自動夾取工件機械臂的設計

引言隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等工作的自動化，已愈來愈引起人們的重視。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”，它是近幾十年來出現(xiàn)的一種技術設備。工業(yè)機械手是在電子技術、機械技術和自動控制技術相互滲透的基礎上發(fā)展期來的，是電子和機械高度結(jié)合的技術密集型產(chǎn)業(yè)，而機械手技術本身又是促進工業(yè)實現(xiàn)高度自動化的先導技術，因而在生產(chǎn)應用中可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率；可以減輕勞動強度，保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更加重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。因為機械手對國民經(jīng)濟和社會生活都產(chǎn)生了很大的影響，因此機械手已成為工業(yè)先進國家重要的技術發(fā)展領域之一。氣動機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，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。本次畢業(yè)設計題目是自動取料系統(tǒng)設計，主要為機械手的設計工作，主要是根據(jù)生產(chǎn)的具體要求進行接受方案的設計，以便選擇和確定機械手的坐標形式、基本參數(shù)、機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式及系統(tǒng)原理圖和控制方式及線路圖等工作。在現(xiàn)代工業(yè)自動化領域里，材料的搬運、機床的取料、整體的裝配等是十分重要的環(huán)節(jié)，而實現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動化將大大提高生產(chǎn)效率，減少成本。用自動化機械代替人的工作可以減少事故的發(fā)生。工業(yè)機械手就是為了實現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動化而設計的。2總體方案設計關于機械手設計的具體工作，是不可能有一整套固定不便的設計步驟和工作內(nèi)容的，必須根據(jù)具體情況作具體的分析?，F(xiàn)將本次自動取料機械手設計時的有關工作內(nèi)容和一般需要考慮的問題分析一下。2.1明確設計要求2.1.1被抓對象的情況被抓對象的情況就是被抓取物件的重量、形狀、尺寸、材料、表面加工情況、易碎性及數(shù)量等，以便選擇手部的結(jié)構(gòu)及計算必要的加緊力或吸附力大小。2.1.2工作現(xiàn)場的情況同位素自動取料機械手涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。它是一種能自動控制并可以從新編程以變動的多功能機器，它有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。新型同位素自動取料機不僅提高了分裝計量精度和工作效率，而且改善了工人的勞動條件，避免了同位素對人體輻射的危害，工作安全可靠。同位素自動取料機械手所附屬于工作主機或自動線的工作場地面積和空間大小，工作主機的排列情況，決定著機械手的安裝情況。如場地允許可選擇地面固定式；若因場地面積窄小或其它原因不宜把機械手固定在地面，則可以采用懸掛式或固定在工作主機機身上某適當位置；若利用一臺機械手進行多機床管理，則可選擇懸掛軌道式或地面軌道式。2.1.3上、下料道和儲料裝置與工作主機的配置情況上、下料道和儲料裝置與工作主機的相對位置，決定了工件在上料前和下料后在空間所處的位置和姿勢，這直接影響手臂的坐標形式。2.1.4生產(chǎn)工藝和工作機械對機械手的要求由于產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程的不同和工作機械的不同生產(chǎn)特點，影響機械手的自由度、運動軌跡、運動速度和定位精度的確定，因此必需對生產(chǎn)工藝進行分析，比較工藝的先進性和穩(wěn)定性，最后按先進的工藝，設計必要的機械手，以完成輔助工作。2.1.5工作環(huán)境及其它特殊要求如在高溫環(huán)境工作的機械手，由于有熱的傳導和輻射問題，手部要采取冷卻與隔熱措施；如在粉塵的環(huán)境工作的機械手，應加防護罩及密封裝置；如在有腐蝕性的環(huán)境里工作的機械手，應選擇耐酸或耐堿的材料或涂敷耐酸、堿的橡膠。2.2傳動方案的確定確定傳動方案是設計機械手首先要進行的工作。隨著傳動方案的確定，機械手的總體布局也就有了概貌。確定傳動個方案的主要內(nèi)容有兩個：一是確定機械手的驅(qū)動方式。究竟是用液壓、氣壓、電動，還是機械傳動，這要根據(jù)生產(chǎn)工藝過程、生產(chǎn)節(jié)拍和工作環(huán)境，結(jié)合工廠具體條件確定，本次設計采用氣壓傳動驅(qū)動方式。二是確定運動路線（即運動軌跡）。專用機械手要實現(xiàn)設計所需的動作要求，例如把工件從一個位置傳送到另一個位置，往往可有好幾個運動路線，需要通過分析比較最后確定一個路線最短、動作最少的方案?？紤]運動路線時，一般可參照人的手臂和手腕的動作進行模擬類比，較直觀的擬定方案，同時參照手臂坐標形式來進行方案比較。總之，在確定運動路線時，主要根據(jù)動作要求，并結(jié)合其它設計要求進行全面分析比較，使手臂、手腕、手指分工配合協(xié)同動作，達到運動路線既短，結(jié)構(gòu)又簡單、緊湊、合理、可靠。2.3基本參數(shù)的確定機械手的基本參數(shù)有抓重（即臂力）、自由度、工作行程（或轉(zhuǎn)角）、工作速度和定位精度。2.3.1抓重抓重是指機械手所能搬運物件的重量。抓重可以根據(jù)被抓取物件的重量并考慮適當?shù)陌踩禂?shù)來作決定?？紤]到手臂機構(gòu)強度等因素，通常安全系數(shù)K可在2~3范圍內(nèi)選取。2.3.2自由度、工作行程或轉(zhuǎn)角在確定了機械手運動路線后，對運動路線進行分析，將復雜的運動路線分解成若干個簡單的直線運動和回轉(zhuǎn)運動，每一個簡單的獨立運動即是一個自由度。結(jié)合機械手安裝的位置和工作機器、上下料道或儲料裝置的相對位置的尺寸，就能確定運動路線分解后的各段工作行程和轉(zhuǎn)角，考慮到行程、轉(zhuǎn)角調(diào)整的需要，適當加大其數(shù)值后，機械手的各個運動的最大行程便可據(jù)此確定。2.3.3工作速度在各個分解運動的最大行程確定后，便可根據(jù)動作節(jié)拍確定各動作時間的分配，從而確定各動作的工作速度。機械手的動作節(jié)拍是指機械手完成一個動作循環(huán)所需的時間。它可以直接等于機械設備的生產(chǎn)節(jié)拍。如沖床上料機械手與沖床聯(lián)動，沖頭上、下運行時，機械手退出和送料。亦有機械手的節(jié)拍占整個生產(chǎn)節(jié)拍的一部分。如切削機床用的上下料機械手，在機床加工時機械手時不動作的，當某一工序加工結(jié)束時機械手開始動作，這時機械手的動作節(jié)拍應按需要和可能加以確定。若某機械手要完成某一上料動作，需完成夾緊工件、手臂上升、手腕回轉(zhuǎn)、手臂回轉(zhuǎn)、伸出、下降、放松工件、手臂縮回、反轉(zhuǎn)、手臂反轉(zhuǎn)等一系列動作，這些動作都需要在節(jié)拍所規(guī)定的時間內(nèi)完成。令節(jié)拍為T，各動作時間分別設為、……，則T＋＋＋……＋（各動作依次進行）或T＋＋＋……＋（如手腕回轉(zhuǎn)時間<手臂回轉(zhuǎn)時間）在按動作節(jié)拍要求進行各動作時間分配時，要考慮下列問題：1．由于繼電器、電磁滑閥以及執(zhí)行機構(gòu)都有一定的慣性，從動作指令發(fā)出到開始動作需要一段時間，因此單個動作時間不宜少于0.2秒（直流電磁閥的打開響應時間直＝0.1~0.15秒，交流電磁閥的打開響應時間交＝0.01~0.07秒）。2．夾緊或放松動作時間一般可定為0.2~0.3秒。3．手臂伸縮、水平回轉(zhuǎn)和升降的時間，是機械手動作節(jié)拍的主要部分，要考慮抓重和行程大小、驅(qū)動方式、緩沖和定位方式而加以確定。在動作時間和行程確定后就可以求出機械手各動作的速度。2.3.4定位精度表2-1定位精度數(shù)值表普通搬運作業(yè)±3～±5mm或無定位精度要求切削機床上下料±1mm沖床上下料±1mm點焊、弧焊±1mm噴漆±2mm模鍛水平方向為±0.5mm垂直方向為±1mm裝配、測量±0.1～±0.01mm機械手的定位精度是由加工工藝要求、機械手本省的結(jié)構(gòu)特點（如制造精度、結(jié)構(gòu)剛度）、抓重、工作行程、工作速度以及驅(qū)動、控制方式和緩沖定位方式諸因素所決定。但是，加工工藝要求是主要的因素。設計機械手時，應力求保證各種不同的加工工藝對定位精度的要求。3機械手的整體設計方案對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、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定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，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、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手,如圖3-1所示，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。圖3-1機械手的整體機械結(jié)構(gòu)3.1機械手的座標型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。如圖3-2所示圖3-2機械手的運動示意圖3.2機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。3.3機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。3.4機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。3.5機械手的驅(qū)動方案設計由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。3.6機械手的控制方案設計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。3.7機械手的主要技術參數(shù)1.機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質(zhì)量為5公斤。2.基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。（如圖3-2所示）而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設計為。最大回轉(zhuǎn)速度設計為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機械手動作時有啟動、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，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。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傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。3.用途:用于自動輸送線的上下料。4．設計技術參數(shù)如表3-1所示:表3-1設計參數(shù)抓重自由度數(shù)4個自由度座標型式圓柱座標最大工作半徑手臂最大中心高手臂運動參數(shù)伸縮行程伸縮速度升降行程升降速度回轉(zhuǎn)范圍回轉(zhuǎn)速度手腕運動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍回轉(zhuǎn)速度手指夾持范圍棒料:定位方式行程開關或可調(diào)機械擋塊等定位精度驅(qū)動方式氣壓傳控制方式點位程序控制(采用PLC)圖3-3機械手的工作范圍4總結(jié)此機械手共有三個自由度，分別是機械手臂的伸縮，支座的360度旋轉(zhuǎn)，以及支座的起降，能保證機械手在上下以及左右位置的調(diào)整。全程動力源是液壓系統(tǒng)，安裝有壓力傳感器，實現(xiàn)手臂定位，保證工件裝卡定位準確。對于機械手結(jié)構(gòu)的選擇，有直角坐標機器人結(jié)構(gòu)，圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu)，球坐標機器人結(jié)構(gòu)，關節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，在此選擇圓柱坐標型，因為圓柱型坐標能實現(xiàn)支座的回轉(zhuǎn)與升降功能。手爪選用單自由度手爪，即在抓取重物之后實現(xiàn)回轉(zhuǎn)放料，料由氣動虎鉗自動加緊。如此即可實現(xiàn)機床上下料的功能，所以是可行的。參考文獻1.濮良貴，紀名剛．機械設計（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2000：100-317；2.吳振彪.工業(yè)機器人[M].武漢：華中科技大學出版社,2008；3.王承義.機械手及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981；4.費仁元.機器人機械設計和分析[M].北京：北京工業(yè)大學出版社，1997；5.龔正等.液壓傳動與控制[M].上海：上海科學技術出版社，1989；6.張鐵.機器人學[M].廣州：華南理工大學出版社，2000；7.吳美芳.機器人控制基礎[M].北京：中國鐵道出版社，1992；8.侯珍秀.機械系統(tǒng)設計[M].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000；9.徐灝主.機械設計手冊[J].北京：機械工業(yè)出版社，1991；10.邵忍平.機械系統(tǒng)動力學[M].北京：機械工業(yè)