通用液压机械手的设计【四自由度】
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摘 要在现代的制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的自动化程度,同时中国各大城市的劳动力出现紧张的现象,工业机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用,其发展趋势十分迅猛。它的技术水平和应用程度反映了一个国家现代工业化的水平。目前,工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作,在某些复杂的装配生产中也逐步被采纳。通过对机械设计制造及其自动化专业大学所学知识,对机械手各部分机械结构和功能的了解和分析,设计了此液压传动机械手。本课题重点针对机械手的手部、腕部、臀部等各部分机械结构以及液压系统进行了详细的设计与计算。大致可分为机械手的总体设计、机身结构的设计、机械手手臂结构的设计、机械手腕部的结构设计、手部的结构设计、机械手驱动系统的设计以及液压系统的设计。本设计的机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,可代替人工机械手,在高温和危险的作业区进行作业,可抓取材料特殊的工件,并保证工件不变形损坏。关键词:手部,腕部,臂部,液压系统IVABSTRACTIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality,saving in labor. At the same time, with the phenomenon of labor force in Chinas cities appeared, industrial robot, as an important member of automation production line, gradually become enterprise is accepted and adopted, its development trend is very rapidly. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the job of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.Integrate the knowledge of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinder coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end device and the control system etc. including Total design, waists construction design, the arms construction design, the wrists construction design, the end devices construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. The design of the manipulator can be catch and put objects in space flexibility. It can also replace artificial to operate at high temperatures and dangerous areas and can grab weight larger artifacts, guaranteeing the work piece deformation damage.Key words: Manipulator ,Hand,Wrist ,Buttock,Hydraulic system目 录 第1章 绪论21.1工业机械手概述21.1.1机械手的应用性31.1.2机械手的先进性31.2设计目的41.3设计的内容及要求4第2章 机械手方案设计5第3章 机械手的机械结构设计73.1 手部设计73.1.1夹钳式手部设计的基本要求83.1.2夹钳式手部的典型结构83.1.3滑槽杠杆式手部的设计计算83.2腕部设计123.2.1腕部的结构形式123.2.2手腕驱动力矩的计算133.3臂部的结构163.3.1手臂直线运动机构163.3.2手臂伸缩运动163.3.3 导向装置173.3.4手臂的升降运动183.3.5手臂回转运动183.3.6手臂的设计计算19第4章 液压系统的设计244.1各种驱动系统特点244.2机械手驱动系统的选择原则244.3机械手液压系统原理介绍254.4液压系统简单计算274.5液压系统的性能验算294.5.1系统压力损失验算294.5.2系统总效率验算304.5.3系统发热升温验算31第5章 机械手的使用与维护325.1 液压系统的一般使用与维护335.2 一般技术安全事项33结 论34参考文献35致 谢36第1章 绪论机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取、移动工件功能的自动化装置。近年来,随着电子技术,特别是电子计算机的广泛应用,机器人的研制和生产已经成为高科技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好的实现机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的机械式工作,可以减轻人类的劳动强度,提高生产力。机械手越来越广泛的获得了应用,在机械行业中,它可用于零部件的组装,加工工件的搬运、装卸,特别是在自动化的数控机床、组合机床上使用更为频繁。把车床设备和机械手组成一个共同的机械加工制造单元,应用于中小批量生产,可以节省庞大的工件运输装置,结构紧凑且实用性较强。目前,我国的工业机器人技术应用的水平和国外相比还有一定的距离,应用规模和产业化水平低,技术还不够成熟,机械手的研究和开发直接关系到我国自动化生产水平的提高。因此,进行机械手的研究和设计是十分有意义1。 1.1工业机械手概述美国是最早研究机械手的国家。1954年由美国学者戴沃尔提出了关于工业机器人的相关概念,并且申请了专利。此项专利其中说:通过借助伺服技术,控制机器人的关节,然后利用人手,对机器人进行相关动作的示教,机器人完成其相关的动作,这个就是示教再现机器人。当今社会发明的机器人基本上都是采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。工业机械手是近几十年发展起来的,应用于自动化生产的一种高科技设备。工业机械手是工业机器人的一个重要组成部分。它的特点是:可通过编程来完成机械手各种预期的作业任务,在构造和性能上兼备人和机器各自的优点,充分体现了人的智能和适应性2。机械手现今有很多的种类,按适用范围可分为专用机械手和通用机械手;按驱动方式可以分为液压式、电动式、机械式机械手;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手主要由手部、运动机构、控制系统三大部分组成。手部是用于抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量和作业要求可以分为多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构是使手部完成转动(摆动)、移动或复合等各种运动来实现规定的动作,来改变被抓持物件的位置和姿势。控制系统是通过对机械手每个自由度电机的控制,来完成机械手特定的动作的。同时接收传感器反馈过来的信息,形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机等微控制芯片构成,通过对其编程实现所需要的功能3。1.1.1机械手的应用性1、有利于提高生产过程的自动化程度。应用机械手,可以提高草料的传送、工件的装卸以及机器的装配等自动化程度,因此可以提高劳动生产率,降低生产成本,实现共赢生产机械化和自动化的目的。2、有利于提高改善劳动条件、有效的使事故大大减小。在高温、低温、有放射性、噪声、臭味、以及其它毒性污染的工作空间狭窄等场所中,如果直接用手操作的话,非常的危险。但是如果应用机械手的话,在很大程度上地改善工人的相对劳动条件,也有利于提高生产率。并且在某些动作简单可是重复作业的机械式操作里面,要是用机械手代替人手进行工作,可以大大避免由于操作疲劳等原因造成的相关人身事故。3、有利于减少人力,便于生产有节奏的进行。应用机械手代替人工进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,另外由于机械手可以连续地工作,这是减少人力的另外一个侧面。因此,在目前的自动化机床和综合加工自动化生产线上几乎都设有机械手,以便于减少人力以及更准确地控制生产的节拍,使生产有节奏地进行4。1.1.2机械手的先进性机械工业发展的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的一个重要标志。因此,世界各国都把发展机械工业作为发展经济战略的重点之一。生产水平和科学技术的不断发展和进步带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为发展的重点。然而在机械工业中,许多加工、装配等生产还是不连续的。如果单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来,不仅费时费力而且效率也低,同时人的劳动强度也会非常大,有时还会出现失误甚至伤害。显然,这严重影响和制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一问题,它不存在重复的偶然失误,也能在一定程度上避免了人身事故。工业机械手在近代,是一项新的技术,而且快速成长,很短的时间里已成为现代机械制造生产体系里面的一个非常重要的一点,这种技术也逐渐发展成为一个新的学科机械手工程。机械手涉及到机械学、力学和电器液压技术、传感器技术、自动控制技术、还有计算机技术等诸多学科领域,是一门跨多学科技术5。 1.2设计目的毕业设计是学生完成专业教学计划的最后一个重要的实践性教学环节,通过毕业设计可以使学生在综合运用所学的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题进行的一次基本的训练。也对学生即将从事的工作和未来事业的开拓具有一定的意义。其主要目的:锻炼学生综合分析和解决本专业的一般技术问题的能力,巩固和深化学生的基本知识。锻炼学生树立正确的设计思想和设计构思以及创新思维的能力。掌握工程设计的一般程序规范和方法。锻炼学生使用技术资料、国家标准手册、图册工具进行设计计算,进行数据处理,编写技术文件等方面的工作能力。锻炼学生进行研究调查,面向生产,面向实际,向工人和技术人员学习的基本工作态度,工作作风和工作方法。 1.3设计的内容及要求 此次设计主要内容是基于液压系统的机械工业手的设计。主要分三个部分:机械部分、驱动部分、控制部分。本次设计的主要内容是机械部分和驱动部分。对于机械部分,主要是对机械手的手部、腕部、臂部和机身进行设计,通过对各个部分的受力分析,设计出符合参数要求的零部件。对于驱动系统,采用液压驱动系统,拟订液压系统方案,井对系统方案安全性可靠性进行论证。 此次设计的要求或技术指标:1. 采用圆柱坐标2. 具有4个以上自由度3. 机械手抓紧重量为5-30KG4. 手臂运动行程和速度 水平伸缩:500 mm,750 mm/s 升降:100mm,250mm/s 回转:220,110/s5. 定位采用点位控制,定位精度为1mm 第2章 机械手方案设计方案一:可以采用如图2.1所示结构的机械手: 1-机座 2-手臂升降液压缸 3-手臂回转液压缸 4-手臂伸缩液压缸 5-手腕回转液几缸 6-手部 图2.1 机械手简图该方案中机械手采用圆柱式坐标,其运动系包含两个直线运动和两个回转运动,即沿X轴方向的伸缩,沿Z轴方向的升降和绕X轴和Z轴的回转。此种设计的机械手占地面积小而且活动范围大,结构简单,井且能达到较高的定位精度。这种机械手主要部件由四个液压液压缸组成:手臂升降液压缸、手臂回转液压缸、手臂伸缩液压缸和手腕回转液压缸,如图2.1的机械简图所示。方案二:可以采用如图2.2的机械手: 1、机身 2、液压缸 3、手腕 4、手部 图2.2 机械手简图此方案采用全液压系统控制,实现4自由度的工作,实现方式也非常的简单,可以根据推程实现不同工况,这种机械手是由四大部分组成的,其中,机身部分可以旋转满足一个自由度,液压缸部分可以完成上下的运动,手腕部能够进行旋转,手指部分进行抓到工件,这种机械手可以是用液压来进行全部的操作,也可以是用电来进行控制,这种机械手的优点是,它的运行比较其他的而言可以进行一些比较高物件的加工,它的可选择范围也是很大的,面积也是非常的广,缺点或者不足之处是这个机械手不是很容易的去安装,当不要继续使用的时候也不好往下拆,而且这种机械手的造价一般也是比较的昂贵。一般情况下,我们的工厂或者企业里面用的不是特别的广泛。就是从以上的这些方面来看,它在运动轨迹方面不如第一个方案的简单一些,等驱动装置使用相对较多,维护相对困难一些。由此可见,选择第一种方案比较的合适一些。 第3章 机械手的机械结构设计 3.1 手部设计手部,一般是用来夹持工件的部件,因为被握持工件的尺寸大小、重量、材料性能、形状、表面状况等的不同,因此机械手的手部结构多种多样,多数手部结构都是由特定工件的要求来设计。大部分的手部,根据握持工件原理,可分为夹持及吸附两大类。夹持类一般有夹钳式,还有钩托式和弹簧式。吸附类的有气吸式和磁吸式。由于所设计的是通用型的机械手,因此对手部应具有通用性,能适应与不同的场合。因此,采用可更换的手部结构或组合式的手部结构,但是组合式的手部结构比较复杂。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,适用于夹持平板、放料。在夹持直径不同的圆棒时,不会引起中心位置的偏移。但是这种手指结构比较复杂、体积大,要求加工精度高。夹钳式的手部结构比较简单,是由手指、和驱动装置,传动机构三部分组成,它对于抓取多种形状的工件也有比较大的适应性,其中能够抓取轴、套类零件。运用行广泛,因此这里选用夹钳式手部结构进行设计6。3.1.1夹钳式手部设计的基本要求1.应具有适当的加紧力和驱动力,手指握力的大小要适宜,力量过大则动力消耗多,不经济,结构庞大,甚至会破坏工件。力量太小就夹持不住或者产生松动、脱落。在确定握力的时候,除了要考虑工件重量,还要考虑到传送或操作中产生的惯性力和振动,以此保证工件夹持的安全可靠。2.手指也有开闭的一些范围,手指要有一定的开闭角度V或开闭距离(对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离)S,以此来方便工件。3.尽量能够要保证加工精度,使工件有比较正确的位置。这对于方位要求的地方,比如有曲拐、凸轮轴等工件,在机床上安装的位置要求非常严格,所以机械手在手部夹持工件以后要保持一定的相对位置精度。4.要求结构必须紧揍、重量轻、效率高,需要在保证其强度前提下,尽量要结构紧凑、重量轻,以使手臂的重量减少。5.考虑通用性及特殊要求,普通下,手部一般是专用的,为了能够扩大使用范围,提高其通用化程度,以此来夹持不同尺寸和形状的工件、,一般采用手指可调办法。除此,还需要考虑是不是适应工作环境的特殊要求,例如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。3.1.2夹钳式手部的典型结构主要有以下几种结构形式: (1)回转型 有滑槽杠杆式、连杆杠杆式、内卡式、弹簧杠杆式等形式。 (2)移动型 移动型即手指相对支座作往复移动。 (3)平面平行移动型这里选用滑槽杠杆式3.1.3滑槽杠杆式手部的设计计算 一、驱动力的计算 1.手 2.销轴 3.拉杆 4.指座 图3.1 滑槽杠杆式手部受力分析如图为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上拉力为F,并通过销轴中心O点,两手指滑槽对销轴的反作用力为、 ,其力的方向垂直于滑槽中心线O1和O2并指向O点,和的延长线交O1O2于A及B,AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件,即1 Fx=0 得 ; Fy=0 得 (3.1) 销轴对手指的作用力为。手指握紧工件时所需要的力称为握力(即夹紧力),假想握力作用在手指与工件接触面的对称平面内,并且设两力的大小相等,方向相反,以表示。由于手指的力矩平衡条件,即得 (3.2) h=a/cos F= (3.3)式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离(mm) 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;由此可知,当驱动力F一定时,角增大则握力也增加,但角过大会导致拉杆行程过大,以及手指滑槽尺寸长度增大,使其结构加大,所以,一般=3040。这里取角=30 。此种手部的结构简单,动作灵活,手指开闭角大等特点。综合上面驱动力的计算方法,可以求出驱动力的大小。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F实际应按照下面公式计算,即4: (3.4)二、 夹紧缸的设计计算夹紧装置是使手指夹紧工件的动力装置,选用液压驱动,为单向作用缸,回程用弹簧驱动,手指夹紧工件时,手指对工件的夹紧力按下列公式计算1 F KKKG (3.5)式中 K安全指数,一般是最开始的设计规定,如1.22.0 K工件情况系数,由力的大小决定,通过计算运动,可以了解到K2, K 位置,通过工件大小可以确定 G-手部的作用对象本次设计的要求是: T响=0.05s所以 a=0.9m/s2 K2=1+=1.09 由此 K3=0.5 K1=1.6 G=30kg 则由3.5式得 所以夹紧力为 查表可得齿轮齿条传动的回转型夹钳手部驱动力计算公式为1 其中 b=120mm R=30mm由此可得 F计算=2558N而实际采用的驱动力要大于计算得出的数据。一般都要提到,这里规定0.850.9。即 =0.85实际的大小为3000N b-手到零件的长度 R-这个大圆的半径手指加紧工件时,此时便有弹力5 F= (3.6)式中 F弹簧由于弯曲的力 手部对于零件的系数 G-弹簧的切削模量 d为了使手指松开的复位弹簧直径 d=4mm; C为弹簧的旋绕比 C= (3.7) Z弹簧所有的数目由上可得 F=400N求夹紧缸的工作压力5 P=P实际+P弹+P封 (3.8)式中 P夹紧活塞上的机械载荷; P实际实现驱动力; P封密封处的工作压力,由摩擦力较工作阻力小计算得 p =1.06 P实际+P弹=3572.12N因为动力与其相等,所以由此可以确定液压缸的直径5:由 F实际= 根据要求来算 D= =0.040mm (3.9) 3.2腕部设计 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: 结构紧凑,重量尽量轻。 转动灵活,密封性要好。 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 要适应工作环境的需要。 此外,通往手腕液压缸的管道尽量从手臂内部通过,以便于手腕转动时管路不扭转和不外露,使外形整齐。3.2.1腕部的结构形式本机械手采用了回转液压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110。如下图所示为腕部的结构,定片与后盖,回转缸体和前盖都用螺钉和销子进行连接和定位,动片与手部的夹紧液压缸缸体用键连接。夹紧缸体也是指座固连成一体。当回转液压缸的两腔分别通入压力油时,驱动动片连同夹紧液压缸缸体和指座一同转动,便为手腕的回转运动。 图3.4 机械手的腕部结构3.2.2手腕驱动力矩的计算驱动手腕回转时的驱动力矩须克服手腕起动时所产生的惯性力矩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和由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所要的驱动力矩按下式计算1: (3.10)式中 驱动手腕转动的驱动力矩 惯性力矩 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 手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 图3.5 腕部回转力矩计算图摩擦阻力矩5 (3.11)式中 f轴承的摩擦系数,滚动轴承取f=0.010.02,滑动轴承取f=0.1; N1 、N2 轴承支承反力 (N); D1 、D2 轴承直径(m)由设计知 D1=0.035m D2=0.075m N1=800N N2=200N G1=294N e=0.020时 (3.12) 得 =2.15(N.m)工件重心引起的偏置力矩2 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,为零当 e=0.020,G1=294N时 =5.88 (Nm) 腕部启动时的惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度时,可用下式计算2 (3.13)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)一般取 0.050.3s J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量(kgm) 工件对手腕回转轴线的转动惯量 (kgm) 故 = 0.29(Nm) 考虑到驱动缸密封摩擦损失的因素,一般将M取大一些,可取2: (3.14)得 回转液压缸所产生的驱动力矩计算回转液压缸要产生的驱动力矩须大于总的阻力矩。下图是机械手的手腕回转液压缸,定片1与缸体2固定连接,动片3与转轴5固定连接,当a、b口分别进出油时,动片带动转轴回转,达到手腕回转目的。1-定片 2-缸体 3-动片 4-密封圈 5-转轴 图3.6回转缸简图 (3.15)式中 手腕回转时的总的阻力矩 p回转液压缸的工作压力 R缸体内孔半径 r输出轴半径 b动片宽度 3.3臂部的结构概述 臂部是机械手的主要执行部件,它的作用是支承手部和腕部,并且将被抓取的工件传送到给定位置和方位上,所以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。手臂回转和升降运动都是通过立柱进行实现。立柱进行横向移动的时候,手臂也进行的向移动。手臂的多种运动一般由驱动机构以及各种传动机构实现的,因此,它不仅仅承受被抓取工件的重量,还要承受着手部、手腕、以及手臂自身的重量。手臂的工作范围、结构、灵活性还有它抓重的大小以及定位精度等都可以直接影响机械手工作性能,所以它必须根据机械手的抓取重量、自由度数、运动形式、运动速度和其定位精度的要求来进行设计手臂的结构型式。而且设计时必须考虑到手臂受力情况、液压缸及导向装置的布置、内部管路和手腕的连接形式等因素8。所以设计臂部的时候应当注意以下几点要求: 刚度要大 为防止臂部在运动过程当中产生过大的变形,手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度通常比圆截面大;空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大很多。所以通常用钢管作臂杆及导向杆,用工字钢和槽钢作支承板。 导向性要好 避免手臂直线运动的时候,沿手臂的运动轴线发生相对运动,或是设置导向装置,设计方形、花键等形式的臂杆。 偏重力矩要小 偏重力矩指的是说臂部的重量对它支承回转轴所能够产生的静力矩。一般为能够提高运动速度,都要尽可能的减少臂部运动部分的重量,以此来减少偏重力矩和整个手臂对于回转轴的转动惯量。 运动平稳、定位精度高 由于臂部运动速度越高、重量越大,惯性力引起定位前的冲击也会越来越大,运动就会不平稳,定位精度也不够高。应尽量减少臂部的重量,使结构紧凑,同时要采取相应的缓冲措施10。3.3.1手臂直线运动机构机械手手臂的伸缩、升降都是属于直线运动,而实现手臂往复直线运动的机构形式较多,常用的都有活塞油(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。3.3.2手臂伸缩运动这里能够实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞液压缸。由于活塞液压缸的体积小、重量轻。由图所知为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕都是通过连接板安装在升降液压缸的上端,当双作用液压缸1的两腔分别通入压力油时,则推动活塞杆2(即手臂)都在作往复直线运动。导向杆3在导向套4内移动,为了防止手臂伸缩时的转动(并兼做手腕回转缸6及手部7的夹紧液压缸用的输油管道)。因为手臂的伸缩液压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,因此受力简单,传动平稳,结构紧凑。可以用在抓重大、行程较长的场合9。3.3.3 导向装置液压驱动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一定的相对转动,用来保证手指正确方向,而且使活塞杆可以不受较大弯曲力矩作用,以此来增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,应采用合适的导向装置。它一般要由手臂安装形式,具体的结构以及其抓取重量多种因素来确定,并且在结构设计和布局上也要减少运动部件的重量以及减少手臂对回转中心转动惯量。目前采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他导向装置,本此设计的机械手采用双导向杆。双导向杆配置是在手臂伸缩液压缸两侧,可以兼做手部和手腕油路的管道。对于一些伸缩行程很大的手臂,为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形,可以在导向杆尾部增设辅助支承架,也就是提高导向杆刚性11。如图所示,对于伸缩行程大的手臂,为了防止导向杆悬伸部分弯曲变形,可以在导向杆尾部增设辅助支承架,可以提高导向杆的刚性。如下图所示,在导向杆的尾端用支承架将两个导向杆连接起来,支承架两侧安装两个滚动轴承,当导向杆随同伸缩缸的活塞杆一起移动的时候时,支承架上的滚动轴承就在支承板的支承面上滚动。1-导向杆 2-滚动轴承 3-支撑板 4-支撑架 图3.7 双导向杆手臂结构3.3.4手臂的升降运动 如图3-8所示为手臂的升降运动机构。当升降缸上下两腔通压力油时,活塞杠4做上下运动,活塞缸体2固定在旋转轴上。由活塞杆带动套筒3做升降运动。其导向作用靠立柱的平键9实现。图中6为位置检测装置。1升降台 2缸体 3套筒 4活塞杆 5活塞 6固定立柱 7齿条 8平键 图3.8 手臂升降和回转机构图3.3.5手臂回转运动为了实现手臂回转运动的机构形式是多种多样的,通常有回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。本此设计的机械手采用齿条缸式臂回转机构,如图所示,回转运动是有齿条活塞杆8驱动齿轮,带动配油轴和缸体一起转动,并且通过缸体上的平键9带动外套一起转动实现手臂的回转。3.3.6手臂的设计计算 为了进行液压机械手的设计计算,可以进行伸缩液压缸、升降液压缸、回转液压缸的设计计算,解决臂部运动驱动力计算问题,结合上面有关臂部和机身的结构设计,最终确定出臂部和机身的结构。计算出臂部运动驱动力(包括力矩)时,必须把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作的时候,臂部所承受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。手臂水平伸缩缸的设计计算作水平伸缩在线运动液压缸的驱动力为手臂在做水平伸缩运动的时候,必须要克服摩擦阻力,包括了液压缸与活塞之间的摩擦阻力和导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等,而且要克服启动过程中的惯性力及加油背压等方面阻力13。其理论驱动力可按下式计算1: (3.16)估计参与手臂伸缩运动部件总重量,且重心位置距导向套前端面的距离为200mm。 的计算: 由于导向杆对称分布,导向杆受力均衡,则可以一个导向杆计算。 图3.9 导向杆 (3.17) 又 则 (3.18)其中 L重心距导向套前端距离,184.5mm a 导向套长度,300mm 当量摩擦系数,取=0.15的计算:当液压缸的工作压力小于 ,活塞杆直径为液压缸直径的一半,则活塞和活塞杆都采用O型密封圈,此时液压缸的密封阻力为7: (3.19) 计算:一般背压阻力较小,取0.05 的计算2: (3.20)式中 v由静止加速到常速的变化量t起动过程时间,一般取0.010.5s,取t=0.02s则 (3.21)得 =305.5N实际驱动力 式中 k安全系数,k=2; 传力机构机械效率,=0.8.确定液压缸的结构尺寸 图3.10 液压缸 液压缸内径的结构尺寸,如图,当进入无杆腔1 (3.22)当油进入有杆腔1 (3.23)液压缸的有效面积1:因此2 ,取D=63mm式中 F驱动力 液压缸的工作压力 d活塞杆直径 D液压缸内径 液压缸机械效率,在工程机械中用耐油橡胶可取0.95 液压缸臂厚计算此缸工作压力为,属低压,则缸筒臂厚采用薄壁计算公式5式中 液压缸内工作压力 d强度系数,无缝钢管=1 C计入管壁公差及侵蚀的附加厚度,一般圆整到标准臂厚值 D液压缸内径联接螺钉强度计算螺钉数目Z=4,工作载荷: (3.24)预紧力 则 查手册取螺纹直径,p=0.75,材料为35号钢的内六角螺钉。臂垂直升降运动驱动力的计算 手臂在作垂直运动时,除了要克服摩擦阻力和惯性力之外,还要克服臂部运动部件的重力,故其驱动力可按下式计算1: (3.25)其中 各支承处的摩擦力(N),f=0.16; 同上, 同上, G臂部运动部件及工件的总重量(N),490N; 上升时为正,下降时为负。则 (3.26)得出 F=727N 结构尺寸的确定缸内径计算2: ,取D=160mm根据强度要求,计算活塞杆直径d2: ,结构上,活塞杆内部装有花键及花键套,能实现导向作用,同时可使活塞杆在升降运动中传动平稳,且获得较大刚度。臂厚同伸缩缸一样,取联接螺钉强度计算:取螺钉数目Z=4,工作载荷1 则 查手册取,螺距P=0.75 材料为35号钢的内六角螺钉。臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应当根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。若轴承处的摩擦力忽略不计,则,在设计计算时,为了简化计算可以不计。可直接计入回转缸效率中5,则 ,取0.9 (3.27)式中 角速度变化量(rad/s) 启动过程时间,0.050.5s,取 手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量。经分析知, 当手臂完全伸出时,此时达到最大值,估算此时回转零件的重 心到转轴线的距离为=150mm,则 回转缸参数的计算5 (3.28)式中 D回转缸内径 d转轴直径 p回转缸工作压力 b动片宽度为减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度,选择动片宽度(即液压缸宽度)时,可选用5 ,这里取,且D=2d对于活塞、导向套筒和液压缸等的转动惯量都应当做详细计算,由于这些零件的重量较大或回转半径较大,对总的计算结果影响也很大,对于小零件则可以作为质点计算其转动惯量,对其质心转动惯量也可忽略不计。 第4章 液压系统的设计机械手的驱动系统,按照动力源一般分为液压、气压和电动三大类。有时也可以是这三种基本类型组成复合式的驱动系统。 4.1各种驱动系统特点 (1)液压驱动系统 由于液压技术是一种比较成熟的技术,它具有动力大、力惯量比大、快速响应高、能够实现直接驱动等一些特点,适用在承载能力大、惯量大和防爆环境中作业的机械手。 (2)气动驱动系统 拥有速度快、维修方便、系统结构简单、价格低等一系列特点,适用于中、小负载的系统,但是一般难于实现伺服控制,所以一般都用于程序控制的机械手。 (3)电动驱动系统 由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机以及配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉冲调制器)中广泛使用,这类驱动系统在机械手中被大量选用。 4.2机械手驱动系统的选择原则一般在设计机械手时,选择一类驱动系统,都是根据机械手的用途、作业的要求、机械手的性能规范、维护的复杂程度、运行的功耗、控制功能、性价比和现有条件等综合因素来考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上,综合各因素,论证其合理性、经济性、可行性及可靠性后进行最终选择。一般情况下机械手驱动系统的选择按如下原则:(1) 物料搬运用有限点位控制的程序控制机械手,重负载的可选用液压驱动系统,中等负载的可以选用电动驱动系统,轻负载的可选用气动驱动系统。 (2)用于点焊和弧焊及喷漆作业的机械手,要求具有任意点位和轨迹控制的功能,则可以采用伺服驱动系统,采用液压或电动伺服驱动系统才能满足要求,根据设计要求,本次设计中选用液压驱动系统8。 4.3机械手液压系统原理介绍 图4.1 机械手液压系统图 电磁铁的动作顺序表 4.4液压系统简单计算双作用单杆活塞液压缸 图4.2 双作用单杆活塞液压缸计算简图流量、驱动力的计算 当压力油输入无杆腔,使活塞以速度V1运动时所需输入液压缸的流量Q1为3 Q1 = DV1 (4.1)对于手臂伸缩液压缸:Q1=0.98cm/s, 对于手指夹紧液压缸:Q1=1.02 cm/s ,对于手臂升降液压缸:Q1=0.83 cm/s 液压缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上合成液压力P1即液压缸的驱动力为3: P1 = Dp1 (4.2)对于手臂伸缩液压缸:p1=196N, 对于手指夹紧液压缸:p1=126N ,对于手臂升降液压缸:p1=320N当压力油输入有杆腔,使活塞以速度V2运动时所需输入液压缸的流量Q2为3: Q2 = (D-d)V2 (4.3)对于手臂伸缩液压缸:Q1=0.87cm/s, 对于手指夹紧液压缸:Q1=0.96 cm/s ,对于手臂升降液压缸:Q1=0.72 cm/s 液压缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P2即液压缸的驱动力3: P2 = (D-d)p1 (4.4)对于手臂伸缩液压缸:p1=172N, 对于手指夹紧液压缸:p1=108N ,对于手臂升降液压缸:p1=305N 计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动时,作用在机械手活塞上的总机械载荷P为3 P = P工 + P导 + P封 + P惯 + P回其中 P工 为工作阻力 P导 导向装置处的摩擦阻力 P封 密封装置处的摩擦阻力 P惯 惯性阻力 P回 背压阻力 P = 83+125+66+80+208=562(N)液压缸内径的计算 液压缸工作时,作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡,即 P = P1(无杆腔) = P2 (有杆腔)液压缸(即活塞)的直径可由下式计算3 D = = 1.13 厘米 (无杆腔) (4.5)对于手臂伸缩液压缸:D=50mm, 对于手指夹紧液压缸:D=30mm ,对于手臂升降液压缸:D=80mm ,对于立柱横移液压缸:D = 40mm3 D = 厘米 (有杆腔) (4.6) (二)液压缸壁厚的计算: 依据材料力学薄壁筒公式,液压缸的壁厚可用下式计算9: 2.3机械手手臂结构的设计按照抓取工件的要求,车床上料机械手的手臂有三个自由度,及手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)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移。手臂的各种运动有气缸来实现。2.3.1机械手手臂设计要求机器人手臂的作用,是在一定的载荷和一定的速度下,实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时,要遵循下述原则;1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行;相互垂直的轴应尽可能相交于一点,这样可以使机器人运动学正逆运算简化,有利于机器人的控制。2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度,手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求,如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求,则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。3.为了提高机器人的运动速度与控制精度,应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下,尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料,通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前,在国外,也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高,抗振性好,比重小(其比重相当于钢的1/4,相当于铝合金的2/3),但是,其价格昂贵,且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题,故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下,减轻机器人手臂的重量。4.机器人各关节的轴承间隙要尽可能小,以减小机械间隙所造成的运动误差。因此,各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡,这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时,应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量,必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。6.机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块,以及驱动装置,传动机构及其它元件的安装。2.3.2设计具体采用方案机械手的垂直手臂(大臂)升降和水平手臂(小臂)的伸缩运动都为直线运动。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。考虑到搬运工件的重量较大,考虑加工工件的质量达30KG,属中型重量,同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性,安全性,对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑,两手臂的驱动均选择液压驱动方式,通过液压缸的直接驱动,液压缸既是驱动元件,又是执行运动件,不用再设计另外的执行件了;而且液压缸实现直线运动,控制简单,易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动力,因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的,关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点(在整体结构允许的情况下),再进行强度的较核。同时,因为控制和具体工作的要求,机械手的手臂的结构不能太大,若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度,是不能满足系统刚度要求的。因此,在设计时另外增设了导杆机构,小臂增设了两个导杆,与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式,尽量增加其刚度;大臂增设了四个导杆,成正四边形布置,为减小质量,各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆,能显著提高机械手的运动刚度和稳定性,比较好的解决了结构、稳定性的问题。2.4机械手腕部的结构设计机器人的手臂运动(包括腰座的回转运动),给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置,而安装在机器人手臂末端的手腕,则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端,它与机器人手臂配合运动,实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态,完成所需要的作业动作。2.4.1机器人手腕结构的设计要求1.机器人手腕的自由度数,应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多,各关节的运动角度愈大,则机器人腕部的灵活性愈高,机器人对对作业的适应能力也愈强。但是,自由度的增加,也必然会使腕部结构更复杂,机器人的控制更困难,成本也会增加。因此,手腕的自由度数,应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下,应使自由度数尽可能的少。一般的机器人手腕的自由度数为2至3个,有的需要更多的自由度,而有的机器人手腕不需要自由度,仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此,要具体问题具体分析,考虑机器人的多种布局,运动方案,选择满足要求的最简单的方案。2.机器人腕部安装在机器人手臂的末端,在设计机器人手腕时,应力求减少其重量和体积,结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量,腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上,而不采用直接驱动,并选用高强度的铝合金制造。3.机器人手腕要与末端执行器相联,因此,要有标准的联接法兰,结构上要便于装卸末端执行器。4.机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度,以保证力与运动的传递。5.要设有可靠的传动间隙调整机构,以减小空回间隙,提高传动精度。6.手腕各关节轴转动要有限位开关,并设置硬限位,以防止超限造成机械损坏。2.4.2设计具体采用方案通过对数控机床上下料作业的具体分析,考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求,在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性,为使机械手的结构尽量简单,降低控制的难度,本设计手腕不增加自由度,实践证明这是完全能满足作业要求的,3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕(手臂手爪联结梁)结构见图8。图8 车床上料机械手手指2.5机械手末端执行器(手爪)的结构设计2.5.1机械手末端执行器的设计要求机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多,以适应机器人的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。搬运用末端执行器是指各种夹持装置,用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置,用来进行相应的加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置,用来进行测量及检验作业。在设计机器人末端执行器时,应注意以下问题;1.机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现,就可以增加一种机器人新的应用场所。因此,根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器,将不断的扩大机器人的应用领域。2.机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此,要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3.机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂,甚至很难实现,例如,仿人的万能机器人灵巧手,至今尚未实用化。目前,能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。从工业实际应用出发,应着重开发各种专用的、高效率的机器人末端执行器,加之以末端执行器的快速更换装置,以实现机器人多种作业功能,而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。4.通用性和万能性是两个概念,万能性是指一机多能,而通用性是指有限的末端执行器,可适用于不同的机器人,这就要求末端执行器要有标准的机械接口(如法兰),使末端执行器实现标准化和积木化。5.机器人末端执行器要便于安装和维修,易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此,工业机器人执行机构的主流是电气式,其次是液压式和气压式(在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节)。2.5.2机器人夹持器的运动和驱动方式机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪,多为双指手爪。按手指的运动方式,可分为回转型和移动型,按夹持方式来分,有外夹式和内撑式两种。机器人夹持器(手爪)的驱动方式主要有三种1.气动驱动方式这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向,用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低,所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外,由于气体的可压缩性,使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性,这一点是抓取动作十分需要的。2.电动驱动方式电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪,一般采用直流伺服电机或步进电机,并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是,这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下,因为电机有可能产生火花和发热。3.液压驱动方式液压驱动系统传动刚度大,可实现连续位置控制。2.5.3机器人夹持器的典型结构1.楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开,来实现抓取工件。2.滑槽式手爪当活塞向前运动时,滑槽通过销子推动手爪合并,产生夹紧动作和夹紧力,当活塞向后运动时,手爪松开。这种手爪开合行程较大,适应抓取大小不同的物体。3.连杆杠杆式手爪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。通常与弹簧联合使用。4.齿轮齿条式手爪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。5.平行杠杆式手爪采用平行四边形机构,因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动,比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。2.5.4设计具体采用方案结合具体的工作情况,本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动,通过活塞杆端部齿条,中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为80-130mm来设计。手爪的具体结构形式如图9所示:图9 手爪的具体结构2.6机械手的机械传动机构的设计2.6.1工业机器人传动机构设计应注意的问题机器人是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构。除直接驱动型机器人以外,机器人各联杆及各关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机构进行驱动的。机器人所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传动部件直接影响着机器人的精度、稳定性和快速响应能力,因此,应设计和选择满足传动间隙小,精度高,低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、谐振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。在设计机器人的传动机构时要注意以下问题:1.为了提高机器人的运动速度及控制精度,要求机器人各运动部件的重量要轻,惯量要小。因此,机器人的传动机构要力求结构紧凑,重量轻,体积小。2.在传动链及运动副中要采用间隙调整机构,以减小反向空回所造成的运动误差。3.系统传动部件的静摩擦力应尽可能小,动摩擦力应是尽可能小的正斜率,若为负斜率则易产生爬行,精度降低,寿命减小。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。4.缩短传动链,提高传动与支承刚度,如用预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度;采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接,以减小中间传动机构;丝杠的支承设计采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。5.选用最佳传动比,以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量,尽可能提高加速能力。6.缩小反向死区误差,如采取消除传动间隙、减少支承变形等措施。7.适当的阻尼比,机械零件产生共振时,系统的阻尼越大,最大振幅就越小,且衰减越快;但大阻尼也会使系统的失动量和反转误差增大,稳态误差增大,精度降低。故在设计时要使传动机构的阻尼合适。2.6.2工业机器人常用的传动机构形式1.齿轮传动机构在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮,圆锥齿轮,谐波齿轮,摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。机器人系统中齿轮传动设计的一些问题齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求,其输入电动机为高转速,低转矩,而输出则为低转速,高转矩。故齿轮传动系统要有足够的刚度,还要求其转动惯量尽量小,以便在获得同一加速度时所需的转矩小,即在同一驱动功率时,其加速度响应最大。齿轮的啮合间隙会造成传动死区(失动量),若该死区是闭环系统中,则可能造成系统不稳定,常使系统产生低频振荡,因此要尽量采用齿侧间隙小,精度高的齿轮;为尽量降低制造成本,要采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙,从而提高传动精度和系统的稳定性。2.3 manipulator arm structure designAccording to the requirement, lathe to grab workpiece material arm has three degrees of freedom of the manipulator arm, and adjustable, turning around and drop (or pitch) movement.Turn and lifting movement of the arm is realized by pillar, column the lateral movement known as the shifting arm. Different campaigns have cylinder arm to realize. 2.3.1 manipulator arm design requirementsThe robotic arm role, it is in a certain load and a certain speed, realize the work required in robot in space sport. When designing the robotic arm, follow the following principles;1. Should as far as possible make the robotic arm each joint axis parallel; Perpendicular axis should as far as possible fellowship in a bit, so can make the robot kinematics inverse robot control simplifies, helps.2. The robotic arm structure size should satisfy the requirements of robots work space. Working space shapes and sizes and robot arm length, arm joint rotation range have close relationship. But the robotic arm end work space does not consider the space robot wrist gesture requirements, if robot wrist gesture to specific request, it can realize space arms ends to less than the above did not consider the wrist gesture work space.3. In order to improve the robot movement speed and control accuracy, should keep the robotic arm have enough under the condition of the strength and stiffness, as far as possible on the structure, material manage to reduce the weight of his arm. Strive to choose high intensity of lightweight materials, usually choose high-strength aluminum alloy manufacture a robotic arm. At present, in a foreign country, is also studying with carbon fiber composite materials manufacturing robot arm. Carbon fiber composite materials tensile strength, high ant-vibration sex good, small proportion (its proportion of 1/4 quite to steel, equivalent to aluminum alloy 2/3), but it is expensive, and in the performance stability and manufacturing complex shape workpiece exist problems of technology, it is not in application in practical production. At present more effective method is to use the finite element method for the optimization design of the robotic arm structure. The intensity and stiffness in ensuring the required under the weight of his arm, reduce the robot.4. The robot of each joint bearing clearance as small as possible, in order to reduce to mechanical clearance error motion caused. Therefore, the joints should have reliable operation, easy adjustment bearing clearance adjustment institutions.5. The robot arm relative to rotate the joints should as far as possible under the weight of the balance, the mechanical load and enhance decreases the response speed of the robotic arm movement is very favorable. In the design of robot arm, should as far as possible use in the robot of mechanical and electronic components and devices installed the weight of robotic arm to reduce weight, the unbalanced balancing mechanism when necessary to balance design remnants of unbalanced weight arm.6. The robotic arm on the structure to consider all the joints with certain limit switches and buffering mechanical set blocks, and driving device, transmission mechanism and other components installed.2.3.2 Design specific using schemeManipulator arm (arm) vertical lifting and level of arm (forearm) for linear motion telescopic movement. Linear motion realization is generally pneumatic transmission, hydraulic transmission and motor drive the ball screw to achieve. Considering the weight of carrying workpieces larger, consider the machining quality reaches the 30KG, belong to medium weight of the manipulator, and considering the stability of the dynamic performance and movement of the arm, the stiffness of safety, have higher demand. Comprehensive consideration, two arms driver all choose hydraulic drive mode, through hydraulic cylinder of direct drive, hydraulic cylinder is drive component and executive moving parts, and not to design another executive pieces; And the hydraulic cylinder realizing linear motion control simple, easy to realize the computer control.For hydraulic system can provide great motivation, so in driving force and structural strength are relatively easy to implement, and the key is manipulator of stability and stiffness of the sports meet. Therefore the arm hydraulic cylinder of design principle is the diameter of the cylinder made great point (in overall structures permission), then a nuclear strength.manipulator arm cannot too big, if only by increasing the hydraulic cylinder of cylinder size to increase stiffness, cannot satisfy the system is the rigidity requirement. Therefore, in the design of the additional guide-bar mechanism, forearm add two guide bar, and piston rod together constitute an equilateral triangle section form, try to increase its stiffness; Big arms add four guide bar, a positive quadrilateral layout, to reduce the quality, each guide bar adopts hollow structure. By adding a guide bar, can significantly improve the stability and stiffness of the manipulator movement, good solve structure, reliability problems. 2.4 structure design of robot wristRobot arm movement (including the waist of the seat, and gives the rotary motion) robot end actuators in its working space position, which the movement in the end of the installation of robotic arm, then gives the wrist robot end actuators in the motion of its working space gesture. CaoZuoJi robot wrist is the end of the robot, and the robotic arm with exercise, realize the end of installation of wrist of actuators space with movement trajectory posture, finish the homework action needed.2.4.1 The robot wrist structure design requirements1. Freedom of robot wrist readings, should according to assignments need to design. The more robot wrist freedom, the number of each joint Angle, the robot wrist the greater flexibility of the robot is higher, the adaptability also rightness homework more strong. However, the increase of freedom, also will make the wrist structure more complex, robot control more difficult, costs will increase. Therefore, the wrist of freedom, should according to actual operation degree is required to determine. In meet operational requirements of the premise, should make free degree as less. General robot wrist freedom for 2 to 3 degree, some needs more freedom, and some robot wrist dont need freedom, with only the movement by the arm and waist can achieve operational requirements of the task. Therefore, to the concrete analysis of multiple layouts, consider robot, sports scheme, choose the simplest satisfy the requirements of the plan.2. Robot wrist installed in the end of robot arm robot wrist, in the design, should strive to reduce the weight and volume to compact structure. In order to reduce the weight of robot wrist, wrist institutions drive sperating transmission. Wrist drive general installation in the arm, and do not adopt direct drive, and choose high-strength aluminum alloy manufacture.3. Robot wrist to and end actuators connected, accordingly, want to have the standard connection to facilitate the flange, structure of loading and unloading end actuators.4. Robot wrist institutions should have enough strength and stiffness, strength and movement to ensure the relay.5. To have reliable transmission gap adjusting mechanism, to minimize returned empty clearance, improve the transmission precision.6. The wrist of each joint axis rotation to limited a switch, and set limit to prevent hard out-of-gauge cause mechanical damage.2.4.2 design specific adopts planThrough the nc machine tools for feeding and unloading operations, considering the concrete analysis of concrete form CNC machine processing and manipulator up-down material operations in the specific requirements, and technological requirements of meet the system under the premise of improving safety and reliability of the structure of the manipulator, to make as far as possible simple, reduce the difficulty of the design and control of freedom, not to increase his wrist proved it is fully meet operational requirements of the three degrees of freedom, to realize the up-down material completely enough machine. Specific wrist (arms PAWS coupling beam) structure see figure 8.Figure 8 . Lathe feeding manipulator finger2.5 manipulator actuators (PAWS) structure designing2.5.1 manipulator actuator design requirementsRobot end actuator is installed on the robot wrist used for an operation or additional device homework. Robot end, many different kinds of actuators, in order to adapt to the different assignments and operation robot requirements. End actuators can be divided into move use, processing with with and measurement etc.Move use end actuators refers to all clamping device used to grab or adsorption transported objects.Processing with end actuators with gun, welding torch is milling cutter, grinding wheel, such as the robot machining tool, used for additional device corresponding processing work.With end actuator is measured with the additional head or sensors measuring device used to measuring and test operations.In design robot end actuators, should pay attention to the following questions;1. The robot end actuator is designed according to the operation requirement robot. A new terminal actuators occurrence, can increase a robotic new application places. Accordingly, according to the needs of the homework with people and create a new robot imagination, will continue at actuators expansion of the application field of robot.2. The weight of the robot end actuators to grab objects and the sum of weight and operating force the load force. The robot allow Therefore, request the end-effector actuators small volume, light weight, compact structure.3. The end-effector actuators with specificity is universal sexual paradox. Universal end actuators on the structure is complex, and even harder to achieve, for example, the universal humanoid multisensory dexterous robot hand yet practional utilization. At present, can be used to produce or those simple structure, universal sex not strong robot end actuators. Starting from the industrial application, should focus on the development of special, efficient robot end actuators, plus end actuators, in order to achieve the fast changing device of function, the robot is not advocated homework with a universal end actuators to complete variety of homework. Because this kind of everything the implementation of the structure is complex and expensive.4. Versatility and universal sex are two concepts, universal sex machine, and refers to the multi-energy refers to the end of generality, limited actuators, suitable for different robots, which requires the end actuators have standard machine interface (such as flange), make end actuators realizes standardization and blocks digestion.5. The end-effector actuators to facilitate installation and maintenance, easy to realize the computer control. Use computer control the most convenient is electric type actuator. Therefore, the industrial robot actuators mainstream is electric type, followed by the hydraulic and pneumatic type (in driving interface to increase electricity - liquid or electricity - air transform link).2.5.2 robot grippers sports and drive modeRobot grippers and machine hand claw. General industrial machine hand for double refers to how claws, PAWS. According to finger movement way, can be divided into back transformation and mobile type, press clamping way to points, within the clip type and supporting type two kinds.Robot grippers (PAWS) drive mode basically has 3 kinds1. Pneumatic drive mode this drive system is by electromagnetic valve to control the movement direction of the PAWS, with air regulator to adjust its movement speed. The pneumatic drive system of lower prices, so pneumatic grippers are widely used in industry. In addition, because gas compressibility, contentious hands-on claw grab motion has certain compliant sex, it is very need to grab action.2. Electric drive mode of electric drive PAWS application also more widely. The PAWS, generally USES the dc servo motor or stepping motor, and need to get enough gear reducer driving force and torque. Electric drive mode can realize the force PAWS with position control. But this cannot be used for driving way under the condition of a explosion-proof requirements, because motor may produce sparks and fever.3. Hydraulic drive mode hydraulic drive system transmission can achieve great stiffness.wherever continuous position control.2.5.3 The typical structure robot grippers1. Leveraged wedge PAWSUsing wedge block and levers to realize the pine, open PAWS, come to grab workpiece.2. Slide groove PAWSWhen the pistons forward movement, sliding channel through the pin PAWS merger, pushing produce clamping action and clamping force, when the pistons backward motion, PAWS loosen. This trip is larger, PAWS switching to grab different sizes of the object.3. Connecting rod leveraged PAWSThe PAWS in Detroit, connecting rod and leverage thrust PAWS produce clamped to relax) movement, because (the force-magnifying function, leverage the PAWS might produce larger clamping force. Usually use a combination of and the spring.4. Rack-and pinion type PAWSThe PAWS through the pistons pushing rack, rack driving gear rotating, produce the clamping PAWS with loosen action.5. Parallel leveraged PAWSAdopt parallelogram frame, so there is no need to guide can guarantee to keep the two fingers PAWS with parallel movement, the parallel rails than PAWS friction move to smaller.2.5.4 design specific adopts planCombined with concrete works, this design USES the connecting rod of lever PAWS. Driven by piston, piston rod ends move, the middle rack and rack is fan rack makes the fingers open or closed. The minimum opening finger by machining diameter to the setting. This design according to the workpiece diameter of 80-130mm to design. The concrete structure form PAWS shown as shown in figure 9:Figure 9 The specific structure PAWS2.6 manipulator mechanical transmission design2.6.1 industrial robot transmission mechanism design problems should be paid attention toRobot is by multistage league stem and joint space composed of multi-degree-of-freedom sports organization. In addition to direct drive robot, robot outside each league rod and exercise is of each joint by drive through all kinds of mechanical transmission mechanism driven. Robot adopted the transmission mechanism
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