小型夾持式機(jī)械手及手臂設(shè)計(jì)
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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 32 頁
1 緒論
1.1課題研究的目的和意義
機(jī)器人是人類很早就夢想制造的、具有仿生性且處處聽命于人的自動化機(jī)器,它可以幫助人類完成很多危險(xiǎn)、繁重、重復(fù)的體力勞動。機(jī)器人技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物,它涉及機(jī)械、控制、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、人工智能、知識庫系統(tǒng)以及認(rèn)識科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域,是當(dāng)代最具有代表性的機(jī)電一體化技術(shù)之一。人類文明的發(fā)展、科技的進(jìn)步已和機(jī)器人的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了密不可分的關(guān)系。為了適應(yīng)社會的需求,各院校都比較重視機(jī)器人技術(shù)和控制技術(shù)等課程在機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化專業(yè)的開設(shè),使培養(yǎng)的學(xué)生懂得機(jī)器人設(shè)計(jì)方面的技術(shù)。經(jīng)過40多年的發(fā)展,現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航空航天、商業(yè)、旅游、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域獲得了越來越普遍的應(yīng)用。機(jī)器人技術(shù)不斷進(jìn)步與創(chuàng)新,所到之處使整個制造業(yè)乃至整個社會都發(fā)生了和正在發(fā)生著翻天覆地的變化。機(jī)器人是最具代表性的現(xiàn)代多種高新技術(shù)的綜合體,它可以從某個角度折射出一個國家的科學(xué)水平和綜合國力。由于社會的需求,造就了一批從事設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用機(jī)器人的高級人才。而設(shè)計(jì)和開發(fā)的基礎(chǔ),是對機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等的理解和掌握,才能較好的使用其中的資源來進(jìn)行設(shè)計(jì)。故此本文介紹了機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本理論,討論了機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容,描述了機(jī)器人控制器和傳感器等的基本原理,然后再介紹機(jī)器人軌跡規(guī)劃和靜力分析方面的知識,使學(xué)生既懂得怎樣設(shè)計(jì)一個機(jī)器人,同時能熟練地運(yùn)用此設(shè)計(jì)理論。
機(jī)器人技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物,計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷肩部和發(fā)展使機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展一次次達(dá)到一個新的水平。機(jī)器人涉及機(jī)械、控制、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、知識庫系統(tǒng)以及認(rèn)識科學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域,成為高科技中極為重要的組成部分。人類文明的發(fā)展、科技的進(jìn)步已和機(jī)器人的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了不可分的關(guān)系。機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)代最具代表性的機(jī)電一體化技術(shù)之一。機(jī)器人已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領(lǐng)域。機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用得特別廣泛,而其與外界環(huán)境直接接觸的部分是機(jī)械手,它可以代替人手,與外界環(huán)境中有毒以及有害的物質(zhì)直接接觸以減少對人的危害,它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)。人類社會的發(fā)展已離不開機(jī)器人技術(shù),而機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步又對推動科技發(fā)展起著不可代替的作用。因此,設(shè)計(jì)機(jī)械手有特別重要的意義。
1.2國內(nèi)外研究狀況
目前,對全球機(jī)器人技術(shù)發(fā)展最有影響的國家應(yīng)該是美國和日本。美國在機(jī)器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位,而日本生產(chǎn)的機(jī)器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展推動了機(jī)器人學(xué)的建立,許多國家成立了機(jī)器人協(xié)會,美國、日本、英國、瑞典等國家設(shè)立了機(jī)器人學(xué)學(xué)位。
20世紀(jì)70年代以來,許多大學(xué)開設(shè)了機(jī)器人課程,開展了機(jī)器人學(xué)的研究工作,如美國的MIT、RPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、Univ of California等大學(xué)都是研究機(jī)器人學(xué)富有成果的著名學(xué)府。隨著機(jī)器人學(xué)的發(fā)展,相關(guān)的國際學(xué)術(shù)交流活動也日漸增多,目前最有影響的國際會議是IEEE每年舉行的機(jī)器人學(xué)及自動化國際會議,此外還有國際工業(yè)機(jī)器人會議(ISIR)和國際工業(yè)機(jī)器人技術(shù)會議(CIRT)等。出版的相關(guān)期刊有“Robot Today”、“Robotics Research”、“Robotics and Automation”等多種。
我國的機(jī)器人技術(shù)起步較晚,約于20世紀(jì)70年代末、80年代初開始。20世紀(jì)90年代中期,6000以下深水作業(yè)機(jī)器人試驗(yàn)成功,以后的近10年中,在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人、多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的研制等國際前沿領(lǐng)域逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。
1.3機(jī)械手的特點(diǎn)
機(jī)械手最顯著的特點(diǎn)有以下幾個:
(1) 可編程 生產(chǎn)自動化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動化。機(jī)械手可隨其工作
環(huán)境變化的需要而再編程,因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用,是柔性制造系統(tǒng)中的一個重要組成部分。
(2) 擬人化 能模仿人手和手臂的某些動作功能,用來按固定程序抓取、
搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化,能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全
(3) 通用性 除了專門設(shè)計(jì)的專用機(jī)械手外,一般機(jī)械手在執(zhí)行不同的作
業(yè)任務(wù)時具有較好的通用性。比如,更換機(jī)械手部末端操作器(手爪、工具等)便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。
1.4機(jī)械手的組成
作為一個系統(tǒng),一般來說,機(jī)械手由三部分、六個子系統(tǒng)組成。這三部分是機(jī)械部分、傳感部分、控制部分;六個子系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、機(jī)械手-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。
(1) 驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)主要指驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)的驅(qū)動裝置。根據(jù)驅(qū)動源的不同,驅(qū)動系統(tǒng)可分為電動、液壓、氣動以及把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)。
(2) 機(jī)械系統(tǒng)
機(jī)械系統(tǒng)又稱操作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng),它由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的
運(yùn)動副所組成。機(jī)械系統(tǒng)通常包括臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手爪等,構(gòu)成一個多自由度
的機(jī)械系統(tǒng)。
(3) 感知系統(tǒng)
感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有用的信息。
(4) 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)械手的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的引動和功能。
(5) 機(jī)械手-環(huán)境交互系統(tǒng)
工業(yè)機(jī)械手-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。
(6) 人機(jī)交互系統(tǒng)
人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)械手控制并與機(jī)械手進(jìn)行聯(lián)系的裝置,一般來說,人機(jī)交互系統(tǒng)可分為兩大類:指令給定裝置和信息顯示裝置。
2 總體方案設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)機(jī)械手的第一步是進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì),即在充分調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行可行性分析論證,確定夾持機(jī)械手的使用范圍、夾持方法、初選各部件的結(jié)構(gòu)和總體布局等。這是整臺機(jī)器技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此,在擬定總體方案時,必須全面地考慮,使確定的方案既先進(jìn)有經(jīng)濟(jì)效益高。
2.1機(jī)械手動作規(guī)劃
本設(shè)計(jì)要求機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)對5kg以內(nèi)物品的夾持,同時實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn),抬起運(yùn)動。為了滿足設(shè)計(jì)要求,首先要考慮所要設(shè)計(jì)的機(jī)械手的自由度。在三維空間描述一個物體的位置和位姿需要6個自由度。機(jī)械手的自由度是根據(jù)用途而設(shè)計(jì)的,可能小于也可能大于6個自由度。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有兩個自由度,即機(jī)械手的翻轉(zhuǎn)、抬起運(yùn)動,不包括手爪(末端執(zhí)行器)的開合自由度。如圖2.1所示:
圖2.1 機(jī)械手動作規(guī)劃示意圖
2.2傳動方案的確定
傳動方案反映運(yùn)動和動力傳遞路線和各部件的組成和聯(lián)接關(guān)系。合理的傳動方案首先要滿足機(jī)器的功能要求,例如傳動功率的大小,轉(zhuǎn)速和運(yùn)動形式。此外還要適應(yīng)工作條件(工作環(huán)境、場地、工作制度等),滿足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、使用維護(hù)便利、工藝性和經(jīng)濟(jì)性合理等要求。同時滿足這些要求是比較困難的,因此要通過分析比較多種方案,來選擇能保證重點(diǎn)要求的較好的傳動方案。
2.2.1 手部方案的確定
手部最重要的部分是機(jī)械夾持器,首先它應(yīng)具有夾持和松緊的功能。夾持器夾持工件是,應(yīng)有一定的力約束和形狀約束,以保證被夾持工件在移動、停留和裝入過程中,不改變姿態(tài)。當(dāng)需要松開工件時,應(yīng)完全松開,另外它還應(yīng)保證工件夾持姿態(tài)在現(xiàn)幾何偏差在給定的公差帶內(nèi)。機(jī)械夾持器可分為圓弧開合型、圓弧平行開合型和直線平行開合型。本次設(shè)計(jì)選用圓弧開合型,這種類型在傳動機(jī)構(gòu)帶動下,手指指端的運(yùn)動軌跡為圓弧,兩手指繞支點(diǎn)做圓弧運(yùn)動,同時在對工件進(jìn)行加緊和定心。這類夾持器對工件被夾持部位的尺寸有嚴(yán)格要求,否則可能會造成工件狀態(tài)失常。其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。
圖2.2 手爪示意圖
2.2.2 手臂回轉(zhuǎn)方案的確定
手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。驅(qū)動機(jī)構(gòu)有直接驅(qū)動和間接驅(qū)動等形式。如圖2.3所示,驅(qū)動機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)軸同軸,這種形式直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)軸,回轉(zhuǎn)軸通過軸承的支撐和導(dǎo)向作用,帶動手臂回轉(zhuǎn),這種結(jié)構(gòu)有較高的定位精度。
圖2.3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動示意圖
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中軸承起著相當(dāng)重要的作用,用于轉(zhuǎn)到關(guān)節(jié)的軸承有多種形式,球軸承是機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。球軸承能承受徑向和軸向載荷,摩擦較小,對軸承和軸承座的剛度不敏感。至于手臂回轉(zhuǎn)軸承的選擇將在以下章節(jié)用介紹。
2.2.3 手臂俯仰方案的確定
機(jī)械手手臂俯仰運(yùn)動通常采用擺臂油(氣)缸驅(qū)動、鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)傳動實(shí)現(xiàn)手臂的俯仰,本次設(shè)計(jì)采用油缸驅(qū)動。如圖2.4所示,手臂俯仰運(yùn)動用的活塞缸位于手臂下方,其活塞桿和手臂用鉸鏈連接,缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱連接。
圖2.4 手臂俯仰運(yùn)動示意圖
3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
對小型夾持機(jī)械手及手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為:手部設(shè)計(jì)、手臂回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)和手臂俯仰設(shè)計(jì)。
3.1手部設(shè)計(jì)
機(jī)械手的手部也叫做末端執(zhí)行器,它是裝在機(jī)械手手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。手部主要具有以下特點(diǎn):
(1) 手部和腕部相連處可拆卸。
(2) 手部是機(jī)器人末端執(zhí)行器。
(3) 手部的通用性比較差。
(4) 手部是一個獨(dú)立的部件。
3.1.1 手指夾緊力的確定
為了增大夾緊力,在機(jī)械手手爪加緊面上加上橡膠,通過增大摩擦系數(shù)來加大夾緊力。 選擇被夾物體的材料為鐵,則摩擦系數(shù)=0.45。由于設(shè)計(jì)要求能夾持5kg重的物體,所以,夾緊力為:
(3.1)
===108.9(N)
3.1.2 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手部設(shè)計(jì)和選用時最主要的是滿足功能上的要求。首先要考慮的是要抓握什么樣的工件,本次設(shè)計(jì)選用被夾持物體的材料為鐵,其密度,形狀尺寸為圓柱體,選取高= ,則被夾持物體的半徑為:
= (3.2)
則夾緊時手爪作用點(diǎn)之間的距離為2R。機(jī)械手通常利用手指與工件接觸面間的摩擦力來夾持工件。工件在被夾持的過程中,從靜止?fàn)顟B(tài)開始可能有多種運(yùn)動形式。在不同的運(yùn)動狀態(tài)下,工件的受力情況是不同的,當(dāng)工件處于靜止或勻速移動狀態(tài)下時,工件除了與手爪的作用力外,所承受的只用重力;當(dāng)工件加速運(yùn)動時,其受力情況還應(yīng)考慮慣性力的影響。因此,在設(shè)計(jì)時,應(yīng)對夾持器的各種工作狀態(tài)進(jìn)行分析,使其結(jié)構(gòu)能提供必學(xué)的夾持力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和查閱相關(guān)資料,手部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖:
圖3.1 手爪設(shè)計(jì)分析圖
圖中,e為支持器活塞中心至手指支點(diǎn)的距離;為手指支點(diǎn)至指端(與工件接觸點(diǎn))的長度;為手指支點(diǎn)銷軸的半徑;為液壓缸所需要提供的軸向作用力;為手指回轉(zhuǎn)有效分力,=;為垂直分力,;為單手指指端作用力(加持力);為壓力角;為構(gòu)件間相互摩擦系數(shù)。由圖可知手指對手指支點(diǎn)的力矩平衡式為
整理得
考慮到手指夾持工件時,,若忽略摩擦影響(),則上式可簡化為
(3.3)
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求,并考慮手部結(jié)構(gòu)的特征,取=20,=60
則所需提供軸向作用力為
=
3.2 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人的手臂由大臂、小臂(或多臂)組成。手臂的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電動驅(qū)動幾種形式,其中電動形式最為通用。臂部設(shè)計(jì)需要注意以下問題:
(1) 承載能力足。不僅要考慮抓取物體的重量,還要考慮運(yùn)動時的動載荷。
(2) 剛度高。為防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形,應(yīng)合理選擇手臂的截面形狀。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大,空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸的大得多,所以常用鋼管制作臂桿及導(dǎo)向桿,用工字鋼和槽鋼制作支承板。
(3) 導(dǎo)向性能好,動作迅速、靈活、平穩(wěn),定位精度高。為防止手臂在直線運(yùn)動過程中沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置,或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。由于臂部運(yùn)動速度越高,定位前慣性力引起的沖擊也就越大,運(yùn)動不平穩(wěn),定位精度也不高。因此,除了臂部設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕外,同時要采用一定形式的緩沖措施。
(4) 重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小。為提高機(jī)器人的運(yùn)動速度,要盡量減少臂部運(yùn)動部分的重量,以減少整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。
(5) 合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位。臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力,而且還直接影響機(jī)器人的外觀。
3.2.1 手臂材料的選擇
機(jī)械手手臂材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,手臂要完成各種運(yùn)動。因此,對材料的一個要求是作為運(yùn)動的部件,它應(yīng)是輕型材料。而另一方面,手臂在運(yùn)動過程中往往會產(chǎn)生振動,這將大大降低它的運(yùn)動精度。因此,選擇材料時,需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮,以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。機(jī)械手手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看,即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料,如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動的,又要具有很好的受控性,因此,要求手臂比較輕。綜合而言,應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料制作手臂,其中,非金屬材料有尼龍6、聚乙烯(PEH)和碳素纖維等;金屬材料以輕合金(特別是鋁合金)為主。因此,本次設(shè)計(jì)選擇手臂的材料為鋁合金。
3.2.2 手臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
回轉(zhuǎn)運(yùn)動用步進(jìn)電動機(jī)直接驅(qū)動實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn),如圖2.3所示。這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,運(yùn)動靈活,響應(yīng)快,精度高等特點(diǎn)?;剞D(zhuǎn)運(yùn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的是對電動機(jī)、軸承和聯(lián)軸器等設(shè)計(jì)。
1、 步進(jìn)電動機(jī)概論
手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動,電機(jī)軸與回轉(zhuǎn)軸用聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)接。步進(jìn)電動機(jī)一般作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),有時也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng),它是一種將脈沖電信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的一種D/A轉(zhuǎn)換裝置。按照輸出位移的不同,步進(jìn)電動機(jī)可分為回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動機(jī)和直線式步進(jìn)電動機(jī)。機(jī)器人中一般采用回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動機(jī)。如果把步進(jìn)電動機(jī)裝在機(jī)器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上,則接收一個電脈沖,步進(jìn)電動機(jī)就帶動機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的角度。步進(jìn)電動機(jī)連續(xù)不斷地接收脈沖,則關(guān)節(jié)軸連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與接收的脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電動機(jī)具有下列優(yōu)點(diǎn):
(1) 輸出角度精度高,無積累誤差,慣性小。步進(jìn)電動機(jī)的輸出精度主要
由步距角來反映。所謂步距角是指步進(jìn)電動機(jī)接收一個脈沖電信號其輸出軸轉(zhuǎn)過的角度。目前步距角一般可以做到0.002°~0.005°甚至更小。步進(jìn)電動機(jī)的實(shí)際步距角與理論步距角總存在一定的誤差,這誤差在電動機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的時間內(nèi)會逐步積累,但當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)一周后其轉(zhuǎn)軸又回到初始位置,使誤差回到零。
(2) 輸入和輸出呈嚴(yán)格的線性關(guān)系。輸出角度不受電壓、電流及波形等因素
的影響,取決于輸入脈沖數(shù)的多少。
(3) 容易實(shí)現(xiàn)位置、速度控制,起、停及正、反轉(zhuǎn)控制方便。步進(jìn)電動機(jī)
的位置(輸出角度)由輸入脈沖數(shù)確定,其轉(zhuǎn)速由輸入脈沖的頻率決定,正、反轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)向)由脈沖輸入的順序決定,而脈沖數(shù)、脈沖頻率、脈沖順序都可方便地由計(jì)算機(jī)輸出控制。
(4) 輸出信號為數(shù)字信號,可以與計(jì)算機(jī)直接接口。
(5) 結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,可靠性好,壽命長。
步進(jìn)電動機(jī)按照勵磁方式分有反應(yīng)式、永磁式和混合式。這里以反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為例說明其工作原理。如圖3.2所示為單定子、徑向分相三相反應(yīng)式伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。與普通電動機(jī)一樣,該電動機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子兩部分,其中定子又分定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成,其形狀如圖下圖所示。定子繞組是繞置在定子鐵心6個均勻分布的齒上的線圈,直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起,構(gòu)成一相控制繞組。若任一相繞組通電,便形成一組定子磁極,其方向即圖中所示的N、S極。在定子的每個磁極即定子鐵心上每個齒又開了5個小齒,齒槽等寬,齒間夾角是9°,與磁極上的小齒一致。此外,三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1/3齒距。當(dāng)A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的齒對齊時,B相磁極上的小齒剛好超前或滯后轉(zhuǎn)子上的齒1/3齒距角,C相磁極超前或滯后2/3齒距角。
1— 定子繞組;2—定子鐵心;3—轉(zhuǎn)子;4—A相磁通
圖3.2 伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖
當(dāng)A相繞組通電時,轉(zhuǎn)子上的齒與定子AA上的小齒對齊。若A相斷電,B相通電,由于磁力的作用,轉(zhuǎn)子的齒與定子BB上的小齒對齊,轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過3°。如果控制線路不斷地按A→B→C→A→…的順序控制步進(jìn)電動機(jī)繞組的通、斷電,步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子則不停地順時針轉(zhuǎn)動。若通電順序改為A→C→A→A→…,步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為三相單三拍通電方式。通常為了得到小的步距角和較好的輸出性能,用三相六拍通電方式,其通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA→A→…(順時針)和A→AC→C→CB→B→BA→A→…,相應(yīng)地繞組的通電狀態(tài)每改變一次,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1.5°。
步進(jìn)電動機(jī)的步距角可用下式表示
(3.4)
式中: 為步進(jìn)電動機(jī)的步距角;為定子繞組的相數(shù);為轉(zhuǎn)子的齒數(shù);為通電方式常數(shù),相拍通電時=1,相2拍通電時=2。
步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)主要由步進(jìn)電動機(jī)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動機(jī)組成。硬件步進(jìn)電動機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成。它的作用是把代表轉(zhuǎn)速的脈沖數(shù)分配到電動機(jī)的各個繞組上,使電動機(jī)按既定的方向和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。
2、 步進(jìn)電動機(jī)的選擇
根據(jù)需要,本設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動選用5相PK系列單轉(zhuǎn)軸步進(jìn)電動機(jī),型號為PK564-A 。5相PK系列為1轉(zhuǎn)500分割(0.72°/step)的高轉(zhuǎn)矩·低振動型步進(jìn)電動機(jī)。為了適應(yīng)所有的驅(qū)動方式,導(dǎo)線規(guī)格設(shè)計(jì)為10條導(dǎo)線。其實(shí)體模型如圖3.3所示:
圖3.3 步進(jìn)電機(jī)實(shí)體圖
和其配套使用的還有安裝底座、彈性聯(lián)軸器、制振器等。
步進(jìn)電動機(jī)的尺寸參數(shù)如下圖:
圖3.4 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸圖
其中: L1=46.5mm,L2=69.5。
步進(jìn)電動機(jī)的其它規(guī)格如表3.1:
表3.1 步進(jìn)電動機(jī)規(guī)格
安裝尺寸mm
品名
保持轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)到慣量
額定電流
A/相
線圈電阻
/相
基本
步距角
重量
□60
PK564-A
步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性如下圖:
圖3.5 步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性圖
3、 電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核
由于所夾持工件為回轉(zhuǎn)體,且回轉(zhuǎn)過程為勻速轉(zhuǎn)動,所以不會裁成轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)到過程中,只有軸承和聯(lián)軸器產(chǎn)生的摩擦,以及手爪結(jié)構(gòu)不平衡產(chǎn)生的力矩。由于這些轉(zhuǎn)矩?fù)p失非常小,可以忽略不計(jì),因此所選電動機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。
4、 聯(lián)軸器的選擇
(1) 類型選擇
為了隔離振動與沖擊,并保證較高的定位精度,選用彈性無齒隙聯(lián)軸器。
(2) 載荷計(jì)算
從表1得知電動機(jī)公稱轉(zhuǎn)矩
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表14-1,即表3.2,查得,故由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式(14-3)
(3.5)
得計(jì)算轉(zhuǎn)矩為
表3.2 工作情況系數(shù)K
工作機(jī)
K
原動機(jī)
分類
工作情況及舉例
電動機(jī)
汽輪機(jī)
雙缸
內(nèi)燃機(jī)
單缸
內(nèi)燃機(jī)
1
轉(zhuǎn)矩變化很小,如發(fā)電機(jī)、小型離心泵
1.3
1.8
2.0
2
轉(zhuǎn)矩變化小,如透平壓縮機(jī)、運(yùn)輸機(jī)
1.5
2.0
2.4
3
轉(zhuǎn)矩變化中等,如攪拌機(jī)、增壓機(jī)、沖床
1.7
2.2
2.6
4
轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷中等,如織布機(jī)、拖拉機(jī)
1.9
2.4
2.8
5
轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷較大,如造紙機(jī),碎石機(jī)
2.3
2.8
3.2
6
轉(zhuǎn)矩變化大并有極強(qiáng)烈沖擊載荷
3.1
3.6
4.0
(3) 型號選擇
從 4324-84中查得TL1型彈性聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為,許用最大轉(zhuǎn)速為8800,軸徑為6~14mm之間,故合用。
5、軸承的選擇
根據(jù)工作條件決定選用角接觸球軸承。由于受回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)尺寸的限制,選擇左端支撐軸承型號為7012,右端支撐軸承型號為7000。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和估算,確定所選軸承滿足設(shè)計(jì)要求。
3.2.3 手臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手臂俯仰結(jié)構(gòu)如圖2.4所示,手臂俯仰機(jī)構(gòu)采用液壓缸直接驅(qū)動。俯仰機(jī)構(gòu)中要有控制手臂仰起角度的機(jī)構(gòu),如圖3.6所示。
圖3.6 手臂俯仰結(jié)構(gòu)示意圖
當(dāng)手臂仰起到一定角度時,手臂尾部將被立柱擋住而不能繼續(xù)仰起,從而控制手臂俯仰范圍。這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,靈活性好,可靠性高。
手臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的是對俯仰液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì),對手臂俯仰缸的設(shè)計(jì)將在以后章節(jié)中介紹。
4 液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),應(yīng)該明確液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算的步驟和方法。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須重視調(diào)查研究,注意借鑒別人的經(jīng)驗(yàn)。一般來說,液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)著重解決的主要問題是滿足工作部件對力和運(yùn)動兩方面的要求。在滿足工作性能和工作可能性的前提下,應(yīng)力求系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)且維護(hù)方便。具體的設(shè)計(jì)步驟如下:
(1) 明確設(shè)計(jì)依據(jù),進(jìn)行工況分析
(2) 初步確定液壓系統(tǒng)參數(shù)
(3) 擬定液壓系統(tǒng)原理圖
(4) 計(jì)算、選擇或設(shè)計(jì)液壓元件
4.1驅(qū)動方式的選擇
驅(qū)動部分是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分,機(jī)器人的驅(qū)動方式可分為以下幾類:
(1) 氣壓驅(qū)動 使用壓力通常在 0. 4~0. 6Mpa,最高可達(dá) 1Mpa。氣壓驅(qū)動
主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便 (一般工廠都由壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣),驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用,結(jié)構(gòu)簡單,成本低,可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。氣壓驅(qū)動的缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比小,裝置體積大,同時由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時,位姿精度不高。適用于易燃、易爆和灰塵大的場合。
(2) 液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動系統(tǒng)用2-15Mpa的油液驅(qū)動機(jī)器人,體積較氣壓
驅(qū)動小,功率質(zhì)量比大,驅(qū)動平穩(wěn),且系統(tǒng)的固有效率高,快速性好,同時液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單,能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。用電液伺服控制液體流量和運(yùn)動方向時,可以使機(jī)器入的軌跡重復(fù)性提高。液壓驅(qū)動的缺點(diǎn)是易漏油,這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度,而且污染環(huán)境。液壓驅(qū)動多用于要求輸出力較大,運(yùn)動速度較低的場合。
(3) 電氣驅(qū)動 電氣驅(qū)動是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩,直接或經(jīng)過減速
機(jī)構(gòu)去驅(qū)動負(fù)載,減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié),直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動。由于電氣驅(qū)動具有易于控制,運(yùn)動精度高,響應(yīng)快,使用方便,信號監(jiān)測、傳遞和處理方便,成本低廉,驅(qū)動效率高,不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn),電氣驅(qū)動己經(jīng)成為最普遍,應(yīng)用最多的驅(qū)動方式,90年代后生產(chǎn)的機(jī)器人大多數(shù)采用這種驅(qū)動方式。
由于機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動負(fù)載小,要求結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高,所以選用了電氣驅(qū)動方式。即手臂旋轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電動機(jī)做執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而夾緊和抬起運(yùn)動要求體積小、質(zhì)量比大、驅(qū)動平穩(wěn),所以選用液壓驅(qū)動方式。即采用單桿液壓缸對工件進(jìn)行夾緊,手臂的抬起運(yùn)動靠液壓缸來實(shí)現(xiàn)。電氣驅(qū)動和液壓驅(qū)動相結(jié)合,使得整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊,成本低廉,操作方便等優(yōu)點(diǎn),適合于小型夾持式機(jī)械手。
4.2 機(jī)械手液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)的一部分,在目前液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要還是經(jīng)驗(yàn)法,即使使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),也是在專家的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)先進(jìn)行的。對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,必須明確液壓系統(tǒng)的動作和性能要求,例如,執(zhí)行元件的運(yùn)動方式、行程范圍、負(fù)載條件、運(yùn)動的平穩(wěn)性和精度、工作循環(huán)和動作周期、工作可靠性要求等。同時還要考慮到液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和具體設(shè)計(jì)要求來對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4.2.1 夾緊缸的設(shè)計(jì)
1、 計(jì)算液壓缸的總機(jī)械載荷
根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況,總機(jī)械載荷
(4.1)
式中 —工作載荷,已知為653N;
—密封阻力;
—回油背壓形成的阻力。
(1) 的計(jì)算
=(N) (4.2)
式中 —克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力(),液壓缸選O型密封圈,設(shè)液壓缸工作壓力<16,由相關(guān)設(shè)計(jì)手冊查得<0.3,取=0.1;
—進(jìn)油工作腔有效作用面積(),此值屬未定數(shù)值,初估為2。
啟動時 =
運(yùn)動時 =
(2) 的計(jì)算
回油背壓形成的阻力按下式計(jì)算
= (4.3)
式中 —回油背壓,一般為~,取=;
—無桿腔活塞面積,考慮兩邊差動比為2,已經(jīng)初估=2
=4。
各值代入上式
==
分析液壓缸各工作階段受力情況,得知在工進(jìn)階段受力最大,作用在活塞上的總機(jī)械載荷為
=653+10+120=783(N)
2、 確定液壓缸的主要尺寸和工作壓力
按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)工作壓力。工作壓力
(4.4)
液壓缸工作腔有效工作面積
因差動比為1:2,所以=2=15.6
活塞直徑
D=
活塞桿直徑
計(jì)算所得的液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列,根據(jù)[8]《液壓傳動與控制》[M]表5-3及表5-4,取標(biāo)準(zhǔn)直徑,則工作壓力
取。
在確定液壓缸活塞面積之后,還要按最低進(jìn)給速度驗(yàn)算液壓缸尺寸。設(shè)液壓缸有效工作面積為,則
(4.5)
式中 —流量閥最小穩(wěn)定流量,取調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量40mL/min;
—活塞最低進(jìn)給速度,本設(shè)計(jì)取20mm/min;
—液壓缸有效工作面積。
根據(jù)上面計(jì)算值,得
=
又,所以
說明液壓缸尺寸滿足活塞最小穩(wěn)定速度要求。
3、 液壓缸活塞寬度B的確定
對于一般的液壓缸,活塞寬度
B=(0.6~1.0)D (4.6)
根據(jù)結(jié)構(gòu)需要,取B=0.6D=0.625=15mm
4、 活塞缸缸體壁厚的確定
液壓缸的壁厚可根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來確定。本設(shè)計(jì)取=3mm
5、 液壓缸行程的確定
液壓缸的行程見參考文獻(xiàn)[8]《液壓傳動與控制》[M]表5-5活塞行程系列。根據(jù)設(shè)計(jì)需要,選。
6、 液壓缸的長度L的確定
按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合液壓缸的其它尺寸,取液壓缸的長度L=92。
7、 活塞桿長度的確定
活塞桿直徑確定之后,還需根據(jù)液壓缸的長度確定活塞桿長度。
8、 液壓缸的安裝方式
國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了單桿液壓缸的安裝方式,本次設(shè)計(jì)采用加長拉桿穿過安裝板的安裝方式進(jìn)行安裝。
9、 液壓缸的強(qiáng)度和剛度校核
(1) 缸筒壁厚的校核
由于工作壓力不高,缸體內(nèi)徑也不大,所以不必進(jìn)行強(qiáng)度校核。
(2) 液壓缸缸蓋固定螺栓直徑校核
液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過程中,同時承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力,根據(jù)液壓缸結(jié)構(gòu)取螺栓直徑,其螺栓直徑可按下式校核
(4.7)
式中 K— 螺栓擰緊系數(shù),取K=1.5;
F—液壓缸最大作用力,前面已經(jīng)計(jì)算得知F=783N;
Z—螺栓個數(shù),Z=4;
[]—螺栓材料的許用應(yīng)力,[] =,螺栓材料的屈服極限;取螺栓材料為,查《材料力學(xué)》表2.1,即如下表4.1,得=,為安全系數(shù),一般取=,此處取。
將以上數(shù)值代入公式
成立
滿足要求。
表4.1 幾種常用材料的主要力學(xué)性能
材料名稱
牌號
普通碳素鋼
Q235
Q235
216~235
255~275
373~461
490~608
25~27
19~21
優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼
40
45
333
353
569
598
19
16
普通合金結(jié)構(gòu)鋼
Q345
Q390
274~343
333~412
471~510
490~549
19~21
17~19
合金結(jié)構(gòu)鋼
20
40
540
785
835
980
10
9
碳素鑄鋼
ZG170-500
270
500
18
可鍛鑄鐵
KTZ450-06
450
6()
球墨鑄鐵
QT450-10
450
10()
灰鑄鐵
HT150
120~175
(3) 活塞桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核
活塞桿直徑可按下式校核強(qiáng)度
(4.8)
式中 —活塞桿材料的許用應(yīng)力,,為材料抗拉強(qiáng)度,取活塞桿材料為鋼,由表4.1得;為安全系數(shù),一般取1.4。
F—活塞桿所受負(fù)載;
將以上數(shù)值代入公式
成立
滿足要求。
4.2.2 手臂俯仰液壓缸設(shè)計(jì)
1、 確定液壓缸的牽引力F
根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況,液壓缸受力如圖10所示。牽引力
(4.9)
圖4.1 液壓缸受力分析示意圖
其中 —支撐點(diǎn)左端機(jī)械手手臂的重力;
—支撐點(diǎn)右端配重塊的重力;
—支點(diǎn)支撐力。
據(jù)手臂材料和結(jié)構(gòu)尺寸估算其重量,然后在手臂尾部加配重塊,則手臂在支點(diǎn)支撐作用下基本上保持平衡狀態(tài),因此只需較小的牽引力就能滿足設(shè)計(jì)要求。
取F=200。
2、 去定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和工作壓力
按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)工作壓力。工作壓力
液壓缸工作腔有效工作面積
活塞直徑
D=
因差動比為1:2,所以活塞桿直徑
計(jì)算所得的液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列,根據(jù)《液壓傳動與控制》表5-3、表5-4,取標(biāo)準(zhǔn)直徑,則工作壓力
取。
3、 液壓缸活塞寬度B的確定
對于一般的液壓缸,活塞寬度由式(4.6)
B=(0.6~1.0)D
根據(jù)結(jié)構(gòu)需要,取B=0.6D=0.616=9.6mm
4、 活塞缸缸體壁厚的確定
液壓缸的壁厚可根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來確定。本設(shè)計(jì)取=。
5、 液壓缸行程的確定
液壓缸的行程見[8]《液壓傳動與控制》[M]表5-5活塞行程系列。根據(jù)設(shè)計(jì)需要,選。
6、 液壓缸的長度L的確定
按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合液壓缸的其它尺寸,取液壓缸的長度L=70。
7、 活塞桿長度的確定
活塞桿直徑確定之后,還需根據(jù)液壓缸的長度確定活塞桿長度。
8、 液壓缸的強(qiáng)度和剛度校核
(1) 缸筒壁厚的校核
由于工作壓力不高,缸體內(nèi)徑也不大,所以不必進(jìn)行強(qiáng)度校核。
(2) 液壓缸缸蓋固定螺栓直徑校核
液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過程中,同時承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力,根據(jù)液壓缸結(jié)構(gòu)取螺栓直徑,其螺栓直徑可按式(4.7)校核
式中 K— 螺栓擰緊系數(shù),取K=1.5;
F—液壓缸最大作用力,前面已經(jīng)計(jì)算得知F=200N;
Z—螺栓個數(shù),Z=4;
[]—螺栓材料的許用應(yīng)力,[] =,螺栓材料的屈服極限;取螺栓材料為,查表4.1得=,為安全系數(shù),一般取=,此處取。
將以上數(shù)值代入公式
成立
滿足要求。
(3) 活塞桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核
活塞桿直徑可按式(4.8)校核強(qiáng)度
式中 —活塞桿材料的許用應(yīng)力,,為材料抗拉強(qiáng)度,取活塞桿材料為鋼,由表4.1查得;為安全系數(shù),一般取。
F—活塞桿所受負(fù)載;
將以上數(shù)值代入公式
成立
滿足要求。
4.3液壓系統(tǒng)原理圖的擬定
4.3.1 夾緊系統(tǒng)原理圖的擬定
如圖4.2所示,此夾緊過程通過液壓缸直接驅(qū)動。當(dāng)電磁鐵1DT得電時,壓力油通過換向閥左位進(jìn)入液壓缸有桿腔,液壓缸將驅(qū)動末端執(zhí)行器對工件進(jìn)行夾緊,當(dāng)電磁鐵1DT失電,而電磁鐵2DT得電時,壓力油通過換向閥右位進(jìn)入無桿腔,驅(qū)動液壓缸松開工件。
圖4.2 夾緊系統(tǒng)原理圖
4.3.2 俯仰系統(tǒng)原理圖的擬定
如圖4.3所示,當(dāng)電磁鐵3DT得電時,壓力油通過換向閥左位進(jìn)入液壓缸無桿腔,液壓缸將驅(qū)動手臂仰起,當(dāng)電磁鐵3DT失電,而電磁鐵4DT得電時,壓力油通過換向閥右位進(jìn)入無桿腔,液壓缸將驅(qū)動手臂俯下。
圖4.3 俯仰系統(tǒng)原理圖
4.3.3 系統(tǒng)合成
如圖4.4所示,機(jī)械手運(yùn)動部分由壓力油直接驅(qū)動。油泵采用限壓式變量葉片泵。系統(tǒng)的工作壓力用溢流閥來調(diào)節(jié),各油缸的運(yùn)動速度用節(jié)流閥來調(diào)節(jié)。機(jī)械手夾緊運(yùn)動和手臂俯仰運(yùn)動,采用適時切換油路節(jié)流減速緩沖。各電磁換向閥電磁鐵動作情況如表4.2所示。
表4.2 電磁換向閥電磁鐵動作情況分析表
電磁鐵序號
動作名稱
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
6DT
7DT
機(jī)械手夾緊工件
-
-
-
-
+
-
-
機(jī)械手松開工件
-
-
-
-
-
+
-
機(jī)械手夾緊工件節(jié)流緩沖
-
+
-
-
+
-
-
機(jī)械手松開工件節(jié)流緩沖
-
+
-
-
-
+
-
機(jī)械手手臂仰起
-
-
+
-
-
-
機(jī)械手手臂下俯
-
-
-
+
-
-
-
機(jī)械手手臂仰起節(jié)流緩沖
+
-
+
-
-
-
-
機(jī)械手手臂俯下節(jié)流緩沖
+
-
-
+
-
-
-
液壓系統(tǒng)卸荷
-
-
-
-
-
-
+
圖4.4 系統(tǒng)合成原理圖
4.4液壓泵的計(jì)算
1、 確定液壓泵的實(shí)際工作壓力
(4.10)
式中 —前以選定為;
—對于進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng),可估為(0.5~1.5),取0.5。
因此,可確定液壓泵的實(shí)際工作壓力
5 機(jī)械手軌跡規(guī)劃
機(jī)械手在作業(yè)空間要完成給定的任務(wù),其手部運(yùn)動必須按一定的軌跡進(jìn)行。軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個點(diǎn),將其經(jīng)運(yùn)動學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間,對關(guān)節(jié)空間中的相應(yīng)點(diǎn)建立運(yùn)動方程,然后按這些運(yùn)動方程對關(guān)節(jié)進(jìn)行插值,從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間的運(yùn)動要求,這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。運(yùn)動軌跡的描述一般是對其手部位姿的描述,此位姿值可與關(guān)節(jié)變量相互轉(zhuǎn)換。下面將對機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行軌跡規(guī)劃。
由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為0.42N·,由圖表1查得電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,脈沖速度為,即250次/秒。則機(jī)械手手部實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)所需要的時間為
根據(jù)需要,回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)必須運(yùn)動平穩(wěn),并具有如下作業(yè)狀態(tài):初始時,關(guān)節(jié)靜止不動,位置;運(yùn)動結(jié)束時,此時關(guān)節(jié)速度為。根據(jù)要求,可以對回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用三次多項(xiàng)式插值函數(shù)來規(guī)劃其運(yùn)動。已知,,=1,代入《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》式(3.8),即如下式
(4.11)
可得三次多項(xiàng)式的系數(shù)
a0=0.0,a1=0.0,a2=540,a3=–360
由《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》式(3.5)和式(3.6)
(4.12)
(4.13)
可確定回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡,即
對于手指夾緊運(yùn)動和手臂俯仰運(yùn)動的軌跡規(guī)劃和手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動軌跡規(guī)劃的計(jì)算過程是相似的,不再一一進(jìn)行討論,從略。
結(jié)論
本文結(jié)合目前國內(nèi)外機(jī)械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向,具體闡述了一種小型夾持式機(jī)械手的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程。理論和實(shí)踐證明,本課題所研制的小型夾持式機(jī)械手系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能要求。本人在課題研究過程中獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和一定的研究經(jīng)驗(yàn),為夾持式機(jī)械手的產(chǎn)品化提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。論文的主要工作如下:
1、進(jìn)行了小型夾持式機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)。
2、進(jìn)行了小型夾持式機(jī)械手機(jī)構(gòu)的機(jī)械本體設(shè)計(jì)。
3、進(jìn)行了機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了機(jī)械手姿態(tài)控制的驅(qū)動系統(tǒng),擬定了液壓控制系統(tǒng)原理圖。
4、進(jìn)行了機(jī)械手的軌跡規(guī)劃。主要對機(jī)械手回轉(zhuǎn)運(yùn)動軌跡進(jìn)行了規(guī)劃。建立機(jī)械手運(yùn)動的軌跡方程。
5、運(yùn)用Solidworks三維軟件建立了機(jī)械手結(jié)構(gòu)模型,并進(jìn)行了虛擬裝配,結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)合理,可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動作要求。
本次設(shè)計(jì)的小型夾持式機(jī)械手及手臂結(jié)構(gòu)合理,布局比較完善,各項(xiàng)性能指標(biāo)也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。但是還有不足和尚需完善之處:
1、為了提高機(jī)械手的定位精度和響應(yīng)速度,還需要增加傳感器控制系統(tǒng)。
2、隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,適當(dāng)引入反饋控制技術(shù),以便適時的監(jiān)控外界環(huán)境的變化,以求達(dá)到更好的適應(yīng)能力。
3、為了使機(jī)械手的動作更加靈活,應(yīng)適當(dāng)增加機(jī)械手的自由度,使機(jī)械手能進(jìn)行空間復(fù)雜曲線的作業(yè)。
小型夾持式機(jī)械手的研制已經(jīng)取得了階段性成果,還需要進(jìn)一步的發(fā)展和完善,使之逐步產(chǎn)業(yè)化。
致謝
本論文是在楊漢嵩講師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)下完成的,恩師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識、誨人不倦的精神給學(xué)生留下了深刻的印象,使學(xué)生終身受益。籍此論文完成之際,謹(jǐn)向恩師致以最崇高的敬意和最由衷的感謝!
感謝我的師兄、師弟們,他們在方方面面都給了我許多關(guān)心幫助,使得我在這里的學(xué)習(xí)生活充滿了樂趣。這期間和他們結(jié)下的深厚誼將是我今后的人生中一筆豐厚的財(cái)富,無論何時何地都不會忘記!
感謝所有幫助過我的老師、同學(xué)和朋友!
感謝對論文進(jìn)行評審、提出寶貴意見的各位專家!
感謝我的母校為我們提供了一個良好的學(xué)習(xí)環(huán)境!
最后,我要對我的父母表示深深的感謝,感謝他們的養(yǎng)育和教導(dǎo),感謝他們長期的支持和鼓勵以及他們給予我的無私的愛!
參考文獻(xiàn)
[1] 劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社,1997:27.
[2] 曹玉平. 液壓傳動與控制[M]. 天津:天津大學(xué)出版社,2003:85-89.
[3] 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京:高等教育出版社,2001:300-344.
[4] 劉極峰. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京:高等教育出版社,2006:1-130,148-165.
[5] 朱冬梅,胥北瀾. 畫法幾何及機(jī)械制圖[M]. 北京:高等教育出版社,2000:1-245.
[6] 左建民. 液壓與氣壓傳動[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:77-159.
[7] 盧光賢.機(jī)床液壓傳動與控制[M]. 西安:西安工業(yè)大學(xué)出版社,2006:72-79.
[8] 沈光全,吳秀玲.液壓傳動與控制[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2005:93-100.
[9] 吳宗澤,羅圣國. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京:高等教育出版社,1999:96-127.
[10] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:125-239.
[11] 郭玉林. 五金手冊[M]. 鄭州.河南科學(xué)技術(shù)出版社,2006:173-196.
[12] 閆華,劉極峰. 面向空間焊縫的弧焊機(jī)器人焊接路徑自動軌跡研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006,(1):106—107.
[13] [美]丹尼斯﹒克拉克等著,宗光華等譯. 機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制[M]. 北京:科學(xué)出版社,2004: 126-169.
[14] K.A.Tahboub.Natural and Manmade Share-Control Systems: An Overview, Proceedings of the 2001 IEEE, International Conference on Robot and Automation,2001.
[15] R.L.Wernli. AUV’S-The Maturity of the Technology. OCEANS’ 99 MTS/IEEE Coference Proceedings.
[16] A.Tonge. Marlin. The UK Military UUV Programme-A Programme Overview. Proceedings of the International UUV Conference, Newport,RI,2000,(4):31-38.
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