四自由度圆柱坐标型液压机械手设计含13张CAD图带开题报告-独家.zip
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四自由度圆柱坐标型液压机械手设计摘要机械化在工业这个领域里面被越来越广泛的使用,所以重要性越来越高。它的发展也就在短短的最近这几十年,发展形成的是生产设备高科技全自动化,可以不要人工去操作,完全机械根据程序来操作机器,它可以有多个动作,多个方向来运输物品,这样可以满足在不同的环境连完成工作任务。我们这篇论文设计的是四个自由度的机械手,它主要的组成部件是手指,手腕,手臂,机器主体等。机械手设计出来以后,要实现好多种的功能,要会抓取物料,抬起和放下手臂,选择物品等,并且能够按照人们事先设定好的路线来完成工作任务。设计出来的机械手,使用的是机器安置在固定机身上的方式,自己能够将线路绕道机器的座上进行布置,它能实现机器手臂旋转,手臂的上升和下降,手臂伸出和缩回,手腕可以自己转动四个自由度;采用圆柱坐标型进行设计,驱动方式为液压驱动。机器的驱动采用液压,有很好的特点,主要是机器本身大小很小,发出来的力量大,动作起来比较平静安稳,而且伸出去的机械手能够在物体的中间停住。我们论文中设计的机械手能够满足好多物料的工作任务。关键词:四自由度、机械手、圆柱坐标型、液压ABSTRACTMechanization is more widely used in industrial inside this area, so the importance of getting high. Its development also short in multiple directions in recent decades, the development of the formation of a fully automated production equipment, high-tech, you can not go to the operating manual completely mechanical operation of the machine according to the program, which can have multiple actions, to transport goods, so that even in a different environment to meet the job done.We designed this paper are four degrees of freedom of the robot, its main components are a finger, wrist, arm, machine body and the like. After robot designed to achieve a good variety of functions, to be crawling materials, lift and lay down arms, and other select items, and can be set in advance in accordance with good line of people to complete tasks. Designed the robot, using a machine body disposed in fixed manner, they can bypass the line machine seat are arranged, it can achieve robotic arm rotation, rising and falling of the arm, the arms extend and retract, wrist can turn your own four degrees of freedom; the use of cylindrical coordinates type design, drive for hydraulic drive. Hydraulic drive machine, good features, mainly the size of the machine itself is very small, the big issue to force the action up relatively calm secure, and extend to the robot can be stopped in the middle of the object. Our paper robot designed to meet a lot of task materials.Keywords: four degrees of freedom manipulator, cylindrical coordinates type, hydraulicI目 录摘要IABSTRACTII一 绪论31 机械手的基本概念32 机械手的研究现状及发展趋势32.1 机械手的研究现状32.2 机械手的发展趋势43 机械手的应用54 机械手研究的意义65 课题研究的任务6二 机械手的设计71 机械手的总体结构71.1机械手的总体结构分析71.2机械手的总体设计方案82 驱动系统设计92.1常用驱动系统及其特点92.2 驱动设计方案103 机械手臂的设计方案113.1 机械手的技术参数113.2 机械手的手臂结构方案114 机械手臂伸出去缩回来和抬起放下的动力液压缸的设计144.1 液压缸驱动力计算144.2 尺寸计算和校核155 手腕的驱动计算205.1 手腕转动时所需的驱动力矩205.2 计算来回旋转液压缸的计算还有核对22三 结论26四 致谢27参考文献28一 绪论1 机械手的基本概念其实来说,机械手也就是我们经常所说的机器人,机器人在最近这些年发展的很快,也是一门比较新的研究领域。机器人的研究涉及到了很多的方面,有机械方面,电子方面还有计算机等方面的,很广的研究领域,研究出来的机器人实现了光机电一体化,它不仅是现在科学家们研究的最多的学科,也是国际上体现自己国家科技是否高端的重要标志。“机械手”(Machanical Hand):主要就是说一个主机控制,一个所谓的手对物体抓起或者放下,或者其他的一些操作。比方说,在工作自动化的生产线上,自己将物料放上去,将物料从生产线上取下来等等这样的自动化工作。2 机械手的研究现状及发展趋势机器手发展的很快,现在越来越多的人们了解认识它在实际工作中的作用,主要表现在以下几个方面;第一、它可以自动化操作,在有的程序上面可以省去人工操作,节省人工;第二、它不仅能够完成工作任务,主要还能够按照人们设定的程序去完成对物体的运输,装起或者卸下物体;第三、可以完成一些人工不能完成,或者比较危险的工作。这样就可以保证工人的人生安全,提高了工作效率。因为这些比较明显的一些特点,我们国家正在大力的进行机器手的研究和发展。特别是在比较危险的一些工作地点,比如高污染的环境,高灰尘,高噪音等的环境,对机器手工作的需求就很大。最近这么一些年,机器手发展很迅速,也取得了一定的显著成果。2.1 机械手的研究现状原来的机械手是比较针对性的,在特定的环境下有特定的机械手,现在经过一段时间的研究和发展,现在的机械手已经变得运用性很广泛,而不是针对特定的一个环境或者任务,现在都是以这种通用性的机械手为主了。使用这种通用性的机械手,可以再很多不同的工作地点,不同的工作要求来实现动作,这样的话很好的节约了使用成本,提高了工作效率。研究生产出这种通用性的机械手,需要到多个领域的知识,有机械,液压,电子,通讯,计算机,仿生等等,国外的发达国家研究的比较早,比我们的国家先进,但是我们国家现在已经明白了机械手在实际工作中的重要性,所以现在国家在这个领域已经加大了研究和开发,不仅在资金上进行支持,而且在学术交流上也举办了很多活动来促进他们的交流,这样可以使得对机械手进行研究的单位,互相交流彼此的研究成果。2.2 机械手的发展趋势1、我们要研究更多以液压为动力的操作方向的更多的机械手,这样的话,机械手就可以更加像人的手一样更加的灵活,这样的话就能完成更加多的操作动作。2、现在的机械手都是固定在一个工作地点,我们要研究机械手主体可以移动,这样可以使用的工作地点更多,可以在不同的地点进行工作。3、任何机器发明使用时一个方面,维修方面我们也要注意,将来维修起来也要方便,不能复杂。4、我们再研究的机械手要可以自己进行编程,或者在面对不同的工作环境,也能自己改变程序。5、研究出来跟真人比较类似的机器手,它可以和人类的手类似,可以感受所触摸到的物体。在机器手上面安装传感装置,这样可以模仿人手对物体的感觉,用主机来模仿人的大脑,这样可以在摸到物体的时候,自己进行思考,并且进行动作。用轮子安装在机器上,模仿人的双腿,可以到处移动,这样的话可以制造出智能化的机器人,用这样的机器人进行生产制造,这样的生产线就被叫做智能生产线。6、我们制造出来的机器手不能只满足功能,外观也要好看,这样才有人来购买,要用最简便的设计来实现尽可能多的动作。7、柔软度比较好的通用性的机器手现在,在国外的发达国家,主要用的机械手,在实现动作之前提前将我们需要它工作的程序输入到主机里面去,这样,机器手就按照我们的指令进行工作,这样的机器手,我们称为第二代的通用式机器手,我们现在研发的机器手是第三代机器手,智能化的机械手,它主要能实现的是自主输入程序,在遇到情况的时候,自己能够改变程序,从而能够完成工作任务,实现更多的工作角度。现在我们国家的科研单位和企业单位,都在朝着这个方向在努力,相信在一定的时间以后,我们一定能够在这个智能化机械手的研发路上有突破,我们国家在这个领域一定能够赶上发达国家,甚至能够超过发达国家处在领先地位。3 机械手的应用机械手的种类有三种。第一种完全是自动化的通用性机器手。这种机械手它不需要主机,可以自己来编制程序,完成所需要的工作任务。它的优点是不仅有普通机械手操作性的功能,按照预定的程序完成工作,另外还可以模仿人类在遇到情况外自动处理。第二种的机械手是需要人来操作的,叫做操作型机械手。原来主要在军事领域使用,最开始的时候被操作机械手是用来完成一个或者两个特定的动作,再后来发展到用无线的信号来控制机械手,使用的领域也比较有限,在高端科技领域使用,比方说月球探测等。第三种机械手是专门在某个机床或者生产线上使用的,可以叫做专用型机械手,它的主要任务就是在机床上把要加工的物料拿上机床,搬下机床,将加工好的物料传递到另一道工序上去。这种机械手被主机控制住,所有的程序都是固定的,没有变化的,因此只能在固定的场景,固定的工作程序下来使用。现在国际上主要研究发展第一种机械手,也就是通用性机械手。最早研究机械手的国家是美国。上个世纪八五年,美国研究出了第一个机械手。到了一九六二年,又在第一台机械手的基础上研究了由数控控制的机械手。此款机械手驱动采用的是液压驱动,可以实现多个动作,现在很多球坐标式通用型机械手就是以这个机器原理为基础,再研究发展起来的。日本是现在对机械手研究的发展最快,使用最广泛的国家。自从上个世纪从美国引进机械手以后,日本就开始加大力量对机械手这项技术开始研究。不管是学校还是研究机构,不管是企业投入还是国家的投入,整个国家对机械手的热情都达到了空前的热度。到上世纪的七九年,对机械手的生产上就已经达到了世界的首位。在他们国家使用机械手最多的行业还是汽车生产业,电机生产单位,电器生产企业。现在目前使用的机械手还是第一代的机械手,就是需要人来控制才能使用的机械手,但是这种机械手随便谁都可以来操作,没有办法来识别究竟谁来操作。对这种机械手,我们要首先提高它对于操作人的识别能力,降低产品的成本,提高它的精确度。4 机械手研究的意义在现代的科学发展的大背景下,机械手在实际中的运用越来越多,机械工业中,建筑上,国防上都有广泛的运用。机械手的意义我们可以概括到以下几个方面:1、使机械手的自动化程序大大的提升。在实际应用中机械手可以更好地在全自动的生产线中运送材料、装或者下工件、换一下刀具、还有机器的装配等的自动化,这样就能提高生产的效率,相对的来说生产的成本就被降低了。2、可以改善劳动条件,避免人身事故。在温度高、压力大、温度低、压力小、噪杂声、臭味、有幅射的东西的环境的地方,使用人得手直接使用是很危险的甚至是不可能的。从而使用机械手小部分或者全部帮人完成工作,使的人们劳动的双手的到解放。3、可以减少人力,并便于有节奏的生产。使用机械手帮人的双手去工作,这是可以直接减少人力的一个方面,同时使用机械手可以不断的工作,这是减少人力的劳动的另一方面。因此,在全自动化机床和综合的加工自动线上,都有机械手,所以以减少人的劳动力和好好的控制生产的节奏,便于有顺序的生产。4、用液压的系统来控制机械手,比其他的机械控制有很好的稳定性,并且控制的精度更高。5、使用机械手可以实现不停的生产,而大大满足了生产线上所需要的工作的时间,这样可以很好的提高劳动的生产效率。5 课题研究的任务我们要研发生产一种能有四个自由度的机械手,这个机械手的驱动是液压驱动。主要技术参数如下:1、工件:棒料,该物体的重量达到20斤,长度的上限是350mm,直径的长度在60100mm;2、工作区域:取物高度不小于1000mm,伸缩行程600mm;垂直移动400mm;3、工作速度:移动速度2m/s,定位精度0.5mm。二 机械手的设计1 机械手的总体结构1.1机械手的总体结构分析本文设计的四自由度圆柱坐标型液压机械手,由执行机构、驱动机构组成。1、执行机构(1)手部机械手抓物料的地方,我们采用的是结构比较简单的回转型。一般机械手上只有两根手指,根据实际操作的需要分为外抓和内抓两种。而机械手上面传力的方式有多种,比方说滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计采用液压传动的方式执行相应的动作。(2)腕部这个部分的主要作用是手和手臂的连接,并且可以旋转手的方向,使机械手动作的范围更广,变得灵活。手腕的运动方向主要有回转,上下和左右几个。基本上这几个运动方向就可以满足当下企业的工作需要了,甚至有的生产线上的机械手都没有这个腕部,直接就拿和放这些简单的动作。照现在的情况看,使用最多的就是有手腕的机械手,驱动采用的是液压驱动,这种机械手的好处是结构比较简单,活动的角度又比较多,但是也有缺点,主要就是回转的角度比较小,而且对密封性的要求很高,如果达不到的话,机械手的稳定性就会很差。所以说,如果工作要求回转角大的话,我们就要采用这一种了。(3) 手臂手臂是机械手的支撑部分,它主要的作用就是支撑住手和手腕,提高稳定性,摆动然后带着这两个部件进行运动。手臂运动的主要方向就是,将手抓取的物料,通过手臂的伸出去缩回来的运动,左右摇摆的运动,手臂抬起和放下的运动,将物料送到合理的位置,完成工作任务。 (4) 导柱整个机械手就是导柱在对它就行支撑。本篇论文中我们所设计的导柱,要能够实现手臂旋转,还有手臂升起和降下。2、驱动机构机械手想要动起来,想要进行工作,还要驱动部分。按照提供给机械手动力的来源不同,我们大体上可以将驱动分为液压驱动,气动驱动,电动驱动还有机械驱动。这四种驱动,其中液压驱动采用的比较多,主要是因为机械手的设计比较简单,而且轻便,好使用。所以在我们这篇论文中,机械手也是选用的液压驱动。1.2机械手的总体设计方案我们论文中的机械手,是圆柱坐标式机械手,这种机械手是所有机械手中被运用的最多的一种,主要可以用在搬运工作和测量的工作。这种机械手外形比较好看,结构上简单,方便,而且使用起来很方便,好控制。我们论文中的机械手主要是三个自由度组成X、Z、。它的工作范围可分为:旋转运动和直线运动。结构简图见表2.1图2.1 圆柱坐标机械手结构简图圆柱坐标式机械手实现的四个基本动作:1、手臂伸缩动作;2、手臂上下运动;3、手腕回转动作;4、手臂升降动作。本论文中的机械手是在垂直的导柱上做的回转动作,手臂抬上抬下的运动,伸出去缩回来的运动,手腕是做的旋转运动。国外的那么多种的机械手,我们所研究的这种机械手占到一半以上,其中有只有六种机械手有六个自由度。我们论文中设计的机械手就和这种比较一样。2 驱动系统设计2.1常用驱动系统及其特点一般机械手运动驱动主要有三种,液压驱动,气动驱动,电机驱动。各种驱动方式的特点见表2.1:表2.1 常用的驱动方式内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大大较大控制机械手控制的精度比较灵敏,功率大,可以连续的进行控制。控制的精度比较低,效果差,不能实现连续的控制。控制机械手的精度好,还能准确的对物体定位,使用方便,但是操作比较的繁琐。响应速度很高较高很高驱动的结构制造的结构比较合理,使用的起来按照一定的模式,比较好操作,可以直接驱动制造的结构比较合理,使用的起来按照一定的模式,比较好操作,可以直接驱动电机的结构稳定,噪音不高,但是电动机正常都要配有减速的装置。安全性能很好的防爆,但是液压驱动容易产生大火的危险能很好的防爆,但是当气压大于1000KPA的时候,要注意机器的压力不能很好的防爆,但是却没有火灾或者自身不会爆炸差环保容易有油污泄漏,不符合环保要求有噪音产生没有售后维修更换的部件价格高更换的零件价格不高更换的零部件价格高2.2 驱动设计方案按照前面说的,机械手启动起来有三种动力途径,我们比较一下液压驱动,气压驱动还有电力驱动的,这里主要说一下液压驱动比其他两种方式的好的地方: 1、在组装机械手的时候,随意性比较大,不受太大的控制,可以组装起来一些比较复杂的系统。2、工作起来比较稳定,而且启动起来快,工作的时候比较灵活,在自由度的转换上也不费劲。3、人们使用起来方便,还可以有自我过载保护的功能,不仅这些,而且还比较方便的能够自动控制,或者距离比较远的情况下被人控制。4、这种液压驱动的机械手,前期在制造的时候所采用的零部件相对于气压驱动的零部件,通用性比较好,一般的地方都能够买的到的材料,所以也就造成了制造起来简便,材料选购上不用太过费劲,而且材料价格不高。因此本文中各部分的驱动方案如下:1、手部 采用液压传动的方式执行相应的动作。2、手腕 选取的油缸是可以来回回转的,结构上头一定要卡的很紧,而且不能有空气跑进去。3、手臂 采用液压缸完成相应的动作。3 机械手臂的设计方案3.1 机械手的技术参数机械手的技术参数:工件:机械手材料,体重要有20斤,它的整个长不能超过 350mm,活动区域在60100mm。工作区域:拿取物体的时候最高要到1000mm,手臂伸出去再缩回来距离600mm;垂直移动400mm;工作速度:移动速度2m/s,定位精度0.5mm。3.2 机械手的手臂结构方案从上面的设计和分析,我们可以知道手臂需要完成伸缩、升降和回转3个动作,即实现3个自由度。按照上面的我们选用下图的手的内部结构图2.2:1-夹持器 2-齿条活塞杆 3-小齿轮 4-销 5-套筒 6-销轴 7-压力弹簧 8-法兰图2.2 齿轮齿条式手部结构图1、手部夹紧油缸的设计(1)手部驱动力计算我们论文中设计的机械手,它的手的部分驱动是液压驱动,按照机械手手指头抓住物料的地方,我们来计算抓紧力:式中:-为夹持工件的握力,;-为工件重量,N,要求抓取重量为();-为手指夹角的1/2角度,V形手指的角度;为摩擦系数 取代入式中(2)按照上面我们的手的结构的图,我们晓得液压驱动计算公式:式中:为理论驱动力,就是抓住的物料的中心点到销轴的中心的这个距离,销轴到小齿轮的中心距 代入式中(3)实际驱动力:式中为实际驱动力, 就是加工零件的工作效率,主要的原因就是我们的传动时齿轮传动的,故取为安全系数 通常取1.22 这里取就是工作情况系数 如果说我们抓工件的时候它最大的加速度取时,则: 所以 机械手抓住我们需要抓住的物料的时候液压缸所产生的驱动力就是。2、机械手的手指抓紧工件的时候,弹簧在这个时候肯定会变形,那么变形后产生的这个力为式中 为弹簧变形所产生的弹力就是机械手的手指头抓紧工件时候,手之里面的弹簧肯定会变形,这个变形的量,弹簧材料的切变模量手指头松开工件以后回复原状,弹簧丝跳回原来的位置直径为弹簧的旋绕比为弹簧的有效圈数;3、夹紧缸的工作压力机械手夹紧物料的时候,夹紧缸上的夹紧活塞工作,它在此时产生的压力P:式中 就是机械手抓紧物体时候,夹紧活塞工作所产生的压力,为实际驱动力,N为弹簧变形所产生的弹簧力,N就是封闭起来的地方所产生的压力,密封啊好了的产生的摩擦力相对工作起来的摩擦力()要稍微小一些,故取,取计算得因作用在活塞上的合成液压力即驱动力与机械载荷p相平衡,故夹紧缸的工作压力p为:式中D为夹紧缸直径,从结构设计得知所以 4 机械手臂伸出去缩回来和抬起放下的动力液压缸的设计4.1 液压缸驱动力计算我们取油缸的长,里面的直径为,直径的一半 ,工作起来的速度为,工作以后加速的时间,液压缸有油进去所产生的压力。有油进到油缸里头以后,活塞上下浮动的速度但是运动起来后油流进去油缸的这个流量为:式中:油缸(或活塞)直径, 输入无杆腔的流量, 活塞的移动速度, 流量为:油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力即油缸的驱动力为:油进去油缸的时候产生的压力, 油缸气动的时候,有油进到油缸里头以后,活塞上下浮动的速度但是运动起来后油流进去油缸的这个流量为:式中: 活塞杆直径(mm) 输入无杆腔的流量, 活塞的移动速度,则流量为:就是液压驱动启动以后这个液压缸所产生的动力: 4.2 尺寸计算和校核1、手臂伸缩油缸的设计与校核我们这里设计的液压缸,其需要的动力右液压缸提供,而后带动手臂进行伸和缩的动作要求。我们在进行该液压缸设计的时候要将液压缸在工作的过程中遇到的所用的阻力全部计算在内,也只有这样才能够保证设计的液压缸工作正常,运转起来平稳。根据任务书上面的要求,我们驱动该油缸的有效形成为600毫米,确定设计油缸的内部直径等于40mm,这里设计的内部直径,下面还要对它进行分析和印证。(1)计算作用在活塞上的总机械载荷为更好地分析油缸的受力,也为了更好地计算力。我们绘制出图2.3缸的受力图。作用在活塞上的总机械载荷P为:图2.3 缸的受力图1) 在进行P的设计的时候,我们要根据缸在实际动作过程中进行计算。经过分析之后才能够确定该数字是正、是负还是没有。经过我的分析可以晓得等于0。2) P导形状的确定主要依据的是计算数值的大小,而这里的计算我们将采用初步估算的办法进行。装置是对称的并且在该油缸的两边。依据上面的受力分析,我们可以晓得在引导油缸进退的装置的地方数值是最大的,我们对其进行下方计算:上面已经讲到了导向杆的数量是2个,分布在180的位置上面。也就是说我们只要计算出其中一个数据就可以了,依据公式:式中; 导向支承的长度, 根据相关手册取 我们晓得在正常的圆柱上面 ,取则3)密封装置处的摩擦阻力根据分析我们晓得,在液压缸工作和运作的过程中,是多个数值的综合。即 。在我们设计的液压缸,伸长杆一般是液压缸内部直径的0.5倍,密封的形式采用O型。综上所述我们知道伸缩油管处的摩擦阻力为: 式中密封圈与配合面的摩擦系数,主要与密封圈形式、材料与配合接触的零件材料和油液压力有关。对于O型橡胶密封圈,当油液压力时,。油液压力高时取小值,压力低时取大值,在本次设计中取。密封处的工作压力,伸缩油管直径,密封的有效长度查阅相关设计资料我们得到估算 式中: 一般为,在这里取 是直径。则4)惯性力在设计的臂膀在工作的初期,其杆的受力是平均的,即这里面上面已经解释,(包括被抓物件重量);,启动过程的时间 则5)背压阻力油缸低压油液所造成的阻力。正常情况下计算。由于,故。所以 因为,故该油缸的尺寸符合使用要求。6)导向装置主要的作用是引导设计的液压缸按照预想的轨迹进行相应的伸长或者缩回或者上升或者下降的工。在分析了本人设计的机械手,权衡零件的造价以后,我们这里将选用在圆周方向上呈180对称分布的导向缸来进行引导,这样做的好处是保证机械手正常运作的同时,还提高了工作过程中的稳定剂。2、手臂升降油缸的设计与校核根据指导老师提供的任务书上面的数据,我们可以晓得升降的有效行程是,液压缸工作时候的速度是,还能够晓得,液压缸内部的直径,也就是,工作口进入时候,在垂直工作的时候。驱动力为:由经验公式可得: 故作用在活塞上的推力:因为,所以伸缩油缸的尺寸符合要求。3、手臂回转油缸的设计与校核为了更好地进行设计、分析和在设计,我们绘制出图2.4运动图。图2.4 运动图初步设计液压缸内部的直径,也就是,回转杆,也就是,油缸运行角速度,加速度时间,进油压力依据公式还要包含缸体在回转的过程中和相关部件摩擦产生的相关的阻碍的力矩的数值。我们再次查看相关设计手册得出: 其中上面的公式计算的结果是以厘米进行计算的,上面的工作讲到的b1是密封装置和缸体组合而成以后的有效的数值宽度。由设计估算: 在惯性力的作用下产生的力矩,依据相关的设计手册我们可以得到,他的计算公式式中回传的缸在工作的时候产生的转动的角速度,其。起动过程的时间,运动部件在工作,这里讲到的工作主要就是圆周转动,当然了也包含工件本身的圆周转动的时候所拥有的转动的惯性的数值,其单位是。经过和同学、老师以及自己的分析以后我要晓得了,的计算是一个相当不容易的过程,为什么呢?因为涉及到的工件其外部的现在是千千万万的,不同的外部形状,不同的重力产生的数值,那么他的计算的方法和计算的大小也就不一样了。这里我们为了进行简单的计算,寻求通用的计算方法。我们将复杂的零件您可能的规划成相对而言比较简单的零件,然后对分割以后的零件进行一一的计算,最终将这些计算的数值全部加起来,就得到了我们需要计算的数值,这样问题也就得到了解答了。,手臂回转力矩得出结论 依据上面的设计,我们可以清晰的看到计算的数值比允许的数值要小。也就是将我们的设计是合理。5 手腕的驱动计算5.1 手腕转动时所需的驱动力矩根据我们预先设计好的4个自由度里面,其中有一个自由度将的就是手臂腕部的转动动作。根据了理论我们晓得我们设计的工作力矩一定要大于因为阻碍产生的阻碍的力矩数值。为了更好的设计和分析手臂腕部。我们绘制出手臂腕部的受力图2.5。1、工件 2、手部 3、手腕图2.5 受力图通过上面的详细的分析,我们晓得手臂腕部力矩的数值的计算可以通过下面的计算来进行: 依据上面的计算公式,我们将对上面的4个组成部分进行一一的计算和校核,下面数值的计算主要依据上面的一个受力图2.5。1、机械手的腕部提高速度的时候所产生的力假如机械手的腕部开始工作提高速度运动,那么 式子里面- 在机械手的腕部转动的时候产生的惯性,;-在机械手的腕部转动的时候产生的惯性,;机械手的腕部转起来的时候所产生的速度,还有弧度;机械手启动起来所耗费的时间,假如被抓取物料的中心与转动起来的中心线不重叠,那么它转动起来的惯性所产生的力量为式中-被抓取的物件转过重心点所产生的惯性的力量,;-工件的重量;-工件的重心到转动轴线的偏心距,;-手腕转动时的角速度,弧度/s;-起动过程所需的时间,;起动过程所转过的角度,弧度;2、机械手的腕部转动和被抓取的物料的重量导致机械手产生了偏重力M偏 ,在公式里面-机械手的手腕在拿着工件转动的时候它的重量,;-机械手拿着东西转动的时候整体重量的重心到转动的时候产生的轴线的重心的距离,叫偏心距离;机械手在拿着物料的时候整体的重心跟机械手手腕转动的时候产生的轴线相符合的时候,那么。3、机械手的手腕在转动的时候产生的摩擦力和阻力 , 里面 ,- 旋转起来的轴它喉咙部分的直径,;-摩擦所产生的系数,滚动起来的轴,滑动起来的轴;,-处支撑起来的反力,N,可以遵循机械手的腕部转动起来产生的力量来剖析, 根据,得同理,根据,得式中-手部的重量-如图2.5所示的长度尺寸,5.2 计算来回旋转液压缸的计算还有核对就像图里面2.6所展示的,机械手的腕部环绕着X轴来运动,我们叫做来回旋转运动,环绕着Y轴的运动,我们叫做上下运动,围绕着Z轴的运动,我们又叫做左右运动,还可以顺着Y轴的路线来进行横向的运动。所以所,机械手的手腕最多的时候能有四个单独不重复的运动。图2.6 手腕运动示意图机械手的手腕它能工作的方向的选择和机械手的使用的普遍性,加工的时候工艺的要求,加工时候物料怎么摆放,怎么定位等好多的原因有关系。因为我们呢设计的机械手拿取的物料是水平摆在台面上的,与此同时我们还要考虑使用的普遍性,所以说设计的机械手手腕需要设计一个围绕着X轴旋转的运动才行,在这里我们选择回转油缸,因为它在实际操作里面被用的最多,为什么大部分人都采用这种呢,主要因为它的内部结构很紧凑,而且密封也很好。我们所设计的油缸它的内部直径是,直径的一半是,旋转轴承的直径,旋转轴承直径的一半是,液压驱动的时候里面油缸转动所产生的角度是,加起速度以后产生的时间,油缸工作起来后所产生的压力,动片宽度为。力矩1、测量一下确定了手腕部分的重量,这些重量在机械手上的分布,每个部件均匀的分布在 的底座上,这样的话转动起来以后产生的惯性的力量: 机械手所拿取的物料的重量为20g,这么大的重量均匀的布局在长度为的机械手上,这样的话转动起来以后产生的惯性的力量为如果说拿取的物料的中心点和转动起来形成的线不复合的话,那么对于长度为350mm的手臂来说,产生的偏差的距离就175mm,那么它转动起来产生的惯性的力量计算:则:2、机械手的腕部转动起来和拿着物料转动起来形成的中心点,两个中心点肯定会有偏差,这么偏差胶制作M偏,我们假象机械手手腕转动起来的重心和转动起来的轴线相复合,机械手的手腕拿着一个物料的时候重心就会发生偏离原来的转动所产生的轴线,则 里面机械手手腕来回转动的地方的重量;机械手抓取的物料的重量3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为由于是液压传动,润滑比较好,根据经验得知摩擦力矩很小,故忽略不计。4、回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 式中为回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩,;为输出轴与缸盖密封装置处的摩擦阻力矩,式中输出轴与缸盖密封处直径,密封的有效长度, “O”形密封圈的截面直径;“O”形圈在装配时的压缩率,对于回转运动,,取摩擦系数,回转油缸的工作压力,则为动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力矩,;动片外径与油缸密封装置处的摩擦阻力矩,;动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力矩其中回转油缸直径;回转油缸与动片连接处直径由设计得则动片外径与油缸密封装置处的摩擦阻力矩 其中为动片的宽度,和同上述。则5、回转油缸回油腔的背压反力矩 其中为回油腔的油液压力,在这里初步估算为则 则手腕回转油缸所需的驱动力矩为:所以设计尺寸符合使用要求,安全。三 结论这次我所设计的机械手,运用了我大学四年学习的知识,对所有学习的知识进行了一次大的融合和运用。此次毕业设计的完成让我又重新复习了一遍在学校里面学习的知识,对一些不熟悉的知识再次进行了复习和学习,同时也培养了我作为一个机械人应该具备的基础知识和专业素养,为将来我参加工作做了一个很好的前期铺垫。我论文中的机械手是四个自由度的机械手,驱动是液压驱动。现在社会的不断发展,科技也不断的提高,我们社会对于机械手的设计也越来越精密,越来越符合实际的生产需求。文中机械手由手指,手腕部,手臂膀等主要部件组成。在设计过程中进行的严格、具体的设计、算数。因为经验的不足,在学习上面的知识也不足。因为总总的不足在设计的过程中会出现失误,还请各位老师指正。在构想的机械手的设计中,我查了好多的相关书籍,图片,资料和网上的相关资料,特别是在资料中看到的其他的总总设计资料中,我所学习的知识的到了更好的提升;在这次的机械手的设计中,让我对机械上面的知识有了更多的了解,因此让我对机械方面有了更高的了解。通过这次的机械手设计业让我的设计能力的到了很大的提高。我希望通过本次毕业设计对自己未来将从事的工作是更高的提升,这样能更好的锻炼自己的能力,为将来的工作能更好的发挥。四 致谢在这次设计中,是通过老师的悉心指导才能很好地完成的。老师的严格教学的态度和精益求精的作风使我受益匪浅。在这里,我要特别的感谢我的老师,并致以崇高的敬意! 这次毕业设计是我们在大学四年中学习的知识的以中结合运用,通过这次设计把这四年学习的基础知识和专业知识作了一个总结和复习,从而使我更加了解了我学习的专业知识,这样让我更好的了解机械设计的思路,因此在以后的工作中能更好的运用我学习的知识。在这次的设计中,我得到了指导老师悉心指导,同组同学的全力帮助,同时还要感谢学校提供这样好的学习环境给我们,使得我们得到了比较好的提升。指导老师为人比较的谦虚、学识和知识比较渊博、处事方面比较的严谨,他是我们学习的榜样和行动的指南。平时我们的指导老师就比较的辛苦,但是他每周都能够抽出时间来帮助我们解决设计中存在的问题和设计中存在的疑问。这这里,我要向我的老师表示我心里面最崇高的敬意和感谢,感谢我的同组同学,为我在设计的过程中提供的任何的帮助,可以这样讲没有你们的帮助,就没有我本次设计的成功。谢谢你们。最后,因为这篇设计做的时间上比较的急、设计内容和构思上比较的粗糙,还请大家帮我修改。感谢。参考文献1 冯辛安,黄玉美.机械制造装备设计.第1版.北京:机械工业出版社,1999(3):56-682 朱灯林 姜涛 王安麟等. 柔性机械手结构/控制融合设计.上海:2000(2): 35-803 张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社,1988:60-644 E.L.萨福德(美).高级机器人手册. 第1版.上海:上海翻译出版公司,1987:10-125 马香峰.工业机器人的操作机设计.第1版.北京:冶金工业出版社,1996:50-566 何发昌.多功能机器人的原理及应用.第1版.北京:高等教育出版社,1996:16-207 孟繁华.机器人应用技术.第1版.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,1989:12-158 机械设计手册(第五卷:工业机器人).北京:机械工业出版社,1992:85-899 王启义.机械制造装备设计.第1版.北京:冶金工业出版社,2003:76-8210 李梅,冯建雨.PLC在机械手自动控制装置中的应用分析,2004:5-2011 朱梅.具有五自由度及张合气爪的液压机械手,2006:20-2812 成大先.机械设计图册.北京:化学工业出版社,2001:85-9613 殷际英,何广平.关节型机器人.北京:化学工业出版社,2003:55-8914 杨培元,朱福元.液压系统设计简明手册.北京:机械工业出版社,2003:88-10615 陆祥生,杨秀莲.机械手-理论及应用.北京:机械工业出版社,2003:8-2016 工业机械手编写组,工业机械手,上海:上海科学技术出版社,1978:56-8217 张利平.液压传动系统及设计,化学工业出版社,2005:50-8518 CASTANO A,WILL PMechanical design of a module for reconfigurable robotsProcIEEEIROS00,2002:2203-220919 CHIRIKJIAN GKinematics of a metamorphic robotic systemProcIEEEICRA,1995:44945520 Peter Nachtway. How Hydraulic Motion -control Measures up. Machine Design, April 15, 2004:56-93.30四自由度圆柱坐标型液压机械手设计开题报告一、 研究的基本内容与拟解决的主要问题(或研究的主要内容及预期目标):1. 研究的背景和意义随着生产现代化的发展,企业对人才培养的要求日益提高,机电一体化方面从设计、组装、编程、调试到故障检测与排除等一系列具有实际应用经验的综合性人才更是紧缺。其中,我们所研制的下料机械手,可以对进一步研究机械手的工作原理和工作过程奠定一定的基础,同时,还可用于学生对机械手的操作,激发学生的专业学习兴趣,树立一定的工程概念。2. 研究的基本内容设计一个四自由度圆柱坐标型液压机械手设计,主要的技术参数:工件:棒料,重量10公斤,最大长度350mm,直径60100mm。工作区域:取物高度不小于1000mm,伸缩行程600mm;垂直移动400mm;工作速度:移动速度2m/s,定位精度0.5mm。3. 拟解决的主要问题 (1)根据任务书给定的作业区域的极限位置计算确定大小手臂长度和旋转角度等一些重要的几何参数。(2)通过调研和分析确定机械手传动方案、总体配置和详细结构设计;设计的各部分间能有机结合,相互协调。(3)重点是机械手方案,机座、手臂、手爪的结构设计,工艺性等技术问题。 二、 研究的方法与技术路线(或研究步骤、方法和研究措施):1. 研究的方法(1)调查法(2)文献研究法(3)模拟法2. 技术路线(1)收集信息:查阅文献 (2)处理信息:对查阅的文献进行分类整理。了解国内外对于机械手的研究现状以及存在的优缺点。为后续的专用铣床的设计提供参考和理论依据。 (3)产品设计计算:翻阅之前的文献,结合自己所学的知识,对现在市面上的机械手进行优化设计,使它能满足设计要求。绘制机械手总装图和非标零件图;编写计算说明书(毕业论文)。 (4)总结感悟:通过这次的毕业设计,学会总结每一次设计的过程和细节,能把学到的知识运用到学习和工作中去。三、 研究的总体安排与进度:第一阶段:外文翻译。完成日期:2014年11月28日第二阶段:文献综述。完成日期:2014年12月5日第三阶段:开题报告。完成日期:2014年12月12日第四阶段:完成所有图纸和说明书。完成日期:2015年1月15日第五阶段:论文定稿。1月15日,上交给指导教师或院办。最后阶段:答辩。四、 论文提纲:一、 绪论二、 设计1. 机械手的总体结构 1.1机械手的总体结构分析 1.2机械手的总体设计方案2. 驱动系统设计2.1常用驱动系统及其特点2.2驱动设计方案3. 机械手臂的设计方案 3.1机械手的技术参数 3.2机械手的手臂结构方案 4. 手臂伸缩与升降液压缸的结构设计 4.1液压缸驱动力计算 4.2 尺寸计算和校核5. 手腕的驱动计算 5.1手腕转动时所学的驱动力矩 5.2回转液压缸的尺寸计算及校核三、结论四、致谢五、参考文献 五、 主要参考文献:【1】 张福学编机器人技术及其应用M.北京:电子工业出版社,2000【2】 工业机械手图册编写组.工业机械手图册M.北京:机械工业出版社,1978【3】 朱世福,王宣银.机器人技术及其应用M.杭州:浙江大学出版社,2005【4】 陆祥生,杨绣莲.机械手.中国铁道出版社.1985.1.【5】 李允文.工业机械手设计.机械工业出版社.1996.4.【6】 成大先. 机械设计手册.单行本. 液压传动M.北京: 化学工业出版社,2004.【7】 袁子荣.液气压传动与控制M.重庆: 重庆大学出版社,2002.【8】 张桂香.机电类专业毕业设计指南M.北京: 机械工业出版社,2005.【9】 黄伟,胡青龙.机械手PLC控制系统的设计J.机电工程技术,2008.37【10】工业机械手编写组.工业机械手M.上海:上海科学技术出版 社,1978,12:1517【11】王承义.机械手及其应用M.北京:机械工业出版社,1981,6:3537【12】工业机械手编写设计基础编写.工业机械手设计基础M.天津:天津科学技术出版社,1979:54455【13】天津大学工业机械手设计基础编写组编.工业机械手设计基础M.天津:天津科学技术出版社,1979:3444指导教师审核意见: 指导教师签字 XXXX年 11月 30日教研室审核意见:教研室主任签字 XXXX年 11月30日
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