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轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真

摘 要

随着工业自动化发展的需要,机械手在工业应用中越来越重要.文章主要叙述了机械手的设计计算过程.

首先,本文介绍机械手的作用,机械手的组成和分类,说明了自由度和机械手整体座标的形式.同时,本文给出了这台机械手的主要性能规格参量.

文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法.全面详尽的讨论了搬运机械手的手部,腕部,手臂以及机身等主要部件的结构设计.

最后使用软件对机械手的手部实现运动仿真.

关 键 词:机械手,运动仿真,液压传动,液压缸,

Thelightstablemotiontransportanipulator'sdesignandthemovementsimulation

Abstract

Theapplyingofthemanipulatorsaremoreandmoreimportantintheindustry,withthedevelopmentofindustrialautomation.Thepapermainlynarratedthedesignandcalculationoflightandtranermanipulator.

Thefirst,Thepaperintroducesthefunction,posingandclassificationofthemanipulator,tellsoutthefree-degreeandtheformofcoordinate.Atthesametime,thepapergivesouttheprimaryspecificationparameterofthianipulator.

Thisarticlesystemelaborationindustrymanipulator'sdesigntheoryandmethod.Theprehensiveexhaustivediscussionhastransportedmanipulator'shand,thewrist,thearm,thefuselageandsoon,whichthemajorstructuraldesignputation.

Finallyusesthesoftwaretocarryoutthemovementsimulationformanipulator'shand.

Keywords:manipulator,motionsimulation,hydraulicpowertranission,Hydrauliccylinder

目录

中文摘 要1

英文摘 要2

主要符号表5

1绪论1

1.1前言1

1.2工业机械手的简史1

1.3工业机械手在生产中的应用3

1.3.1建造旋转零件(转轴,盘类,环类)自动线3

1.3.2在实现单机自动化方面3

1.3.3铸,锻,焊热处理等热加工方面3

1.4机械手的组成4

1.4.1执行机构4

1.4.2驱动机构4

1.4.3控制系统分类5

1.5工业机械手的发展趋势5

1.6本文主要研究内容6

1.7本章小结6

2机械手的总体设计方案7

2.1机械手基本形式的选择7

2.2机械手的主要部件及运动7

2.3驱动机构的选择8

2.4机械手的技术参数列表8

2.5本章小结8

3机械手手部的设计计算9

3.1手部设计基本要求9

3.2典型的手部结构9

3.3机械手手抓的设计计算9

3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置9

3.3.2手抓的力学分析10

3.3.4夹紧力及驱动力的计算11

3.3.5手抓夹持范围计算12

3.4机械手手抓夹持精度的分析计算13

3.5弹簧的设计计算14

3.6本章小结16

4腕部的设计计算17

4.1腕部设计的基本要求17

4.2腕部的结构以及选择17

4.2.1典型的腕部结构17

4.2.2腕部结构和驱动机构的选择18

4.3腕部的设计计算18

4.3.1腕部设计考虑的参数18

4.3.2腕部的驱动力矩计算18

4.3.3腕部驱动力的计算19

4.3.4液压缸盖螺钉的计算20

4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉21

4.4本章小结22

5臂部的设计及有关计算23

5.1臂部设计的基本要求23

5.2手臂的典型机构以及结构的选择24

5.2.1手臂的典型运动机构24

5.2.2手臂运动选择机构的24

5.3手臂直线运动的驱动力计算24

5.3.1手臂摩擦力的分析与计算24

5.3.2手臂惯性力的计算26

5.3.3密封装置的摩擦阻力26

5.4液压缸工作压力和结构的确定26

5.5本章小结28

6机身的设计计算29

6.1机身的整体设计29

6.2机身回转机构的设计计算30

6.3机身升降机构的计算34

6.3.1手臂偏重力矩的计算34

6.3.2升降不自锁条件分析计算35

6.3.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算36

6.4轴承的选择方案36

6.5本章小结37

7ADAMS模型的建立与仿真38

7.1虚拟样机技术38

7.2ADAMS软件38

7.3手部模型的建立40

7.4本章小结44

8结论45

主要符号表

手指夹紧力N

D弹簧中径

弹簧内径

弹簧外径

C弹簧旋绕比

n弹簧有效圈数

M转动缸的回转力矩

偏重力臂mm

偏重力矩

t螺钉间距mm

螺钉承受的拉力N

工作载荷N

预紧力N

转动缸起动角度

转动缸转动角速度1绪论

1.1前言

用于再现人手的的功能的技术装置称为.机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序,轨迹和要求实现自动抓取,搬运或操作的自动机械装置.在工业生产中应用的机械手被称为.

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,显着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.

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.

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,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.

1.2工业机械手的简史

现代工业机械手起源于20世纪50年代初,是基于示教再现和主从控制方式,能适应产品种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化.

机械手首先是从美国开始研制的.1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手.他的结构是:机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的.

1962年,美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手.商名为Unimate(即万能自动).运动系统仿造坦克炮塔,臂回转,俯仰,用液压驱动,控制系统用磁鼓最存储装置.不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的.同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司(Unimaton)机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象.机械手可以完成许多工作,如搬物,装配,切割,喷染等等,应用非常广泛..

1.4.1执行机构

(1)手部既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构简单).手部多为两指(也有多指),根据需要分为外抓式和内抓式两种,也可以用负压式或真空式的空气吸盘(主要用于吸冷的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘.

传力机构形式教多,常用的有: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.

(2)腕部是连接手部和臂部的部件,并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2700),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)臂部手臂部件是机械手的重要握持部件.它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹具),并带动他们做空间运动.

臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点.如果改变手部的姿态(方位),则用腕部的自由度加以实现.因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求,即手臂的伸缩,左右旋转,升降(或俯仰)运动.

手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中既受腕部,手部和工件的静,动载荷,而且自身运动较为多,受力复杂.因此,它的结构,工作范围,灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能.

(4)行走机构有的工业机械手带有行走机构,我国的正处于仿真阶段.

1.4.2驱动机构

驱动机构是工业机械手的重要组成部分.根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压,气动,电动和机械驱动等四类.采用液压机构驱动机械手,结构简单,尺寸紧凑,重量轻,控制方便.

1.4.3控制系统分类

在机械手的控制上,有点动控制和连续控制两种方式.大多数用插销板进行点位控制,也有采用可编程序控制器控制,微型计算机控制,采用凸轮,磁盘磁带,穿孔卡等记录程序.主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性.

1.5工业机械手的发展趋势

(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6.5万美元.

(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着名实例.

(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

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列之.

1.6本文主要研究内容

本文研究了国内外机械手发展的现状,通过学习机械手的工作原理,熟悉了搬运机械手的运动机理.在此基础上,确定了搬运机械手的基本系统结构,对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析,完成了机械手机械方面的设计工作(包括传动部分,执行部分,驱动部分)的设计工作.进而运用ADAMS软件对机械手的手部及升降机构作了运动仿真分析.掌握了机械仿真的一般过程.

1.7本章小结

本章简要的介绍了机械手的基本概念.在机械手的组成上,系统的从执行机构,驱动机构以及控制部分三个方面说明.比较细致的介绍了机械手的发展趋势,简要的叙述了本文研究的内容.

机械手的总体设计方案

本课题是轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真.本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计,以及ADAMS软件进行简单的运动仿真.在本章中对机械手的座标形式,自由度,驱动机构等进行了确定.因此,在机械手的执行机构,驱动机构是本次设计的主要任务,然后通过ADAMS软件对机械手的手部进行简单的运动仿真.

2.1机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:(1)直角坐标型机械手,(2)圆柱坐标型机械手,(3)球坐标(极坐标)型机械手,(4)多关节型机机械手.其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,因此本设计采用圆柱坐标.图1是机械手搬运物品示意图.图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B.(3)臂部,采用直线缸来实现手臂平动1.2m.(4)机身,采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转.

2.3驱动机构的选择

驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置.根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压,气动,电动和机械驱动等四类.采用液压机构驱动机械手,结构简单,尺寸紧凑,重量轻,控制方便,驱动力大等优点.因此,机械手的驱动方案选择液压驱动.

2.4机械手的技术参数列表

一、用途:搬运:用于车间搬运

二、设计技术参数:

1,抓重:60Kg(夹持式手部)

2,自由度数:5个自由度

3,座标型式:圆柱座标

4,最大工作半径:1600mm

5,手臂最大中心高:1248mm

6,手臂运动参数

伸缩行程:1200mm

伸缩速度:83mm/s

升降行程:300mm

升降速度:67mm/s

回转范围:

7,手腕运动参数

回转范围:

2.5本章小结

本章对机械手的整体部分进行了总体设计,选择了机械手的基本形式以及自由度,确定了本设计采用液压驱动,给出了设计中机械手的一些技术参数.下面的设计计算将以次进行.

3机械手手部的设计计算

3.1手部设计基本要求

(1)应具有适当的夹紧力和驱动力.应当考虑到在一定的夹紧力下,不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的.

(2)手指应具有一定的张开范围,手指应该具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度),以便于抓取工件.

(3)要求结构紧凑,重量轻,效率高,在保证本身刚度,强度的前提下,尽可能使结构紧凑,重量轻,以利于减轻手臂的负载.

(4)应保证手抓的夹持精度.

3.2典型的手部结构

(1)回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种.

(2)移动型移动型即两手指相对支座作往复运动.

(3)平面平移型.

3.3机械手手抓的设计计算

3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置

本设计是设计平动搬运机械手的设计,考虑到所要达到的原始参数:手抓张合角等于,夹取重量为60Kg.常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类.吸附式常用于抓取工件表面平整,面积较大的板状物体,不适合用于本方案.本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移

型.平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单,适于夹持平板方料,且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置,其理论夹持误差零.若采用典型的平移型手指,驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大.显然是不合适的,因此不选择这种类型.

通过综合考虑,本设计选择二指回转型手抓,采用滑槽杠杆这种结构方式.夹紧装置选择常开式夹紧装置,它在弹簧的作用下机械手手抓闭和,在压力油作用下,弹簧被压缩,从而机械手手指张开.

3.3.2手抓的力学分析

下面对其基本结构进行力学分析:滑槽杠杆图3.1(a)为常见的滑槽杠杆式手部结构.

(a)(b)

图3.1滑槽杠杆式手部结构,受力分析

1——手指2——销轴3——杠杆

在杠杆3的作用下,销轴2向上的拉力为F,并通过销轴中心O点,两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2,其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点,交和的延长线于A及B.

由等于0得

等于0得

由等于0得h

F等于(3.1)

式中a——手指的回转支点到对称中心的距离(mm).

——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角.

由分析可知,当驱动力一定时,角增大,则握力也随之增大,但角过大会导致拉杆行程过大,以及手部结构增大,因此最好等于.

3.3.3夹紧力及驱动力的计算

手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据.必须对大小,方向和作用点进行分析计算.一般来说,需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷,以便工件保持可靠的夹紧状态.

手指对工件的夹紧力可按公式计算:(3.2)

式中——安全系数,通常1.22.0,

——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响.可近似按下式估其中a,重力方向的最大上升加速度,

——运载时工件最大上升速度

——系统达到最高速度的时间,一般选取0.030.5s

——方位系数,根据手指与工件位置不同进行选择.

G——被抓取工件所受重力(N).

表3-1液压缸的工作压力

作用在活塞上外力F(N)液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F(N)液压缸工作压力Mpa小于500050000以上

计算:设a等于100mm,b等于50mm,<,<,,机械手达到最高响应时间为0.5s,求夹紧力和驱动力和驱动液压缸的尺寸.

设

等于等于1.02

根据公式,将已知条件带入:

等于1.5

(2)根据驱动力公式得:

等于1378N

(3)取

(4)确定液压缸的直径D

选取活塞杆直径d等于0.5D,选择液压缸压力油工作压力P等于0.81MPa,

根据表4.1(JB826-66),选取液压缸内径为:D等于63mm

则活塞杆内径为:

D等于630.5等于31.5mm,选取d等于32mm

3.3.4手抓夹持范围计算

为了保证手抓张开角为,活塞杆运动长度为34mm.

手抓夹持范围,手指长100mm,当手抓没有张开角的时候,如图3.2(a),当张开时,如图3.2(b)计算如下:

机械手的夹持半径从

(a)(b)

图3.2手抓张开示意图

3.4机械手手抓夹持精度的分析计算

机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能.

机械手能否准确夹持工件,把工件送到指定位置,不仅取决于机械手的定位精度(由臂部和腕部等运动部件来决定),而且也于机械手夹持误差大小有关.特别是在多品种的中,

小批量生产中,为了适应工件尺寸在一定范围内变化,一定进行机械手的夹持误差.

图3.3手抓夹持误差分析示意图

该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度.

机械手的夹持范围为80mm180mm.

一般夹持误差不超过1mm,分析如下:

工件的平均半径:

手指长,取V型夹角

偏转角按最佳偏转角确定:

计算

当S时带入有:

夹持误差满足设计要求.

3.5弹簧的设计计算

选择弹簧是压缩条件,选择圆柱压缩弹簧.如图3.4所示,计算如下.

图3.4圆柱螺旋弹簧的几何参数

(1).选择硅锰弹簧钢,查取许用切应力

(2).选择旋绕比C等于8,则

(3.3)

(3).根据安装空间选择弹簧中径D等于42mm,估算弹簧丝直径

(4).试算弹簧丝直径(3.4)

(5).根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数:

(3.5)

选择标准为,弹簧的总圈数圈

(6).最后确定,,,

(7).对于压缩弹簧稳定性的验算

对于压缩弹簧如果长度较大时,则受力后容易失去稳定性,这在工作中是不允许的.为了避免这种现象压缩弹簧的长细比,本设计弹簧是2端自由,根据下列选取:

当两端固定时,,当一端固定,一端自由时,,当两端自由转动时

结论本设计弹簧,因此弹簧稳定性合适.

(8).疲劳强度和应力强度的验算.

对于循环次数多,在变应力下工作的弹簧,还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算(如果变载荷的作用次数,或者载荷变化幅度不大时,可只进行静应力强度验算).

现在由于本设计是在恒定载荷情况下,所以只进行静应力强度验算.计算公式:(3.6)

选取1.31.7(力学性精确能高)(3.7)

结论:经过校核,弹簧适应.

3.6本章小结

通过本章的设计计算,先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析,然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力,夹紧用的弹簧,驱动力进行计算,在满足基本要求后,对手部的夹持精度进行分析计算.

4腕部的设计计算

4.1腕部设计的基本要求

(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

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(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.

(3)必须考虑工作条件

对于本设计,机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料,因此不太受环境影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对机械手的腕部没有太多不利因素.

4.2腕部的结构以及选择

4.2.1典型的腕部结构

(1)具有一个自由度的回转驱动的腕部结构.它具有结构紧凑,灵活等优点而被广腕部回转,总力矩M,需要克服以下几种阻力:克服启动惯性所用.回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定(一般小于).

(2)齿条活塞驱动的腕部结构.在要求回转角大于的情况下,可采用齿条活塞驱动的腕部结构.这种结构外形尺寸较大,一般适用于悬挂式臂部.

(3)具有两个自由度的回转驱动的腕部结构.它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度.

(4)机-液结合的腕部结构.

4.2.2腕部结构和驱动机构的选择

本设计要求手腕回转,综合以上的分析考虑到各种因素,腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构,采用液压驱动.

4.3腕部的设计计算

4.3.1腕部设计考虑的参数

夹取工件重量60Kg,回转.

4.3.2腕部的驱动力矩计算

腕部的驱动力矩需要的力矩.

腕部回转支撑处的摩擦力矩.

夹取棒料直径100mm,长度1000mm,重量60Kg,当手部回转时,计算力矩:

(1)手抓,手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体,高为220mm,直径120mm,其重力估算G等于3.14

擦力矩.

启动过程所转过的角度等于0.314rad,等速转动角速度.

(4.1)

查取转动惯量公式有:

代入:

4.3.3腕部驱动力的计算

表4-1液压缸的内径系列(JB826-66)(mm)

2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸:根据表4-1设缸体内空半径R等于110mm,外径根据表3-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度,考虑到实际装配问题后,其外径为226mm,动片宽度b等于66mm,输出轴r等于22.5mm.基本尺寸示如图4.1所示.则回转缸工作压力,选择8Mpa

图4.1腕部液压缸剖截面结构示意

表4.2标准液压缸外径(JB1068-67)(mm)

液压缸内径405063809010011012514015016018020020钢P5060769510812113316814618019421924545钢506076951081211331681461801942192454.3.4液压缸盖螺钉的计算

图4.2缸盖螺钉间距示意

表4.3螺钉间距t与压力P之间的关系

工作压力P(Mpa)小于150小于120小于100小于80

缸盖螺钉的计算,如图4.2所示,t为螺钉的间距,间距跟工作压强有关,见表4.3,在这种联结中,每个螺钉在危险剖面上承受的拉力

(4.2)

计算:

液压缸工作压强为P等于8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,试选择8个螺钉,,所以选择螺钉数目合适Z等于8个

危险截面

(4.3)

所以等于11863.3+10545等于19772N

螺钉材料选择Q235,()(4.4)

螺钉的直径选择d等于16mm.

4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉

动片和输出轴间的连接螺钉

动片和输出轴之间的连接结构见上图.连接螺钉一般为偶数,对称安装,并用两个定位销定位.连接螺钉的作用:使动片和输出轴之间的配合紧密.

于是得(4.5)

D——动片的外径,

f——被连接件配合面间的摩擦系数,刚对铜取f等于0.15

螺钉的强度条件为

(4.6)

或(4.7)

带入有关数据,得

螺钉材料选择Q235,则()

螺钉的直径选择d等于12mm.选择M12的开槽盘头螺钉.

4.4本章小结

本章通过四种基本的手腕结构,选择了具有一个自由度的回转驱动的腕部结构.并进行的腕部回转力矩的计算,同时也计算了回转缸连接螺钉的直径.

5臂部的设计及有关计算

手臂部件是机械手的主要握持部件.它的作用是支撑腕部和手部(包括工件或工具),并带动它们作空间运动.手臂运动应该包括3个运动:伸缩,回转和升降.本章叙述手臂的伸缩运动,手臂的回转和升降运动设置在机身处,将在下一章叙述.

臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点.如果改变手部的姿态(方位),则用腕部的自由度加以实现.因此,一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求,既手臂伸缩,左右回转,和升降运动.手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中即直接承受腕部,手部,和工件的静,动载荷,而且自身运动较多.因此,它的结构,工作范围,灵活性等直接影响到机械手的工作性能.

5.1臂部设计的基本要求

根据受力情况,合理选择截面形状和轮廓尺寸.

提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离.

合理布置作用力的位置和方向.

注意简化结构.

提高配合精度.

机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一,它反映机械手的生产水平.对于高速度运动的机械手,其最大移动速度设计在,最大回转角速度设计在内,大部分平均移动速度为,平均回转角速度在.在速度和回转角速度一定的情况下,减小自身重量是减小惯性的最有效,最直接的办法,因此,机械手臂部要尽可能的轻.减少惯量具体有3个途径:

减少手臂运动件的重量,采用铝合金材料.

减少臂部运动件的轮廓尺寸.

减少回转半径,再安排机械手动作顺序时,先缩后回转(或先回转后伸缩),尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作.

驱动系统中设有缓冲装置.

三、手臂动作应该灵活

为减少手臂运动之间的摩擦阻力,尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦.对于悬臂式的机械手,其传动件,导向件和定位件布置合理,使手臂运动尽可能平衡,以减少对升降支撑轴线的偏心力矩,特别要防止发生机构卡死(自锁现象).为此,必须计算使之满足不自锁的条件.

总结:以上要求是相互制约的,应该综合考虑这些问题,只有这样,才能设计出完美的,性能良好的机械手.

5.2手臂的典型机构以及结构的选择

5.2.1手臂的典型运动机构

常见的手臂伸缩机构有以下几种:

双导杆手臂伸缩机构.

手臂的典型运动形式有:直线运动,如手臂的伸缩,升降和横向移动,回转运动,如手臂的左右摆动,上下摆动,符合运动,如直线运动和回转运动组合,两直线运动的双层液压缸空心结构.

双活塞杆液压岗结构.

活塞杆和齿轮齿条机构.

5.2.2手臂运动机构的选择

通过以上,综合考虑,本设计选择双导杆伸缩机构,使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸.

5.3手臂直线运动的驱动力计算

先进行粗略的估算,或类比同类结构,根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸,再进行校核计算,修正设计.如此反复,绘出最终的结构.

做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦,惯性等几个方面的阻力,来确定来确定液压缸所需要的驱动力.液压缸活塞的驱动力的计算.

(5.1)

5.3.1手臂摩擦力的分析与计算

分析:

摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状,其摩擦阻力是不同的,要根据具体情况进行估算.上图是机械手的手臂示意图,本设计是双导向杆,导向杆对称配置在伸缩岗两侧.

图5.1机械手臂部受力示意

计算如下:

由于导向杆对称配置,两导向杆受力均衡,可按一个导向杆计算.

得

得

(5.2)

式中参与运动的零部件所受的总重力(含工件)(N),

L——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离(m))——当量摩擦系数,其值与导向支撑的截面有关.

对于圆柱面:

——摩擦系数,对于静摩擦且无润滑时:

钢对青铜:取

钢对铸铁:取

计算:

导向杆的材料选择钢,导向支撑选择铸铁,,L等于1.69-0.028等于1.41m,导向支撑a设计为0.016m

将有关数据代入进行计算

5.3.2手臂惯性力的计算

本设计要求手臂平动是V等于,在计算惯性力的时候,设置启动时间,启动速度V等于V等于,

(5.3)

5.3.3密封装置的摩擦阻力

不同的密封圈其摩擦阻力不同,在手臂设计中,采用O型密封,当液压缸工作压力小于10Mpa.液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为:.

经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力:

5.4液压缸工作压力和结构的确定

经过上面的计算,确定了液压缸的驱动力F等于6210N,根据表3.1选择液压缸的工作压力P等于2MPa

确定液压缸的结构尺寸:

液压缸内径的计算,如图5.2所示

图5.2双作用液压缸示意图

当油进入无杆腔,

当油进入有杆腔中,

液压缸的有效面积:

故有(无杆腔)(5.4)

(有杆腔)(5.5)

F等于6210N,等于,选择机械效率

将有关数据代入:

根据表4-1(JB826-66),选择标准液压缸内径系列,选择D等于65mm.

液压缸外径的设计

根据装配等因素,考虑到液压缸的臂厚在7mm,所以该液压缸的外径为79mm.

活塞杆的计算校核

活塞杆的尺寸要满足活塞(或液压缸)运动的要求和强度要求.对于杆长L大于直径d的15倍以上,按拉,压强度计算:

(5.6)

设计中活塞杆取材料为碳刚,故,活塞直径d等于20mm,L等于1360mm,现在进行校核.

结论:活塞杆的强度足够.

5.5本章小结

本章设计了机械手的手臂结构,手臂采用双导杆手臂伸缩机构,对驱动的液压缸的驱动力进行了详细的计算,并对液压缸的基本尺寸进行了设计.

6机身的设计计算

机身是直接支撑和驱动手臂的部件.一般实现手臂的回转和升降运动,这些运动的传动机构都安在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连.因此,臂部的运动越多,机身的机构和受力情况就越复杂.机身是可以固定的,也可以是行走的,既可以沿地面或架空轨道运动.

6.1机身的整体设计

按照设计要求,机械手要实现手臂1800的回转运动,实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处.为了设计出合理的运动机构,就要综合考虑,分析.

机身承载着手臂,做回转,升降运动,是机械手的重要组成部分.常用的机身结构有以下几种:

回转缸置于升降之下的结构.这种结构优点是能承受较大偏重力矩.其缺点是回转运动传动路线长,花键轴的变形对回转精度的影响较大.

回转缸置于升降之上的结构.这种结构采用单缸活塞杆,内部导向,结构紧凑.但回转缸与臂部一起升降,运动部件较大.

活塞缸和齿条齿轮机构.手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现:齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转,从而使手臂左右摆动.

分析:

经过综合考虑,本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构.本设计机身包括两个运动,机身的回转和升降.如上图所示,回转机构置于升降缸之上的机身结构.手臂部件与回转缸的上端盖连接,回转缸的动片与缸体连接,由缸体带动手臂回转运动.回转缸的转轴与升降缸的活塞杆

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驱动机构是液压驱动,回转缸通过两个油孔,一个进油孔,一个排油孔,分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转.回转角度一般靠机械挡块来决定,对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度,为满足设计要求,设计中动片和静片之间可以回转1800.

图6.1回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图

6.2机身回转机构的设计计算

(1)回转缸驱动力矩的计算

手臂回转缸的回转驱动力矩,应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡.

(6.1)

惯性力矩的计算

(6.2)

式中——回转缸动片角速度变化量(),在起动过程中等于,

t——起动过程的时间(s),

——手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量().

若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为,则

(6.3)

式中——回转零件的重心的转动惯量.

(6.4)

回转部件可以等效为一个长1800mm,直径为60mm的圆柱体,质量为159.2Kg.设置起动角度等于180,则起动角速度等于0.314,起动时间设计为0.1s.

4694.3

密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下等于0.03,由于回油背差一般非常的小,故在这里忽略不计.

经过以上的计算等于4839.5

回转缸尺寸的初步确定

设计回转缸的静片和动片宽b等于60mm,选择液压缸的工作压强为8Mpa.d为输出轴与动片连接处的直径,设d等于50mm,则回转缸的内径通过下列计算:

(6.5)

D等于151mm

既设计液压缸的内径为150mm,根据表4.2选择液压缸的基本外径尺寸180mm(不是最终尺寸),再经过配合等条件的考虑.

液压缸盖螺钉的计算

根据表4.3所示,因为回转缸的工作压力为8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,根据初步估算,,,所以缸盖螺钉的数目为(一个面6个,两个面是12个).

危险截面

所以,

所以

螺钉材料选择Q235,则()

螺钉的直径选择d等于20mm.选择M20的开槽盘头螺钉.

经过以上的计算,需要螺钉来连接,最终确定的液压缸的截面尺寸如图5.2所示,内径为150mm,外径为230mm,输出轴径为50mm

图6.2回转缸的截面图

动片和输出轴间的连接螺钉

动片和输出轴之间的连接结构如图6.2.连接螺钉一般为偶数,对称安装,并用两个定位销定位.连接螺钉的作用:使动片和输出轴之间的配合紧密.

于是得

式中——每个螺钉预紧力,

D——动片的外径,

f——被连接件配合面间的摩擦系数,刚对铜取f等于0.15

螺钉的强度条件为

或

带入有关数据,得

等于

螺钉材料选择Q235,则()

螺钉的直径选择d等于14mm.选择M14的开槽盘头螺钉.

6.3机身升降机构的计算

6.3.1手臂偏重力矩的计算

图6.3手臂各部件重心位置图

零件重量,,,等.

现在对机械手手臂做粗略估算:总共等于33Kg

+++等于109.2Kg

(2)计算零件的重心位置,求出重心到回转轴线的距离.

等于1920mm

等于1.69mm

等于0.88mm

(6.6)

所以,回转半径

(3)计算偏重力矩

(6.7)

6.3.2升降不自锁条件分析计算

手臂在的作用下有向下的趋势,而里柱导套有防止这种趋势.

由力的平衡条件有

等于

h等于

即等于等于

所谓的不自锁条件为:

即

取

(6.8)

当等于1650mm时,0.32等于528mm

因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于528mm

6.3.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算

(6.9)

式中摩擦阻力,参考图5.3

取f等于0.16

G——零件及工件所受的总重.

(1)的计算

设定速度为V等于4,起动或制动的时间差t等于0.02s,近似估算为286.1Kg,将数据带入上面公式有:

等于

(2)的计算

28725.6等于2792.2N

(3)液压缸在这里选择O型密封,所以密封摩擦力可以通过近似估算

最后通过以上计算

当液压缸向上驱动时,F等于6756N

当液压缸向下驱动时,F等于6756-等于6184N

6.4轴承的选择分析

对于升降缸的运动,对于机身回转用的轴承有影响,因此,这里要充分考虑这个问题.对于本设计,采用一支点,双固定,另一支点游动的支撑结构.作为固定支撑的轴承,应能承受双向轴向载荷,故内外圈在轴向全要固定.其结构参看本章开始的——机身结构示意图5.3.

本设计采用两个角接触球轴承,面对面或者背对背的组合结构.这种结构可以承受双向轴向载荷.

6.5本章小结

本章对机械手的机身进行了设计,分别对机身的回转机构和升降机构进行设计计算.同时也计算了升降立柱不自锁的条件,这是机身设计中不可缺少的部分.

ADAMS模型的建立与仿真

7.1虚拟样机技术

(1)虚拟样机技术的基本概念

虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中,将分散的零部件设计和分析技术(指在某单一系统中零部件的CAD和FEA技术)糅合在一起,在计算机上创建出产品的整体模型,并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析,预测产品的整体性能,进而改进产品设计,提高产品性能的一种新技术.

(2)虚拟样机技术常用软件

虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好,功能强大,性能稳定的商业化虚拟样机软件实现的.国外虚拟样机相关技术软件的商业化过程已经完成.目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争,比较有影响的有美国机械动力学公司(MechanicalDy2namicsInc1)的ADAMS,比利时LMS公司的DADS以及德国航天局的SIMPACK.其中美国机械动力学公司的ADAMS占据了市场的50%以上.其它的软件还有WorkingModel,Folw3D,IDEAS,Phoenics,An2sys,Pamcrash等等.由于机械系统仿真提供的分析技术能够满足真实系统并行工程设计要求,通过建立机械系统的模拟样机,使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性能,因而其日益受到国内外机械领域的重视.

7.2ADAMS软件

该软件己在全世界数以千计的着名大公司中得到成功的应用.国外的一些着名大学也已开设了介绍ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)软件,是由美国机械动力公司(MechanicalDynamicsInc.)开发的最优秀的机械系统动态仿真软件,是世界上最具权威性的,使用范围最广的机械系统动力学分析软件.用户使用ADAMS软件,可以自动生成包括机——电——液一体化在内的,任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型,能为用户提供从产品概念设计,方案论证,详细设计,到产品方案修改,优化,试验规划甚至故障诊断各阶段,全方位,高精度的仿真计算分析结果,从而达到缩短产品开发周期,降低开发成本,提高产品质量及竞争力的目的.由于ADAMS具有通用,精确的仿真功能,方便,友好的用户界面和强大的图形动画显示能力,所以DAMS软件的课程,而将三维CAD软件,有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软件.根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料,ADAMS软件占据了销售总额近8千万美元的51%份额.

ADAMS一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件,用户可以运用该软件非常方便地

对虚拟样机进行静力学,运动学和动力学分析.另一方面,又是机械系统动态仿真分析开发工具,其开放性的程序结构和多种接口,可以成为特殊行业用户进行特殊类型机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台.在产品开发过程中,工程师通过应用ADAMS软件会收到明显效果:

(1)分析时间由数月减少为数日,

(2)降低工程制造和测试费用,

(3)在产品制造出之前,就可以发现并更正设计错误,完善设计方案,

(4)在产品开发过程中,减少所需的物理样机数量,

(5)当进行物理样机测试有危险,费时和成本高时,可利用虚拟样机进行分析和仿真,

(6)缩短产品的开发周期.

使用ADAMS建立虚拟样机非常容易.通过交互的图形界面和丰富的仿真单元库,用户快速地建立系统的模型.ADAMS与先进的CAD软件(UG,PRO/E)以及CAE软件(ANSYS)可以通过计算机图形交换格式文件相互交换以保持数据的一致性.ADAMS软件支持并行工程环境,节省大量的时间和经费.利用ADAMS软件建立参数化模型可以进行设计研究,试验设计和优化分析.为系统参数优化提供了一种高效开发工具.

ADAMS软件包括3个最基本的解题程序模块:ADAMS/View基本环境,ADAMS/Solver(求解器)和ADAMS/Postprocessor(后处理).另外还有一些特殊场合应用的附加程序模块,例如:ADAMS/Car(轿车模块),ADAMS/Rail(机车模块),ADAMS/Driver(驾驶员模块),ADAMS/Tire(轮胎模块),ADAMS/Linear(线性模块),ADAMS/Flex(柔性模块),ADAMS/Controls(控制模块),ADAMS/FEA(有限元模块),ADAMS/Hydraulics(液压模块),ADAMS/Exchange(接口模块),Mechani/Fro(与Pro/Engineer的接口模块),ADAMS/Animation(高速动画模块)等.

在3个基本解题程序模块中,ADAMS/View提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能,其中包括样机的建模和各种建模工具,样机模型数据的输入与编辑,与求解器和后处理等程序的自动连接,虚拟样机分析参数的设置,各种数据的输入和输出,同其他应用程序的接口等.自ADAMS9.0版本开始,ADAMS/View采用了Windows风格的操作界面和各种操作习J惯,使得ADAMS/View9.0版以后的程序操作界面非常友好.

ADAMS/Solve:是求解机械系统运动和动力学问题的程序.完成样机分析的准备工作以后,ADAMS/View程序可以自动地调用ADAMS/Solver模块,求解样机模型的静力学,运动学或动力学问题,完成仿真分析以后再自动地返回ADAMS/View操作界面.因此,一般用户可以将ADAMS/Solver的操作视为一个"黑匣子",只需熟悉ADAMS/View的操作,即可完成建模和整个分析过程.

ADAMS仿真分析结果的后处理,可以通过调用后处理模块ADAMS/Postprocessor来完成.ADAMS/Postprocessor:模块具有相当强的后处理功能,它可以回放仿真结果,也可以绘制各种分析曲线.除了可以直接绘制仿真结果曲线以外,ADAMS/Postprocessor还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算,可以输入实验数据绘制试验曲线,并同仿真结果进行比较,可以进行分析结果曲线图的各种编辑.

一般ADAMS分析功能如下:

(1)可有效地分析三维机构的运动与力.例如可以利用ADAMS来模拟作用在轮胎上的垂直,转向,陀螺效应,牵引与制动,力与力矩,还可应用ADAMS进行整个车辆或悬架系统道路操纵性的研究.

(2)利用ADAMS可模拟大位移的系统.ADAMS很容易处理这种模型的非线性方程,而且可进行线性近似.

(3)可分析运动学静定(对于非完整的束或速度约束一般情况的零自由度)系统.

(4)对于一个或多自由度机构,ADAMS可完成某一时间上的静力学分析或某一时间间隔内的静力学分析.

(5)有线性系统模态分析,力输入运动以及模拟控制系统的能力.

(6)利用ADAMS/VIEW提供的控制工具箱或ADAMS/Control与MATLAB一起可以方便地进行机电一体化系统仿真.DADS与ADAMS同属机械系统动态仿真软件,两者的原理和功能相似.但ADAMS软件是专门针对汽车及悬架开发,在模拟和仿真汽车及悬架系统方面比其它的软件方便得多.

7.3手部模型的建立

由于较复杂的模型在ADAMS中难以建立.所以对所建立的模型做如下简化和假设:

(1)机械手中所有零部件都认为是刚体.(2)零部件之

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由于本文所设计的手部机构难以用来建模,因此选用它的等效机构进行运动仿真.将机械手的手部抽象出来,对其进行建模,如下图7.1所示.

图7.1机械手约束副图

本图创建的是机械手的运动模型,夹持点到手指旋转点的距离为100mm,通过旋转副,直线副,固定副来约束机械手的各部件,再给活塞杆一个驱动力,可以实现手部直线运动带动手抓张合运动.

对于手部的运动仿真,为避免机构自锁,应考虑活塞杆的实际运动范围,本设计中,活塞杆的运动范围是34mm.

下图7.2是手部的张开过程仿真.

(a)(c)

图7.2

对机械手的张开进行仿真后,可以用曲线的形式输出仿真结果.在ADAMS/View中可以测量模型的任意参数,如:物体任意点的位移,速度,加速度等,约束副的相对位移,相对速度,相对加速度以及所受的力和力矩等.下面分别对机械手的活塞杆进行力,速度,加速度,位移进行曲线输出.

该曲线图是在一个恒定的驱动力的作用下,设置时间为5秒,如图7.3所示

图7.3

设置时间为5秒,加速度变化曲线图如图7.4所示

图7.4

设置时间为5秒,速度变化曲线图如图7.5所示

图7.5

以下为活塞杆的位移变化曲线图,设计时间为0.5秒,如图7.6所示

图7.6

7.4本章小结

通过本章,对机械手的手部进行了建模,并对结果以曲线的形式输出仿真结果.对于ADAMS建模,在ADAMS/View提供有零件库,可以创建各种基本的物体.对于复杂形状的物体,可以使用ADAMS/Exchange模块从其它CAD软件(如:Pro/e)8结论

通过此次毕业设计,使我了解了机械手的很多相关知识.使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术,了解了机械手设计的一般过程,通过对机械手的结构设计作了系统的设计,掌握了一定的机械设计方面的基础,也学会了使用ADAMS软件创建模型,并使用ADAMS软件对机械手进行简单的运动仿真.为以后的工作学习创造了一定基础.

本次毕业设计只是对搬运机械手的结构和驱动做了系统的计算设计,设计中没有涉及到机械手的控制问题,对这方面有点模糊,需要在以后的工作学习中了解和掌握.

本次设计的是轻型平动搬运机械手设计,相对于通用机械手,因此,动作固定,结构简单,同时成本低廉,专用性比较高,可实现车间内的一些搬运工作.

3,采用液压传动,液压出力大,臂力可达1000N以上,且可用电液伺服机构,实现连续控制,使机械手用途更广,定位精度一般非常高,在1mm内.

该机械手选择配置二指夹持手指,抓取一般棒料.必要时可以更换手抓,抓取箱体等.

本次设计只对机械手的手部进行了运动模拟仿真,对虚拟样机还只是处于了解阶段,做的运动仿真难免有错误之处.

由于经验知识水平的局限,设计难免有不到之处,望读者见量,指正.

致谢

在本论文的工作中,自始自终得到了西安工业大学机电工程学院沈云波老师的精心指导和亲切关怀.导师严谨的治学态度,严于律己宽以待人的做人风范是作者终身学习的榜样.另外导师们的课题组活跃的学术风气,学术观点与为人上的坦诚也深深的感染了作者,使作者获得了太多的启发,在此特表深深谢意！

在课题研究的整个过程中,沈云波老师一直给予了悉心的指导与帮助.在同他的合作中取得了很大的进步,同时他丰富的理论知识及实际工作经验,对待学术问题的科学态度令作者钦佩.在此表示由衷的感谢！

在进行机械手机械结构设计过程当中,和我一起研究探讨的舍友表示感谢.也对这四年来给予了我各方面极大支持及鼓励机械学院老师表示感谢.最后向其他关心我支持我的老师,朋友,同班同学一并表示感谢.