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1、轻型平动工业机械手设计轻型平动工业机械手设计 机电学院机电学院 机电技术教育机电技术教育052052 高自永高自永 摘要摘要 n n 本文将设计一部三自由度的工业机械手 本文将设计一部三自由度的工业机械手 能够实现上下空间 平面伸缩以及机身回能够实现上下空间 平面伸缩以及机身回 转的动作 用于给设备运送物料 介绍机转的动作 用于给设备运送物料 介绍机 械手的作用 机械手的组成和分类 说明械手的作用 机械手的组成和分类 说明 自由度和机械手整体座标的形式 分析搬自由度和机械手整体座标的形式 分析搬 运机械手的设计理论与方法 全面分析搬运机械手的设计理论与方法 全面分析搬 运机械手的手部 手臂以及
2、机身等主要部运机械手的手部 手臂以及机身等主要部 件的结构设计 本文将分析计算机械手的件的结构设计 本文将分析计算机械手的 手部 臂部 机身的结构选择合适的驱动手部 臂部 机身的结构选择合适的驱动 机构 机构 机械手的分类机械手的分类 n n 第一类是不需要人工操作的通用机械手 它是一种独立的不附属于某第一类是不需要人工操作的通用机械手 它是一种独立的不附属于某 一主机的装置 它可以根据任务的需要编制程序 以完成各项规定的一主机的装置 它可以根据任务的需要编制程序 以完成各项规定的 操作 操作 n n 第二类是需要人工操做的 称为操作机 它起源于原子 军事工业 第二类是需要人工操做的 称为操作
3、机 它起源于原子 军事工业 先是通过操作机来完成特定的作业 后来发展到用无线电讯号操作机先是通过操作机来完成特定的作业 后来发展到用无线电讯号操作机 来进行探测月球等 来进行探测月球等 n n 第三类是用专用机械手 主要附属于自动机床或自动线上 用以解决第三类是用专用机械手 主要附属于自动机床或自动线上 用以解决 机床上下料和工件送 它是为主机服务的 由主机驱动 除少数以外机床上下料和工件送 它是为主机服务的 由主机驱动 除少数以外 工作程序一般是固定的 因此是专用的 工作程序一般是固定的 因此是专用的 n n 在国外 目前主要是搞第一类通用机械手 国外称为机器人 本设计在国外 目前主要是搞第
4、一类通用机械手 国外称为机器人 本设计 所做的机械手是属于第三类机械手 所做的机械手是属于第三类机械手 机械手的组成机械手的组成 机械手主要由执行机构 驱动机构和控制系机械手主要由执行机构 驱动机构和控制系 统三大部分组成 其组成及相互关系如下统三大部分组成 其组成及相互关系如下 驱动机构驱动机构 n n 驱动机构主要有四种 液压驱动 气压驱动 电力驱动和机械驱动 驱动机构主要有四种 液压驱动 气压驱动 电力驱动和机械驱动 其中以液压气动用的最多 占其中以液压气动用的最多 占90 90 以上 电动 机械驱动用的较少 以上 电动 机械驱动用的较少 n n 液压驱动的优点是压力高 体积小 出力大
5、运动平缓 可无级变速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 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 杂成本比较高 杂成本比较高 n n 气压驱动的优点是气源方便 维护简单 成本低 缺点是出力小 体气压驱动的优点是气源方便 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 点位控制 而且润滑性较差 气压系统容易生锈 n n 电力驱动的优点是动力源
6、简单 维护 使用方便 驱动机构和控制系电力驱动的优点是动力源简单 维护 使用方便 驱动机构和控制系 统可以采用统一形式的动力 出力比较大 缺点是控制响应速度比较统可以采用统一形式的动力 出力比较大 缺点是控制响应速度比较 慢 慢 n n 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 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 它的优点是动作确实可靠 速度高 成本低 缺点是不易调整 n n 综合分析 最后确定采用液压驱动 综合分析 最后确定采用液压驱动 机械手的应用意义机械手的应用意义 n n 1 1 以提高生
7、产过程中的自动化程度 以提高生产过程中的自动化程度 比如应用机械手有利于实现材料的 比如应用机械手有利于实现材料的 传送 工件的装卸 刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度 从而可传送 工件的装卸 刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度 从而可 以提高劳动生产率和降低生产成本 以提高劳动生产率和降低生产成本 n n 2 2 以改善劳动条件 避免人身事故 比如在高温 高压 低温 低压 有 以改善劳动条件 避免人身事故 比如在高温 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
8、接操作是有危险或根本不可能的 因此可以采用机械手 用人手直接操作是有危险或根本不可能的 因此可以采用机械手 n n 3 3 可以减轻人力 并便于有节奏的生产 可以减轻人力 并便于有节奏的生产 比如应用机械手可以连续的工 比如应用机械手可以连续的工 作 作 以减少人力和更准确的控制生产的节拍 便于有节奏的进行工作以减少人力和更准确的控制生产的节拍 便于有节奏的进行工作 生产 生产 n n 综上所述 有效的应用机械手 是发展机械工业的必然趋势 综上所述 有效的应用机械手 是发展机械工业的必然趋势 确定机械手的动作确定机械手的动作 n n 机械手原位机械手原位 机械手上升机械手上升 机械手前伸机械手
9、前伸 机械手抓取并夹紧机械手抓取并夹紧 机械手后退机械手后退 机械手机械手 下降下降 机械手左转机械手左转90 90 机械手前伸机械手前伸 机械机械 手松开手松开 机械手后退机械手后退 机械手右转机械手右转90 90 退退 至原位 至原位 机械手坐标形式选择机械手坐标形式选择 n n 上图中图上图中图a a为直角坐标式机械手 其占用空间大 工作范围小 惯性为直角坐标式机械手 其占用空间大 工作范围小 惯性 大 一般不多用 只有在自由度较少时才考虑用 大 一般不多用 只有在自由度较少时才考虑用 n n 图图b b为圆柱坐标式机械手 占用空间小 工作范围大 惯性大 结构为圆柱坐标式机械手 占用空间
10、小 工作范围大 惯性大 结构 简单 简单 n n 图图c c为球坐标式机械手 占用空间小 工作范围大 惯性小 所需动为球坐标式机械手 占用空间小 工作范围大 惯性小 所需动 力小 能抓取底面物体 力小 能抓取底面物体 n n 图图d d为多关节式机械手 占用空间小 工作范围大 惯性小 能抓多为多关节式机械手 占用空间小 工作范围大 惯性小 能抓多 空间物体 但多关节式结构复杂 所以也不多用 空间物体 但多关节式结构复杂 所以也不多用 n n 根据设计题目为平动型工业机械手 所以选择为圆柱坐标根据设计题目为平动型工业机械手 所以选择为圆柱坐标 式 而且平动不需要考虑腕部的回转 所以选择圆柱坐标式
11、 而且平动不需要考虑腕部的回转 所以选择圆柱坐标 式更合适 可以在最简单的结构下最合适的完成要求动作式更合适 可以在最简单的结构下最合适的完成要求动作 手抓的分析设计手抓的分析设计 n n 本设计采用为滑槽杠杆二指手抓本设计采用为滑槽杠杆二指手抓 原理图如下原理图如下 结论 结论 驱动力一定时 角增大 则握力也随之增大 但角过大会导致拉杆行程驱动力一定时 角增大 则握力也随之增大 但角过大会导致拉杆行程 过大 以及手部结构增大 因此最好过大 以及手部结构增大 因此最好 手抓的夹持范围计算手抓的夹持范围计算 n n 已知手抓张开角为已知手抓张开角为 手指长 手指长80mm 80mm 当手抓没有张
12、开角当手抓没有张开角 的时候 如的时候 如 图 图 a a 所示 根据机构设计 它的最小夹持半径 所示 根据机构设计 它的最小夹持半径 40mm 40mm 当张开时 当张开时 如图 如图 b b 所示 最大夹持半径计算如下 所示 最大夹持半径计算如下 机械手臂部的设计机械手臂部的设计 n n 手臂部件是机械手的主要握持部件 它的作用是支撑手部 包括工件手臂部件是机械手的主要握持部件 它的作用是支撑手部 包括工件 或工具 并带动它们作空间运动 手臂运动应该包括或工具 并带动它们作空间运动 手臂运动应该包括3 3个运动 伸个运动 伸 缩 回转和升降 缩 回转和升降 n n 臂部设计的基本要求臂部设
13、计的基本要求 n n 1 1 臂部应承载能力大 刚度好 自重轻臂部应承载能力大 刚度好 自重轻 n n 2 2 臂部运动速度要高 惯性要小臂部运动速度要高 惯性要小 n n 3 3 手臂动作应该灵活 手臂动作应该灵活 n n 总结 以上要求是相互制约的 应该综合考虑这些问题 只有这样 总结 以上要求是相互制约的 应该综合考虑这些问题 只有这样 才能设计出完美的 性能良好的机械手 才能设计出完美的 性能良好的机械手 通过综合分析比较 本设通过综合分析比较 本设 计选取双导杆伸缩机构 使用液压驱动计选取双导杆伸缩机构 使用液压驱动 液压缸选取双作用液压缸 液压缸选取双作用液压缸 伸缩液压缸驱动力计
14、算伸缩液压缸驱动力计算 n n 驱动力驱动力 n n 为摩擦阻力 手臂运动时 运动件表面的摩擦阻力 为摩擦阻力 手臂运动时 运动件表面的摩擦阻力 n n 为起动或者制动时活塞杆所受的平均惯性力 为起动或者制动时活塞杆所受的平均惯性力 n n 1 1 摩擦阻力计算 摩擦阻力计算 n n 如右图分析可得 如右图分析可得 n n 2 2 惯性力的计算 惯性力的计算 n n 本设计要求手臂平动为本设计要求手臂平动为 V 100mm sV 100mm s 在计算惯性力的时候 设置 在计算惯性力的时候 设置 起动时间为起动时间为 起动速度为起动速度为 n n 所以所以 液压缸内径计算液压缸内径计算 n n
15、 1 1 液压缸内部结构分析如图所示液压缸内部结构分析如图所示 n n 当油进入无杆腔当油进入无杆腔 n n 当油进入有杆腔当油进入有杆腔 n n 所以 所以 n n 取机械效率取机械效率 0 95 0 95 由标准液压缸系列选取由标准液压缸系列选取D 32mmD 32mm n n 2 2 由标准活塞杆直径系列初步确定活塞杆直径由标准活塞杆直径系列初步确定活塞杆直径d 12mmd 12mm 进行校核 进行校核 n n 设计中活塞杆取材料为碳刚 设计中活塞杆取材料为碳刚 取取 n n 所以得出结论 活塞杆拉压强度足够所以得出结论 活塞杆拉压强度足够 机身的分析设计机身的分析设计 n n 经过综合
16、考虑 本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构经过综合考虑 本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构 本设计机身包括两个运动 机身的回转和升降 回转机 本设计机身包括两个运动 机身的回转和升降 回转机 构置于升降缸之上的机身结构 手臂部件与回转缸的上端构置于升降缸之上的机身结构 手臂部件与回转缸的上端 盖连接 回转缸的动片与缸体连接 由缸体带动手臂回转盖连接 回转缸的动片与缸体连接 由缸体带动手臂回转 运动 回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的 活塞杆运动 回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的 活塞杆 采用空心 内装一花键套与花键轴配合 活塞升降由花键采用空心 内装一花键套与花键轴配合 活塞升降由花键 轴导向 花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定 下短盖轴导向 花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定 下短盖 与连接地面的底座固定 这样就固定了花键轴 也就通过与连接地面的底座固定 这样就固定了花键轴 也就通过 花键轴固定了活塞杆 这种结构是导向杆在内部 结构紧花键轴固定了活塞杆 这种结构是导向杆在内部 结构紧 凑 具体结构如下图所示 凑 具体结构如下图所示 机身升降机构的设计机身升降机构的设计 n n
