机械自动化毕业设计可重构液压机械手设计.doc
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1、 机械创新设计 题目:可重构液压机械手设计摘 要机器人的使用在21世纪广为流传。没有一个单一的部门,不使用机器人系统在开展技术工艺。机械手是模仿人类的手部动作,可实现自动抓斗和执行,这是一个自动装置。在严峻的环境造和单调,频繁操作机械臂是用来代替人,因此得到越来越广泛的应用。一般情况下,机械手正四个部分,执行机构,驱动系统,控制系统和检测设备组成,智能机器人的感觉系统和智能系统。机械手作为整个可重构液压机器人的执行部分,拥有重要的意义。研究人员都希望机械手结构简单可靠,抓取力大,易于控制,拥有较高的控制精度。目前,许多研究者己对常规机械手、欠驱动机械手等作了许多的理论与实验研究,但目前的机械手
2、一般机构复杂、很难控制。因此,如何实现一种既能简化机构与控制,又能较好地取放物体的机器人手已成为国内外研究者的重要研究课题和主流方向之一。本设计采用液压转角伺服技术,这使得机械手抓取力得到了很大的提高,同时也使得整个机械手的控制精度有了很大的保证。在设计中通过对液压转角伺服阀,舵机,微控制器,编码器,油道及接口进行了集成,同时对结构进行相应优化设计,使得机械手满足了可重构性。整个机械手爪通过齿轮和螺纹传动,增加了传动的平稳性和抓取力矩,使得抓取平稳可靠。本文通过三维建模软件Pro/Engineer进行伺服阀与机械手爪的结构设计与优化,运动仿真,有限元分析,并对个结构进行了详细的强度校核。实验结
3、果证明,液压转角伺服阀响应快、运动平稳性好、运动精度高,带动机械手手爪抓取力强,抓取精度高。关键词: 可重构; 液压转角伺服阀; 抓取力目 录前言11概述21.1设计题目及参数要求21.2 液压系统原理图22 机械手结构原理33 液压转动伺服阀设计43.1 液压转角伺服阀原理43.2 阀的结构尺寸设计63.2.1 缸体的设计63.2.2 油道设计63.2.3 轴承的计算与选用63.2.4 输入接口模块设计83.2.5 端盖结构设计84 传动结构设计104.1 锥齿轮的设计校核104.1.1 确定锥齿轮类型、精度等级、材料及齿数104.1.2 按齿面接触强度设计104.1.3 按齿根弯曲强度设计
4、124.2 滑动螺旋的设计与校核144.2.1 确定螺杆传动的最小直径144.2.2 梯形螺纹结构尺寸的确定144.2.3 梯形螺纹结构尺寸校核144.3 传输轴结构设计校核165 键的校核205.1 输入轴键的校核205.2 传输轴键的校核206 其它零件的选取216.1 六角螺钉216.2 轴端挡圈及螺钉216.3 螺栓螺母217 机械手的运动仿真227.1 基于pro/e的三维建模227.2 运动仿真227.3 轨迹规划方案237.4 动态模拟247.5 干涉检查258 机械手抓的静态分析268.1 机械手抓的受力分析268.2 三维建模静力分析26结束语29参考文献30前言机器人技术的
5、发展使得机器人的能力不断提高,机器人应用的领域和范围正在不断扩展,人们希望机器人能完成更加复杂的任务。通过重新编程,机器人能很容易地完成许多不同的任务,然而一台机器人能完成任务的范围却受其自身的机械结构限制。对于给定任务,可根据任务要求来选择机器人的最佳结构。对于一些不可预知的作业任务或不断变化的作业,就无法选择机器人的最佳结构,需要应用许多具有不同运动学和动力学特性的机器人来完成作业任务,这种做法往往耗资巨大,甚至于不可行。因此,需要使用一种能根据任务要求改变自身构型的机器人来完成不可预知的作业任务。可重构机器人的研究正是在此类应用背景下开始的。可重构模块化机器人系统是由一组具有标准连接接口
6、的模块组成,这些模块能够根据特定的任务要求而被快速装配成不同构型的机器人。现代工业生产的环境与任务是多变的,需要采用能够快速适应任务的制造系统。可重构模块化机器人的特点恰恰满足了现代化生产的这种需求,提高了工作效率,降低了成本。可重构液压机器人因输出力矩大精度高而广泛受到国内外的别是发达国家的关注,可重构液压机器人的研究目前已经成为机器人研究的一个重要方向,并已取得一些重要的成果。但是目前要想在可重构液压机器人领域取得重大突破,必须解决一些瓶颈问题,如尺寸过大、运动不解耦、阀芯控制力矩大且径向力不平衡等问题。液压伺服技术具有传动平稳、无需减速器就能实现大力矩传动、调速范围大、单位功率重量仅为电
7、机的1/10、易于控制等优点,国内外有多家单位在机器人液压伺服技术进行了相应的研究。在许多实际应用中,为了适应高精度地取放操作对象,常要求机器人手具有较高的定位取放能力,以代替人手繁重的复杂劳动。目前,许多研究者己对常规机械手、欠驱动机械手等作了许多的理论与实验研究,但目前的机械手一般机构复杂、很难控制。因此,如何实现一种既能简化机构与控制,又能较好地取放物体的机器人手已成为国内外研究者的重要研究课题和主流方向之一。本课题主要对一种通过以液压转角伺服阀提供大转矩的动力源,从而实现机械手手爪的抓取。文章对液压转角伺服阀进行相关设计同时对机械手手爪的结构尺寸进行了设计研究。1 概述1.1 设计题目
8、及参数要求设计题目:可重构液压机械手设计主要技术参数及要求:1、设计液压机械手,设计中应用液压转角自伺服技术,让机械手的抓取力矩大于150N.m,尽量减小尺寸。较小的关节空间中需要集成油道,电源线,微控制模块,转角伺服模块及对外的标准接口等元器件,需用三维造型软件进行优化设计与仿真。2、液压系统最大工作压力:5MPa。1.2 液压系统原理图本液压系统为一开式回路,由液压泵、电磁溢流阀、蓄能器、液压转角伺服阀及相关辅件组成。系统原理图见图1.1。图1.1 液压系统原理图2 机械手结构原理本设计机械手通过以液压转角伺服阀作为动力源,通过液压转角伺服阀提供的扭矩,带动锥齿轮A转动,将动力传递到另一锥
9、齿轮B,锥齿轮B与丝杆同轴,丝杆将力矩传递到手抓,从而带动机械手手爪抓取物件。该设计的主要工作就是两个方面,一是对液压转角伺服阀进行设计,二是对机械手手爪结构进行设计,然后对设计机械手进行运动和力的仿真,得到想要的动态和静态性能。三是对齿轮,螺纹传动,进行强度校核,进行有限元分析,校核强度是否满足要求。机械手原理图如图2.1。图2.1 机械手结构原理图3 液压转动伺服阀设计3.1 液压转角伺服阀原理伺服阀随动阀套的设计与缸体结合,为减小关节尺寸,油道,电源线,微控制模块嵌入到缸体内,此种方法已经有应用的先例,加拿大Engineering Services Inc.(ESI) 公司生产的MRR(
10、Modular reconfigurable robot series) 模块化可重构机器人,将油道约束在关节内,有效地精简了机器人的机构尺寸,避免了不必要的干涉,扩大了工作空间。由于液压传动技术对于直线传动上比较容易实现,旋转运动需要经过一定的机械机构才能得以实现,而转角伺服技术极好的解决了这一难题。本文提出了一种阀芯径向力平衡的阀芯阻力小盲区小的液压转角伺服阀,这种液压转角伺服阀是一种基于转动阀芯结构原理的旋转式伺服阀,它由电动机直接驱动。该技术是将伺服技术和电机控制结合起来,用小尺寸小力矩的电机通过液压伺服技术控制大力矩的液压关节,利用液压伺服阀中的转角伺服技术,无需减速机构,减小关节尺
11、寸。在液压转角伺服技术中用舵机产生控制角度,舵机体积小、力矩大,舵机本身就具有转角内反馈控制,控制起来也方便,一定占空比脉宽对应一定的转角。拟定的液压转角伺服阀的截面图如图3.1所示。当阀芯(即C块)逆时针转过一个角度,使高压油口P口接通A腔,则A腔为高压油,B腔为低压油,压差推动随动阀套(即D块)逆时针旋转,当旋转的角度和阀芯一致后,阀芯的P油口被闭合,则旋转停止。因此伺服阀可以由较小的力控制阀芯,进而控制随动阀套的旋转。由于叶片的限制,旋转角度范围为,当初始位置为叶片对称位置时,范围为。图3.1中E块为摆动缸缸体,D块为随动阀套,C块为伺服阀芯。ab图3.1 液压转角伺服阀液压转角伺服阀的
12、伺服过程如下:起初令伺服阀芯与随动阀套处于中位状态,当压力油液经油道到达伺服阀芯C后,由于伺服阀芯与随动阀套在中位,液压系统中的工作油路和回油油路被伺服阀芯与随动阀套关闭,油液不能进入摆动缸,摆动缸中的油液被密闭起来,摆动缸自锁, 见图3.1a。当给舵机发出一转角信号后,舵机逆时针转过一角度,如图3.1b此时伺服阀芯与随动阀套之间的阀口被打开,压力油液流进摆动缸的A 腔, 另一腔(B 腔)与回油油路相通,随动阀套在压差作用力下顺时针转动,并通过输出轴带动负载转动。随着随动阀套的转动,其与伺服阀芯之间的开口度逐渐变小,直至关闭,从而实现随动阀套对伺服阀芯的位置跟踪,旋转方向反之亦然。液压转角伺服
13、阀阀芯截面图如图3.2所示,该液压转角伺服阀阀芯在一定的工作范围内阀口开度连续,且开口面积与旋转阀芯转动角度成正比,增益恒定,流量连续,抗污染能力强,可靠性高,控制灵敏,且阀芯受力平衡,角度伺服精度高。阀芯上有4个沿圆周均布,开口形状相同的阀口,2个高压油口(P口)和2个回油口(T口),P口和T口是对称于圆心的阀口,2个P口中心线的连线与2个T口中心线的连线垂直正交。随动阀套上有4个与之对应的台肩,4个台肩刚好能切断4条油路,这4个台肩沿随动阀套圆周均布,每2个相对的台肩中心线的连线垂直正交。且在随动阀套的每2个台肩的正中间有一个油口,沿随动阀套圆周均布着4个油口,这4个油口的顺序为:A口、B
14、口、A口、B口。随动阀套中A口和B口是对称于圆心的阀口,2个A口中心线的连线与2个B口中心线的连线垂直正交。随动阀套和转角伺服阀阀芯处于中位时,2个A口中心线连线与2个P口中心线的连线(或2个T口中心线的连线)成45。图3.2 液压转角伺服阀芯3.2 阀的结构尺寸设计3.2.1 缸体的设计缸体壁厚取大于7.5mm,缸底部厚度大于10mm,而油道外径需要大于6mm,因此,油道可以设计在缸壁中。缸体壁厚,最终取7.5mm,底部厚度取10mm,吸油管道=6mm,压油管道=3mm,回油管道=4mm。3.2.2 油道设计随动阀套(以下简称阀套)在摆动缸中被压油驱动旋转,需要与阀芯和缸体有良好的配合,同时
15、又需要输出转矩。液压油通过滑环,从缸体进入阀套,还需要进入阀芯,由阀芯控制油的走向。当阀芯转动时,阀套可以立即跟随转动,因此图中阀套与阀芯的接口半径一致,需要精密的配合以保证密封。滑环上的高压油类似柱塞泵中柱塞上的均压槽,同时导通油路,且润滑接触面,利于阀套转动。此处高压油道经径向对称的两个管道进入阀芯,此设计在于使阀芯受力平衡,两方向上的高压油压力平衡,因此阀芯不易卡死。高压油进入阀芯后,分三个油口导通至工作腔,目的是使油液流动顺畅,保证转角伺服阀的旋转速度和精度。3.2.3 轴承的计算与选用阀套与缸体之间存在相对旋转运动。在其间安装轴承,根据设计要求,此转角液压缸的旋转范围为,旋转速度为,
16、轴承受径向载荷。由于随动阀套需要较高的旋转精度,因此选择精度性较高的圆柱滚子轴承。圆柱滚子轴承系列中,NUP型(内圈单挡边带平挡圈的圆柱滚子轴承)的特性是:(1) 承载能力大,额定动载荷比1.53;(2) 能承受较小的双向轴向载荷;(3) 能限制轴和外壳的双向轴向位移;(4) 属分离型轴承,安装、拆卸非常方便;(5) 极限转速高。因此,选择NUP型轴承。由于轴承的使用状况:转速10r/min,要求寿命1500h,计算轴承所受载荷,根据公式: (3.1)式中 C基本额定动载荷计算值(N); P当量动载荷(N); 寿命因数,按系列表选取; 速度因数,按系列表选取; 力矩载荷因数,力矩载荷较小时=1
17、.5,力矩载荷较大时=2; 冲击载荷因数,按系列表选取; 温度因数,此处可取1; 轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷(N); 轴承尺寸及性能表中所列轴向基本额定动载荷(N)。查表得:=1.390 =1.435 取2 =1.5 =1 而 (3.2)式中径向动载荷系数,此处取1;轴向动载荷系数,此处取1;径向载荷(N);轴向载荷(N)。所以:对于低速旋转轴承应将动静载荷分别计算,静载荷径向: (3.3)式中:基本额定静载荷计算值(N);安全因数,查机械设计手册表得,此处可取3;当量静载荷(N); 轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定静载荷(N);轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定静载荷(N)。
18、查设计手册9中的圆柱滚子轴承系列表,选取型号NUP 209 E,内径,外径,宽度。;所以此处所选的轴承合适。3.2.4 输入接口模块设计可重构液压机器人关节模块,需要有统一的接口,使其在不同的关节模块之间可以互换调用。此基础模块,即旋转关节模块的输入接口,设计如图3.4和图3.5所示,中心的孔道是控制电线通道,对称的两个孔道是油道。周围六个螺栓孔。图3.4 输入接口模块背面图3.5 输入接口模块正面3.2.5 端盖结构设计该端盖要作为缸筒的外端盖,同时也有与机械手手爪连接。根据液压设计手册,端盖厚度的计算如下: (3.4)式中法兰在缸筒最大内压下做承受的轴向压力(N);法兰上孔中心到外径上的距
19、离(m),这里取15mm;法兰外圆半径(m),这里取57.5mm。因此,取法兰厚度不小于10mm,足够将控制线路的孔道设计在法兰中,如上面叙述。4 传动结构设计4.1 锥齿轮的设计校核已知通过输入轴传递转矩T=40 Nm,转速 n1=30.00 r/min设定锥齿轮1(主动齿轮,下面正文中全部称为齿轮1),锥齿轮2(从动齿轮,下面正文中全部称为齿轮2)。原动机载荷特性SF=均匀平稳,工作机载荷特性 WF=轻微振动,预定寿命 H=30000(小时)。4.1.1 确定锥齿轮类型、精度等级、材料及齿数1)选用直齿锥齿轮传动,齿轮配合为外啮合。2)由于整个机械手速度不高,故全部选用6级精度(GB 10
20、095-88).3)材料及热处理 齿面啮合类型 GFace=硬齿面 热处理质量级别 Q=MQ 齿轮1材料及热处理 Met1=20Cr 齿轮1硬度取值范围 : 5863HRC 齿轮1硬度 : 60 HRC 齿轮2材料及热处理 Met2=40Cr 齿轮2硬度取值范围 : 5863HRC 齿轮2硬度 60 HRC4)齿轮基本参数 由此选齿轮1齿数Z1=19 传动比i=1.26 齿轮2齿数Z2=Z1i=191.26=23.94,则Z2取244.1.2 按齿面接触强度设计根据文献21,得出设计计算公式10-9a进行试算,即 (4.1) 确定公式内的各系数1) 试选齿轮载荷系数Kt=1.0。2) 齿轮1传
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