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张家港倍杰 机械手仿真设计
倍杰教育   发布时间:2017/9/14
机械手仿真设计

  

张家港倍杰 机械手仿真设计

倍杰教育开设课程:cad、办公自动化、平面设计、室内设计、solidworksugplc、淘宝美工、电工、JAVA

应用机械手可以实现生产的机械化和自动化,不仅能在有害环境下操作以保护人身安全,还可以改善劳动条件、减轻人力,并便于有节奏的生产,因而广泛应用于机械制造、冶金和电子、轻工等各个生产领域。有效地应用机械手,是发展机械工业的必然趋势。但是机械手结构复杂,设计困难,利用SolidWorks 软件进行结构设计与运动仿真, 可以大大缩短产品研发周期, 避免不必要的重复性劳动,对机械产品设计有着非常重大的实际意义。
总体方案
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主体结构设计方案
该机械手的工作空间很窄,仅为700 mm,所以要求机械手结构要紧凑,外形尺寸要小,但不要小到影响机械手的抓取能力。根据该机械手的工作环境及各坐标形式的优缺点,因此考虑采用折叠式关节型的设计方案。机械手的设计原理简图如图所示。其中处和处的铰接,处和处铰接小臂须有个自由度。


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驱动方式的选择
该机器人一共有个独立的转动关节,连同末端机械手的运动,总计需要个动力源。常用的驱动方式为气压驱动、电机驱动和液压驱动种类型。基于这种驱动方式的优、缺点和机器人驱动系统的设计要求,选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。
自由度的分配
人的手臂有肩、肘、腕个关节,共个自由度。机械手的设计以模仿人的手臂为基础,再根据实际情况,由于运载小车和爬臂机器人均可在自身所在的区域内移动和转动,所以大臂和腕部各有一摆动自由度,而小臂有个自由度,即摆动和有限的转动,且小臂可转回到大臂的空隙,工作时可展开。最后一个自由度就是手腕的摆动。
结构设计 
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手部设计
因为被握持工件的形状、大小、材料性能、重量和表面情况等的不同,从而机械手的手部结构也多种多样, 手部结构是根据特定的工件要求而定的。常用的手部分为吸附和夹持两大类。根据设计要求,采用夹持式的手部结构,它对抓取各种形状的工件具有较强的适应性。
该设计手爪的动力由电机提供,通过将丝杠与电机相连, 利用手爪的特有结构来实现手爪的开合。本文设计出种机械手手爪。
方案1:图为手爪刚好夹紧的状态,图为张开夹持时的状态,很显然,当手指张开时,其形状成八字状。而本机械手夹持对象是检测仪,是矩形,当被夹持物的尺寸与设计的固定的夹持尺寸不一致时,如图就是被夹持物过大的情况,最终呈八字夹持, 则手爪与检测仪的接触面就只是一条线,使得夹持不可靠,被夹持物有滑落的可能。同理,若被夹持物过小,则会出现倒八字的情况,则很可能会出现被夹持物滑落的情况。经过比较,该种手爪只适合夹持固定尺寸的夹持对象。


方案2:图为夹紧的状态,手爪夹紧鉴于方案中出现的问题,在方案中进行改进,通过采用连杆之间同时滑动, 就可以克服方案存在的问题,因为各连杆之间是同步运动,所以爪钳的开合是同步的平行移动,手指始终平行,比较图很容易发现,不论是手爪张开还是闭合,都不会出现呈八字(见图3)的情况,这样就克服了方案中出现的问题。从而使得手爪的通用性大大增强。所以,经过比较,选择方案2
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腕部设计
腕部的作用是在臂部动作的基础上进行调整或改变手部的方位, 从而扩大机械手的运动范围,使得机械手变得更加灵巧,适应性更强。腕部具有独立的自由度,要求有绕中轴的摆动运动。机械手的工作条件是用于检查核储罐焊缝,在腐蚀性的场合中工作,所以对机械手的腕部材料选用耐腐蚀不锈钢316L
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臂部设计
臂部的作用是把手部送到空间运动范围内任意位置。若改变手部姿态,可用腕部的自由度加以实现。因此,臂部必须具备个自由度才能满足基本要求,即手臂伸缩、左右回转和升降运动。
臂部的结构设计必须根据机器人的运动形式、抓取质量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时设计时必须考虑到手臂的受力情况,油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。臂部运动速度越高,惯性力引起的定位前的冲击也就越大,运动既不平稳,定位精度也不高。因此,在臂部设计时除了要求结构紧凑、重量轻外,同时采用一定形式的缓冲措施。
自由度的分配在总体方案中已经介绍过,本文有个自由度,其中大、小臂的摆动,小臂的转动,都是通过电机驱动来实现。 大、小臂的摆动靠摆动油缸来实现,而小臂部分利用电机轴带动与其配合的板转动来实现其转动。
小臂的结构主要由块板、细轴组合而成,利用SolidWorks 建模后,其三维模型如图所示。


实例验证
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机械手的建模
本机械手的夹持对象是矩形焊缝检测仪,所以设计的机械手手爪应适合夹持矩形且夹持可靠。应用SolidWorks 软件对机械手的所有的零件建完模型后, 再在SolidWorks 的装配环境下进行装配,最终完成机械手的完整模型的装配, 建模结果如图6所示。


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机械手的运动仿真
运动仿真是生产制造前的一种检查过程和方法,为了达到高效和有力地生产,所以运动仿真是设计制造前的重要操作环节。对产品进行运动仿真,能够生动形象地进行产品的运动模拟,使产品的工作原理清楚地表达出来。

机械手的仿真过程,这里不再赘述。仿真后机械手实现预期的结果,机械手运动起来,达到了仿真的目的,如图所示。

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