封焊机的自动上料机构设计
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南昌航空大学科技学院Safety and Maintenance For CNC Machine1 Safety Notes for CNC machine Operations Safety is always a major concern in a metal-cutting Operation. CNC equipment is automated and very fast, and consequently it is a source of hazards , The hazards have to located and the personnel must be aware of them in order to prevent injuries and damage to the equipment. Main potential hazards include, rotating parts, such as the spindle, the tool in the spindle, chuck, part in the chuck, and the turret with the tools and rotating clamping devices, movable parts, such as the machining center table, lathe slides, tailstock center , and tool carousel, errors in the program such as improper use of the G00 code in conjunction with wrong coordinate value, which can generate an unexpected rapid motion, an error in setting or changing the offset value ,which can result in a collision of the tool with part or the machine, and a hazardous action of the machine caused by unqualified changes in a proven program, To minimize or avoid hazards, try the following preventive action:(1) Keep all of the original covers on the machine as supplied by the machine tool builder (2) Wear safety glasses, gloves, and proper clothing and shoes.(3) Do not attempt to run the machine before you are familiar with its control.(4) Before running the program, make sure that the parts is clamped properly.(5) When proving a program, follow these safety procedures. Run the program using the machine Lock function to check the program for errors in syntax and geometry. Slow down rapid motions using the RAPID OVERRIDE switch or dry run the program. Use a single-block execution to confirm each line in the program before executing it. When the tool is cutting, slow down the feed rate using the FEED OVERRIDE switch to prevent excessive cutting conditions.(6) Do not handle chip by hand and do not use chip hooks to break long curled chips. Program different cutting conditions for better chip control. Stop the machine if you need to properly clean the chips.(7) If there is any doubt that the insert will break under the programmed cutting conditions, choose a thicker insert or reduce feed or depth of cut.(8) Keep tool overhang as short as possible, since it can be a source of vibration that can break the insert.(9) When supporting a large part by the center, make sure that the hole-center is large enough to adequately support and hold the part.(10) Stop the machine when changing the tools, indexing inserts, or removing chips.(11) Replace dull or broken tools or inserts.(12) Write a list of offsets for active tools, and clear (set to zero ) the offsets for tools removed from the machine.(13) Do not make changes in the program if your supervisor has prohibited your doing so.(14) If you have any satety-related concerns, notify your instructor or supervisor immediately.2 Daily Maintenance2.1 Checking the External View(1) Machine oil (cutting oil, lubrication oil)has been scattered onto the servomoter, detector, or main unit of the NC , or is leaking.(2) Damage is found on the cables of the movable blocks, or the cables are twisted.(3) Filter clogging.(4) A door of the control panel is not open.(5) Ambient vibration.(6) The unit is located in a dusty location.(7) Something that causes high frequency is played near the control unit.2.2 Checking the inside of the control unit Check that the following troubles have been eliminated:(1) Cable connectors are loosened.(2) Installing screws are loosened.(3) Attachment amplifier screws are loosened.(4) The cooling fan operates abnormally.(5) Cable damage.(6) Printed circuit boards have been inserted abnormally.2.3 Fault diagnosis and Action When a running fault occurs, examine the correct cause to take proper action. To do this, execute the checks below:2.3.1 Checking the Fault Occurrence Status Check the following:(1) When did the fault occur?(2) During what operation did the fault occur?(3) What fault?(4) For automatic operationProgram number, sequence number, and contents of Program?(5) For manual operationMode?a) Operating procedure?b) Preceding and succeeding operations?c) Set/display units screen?d) During I/O operation?e) Machine system status?f) During tool change?g) Controlled axis hunting?h) What fault occurred?i) What does the alarm display of the set/display units alarm diagnosis screen indicate?(6) Display the alarm diagnosis screen to check the contents of alarm.(7) What does the driving amplifier status display indicate?Check the contents of alarm based on the driving amplifier status display.(8) What does the machine sequence alarm indicate?(9) Is the CRT screen normal?(10) Is the control axis hunting?(11) Frequency of fault?(12) When did the fault occur? (13) Frequency? (Did the fault occur during operation of another machine?) If the ffrequency is too small, or the fault occurred during operation of another machine, the cause may be noises of the supply voltage. (14) For example, in this case, check that the supply voltage is normal (15) does momentary drop occur during operation of another machine?(16) and measures have been taken against noises.(17) In specific mode?(18) When did the ceiling crane move?(19) Frequency for the same kind of work?(20) Does the fault occur when the same operation is made? (Repeatability check)(21) Change the conditions (override, contents of program, operation procedure, etc.)(22) Does the same fault occur?译 文摘 要本文提出了自动机械卫星(RS)双机械手协调运动的规划设计。基于微重力环境下RS运动特性的分析,两个机械手分为主机械手和从机械手。接着介绍了双机械手RS协调运动的四种模式:稳定功能、平衡功能、调整功能和协作运转。还介绍了双机械手的运动规划算法。最后,给出了微重力环境下,RS俘获目标实验模型的四种协调运动的计算机仿真结果。仿真试验显示本文所提出的运动模型和规划算法是非常有效的。关键词:自动机械卫星、运动规划、双机械手协调运动、构位空间、微重力环境介绍随着空间技术的发展,诸如构造和修理人造卫星和航天飞机等的航天员舱外活动越来越多。但是,航天员舱外活动非常危险并且费用昂贵,因此使用空间机器人来代替宇航员的需要变得日益急迫。这种机器人可以在太空中自由飞行,因此命名为自由飞行空间机器人。自动机械卫星就是自由飞行空间机器人的非常重要的一类,它由人造卫星和安装在人造卫星上的机械手组成。空间机器人需要多机械手来在微重力环境下进行复杂的操作,双机械手RS是多机械手系统中重要的一员,并且双机械手的研究是多机械手研究的基础。为了增加机械手的功能并降低它们之间的意外干扰,应该研究RS多机械手的协调运动。多机械手的协调运动包括协调任务、协调动作和协调控制。尽管在1,2中提出了有关多机械手RS的动力学和协调控制,但是多机械手RS协调运动规划的相关研究还是非常有限。一般机器人的运动规划问题是在给定环境和任务下,寻找无碰撞自动运动路径和轨道。运动规划有多种方法,例如构位空间方法、人工位场方法和拓扑方法。由于RS在空间微重力环境中缺乏固定基础,空间机械手的运动将扰乱其基础人造卫星的位置和姿态,并改变RS机械手的工作空间。直接采取带有固定基础的地面机器人的运动规划方法 ,以及规划路径和轨道是非常危险的,对RS有可能是错误的。因此,对微重力环境下RS运动特性的研究是非常重要的。1 微重力环境下RS的运动特性这里讨论的RS由人造卫星主体和k空间机械手组成。假设没有外力和外部扭力施加在该系统上,并且RS可以在微重力环境中自由飞行或飘浮。机械手的每一处接点都是由扭力控制器控制的旋转接点。整个系统的能量守恒。如果第j个空间机械手具有nj个旋转连接,则系统可以被看作是由N1个链接(Nn1+n2+nk)组成的多链接自由飞行(飘浮)系统。研究人造卫星的姿态时,要在卫星主体上建立协调系统。如果和分别是RS卫星姿态角矢量和空间机械手接点角矢量,它们分别为3-D和N-D矢量。卫星姿态的极小改变可以表示为机械手极小运动的函G() (1)此处,G是一个 3N的扰动灵敏度矩阵。定义为瞬时扰动。G的奇异值分解给出了卫星最大干扰和最小干扰的方向和数量。如果的变化量使卫星姿态的变化量为,在公式(1)的数值积分将给出一个新的公式:F(, ) (2)公式(2)表达的方程由一个不能显式表达的数值积分得到。这需要对G重复进行数值积分的大量的计算。2 双机械手RS地面模型及其C-空间量子化为了研究RS自主控制技术,首先建立一个RS地面试验台,通过空气轴承来模拟微重力环境。RS试验模型可以在试验台中自由地飞行。该试验模型。如图2.1所示。 图2.1双机械手RS地面试验模型假设机械手有N个接点组成,且它们的角度为i,i=1,2,,N。当机械手的基础固定时,矢量=(1,2,N)组成机械手的C空间。对于微重力环境下的RS试验模型来说,需要其他一些参数来决定RS的相对位置,例如,人造卫星姿态角矢量。用=(1, 2)和=(1, 2)和表示两个机械手的接点角矢量。这里=(,),RS模型的相对位置由(, 1, 2, 1, 2)来确定,其中1, 2,1,2的值可以相互独立。任何接点的运动都会影响的值:=F(, , )。 其中,F为公式(2)定义的函数。(或)的变化会影响卫星的姿态以及卫星姿态矢量的变化,从而导致机械手位置的变化。尽管干扰使控制问题变得复杂,但是依然有可能利用动态干扰来简化航天任务。例如,通过机械手的运动,可以将卫星姿态和另一个机械手的位置变动到需要的相对方位上。由于高维和复杂的动态控制问题,RS相对位置之间的关系很难用显式表达。本文提出了C空间量子化方法,即将每个接点角i平均地分成Ni个点,如下公式(4)所示: (i, j)i(i” i)j/(Ni1) i1,2,3,4. j0,1,Ni1 ii,i” (4)因此,机械手的角矢量(1,2,3,4)量化为N1N2N3N4点。定义这些点为参考节点(C-节点),并记C-节点为(a1,a2,a3,a4),ai1, Ni,其中,ai 为正整数,i=1,2,3,4。对也进行同样的过程。所有的C-节点及任意两个相邻节点的链接组成了RS量子化C-空间中的一个参考节点网络(CNN)。定义8种C-节点的相邻关系,即RS实验模型的标准运动。对每个具有8种标准运动的C-节点计算以建立一个标准基。在标准基中,基左边为向量(a1,a2,a3,a4)和一种标准运动,基右边为的值。则RS的C-空间就转化成了一个运动标准基,它刻划了RS的运动。在这个规划中,我们可以从标准基中获得的值而无须进行大量计算。因此,这种方法可以支持运动规划运行得更快。3 机械手协调方案两个机械手可以平等地工作来实现相同的目标,如共同抓住目标;或不平等地工作,如一个机械手完成需要的操作,另一个在某些方面协助第一个完成操作。为了分析双机械手协调模式,我们提出了相对概念:主机械手和从机械手。定义主机械手(M-机械手):完成主操作任务的机械手叫做主机械手。从机械手(A-机械手):帮助主机械手完成主操作任务的机械手叫做从机械手。A-机械手的协助功能一般是扰乱卫星主体的姿态。它的影响包括维持卫星稳定或相对稳定,以及使卫星主体变换到需要的姿态或位置。前一个降低M-机械手运动所造成的干扰;后一个通过制造干扰,使主体变换到需要的姿态。通过上述分析,我们定义四种RS双机械手协调运动模式。稳定功能:A-机械手通过抓取空间中的某些固定结构来稳定卫星主体。平衡功能:A-机械手通过移动来使卫星免受M-机械手的干扰。调整功能:A-机械手通过移动来干扰卫星的姿态,来修正M-机械手的操作位置或工作空间。协作运转:两个机械手同时地平等地进行空间操作。对于RS试验模型,四种协调运作模式通常更形象地表示为:和分别表示M-机械手的角矢量和A-机械手接点的角矢量;表示主体姿态矢量。稳定功能:0,0,规划运动路径。平衡功能:运动路径给定,保持不变或在某一特定范围内变动,规划运动路径。调整功能:运动路径给定,的初始值i和最终值j给定,规划运动路径。协作运转:操作任务给定,规划运动路径和。4 协调运动规划算法首先,给定协调运动模式的一般算法。然后,讨论每种协调运动模式下的特殊问题。算法第一步 建立RS运动标准基:1) 在定义域内将j平均地分成Ni个点,i=1,2,3,4。2) 构造C-节点,表示为(a1,a2,a3,a4)。3) 对每个节点和八种标准运动,计算并根据(a1,a2,a3,a4)的地址存储在内存中。4) 构造CNN,即RS的运动标准基。第二步 设计目标函数f(n)。f(n)由特定的协调运动模式决定。第三步 确定符合初始状态的节点n0并计算f(n0),令n0为表示为n-当前的当前节点。第四步 确定符合目标状态的节点和函数值。第五步 用A-临近(n-当前)表示n-当前临近节点的集合,并选择使f值最小的节点为扩展节点。在堆栈中保存n-当前并令新的节点为n-当前。第六步 如果得到了目标节点或目标函数的最终值,转至第七步。如果经过了L步骤,没有得到最优值,则放弃LT节点并标记路径。返回第五步。第七步 将C-节点序列翻译为RS操作手的接点角。第九步 结束。这里,f(n)是启发式搜索中估计函数。采用A*算法, f(n)g(n)h(n),n为n-当前节点,g(n)是初始节点n0和n节点之间的 代价,h(n)是节点n和目标节点之间代价的估计。四种协调运动模式的C-节点之间的代价d定义如下。对于稳定功能,d表示两个相对位置下M-机械手末端效应器之间的距离;对于平衡功能和调整功能,d表示两种状态下,卫星姿态角度之差;对于协调操作,d由目标和两个操作手末端效应器之间的距离之和决定。5 计算机仿真仿真试验在IBM PC 386上进行,RS运动规划和图形仿真使用C语言来进行编程。RS模型的主操作是捕获目标并避免与工作空间中的障碍物发生碰撞。四种协调运动模式下的计算机仿真结果如图5.1图5.2所示。计算机仿真显示RS双机械手协调运动规划模式和算法是合理而有效的。3-D RS模型的运动规划和计算机仿真是作者的未来研究工作。 图5.1 调整功能 图5.2 协调操作 参考书目1.Yoshida K, Umctani Y. Dual-arm Coordination in Space Free-flying Robot. In Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, U.S.A., 1991, 1516-1521.2.Papadopoulos E. Dubowsky S. Coordinated Manipulator/Spacecraft Motion Control for Space Robotics System. In. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, U.S.A., 1696-1701。计算机数控机床的安全和维护1 计算机数控机床的安全操作注意事项在金属切削操作中安全性一直是特别受关注的由于计算机数控设备自动化程度高并且速度快,所以它是一个危险源。为了防止人员伤害和对设备的损坏,必须找出存在危险的根源,且操作人员必须提高警惕。主要的 潜在危险包括:旋转部件,如主轴、主轴内的刀具、卡盘、卡盘内工件、带着刀具的转塔刀架以及旋转的夹具装置;运动部件,如加工中心的工作台、车床拖板、尾架顶尖,多工序旋转托盘;程序错误,例如G00代码的不正确使用而引起坐标值错误,产生意想不到的快速移动;设置或改变偏移值时出错,可能导致刀具与工件或刀具与机床之间的碰撞;随意地更改已验证的程序,也会引起机床产生危险动作。为了减少或避免危险,尽量遵循以下保护措施。(1) 使用机床制造商提供的机器原有保护罩。(2) 带上安全眼镜、手套,穿上合适的衣服和鞋。(3) 不熟悉机床操作前不要开动机床。(4) 运动程序之前,确认零件已被正确夹紧。(5) 验证一个程序时,遵循下列安全步骤: 启用机床锁定功能运行程序,检查程序中的语法错误 和几何轨迹。 使用RAPID OVERRIDE快速倍率开关降低速度或空运行程序。 采用单程序段执行来确认程序中的每一行。 刀具切削时,用FEED OVERRIDE进给倍率开关减慢进给速率,防止超负荷切削。(6) 禁止用手处理切屑以及用切屑钩子弄断长而卷曲的切屑。编制不同的切屑状态程序以便更好地控制切屑。如果要彻底清除切屑,应当关闭机床。 (7) 如果怀疑刀片在编程的切屑状态下有可能折断时,可选择一个更厚的刀片及减少进给或切屑深度。(8) 尽可能保持刀具悬出短些,因为它可能成为一个导致刀片折断的振动源。(9) 当顶尖支撑一个大零件时,确保中心孔足够大足以支撑和夹住零件。(10) 换刀、查找刀片或清理切屑时关闭机床。(11) 替换已磨损或损坏的刀具和刀片。(12) 列出现行刀具的偏移良清单,从机床上取下刀具,清除(设置为0)刀偏。(13) 在未得到主管许可的情况下不得擅自更改程序。(14) 如果你有任何与安全有关的担忧,立即通知你的技术指 导和主管。 2 日常维护2.1 外观检查(1) 伺服电动机、探测器或数控主单元上的机床用油(切削 油,润滑油)或者渗漏情况检查。(2) 可移动部件的电缆上有无损伤或电缆绞后合情况检查。(3) 过滤器堵塞情况检查。(4) 控制面板的门是否打开检查。(5) 外部环境震动检查。(6) 数控装置单元是否放置在有灰尘的位置。(7) 引起高频的某物体是否位于控制单元附近。2.2 检查控制单元内部 检查以下故障是否被排除:(1) 电缆连接器松动(2) 装配螺钉松动(3) 固定放大器螺钉松动(4) 冷却风扇工作异常(5) 电缆损伤(6) 印刷电路板插入不正确2.3 故障诊断和维修当发生运行故障时,应找出原因以便采取适当的措施排除。为此,应执行下列检查:2.3.1 检查故障发生状态 检查下列几个方面:(1) 故障出现时间?(2) 在何种操作过程中出现故障?(3) 什么故障?(4) 故障何时发生?即故障发生时的具体时间。(5) 在何种操作过程中发生故障?何种运行方式?a) 对于某项自动操作程序号,序列号,程序内容?b) 对于手动操作模式?c) 什么操作步骤?d) 前一步和后一步操作?e) 设置/显示的单元屏幕是什么?f) 是否发生在输入输出操作过程中?g) 机床系统状态如何?h) 是否发生在换刀过程中?i) 受控制的轴跟踪检测情况如何?(6) 发生了什么故障?(7) 设置/显示的单元屏幕上警告监测的报警内容。(8) 运用显示警报诊断屏幕来检查报告内容。(9) 驱动放大器状态显示什么?(10) 根据驱动放大器状态显示检查报告内容。(11) 加工顺序报警显示表示什么?(12) CRT显示屏幕是否正常?(13) 控制轴是否在跟踪?(14) 故障频率(15) 什么时候故障发生?频率怎样?(另一台机床的操作过程中故障是否出现?)(16) 如果频率很小或者在另一台机床的操作过程中出现故障,那么,故障的原因可能是供电电压的干扰。在这种情况下,检查a.供应电源是否正常(在另一台机床的操作过程中是否发生瞬时压降?)b.采取措施抗干扰。(17) 是否发生在特殊工作模式?(18) 什么时候达到最高行程?(19) 同一类工作的频率是多少?(20) 当执行相同操作是故障是否发生?(重复性检查)(21) 改变状态(进给倍率,程序内容,加工顺序等等)。(22) 是否发生相同的故障?原文说明原文说明的内容是:提出了自动机械卫星(RS)双机械手协调运动的规划设计。接着介绍了双机械手RS协调运动的四种模式。还介绍了双机械手的运动规划算法。最后,给出了微重力环境下,RS俘获目标实验模型的四种协调运动的计算机仿真结果。仿真试验显示本文所提出的运动模型和规划算法是非常有效的。另一篇是介绍计算机数控机床的安全维护。 . 题名:自动机械卫星双机械手协调运动的规划设计计算机数控机床的安全和维护作者:刘宏 洪炳熔 蔡鹤皋蒋忠理来源:高校出版社自动机械卫星机械手机械工业出版社机电与数控专业英语20题目:封焊机的自动上料机构设计系 别: 机电信息系 专 业:机械设计制造及其自动化 班 级: 学 生: 学 号: 指导教师: 2013年04月封焊机的自动上料机构设计摘要 本文通过对机械手的组成和分类,及国内外的发展状况的了解,进行了总体方案设计,确定了机械手用四自由度和圆柱坐标型式。本机械手为上料机械手,为使其通用性加强,故同时设计了机械手的夹持式手部结构和吸附式手部结构,可以更换使用。计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转汽缸的驱动力矩,确定了相关尺寸,设计了机械手的腕部结构;设计了机械手的手臂结结构;设计了手臂伸缩,升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。关键词 上料;机械手;气缸 ISeal Welding Machine Automatic Feeding Mechanism DesignAbstract In this paper, the composition and classification of the robot, and the development of domestic and international understanding of the status, the overall design, the robot with four degrees of freedom and cylindrical coordinates type. The robot feeding robot, to its versatility strengthen, while the design of the robot holding hands structure and adsorption hand structure, you can replace the use of. Calculate the torque required to drive the rotation of the wrist and the drive torque of the rotary cylinder, with a hydraulic buffer identified by relative size, the design of the robotic wrist structure; design of the robotic arm junction structure; design of the telescopic arm lifting The rotary arm with hydraulic shock absorber.Keywords: feeding robot;cylinder.;manipulator1目 录1 绪论11.1 工业机械手概述11.1.1 工业机器人的发展趋势21.2 机械手的组成和分类31.2.1机械手的组成31.2.2 机械手的分类52 机械手的设计方案72.1机械手的坐标型式与自由度72.2 机械手的手部结构方案设计72.3 机械手的手腕结构方案设计72.4 机械手的手臂结构方案设计82.5 机械手的驱动方案设计82.6 机械手的控制方案设计82.7 机械手的主要参数82.8.机械手的技术参数列表93 手部结构设计113.1夹持式手部结构113.1.1手指的形状和分类113.1.2设计时考虑的几个问题113.1.3手部夹紧气缸的设计124 手腕结构设计164.1 手腕的自由度164. 2手腕的驱动力矩的计算164.2.1手腕转动时所需的驱动力矩164.2.2回转气缸的驱动力矩计算195 手臂伸缩、升降、回转气缸的尺寸设计与校核215.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核215.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计215.1.2 尺寸校核215.1.3.导向装置225.1.4 平衡装置225.2手臂升降气缸的尺寸设计与校核225.2.1 尺寸设计225.2.2 尺寸校核235.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核245.3.1 尺寸设计245.3.2 尺寸校核246 结论26参考文献27致 谢28毕业设计(论文)知识产权声明29毕业设计(论文)独创性声明301 绪论1.1 工业机械手概述 本课题为封焊机的自动上料机构设计,其实就是设计一个机械手代替人手进行晶体的上料。现代封焊机在把晶体底座和晶体帽封焊在一起时大多采用人工上料,人工上料不但速度慢、成本高、费工费时、而且存在一定的安全隐患。生产的需要是最大的更新动力,现设计一台工业机器人机械手,不但可以提升产品的质量还可以大大提升产品的生产效率,改善工人的工作环境 本科毕业设计(论文)题目:封焊机的自动上料机构设计系 别: 机电信息系 专 业:机械设计制造及其自动化 班 级: 学 生: 学 号: 指导教师: 2013年04月封焊机的自动上料机构设计摘要 本文通过对机械手的组成和分类,及国内外的发展状况的了解,进行了总体方案设计,确定了机械手用四自由度和圆柱坐标型式。本机械手为上料机械手,为使其通用性加强,故同时设计了机械手的夹持式手部结构和吸附式手部结构,可以更换使用。计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转汽缸的驱动力矩,确定了相关尺寸,设计了机械手的腕部结构;设计了机械手的手臂结结构;设计了手臂伸缩,升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。关键词 上料;机械手;气缸 ISeal Welding Machine Automatic Feeding Mechanism DesignAbstract In this paper, the composition and classification of the robot, and the development of domestic and international understanding of the status, the overall design, the robot with four degrees of freedom and cylindrical coordinates type. The robot feeding robot, to its versatility strengthen, while the design of the robot holding hands structure and adsorption hand structure, you can replace the use of. Calculate the torque required to drive the rotation of the wrist and the drive torque of the rotary cylinder, with a hydraulic buffer identified by relative size, the design of the robotic wrist structure; design of the robotic arm junction structure; design of the telescopic arm lifting The rotary arm with hydraulic shock absorber.Keywords: feeding robot;cylinder.;manipulator1目 录1 绪论11.1 工业机械手概述11.1.1 工业机器人的发展趋势21.2 机械手的组成和分类31.2.1机械手的组成31.2.2 机械手的分类52 机械手的设计方案72.1机械手的坐标型式与自由度72.2 机械手的手部结构方案设计72.3 机械手的手腕结构方案设计72.4 机械手的手臂结构方案设计82.5 机械手的驱动方案设计82.6 机械手的控制方案设计82.7 机械手的主要参数82.8.机械手的技术参数列表93 手部结构设计113.1夹持式手部结构113.1.1手指的形状和分类113.1.2设计时考虑的几个问题113.1.3手部夹紧气缸的设计124 手腕结构设计164.1 手腕的自由度164. 2手腕的驱动力矩的计算164.2.1手腕转动时所需的驱动力矩164.2.2回转气缸的驱动力矩计算195 手臂伸缩、升降、回转气缸的尺寸设计与校核215.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核215.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计215.1.2 尺寸校核215.1.3.导向装置225.1.4 平衡装置225.2手臂升降气缸的尺寸设计与校核225.2.1 尺寸设计225.2.2 尺寸校核235.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核245.3.1 尺寸设计245.3.2 尺寸校核246 结论26参考文献27致 谢28毕业设计(论文)知识产权声明29毕业设计(论文)独创性声明301 绪论1.1 工业机械手概述 本课题为封焊机的自动上料机构设计,其实就是设计一个机械手代替人手进行晶体的上料。现代封焊机在把晶体底座和晶体帽封焊在一起时大多采用人工上料,人工上料不但速度慢、成本高、费工费时、而且存在一定的安全隐患。生产的需要是最大的更新动力,现设计一台工业机器人机械手,不但可以提升产品的质量还可以大大提升产品的生产效率,改善工人的工作环境机械手是模仿人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,受到机械工业的重视。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器,他有多个自由度,可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。11 机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。 随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,毕业设计(论文)所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.1.1 工业机器人的发展趋势国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: (1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。 (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 (7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下通过“七五”、“八五”科技攻关,目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品,机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距等。1.2 机械手的组成和分类1.2.1机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。(1)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构。1) 手部:即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件,常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单,制造容易,故应用较广泛。平移型应用较少,其原因是结构比较复杂,但平移型手指夹持圆形零件时,工件直径变化不影响其轴心的位置,因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2)手腕:腕部:是机械手中联接手部与臂部主要用来确定手部工作时位置并扩大臂部动作范围的部件。可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求,有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前,应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压(气)缸,它的结构紧凑,灵巧但回转角度小(一般小于 ),并且要求严格密封,否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下,采用齿条传动或链轮以及轮系结构。3) 手臂: 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合,以实现手臂的各种运动。4) 立柱:立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立I因工作需要,有时也可作横向移动,即称为可移式立柱。5) 行走机构: 当工业机械手需要完成较远距离的操作,或扩大使用范围时,可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构,以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6)机座:机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上,故起支撑和连接的作用。(2)驱动系统驱动系统是工业机械手的重要组成部分,是为执行系统各部件提供动力的装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动系统大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。 1)液压式:其驱动系统由油缸、电磁阀、油泵和油箱等组成。其特点是操作力大、体积小、动作平稳、低速性好、耐冲击耐振动。但漏油对系统的工作性能影响大。与气压式相比成本较高。2)气压式:其驱动系统由气缸、气阀、空气压缩机(或由气压站直接供给)和储气罐等组成。其特点是气源方便、维修简单、易于获得高速度、成本低、防火防爆、漏气对环境无影响。但操作力小、体积大,又由于空气的压缩性大、速度不易控制、响应慢、动作不平稳、有冲击,臂力一般不超过300N。3)电气式:其驱动系统一般电电机驱动。优点是电源方便,信号传递运算容易、响应快、驱动力较大,适用于中小型工业机械手。但是必须使用减速机构(如齿减速器、谐波齿轮减速器等),所需的电机有步进电机、DC伺服电机和AC伺服机电等。4)机械式:其驱动系统由电机、凸轮、齿轮齿条、连杆等机械装置组成,传动可靠,适用于专一简单的机械手。这种方式结构比较庞大。 号。(2)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间),同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。1.2.2 机械手的分类工业机械手的种类很多,关于分类的问题,目前在国内尚无统一的分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(1)按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1) 专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手,如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。2) 通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内,其动作程序是可变的,通过调整可在不同场合使用,驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位,只能是点位控制,伺服型可以是点位的,也可以实现连续控制,伺服型具有伺服系统定位控制系统,一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(2) 按驱动方式分1) 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高。2) 气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低。但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3) 机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手,其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠,用于工作主机的上、下料。动作频率大,但结构较大,动作程序不可变。4) 电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长,维护和使用方便。此类机械手目前还不多,但有发展前途。(3)按控制方式分1) 点位控制它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2) 连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。30毕业设计(论文)2 机械手的设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件,这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求,拟定最合理的作业工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性,并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手,是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备,劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。也可用于操作环境恶劣的生产场合。2.1机械手的坐标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况,其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动,因此,采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度,为了弥补升降运动行程较小的缺点,增加手臂摆动机构,从而增加一个手臂上下摆动的自由度2.2 机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构,当工件是棒料时,使用夹持式手部;当工件是板料时,使用气流负压式吸盘。2.3 机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动的机构为回转气缸。毕业设计(论文)2.4 机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、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。手臂的各种运动由气缸来实现。2.5 机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失和泄漏较小,成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。2.6 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。2.7 机械手的主要参数(1)机械手的最大抓重是其规格的主参数,由于是采用气动方式驱动,因此考虑抓取的物体不应该太重,查阅相关机械手的设计参数,结合工业生产的实际情况,本设计设计抓取的工件质量为1公斤(2)基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求,设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为。最大回转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在,用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面,因为平均速度与行程有关,故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外,手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径,必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较,该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。2.8.机械手的技术参数列表一 用途:用于封焊机的自动上料二 设计技术参数: 1 抓重:2 自由度数:4个自由度3 坐标型式:圆柱坐标4 最大工作半径:5 手臂最大中心高:6 手臂运动参数: 伸缩行程伸缩速度升降行程升降速度回转范围回转速度 7 手腕运动参数: 回转范围 回转速度8 定位方式:行程开关或可调机械挡块等 9 定位精度: 10 驱动方式:气压传动 11 控制方式:点位控制(采用PLC)图2.1 机械手臂剖视图西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)3 手部结构设计3 手部结构设计为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构,当工件是棒料时,使用夹持式手部:如果有实际需要,还可以换成气压吸盘式结构, 3.1夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多,如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 3.1.1手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种,其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作,手指可分为一支点回转型,二支点回转型和移动型(或称直进型),其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时,就变成了一支点回转型手指;同理,当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时,就成为移动型。回转型手指开闭角较小,结构简单,制造容易,应用广泛。移动型应用较少,其结构比较复杂庞大,当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置,能适应不同直径的工件。3.1.2设计时考虑的几个问题1.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.手指间应具有一定的开闭角两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。手指的开闭角应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。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。3.保证工件准确定位毕业设计(论文)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.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,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,当应尽量使结构简单紧凑,自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小为佳。5.考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型,由于工件多为圆柱形,故手指形状设计成V型,其结构如附图所示。3.1.3手部夹紧气缸的设计1.手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如图3.1所示, 图3.1 齿轮齿条式手部其工件重量G=1公斤,V形手指的角度,,摩擦系数为 (1)根据手部结构的传动示意图,其驱动力为: (3.1)(2)根据手指夹持工件的方位,可得握力计算公式: (3.2) 所以(3)实际驱动力: (3.3)I,因为传力机构为齿轮齿条传动,故取,并取。若被抓取工件的最大加速度取时,则: (3.4) 所以 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。2.气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理,单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力,其公式为: (3.5)式中: - 活塞杆上的推力,N - 弹簧反作用力,N- 气缸工作时的总阻力,N- 气缸工作压力,Pa弹簧反作用按下式计算: (3.6) (3.7)= (3.8)式中:- 弹簧刚度,N/m- 弹簧预压缩量,m- 活塞行程,m- 弹簧钢丝直径,m- 弹簧平均直径,.- 弹簧有效圈数.- 弹簧材料剪切模量,一般取在设计中,必须考虑负载率的影响,则: (3.9)由以上分析得单向作用气缸的直径: (3.10)代入有关数据,可得 (3.11)所以:查有关手册圆整,得由,可得活塞杆直径:圆整后,取活塞杆直径校核,按公式 (3.12)有: (3.13)其中,则:满足实际设计要求。3.缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力,必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算: (3.14)式中:6- 缸筒壁厚,mm- 气缸内径,mm- 实验压力,取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据,则壁厚为: (3.15)取,则缸筒外径为:4 手腕结构设计4 手腕结构设计考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动的机构为回转气缸。4.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件,它的作用是调整或改变工件的方位,因而它具有独立的自由度,以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。(1)力求结构紧凑、重量轻,腕部处于手臂的最前端,它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然,腕部的结构、重量和动力载荷,直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此,在腕部设计时,必须力求结构紧凑,重量轻。(2)结构考虑,合理布局腕部作为机械手的执行机构,又承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要求外,要有足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手部的连接。由于本机械手抓取的工件是水平放置,同时考虑到通用性,因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构,应用最多的为回转油(气)缸,因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑,但回转角度小于,并且要求严格的密封。4. 2手腕的驱动力矩的计算4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动,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,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件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。毕业设计(论文) 1.工件2.手部3.手腕图4.1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: (4.1)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、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩()., - 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩();下面以图4-1所示的手腕受力情况,分析各阻力矩的计算:1.手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦若手腕起动过程按等加速运动,手腕转动时的角速度为,起动过程所用的时间为,则: (4.2)式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合,其转动惯量为: (4.3)式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s); 起动过程所转过的角度(弧度)。2.手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + () (4.4)式中: - 手腕转动件的重量(N);- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时,则.3.手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 () (4.5)式中: ,- 转动轴的轴颈直径(cm);- 摩擦系数,对于滚动轴承,对于滑动轴承;,- 处的支承反力(N),可按手腕转动轴的受力分析求解,根据,得: (4.6) (4.7)同理,根据(F),得: (4.8)式中:- 的重量(N), 如图4-1所示的长度尺寸(cm).4.转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封,与选用的密衬装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。4.2.2回转气缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸,它的原理如图4-2所示,定片1与缸体2固连,动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时,推动输出轴作逆时4回转,则低压腔的气从b孔排出。反之,输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:, 或 (4.9) 图4.2 回转气缸简图式中:M回转气缸的驱动力矩(N); P回转气缸的工作压力(N); R缸体内壁半径(cm); r输出轴半径(cm); b动片宽度(cm).上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压,则上式中的P应代以工作压力P1与背压P2之差。5 手臂伸缩、升降、回转气缸的尺寸设计与校核5 手臂伸缩、升降、回转气缸的尺寸设计与校核5.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核5.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计手臂伸缩气缸采用标准气缸,参看各种型号的结构特点,尺寸参数,结合本设计的实际要求,气缸用CTA型气缸,尺寸系列初选内径为100/63:5.1.2 尺寸校核 1.在校核尺寸时,只需校核气缸内径=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强, 则驱动力: (5.1) 测定手腕质量为50kg,设计加速度,则惯性力 (5.2) 2.考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数, (5.3) 毕业设计(论文) 总受力 所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。5.1.3.导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时,为了防止手臂绕轴线转动,以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定,同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆,双导向杆,四导向杆等,在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。5.1.4 平衡装置 在本设计中,为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态,减少手抓一侧重力矩对性能的影响,故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置,装置内加放砝码,砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节,务求使两端尽量接近平衡。 5.2手臂升降气缸的尺寸设计与校核 5.2.1 尺寸设计气缸运行长度设计为=118mm,气缸内径为=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度,加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力 (5.4) 5.2.2 尺寸校核1.测定手腕质量为80kg,则重力 (5.5) 2.设计加速度,则惯性力 (5.6) 3.考虑活塞等的摩擦力,设定一摩擦系数, (5.7) 总受力 所以设计尺寸符合实际使用要求。5.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 5.3.1 尺寸设计气缸长度设计为,气缸内径为,半径R=105mm,轴径半径,气缸运行角速度=,加速度时间0.5s,压强, 则力矩: (5.8) 5.3.2 尺寸校核 1测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况,质量密度等效分布在一个半径的圆盘上,那么转动惯量: (5.9) () (5.10) 考虑轴承,油封之间的摩擦力,设定摩擦系数, (5.11) 总驱动力矩 (5.12) 设计尺寸满足使用要求。6 结论6 结论 1.采用气压传动,动作迅速,反应灵敏,能实现过载保护,便于自动控制。工作环境适应性好,不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小,不会污染环境。同时成本低廉。 2.机械手采用PLC控制,具有可靠性高、改变程序灵活等优点,无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制,都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序,使机械手的通用性更强。参考文献参考文献1 韩梦丹、邹晓宇.浅谈机械手及其应用于发展前景J。企业技术开发,2012(2):18-192 陈又尧、朱敬得、李磊.基于PLC的磁环下机械手的研制J。机械设计与制造,2008 (3):1193 陆祥生 ,杨绣莲.机械手.中国铁道出版社,1985.14 常淑凤.自动上料装置的设计与研究J.电脑知识与技术,2009(10):59-635 赵碧、巴鹏、徐英凤。气动上下料机械手手部机构的设计与分析J,沈阳理工大学学报, 2006 (12):58-606 邱怀轩主编.机械设计M.第四版.北京:高等教育出版社7 徐福玲主编.液压与气压传动M.第三版.机械工业出版社8 高微、杨中平、赵荣飞、段娟萍。机械手臂结构优化设计J.机械设计与制造,2006 (1):13-159 吴宗泽,机械设计适用手册M.北京:化学工业出版社,199910 唐立新马建华,工业机械手的设计J,工程技术,200811 李允文. 工业机械手设计M. 北京:机械工业出版社,199612 濮良贵纪名刚,机械设计(第七版)M,北京:高等教育出版社,2000:13 Lewis, F.L., Jagannathan, S., Yesildirek, A.: Control of Robot Manipulators and Nonlinear Systems. 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