袋裝化肥搬運機械手的設計,袋裝化肥搬運機械手的設計,袋裝,化肥,搬運,機械手,設計 XX大學 畢業(yè)設計(論文) 袋裝化肥搬運機械手的設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 2016年 月 日 摘 要 本課題主要根據(jù)目前化肥廠生產的化肥大多都是袋裝的，都是工人搬運裝車，由于工人的工作量大，工人勞動強度高，一些有毒物質對人體造成傷害，為了改善這種情況，本題目將設計一種袋裝化肥搬運機械手，要搬運的袋裝化肥重量為40-50千克，每次搬運一袋，工作循環(huán)為30秒，工作范圍為3000mm。 本課題研究的袋裝化肥搬運機械手能代替人類、重復枯燥完成危險工作，提高勞動生產力,減輕人勞動強度。該裝置涵蓋了位置控制技術可編程控制技術、檢測技術等。本課題擬開發(fā)的物料袋裝化肥搬運機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù),可代替人工在高溫危險區(qū)進行作業(yè)。 關鍵詞：機械手, 袋裝化肥搬運機械手，抓取，提升 IV Abstract This topic mainly based on the current fertilizer plant fertilizer mostly bags, are the workers handling loading due to the heavy workload of workers, high labor intensity, some toxic substances cause harm to humans, in order to improve the situation, this topic will be to design a robot handling fertilizer bags, fertilizer bags to carry the weight of 40-50 kg each carrying a bag, a duty cycle of 30 seconds, the working range of 3000mm. This research bagged fertilizer handling robot can replace humans, dangerous work to complete the tedious repetition, improve labor productivity, reduce human labor intensity. The device covers the position control programmable control technology, detection technology. The topic to be developed bagged fertilizer material handling robot can pick and place objects in space, flexible operation, change parameters based on changes in the work flow and movement requirements at any time, you can replace the manual operation in high temperature danger zone. Keywords: robots, robot handling fertilizer bags, Gripping, lifting 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 1 緒論 1 1.1 機械手發(fā)展簡史 1 1.2機械手的定義 2 1.3 袋裝化肥搬運機械手的組成 3 1.4 袋裝化肥搬運機械手的應用 3 1.5課題背景及目的 3 2設計任務分析及總體方案 4 2.1機械手設計原則 4 2.2機械手分類 5 2.3機械手主要組成 5 2.4機械手結構布置要求及平穩(wěn)性與定位精度 5 2.4.1 結構布置要求 5 2.4.2影響平穩(wěn)性及定位精度的因素 6 2.5管路布置及效驗 7 2.5.1機械手常用位置檢測元件 7 2.5.2管路布置方法 7 3機械手的結構設計 8 3.1 機座 9 3.2腰部 10 3.3減速機構——諧波齒輪減速器 10 3.3.1齒輪減速器 10 3.3.2蝸輪蝸桿減速器 10 3.3.3諧波齒輪減速器 10 3.4機械手的手臂 12 3.4.1機械手的手臂設計時應注意的問題 13 3.5液壓缸 14 3.5.1液壓傳動的優(yōu)點 15 3.5.2液壓傳動的缺點 16 3.6手部 16 3.6.1手爪 16 3.7電機 19 3.7.1電動機容量選擇三項基本原則 19 3.7.2袋裝化肥搬運機械手電動機的選擇 20 4 驅動部件設計及計算 21 4.1液壓系統(tǒng) 21 4.1.1液壓傳動裝置的組成 21 4.1.2液壓系統(tǒng)中在機械手中主要實現(xiàn)的輔助功能 22 4.1.3液壓泵的計算 22 4.2主傳動電機的選擇 25 5主要零部件的計算 30 5.1手部液壓缸的選擇計算 30 5.2推桿的計算 32 5.3吊桿的校核 33 5.4危險螺栓組聯(lián)結校核 34 5.5小臂的校核 36 結論 38 參考文獻 39 致 謝 41 1 緒論 1.1 機械手發(fā)展簡史 機械手是在機械自動化的生產過程中發(fā)展起來的一種新設備。它是給湯機學的一個 重要組成部分。可通過編程成功的完成各種任務是其最重要的特點，它將任何機器的優(yōu)點集于一身，及其突出的展示了人的智能性、適應性。在現(xiàn)代生產中，機械手被大量的 運用到自動化生產中，雖然機械手現(xiàn)階段還不如人手靈活，但它能做不斷重復的勞動和工作，不用考慮危險性和疲勞，抓舉比人手更有力等等優(yōu)點，因此，機械手越來越受到人們的重視，應用范圍也越發(fā)廣泛。最先研制機械手的國家是美國。在 1958 年的時候，美國的聯(lián)合控制公司研制出來了第一臺機械手。這種機械手的結構很簡單：一個旋轉臂裝在機器本體上，帶有電磁塊的物品抓放機構安裝在頂部，控制系統(tǒng)是示教再現(xiàn)的。1962 年，該公司在此基礎上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。取名為 unimate。仿照坦克炮塔的運動系統(tǒng)，臂可以俯仰、伸縮、回轉等等，動力源為液壓系統(tǒng)；用磁鼓作為控制系統(tǒng)的存儲裝置。它是球坐標通用機械手發(fā)展起來的基礎。幾乎同時，美國的另外一家設備公司也試制了一種名為 vewrsatran 的機械手。這種機械手的中簡立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也為示教再現(xiàn)型。出現(xiàn)在六十年代初的這兩種機械手，成為后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978 年美國斯坦福大學、unimate 公司和麻省理工學院聯(lián)合研制了一種 unimate-vicarm 型機械手，采用小型電子計算機作為控制的主體，主要用于裝配工作，定位誤差小于±1mm。聯(lián)邦德國的 knka 生產了一種機械手，主要用于焊接，它采用的是關節(jié)型結構，用程序來控制。 目前，大部分的機械手還處在第一代的階段，大部分依靠人工來進行控制；改進的方向主要是提高工作精度，降低生產成本。第二代的機械手正在研制中。整個系統(tǒng)使用微機來進行控制，具有視覺以及觸覺能力，甚至具有聽和想的能力。它的機身上裝各種傳感設備，把接收到的信息反饋出去，使機械手擁有了感覺的功能。 我國給湯機技術起步比較晚，大概始于 20 世紀 70 年代末。機械手領域也是這個 期開始涉及的。近年來，我國在這一方面發(fā)展迅速，在許多前沿領域內與世界先進水平之間的差距都在逐漸縮短。壓鑄在工作時，定模與動模的擠壓撞擊力極大，熔爐中金屬液體溫度很高，另外噪聲巨大，工人在如此惡劣的環(huán)境下長時間工作是極其危險的。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點。因此，將機械手應用于該領域，可以降低工人的勞動強度，減少危險， 也可以提高設備的生產效率和自動化水平，具有很強的現(xiàn)實意義。 1.2機械手的定義 目前，工業(yè)機械手的定義，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械手協(xié)會給工業(yè)機械手下的定義：工業(yè)機械手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)機械手作如下定義： 1.3 袋裝化肥搬運機械手的組成 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)。 袋裝化肥搬運機械手主要由執(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。 時間、速度和加速度等參數(shù)。 袋裝化肥搬運機械手與主機及其它有關裝置之間的聯(lián)系[3]。 1.4 袋裝化肥搬運機械手的應用 按袋裝化肥搬運機械手布局形式分可分為：架空式袋裝化肥搬運機械手、附機式袋裝化肥搬運機械手、落地式袋裝化肥搬運機械手三種。此外，還有安裝在自動線料道上或料道旁，實現(xiàn)工件上、下料、傳遞轉位、轉向等用途的袋裝化肥搬運機械手，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。 袋裝化肥搬運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]。 1.5課題背景及目的 畢業(yè)設計是機械設計制造及其自動化專業(yè)在校學習的最后一個環(huán)節(jié)，是對四年大學學習的繼續(xù)深化和檢驗，即有實踐性又有綜合性，是其他單一課程所不能替代的，通過畢業(yè)設計更能提高綜合訓練能力，為即將走向工作崗位，提高實際工作能力起到十分重要的作用。以達到如下目的： （1）綜合運用所學的基礎理論、基本知識和基本技能，提高分析解決實際問題的能力。 （2）接受工程師必須的綜合訓練，提高實際工作能力。如調查研究、查閱文獻和收集資料并進行分析的能力；制訂設計或試驗方案的能力；設計、計算和繪圖能力；總結提高撰寫論文的能力。 （3）檢驗綜合素質與實踐能力。 2設計任務分析及總體方案 機械手是一種模仿人手部分動作,按照預先設定的程序、軌跡或其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或者操縱工具的自動化裝置。 2.1機械手設計原則　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 總體設計的任務：包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設計及參數(shù)計算，最后繪出草圖?？傮w設計后要進行各部件的強度、剛度、驅動力驗算。 1.運動設計及確定主要要求 手架能作任何角度的伸縮和轉動 2.驅動方式：液壓、氣壓驅動 該機械手是獨立的自動化機械裝置。通用性高，機械手結構比較復雜。手臂可作前后伸縮、上下升降和水平左右擺動三個動作，手臂可以繞Z軸轉動360度 3.按驅動方式分為聯(lián)合驅動，電力驅動，液壓驅動。 4.按臂力大小來說是中型機械手。 2.2機械手分類 1.按驅動方式分：液壓式、氣動式、機械式 2.按適用范圍分：專用機械手、通用機械手 3.按運動軌跡控制方式分：點位控制、連續(xù)軌跡控制 4.按臂部的運動形式分：直角坐標式、圓柱坐標式、球座坐標式、關節(jié)式 2.3機械手主要組成 機械手主要是由執(zhí)行系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)三大部分組成。 1、執(zhí)行部分 執(zhí)行系統(tǒng)是機械手的機械傳動結構部分。它包括手、手腕、手臂和機座等部件。 2、驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動執(zhí)行系統(tǒng)的動力裝置。驅動系統(tǒng)有液壓驅動，氣壓驅動，電力驅動和機械驅動等方式。 3、控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定程序動作得到電氣控制裝置?？刂葡到y(tǒng)所控制的因素包括執(zhí)行系統(tǒng)各部的動作、動作順序、位置、時間和速度等。 2.4機械手結構布置要求及平穩(wěn)性與定位精度 2.4.1 結構布置要求 機械手工作中運動速度較高，在結構布置上應保證運動平穩(wěn)，這樣可提高機械手使用的可靠性，并可延長使用壽命，在結構上要注意以下幾點： 1） 臂部要防止偏重 通常臂部處于懸臂的工作狀態(tài)，在設計臂部、手部結構時要盡量使其總的重心在支撐中心，防止對支撐中心的偏重。偏重將會產生附加的彎矩引起立柱和導向的變形，工作中引起導向裝置不均勻的磨損。在回轉運動中偏重對回轉軸附加有動壓力，其方向不斷的變化，特別是高速及速度突然變化時更為明顯，這將引起機械手的振動，嚴重時會造成卡死。防止偏重過大可采取的措施如下： a.減輕手部重量，并盡量減少偏心載荷。 b.合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。 c.機械手在結構上無法避免偏重，則應加強導向支撐，盡力減輕偏重對運動的影響。 2） 加強臂部剛度 選取臂部結構時要注意各個方向的剛度。提高臂部剛度是減少手部顫動的關鍵，有利于提高定位精度。臂部的剛度決定于臂部的結構和導向形式。 3） 改進緩沖裝置和提高配合精度 機械手緩沖裝置是保證運動平穩(wěn)和減少振動的主要措施。沖擊有兩種：一種是機械沖擊，它是臂部運動中與定位裝置相撞而產生，用可靠緩沖裝置來消除。另一種是液壓系統(tǒng)動作時產生的沖擊。這種沖擊作用于管路之中，仍會引起機械手振動，要靠改進液壓系統(tǒng)設計來叫解決。 提高部件的配合精度，減少間隙都有利于運動平穩(wěn)。 2.4.2影響平穩(wěn)性及定位精度的因素 在生產中要求機械手工作速度快，運動平穩(wěn)，定位精度高。應注意其影響因素，設計合理結構，以滿足要求 ： （１）慣性力的影響　機械手速度變突，加（減）速度不連續(xù)，會產生巨大慣性沖擊力，致使工件滑移，部件松動，零件破裂。定位時，大的減速度使臂部往復振動，直接降低定位精度。因此，應根據(jù)機械手的運動特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使加（減）速度按所需的運動規(guī)律變化。同時，在保證剛度前提下減輕機械手運動部件的重量。 （２）結構剛度的影響　零件結構剛性低，配合間隙大以及整機固有頻率低時，受較小慣性沖擊就發(fā)生振動，不但降低定位精度，而且降低機械壽命。應選擇合理結構，提高機械手固有頻率以及承受慣性載荷的能力。 （３）定位方法的影響　常用定位方法中電氣開關定位的精度最低，伺服定位較高，機械擋塊定位精度最高。 （４）控制系統(tǒng)的影響　電控系統(tǒng)誤差，閥類泄露，檢測元件失靈，擋塊偏移等都會降低定位精度。 （５）驅動源的影響　液壓、氣壓、電壓和油溫波動都會降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時，用蓄能器、穩(wěn)壓器等穩(wěn)定壓力和電壓，用加熱器冷卻器控制油溫。 2.5管路布置及效驗 2.5.1機械手常用位置檢測元件 1.分類 1）模擬型：行程開關、電位器、旋轉變壓器、感應同步器； 2）數(shù)字型：光柵、編碼器 2.特點 模擬型檢測裝置元件成本低，使用條件不嚴格。數(shù)字型檢測元件制造、安裝精度要求高。數(shù)字型檢測元件有利于數(shù)字存貯和數(shù)字運算，便于和計算機連接。 3.檢測元件的安裝方法 靠近動作點進行1:1的直接檢測,是較理想的方法,但有時由于運動的限制,直接安裝檢測元件有困難。 采用間接進行測量，它可利用油缸附近的傳動機構按其位移量進行間接測量。這種情況要盡量防止傳動間隙影響檢測精度。 2.5.2管路布置方法 機械手長采用內部走管，多利用缸壁或活塞桿鉆孔通油，在異向桿中裝伸油管通油，在立柱中鉆孔安裝回轉配油盤等 采用活動軟管通油比較簡單方便，要注意加工精度和裝配質量以防泄漏。軟管還能吸收液壓沖擊能。但容易碰斷和纏繞，要采用防護措施。 通常腕部，手部采用內部走管，便于臂部運動。臂部和機身之間則采用軟管連接。 配油盤是回轉機構內部通油的方法。當配油盤油路較多時，要注意配合精度和裝配質量，防止內泄漏。 伸縮油管結構簡單。在使用中常碰到油的補泄問題，當油路處于封閉狀態(tài)時，臂部伸縮運動伸縮油管運動，管內油的容積發(fā)生變化。不進行補償（伸出時）和溢出（收縮時），將會影響執(zhí)行系統(tǒng)的動作穩(wěn)定。 3機械手的結構設計 袋裝化肥搬運機械手的組成主要有：機座、腰部、支撐架、大臂、小臂、手腕、手爪等部分組成。如下圖3.1所示： 圖3.1 袋裝化肥搬運機械手總圖 1）機座 2）腰部 3）支撐架 4）大臂 5）小臂 6）手腕 7）液壓缸 8）手爪 該袋裝化肥搬運機械手的工作原理是利用夾板的夾持力將袋夾緊，這種力是液壓提供的，吊桿兩側的液壓缸同時作用在連桿上，連桿推動推板，推板將化肥袋夾緊。吊桿可以空間轉動一定角度，這樣就可以對不同角度的化肥袋進行抓取。化肥袋的空間搬運是由安裝在轉臺以及大小臂上的伺服電機驅動的，安裝在轉臺上的電機是負責機器人的空間轉動的，而大小臂上的電機負責機械手移動空間位置的，吊桿上端的電機始終保持機械手的垂直方向。整個運動是由一套程序進行控制的。袋裝化肥搬運機械手是關節(jié)型連桿機構與數(shù)控機床伺服軸連接在一起，預定的機械手動作一經編程輸入后，機械等可以離開人的輔助而獨立運動。這種機器人也可以接受示教而完成各種簡單的任務。示教過程中操作者用手帶動機械手依次通過工作任務的各個位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲器內，任務的執(zhí)行過程中，機器人的各個關節(jié)在伺服驅動下再現(xiàn)出那些位置的序列。 3.1 機座 機座支撐著整個機器人的重量，機座一般是由鑄造而成，與地腳螺栓相連接，是整個機器人的基礎，其內部一般裝有電機，減速裝置及傳動裝置等。 袋裝化肥搬運機械手機座由鑄造而成，內部裝有四通公司120MB100A-2CE6E型伺服電機、液壓泵、諧波減速器等裝置。 3.2腰部 腰部是整個機器人的驅動旋轉部分，由專門的交流伺服電機來驅動，可以完成在水平面內的旋轉運動，腰部的主要部件是安裝在機座上的旋轉臺。 袋裝化肥搬運機械手腰部旋轉臺為一轉盤，通過角接觸軸承與底座配合連接，可實現(xiàn)實現(xiàn)整臺機械的360度旋轉。 3.3減速機構——諧波齒輪減速器 機器人實用的減速機構包括普通齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、行星齒輪減速器和諧波齒輪減速器等。另外還有Rv擺線針輪傳動和滾動螺旋傳動。下面詳細比較一下各種減速機構的優(yōu)點和缺點： 3.3.1齒輪減速器 齒輪減速器的特點是效率及可靠性高，工作壽命長，維護簡便，因而應用范圍很廣。 齒輪減速器按其減速齒輪的級數(shù)可分為單級、兩級、三級和多級的；按其軸在空間的布置可分為立式和臥式的；按其運動簡圖的特點可分為展開式、同軸式和分流式的等。 可以設計一對滿足所需傳動比（減速比）齒輪，達到所需的減速比。直齒輪可以實現(xiàn)平行軸傳動，斜齒輪可以實現(xiàn)角度軸傳動。同時齒輪減速器還可與電機組成減速器電機。 3.3.2蝸輪蝸桿減速器 蝸輪蝸桿比起齒輪減速機構來，可以實現(xiàn)更大的傳動比。在實現(xiàn)較大傳動比的同時，工作平穩(wěn)，無噪聲，結構比較緊湊，還可以實現(xiàn)自鎖。 3.3.3諧波齒輪減速器 其中諧波齒輪減速器在工業(yè)機器人中應用最為廣泛，諧波齒輪傳動機構是依靠柔性件產生的彈性變形波來進行動力及運動傳遞的機構。其基本構件，有波發(fā)生器，柔性齒輪及剛性齒輪。常用的波發(fā)生器是一個安裝有柔性軸承的橢圓形凸輪。其原理是，假定發(fā)生器為主動，當它在柔輪內旋轉時，迫使柔輪發(fā)生變形，以使其齒進入或退出剛輪的齒間。在發(fā)生器長軸方向，柔輪與剛輪完全嚙合；而在其短軸方向，則完全脫開。由于發(fā)生器的連續(xù)轉動，柔輪上的齒依次和剛輪嚙合，從而使柔輪沿剛輪轉過的節(jié)圓弧長應相等。但柔輪的齒數(shù)比剛輪略少（一般齒數(shù)差為2），從而使柔輪產生了與發(fā)生器轉向相反的低速轉動，而達到改變轉速和轉矩的目的。由于在波發(fā)生器旋轉時柔輪上某齒分度圓與剛輪分度圓的間隙呈諧波形隨時變化，故稱其為諧波傳動。 與一般的齒輪傳動相比，諧波傳動有如下特點： (1) 結構簡單，體積小，重量輕。 ?? ?諧波齒輪傳動的主要構件只有三個：波發(fā)生器、柔輪、剛輪。它與傳動比相當?shù)钠胀p速器比較，其零件減少50%，體積和重量均減少1/3左右或更多 (2) 傳動比范圍大 ????單級諧波減速器傳動比可在50—300之間，優(yōu)選在75—250之間； ????雙級諧波減速器傳動比可在3000—60000之間； ????復波諧波減速器傳動比可在200—140000之間。 (3) 同時嚙合的齒數(shù)多。 ??? 雙波諧波減速器同時嚙合的齒數(shù)可達30%，甚至更多些。而在普通齒輪傳動中，同時嚙合的齒數(shù)只有2—7%，對于直齒圓柱漸開線齒輪同時嚙合的齒數(shù)只有1—2對。正是由于同時嚙合齒數(shù)多這一獨特的優(yōu)點，使諧波傳動的精度高，齒的承載能力大，進而實現(xiàn)大速比、小體積。 (4) 承載能力大。 ????諧波齒輪傳動同時嚙合齒數(shù)多，即承受載荷的齒數(shù)多，在材料和速比相同的情況下，受載能力要大大超過其它傳動。其傳遞的功率范圍可為幾瓦至幾十千瓦。 (5) 運動精度高。 ????由于多齒嚙合，一般情況下，諧波齒輪與相同精度的普通齒輪相比，其運動精度能提高四倍左右。 (6) 運動平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小。 ????齒的嚙入、嚙出是隨著柔輪的變形，逐漸進入和逐漸退出剛輪齒間的，嚙合過程中齒面接觸，滑移調整。 (7) 齒側間隙可以調整。 ????諧波齒輪傳動在嚙合中，柔輪和剛輪齒之間主要取決于波發(fā)生器外形的最大尺寸，及兩齒輪的齒形尺寸，因此可以使傳動的回差很小，某些情況甚至可以是零側間隙。 (8) 傳動效率高。 ??? 與相同速比的其它傳動相比，諧波傳動由于運動部件數(shù)量少，而且嚙合齒面的速度很低，因此效率很高，隨速比的不同（u=60-250)，效率約在65—96%左右（諧波復波傳動效率較低），齒面的磨損很小。 (9) 同軸性好。 ????諧波齒輪減速器的高速軸和低速軸位于同一軸線上。 (10) 可實現(xiàn)向密閉空間傳遞運動及動力。 ????采用密封柔輪諧波傳動減速裝置，可以驅動工作在高真空、有腐蝕性及其它有害介質空間的機構，諧波傳動這一獨特優(yōu)點是其它傳動機構難于達到的。 圖3.2 諧波減速器傳動原理圖 3.4機械手的手臂 不可移動機器人的工作范圍，主要是靠大、小臂來體現(xiàn)的，一般來說，機器人的所有臂的水平和垂直伸展是機器人的最大工作范圍。其中，臂的截面形狀、材料、長度等，由工作的實際情況來確定，一般的，可以選取型鋼，也可以根據(jù)需要加工成其他形狀。該搬運機器人的第一臂的取材是槽鋼，寬為h=100mm,第二臂的選材為空心圓柱。 3.4.1機械手的手臂設計時應注意的問題 手臂部是機械手的主要執(zhí)行部件,其作用是支承手部。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。手臂部的運動和結構形式對機械手的工作性能有著較大的影響。設計時應注意下列幾點： （1）剛度要好 要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸。實踐證明，空心桿比實心桿剛度大得多。常用鋼管作臂部和導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板，以保證有足夠的剛度。 （2）偏重力矩要小 偏重力矩是指臂部的總重量對其支承或回轉軸所產生的力矩。它對臂部的升降運動和轉動，均將產生影響，設計時應使臂部各部分的質量分布合理，以減少其偏重力矩。 （3）重量要輕，慣量要小 由于機械手在高速情況下經常起停和換向，為了減少在運動狀態(tài)變化時所產生的沖擊，必須采取有效的緩沖裝置外，力求結構緊湊，重量輕，以減少慣性力。 （4）導向性要好 為了防止臂部在直線移動中沿運動軸線發(fā)生相對轉動，以保證手部的正確方向和準確定位，必須有導向裝置。其結構應根據(jù)臂部的安裝形式、抓取重量和運動行程等因素來確定。 袋裝化肥搬運機械手大臂由槽鋼和兩個連接件焊接組成，如圖3.2。采用GB/T 707-1988熱軋普通槽鋼40a型，兩連接件為鍛件，材料為Q235。 圖3.3 大臂的構成圖 1）連接件 2）熱軋槽鋼 3）連接件 該搬運機器人小臂由一根圓形鋼管、兩個方形連接板和八塊肋板焊接而成，如圖3.3所示。圓形鋼管的采用使得機械手既可以減輕重量，又可以其外觀造型美觀。選擇材料為Q255。 圖3.4 小臂機構圖 1）連接板 2）肋板 3）圓形鋼管 3.5液壓缸 液壓傳動和機械傳動相比，具有許多優(yōu)點，因此，在機械工程中，液壓傳動被廣泛應用。液壓傳動是以液體作為工作介質來進行能量傳遞的一種傳動形式，它通過能量轉換裝置（液壓泵），將原動機（如電動機）的機械能轉變?yōu)橐簤旱膲毫δ?，然后通過密封管道、控制元件等，由一能量裝置（如液壓缸、液壓馬達）將液壓的壓力能轉變?yōu)闄C械能，以驅動負載和實現(xiàn)執(zhí)行機構所需的直線或旋轉運動。 圖３.5 液壓缸結構圖 3.5.1液壓傳動的優(yōu)點 液壓傳動與其他傳動方式相比主要有以下幾項優(yōu)點： 1）在同樣的體積下，液壓裝置能比電氣裝置產生更多的動力，因為液壓系統(tǒng)的壓力可以比電樞磁場中的磁力大出30-40倍。 2）在同樣的功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結構緊湊。液壓馬達的體積和重量只有同等功率電動機的12%左右。 3）液壓裝置工作比較平穩(wěn)。由于重量輕、慣性小、反應快、液壓裝置易于實現(xiàn)快速啟動，制動和頻繁的換向。液壓裝置的換向頻率，在實現(xiàn)往復回轉運動時可達500次/分鐘，實現(xiàn)往復直線運動時可達1000次分鐘。 4）液壓裝置能在大范圍內實現(xiàn)無級調速（調速范圍可達20000），它還可以在運動的過程中進行調速。 5）液壓傳動易于自動化，這是因為他對液體壓力、流量或流動方向易于進行調節(jié)或控制的緣故。當將液壓控制和電氣控制或氣動控制結合起來使用時，整個傳動裝置實現(xiàn)很復雜的順序動作，接受遠程控制。 6）液壓裝置易于實現(xiàn)過載保護。液壓缸和液壓馬達都能長期在失速狀態(tài)下工作而不會過熱，這是電氣傳動裝置和機械傳動裝置無法辦到的。液壓件能自行潤滑，使用壽命較長。 7）由于液壓元件已實現(xiàn)了標準化、系列化和通用化，液壓系統(tǒng)的設計、制造和使用都比較方便。液壓元件的排列布置也具有較大的機動性。 8）用液壓傳動來實現(xiàn)直線運動遠比用機械傳動簡單。 3.5.2液壓傳動的缺點 1）液壓傳動采用液體為工作介質，在相對運動表面間不可避免要有泄露。同時液體具有可壓縮性，管路等也會產生彈性變形，因液壓傳動一般不宜用在傳動比要求嚴格的情況。 2）泄露引起容積損失。此外，液體通過閥口、管路、等均有阻力損失，這會影響傳動效率和傳動性能，而且不適應于遠距離傳動。 3）當油液溫度和粘度變化或負載變化時，往往不易保持運動速度的穩(wěn)定。在低速和高溫的情況下，采用液壓傳動有一定的困難。 4）油液滲入空氣產生噪音、震動和爬行。 3.6手部 3.6.1手爪 機械手的手部是用來抓持工件（或工具）的部件。手部抓持工件的迅速、準確和牢靠程度都將直接影響到機械手的工作性能，它是機械手的關鍵部件之一。 3.6.1.1.手部總體確定 手部是承擔抓取化肥袋的機構，由夾板傳力機構和驅動裝置等組成，是機械手的重要組成部分之一。根據(jù)被抓起部件的材料，形狀，尺寸以及一些特性的不同，此機械手部分為夾板式。 3.6.1.2.手部要求 1）手指應具有足夠的加緊力。在考慮手指的加緊力時，除考慮工件的重量外，還應考慮工件在傳送過程中產生的慣性力和震動等影響，以保證夾持牢靠。 2）各構件要有足夠的剛度的強度。 3）構件要簡單，修理方便。 4）應盡可能結構緊湊。使之重量輕，動作靈活。 3.6.1.3.設計時應注意的問題 １）手指應有足夠的夾緊力。為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮被抓持工件的重力外。還應考慮工件在傳送過程中所產生的動載荷。 ２）手指應有一定的開閉范圍，其大小不僅與工件尺寸有關，而且須注意手部接近工件的運動路線及方位的影響。 ３）應保證工件在手指內準確定位。 ４）結構盡量緊湊、重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。 ５）根據(jù)應用條件考慮通用性。 3.6.1.4.袋裝化肥搬運機械手手爪的組成 袋裝化肥搬運機械手手爪為夾板式手爪，由兩對連桿、一對支撐桿、一對推板、及一對橡膠墊組成，如圖3.4所示。支撐桿與兩液壓缸相連，在液壓缸地推動下帶動推板的運動實現(xiàn)對化肥的夾持，橡膠墊附著在推板上，起到保護化肥袋不被劃破和防滑的作用。 圖3.6 手爪的組成 1）液壓缸 2）連桿 3）連桿 4）支撐板 5）推板 6）橡膠墊 3.6.1.5.手指夾緊力的計算 手指對工件的夾緊力可按下式計算： Ｎ≥Ｋ1×Ｋ2×Ｋ3×Ｇ　kgf (3.1) 式中 Ｋ1—— 安全系數(shù)（通常取１.5－２） Ｋ2—— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， Ｋ3——方位系數(shù) Ｇ——被抓持工件的重量 kg Ｋ2＝１＋a/g (3.2) a為機械手在搬運工件過程的加速度 m/s g為重力加速度m/s 3.6.1.6.驅動力的計算 手指夾持工件所需要驅動力的大小，在同一夾緊力的條件下，隨所采用的傳動結構的不同而異。但其計算方法都是按照具體的傳動機構進行力的分析，根據(jù)力系平衡原理來進行的。 P1=N×a/b×sinΨ/sin(Ψ+a) (3.3) 根據(jù)受力的平衡條件可得驅動力為: P=2×P1×sina (3.4) =2Na/b×sinΨ×sina/sin(Ψ+a) (3.5) 3.6.2機械手的手腕 機械手的手腕連接于手和手臂之間,用于調整手的方向.此機械手要求能旋轉一定角度, 實現(xiàn)對不同角度化肥袋進行抓取。此處通過軸承實現(xiàn)手部吊桿與小臂的連接，使手部總是豎直的夾持化肥袋。通過在手腕上安裝的伺服電機控制機械手的轉動以實現(xiàn)不同角度化肥袋的搬運。 為了實現(xiàn)手部垂直夾持化肥袋，在小臂與手部之間通過機體架安裝一伺服電機，控制手部的方向。為實現(xiàn)對各個方向化肥袋的夾持，需要本機械手爪能旋轉一定角度，此處通過機體架安裝另一伺服電機實現(xiàn)。 3.7電機 在機電傳動系統(tǒng)中，選擇一臺合適的電動機是極為重要的。電動機選擇主要是容量的選擇，如果電動機得容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機械設備的能力，是生產效率降低，另一方面，電動機經常在過載下運行，會使它過早損壞，同時還可能出現(xiàn)啟動困難、經受不起沖擊負載等故障。如果電動機的容量選大了，則不僅使設備投資費用增加，而且由于電動機經常在輕載下運行，運行效率和功率因數(shù)（對異步電動機而言）都會下降。 3.7.1電動機容量選擇三項基本原則 選擇電動機容量應根據(jù)以下三項基本原則進行。 1.發(fā)熱 電動機在運行時，必須保證電動機的實際最高工作溫度max等于或略小于電動機絕緣的最高工作溫度a，即max. a 2．過載能力 電動機在運行時，必須具有一定的過載能力。特別是在短期工作時，電動機的熱慣性很大，電動機在短期內承受高于額定功率的負載功率時仍可保證max. a.，故此時，決定電動機容量的主要因素不是發(fā)熱二十電動機的過載能力。即所選電動機的最大轉矩Tmax（對于異步電動機）或最大允許電流Imax（對于直流電動機而言）必須大于運行過程中可能出現(xiàn)的最大負載轉矩TLmax或最大負載電流I,max。 3．啟動能力 必須保證電動機能可靠啟動。 3.7.2袋裝化肥搬運機械手電動機的選擇 除了正確選擇電動機的容量外，還需要根據(jù)生產機械的要求、技術經濟指標和工作環(huán)境等條件，來正確選擇電動機的種類、電壓、轉速和電動機的結構型式。電動機類型選擇的基本依據(jù)是在滿足生產機械對拖動系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性要求的前提下，力求結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉。 （1） 步進電動機驅動器 ?? 步進電動機是將電脈沖信號變換為相應的角位移或直線位移的元件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉速或線速度與脈沖頻率成正比。在負載能力的范圍內，這些關系不因電源電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化，誤差不長期積累，步進電動機驅動系統(tǒng)可以在較寬的范圍內，通過改變脈沖頻率來調速，實現(xiàn)快速起動、正反轉制動。作為一種開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機器人中得到較廣泛的應用。但由于其存在過載能力差、調速范圍相對較小、低速運動有脈動、不平衡等缺點，一般只應用于小型或簡易型機器人中。 （2） 伺服電動機驅動 伺服電動機驅動包括直流伺服電動機驅動和交流伺服電動機驅動。 直流伺服電動機在磁場恒定時，電流正比與輸出轉矩，易于控制，且有理想的機械特性。在20世紀80年代中期前直流伺服電動機廣泛應用于機器人關節(jié)驅動。但由于它采用電刷換向器，需要定期維護，轉速不能太高，功率不能太大，功率/體積比和功率/質量比不高等原因，今天已經逐漸被交流伺服電動機所取代。 直流伺服電動機主要有鐵心式直流伺服電動機、表面繞阻永磁直流伺服電動機和動圈式永磁直流伺服電動機三種。其中鐵心式直溜伺服電動機的轉動慣量大，可靠性高，成本低，應用最廣泛。動圈式永磁直流伺服電動機的電樞用環(huán)氧樹脂或玻璃纖維支撐繞阻，所以電樞電感小，轉子轉動慣量小，快速響應性能好。 小功率直流伺服電動機可以采用線性功率放大器驅動。大功率直流伺服電動機則需要采用開關式放大器驅動。采用開關型放大器構成驅動系統(tǒng)在技術上有模擬驅動和數(shù)字式驅動兩種方法。 交流伺服電動機驅動有最大的轉矩/質量比。由于不是用電刷，其工作可靠性極高，幾乎不需要任何維護。同直流伺服電動機驅動系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電動機驅動器具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點，在工業(yè)機器人中得到廣泛應用。 因此在本次設計當中選用了北京四通電機電器有限公司生產的120MB100A-2CE6E型交流伺服電機。 3.8液壓系統(tǒng)中的輔助裝置 1、油管 采用銅管，易裝配。 2、管接頭 可連接管路：拆卸方便，常待從液壓縱板乘以油管在遠離手部集中輸入，后端結構優(yōu)美，在油缸或活塞桿導向桿內部鉆孔輸油，采用回轉接頭將油液輸往臂部。 4 驅動部件設計及計算 4.1液壓系統(tǒng) 4.1.1液壓傳動裝置的組成 液壓傳動裝置由于使用工件壓力高的油性介質，因此機構出力大，機械結構更緊湊、動作平穩(wěn)可靠、易于調節(jié)和噪聲較小，但要配置液壓泵和油箱，當油液滲漏時易污染環(huán)境。一個完整的液壓系統(tǒng)是由以下幾部分組成的： （1）能源部分 包括泵裝置和蓄能器，它們能夠輸出壓力油，把原動機的機械能轉變?yōu)橐后w的壓力能并儲存起來。 （2）執(zhí)行機構部分 是液壓油缸、液動機等，它們用來帶動運動部件，將液體壓力能轉變成使部件運動的機械能。 （3）控制部分 是各種液壓閥，用于控制流體的壓力、流量和流動方向，從而控制執(zhí)行部件的作用力、運動速度和運動方向，也可以用來卸載，實現(xiàn)過載保護等。 （4）輔助部分 是系統(tǒng)中除了上述三部分以外的所有其他元件，如油箱、壓力表、管路等。 4.1.2液壓系統(tǒng)中在機械手中主要實現(xiàn)的輔助功能 液壓系統(tǒng)中在機械手中主要實現(xiàn)的輔助功能主要有以下幾點： 1）機械手的伸、縮、回轉和擺動及夾板的松開和拉緊動作等。 2）工件的自動松開、夾緊。 3）工作臺的松開夾緊、交換工作臺的自動交換動作。 4）機械手的運動部件平衡。如機械手軸箱的重力平衡、機械手的平衡裝置等。 5）機械手運動部件的制動和離合器的控制、齒輪拔叉換檔等。 6）機械手的自動開關 4.1.3液壓泵的計算 液壓泵是標準件，其選擇依據(jù)是額定壓力和流量。 1.小泵 當手臂回轉、手腕回轉、手指松緊及定位缸工作時，只有小流量泵供油。 液壓泵流量計算公式為： =Nv （4.1） 手臂回轉時，液壓馬達的額定壓力為10MPa，流量為: =nV=1800×18.2=32.8L/min 手腕回轉時，液壓馬達的額定壓力為10 MPa,流量為: =nV=1800×10.9=19.6L/min 手指松緊時，液壓缸的工作壓力為10 MPa，流量為: = A （4.2） =× （4.3） =××3× =3.76L/min 定位缸工作時, 液壓缸的工作壓力為4 MPa，流量為: = A =× =×0.02×3× =0.94L/min 實際流量： =×=1.1×32.8=36.08L/min （4.4） 實際壓力： =×=1.1×10=11 MPa （4.5） 查《機械設計手冊》選CB-30型液壓泵。 工作時液壓泵所需的最大功率為： ===8.27KW （4.6） 查《機械零件手冊》選Y160M型電機。 2）大泵 當手臂伸縮、手臂升降時，大、小泵同時供油。 手臂升降時，液壓缸工作壓力為4 MPa，由式（4.1）求得: = A =× =××36× =45.2L/min。 手臂伸縮時 ，液壓缸工作壓力為4 MPa，流量為: = A =× =××12× =0.94L/min 實際流量由式（4.4）求得： =×=1.1×45.2=49.72L/min 實際壓力由式（4.5）求得： =×=1.1×4=4.4 MPa 查《機械設計手冊》選CB-50型液壓泵。 工作時液壓泵所需的最大功率由式（4.6）求得： ===11.39KW 查《機械零件手冊》選Y160L型電機。 表4.1 泵的計算結果 型號 排量(mL/r) 額定壓力(MPa) 轉速(r/min) 流量(L/min) 小泵 CB-32 32.5 10 1450 47.1 大泵 CB-50 48.7 10 1450 70.6 4.2主傳動電機的選擇 通過諧波齒輪減速器的減速，主傳動軸的轉速為n=35rpm，電機的轉速為n=35×120/30＝140轉，由于所選的電機是伺服電機，可以實現(xiàn)從最大轉速到最小轉速的任意速度，所有選擇的電機的度只要比140rpm大即可 ，旋轉臺轉數(shù)20rpm。 電機牽引力： F= F+ F （4.7） 式中： G——參與運動的零部件所受的重力（包括工件重量）（N）； g——重力加速度，取9.81m/s； ——由靜止加速到常速的變化量（m/s），此處取0.2m/s； ——啟動過程的時間（s），一般取0.01~0.5s，此處取0.01s； ——摩擦系數(shù)，此處取為0.3。 由式（4.7）可得： F =4060N 由公式： （4.8） 式中： ——從電動機到驅動軸的傳動效率的總和。 ——傳動軸所需的總功率 由式（4.8）可求得： 由以上參數(shù)確定,選擇四通公司的電機 120MB100A-2CE6E 。 120MB系列交流伺服電動機的各項指標及接線方法： 絕緣電阻——500VDC 100MΩ Min；絕緣強度——1500VAC 1Minute 環(huán)境溫度—— -20℃ ～ +50℃；絕緣等級——B 級 技術數(shù)據(jù)： 表4.2 電機參數(shù) 技術參數(shù) 單位 伺服電動機型號 120MB100A-2CE6E 貨物編碼 031220 額定輸出功率 W 1000 額定轉矩 Nm 9.55 瞬間最大轉矩 Nm 28.65 額定轉速 Rpm 1000 最高轉速 Rpm 1200 電機轉子慣量 Kg·cm2 17.2 轉矩系數(shù) Nm/A 1.60 額定相電流 A 4.79 瞬間最大相電流 A 14.37 電樞繞組相電阻 3.70 電樞繞組相電感 mH 15.72 機械時間常數(shù) Ms 2.49 電氣時間常數(shù) Ms 4.25 重量 Kg 10.6 編碼器 P/R 2500 負載慣量 負載慣量電機轉子慣量10 適配驅動器 GS0100x 外形尺寸如下圖4.1所示： 圖4.1 電機尺寸 接線說明： 表 4.3 接線說明 注意：對于使用帶制動器的伺服電機時請注意如下提示： 1.伺服電機制動器線圈的兩端露在外面，與電機的動力線在一起，但沒有接四芯插頭。 2.電機運行前請務必把制動器的線圈通電以松閘，電源要求是24VDC，2A，制動器線圈的兩端不分正負。 注意事項： 1.在安裝/拆卸耦合部件到電機軸端時，不要用力敲打軸端，防止電機軸另一端的編碼器被打敲壞。 2.竭力使軸端對齊到最佳狀態(tài)，防止振動和軸承損壞。 5主要零部件的計算 5.1手部液壓缸的選擇計算 在此計算前，通過計算的出所需的沖壓力的最大值為300KN。 液壓缸內徑的計算 由公式： （5.1） 式中： P——液壓缸的工作壓力(Pa),此處取1.610Pa； d——活塞桿的直徑（mm）,此處d=50mm； D——液壓缸的內徑（mm）； ——液壓缸的機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取=0.95。 由式（5.1）可求得： D=40mm （2）液壓缸的壁厚計算 由公式： (5.2) 式中： p——液壓缸內的工作壓力（Pa），此處p=1.6 Pa； ——強度系數(shù)，此處取=0.8； C——計入管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標準值，此處取C=2mm； D——液壓缸的內徑； []——缸體材料的許用應力，此液壓缸體的材料為鑄鐵，故取[]=60MPa。 由式（5.2）可求得： 8mm （3）活塞桿的計算 活塞桿的尺寸要滿足活塞運動的要求和強度的要求， 即有： (5.3) [] 式中： []——活塞桿材料的許用應力，此處為100MPa 從而有： d (5.4)所以，可取d 標準值為20mm。 按照上面計算我們可以選擇一標準的液壓缸具體所選液壓缸的參數(shù)如下表格所示： 表5.1 所選液壓缸的參數(shù) 缸徑 mm 活塞桿直徑mm 推力 N 最大行程mm 拉力 N 40 20 125660 1200 94250 5.2推桿的計算 由于推板內為橡膠皮，取摩擦系數(shù)為μ=0.5， 圖5.1 推板橡膠皮受力分析圖 則， （5.5） 已知桿長=280mm, 則 圖5.2 推桿截面圖 桿的彎矩為 （5.6）抗彎截面系數(shù)為 （5.7） 取安全系數(shù) S=2 由 （5.8） （5.9） 所以， 故可取直徑 5.3吊桿的校核 吊桿上需要設計兩側對稱的液壓缸，特設計為截面為空心矩形，吊桿的負載總質量為 圖5.3 吊桿截面圖 則作為吊桿，選擇材料Q255 則 （5.10） （5.11） 試取B=100mm,則由式（5.10）（5.11）可得： 取. 5.4危險螺栓組聯(lián)結校核 螺栓組聯(lián)結承受預緊力和工作拉力。 負載時，F(xiàn)=2689N， 取 由 （5.12） 其中， ————螺栓所承受的負載； ————螺栓所受的總拉力； ————螺栓的預緊力； ————螺栓的剛度； ————連接件的剛度； =————螺栓的相對剛度（0.2~0.3）。 則又由， （5.13） 則， （5.14） 則 （5.15） 則可?。? d=10mm. 5.5小臂的校核 機器人小臂的形式有很多種，該搬運機器人特設計為空心圓柱形式，這種形式既可以減輕重量，又可以增加美觀。選擇材料為Q255。 圖5.4 小臂的截面圖 小臂端的折合負載為: (5.16) 其中，m為手部所有零部件及化肥總質量，此處取m=160kg，重力加速度g取10N/kg，小臂工作時手部瞬時加速度為，所以，由式（5.16）求得： 最大彎矩為： （5.17） 空心圓柱的抗彎截面系數(shù)為 （5.18） 應滿足的強度條件為 （5.19） 則 (5.20) 即 取D=80mm 則 故可取 d=45mm.。 結論 1.介紹了袋裝化肥搬運機械手的基本原理。 2.完成了袋裝化肥搬運機械手的總體結構設計與各零部件的選擇計算，并提出了經濟合理的設計方案。 3.對驅動系統(tǒng)中的主電動機、液壓泵，以及小臂、液壓缸、危險螺栓組等進行了詳細的選擇及校核計算。另外，對機械手的機座及手部等進行了詳細的設計。 4.對袋裝化肥搬運機械手其他附屬的輔助裝置進行了設計。 5.查閱部分廠家提供的資料，對需要外購的零部件進行具體型號選擇。 本設計雖完成了要求的基本設計任務，但仍有許多不足之處。特別是由于本人在工作經驗的欠缺，使得在設計過程中，最所需零部件沒有一個主觀的認識，只能通過車月相關資料進行選擇計算，走了不少的彎路。另外，該機械手的運動由五個伺服電機和一對液壓缸互相協(xié)調共同完成，要完成對袋裝化肥的夾持搬運工作需要復雜的電氣控制系統(tǒng)，由于本人在該方面各不足，對該部分未作具體設計。為此，我感到十分遺憾。今后，我一定努力完善自己的知識結構，不斷補充完善該項設計。 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，p20-p55 [2] 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