垃圾桶清理机械手的设计.doc

1前言1.1选题背景与意义1.1.1国内外研究现状从各国的行业统计资料来看,近30多年来,气动行业发展很快。20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9∶1,而30多年后的今天,在工业技术发达的欧美、日本等国家,该比例已达到6∶4,甚至接近5∶5。我国的气动行业起步较晚,但发展较快[1]。从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20%以上,高于中国机械工业产值平均年递增率[2]。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用,气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。由于气压传动系统使用安全、可靠,可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点[3]。所以,气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工,食品和药品的包装、精密仪器、医疗和军事上。对于本课题—垃圾桶清理机械手的设计，是一个比较新颖的课题，国内外还没有将气动机械手运用到垃圾桶清理方面。我的设计可以让垃圾桶清运工人避免直接接触垃圾桶，而达到对垃圾桶的清理效果，简便省力卫生，是一个比较新颖的课题。1.1.2发展前景及方向（1)模块化由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承,使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能,是气动机械手的一个重要的发展方向。（2)无给油化无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求。随着材料技术的进步,新型材料的出现,用自润滑材料制造的无润滑元件,不仅节省润滑油、不污染环境,而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。（3）机电气一体化由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面。而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大,由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC,而阀技术的发展,又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手[5]。（4）垃圾清理机械化随着现代垃圾处理技术的革新，气动机械手在垃圾清理方面的应用，顺应现代环保的号召，将现代技术应用到环保项目当中，更是加快了人类社会自动化的进程。1.2设计内容1.2.1设计内容（1）确定机械手的形状和自由度。机械手爪初步确定为剪刀型，通过计算得到的数据画出三维图，根据垃圾桶清理机械手要实现的功能，确定机械手有5个自由度。（2）执行机构设计设计出机械手的各执行机构，包括:支座、手臂、手部等部件的设计。（3）气动系统的设计本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。（4）PLC控制系统的设计本机械手拟采用PLC对机械手进行控制，要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制2机械手的总体设计方案2.1机械手的组成（1）执行机构1）手部机械手的手部可分为夹持式和吸附式，在此设计我采用夹持式手部结构。夹持式手部由手爪和传力机构所构成。手指采用平行夹持结构，而手指通过传力机构产生夹紧力来完成夹放垃圾桶的任务。手爪摆动垃圾桶的倾倒需要在手爪抓住垃圾桶之后进行绕手腕的旋转来完成，此处我选用了一个摆动角度180度的摆动气缸完成此项动作。3）手臂在本设计中我采用气缸作为驱动手臂运动的部件，来实现手臂的前后推拉运动。4）立柱立柱是支承手臂的部件或手臂的一部分，手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5）机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。（2）驱动系统驱动系统是驱动垃圾桶清理机械手执行机构运动。本设计采用气缸作为驱动装置。2.2机械手基本形式的选择常见手臂按坐标形式大致可以分为以下4种，(1)直角坐标型机械手；(2)圆柱坐标型机械手；(3)球坐标型机械手；(4)多关节型机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。2.3驱动机构的选择根据设计内容和需求确定使用圆柱坐标型机械手，利用气动方式和齿轮齿条传动来实现机器人的旋转运动，采用气压缸驱动实现手臂上下运动和前后伸缩运动，手腕处采用一个摆动气缸来实现倾倒的动作，末端夹持器则采用夹持式手部结构，同样采用气压缸作为驱动。2.4机械手的设计参数（1）手爪最大抓重：25kg（2）垃圾桶宽：约500mm（3）自由度数：5个自由度（4）坐标型式：圆柱坐标（5）手指开合角度：60°（6）支座旋转角度：90°（7）手爪摆动角度：180°（8）手臂运动参数：伸缩行程：200mm