工业机械手臂设计

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。在现代生产过程中,机械手被广泛的运用于自动生产线中,机械人的研制和生产已经成为高技术领域,迅速发展起来的技术,它更加促进了机械手臂的发展,使得机械手臂能更好的实现与机械化和自动化的有

  绪论

  随着工业自动化程度的提高,工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。例如,目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中,往往冲压成型这一工序还需要人工上下料,既费时费力,又影响效率。为此,我们把上下料机械手作为我们研究的课题,本文设计的机械手采用圆柱坐标式,能完成上料、翻转等功能。此机械手主要由手爪、手腕、手臂和机身等部分组成,具有手腕回转、手臂伸缩、手臂升降和手臂回转4个自由度,能够满足一般的工业要求。该机械手由电位器定位,实行点位控制,控制系统采用PLC可编程控制,具有良好的通用性和灵活性

  第一章

  1.1工业机械臂的发展现状

  1.1.1驱动方式发展现状
  现在的工业机械手驱动方式,大多采用电机驱动。电机驱动的工业机械手,具有精度高、驱动力大、响应快等优点。同时采用电机驱动,必须使用减速机构,因此,采用电机驱动方式的机械手的成本,会大大高于其他方式驱动的,因而限制了电机驱动机械手的应用。随着气动技术的高速发展,又由于气压驱动具有其他驱动方式所没有的一些优点,如成本低、高性价比、无污染、结构简单、抗干扰能力强等,因而越来越多的工业机械手,采用气动控制,因而气动技术也得到了迅速发展。
  1.1.2定位精准发展现状
  在气动技术发展初期,由于技术的不成熟,利用气压驱动的工业机械手的定位精度很低,更无法实现在任意位置的起停,只能靠气缸两个终点位置来实现定位,或者采用多位气缸,而多位气缸的定位长度,也已经由气缸的行程确定,同样无法实现机械手在任意位置的起停。如果要多加一个定位位置,或者是要改变预先确定的两个定位位置之间的距离,则需要另外再设计一个多位气缸,这样就会导致气缸的滑块导向机构更加复杂。所以,早期的气动工业机械手不能实现任意位置的定位,因此限制气动工业机械手的发展。

  1.2工业机械手的组成

  1.2.1执行机构
  机械手的执行机构分为手部、手臂、躯干;
  1、手部
  手部安装在手臂的前端。手臂的内孔中装有传动轴,可把运用传给手腕,以转动、伸曲手腕、开闭手指。
  机械手手部的构造系模仿人的手指,分为无关节、固定关节和自由关节3种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等,其中以二指用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和大小的夹头以适应操作的需要。所谓没有手指的手部,一般都是指真空吸盘或磁性吸盘。
  2、手臂
  手臂的作用是引导手指准确地抓住工件,并运送到所需的位置上。为了使机械手能够正确地工作,手臂的3个自由度都要精确地定位。
  3、躯干躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。
  1.2.2驱动机构
  机械手所用的驱动机构主要有4种:液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。
  1、液压驱动式
  液压驱动式机械手通常由液动机(各种油缸、油马达)、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统,由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力(高达几百千克以上),其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好,但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能,否则漏油将污染环境。
  2、气压驱动式
  其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成,其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制,气压不可太高,故抓举能力较低。
  3、电气驱动式电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便,响应快,驱动力较大(关节型的持重已达400kg),信号检测、传动、处理方便,并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机,直流伺服电机(AC)为主要的驱动方式。由于电机速度高,通常须采用减速机构(如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等)。有些机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动(DD)这既可使机构简化,又可提高控制精度。
  4、机械驱动式
  机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确实可靠,工作速度高,成本低,但不易于调整。其他还有采用混合驱动,即液-气或电-液混合驱动。
  1.2.3控制系统
  机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种。
  控制系统可根据动作的要求,设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储,然后再根据规定的程序,控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中,如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内;位置信息存储于时间继电器、定速回转鼓等;集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内,如磁带、磁鼓等。这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合,即连续控制的情况下使用。
  其中插销板使用于需要迅速改变程序的场合。换一种程序只需抽换一种插销板限可,而同一插件又可以反复使用;穿孔带容纳的程序长度可不受限制,但如果发生错误时就要全部更换;穿孔卡的信息容量有限,但便于更换、保存,可重复使用;磁蕊和磁鼓仅适用于存储容量较大的场合。至于选择哪一种控制元件,则根据动作的复杂程序和精确程序来确定。对动作复杂的机械手,采用求教再现型控制系统。更复杂的机械手采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。控制系统以插销板用的最多,其次是凸轮转鼓。它装有许多凸轮,每一个凸轮分配给一个运动轴,转鼓运动一周便完成一个循环。
工业机械手臂设计

  第二章

  2.1机械手臂的结构设计

  2.1.1手部设计
  机械手的手部,是用来抓持工件(或工具)的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度,都将直接影响到机械手的工作性能,是机械手的关键部件之一。
  (1)手部总体确定。手部是承担抓取刀具的机构,由手指传力机构和驱动装置等组成,是机械手的重要组成部分之一。根据被抓起部件的材料、形状、尺寸以及一些特性的不同,此机械手部分为手指式。
  (2)驱动力的计算。手指夹持工件所需要驱动力的大小,在同一夹紧力的条件下,随所采用的传动结构的不同而异。但其计算方法都是按照具体的传动机构进行力的分析,根据力系平衡原理来进行的。
  2.1.2臂部设计
  手臂部是机械手的主要执行部件,其作用是支承手部,主要用来改变刀具的位置。手部在空间的活动范围,主要取决于臂部的运动形式。手臂部的运动和结构形式,对机械手的工作性能有着较大的影响。设计时应注意下列几点:
  (1)刚度要好。要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸。实践证明,空心杆比实心杆刚度大得多。常用钢管作臂部和导向杆,用工字钢和槽钢作支承板,以保证有足够的刚度。
  (2)偏重力矩要小。偏重力矩是指臂部的总重力对其支承或回转轴所产生的力矩。其对臂部的升降运动和转动,均将产生影响,设计时应使臂部各部分的质量分布合理,以减少其偏重力矩。
  (3)自重要轻,惯量要小。由于机械手在高速情况下经常起停和换向,为了减少在运动状态变化时所产生的冲击,除了必须采取有效的缓冲装置外,还要力求结构紧凑,自重轻,以减少惯性力。
  2.1.3腕部设计
  机械手的手腕连接于手和手臂之间,用于调整手的方向。此机械手能旋转任何角度,所以手腕能分别独立的绕X、Y、Z轴向实现转动,即实现手×腕的任何角度的伸缩和转动。
  手腕回转的驱动力距M通常计按下式计算:
  M摩———手腕支撑处的摩擦阻力矩(N·m);
  M偏——工件重心偏置的偏置力矩(N·m);
  M惯——手腕运动的惯性力矩(N·m)。

  2.2机械手的驱动系统

  2.2.1液压传动
  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。但对密封裝置要求严格,不然油的泄漏对机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。
  2.2.2气压传动
  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
  2.2.3机械传动
  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。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
  2.2.4电力传动
  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机械手,因为不需要中闰的转换粗构,故粗械结构简单。其車直线电机械手的运动速度和行程长,维护和使用方使。类机械手目前还不多,但有发展前途。

  第三章

  毕业设计(论文)中的实验数据处理分析以及图表绘制,毕业设计(论文)专业技能应用及创新点的阐述

  总结

  1、本次设计的是气动通用机械手,相对于专用机械手,通用机械手的自由度可变制程序可调,因此适用面更广
  2、采用气压传动,动作迅速,反应灵敏,能实现过载保护,便于自动控制工作环境适应性好,不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小,不会染环境。同时成本低廉。
  3、通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制,大大提高了绘图速度,节省了大时间和避免了不必要的重复劳动,同时做到了图纸的统一规范
  4、机械手采用PLC控制,具有可靠性高、改变程序灵活等优点,无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制,都可通过设定PC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序,使机械手的通用性更强
  参考文献
  1.《工业机器人》徐元昌编制中国轻工业出版社,1999
  2.《液压传动与控制》贾铭新主编国防工业出版社,2003
  3.《液压与气压传动》左健民主编机械工业出版社,1999
  4.《机器人应用技术》孟繁华编哈尔滨工业大学出版社,1989.
  5.《机器人原理》严学高、孟正大编制南京大学出版社,2003
  6.《机械原理》傅祥志编制华中科技大学出版社,2000
  7.《气压传动与控制》郑洪生编制机械工业出版社,2004
  8.《机械设计基础》徐刚涛编制高等教育出版社,2008
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