阔。
1.2 本课题研究内容 要求本设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。
所谓机电一体化,是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。
尽管机电一体化的产品名目繁多,并由于它们的功能不同而有不同的形式和复杂程度,但做功的机械本体部分(包括动力装置)和微点自控制部分(包括信息处理)是最基本的、必不可少的要素。
本设计要求完成以下工作: 1、 拟定整体方案,特别是控制方式与机械本体的有机结合的设计方案。
2、 根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部和臂部的结构。
3、 各部件的设计计算。
4、 机械手工作装配图的设计与绘制。
5、 液压系统图的设计与绘制。
6、 编写设计计算说明书。
2 机械手的总体设计2.1 工业机械手的组成 工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的,各部关系如图2.1所示。
图2.1 机械手的组成2.1.1 执行机构 1.手部 即直接与工件接触的部分,一般是回转型或平移型为回转型,因其结构简单)。
手爪多为两指(也有多指);根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可用负压式或真空式的空气吸盘(它主要用于吸取冷的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。
传力机构型式较多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
2.腕部 是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓物体的方位(即姿态)。
它可以有上下摆动,左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动。
如有特殊要求(将轴类零件放在顶尖上,将筒类、盘类零件卡在卡盘上等),手腕还可以有一个小距离的横移。
也有的工业机械手没有腕部自由度。
3.臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。
手部的作用是带动手指去抓取物体,并按预定要求将其搬到预定的位置。
手臂有三个自由度,可采用直角坐标(前后、上下、左右都是直线)圆柱坐标(前后、上下直线往复运动和左右旋转),球坐标(前后伸缩、上下摆动和左右旋转)和多关节(手臂能任意伸屈)四种方式。
直角坐标占空间大,工作范围小,惯性大,其优点是结构简单、刚度高,在自由度较少时使用。
圆柱坐标占空间较小,工作范围较大,但惯性也大,且不能抓取底面物体。
球坐标式和多关节式占用空间小,工作范围大,惯性小,所需动力小,能抓取底面物体,多关节还可以绕障碍物选择途径,但多关节式结构复杂,所以也不常用。
2.1.2 驱动机构 有气动、液动、电动和机械式四种形式。
气动式速度快,结构简单,成本低。
采用点位控制或机械挡块定位时,有较高的重复定位精度,但臂力一般在300N以下。
液动式的出力大,臂力可达 1000N 以上,且可用电液伺服机构,可实现连续控制,使工业机械手的用途和通用性更广,定位精度一般在 1mm 范围内。
目前常用的是气动和液动驱动方式。
电动式用于小型,机械式只用于动作简单的场合。
2.1.3 控制系统 有点动控制和连续控制两种方式。
大多数用插销板进行点位程序控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制,采用凸轮、磁带磁盘、穿孔卡等记录程序。
主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特征。
2.2 关节型机械手的主要技术参数 1.抓重: 300N 2.自由度: 4个 3.坐标形式:圆柱坐标 4.手臂运动参数 运动名称 符 号 行程范围 速 度 伸 缩 X 400mm 小于250mm/s 升 降 Z 300mm 小于70mm/s 回 转 ψ 0°210° 小于90 °/s 5.手腕参数 运动名称 符 号 行程范围 速 度 回 转 ω 0°180° 小于90 °/s 6.手指夹持范围:棒料,直径5070mm,长度4501200mm 7.定位方式:电位器设定,点位控制 8.驱动方式:液压(中、低压系统) 9.定位精度:±3mm 10.控制方式:可编程控制2.3 圆柱坐标式机械手运动简图 经过考虑,本设计的机械手设计成如下简图形式: 图 2.2 圆柱坐标式机械手 3 关节型机械手机械系统设计3.1 手部 手部(亦称抓取机构)是用来直接握持工件的部件,由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同,所以工业机械手的手部结构多种多样,大部分的手部结构是根据特定的工件要求而定的。
归结起来,常用的手部,按其握持工件的原理,大致可分成夹持和吸附两大类。
根据设计要求,这里只讨论夹钳式的手部结构。
夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的,它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性,可以抓取轴、盘、套类零件。
一般情况下,多采用两个手指。
驱动装置为传动机构提供动力,驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。
常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松。
平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,适于夹持平板、方料。
在夹持直径不同的圆棒时,不会引起中心位置的偏移。
但这种手指结构比较复杂、体积大,要求加工精度高。
根据设计要求,工件是圆盘,所以采用回转型手指,其张开和 闭合靠手指根部(以枢轴支点为中心)的回转运动来完成。
枢轴支点为一个的, 称为单支点回转型;为两个支点的,称为双支点回转型。
这种手指结构简单,形 状小巧,但夹持不同工件会产生夹持定位误差。
本设计要求抓取棒料,故采用夹钳式手部。
3.1.1 夹紧力的计算 手指加在工件上的夹紧力,是计算手部的主要依据。
必须对其大小、方向和 作用力进行分析、计算。
一般来说,夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以 及工件运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩),以及工件保持可靠的 夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按下式计算: 式中 K 1 ——安全系数,通常取 1.22.0 K 2 ——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。
可近似按下式估算 a K 2 1 g 其中 a—运载工件时重力方向的最大上升速度; g—重力加速度,g ≈ 9.8m/s 2 v max a t响 vmax ——运载工件时重力方向的最大上升速度; t 响 ——系统达到最高速度 的时间;根据设计参数选取。
一般取 0.030.5s。
K 3 ——方位系数,根据手指 与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。
G—被抓工件所受重力(N)。
3.1.2 夹紧缸驱动力计算 如图是液压夹紧装置。
手爪壳和缸壳连成一体,当压力油从液压缸右边油管进油时,活塞杆向左移动,推动手爪闭合;当压力油从液压缸左边进油时,拉动手爪张开。
缸的拉力(或推力)(N)为: F拉 (D 2 d 2)p 4 F推 D2 p 4 式中 D—活塞直径( m ) d ——活塞杆直径( m ) p ——驱动压力( Pa )。
图 3.1 液压缸驱动装置3.1.3 两支点回转型手指的夹持误差分析与计算 机械手能否准确夹持工件,把工件送到指定位置,不仅取决于机械手定位精度(由臂部和腕部等运动部件确定),而且也与手指的夹持误差有关。
特别是在多品种的中、小批量生产中,为了适应工件尺寸在一定范围内变化,避免差生手指夹持的定位误差,必须选用合理的手部机构参数,从而使夹持误差控制在较小的范围内。
图 3.2 两支点回转型手指 若把工件轴心位置 C 到手爪两支点连线的垂直距离 CD 以 X 表示,根据几何关系有: 对于两支点回转型手爪(尤其当 a 值较大时),偏转角 β 的大小不易按夹持误差最小的条件确定,主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时,两手爪的 BE和 B′E′边平行,抓不着工件。
为了避免上述情况,通常按手爪抓取工件的平均半径 ,以∠BCD90°为条件确定两支点回转型手爪的偏转角,即 β 为: -a) 工件平均半径 取手指 为 2 倍的工件平均半径 2 2×30mm60mm 取 V 型夹钳的夹角 2θ120°,取 a12mm 则 -
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