仓储智能装卸装置的物品取送机构设计【含12张CAD图纸、说明书】
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开题报告课题名称仓储智能装卸装置的物品取送机构设计课题来源A.教师科研课题类型工程设计类1选题的背景及意义:在互联网经济及产业互联网化的趋势下,仓储物流业正迎来空前的发展机遇和全新的模式变化。智能化的自动化仓储模式正在飞速发展,货物的取送也随之要求着自动化、智能化。 随着互联网经济的崛起,物品取送机构中,机械手无疑是比较好的选择,作为现代物流中重要组成部分的机械手是货物在仓库搬运中的重要工具。机械手不仅可以提高产品的质量与产量,而且对保障人身安全,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。2研究内容拟解决的主要问题:1、选取机械手的坐标型式和自由度;2、设计出机械手的各执行机构,包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。3研究方法技术路线:1、查阅大量有关搬运机械手方面的书籍,积累经验以做出大体设计方案。2、参阅有关机械手设计的有关书籍,掌握一般工业搬运类机械手应该具备的一些部件和动力参数。3、向老师请教,咨询设计方面有可能出现的问题与解决方案,同时向导师征求自己方案的合理性与可行性。4、在导师的指导下,完成分部件的设计以及最终的总体设计。 4研究的总体安排和进度计划:第一周:确定题目第二周:收集翻阅相关资料第三周:整理资料,论证分析论文的可行性、实际性,将题目和大致范围确定下来,进行开题报告第四周:构筑论文的大纲第五-七周:根据资料,编写论文,对论文编写过程中发现的问题,和老师研究解决方案,进行完善。第八-九周:使用相应软件完成制图第十-十三周:完成论文的初稿,向指导老师寻求意见,优化论文的结构,查漏补缺,论文答辩5主要参考文献:1、许福玲、陈尧明,液压与气压传动-3版,北京:机械工业出版社,20072、李菊丽、何绍华,机械制造技术基础,北京:北京大学出版社,20133、孙桓、葛文杰,机械原理-8版,北京:高等教育出版社,20154、李瑞琴,机电一体化系统创新设计,北京:科学技术出版社,20055、黄其圣,精密机械设计,北京:机械工业出版社6、杨伯源,材料力学-1版,北京:机械工业出版社7、程光蕴,机械设计基础-4版,北京:高等教育出版社,20088、尹志强,机电一体化系统设计课程设计指导书,北京:机械工业大学出版社。9、李翠赟,理论力学,西南交通大学出版社,200610、陈国定、吴立言,机械设计-9版,北京:高等教育出版社,201311、陈立德,机械制造装备设计-2版,北京:高等教育出版社,200112、周骥平、林岗,机械制造自动化技术-3版,北京:机械工业出版社,201313、张启先编著,空间机构的分析与综合,上册,北京:机械工业出版社14、ClavelR .Delta,a fast robot wth parallel geometry. The18thInt. Symposium on in dustrial robots( ISIR),Sydney,Australia,1988,91-100.15、John J.Craig,Introduction to Robotics Mechanics and Control,Second Edition,Addison-Wesley,Reading,MA,1989. 指导教师意见: 指导教师签名: 年 月 日教研室意见:教研室主任签名: 年 月 日学院意见: 教学院长签名: 年 月 日摘要仓储方面的物品取送工作目前仍以人工操作为主体,对于日益增加的工作量来说,人工已经难以满足这方面的需求,急需设计一款用于物品取送的机构来代替人工进行繁重的工作,同时大大提高工作效率。运用所学知识,对仓储智能装卸装置的物品取送机构进行设计与分析,而机械手无疑是很好的取送机构,本文就是对于机械手的设计与分析,其中主要是对于机械手的各执行机构,包括:手爪、手腕、手臂等部件结构进行了详细的设计与分析。除了对机械手的结构进行设计分析外,还对它的驱动系统进行了分析、选择和设计。关键词 取送机构;机械手;结构设计;驱动系统AbstractWarehousing and collection of goods is still based on manual operations. For the ever-increasing workload, it is difficult for manpower to meet this demand. It is urgent to design a mechanism for the collection of goods to replace heavy labor. Work, while greatly improving work efficiency.Using the knowledge learned, design and analysis of the item picking and delivery mechanism of the warehousing intelligent loading and unloading device, and the robot is undoubtedly a good picking and delivery mechanism. This article is for the design and analysis of the robot, which is mainly for the implementing agencies of the robot. Including: Handle, wrist, arm and other parts of the structure of a detailed design and analysis. In addition to the design analysis of the manipulators structure, it also analyzes, selects, and designs its drive system.Keywords pickup agency robot structural design drive system28目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 设计背景11.2 设计意义11.3 机械手简介11.3.1 机械手介绍11.3.2 机械手构成11.3.3 机械手发展史21.3.4 机械手分类21.4 设计原则32 取送机械手结构设计方案52.1 取送机械手的总体设计52.1.1 取送机械手的结构类型52.1.2 选取方案62.2 关于取送机械手的腰座设计62.2.1设计要求62.2.2机械手腰座的最终设计方案72.3 关于取送机械手的手臂设计72.3.1设计要求72.3.2机械手手臂的最终设计方案82.4 关于取送机械手的手腕设计82.4.1设计要求82.4.2机械手手腕的最终设计方案82.5 关于取送机械手的手爪设计92.5.1设计要求92.5.2结构形式92.5.3机械手手爪的最终设计方案102.6 关于取送机械手的机械传动机构设计102.6.1常见的几种传动机构102.6.2机械手传动机构的最终设计方案123 机械手驱动系统设计方案143.1 机械手驱动系统的分类及特点143.1.1机械式驱动系统143.1.2液压式驱动系统143.1.3气压式驱动系统153.1.4电气式驱动系统163.2 机械手对驱动系统的基本要求183.3 机械手对驱动系统的取用原则183.4本次设计对驱动系统的选取194 理论设计计算204.1液压传动系统设计计算204.1.1确定液压系统基本方案204.1.3计算和选择液压元件224.2 电机选型有关参数计算234.2.1有关参数的计算234.2.2电机型号的选择24致谢27参考文献281 绪论1.1 设计背景最近这些年来,伴随着互联网的飞速发展,人们的消费方式也发生了改变,网购成为了一种风尚,这就给仓储物流方面带来了巨大的发展前景,为了顺应时代的潮流,避免被时代所淘汰,智能仓储应时而生。智能化的自动化仓储模式正在飞速发展,货物的取送也随之要求着自动化、智能化。随着互联网经济的崛起,物品取送机构中,机械手无疑是比较好的选择,作为现代物流中重要组成部分的机械手是货物在仓库物品取送中的重要工具。1.2 设计意义现阶段,国内的很多公司在仓储物流方面,装卸工件的工作仍由人工完成,此种方式劳动强度大、效率不高。为了以极小的的投入获取较多的工作成果,并适应现代自动化,根据相应的工作要求与流程,利用机器人技术,设计用一台用于物品取送的机械手代替人工工作,来获取最大利益。机械手工作不仅可以改善产品的质量和增加产品的产量,而且对保障人身安全,减小劳动强度,促进劳动生产效率的提高,减少消耗节约成本,有着重大意义。1.3 机械手简介1.3.1 机械手介绍在人们的日常生活中,科学技术的进展速度快得让人难以想象,机械手更是如此,机械手手臂与有人类的手臂不同之处就在于灵活、精度及耐力方面,它们在工作时可以做到比人工更精确,也可以日复一日、年复一年的重复着同一段动作。随着工业的大力发展,机械手臂必将应用到更多行业,机械手经过几十年的发展而形成的一种高科技自动生产设备,可以在不适于人工的环境下工作。机械手的获取动力的方式有四种,它们分别是液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动。只要将计算机程序控制技术运用到机械手当中便可实现自动化。1.3.2 机械手构成一个机械手要想做到智能自动化,它得做到对各个方面的设计,包括对机体结构、驱动系统及控制系统的设计。机械手手部的作用是抓取所需物品,由于物品的种类、形状等方面存在差异,也就设计出了很多种对应形式的手部,如夹着物品移动的、托着物品移动的、吸着物品移动的等。机械手的运动机构的作用是为手部抓取物品提供定位精度,调整手部的位置确保手部能够准确抓取到物品。机械手的运动机构具有一定的自由度,它们都是独立的运动方式,如手臂的前后直线运动、腰座的回转运动等。拥有6个自由度的机械手就可完成空间中所有的运动,想要抓取哪个物品就能抓到那个物品。虽然说自由度越多,机械手就可以完成越多的动作,但是自由度越多同时也就意味着这个机械手的结构形式越复杂,也就越难以制造,这就会增加机械手的制造成本,所以机械手的自由度应适当。控制系统的作用是对机械手的动作进行控制,使得它能够完成我们需要的动作,从而完成相应的工作。1.3.3 机械手发展史机械手最原始的表现形态就是大量用于工业当中的工业机器人,它的机械化与自动化可以让人摆脱繁重的工作量,能够取代人在恶劣的环境下进行工作,因此广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等行业。它是以古代机器人为基础而发展变革出来的,于20世纪中期开始便进行了关于机械手的研究,随着计算机技术方面取得了一个又一个的突破,它的发展前景也便利了机械手的发展。此外,工业生产当中对于大批量、大劳动量的生产作业的方式加速了自动化技术的发展,这也促使着机械手的更新换代。另一方面,高危行业也要求机械手代替人工进行对有害物质的处理工作。随着越来越多的不同的需求,机械手被运用到越来越多的领域当中,它的形式也越来越先进。1.3.4 机械手分类机械手有好多种,究竟根据什么标准来对它进行分类,至今还没有一个统一的标准,现在暂时根据下面几点来进行: 1、根据使用途径来进行划分(1)专用机械手这种机械手是依附于加工机床的,程序是固定好的,并且没有控制系统的。这种类型的机械手动作是比较少的,作业的对象只能是一种,构造不复杂,用起来可靠性是非常高的,并且价格还不高等等,在很多自动机床,自动生产线上使用。(2)通用机械手这种类型的机械手是具备自己的控制系统的,程序是可以进行变化的,在动作的时候,灵活性是非常好的。这种机械手按照用的地方不一样,它的动作顺序是可以进行变化的,并且控制部分也是独立的。通用机械手可以工作的地方是比较大的,定位的时候精度是非常高的,并且还通用,生产数量不多,经常要更换加工品种的,可以用它来进行。2、根据驱动办法不一样来进行划分(1)液压传动机械手这种机械手的动力部分就是液压的压力。主要的特征就是,可以对超过几百公斤的物料进行抓取,在进行传动的时候稳定性非常好,并且构造也很紧凑,工作起来非常灵活。不过,这种机械手对于密封性的要求是很高的,一旦有油漏出来,那么机械手的工作效果就没有那么好了,它是不能在温度很高,或者是很低的地方进行工作的。(2)气压机械手的动力来源就是压缩空气。它的好处是,介质到处都有,输出的力气不大,气动在工作的时候是非常快的,构造一点都不复杂,并且花销还比较少。不过,也有不好的地方,因为空气是可以进行压缩的,所以说它的稳定性是不怎么好的,冲击也是不小的,不过起源压力是比较小的,抓取的产品最多是三十公斤,一样的抓重条件下,它的体积是大于液压机械手的,在一些温度非常高,环境恶劣的地方,速度非常快,载荷比较小的时候可以拿来用。(3)机械传动机械手这种机械手是一种专用机械手,是安装在加工机床上的,它是通过工作机械将动力传送出去的。好处是工作的时候精度高,并且可靠性非常高,工作的时候频率是非常大的,不过不好的地方在于构造非常大,并且程序不能进行变更。正常只能进行上下料。(4)电力传动机械手这种机械手的结构是比较特别的,它里面是有电路的,这种机械手不需要安装转换装置,所以结构一点都不复杂。这种机械手工作的时候速度是非常快的,并且工作行程非常长,不管是维护,还是用起来都比较容易。这种机械手现在还比较少,不过市场前景不错。3、划分的时候根据控制办法来进行(1)点位控制在进行动作的时候,其实就是点跟点进行移动,只需要对点的地点进行控制,运动的轨迹是控制不了的。要想要对多一些的点进行控制,那么这样的话电气控制系统就比较复杂了。现在用的专用机械手,通用机械手控制都是这种。(2)连续轨迹控制这种轨迹的线路可以是任何一种不间断的曲线,它的特征是设定的点是没有限制的,所以的移动流程都是被控制的,它的运动是非常稳定,并且准确性是很高的,可以使用的地方是比较多的,不过电气控制系统非常复杂,这样的机械手在控制的时候一般都是用小型的计算机来实现的。1.4 设计原则对于此次的毕业设计,在进行设计之前,有一个指导原则是必要的。此次毕业设计的设计原则如下:1.必须以任务书所要求的具体设计要求为一切设计的前提,在此基础上再进行其他方面的补充设计。2.要满足所有要求的同时还得节约成本,因为本次设计是毕业设计,所以,将大学期间的所学到的知识尽可能多的综合运用到本次设计中,将会对所学知识有更深的认识与掌握。3.最后还得考虑到个人的能力水平以及时间安排,充分发挥自己的主观能动性,脚踏实地,实事求是的做好本次设计。2 取送机械手结构设计方案2.1 取送机械手的总体设计2.1.1 取送机械手的结构类型经过查阅资料得知,工业机械手的结构类型有很多,根据坐标的不一样分为四种,其结构形式与特点详细如下:1.圆柱坐标式结构机械手中运用最多的就是这种形式,它多用于取送和丈量物品。它的结构很简单,让人很容易有一个直观的认识,所占用的空间较小。它的可以做到的动作是两个直线方向的运动外加一个旋转运动。图2-1 圆柱坐标式结构图2.直角坐标式结构直角坐标式机械手通常都不是单独使用的,它一般都会与传送带结合起来使用。它手臂所做的上升和下降运动、向左和向右运动以及向前和向后运动是按照空间直角坐标系的方向进行运作的。其它可以做到的动作只有直线方向的运动。图2-2 直角坐标式结构图3.球坐标式结构球坐标式机械手的自由度多,而自由度多就意味着可以做到很多动作,所以此种机械手适用范围相当广阔。它可以做到的动作可以是一个旋转运动也可以是多个旋转运动,直线运动他也可以完成。图2-3 球坐标式结构图4.关节式结构关节式机械手的工作场合基本上都是接近机体的。它的结构形式类似于人手的肘关节,非常直观,也非常灵巧,可以完成很多工作。图2-4 关节式式结构图2.1.2 选取方案取送机械手虽然可以促进劳动生产率、节省生产成本并提高生产安全系数,但这是建立在选择或是设计出正确的取送机械手的基础上的,否则将会使工作更加复杂。根据本次设计需要,以及对于此取送机械手各种要求的综合考虑,需要在满足所有系统要求的基础上,我们需要做到尽可能精简的结构,以最小的代价而实现所需,并且还要有良好的可靠性。而本次设计的机械手要想实现对物品的取送,那么它至少得做到四个运动,包括手爪部位的旋转运动、臂部的旋转运动和臂部的上下和前后方向的直线运动。综合考虑这一切之后,可以知道机械手的自由度为4,结构类型选取为关节式坐标机械手,它的结构形式类似于人手的肘关节,结构简练且动作灵巧,可以完成多种运动,还可较准定位物品。2.2 关于取送机械手的腰座设计2.2.1设计要求取送机械手的腰座,也就是各类型机械手的旋转基座。作为机械手的基座和首个回转关节,它上面安装了机械手的运动部件,机械手的整体重量也需要它来承担。那么,设计取送机械手的腰座时,就要做到以下几点要求:1.为了确保机械手在工作过程中的稳定性,这就要求取送机械手的腰座的安装基面得足够大。2.机械手腰座上的各个机构部件材料及制造得合要求,它们的刚度和强度必须要符合可以承担整个机体重量的标准。3.机械手腰座上的各个机构部件的制造与安装精度必须达到要求,以确保机械手的运动精度和定位精度。4.机械手腰座要设计驱动装置为其提供动力,让其实现臂部的旋转运动。5.机械手腰座的结构要尽可能简单,还得设计相应的调整机构以便利各结构的安装和调整。腰部结构与手臂的结合点得有一个可靠的基准面,用于确保位置精度。2.2.2机械手腰座的最终设计方案机械手腰座部分要实现臂部的回转运动,为这个运动提供动力的方法有两种:一是电机通过减速机构实现驱动从而提供动力,二是通过摆动液压缸或液压马达实现驱动从而提供动力。当前来说第一种是比较主流的,这是由于这种方式的驱动形式可以控制得到一个比较高的精度,并且这种形式的结构也很紧密,相对比较精简,没有那么多多余的系统和元件等方面的设计。腰座作为取送机械手承重机构的同时还要完成臂部的回转运动,它在机械手当中担任着重要职责,它需要对机械手的运动精度负责,为了让机械手在运行之中可以保证较好的运动精度,选取第一种以电机来驱动的方式来实现腰座的回转运动无疑是最好的选择。而考虑到通常情况下电机是没有办法直接驱动的,还需要考虑到转速等方面的具体要求,考虑到齿轮传动过程中会出现无法摆脱的齿侧间隙这种情况,它会对传动的精度造成极大的负面作用,为了解决这些问题,综合对比之后决定,齿轮传动采用一级齿轮传动的形式,传动也取较大传动比,至少得大于100,而且齿轮的强度、硬度都得足够高,齿轮的制造精度也得足够高,这样做的话,将会使得传动过程中所形成的误差降到最小。腰座结构图如下所示:图2-5 腰座结构图2.3 关于取送机械手的手臂设计2.3.1设计要求取送机械手的手臂是用来将手爪移动到所需位置以及承载手爪抓取物品的最大重量和自身重量,它的设计要求如下:1.手臂应具有良好的承载能力,用于承载物品及自身重量,还要有良好的刚性,这样在抓取物品时才能有良好的平稳性和定位精度。2.手臂的结构应精简,这样可以使手臂运动灵活,同时节约成本,手臂的自身重量要轻,这可以让手臂具有良好的稳定性。3.手臂上各关节应设计调整机构用以调整间隙来减小误差。2.3.2机械手手臂的最终设计方案机械手手臂获取动力的方式有多种,如用电机驱动的方式提供动力、用液压驱动的方式提供动力等。为了让手臂运动得安全且平稳,将采用液压驱动的方式为手臂提供动力,以液压缸的直接驱动来实现此直线运动,简单易控。液压驱动的方式可以提供较大的驱动力,这就可以满足机械手在工作过程中的稳定性和刚度的要求。所以手臂液压缸的设计得以大的直径的缸为基础,慢慢进行强度的校核,此外还要考虑到不得影响整体结构。为了迎合具体工作的需求,手臂的结构应精巧紧凑,由于系统刚度的要求,单单一味地增大缸径是不行的,为了解决这个问题,所以设计底座时使用了双液压泵的结构,以此来增加刚度,同时对于机械手的运动刚度和平稳性也有明显的提高。在结构上,要做到精巧紧凑,为此参照了挖掘机的机构形式,在其基础上再进行一些特殊需求的修改,使其满足设计要求,设计的手臂结构如下:图2-6 手臂结构图2.4 关于取送机械手的手腕设计2.4.1设计要求手腕部件是用于连接手臂与手爪的中间部件,它的作用主要是调整手爪抓取物品时的方向与位置,让机械手更加灵活同时更加精准。此设计中的手腕是两个旋转运动中除去使臂部旋转的另一个使手爪旋转的部件。设计手腕时有很多需要考虑的地方:1.手腕用以连接手臂和手爪,为了确保两部分连接稳定,手腕的强度和刚度必须足够大。2.在满足要求的情况下,手腕的结构应简单紧凑,自身重量也要尽量轻巧,避免给手臂和腰座带来不必要的负重。3.设计相应的调整机构来减小由传动间隙所带来的误差。2.4.2机械手手腕的最终设计方案通过对机械手运行时的要求分析,同时考虑到提升安全性与可靠性(在实现硬性要求的基础上),也为了使机械手整体结构精简紧凑,本设计将小臂与手腕部分设计在一块,这样不仅可以降低机械手在工作中的控制难度,还可以减去一些不需要的结构,同时能够满足工作需求。此手腕结构如下:图2-7手腕结构图2.5 关于取送机械手的手爪设计2.5.1设计要求机械手的手爪起到的用途是抓取所需物品和运送它到指定位置的机构,它有着类似于人手的模样与效用,被安装在机械手手腕的前端。它的设计要求如下:1.手爪应具有足够大的夹紧力:除了物品的自身重量外,还需考虑到机械手在抓取和运送过程中惯性力以及过程中的晃动,为了确保物品不脱落和稳定到达位置,手爪的夹紧力必须得足够大。2.手爪的手指间应有合适的开闭角度:手爪手指打开的最大角度和闭合的最小角度为开闭角度,用以确保物品可以被成功抓取。3.手爪应具有足够的刚度与强度:足够的刚度与强度可以保证手爪在抓取物品的过程中不会出现折断或变形的情况发生。4.手爪的设计还需要考虑到被抓取物的形状特征,在此基础上加以设计来满足其他方面的要求。5.手爪应设计得尽可能精简,这样不仅节约成本,还有利于装卸与维护。6.手爪的驱动装置得有足够的驱动力。2.5.2结构形式机械手手爪的形式一般分为以下几种:1.平行杠杆式此种乃是采取的平行四边形结构,所以很容易就可以确保手爪的平行运动,其产生的摩擦力也相对较小。2.楔块杠杆式此种类型的手爪是应用楔块和杠杆之间的配合来实现手爪的张开与闭合,从达到抓取与放开物品的要求。3.齿轮齿条式此种类型的手爪是利用活塞的运动来提供一个推动力来使齿条运动起来,让运动的齿条来带动齿轮进行旋转运动,以实现让手爪取送物品的目标。4.滑槽式此种类型的手爪是利用活塞的前后运动来提供动力,从而使滑槽中的销子来带动手爪的开合。因为此手爪的开合大,比较适合抓取不同体积的物品。5.连杆杠杆式此种类型的手爪是运用活塞的推动产生的动力来使手爪的开合。此种形式通常与弹簧一起使用以此来平衡杠杆带来的较大的夹紧力。2.5.3机械手手爪的最终设计方案联系此次设计的具体需求,将几种结构形式的手爪进行对比后得出最适方案,本次设计的机械手手爪将设计成连杆杠杆式的手爪,通过运用活塞的推动产生的动力来控制手爪的开合,从而实现抓取物品的功用。手爪的开闭角度由手爪所抓取的物品决定,本次设计为仓储智能装卸装置的物品,所以按照物品直径为300mm600mm来设计。此手爪的结构如下所示:图2-8手爪结构图2.6 关于取送机械手的机械传动机构设计2.6.1常见的几种传动机构1. 谐波齿轮传动机构谐波齿轮传动机构是一种特殊的新式传动机构,它与其他传动机构的不同之处在于它是利用弹性变形运动来达到传动的目的,它一改以往传统的采用构件模式,使用柔性构件来替代刚性构件来实现机械传动,从而获得了一系列其他传动所难以达到的特殊效用。它的优点有:(1)结构简单,零件少,体积小,重量轻(2)传动比大,传动比范围广(3)由于同时啮合的齿数多,齿面相对滑动速度低,使其承载能力高,传动平稳且精度高,噪声低(4)传动效率较高,且在传动比很大的情况下,仍具有较高的效率(5)同轴性好等因为谐波传动所具有的与众不同的优点,多年来,很多领域都对其进行了利用。国内外的运用实践显示,无论是用于高精度方面的精密谐波传动,还是用于传递扭矩的动力谐波传动,都表现得十分出色;谐波传动优于其他传动方式的地方主要在于它可以用于工作环境比较恶劣的情况下。2.齿轮传动机构齿轮传动种类繁多并且普遍应用于大多行业当中。它的主要优点有:结构紧凑;工作可靠、寿命长;传动比稳定等。齿轮传动的缺点就在于它的齿轮会产生不同形式的失效形式,它们大致包含齿轮折断和齿面磨损、点蚀、胶合及塑性变形等。为了让齿轮摆脱上述几种失效形式,可以采取一些措施解决这些问题,如选取合适的材料来制造齿轮,并事先将主、从动轮进行磨合,或者选用适合的润滑剂进行润滑等。齿轮材料的选取也得满足以下几个条件:(1)齿轮材料的选取得以达到在工作中的各项要求为基础(2)应考虑齿轮尺寸的大小是否得当、毛坯成形方法是否合适及热处理和制造工艺是否是最优选择项,能否达到要求(3)齿面要硬、齿心要韧(4)经济实惠3.链传动机构链传动是一种挠性传动,它的结构如图4所示,是链条与链轮的结合,它的工作方式是经由链条和链轮之间的啮合来传送运动和动力,被较为普遍的应用在现代机械当中。链传动与带传动两相比较,带传动时带需张得很紧,而链传动时链条却不必如此,因此,作用于轴上的径向压力就没带传动那么大;链传动比带传动的结构更加精简,制造成本也就更低;而且,链传动可以在较为苛刻的要求下工作。使用链传动比起使用齿轮传动可以节约较大成本,因为它对于制造精度的要求没有齿轮传动那般严苛,就使得它的制造成本较少。当传动的距离较大时,使用齿轮传动会增加额外的成本,因为传动距离较大时,齿轮传动的结构就得设计得复杂以完成工作需求。链传动多用于传动距离较大,对于工作可靠性有较高要求,或是工作条件比较苛刻的地方。 图2-9链传动简图4.带传动机构带传动也是一种挠性传动,它主要由带轮和传动带构成。它的运动原理如图5所示:当主动带轮1提供动力最先转动时,带轮和带之间就会产生摩擦或者形成啮合现象,将运动和和动力通过传动带3传递给从动带轮2。带传动的优点为结构简单,一目了然、在传动过程中可以保持非常好的稳定性、价格比较合理公道等,因为这些优点,它也被普遍应用于近代机械当中。图2-10带传动运动示意图5.螺旋传动机构螺旋传动的工作原理是通过操纵由螺母和螺杆组成的螺旋副来完成传动的。它可以完成很多工作,但是它最普遍也是最特殊、有别于其他传动的作用就是可以实现对回转运动的转化,将其转变为另一种形式的运动-直线运动,在此转变过程中还能保持对力与运动的传送。螺旋传动的种类众多,按其用途不同,可分为以下三种类型:(1)传力螺旋。 顾名思义,它的作用就是传递动力。(2)传导螺旋。它的主要作用是传递运动,也不时用于对轴向载荷的承载工作。(3)调整螺旋。它用以调整、固定零件的相对位置。2.6.2机械手传动机构的最终设计方案结合先前对执行机构的设计,由于手臂部分将液压缸直接设计在其上为其提供动力,因此,它既可算是为机械手提供动力的元件,又可当做是机械手的一个关节,那么它就不需要再进行其他中间传动机构的设计,这样设计还有其他的好处,它不单单是将手臂的结构进行了单纯的简化,它还保留原有的工作需求,这样精简的结构还意味着成本的减少。对于机械手腰座部分,它的回转运动是由步进电机来提供动力的,难以控制它的运动速度,所以就必须得设计相应的传动机构来增大扭矩和控速。通过查阅资料,相较之下,选取圆柱齿轮传动机构最为合适。考虑到要尽可能减小传动过程中的产生的误差,增加扭矩,同时也要确保较高的精度,还要适当地降低电机的转速,来使得机械手在运行过程中可以保持一个平稳的运动状态。经过查阅资料得知,这里的齿轮传动就只有采用较大传动比,至少大于100的一级齿轮传动才能达到要求。另外,此处齿轮的材料还得是高强度、高硬度的,其制造精度也必须极高。最后,手爪部分,为了能够抓取较重的物品,此处也采用液压驱动,也就无需再设计此部分的传动机构。3 机械手驱动系统设计方案3.1 机械手驱动系统的分类及特点机械手驱动系统的选择一般只有四种,它们分别是机械式驱动系统、液压式驱动系统、气动式驱动系统和电气式驱动系统。对于它们各自的适用范围和特点在下文有比较全面的介绍。3.1.1机械式驱动系统机械式驱动系统只用在特定的场合。它一般用于完成固定的动作,而完成这些固定的动作主要是靠凸轮连杆机构。其特点是动作确实可靠,工作速度高,成本低,但存在重量大、动作平滑性差、噪声大和不易于调整的缺点。3.1.2液压式驱动系统液压驱动系统是一个完整的系统,它一般由多部分构成,如油泵、液压缸等,它的作用是为各个机构提供动力。液压驱动系统可以提供相当大的动力可以让机械手拥有超强的抓取能力。液压驱动的优点可以表现为以下几个方面:1.结构精简,不仅表现直观,还节约成本。2.运动平稳,它可以让机械手在运行过程中保持安稳。3.抗冲击,它本身的韧性十分高,使得它可以承受较大的冲击力。4.防爆,因为其特殊的结构与超强的刚度,可以防止爆炸发生。它的缺点是它有可能出现漏油现象,从而给环境带来危害,并且在高温或低温环境下难以工作。液压驱动系统是从世界上第一台机器人的诞生时便在使用并延续至今,如今更是广泛应用于工业机器人行业。现在,虽然电机驱动系统在市场中占有较大比重,但它主要占据着中小型载荷的机器这部分市场,而液压驱动系统在大型高负荷机器市场中仍是主导地位。液压驱动系统在机械手中的作用除了给运动件提供动力外,还起到放大控制信号的功率的作用,这样就可以对机械手中液压驱动的这部分执行机构进行准确控制,从而实现对机械手运动动作的控制,让其完成规定动作。机械手的液压驱动系统的控制方式可以分为程序控制和伺服控制这两种。1.程序控制的液压驱动系统本次设计的这种只用于取送物品的机械手,要想对液压系统实现有效的控制,通常需要将计算机程序应用其中。这类液压系统在设计时需要考虑到以下几点要求:(1)密封性设计:液压缸的密封性必须得达到要求,在此基础上,密封件的选择要以减小摩擦为目标,来延长液压缸的使用年限。(2)定位点的缓冲与制动:在定点前设计必要的缓冲机构可以有效解决手臂运动过程中的运动惯量过大的问题。(3)设计相应的保护回路以保障安全,从而延续液压缸的使用年限。(4)有需要时得设计相应的蓄能器以备不时只需。2.伺服控制的液压驱动系统电-液伺服驱动系统的适用范围十分宽泛,但通常情况下它主要应用于具备点位控制或是连续轨迹控制的机械手当中。它的阀类元件不仅可以有效的实现电液信号的转换,还可以将信号的功率进行放大。根据结构设计的需要,电-液伺服马达和电-液伺服液压缸可以设计成分离式的,也可以设计成一体式的,用以应对不同的情况。分离式的结构较为复杂,设计时连接部分尽可能短,但也不要影响使用性能。在机械手的伺服控制的液压驱动系统中,常用的电-液伺服控制的液压驱动系统的动力机构是电-液伺服液压缸和电-液伺服摆动马达或电-液步进马达。液压回转执行器是很特殊的伺服机构,它的特殊之处就在于可以实现直接驱动。当它安装在机械手手臂和手腕的关节上时,就与机械手手臂和手腕形成了一个整体,它既可算是为机械手提供动力的元件,又可当做是机械手的一个关节。3.1.3气压式驱动系统气压式驱动系统一般由气缸、气阀、气罐和空压机构成,它的基本原理与液压式相同,但传递介质是空气。它的优点有:1.气源方便,空气轻易就可获得,成本小。2.动作迅速,由于传递的是空气,它的密度小容易传送。3.结构简单,不仅便于装卸、维修,还节省了制造成本。虽然它的优点很多,但也掩盖不了它的缺点:1.稳定性差,空气的可压缩性导致工作不稳定。2.抓取能力弱,气动的气压太小,动力也就小。3.由于它工作时存在不稳定隐患,它的速度也就很难加以控制。气动机械手的动力源压缩空气,此类机械手的工作场所通常都建有一个或多个压缩空气站,也可以在机械手上直接设计一个小型的气源系统为其提供动力。因为它的气源可以轻松获得,所以它通常被大量用于所需抓取力不太大,劳动量庞大或是不适合人工的恶劣条件的场合。气动驱动系统主要应用是在中、小型机械手中,它的用途是为机械手完成对两点式或有限点位控制的工作。这类机械手的结构通常是圆柱坐标结构或是直角坐标结构,又或是这两者组合而成的新型坐标结构。可编程序控制器作为在市场上占主导地位的控制装置也是应用其中。气动驱动系统包含气源、气动三联件、气动阀、气动执行机构、制动器和限位器,下面是对它们各自的作用、组成等方面的介绍:1.气源 机械手工作场所的总的压缩空气站或与机械手设计为一体的小型的气源机构提供压缩空气。一个完整的气源系统包含的机构有空气压缩机、储气罐等。2.气动三联件 包括分水滤气器,调压器,油雾器这三部分,一般情况下三者是组装起来使用的,也可以分开使用,但应用较少。油雾器可能在某些情况下可以不用,但最好还是运用起来,它可以起到减少摩擦,延长机械使用年限的作用。3.气动阀 气动驱动系统中,由于它多种多样,也使得它应用广泛,如减压阀用以减小压力,节流调速阀用于调节速率等等。4.气动执行机构 这部分常常用气缸作为执行机构。直线气缸有单动式和双动式两种形式,双动式气缸应用较为广泛,很多场合都有涉及,而单动式气缸用的很少,它用于少数特定的场合。气缸最基本的作用便是为机器提供动力,但它还有一些其他的作用,如对运动部件的速度进行缓冲的作用等。根据机械手的具体需要来选取和设计相应的气缸,切不可随意套用,拿来主义不可取。由橡胶和氟化塑料结合而成的密封环可以很好的保证气缸的气密性,还可以有效减小运行过程中所产生的摩擦力。现已研究出感应式气缸,就是将磁感应技术加以利用,运用其中,可以用于对位置的检测工作。除了直线气缸,就属摆动气缸在机械手的市场中所占的比重最大。5.制动器 由于气动机械手对于精确定位定点的制动有很高的要求,制动器对于机械手的作用也就不言而喻了。对于大流量的电磁气阀,就要求它的两个停点之间距离较大,这样可以形成一个缓冲时间,减小摩擦力,从而延长使用寿命。而对于小流量的电磁气阀来说,它在制动过程中产生的摩擦力较小,就要求它的两停点间距离尽可能小,只要保证气缸的正常工作就行。定点数的多少也决定着制动效果的好坏,而多位置制动、反压制动和制动装置制动是增加定点数较为有效的制动方式。6.限位器 限位器的作用就在于当各运动部件到指定定位点时发出信号。对于检测位置而言,感应式气缸用得最多,它可以不需要接触部件仅凭电磁感应就可精准定位,是一种很理想的检测装置。常见的限位方式是利用气缸中的锁紧机构将机械手的运动部件进行锁定,这种方式的锁定在机械再次运行时需首先解锁,否则会造成部件的损坏。3.1.4电气式驱动系统如今市面上机械手用的最多的驱动系统就是电气式驱动系统。一开始的时候,机械手多用步进电机进行驱动,经过研究,又发明了直流伺服电机,并再以此为基础进行改进,最后研究出了交流伺服电机。这种驱动系统可以对机构部件进行直接驱动,不过这种驱动方式所获得的动力很大,很难调控,通常会设计减速装置降速后再进行驱动。对于某些有特殊要求的机械手也可直接驱动,省去了减速装置后结构就变得简单很多。这种驱动方式的优点也很多:1.电源方便,随着电力行业的飞速发展,电源获取十分轻松且价格十分便宜。2.响应快,此种驱动系统十分灵敏,启动迅速,执行效率高。3.所能提供的动力较大,由于它是电机驱动,可以获得较大的驱动力,而大的驱动力又可转变成大的动力。4.对于信号的检测、传递和处理有着天然的优势。这么多年来,伴随着多个领域对机械化、自动化的迫切需求,这加大了对驱动系统更新换代的研究投入,使得一个接一个跨革命的驱动系统的诞生。电机驱动在市场上占有较大比重,承重不超过一百公斤的机械手基本都使用这种驱动方式。伺服电动机与其他好多机构相组合,可以形成多种伺服电动机驱动单元,用于各种不同需要的场合。国外电气式驱动系统的发展已进入更深层次,他们的系统已经可以做到结合多级旋转变压器实现直接驱动,关键的是它还可以让机械手具有较高的传动精度,从而准确定位并工作。1.机械手驱动系统电机的选择对于机械手的驱动系统电机的选择问题,要结合机械手的特点、使用范围等多个方面进行分析,并结合各种电机的适用范围、特征等方面,进行多方面比对考虑,从而选取最适合的一种电机,而非驱动力最大或是其他单一方面表现较好的电机。选好电机的种类之后,还得根据机械手要求的电机所要达到的转速、额定功率等参数选择相应的电机型号。电动机的分类多种多样,而用于机械手驱动系统方面的电动机有六种,它们各自的信息如下表3-1所示:表3-1 各驱动器信息表名称特点及机能适用范围结构特征驱动器同步交流伺服电动机电机的转速与旋转磁场同步;不论低速还是高速,定子绕组都可通较大电流,转矩不受影响适用于中小容量的伺服驱动系统转子由永久磁铁做成,定子有三相,转子比较细交流脉冲宽度调制变频调速器异步交流伺服电动机电机转速始终小于旋转磁场,结构精简,容量大,实惠适用于容量大的场合定子由对称三相绕组组成交流脉冲宽度调制变频调速器小惯量永磁直流伺服电动机电机的转动惯量小,理论加速度大,反应迅速,低速性好,调速比范围大,但低速时输出力矩小。适用于要求反应迅速而负载力矩小的场合转子直径小,惯量小直流脉冲宽度调制伺服驱动器SCR变压驱动器大惯量永磁直流伺服电动机输出力矩大,转矩波动小,机体硬度高,磨合性较高适用于驱动力矩较大的场合转子较粗直流脉冲宽度调制伺服驱动器,SCR变压驱动器有刷绕组永磁直流伺服电动机转动惯量小,反应灵敏;转子无铁损,效率高;换向性好,使用寿命长;输出力矩稳定。适用于可频繁起制动、正反转工作,响应迅速的场合 无铁心,具有轴向平面间隙直流脉冲宽度调制伺服驱动器,SCR变压驱动器反应式步进电机可将电脉冲信号直接转换成步距角,输出力矩较大适用于数字系统中作为执行元件定子和转子均由软磁材料制成,由永磁体构成转子磁极直流脉冲宽度调制伺服驱动器SCR变压驱动器2.机械手电动驱动系统伺服驱动器(1)直流电机伺服驱动器直流伺服电机驱动器一般为直流脉冲宽度调制伺服驱动器,它的电源电压虽然是恒定不变的,但是电机的转速却是可以改变的,只要对电路加以控制就可改变电路中脉冲的宽度,从而更改电机电枢两侧的平均电压,以此来调节电机的转速。脉冲宽度调制伺服驱动器有着调速范围宽泛、低速性好,反应灵敏、工作效率高等优点。目前已广泛应用于各类数控机床、工业机器人及其它机电一体化产品中用做直流伺服电机的驱动。(2)步进电机驱动器步进电机驱动器的作用是将接收到的脉冲信号转变为步距角实现位移,还可以控制脉冲信号的频率和个数来完成电机调速和精确定位的工作。步进电机驱动器是步进电机系统不可分割的一部分,缺少了它,步进电机就无法正常工作。3.2 机械手对驱动系统的基本要求机械手对于驱动系统的要求有以下几点:1.结构简单、重量轻,单位重量的输出功率高、效率高。2.响应速度快、工作时动作要流畅,过程中不能有冲击。3.控制要方便灵活,尽量减小运行过程中的位移和速度偏差。4.运行要保持安全平稳,设备要便于安装和维修。5.减小对环境的负面影响。3.3 机械手对驱动系统的取用原则对于机械手驱动系统的选取,得结合机械手用于何处、有何性能需求、怎样控制、是否便于维护保养、功耗是否合理、成本是否合适等各个方面加以考虑选取。机械手驱动系统的选用原则通常包含三方面:1.控制方式。对仓储物品的取送机械手的控制方式,通常选取以程序控制的方式。对于用于其他用途的机械手,只要适合,可用伺服控制。2.作业环境要求。如果对于环境没有特殊要求,通常采用电机直接驱动的驱动系统,而若是对工作环境有特殊要求的,如工作场所仅需要做到防爆,那么电-液伺服驱动系统无疑是最好的选择,若是对工作环境有着极严苛的要求,如防腐、防爆、防毒都要做到,那么就得选用交流伺服驱动系统。总而言之,就是根据需求而选。3.运行速度和定位精度。对于机械手的定位精度要求较高且运行速度也要求较高的情况下,常常采取电机直接驱动的系统,而对于要求定位精度高,却对运行速度没有要求的情况下,一般采用步进电机伺服驱动系统。3.4本次设计对驱动系统的选取结合本次设计的需求,本设计的驱动系统可分为三块。机械手腰座这部分有个回转运动,它对于精度有较高要求,但对速度却没有太高的要求,因此可以采用步进电机伺服驱动系统来实现。机械手手臂部分,它对于精度与速度的要求和腰座部分相同,但是它本身的自重较大,会影响定位准确度,故而取用电-液伺服驱动系统。机械手手爪部分,由于对抓取能力有一定的要求,同样选取电-液伺服驱动系统。4 理论设计计算4.1液压传动系统设计计算4.1.1确定液压系统基本方案液压传动系统的执行机构一般有两种:用于实现直线运动的液压缸和用于实现回转运动的液压马达。它们的特征和适用范围如下表4-1所示:表4-1各类液压缸及液压马达信息表名称特征适用范围叶片马达体型小、转动惯量小适用于高转速、低转矩、动作灵敏的回转运动齿轮马达结构简单、成本低适用于高转速、低转矩的回转运动摆线齿轮马达体积小、输出转矩大适用于低速、小功率大转矩的回转运动轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转速范围大适用于大转矩的回转运动径向柱塞马达转速低,结构复杂,输出转矩大适用于低速大转矩回转运动柱塞缸结构简单适用于单向工作,靠外力返回摆动缸单叶片式小于360双叶片式小于180适用于小于360的摆动适用于小于180的摆动单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称适用于往返不对称的直线运动,差动连接可实现快进双活塞杆液压缸双向对称适用于双向工作的往复场合此次设计的机械手为关节式结构的机械手,此机械手共有4个自由度。4.1.2确定液压系统的主要参数压力和流量作为液压系统的主要参数,它们对于液压系统的设计以及液压元件的选取起着至关重要的作用。液压缸所需承载的外部载荷决定了压力的大小,而液压执行机构的运动速度和结构尺寸决定了流量的大小。1.计算液压缸的总载荷液压缸的总载荷的计算公式见(4-1)。 (4-1)式中表示的是机械手上的外加载荷,因为水平方向没有外加载荷,故此处为0;表示的是活塞所受到的惯性力;表示的是克服密封件摩擦阻力所需的力;表示的是导向装置上的摩擦阻力;表示的是回油被压形成的阻力。(1)对于的计算活塞所受到的惯性力的计算公式见(4-2)。(4-2)式中表示的是液压缸所需带动的总重力,此处取为2000;表示的是重力加速度, ;表示的是速度的变化量;表示的是机器启动或制动的时间,一般为0.010.5,此处取0.2s。将数据带入上述公式计算得:=1.02(2)对于的计算克服密封件摩擦阻力所需的力的公式见(4-3)。 (4-3)式中表示的是克服密封件摩擦阻力所需的空载压力,如果该液压缸工作压力16 ,则查相关手册此处取=0.2 ;表示的是进油工作腔的有效面积; 将数据带入上述公式计算得,启动时: 565运动时: 283(3)对于的计算机械手水平方向上有两个导杆,内导杆和外导套之间的摩擦力的计算公式见(4-4)。 (4-4)式中表示的是机械手和所取物品的总重力,此处取为2000;表示的是摩擦系数,此处取=0.2;将数据带入上述公式计算得: =400(4)对于的计算回油背压形成的阻力计算公式见(4-5)。 (4-5)式中表示的是回油背压,一般为0.30.5 ,此处取=0.3 表示的是有杆腔活塞面积,考虑两边差动比为2;将数据代入上述公式得:,根据液压缸各工作阶段受力情况分析,液压缸的总载荷为2.液压缸主要参数的确定结合本设计为用于物品取送机构的机械手的要求来看,此机械手的系统刚度和工作时的安稳性是至关重要的。所以,考虑到刚度和安稳性的要求,液压缸参数的选取得满足需要,才能确保整个系统的刚度和安稳性。经过仔细分析,综合考虑各方面的因素,初步确定各液压缸的基本参数如下:表4-2大臂液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6015386003臂液压缸主要承受轴向力,同时液压泵也作为臂部机构。表4-3 小臂液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6015381542表4-4 手爪执行柱塞缸参数缸内径壁厚直径行程工作压力205208036大臂和小臂液压泵各选取2个。4.1.3计算和选择液压元件1.对于液压泵的选取计算(1)计算液压泵的实际工作压力液压泵的实际工作压力的计算公式见(4-6)。 (4-6)式中表示的是计算工作压力,前以定为; 表示的是对于进油路采用调速阀的系统压力,可估为0.51.5,这里取为1。所以,可以计算出液压泵的实际工作压力为 (2)计算液压泵的流量液压泵流量的计算公式见(4-7)。 (4-7)式中表示的是液压泵的泄露因数,取1.1;表示的是机械手工作时的最大流量,其计算公式见(4-8)。 (4-8)将数据带入上述公式计算得: =3.140将数据带入上述公式计算得: (3)计算液压泵电机的功率电机功率的计算公式见(4-9)。 (4-9)式中表示的是最大运动速度下所需的流量,此处取为3.140;表示的是液压泵实际的工作压力,此处为5;表示的是液压泵的总效率,此处取为0.8;将数据带入上述公式计算得: =。2.控制元件的选择根据系统中的最高工作压力和通过该阀的最大流量,从标准元件的产品样本中选取各控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细,这里暂从略。4.2 电机选型有关参数计算4.2.1有关参数的计算1.当传动负载作回转运动时电机负载额定功率的计算公式见(4-10)。 (4-10)电机负载加速功率的计算公式见(4-11)。 (4-11)电机负载力矩(折算到电机轴)的计算公式见(4-12)。 (4-12)电机负载GD(折算到电机轴)的计算公式见(4-13)。 (4-13)电机起动时间的计算公式见(4-14)。 (4-14)电机制动时间的计算公式见(4-15)。 (4-15) 式中表示的是电机的额定功率,KW;表示的是电机的加速功率,KW;表示的是电机负载轴的回转速度,r/min;表示的是电机轴的回转速度,r/min;表示的是负载的速度,m/min;表示的是减速机效率;表示的是摩擦系数;表示的是负载转矩(负载轴);表示的是电机启动最大转矩;表示的是负载转矩(折算到电机轴上);表示的是负载的;表示的是负载(折算到电机轴上);表示的是电机的。而本设计中,腰部的回转运动是通过电机驱动的,那么它传递运动形式就属于第二种。下面进行具体的计算。因为腰部的回转运动只存在摩擦力矩,除此之外在圆周转动方向上不存在其他的转矩,则在回转轴上的负载转矩计算公式见(4-16)。 (4-16)式中表示的是滚动轴承的摩擦系数,取0.005;表示的是机械手本身与负载的重量之和,此处取2000;表示的是回转轴上传动大齿轮的分度圆半径,R=240;将数据带入上述公式,计算得:=0.24; 并且,腰部回转速度定为=5r/min;传动比定为1/120;又因为 带入数据计算得:=20.91334。将其带入上述公式,计算得: 电机的启动时间是: ; 电机的制动时间是: ;则电机轴上的负载转矩为:。4.2.2电机型号的选择1.腰部电机型号选择根据以上结果,综合考虑各种因素,选择国产北京和利时电机技术有限公司(原北京四通电机公司)的步进电机,具体型号为:110BYG550B-SAKRMA-0301或110BYG550B-SAKRMT-0301或110BYG550B-BAKRMT-0301,此型号的步进电机的优点是震动很小、转矩很大以及综合性能不错。它的相关参数和特性曲线如下所示。驱动方式:升频升压; 步距角:0.36; 其中步距角0.36,而腰部齿轮传动的传动比为1:120,理论上步进电机通过减速装置减速后将合适的动力传递到回转轴,则回转轴的步距角将为电机实际步距角的1/1
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