五自由度液压搬运机械手设计.doc
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1、五自由度液压搬运机械手设计不要删除行尾的分节符,此行不会被打印目录第1章 绪论11.1课题背景及研究现状11.2 机械手的研究意义及其本身优点21.2.1 机械手的研究意义21.2.2 机械手本身的优点21.3本章小结3第2章 总体方案设计42.1设计目标42.2总体方案分析42.2.1搬运机械手的组成42.2.2三大系统设计分析42.3搬运机械手的运动及驱动方式52.4本章小结7第3章 基本参数及二维外观图83.1基本参数83.2总体外观图83.2.1外观图简图83.2.2液压原理设计图截图93.3本章小结10第4章 各部分的具体计算114.1 手部夹持器的计算114.1.1手部夹持器设计要
2、求114.1.2手部夹持器设计计算114.1.3端盖螺钉校核124.2腕部回转油缸计算134.3小臂结构设计174.4俯仰缸设计204.5大臂回转机构设计224.6大臂升降结构设计244.7手部驱动油缸油孔尺寸计算264.8腕部回转油缸油孔尺寸确定264.9大臂回转油缸油孔尺寸确定274.10大臂升降油缸油孔尺寸确定274.11伸缩臂油缸油孔尺寸确定274.12本章小结28第5章 各油缸活塞杆校核295.1 手部驱动油缸活塞杆校核295.2 腕部回转油缸活塞杆校核295.3 伸缩油缸活塞杆校核305.4 俯仰油缸活塞杆校核305.5 本章小结31第6章 总体三维图326.1 总体三维图326.
3、2 本章小结33结论34致谢35参考文献36附录38千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”。打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1课题背景及研究现状机器人是典型的机电一体化装置,它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果,随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高,机器人技术得到了迅速发展,出现了各种各样的机器人产品。机器人产品的实用化,既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题,又促进了工业自动化的进程。目前,由于机器人的研制和开发涉及多
4、方面的技术,系统结构复杂,开发和研制的成本普遍较高,在某种程度上限制了该项技术的广泛应用,因此,研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。机械手自六十年代以来问世以来,发展非常迅速。目前,第二代产品,微机控制、直流电动机驱动的小型工业机械手已成产品。美国是最早研制和应用机械手的国家,早在1967年就定型批量生产了UNIMATE4000型前身。1969年美国通用汽车公司自行研制了SAM工业机械手,并用21台机器手组成了点焊轿车车身的自动生产线。70年代,美国克莱斯勒汽车公司的32条冲绳自动线的448台冲床,全部采用了机械手传送工件。日本机械手工业虽比美国起步晚(六十
5、年代后期),但是发展速度更快,根据统计,1982年日本拥有工业机械手共13000余台,生产厂家近200家。此外,瑞典、挪威、德国、意大利、俄国等国家也是发展迅速,例如挪威的TRLLFA公司生产的机械手,瑞典的ASEA公司、ELECTROLUX公司和KAVIELDT公司生产的机械手,德国的VOLKSVAGEN公司生产的机械手在欧洲市场,甚至在北美市场都占有很大的比重。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,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,如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的,有时候还要用行车员工件,生产速度大大延缓,这
6、种情况采用机械手是很有效的。此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。更显其优越性,有着广阔的发展前途。 工业机械手的主要应用领域是机械加工过程中的上、下料及搬运、装配、焊接、冲压、树脂成型加工及其热处理、锻压等。表1-1机械手在各个行业所占比例(%)年份 装配弧焊 喷漆 点焊树脂成型 锻铸热处理 机械加工其他20009.87.34.911.47.320.422.816.1200516.511,04.99.64.522.214.222.2201021.710.55.17.53.322.313.116.51.2 机械手的研究意义及其本身优点1.2.1 机械手
7、的研究意义机械人手技术是近30年来发展比较快的一种新技术,机械手是一门新兴的的综合性科学,他设计机械设计制造控制工程计算机传感技术仿真生学,人工智能等领域,工业机械手是实现工业生产自动化的重要设备,它本身是机电一体化的典型产品。 工业机械手能模仿人肢体的一些动作,可以代替人的一些动作,代替人们进行工作,一次机械手自问世以来就受到人们的宠爱而且性能不断完善,各种优良的机械手不断出现操作越来越灵活,在一些方面与人手相比,几乎达到了以假乱真的程度,加之各种技能的应用,使得机器人有了 自己的头脑能不受控制而独立的处理一些问题,因此其应用越来越广泛。1.2.2 机械手本身的优点搬运机械手是机器人家族中的
8、重要一员,其应用最广泛,在自动化流水线生产中劳动强度最大,工作条件差,热尘烟雾毒气等使得环境恶化,使得人的工作受到了种种限制,此时搬运机械手则能够迎难而上,独树一帜,而且其能不知疲倦的工作,搬运机械手具有许多人没法相比的优点: (1)工作时间持久,不会出现人的疲劳,可以重复不间断的劳动,能持流水线的持续工作。 (2)对环境的适应性强,特别能在多粉业,以燃烧以爆炸放射性等恶劣环境下工作。 (3)运动灵活精确,能够延伸到人手所不能到达的空间区域内进行工作,而不受外界因素的干扰。 (4)通用性好,本搬运机械手在设计过程中,考虑到其通用性,因此留有余地,因此除搬运外,还可以焊接喷漆等。 (5)工作效率
9、高,提高了劳动生产效率,同时也降低了成本。 诸多的优点为机械人的广泛应用开辟了广阔的前景,而我国在这些方面还处于初始阶段,因此需要更进一步发展,本次的设计是对大学四年所学知识的巩固与综合应用。1.3本章小结本章介绍了五自由度液压搬运机械手的设计研究背景及其研究现状,列举了一些国家的研究成果,重点讲述了机械手的研究在现实中的应用领域,还介绍了机械手的优点及发展前景。 第2章 总体方案设计2.1设计目标设计一种五自由度搬运机器手,包括机器手的总体设计,移动方式设计,动作规划设计,三维造型设计等。重点是机器手的结构设计,即如何在综合考虑机器人的功能和特性要求后,能够完整的设计出合理而优化的机器手。功
10、能指标包括:机械手的各部件的升降、转动,对压力的敏感反映等,使得机器人可以实现到达任何位置的升降、转动,同时具有重量轻,稳定性好等特点。由于本设计并没有工业实际的问题的要求,也就是没有要功能模块的具体设计,并且,设计者所希望的创新性也大过实用性。基于以上原因,本设计暂不考虑对于功能模块的搭载问题,仅仅讨论并设计一种合理可行、尽可能优化了的五自由度液压搬运机械手。2.2总体方案分析2.2.1搬运机械手的组成控制系统执行系统驱动系统图2-1组成框架图参考诸多的搬运机械手的设计理念,以及对于本题目五自由度搬运机械手的理解,现将总体分为五大部件,分别为:大臂升降结构、大臂回转结构、伸缩臂结构、小臂伸缩
11、结构、手爪回转结构、手爪伸缩结构。2.2.2三大系统设计分析 1控制系统此系统是控制驱动机构工作从而实现按预定程序进行工作的机构,并通过位置检测的反馈来检测工作的精度,从而保证能正确实现机械手的运动,迅速准确的完成机械手的运动,包括程序控制部分和行程反馈部分。2驱动系统用来为各个部件的运动提供动力,是实现一切运动的动力来源,有气动、液动电动和机械式四种形式,根据设计要求和各自的优点和缺点,本机械手采用液压驱动实现,五个自由度。3执行系统执行机构是完成各种动作的总称,具体包括以下几个部分(1)手部:直接与工件接触的部分,根据设计要求,本机械手的手部用夹钳式,用来抓取工件,或用来支撑焊条,喷枪(手
12、部用法兰连接,可以拆换,更换手部,以满足工作需要) (2) 腕部连接手部和臂部的工件用来调整被抓取物体的方位(3) 臂部:支撑被抓物体的手部和腕部的重要部件,带动手指去抓取物体,并按预定要求将其搬运到指定位置。(4) 腰部:机身是支撑机器手所有部件的部位及其零件,是整个机械手的基础。2.3搬运机械手的运动及驱动方式1机械手的运动机械手的运动包括自由度数和运动范围本机械手采用双抓,这是因为它具有以下优点:(a) 运动灵活(b) 工作空间大(c) 关节驱动处容易密封,防尘(d) 作效力大大的提高了(e) 工作要求低2自由度数自由度是机械手设计中的重要参数,每个运动部件所具有的独立运动的数目称为自由
13、度,自由度是衡量机械手设计水平的重要指标,自由度越多的机械手能完成的运动越复杂,技术难度越大,控制定位越困难,安装越复杂,成本高,因此在具体问题中尽量减少自由度,本机械手是考虑到选用腕部来回转,小臂伸缩,小臂俯仰,大臂回转,大臂升降等5个自由度完全满足工作要求。 3运动范围关节3结构的运动范围和形状取决于大臂和小臂的长度比,本机械手大臂长600mm,小臂长800mm,具体范围见后图。图中矩形为包容区域 图2-2 机械手水平面的运动范围 图2-3 空间转动范围4运动传动方式运动传动方式是将动力源的运动传递到实现自由度运动的过程,本设计中将直线油缸的直线运动转换成回转油缸的回转运动传递出去,针对结
14、构的需要和驱动力的大小,各自由度的运动采用不同的传递方式,大臂回转,腕部回转都采用回转油缸,小臂俯仰、小臂伸缩、大臂升降都采用直线油缸。 5机械手的驱动方式采用液压驱动的优点是: (1) 速度反映性好 ; 因为被驱动部件的速度快慢取决于油液容积变化,所以当不考虑温度变化的时候,被驱动系的滞后几乎不存在,而且液压机构的重量轻,惯性小,他的速度反应性好。(2) 调速范围大,还可以无极调速,适用于不同的工作要求。(3) 传动平稳,能吸收冲击力,可以实现比较频繁而平稳换向。(4) 在产生相同驱动力的条件下,液压驱动比其他驱动方式体积小,(5) 定位精度高(6) 驱动力或力矩大 存在的不利因素有:(1)
15、液压系统存在泄漏对机构的稳定性有一定的影响(2)油液中如果混有空气将降低传动机构的刚性,影响定位精度,产生爬行(3)油液的温度和黏度的变化影响传动的性能2.4本章小结本章对总体方案的设计进行了确定,规划了搬运机械手的三大组成部分,进而对三大组成部分进行了设计分析,确定了搬运机械手的运动方式及其驱动源,设计了运动范围及回转角度,对液压驱动方式的优缺点进行了比较。第3章 基本参数及二维外观图3.1基本参数1.名称: 工业机械手2.主要用途: 搬运3.自由度数:5 (腕部转动、小臂伸缩、小臂俯仰、大臂回转、大臂升降 )4. 抓重:最大 5Kg 5工作范围与速度 工作范围与速度如下表3-1 运动自由度
16、动作范围速度腕部回转-909045/s小臂伸缩0300mm0.05m/s小臂俯仰0100mm0.05m/s大臂回转-909015/s大臂升降0120mm0.05m/s6. 控制方式:PTP/CP7. 重复定位精度:+2mm8. 驱动方式:液压驱动9. 驱动源 :液压油泵 3.2总体外观图3.2.1外观图简图图3-1 机械手结构简图1手腕 2小臂3俯仰缸 4大臂3.2.2液压原理设计图截图 图3-5 液压控制工作原理图 表3-2电磁铁动作循环表现将本机械手的工作顺序过程介绍如下:(1) 电磁铁11通电,大臂旋转油缸顺时针旋转,实现大臂周向定位(2) 电磁铁9通电,大臂升降油缸伸出,实现大臂轴向定
17、位(3) 电磁铁7通电,伸缩臂伸缩缸伸出,实现伸缩臂轴线定位(4) 电磁铁5通电,小臂伸缩缸伸出,实现小臂的轴向定位(5) 小臂到达伸出一定距离,碰到行程开关14,之后将电磁铁3接通实现手爪旋转缸体的运动。(6) 电磁铁3通电,手爪旋转缸顺时针旋转,实现手爪的周向定位(7) 电磁铁1通电,手爪伸缩缸伸出,实现手爪的轴向定位(8) 手爪抓取工件,工件与手爪夹紧到一定压力,压力继电器通电使得电磁铁1断电,电磁铁2通电手爪收缩,实现手爪的轴向定位。(9) 电磁铁4通电,手爪旋转油缸逆时针旋转,实现手爪的周向定位。(10) 电磁铁6通电,小臂伸缩油缸回缩,实现小臂的轴向定位。(11)电磁铁9通电,伸缩
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