機械手方面畢業設計論-預覽頁

　

【正文】 ............. 14 設計具體采用的方案 ................................................................... 14 第三章 理論分析和設計計算 .............................................................................. 15 確定液壓系統基本方案 .......................................................................... 15 目錄 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。設計達到了設計的預期目標。重點針對機械手的腰座、手臂、手爪等各部分機械結構以及機械手控制系統進行了詳細的設計。歷經數十年的發展變化，機器人技術不斷進步和創新，在諸多領域都有著機器廣泛的研究和應用。5wT摘 要 機器人是一種人類很早就夢想制造的，具有仿生性而且處處聽命于人的自動化機器 .它可以幫助人們完成很多危險，繁重，重復的體力勞動而進入各種服務領域。 通過對機械設計制造及其自動化 專業大學本科四年的所學知識進行整合，對工業機械手各部分機械結構和功能的論述和分析，設計了一種圓柱坐標形式的數控機床上下料機械手。基于對機械手的控制系統進行了深入細致的設計，通過對機械手作業的工藝過程和控制要求的分析 ，設計了控制系統的硬件電路，同時編制了機械手的控制程序。 Integrate the knowledge of the past four years’ of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。當工件變更時，柔性生產系統很容易改變，有利于企業不斷更新適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市場競爭的需要。 目前，在國內很多工廠的生產線上數控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產效率低。東北電力大學本科畢業論文 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。 2．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行決策控制；多傳 感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。在滿足工藝要求的基礎上，盡可能的使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。 直角坐標機器人的空間運動是用三個相 互垂直的直線運動來實現的，如圖。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。其工作空間是一個圓柱狀的空間。其工作空間是一個類球形的空間。此種機器人在工業中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業，都廣泛采用這種類型的機器人 [7]。 機械手腰座結構的設計要求 工業機器人腰座，就是圓柱坐標機器人，球 坐標機器人及關節型機器人的回轉基座。 ，它對機器人末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。腰部與機器人手臂的聯結要有可靠的定位基準面，以保證各關節的相互位置精度。考慮到腰座是機器人的第一個回轉關節，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現腰部的回轉運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則； 東北電力大學本科畢業論文 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態要求，如果對機器人手 腕的姿態提出具體的要求，則其手臂末端可實現的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態的工作空間 [10]。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重小（其比重相當于鋼的 1/4，相當于鋁合金的 2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生 產實際中推廣應用。因此，各關節都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整機構。 設計具體采用方案 機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。 因為液壓系統能提供很大的驅動力，因此在驅動力和結構的強度都是比較容易實現的，關鍵是機械手運動的穩定性和剛度的滿足。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩定性，比較好的解決了結構、穩定性的問題 [12]。機器人手腕自由度數目愈多，各關節的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業的適應能力也愈強。一般的機器人手腕的自由度數為 2 至 3 個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度， 僅憑受臂和腰部的運動就能實現作業要求的任務。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動，并選用高強度的鋁合金制造。 ，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。 水平液壓缸支承板手臂手爪聯結梁執行手爪 圖 24 手爪聯結結構 機械手末端執行器（手爪）的結構設計 機械手末端執行器的設計要求 機器人末端執行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業的附加裝置。加工用末端執行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業。因此，根據作業的需要和人們的想象力而創造的新的機器人末端執行器，將不斷的擴大機器人的應用領域。萬能末端執行器在結構上很復雜，甚至很難實現，例如，仿人的萬能機器人靈 巧手，至今尚未實用化。 ，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執行器實現標準化和積木化。 機器人夾持器的運動和驅動方式 機器人夾持器及機器人手爪。由 于氣動驅動系統價格較低，所以氣動夾持器在工業中應用較為普遍。電動驅動方式可實現手爪的力與位置控制。 東北電力大學本科畢業論文 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。通常與彈簧聯合使用。驅動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。除直接驅動型機器人以外，機器人各聯桿及各關節的運動都是由驅動器經過各種機械傳動機構進行驅動的。 在設計機器人的傳動機構 時要注意以下問題： ，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。 ，機械零件產生共振時，系統的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會使系統的失動量和反轉誤差增大，穩態誤差增大，精度降低。而機械手腰部的回轉運動采用步進電機驅動，必須采用傳動機構來減速和增大扭矩。 機械手驅動系統的設計 機器人各類驅動系統的特點 工業機器人的驅動系統，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環境中工作的機器人。 液壓系統在機器人中所起的作用是通過電 液轉換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人手臂按給定的運動規律動作。容積調速系統，動態特性不如前者，但效率高。 （ 2） 定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運動慣量比較大，在定位點前要加緩沖與制動機構或鎖定裝置。其電 液轉換和功率放大元件有電 液伺服閥，電 液比例閥，電 液 脈沖閥等。 在機器人的驅動系統中，常用的電 液伺服動力機構是電 液伺服液壓缸和電液伺服擺動馬達，也可以用電 液步進馬達。 設計具體采用方案 具體到本設計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。 機器人手臂的平衡機構設計 直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機器人可以通過合理布局，優化設計結構，使得手臂本身可能達到平衡。一般在機器人手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。同時考慮機械手的工作載荷和工作現場環境對機械手布局以及定位精度的具體要求以及計算機的控制的因素，腰部的回轉用電機驅動實現，剩下的兩個運動均為直線運動。對于一般中小流量的液壓東北電力大學本科畢業論文 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。相應的調速方式有節流調速、容積調速以及二者結合的容積節流調速。容積調速系統多用變量泵供油，用安全閥來限定系統的最高壓力。根據液壓設備所處的環境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措 施 [23]。 其中，泵由三相交流異步電動機 M 拖動；系統壓力由溢流閥 V1 調定； 1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。 確定液壓系統的主要參數 液壓系統的主要參數是壓力和流量，他們是設計液壓系統， 選擇液壓元件的主要依據。 手爪要能抓起工件必須滿足： GkkkN 321? （ 36） 式中， N 為所需夾持力； 1k 安全系數，通常取 ~2； 2k 為動載系數，主要考慮慣性力的影響可按 gak ??12 估算， a 為機械第三章 理論分析和設計計算 19 手在搬運工件過程的加速度 2/sm ， 2/ sma? ， g 為重力加速度； 3k 方位系數，查表選取 13?k ； G 被抓持工件的重量 30kg ； 帶入數據，計算得： NN 120? ； 理論驅動力的計算： ???12 NRbp （ 37） 式中， p 為柱塞缸所需理論驅動力； b 為夾緊力至回轉支點的垂直距離； R 為扇形齒輪分度圓半徑； N 為手指夾緊力； ? 齒輪傳動機構的效率，此處選為 ； 其他同上。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統設計階段，通過外部的液壓 回路、采用合適的調速回路和元件來實東北電力大學本科畢業論文 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。而且因 為機械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。另一方面，為增大結構的剛度和穩定性，將兩個導向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。 （ 1）缸筒壁厚的較核 第三章 理論分析和設計計算 21 當 D/ 10?? 時，液壓缸壁厚的較核公式如下： )1][ ][(2 ???? yyPPD ??? （ 310） 式中， D 為缸筒內徑； yP 為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力 MPapn 16? 時，取為 ny pP ? ； ][? 為缸筒材料的許用應力， nb /][ ?? ? ， b? 為材料抗拉強度，經查相關資料取為 650MPa ， n 為安全系數，此處取 5?n ； 帶入數據計算，上式成立。 因此，可以確定液壓泵的實際工作壓力為 MPap p 514 ??? （ 313） （ 2）確定液壓泵的流量 maxqKqp ?? （ 314） 式中， K 為泄露因數，取 ； maxq 為機械手工作時最大流量。這部分在考慮具體的作業時根據詳細的要求再結合具體情況進行詳細，這里暫 從略。 第四章 機械手控制系統的設計 23 第四章 機械手控制系統的設計 機械手控制系統硬件設計 機械手工藝過程與控制要求 械手的動作有水平手臂的伸縮，垂直手臂的升降，執行手爪的加緊與松開以及腰部的旋轉。只有當上升電磁閥通電時，機械手才上升；而當上升電磁閥斷電時，機械手上升停止。 當機械手旋轉到機床上方時并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業 。機械手回到原點待命； —— → 機床進行加工。 ： 就是用按鈕作機械手的每 一步運動進行單獨的控制。 ： 機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續的周期性循環。 圖 43 SIEMENS SIMATIC S700 PLC 該機集成 14 輸入 /10 輸出共 24 個數字量 I/O 點。 1 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協議、 MPI 通訊協議和自由方式通訊能力。 本設計摒棄了照搬照抄國外設計，不具體問題具體分析，不顧具體工作要求，一味仿照國外原型，盲目選擇高精度、高性能、高價格的先進元件和設備，從而導致很多功能根本用不著，“大材小用”，無謂的提高了成本，造成資源浪費的老設計“套路”和老方法。它在實際生產中的應用推廣必將提高產品的質量，并且節約能源，減輕工人的勞動強度，促進生產技術的進步。 PLC 有較高的靈活性，當機械手工藝流程改變時，只要對 I/O 點的接線稍作修改，或對 I/O 重新分配，在 控制程序中作簡單修改，補充擴展即可。 東北電力大學本科畢業