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关节型机械手设计

智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。.研究目的及意义工业机械手具有许多人类无法比拟的优点，满足了社会化大生产的需要，其主要优点如下.能代替人从事危险有害的操作。只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温异常压力和有害气体粉尘放射线作用下，以及冲压灭火等危险环境中胜任工作。工伤事故多的工种，如冲压压铸热处理锻造喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，应推广工业机械手或机器人。.能长时间工作，不怕疲劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。人在连续工作几小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护检修，即能胜任长时间的单调重复劳动。.动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。.机械手特别是通用工业机械手的通用性灵活性好，能较好地适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。.机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。由于机械手在工业自动化和信息化中发挥了以上巨大的作用，世界各国都很重视工业机械手的应用和发展，机械手的应用在我过还属于起步阶段，就显示出了许多的无法替代的优点，展现了广阔的应用前景。近十几年来，机械手的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。.本课题研究内容要求本设计能较鲜明地体现机电体化的设计构思。所谓机电体化，是机械工程技术吸收微电子技术信息处理技术传感技术等而形成的种新的综合集成技术。尽管机电体化的产品名目繁多，并由于它们的功能不同而有不同的形式和复杂程度，但做功的机械本体部分包括动力装置和微点自控制部分包括信息处理是最基本的必不可少的要素。本设计要求完成以下工作拟定整体方案，特别是控制方式与机械本体的有机结合的设计方案。根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部腕部和臂部的结构。各部件的设计计算。机械手工作装配图的设计与绘制。液压系统图的设计与绘制。编写设计计算说明书。机械手的总体设计.工业机械手的组成工业机械手是由执行机构驱动系统和控制系统所组成的，各部关系如图.所示。图.机械手的组成执行机构.手部即直接与工件接触的部分，般是回转型或平移型为回转型，因其结构简单。手爪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用负压式或真空式的空气吸盘它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件和电磁吸盘。传力机构型式较多，常用的有滑槽杠杆式连杆杠杆式斜楔杠杆式轮齿条式丝杠螺母式弹簧式和重力式。.腕部是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位即姿态。它可以有上下摆动，左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动。如有特殊要求将轴类零件放在顶尖上，将筒类盘类零件卡在卡盘上等，手腕还可以有个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部自由度。.臂部手臂是支承被抓物手部腕部的重要部件。手部的作用是带动手指去抓取物体，并按预定要求将其搬到预定的位置。手臂有三个自由度，可采用直角坐标前后上下左右都是直线,圆柱坐标前后上下直线往复运动和左右旋转，球坐标前后伸缩上下摆动和左右旋转和多关节手臂能任意伸屈四种方式。直角坐标占空间大，工作范围小，惯性大，其优点是结构简单刚度高，在自由度较少时使用。圆柱坐标占空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取底面物体。球坐标式和多关节式占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体，多关节还可以绕障碍物选择途径，但多关节式结构复杂，所以也不常用。驱动机构有气动液动电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力般在以下。液动式的出力大，臂力可达以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度般在范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。控制系统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程序控制，也有采用可编程序控制器控制微型计算机数字控制，采用凸轮磁带磁盘穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特征。.关节型机械手的主要技术参数.抓重.自由度个.坐标形式圆柱坐标.手臂运动参数运动名称符号行程范围速度伸缩小于升降小于回转小于.手腕参数运动名称符号行程范围速度回转小于.手指夹持范围棒料，直径，长度.定位方式电位器设定，点位控制.驱动方式液压中低压系统.定位精度.控制方式可编程控制.圆柱坐标式机械手运动简图经过考虑，本设计的机械手设计成如下简图形式图.圆柱坐标式机械手关节型机械手机械系统设计.手部手部亦称抓取机构是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状尺寸大小重量材料性能表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构多种多样，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而定的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。根据设计要求，这里只讨论夹钳式的手部结构。夹钳式手部是由手指传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴盘套类零件。般情况下，多采用两个手指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽斜楔齿轮齿条连杆机构实现夹紧或放松。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适于夹持平板方料。在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。但这种手指结构比较复杂体积大，要求加工精度高。根据设计要求，工件是圆盘，所以采用回转型手指，其张开和闭合靠手指根部以枢轴支点为中心的回转运动来完成。枢轴支点为个的，称为单支点回转型为两个支点的，称为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位误差。本设计要求抓取棒料，故采用夹钳式手部。夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力，是计算手部的主要依据。必须对其大小方向和作用力进行分析计算。般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷惯性力或惯性力矩，以及工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算式中安全系数，通常取工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算其中运载工件时重力方向的最大上升速度重力加速度，.运载工件时重力方向的最大上升速度系统达到最高速度的时间根据设计参数选取。般取。方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。被抓工件所受重力。夹紧缸驱动力计算如图是液压夹紧装置。手爪壳和缸壳连成体，当压力油从液压缸右边油管进油时，活塞杆向左移动，推动手爪闭合当压力油从液压缸左边进油时，拉动手爪张开。缸的拉力或推力为式中活塞直径活塞杆直径驱动压力。图.液压缸驱动装置两支点回转型手指的夹持误差分析与计算机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度由臂部和腕部等运动部件确定，而且也与手指的夹持误差有关。特别是在多品种的中小批量生产中，为了适应工件尺寸在定范围内变化，避免差生手指夹持的定位误差，必须选用合理的手部机构参数，从而使夹持误差控制在较小的范围内。图.两支点回转型手指若把工件轴心位置到手爪两支点连线的垂直距离以表示，根据几何关系有对于两支点回转型手爪尤其当值较大时，偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的和边平行，抓不着工件。为了避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即为工件平均半径取手指为倍的工件平均半径取型夹钳的夹角，取则.计算因为题目要求定位精度为,所以设计满足要求。设计结果.紧缸的计算设.，.，工件垂直方向的移动速度为.，机械手达到最高速度的响应时间为.则.驱动力计算.取η确定液压缸直径选取活塞杆直径.，压力油工作压力.根据液压缸内径系列选取液压缸内径为则活塞杆直径为腕部手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是再臂部运动的基础上进步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度。般手腕设有回转运动或再增加个上下摆动即可满足工作要求。目前，应用最广泛的手腕回转运动机构为回转液压气缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度较小般小于，并且要求严格密封，否则就很难保证稳定的输出扭矩。因此，在要求较大或转角的情况下，采用齿条齿轮传动或链轮以及轮系结构。腕部设计的基本要求力求结构紧凑重量轻腕部处于臂部的最前端，它连同手部的精动载荷均由臂部承受。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。综合考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，有承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求以及具有足够的强度刚度外，还应综合考虑，合理布局。如应解决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑维修调整等问题。必须考虑工条件对于高温作业和腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计是应充分估计环境对腕部的不良影响如热膨胀压力油的粘度恶化燃点，有关材料及电控元件的耐热性等。根据以上几点，结合设计要求，设计出腕部的结构如图。其为典型腕部结构中具有个自由度的回转缸驱动的腕部结构。直接用回转液压气缸驱动实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑灵活等优点而被广泛采用。图.用个回转液压缸实现腕部旋转的结构回转液压缸手爪驱动液压缸左进油管手部油管右进油管固定叶片回转轴回转叶片缸体图.所示的为腕部结构，采用个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从剖视图上可以看出，回转叶片简称动片用螺钉销钉和转轴连接在起，定片则和缸体连接。压力油分别由油孔进出油腔，实现手部的旋转。旋转角的极限值由动片定片之间允许回转的角度来决定般小于，图示液压缸可以回转。图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转缸壁通过，然后通过个环槽结构包围手部夹紧缸，腕部回转时，不论在哪个方位油路仍可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管根供手部油管，两根供腕部回转液压缸由手臂内通过并经腕部回转缸壁分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服以下几种阻力。腕部回转支承处的摩擦力矩般为了简化计算，取.阻力矩克服由于工件重心偏置所需的力矩式中工件重心到手腕回转轴线的垂直距离。克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动所用时间，按下式计算或者根据腕部角速度及启动过程转过的角度启按下式式中工件工件对手腕回转轴线的转动惯量手腕