机械手手部优秀课程设计.doc

1序言1.1工业机器人介绍工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置组成，是一个仿人操作、自动控制、可反复编程、能在三维空间完成多种作业机电一体化自动化生产设备。尤其适合于多品种、变批量柔性生产。它对稳定、提升产品质量，提升生产效率，改善劳动条件和产品快速更新换代起着十分关键作用。 机器人并不是在简单意义上替换人工劳动，而是综合了人专长和机器专长一个拟人电子机械装置，现有些人对环境状态快速反应和分析判定能力，又有机器可长时间连续 工作、正确度高、抗恶劣环境能力，从某种意义上说它也是机器进化过程产物，它是工 业和非产业界关键生产和服务性设备，也是优异制造技术领域不可缺乏自动化设备。 1.2世界机器人发展国外机器人领域发展近几年有以下多个趋势：（1） 工业机器人性能不停提升（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修） （2）机械结构向模块化、可重构化发展。比如关节模块中伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方法结构机器人整机；国外已经有模块化装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统向基于PC机开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提升，控制柜日见小巧，且采取模块化结构；大大提升了系统可靠性、易操作性和可维修性。（4）机器人中传感器作用日益关键，除采取传统位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采取视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器融合技术来进行环境建模及决议控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已经有成熟应用。（5）虚拟现实技术在机器人中作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中感觉来操纵机器人。（6）现代遥控机器人系统发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者和机器人人机交互控制，即遥控加局部自主系统组成完整监控遥控操作系统，使智能机器人走出试验室进入实用化阶段。美国发射到火星上“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用最著名实例。1.3中国工业机器人发展中国工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家支持下，经过“七五”、“八五”科技攻关，现在已基础掌握了机器人操作机设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹计划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业近30条自动喷漆生产线（站）上取得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂焊装线上。但总来看，中国工业机器人技术及其工程应用水平和国外比还有一定距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术和国外比有差距；在应用规模上，中国已安装国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数万分之四。以上原因关键是没有形成机器人产业，目前中国机器人生产全部是应用户要求，“一用户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。所以迫切需要处理产业化前期关键技术，对产品进行全方面计划，搞好系列化、通用化、模化设计，主动推进产业化进程。1.4我要设计机械手1. 臂力确实定 现在使用机械手臂力范围较大，中国现有机械手臂力最小为0.15N，最大为8000N。本液压机械手臂力为N臂 =1650（N），安全系数K通常可在1.53，本机械手取安全系数K=2。定位精度为1mm。2. 工作范围确实定 机械手工作范围依据工艺要求和操作运动轨迹来确定。一个操作运动轨迹是多个动作合成，在确定工作范围时，可将轨迹分解成单个动作，由单个动作行程确定机械手最大行程。本机械手动作范围确定以下： 手腕回转角度110手臂伸长量500mm手臂回转角度110手臂升降行程100mm3. 确定运动速度 机械手各动作最大行程确定以后，可依据生产需要工作拍节分配每个动作时间，进而确定各动作运动速度。液压上料机械手要完成整个上料过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列动作，这些动作全部应该在工作拍节要求时间内完成，具体时间分配取决于很多原因，依据多种原因反复考虑，对分配方案进行比较，才能确定。 机械手总动作时间应小于或等于工作拍节，假如两个动作同时进行，要按时间长计算，分配各动作时间应考虑以下要求： 给定运动时间应大于电气、液压元件实施时间； 伸缩运动速度要大于回转运动速度，因为回转运动惯性通常大于伸缩运动惯性。在满足工作拍节要求条件下，应尽可能选择较底运动速度。机械手运动速度和臂力、行程、驱动方法、缓冲方法、定位方法全部有很大关系，应依据具体情况加以确定。 在工作拍节短、动作多情况下，常使多个动作同时进行。为此驱动系统要采取对应方法，以确保动作同时。 液压机械手手部各运动速度以下： 手腕回转速度 V腕回 = 45/s 手指夹紧油缸运动速度 V夹 = 50 mm/s4. 位置检测装置选择 机械手常见位置检测方法有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采取行程开关式。利用行程开关检测位置，精度低，故通常和机械挡块联合应用。在机械手中，用行程开关和机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多。5. 驱动和控制方法选择 机械手驱动和控制方法是依据它们特点结合生产工艺要求来选择，要尽可能选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底方法。 控制系统也有不一样类型。除部分专用机械手外，大多数机械手均需进行专门控制系统设计。 驱动方法通常有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。 参考工业机器人表9-6和表9-7，根据设计要求，本机械手采取驱动方法为液压驱动，控制方法为继电-接触器控制。2 手部结构2.1概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作部件，它含有模拟人手功效，并安装于机械手手臂前端。机械手结构型式不象人手，它手指形状也不象人手指、，它没有手掌，只有本身运动将物体包住，所以，手部结构及型式依据它使用场所和被夹持工件形状，尺寸，重量，材质和被抓取部位等不一样而设计多种类型手部结构，它通常可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其它型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采取滑槽杠杆式。(一) 设计时应考虑多个问题1. 应含有足够握力（即夹紧力） 在确定手指握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生惯性力和振动，以确保工件不致产生松动或脱落。2. 手指间应有一定开闭角 两个手指张开和闭合两个极限位置所夹角度称为手指开闭角。手指开闭角确保工件能顺利进入或脱开。若夹持不一样直径工件，应按最大直径工件考虑。3. 应确保工件正确定位 为使手指和被夹持工件保持正确相对位置，必需依据被抓取工件形状，选择对应手指形状。比如圆柱形工件采取带V形面手指，方便自动定心。4. 应含有足够强度和刚度 手指除受到被夹持工件反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生惯性力和振动影响，要求含有足够强度和刚度以预防折断或弯曲变形，但应尽可能使结构简单紧凑，自重轻。5. 应考虑被抓取对象要求 应依据抓取工件形状、抓取部位和抓取数量不一样，来设计和确定手指形状。2.2驱动力计算 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座图1 滑槽杠杆式手部受力分析图所表示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上拉力为F，并经过销轴中心O点，两手指1滑槽对销轴反作用力为、 ，其力方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，和延长线交O1O2于A及B，AOC=BOC=。依据销轴力平衡条件，即 Fx=0 得 ; Fy=0 得 销轴对手指作用力为。手指握紧工件时所需力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指和工件接触面对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，以表示。由手指力矩平衡条件，即得 h=a/cos F=式中 a手指回转支点到对称中心线距离（mm）。 工件被夹紧时手指滑槽方向和两回转支点连线间夹角。 由上式可知，当驱动力F一定时，角增大则握力也随之增加，但角过大会造成拉杆（即活塞）行程过大，和手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，所以，通常取=3040。这里取角=30 。 这种手部结构简单，含有动作灵活，手指开闭角大等特点。综合前面驱动力计算方法，可求出驱动力大小。为了考虑工件在传送过程中产生惯性力、振动和传力机构效率影响，其实际驱动力F实际应按以下公式计算，即： 本机械手工件只做水平和垂直平移，当它移动速度为250mm/s，系统达成最高速度时间依据设计参数选择，通常取0.030.5s，移动加速度为，工件重量G为294N，V型钳口夹角为120，=30时，拉紧油缸驱动力F和计算以下：(1) 手指对工件夹紧力计算公式：式中 安全系数，通常取1.22.0; 工作情况系数，关键考虑惯性力影响。可近似按下式估算 =1.05，其中 方位系数，依据手指和工件形状和手指和工件位置不一样进行选定按工业机械手设计表2-2选择。 由滑槽杠杆式结构驱动力计算公式(2) 得 (3) 取手指传力效率 =0.85, 则 2.2夹紧缸设计计算1. 夹紧缸关键尺寸计算由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸，设夹紧工件时行程为25mm，时间为0.5s，则所需夹紧力为：工作压力取1MP，考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑，取工作压力为2.5MP。选择d=0.5D得： 式中：D液压缸内径 P液压缸工作压力 液压缸工作效率，依据液压缸内径系列（JB826-66）选择液压缸内径，D=50mm 同理查得活塞杆直径 d=22mm2. 缸体结构及验算缸体采取45号无缝钢管，由JB1068-67查得可取缸筒外径75mm，则 则，3. 液压缸额定工作压力（MP）应低于一定极限值，以确保工作安全式中： D缸筒内径 缸筒外径 缸筒材料屈服点，45号钢为340MPa 已知工作压力，故安全。4. 缸筒两端部计算 缸筒底部厚度计算此夹紧缸采取了平行缸底，且底部设有油孔，则底部厚度为考虑结构要求，取h=10mm式中： D缸筒内径 液压缸最大工作压力，取 缸底材料许用应力，材料为45号钢，n为安全系数，取n=5。 缸筒端部联接强度计算缸筒端部和手指是用螺钉联接，联接图以下：图3 螺钉联接图螺纹处拉应力： 螺纹处剪应力：则合成应力：则知螺纹连接处安全可靠。 其中：K拧紧螺纹系数，取K=3 螺纹连接处摩擦系数， 螺纹外径， 螺纹底径， Z螺钉数量，Z=43 腕部结构3.1概述腕部是连接手部和臂部部件，起支承手部作用。设计腕部时要注意以下几点： 结构紧凑，重量尽可能轻。 转动灵活，密封性要好。 注意处理好腕部也手部、臂部连接，和各个自由度位置检测、管线部署和润滑、维修、调整等问题 要适应工作环境需要。 3.2 腕部结构形式 本机械手采取回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为115. 以下图所表示为腕部结构，定片和后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片和手部夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕回转运动。 图3 机械手腕部结构3.3手腕驱动力矩计算 驱动手腕回转时驱动力矩必需克服手腕起动时所产生惯性力矩必需克服手腕起动时所产生惯性力矩，手腕转动轴和支承孔处摩擦阻力矩，动片和缸径、定片、端盖等处密封装置摩擦阻力矩和因为转动重心和轴线不重合所产生偏重力矩。手腕转动时所需要驱动力矩可按下式计算： 式中：驱动手腕转动驱动力矩 惯性力矩 参与转动零部件重量（包含工件、手部、手腕回转缸体动片）对转动轴线所产生偏重力矩 手腕转动轴和支承孔处摩擦力矩 腕部回转力矩计算图1. 摩擦阻力矩M摩 式中： f轴承摩擦系数，滚动轴承取f=0.010.02，滑动轴承取f=0.1； N1 、N2 轴承支承反力 （N）； D1 、D2 轴承直径（m）由设计知D1=0.035m D2=0.075m N1=800N N2=200N G1=294N e=0.020时 得 M摩 =2.15（N.m）2. 工件重心引发偏置力矩 式中 G1工件重量（N） e偏心距（即工件重心到碗回转中心线垂直距离），当工件重心和手腕回转中心线重合时，为零 当e=0.020，G1=294N时 =5.88 （Nm） 3. 腕部开启时惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度时，可用下式计算 式中 手腕回转角速度 （1/s） t手腕开启过程中所用时间（s），（假定开启过程中近为加速运动）通常取0.050.3s J手腕回转部件对回转轴线转动惯量（kgm） 工件对手腕回转轴线转动惯量 （kgm） 按已知计算: 故 = 0.29（Nm） 考虑到驱动缸密封摩擦损失等原因，通常将M取大部分，可取：所以，得4. 回转液压缸所产生驱动力矩计算回转液压缸所产生驱动力矩必需大干总阻力矩。下图为机械手手腕回转液压缸，定片1和缸体2固定连接，动片3和转轴5固定连接，当a、b口分别进出油时，动片带动转轴回转，达成手腕回转目标。回转缸简图式中：手腕回转时总阻力矩 p回转液压缸工作压力 R缸体内孔半径 r输出轴半径 b动片宽度3 手部液压系统设计3.1液压系统介绍 机械手液压传动是以有压力油液作为传输动力工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给机械能转换成油液压力能。压力油经过管道及部分控制调整装置等进入油缸，推进活塞杆运动，将油液压力能又转换成机械能。手部夹紧工件时所需保持握力大小，均和油液压力和活塞有效工作面积相关。3.2液压系统组成 液压传动系统关键由以下多个部分组成： 油泵 它供给液压系统压力油，将电动机输出机械能转换为油液压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。 液压缸 压力油驱动运动部件对外工作部分。也有回转运动液动缸，通常叫作回转油缸（或称摆动油缸）。 控制调整装置 多种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、次序阀等，各起一定作用，使机械手手臂、手腕、手指等能够完成所要求运动。3.3机械手液压系统控制回路 机械手液压系统，依据机械手自由度多少，液压系统可繁可简，不过总不外乎由部分基础控制回路组成。这些基础控制回路含有多种功效，如工作压力调整、油泵卸荷、运动换向、工作速度调整和同时运动等。1 压力控制回路 调压回路 在采取定量泵液压系统中，为控制系统最大工作压力，通常全部在油泵出口周围设置溢流阀，用它来调整系统压力，并将多出油液溢流回油箱。 卸荷回路 在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不停止工作情况下，为降低油泵功率损耗，节省动力，降低系统发烧，使油泵在低负荷下工作，所以采取卸荷回路。此机械手采取二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。 减压回路 为了是机械手液压系统局部压力降低或稳定，在要求减压支路前串联一个减压阀，以取得比系统压力更低压力。 平衡和锁紧回路 在机械液压系统中，为预防垂直机构因自重而任意下降，可采取平衡回路将垂直机构自重给以平衡。 为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上，并预防因外力作用而发生位移，可采取锁紧回路，立即油缸回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本机械手采取单向次序阀做平衡阀实现任意位置锁紧回路。 油泵出口处接单向阀 在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压系统工作时，油泵向系统供给高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有高压油液含有一定能量，将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油泵磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵时间联络，从而起到保护油缸作用。第二是预防空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，预防系统油液经过油泵流回油箱，避免空气混入，以确保开启时平稳性。 2 速度控制回路 液压机械手多种运动速度控制，关键是改变进入油缸流量Q。其控制方法有两类：一类是采取定量泵，即利用调整节流阀通流截面来改变进入油缸或油马达流量；另一类是采取变量泵，改变油泵供油量。本机械手采取定量油泵节流调速回路。 节流调速阀优点是：简单可靠、调速范围较大、价格廉价。其缺点是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发烧大。3 方向控制回路 在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达运动方向和接通或关闭油路，通常采取二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。 3.4 机械手液压传动系统 液压系统图绘制是设计液压机械手关键内容之一。液压系统图是多种液压元件为满足机械手动作要求有机联络图。它通常由部分经典压力控制、流量控制、方向控制回路加上部分专用回路所组成。绘制液压系统图通常次序是：先确定油缸和油泵，再部署中间控制调整回路和对应元件，和其它辅助装置，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图。4结束语此次课程设计我做是基于液压工业机械手手部设计，经过3周努力，设计最终完成。这次设计给了我们一个很好机会，使我们了解了设计工作基础步骤和设计方法和理念。在此次课程设计中，我碰到了很多以前从未碰到过问题，但过经过指导老师指导和我努力，这些问题全部得到了很好处理。即使我们设计只是个机械手手部，但需要完成手部伸缩和回转功效，对应分别要对这些液压缸进行设计，计算和校核。经过这些机设计，使理论知识和实际相结合，巩固和深化了所学过专业理论知识。在设计过程中我不停探索、不停学习和修改。自学了很多相关学科内容，讨教了多位专业老师，上网和在图书馆查阅大量相关资料。因为时间问题，对于此次机械手设计还存在很多问题，很多地方全部还有待改善和提升，期望各位教授评审多多指教。5 参考文件1 邓星钟. 机电传动控制M. 华中科技大学出版社， 2 孙志礼、冷兴聚、魏延刚等 . 机械设计M. 东北大学出版社， 3 徐灏. 机械设计手册M第5卷. 机械工业出版社， 1992 4 吴宗泽. 机械设计师手册M. 机械工业出版社， 5 成大先. 机械设计图册M. 化学工业出版社， 6 罗洪量 . 机械原理课程设计指导书M（第二版）. 高等教育出版社，1986 7 JJ.杰克（美）. 机械和机构设计原理M（第一版）. 机械工业出版社，1985 8 王玉新. 机构创新设计方法学M（第一版）. 天津大学出版社， 1996 9 张建民. 工业机器人BM. 北京理工大学出版社，1992 10 马香峰. 机器人结构学B M . 机械工业出版社，1991 11 俄IO.M.索罗门采夫. 工业机器人图册B M. 机械工业出版社，1993 12 黄继昌、徐巧鱼、张海贵等. 实用机械机构图册B M. 人民邮电出版社，1996 13 天津大学工业机械手设计基础编写组. 工业机械手设计基础B M. 天津科学技术出版社，1981 14 金茂菁. 中国工业机器人发展现实状况J. 机器人技术和应用， ， 01（4）15 乔东凯黄崇林. 移动式工业机器人设计动力学分析J .茂名学院学报， 13（3） 16 张广鹏方英武田忠强. 工业机器人整机结构方案动态性能评价J. 西安理工大学学报， ，20（1）17 王田苗. 工业机器人发展思索J. 机器人技术和应用，（2）期18 李瑞峰.二十一世纪-中国工业机器人快速发展时代J.中国科技结果， ，（18）期19曲忠萍. 国外工业机器人发展态势分析J. 机器人技术和应用， ，（02）20 徐学林. 交换行和测量技术基础M. 湖南大学出版社， ，21机械设计手册联合编写组. 机械设计手册M 下册. 石油化学工业出版社，1978，22 赵松年、张奇鹏. 机电一体化机械系统设计M. 机械工业出版社，1996，23 大连理工大学工程画教研室. 机械制图M. 高等教育出版社，9 致 谢在本设计开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了导师老师亲切关心和精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中无不饱含着老师汗水和心血。导师敏锐学术思想、严谨扎实治学态度、渊博学识、精益求精工作作风、诲人不倦育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。她对本设计构思、框架和理论利用给了很多深入指导，使得设计得以顺利完成。在此谨向尊敬导师老师表示衷心感谢和高尚敬意。经过这次毕业设计，大大提升了我们自主学习和认真思索能力，对学术态度严谨性也有了很高认识。我相信在以后学习和工作过程中，一定能够好好处理问题，提升自己能力，较快地适应工作和社会猛烈竞争。 还要感谢两位同学，在毕业设计期间，她们给了我很多提议和意见，才使整个设计得以顺利完成，感谢机电控制工导和老师对我关心和帮助。再次感谢全部支持和帮助过我领导、老师、同学们。