机械手的机械设计.docx
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机械手的机械设计
教学型直线坐标机械手的机械设计
院系:
机电与自动化学院
专业班:
xxxxxxxxxxxxxxx
姓名:
xxxxx
学号:
xxxxxxxx
指导教师:
xxxxxxxxxxx
20xx年xx月
教学型直线坐标机械手的机械设计
Teachingtypelinearcoordinatemanipulatormechanicaldesign
摘要
1机械手简介
1.1机械手概述
1.1.1机器人的历史
1.1.2机器手的发展趋势
有两种方式来处理受力不平衡的问题,主要一直是用握力的手臂来调整形状,还有一种就是让使用的方位得到变化,这样就不会出现过度用力让物体被破坏,也能避免用力太小使得物体滑落等等问题出现。
这样的方式用来处理问题是最为恰当并且符合实际情况的。
因此,在这种机械手就具被有以下几个方面的性能:
(1)能准确地抓住方位变化的物体。
(2)能够判断对象的重量。
(3)能够自动避开障碍物。
(4)抓空或者抓力不足时能检测出来。
现在我们生活中人工智能是很受欢迎的,正是这样的机械手可以体现出的最好价值就是在对事物的感应能力上面还有面对信息时的处理手段。
就目前现状分析,我国使用的机械手都是针对人类研制出来的,主要的目的还是保护人类,让我们避免繁琐的过程在工作之中提高效率,让生活变得更加安全可靠。
往往遇到有危机的事情都是通过机械来解决的,这样做可以十分节省我们的资源和人力。
但是同样的情况之下,面对汽车和电子方面的行业时,效果就不是那么明显了。
我们更多的是解决实际问题的能力,所以面对人工的工作就不是非常苛刻了,所以这样的环境之下机械手可以处理的事情就十分有限了。
最主要的原因还是,机械手的科技水平并不是十分高超,还不能达到一些工业上面精细工作的要求,这样一来重要的劳动力还是要靠工人来实现。
并且它的作用地点也是受到限制的不能大范围的实现工作细节。
所以还要考虑在工作时存在的资金调用的分配,这些处理方法在经济方面是有一些不太合理的。
但是在面对设备的处理方面人力要远远高于机械,所以对于机械的价值来书还是存在讨论的问题。
遇到是技术性的问题主要有人类来解决,如果存在的是操作性的问题就有机械手作为解决手段,这样的分配方式很好的满足了问题的解决让社会更好的发展壮大。
2设计任务
2.1机械手的分类
机械手的类型也是有所不同,有的是专业性的有的则是普通型的
(1)专用机械手
这样的机械手的特点就是可以有一个主机作为附属,对于设计是的目的就是让它完成一些简单的工作,所以这样的机械只能是工作简单单一性的工作还有造价也不会太高,可以普遍满足大部分的工作场所可以负担的起这样的机器。
对于它简单的结构和使用时的可靠性我们都十分信任这样的器械。
所以在很多的工业化工厂里面都会大量的运用这样的机械作为核心加工手段,大大提高机械的工作效率。
(2)通用机械手
这样的机械手相比之前高级很多,它有着精密的功能,对于一些需要灵活调控的工作任务都是可以有效完成的。
在一定的工作范围里面,这样的程序是多变的具有相当高的适应性,所以基本上它用到的系统都是独立的不再依附主体,对于精度要求也达到标注,很适合在一些小的零件上面的到使用,对于自动化的工业生产来说非常可靠有效。
面对这样的通用型机械手,最好就是要简易有实效性,对于开关的分布要做到明显,这样在工人学习使用时可以节省更多的时间和财力。
对于复杂的控制过程都是通过数控的到实现的,对于固定的位置做好事项的安排,让这样的机械手可以很快的适应到实际的工作环境之中。
2.2驱动方式选择
(1)液压作为一大特点的机械手,这样的机器主要的工作方式是通过液压来调控用力方向,做到的主要特征包括:
可以十分准确有效的将数百斤的物体,是物体可以有效平稳的移动,还同时紧紧地捂住物体,这对密封设备来说是非常高的要求,不然就会出现漏油的现象,这样的现象并不会存在好处对于现在的机械手,最大的危害可以说就是缩短它的使用年限,同时还有需要注意的地方就是对于温度的把握,过高或是过低的温度都是会造成不同程度的损害。
如果使用的系统是液压的话,最好就是要做到严格控制,规范要求。
(2)与液压不同的机械手还有气压机械,这样的机械主要的特点就是通过对于空气的压缩实现机械的运行,对于它来说就不会存在漏油的问题,主要的优点就是他可以做到简单轻便,使用起来也十分的有效,可以有较快的运行速度,对于使用的力度不及液压的机械,但是它的成本是非常低廉的,这样的优势就可以凸显出来,它是能够批量生产的。
但也存在特有的缺陷,就是面对工作的高强度进行时力度很难把握,工作的速度不好掌握,造成较大的冲击力度。
所以对于所抓物体都是限定在三十公斤之内的,这样就可以保证气压机械手稳定高效的运行,在对于环境的问题上也会有所优势,不存在粉尘,高温这样的缺点可以很好的适用于这样特殊条件的工作地点。
(3)说到的机械传动型机械手就是一种独特的机器,它是有专业限制的,对于一些特别的场合尤为重要,主要的应用地点都是在一些机械的工作场地,不存在普遍性,那么他的主要特点就是对于运行时位置把握十分准确,不会有丝毫的误差,在主机材料的填充上做到专业水准。
动作频率比较大,但结构大,动作程序不可变。
(4)电力传动是以电作为能源发动的,主要应用的范围不是非常广泛,但在内部结构上有自己的特点,可以很容易的省略掉其中的一些内部转换结构,这样一来的好处就是结构上的简单轻便。
对于速度方面有较高的优势,可以较长时间的进行工作,对于机器的维护也能够及时展开,因此对于未来适用的环境还是比较多的,有着足够大的发展潜力。
各个系统优劣不同在这里都有体现,主要规范如下:
1).对于使用的质量做到轻便,使用的力量做到高大,同时工作的效率做到最好。
2).运行时的反应灵敏,所得与质量相比较做到提高,可以完成反复工作长久切换的任务。
3).驱动尽可能要灵活,位移偏差和速度偏差要小;
4).安全可靠;
5).操作和维护性方便;
6).对环境无污染,噪声要小;
7).对于资金分配要适应当前需求,工作的空间用到最少。
经上述分析此三自由度机械手的驱动采用电机驱动。
2.3设计方案
2.3.1机械手的主要部件
它主要是由机械系统(执行系统和驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。
A、
操作执行:
这样的执行系统都是通过机械来实现的,主要的是在工业中的使用,将存在的零件进行抓取,最好根据不同的需要进行分配类型,运行在不同的位置。
(1)手臂位置:
可以对物体抓放,实现一个工具的价值和作用。
(2)臂腕位置:
对于工作时的方位进行调整的位置,在机械手的环节充当调控作用。
(3)臂膀位置:
这个位置是一个受力点,主要的力量都靠这一位置支撑,所以是工作的核心。
(4)机身:
对于其他部件的一个连接组合作用,让手臂的部位可以自由的上下改变。
B、驱动系统:
适应性的系统,将工作的需求实现最好的价值,对于不同的装置有合理的调控,完成机械的传输和液压的改变。
在本设计使用的是电传动。
C、操控手段:
这点方式是最为主要的一个关键,可以对于工作的要求进行控制,是机械运行时的核心所在,出现问题是可以进行查找可检验。
D、监督程序:
这样的一套程序是必须具备的,对于系统工作时进行实时监控,了解不同位置是否出现相关的问题,再将出现的现象返回到主系统,可以用这样的手段保证整个工作完整的进行下去。
2.3.2机械手的运动方式
对于不同的机械手要做出不同的设计和改变,最好的是电机的驱动,可以很明确的分为三个不同的类型,其一是机械手,其二是电机,其三即是整个系统。
这样的安排还包括了开关的控制,为的是可以更好的对目标进行参考,做到在机器出现问题时能第一时间进行解决,作为这样的保护手段就类似于保险丝这样的功能,控制电机就自动停止,以防止电动机烧坏或模型机械结构的损坏。
机械手主要是完成从一个地点到另一个地点的物品的传递,可以以进行灵活的组态来完成物块在各位置间的输送,从而完成物件的上料以及盘点等功能。
当安装电阻应变压力的传感器后,以通过接触传感器停止的运行信号,手动控制的相应的步进电机、直流电机、抓手电磁阀启动,以从而实现四自由度机械信号把物件转送到相位置。
三自由度机械手是直线坐标型,可以实现X轴伸缩、Y轴升降、底盘的移动功能,X轴、Y轴和手臂驱动采用步进电机,夹手动作以采用电动方式。
通过绘制机械运行的过程及涉及的步骤都在这里做出提醒:
3机械手系统设计
3.1原始数据选择
1.2原始数据(主要参数)
底座尺寸:
180×30×15自由度:
三个坐标形式:
直角坐标手臂水平行程:
80毫米手臂垂直行程:
56毫米手臂前后行程:
56毫米驱动方式:
步进电机
工作形式的确定
图1.2机构原理图
3.2传动丝杆的设计
这套体系的构造规划是线程为1厘米,半径为4.5厘米,对于机构的分类有两种一种是滑动性,一种为摩擦性的。
相比之下滑动的比较简单易学,工作方便并且使用时成本的需求较低,可以自行保护,但存在摩擦较大的问题,那么就会面对工作的效率受到影响。
和它不同的摩擦性更好的是效率比较高,但是就会遇到高价格的困难,已经复杂的内部结构,所以在使用时还是要分情况,普遍认可的都是机电一体化。
本设计是使用丝杆转动、螺母移动的传动方式。
细杆的转动,螺母的偏移,这样的现实可以很好的将螺母做出一个限制,对于导向的安排达到紧凑和完美的贴合,在很多的工作场合都可以更好的胜任工作,其中的特点也能最好的得到体现。
名字的安排方法得到更具滚珠来看,这样的设计就是让mismi系列的KK30系列得到安排达到滚珠和杠杆的有机结合。
这套设备的安排是用到1厘米的导程和1厘米的滚珠做出的杠杆。
X轴总长度是179mm,有效行程81mm。
Y,Z两轴总长度都是154mm,有效行程都是56mm
表3.1滚珠丝杆的机械结构
表3.2滚珠丝杆基本参数
(1)滚珠丝杠的工作原理
工作的原理是通过杠杆实现的螺旋,在内部结构中较为独特的构造是在螺旋的凹部有滚珠和螺旋母体进行连接传动。
由于这样的结构才能使这样的组合同反向的装置进行配合达到器械的完整。
在转动的时候,会使滚珠有凹槽滑下,在滑动的位置两侧还是有不同的返回轨道,使得滚珠最后可以循环的进行下去,这样就构成一个闭合的回路。
(2)滚珠丝杠传动的优点
它的轴体转向较高(面对转动时杠杆和里面的滚珠会存在一些空间),所以要确保空间不会影响工作,就要做到其运动平稳和不磨损,这样一来使用的寿命也会随之变长。
而且不存在自动上锁的问题,对于这些措施都是可以逆转的问题。
图2.1滚珠丝杆副的工作原理
3.3选择滚珠丝杆的基本参数
基础的参考数据:
①使用体积;②负载的方向及位置。
有的是由轴指向电荷的,还有的就是根据角度的不同做出相应的方向改变,总之外边的结构都是圆形滚珠,对于负载的轴是有一定规范的,可以是外形较大内部中等的分配方式,也可以是对于轴承的不同调控手段,使得受到的力得到合理分配:
③运行时速④旋转力度和精确性⑤物体的刚性⑥轴承的受力方向与改变位置。
(1)负载规格
型号
滚珠丝杆
基本勤额定负载
基本定额定负载
行程
KK3001
滚珠丝杆
647
1008
1
图
(1)负载参数
(2)精度等级
型号
轨道长度
定位重现性
定位精度
行走平行度
最大反勤扭力
KK30
100
精密级
一般级
精密级
一般级
精密级
一般级
精密级
一般级
0.003
0.004
0.020
0.040
0.010
0.020
1.2
0.8
图
(2)精度参数
(3)最大速度
型号
滚珠丝杆行程
导轨长度
速度
KK30
01
100
精密级
一般级
160
160
图(3)速度参数
3.4电机的选择
(1)步进电机的原理
这一个电机主要的功能都是依靠物理学中提到的电磁来实现的,它是可以把不同的电信号做出转换来达到原件的实现。
如果有角度的存在也会做出改变,可以更好的实现工作的进行,同时可以发现角度与电力是有正比例关系的,那么对于转角的速度就是有电脉冲决定的了。
此电机是一套通过电控制来实现的机械,所以面对脉冲问题都会有专业的解决手段,主要的方式都是设置一个分配器,再对于其中的内容进行改变和安排,使得这一电机能够达到满足工作的最小功率。
存在的最主要的环形分配器,它的主要功能就是为了实现这一目的而进行的,一般都称之为驱动的电源。
(2)步进电机的特点
主要特点是能够实现精确定位、精确位移,并且无积累误差。
这是因为其步进电机运动受输入脉冲控制,其位移量是断续的,总的位移量严格等于输入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于数量输入指令脉冲的频率。
步进电机是机电一体化产品中关键部件之一,通常被用作定位控制和定速控制。
步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。
广泛应用于机电一体化产品中,如:
数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。
(3)步进电机的选用原则
选择步进电机时,首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。
而在选用功率步进电机时,首先要计算机械系统的负载转矩,电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。
在实际工作过程中,各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。
一般地说最大静力矩Mjmax大的电机,负载力矩大。
选择步进电机时,应使步距角和机械系统匹配,这样可以得到机床所需的脉冲当量。
在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量,一是可以改变丝杆的导程,二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。
但细分只能改变其分辨率,不改变其精度。
精度是由电机的固有特性所决定。
选择功率步进电机时,应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率,使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量,使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。
(4)本设计的选用
本设计选用三菱Mitsubishi伺服电机,2相PK系列为高转矩·低振动型步进电动机。
除了每转200分割(1.8˚/step)的标准型外,另外还备有每转400分割的高分辨率型以及高转矩、高分辨率的减速机型产品。
驱动本系列时需另购驱动器。
本系列产品备有高转矩·高效率型、高转矩型、标准型、标准型保护等级IP65规格、高分辨率型、SH减速机型等产品种类。
本设计用HC-AQ0235D型式的高转矩型60mm的步进电机。
输出功率
马达
重量
附刹车
制动器
重量
20W
HC-AQ0235D
0.22
0.32
M2-JR-03A5
0.2
图(4)步进电机
(5)步进电机的工作原理
步进电机的工作原理,其实就是电磁铁的工作原理。
如图2.6所示。
有一项绕组通电时,转子齿偏离定子齿一个角度。
由于励磁磁通力图沿磁阻最小的路径通过,因此对转子产生电磁吸力,迫使转子齿转动。
当转子转到与定子齿对齐位置时,因转子只受径向力而无切向力,故转矩为零,转子被锁定在这个位置上。
(5)步进电机结构简图
外形尺寸,
结论
本次设计所做的主要工作有:
1.总体方案的确定。
经综合考虑,确定采用电力驱动形式,具有手部的上下左右前后三个自由度的运动,级夹子的松放,使整体的结构小型化,
2.机械结构设计研制。
机械结构比较复杂,从整体布局来看,实现了模块化,大量采用标准化通用元配件,从而使成本大为降低,具有显著的技术经济性。
各自由度自成体系,又能协调的组织在一起,其各个部分连接处线条分明、直观性好,其各个部件可以分别拆卸,快速更换,方便维修。
综上,通过近三个月的毕业设计,经过资料的收集、方案的选择比较和论证,到分析计算,再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节,我对大学三年所学的知识有了一个深层次的理解,同时对工程的理解更加深刻和准确。
使我真正感受到仪器设计在各业中的广泛应用。
同时,也使我深深体会到:
要真正完成一个零部件的设计,不但要掌握仪器设计、互换性、误差理论等多学科的知识,而且还要有继而不舍的钻研精神,要善于学习新的知识,只有将这两方面的知识融会贯通和有机结合,才能设计出合格的装置来。
同时,我对于AutoCAD软件的使用,也在这段时间里有了质的飞跃。
越是熟悉AutoCAD的使用,我越是惊讶于这款软件的强大和实用,同时也感慨于自己所学还远远不够,我想,只有不断的汲取知识、向他人学习,才能做到更加灵活、熟练的掌握这款机械设计人员的“必修软件”
设计开始时,由于缺乏设计经验,加之对各方面技术标准的不甚了解,我的设计曾一度停滞不前。
但是,通过自己不断的分析,大量查找阅读相关资料,和同学们积极讨论,并经常寻求老师的指导,终于使自己的设计思路愈发清晰、明朗,最终完成了包括装配图、零件图和设计计算说明书在内的所有实验任务。
这一切,使我真正体会到:
端正的设计态度和良好的合作意识是所有设计人员所必须具备的素质。
同时,经过这段时间的不断摸索和设计,令我对仪器设计有了更加深刻的了解,也大大提高了我的动手实践能力,培养了浓厚的科研兴趣,
使我在学习的过程中深受其益。
诚然,我的设计中可能还存在种种问题,但我相信:
我已经倾尽了自己的最大努力,而这次的实验设计就像是里程碑一样,必将见证我今后的不断成长和进步!
在计算校核时,为了弄清一个陌生的知识点,上网搜索、查询手册、求助老师,真是做到了多管齐下。
在AutoCAD做图中,更是一次次的重复着查询、讨论、纠错、复查的繁琐步骤。
可以说,最后的成果里倾注了我的精力与心血。
在这段时间里,我真正将我在大学所学和所用结合了起来,做到学以致用,收获是难以估价的。
古人说,千里之行始于足下,一分耕耘一分收获,我坚信,付出的努力总会有回报,以后我会做的更好!
致谢
本次毕业设计工作是在李老师的耐心指导和悉心关怀下完成的。
他那丰富的专业知识和经验以及对专业孜孜不倦的敬业态度让我感触很深。
他给予了我们充分的指导,并且还培养了我们独立思考问题的能力。
从他身上,我不仅学到了很多专业方面的知识,还学到了一种严谨的求知精神。
所有这些都将成为我们以后继续学习的榜
样。
为此,学生对您表示衷心的感谢和深深的敬意!
同时在设计的过程中,很多的同学和老师给予了我很大大的帮助。
在这难忘的三个多月中,没有他们的支持,我的设计不可能这样顺利的完成。
在此,对这些同学和老师也表示衷心的感谢!
在我查找资料的过程中,得到了学校图书馆有关人员的大力支持,给我们提供了必要的资料,使我的设计工作得到了顺利进行,并最终按时完成了毕业设计任务。
在此,也一并对他们的热心帮助表示感谢!
参考文献
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