数控技术毕业设计-机械手直线运动的液压系统制作

数控技术毕业设计-机械手直线运动的液压系统制作内容摘要：

围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。 手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。 5）位置检测装置的选择 机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。 本机械手采用行程开关式。 利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机械挡块联合应用。 在机械手中用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。 6）驱动与控制方式的选择 机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、 成本底的方式。 控制系统也有不同的类型。 除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。 驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。 本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的 PLC 控制。 手部结构 手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。 机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺 寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。 钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。 其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式 „„ 等，这里采用滑槽杠杆式。 设计时应考虑的几个问题 ① 应具有足够的握力（即夹紧力） 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 ② 手指间应有一定的 开闭角两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。 手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。 若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 ③ 应保证工件的准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。 例如圆柱形工件采用带 ‘V’ 形面的手指，以便自动定心。 ④ 应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和 刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 ⑤ 应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。 湖北科技职业学院 第 10 页 共 40 页 驱动力的计算 图 1 滑槽杠杆式手部受力分析 如图所示为滑槽式手部结构。 在拉杆 3 作用下销轴 2 向上的拉力为 P，并通过销轴中心 O 点，两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为 P P2，其力的方向垂直于滑槽中心线 OO1和 OO2并指向 O点， P1和 P2 的延长线交 O1O2于 A及 B，由于 △ O1OA和 △ O2OA均为直角三角形，故 ∠ AOC=∠ BOC=α。 根据销轴力平衡条件 ∑Fx=0,P1=P2。 ∑Fy=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα 销轴对手指的作用力为 p1′。 手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以 N表示。 由手指的力矩平衡条件，即 ∑m01(F)=0得 P1′h=Nb 因 h=a/cosα 所以 P=2b(cosα)2 N/a 式中 a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。 α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 由上式可知，当驱动力 P 一定时， α角增大则握力 N 也随之增加，但 α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取 α=30176。 ～ 40176。 这里取角 α=30度。 这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。 V 形手指夹紧圆棒料时，湖北科技职业学院 第 11 页 共 40 页 握力的计算公式 N=，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。 为了考虑工件 在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力 P实际应按以下公式计算，即： P 实际 =PK1K2/η 式中 η——手部的机械效率，一般取 ~； K1——安全系数，一般取 ~2 K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响， K2 可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中 a 为被抓取工件运动时的最大加速度， g 为重力加速度。 本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为 500 毫米 /秒动加速度为1000 毫米 /秒 2 ， 工件重量 G 为 98 牛顿， V型钳口的夹角为 120176。 ,α=30176。 时，拉紧油缸的驱动力 P 和 P 实际计算如下： 根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式 N= 把已知条件代入得当量夹紧力为 N=49（ N）由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2b(cosα)2 N/a 得 P=P 计算 =245/27(cos30176。 )2 49=(N) P 实际 =P 计算 K1K2/η 取 η=, K1=, K2=1+1000/9810≈ 则 P 实际 =(N) 腕部的结构 腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。 设计腕部时要注意以下几点： ① 结构紧凑，重量尽量轻。 ② 转动灵活，密封性要好。 ③ 注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题 ④ 要适应工作环境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外 露，使外形整齐。 本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为 177。 115176。 . 如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。 夹紧缸体也指座固连成一体。 当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。 湖北科技职业学院 第 12 页 共 40 页 图 2 机械手的腕部结构 驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片 与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。 手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算： M 驱 =M 惯 +M 偏 +M 摩 （ ） 式中 M 驱 ——驱动手腕转动的驱动力矩 M 惯 ——惯性力矩 （ ） M 偏 ——参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩 （ ） M 摩 ——手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 （ ） 湖北科技职业学院 第 13 页 共 40 页 图 3 腕部回转力矩计算图 （ 1）摩擦阻力矩 M 摩 M 摩 =2f （ N1D1+N2D2） （ ） 式中 f——轴承的摩擦系数，滚动轴承取 f=，滑动轴承取 f=； N1 、 N2 ——轴承支承反力 （ N）； D1 、 D2 ——轴承直径（ m） 由设计知 D1= D2= N1=800N N2=200N G1=98N e= 时 M 摩 =*（ 200*+800*） /2 得 M 摩 =（ ） （ 2）工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏 M 偏 =G1 e （ ） 式中 G1——工件重量（ N） e——偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时， M 偏为零 当 e=， G1=98N 时 M 偏 = （ Nm） （ 3）腕部启动时的惯性阻力矩 M 惯 ① 当知道手腕回转角速度  时，可用下式计算 M 惯 M 惯 =（ J+J 工件） t （ Nm） 式中 ——手腕回转角速度 （ 1/s） T——手腕启 动过程中所用时间（ s），（假定启动过程中近为加速运动） J——手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（ kgm2 ） J 工件 ——工件对手腕回转轴线的转动惯量 （ kgm2 ） 按已知计算得 J=， J 工件 =，  =,t=2 湖北科技职业学院 第 14 页 共 40 页 故 M 惯 = （ Nm） ② 当知道启动过程所转过的角度  时，也可以用下面的公式计算 M 惯： M 惯 =（ J+J 工件） 22 （ Nm） 式中 ——启动过程所转过的角度（ rad）。 ——手腕回转角速度 （ 1/s）。 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将 M 取大一些，可取 M =∽ （ M 惯 +M 偏 +M 摩 ） （ ） M = *（ ++） = （ ） 臂部的结构 臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。 手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。 立柱的横向移动即为手臂的横向移动。 手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。 手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位 精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。 同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。 因此设计臂部时一般要注意下述要求： ① 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。 弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。 所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 ② 导向性要好 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 ③ 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。 为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。 ④ 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。 故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。 1）手臂直线运动机构 机械手手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。 2）手臂伸缩运动 这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。 由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。 如下图所示为双导向杆手臂的伸缩结构。 手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端，当双作用油缸 1 的两 腔分别通入压力油时，则推动活塞杆 2（即手臂）作往复直线运动。 导向杆 3 在导向套 4 内移动，以防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸 6 及手部 7 的夹紧油缸用的输油管道）。 由于湖北科技职业学院 第 15 页 共 40 页 手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。 可用于抓重大、行程较长的场合。 图 4 双导向杆手臂的伸缩结构 导向装置 液压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或升降）运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯 曲力矩的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装置。 它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。 目前采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他的导向装置，本机械手采用的是双导向杆导向机构。 双导向杆配置在手臂伸缩油缸两侧，并兼做手部和手腕油路的管道。 对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。 如图 4所示，对于伸缩行 程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。 如图 4 所示，在导向杆 1 的。