机械手设计

1一、总体方案设计1.1设计任务基本要求:设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为40Kg的工件，由车间的一条流水线搬到别一条线上；二条流水线的距离为：1000mm；工作节拍为：70s；工件：最大直径为160mm的棒料；1.2总体方案确定1.2.1自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。机械手的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着机械手整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用机械手有5～6个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有2～3个自由度），专用机械手有1～2个自由度即可满足使用要求。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一动作。在满足前提条件上尽量使结构简单，所以我们这次选择5自由度机械手。1.2.2机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:(1)直角坐标型机械手：2特点：操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置。优缺点：结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低。结构图：(2)圆柱坐标型机械手：特点：操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置。优缺点：结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高。结构图：3(3)球坐标(极坐标)型机械手：特点：操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置。优缺点：结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂。结构图：(4)多关节型机机械手。特点：操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节。优缺点：运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差。结构图：因为本次设计的三自由度机械手主要用来运输2流水线的零件，2者距离1000mm，这就要求机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小。根据上面4种坐标形式，我选择了圆柱坐标形式，这种形式比较符合这次设计的需要。图1-2-3是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。4图1-2-3机械手搬运物品示意图1.2.3机械手的主要部件及运动在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有3个自由度既：手抓张合；手臂回转；手臂升降3个主要运动。本设计机械手主要由3个大部件：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，采用一个回转液压缸实现手部回转。（3）臂部，臂是机械手机构的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。（4）机身，机身是直接支承和传动手臂的部件。1.2.4机械手的驱动元件在机器人驱动系统中，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机以及最近几年出现的超声波电机和HD电动机等几种。步进电机可直接将电脉冲信号转换成转角，每输入一个脉冲，步进电机就回转一定的角度，其角度大小与脉冲数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。步进电机可在很宽的范围内，通过改变脉冲的频率来调速，能够快速起动、反转和制动，有较强的阻碍偏离稳定的能力。在机器人中无位置反馈的位置控制系统5中得到了广泛的应用。直流伺服电机在机器人中应用也很广泛。常用它直接带动滚珠丝杠驱动关节手臂关节运动。直流伺服电机的工作原理和基本结构均与一般动力用直流电机相同。按激磁方式直流伺服电机可分为永磁式、他激式、并激式和串激式等。在机器人驱动系统中多采用永磁式直流伺服电机。.交流伺服电机在机器人中的应用情况与置流伺服电机相同，但交流伺服电机与直流伺服电机相.比，，功率大、过载能力强、无电刷、环境适应性好，因而交流伺服电机是今后机器人用电机的发展方向。低速电机主要用于系统精度要求高的机器人。为了提高功率体积比，伺服电机制成高转速，经齿轮减速后带动机械负载。由于齿轮传动存在间隙，系统精度不易提高，若对功率体积比要求不十分严格，而对于精度有严格的要求，则最好取消减速齿轮，采用大力矩的低速电机，配以高分辨率的光电编码器及高灵敏度的测速发电机，实现直接驱动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用在机器人的关节处，不需齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空结构传递信息。HD电动机是一种小型大转矩(大推力)的电动机，电动机可直接与负载连接，可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较，综合考虑本文机械手臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有较高精度并要求能够快速启动和制动，所以选择应用较为广泛的直流伺服电机作为驱动电机。1.2.5机械手的技术参数列表一、用途：搬运:用于传送带间搬运二、设计技术参数:1、抓重:40Kg(夹持式手部)2、自由度数:5个自由度3、座标型式:圆柱座标4、最大工作半径:1000mm6、手臂运动参数回转范围：0~180°6二、各主要组成部分设计2.1爪部机构设计2.1.1对手部设计的要求(1)对手部设计的要求(a)有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。(b)有足够的开闭范围根据工件外圆大小,夹持的大小直径必须大于100mm。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。(c)力求结构简单，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手机构的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。(d)手指应有一定的强度和刚度(e)其它要求：因此送料，夹紧机械手机构，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。2.1.2手部设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。7（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。2.1.3机械手手抓的设计计算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=060，夹取重量为30Kg。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。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。2、手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆图2-1-3.1为常见的滑槽杠杆式手部结构。832O1O21FN图2-1-3.1滑槽杠杆式手部结构图2-1-3.2滑槽杠杆式受力分析9在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线1oo和2oo并指向o点，交1F和2F的延长线于A及B。由xF=0得12FFyF=0得12cosFF'11FF由01MF=0'1NFFhcosahF=2cosNbFa式中a——手指的回转支点到对称中心的距离（mm）.——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力F一定时，角增大，则握力NF也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=030~040。3、夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算：123NFKKKG式中1K——安全系数，通常1.2~2.0；2k——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估21bKa其中a，重力方向的最大上升加速度；maxvat响maxv——运载时工件最大上升速度t响——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03~0.5s103K——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。G——被抓取工件所受重力（N）。表2-1-3.1液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于50000.8~120000~300002.0~4.05000~100001.5~2.030000~500004.0~5.010000~200002.5~3.050000以上5.0~8.0计算：设a=50mm,b=100mm,010040;机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力NF和驱动力F和驱动液压缸的尺寸。(1)设11.5K，5.0vamax，ga12K=1.02（a运载工件时重力方向的最大上升加速度），30.5K根据公式，将已知条件带入：NF=1.51.020.5400=306N（2）根据驱动力公式得：30630cos5010022）（计算F=918N（3）取0.85108085.0918计算实际FFN（4）确定液压缸的直径D224FDdp实际选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8~1MPa,11D=75.0101108045.01p462π）（π实际F=0.042根据表2-1-3.2（JB826-66），选取液压缸内径为：D=50mm2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250表2-1-3.2液压缸的内径系列（JB826-66）则活塞杆内径为:d=500.5=25mm，选取d=25mm4、活塞杆长度与手指长度的计算计算为了保证手抓张开角为060，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径1R40，当张开060时，最大夹持半径2R计算如下：10130cos5030tg1002R机械手的夹持半径从40~101mm2.1.4弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图2-1-4.1所示，计算13过程如下。图2-1-4.1圆柱螺旋弹簧的几何参数12(1).选择硅锰弹簧钢，查取