四轴简易机械手的设计论文-本科论文.doc
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1、济南大学毕业设计1前言1.1 设计的目的和意义机械手自问世以来,经过了40多年的发展,已广泛应用于各个领域。机械手最早应用于汽车制造工业,常用于喷漆、焊接、搬运和上下料。机械手可代替人从事危险、有毒、有害、高温、高压、重载、噪音、粉尘和低温等恶劣环境中的工作;代替人完成单调重复和繁重的劳动,不仅减少了人力资源的浪费,减轻了劳动强度,而且大大改善了工人的劳动条件,提高了生产效率和生产自动化水平。目前机械手主要用于以下几个方面。1.恶劣的工作环境和危险的工作在核工业中,核反应堆内具有较强的放射性,为了人员的安全,经常需要机械手来完成相关的清理工作,另外在压铸、冲压、热处理、锻造、喷漆车间以及有强烈
2、紫外线照射的电弧焊等危险领域的作业中也经常需要用到机械手。2.自动化生产领域目前研制出了搬运机械手、码垛机械手、汽车座椅装配机械手、点胶机械手等各类工业机械手,主要用于生产上实现自动化。如当末端夹持焊枪时,可以对汽车或摩托车的车体进行点焊或弧焊作业;当末端安装喷枪时可以进行喷涂作业;当末端安装手钳时,可以给压铸机或成型机进行上下料作业或者用来装配机械零部件。目前我国已经建成的自动生产线有很多,如沈阳水泵厂的环类深井泵轴承体加工自动线、上海动力机厂的箱体类气缸盖加工自动线、大连电机厂的轴类4号和5号电动机轴加工自动线、上海拖拉机齿轮厂的盘类齿坯加工自动线等等1。3.在特殊作业场合进行极限作业在一
3、些极地探索、火山探险、空间探索、深海探密等领域经常要用到机器人去探索,目前研制出了螃蟹机器人,用于水下勘测任务操作,它的身体结构接近于螃蟹,能够完成指定的指令,也可以用于海洋搜寻及石油天然气的勘测。还有用于国际空间站的机器人,可以对空间站的外表面进行检测。4.农业生产目前研制出了太阳能农用机器人,他可以找到隐藏在农作物中的杂草,这主要依赖于它的视觉系统,当发现有别于农作物的植物时,它便利用数据库提供的植物的特性与目标植物加以比较,当确定为杂草时,就会用机械手隔断杂草,同时还可以喷洒除草剂。5.军事应用在军事应用中,军人执勤经常会遇到危险,这就需要机器人帮助完成执勤任务,给机器人配备军用机枪,利
4、用机器人完成炸弹清除工作。机械手在控制器的控制下,可以模仿人的手、腕、臂的动作,按照固定的动作流程进行工作。我国绝大多数农民工就业于劳动密集型行业,劳动密集型行业中绝大多数工作是简单的、重复性作业,这些工作没有多少技术,农民工很容易学会,但这些工作对从业者的体力反应灵敏度或操作精确度有比较高的要求,因此,青年农民工从事这些工作时劳动生产率比较高,但是非技术农民工进入中年后,体力、反应灵敏度和操作精确度下降,劳动生产率逐年降低。因此使用机械手,不但降低了人的体力劳动,减少人力资源的浪费,减轻了劳动强度,而且大大改善了工人的劳动条件,提高了工作效率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐,为企业带来
5、更大的经济效益,更有利于企业的发展。尤其是在高温、高压、重载、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的危险环境中应用更为普遍2。1.2 机械手的研究现状1.2.1 机械手国外研究现状机械手主要分为两类:工业机械手以及其它特种机械手。现代工业机械手起源于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产品。自1962年美国推出世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机械手以来,机械手在工业发达国家迅速发展。根据国际工业机械手联合会(IFR)的数据显示2000年全世界工业机械手的总数已经达到82万台。其中日本拥有42万台,占全世界机械手总数的
6、50%左右。除日本外,世界上还有许多工业发达国家,如美国、前苏联和西欧一些国家的机械手产业发展也很快。例如,在美国,1970-1980年间的机械手台数增加20倍以上。在亚洲,韩国的机械手产业发展也很迅速,现排名世界前列;而日本、韩国和新加坡的机械手密度居世界第1-3位,包揽了前三名。西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰等,机械手制造业及应用机械手的情况都有很大发展。其它特种机械手是国外近年来才迅速发展起来的,是机械手技术的一个重要发展方向,主要研究方向有:空间机械手,医用机械手,水下机械手,建筑机械手和军用排爆机械手等等。其中,排爆机械手是近期的热点,是为了排除恐怖分子放置的爆炸物等危
7、险品。较早研制出了排爆机械手的是英国的“手推车”和“超级手推车”。其他国家也纷纷步入后尘,德国、美国、法国等国家都推出了实际应用型的机械手3。1.2.2 我国机械手发展状况机械手作为现代制造业主要的自动化设备, 已经广泛应用于汽车、工程机械、电子信息、家电等各个行业,进行焊接、装配、搬运、加工等复杂作业。我国机械手起步于20世纪70年代初期,大致可分为3个阶段:70年代的萌芽期,80年代的开发期,90年代以后的实用化期。我国从1972年开始研制工业机械手,数十家研究单位和院校分别开发了固定程序、组合式、液压伺服型通用机械手,并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究。80年代,机器人技术的发展
8、得到了政府的重视和支持,机械手步入了跨越式发展时期。1986年,我国开展了“七五”机械手攻关计划,1987年,我国得“863”高技术计划将机械手方面的研究开发列入其中,进行了工业机械手基础技术以及应用工程的研究。20世纪90年代,由于市场竞争加剧,一些企业认识到必须要用机械手等自动化设备来改造传统产业,从而进一步走向产业化。现在,我国从事机械手研发的单位有200多家,专业从事机械手产业开发的企业有50家以上。沈阳新松机械手自动化股份有限公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、一汽集团涂装技术开发中心、北京机械工业自动化所、上海机电一体工程有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司等确立为智能
9、机械手主题产业化基地。大连组合机床所、上海富安工厂自动化公司、东风汽车公司、昆明船舶公司、哈尔滨焊接研究所、安川北科公司等单位,也都凭借自己开发生产的特色机械手或应用工程项目活跃在当今国内工业机械手市场上。此外,一些科研院所和大学也均在进行机械手技术及应用项目方面的研发工作4。 经过30多年的发展,我国机械手在实践中迈进了一大步,先后研制出了点焊、弧焊、装配喷涂切割搬运包装等各种用途的机械手,并实施了一批机械手应用工程,形成了一批机械手产业化基地,为我国机械手产业的腾飞奠定了基础。另外,我国在排爆机械手的研究中也正处在发展阶段,上海交大研制的Super-D型排爆机械手,采用六自由度的机械臂,行
10、走机构采用四轮行走驱动。我国的机械手研究开发与应用已经取得了一定的成绩,但是总的来看,我国的机械手技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离,无论从机械手的数量上还是技术上,我们都有一定的差距。进入新世纪以后,国际竞争日益激烈,对机械手的需求越来越大,我国的机械手产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战,因此我们需要自主发展机械手高新技术,解决产业化前期的关键技术,积极有效地推进我国的机械手产业化的进程。1.3 设计的内容本课题以机械手为研究背景,根据机械手的功能需求,设计一个小型的四轴简易机械手,使其实现两个直线运动,两个旋转运动。为实现这一目的,进行的研究如下:多自由度机械手的结构设计
11、, 机械传动设计。1.3.1 多自由度机械手的结构设计按照设计的要求,机械结构由手部、腕部、臂和基座组成。机械手按结构形式可分为关节型机械手和非关节型机械手。关节型结构的机械手在相同体积条件下比非关节型结构机械手具有大得多的相对空间(即手腕端部可抵达的最大空间体积与机械手本体外壳体积之比)和绝对空间(即手腕端部可抵达的最大空间体积)。关节型结构的机械手也符合人类和动物都具有关节型躯体特点的自然选择规律,这种特点使得关节机械手的臂杆系统具有一定的人手臂功能。因而关节型机械手具有先天性结构优势得到重点研究5。在结构设计时拟采用应用最广泛的结构形式关节型机械手,做到结构紧凑,所占空间小,相对的工作空
12、间大,以便使多自由度机械手更具有开放性、通用性和代表性的特点。设计应满足的要求: (1)手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求。工作空间形状和大小与手臂的长度、手臂关节的转角范围密切相关。 (2)根据手臂所受载荷和结构的特点,合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。 (3)量减小手臂重量和相对其关节转轴的转动惯量和偏重力矩,以减小驱动装置的负荷,减少运转的动载荷与冲击,提高手臂的响应速度。(4)减小机械间隙引起的运动误差,提高运动的精确性和运动刚度。1.3.2 机械传动设计(1)X坐标(水平方向)移动范围:400,竖直方向(Z轴)为:500,C轴360度旋转;(2)X、Z坐标
13、定位精度均为0.1;(3)最大快移速度为10米/分。2机械手结构的设计2.1机械手基本形式的选择 机械手按结构形式可分为关节型机械手和非关节型机械手。关节型结构的机械手在相同体积条件下比非关节型结构机械手具有大得多的相对空间(即手腕端部可抵达的最大空间体积与机械手本体外壳体积之比)和绝对空间(即手腕端部可抵达的最大空间体积)。关节型结构的机械手也符合人类和动物都具有关节型躯体特点的自然选择规律,这种特点使得关节机械手的臂杆系统具有一定的人手臂功能。因而关节型机械手具有先天性结构优势得到重点研究5。为了保证机械手具有开放性、通用性和代表性的特点,在本课题机械手的结构设计时间,其结构设计为关节型机
14、械手,能实现简单的抓取搬运动作。 机械手示意图2-12.2 机械部分设计机械手要实现所需功能,必须具有四个自由度,两个直线运动,两个旋转运动。按照设计的要求,机械部分由手部、腕部、臂和基座组成,如图2.1所示,各部分设计如下:2.2.1手部方案设计机械手的手部又称为末端操作器或手爪,是用来抓取、握紧、吸附物体的部件,安装于机械手手臂的前端,是重要的执行机构6。分析如下方案1 斜楔杠杆式图2-2 斜楔杠杆式机械手动作原理:如图所示,为单作用斜楔式回转型机械手的结构简图,斜楔向下运动时,客服弹簧拉力使杠杆手指装着滚子的一端向外撑开,从而夹住工件。当斜楔向上运动时,则在弹簧力的作用下使手指松开,从而
15、放下工件。在手指与楔块之间装有滚子,从而减小摩擦力,提高机械效率。方案2 滑槽杠杆式图2-3 滑槽杠杆式机械手动作原理:如图所示,为滑槽杠杆式杠杆双支点回转型手部的简图。杠杆形手指4的一端装有V型指5,另一端则开有长槽。驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内,当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时即可拨动两个手指各绕支点(绞销3)作相对回转运动。从而实现手指的夹紧与松开动作。滑槽杠杆式传动机构的定心精度与滑槽的制造精度有关,因活动环节较多,配合间隙的影响不可忽视。此机构依靠驱动力锁紧,机构本身无自锁性能。方案3 齿条齿轮杠杆式图2-4 齿轮齿条杠杆式机械手动作原理里:如图所示,为齿条齿轮杠杆式手部结构简图
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