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液压控制的移置机械手的设计

基于液压控制的移置机械手的设计

摘要:当今世界许多发达国家高度重视机器人技术的研究,各种各样的机器人越来越多的用于科学研究、现代化工业生产和工业作业当中。机械手是机器人的操作机,是机器人完成各种任务的执行机构。本文主要针对生产线上的自动化设计了一个三个自由度的专用移置机械手,以实现工厂的自动化,减轻了工人劳动强度,提高了劳动生产率。该机械手采用液压驱动,实现了夹紧、垂直移动、横移运动以及伸缩运动等动作。为了实现这些动作,采用了部件设计以分别实现动作要求。

关键词:液压驱动;移置;机械手;液压系统;

Based on the reversal of hydraulic manipulator control design

Abstract: In today,Many of the world’s developed countries attach great importance to the research of robot technology,A wide variety of robot is more and more used in scientific research,modern industrial production and industrial operations.The mechanical hand is the operation of the robots, and is the robot of the executing agency to complete various tasks. The main production line for the automated design of a three DOF Manipulator for displacement, in order to achieve automation in factories, reducing the labor intensity, improves the labor productivity. The mechanical hand adopts hydraulic drive, realize the clamping, vertical movement, lateral movement and telescopic movement and so on.In order to achieve these movements, the author adapts the design of the components to achieve the action requested.

Key words: Hydraulic drive; Flip; Manipulator;The Hydraulic system;

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

1 前言 (1)

1.1 课题研究目的及意义 (1)

1.2 机械手的应用现状 (1)

1.3 我国工业机器人的发展 (2)

1.4 机械液压手的整身结构设计 (3)

2 机械手的设计 (5)

2.1 机械手的手部机构设计 (5)

2.2 机械手主要技术性能参数 (5)

2.2.1 机械手指设计 (5)

2.2.2 手指对工件的夹紧力计算 (6)

2.3 手部机构和驱动力的计算 (7)

2.4 手臂结构设计 (7)

3 系统方案的确定和定液压原理图 (8)

3.1 系统方案的设计 (8)

3.1.1 执行机构的确定 (8)

3.1.2 X方向运动伸缩缸动作的回路设计 (8)

3.1.3 Y方向运动伸缩缸动作的回路设计 (8)

3.1.4 Z方向运动伸缩缸动作的回路设计 (9)

3.1.5 夹紧缸动作回路设计 (9)

3.1.6 主油路的设计 (9)

3.2 拟定液压系统原理图 (9)

4 执行元件的计算 (11)

4.1 各液压缸载荷力的计算 (11)

4.1.1 夹紧缸夹紧力的计算 (11)

4.1.2 手臂伸缩运动 (12)

4.1.3 升降缸升降运动 (12)

4.1.4 机身横移运动 (12)

5 液压系统设计 (13)

5.1 液压系统简介 (13)

5.1.1 液压系统的组成 (14)

5.1.2 压力控制回路 (14)

5.1.3 速度控制回路 (15)

5.2 初选液压系统的压力 (15)

5.3 计算各液压缸的主要机构尺寸 (15)

5.3.1 确定夹紧缸的结构尺寸 (15)

5.3.2 X方向移动缸的机构尺寸 (16)

5.3.3 Y方向移动缸的机构尺寸 (16)

5.3.4 Z方向移动缸的机构尺寸 (16)

6 液压元件的选择 (18)

6.1 液压泵的选择 (18)

6.2 电机的选择 (19)

6.3 液压阀的选择 (19)

6.4 油管的选择 (21)

6.5 油箱的选择 (22)

6.6 油缸的密封 (22)

6.7 滤油器的选择 (23)

7 液压系统的性能验算 (23)

7.1 压力损失的验算 (23)

7.1.1 回路压力的验算 (23)

7.1.2 局部压力损失的验算 (24)

7.1.3 计算液压系统的发热温升 (24)

8 电磁换向阀的顺序动作设计 (25)

9 结论 (27)

参考文献 (28)

致谢 (28)

1 前言

用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。

1.1 课题研究目的及意义

几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器,以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯(Taloas),犹太传说中的泥土巨人等等,这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实,早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。

到了近代,机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后,不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域,从天上到地下,从工业拓广到农业、林、牧、渔,甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多,应用之广,影响之深,是我们始料未及的。

工业机器人由操作机(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生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

1.2 机械手的应用现状

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:

(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

(4)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。

1.3 我国工业机器人的发展

有人认为,应用机器人只是为了节省劳动力,而我国劳动力资源丰富,发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国,社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益,而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。

我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线

系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国已安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模化设计,积极推进产业化进程。

我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种;在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.4 机械液压手的整身结构设计

表1 工业机械手分类

Table 1 Industrial machinery hand classification

结构形式方案特点优缺点结构简图

直角坐标型圆柱坐标型

作机的手

臂具有三个移

动关节,其关节

轴线按直角坐

标配置

操作机的

手臂至少有一

个移动关节和

一个回转关节,

其关节轴线按

圆柱坐标系配

结构刚度

较好,控制系统

的设计最为简

单,但其占空间

较大,且运动轨

迹单一,使用过

程中效率较低

结构刚度

较好,运动所需

功率较小,控制

难度较小,但运

动轨迹简单,使

用过程中效率

不高

液压控制的移置机械手的设计

液压控制的移置机械手的设计

续表1 结构形式方案特点优缺点结构简图

球坐标型关节型操作机的手臂

具有两个回转

关节和一个移

动关节,其轴线

按极坐标系配

操作机的手臂

类似人的上肢

关节动作,具有

三个回转关节

结构紧凑,但其

控制系统的设

计有一定难度,

且机械手臂的

刚度不足,机械

结构较为复杂

运动轨迹复杂,

结构最为紧凑,

但控制系统的

设计难度大,机

械手臂的刚度

液压控制的移置机械手的设计

液压控制的移置机械手的设计

运动设计是机构设计的基础,它包括选用机械手的运动形式和确定自由度数。按照毕业设计任务书的要求自由度数为三个。而常用的运动形式包括直角标,圆柱坐标,球坐标和关节式四种方式,按照我的任务书要求,只要求在X、Y、Z方向进行平移,所以选择直角坐标[1]。

我所设计的机械手为液压控制来将工件进行平移,所需要的可以用液压缸来实现控制。

包括用来机械手夹紧的夹紧缸,手臂进行伸缩运动的伸缩缸,实现升降运动的升

降缸,以及机身横移运动的液压缸。

2 机械手的设计

2.1 机械手的手部机构设计

机械手部机构包括手指式、吸盘式以及其他形式。手指式主要适用类、盘类及环类零件和其他杂件,吸盘式主要适用表面光滑的板材或曲线形状的壳体零件、磁性材料的板材或盘类零件、特殊形状及要求的零件。在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落[1]。

根据任务书工件要求以及考虑设计结构的简单性选择手指式的手部结构,这样既可以满足设计的要求,有可以简便设计。

2.2 机械手主要技术性能参数

工业机器人的技术参数是说名其规格和性能的具体指标。

(1)抓取重量:抓取重量是用来表明机器人复合性能的技术参数,这是一项主要技术参数。它与机器人的运动速度有关,一般是指在正常速度下的抓取重量。

(2)抓取工件的极限尺寸:它使设计手部的基础。

(3)坐标形式和自由度:说明机器人手部,腕部等共有自由度数及它们组成的坐标系性能。

(4)运动形成范围:指执行机构直线移动距离或回转角度的范围,即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可以确定机器人的工作范围。

(5)运动速度:运动速度是反映机器人性能的重要参数。通常所指运动速度是机器人的最大运动速递。它与抓取重量、定位精度等参数密切相关,互有影响。目前国内机器人最大直线移动速度为1000mm/s左右,一般为200~400mm/s;回转速度最大为1800 /s,一般为500/s。

(6)定位精度和重复定位精度:定位精度和重复定位精度是测量机器人工作质量的一项重要指标。

(7)存储容量和编程方式。

2.2.1 机械手指设计

手指式手部对于抓取各种形状的工件具有较大的适应性,其中采用两指式为最多。其中包括单支点回转型、双支点回转型以及平移型三种类型。

手指设计时应注意的问题

(1)手指需有足够的夹紧力。