搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)說明書.doc
機(jī)械與裝備工程學(xué)院
課程設(shè)計(jì)說明書
(2016/2017學(xué)年第 1學(xué)期)
課程名稱 : 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)
題 目 : 搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)
專業(yè)班級(jí) : 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名 :
學(xué) 號(hào): 130200216
指導(dǎo)教師 :
設(shè)計(jì)周數(shù) : 2周
設(shè)計(jì)成績 :
2016年 12月 31日
目錄
第一章 緒論 1
1.1 機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 1
1.2 機(jī)械手研究的目的、意義 1
1.3 設(shè)計(jì)時(shí)要解決的幾個(gè)問題 1
第二章 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì) 3
2.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 3
2.2 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)及工作流程 3
第三章 機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)及其主要參數(shù) 5
3.1 坐標(biāo)形式和自由度選擇 5
3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 5
3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 6
3.4 控制系統(tǒng) 7
第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化 8
4.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 8
4.1.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 8
4.1.2 確定氣缸直徑 9
4.1.3 氣缸作用力的計(jì)算及校核 9
4.1.4 缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 10
4.1.5 氣缸的基本組成部分及工作原理 10
4.2手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 10
4.2.1問題描述 10
4.2.2設(shè)計(jì)分析 10
4.2.3建立數(shù)學(xué)模型 12
4.2.4優(yōu)化計(jì)算 13
4.2.5優(yōu)化結(jié)果分析 16
第五章 Adams運(yùn)動(dòng)仿真 17
總結(jié)與展望 20
摘 要
機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備,它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用,隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展以及氣動(dòng)技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn),氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。
本設(shè)計(jì)中的搬運(yùn)機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng),氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來控制,電磁閥由PLC控制。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成,能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。
本文中對(duì)機(jī)械手臂運(yùn)用MATLAB算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),它使得優(yōu)化過程變得非常簡單、容易理解和掌握,從而避免編寫各種復(fù)雜的運(yùn)算程序,提高了設(shè)計(jì)效率。
用 ADAMS 軟件建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真并優(yōu)化參數(shù),得出了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程的演示動(dòng)畫,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能有機(jī)地結(jié)合在一起,工作平穩(wěn),并在指定的速度和負(fù)載等參數(shù)下得出了所需要的驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)參數(shù)等。虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測試和評(píng)估,可以降低設(shè)計(jì)成本,縮短開發(fā)周期,而且設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率都可以得到提高。
關(guān)鍵詞:機(jī)械手,氣動(dòng) ,優(yōu)化設(shè)計(jì),仿真
第一章 緒論
1.1 機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀
工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè),常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能,它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作:代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng),提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中,特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心,自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展,功能和性能的不斷改善和提高,機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。
1.2 機(jī)械手研究的目的、意義
(1)以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度
應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度,從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
(2)以改善勞動(dòng)條件,避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中,用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的,而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè),使勞動(dòng)條件得以改善。
在一些簡單、重復(fù),特別是較笨重的操作中,以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作,可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
(3)可以減輕人力,并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作,這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面,同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作,這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此,在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上,目前幾乎都沒有機(jī)械手,以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍,便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。
綜上所述,有效的應(yīng)用機(jī)械手,是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。
1.3 設(shè)計(jì)時(shí)要解決的幾個(gè)問題
(1)具有足夠的握力(夾緊力)
在確定手指的握力時(shí),除考慮工件重量外,還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng),以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
(2)手指間應(yīng)具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開,若夾持不同直徑的工件,應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。
(3)保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置,必須根據(jù)被抓取工件的形狀,選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指,以便自動(dòng)定心。
(4)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外,還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響,要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形,當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊,自重輕,并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上,以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
(5)考慮被抓取對(duì)象的要求
根據(jù)機(jī)械手的工作需要,通過比較,我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)兩指回轉(zhuǎn)型,由于工件多為圓柱形,故手指形狀設(shè)計(jì)成V型。
第二章 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成
控制系統(tǒng)(PLC)
位置檢測裝置
手臂
手部
立柱
被抓取物品
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
(氣壓傳動(dòng))
圖2.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下,采用氣壓傳動(dòng)方式,來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的,有順序,有運(yùn)動(dòng)軌跡,有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令,必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視,當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。位置檢測裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較,然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。
2.2 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)及工作流程
機(jī)械手是一個(gè)水平、垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備,用來將工件由左工作臺(tái)搬到右工作臺(tái)。有上升、下降運(yùn)動(dòng),左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制。簡易機(jī)械手在各類全自動(dòng)和半自動(dòng)生產(chǎn)線上應(yīng)用得十分廣泛,主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動(dòng),替代人工作業(yè),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu),機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng),氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來控制,電磁閥由PLC 控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成,能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。
根據(jù)要求:機(jī)械手初始位置在原點(diǎn)位置,每次循環(huán)動(dòng)作都從原點(diǎn)位置開始,完成上升、下降運(yùn)動(dòng),左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制,并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)位置下啟動(dòng)按鈕,系統(tǒng)啟動(dòng),左傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品后,左傳送帶停止運(yùn)行。根據(jù)分析可得出機(jī)械手的工作流程圖,如圖2.2所示
原位
下降
夾緊
上升
右移
停止
左移
上升
松開
下降
啟動(dòng)
右限
下限
延時(shí)
上限
左限
圖2.2 機(jī)械手工作流程圖
第三章 機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)及其主要參數(shù)
3.1 坐標(biāo)形式和自由度選擇
直角坐標(biāo)型
圓柱坐標(biāo)型
球坐標(biāo)型
關(guān)節(jié)型
具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)(PPP)
具有兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(PPR),受部的坐標(biāo)為(z,r,θ)
具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)(RRP)
具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(RRR)
由于其運(yùn)動(dòng)方程可獨(dú)立處理,且為線性的,具有定位精度高,
控制簡單等特點(diǎn),但操作靈活性較差,運(yùn)動(dòng)速度低的特點(diǎn)
這種操作機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是所占的空間尺寸較小,相對(duì)工作范圍較大,結(jié)構(gòu)簡單,手部可獲得較高的速度。而缺點(diǎn)是手部外伸離中心軸愈遠(yuǎn),其切向線位移分辨精度愈低。
通常用于搬運(yùn)機(jī)器
人。
優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,所占空間尺寸小,但目前應(yīng)用較少。
具有結(jié)構(gòu)緊湊,所占空間體積少,相對(duì)工作空間大等特點(diǎn),用于復(fù)雜設(shè)備當(dāng)中。
圖3.1
本機(jī)械手采用圓柱座標(biāo)型式,具有三個(gè)自由度,即腰關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié),都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié);還有一個(gè)用于夾持物料的機(jī)械手。
3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
1、手部
在本設(shè)計(jì)中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu),夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指運(yùn)動(dòng)形式采用平移型手指,其夾持圓形零件時(shí),工件直徑變化不影響其軸心的位置,因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)采用帶有一定中心距的“V”形面的手指。
2、手臂
手臂是支承被抓物件、手部的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件,并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。
3、立柱
立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要,有時(shí)也可作橫向移動(dòng),即稱為可移式立柱。
4、機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分,機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上,故起支撐和連接的作用。
3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù),它具有動(dòng)力大、 力(或力矩)與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適合于在承載能力大,慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)器人。但是,液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換(電能轉(zhuǎn)換成液壓能),速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速,效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低,液壓系統(tǒng)的液體泄露會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染,工作噪音也較高。
具有速度快, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單, 維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。 適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制,多用于程序控制的機(jī)器人中,如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。
由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器(交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器)的廣泛采用,這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換,使用方便,噪聲較低。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中,成本上也較其他兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。
圖3.3 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn):
(1)能量儲(chǔ)蓄簡單易行,可以獲得短時(shí)間的高速動(dòng)作:
(2)夾緊時(shí)無能量消耗,不發(fā)熱;
(3)柔軟,安全性高;
(4)體積小,重量輕,輸出質(zhì)量比高;
(5)處理簡便,成本低川。
由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)具有以上所述優(yōu)點(diǎn),所以本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。
3.4 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng),它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng),并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間),同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令,必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視,當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
相對(duì)于其他控制系統(tǒng),PLC具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)抗干擾能力強(qiáng),可靠性高;
(2)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,通用性強(qiáng);
(3)編程方便,使用簡易;
(4)功能完善;
(5)設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試的周期短;
(6)體積小,維護(hù)操作方便同。
第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化
4.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)
4.1.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)
夾緊氣缸的夾緊、驅(qū)動(dòng)力的確定,工件重5kg。(g=9.8N/kg)
(1)夾緊力:
F夾= (4.1.1)
(其中 θ=45,G=49N,f =0.1)
F夾==174(N)
(2)驅(qū)動(dòng)力
F驅(qū) = (4.1.2)
(其中 b=50,c=30 ,α=23)
故F驅(qū)==250(N)
F實(shí)際≥ (4.1.3)
其中 K1:安全系數(shù),一般取1.2~2 取K1=1.5;
K2:工作情況系數(shù),主要考慮慣性力的影響,K2可近似按下式估計(jì),
K2=1+式中a為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度, a=
v:升降速度0.2m/s,t:機(jī)械手達(dá)到最高速度的響應(yīng)時(shí)間為0.1s,
g為重力加速度 g=9.8m/s2。
那么:K2=1+=1.204;
η:手部機(jī)械效率,一般取0.85~0.95 取η=0.85(滾動(dòng)摩擦);
F實(shí)際==531(N)
4.1.2 確定氣缸直徑
取空氣壓力為P空氣 = 0.5 MPa = 5105Pa,
D= (4.1.4)
D==0.0368(m)=36.8(mm)
圓整氣缸直徑D=40mm
4.1.3 氣缸作用力的計(jì)算及校核
F氣缸= (4.1.5)
F氣缸==628(N)
因?yàn)?F氣缸>F實(shí)際 , 所以 滿足設(shè)計(jì)要求。
由d/D=O.2~0.3, 可得活塞桿直徑:d=(0.2~0.3)D=8~12 mm
圓整后,取活塞桿直徑d=12 mm
校核,按公式
≤[σ] (4.1.6)
其中 [σ]=120MPa, F實(shí)際=531N
則:d ≥ (4531/π120) 1/2
=2.37mm ≤12mm
滿足設(shè)計(jì)要求。
4.1.4 缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
缸筒直接承受壓縮空氣壓力,必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:
δ=DPP/2[σ] (4.1.7)
式中: δ—— 缸筒壁厚 mm
D ——?dú)飧變?nèi)徑 ,40mm
PP——實(shí)驗(yàn)壓力,取PP=1.2P=6105Pa
材料為 : ZL3,[σ] =3MPa
代入己知數(shù)據(jù),則壁厚為:
δ=DPP/2[σ]
=406105/23106
=4 mm
取δ=4 mm,則缸筒外徑為:D=40+42 =48 mm。
于是選擇SC-4050型的夾緊氣缸。
4.1.5 氣缸的基本組成部分及工作原理
氣動(dòng)手爪的開閉是通過由氣缸活塞產(chǎn)生的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手爪相連的曲柄連桿機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)各個(gè)手爪同步做開、閉運(yùn)動(dòng)。
4.2手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
4.2.1問題描述
機(jī)械手臂作為機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分,一直是機(jī)器人科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常是一多解問題。目前,還未形成完備的設(shè)計(jì)方案。這里針對(duì)具體實(shí)例,運(yùn)用目前較為流行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算來調(diào)整截面尺寸和手臂長度,使其在滿足強(qiáng)度、剛度和尺寸要求的前提下,得到最優(yōu)尺寸和最小質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
4.2.2設(shè)計(jì)分析
手臂運(yùn)動(dòng)由提升重物的豎直運(yùn)動(dòng)與帶動(dòng)重物旋轉(zhuǎn)的水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。手臂自重相對(duì)于重物來說,對(duì)手臂強(qiáng)度計(jì)算的影響較小,可不作考略,故設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮重物G的作用。手臂受力如圖4.2.1所示。
圖4.2.1機(jī)械手臂受力圖
(1)抗拉強(qiáng)度條件
如圖4.2.1所示,手臂N點(diǎn)處受到最大拉應(yīng)力?max,?max是由彎矩M產(chǎn)生的拉應(yīng)力?1與向心力F產(chǎn)生的應(yīng)力?2組成。其中?1=式中,Wz為抗彎截面系數(shù),僅與截面形狀、尺寸有關(guān)。
對(duì)于外徑為D,內(nèi)徑為d的圓環(huán)截面有:
Wz=[1-()4] (4.2.1)
M=GL (4.2.2)
?2=式中,A為手臂橫截面積(m2),
A=[()2-()2]=(2DT-T2) (4.2.3)
F=L (4.2.4)
據(jù)抗拉強(qiáng)度條件有:
=+≤[] (4.2.5)
將式(4.2.1)(4.2.2)(4.2.3)(4.2.4)及已知數(shù)據(jù)代入式(4.2.5),取g=10m/s2(下同),計(jì)算整理得:
120D3-970D2+34D-6.4LD≥0
(2)抗剪強(qiáng)度條件
手臂N點(diǎn)處所受剪應(yīng)力最大。因圓環(huán)截面壁厚T遠(yuǎn)小于外徑D,故最大剪應(yīng)力為:
=2 (4.2.6)
據(jù)抗剪強(qiáng)度條件有;
=2≤[] (4.2.7)
將己知數(shù)據(jù)代入式 計(jì)算整理得:
D≥0.2(cm)
(3)剛度條件
如圖4.2.1所示,受力分析得,M點(diǎn)處撓度最大。據(jù)剛度條件
=≤[]= (4.2.8)
式中,E為材料的彈性模量(GPa);I為截面慣性矩(cm4),
I=(D4-d4) (4.2.9)
將式(4.2.8)及己知數(shù)據(jù)代入式(4.2.9)計(jì)算整理得:
30D3-18D2 -0. 64L2≥0
(4)結(jié)構(gòu)尺寸限制
D>>2T
L≥40(cm)
4.2.3建立數(shù)學(xué)模型
優(yōu)化設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)是機(jī)械手臂的質(zhì)量m2最小。m2的計(jì)算表達(dá)式為:
m2(x)=M()=
=0.005LD-0.001L (4.2.10)
式中,設(shè)計(jì)變量
由第二步設(shè)計(jì)分析計(jì)算得D的值約3.5cm,
故式(4.2.10)可簡化為:
m2(x)=0.0046LD
顯然,L、D越小,m2值越小。據(jù)此,可寫出優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型[1]:
min m2( x) =0. 0046 LD x=[L,D]T
s.t. 120D3 -97D2 + 34D- 6.4LD≥0
D≥0.2(cm)
30D3 - 18D2 -0. 64L2≥0
D>>T
L≥40(cm)
此數(shù)學(xué)模型是一個(gè)單目標(biāo)非線性二維約束優(yōu)化問題。
4.2.4優(yōu)化計(jì)算
我們將用于求解優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的方法或?qū)?yōu)的方法稱為優(yōu)化計(jì)算方法。對(duì)于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,求解常常需要經(jīng)過多步迭代,最終收斂得到最優(yōu)解[1]。這里運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的理論,根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn),利用MATLAB6.5軟件進(jìn)行輔助優(yōu)化計(jì)算與設(shè)計(jì),以求得機(jī)械手臂的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)[2][3][4]。
(1)函數(shù)的性態(tài)分析
應(yīng)用MATLAB6.5編程:
[x, y] =meshgrid(linspace{0, 6, 30), linspace(0, 50, 30));
%根據(jù)函數(shù)的定義劃分網(wǎng)格區(qū)域
M=0.0046*y*x; %目標(biāo)函數(shù)
mesh(x,y,M); %通過三維網(wǎng)格模擬目標(biāo)函數(shù)圖形
在MATLAB6.5下運(yùn)行程序可畫出目標(biāo)函數(shù)的三維圖形,如圖4.2.2所示:
圖4.2.2 目標(biāo)函數(shù)的圖像
Fig. 2 The function diagram of M=.0. 0046LD
0≦x≦10,0≦y≦50
同樣,通過編程,MATLAB6.5可繪出各約束函數(shù)的圖形。程序如下:
ezplot(‘120 * x^3 -97 * x^2 + 34 * x-6.4 * y * X’,[0,10,0,50])
%抗拉強(qiáng)度條件的圖形,
hold on
y =0:0. 1: 50;
X=.0. 2;
plot(x,y,‘k’) %抗剪強(qiáng)度條件的圖形,
‘k’指圖形顏色為黑色
hold on
ezplot(‘30*x^3 -18*x^2-0.64*y^2’,[0, 10, 0, 50])
%剛度條件的圖形
hold on
y =0: 0. 1: 50;
x = 0. 4;
plot(x, y, ‘k’) %截面尺寸邊界條件圖形
hold on
x = 0:0. 1::10;
y = 40;
plot(x, y, ‘m’) %長度尺寸邊界條件圖形,
‘m’指圖形顏色為紫紅色
hold on
title(‘各個(gè)約束函數(shù)圖像’) %標(biāo)注圖形名稱
text(4,45, ‘可行域’) %注明’可行域’區(qū)域
hold off
運(yùn)行程序繪出約束函數(shù)的圖形,如3所示:
圖4.2.3 設(shè)計(jì)變量的可行域
Fig. 3 Feasible region of variable design
由圖2可以看出:目標(biāo)函數(shù)的圖像規(guī)則,即性態(tài)好,對(duì)于多數(shù)優(yōu)化方法均適用。對(duì)圖3可行域分析可知,實(shí)際起約束作用有:
1 剛度條件:30D3-18D2-0.64L2≥0
2 結(jié)構(gòu)尺寸限制條件:L-40≥0
所以,計(jì)算時(shí)只須考慮這兩個(gè)條件。這樣就大大簡化了計(jì)算過程。
(2)應(yīng)用MATLAB軟件求解
1 編與目標(biāo)函數(shù)的m文件:objfun. m,返回x處的函數(shù)值f。
function f =Objfun(x)
f=0.0046*x(1) *x(2);
2 因設(shè)計(jì)約束含非線性約束,故需編寫一個(gè)描述非線性 約束的m文件:
NonLinConstr. m
function [c, ceq] =NonLinConstr(x)
c= -30*x(1)^3 + 18*x(1)^2 + 0. 64*x(2)^2;
ceq =[];
3 給定變量的初值,并調(diào)用優(yōu)化函數(shù):
x0= [4 40]’;
A=[0 -1];
b= [ -40];
lb = zeros(1, 1); %賦 0 語句
options = optimset(‘Display’,‘iter’,‘LargeScale’,‘off’ );
[x, fval, exitflag, output] = fmincon( ‘Objfun’, x0,A, b, [ ], [ ], lb, [ ], ‘NonLinConstr’,options)
4 計(jì)算結(jié)果:
X=
3.8160 %最后的優(yōu)化結(jié)果
40. 0000 %D .3. 8160cm, L = 40cm
fval = %優(yōu)化后的最小質(zhì)量
0. 7021 % m2min = 0. 7021kg
exitflag = %算法退出處條件
1
outplot =
Iterations:2 %函數(shù)調(diào)用次數(shù)
funcCount:11 %函數(shù)賦值次數(shù)
Stepsize:1 %步長
Algorithm:‘medium - scale: SQP, Quasi - Newton, line - search’ %算法
firstorderopt: 0. 1840 %第一優(yōu)化命令的長度
cgiterations: [ ]
經(jīng)11次迭代計(jì)算后,求得最優(yōu)方案為:
D = 3.8160cm[2], L = 40cm[3], m2=0.7021kg[4]。
4.2.5優(yōu)化結(jié)果分析
對(duì)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)受力進(jìn)行分析,求得滿足強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)尺寸的方程,并建立了優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上編制程序求得手臂的最小質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)了手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是運(yùn)用MATLAB算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),它使得優(yōu)化過程變得非常簡單、容易理解和掌握,從而避免編寫各種復(fù)雜的運(yùn)算程序,提高了設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)值與所求近似值很接近,說明其具有相當(dāng)?shù)目尚哦?,并且?yōu)化結(jié)果可以明顯降低加工成本,具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
第五章 Adams運(yùn)動(dòng)仿真
1. 建模
如圖5.1
圖5.1 機(jī)械手模型
2. 添加約束
在立柱上,大臂與小臂之間,小臂與手爪之間分別添加轉(zhuǎn)動(dòng)副。
3. 添加驅(qū)動(dòng)
分別在三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加角速度為30度/秒的驅(qū)動(dòng)。
4. 設(shè)置運(yùn)動(dòng)函數(shù)(motion)
立柱:STEP( time , 0 , 0d , 24 , 120d )+STEP( time , 48 , 0d , 72 , -120d )
機(jī)械臂:STEP( time , 24 , 0d , 33 , 45d )+STEP( time , 39 , 0d , 48 , -45d )
手爪1:STEP( time , 33 , 0d , 36 , 15d )+STEP( time , 36 , 15d , 39 , 0d )
手爪2:STEP( time , 33 , 0d , 36 , -15d )+STEP( time , 36 , -15d , 39 , 0d )
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程:立柱向左(右)旋轉(zhuǎn)120度——大臂向下轉(zhuǎn)動(dòng)45度——手爪開、合(夾持物體)——大臂向上轉(zhuǎn)動(dòng)45度——立柱向右(左)旋轉(zhuǎn)120度(回到原位)。
5. 生成曲線(Measure)
在仿真結(jié)束后,進(jìn)行測量輸出。ADAMS的測量功能非常廣泛,不僅可以在仿真分析過程中跟蹤繪制感興趣的變量,以便跟蹤了解仿真分析過程,同時(shí)還可以在仿真分析結(jié)束后繪制有關(guān)變量的變化線。在這里我們測量手爪隨時(shí)間的角速度變化,得圖5.2和圖5.3所示曲線圖。圖5.2和圖5.3中可以清楚地看到機(jī)械手爪全部位移運(yùn)動(dòng)大部分集中在33-39s內(nèi),也就是說,腰關(guān)節(jié),肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)已經(jīng)基本達(dá)到所需位置。
圖5.2 手爪x 方向角速度
圖5.3 手爪z方向角速度
圖5.4 機(jī)械臂x方向受的驅(qū)動(dòng)力
圖5.5 機(jī)械臂z方向受的驅(qū)動(dòng)力
由上面的圖5.2,圖5.3,圖5.4,圖5.5可以看出,角速度相對(duì)于力矩來說是極小的,可以認(rèn)為是不變的。滿足設(shè)計(jì)要求。
改變各個(gè)構(gòu)件的各個(gè)尺寸,各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù),可以得到不同條件下不同點(diǎn)的位移,速度,加速度曲線,以及力矩,角速度和角加速度之間的關(guān)系。可以看出,用Adams進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué),運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可以得到足夠的精度,能夠快速有效地輔助設(shè)計(jì)工作的完成。
總結(jié)與展望
1、本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)自動(dòng)上下料機(jī)械手,相對(duì)于專用機(jī)械手,此機(jī)械手可用于各種生產(chǎn)中機(jī)械上下料,可配合不同的機(jī)械共同運(yùn)作,適用面較廣。
2、采用氣壓傳動(dòng),動(dòng)作迅速,反應(yīng)靈敏,能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù),便于自動(dòng)控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好,不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。阻力損失和泄漏較小,不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。
3、手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用MATLAB算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),它使得優(yōu)化過程變得非常簡單、容易理解和掌握,從而避免編寫各種復(fù)雜的運(yùn)算程序,提高了設(shè)計(jì)效率。對(duì)目前的機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了創(chuàng)新,為今后的設(shè)計(jì)提供了新的思路。
4、機(jī)械手采用PLC控制,具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn),無論是進(jìn)行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制,都可通過設(shè)定PLC程序來實(shí)現(xiàn)。可以根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序修改程序,使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。
5、機(jī)械手高效的工作效率,準(zhǔn)確的定位精度,以及極簡單的結(jié)構(gòu)及控制方式是人手不能代替的,機(jī)械手的使用也越來越廣泛。
當(dāng)然本機(jī)械手還有很多不足。比如可采用三平動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)的空間四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),通過動(dòng)平臺(tái)拆分,引入末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,不僅可以實(shí)現(xiàn)物料的快速搬運(yùn)、裝箱等功能,同時(shí)通過末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度可以實(shí)現(xiàn)物料的順序擺放動(dòng)作,克服了類似機(jī)構(gòu)存在的缺陷。動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)創(chuàng)新采用分開式方案,通過末端上下平臺(tái)在豎直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)利用螺母絲杠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)末端手爪的轉(zhuǎn)動(dòng)。在該部分的設(shè)計(jì)中,同時(shí)創(chuàng)新引入雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),有效地減輕高速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)于絲杠和螺母的摩擦,延長了機(jī)械結(jié)構(gòu)使用壽命。同時(shí),創(chuàng)新采用在工作空間全域內(nèi)單軸驅(qū)動(dòng)力矩最小的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化條件,完成機(jī)構(gòu)參數(shù)的匹配優(yōu)化,有效提升機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。
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