1. 网站地图
  2. 设为首页
  3. 关于我们


四自由度机械手(上半部分)

发布时间:2018-12-21 10:42
Abstract
Has been widely used in machinery manufacturing, manipulator, greatly improve the working conditions of the workers and significantly improve labor productivity, accelerated the pace of industrial production mechanization and automation.
This paper expounds the developing course of machine hand, the application status at home and abroad, and its huge superiority, puts forward the specific machine hand design requirements, and according to the machine hand design principle of each part, to the overall design of this topic task. Determine the manipulator with four degrees of freedom, the wrist, forearm, arm, waist, each degree of freedom and the structure of gripper design scale, in order to realize the manipulator lifting and turning, etc. This manipulator is driven by motor and cylinder movement.
Keywords: manipulator, degrees of freedom, cylinder, the structure design
1 绪论
1.1研究目的及意义

 

机械手是模仿人的手部动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。它的应用价值在以下几个方面:
1. 可以提高生产过程的自动化程度 ,应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
2.可以改善劳动条件、避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大大地改善了工人的劳动条件。同时,在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3.可以减少人力,便于有节奏的生产 。应用 机 械 手代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个方面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个方面。因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手,不但减少人力,还能更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。
机械手可以在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中,以及笨重、单调、频繁的操作中代替人工作业,因此获得日益广泛的应用。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。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。
国内外研究现状

 

    机械手可以模仿人手的某些动作和功能,用固定的程序和轨迹完成抓取、搬运物件等操作。特别是在当前劳工紧缺,劳动力成本日益提高的社会背景下,机械手的使用可以替代人的繁重劳动,实现工业自动化的同时也大大减少了企业的生产成本,提高企业效益。同时,由于它可在高温、高压、多粉尘、易燃易爆、放射性等恶劣或危险环境下,替代人类作业保护工人的人身安全,因而被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能工业等部门[1]。
    机械手起源于20世纪50年代,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设备也是典型机电一体化产品。其中,通用机械手具有独立的控制系统,程序多变,动作灵活多变等特点,在中小批量的自动化生产中得到大量应用[2]。
    近年来,在我国,随着气动技术的迅速发展,气动元件及气动自动化技术已经越来越多的应用于机械手中,构成了气动机械手。气动机械手的最大优势就是低成本,模块化和集成化[3]。气动机械手包含感知部分,控制部分和主机部分三方面。采集感应信号及控制信号均由智能阀岛处理;气动伺服定位系统代替伺服电机,步进马达或液压伺服系统;汽缸,摆动马达完成原来由液压缸或机械部分所做的执行动作。主机部分采用了标准型辅以模块化的装配形式,使得气动机械手能拓展成系列化和标准化的产品。在国外,像日本,美国,德国等国家,以微型内置伺服电机作为控制系统主动力的精密机械手,则是世界自动化领域中更深高次的发展。相对一般的工业领域机械手,这种精密型的机械手具有动作精度高,体积相对小巧,高度智能化的特点[4],被广泛应用于水下精密作业,人体内部手术作业,农业果实采摘等领域。由于这种类型的机械手更突出的要求是精密型,故其整体结构为多关节、多驱动型,每个关节都有独立伺服电机作为驱动源,这些伺服电机则由躯干内部的PLC等核心处理器做统一控制管理,以达到灵活多变的控制要求。
    现今使用的机械手主要可分为极坐标型机械手和关节型机械手,这两种机械手可以提供较大的工作空间,恰好可以满足一般的机械手在工作空间上的要求。韩国最早开发的用于果实采摘的极坐标机械手臂,旋转关节可以自由移动,丝杠关节可以上下移动,从而使作业空间达到3m[5]。日本东都大学也在20世纪80年代研制出了5自由度关节型机械手。实验表明这种机械手在运动空间上虽然没有极坐标机械手到位,且末端执行器的可操作能力较低,但结构相对简单,工作更加灵活,在不需要较复杂操作的工作环境下,体现出一定优势。京都大学在此基础上又开发出了7个自由度的机械手[6],解决了其相对极坐标机械手在工作空间上不足的缺点,在关节型机械手领域达到了一个更高的高度。
 
2 整体方案的确定

 

考虑到本系统的小型化的要求,可将外形尺寸及各部分的运动范围确定如下:
    1.  外形尺寸:360×910×920mm范围内
    2.  臂部回转:0~360°
    3.  小臂升降:400mm
    4.  手腕部分伸缩:300mm
    5.  手爪回转:0~360°
    6.  手指开合:±5º~10°
    7.  抓重:0.5 kg
本系统是简单的物料搬运目的,故要求精度不是很高。
本设计中的五自由度搬运机械手的有关技术参数见表3-1。
3-1 机械手参数
机械手类型
五自由度圆柱坐标型
抓取重量
0.5kg
自由度
5个(2个回转2个移动1个张紧)
底座
长400mm,回转运动,回转角180°,步进电机驱动
手臂升降机构
长484mm,升降运动,升降范围400mm,步进电机驱动
手臂伸缩机构
长490mm,伸缩运动,伸缩范围300mm,气缸驱动
气爪旋转机构
旋转运动,旋转角180°,气缸驱动
手爪张紧机构
张紧运动,电机驱动
 
3 手部的设计
3.1手部的结构和手指形状的确定

 

在本系统中,抓重为5N,手指开合±5º~10°。我们决定选择滑槽杠杆支点回转手部。这种结构可通过各杆之间的角度或杆长,改变握力的大小及指间的开闭角。其优点是结构简单,动作灵活,夹持范围大。这种手部的结构比较简单,工作原理清晰易懂,也是机械手较常用的结构。缺点是工件直径误差会引起夹持后工件的中心发生移动。指端采用V块形式,也是机械手手指形状中较常用的形式,争取做到手部能从腕部方便地装拆,以提高通用性。
图3-1是本系统的手部结构示意图,具体结构和零部件尺寸见图纸。                           图3-1  手部结构简图
 
图3-1  手部结构简图
3.2手部驱动力的计算和电机的选择
3.2.1握力计算

 

由初始设计[7]可知:  
3.2.1握力计算公式(因公式识别有误只能以图片形式展现)

 

滑槽杠杆式手部结构及受力分析简图3-2。
 
图3-2  滑槽杠杆式手部受力分析
 
丝杆通过销轴的向上的拉力(驱动力)是P,作用与手指上的力,其方向垂直于滑槽的中心线。滑槽对销轴的反作用力为。且其延长线交 A 、B 点,由于和为直角,故。
根据轴销的力平衡条件得:
   
   
由手指的力矩平衡条件得: 
   
因为,
 

所以,

式中  ——手指的回转支点到对称中心距离;
   ——工件被夹持时,手指的滑槽方向与两回转支点线间的夹角,结构设计时取:。
所以,销轴或螺母所受力(驱动力的反作用力):

考虑工件在加工过程中产生的惯性力、震动及传力机构效率的影响,其实际的驱动力为:

式中  ——安全系数,一般取;
  ——工作情况系数,且;
   ——机构的加速度;
  ——机械效率。                                                                     
丝杆通过销轴的向上的拉力(驱动力)是P(图文解释)
3.2.3扭矩计算

 

我们先来计算一下螺旋升角。校核一下此丝杆螺母机构是否满足自锁条件。
根据结构尺寸,丝杆的公称直径,螺距,螺纹头数。所以,丝杆中径。
螺纹升角

螺纹的当量摩擦角

式中  ——是摩擦副间的摩擦系数取0.1;
   ——是螺纹牙形半角取15°;
   因为,所以此丝杆螺母机构可安全自锁。
驱动力矩

式中  ——螺旋副摩擦力矩
     
式中  F——螺旋副轴向载荷;
     ——螺旋副中径;
     ——当量摩擦角;
  ——螺旋升角;
 是端面摩擦力矩,此处不计。
故  

3.2.3扭矩计算(图文解析)
3.2.4电机的选择

 

至此,根据上述计算,我们得出了丝杆上应具有的扭矩。
据此,查询电机各参数,最终考虑选用45BF003型电机[8]
4.手腕的结构设计
4.1  腕部设计基本要求

 

(1)力求结构紧凑、重量轻
    腕部处于手臂前端,它连同手部的旋转,小臂和手爪部分的连接,腕部的驱动可选用气缸驱动,重量轻而且环保。
   (2)就够考虑,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外,要有足够的刚度、强度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手部的连接。
4.2腕部结构

 

腕部结构有四种[9],分别为:
(1)具有单自由度的回转气缸驱动腕部结构;
(2)用齿条活塞驱动的腕部结构;
(3)具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构;
(4)机——液结合的腕部结构。
    本次设计要求腕部有一个回转自由度,因此,综合考虑,选择第一种结构,其特点是直接用摆动气缸驱动实现腕部的回转运动,具有结构简单、灵活等优点而被广泛采用。
4.3腕部摆动气缸的选择

 

手爪其转动惯量=kgm,其爪夹持的工件的转动惯量为:
式中  m——工件的质量(kg),本设计为m=0.5kg;
       R——工件的半径,本设计为R=30mm;
      l——工件的长度(m),本设计为l=50mm;
把以上数据代入上式得:

=0.5kgm
                 kgm
加在摆动气缸工作为:
J=Jg+Jq=124+6.167=130.167 kgm
由摆动气缸工作转动惯量J=130.167 kgm选用预选费斯托的DSM-32-270-P-PW型气缸。
该气缸的许用转动惯量为:500 kgm满足要求。
由图3-3,气缸摆动的时间约需0.3s。
DSM-32-270-P
4.3腕部摆动气缸的选择(图文解析,因有的公式无法识别,所上传图片格式便于解析)    
kgm210-4
  
  
  
 转
      动
  惯
  量
 
 
图3-3  气缸工作转动惯量与摆动时间关系(中国学术论文提出代写毕业论文作者所写)
 
摆动时间(s)
3-3  气缸工作转动惯量与摆动时间关系
该气缸是叶片驱动双作用气缸,在整个摆角范围内可实现无极摆角调节,终端位置可通过止动螺钉和紧固螺母调节。止动杆上的冲击能量由弹性缓冲板吸收,终端缓冲由缓冲器实现。转动叶片本身不用于确定终端位置,既止动杠杆和止动装置不能移动。该摆动气缸防水防尘。
3-2 摆动气缸参数
 
结构特点
工作压力
缓冲角
重量
32mm
叶片驱动的摆动缸
1.5-10bar
0.9o-1.7o
1.02kg
5 小臂的设计
5.1  气缸主要尺寸的确定
5.1.1气缸内经和活塞直径的确定

 

根据设计要求,采用单活塞杆双作用气缸,初定内径为30mm;
d/D=0.2-0.3,可得活塞杆直径:d=(0.2-0.3)D=6—15mm
圆整后,取活塞杆直径d=10mm
由《液压传动与气压传动》手册气压负载常用工作压力,取气缸压力p=0.4MPa[10] ,  公式为
                                       (3-1)
                                (3-2)
若气缸动态参数要求高,且工作频率高,其载荷率一般取=0.3-0.5,速度高时取小值,速度低时取大值。若气缸动态要求一般,且工作频率低,基本是匀速运动,其载荷率可取=0.7-0.85。
得:=565N,=502N
5.1.2缸筒壁厚和外径的设计

 

    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0.1,其壁厚可按薄壁筒公式(3-3)计算:
                                  (3-3)
气缸缸筒材料采用:铝合金ZL106,3MPa
代入已知数据,则壁厚为:
                       
                         =mm
取mm,则缸筒外径为:=30+10=50mm
气缸内经和活塞直径的确定
5.1.3行程的确定

 

由设计的工作要求活塞行程取为450mm。
5.1.4气缸型号的选择

 

由以上参数的计算选费斯托(festo)公司的DNG-32-320-PPV-A型气缸。
本气缸活塞安装有传感装置,活塞位置可以被行程开关检测到,从而实现对气缸位置的控制。选用的控制安装附件为SMB-2-B。该气缸的缓冲长度为19mm。气缸的各项参数见表3-3[11]
表3-3 气缸参数
最大许用工作压力
12bar(160~320mm:10bar)
温度范围
-20℃~+80℃(注意行程开关工作范围)
 (mm)
6bar时推进力(N)
6bar时返回力(N)
缓冲长度 mm
连接尺寸
32
482
415
29
G1/8
5.2 连接形式的确定

 

由于本气缸工作行程较大,且推杆端的垂直负载较大,使推杆受的弯曲应力较大。选用该气缸的一个安装附件,导向单元FENG-32-320-KF。气缸直接安装在该导向单元上。图3-4[12]为该导向单元外观图。
图3-4 导向单元 
图3-4 导向单元
由参考文献[8]可查得本设计选用的FENG-32气缸在最大伸长距离320mm的情况下其最大负载为55N。而机械爪连工件的质量约为4kg,摆动气缸质量为1.02kg。所以导向单元的实际总负载N。,满足设计要求,所以该导向单元可用。
导向单元与气缸的连接尺寸见表3-4。
表3-4  连接尺寸
(mm)
B1
B2
B3
B4
D1
D2
D3
D4
D6
H1
H2
H3
H4
 
32
50
45
74
50.5
44
M6
11
6.6
12
97
90
61
78
 
(mm)
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L9
L10
L11
L12
L13
L14
L15
L16
32
155
67
94
125
24
76
20
12
4.3
32.5
70
78
6.5
12
6 大臂的设计
6.1  滚珠丝杠的选择

丝杆所受载荷主要是手臂的重力,设计的手臂质量约为25kg即等效载荷 。丝杆选为有效行程45mm , 由前电机选择的计算丝杆转速, 设计使用寿命取,工作温度低于100℃,可靠度95%,精度为3级精度。
如需下半部分文章,请联系中国学术学术论文网在线客服老师索要!
 中国学术论文网提供专业的硕士毕业论文代写_代写博士论文_代写硕士论文_代写毕业论文_论文发表_代写职称论文的网站,多年来,凭借优秀的服务和声誉赢得了社会的广泛认可和好评,联系电话:1342-6307-728

 
参考文献
[1] 罗天洪; 熊小辉;   六自由度重载装配机械手运动学分析及求解[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版) 2009年06期
[2] 李飞,王方建.先进制造技术的研究[D]. 天津. 南开大学滨海学院, 2003. 
[3] 张建民. 工业机器人[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1996. 
[4] 陆鑫盛. 气动自动化系统的优化设计[M] . 上海: 上海科学技术出版社, 2000. 
[5]李洪剑. 西方机器人技术[D]. 哈尔滨. 哈尔滨工业大学, 2008. 
[6]何存兴. 液压传动与气压传动[M]. 武汉:华中科技大学出版社, 2000. 
[7]STEVEN M. SPANO and NIKOLAOS G. BOURBAKIS. Design and Implementation of a Low Cost Multi-Fingered Robotic Hand Using a Method of Blocks [J]. Journal of Intelligent and Robotic Systems Vol. 30: 209–226, 2001. 
[8]Naoshikondon, Ting K C. Robotics for bio-production system. ASAE paper, 1998. 
[9]Brock, D.L. and Salisbury, J.K. 1991. Implementation of Behavioral Control on a Robot Hand/Arm System [J]. Brooks, R.A. 1994. L. IS Robotics, Inc. 
[10]Ceres R, Pons FL, Jimenez AR. Design and implementation of an aided fruit-harvesting Robot (Agribot) [J] Industrial Robot, 1998, 25(5): 337-346. 
[11]Bue mi F, Massa M, Sandini G'et a1. The robot project [J]. Advanced Space Research, 1996. 18(1/2): 185-189. 
 [12]王雄耀;   近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用[J]. 液压气动与密封 1999年05期
[13] 王龙; 基于注塑机的三伺服机械手的研究与开发[D]. 五邑大学 2009 
[14] 刘爽; 气动肌肉机械手臂机构设计与控制方法实现[D]. 浙江理工大学 2010  
[15] 陶朱秋; 介绍两种气动机械手[J]. 液压气动与密封 1983年02期
[16] 彭坚; 气动机械手及其PLC控制系统的设计与实现[J]. 通用机械 2004年07期
[17] 杨振球; 易孟林;   高精度气动机械手的研发及其应用[J]. 液压与气动 2006年02
 
【本文地址:https://www.xueshulunwenwang.com/jiaoyulei/xiaoxueyuwen/854.html

上一篇:农机化学科导论学习报告

下一篇:没有了

相关标签: