气动机械手毕业设计论文.docx
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1、气动机械手题目:气动机械手的设计专业:机械设计制造及其自动化摘 要:机械手是工业自动控制领域中经常用到的一种能够自动抓取、操作的装置,多用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。气动机械手作为机械手的一种,它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成,可按预定轨迹运动,实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设计主要是选择合适的控制阀,设计合理的气动控制回路,通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运
2、动方向,并按规定的程序工作。关键词:气动机械手;气缸;气动回路。Subject: The design of pneumatic manipulatorAbstract:翻译你还是自己来吧,这个需要专业的术语和语感,这个真干不了。Key word: pneumatic manipulator cylinder pneumatic loop目录1 绪论11.1 机械手发展史11.2 机械手的分类21.3 机械手的组成41.4 应用机械手的意义62 机械手总体设计方案和气动回路设计72.1 机械手的运动规划72.2 机械手基本形式的选择82.3 机械手的主要部件及运动92.4驱动机构的选择92.5
3、 机械手的控制方案设计102.6 机械手的技术参数列表102.7 气动回路的设计112.7.1 前法兰式气缸的简介112.7.2 气压传动系统工作原理图113 气动机械手的机械结构设计133.1 机械手末端执行的设计133.1.2 手指的形状和分类133.1.1 夹持式手部结构133.1.3 设计时考虑的几个问题143.1.4 手持式结构设计图143.1.5 气缸尺寸的确定于校核153.2 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核173.2.1 尺寸设计和校核173.2.2 平衡装置设计183.2.3 导向装置183.2.4 平衡装置183.3 手臂升降气缸的尺寸设计与校核193.3.1 尺寸设计193.
4、3.2 尺寸校核193.4 手臂回转气缸的尺寸设计与校核203.4.1 尺寸设计203.4.2 尺寸校核204、总结与感悟214-1 总结214-2 感悟211 绪论1.1 机械手发展史机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。在现代生产过程中,机械手被广泛的运用于自动生产线中,机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此,机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得
5、到了应用。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是:机体上安装一个回转长臂,顶部装有电磁块的工件抓放机构,控制系统是示教形的。1962年,美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿照坦克炮塔,臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动;控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年,美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手,是后来国外工
6、业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学,麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差小于1毫米。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。目前,机械手大部分还属于第一代,主要依靠人工进行控制;改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔
7、性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环节。1.2 机械手的分类目前对机械手还没有统一的分类标准。按照不同的分类方式可以把机械手分成多种类型。工业机械手的种类很多,关于分类的问题,目前在国内尚无统一的分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(1)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1)专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手,如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。2)通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变
8、的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内,其动作程序是可变的,通过调整可在不同场合使用,驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位,只能是点位控制,伺服型可以是点位的,也可以实现连续控制,伺服型具有伺服系统定位控制系统,一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(2)按驱动方式分1)液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机
9、械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高。2)气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低。但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3)机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手
10、。它是一种附属于工作主机的专用机械手,其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠,用于工作主机的上、下料。动作频率大,但结构较大,动作程序不可变。4)电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长,维护和使用方便。此类机械手目前还不多,但有发展前途。(3)按控制方式分1)点位控制它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2)连续轨
11、迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。(4)按其他方法还可以分为1)家务型机械手:能帮助人们打理生活,做简单的家务活。2)操作型机械手:能自动控制,可重复编程,多功能,有几个自由度,可固定或运动,用于相关自动化系统中。3)程控型机械手:按预先要求的顺序及条件,依次控制机械手的机械动作。4)示教再现型机械手:通过引导或其它方式,先教会机械手动作,输入工作程序,机械手则自动重复进行作业。5)数控型机械手:不必使机械手动作,通过数值、语言等对机器
12、人进行示教,机械手根据示教后的信息进行作业。6)感觉控制型机械手:利用传感器获取的信息控制机械手的动作。7)适应控制型机械手:能适应环境的变化,控制其自身的行动。8)学习控制型机械手:能“体会”工作的经验,具有一定的学习功能,并将所“学”的经验用于工作中。9)智能机械手:以人工智能决定其行动的机械手。1.3 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。图1-1 机械手组成方框图(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构。1、手部:即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手
13、在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件,常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单,制造容易,故应用较广泛。平移型应用较少,其原因是结构比较复杂,但平移型手指夹持圆形零件时,工件直径变化不影响其轴心的位置,因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、
14、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕:是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)3、手臂:手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合,以实现手臂的各种运动。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,手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立I因工作需要,有时也可作横向移动,即称为可移式立柱。5、行走机构:当工业
15、机械手需要完成较远距离的操作,或扩大使用范围时,可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构,以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座:机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上,故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种,它
16、支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间),同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间),同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发
17、出报警信号。1.4 应用机械手的意义随着科学技术的发展,机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中,铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门,如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中,应用机械手的意义可以概括如下:一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度,从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件,避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能
18、的,而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业,使劳动条件得以改善。在一些简单、重复,特别是较笨重的操作中,以机械手代替人进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力,并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续的工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动化机床的综合加工自动线上,目前几乎都没有机械手,以减少人力和更准确的控制生产的节拍,便于有节奏的进行工作生产。综上所述,有效的应用机械手,是发展机械工业的必然趋势。2 机械手总体设计方案和气动回路设计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
19、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.2.1 机械手的运动规划工作空间的定义:机器人的工作空间是其正常运行时,手腕参考点能在空间活动的最大范围。工作空间是机器人的一项重要指标,是机器人研究
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