悬臂式四自由度曲轴搬运液压机械手总体设计

悬臂式四自由度曲轴搬运液压机械手
A0总装图.dwg
A1工作示意图.dwg
A1手臂.dwg
A1手部.dwg
A2俯仰机构.dwg
A3法兰.dwg
A3俯仰缸活塞杆.dwg
设计说明书.doc
摘要：随着科学技术的发展和自动化生产线在企业产品生产中的广泛应用，机械手作为自动化生产线的重要组成部分也得到了长足的发展和进步。尤其是随着机械结构的优化，气动、液压技术的成熟，控制元件的发展和控制方式的不断改进和创新，机械手的动作性、控制灵活性和工作可靠性得到了明显的改善。机械手的出现在减轻工人劳动强度和难度、提高工作效率和质量、降低生产成本上做出了贡献，机械手的发展在企业的发展和创收上起到了举足轻重的作用。本课题是一个机、电结合较为紧密的实用性项目，文中对PLC的应用、机械结构的设计、控制方法的选择等方面进行了必要的探讨。后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。
关键字：机械手，液压驱动，PLC（可编程控制器）
2.1 机械手的组成及各部分关系概述
　　机械手由三大部分（机械部分、传感部分、控制部分）六个子系统（驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统）组成。
　　机械结构系统：机器人的机械结构又主要包括末端操作器、手腕、手臂、机身（立柱）。
　　驱动系统：驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动、液压驱动、气压驱动以及近些年出现的一些特殊的新型驱动（例如超声波驱动、磁致伸缩驱动、静电驱动等）。
　　控制系统：机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式（PTP）、连续轨迹控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。
　　
2.2 机械手的设计分析
2.2.1 设计要求
　　某生产线上搬运工件原由人工完成, 劳动强度大、生产效率低。为了提高生产线的工作效率, 降低成本, 使生产线发展成为柔性制造系统, 适应现代自动化大生产, 针对具体生产工艺, 利用机器人技术, 设计用一台搬运机械手代替人工工作。
　　该机械手能完成如下的动作循环：手臂前伸→手指夹紧抓料→手臂上升→手臂缩回→机身回转180度→手腕回转90度→手臂下降→手臂前伸→手指松开→手臂缩回→机身回转复位→手腕回转复位→待料。
2.2.2 总体设计任务分析
　　(1) 结构形式的设计: 机械手常见的运动形式有1）直角坐标型2）圆柱坐标型3）球坐标（极坐标）型4）关节型（回转坐标）型5）平面关节型五种。
　　圆柱坐标型是由三个自由度组成的运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相同的空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。
　　直角坐标型，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。
　　球坐标型，它由两个转动和一个直线组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩，其工作空间图形球体，它可以做上下俯仰动作并能够抓取地面上的东西或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作范围大的特点，但是结构比较复杂。
　　关节型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其个自由度都是回转关节，这种机器人一般由和大小臂组成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的工件。
　　平面关节型，采用两个回转关节和一个移动关节，两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节控制上下运动。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大的刚度，它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件的插接装配。
　　综上，本次设计中采用回转坐标型。
　 (2) 自由度的确定：自由度(Degrees of Freedom),指机器人所具有的立坐标轴运动的数目，不包括末端操作器的开合度。在运动形式上分为为直线运动P，为旋转运动R。自由度数的多少反映了这种机械手能完成动作的复杂程度，根据对机械手完成的动作的研究，设计四个自由度的机械手即可完成所规定的工作任务。从机座到手腕，关节的运动方式为旋转-直线-直线-旋转，即RPPR型。
　　(3) 驱动方式的选择:1）驱动系统有液压驱动2）气压驱动3）电机驱动4）机械联动四种，其中液压驱动和气压驱动较为通用。
　　液压驱动：结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好。而且液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。
　　气压驱动：具有速度快、系统结构简单、造价较低、维修方便、清洁等特点，适用于中小负载的系统中，但对速度很难进行控制，且气压不可太高，所以抓举能力较低，难于实现伺服控制。
　　电机驱动：步进或伺服电机可用于程序复杂、运动轨迹要求严格的小型通用机械手； 异步电机、直流电机适用于抓重大、速度低的机械手；电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，控制方式灵活，安装维修方便。但控制性能差，惯性大，不易定位。
　　机械联动：动作可靠，动作范围小，结构比较复杂，适用于自由度少、速度快的机械手。
　　并且，同其他转动方式相比较，传动功率相同时，液压传动装置的重量轻，体积紧凑，可实现无级变速，调速范围大。运动件的惯性小，能够频繁顺序换向，传动工作平稳，系统容易实现缓冲吸着震，并能自动防止过载。与电气配合，容易实现动作和操作自动化，与微电子技术和计算机配合，能够实现各种自动控制工作。液压元件基本已经上系列化、通用化和标准化，利于CAD技术的应用、提高工效，降低成本。容易达到较高的单位面积压力，较小的体积可获得较大的出力（推力或转距）。液压系统介质的可压缩性小，工作较平稳，可靠，并可实现较高的位置精度。液压传动中，力，速度和方向比较容易实现自动控制。液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑效能，可以提高机械效率，使用寿命长。
　　综上，本次设计采用液压驱动。
　　(4) 控制方式的选择:1）点位控制方式（PTP）2）连续轨迹控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。
　　点位控制的特点是只控制工业机器人末端执行机构在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹不做任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需时间。由于其控制方式易于实现，常应用于上下料、搬运、点焊等工业机器人。
　　连续轨迹控制的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端操作器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。常用于弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人。
　　力（力矩）控制方式常用于准确定位并要求使用适度的力或力矩来完成装配、抓放物体等工作。
　　智能控制方式是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库相应做出决策。采用智能控制技术的机器人具有较强的环境适应性及自学能力，技术难度及成本要求都比较高。
　　综上，本次设计采用点位控制。
　　另外该机械手的动作是有顺序要求的，控制系统采用PLC控制机械手实现设计要求的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。
　　综合上述，此次采用电-液伺服点位控制，可以很好的完成自动线工作。
2.2.3 总体方案拟定　
　　因为本机械手工作范围大，位置精度要求高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用悬臂式四自由度的机械手，简图下所示：
图2-1 机械手结构简图
　　自由度具体分配如下：
　　1）手臂回转自由度。拟采用摆动油缸来实现，摆动缸的动片与缸体相连接，通过油液带动叶片转动，与之相连的缸体也发生转动，从而实现机身的回转。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。
　　2）手臂俯仰自由度。机器人的手臂俯仰运动，一般采用活塞油（气）与连杆机构联用来实现。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，缸体采用尾部耳环与机身连接，而其活塞杆的伸出端则与手臂通过铰链相连。其行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。
　　3）手臂伸缩自由度。由于油缸或气缸的体积小，质量轻，因而在机器人手臂结构中应用较多。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，其伸缩行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。
　　4）手腕回转自由度。拟采用摆动液压缸来实现。当注入压力油时，油压推动动片连同转轴一起回转。因为动片是固定在转轴上的，故动片转动时，转轴也随着其一起转。而末端操作器与转轴是固定在一起的，故转轴一转手部便一起转，从而实现手腕的回转运动。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。
第3章 机械手结构的设计分析
3.1 末端操作器的设计分析
3.1.1 末端操作器的概述
　　工业机器人的末端操作器是机器人直接用于抓取、握紧、吸附工具等进行操作的部件，根据被操作工件的形状、尺寸、重量、材质及表面形态各有不同，其形式也多种多样，大部分末端操作器的结构是根据特定的工件加工的，常用的有四类：1）夹钳式取料手2）吸附式取料手3）操作器及转换器4）仿生多指灵巧手。
　　夹钳式取料手是工业机器人常用的一种末端操作器形式，在流水线上应用广泛。它一般由手指、驱动机构、传动机构、连接与支承元件组成，工作机理类似于常用的手钳。
　　吸附式取料手靠吸附力取料，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。吸附式取料手应用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃、磁盘）、微小（不易抓取）的物体。
　　因为操作器及转换器和仿生多指灵巧手的技术难度及成本要求都比较高，故在此不多做介绍。
3.1.2 末端操作器结构的设计分析
　　根据发动机曲轴结构特点，本次设计的机械手的末端操作器宜采用夹钳式取料手。
　　夹钳式取料手的手指的结构形式通常取决于被夹持工件的形状和特性。其中V形指一般用于夹持圆柱形工件，具有夹持平稳可靠，夹持误差小等特点。
　　
3.2 手腕的设计分析
　　机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改变工件方位，因而它具有立的自由度，以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。此处手腕需实现手部的翻转（Roll）动作,腕部结构主要体现在手部相对于臂部的旋转运动上。
　　
3.3 手臂的设计分析
　　手臂是机器人执行机构中重要的部件，它的作用是将被抓取的工件运动到给定的位置上。手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。
　　手臂一般有伸缩运动、左右回转运动、升降（或俯仰）运动三个自由度。在一般情况，手臂的伸缩和回转、俯仰均要求匀速运动，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前速度不能太大，否则引起冲击和振动。伸缩运动一般采用直线液压缸驱动，俯仰运动大多采用伸缩单作用（单活塞杆）驱动，而回转运动则大多用回转缸或齿条缸来实现。
　　本设计采用单作用（单活塞杆）缸来实现手臂的伸缩。为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，手臂的伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。根据手臂的结构、抓重等因素，为了使抓取时不产生偏重力矩使抓取可靠，本设计中采用四根导向柱的臂伸缩结构。这种结构的特点是行程长，抓重大，而工件不规则时还可以防止产生过大的偏重力矩。简图如下：
目录
第1章 绪论 1
1.1 工业机器人（机械手）的概述 1
1.1.1 工业机器人的发展 1
1.1.2 工业机器人的分类 1
1.1.3 工业机械手的应用 2
1.2 设计问题的提出 2
第2章 机械手的总体设计 3
2.1 机械手的组成及各部分关系概述 3
2.2 机械手的设计分析 3
2.2.1 设计要求 3
2.2.2 总体设计任务分析 3
2.2.3 总体方案拟定 5
第3章 机械手结构的设计分析 6
3.1 末端操作器的设计分析 6
3.1.1 末端操作器的概述 6
3.1.2 末端操作器结构的设计分析 6
3.2 手腕的设计分析 6
3.3 手臂的设计分析 6
3.4 机身和机座的设计分析 7
第4章 机械手各部件的载荷计算 8
4.1 设计要求分析 8
4.2 手指夹紧机构的设计 8
4.2.1 手指夹紧机构载荷的计算 8
4.3 手臂伸缩机构载荷的计算 9
4.4 手臂俯仰机构载荷的计算 10
4.5 手腕摆动机构载荷力矩的计算 10
4.6 机身摆动机构载荷力矩的计算 12
4.7 初选系统工作压力 12
第5章 机械手各部件结构尺寸计算及校核 14
5.1 手指夹紧机构结构尺寸的确定 14
5.4 手腕摆动机构的确定 17
5.5 机身摆动机构的确定 17
5.5 强度校核 17
5.6 弯曲稳定性校核 18
第6章 液压系统的设计 20
6.1 液压缸或液压马达所需流量的确定 20
6.3 液压缸或液压马达主要零件的结构材料及技术要求 21
6.3.1 缸体 21
6.3.2 缸盖 21
6.3.3 活塞 21
6.3.4 活塞杆 22
6.3.5 液压缸的缓冲装置 22
6.3.6 液压缸的排气装置 22
6.4 制定基本方案 22
6.4.1 基本回路的选择 22
6.5 液压元件的选择 23
6.5.1 液压泵的选择 23
6.5.2 液压泵所需电机功率的确定 24
6.5.3 液压阀的选择 24
6.5.4 液压辅助元件的选择原则 25
6.5.5 油箱容量的确定 26
6.5.6 液压原理图 27
结论 29
参考文献 30
致谢 31
附录 图纸列表 32