智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂

...wd......wd......wd...2016全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽說(shuō)明書(shū)劉捷、孫伯乾、陳立新、隋曉謙、張世鵬指導(dǎo)教師：王洪博、劉元義目錄第一章、緒論11.1快遞的運(yùn)輸中存在的主要問(wèn)題 11.2快遞運(yùn)輸創(chuàng)新點(diǎn)及預(yù)想方案 1第二章、快遞分揀機(jī)的設(shè)計(jì)理念11.1傳統(tǒng)快遞分揀的方式及設(shè)計(jì)任務(wù)13.2臂：水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算33.3臂：垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算43.4回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算43.5驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算53.6兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 8四、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)94.1液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介94.2液壓系統(tǒng)的組成 94.3碼垛俠客液壓系統(tǒng)的控制回路104.4碼垛俠客的液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 10五、識(shí)別搬運(yùn)系統(tǒng)10六、底座構(gòu)造11七、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)11八、技術(shù)推廣及應(yīng)用價(jià)值12一、作品背景隨著科技的開(kāi)展,機(jī)器人應(yīng)用越來(lái)越廣泛。機(jī)器人技術(shù)的研究在經(jīng)歷了第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人和第二代感知型機(jī)器人兩個(gè)階段之后進(jìn)入第三代智能機(jī)器人的開(kāi)展階段。智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移開(kāi)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(guò)程中開(kāi)展起來(lái)的一種新型裝置。智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂已開(kāi)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成局部，可以使復(fù)雜而繁瑣的事情變得簡(jiǎn)單，工人們只需簡(jiǎn)單的操作就可以完成大量復(fù)雜的搬運(yùn)工作，同時(shí)也降低了人工搬運(yùn)的危險(xiǎn)性。所以大量的智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂出現(xiàn)了。二、作品特點(diǎn)1.可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。2.可以實(shí)現(xiàn)人工智能，對(duì)局部物品具有識(shí)別功能。3.構(gòu)造簡(jiǎn)單，本錢(qián)較低，故障率低。4.速度比擬快的搬運(yùn)貨物。5.耗能低，此機(jī)器人的功率只有5kw，可很大的節(jié)約客戶(hù)的運(yùn)行本錢(qián)。6．占地面積小，可在極其狹小的空間搬運(yùn)。三、作品構(gòu)造及工作原理3．1、臂部概述臂部是智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而碼垛俠客的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫向移動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)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、手腕、和手臂自身的重量。手臂的構(gòu)造、工作范圍、靈活性以及抓重大小〔即臂力〕和定位精度等都直接影響機(jī)械手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械爪的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度及其定位精度的要求來(lái)設(shè)計(jì)手臂的構(gòu)造型式。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接。剛度要大:為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。曲形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實(shí)心軸的好。所以常用鋼管臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。導(dǎo)向性要好:為防止手臂在直線移動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。偏重力矩要小:所謂偏重力矩就是指臂部的重量對(duì)其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)局部的重量，以減少偏重力矩和整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)。軸的旋轉(zhuǎn)慣量。運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高:由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動(dòng)即不平穩(wěn)，定位精度也不會(huì)高。故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動(dòng)局部的重量，使構(gòu)造緊湊、重量輕，同時(shí)要采取一定的緩沖措施。如圖手臂的橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)。手臂的橫向移動(dòng)是由活塞缸5來(lái)驅(qū)動(dòng)的，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺(tái)1用螺釘聯(lián)結(jié)，活塞桿4通過(guò)兩塊連接板3用螺釘固定在滑坐2上。當(dāng)活塞缸5通過(guò)壓力油時(shí)，其缸體就帶動(dòng)滑臺(tái)1，沿著燕尾形滑2做橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。3．2、臂：水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算手臂做水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要抑制摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要抑制啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力。其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算：式中Fm——各支承處的摩擦阻力；Fg——啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力，其大小可按下式估算：W——手臂伸縮部件的總重量〔N〕；g——重力加速度〔9.8m/s〕；a——啟動(dòng)過(guò)程中的平均加速度〔m/s〕。而△v——速度變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度V時(shí)，則這個(gè)過(guò)程的速度變化量就等于手臂的工作速度；△t——啟動(dòng)過(guò)程中所用的時(shí)間，一般為0.01∽0.5s。當(dāng)Fm=80N,W=1098〔N〕，△V=500mm/s時(shí)，3．3、臂：垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算手臂作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除抑制摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要抑制臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算：式中Fm——各支承處的摩擦力〔N〕；Fg——啟動(dòng)時(shí)慣性力〔N〕可按臂伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況計(jì)算；W——臂部運(yùn)動(dòng)部件的總重量〔N〕；±——上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。當(dāng)Fm=40N，F(xiàn)g=100N，W=1098N時(shí)3．4、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來(lái)計(jì)算。由于啟動(dòng)過(guò)程一般不是等加速度運(yùn)動(dòng)，故最大驅(qū)動(dòng)力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅(qū)動(dòng)力矩Mq可按下式計(jì)算：Mm——各支承處的總摩擦力矩；Mg——啟動(dòng)時(shí)慣性力矩，一般按下式計(jì)算：J——手臂部件對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；——回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度〔rad/s〕；△t——回轉(zhuǎn)臂的啟動(dòng)時(shí)間〔s〕。當(dāng)Mm=84(N·m)3.5、驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算1、手指；2、銷(xiāo)軸；3、拉桿；4、指座圖1杠桿式手部受力分析如以下圖為滑槽式手部構(gòu)造。在拉桿3作用下銷(xiāo)軸2向上的拉力為P，并通過(guò)銷(xiāo)軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷(xiāo)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(zhǎng)線交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷(xiāo)軸的力平衡條件，即，，銷(xiāo)軸對(duì)手指的作用力為p1′。手指握緊工件時(shí)所需的力稱(chēng)為握力〔即夾緊力〕，假想握力作用在過(guò)手指與工件接觸面的對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即得因?yàn)樗允街衋——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心線的距離〔毫米〕。α——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)，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿〔即活塞〕的行程過(guò)大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使之構(gòu)造加大，因此，一般取α=30°~40°，這里取角α=30度。這種手部構(gòu)造簡(jiǎn)單，具有動(dòng)作靈活，手指開(kāi)閉角大等特點(diǎn)。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)根基》[7]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，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(guò)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：η——手部的機(jī)械效率，一般取0.85~0.95；K1——安全系數(shù)，一般取1.2~2K2——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)，K2=1+a/g，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，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°,α=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)鉗子夾持工件的方位，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：把條件代入得當(dāng)量夾緊力為由滑槽杠桿式構(gòu)造的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式得P=P計(jì)算P實(shí)際=P計(jì)算取,,則3.6、兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析鉗口與鉗爪的連接點(diǎn)E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,假設(shè)設(shè)鉗爪對(duì)稱(chēng)中心O到工件中心O′的距離為x,則當(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∣-∣其中l(wèi)=45mm,b=5mm,a=27mm,,,代入公式計(jì)算得最大定位誤差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8。所以是符合要求。四、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介：智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂的液壓傳動(dòng)是以有壓力的油液作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，是將電動(dòng)機(jī)供應(yīng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過(guò)管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動(dòng)，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所能抑制的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時(shí)所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運(yùn)動(dòng)的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運(yùn)動(dòng)著的壓力油的容積變化來(lái)傳遞動(dòng)力的液壓傳動(dòng)稱(chēng)為容積式液壓傳動(dòng)，機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動(dòng)。4.2、液壓系統(tǒng)的組成：液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)局部組成：=1\*GB3①油泵：它供應(yīng)液壓系統(tǒng)壓力油，將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作。=2\*GB3②液動(dòng)機(jī)：壓力油驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件對(duì)外工作局部。手臂做直線運(yùn)動(dòng)，液動(dòng)機(jī)就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液動(dòng)機(jī)一般叫作油馬達(dá)，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動(dòng)機(jī)，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸〔或稱(chēng)擺動(dòng)油缸〕。=3\*GB3③控制調(diào)節(jié)裝置：各種閥類(lèi)，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運(yùn)動(dòng)。4.3、智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂液壓系統(tǒng)的控制回路：智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手臂自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡(jiǎn)，但是總不外乎由一些根本控制回路組成。這些根本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運(yùn)動(dòng)的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動(dòng)等。4．4、智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)圖的繪制是設(shè)計(jì)液壓機(jī)械手的主要內(nèi)容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿(mǎn)足機(jī)械臂動(dòng)作要求的有機(jī)聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專(zhuān)用回路所組成。繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個(gè)液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號(hào)，畫(huà)出液壓原理圖。五、識(shí)別搬運(yùn)系統(tǒng)智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂的頭部裝有兩個(gè)微型攝像頭，相當(dāng)于它的眼睛。每個(gè)攝像頭都可以360度旋轉(zhuǎn)，這樣保證了對(duì)周?chē)畔⒌挠行Р蹲剑难劬褪撬墓鈱W(xué)圖像識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一組特殊配置的透鏡和計(jì)算機(jī)組成，透鏡系統(tǒng)完成對(duì)三維光學(xué)圖像的變換運(yùn)算及相關(guān)運(yùn)算，再由計(jì)算機(jī)完成控制、分析和判斷任務(wù)，從而進(jìn)展有效的工作，動(dòng)力的輸入端在底座部位，設(shè)有電源插頭和蓄電池，增加了自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手臂工作續(xù)航能力。六、底座構(gòu)造機(jī)械手臂起到固定作用，可以使機(jī)械手臂穩(wěn)定的工作，設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮到夾物體的時(shí)候，夾到最大重量時(shí)仍能穩(wěn)定、不動(dòng)。所以設(shè)計(jì)成大小圓柱組合形狀，可以有效增加其作業(yè)時(shí)的安全性和穩(wěn)定性。其中控制機(jī)械手臂的電機(jī)在底座里面，包括各種芯片，控制系統(tǒng)?？梢杂行У目刂瓢徇\(yùn)機(jī)構(gòu)的識(shí)別搬運(yùn)和放置動(dòng)作，完成作業(yè)任務(wù)。底座下面設(shè)有固定裝置，可以把底座牢牢的吸在要工作的平面。七、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)1、智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂設(shè)有多節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，更利于其在復(fù)雜的環(huán)境下工作。2、智能伸縮運(yùn)載機(jī)械臂配有自動(dòng)平衡系統(tǒng)，根據(jù)不同的移動(dòng)姿態(tài)，自動(dòng)平衡系統(tǒng)可實(shí)時(shí)調(diào)整其自身的重心位置，確保它工作時(shí)的穩(wěn)定性。3、底座有電源插頭，同時(shí)機(jī)體配備有蓄電池組，保證了機(jī)器人的長(zhǎng)久運(yùn)行適應(yīng)多變的工作狀態(tài)。4、360的視覺(jué)監(jiān)視，大范圍