3940 自動送料機械手的設計

3940 自動送料機械手的設計,自動,機械手,設計 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 共 35 頁1 緒論1.1 機器人目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結合我國的習慣用語，對工業(yè)機器人作如下定義：工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具 [1]。工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據外部來的信號，自動進行各種操作。工業(yè)機器人是在計算機控制下可編程的自動機器。采用工業(yè)機器人是提高產品質量與勞動生產率，實現生產過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。機器人的誕生和發(fā)展雖只有 30 多年的歷史，但它已應用到國民經濟，民事技術等眾多的領域，具有廣闊的應用和發(fā)展前景，顯示出強大的生命力 [2]。根據所處的環(huán)境和作業(yè)需求，工業(yè)機器人具有至少一項或多項擬人功能，如抓取功能或移動功能，或兩者兼有之，另外還可能程度不等的具有某些環(huán)境感知功能（如視覺，力覺，觸覺等） 。以及語音功能及至邏輯思維，判斷決策功能等。從而使其能在要求的環(huán)境中代替人進行作業(yè)。在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現的技術基礎是精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動。本次設計就是在這一思維下展開的。根據設計內容和需求確定圓柱坐標型工業(yè)機器人，利用錐齒輪傳動實現機器人的旋轉，利用液壓缸實現其移動以及對零件的抓取。在步進電機的控制下，機器達到精確的回轉運動。工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代： 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 共 35 頁第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現型工業(yè)機器人，它主要由手部、臂部、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，執(zhí)行機構按指令再現示教的操作。第二代機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復雜得多，這種機器人從 1980 年開始進入了實用階段，不久即將普及應用。第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用 [2-4]。1.2 機械手機械手，顧名思義，是指能模仿人手的部分動作，用以完成某些抓放，搬運物件或操縱工具等工作的自動化機械裝置。機械手通常用附屬于它所服務的設備，動作程序固定，多數沒有獨立的控制系統(tǒng)，其控制裝置包括在主機的控制系統(tǒng)（不包括工業(yè)機器人） 。 機械手（以及工業(yè)機器人）在機械加工自動化方面的應用主要有：自動上、下料和自動換刀 [3]。1.2.1 機械手的組成執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機身機座等，其中最主要是運動系統(tǒng)。機械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。手部是夾緊（或吸附、托持）與松開工件或工具 的部件，由手指（或吸盤） ，驅動元件和傳動元件等組成。腕部、臂部、機身是將手部抓取的工件或工具進行搬運或操作的部件。驅動系統(tǒng)是驅動臂部、腕部、手部和機械手整體運動機構動作的動力裝置，常用的驅動方式有液壓、氣動、機械、電氣或其他的組合?？刂葡到y(tǒng)是支配機械手按規(guī)定程序和要求進行運動的裝置，他們主要用來控制： 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 35 頁位置（點位控制或連續(xù)軌跡控制）時間、速度和加速度等參數機械手與主機及其它有關裝置之間的聯(lián)系 [3]。1.2.2 機械手的應用按機械手布局形式分可分為：架空式機械手、附機式機械手、落地式機械手三種。此外，還有安裝在自動線料道上或料道旁，實現工件上、下料，傳遞轉位、轉向，粉料等用途的機械手，他們具有運動單一、結構簡單，位置靈活及精度一般要求較低的特點。 機 械 手 通 常 用 作 機 床 或 其 他 機 器 的 附 加 裝 置 ， 如 在 自 動 機 床 或 自 動 生 產 線 上裝 卸 和 傳 遞 工 件 ， 在 加 工 中 心 中 更 換 刀 具 等 ， 一 般 沒 有 獨 立 的 控 制 裝 置 [3]。1.2.3 機械手的分類(1)根據所承擔的作業(yè)的特點，工業(yè)機械手可分為以下三類：(a)承擔搬運工作的機械手：這種機械手在主要工藝設備運行時，用來完成輔助作業(yè)，如裝卸毛坯、工件和工夾具。(b)生產工業(yè)用機械手：可用于完成工藝過程中的主要作業(yè)，如裝配、焊接、涂漆、彎曲、切斷等。(c)通用工業(yè)機械手：其用途廣泛，可以完成各種工藝作業(yè) [9]。(2)按功能分類:(a)專用機械手：它是附屬于主機的具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少，工作對象單一，結構簡單，實用可靠和造價低等特點，適用于大批大量的自動化生產，如自動機床，自動線的上、下料機械手和“加工中心”附屬的自動換刀機械手。(b)通用機械手：又稱工業(yè)機器人。它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強的特點，適用于不斷變換品種的中小批量自動化的生產。(c)示教再現機械手：采用示教法編程的通用機械手。所謂示教，即由人通過手動控制， “拎著”機械手做一遍操作示范，完成全部動作后，其儲存裝置即能記憶下 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 35 頁來。機械手手可按示范操作的程序行程進行重復的再現工作。(3)按驅動方式分：(a)氣力驅動式的機器人：氣源壓力一般只有 60Mpa 左右，適宜抓舉力較小的場合。(b)液力驅動式的機器人：結構緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。(c)電力驅動式的機器人：無環(huán)境污染，易于控制，運動精度高，成本低，驅動效率高等優(yōu)點，其運用最為廣泛。(d)新型驅動式的機器人：例如靜電驅動器，壓電驅動器，形狀記憶合金驅動器，人工肌肉及光驅動器等(4)按控制方式分:(a)固定程序機械手：控制系統(tǒng)是一個固定程序的控制器。程序簡單，程序數少，而且是固定的，行程可調但不能任意點定位。(b)可編程序機械手：控制系統(tǒng)是一個可變程序控制器。其程序可按需要編排，行程能很方便改變 [9]。1.3 課題研究內容及解決手段(1)根據設計要求及原始數據，進行機械手抓取機構設計；(2)進行液壓系統(tǒng)原理設計，并畫草圖；(3)進行機座機身的結構設計；(4)研究機械手的定位及平穩(wěn)性；(5)研究機械手的控制方式。1.4 課題研究意義(1)培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術問題的獨立工作能力，拓寬和深化學生的知識。 (2)培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，設計構思和創(chuàng)新思維，掌握工程設計的一般程序規(guī)范和方法。(3)培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和使用技術資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設計計算，數據處理，編寫技術文件等方面的工作能力。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 共 35 頁(4)培養(yǎng)學生進行調查研究，面向實際，面向生產，向工人和技術人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 35 頁2 機械手的結構方案和驅動方案選型2.1 原始數據及資料(1)原始數據：(a)生產綱領：100000 件（兩班制生產）(b)自由度（四個自由度）臂轉動 180o臂上下運動 500mm臂伸長（收縮）500mm手部轉動 ±180o(2)技術要求主要參數的確定：(a)坐標形式：圓柱坐標系(b)臂的運動行程：伸縮運動 500mm，回轉運動 180o。(c)運動速度：使生產率滿足生產綱領的要求即可。(d)控制方式：起止設定位置。(e)定位精度：±0.5mm。(f)手指握力：392N(g)驅動方式：液壓驅動。2.2 料槽形式及分析動作要求(1)料槽形式由于工件的形狀屬于小型回轉體，此種形狀的零件通常采用自重輸送的輸料槽,如圖 2.1 所示，該裝置結構簡單，不需要其它動力源和特殊裝置，所以本課題采用此種輸料槽。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 共 35 頁圖 2.1 機械手安裝簡易圖(2)動作要求分析如圖 2.2 所示動作一：送 料動作二：預夾緊動作三：手臂上升動作四：手臂旋轉動作五：小臂伸長動作六：手腕旋轉預夾緊手臂上升手臂旋轉小臂伸長 手腕旋轉手臂轉回圖 2.2 機械手動作簡易圖2.3 機械手結構及驅動系統(tǒng)選型本課題所設計的機械手為通用型的機械手，其中坐標系為圓柱坐標系結構。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式手部設計方案。手部部分由手指和 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 35 頁傳力機構所構成，手指與工件接觸而傳力機構則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務。其他部分則按照一般工業(yè)生產所采用的通用形式進行設計。驅動系統(tǒng)選用電機驅動和液壓驅動，電機驅動用于機座的旋轉和手臂的上下移動，液壓驅動用于手臂的伸縮和機械手的夾取和翻轉 [3]。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 共 35 頁3 系統(tǒng)各主要組成部分設計3.1 抓取機構設計3.1.1 手部設計計算(1)對手部設計的要求(a)有適當的夾緊力手部在工作時，應具有適當的夾緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。(b)有足夠的開閉范圍夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖 3.1 所示。圖 3.1 機械手開閉示例簡圖 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 共 35 頁(c) 力求結構簡單，重量輕，體積小手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個機械手的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。(d) 手指應有一定的強度和剛度(e)其它要求：因此送料，夾緊機械手，根據工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。(2)拉緊裝置 [4]如圖 3.2 所示：油缸右腔停止進油時，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進油時松開工件。圖 3.2 油缸示意圖(a)右腔推力為（3.1）??PDFp24/??= 3105.?=4908.7N(b)根據鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為：P 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 共 35 頁（3.3）??NabF???21cos/2?其中 N′ =4 98N=392N，帶入公式 2.2 得：??21s/=(2 150/50) （cos30o）2 392??=1764N則實際加緊力為 F1實際= PK1K2/η （3.3）=1764 1.5 1.1/0.85=3424N?經圓整 F1=3500N由公式 得：??pbaN????cos/2a=50.5 mmb=72 mm(c)計算手部活塞桿行程長 L,即???tgDL2/?（3.4）=25×tg30o=23.1mm經圓整取 l=25mm(d)確定“V”型鉗爪的 L、 β [3]。取 L/Rcp=3 （3.5）式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3.6）由公式（3.5） （3.6）得： L=3×Rcp=150取“V”型鉗口的夾角 2α =120o，則偏轉角 β 按最佳偏轉角來確定，查表得：β =22o39′(5)機械運動范圍（速度） 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 共 35 頁(a)伸縮運動 Vmax=500mm/sVmin=50mm/s(b)上升運動 Vmax=500mm/sVmin=40mm/s(c)下降 Vmax=800mm/sVmin=80mm/s(d)回轉 =90o/smaxW=30o/sin所以取手部驅動活塞速度 V=60mm/s (6)手部右腔流量SVQ?（3.7）=60 2r?=60×3.14×252=1177.5mm3/s(7)手部工作壓強（3.8SFP/1?）=3500/1962.5=1.78Mpa機械手手部的尺寸如圖 3.3 所示： 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 共 35 頁圖 3.3 尺寸示意圖3.1.2 腕部設計計算腕部是聯(lián)結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。要求：回轉±90o角速度 =45o/s?以最大負荷計算：當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重 10kg，長度 l =650mm。如圖 3.4 所示。(1)計算扭矩 [4]1?設重力集中于離手指中心 200mm 處，即扭矩 為：1?（3.9SF??1）=10×9.8×0.2=19.6（N·M）工件 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 共 35 頁FSF圖 3.4 腕部受力簡圖(2)油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 [4]2?F =5kg S =10cm帶入公式 2.9 得=5×9.8×0.1 =4.9（N·M） ??2(3)擺動缸的摩擦力矩 [4]摩=300（N ） （估算值）摩FS=20mm （估算值）= ×S =6（N·M）摩?摩(4)擺動缸的總摩擦力矩 [4]= + + （3.1012摩）=30.5（N·M） (5)由公式（3.11??8/10621????mAbPT?）其中： b—葉片密度，這里取 b=3cm；—擺動缸內徑, 這里取 =10cm；1A?1A—轉軸直徑, 這里取 =3cm。mm? 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 共 35 頁所以代入（3.11）公式 ??62108????mAbTP?=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×10 6=0.89Mpa又因為 ??bAQWm21/8???所以 8/21m=（ π /4） （0.12-0.032）×0.03/8=0.27×10-4m3/s=27ml/s3.1.3 臂伸縮機構設計手臂是機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復雜。機械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導向裝置和定位方式就顯得尤其重要了 [5]。手臂的伸縮速度為 200m/s行程 L=500mm(1)手臂右腔流量，公式（3.7）得： SVQ?=200×π ×402=1004800mm3/s=0.1/102m3/s=1000ml/s(2)手臂右腔工作壓力，公式（3.8） 得： 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁 共 35 頁（2.12SFP/?）式中： F ——取工件重和手臂活動部件總重，估算 F =10+20=30kg， =1000N。摩所以代入公式（3.12）得： ??SFP/摩??=（30×9.8+1000）/ π ×402=0.26Mpa(3)繪制機構工作參數表如表 3.1 所示：表 3.1 機構工作參數表機構名稱 工作速度 行程 工作壓力 流量手部抓緊腕部回轉小臂伸縮60mm/s45°/s200mm/s25mm±90°500mm1.78 Mpa0.89 Mpa0.26Mpa117.8m/s27m/s1000ml/s(4)由初步計算選液壓泵所需液壓最高壓力 P =1.78Mpa所需液壓最大流量 Q =1000ml/s選取 CB-D 型液壓泵（齒輪泵）此泵工作壓力為 10Mpa，轉速為 1800r/min，工作流量 Q 在 32—70ml/r 之間，可以滿足需要。(5)驗算腕部擺動缸：（3.13??8/10621???mAPDT??）（3.14bWm21/8?） 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁 共 35 頁式中： —機械效率取： 0.85～0.9mH—容積效率?。? 0.7～0.95v所以代入公式（3.13）得：T =0.89×0.03×（0.12-0.032）×0.85×10 6/8=25.8（N·M）T < M=30.5（N·M）代入公式（3.14）得：W =（8×27×10 -6）×0.85/（0.12-0.032）×0.03=0.673rad/sW <π /4≈0.785rad/s因此，取腕部回轉油缸工作壓力 P =1Mpa流量 Q =35ml/s圓整其他缸的數值：手部抓取缸工作壓力 =2Mpa 1流量 =120ml/s小臂伸縮缸工作壓力 =0.25Mpa 2P流量 =1000ml/sQ3.2 液壓驅動系統(tǒng)設計液壓控制室機械手的一種主要的控制形式。機械手的運動速度和操作室根據油的流量與壓力來確定，因而只要控制油的流量和壓力，就可以控制機械手的運動速度和操作力，油壓壓力一般在 5—140 公斤/厘米范圍內，最大臂力可達 160 公斤以上。主要優(yōu)點：(1)液壓執(zhí)行元件(馬達和油缸)結構緊湊，重量輕，功率小。(2)可通過液壓油帶走大量熱能，保證機械的正常運行，并由于液壓油的潤滑作用，可延長元件的使用壽命。(3)液壓元件有直線位移式和旋轉式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 共 35 頁比較寬。只要通過閥和泵的調節(jié)就能實現開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。(4)響應速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強。(5)液壓元件于其他驅動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。缺點:(1)液壓控制需要一套液壓系統(tǒng)，不像電力容易獲得，而且價格較貴。(2)油溫有上限，并難以保持不漏，比較臟，易于使閥和執(zhí)行元件堵塞。(3)控制系統(tǒng)比較復雜，處理功率訊號的數學運算誤差，檢測，放大，測試和補償功能不如電子，機電裝置靈活簡便 [4-6]。3.2.1 手部抓取缸圖 3.5 手部抓取缸液壓原理圖(1)手部抓取缸液壓原理圖如圖 3.5 所示(2)泵的供油壓力 P 取 10Mpa，流量 Q 取系統(tǒng)所需最大流量即 Q =1300ml/s。因此，需裝圖 3.1 中所示的調速閥，流量定為 7.2L/min，工作壓力 P=2Mpa。選取采用： YF-B10B 溢流閥2FRM5-20/102 調速閥 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 19 頁 共 35 頁23E1-10B 二位三通閥3.2.2 腕部擺動液壓回路4圖 3.6 腕部擺動液壓回路(1)腕部擺動缸液壓原理圖如圖 3.6 所示(2)工作壓力: P=1Mpa流量: Q=35ml/s選取采用:2FRM5-20/102 調速閥34E1-10B 換向閥YF-B10B 溢流閥3.2.3 小臂伸縮缸液壓回路 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 20 頁 共 35 頁臂部伸縮缸 52圖 3.7 小臂伸縮缸液壓回路(1)小臂伸縮缸液壓原理圖如圖 3.7 所示(2)工作壓力: P =0.25Mpa流量: Q =1000ml/s選取采用： YF-B10B 溢流閥2FRM5-20/102 調速閥23E1-10B 二位三通閥3.2.4 總體系統(tǒng)圖 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁 共 35 頁圖 3.8 總體系統(tǒng)圖(1)總體系統(tǒng)圖如圖 3.8 所示,(2)工作過程:小臂伸長→手部抓緊→腕部回轉→小臂回轉→小臂收縮→手部放松(3)電磁鐵動作順序表:表 3.2 總體系統(tǒng)圖元件動作1DT 2DT 3DT 4DT 5DT小臂伸長手部抓緊腕部回轉小臂收縮手部放松卸荷-----++++--±+---+±--+--±-----±(4)確電機規(guī)格：液壓泵選取 CB-D 型液壓泵，額定壓力 P =10Mpa，工作流量在 32～70ml/r 之間。選取 80L/min 為額定流量的泵，因此：傳動功率 （3.15?/QPN?? 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 22 頁 共 35 頁）式中： η =0.8 （經驗值）所以代入公式（3.15）得：N =10×80×103×106/60×0.8=16.7KN選取電動機 JQZ-61-2 型電動機，額定功率 17KW，轉速為 2940r/min。3.3 機身結構的設計機身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實現臂部的升降、回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者就直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜，機身既可以是固定式的，也可以 是行走式的,如圖 3.9 所示。圖 3.9 機身機座結構圖臂部和機身的配置形式基本上反映了機械手的總體布局。本課題機械手的機身設計成機座式，這樣機械手可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 23 頁 共 35 頁搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型機械手。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的要求 [7-9]。3.3.1 電機的選擇機身部使用了兩個電機，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉運動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶動機身回轉的電機安裝在混凝土地基上。帶動臂部升降的電機：初選上升速度 V =100mm/sP =6KW所以 n =（100/6）×60=1000 轉/分選擇 Y90S-4 型電機，屬于籠型異步電動機。采用 B 級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為 I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為 380V，額定功率為50HZ。如表 3.3 Y90S-4 電動機技術數據所示：表 3.3 Y90S-4 電動機技術數據滿載時 堵轉電流堵轉轉矩最大轉矩型號 額定功率 KW 電流 A 轉速r/min效率% 功率因素額定電流額定轉矩額定轉矩Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 2.2 2.23.3.2 減速器的選擇 [10]減速器的原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置。用來降低轉速和增轉矩，以滿足工作需要。初選 WD80 型圓柱蝸桿減速器。WD 為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。蝸桿的材料為 38siMnMo 調質 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁 共 35 頁蝸輪的材料為 ZQA19-4中心矩 a=80Ms×q=4.0×11 （3.16）傳動比 I =30傳動慣量 0.265×10ˉ3kg·m23.3.3 螺柱的設計與校核 [11]螺桿是機械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。螺桿的材料選擇：從經濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。螺距 P =6mm 梯形螺紋螺紋的工作高度 h =0.5P （3.17）=3mm螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （3.18）螺桿強度 〖11〗 = σs/3～5 （3.19???）=150/3～5=30～50Mpa螺紋牙剪切 =40???彎曲 =45～55b?(1)當量應力(3.20)????????????????????23121.04dTdF式中 T——傳遞轉矩 N·mm[σ]——螺桿材料的許用應力 所以代入公式（3.20）得： 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 共 35 頁= ? 23121 ).0/68.90(3)/8.9204( dd????= 1 5~.6(5?=（2495/ d 12）2+3（61.2/ d 13）2≤900～2500×10 12=6225025/d14+11236/d16≤900～2500×10 126225025d12+11236≤900d 16×10126225025×0.0292+11236≤900×0.029 6×1012即 16471pa＜535340pa合格(2)剪切強度=160/6 （旋合圈數） （3.21）PHZ/?bzdF1??（3.22）=200×9.8/π×0.029×3.9×（160/6）×10 -3=206.8×103pa=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa(3)彎曲強度 zbdFhb21/3???=3×200×9.8×3/π×2.9×3.9 2×（160/6）=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa合格3.3.4 機座的機械結構示意圖帶動機身回轉的電機：初選轉速 W =60o/sN =1/6 轉/秒=10 轉/分由于齒輪 I =3減速器 I =30 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 26 頁 共 35 頁所以 n =10×3×30=900 轉/分選擇 Y90L-6 型籠型異步電動機電動機采用 B 級絕緣。外殼防護等級為 IP44，冷卻方式為 I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為 380V，額定功率為 50HZ。如表 3.4 Y90S-6 電動機技術數據所示：表 3.4 Y90L-6 電動機技術滿載時 堵轉電流堵轉轉矩最大轉矩型號 額定功率 KW電流A轉速r/min效率%功率因素額定電流額定轉矩額定轉矩Y9OL-6 1.1 3.2 910 73.5 0.72 6.0 2.0 2.0機座的機械結構如圖 3.10 所示:圖 3.10 機座結構圖3.4 機械手的定位及平穩(wěn)性確定3.4.1 常用的定位方式機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。當機械手經減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。若定位前已減速，定位時驅動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 27 頁 共 35 頁到較高的重復精度。一般可高于±0.5mm，若定位時關閉驅動油路而去掉工作壓力，這時機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低 [12]。3.4.2 影響平穩(wěn)性和定位精度的因素機械手能否準確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下：(1)定位方式不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關。(2)定位速度定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅動系統(tǒng)使運動部件適時減速。(3)精度機械手的制造精度和安裝調速精度對定位精度有直接影響。(4)剛度機械手本身的結構剛度和接觸剛度低時，因易產生振動，定位精度一般較低。(5)運動件的重量運動件的重量包括機械手本身的重量和被抓物的重量。運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。(6)驅動源液壓、氣壓的壓力波動及電壓、油溫、氣溫的波動都會影響機械手的重復定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調節(jié)油溫措施。如用蓄能器穩(wěn)定油壓，用加熱器或冷卻器控制油溫，低速時，用溫度、壓力補償流量控制閥控制。(7)控制系統(tǒng)開關控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關 [13]。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 28 頁 共 35 頁本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位。3.4.3 機械手運動的緩沖裝置緩沖裝置分為內緩沖和外緩沖兩種形式。內緩沖形式有油缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機械元件和液壓緩沖器。內緩沖的優(yōu)點是結構簡單，緊湊。但有時安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點是安置位置靈活，簡便，緩沖性能好調等，但結構較龐大。本課題所采用的緩沖裝置為油缸端部緩沖裝置。當活塞運動到距油缸端蓋某一距離時能在活塞與端蓋之間形成一個緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產生臨時背壓阻力，以使運動減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱為油缸端部緩沖裝置 [12-15]。在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。設計油缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時， （最大加速度） 、 （緩沖腔最大沖擊maxmaxp壓力）和 （殘余速度）三個參數是受工作條件限制的。通常采用的辦法是先選定rV其中一個參數，然后校驗其余兩個參數。步驟如下：(1)選擇最大加速度通常，amax 值按機械手類型和結構特點選取，同時要考慮速度與載荷大小。對于重載低速機械手，- 取 5m/s2 以下，對于輕載高速機械手，- 取 5～10 max maxm/s2(2)計算沿運動方向作用在活塞上的外力 F水平運動時：（3.23isAPF??）=0.25×103×π×3.6 2-7=138N(3)計算殘余速度 Vr（3.24FaVr/1/mx0??） 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 29 頁 共 35 頁=0.1/0.64=0.15m/s 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 30 頁 共 35 頁4 傳動系統(tǒng)三維造型設計4.1 三維造型軟件的概述4.1.l PRO/E 概述1985 年，PTC 公司成立于美國波士頓，開始參數化建模軟件的研究。1988 年，V1.0 的 Pro/ENGINEER 誕生了。經過 10 余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER 已經成為三維建模軟件的領頭羊。目前已經發(fā)布了 Pro/ENGINEER2000i2。PTC 的系列軟件包括了在工業(yè)設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產品數據管理等等。Pro/ENGINEER 還提供了目前所能達到的最全面、集成最緊密的產品開發(fā)環(huán)境。下面就 Pro/ENGINEER 的特點及主要模塊進行簡單的介紹。 全相關性：Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數據。全相關性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 基于特征的參數化造型：Pro/ENGINEER 使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征。通過給這些特征設置參數（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性） ，然后修改參數很容易的進行多次設計疊代，實現產品開發(fā)。 數據管理：加速投放市場，需要在較短的時間內開發(fā)更多的產品。為了實現這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產品進行開發(fā)。數據管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER 獨特的全相關性功能，因而使之成為可能。 裝配管理：Pro/ENGINEER 的基本結構能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合” 、 “插入” 、 “對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構造和管理，這些裝配體中零件的數量不受限制。 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現，提供了邏輯選項和預先選取的最普通 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 31 頁 共 35 頁選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用。4.1.2 模塊工業(yè)設計(CAID)模塊 工業(yè)設計模塊主要用于對產品進行幾何設計，以前，在零件未制造出時，是無法觀看零件形狀的，只能通過二維平面圖進行想象?，F在，用 3DS 可以生成實體模型，但用 3DS 生成的模型在工程實際中是“中看不中用” 。用 PRO/E 生成的實體建模，不僅中看，而且相當管用。事實上，PRO/E 后階段的各個工作數據的產生都要依賴于實體建模所生成的數據。 包括： PRO/3DPAINT(3D 建模)、 PRO/ANIMATE(動畫模擬)、 PRO/DESIGNER(概念設計)、PRO/NETWORKANIMATOR(網絡動畫合成)、PRO/PERSPECTA-SKETCH（圖片轉三維模型） 、PRO/PHOTORENDER(圖片渲染)幾個子模塊。 機械設計(CAD)模塊 機械設計模塊是一個高效的三維機械設計工具，它可繪制任意復雜形狀的零件。在實際中存在大量形狀不規(guī)則的物體表面，如圖 1 中的摩托車輪轱，這些稱為自由曲面。隨著人們生活水平的提高，對曲面產品的需求將會大大增加。用 PRO/E 生成曲面僅需 2 步～3 步*作。PRO/E 生成曲面的方法有：拉伸、旋轉、放樣、掃掠、網格、點陣等。由于生成曲面的方法較多，因此 PRO/E 可以迅速建立任何復雜曲面。 它既能作為高性能系統(tǒng)獨立使用，又能與其它實體建模模塊結合起來使用，它支持 GB、ANSI、ISO 和 JIS 等標準。包括：PRO/ASSEMBLY（實體裝配） 、PRO/CABLING（電路設計） 、PRO/PIPING（彎管鋪設） 、PRO/REPORT（應用數據圖形顯示） 、PRO/SCAN-TOOLS（物理模型數字化） 、PRO/SURFACE（曲面設計） 、PRO/WELDING（焊接設計） 功能仿真(CAE)模塊 功能仿真(CAE)模塊主要進行有限元分析。我們中國有句古話：“畫虎畫皮難畫骨，知人知面不知心” 。主要是講事物內在特征很難把握。機械零件的內部變化情況是難以知曉的。有限元仿真使我們有了一雙慧眼，能“看到”零件內部的受力狀態(tài)。利用該功能，在滿足零件受力要求的基礎上，便可充分優(yōu)化零件的設計。著名的可口可樂公司，利用有限元仿真，分析其飲料瓶，結果使瓶體質量減輕了近 20％，而 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 32 頁 共 35 頁其功能絲毫不受影響，僅此一項就取得了極大的經濟效益。4.2 送料機械手三維造型圖運用 Pro/ENGINEER 軟件借用設計完成的各個部分 CAD 的零件圖畫出三維造型圖，通過運用草繪，鏡像，拉伸等基礎特征的創(chuàng)建，把整體的送料機械手的整體給畫出來。如圖 4.1 。圖 4.1 送料機械手三維造型圖 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 33 頁 共 35 頁結論語畢業(yè)設計轉眼間就到了掃尾階段，在這幾個月的設計學習過程中，我取得了長足的進步。在這次畢業(yè)設計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W的知識做了一次系統(tǒng)的復習，更深一步了解了所學的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網絡查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學習,努力的提高自己的水平。經過本次設計，我切實體會到作為一個優(yōu)秀的設計人員的艱難性。在設計過程中，我經常遇到各種各樣的問題，有的是知識方面的不足導致的，有的是設計經驗方面不足導致的。這些問題有時使得我束手無措，不過在指導老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設計。雖然我的設計存在很多不足的地方，總的來說，我希望通過這次畢業(yè)設計對自己未來將從事的工作進行一次適應性的訓練，從中鍛煉自己分析問題，解決問題的能力，為將來工作打下良好的基礎畢業(yè)設計是對未來工作的一種模擬。總結與展望主要是寫你論文都做了什么東西，還有什么地方需要進一步完善的。比如你做了那些部分的設計，遇到了哪些問題，但是這些問題要相對具體些，然后解決了什么問題，哪些問題還沒有解決，等等，根據我說的，和你上面所寫的內容，自己再修改一下。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 34 頁 共 35 頁致 謝我的畢業(yè)設計的課題是機械手的設計，這是一個我以前所沒有接觸的。我對它來說完全是一個陌生者，經過指導老師的幫助和對參考資料的拜讀，我已經對機械手有了一定的了解。感謝曹老師對我的指導，使我畢業(yè)設計順利完成。真誠感謝龔教授，和倪老師對我的畢業(yè)設計的指導，以及感謝學院為我們提供的便利條件，使我們的畢業(yè)設計如期完成。 本 科 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 35 頁 共 35 頁參 考 文 獻[1] 徐灝.機械設計手冊 3[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998.[2] 徐灝.機械設計手冊 4[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998.[3] 徐灝.機械設計手冊 5[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998.[4] 張建民.工業(yè)機器人[M].北京：北京理工大學出版社，1994.[5] 《工業(yè)機械手》編寫組.工業(yè)機械手-機械結構上[M].上海：上?？茖W技術出版社,2005.[6] 《機床設計手冊》編寫組.機床設計手冊 3[M].北京：機械工業(yè)出版，1999.[7] 丁樹模.液壓傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.[8] 顏永年.機械制圖[M].大連：大連理工大學工程畫教教研室，1998.[9] 李恒權，朱明臣，王德云.畢業(yè)設計指導書[M].山東：青島海洋出版社，1990.[10] 王棟梁.機械基礎[M].北京：機械基礎，1995.[11] 隆生.Solid Works 設計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.[12] 黃鶴汀.機械制造技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.[13] 吳宗澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊[M].北京：高等教育出版社，2006[14] 李允文.《工業(yè)機械手設計》[M].機械工業(yè)出版社,北京，1996.[15] 丁樹模.《液壓傳動》[M].機械工業(yè)出版社,北京，1992. [16] 陸祥生、楊秀蓮.《機械手》[M].中國鐵道出版社,北京，1985.