机械四自由度自动线通用多关节机械手设计液压工业机械手含.docx
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1、自动线通用多关节机械手设计 摘 要:工业机械手是工业生产的必然产物,它是一种模仿人体上肢的部分功能,按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备,对实现工业生产自动化,推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明,工业机械手可以代替人手的繁重劳动,显著减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作,采用机械手是有效的。此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,更显示其优越性,有着广阔的发展前途。液压机械手具有快速、高效等优点。1关
2、键词:工业;机械手;液压; Design of the manipulator General Multi-joint for production line Student:Li Xuejiao Tutor:Chen Wenkai(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract:Industrial machinery hand is the inevitable product of industrial production, it is a co
3、py of the upper part of the human body functions,it is accordance with the scheduled transfer request or the work piece hold the tools to operate the equipment automation technology, industrial automation, and promote the further development of industrial production from the An important role. So th
4、ey have strong vitality of the people by the extensive attention and welcome. Practice has proved that the industrial robot can replace the staff of the heavy labor, significantly reduced labor intensity of workers and improve working conditions, improve labor productivity and the level of automatio
5、n. Industrial production in the often cumbersome work piece handling and frequent long-term, monotonous operation, a mechanical hand to be effective. In addition, it can at high temperature, low temperature, Sham Shum Po, the universe, radioactive and other toxic and pollution of the environment und
6、er the conditions of operation, but also show its superiority, there are broad development prospects. Hydraulic manipulator is fast, efficient, and other advantages. The mechanical hand used hydraulic drive, control the telescopic arm, wrist and hand the rotary-grasping movement, movement from top t
7、o bottom by motor control. Key words:Industry;Manipulator; Hydraulic; 1 前言 工业机械手是工业生产的必然产物,它是一种模仿人体上肢的部分功能,按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备,对实现工业生产自动化,推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明,工业机械手可以代替人手的繁重劳动,显著减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作,采用机械手是有效的。机械手主要由手部和运动机构组成。手部
8、是用来抓持工件的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。我设计的是一种液压机械手。本机构具有快速、高效等优点。液压传动的基本原理是在密闭的容器内,利用有压力的油液作为工作介质来实现能量转换和传递动力的。其中的液体称为工作介质,一般为矿物油,它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。 (1)体积小、重量轻,因此惯性力较小,当过载或停车时,不会发生大的冲击。 (2)能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度,并可实现无极调速。 (3)换向容易
9、,在不改变电机旋转方向的情况下,可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换。 (4)液压泵和液压马达之间用油管连接,在空间布置上彼此不受严格限制。 (5)由于采用油液为工作介质,元件相对运动表面间能自行润滑,磨损小,使用寿命长。 (6)操纵控制简便,自动化程度高 。 (7)容易实现过载保护2 3。2 机械手的总体设计方案2.1 机械手的基本结构自动线通用多关节机械手能在几台机械设备间进行搬运和装卸工件,可以根据生产的需要改变机械手的动作程序。(1)手部 既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构简单)。手部多为两指(也有多指);根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可
10、以用负压式或真空式的空气吸盘(主要用于吸冷的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。传力机构形式教多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。(2)臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹具),并带动他们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方位),则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求,即手臂的伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中既
11、受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身运动较为多,受力复杂。因此,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。(3) 行走机构 有的工业机械手带有行走机构,我国的正处于仿真阶段4 5。2.2 机械手基本形式的选择(1)根据所承担的作业的特点,工业机械手可分为以下三类:1 承担搬运工作的机械手:这种机械手在主要工艺设备运行时,用来完成辅助作业,如装卸毛坯、工件和工夹具。2 生产工业用机械手:可用于完成工艺过程中的主要作业,如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。3 通用工业用机械手:其用途广泛,可以完成各种工艺作业。 (2)按功能分类1 专用机械手:它是附属于主机的具有
12、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,实用可靠和造价低等特点,适用于大批大量的自动化生产,如自动机床,自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。2 通用机械手:又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点,适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。3 示教再现机械手:采用示教法编程的通用机械手。所谓示教,即由人通过手动控制,“拎着”机械手做一遍操作示范,完成全部动作后,其储存装置即能记忆下来。机械手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。(3)按驱动方式分1 液压传动机械手
13、2 气压传动机械手3 机械传动机械手(4)按控制方式分1 固定程序机械手:控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单,程序数少,而且是固定的,行程可调但不能任意点定位。2 可编程序机械手:控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需要编排,行程能很方便改变6 7。23 机械手的主要部件及运动参数设计根据设计任务,为了满足设计要求,本设计关于机械手具有4个自由度既:手部抓取;手臂伸缩;手臂回转;手臂升降4个主要运动。本设计机械手主要由3个大部件和4个液压缸组成:(1)手部,采用一个直线液压缸,通过机构运动实现手抓的张合;(2)臂部,采用直线缸来实现手臂平动0.8m;(3)机身,采用一个直线缸和一个回
14、转缸来实现手臂升降和回转。驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便,驱动力大等优点。因此,机械手的驱动方案选择液压驱动。设计技术参数:(1)抓重:20Kg (夹持式手部)(2)自由度数:4个自由度(3)座标型式:圆柱座标(4)最大工作半径:1600mm(5)手臂最大中心高:900mm(6)手臂运动参数伸缩行程:800mm伸缩速度: 250mm/s升降行程: 330mm升降速度: 60mm/s回转范
15、围: 180(7)手腕运动参数回转范围: 18033 手部的设计3.1 手部的基本要求1、有适当的夹紧力手部在工作时,应具有适当的夹紧力,以保证夹持稳定可靠,变形小,且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节,对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2、有足够的开闭范围夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时,一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围,可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关,如工件的形状和尺寸,手指的形状和尺寸,一般来说,如工作环境许可,开闭范围大一些较好3、力求结构简单,重量轻,体积小手部处于
16、腕部的最前端,工作时运动状态多变,其结构,重量和体积直接影响整个机械手的结构,抓重,定位精度,运动速度等性能。因此,在设计手部时,必须力求结构简单,重量轻,体积小。4、手指应有一定的强度和刚度5、其它要求因此送料时,夹紧机械手,根据工件的形状,采用最常用的外卡式两指钳爪,夹紧方式用常闭式弹簧夹紧,松开时,用单作用式液压缸。此种结构较为简单,制造方便8 9。根据工件的形状,采用最常用的外卡式两指钳爪,夹紧方式用常闭史弹簧夹紧,松开时,用单作用式液压缸。此种结构较为简单,制造方便。其机构如图1所示10图1齿轮齿条式手部Fig 1 The hand of gear wheel 3.3 手部的计算3.
17、3.1 手指夹紧力的计算113.3.2 驱动力计算 (2)由图1可知,b=120mm ,r=24mm,故 =1200N故手指液压缸的驱动力为1200N3.3.3 液压缸直径计算根据活塞杆上受力可得: (3)式中: 活塞杆上的推力,N弹簧反作用力,N气缸工作时的总阻力,NP气缸工作时的压力,Pa弹簧反作用按下式计算: (4)式中: 弹簧刚度,N/mL 弹簧预压缩量,mS活塞行程,md弹簧钢丝直径,mD弹簧平均直径,mD弹 簧外径,mn 弹 簧 有效 圈数 G 弹簧 材料剪切模量,一般取G= Pa在设计中,必须考虑负载率几的影响,则: (5)由以上分析得单向作用气缸的直径: (6)代入有关数据,可
18、得: 所以:取D=65mm,由d/D=O.20.5, 可得活塞杆直径:d=(0.20.5)D=1332.5 mm,圆整后,取活塞杆直径d=32 mm按公式 (7)有 其中=120MPa则d (41200/120)=12.7mm 32mm故活塞杆满足设计要求。3.3.4 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩液体压力,必须有一定厚度。一般液压缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算: (8)式中 缸筒壁厚 mmD气缸内径 mm P实验压力,取P=1.5PPa材料为 : ZL3, =3MPa代入己知数据,则壁厚为: =5.8 mm取=8.5 mm,则缸筒外径为:D=65+8.52 =
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