机械创新设计 题题目目可重构液可重构液压压机械手机械手设计设计学学 院院机械自动化学院班班 级级机工 0910 班学学 号号200903130275姓姓 名名王旭摘 要机器人的使用在 21 世纪广为流传。 没有一个单一的部门，不使用机器人系统在开展技术工艺。机械手是模仿人类的手部动作，可实现自动抓斗和执行，这是一个自动装置。在严峻的环境造和单调，频繁操作机械臂是用来代替人，因此得到越来越广泛的应用。一般情况下，机械手正四个部分，执行机构，驱动系统，控制系统和检测设备组成，智能机器人的感觉系统和智能系统。机械手作为整个可重构液压机器人的执行部分，拥有重要的意义。研究人员都希望机械手结构简单可靠，抓取力大，易于控制，拥有较高的控制精度。目前，许多研究者己对常规机械手、欠驱动机械手等作了许多的理论与实验研究，但目前的机械手一般机构复杂、很难控制。因此，如何实现一种既能简化机构与控制，又能较好地取放物体的机器人手已成为国内外研究者的重要研究课题和主流方向之一。本设计采用液压转角伺服技术，这使得机械手抓取力得到了很大的提高，同时也使得整个机械手的控制精度有了很大的保证。在设计中通过对液压转角伺服阀，舵机，微控制器，编码器，油道及接口进行了集成，同时对结构进行相应优化设计，使得机械手满足了可重构性。整个机械手爪通过齿轮和螺纹传动，增加了传动的平稳性和抓取力矩,使得抓取平稳可靠。本文通过三维建模软件 Pro/Engineer 进行伺服阀与机械手爪的结构设计与优化，运动仿真，有限元分析，并对个结构进行了详细的强度校核。实验结果证明，液压转角伺服阀响应快、运动平稳性好、运动精度高，带动机械手手爪抓取力强，抓取精度高。关键词： 可重构； 液压转角伺服阀； 抓取力目 录前言 .1 1概述.2 1.1设计题目及参数要求 .2 1.2 液压系统原理图.2 2 机械手结构原理 .3 3 液压转动伺服阀设计 .4 3.1 液压转角伺服阀原理.4 3.2 阀的结构尺寸设计.6 3.2.1 缸体的设计 .6 3.2.2 油道设计 .6 3.2.3 轴承的计算与选用 .6 3.2.4 输入接口模块设计 .8 3.2.5 端盖结构设计 .8 4 传动结构设计 .10 4.1 锥齿轮的设计校核.10 4.1.1 确定锥齿轮类型、精度等级、材料及齿数 .10 4.1.2 按齿面接触强度设计 .10 4.1.3 按齿根弯曲强度设计.12 4.2 滑动螺旋的设计与校核.14 4.2.1 确定螺杆传动的最小直径 .14 4.2.2 梯形螺纹结构尺寸的确定 .14 4.2.3 梯形螺纹结构尺寸校核 .14 4.3 传输轴结构设计校核.16 5 键的校核 .20 5.1 输入轴键的校核.20 5.2 传输轴键的校核.20 6 其它零件的选取 .21 6.1 六角螺钉.21 6.2 轴端挡圈及螺钉.21 6.3 螺栓螺母.21 7 机械手的运动仿真 .22 7.1 基于 pro/e 的三维建模.22 7.2 运动仿真.22 7.3 轨迹规划方案.23 7.4 动态模拟.24 7.5 干涉检查.25 8 机械手抓的静态分析 .26 8.1 机械手抓的受力分析.26 8.2 三维建模静力分析.26 结束语 .29 参考文献 .30前言机器人技术的发展使得机器人的能力不断提高，机器人应用的领域和范围正在不断扩展，人们希望机器人能完成更加复杂的任务。通过重新编程，机器人能很容易地完成许多不同的任务，然而一台机器人能完成任务的范围却受其自身的机械结构限制。对于给定任务，可根据任务要求来选择机器人的最佳结构。对于一些不可预知的作业任务或不断变化的作业，就无法选择机器人的最佳结构，需要应用许多具有不同运动学和动力学特性的机器人来完成作业任务，这种做法往往耗资巨大，甚至于不可行。因此，需要使用一种能根据任务要求改变自身构型的机器人来完成不可预知的作业任务。可重构机器人的研究正是在此类应用背景下开始的。可重构模块化机器人系统是由一组具有标准连接接口的模块组成，这些模块能够根据特定的任务要求而被快速装配成不同构型的机器人。现代工业生产的环境与任务是多变的，需要采用能够快速适应任务的制造系统。可重构模块化机器人的特点恰恰满足了现代化生产的这种需求，提高了工作效率，降低了成本。可重构液压机器人因输出力矩大精度高而广泛受到国内外的别是发达国家的关注,可重构液压机器人的研究目前已经成为机器人研究的一个重要方向,并已取得一些重要的成果。但是目前要想在可重构液压机器人领域取得重大突破，必须解决一些瓶颈问题，如尺寸过大、运动不解耦、阀芯控制力矩大且径向力不平衡等问题。液压伺服技术具有传动平稳、无需减速器就能实现大力矩传动、调速范围大、单位功率重量仅为电机的 1/10、易于控制等优点,国内外有多家单位在机器人液压伺服技术进行了相应的研究。在许多实际应用中，为了适应高精度地取放操作对象，常要求机器人手具有较高的定位取放能力，以代替人手繁重的复杂劳动。目前，许多研究者己对常规机械手、欠驱动机械手等作了许多的理论与实验研究，但目前的机械手一般机构复杂、很难控制。因此，如何实现一种既能简化机构与控制，又能较好地取放物体的机器人手已成为国内外研究者的重要研究课题和主流方向之一。本课题主要对一种通过以液压转角伺服阀提供大转矩的动力源，从而实现机械手手爪的抓取。文章对液压转角伺服阀进行相关设计同时对机械手手爪的结构尺寸进行了设计研究。1 概述1.1 设计题目及参数要求设计题目：可重构液压机械手设计主要技术参数及要求：1、设计液压机械手，设计中应用液压转角自伺服技术，让机械手的抓取力矩大于150N.m，尽量减小尺寸。较小的关节空间中需要集成油道，电源线，微控制模块，转角伺服模块及对外的标准接口等元器件，需用三维造型软件进行优化设计与仿真。2、液压系统最大工作压力：5MPa。1.2 液压系统原理图本液压系统为一开式回路，由液压泵、电磁溢流阀、蓄能器、液压转角伺服阀及相关辅件组成。系统原理图见图 1.1。图 1.1 液压系统原理图2 机械手结构原理本设计机械手通过以液压转角伺服阀作为动力源，通过液压转角伺服阀提供的扭矩，带动锥齿轮 A 转动，将动力传递到另一锥齿轮 B，锥齿轮 B 与丝杆同轴，丝杆将力矩传递到手抓，从而带动机械手手爪抓取物件。该设计的主要工作就是两个方面，一是对液压转角伺服阀进行设计，二是对机械手手爪结构进行设计，然后对设计机械手进行运动和力的仿真，得到想要的动态和静态性能。三是对齿轮，螺纹传动，进行强度校核，进行有限元分析，校核强度是否满足要求。机械手原理图如图 2.1。图 2.1 机械手结构原理图3 液压转动伺服阀设计3.1 液压转角伺服阀原理伺服阀随动阀套的设计与缸体结合，为减小关节尺寸，油道，电源线，微控制模 块嵌入到缸体内，此种方法已经有应用的先例，加拿大Engineering Services Inc.(ESI) 公司生产