搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)論文(完整版)

1、摘 要隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及和發(fā)展,控制器的需求量逐年增大,搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用也逐漸 普及, 主要在汽車, 電子, 機(jī)械加工、 食品、 醫(yī)藥等領(lǐng)域的生產(chǎn)流水線或貨物裝卸調(diào)運(yùn) , 可 以更好地節(jié)約能源和提高運(yùn)輸設(shè)備或產(chǎn)品的效率,以降低其他搬運(yùn)方式的限制和不足,滿 足現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。搬運(yùn)機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器,在本設(shè)計(jì) 中,通過對(duì)機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),以及液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)四自由 度的運(yùn)動(dòng),完成了搬運(yùn)機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞:搬運(yùn)機(jī)械手;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);液壓系統(tǒng);四自由度ABSTRACTWith the popularization and d

2、evelopment of industrial automation, control demand increased year by year, carrying manipulator application also gradually popular, mainly in the automotive, electronics, machinery, food, medicine and other fields of production lines or cargo transport, can be better to save energy and improve the

3、efficiency of transport equipment or products, in order to reduce other handling the limitation and inadequacy, meet the needs of modern economic development.Manipulator is a kind of automatic positioning control and can be programmed to change the multi-function machines, In this design, through th

4、e mechanical hand arm structure design, structure design, and the design of the hydraulic system, to achieve four degrees of freedom movement, completed the manipulator system structure design.Key words:manipulator ; structure design ; hydraulic system ; four degrees of freedom movement目 錄1.6本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)

5、容 . 72. 搬運(yùn)機(jī)械手的整體設(shè)計(jì) . . 8 2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu) . . 8 2.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) . . 9 2.3控制系統(tǒng) . 92.4位置檢測裝置 . 93 手部結(jié)構(gòu) . . 10 3.1概述 . 10 3.2設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題 . 10 3.3驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 . 10 3.4兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 . 123.5手抓加持范圍計(jì)算 . 125 臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 . . 18 5.1臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 . 18 5.2手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) . 195.3臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 . 197 PLC控制回路的設(shè)計(jì) . . 30 7.1機(jī)械手工作流程 . 30 7.2電磁鐵動(dòng)作順 .

6、 30 7.3器件分配 . 31 7.4PLC 梯形圖 PLC 指令表 . 32 7.5PLC 指令表 . 33結(jié) 論 . . 35致 謝 . . 36參考文獻(xiàn) . . 37畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文1 緒論1.1設(shè)計(jì)背景機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置,它 是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來,隨著電子技術(shù)特別是 電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新 興技術(shù),它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展,使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī) 結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作,減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度,提高勞動(dòng)

7、生產(chǎn) 力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用,在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ,加工工件的 搬運(yùn)、裝卸,特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前,機(jī)械手已發(fā)展成 為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個(gè)重要組成部分。 把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共 同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元,它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn),可以節(jié)省龐大的工 件輸送裝置,結(jié)構(gòu)緊湊,而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí),柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變,有 利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種,提高產(chǎn)品質(zhì)量,更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前 我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離,應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化 水平低,機(jī)械手的研究和

8、開發(fā)直接影響到我國自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高,從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上 考慮都是十分必要的。因此,進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。1.2機(jī)械手簡介(1機(jī)械手的發(fā)展機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單,專用性較強(qiáng),僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置,是附屬 于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操 作,適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”,簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很 快的改變工作程序,適應(yīng)性較強(qiáng),所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛 的引用。專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展,如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī) 械手的應(yīng)用和發(fā)展,進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智

9、能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi)容,不僅包 括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí),而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、 計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等,因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前 國內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視,幾十年來,這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍,設(shè) 計(jì)在不斷地修改,品種在不斷地增加,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。早在 40年代,隨著原子能工業(yè)的發(fā)展,已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。 這種機(jī) 械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特 (Unimate機(jī)械手即屬于這種類型。6070年代, 又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車

10、身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上, 亦即是 第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。80-90年代,裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期,尤其是日本。90年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展, 除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外, 農(nóng)、 林、 礦業(yè)、 航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。90年代以后,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展,機(jī)械手技術(shù)也 得到飛速的多元化發(fā)展?？傊?目前機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代:第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制,控制方式為開環(huán)式,沒有識(shí)別能力;改進(jìn)的方 向主要是將低成本和提高精度;第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),具有視覺、觸覺 能力,甚至聽、想的能力。研究安

11、裝各種傳感器,把接收到的信息反饋,使機(jī)械手具有感 覺機(jī)能;第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián) 系,并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing System和柔性制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell中重要一環(huán)。(2液壓機(jī)械手液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮液體的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。 其主要特點(diǎn)是 :介質(zhì)李源極為方便,輸出力小,液壓動(dòng)作迅速,結(jié)構(gòu)簡單,成本低。但是,由于空氣具 有可壓縮的特性,工作速度的穩(wěn)定性較差,沖擊大,而且氣源壓力較低,抓重一般在 30公斤以下,在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)

12、械手的結(jié)構(gòu)大,所以適用于高速、輕載、高溫 和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。液壓技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn) :1體積小、重量輕,因此慣性力較小,當(dāng)突然過載或停車時(shí),不會(huì)發(fā)生大的沖擊;2能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)牽引速度,并可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速;3換向容易,在不改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的情況下,可以較方便地實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換;4液壓泵和液壓馬達(dá)之間用油管連接,在空間布置上彼此不受嚴(yán)格限制;5由于采用油液為工作介質(zhì),元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間能自行潤滑,磨損小,使用壽命長;6操縱控制簡便,自動(dòng)化程度高;7容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。在機(jī)械工業(yè)中,機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下:(1可以提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度應(yīng)用機(jī)械手,有利于提

13、高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的 自動(dòng)化程度,從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本,加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng) 化的步伐。(2可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、 臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中,用人手直接操作是有危險(xiǎn) 或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè),大大地改善了工 人的勞動(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中,以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作,可 以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。(3可以減少人力,便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作,這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面,同時(shí)由

14、于應(yīng)用機(jī)械手 可以連續(xù)地工作,這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此,在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn) 線上,目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手,以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍,便于有節(jié)奏地進(jìn) 行生產(chǎn)。綜上所述,有效地應(yīng)用機(jī)械手是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。在現(xiàn)代工業(yè)中, 生產(chǎn)過程的機(jī)械化、 自動(dòng)化已成為突出的主題。 在機(jī)械工業(yè)中, 加工、 裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。 專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法, 程控機(jī)床、 數(shù)控機(jī)床、 加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外,還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè),有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械 化。據(jù)資料介紹,美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中,有 75%

15、是小批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批量 中有四分之三在 50件以下, 零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的 5%。 從這 里可看出,裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性,工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化 而產(chǎn)生的。機(jī)械手可在空間抓放物體,動(dòng)作靈活多樣,適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批 量自動(dòng)化生產(chǎn),廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)、鐵路部門中機(jī)搬運(yùn)械手主要應(yīng)用于以下幾方面:(1熱加工方面的應(yīng)用熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng),很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了提高工作效 率,和確保工人的人身安全,尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需 要采用機(jī)械手操作。(2冷加工方面的應(yīng)用冷加工方面

16、機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的 上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用,成為設(shè)備的一個(gè)組成部 分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用,成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。 (3拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一,促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國 內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門,已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、 組裝輪對(duì)、清除石棉等,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車 車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手,可用以對(duì)客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆,以改善勞動(dòng)條件,提高噴漆的質(zhì) 量和效率。近些年,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及

17、傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用,工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面,數(shù)量、品種、性能方 面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此,國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍,重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手, 以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí),相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手,有 條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件,如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu),以及適于不同類型 的夾緊機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu),以便根據(jù)不同的作業(yè)要求,選用不用的典型部件, 即可組成各種不同用途的機(jī)械手

18、。 既便于設(shè)計(jì)制造, 又便于改換工作, 擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。 同時(shí)要提高精度,減少?zèng)_擊,定位精確,以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究 伺服型、記憶再現(xiàn)型,以及具有觸覺、視覺等性能地機(jī)械手,并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)用,逐步 成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。在國外機(jī)械制造業(yè)中,工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多,發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、模鍛壓 力機(jī)的上下料, 以及點(diǎn)焊、 噴漆等作業(yè)中, 它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作, 但是還不具備任何傳感反饋能力,不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí),就將引起零 部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此,國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某些智能的機(jī) 械手,使其擁有一定

19、的傳感能力,能反饋外界條件的變化,做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生 稍些偏差時(shí),即能更正,并自行檢測,重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀(即距離傳感器以及衛(wèi)星計(jì) 算機(jī)。工作時(shí),電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào),然后傳送給計(jì)算機(jī),以便分析物體 的種類、大小、顏色和方位,并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手先伸出手指尋找工 件,通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用,然后伸向前方,抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制,達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大 小?？傊?隨著傳感技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手的裝配作業(yè)

20、的能力將進(jìn)一步提高。到 1995年, 全世界約有 50%的汽車由機(jī)械手裝配。現(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合,從 而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。1.3 PLC概況及在機(jī)械手中的應(yīng)用(1 可編程序控制器的應(yīng)用和發(fā)展概況可編程序控制器(programmable controller ,現(xiàn)在一般簡稱為 PLC (programmable logic controller,它是以微處理器為基礎(chǔ),綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自 動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通 信網(wǎng)絡(luò)技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。以其顯著的優(yōu)點(diǎn)在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了

21、廣泛的應(yīng)用,成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大 支柱之一。在可編程序控制器問世以前,工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的繼電 器控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用甚廣。但是控制裝 置體積大、動(dòng)作速度較慢、耗電較多、功能少,特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng),接線 繁雜, 當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對(duì)象改變時(shí), 原有的接線刻控制盤 (柜 就必須隨之改變或更換, 通用性和靈活性較差。(2 PLC 的應(yīng)用概況PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣,并在迅速擴(kuò)大,對(duì)于而今的 PLC 幾乎可以說凡是需要控制系 統(tǒng)存在的地方就需要 PLC ,尤其近幾年來 PLC 的性價(jià)比不斷提高已被廣泛應(yīng)用在冶金、機(jī) 械、石油

22、、化工、輕功、電力等各行業(yè)。按 PLC 的控制類型,其應(yīng)用大致可分為以下幾個(gè)方面。1用于邏輯控制這是 PLC 最基本, 也是最廣泛的應(yīng)用方面。 用 PLC 取代繼電器控制和順序控制器控制。 例如機(jī)床的電氣控制、包裝機(jī)械的控制、自動(dòng)電梯控制等。2用于模擬量控制PLC 通過模擬量 I/O模塊,可實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換,并對(duì)模擬量控制。 3用于機(jī)械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代 PLC 具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能,它可以與機(jī)械加工中的數(shù)字控制(NC 及計(jì)算機(jī) 控制(CNC 緊密結(jié)合,實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。4用于工業(yè)機(jī)器人控制5用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的 PLC 具有較強(qiáng)的通信聯(lián)通能力,可實(shí)現(xiàn) PLC 與 PLC

23、之間、 PLC 與遠(yuǎn)程 I/O之 間、 PLC 與上位機(jī)之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。(3 PLC 的特點(diǎn)1可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)PLC 能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等中可靠地工 作, PLC 的平均無故障間隔時(shí)間高, 日本三菱公司的 F1系列 PLC 平均無故障時(shí)間間隔長達(dá) 30萬 h ,這是一般微機(jī)所不能比擬的。2控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強(qiáng)由于 PLC 是采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)控制功能,對(duì)同一控制對(duì)象,當(dāng)控制要求改變需改變 控制系統(tǒng)的功能時(shí),不必改變 PLC 的硬件設(shè)備,只需相應(yīng)改變軟件程序。3編程簡單、使用、維護(hù)方便4組合方便、功能強(qiáng)、

24、應(yīng)用范圍廣PLC 既可用于開關(guān)量的控制又可用于模擬量的控制;既可用單片機(jī)控制,又可用于組 成多級(jí)控制系統(tǒng);既可控制簡單系統(tǒng),又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。因此, PLC 應(yīng)用范圍很廣。 5體積小、重量輕、功耗低PLC 采用了半導(dǎo)體集成電路,外形尺寸很小,重量輕,同時(shí)功耗也很低,空載功耗約 1.2KW 。(4 PLC 在機(jī)械手中的應(yīng)用機(jī)械手通常應(yīng)用于動(dòng)作復(fù)雜的場合來代替人的反復(fù)的操作,從而節(jié)省人的勞動(dòng),普通 繼電器由于其體積和接口等各方面限制,經(jīng)常被應(yīng)用于動(dòng)作簡單的電氣及流水線控制,而 PLC 以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) ; 控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強(qiáng) ;編程簡單、使用、維護(hù)方便 ; 組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用

25、范圍廣 ; 體積小、重量輕、功 耗低等有點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于類似機(jī)械手的控制動(dòng)作復(fù)雜的場合,本設(shè)計(jì)正是以 PLC 控制為基 礎(chǔ)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各種動(dòng)。1.4 設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)通過對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)大學(xué)三年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合,完成一個(gè)特定功 能、特殊要求的搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì),能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)畢業(yè)生的理論 研究水平,實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度,具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo),能 夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。目前,在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成,勞動(dòng)強(qiáng)度大、生 產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率 , 降低成本 , 并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) , 適應(yīng)現(xiàn)代自

26、動(dòng)化大生產(chǎn) , 針對(duì)具體生產(chǎn)工藝 , 利用機(jī)器人技術(shù),設(shè)計(jì)用一臺(tái)裝卸機(jī)械手代替 人工工作,以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控車床(數(shù)控銑床,加工中心等組合最終形成生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)加工 過程(上料、加工、下料的自動(dòng)化、無人化。目前,我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展,越來 越多的資金流向制造業(yè), 越來越多的廠商加入到制造業(yè)。 本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠車間, 滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求,從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng) 度,節(jié)約加工輔助時(shí)間,提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。1.5設(shè)計(jì)原則在設(shè)計(jì)之前,必須要有一個(gè)指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是:以任務(wù)書所要求 的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo),充分考慮機(jī)

27、械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在 滿足工藝要求的基礎(chǔ)上, 盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練, 盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化的通用元配件, 以降低成本,同時(shí)提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則,同時(shí)也考慮本 次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí),如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、液壓、氣動(dòng)、 電氣傳動(dòng)及控制、可編程控制器(PLC 、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)仿真等知識(shí)盡可 能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中,使得經(jīng)過本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化,同時(shí)也 考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際,充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性,腳踏實(shí)地,實(shí)事求是的做好 本次設(shè)計(jì)。1.6 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容(1機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主

28、參數(shù),由于是采用液壓方式驅(qū)動(dòng),因此考慮抓 取的物體不應(yīng)該太重,查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù),結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況,本設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì)抓取的工件質(zhì)量為 60Kg 。(2基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要 求,設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及 回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手手臂最大中心高設(shè)計(jì)為 848mm 。最大回轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)為 0-180度。平均升 降速度為 67mm/s。平均伸縮速度為 83mm/s。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過程的加、減速度 存在,用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面,因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān),故用平均 速度表示速度的快慢更

29、為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外,手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸 縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。 過大的伸縮行程和工作半徑,必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自 動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較,該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為 800mm, 最大工作半徑約 為 1200mm 。手臂升降行程定為 300mm 。2. 搬運(yùn)機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾 -放和搬運(yùn)物件,這就要求它們具有高 精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自 動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)械手的原則是 :充分分析作業(yè)對(duì)

30、象 (工件 的作業(yè)技術(shù)要求,擬 定最合理的作業(yè)工序和工藝,并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件 ; 明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材 料特性,定位精度要求,抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等,從而進(jìn)一步確定 對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件,簡化設(shè)計(jì)制造過程,兼顧通 用性和專用性,并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制 . 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是一種適合于成批或中、 小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備,動(dòng)作強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生 產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。機(jī)械手的工作原理:機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置 等所組成。在 PLC 程序控制的條件下,采用液

31、壓傳動(dòng)方式,來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā) 生規(guī)定要求的,有順序,有運(yùn)動(dòng)軌跡,有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信 息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令,必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視,當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí) 即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。位置檢測裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的 位置進(jìn)行比較, 然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整, 從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。(1手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同,可分為夾持式和吸附式手在本課 題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指 (或手爪 和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手

32、指是與 物件直接接觸的構(gòu)件,常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(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。平移型應(yīng)用較少,其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但平移型手指夾持圓 形零件時(shí),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。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。 而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有 :滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 (2手腕是連接手部和手臂的部件,并可用來調(diào)整被抓取物件的方位 (即姿勢(shì) (3手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕

33、的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件, 并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件 (如 油缸、液壓缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等 與驅(qū)動(dòng)源 (如液壓、液壓或電機(jī)等 相配合,以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。(4立柱立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降 (或俯 仰 運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要,有時(shí)也可作橫向移動(dòng),即稱 為可移式立柱。(5機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分,機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上,故 起支撐和連接的作用。2.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。它由動(dòng)力裝

34、置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組 成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)。由于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速,反應(yīng)靈敏, 阻力損失和泄漏較小,成本低廉因此本機(jī)械手采用液壓傳動(dòng)方式。2.3 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng) 一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機(jī)械擋塊定位 系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是 PLC 程序 控制系統(tǒng),它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng),并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息 (如動(dòng) 作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間 ,同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令, 必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視,當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)?？紤]到 機(jī)械手的通用

35、性,同時(shí)使用點(diǎn)位控制,因此我們采用可編程序控制器 (PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行 控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí),只需改變 PLC 程序即可實(shí)現(xiàn),非常方便快捷。2.4 位置檢測裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置,并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng),并 與設(shè)定的位置進(jìn)行比較,然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到 設(shè)定位置 .3 手部結(jié)構(gòu)3.1 概述手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件,它具有模 仿人手的功能,并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手,它的手指形狀 也不象人的手指,它沒有手掌,只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住,因此,手部結(jié)構(gòu)及型式根 據(jù)它的使

36、用場合和被夾持工件的形狀,尺寸,重量,材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè) 計(jì)各種類型的手部結(jié)構(gòu),它一般可分為鉗爪式,氣吸式,電磁式和其他型式。鉗爪式手 部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多,如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、 斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等,這里采用滑槽杠桿式。3.2 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題(1應(yīng)具有足夠的握力(即夾緊力在確定手指的握力時(shí),除考慮工件重量外,還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的 慣性力和振動(dòng),以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。(2手指間應(yīng)有一定的開閉角兩個(gè)手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角 保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直

37、徑的工件,應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 (3應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置,必須根據(jù)被抓取工件的形狀,選擇相 應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“ V ”形面的手指,以便自動(dòng)定心。(4應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外,還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力 和振動(dòng)的影響,要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形,但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡 單緊湊,自重輕。(5應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同,來設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。 3.3 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算如圖 2-1所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿 3作用下銷軸 2向上的拉力為 P ,并通

38、過銷 軸中心 O 點(diǎn),兩手指 1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為 P1、 P2,其力的方向垂直于滑槽中心線 OO1和 OO2并指向 O 點(diǎn), P1和 P2的延長線交 O1O2于 A 及 B ,由于O1O B 和O2OA 均為直 角三角形,故 AOC= BOC=。根據(jù)銷軸的力平衡條件,即0; , 021=y x F P P Fcos21P P = cos2/1P P = 圖 3-1 滑槽杠桿式手部受力分析1. 手指 2. 銷軸 3. 拉桿 4. 指座 銷軸對(duì)手指的作用力為 p1。手指握緊工件時(shí)所需的力稱為握力 (即夾緊力 ,假想 握力作用在過手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi),并設(shè)兩力的大小相等,方向相反,以

39、 N 表 示。由手指的力矩平衡條件,即m01(F=0得b N h P = 1 (3-1因?yàn)?cos /a h =所以 a N P / (cosb 22=式中 a 手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離(毫米。 工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。由上式可知,當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 P 一定時(shí), 角增大則握力 N 也隨之增加,但 角過大會(huì)導(dǎo) 致拉桿(即活塞的行程過大,以及手指滑槽尺寸長度增大,使之結(jié)構(gòu)加大,因此,一般 取 4030=。這里取角 30=度。這種手部結(jié)構(gòu)簡單,具有動(dòng)作靈活,手指開閉角大等特點(diǎn)。查工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基 礎(chǔ)中表 2-1可知, V 形手指夾緊圓棒料時(shí),握力的計(jì)算公式 N=0.5G,

40、綜合前面驅(qū)動(dòng)力的 計(jì)算方法,可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及 傳力機(jī)構(gòu)效率的影響,其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力 P 實(shí)際應(yīng)按以下公式計(jì)算,即:/21K PK P =實(shí)際 (3-2式中 手部的機(jī)械效率,一般取 95. 085. 0;K1 安全系數(shù),一般取 22. 1;K2 工作情況系數(shù),主要考慮慣性力的影響, K2可近似按下式估計(jì), g K /a 12+=,其中 a 為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度, g 為重力加速度。本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移,當(dāng)它的移動(dòng)速度為 500毫米 /秒,移動(dòng)加速度 為 1000毫米 /秒 2,工件重量 G 為 98牛頓, V 型鉗口的夾角為

41、120,=30時(shí),拉緊油 缸的驅(qū)動(dòng)力 P 和 P 實(shí)際計(jì)算如下:根據(jù)鉗爪夾持工件的方位,由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計(jì)算 公式G N 5. 0= 把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為(300N N =由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式a N b P / (cos22= 得(75030030cos 33/5522N P P = (計(jì) 算/21K K P P 計(jì)算 實(shí)際 = (3-3取 85. 0=, 5. 11=K , 1. 19810/100012+=K則 (N P 145585. 0/1. 15. 1490=實(shí)際3.4 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析如圖 2-2所示,鉗口與鉗爪的連接

42、點(diǎn) E 為鉸鏈聯(lián)結(jié) , 如圖示幾何關(guān)系 , 若設(shè)鉗爪對(duì)稱中 心 O 到工件中心 O的距離為 x , 則22 sin /(a b R l x -+-=當(dāng)工件直徑變化時(shí) ,x 的變化量即為定位誤差,設(shè)工件半徑 R 由 Rmax 變化到 Rmin 時(shí) , 其最大定位誤差為2max 2 sin /(a b R l -+-=2min 2 sin /(a b R l -+-其中 l=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120 ,=15mm ,Rmax=30mm代入公式計(jì)算得最大定位誤差= 44.2-44.7 =0.50.8故符合要求 .3.5 手抓加持范圍計(jì)算為了保證手抓張開角為 60,活塞桿運(yùn)

43、動(dòng)長度為 34mm ,手指長為 100mm 。當(dāng)手抓么有 張開的時(shí)候,如圖 2-3(1 所示,根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),它的最小夾持半徑 R1=25mm,當(dāng)張開 60如圖 2-3(2所示,最大夾持半徑 R2計(jì)算如下:mm R 12330cos 2530tan 1102=+=所以機(jī)械手的夾持半徑從 .12325mmmm 。 圖 3-2 帶浮動(dòng)鉗口的鉗爪 (1 (2 圖 3-3 鉗口持半徑4臂部的設(shè)計(jì)手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部(包括工件或工 具,并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括 3個(gè)運(yùn)動(dòng):伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘 述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng),手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處,將在下一

44、章敘述。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種 傳動(dòng)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(dòng)載荷,而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此,它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到 機(jī)械手的工作性能。4.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求(1臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕根據(jù)受力情況,合理選擇截面形狀和輪廓尺寸,提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的 距離,合理布置作用力的位置和方向,注意簡化結(jié)構(gòu),提

45、高配合精度。(2臂部運(yùn)動(dòng)速度要高,慣性要小機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一,它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對(duì)于 高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手,其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在 smm /15001000,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在 s /180 內(nèi),大部分平均移動(dòng)速度為 smm /1000,平均回轉(zhuǎn)角速度在 s /90 。在速度和回轉(zhuǎn) 角速度一定的情況下,減小自身重量是減小慣性的最有效,最直接的辦法,因此,機(jī)械 手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 3個(gè)途徑:減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量,采用鋁合金材料。減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸。減少回轉(zhuǎn)半徑 ,再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí),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

46、回轉(zhuǎn)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。(3手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力,盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式的 機(jī)械手,其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理,使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡,以減少對(duì)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(jì)算使之滿足 不自鎖的條件。總結(jié):以上要求是相互制約的,應(yīng)該綜合考慮這些問題,只有這樣,才能設(shè)計(jì)出完 美的、性能良好的機(jī)械手。4.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種:(1雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有:直線運(yùn)動(dòng),如手臂的伸縮,升降和橫向移動(dòng);回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 如手臂的左右擺動(dòng),上下擺動(dòng);符合運(yùn)動(dòng),如

47、直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合,兩直線運(yùn)動(dòng)的 雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。(2雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。(3活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。通過以上,綜合考慮,本設(shè)計(jì)選擇雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu),使用液壓驅(qū)動(dòng) , 液壓缸選取雙作 用液壓缸 。4.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算先進(jìn)行粗略的估算,或類比同類結(jié)構(gòu),根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺 寸,再進(jìn)行校核計(jì)算,修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù),繪出最終的結(jié)構(gòu)。做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性等幾 個(gè)方面的阻力,來確定來確定液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。慣 回 密 摩 F F F F F +=分析:摩擦力的計(jì)算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀,

48、其摩擦阻力是不同的,要根據(jù)具 體情況進(jìn)行估算。上圖是機(jī)械手的手臂示意圖,本設(shè)計(jì)是雙導(dǎo)向桿,導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在 伸縮崗兩側(cè)。機(jī)械手臂部受力分析如圖 3-1所示。 圖 4-1 機(jī)械手臂部受力示意計(jì)算如下:由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置,兩導(dǎo)向桿受力均衡,可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。0A M= b G L aF =總 得 b G L F a =總0Y =b a G F F +=總得a L a F G a += 總 (4-1 a b a b F F F F F =+=+摩 摩 摩 2L a F G a +=總 摩 (4-2式中 G 總 參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力(含工件 (N ;L 手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離(m , 參考上一節(jié)的計(jì)算 ;a 導(dǎo)向支撐的長度(mm ; 當(dāng)量摩擦系數(shù),其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。對(duì)于圓柱面:(57. 127. 124 = = 摩擦系數(shù),對(duì)于靜摩擦且無潤滑時(shí):鋼對(duì)青銅:取 15. 01. 0=鋼對(duì)鑄鐵:取 3. 018. 0=計(jì)算:導(dǎo) 向 桿 的 材 料 選 擇 鋼 , 導(dǎo) 向 支 撐 選 擇 鑄 鐵 3. 05. 120. 0 =, N G 1070=總 ,L=1.69-0.028=1.41m,導(dǎo)向支撐 a 設(shè)計(jì)為 0.016m將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是 min m/5=V , 在計(jì)算慣性力的時(shí)候 , 設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間 s t 2. 0=,