圓柱坐標機械手結構設計 - 下載本文

洛陽理工學院畢業設計(論文)

達國家相比,還有一定的差距,如可靠性低于國外產品;機器人應用工程起步較晚,應用領域窄,生產線系統技術與國外比有差距。我國目前從事機器人研發和應用工程的單位相對較少,工業機器人的擁有量遠遠不能滿足需求量,長期大量依靠從國外引進。

在應用規模上,我國已安裝的國產工業機器人,約占全球已安裝臺數的0.4%。產生以上差距,有關專家認為主要是我國沒有形成機器人產業,當前我國的機器人生產都是應用戶的要求,“一客戶,一次重新設計”,品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本較多,而且質量、可靠性不穩定。

2004年中國國際機器人展覽會于11月1-4日舉行,會后分析報告數據表明,與會的專業觀眾只占43%,非專業觀眾占57%;而90.3%的專業觀眾為了了解、收集產品信息,其余的大多沒有填寫具體參觀目的;專業觀眾中只有21%的工業制造業人員,其余主要以科研單位為主,國內參展單位展出的多是面向教育應用和處于實驗開發中的機器人,且產品略顯不成熟。這充分表明我國機器人產業還停留在純技術層面,離市場化還有很長一段距離。

我國機器人產業要快速發展,就不能只靠幾個愛好者的激情和科研單位的單方努力,機器人就不能只作為展覽會上的表演者。研制單位必須和需求緊密結合,讓機器人走進工廠和家庭,實現真正的產業化。把發展中國機器人產業納入政府重要產業政策中,引導和扶持企業進行產業和產品結構調整,加速機器人產業化進程。

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第2章 總體設計方案

2.1 總體設計的思路

2.1.1 思路

設計機器人大體上可分為兩個階段: 1、系統分析階段

(1)根據系統的目標,明確所采用機器人的目的和任務。 (2)分析機器人所在系統的工作環境。

(3)根據機器人的工作要求,確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由度、所能抓取的重量。

2、技術設計階段

(1)確定驅動系統的類型;

(2)選擇各部件的具體結構,進行機器人總裝圖的設計; (3)繪制機器人的零件圖,并確定尺寸。

2.2 總體方案的確定

2.2.1 方案

提到總體方案的確定,讓我們重復一下本課題的要求:

設計一種圓柱坐標式三自由度工業機械手,要求該裝置具有三個獨立的運動(兩個直線運動和一個旋轉運動)。該機構中立柱可相對于機座旋轉180度,回轉速度15r/min,可水平伸縮距離400mm,移動速度約0.2m/s,機械手可上下垂直運動,其垂直升降量1000mm,移動速度約0.15m/s,機械手最大夾持重量10kg,所夾持工件為圓柱形,直徑范圍:Ф30mm—Ф120mm。

根據課題要求經過認真思考和請教指導老師,本設計的旋轉運動采用擺動液壓馬達(旋轉液壓缸)驅動,水平伸縮運動采用液壓缸驅動,垂直升降運動仍采用液壓缸驅動。

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第3章 機械手相關的設計與計算

3.1 手指的相關設計與計算

3.1.1 手指夾緊力的計算

手部是機械手直接抓取和握緊(或吸附)物件或夾持專用工具執行作業任務的部件,因此手部的結構和尺寸應依據作業任務要求來設計,從而形成了多種的結構型式。它安裝在手臂的前端,可以模仿人手動作。

設計手部時除了要滿足抓取要求外,還應滿足以下幾點要求: (1)手指握力的大小要適宜

確定手指的握力(即夾緊力)時,應考慮工件的重量以及傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動,以保證工件不致產生松動或脫落,但握力太大又會造成浪費并可能損壞工件。

(2)應保證工件能順利地進入或脫開手指

開合式手指應具有足夠大的張開角度來適應較大的直徑范圍,保證有足夠的夾緊距離以方便抓取和松開工件。移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。

(3)應具有足夠的強度和剛度,并且自身重量輕

因受到被夾工件的反作用力和運動過程中的慣性力、振動等的影響,要求機械手具有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形,但結構要簡單緊湊、自重輕,并使手部的重心在手腕的回轉軸線上,使手腕的扭轉力矩最小。

(4)動作迅速、靈活、準確,通用機械手還要求更換手部方便 根據用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具(噴槍、扳手、焊接工具)三類。

經過分析和比較此設計采用夾持式手部。 1、夾持式手部

夾持式手部對抓取工件的形狀具有較大的適應性,故應用較廣。它的動作與鋼絲鉗或虎鉗相似。

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2、結構

夾持式手部是有驅動裝置、傳動機構和手指(或手爪)等組成。驅動裝置多半用活塞缸。傳動機構常用連桿機構、滑槽機構、齒輪齒條機構等。手指常用兩指,也有多指等形式。指端是手指上直接與被夾工件接觸的部位,它的結構形狀取決于工件的形狀。手部結構按模仿人手手指的動作,可分為回轉型、移動型等形式。經分析和比較此設計選擇移動式的齒輪齒條手部。

根據所夾取的零件半徑(?30?120mm的圓柱形棒料)經分析取扇型齒輪的齒頂圓半徑R=47,模數m=4,Z1=23。齒條齒數取Z2=23。

手指夾緊力的計算公式:N?K1?K2?K3?G0 (3-1)

G0為抓取的工件重量最大為10Kg ,K1為安全系數取1.2?2,暫取5,

K2為工作情況系數,可按K2=1.1?2.5此取K2=2,K3為方位系數,即為當爪子處在不同位置夾取工件不同放置位置是的系數,根據查取的公式:

K3=0.5?tan?/(1?ftan?),粗略計算K3約等于0.9?1.1此處K3取1。

根據公式(3-1)計算得:

N?1.5?2?1?10?9.8N

=294N

因為此設計采用移動型齒輪齒條手部結構,查資料知其夾緊力FN為驅動力FN的一半,即:

FN=0.5FP (3-2)

所以, FP=588N,此處考慮其他因素FP取600N。 3、手腕

手腕是連接手部和手臂的部件,它的作用是調整或改變手部的方位。一般手腕設有回轉運動或再增加一個上下擺動即可滿足要求,若有特殊要求可增加手腕左右擺動或橫向移動。機械手的手腕結構相對比較復雜。因此設計時要注意下面幾個問題:

(1)可以有手臂完成的動作,盡量不設置手腕。

(2)手腕結構盡可能簡單化,對不需要三維自由度的手腕,可采用兩 個或一個回轉運動。

此設計可以不要手腕,動作可以由手臂完成。

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圖 3-1機械手手部簡圖

3.1.2 手部液壓缸的選取

(1)、初算活塞桿直徑 經分析液壓缸的最大工作力為 F = 1451N

由于手爪是靠推力夾緊的,所以驅動液壓缸的活塞桿選用材料HT-15 則得δ= 650Mpa ,

[δ] =?c/Nb (3-3) 取

Nb = 3 得: [δ] = 216.7N 又

[δ]min= N/A (3-4) 得:Amin = 2.79mm2 (2)、壓桿穩定性校核 歐拉公式

(3-5)Pcr= π2EI/ (?L) 2

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