气动上下料机械手手部结构的设计与分析
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第一章概述1、引言随着气动技术获得了快速发展,利用成本性能比低,同时具有许多优点的气动机械手设备来满足社会生产实践需要越来越多的受到重视。
气动机械手与其他控制方式的机械手相比,具有价格低廉、结构简单,功率体积比高、无污染及抗干扰性能强等特点。
1、2机械手的应用与发展机械手臂在产业自动化的应用已经相当广泛,因为各个国家产业分布的不同,以及各产业对于机械手臂的需求量也有差异。
主要是使用于人工无法进行或者会耗费较多时间来做的工作,机械手臂在精度与耐用性上可以减少许人为的不可预知问题。
自从第一台产业用机器人发明以来,机械手臂的应用也从原本的汽车工业、模具制造、电子制程等相关产业,更拓展到农业、医疗、服务业…等等。
多轴机械手臂研发方面,多轴式机械手臂广泛应用于汽车制造商、汽车零组件与电子相关产业。
机械手臂可以提升产品技术与品质,而这些初期工作大多可以借由机械手臂来完成。
机械手臂的精准、零误差,对于产品的品质掌握自然拥有其优势,减少品管所花费的时间与人力。
工业应用上,以装配、加工、熔接、切削、加压、货物搬运、检测…等,全球目前产业使用量是以汽车、汽车零组件、化工、橡胶和塑料等最大。
现在,ROBOT的应用已越来越多元化,依据国际机器人协会(IFR)的统计,至2007年底机械手臂除了工业以外,最多应用于救援、保全与野地(田野、牧场等),近年来,各先进国家为了提升台机器人的技术水平,都会推广机器人产业与创立相关联盟,并且特别针对工业以外的领域进行推广,例如:医疗、服务、生活方面…等。
以医疗为例,有许多大型医学中心使用以手动操控方式之机械手臂,结合显微影像显示系统所结合的手术型机器人。
机械手臂的研发也朝向节省人力、减少人类暴露在危险的工作环境、甚至进行更加精密的工作或是辅助操作。
机械手臂的技术发展都是为了让人类在工作与生活中更加便利。
1、3气动机械手概述气动机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。
上下料机械手结构设计
上下料机械手是工业自动化领域中常见的设备,用于在生产线
上进行物料的搬运和装配。
其结构设计需要考虑以下几个方面:
1. 机械手类型,根据实际需求,可以选择不同类型的机械手,
比如直线运动机械手、旋转机械手、SCARA机械手等。
每种类型的
机械手都有其适用的场景和特点,需要根据具体的作业需求来选择。
2. 关节结构,机械手通常由多个关节组成,关节的结构设计需
要考虑到负载能力、精度要求、速度要求等因素。
常见的关节结构
包括直线传动、齿轮传动、伺服电机驱动等,需要根据具体情况选
择最合适的结构。
3. 末端执行器,末端执行器是机械手的关键部件,用于实际的
物料抓取、放置和装配。
末端执行器的设计需要考虑到抓取力度、
抓取形状、灵活性等因素,常见的末端执行器包括气动夹爪、机械
夹具、吸盘等。
4. 控制系统,机械手的结构设计需要与控制系统相匹配,确保
机械手能够按照预定的路径和速度进行运动。
控制系统通常包括传
感器、编码器、控制器等部件,需要与机械手的结构设计相协调。
5. 安全性考虑,在机械手的结构设计中,需要考虑到安全性因素,确保机械手在运行过程中不会对操作人员或周围环境造成伤害。
这包括安全防护装置的设置、紧急停止系统的设计等。
综上所述,上下料机械手的结构设计需要综合考虑机械手类型、关节结构、末端执行器、控制系统和安全性等多个方面的因素,以
确保机械手在实际生产中能够高效、安全地完成物料的搬运和装配
任务。
自动上下料机械手的设计摘要随着机电一体化技术和计算机技术的应用,机械手的研究和开发水平获得了迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域,特别是工业机械手在生产加工中的应用。
机械手是近代自动控制领域中出现的一种新型技术装备,它能模仿人体上肢某些动作,在生产中代替人搬运物体或操持工具进行动作,已成为现代机械制造系统中的一个重要组成部分。
本次设计主要设计自动上下料的机械手,该系统采用液压驱动,传动平稳,且易于控制,控制系统采用一般PLC所具有的位移寄存器和位移指令来编程。
关键词:机械手,液压驱动,控制系统目录1绪论 (1)2 工业机械手的设计方案 (2)2.1 工业机械手的组成 (2)2.2 上下料机械手的工作原理 (3)2.3 规格参数的选择 (3)2.4 设计路线与方案 (4)2.4.1 机械手的总体设计方案 (4)2.4.2 设计步骤 (4)2.4.3 研究方法和措施 (4)3 机械手各部分的计算与分析 (5)3.1 手部计算与分析 (5)3.1.1 滑槽杠杆式手部设计的基本要求 (5)3.1.2 手部的计算和分析 (5)3.2 腕部计算与分析 (12)3.2.1 腕部设计的基本要求 (12)3.2.2 腕部回转力矩的计算 (13)3.2.3 腕部摆动油缸设计 (16)3.2.4 选键并校核强度 (18)3.3 臂部计算与分析 (18)3.3.1 臂部设计的基本要求 (18)3.3.2 手臂的设计计算 (20)3.4 机身计算与分析 (28)4 液压系统设计 (29)4.1 液压系统总体设计 (29)4.2 液压元件的选择 (29)4.2.1 液压缸 (29)4.2.2 液压泵的选取要求及其具体选取 (31)4.2.3 选择液压控制阀的原则 (33)4.2.4 选择液压辅助元件的要求 (33)5 液压元件的保养与维修 (37)5.1 液压元件的安装 (37)5.2 液压系统的一般使用与维护 (37)5.3 一般技术安全事项 (37)6 结论 (39)参考文献 (40)致谢 (41)附录 (42)1绪论工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的。
数控机床机械手上下料设计1. 机械手的选型:机械手的选型要根据机床的工作环境、工件尺寸和重量等因素进行选择。
常见的机械手类型有SCARA机械手、直角坐标机械手和Delta机械手等。
机械手的选型要保证其具备足够的精度、承载能力和速度。
2.机械手的运动轨迹规划:机械手上下料的运动轨迹规划要尽量减少运动时间,提高生产效率。
一般采用直线插补或者圆弧插补的方式进行轨迹规划。
同时,还要考虑到机械手的运动平稳性,避免产生过大的加速度和振动。
3.机械手的夹具设计:机械手的夹具设计要根据工件的形状和尺寸进行设计,以保证夹持力和夹持稳定性。
夹具还需要具备自动卡紧和松开的功能,以便于机械手的操作。
4.机械手的控制系统:机械手的控制系统要能够准确控制机械手的运动和夹具的开合,实现精确的上下料操作。
控制系统还需要具备灵活的编程能力,以适应不同工件的加工要求。
5.安全措施的设计:机械手上下料过程中需要考虑到操作人员的安全。
可以设置机械手的安全围栏和光幕等安全装置,防止人机碰撞事故的发生。
在数控机床机械手上下料设计中,还需要进行一系列的试验和验证。
首先进行机械手的空载试运行,测试其准确性和稳定性。
然后进行机械手的负载试运行,测试其夹持力和承载能力。
最后进行机械手与数控机床的协调操作试验,验证机械手是否能够准确地完成上下料操作。
总的来说,数控机床机械手上下料设计需要考虑机械手的选型、运动轨迹规划、夹具设计、控制系统和安全措施等方面。
通过合理的设计和验证,可以实现机械手上下料的自动化操作,提高生产效率和产品质量。
摘要针对数控车床设计的一种套类零件自动上下料机构,实现了坯料的抓取、自动定位、夹紧以及工件的回放。
该机构主要由自动安装夹具,坯料、工件拾取机械手,动力及控制系统组成。
零件的自动定位、夹紧由弹簧涨胎心轴实现,涨胎心轴是以工件的内孔表面定位,由气缸驱动弹性筒夹向外扩涨,实现工件的定位和夹紧的。
坯料、工件的拾取、回放是由单臂形式的机械手通过伸缩、旋转以及俯仰等运动实现的,这些运动均由气缸驱动获得。
本设计中,为实现工件的自动上下料,单臂机械手的运动与涨胎心轴的张合需进行紧密配合。
考虑到所夹持工件的实际尺寸、质量等因素,本机构采用气动夹具、电气控制实现了坯料和工件的拾取、安装、回放过程的自动完成。
本文对气动机械手进行总体方案设计,确定了机械手的坐标形式和自由度。
同时,设计了机械手的夹持式手部结构。
关键词:自动上下料;气动机械手;气动夹具;套类零件IAbstractThi s paper is aim ed at desi gn i ng a sl eeve part s aut om ati c bai ti ng a genci es for a C NC l athe.It s func t ion is process i ng the crawls, aut om ati c pos it ioning and cl amping of t he workpi ece.The aut om at i c bait i ng agenci es m ainl y con si st of t he autom at i c fixt ure, the m ani pul at o r for pi ck ing up t he workpi ece and bi ll et s and t he dri ve and cont rol s ys t em.Am ong t hem,the aut om at i c pos it i oni ng and cl am p ing of t he s ets part s i s achi eve d b y t he axi s fet al heart rat e ris ing t o t he workpi ece cent eri ng hol e.W hen cl am pi ng t he workpi ece,fl ex ibl e tube fol der can cent er and cl am p t he c yli ndri cal hol e through t he expansi on and i n fl a ti on;bl ank gras p ing of t he workpi ece and the i nt ervals are achi eve d b y t he m anipul at or arm b y st ret chi ng and rot at ing.In t h e i ssue,i t i s neces s ar y for t he movem ent s of t he m anipul at or arm and the autom at i cal fixt ure Zhang t o requi re t he coordi nat i on.Taki ng int o account that t he actual workpi ece siz e,t he quali t y and t he vari ous feat ures of t he dri ven approach t o the s yst em,we deci de to adopt t he aerod ynam i c cont rol,us i ng com pressed ai r t o achi eve t he movem ent s of t he cl am pi ng fixt ure and m ani pul at or.Keyw ord s:Aut om at i c b ait i ng;P neum ati c m ani pul at or;P neum ati c fixt ure;sl eeve part sII目录摘要............................................................ 错误!未定义书签。
上下料机械手设计-文献综述上下料机械手的设计前言机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运对象或操作工具的自动操作装置。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
近年来,随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用,机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
随着现代技术的高速发展,无人化操作已逐步取代了原始的工作方式。
本文主要讨论了上下料机械手的结构设计,绘出了主要零部件图及系统装配图,完成控制系统的硬件设计,并用计算机绘出电路原理图.关键词:机械手结构设计上下料Forword Manipulator is a kind of manpower and arms to imitatesome of the motor function to crawl at a fixed procedure, removal of the object or operation of the automatic installation tools. Manipulator in the mechanization and automation of the production process to develop a new device. In recent years, as electronic technology, especially the extensive application of the electronic computer, the robot has been the development and production of a high-tech field with the rapid development of a new and emerging technologies, it has more to promote the development of manipulator, making manipulator can better achieve and the mechanization and automation organic integration. It can be a substitute for the arduous work to achieve production mechanization and automation, in theenvironmentally harmful to operate under the protection of personal safety, thus widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and nuclear energy sectors. With the rapid development of modern technology, unmanned operation, has been gradually replacing the primitive methods of work. This paper mainly discusses the upper and lower material manipulator structural design, drawn map of the main components and system assembly, complete control system hardware design, and drawn by computer circuit schematics.Keywords:manipulator structural design top and bottom anticipate研究的目的和意义机械设计制造及其自动化专业是为了培养从事机械设计、制造行业的人才而开设的专业。
柔性制造系统上下料机械手结构设计引言柔性制造系统(Flexible Manufacturing System,简称FMS)是一种高度自动化的生产系统,具有高效、灵活、可靠的特点。
在FMS中,上下料机械手是重要的组成部分,它负责将工件从储料库或机床上取下,并放置到指定位置。
因此,合理设计机械手的结构对于提高FMS的生产效率至关重要。
本文将介绍柔性制造系统上下料机械手的结构设计,包括机械手的组成部分、工作原理和关键设计要点。
机械手的组成部分通常,柔性制造系统上下料机械手由以下几个组成部分组成:1. 机械臂机械臂是机械手的核心部分,它由多个关节连接而成,可以实现各种运动。
常见的机械臂结构有串联结构和并联结构。
串联结构由多个关节依次连接,具有较高的刚度和精度;而并联结构由多个平行机构组成,具有较高的运动速度和稳定性。
2. 夹具夹具是机械手用于抓取和固定工件的装置。
夹具的设计应考虑工件形状、尺寸和重量等因素,以确保夹持效果良好,并避免对工件造成损坏。
3. 驱动系统驱动系统包括电机、减速器和传动装置等部分,用于驱动机械手的运动。
驱动系统的设计应考虑机械手所需的力矩、速度和精度等要求。
4. 感知系统感知系统用于获取环境信息和工件位置信息,以实现机械手的自动化控制。
常见的感知系统包括传感器、摄像头和激光测距仪等。
工作原理柔性制造系统上下料机械手的工作原理主要包括以下几个步骤:1.识别工件机械手通过感知系统获取工件位置信息,并进行识别。
常见的工件识别方法包括图像处理和激光测距等。
2.抓取工件机械手利用夹具或其他装置来抓取工件。
在抓取过程中,机械手需要考虑工件的形状、表面条件和重量等因素。
3.运输工件机械手将抓取到的工件从储料库或机床上取下,并将其运输到指定位置。
在运输过程中,机械手需要考虑工件的姿态和运动轨迹等。
4.放置工件机械手将工件放置到指定位置,并确保其位置精度和稳定性。
放置过程中,机械手需要考虑工件的形状、尺寸和重量等因素。
上下料机械手设计
1.功能需求:首先,需要确定该机械手需要完成的任务是什么。
是将
物料从一个位置搬运到另一个位置,还是将物料放入或取出生产线中的机
器设备?根据任务需求,确定机械手的结构和工作方式。
2.工作负载:机械手需要能够承受将要搬运的物料的重量和尺寸。
根
据实际需求,确定机械手的承载能力和工作范围。
3.结构设计:机械手的结构设计是关键环节,需要确定机械手的臂长、关节数量和类型,以及各个关节的运动范围和速度。
同时,还要考虑机械
手的稳定性和精度,以确保其能够准确地完成任务。
4.控制系统:机械手的控制系统包括机械手的动力源以及控制机构。
通常采用电动机作为动力源,通过编程控制来实现机械手的运动。
控制系
统还需要考虑到安全性和易用性,例如加装安全感应器来避免碰撞等。
5.通信与接口:机械手需要与其他设备或系统进行通信和接口,以实
现工作的配合。
通常采用传感器等设备来实现与其他系统的交互。
6.安全性设计:机械手在工作时需要确保操作的安全性,避免伤人或
破坏物料。
因此,需要在机械手的设计中考虑到安全装置,例如安装急停
开关或安全屏障等。
7.维护与保养:机械手作为一种复杂的设备,需要定期维护和保养,
以确保其正常运行。
在设计时应考虑到易于维护的要求,例如合理的机械
结构设计和易于更换的零部件。
冲床上下料气动机械手的设计毕业论文目录1 前言 (1)1.1选题背景 (1)1.2设计目的 (2)1.3发展现状和趋势 (3)1.4机械手的系统工作原理及组成 (3)2 机械手各部件的设计 (7)2.1机械手的总体设计 (7)2.1.1 机械手总体结构的类型 (7)2.2机械手手爪结构设计 (8)2.2.1 设计要求 (8)2.2.2 驱动方式 (8)2.2.3 典型结构 (9)2.2.4 具体设计方案 (10)2.3机械手手臂结构的设计 (10)2.3.1 手臂结构的设计要求 (10)2.3.2 具体设计方案 (10)2.4机械手腰座结构的设计 (11)2.4.1 腰座结构的设计要求 (11)2.5机械手驱动系统设计 (11)2.5.1 常用驱动系统及其特点 (11)2.5.2 具体设计方案 (12)2.6机械手手臂的平衡机构设计 (12)2.6.1 平衡机构的形式 (12)2.6.2 具体设计方案 (13)3 手部结构设计 (14)3.1手指的形状 (14)3.2设计时考虑的几个问题 (14)3.3手部夹紧气缸的设计 (15)3.3.1 手部驱动力计算 (15)3.3.2 气缸的直径 (16)3.3.3 缸筒壁厚的设计 (18)4 手臂结构设计 (20)4.1手臂伸缩 (20)4.1.1 结构设计 (20)4.1.2 导向装置 (20)4.1.3 手臂伸缩驱动力的计算 (20)4.2手臂升降和回转部分的结构设计 (21)4.3手臂伸缩气缸的设计 (21)4.3.2 气缸的直径 (22)4.3.3 活塞杆直径的计算 (23)4.3.4 缸筒壁厚计算 (24)5 气动系统设计 (25)5.1主要元器件的选择 (25) (25) (25)5.1.3 节流阀 (28)5.2拟定执行元件运动控制回路 (29)5.3气源系统的设计 (29)5.4气压传动系统工作原理图 (30)5.5机械手运行顺序及电气控制 (30)6 机械手的PLC控制设计 (32)6.1可编程序控制器的选择及工作过程 (32)6.1.1 可编程序控制器的选择 (32)6.1.2 可编程序控制器的工作过程 (32)6.2可编程序控制器的使用步骤 (33)6.3机械手可编程序控制器控制方案 (34)6.3.1 系统简介 (34)6.3.2 工业机械手的工作流程 (34)6.3.4 机械手工作时序图 (36)6.3.5 梯形图设计(如附图所示) (36)7 结论 (38)参考文献 (39)致谢 (40)附录1 (41)附录2 (42)附录3 (43)1 前言1.1 选题背景由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高,对工作效率的提高迫在眉睫。
数控机床上下料机械手设计背景介绍随着工业化程度的不断提升,自动化生产设备越来越普及。
数控机床已成为现代工业生产中的重要设备之一。
在数控机床生产制造过程中,上下料机械手是数控机床最核心的装置之一。
数控机床上下料的机械手是现代工业生产中提高生产效率的重要方法之一。
如何设计一种高效的数控机床上下料机械手成为一个热门的研究方向。
设计目标本文主要研究设计一种高效的数控机床上下料机械手。
我们希望设计出的机械手具有以下一些目标:•精准度高:机械手在匀速运动时应保证其精度,以避免出现工件质量不良的现象。
•稳定性好:机械手的运动应该保持稳定,避免产生摆动和震动的现象。
•具有大范围的移动:机械手应该能够在数控机床工作区域内进行水平和垂直的移动。
•适应性强:机械手应该能够适应多种工件的上下料,即机械手可以精准地完成多个工件的上下料作业。
设计方案机械手结构设计数控机床上下料机械手主要由机身、伸缩框架、前臂、手腕、手指和钳具等部分组成。
图1 数控机床上下料机械手示意图为了实现机械手的稳定性和精度,我们采用了传统的寻心旋运动、伸缩式平行机构和牵引式链条平台。
伸缩式平行机构是机械手的运动基础。
在伸缩式平行机构中,机械手平台的移动距离是由伸缩臂控制的。
同时,为了确保机械手的稳定性,在机械手的移动过程中,伸缩臂应具有平衡能力,以确保其稳定性。
传统寻心旋转运动主要用于控制机械手的平台旋转。
在传统寻心旋转运动的过程中,机械手平台的旋转只围绕其寻心旋转中心进行,并且以恒定的线速度旋转。
牵引式链条平台主要用户控制机械手的前臂运动。
在牵引式链条平台中,机械手前臂通过链条进行移动,而牵引式链条平台由导杆控制。
在这种设计方案中,牵引式链条平台的运动可以控制机械手的高度。
图2 伸缩式平行机构示意图机械手控制系统设计基于单片机,我们设计了一套高效的数控机床上下料机械手控制系统。
该系统主要由控制系统、采集系统、运动控制卡以及人机界面等部分组成。
其中的控制系统可以控制机械手的不同工作状态,采集系统可以采集机械手的运动数据,而运动控制卡可以控制机械手的运动。
自动上下料机械手设计毕业论文自动上下料机械手是一种在工业生产中广泛应用的机械设备,它能够实现自动化的物料输送和加工操作,提高生产效率和品质。
本文将对自动上下料机械手的设计进行详细介绍,包括机械结构设计、控制系统设计和安全保护措施等方面。
首先,机械结构设计是自动上下料机械手设计的重要一环。
机械手的结构设计需要考虑到物料的尺寸和重量等因素,以确保机械手能够稳定地抓取和搬运物料。
常见的结构设计包括三轴机械手和六轴机械手,三轴机械手适用于简单的上下料操作,而六轴机械手适用于复杂的搬运和加工操作。
此外,机械手的末端需要根据物料的特点设计相应的夹具,以确保物料的安全和稳定。
其次,控制系统设计是自动上下料机械手设计中的关键环节。
控制系统主要包括机械手的位置控制和力控制。
位置控制使用编码器和传感器等设备,通过实时监测机械手的位置信息来控制机械手的运动轨迹。
力控制使用力传感器和控制算法等设备,通过实时监测机械手的力信息来控制机械手的抓取力度和握持力度。
此外,控制系统还需要具备良好的人机界面,以便操作人员能够直观地监控和控制机械手的运动状态。
最后,安全保护措施是自动上下料机械手设计中必不可少的一部分。
由于机械手在工作过程中可能会遇到各种意外情况,如物料掉落、碰撞等,因此需要采取相应的安全保护措施来避免事故的发生。
常见的安全保护措施包括限位开关、急停开关、安全光栅等设备,它们能够及时检测到异常情况并切断机械手的电源,以确保人员的安全。
综上所述,自动上下料机械手的设计涉及到机械结构设计、控制系统设计和安全保护措施等方面。
通过合理地设计和选择,可以使机械手能够实现高效、稳定的上下料操作,并确保人员的安全。
四自由度上下料机械手结构设计及机构精度研究中期进度报告名目一绪论1.1前期要紧工作前期工作我们把重点放在机械构和结构设计计算,具体工作如下:确定技术参数:在满足功能要求的前提下,参考实验室上下料机械手的技术参数,结合上网查阅的工业机械手的实际生产应用,确定了机械手的设计方案,并对机械手的要紧技术参数进行了选择,包括抓取工件的几何尺寸和质量、工作寿命、手臂运动参数、工作节拍、定位精度等。
确定技术方案和技术参数之后,我们展开了结构设计。
我们依据技术要求选择电磁铁、气缸,确定气动系统的传动原理;确定摆臂的结构与材料,并进行校核;实现摆臂上下动作的齿轮齿条、齿轮的设计计算及电机的选择;实现机械手旋转动作的行星轮的设计计算和电机的选择;在上述设计完成后,精确计算机械手的质量,进行导轨的选择;实现机械手水平运动的齿轮齿条的设计计算和电机的选择;如此,我们全然完后了机械手的设计计算。
总的来讲,前期工作完成的依旧比立圆满的,通过大量的设计计算我们确定了机械手的结构尺寸和力学数据,要紧零件的参数,为接下来的仿真分析和性能计算提供可靠的数据。
在老师的指导关怀下,对设计的概念有了一个更加深刻的熟悉。
在进行一些要紧零件的设计计算过程中也碰到许多专业知识瓶颈,我们通过翻阅资料学习消化再进行计算。
尽管期间通过一些磕磕绊绊,也碰到一些比立棘手的咨询题,但在我们小组成员的一起努力下,我们最终完成了这些工作。
然而,仍然存在一些咨询题。
三维建模工作由于过于乐瞧的估量了计算量的多少导致只是完成了一局部,由于对专业软件的不熟悉,碍事了工程进度。
这些根基上我们在接下来的工作中需要注重的。
二机械手设计方案关于机械手的要求是能快速、正确地拾放和搬运物件,这就要求他们具有高精度、快速反响、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在特定位置精确定位的要求。
因此,我们依据工件材料的作业技术要求,给定了最合理的作业顺序。
之后在满足系统功能要求和条件的前提下,依据工件的结构外形和材料特性,进一步确定了机械手结构;同时在设计过程中,在满足工作条件的要求使用的前提下,尽量选用标准件,落低制造本钞票,并简化设计过程。
文章编号:1003-1251(2006)06-0058-03
气动上下料机械手手部结构的设计与分析
赵 碧,巴 鹏,徐英凤
(沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110168)
摘 要:以炮弹径长自动检测生产线上搬运炮弹机械手的手部结构为研究对象,采用单片机对其气压驱动装置进行顺序控制,为保证结构设计的合理性,在论述系统组成、机
械手运动、坐标形式及运动范围的基础上,运用有限元分析方法对手部结构进行分析和优化改进,结构设计满足验算结果要求.
关键词:机械手;手部结构;结构设计;有限元分析中图分类号:TP241.2 文献标识码:A
收稿日期:2006-04-03
作者简介:赵碧(1981—),女,辽宁沈阳人,硕士研究生1
在炮弹径长自动检测生产线上,要检测不同
长度炮弹的外径值是否都在规定的尺寸公差内,该工作过程受检测进程的限制,工人劳动强度大,且不易确保炮弹在检测平台上的位置.为了解决上述问题,本文设计一套采用单片机控制的带有摩擦轮压紧装置的气动上下料机械手.机械手手部结构的设计将影响炮弹的表面质量及其在检测平台上的位置,进而影响检测结果,因此运用有限元分析方法对所设计的结构进行应力分析、位移分析,并对结构进行优化设计.
1 系统组成
整个系统分为控制系统、驱动系统和执行系统三大部分
[1]
,系统组成如图1所示
.
图1 系统组成框图
1.1 控制系统
控制系统包括主控制柜、控制面板(状态显
示、按钮)和位置检测装置[2]
.位置检测装置主要由行程开关组成,用来检测机械手的工作是否到位,并把相关信号传递给控制中心以便进行下一步的动作.在整个过程中,主要控制:(1)气动系统电磁阀的得电、失电;(2)步进电机、交流电机的启动、停止;(3)键盘显示、指示灯.1.2 驱动系统
整个系统需处于洁净的环境中,以确保检测
的准确可靠,因此采用气压驱动[3]
,即保证了环境的清洁,又满足了机械手运动快速性的要求.1.3 执行系统
执行系统分为上下料系统和检测系统两部分.上下料系统包括机械手手爪的夹紧与张开、摩擦轮和机械手手臂的上升与下降、机械手手臂的移动;检测系统包括炮弹旋转、测头移动和顶炮弹用活塞杆的伸出和收回.
2 机械手手部结构设计与分析
2.1 机械手概述
1)坐标形式所设计的机械手具有两个自由
2006年12月
沈阳理工大学学报 Vol.
25No .6第25卷第6期
TRANS ACTI O NS OF
SHENY ANG L I G ONG UN I V ERSI TY
Dec .
2
6
度[4]
,摩擦轮具有一个自由度,故采用直角坐标形式.如图2所示,机械手的两个自由度分别是手臂的水平移动和手臂的伸缩运动,即沿x 轴方向的移动和沿z 轴的伸缩;摩擦轮的自由度即沿z 轴的伸缩运动.
2)工作过程对于上下料机械手,其工作是在最短的时间内抓取、抬升、移动、放炮弹至检测平台,经检测后,再迅速地抓取、抬升、移动、放炮弹至存放处,然后回到原位,执行下一次操作.
3)工作范围机械手手臂在水平方向移动的总行程为600mm ,在垂直方向的伸缩行程为125mm ,由于在手臂伸出时,摩擦轮与工件的距离为35mm ,所以摩擦轮的伸缩行程为
160mm.
图2 机械手的坐标形式
2.2 机械手手部结构设计
机械手的手部
[5]
是机械手上承担抓取工件的
机构,由于被抓取物件(炮弹)的形状近似于圆台,所以,其手爪采用特殊的V 字型结构,即手爪的内表面设计成与圆台斜度相同的斜面,即保证了抓取的稳定又不会因“线接触”而影响炮弹的表面质量.机械手手部的驱动装置采用齿轮齿条杠杆式结构,因为其结构简单,传动可靠,特别是采用无关节的手指形式,使抓取误差更小,定心精度更高.具体结构见图3,其中,机械手外罩通过螺母紧固在气缸缸体上,活塞杆利用自身的螺纹与齿条联接,手爪通过螺钉与扇形齿轮联接,扇形齿轮通过圆柱销与外罩联接,即通过活塞杆的往复运动实现了手爪的张开与闭合.由于销与扇形齿轮的联接属于间隙配合,所以它们之间存在剪切危险,经过校核,其剪切应力满足要求.2.3 机械手手部结构分析
为了加工方便、使手指的通用性更强,采用对称式钳爪手部结构,
为保证抓取的可靠性和结构
图3 机械手手部结构图
1———手爪;2———手指;3———齿条;4———扇形齿轮;5———
销;6———螺钉;7———螺母;8———外罩;9———气缸
设计的合理性,采用ANSYS 大型有限元分析软件,对机械手的变形和应力情况进行仿真分析.
2.3.1 有限元模型
建立机械手有限元模型的关键在于受力结构的简化及等效边界条件的确定.由于机械手采用对称结构,所以,把有限元模型简化为对一半手部结构进行分析.机械手有限元模型如图4所示
.
图4 机械手有限元模型
(1)确定手指的支持力和齿轮啮合处的作用
力:假设手指所受水平方向上的夹紧力为零,即炮弹的自重完全由手爪的下表面来克服,通过受力
分析确定手指的支持力;由于齿轮齿条之间相互啮合,必然存在相互作用,且活塞杆与齿条相联,所以,根据活塞杆的推力即可得出齿轮的受力情况.
(2)确定等效边界条件:由于机械手的张开和闭合是通过扇形齿轮与齿条之间的啮合实现,其回转中心即为销轴处,所以,应在销轴的位置增加约束.2.3.2 有限元分析
机械手以钢为材料,其密度ρ=7800kg/c m 3
,弹性模量E =202GPa;按分析的条件增加约束,对
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95・第6期 赵 碧等:气动上下料机械手手部结构的设计与分析
受力部位进行加载.有限元分析后,应力分析结果如图5所示,在炮弹自重和齿轮的作用力下,机械手手部的最大应力出现在齿轮与齿条相啮合部位
的齿根部,其最大应力为0.475×107
Pa,满足许用应力要求,最大应力出现位置的放大视图如图6所示;有限元分析后,位移分析结果如图7所示,可见,在炮弹自重作用下,机械手手部的最大位移出现在手爪的末端,即图7最左边,其大小为0.85
×10-6
m ,满足许用位移要求
.
图
5 应力云图
图
6 应力集中放大视图
图7 位移云图2.4 机械手手部结构优化
通过对机械手有限元分析结果的研究,虽然
其产生的最大应力、最大位移均满足许用要求,但从结构优化的角度考虑应进行如下优化:
(1)由于最大应力出现在齿轮的齿根处,所以,为了减小应力给齿轮寿命带来的影响,应采用热处理方法增强齿根强度.
(2)由于最大变形出现在手爪受压的地方,长期使用定会加剧磨损,从而间接影响炮弹在检测平台上的位置.因此,对于下半部分手爪结构进行热处理,以增强其耐磨性和强度.
3 结束语
通过采用机械手代替人进行重复的取放工
作,不仅可减轻工人的劳动强度,也提高了劳动生产率;通过对机械手手部结构进行有限元分析,肯定了结构设计方针的正确性,为结构的优化改进提供了依据.所设计的机械手手部结构不但满足在夹紧力为零情况下的夹紧要求,而且可以有效抑制因重复夹取工件而使手指产生的磨损.
参考文献:
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[5]王承义.机械手及其应用[M ].北京:机械工业出版社,
1981.
D esi gn And Ana lysis of the F i n er ’s Structure of Pneuma ti c M an i pul a tor
ZHAO B i,BA Peng,Xu Ying 2feng
(Shengyang L igong Universty,Shenyang 110168,China )
Abstract:The structure of the mani pulat or’s finger f or carrying the shells at the aut omated p r oducti on line by measuring the shell’s dia meter is studied .The pneu matic driving devices are contr olled sequentially by single chi p m icr ocomputer .I n order t o guarantee the ratr onality of the structure design,FE M is used t o analyse and op ti m ize the finger’s structure .The structure design meets the require ment of the verificati on result .
Key words:mani pulat or;finger’s structure;structure design;finite ele ment method (FE M )
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06・沈阳理工大学学报 2006年。