ? Ft) ?p? (4-9) 代入有关数据,可得 79.4 ? 109 ? (3.5 ? 10?3 ) Gf ? ? 3 8 ? (30 ? 10?3 ) 3 ? 15 8D1 n ? 3677.46( N / m) Gd1 4 4 (4-10) Ft ? G f (1 ? s) ? 3677.46 ? 60 ? 10?3 ? 220.6( N ) (4-11) 所以: D ? 4 ? (490 ? 220.6) 4( F1 ? Ft) ? ? ? 0.5 ?106 ?pn ? 65.23(m m) 查有关手册圆整,得 D ? 65 mm 14 由 d / D ? 0.2 ? 0.3 ,可得活塞杆直径: d ? (0.2 ? 0.3) D ? 13 ? 19.5mm 圆整后,取活塞杆直径 d ? 18 mm 校核,按公式 F1 /(? / 4d 2 ) ? [? ] (4-12) 有: d ? (4F1 / ? [? ])0.5 其中,[ ? ] ? 120 MPa , F1 ? 750N 则: d ? (4 ? 490/ ? ?120) 0.5 ? 2.28 ? 18 满足实际设计要求。 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之比小 于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算: ? ? DPp / 2[? ] 式中: ? - 缸筒壁厚(mm) D - 气缸内径(mm) Pp - 实验压力,取 Pp ? 1.5P (Pa) (4-13) 材料为:ZL3,[ ? ]=3MPa 代入己知数据,则壁厚为: ? ? DPp / 2[? ] ? 65? 6 ? 105 /(2 ? 3 ? 106 ) ? 6.5(m m) 取 ? ? 7.5mm ,则缸筒外径为: D1 ? 65 ? 7.5 ? 2 ? 80(mm) (4-14) 5 手腕结构设计 5.1 手腕的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件,它的作用是调整或改变工件的方位,因而它具 有独立的自由度,以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的 通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手 抓取的工件是水平放置,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 可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构,应用最多的为回转油(气)缸,因 15 此我们选用回转气缸。它的结构紧凑,但回转角度小于 360? ,并且要求严格的密封。 5.2 手腕的驱动力矩的计算 5.2.1手腕转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动,驱动手腕回转时的驱动力矩必须 克服手腕起动时所产生的惯性力矩,手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩,动片 与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线 不重合所产生的偏重力矩.图5-1所示为手腕受力的示意图。 图5-1 手碗回转时受力状态 1——工件;2——手部;3——手腕 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: M驱 ? M惯 ? M偏 ? M摩 ? M封 式中: M 驱 M惯M偏M封- (5-1) 驱动手腕转动的驱动力矩( N ? cm ); 惯性力矩( N ? cm ); 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( N ? cm )。 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 16 矩( N ? cm ); 下面以图5-1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悦 若手腕起动过程按等加速运动,手腕转动时的角速度为 ? ,起动过程所用的时 间为 ?t ,则: M ? J ? J1 ? ?t ( N .cm) (5-2) 式中: J - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ( N .cm.s 2 ) ; J 1 - 工件对手腕转动轴线的转动惯量 ( N .cm.s 2 ) 。 若工件中心与转动轴线不重合,其转动惯量 J 1 为: J1 ? J c ? G1 2 e1 g (5-3) 式中: J c - 工件对过重心轴线的转动惯量 ( N .cm.s 2 ) : G1 - 工件的重量(N); e1 - 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), ? - 手腕转动时的角速度(弧度/s); ?t - 起动过程所需的时间(s); ?? — 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 M ? G1e1 ? G 3 e 3 (5-4) 式中: G 3 - 手腕转动件的重量(N); e 3 - 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.手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 M 封 M ? f ( RA d 2 ? RB d1 ) ( N ? cm ) 2 (5-5) 式中: d1 , d 2 - 转动轴的轴颈直径(cm); f - 摩擦系数,对于滚动轴承 f ? 0.01 ,对于滑动轴承 f ? 0.1 ; R A , RB - 处的支承反力(N),可按手腕转动轴的受力分析求解, ? 0 ,得: 根据 ? M ( A F) RB l ? G3l3 ? G2 l 2 ? G1l 17 RB ? 同理,根据 ? M B (F) ? 0 ,得: RA ? G1l1 ? G2 l2 ? G3l3 l G1 (l ? l1 ) ? G2 (l ? l2 ) ? G3 (l ? l3 ) l (5-6) 式中: G2 - 的重量(N) l , l1 , l 2 , l3 ,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm). 4.转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封,与选用的密 衬装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。 5.2.2 手腕回转缸的尺寸及其校核 1.尺寸设计 气缸长度设计为 b ? 100 mm ,气缸内径为 D1 =96mm,半径 R ? 48 mm ,轴径 D2 ? 26mm D2 =26mm,半径 R ? 13mm ,气缸运行角速度 ? = 90? / s ,加速度时间 ?t =0.1s,压强 P ? 0.4 MPa , 则力矩: M ? pb( R 2 ? r 2 ) 2 (5-7) 0.4 ?106 ? 0.1(0.0482 ? 0.0262 ) 2 ? 32.6( N .m) ? 2.尺寸校核 (1)测定参与手腕转动的部件的质量 m1 ? 10kg ,分析部件的质量分布情况, 质量密度等效分布在一个半径 r ? 50 mm 的圆盘上,那么转动惯量: m1 r 2 J? 2 ? 10 ? 0.052 2 (5-8) ? 0.0125 ( kg.m 2 ) 工件的质量为5 kg ,质量分布于长 l ? 100 mm 的棒料上,那么转动惯量: 18 m l2 12 5 ? 0.12 ? 12 ? 0.0042 ( kg.m 2 ) Jc ? (5-9) 假如工件中心与转动轴线不重合,对于长 l ? 100 mm 的棒料来说,最大偏心距 e1 ? 50m m ,其转动惯量为: J ? J c ? m1e1 2 ? 0.0042? 5 ? 0.052 ? 0.0167(kg.m ) 2 (5-10) M 惯 ? ( J ? J1 ) ? ?t 90 0.1 (5-11) ? (0.0125? 0.0167) ? 26.3( N .m) (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为M偏, 考虑手腕转动 件重心与转动轴线 ,夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线mm , 则: M 偏 ? G1 e1 + G 3 e3 (5-12) ? 10 ? 10 ? 0 ? 5 ? 10 ? 0.05 ? 2.5( N .m) (3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 M 摩 ,对于滚动轴承 f ? 0.01 ,对于滑 d1 ? 30m m , d 2 ? 20m m, R A , RB 动轴承 f =0.1, d1 , d 2 为手腕转动轴的轴颈直径, 为轴颈处的支承反力,粗略估计 R A ? 300N , RB ? 150N , M摩 ? f ( R A d 2 ? R B d1 ) 2 0.01 (300 ? 0.02 ? 150 ? 0.03) ? 2 (5-13) ? 0.05( N .m) 4.回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封,与选用的 19 密衬装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。在此处估计 M 封 为 M 摩 的3倍, M 封 ?3 ? M 摩 (5-14) ? 3 ? 0.05 ? 0.15( N .m) M驱 ? M惯 ? M偏 ? M摩 ? M封 (5-15) ? 26.3 ? 2.5 ? 0.05 ? 0.15 ? 29( N .m) M驱 〈M ? 设计尺寸符合使用要求,安全。 6 手臂伸缩,升降,回转气缸的尺寸设计与校核 6.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 6.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计 手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸,参看此公司生产的各种型号 的结构特点,尺寸参数,结合本设计的实际要求,气缸用CTA型气缸,尺寸系列初选内 径为 ? 100/63。 6.1.2 尺寸校核 1. 在校核尺寸时,只需校核气缸内径 D1 =63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足 使用要求即可,设计使用压强 P ? 0.4 MPa ,则驱动力: F ? P ? ?R 2 (6-1) ? 0.4 ? 106 ? 3.14 ? 0.03152 ? 1246 (N ) 2.测定手腕质量为50kg,设计加速度 a ? 10(m / s) ,则惯性力: F1 ? ma (6-2) 20 ? 50 ? 10 ? 500( N ) 3.考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数 k ? 0.2 , Fm ? k .F1 ? 0.2 ? 500 ? 100( N ) ? (6-3) 总受力 F0 ? F1 ? Fm ? 500 ? 100 ? 600( N ) F0 ? F 所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。 6.1.3 导向装置 气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时,为了防止手臂绕轴线转动,以保证手指 的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂 结构时,应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体 重量等因素来确定, 同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对 回转中心的惯量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆,真正的AG网址是哪个,双导向杆,四导向杆等,在本设计中才用 单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 6.1.4 平衡装置 在本设计中, 为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态,减少手抓一侧重 力矩对性能的影响,故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置,装置内加放砝码,砝码 块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节,务求使两端 尽量接衡。 6.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 6.2.1 尺寸设计 气缸运行长度设计为 l =118mm, 气缸内径为 D1 =110mm, 半径 R=55mm, 气缸运行速 21 度,加速度时间 ?t =0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力: G0 ? p.?R 2`` ? 0.4 ? 106 ? 3.14 ? 0.0552 ? 3799( N ) (6-4) 6.2.2 尺寸校核 1.测定手腕质量为80kg,则重力: G ? mg ? 80 ? 10 ? 800( N ) (6-5) 2.设计加速度 a ? 5(m / s ) ,则惯性力: G1 ? m a ? 80 ? 5 ? 400( N ) (6-6) 3.考虑活塞等的摩擦力,设定一摩擦系数 k ? 0.1 , Gm ? k .G1 ? 0.1 ? 400 ? 40( N ) ? (6-7) 总受力 Gq ? G ? G1 ? Gm ? 800 ? 400 ? 40 ? 1240( N ) Gq ? G0 所以设计尺寸符合实际使用要求。 6.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 6.3.1 尺寸设计 气缸长度设计为 b ? 120 mm ,气缸内径为 D1 ? 210m m,半径R=105mm,轴径 D2 ? 40mm 半径 R ? 20 mm ,气缸运行角速度 ? = 90? / s ,加速度时间 ?t ? 0.5s,压强 P ? 0.4 MPa , 22 则力矩: M ? pb( R 2 ? r 2 ) 2 (6-8) 0.4 ? 106 ? 0.12(0.1052 ? 0.0202 ) ? 2 ? 255( N .m) 6.3.2 尺寸校核 测定参与手臂转动的部件的质量 m1 ? 120kg ,分析部件的质量分布情况, 质量密度等效分布在一个半径 r ? 200 mm 的圆盘上,那么转动惯量: m1 r 2 J? 2 ? 120? 0.102 2 (6-9) ? 0.6 ( kg.m 2 ) M 惯 ? J. ? ?t (6-10) 90 0.5 ? 108( N .m) ? 0.6 ? 考虑轴承,油封之间的摩擦力,设定一摩擦系数 k ? 0.2 , M 摩 ? k.M 惯 ? 0.2 ? 108 ? 5.( 4 N .m) (6-11) 总驱动力矩: M驱 ? M惯 ? M摩 ? 108 ? 5.4 ? 113.( 4 N .m) (6-12) M驱 〈M ? 设计尺寸满足使用要求。 23 总结与致谢 我本次毕业设计的内容为自动取料系统设计。在这一学期的时间里,经过王智慧 老师的悉心指导下,顺利地完成了毕业设计。 经过这一个学期的毕业设计,使我解决问题的能力在原来理论知识的基础上又得 到了进一步的提高。不仅进一步巩固了前三年时间里所学的理论知识,还让我初步了 解了设计研发一种机械类产品的主要流程:怎样去收集、整理各种资料和素材,怎样 根据生产要求和施工环境具体设计,怎样去完善、合理的整理和编写说明书。通过此 次毕业设计也让我深深的体会到,现实当中设计生产一种机械产品的过程是相当复杂 和烦琐的,并不像自己想象和理论上那么简单。顺利地完成一项产品的设计,不仅需 要扎实的理论知识,还要考虑到许多现实的因素,这些收获都为我以后的学习和工作 起到很大的知道作用。 本次设计从选题、设计、到指导工作均是在王智慧老师的直接关怀和悉心指导下 完成的,导师严谨的治学态度,敏捷的思维,渊博的知识均使我受益非浅。在此,对 老师所给予的无私帮助表示诚挚的谢意。 这次设计是大学期间所学知识的一次综合运用,它涉及到机械设计,气压传动, 软件应用等多方面的知识。同时,这也是一次完全不同于以往的设计,它需要我们在 独立完成的同时,对过去所学的知识进行完善和总结。 在此期间,我遇到了许多困难 和疑惑,但在老师和同学的帮助下,得以在设计的期限内按要求顺利完成设计。同时, 我也认识到了自身知识的不足,在今后的人生道路上,我还需要不断的学习。 在整个设计过程中我深刻认识到了,只求结果有时并不一定可取,在迷茫的设计 过程中,王智慧老师曾给了不少支持和鼓励,于是得以长久的坚持下了,不仅仅是一 次学习过程,而且更好的完成了一次心理的历练,是一个成长的过程,在此对老师在 整个过程给予的帮助和支持真心的说声谢谢,我一定会在以后的工作工程中扎扎实实 的以此次毕业设计的心态来对待每一项工作和任务。 大学毕业后,我将步入工作岗位,届时我会更加刻苦的学习,母校给我的一切我 都将铭记于心。最后,对所有曾经传授我知识的老师,给过我帮助的同学们说一声谢 谢,感谢你们! 24 参考文献 [1] 张建民.工业机器人[M].北京:北京理工大学出版社,1988 [2] 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略[J].机器人技术[J],2001, 4 [3] 金茂青, 曲忠萍, 张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用[J] , 2001, 2 [4] 王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封[J],1999, 5 [5] [6] [7] [8] 严学高,孟正大.机器人原理[M].南京:东南大学出版社,1992 机械设计师手册[S].北京:机械工业出版社,1986 黄锡恺,郑文伟.机械原理[M].北京:人民教育出版社,1981 成大先.机械设计图册[S].北京:化学工业出版社 [9] 郑洪生.气压传动及控制[M].北京:机械工业出版社,1987 [10] 吴振顺.气压传动与控制[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1995 [11] 徐永生.气压传动[M].北京:机械工业出版社,1990, 5 25 附 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 录 自动取料系统 A0 装配图一张 自动取料机机械手装配图 A1 装配图一张 自动取料机回转缸装配图 A1 装配图一张 自动取料机机械手缸体 A3 零件图一张 自动取料机机械手回转轴 A3 零件图一张 自动取料机机械手手指 A3 零件图一张 自动取料机机械手连接体 A3 零件图一张 自动取料机机械手前端盖 A3 零件图一张 26

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