自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)-液壓驅(qū)動(dòng)含SW三維及8張CAD圖,自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn),機(jī)械手,設(shè)計(jì),液壓,驅(qū)動(dòng),SW,三維,CAD
XXXXXX
XX設(shè) 計(jì)(XX)
課 題 名 稱(chēng)
自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)送料機(jī)械手設(shè)計(jì)
分 院/專(zhuān) 業(yè)
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
學(xué) 生 姓 名
指導(dǎo)教師：
20XX年月日
摘 要
本次畢設(shè)題目是自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)。這種機(jī)械手是為了配合生產(chǎn)線(xiàn)而設(shè)計(jì)的,其主要的作用就是一種可以根據(jù)動(dòng)物和人體的對(duì)肢體來(lái)進(jìn)行動(dòng)作和對(duì)肢體的運(yùn)動(dòng)功能,然后根據(jù)對(duì)工作的要求和命令進(jìn)行操作和搬運(yùn)工件或者是拿著工具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的一種肢體運(yùn)動(dòng)機(jī)器人。通過(guò)大量的歷史事實(shí)和研究表明了:目前的送料工件機(jī)械手基本上已經(jīng)能夠有效的取代了工人們沉重的生活和工作,并且它可以有效的緩解或者替代工人們高強(qiáng)度的工作,從而降低和改進(jìn)對(duì)工作的要求,進(jìn)而提高和增進(jìn)了工作的生產(chǎn)率和工業(yè)自動(dòng)化的水準(zhǔn)。
本次課題的機(jī)械手臂和設(shè)計(jì)方案通過(guò)充分使用先進(jìn)的機(jī)械繪圖計(jì)算工具和設(shè)計(jì)軟件CAD對(duì)本次機(jī)械手臂畢業(yè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了手部的夾緊設(shè)計(jì)、腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)和利用液壓系統(tǒng)的工作原理的進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),最后使用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維畫(huà)圖設(shè)計(jì)本次機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)，更好地呈現(xiàn)出機(jī)械手的實(shí)際效果。本課題用的是一種可以移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械手臂,機(jī)械手是完全可編程的,與人類(lèi)的手臂一樣具有相似的結(jié)構(gòu)和功能;機(jī)械手臂的重量可以被認(rèn)為是機(jī)構(gòu)的重量總和,甚至也可以被認(rèn)為是更復(fù)雜的送料機(jī)器人。
關(guān)鍵詞：送料機(jī)械手；肢體；自動(dòng)化；替代；勞動(dòng)
- III -
Abstract
The?graduation?design?topic?is?the?design?of?automatic?production?line?feeding?manipulator.?This?kind?of?manipulator?is?designed?to?cooperate?with?the?production?line,?and?its?main?function?is?a?kind?of?limb?movement?robot?that?can?carry?out?the?movement?and?the?movement?function?of?the?limbs?according?to?the?animal?and?human?body's?limbs,?and?then?operate?and?move?pieces?according?to?the?work?requirements?and?commands?or?carry?out?the?movement?with?tools.?Through?a?lot?of?historical?facts?and?research?shows:?the?current?workpiece?feeding?manipulator?is?basically?can?effectively?replace?the?workers'?life?and?work?hard,?and?it?can?effectively?relieve?or?replace?the?workers?high?strength?work,?so?as?to?reduce?and?improve?the?demands?of?work,?to?improve?and?enhance?the?working?productivity?and?industrial?automation?level.
Mechanical arm and the design scheme of this topic through the full use of advanced mechanical CAD drawing calculation tool and design software for the mechanical arm of graduation design has carried on the hand grip design, the wrist rotation design and use of the working principle of the hydraulic system of comprehensive design, finally using Solidworks 3D design software to design 3D drawing of the mechanical arm, better presents the practical effect of the manipulator.This subject USES a kind of mechanical arm which can move the robot. The manipulator is completely programmable and has similar structure and function with the human arm.The weight of the robotic arm can be thought of as the sum of the weights of the mechanism, or even more complex feeding robots.
Key words：feeding?manipulator; industrial?automatic?control;
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)械手的介紹 1
1.2 本課題的意義 2
1.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 3
第2章 機(jī)械手的組成、分類(lèi) 6
2.1機(jī)械手的組成部分 6
2.2機(jī)械手分類(lèi) 7
第3章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)部分 9
3.1抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.2機(jī)械手的機(jī)身機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.3機(jī)械手的定位與平穩(wěn)性 23
3.4機(jī)械手的三維設(shè)計(jì)與展示 26
4章液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)及草圖 36
4.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析及選擇 36
4.2機(jī)械手的手部抓取缸 37
4.3機(jī)械手的腕部擺動(dòng)液壓回路 39
4.4機(jī)械手的小臂伸縮缸液壓回路 40
4.5機(jī)械手的液壓總體系統(tǒng)圖 41
第5章 機(jī)械手的控制 43
謝辭 45
參考文獻(xiàn) 46
第1章 緒論
1.1 機(jī)械手的介紹
工業(yè)機(jī)械手是一種由人們自己發(fā)明創(chuàng)造的一種自動(dòng)操作機(jī)器。它用來(lái)實(shí)現(xiàn)能夠精確地模仿人手和機(jī)械手臂的某些基本動(dòng)作和功能,以此按相同的程序流程進(jìn)行抓、取、運(yùn)送工件,操控工具和機(jī)器等的自動(dòng)操縱機(jī)械設(shè)備。它的發(fā)明和出現(xiàn)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力,然后提升勞動(dòng)的效率,還可以節(jié)省勞動(dòng)力并節(jié)約部分資源。
在世界范圍內(nèi),先進(jìn)的自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)可以促進(jìn)機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展。許多發(fā)達(dá)國(guó)家都具有較為先進(jìn)的自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn),我國(guó)的自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)還需要進(jìn)一步發(fā)展。自動(dòng)控制生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)器人是一種指自動(dòng)控制的機(jī)器人生產(chǎn)體系完成各種生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品的工藝加工和操作流程的一種機(jī)器人制造企業(yè)的組織和管理方式。它的特點(diǎn)是在不間斷的生產(chǎn)流水線(xiàn)更進(jìn)一步地在可持續(xù)發(fā)展的自動(dòng)化框架上發(fā)展形成的。其主要特點(diǎn)之一就是:加工的操作對(duì)象自動(dòng)地由一臺(tái)自動(dòng)機(jī)床直接運(yùn)送到另一臺(tái)自動(dòng)機(jī)床,其所有的生產(chǎn)機(jī)器人和設(shè)施都按照標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)節(jié)奏進(jìn)行運(yùn)作,制造的流程也是高度連續(xù)不間斷的。應(yīng)用在機(jī)械制造中的工業(yè)自動(dòng)化機(jī)械生產(chǎn)線(xiàn)上常用的自動(dòng)化機(jī)器人主要類(lèi)型是工業(yè)機(jī)器。
而機(jī)械手是一類(lèi)機(jī)器人，是早期機(jī)器人的主要形態(tài)，在工業(yè)界廣泛應(yīng)用，直到現(xiàn)如今機(jī)械臂仍然在機(jī)器人學(xué)中占相當(dāng)大份額，其中涵蓋的最關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用就是各種驅(qū)動(dòng)和控制。靈巧的操作一直是機(jī)器人操作的一個(gè)有趣的話(huà)題，由于其與人類(lèi)精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能的聯(lián)系，以及它可以授予工廠機(jī)器人或機(jī)械手擁有人類(lèi)一樣的靈魂。在不久的將來(lái),?靈巧的操作就有可能造就出功能更強(qiáng)大的機(jī)械手，從而提高工廠的工作效率，以更加有效的動(dòng)作完成機(jī)械手的工作任務(wù)。近幾十年來(lái)，機(jī)械臂以外已經(jīng)發(fā)展了許多其他形態(tài)的機(jī)械機(jī)器人產(chǎn)品，在傳感器、計(jì)算能力、規(guī)劃設(shè)計(jì)和操控、嵌入式人機(jī)交互、AI等多層次有了非常大進(jìn)展。機(jī)械手是一種機(jī)器手臂，一般都是可編程的，與人的手臂有相似的功能；手臂可以是機(jī)構(gòu)的總和，也可以是更復(fù)雜的機(jī)器人的一部分。這種機(jī)械手的連接通過(guò)關(guān)節(jié)連接，容許旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)比如在關(guān)節(jié)式機(jī)器人中或是平移（線(xiàn)性）以及位移。關(guān)節(jié)式機(jī)器人的工作原理其實(shí)非常類(lèi)似于人類(lèi)手臂的運(yùn)動(dòng)特性，人手是通過(guò)關(guān)節(jié)與骨骼以及肌肉的組合運(yùn)動(dòng)，才實(shí)現(xiàn)了聽(tīng)從大腦指揮并有條件反射等行為；而關(guān)節(jié)式機(jī)器人就是根據(jù)人類(lèi)的這種特性，再通過(guò)人類(lèi)智慧的“結(jié)晶”才成功研制的。
工件加工自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)在我國(guó)機(jī)械工業(yè)的持續(xù)蓬勃發(fā)展中可說(shuō)是最為迅速的，其應(yīng)用領(lǐng)域也可說(shuō)是最為廣泛的。其主要的產(chǎn)品有:專(zhuān)門(mén)用作和制造加工箱體、外殼體和各種雜類(lèi)等大型零部件的組合機(jī)械設(shè)備自動(dòng)加工生產(chǎn)線(xiàn);由國(guó)家統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化、專(zhuān)門(mén)化或?qū)Ｓ米詣?dòng)加工機(jī)床零部件組成的自動(dòng)加工生產(chǎn)線(xiàn);旋轉(zhuǎn)體零部件的加工自動(dòng)線(xiàn);專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于設(shè)計(jì)和制造機(jī)床加工流程簡(jiǎn)單的小型零部件的渦輪自動(dòng)加工生產(chǎn)線(xiàn)等。
機(jī)械手的工作原理：
機(jī)器手臂是通過(guò)效仿人體手臂動(dòng)作的機(jī)器人，它也可以置放在桁架上，因此這種機(jī)械手也可以稱(chēng)之為桁架機(jī)械手。多個(gè)梁和機(jī)械手總成構(gòu)成是其組成結(jié)構(gòu)，機(jī)器手臂的一端被放置在橫向組件之上，在其另一端有手腕和手指，手腕可以多維度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，而且它的手指還可裝夾工件，它們都是可以被人們直接或者遠(yuǎn)程操控。但是，桁架機(jī)械手它其實(shí)只是多種不同機(jī)器手臂中的一種。
1.2 本課題的意義
（1）可以培養(yǎng)自身的機(jī)械手設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)新能力；
（2）可以培養(yǎng)自身的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，熟練運(yùn)用二維AutoCAD、三維Solidworks軟件；
（3）可以培養(yǎng)自身學(xué)習(xí)查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料及手冊(cè)的能力；
（4）在本研究課題自動(dòng)機(jī)械手的研究和設(shè)計(jì)中,我本著一個(gè)重要的原則:不僅必須要按照設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)文件中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)要求進(jìn)行機(jī)械手的設(shè)計(jì),而且還必須同時(shí)要充分考慮到機(jī)械手加工的環(huán)境等實(shí)際狀況,使其加工機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化,使其的成本和耐用性大大降低,采用一些標(biāo)準(zhǔn)化的模塊、和標(biāo)準(zhǔn)化配件,在此的同時(shí)還必須將自動(dòng)機(jī)械手的成本和耐用性問(wèn)題展開(kāi)高效的研究和改善。本著一套符合工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等技術(shù)要求的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)準(zhǔn)則,加上利用一些理論知識(shí),列如自動(dòng)控制原理、機(jī)械制圖、自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)仿真等在機(jī)械設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到了表現(xiàn)和很好地展示。它的重要技術(shù)作用和意義是非凡的,它可以有效地減少勞動(dòng)強(qiáng)度,降低了工作的乏味,從而快速地增強(qiáng)和發(fā)展了我國(guó)的工業(yè)和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)活力。但是目前我國(guó)機(jī)械制造的能力仍與其他外國(guó)制造能力有相當(dāng)一部分的懸殊,不論是從發(fā)展的程度和范圍來(lái)說(shuō)還是產(chǎn)業(yè)化的水平和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō),比較起來(lái)還是存在有著等許多的差距和問(wèn)題,都直接影響著中國(guó)工業(yè)機(jī)械手的深入研究和持續(xù)發(fā)展及其廣泛應(yīng)用,所以說(shuō)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上發(fā)展工業(yè)機(jī)械手都是非常必要的。
（5）在本課題中送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方向主要是為了適用于全自動(dòng)洗衣機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)和裝配自動(dòng)洗衣機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種適用于工業(yè)自動(dòng)洗衣機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行送料的機(jī)械手,這一方向的設(shè)計(jì)選擇該方向的意義和原因主要是因?yàn)槲以?jīng)在大二的暑假中當(dāng)過(guò)一個(gè)多月的制造洗衣機(jī)普工,當(dāng)時(shí)工作的公司是南京LG熊貓電器有限公司。公司目前現(xiàn)有員工1000多名中青年員工,公司目前已經(jīng)是一個(gè)全球最主要的波輪洗衣機(jī)制造商和生產(chǎn)的基地,同時(shí)也已經(jīng)是國(guó)內(nèi)波輪洗衣機(jī)生產(chǎn)和出口最大的洗衣機(jī)廠商。經(jīng)過(guò)當(dāng)時(shí)一個(gè)暑假的洗衣機(jī)工作我清楚地觀察到在洗衣機(jī)的自動(dòng)裝配生產(chǎn)線(xiàn)上機(jī)械手的應(yīng)用雖然也有但是并不多，而且我發(fā)現(xiàn)大部分的人工進(jìn)行零件裝配的部分都可以用機(jī)械手來(lái)代替，經(jīng)過(guò)詢(xún)問(wèn)調(diào)查我的結(jié)論是機(jī)械手應(yīng)用還沒(méi)有太普及，而且公司習(xí)慣于雇傭工人進(jìn)行零件生產(chǎn)線(xiàn)裝配，還有一方面就是大部分機(jī)械手的價(jià)格太高了以及雇傭工人可以在為社會(huì)上沒(méi)有工作的人提供工作崗位。于是我就想設(shè)計(jì)一個(gè)適用于洗衣機(jī)自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)并且成本盡量低一些價(jià)格低一些高性能的送料機(jī)械手用于洗衣機(jī)零件送料和簡(jiǎn)單的裝配。
因此，我本次研究的課題：自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)送料機(jī)械手設(shè)計(jì)是很有意義的。
1.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求
（1） 初始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)要求以及工作原理
1）機(jī)械手的初始數(shù)據(jù)：
根據(jù)大量資料調(diào)查得出以下數(shù)據(jù)較為合理。
① 其生產(chǎn)綱領(lǐng)：80000件（本課題采用兩班倒的工作制生產(chǎn)）
② 自由度（采用的是四個(gè)自由度）
③ 機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)為：180o
④ 機(jī)械手的臂上下運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)為：500mm
⑤ 機(jī)械手的臂伸長(zhǎng)或收縮設(shè)計(jì)為：500mm
⑥ 機(jī)械手的手部轉(zhuǎn)動(dòng)可以設(shè)計(jì)為：±180o
2）機(jī)械手的工作基本流程：
機(jī)械手在原理上可以說(shuō)是一個(gè)機(jī)械設(shè)備并具有水平和垂直運(yùn)動(dòng)的功能，工作時(shí)可以將零件從一個(gè)水平方向的工作臺(tái)搬運(yùn)到另一個(gè)水平方向的工作臺(tái)上。此外機(jī)械手還具有左右運(yùn)動(dòng)，上下升降運(yùn)動(dòng)和夾緊松開(kāi)運(yùn)動(dòng)以及位置控制的功能。普通的機(jī)械手可以廣泛適應(yīng)各種類(lèi)型的全半自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)，其最首要的功能就是在相對(duì)固定的路線(xiàn)上搬運(yùn)工件或商品，減輕人們的工作量。
3）機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求：
本次設(shè)計(jì)的送料機(jī)械手其包括了部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、部件裝配圖以及各主要零件圖
液壓系統(tǒng)原理圖
機(jī)械手設(shè)計(jì)的計(jì)算說(shuō)明書(shū)
4）機(jī)械手的技術(shù)要求
機(jī)械手主要參數(shù)的確定：
機(jī)械手的坐標(biāo)形式為：直角坐標(biāo)系
機(jī)械手的臂沿其運(yùn)動(dòng)角度行程為:自動(dòng)伸縮機(jī)械手臂的臂沿其運(yùn)動(dòng)角度行程一般設(shè)計(jì)為500mm,回轉(zhuǎn)臂的臂沿其運(yùn)動(dòng)角度行程一般設(shè)計(jì)為180o。
機(jī)械手的平均運(yùn)動(dòng)速率:要使機(jī)械手的生產(chǎn)率能夠符合我們的生產(chǎn)管理綱領(lǐng)的運(yùn)動(dòng)速率要求就可以了。
機(jī)械手的操控方式為：起止設(shè)定位置。
機(jī)械手的定位精度設(shè)計(jì)為：±0.5mm。
機(jī)械手的手指握力為：392N
機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)操作方式為：液壓驅(qū)動(dòng)的方式。
（2）機(jī)械手的動(dòng)作對(duì)材料槽形式以及其分析機(jī)械手的動(dòng)作的要求
1）機(jī)械手的料槽形式
自重輸送工件一般需要使用自重輸送的設(shè)備來(lái)作輸料槽,這種自重輸送設(shè)備的構(gòu)造較為簡(jiǎn)單,所以其它種類(lèi)的自重輸送動(dòng)力源和特殊的裝置在使用時(shí)是并不需要的,因此本課題的設(shè)計(jì)需要使用這種的輸料槽。
2）下圖1.2所示的是機(jī)械手的動(dòng)作要求簡(jiǎn)述分析
機(jī)械手動(dòng)作一為：送 料
機(jī)械手動(dòng)作二為：預(yù)夾緊
機(jī)械手動(dòng)作三為：手臂上升
機(jī)械手動(dòng)作四為：手臂旋轉(zhuǎn)
機(jī)械手動(dòng)作五為：小臂伸長(zhǎng)
機(jī)械手動(dòng)作六為：手腕旋轉(zhuǎn)
Ⅳ手臂旋轉(zhuǎn)
Ⅰ送料
Ⅱ預(yù)夾緊
Ⅵ手腕旋轉(zhuǎn)
Ⅲ手臂上升
Ⅴ小臂伸長(zhǎng)
圖1.2 要求簡(jiǎn)述分析
第2章 機(jī)械手的組成、分類(lèi)
2.1機(jī)械手的組成部分
機(jī)械手的主要組成部分主要就是包括了所有機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行管理系統(tǒng)和控制機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行控制系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)另外還有其他的工作位置和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)以及控制驅(qū)動(dòng)裝置等。
執(zhí)行式手部機(jī)構(gòu)零件是指使用工業(yè)機(jī)器人完成和抓取各種工件,實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)所必需的一種機(jī)械手和組成部件。機(jī)械手的最重要的手部執(zhí)行機(jī)構(gòu)里主要包含的有手部,手腕和手臂以及立柱等執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件。解除式手部執(zhí)行機(jī)構(gòu)指的是與其他工件進(jìn)行直接解除的手部零件,對(duì)于需要送料的機(jī)械手來(lái)說(shuō)這也是最重要核心的執(zhí)行機(jī)構(gòu)零件之一,手部執(zhí)行機(jī)構(gòu)零件的制造和設(shè)計(jì)也極其重要,因?yàn)檫@樣的關(guān)系充分考慮到了送料機(jī)械手的功能以及操作性能和效率的重要性和高低。
關(guān)于加工機(jī)械手腕的具體描述就是一種用于加工機(jī)械手部以及與手臂之間連接的機(jī)械組件,起到了改變和調(diào)整手部工件運(yùn)動(dòng)方向的一種機(jī)械作用。手腕的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多種多樣,一般按照工業(yè)生產(chǎn)的需求進(jìn)行選擇。手臂就是一個(gè)主要用于機(jī)器人的聯(lián)接工件支承機(jī)座和其他手部的部分,是支承腕部的一個(gè)重要部件,作用主要是通過(guò)手臂承受機(jī)器人對(duì)工件的管理和管理荷重,改變工件手部的空間和位置,滿(mǎn)足聯(lián)接機(jī)器人的作業(yè)需要利用空間,將各種機(jī)械載荷從腕部傳遞給工件到聯(lián)接機(jī)座。
驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)是為了在需要同時(shí)執(zhí)行各種任務(wù)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)部件之間連接提供一定的驅(qū)動(dòng)力,并同時(shí)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)其部件產(chǎn)生一定動(dòng)力的一種裝置。常用的傳動(dòng)有液壓機(jī)械傳動(dòng)、液壓交流傳動(dòng)、氣壓交流傳動(dòng)和大型電力交流傳動(dòng)這四種傳輸形式。
控制執(zhí)行系統(tǒng)主要是通過(guò)對(duì)控制器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的工作和控制進(jìn)行指揮,使它們所執(zhí)行的系統(tǒng)按照規(guī)定的工作要求正常進(jìn)行其工作,然后通過(guò)檢測(cè)它們所執(zhí)行的控制器和指令格式是否正確,當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)生控制器錯(cuò)誤或者系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)出報(bào)警的信號(hào)。通常常見(jiàn)的情況就是對(duì)電子與計(jì)算機(jī)的電器信號(hào)進(jìn)行回路的控制,計(jì)算機(jī)的電子信號(hào)控制處理系統(tǒng)也在現(xiàn)代社會(huì)不斷發(fā)展增多。
檢測(cè)控制系統(tǒng)主要是它的作用是通過(guò)各種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)控制裝置、傳感器控制裝置等來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況,根據(jù)其需要反饋數(shù)據(jù)給電動(dòng)機(jī)控制管理系統(tǒng),與電動(dòng)機(jī)的設(shè)定控制系統(tǒng)進(jìn)行了比較,以更好地保證其運(yùn)動(dòng)情況完全符合要求。
此外一些機(jī)械手還增加了行走機(jī)構(gòu)使得機(jī)械手的功能更加完善。有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。
其各個(gè)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系如下圖所示：
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
控制系統(tǒng)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
位置檢測(cè)裝置
圖7.2關(guān)系示圖
2.2機(jī)械手分類(lèi)
（1）根據(jù)所有人需要同時(shí)承擔(dān)的工業(yè)機(jī)械勞動(dòng)作業(yè)的基本要求和功能特點(diǎn),工業(yè)機(jī)械手一般可以劃分為以下三類(lèi):
1）承擔(dān)搬運(yùn)裝卸工作的機(jī)械手:此類(lèi)工藝機(jī)械手主要工作功能是在進(jìn)行各種工藝設(shè)備正常運(yùn)行的必要時(shí)候,用來(lái)執(zhí)行各種輔助的工作,如裝卸各種毛坯、工件和各種加工夾具。
2）生產(chǎn)工業(yè)用的塑料機(jī)械手:它的機(jī)械實(shí)用性很強(qiáng)可以廣泛應(yīng)用于材料生產(chǎn)到組裝完成制造工藝再到生產(chǎn)的全過(guò)程及其中的一些復(fù)雜機(jī)械操作。
3）通用工業(yè)機(jī)械手：其主要用途廣泛，可以完成各種生產(chǎn)工藝作業(yè)。
（2）按功能分類(lèi)
1）專(zhuān)用傳動(dòng)機(jī)械手:這類(lèi)專(zhuān)用的機(jī)械手主要具有操作手勢(shì)和姿勢(shì)選擇較少,工作的對(duì)象單一,構(gòu)造簡(jiǎn)單,實(shí)用性較為可靠和生產(chǎn)成本較低等特點(diǎn),適用于大批大量的機(jī)械和自動(dòng)化加工設(shè)備的生產(chǎn)。
2）通用工業(yè)機(jī)械手:它指的是一種自動(dòng)化并具有獨(dú)立控制和傳動(dòng)系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制裝置。它的功能特點(diǎn)主要是工作范圍大、程序簡(jiǎn)單可變、通用性強(qiáng)、定位精度高,因此所生產(chǎn)的通用工業(yè)機(jī)械手可以廣泛適用于需要持續(xù)生產(chǎn)等等。
3）示教再現(xiàn)機(jī)械手:這是一個(gè)國(guó)際通用的機(jī)械手它指的是機(jī)器人使用示教法進(jìn)行編程的工具和方法。示教就是由一個(gè)人通過(guò)其手動(dòng)控制,"拎著"一個(gè)機(jī)械手對(duì)每做一遍的操作進(jìn)行示范,完成全部的動(dòng)作后,其中的儲(chǔ)存裝置和數(shù)據(jù)即有可能被機(jī)器人記憶并儲(chǔ)存下來(lái)。機(jī)械手可按照規(guī)定的示范要求對(duì)操作的規(guī)定程序和行程進(jìn)行重復(fù)的再現(xiàn)和演示工作。
（3）按驅(qū)動(dòng)方式分
1）液壓傳動(dòng)機(jī)械手
2）氣壓傳動(dòng)機(jī)械手
3）機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手
（4）按控制方式分
1）如何使用固定運(yùn)動(dòng)程序的控制機(jī)械手:這個(gè)固定程序控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的機(jī)械手本身就是一個(gè)固定運(yùn)動(dòng)程序的控制系統(tǒng)自動(dòng)控制器。機(jī)械手的操作程序簡(jiǎn)單,程序運(yùn)行中的次數(shù)少,而且行程是固定的,行程長(zhǎng)度可調(diào)但不能任意點(diǎn)擊或定位。
2）不變可編邏輯程序的自動(dòng)機(jī)械手:對(duì)于一種計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制處理系統(tǒng),這種程序機(jī)械手通常是一個(gè)基于一種可變可編程序的自動(dòng)控制器。它的軟件程序結(jié)構(gòu)和軟件編排操作方式都是可以根據(jù)每個(gè)用戶(hù)的不同個(gè)人使用喜好和實(shí)際需求隨時(shí)進(jìn)行編,所以它的工作行程很方便用戶(hù)進(jìn)行隨時(shí)改變。
第3章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)部分
3.1抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1.1機(jī)械手的手部設(shè)計(jì)計(jì)算
機(jī)械手對(duì)手部設(shè)計(jì)的要求
(1)有適當(dāng)?shù)膴A緊力
機(jī)械手的夾緊力手部在進(jìn)行加工活動(dòng)的任何時(shí)候,應(yīng)該保證手部有著恰當(dāng)?shù)膴A緊作用力,以確保其夾持穩(wěn)固精確,形變小,且要不至于破壞工件已經(jīng)進(jìn)行加工的外層。對(duì)于剛度較差的工件夾緊力的大小我們應(yīng)當(dāng)特別要注意設(shè)計(jì)成可以自由調(diào)控,對(duì)于厚重的中大型工件使用時(shí)應(yīng)該特別要注意選擇能夠使用可靠的自鎖安全設(shè)備。
(2)手部夾持的精度盡可能要高。這就要求手部?jī)?nèi)的零件要定位十分精準(zhǔn),而且還不能將零件的表面夾損壞。所以這就要依據(jù)零件的外形進(jìn)行篩選適當(dāng)?shù)氖植拷Y(jié)構(gòu)。列如零件如果是柱狀的零件就要用V形的手部去定位。另外如果是表面高精度要求的零件,就要在手部放一些軟質(zhì)材料。
(3)有足夠的開(kāi)閉范圍
機(jī)械手中可以?shī)A持的類(lèi)型機(jī)械手部的每一個(gè)手指都需要有一個(gè)可以伸開(kāi)和合上的設(shè)備。在其他手部活動(dòng)的任何時(shí)候,一個(gè)機(jī)械手指可以開(kāi)合的姿態(tài)要以最大幅度變動(dòng)的數(shù)量稱(chēng)為手指開(kāi)合的范圍。另外還有一種方法可以用手指的開(kāi)合角和每一個(gè)手指的夾緊端長(zhǎng)度的關(guān)系來(lái)表示對(duì)于機(jī)械回轉(zhuǎn)型手部手指可以開(kāi)合的范圍。回轉(zhuǎn)型手指開(kāi)合范圍的定義和要求與工件的整體形狀和尺寸,手指的整體外形和其尺寸等等的許多重要影響因素都是有著密切的關(guān)系,一般而言,對(duì)于機(jī)械手部工作時(shí)間和環(huán)境的允許,開(kāi)閉的范圍還是比工件要大一些較好,如下圖3.1所示。
圖3.1 機(jī)械手開(kāi)閉示例簡(jiǎn)圖
(4）機(jī)械手最好構(gòu)造簡(jiǎn)單，體積小，重量輕等
機(jī)械手的手部處于腕部最前面，在其活動(dòng)的時(shí)候運(yùn)動(dòng)姿態(tài)多變，它的結(jié)構(gòu)，體積和總重直接制約著整個(gè)機(jī)械手的構(gòu)造，抓重，運(yùn)動(dòng)速率，定位精度等等效率。所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)手部時(shí)，務(wù)必要求構(gòu)造簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。
(5)作為專(zhuān)業(yè)機(jī)械手的使用手指長(zhǎng)度應(yīng)該能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的并具有一定的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和正常運(yùn)動(dòng)時(shí)的剛度.
(6)機(jī)械手的其它要求
因此對(duì)于需要送料和液壓工件夾緊的專(zhuān)用機(jī)械手,依據(jù)需要送料和夾緊工件的具體大小和工件外形,選擇最常見(jiàn)的外卡式兩個(gè)手指鉗爪,其夾緊的操作方式一般是直接使用常用的閉史自動(dòng)彈簧鉗鉗進(jìn)行夾緊,在其完全松開(kāi)時(shí),使用單個(gè)工作用式的自動(dòng)液壓缸。這種兩個(gè)拇指鉗爪組合結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)主要較為簡(jiǎn)單制造方便,簡(jiǎn)單。
機(jī)械手的拉緊裝置原理
如下圖3.2所示:機(jī)械手的油缸右腔暫停進(jìn)油的時(shí)候,彈簧力夾緊油缸內(nèi)的物件,當(dāng)其他手的油缸右腔停止進(jìn)油的時(shí)候松開(kāi)彈簧夾緊物件。
圖3.2 油缸示意圖
(1)機(jī)械手的油缸右腔推力：
FP=（π／4）D2P 公式（3.1）
=（π／4）0.5225103
=4908.7N
F1=（2b／a）（cosα′）2N′ 公式（3.2）
(2)依據(jù)工具機(jī)械手的手?jǐn)[動(dòng)作用力和鉗爪移動(dòng)確定工具夾持的正確位置,查出夾持當(dāng)量力和夾緊作用力的正確計(jì)算公式:
其中 N′=498N=392N，帶入公式（3.2）得：
F1=（2b／a）（cosα′）2N′
=(2150/50)（cos30o）2392
=1764N
因此實(shí)際加緊力： F1實(shí)際=PK1K2/η 公式（3.3）
=17641.51.1/0.85=3424N
經(jīng)圓整F1=3500N
(3)計(jì)算機(jī)械手的手部活塞桿行程長(zhǎng)L：
L=（D/2）tgψ 公式（3.4）
=25×tg30o
=23.1mm
經(jīng)圓整取l=25mm
(4)確定機(jī)械手的“V”型鉗爪的L、β為：
取L/Rcp=3 公式（3.5）
在式中： Rcp=P/4=200/4=50 公式（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(zhuǎn)角β按最佳偏轉(zhuǎn)角來(lái)確定，
查表得：
β=22o39′
(5)機(jī)械手的機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍（速率）
1）機(jī)械手的伸縮運(yùn)動(dòng) Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
2）機(jī)械手的上升運(yùn)動(dòng) Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
3）機(jī)械手的下降Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
4）機(jī)械手的回轉(zhuǎn)Wmax=90o/s
Wmin=30o/s
則取手部驅(qū)動(dòng)活塞速度V=60mm/s
(6)機(jī)械手的手部右腔流量為：
Q=sv 公式（3.7）
=60πr2
=60×3.14×252
=1177.5mm3/s
(7)機(jī)械手的手部工作壓強(qiáng)為：
P= F1/S 公式（3.8）
=3500/1962.5=1.78Mpa
3.3.2機(jī)械手的腕部設(shè)計(jì)計(jì)算
機(jī)械手的腕部機(jī)械是一種用來(lái)連接機(jī)械手部和被夾工件臂部的機(jī)械組件,它的腕部動(dòng)作敏捷,轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性小,所以腕部的運(yùn)動(dòng)主要是用來(lái)控制和變動(dòng)被夾工件的活動(dòng)度和位置。本次研究課題的重點(diǎn)是腕部機(jī)械具有回轉(zhuǎn)這一種的自由度,可以自由選擇采用具有一個(gè)活動(dòng)度的齒輪或回轉(zhuǎn)缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的一種腕部機(jī)械構(gòu)造。
其要求為：回轉(zhuǎn)±90o
角速度W=45o/s
以最大負(fù)荷計(jì)算為：
當(dāng)擺動(dòng)液壓缸的每個(gè)工件擺動(dòng)扭矩暫時(shí)位于整個(gè)擺動(dòng)液壓缸的一個(gè)水平擺動(dòng)位姿時(shí),擺動(dòng)液壓缸的每個(gè)工件擺動(dòng)扭矩就有可能會(huì)暫時(shí)處于最大的擺動(dòng)情況,所以我們通常需要對(duì)缸的工件扭矩采用長(zhǎng)度估算系數(shù)法的一種方式計(jì)算來(lái)對(duì)其進(jìn)行扭矩計(jì)算,工件擺動(dòng)扭矩的稱(chēng)重10kg,長(zhǎng)度長(zhǎng)度l=650mm。計(jì)算公式定義如下表見(jiàn)圖3.3所示。
(1)計(jì)算機(jī)械手的扭矩M1
假設(shè)重力主要集中在離手指中心200mm處，則扭矩M1：
M1=F×S 公式（3.9）
=10×9.8×0.2=19.6（N·M）
具體表現(xiàn)如下圖3.3所示
圖3.3 腕部受力簡(jiǎn)圖
(2)機(jī)械手的油缸（伸縮）以及其配件的估算扭矩M2
F=5kg S=10cm
帶入公式（3.9）得
M2=F×S=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
(3)機(jī)械手的擺動(dòng)缸摩擦力矩M摩
F摩=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
M摩=F摩×S=6（N·M）
(4)機(jī)械手的擺動(dòng)缸總摩擦力矩M
M=M1+M2+M摩 公式（3.10）
=30.5（N·M）
(5)由公式
T=P×b（ΦA(chǔ)12-Φmm2）×106/8 公式（3.11）
其中： b—葉片密度，此處取b=3cm；
ΦA(chǔ)1—擺動(dòng)缸內(nèi)徑, 此處取ΦA(chǔ)1=10cm；
Φmm—轉(zhuǎn)軸直徑, 此處取Φmm=3cm。
因此代入上面的公式（3.11）：
P=8T/b（ΦA(chǔ)12-Φmm2）×106
=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106
=0.89Mpa
又因：
W=8Q/（ΦA(chǔ)12-Φmm2）b
因此：
Q=W（ΦA(chǔ)12-Φmm2）b/8
=（π/4）（0.12-0.032）×0.03/8
=0.27×10-4m3/s
=27ml/s
3.3.3機(jī)械手的臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械手的主要作用機(jī)械手臂通常是現(xiàn)代人類(lèi)運(yùn)動(dòng)機(jī)械手主要進(jìn)行操作以及執(zhí)行的重要組件。其主要運(yùn)動(dòng)作用也就是為了能夠起到通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手臂臂來(lái)承托我們的身體腕部和其他人的手部,然后通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手臂臂來(lái)帶動(dòng)它們?cè)谝欢ǖ拈L(zhǎng)度空間中連續(xù)進(jìn)行的手部運(yùn)動(dòng)。
機(jī)械手臂部受力運(yùn)動(dòng)的工作目的,一般而言其目的就是為了把手部的載荷傳送達(dá)到一定的空間和運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一個(gè)受力點(diǎn)上,當(dāng)從機(jī)械手臂部的結(jié)構(gòu)和受力的情況兩個(gè)角度來(lái)看,它在工作中主要是直接地承受位于手部、腕部和其他工件的靜、動(dòng)載荷,此外其自身的運(yùn)動(dòng)比較多,所以臂部的受力較為復(fù)雜。
機(jī)械手的精確性最后是集中體現(xiàn)在手部的位置精確性上。因此在采用恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)向設(shè)備和定位方案就顯得特別重要了。
機(jī)械手的兩個(gè)手臂左右伸縮的運(yùn)動(dòng)速率及其設(shè)計(jì)公式為:200m/s
其行程設(shè)計(jì)為：L=500mm
(1)機(jī)械手的手臂右腔流量，公式（3.7）得：
Q=sv
=200×π×402
=1004800mm3/s
=0.1/102m3/s
=1000ml/s
(2)機(jī)械手的手臂右腔工作壓力，公式（3.8）得：
P=F/S 公式（3.12）
在式中：F——取工件重和手臂活動(dòng)部件總重，估算 F=10+20=30kg， F摩=1000N。
所以代入公式（3.12）得：
P=（F+ F摩）/S
=（30×9.8+1000）/π×402
=0.26Mpa
(3)繪制機(jī)構(gòu)工作參數(shù)表如表3.1所示：
表3.1機(jī)構(gòu)工作參數(shù)表
機(jī)構(gòu)名稱(chēng)
工作速度
行程
工作壓力
流量
手部抓緊
60mm/s
25mm
1.78Mpa
117.8m/s
腕部回轉(zhuǎn)
45°/s
±90°
0.89Mpa
27m/s
小臂伸縮
200mm/s
500mm
0.26Mpa
1000ml/s
(4)由初步計(jì)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(zhuǎn)速為1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之間，可以滿(mǎn)足需要。
(5)驗(yàn)算腕部擺動(dòng)缸：
T=PD（ΦA(chǔ)12-Φmm2）ηm×106/8 公式（3.13）
W=8θηv/（ΦA(chǔ)12-Φmm2）b 公式（3.14）
式中：Ηm—機(jī)械效率取： 0.85～0.9
Ηv—容積效率?。? 0.7～0.95
所以代入公式（3.13）得：
T=0.89×0.03×（0.12-0.032）×0.85×106/8
=25.8（N·M）
T
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