工业机械手的设计4

郑州航空工业管理学院2011年12月07日学生姓名：柳云飞学号：102201122专业：机械制造与自动化设计(论文)题目：机械臂设计指导教师:尹欣1.机械臂的相关认识机械臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。2.机械手的分类机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本设计所做的机械手是属于第三类机械手。3.机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图1：图1机械手机构组成4.执行机构（1）手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。本设计所指的机械手为平面运动运送物料，不需要腕部的旋转，仅需开闭手指。机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。本设计所做的机械手采用二指形状。（2）手臂手臂有无关节和有关节手臂之分本设计所做的机械手的手臂采用无关节臂。手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。本设计所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。5.驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电力驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电力驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电力驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。本设计所做的机械手采用液压传动机构来实现手臂的上升、下降。6.控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。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。一．机械手的总体设计方案1.数据参考负载重量：10kg重复定位精度：±1mm自由度：3（上下移动（Z轴），手臂的平动（R轴），腰轴的转动（θ轴））Z：臂身的升降；R：臂身的伸缩；θ：腰轴各轴最大运动速度：Z轴上下：100mm/sθ；轴回转：30°/s；R轴伸缩：100mm/s各轴最大运动范围：Z轴上下：500mm；θ轴回转：90°；R轴伸缩：500mm2．机械手工作动作要求机械手原位→机械手上升→机械手前伸→机械手抓取并夹紧→机械手后退→机械手下降→机械手左转90°→机械手前伸→机械手松开→机械手后退→机械手右转90°→退至原位。3.机械手坐标形式选择机械手一般包括圆柱坐标式、球坐标式、直角坐标式、多关节式。直角坐标式机械手，占用空间大，工作范围小，惯性大，一般不多用，只有在自由度较少时才考虑用。圆柱坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。多关节式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体，但多关节式结构复杂，所以也不多用。球坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体。它们的机构简图2如下所示：图2a直角坐标式b圆柱坐标式c球坐标式d多关节式由以上叙述，根据设计题目为平动型工业机械手，所以选择为圆柱坐标式。而且平动不需要考虑腕部的回转，所以选择圆柱坐标式更合适。可以在最简单的结构下最合适的完成要求动作。二机械手的手部设计选择手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单,适于夹持平板方料,且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置,其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指,驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。（2）手抓的原理图分析如下图3所示：αααααα图3滑槽杠杆式手部结构、受力分析示意图1——手指2——销轴3——杠杆三机械手的臂部设计手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。这里主要分析手臂的伸缩运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的一点。一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。1.臂部设计的基本要求（1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。2）提高支撑刚度和合理选择支撑点间的距离。3）合理布置作用力的位置和方向。4）注意简化结构。5）提高配合精度。（3）手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。2.手臂的典型运动机构（1）双导向杆手臂伸缩机构（2）双液压钢空心活塞杆单导杆导向机构（3）双活塞杆液压缸结构（4）活塞杆和齿轮齿条机构四机械手机身的设计1.机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂90回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：（1）回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。（2）回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。（3）活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。图8机身整体设计图驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，所以在机械手臂回转90度处设置一个机械挡块，并设置接触开关，可以准确给控制系统发出信号进行控制。2.机身回转机构的设计手臂回转液压缸的回转驱动力矩驱M，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩惯M，以及各支撑处摩擦阻力矩摩M相平衡。五液压回路的设计及分析本设计中，都是采用的液压驱动。具体的液压回路设计如下图10所示。图10机械手全体液压控制回路示意图选用流量为12L/分的YB-12型叶片泵，通过滤油器从油箱中吸取，供应给各缸。在油路上串接一单向阀，以防止油液的回流，保证油泵在断电故障时，机械手不会因重力而造成跌落事故。通过溢流阀可以调整油泵的供油压力。各油缸的动作顺序由四个二位四通电磁换向阀分别控制。为防止断电时工件从机械手抓中掉出，必须使2DT电磁阀在断电时压力油从左通路进入夹紧缸左腔，使机械手保持在加紧状态。只有当2DT通电后才松开。升降油缸安装4DT电磁阀，断电时压力油进入下腔，以防止手臂即工件因自重下落。手臂伸缩缸和回转摆动缸属于水平方向的安装，不存在脱落问题。专业机械手不需要经常调整速度，可选择适宜的缸径和流量，从而确定机械手的速度。机械手工作时，多余的压力从溢流阀返回油箱，当机械手不工作时，全部油液会从溢流阀返回油箱，将差生大量热能，使油温升高，油质变坏，致使机械手性能下降。因此，利用二位二通换向阀来控制溢流口与油箱联通或隔断。当机械手各油缸都不工作时，电磁阀1DT通电，使二位二通换向阀打开，时溢流阀与油箱直接联通，油泵供给的油液经溢流阀返回油箱，使油泵卸荷，不致发热。液压系统采用单向节流阀来调节油量，以控制机械手的速度。六结论本次设计，设计了能实现了机械手在上下空间，平面伸缩以及回转运动的机构。掌握了一定的机械设计方面的基础，为以后的工作学习创造了一定基础。通过本次的设计，把所了解的主要的机械专业知识都用到了，把机械制造，液压与气动，材料力学等知识系统的进行了综合运用。提高了我的综合思考能力。1.本次设计的是轻型平动搬运机械手设计，相对于通用机械手，动作固定，结构简单，同时成本低廉，专用性比较高，可实现车间内的一些搬运工作。2.采用液压传动，液压出力大，且可用电液伺服机构，实现连续控制，使机械手用途更广，定位精度一般非常高，在1mm内。3.该机械手选择配置二指夹持手指，抓取一般棒料。必要时可以更换手抓，抓取箱体等七参考文献1刘明保，吕春红等.机械手的组成机构及技术指标的确定[J].河南高等专科学校学报,2004.1.12李超，气动通用上下料机械手的研究与开发[M].陕西科技大学，20033陆祥生，杨绣莲.机械手[M].中国铁道出版社,198