高自永-轻型平动工业机械手的设计

河南科技学院2009届本科毕业论文（设计）轻型平动工业机械手的设计学生姓名：高自永所在院系：机电学院所学专业：机电技术教育导师姓名：牛爱青完成时间：2009年5月20日摘要本文将设计一部三自由度的工业机械手，可以实现机械手的上下移动，平面伸缩移动以及回转运动。用于给设备运送物料。介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。分析搬运机械手的设计理论与方法。全面分析搬运机械手的手部、手臂以及机身等主要部件的结构设计，本文将分析计算机械手的手部，臂部，机身的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机械手的结构平台。关键词：机械手，液压传动，液压缸ThedesignoflightstablemotiontransportsmanipulatorAbstractInthispaperIwilldesignanindustrialrobotwiththreeDOFs,whichisusedtocarrymaterialforapunch.Thepaperintroducesthefunction,composingandclassificationofthemanipulator,tellsoutthefree-degreeandtheformofcoordinate.Thisarticlesystemelaborationindustrymanipulator'sdesigntheoryandmethod.Thecomprehensiveexhaustivediscussionhastransportedmanipulator'shand,thewrist,thearm，thefuselageandsoon,whichthemajorstructuraldesigncomputation.thenchooseproperdrivemethodandtransmissionmethod,buildingthemechanicalstructureoftherobot.KEYWORDS:manipulator，hydraulicpowertransmission，Hydrauliccylinder目录1绪论………………………………………………………………………11.1机械手的简史……………………………………………………11.2机械手的分类……………………………………………………11.3机械手的组成……………………………………………………11.3.1执行机构……………………………………………………21.3.2驱动机构……………………………………………………21.3.3控制系统……………………………………………………32机械手的总体设计方案…………………………………………………32.1数据参考……………………………………………………………32.2机械手工作要求……………………………………………………32.3机械手坐标形式选择………………………………………………43机械手的手部设计计算…………………………………………………43.1选择手抓的类型及夹紧装置………………………………………43.2夹紧力与驱动力的计算……………………………………………53.3手抓夹持范围计算…………………………………………………83.4机械手手抓夹持精度的分析计算…………………………………84机械手的臂部设计计算…………………………………………………94.1臂部设计的基本要求…………………………………………………104.2手臂的典型运动机构…………………………………………………114.3臂部设计计算…………………………………………………………114.3.1做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力……………………114.3.2液压缸的工作压力和结构的确定……………………………135机械手机身的设计计算……………………………………………………145.1机身的整体设计………………………………………………………145.2机身回转机构的设计计算……………………………………………155.2.1回转驱动力矩的计算…………………………………………155.2.2回转油缸尺寸的初步确定……………………………………165.3机身升降机构的设计计算…………………………………………175.3.1手臂偏重力矩的计算…………………………………………175.3.2升降不自锁的条件分析计算…………………………………185.4臂做升降运动液压缸驱动力的计算………………………………185.5升降液压缸尺寸确定…………………………………………………186液压回路的设计及分析…………………………………………………197总结……………………………………………………………………………20致谢………………………………………………………………………………20参考文献…………………………………………………………………………211绪论1.1机械手的简史1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.2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。1.3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1.3.1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。1.3.2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。本课题所做的机械手采用液压传动机构来实现手臂的上升、下降。1.3.3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。2机械手的总体设计方案2.1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：500mm2.2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。2.3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。3机械手的手部设计计算3.1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，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角设为60度，夹取重量为10Kg。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。