毕业设计----多自由度铝合金机械手的设计与实现

毕业设计----多自由度铝合金机械手的设计与实现内容摘要：

械手进行操作。 触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。 工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。 手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。 总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。 更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造 单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 本论文研究的内容及意义 随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 近 20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。 电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使 气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。 从各国的行业统计资料来看，近 30 多年来，气动行业发展很快。 20 世纪 70年代， 9 液压与气动元件的产值比约为 9:1，而 30 多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到 6:4，甚至接近 5:5。 我国的气动行业起步较晚，但发展较快。 从 20世纪 80 年代中期开始，气动元件产值的年递增率达 20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。 随着微电子技术、 PLC 技术、 计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。 本毕业设计中，设计的主要内容是 多自由度铝合金机械手，能够实现三 个关节的运动，采用 电机与气缸相结合的控制方法。 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 而在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身 事故。 第二章 工业机器人的总体设计 本课题是轻型平动搬运机械手的设计。 本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，因此对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。 机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下几种：（ 1）直角坐标型机械手；（ 2）圆柱坐标型机械手；（ 3）球坐标型机械手；（ 4）多关节型机械手 6。 其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。 机械手的主 要部件及运动 在圆柱坐标型机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有 3 个自由度：手抓张合、手臂伸缩和机身回转。 本设计机械手主要由 3大部件和 2个气 缸组成：（ 1）手部 ：采用一个直线气 缸，通过机构运动实现手抓的张合。 （ 2）臂部 ：采用一个直线气缸来实现手臂的升降。 （ 3）机身 ： 采用一个电机带动止推轴承来实现手臂的回转。 驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。 驱动件主要有四种：气动驱动、电气驱动、机 械驱动和液 10 压驱动。 其中以液压、气动用的最多，占 90%以上；电动、机械驱动用的较少。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。 一般采用 46 个大气压，个别的达到 810 个大气压。 它的优点是气源方便，维护简单，成本低。 缺点是出力小，体积大。 由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。 通用机械手则考虑采用同一种形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢 9。 机械驱动只用于固定的场合。 一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。 它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。 它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。 液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。 缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高 10。 采用气压机构驱 动机械手，结构简单 、尺寸紧凑、重量轻、控制方便、驱动力大等优点，因此 本设计中机械手的驱动采用气压和电动。 图 21 为机械手的运动控制路线图。 图 21 机械手的运动控制流程图 由于气缸只能承受轴向力，而不能承受径向力，所以气缸在运动过程中需要有固 11 定元件进行固定，以消去径向力的影响。 在本设计中，采用了一个轴，轴的 一端钻一个螺纹孔，把气缸的活塞杆与轴 的内螺纹孔连接紧后，用活塞杆的力推动机械手运动。 气缸选定之后采用脚座固定，固定于底盘上，图 22为底盘的形状 11。 图 22 底盘 机械手的技术参数指标 一、用途：用于车间搬运 二、设计技术参数： 抓重： 20 ㎏（夹持式手部） 自由度数： 3 个自由度 坐标型式：圆柱坐标 最大工件半径： 90 ㎜ 手臂最大中心高： 30 ㎜ 12 手臂运动参数 伸缩速度： 旋转 速度： r/min 第三章 机械手的机械系统设计 手部设计基本要求： 应具有适当的夹紧力和驱动力。 应当考虑在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到 闭合绕支点所转过的角度）△γ，以便于抓取工件。 要求结构紧凑、重量轻、效率高。 在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能是结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 典型的手部结构 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动 平面平移型 机械手手抓的设计计算 选择机械手手抓的类型及夹紧装置 本设计是设计平动搬运型机械手，考虑到所要达到的原始参数：手抓张开角△γ= 60 ，夹取重量为 20 ㎏。 常用的工业 机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。 吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。 本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。 平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单，适于夹持平板方料，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差为零。 若采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上，这样会使结构变得复杂且体积庞大，显然是不适合的，因此不选这种类型。 通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。 手抓的力学分析 在进行手部设计时，要对手部进行受力分析，如图 31所示。 13 图 31 手抓的受力分析图 在上图中， 1为手指， 2为销轴， 3 为杠杆。 在杠杆 3 的作用下，销轴 3 受到向上的拉力 F，并通过销轴中心 O 点，两手指 1的滑槽对销轴的作用力为 F1 和 F2 ,其力的方向垂直于滑槽的中心线 OO1 和 OO2 ， 由∑ FX =0 得 F1 =F2 ∑ Fy =0 得 F1 = cos2F F1 =－ F1 ′ 由∑ M1o （ F） =0 得 F1 ′ = hbFN ∵ h= cosa ∴ F=NFab 2cos2 式中 a—— 手指的回转中点到对称中心的距离（㎜），  —— 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转 支点的夹角 由分析可知，当驱动力 F一定时，  角增大，则握力 FN 也随之增大，但  角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好  =30176。 ～ 40176。 13 夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。 必须对大小、方 向和作用点进行分析计算。 一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化 14 的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算： FN ≥ K1 K2 G 式中 K1 —— 安全系数，通常 ～ K2 —— 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响， K2 可近似按下。