搬箱机械手结构设计毕业设计论文(编辑修改稿)

搬箱机械手结构设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

腰部与手臂的连接要有 可靠的定位基准面，要有调整轴承间隙和传动间隙的调整机构。 确定方案 腰座回转的驱动形式只有电机减速机构以及摆动液压缸或液压马达。 因为电动机驱动系统采用低转动惯量、大转矩交直流伺服电动机及其配套的伺服驱动器，又具有不需要能量转换、使用方便控制灵活等特点。 考虑到腰座的回转对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。 经考虑采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。 选用一级齿轮传动来减小齿侧间隙导致的误差，并且为了减少空间加强机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。 腰 部升降的驱动形式采用液压升降，因为液压缸既是驱动元件又是执行元件，并且液压缸的液压杆自带导程无需额外的光杠辅助导程，液压缸的强度也很大可以保证机械手因旋转产生的扭矩，且动力大能够承受机械手的全部重量，技术成熟并且便于用计算机实现直接控制。 腰部具体结构如图 25 所示。 2 总体设计方案论证 5 图 25 机械手腰部结构 机械手手臂方案确定 机械手手臂结构设计要求 (1)手臂的结构设计要符合动作需求。 (2)根据手臂所受载荷和结构特点，合理选择手臂 截面形状和高强度材质材料。 (3)要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精准性和运动刚度。 采用缓冲和限位装置提高定位精度。 确定方案 手臂的运动是沿 X 轴的伸缩运动，是直线运动。 直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。 气压传动的运动平稳性不高，对于本次设计的精度考虑不宜采用，电机驱动精度高但是电机本身无法直接完成动作需要另外的执行元件，因此结构比较复杂且成本较高。 液压驱动稳定性好，精度较高，主要是液压元件既是驱动元件又是可以执行元件较之电动元件结构简单节约了空间，而且液压缸有 良好的刚度符合本次设计对于机械手手臂刚度的要求。 液压缸的驱动力较大，能够提供很好的伸缩运动的动力。 对于不同级别的负载更换元件也比较方便。 所以手臂采用液压缸驱动。 东北林业大学本科设计 6 机械手手腕连接方式 通过对实际情况分析，机械手手部与手臂连接无需自由度，采用固连即可。 本设计通过中心孔带有螺纹的法兰与手部用螺栓连接，手臂与法兰螺纹连接并通过锁紧螺母使手部保持竖直状态。 具体设计结构如图 26 所示。 图 26 手腕连接方式 机械手手部方案确定 机械手手部设计要求 (1)末端执行器 要能够实现动作需要的夹持力以及按要求可以达到的位置精度。 (2)应尽可能使末端执行器的结构简单、紧凑、质量轻，以减轻手臂的负荷。 提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器。 (3)夹持范围要与工件相适应，动作要快速灵活。 (4)结构应简单、重量轻、强度可靠、易磨损处应便于更换。 机械手夹持器的运动和驱动方式 工业机器人中应用的夹持器多为双指手抓式，按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型。 回转型手爪又可分为单支点回转型和双支点回转型，按夹持方式可分为外夹式和内撑式。 机械式夹持器按驱动方式可分为电动（或电 磁）、液压和气动三种。 机械手夹持器的典型结构 (1)楔块杠杆式夹持器 利用楔块与连杆的相对运动来实现手爪的张、紧来完成抓取工件的动作。 (2)连杆杠杆式夹持器 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。 通常与弹簧一起使用。 (3)齿轮齿条平行连杆式夹持器 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 (4)平行杠杆式夹持器 采用平行四边形机构，不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，但是比带有导轨的平 行移动手爪的摩擦力要小很多。 2 总体设计方案论证 7 确定方案 结合具体的工作情况，本次设计任务为搬运两侧为平面的纸箱，因此选择齿轮齿条平行连杆式夹持器较为合适，通过对齿条的驱动可以使带有齿轮的连杆绕定轴转动，通过平面机构带动夹块的移动实现对纸箱的夹紧，由于这种夹持方式对纸箱的夹紧力有限所以在夹持器下方选择有带翻边的夹块。 具体设计结构如图 27 所示。 图 27 末端夹持器结构图 机械手机械传动方案确定 机械手传动结构设计应注意的问题 (1)为 了提高并控制机械手的运动速度及准确度，要求机械手各元件的质量小。 因此，机器人的传动机构要力求结构紧凑，质量轻，体积小。 (2)传动部件应尽量降低静摩擦力，保证小的正斜率动摩擦否则会出现爬行现象，传动精度失准。 因此，要采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如滚珠丝杠副、滚动导向支承等。 (3)采取消除传动间隙、减少支承变形等措施缩小反向死区误差。 机械手传动机构常见形式 (1) 带传动 带传动又分为平带传动、 V 带传动和多楔带传动 1) 平带传动 应用较多的情况为传动中心距较大的情况。 常用的平带有橡胶布带、 缝合棉布带、棉织带和毛织带等数种。 其中以橡胶布带应用广泛。 东北林业大学本科设计 8 2) V 带传动 V 带传动的结构更紧凑， V 带已经大量标准化生产且可以承受较大的传动比等优点，因而 V 带传动的应用最广泛。 3) 多楔带传动 结构尺寸小，传动平稳，常用于传递功率较大，有要求结构紧凑的场合。 (2) 链传动 由于没有弹性滑动和打滑现象，链传动比带传动更能保持准确的平均传动比；传动效率高，能达到 98%；又因链条与链轮之间不用张得很紧，所以作用于轴上的压力较小；在同样使用条件下，链传动的承载能力也比带传动强；适于远距离传动，中心距可达十几米；链传动的结构较为紧凑，且成本低廉，可在温度较高、湿度较大、有油污、腐蚀等恶劣条件下工作。 (3) 齿轮传动 齿轮传动的特点： 、寿命长 、恒定 5.适用的速度和功率范围广 ，制造时需要专用工具和设备，因此成本比较高。 (4) 蜗杆传动 可以达到大的传动比，噪音小，传动稳定可靠，具有自锁能力，但是安装时对中心距的尺寸精度要求较高。 确定方案 具体到此次设计两个直线自由度和一个旋转自由度，末端夹持器直线 运动应用气动方式无需传动机构转换，手臂直线自由度采用液压缸驱动直接当作执行元件无需传动机构简化结构并且增强刚度，腰部的旋转用步进电机驱动，必须要有传动机构来减速并增大扭矩。 经分析采用圆柱齿轮，利用一级齿轮传动来减小齿轮传动因尺侧间隙导致的传动误差，故齿轮需要更高的强度来完成既定的动作。 机械手驱动系统方案确定 机械手各类驱动系统的特点 机械手关节的驱动方式有液压式、气压式和电动式。 (1) 液压驱动 机械手的驱动方式采用液压驱动有以下几个优点： 1）液压容易达到较高的压力，体积较小，可以获得较大的推力或转矩 ； 2）液压系统介质可压缩性小，工作平稳可靠，可以获得较高的位置精度。 3）液压传动中比较容易控制速度和力并使之自动化。 4）液压的介质为油液，具备润滑和防锈能力，可以增加使用年限和提高机械效率。 液压系统的不足之处是： 油液的黏度随温度变化而变化影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；造价较高；容易引起故障 (2) 气动驱动 与液压驱动相比，气压驱动的特点是： 1）压缩空气黏度小容易达到高速 2）动力来源易取得，可集中控制 3）空气可应用于高温工作的情况 2 总体设计方案论证 9 4）气压元件工作压力低，故制造要求比液压 元件低 它的不足之处是： 1）压缩空气常用压力为 ～ 较低。 2）空气压缩性大工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很难 3）除水问题处理不当会使钢类零件生锈，导致机械手失灵，排气还会造成空气污染。 (3) 电动机驱动 电动机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。 普通交、直流电动机驱动如果不加减速器无法提供足够的有效力矩，且运动不易控制，适用于中型或重型机器人。 伺服电动机和步进电动机输出较小的力矩，惯性小易于控制，可以实现速度与位置的精确控制，用于中小 型机器人更合适。 不同驱动各种特点见表 21。 表 21 各种驱动方式在不同方面的特点比较 驱动方式 特点 输出力 控制性能 维修使用 结构体积 使用范围 制造成本 液压驱动 压力高，可获得大的输出力 输出力大，稳定，容易控制，可无级调速 维修方便，液体对温度变化敏感 在输出力相同的情况下比气压驱动体积小 中小型及重型机器人 液压元件成本较高，油路比较复杂 气压驱动 压力低，输出力小 可高速，冲击大，精确定位困难，阻尼差，低速难控制 维修简单，能在高温，粉尘等恶劣环境下使用，泄漏无污染 体积较大 中小 型机器人 结构简单，能源方便，成本低 电动驱动 异步、直流电机 输出力较大 控制性能交差，惯性大，不易精确定位 维修使用方便 需要减速装置，体积较大 速度低，特重大的机器人 成本低 步进、伺服电机 输出力较小或较大 响应快，定位精度高，控制系统复杂 维修使用较复杂 体积较小 程序复杂，运动轨迹要求严格 成本较高 确定方案 具体到本设计，考虑到腰部的回转关联末端执行器的定位精度，所以应用定位精度高并且响应速度快的步进电机。 回转下方的升降元件用液压元件，考虑到承载能力以及垂直布置，可以利用重力实现下降， 所以选用柱塞缸。 手臂无法利用重力且对于驱动力要求不是非常大选用单活塞液压缸。 末端执行器的回转也要求高定位精度，快速的反应能力、灵活的转动，输出力要求不高选用步进电机。 考虑到夹持器的驱动气压元件垂直放置而且对于工作环境要求较高，由于液压元件的漏油是无法避免的元件的结构导致无法经常拆卸维护，所以选用单作用活塞杆式气压缸。 气缸通过活塞杆带动齿条使扇形齿轮转动来完成手爪的扩张合拢。 东北林业大学本科设计 10 机械手手臂平衡机构选择 除了关节坐标机械手都可以通过合理布局，使手臂自身可能达到平衡。 关节机器人手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动 器的负荷，同时缩短启动时间。 本设计采用圆柱坐标结构，由于手部结构较多而且还有负载，考虑到机械手自身结构根据实际情况选择配重块平衡机构。 3 主要结构设计计算 11 3 主要结构设计计算 液压缸气缸设计计算 手部气缸设计计算 (1)手爪气缸驱动力的计算 纸箱重量 kgG 5 ，摩擦系数为 f 1)根据手部结构，其驱动力为 : cos2 l RFF PN  （ 31） 得 )(7 0 594 2 4 515co s1 4 02co s2 NR FlF NP  式中， FN—— 为沿水平方向 X 轴作用于纸箱的力， N FP—— 为气缸沿 Z 轴的驱动力， N l —— 为连杆的长度， m R—— 为扇形齿轮的节圆半径， m α—— 为连杆与竖直方向的夹角 2)实际驱动力 :  21KKFF PP 实际 （ 32） 因为传递力的机构为齿轮齿条机构，故取机械效率  ，并取 K。 若被抓取工件的最大加速度 ga 3 ，则 : 412  gaK  )( 0 5 KNFP 实际 夹持工件时所需驱动力为 (2)气缸的直径的设计 本气缸属于单向作用气缸。 根据力平衡原理，气缸活塞杆的输出力需要克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为 : zt FFPDF  421  （ 33） 式中 ， F1 —— 活塞杆上的推力， N Ft —— 弹簧反作用力， N Fz—— 气缸工作时的总阻力， N P —— 气缸工作压力， Pa 弹簧反作用计算 : )1( sGF ft 。