五自由度鈑金機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含ProE三維及6張CAD圖.zip,自由度,機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),ProE,三維,CAD 任務(wù)書 學(xué)生姓名：XXX 學(xué)號： XXX 學(xué) 院：XXX 專業(yè)：XX 任務(wù)起止時間： 20XX 年 3 月 5 日至 20XX 年6 月 29 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：五自由度鈑金機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容： 1. 查閱資料，完成外文翻譯（不少于3000字）及開題報(bào)告 第1-2周 2. 完成總體方案設(shè)計(jì)、論證和選擇 第3周 3. 完成總體結(jié)構(gòu)和主要零部件的設(shè)計(jì) 第4-8周 4. 完成論文初稿、裝配草圖并準(zhǔn)備中期答辯材料 第9周 5. 完成裝配圖及零部件圖 第10-12周 6. 完成論文終稿 第13周 7. 完善畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)資料，準(zhǔn)備答辯 第14-16周 資料： [1] 劉鴻文. 材料力學(xué)[M].第六版. 北京：高等教育出版社， 2017：1-200. [2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊（1-5卷）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000. [3] 羅紅專.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：1-260. [4] Heqiang Tian，Dongmei Wu，Zhijiang Du,et al. Design and analysis of a 6-DOF parallel robot used in artificial cervical disc replacement surgery[C]. 2010 IEEE International Conference on Information and Automation,Harbin, China，2010：30-35. [5] A Kumar. Positioning Accuracy of Manipulators with Encoder Equipped Joints[J]. Proc.of Symposium on Robotics Research and Advanced Application ASME，1982，765-771. 指導(dǎo)教師意見： 簽名： 20X年3月2 日 系主任意見： 簽名： 年 月 日 教務(wù)處制表 五自由度鈑金機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名學(xué)號專業(yè)班級指導(dǎo)教師 課題簡介 課題背景及意義 本課題來源于生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用 在汽車等產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中需要用到許多鈑金件 而鈑金件的加工 比如 沖壓 焊接等均要用到機(jī)械來實(shí)現(xiàn)鈑金上下料 這就需要靈活 適用性強(qiáng) 高性能的鈑金機(jī)械手來配合高節(jié)奏的汽車生產(chǎn)線 本課題以五自由度鈑金機(jī)械手為對象 通過本設(shè)計(jì)使我們能對大學(xué)期間所學(xué)知識進(jìn)行綜合應(yīng)用的訓(xùn)練 達(dá)到加深大學(xué)期間所學(xué)這些知識的理解和應(yīng)用的目的 使我們逐步掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法 提高實(shí)際設(shè)計(jì)能力和解決問題的能力 通過本課題的研究 進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)自己在學(xué)習(xí)中的薄弱環(huán)節(jié) 提高理論與實(shí)際相結(jié)合的能力 為以后在實(shí)際工作中從事相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 課題主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)的是五自由度一種鈑金機(jī)械手 有五個獨(dú)立運(yùn)動臂部回轉(zhuǎn) 臂部伸縮 碗部升降 腕部回轉(zhuǎn) 手部俯仰也就是所說的五個自由度 本文首先 通過對機(jī)械手現(xiàn)狀進(jìn)行全方位調(diào)研 在此基礎(chǔ)上提出了機(jī)械手方案 然后 設(shè)計(jì)并校核了各主要構(gòu)成件的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度 最后 通過AutoCAD制圖軟件繪制了機(jī)械手裝配圖 主要零件圖并采用Pro E軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)及運(yùn)動仿真 課題方案 方案及原理 本鈑金機(jī)械手總體方案如下 五個自由度分別為 臂部回轉(zhuǎn) 臂部伸縮 碗部升降 腕部回轉(zhuǎn) 手部俯仰 其中臂部回轉(zhuǎn)由電機(jī)1帶動渦輪蝸桿傳動實(shí)現(xiàn) 臂部伸縮由電機(jī)2帶動絲桿螺母傳動實(shí)現(xiàn) 碗部升降由電機(jī)3帶動絲桿螺母傳動實(shí)現(xiàn) 腕部回轉(zhuǎn)由直流調(diào)速電機(jī)4直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn) 手部俯仰由電機(jī)5帶動絲桿螺母傳動帶動滑槽機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 最后手部連接吸盤或者磁盤實(shí)現(xiàn)鈑金的取放 其方案見圖如下圖示 主要參數(shù) 考慮到本機(jī)械手用于鈑金件的加工工序中鈑金自動上下料 根據(jù)常用汽車鈑金件大小可將本機(jī)械手各部分的運(yùn)動范圍確定如下 1 臂部回轉(zhuǎn) 0 360 4 腕部回轉(zhuǎn) 0 180 2 臂部伸縮 750mm 5 吸盤俯仰 0 90 3 腕部升降 600mm 6 可吸取重量 20Kg 課題方案 二維裝配圖 課題成果 三維裝配圖 三維運(yùn)動仿真 見附件仿真視頻 課題成果 I 五自由度鈑金機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 機(jī)械手也被稱為自動手能模仿人手和臂的某些動作功能 用以按固定程序 抓取 搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置 本設(shè)計(jì)的是五自由度一種鈑金機(jī)械手 有五個獨(dú)立運(yùn)動臂部回轉(zhuǎn) 臂部伸 縮 碗部升降 腕部回轉(zhuǎn) 手部俯仰也就是所說的五個自由度 由臂部回轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu) 臂部伸縮機(jī)構(gòu) 碗部升降機(jī)構(gòu) 腕部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 手部俯仰機(jī)構(gòu)組成 本文首先 通過對機(jī)械手現(xiàn)狀進(jìn)行全方位調(diào)研 在此基礎(chǔ)上提出了機(jī)械手 方案 然后 設(shè)計(jì)并校核了各主要構(gòu)成件的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度 最后 通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了機(jī)械手裝配圖 主要零件圖并采用 Pro E 軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)及 運(yùn)動仿真 通過本次設(shè)計(jì) 鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識 如 機(jī)械原理 機(jī)械設(shè)計(jì) 材 料力學(xué) 公差與互換性理論 機(jī)械制圖等 掌握了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法并能夠 熟練使用 AutoCAD 制圖及 Pro E 軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)軟件 對今后的工作于生活 具有極大意義 關(guān)鍵字 五自由度 鈑金 機(jī)械手 設(shè)計(jì) 仿真 II Abstract A manipulator is also known as an automatic hand that can mimic the action functions of the hand and arm which is used to capture carry objects or operate tools according to a fixed program The design is a five degree of freedom of a sheet metal manipulator with five independent movement arm rotation arm expansion bowl lifting wrist rotation hand pitching is also said five degrees of freedom It is composed of arm slewing mechanism arm telescopic mechanism bowl lifting mechanism wrist slewing mechanism and hand pitching mechanism First of all through a comprehensive survey of the status of the manipulator the manipulator scheme is proposed on this basis Then the structure and strength of the main components are designed and checked Finally the assembly drawing of the manipulator the main parts drawing and the three dimensional design and movement using the Pro E software are drawn through the AutoCAD drawing software Simulation Through this design we have consolidated the professional knowledge of the University such as mechanical principle mechanical design material mechanics tolerance and interchangeability theory mechanical drawing and so on It has mastered the design method of mechanical products and is able to use AutoCAD drawing and Pro E software to carry out three dimensional design software skillfully It is of great significance Key words Five degree of freedom Sheet metal Manipulator Design Simulation III 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 緒 論 1 1 1 研究背景及意義 1 1 2 國內(nèi)外研究及現(xiàn)狀 1 1 2 1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1 1 2 2 國外研究現(xiàn)狀 2 1 3 主要內(nèi)容 2 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 3 2 1 設(shè)計(jì)要求 3 2 2 結(jié)構(gòu)及原理分析 3 2 3 總體方案設(shè)計(jì) 3 2 3 1 驅(qū)動方案選擇 3 2 3 2 抓取方案選擇 3 2 3 3 機(jī)械臂 機(jī)身 機(jī)座方案選擇 3 2 4 運(yùn)動范圍的選定 4 第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 5 3 1 臂部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 3 1 1 回轉(zhuǎn)底座設(shè)計(jì) 5 3 1 2 回轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 5 3 1 3 回轉(zhuǎn)減速器的選擇 8 3 2 手臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3 2 1 受力分析 8 3 2 2 伸縮電機(jī)及絲杠選擇 9 3 3 腕部升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 3 3 1 受力分析 9 3 3 2 升降電機(jī)及絲杠選擇 10 3 4 腕部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3 4 1 受力分析 11 3 4 2 回轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 13 3 5 吸盤俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及吸盤選擇 13 3 5 1 俯仰電機(jī)及絲杠的選擇 13 3 5 2 吸盤轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì) 15 IV 3 5 3 吸盤的選擇 16 第 4 章 基于 PRO E 的三維設(shè)計(jì)及仿真 20 4 1 PRO E 三維設(shè)計(jì)軟件概述 20 4 2 三維設(shè)計(jì) 20 4 2 1 臂部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 20 4 2 2 臂部伸縮機(jī)構(gòu) 20 4 2 3 腕部升降機(jī)構(gòu) 20 4 2 4 腕部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 20 4 2 5 吸盤俯仰機(jī)構(gòu) 21 4 2 6 總體裝配模型 21 4 3 運(yùn)動仿真 21 總 結(jié) 22 參考文獻(xiàn) 23 致 謝 24 1 第 1 章 緒 論 1 1 研究背景及意義 本課題來源于生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用 在汽車等產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中需要用到許多 鈑金件 而鈑金件的加工 比如 沖壓 焊接等均要用到機(jī)械來實(shí)現(xiàn)鈑金上下 料 這就需要靈活 適用性強(qiáng) 高性能的鈑金機(jī)械手來配合高節(jié)奏的汽車生產(chǎn) 線 本課題以五自由度鈑金機(jī)械手為對象 通過本設(shè)計(jì)使我們能對大學(xué)期間所 學(xué)知識進(jìn)行綜合應(yīng)用的訓(xùn)練 達(dá)到加深大學(xué)期間所學(xué)這些知識的理解和應(yīng)用的 目的 使我們逐步掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法 提高實(shí)際設(shè)計(jì)能力和解決問題的 能力 通過本課題的研究 進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)自己在學(xué)習(xí)中的薄弱環(huán)節(jié) 提高理論與 實(shí)際相結(jié)合的能力 為以后在實(shí)際工作中從事相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 在機(jī)械工業(yè)中 應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下 1 以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送 工件的裝卸 刀具的更換以及機(jī)器的 裝配等的自動化的程度 從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本 2 以改善勞動條件 避免人身事故 在高溫 高壓 低溫 低壓 有灰塵 噪聲 臭味 有放射性或有其他毒 性污染以及工作空間狹窄的場合中 應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的 完成作業(yè) 使勞動條件得以改善 在一些簡單 重復(fù) 特別是較笨重的操作中 以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作 可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故 3 可以減輕人力 并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作 這是直接減少人力的一個側(cè)面 因此 在自 動化機(jī)床的綜合加工自動線上 機(jī)械手減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍 便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn) 綜上所述 有效的應(yīng)用機(jī)械手 是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢 1 2 機(jī)械手概述 機(jī)械手也被稱為自動手能模仿人手和臂的某些動作功能 用以按固定程序 吸取 搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置 它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生 產(chǎn)的機(jī)械化和自動化 能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全 因而廣泛應(yīng)用于 機(jī)械制造 冶金 電子 輕工和原子能等部門 隨著工業(yè)機(jī)械化和自動化的發(fā) 展以及氣壓技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn) 氣壓機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各 個行業(yè) 1 2 1 機(jī)械手的組成 2 機(jī)械手主要由手部 運(yùn)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成 手部是用來抓持 工件 或工具 的部件 根據(jù)被抓持物件的形狀 尺寸 重量 材料和作業(yè)要 求而有多種結(jié)構(gòu)形式 如吸附型 托持型和吸附型等 運(yùn)動機(jī)構(gòu) 使手部完成 各種轉(zhuǎn)動 擺動 移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作 改變被抓持物件的位 置和姿勢 運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降 伸縮 旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式 稱為機(jī)械手的自由 度 為了吸取空間中任意位置和方位的物體 需有 6 個自由度 自由度是機(jī)械 手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù) 自由度越多 機(jī)械手的靈活性越大 通用性越廣 其結(jié)構(gòu) 也越復(fù)雜 一般專用機(jī)械手有 2 3 個自由度 1 2 2 機(jī)械手的分類 機(jī)械手的種類 按驅(qū)動方式可分為氣壓式 氣壓式 電動式 機(jī)械式機(jī)械 手 按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種 按運(yùn)動軌跡控制方式可 分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等 機(jī)械手一般分為三類 第一類是不需 要人工操作的通用機(jī)械手 它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置 它可以 根據(jù)任務(wù)的需要編制程序 以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作 它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械 的性能之外 還具備通用機(jī)械 記憶智能的三元機(jī)械 第二類是需要人工才做 的 稱為操作機(jī) 它起源于原子 軍事工業(yè) 先是通過操作機(jī)來完成特定的作 業(yè) 后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)來進(jìn)行探測月球等 工業(yè)中采用的鍛造操 作機(jī)也屬于這一范疇 第三類是用專用機(jī)械手 主要附屬于自動機(jī)床或自動線 上 用以解決機(jī)床上下料和工件送 這種機(jī)械手在國外稱為 Mechanical Hand 它是為主機(jī)服務(wù)的 由主機(jī)驅(qū)動 除少數(shù)以外 工作程序一般是固定的 因此 是專用的 在國外 目前主要是搞第一類通用機(jī)械手 國外稱為機(jī)器人 1 3 國內(nèi)外研究及現(xiàn)狀 1 3 1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 鈑金機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè) 常用于沖壓 焊接 上下料和搬運(yùn) 鈑金機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的 手足和大腦功能 它可替代人從事危險(xiǎn) 有害 有毒 低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作 代替人完成繁重 單調(diào)重復(fù)勞動 提高 勞動生產(chǎn)率 保證產(chǎn)品質(zhì)量 目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中 特別是電器制造 汽 車制造 塑料加工 通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè) 鈑金機(jī)械手與數(shù)控加工 中心 自動搬運(yùn)小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系 統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化 隨著生產(chǎn)的發(fā)展 功能和性能的不斷改善和提高 機(jī)械 手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大 我國的鈑金機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍 在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的 同時 相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手 研制出示教式機(jī)械手 計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組 合式機(jī)械手等 可以將機(jī)械手各運(yùn)動構(gòu)件 如伸縮 擺動 升降 橫移 俯仰 3 等機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu) 以便根據(jù)不同的作業(yè)要求 選用不用的典型 機(jī)構(gòu) 組裝成各種用途的機(jī)械手 即便于設(shè)計(jì)制造 又便于跟換工件 擴(kuò)大了 應(yīng)用范圍 目前國內(nèi)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工 鍛造 所以 在國內(nèi)主要是逐 步擴(kuò)大應(yīng)用范圍 重點(diǎn)發(fā)展鑄造 熱處理方面的機(jī)械手 以減輕勞動強(qiáng)度 改 善作業(yè)條件 在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時 相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手 有條件的要 研制示教式機(jī)械手 計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等 同時要提高速度 減 少沖擊 正確定位 以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用 此外還應(yīng)大力研究伺服型 記憶再現(xiàn)型 以及具有觸覺 視覺等性能的機(jī)械手 并考慮與計(jì)算機(jī)連用 逐 步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個基本單元 1 3 2 國外研究現(xiàn)狀 國外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多 發(fā)展也很快 目前主要用于機(jī)床 橫鍛壓力機(jī)的上下料 以及點(diǎn)焊 噴漆等作業(yè) 它可按照事先指定的作業(yè)程序 來完成規(guī)定的操作 國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手 使它具有一定的傳感能力 能反饋外界條件的變化 作相應(yīng)的變更 如 發(fā)生少 許偏差時候 即能更正并自行檢測 重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能 目前已 經(jīng)取得一定的成績 國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢 1 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高 高速度 高精度 高可靠性 便于操作和 維修 而單機(jī)價格不斷下降 平均單機(jī)價格從 91 年的 10 3 萬美元降至 97 年的 6 5 萬美元 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化 可重構(gòu)化發(fā)展 例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī) 減 速機(jī) 檢測系統(tǒng)三位一體化 由關(guān)節(jié)模塊 連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整 機(jī) 國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市 3 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展 便于標(biāo) 準(zhǔn)化 網(wǎng)絡(luò)化 器件集成度提高 控制柜日見小巧 且采用模塊化結(jié)構(gòu) 大大 提高了系統(tǒng)的可靠性 易操作性和可維修性 4 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要 除采用傳統(tǒng)的位置 速度 加速度 等傳感器外 裝配 焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺 力覺等傳感器 而遙控機(jī)器人 則采用視覺 聲覺 力覺 觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策 控制 多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用 5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真 預(yù)演發(fā)展到用于過程控制 如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人 6 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng) 而是致力于操 作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制 即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操 作系統(tǒng) 使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段 美國發(fā)射到火星上的 索 4 杰納 機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例 7 機(jī)器人化機(jī)械開始興起 從 94 年美國開發(fā)出 虛擬軸機(jī)床 以來 這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一 紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域 1 4 主要內(nèi)容 課題研究的主要內(nèi)容如下 1 查閱資料 撰寫開題報(bào)告 掌握機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本步驟 2 結(jié)合題目進(jìn)行市場調(diào)研 了解現(xiàn)場工程問題 積累相關(guān)資料 做好調(diào) 研筆記 3 了解鈑金機(jī)械手工作原理與性能及各部件零件的設(shè)計(jì)方法 進(jìn)行設(shè)計(jì) 方案比較后優(yōu)選 4 對各機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核 5 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 2 1 設(shè)計(jì)要求 本課題要求設(shè)計(jì)一款五自由度鈑金機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 可以用于鈑金件的加 工工序比如 沖壓 焊接等來實(shí)現(xiàn)鈑金自動上下料 要求靈活 精度可靠 適 用性強(qiáng) 性能優(yōu)良才能配合高節(jié)奏的汽車生產(chǎn)線 2 2 結(jié)構(gòu)及原理分析 機(jī)械手能夠模仿人手臂的抓取 搬運(yùn) 操作等動作 具有延伸人軀體功能 的作用 機(jī)械手在自動化生產(chǎn)線上有著廣泛的應(yīng)用上 如物料搬運(yùn) 焊接 加 工中心等 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成 執(zhí)行 部分通常由連桿機(jī)構(gòu) 齒輪機(jī)構(gòu)等構(gòu)成 由抓取部分 手部 腕部 臂部和行 走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動部件組成 機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng) 按動力源的不同可以分為 液壓 氣動和電動三大類 根據(jù)需要也可以有三種基本系統(tǒng)組成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng) 搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動控制是整個控制系統(tǒng)的核心 首先啟動系統(tǒng) 并進(jìn)行系統(tǒng)初 始化和設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù) 根據(jù)位置傳感器傳送的信號由上位機(jī)經(jīng)過判斷和 運(yùn)算 發(fā)出指令給運(yùn)動控制卡 最后由運(yùn)動控制卡發(fā)送出脈沖信號給步進(jìn)電機(jī) 細(xì)分驅(qū)動器繼而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動 從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動控制 2 3 總體方案設(shè)計(jì) 2 3 1 驅(qū)動方案選擇 驅(qū)動系統(tǒng)分為氣動 液動 電動和機(jī)械式 本次考考慮要求精度高且要求 靈活輕便 因此選用電動驅(qū)動方式 2 3 2 抓取方案選擇 1 方案一 機(jī)械手抓取型結(jié)構(gòu) 采用機(jī)械手結(jié)構(gòu)來進(jìn)行鈑金的抓取 其對不同尺寸鈑金的適用性不強(qiáng) 且 對于大尺寸的鈑金容易在抓取時出現(xiàn)變形而影響零件的成型精度 另外機(jī)械手 抓的夾持力等也容易損傷零件表面 因此該方案不太適合鈑金的抓取 2 方案二 機(jī)械手吸盤型結(jié)構(gòu) 吸盤型結(jié)構(gòu)通?？梢圆贾枚鄠€ 拆裝方便 可以根據(jù)不同尺寸鈑金進(jìn)行適 當(dāng)增減 適用性強(qiáng) 而且吸盤可布置吸取鈑金的任意位置 這也解決了取放鈑 金時導(dǎo)致鈑金變形 另外 吸盤通常為橡膠材質(zhì) 不會對鈑金造成傷害 因此 該方案更利于用于鈑金的取放 6 2 3 3 機(jī)械臂 機(jī)身 機(jī)座方案選擇 1 機(jī)械臂 考慮傳動精度本次選用絲桿螺母傳動 滑塊滑槽式機(jī)械手臂結(jié)構(gòu) 2 機(jī)座和機(jī)身 可以選用固定式機(jī)座類型 腰部回轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu) 機(jī)身可做 360 度回轉(zhuǎn)運(yùn)動 提供空間上的旋轉(zhuǎn)自由度 其動力靠步進(jìn)電機(jī)供給 并通過機(jī)座內(nèi)部的蝸輪蝸 桿減速器提供減速傳動比 2 3 4 總體方案確定及工作原理 本鈑金機(jī)械手總體方案如下 五個自由度分別為 臂部回轉(zhuǎn) 臂部伸縮 碗部升降 腕部回轉(zhuǎn) 手部俯仰 其中臂部回轉(zhuǎn)由電機(jī) 1 帶動渦輪蝸桿傳動實(shí) 現(xiàn) 臂部伸縮由電機(jī) 2 帶動絲桿螺母傳動實(shí)現(xiàn) 碗部升降由電機(jī) 3 帶動絲桿螺 母傳動實(shí)現(xiàn) 腕部回轉(zhuǎn)由直流調(diào)速電機(jī) 4 直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn) 手部俯仰由電機(jī) 5 帶動絲桿螺母傳動帶動滑槽機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 最后手部連接吸盤或者磁盤實(shí)現(xiàn)鈑金 的取放 其方案見圖如下圖示 圖 2 1 五自由度鈑金機(jī)械手總體方案簡圖 2 4 運(yùn)動范圍的選定 考慮到本機(jī)械手用于鈑金件的加工工序中鈑金自動上下料 根據(jù)常用汽車 鈑金件大小可將本機(jī)械手各部分的運(yùn)動范圍確定如下 1 臂部回轉(zhuǎn) 0 360 4 腕部回轉(zhuǎn) 0 180 2 臂部伸縮 750mm 5 吸盤俯仰 0 90 7 3 腕部升降 600mm 6 可吸取重量 20Kg 第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 3 1 臂部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 1 1 回轉(zhuǎn)底座設(shè)計(jì) 進(jìn)行底座結(jié)構(gòu)形式的選擇是一個較復(fù)雜的過程 對結(jié)構(gòu)形式 構(gòu)件截面和 結(jié)點(diǎn)構(gòu)造等均需要結(jié)合具體的情況進(jìn)行仔細(xì)的分析 對結(jié)構(gòu)方案要進(jìn)行技術(shù)經(jīng) 濟(jì)比較 由于各種設(shè)備有不同的規(guī)范和要求 制定統(tǒng)一的底座結(jié)構(gòu)選擇方法較 困難 但是 可以利用結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識提出下列一般的規(guī)則 這些規(guī)則是為了 節(jié)約材料在選擇形式時應(yīng)遵守的一般規(guī)律 1 結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況要與材料的性能相適應(yīng) 以便發(fā)揮材料的優(yōu)點(diǎn) 軸力較彎矩能更充分地利用材料 桿件受軸力作用時 截面上的材料分布是均 勻的 所有材料都能得到充分利用 但在彎矩作用下截面的應(yīng)力分布是不均勻 的 所以材料的應(yīng)力分布不夠經(jīng)濟(jì) 2 結(jié)構(gòu)的作用在于把載荷由施力點(diǎn)傳到基礎(chǔ) 載荷傳遞的路程愈短 結(jié) 構(gòu)使用的材料愈省 3 結(jié)構(gòu)的連續(xù)性可以降低內(nèi)力 節(jié)省材料 綜合考慮機(jī)器的工作時所受的力 我選用機(jī)體材料 HT150 鑄造底座 力學(xué) 性能 200MPa 340MPa 適于制造箱體 底座類零件 b s 3 1 2 回轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動的驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)不見支撐處 的摩擦力矩計(jì)算 且啟動過程中不是等加速運(yùn)動 故最小驅(qū)動力比理論大些所以 M 驅(qū) 1 3 M 慣 M 摩 其中 為蝸輪 蝸桿傳動效率取 0 85 M 慣 啟動時的慣性力矩 M 摩 摩擦力矩 J 臂部零部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 回轉(zhuǎn)部件的角速度 取 6 弧度 s t 啟動過程時間 取 0 5 秒 1 計(jì)算慣性力矩 M 慣 各部件的重量和距回轉(zhuǎn)軸線的距離見下圖 8 圖 3 2 臂部機(jī)構(gòu)力矩分析 各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為 J1 J c1 M1 12 0 5 1 0 072 0 062 1 0 242 0 064Kgm2 J2 J c2 M2 22 0 5 4 0 072 0 12 4 0 182 0 01545Kgm2 J3 J c3 M3 32 0 5 3 0 072 0 132 3 0 122 0 0759Kgm2 J4 J c4 M4 42 2 L2 M4 42 2 0 222 10 0 222 RM3 12409 3 12 0 061 0 484 0 545 Kgm2 J5 J c5 M5 52 2 L2 M5 52 2 0 12 2 0 252 3 12509 3 12 0 0057 0 125 0 1307 Kgm2 J5 M5 52 1 5 0 0252 0 00047 Kgm22 1 所以慣性力矩 M 慣 t J1 J2 J3 J4 J5 J6 6 0 5 J 0 064 0 115 0 076 0 545 0 130 0 0005 3 14 6 0 5 0 9405 1 047 1 016 Nm 2 計(jì)算摩擦力矩 M 摩 9 總 圖 3 3 摩擦力矩的計(jì)算 如上圖所示可先求出臂部結(jié)構(gòu)的重心位置 在求各部分軸承的支反力 由圖可 以知 L 51 2506420382401iMM 034 25064282401 以 O2 為支點(diǎn)求支反力 N1 N1 42 N l Mg 10258 9 可知 N2 N1 42NN 而軸承所受正壓力約為 200N 所以摩擦力矩 M 摩 N1 D1 N2D2 42 0 04 42 0 03 0 02 Nm2 f201 所以驅(qū)動力矩 M 慣 1 58Nm 慣 摩 3 185 0 26 3 10 據(jù)此 我們選用步進(jìn)電機(jī)為 90BF003 型 3 1 3 回轉(zhuǎn)減速器的選擇 臂部回轉(zhuǎn)的速度和加速度都不應(yīng)過大 所以減速環(huán)節(jié)就要有較大的傳動比 這里采用蝸輪 蝸桿一級減速 沒有采用多級齒輪減速 其一級減速齒輪太大 其 基本參數(shù)如下 傳動比 i 62 中心距 a 160mm 蝸桿頭數(shù) Z2 1 蝸輪齒數(shù) Z2 Iz1 62 齒形角 20 模數(shù) m 1 蝸輪變位系數(shù) X2 0 蝸桿軸向齒距 Px m 蝸桿分度圓直徑 d1 mz1 tan 18 標(biāo)準(zhǔn)值 蝸桿齒頂圓直徑 da1 d1 2ha1 d1 2ha 18 2 1 20 蝸桿齒根圓直徑 df1 d1 2hf1 d1 2m ha c 18 2 1 2 15 6 蝸桿齒頂高 ha1 ha m 1 ha 1 頂隙 c c m 0 2 c 0 2 蝸桿齒根高 hf1 ha c m d1 df 1 22 1 蝸桿齒高 h1 ha1 hf1 da1 df1 20 15 6 2 2 蝸桿齒寬 b1 50 查表得 蝸輪分度圓直徑 d2 m Z2 2a1 d1 2 X2m 80 18 62 蝸輪齒頂圓直徑 da2 d2 2ha2 62 2 64 蝸輪齒根圓直徑 df2 d2 2hf2 62 2 4 59 6 蝸輪齒頂高 ha2 da2 d2 2 m ha X2 1 蝸輪齒根高 hf2 d2 df2 1 1 0 2 1 22 1 蝸輪齒高 h2 ha2 hf2 1 2 1 2 2 蝸輪齒寬 b2 15 查表 3 3 4 回轉(zhuǎn)主軸及軸上零件的設(shè)計(jì)與校核 1 尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 1 初步確定軸的最小直徑 先按式 初步估算軸的最小直徑 選取軸的材料 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 3PdCn 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表 11 3 取 于是得 12 11 md5 140 123 該處開有鍵槽故軸徑加大 5 10 且傳動軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián) 軸器處的直徑 為了與減速器輸出軸直徑保持一致 取 1 md341 mL501 3 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 為了滿足大帶輪的軸向定位的要求 2 軸段左端需制出軸肩 軸肩高度軸 肩高度 取 故取 2 段的直徑 長度 dh07 mh3 md39 mL472 初步選擇滾動軸承 因軸承只受徑向力的作用 故選用深溝球軸承 根 據(jù) 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊選取 0 基本游隙組 標(biāo)準(zhǔn)精度級的深溝球軸承d392 6208 故 軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位 軸肩407l273 高度軸肩高度 取 因此 取 dh mh5 md4564 齒輪處由于齒輪分度圓直徑 故采用齒輪軸形式 齒輪寬度d901 B 95mm 齒故取 另考慮到齒輪端面與箱體間距 10mm 以及兩級齒輪間9 l 位置配比 取 74l6 4 軸上零件的周向定位 查機(jī)械設(shè)計(jì)表 聯(lián)接大帶輪的平鍵截面 mlhb45810 2 強(qiáng)度校核計(jì)算 1 求作用在軸上的力 根據(jù) 機(jī)械設(shè)計(jì) 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算部分未作說明皆查此書 式 10 14 則 NtgFdTntrt 75 68207 184a 90 23 Np5 2 求軸上的載荷 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡圖 在確定軸承支點(diǎn)位置時 從手冊 中查取 a 值 對于 6208 型深溝球軸承 由手冊中查得 a 18mm 因此 軸的支 撐跨距為 L1 90mm 根據(jù)軸的計(jì)算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖 從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭 12 矩圖可以看出截面 C 是軸的危險(xiǎn)截面 先計(jì)算出截面 C 處的 MH MV 及 M 的 值列于下表 載荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F NNH143 NF126 NFNV2371 56 C 截面 彎矩 M mLNH 8532 m MLaNV 1432 總彎矩 MV 6858222max 扭矩 T 490 3 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 根據(jù)式 15 5 及上表中的數(shù)據(jù) 以及軸單向旋轉(zhuǎn) 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 取 6 0 軸的計(jì)算應(yīng)力 13 MpaWTMca 61 28351 024980684 2222 已選定軸的材料為 45Cr 調(diào)質(zhì)處理 由表 15 1 查得 因此70P 1 故安全 1 ca 4 鍵的選擇 采用圓頭普通平鍵 A 型 GB T 1096 1979 連接 聯(lián)接大帶輪的平鍵截 面 齒輪與軸的配合為 滾mlhb45810 Mpap10 76Hr 動軸承與軸的周向定位是過渡配合保證的 此外選軸的直徑尺寸公差為 m 3 軸上零件的選擇與校核 1 軸承 根據(jù)前述計(jì)算選用的軸承為 6203 型深溝球軸承 由滾動軸承樣本可查得 軸承背對背或面對 面成對安裝在軸上時 當(dāng)量 載荷可以按下式計(jì)算 22213418097351 0ANHV NRF 0a222231094519 37BNHV378aaFN 計(jì)算動量載荷 在設(shè)計(jì)時選用 6208 深溝球軸承 查手冊知079 2 65 8CkNk 根據(jù) 查得 143 7iA 0 27e 80 92251 3BR 查得 所以 XY9 702519 37BPAN 校核軸承的當(dāng)量動載荷 已知 所以 280hL 14 336 6002 748027 7 5911hnLCP kNC 故選用該軸承合適 2 聯(lián)軸器 根據(jù)聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩選擇聯(lián)軸器的類型 聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 950wwczt ztnPTKKTn 式中 理論轉(zhuǎn)矩 N m 驅(qū)動功率 kW 工作轉(zhuǎn)速 r minn 動力機(jī)系數(shù) 電動機(jī)取 1 0wK 工況系數(shù) 查表可得取 1 25 啟動頻率 查表可得啟動頻率 120 時 可取 1 0z 溫度系數(shù) 查表可得 取 1 0t 公稱轉(zhuǎn)矩 N m 見各聯(lián)軸器參數(shù)表 nT 代入各數(shù)據(jù)可得 95013 wwczt ztPKKNmn 考慮到電動機(jī)輸出軸的直徑是 42mm 主軸端部軸徑為 40mm 兩端的軸徑 不同 且必須滿足 最終確定聯(lián)軸器型號為 型 無沉孔基本型cTn 4JM 聯(lián)軸器 3 鍵 選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 聯(lián)軸器處選用單圓頭平鍵 尺寸為 mlhb3678 校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度 鍵 軸材料都是鋼 由機(jī)械設(shè)計(jì)查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為 MPaP120 鍵的工作長度 mbl328621 合適 PP MadlkT 5 485 0 92131 15 3 2 手臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 2 1 受力分析 P 驅(qū) P 慣 P 摩 P 密 在此估算所有參與臂部伸縮運(yùn)動零件的總質(zhì)量為 20Kg M 1 P 慣 手臂在運(yùn)動過程中的慣性力 因演示系統(tǒng)對速度沒有嚴(yán)格的要求 故可設(shè)正常運(yùn)動速度 V 0 005m s 設(shè) 0 1 秒加速到正常運(yùn)動速度則啟動加速度 a 0 05 m s2 所以 P 慣 a 20 0 05 1 N 2 P 摩 摩擦阻力矩 P 摩 2f g 2 0 12 20 9 8 47 02 N M 3 P 密 本系統(tǒng)對密封并無嚴(yán)格要求 故忽略不計(jì) 所以 P 驅(qū) P 慣 P 摩 P 密 1 47 02 48 02 3 2 2 伸縮電機(jī)及絲杠選擇 在根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 知螺旋副公稱值為 T26 4 即中徑 d 26mm 螺距 t 4mm 牙形角 30 所以 中徑 d2 d 0 5t 26 0 5 4 24mm 螺紋頭數(shù) n 1 所以 當(dāng)量摩擦角 v arctg arctg 7 04 2 cos f 15cos2 0 摩擦角 arctg arctg 3 04 2 d tn 4 1 3 由此可知摩擦力和慣性立力共同產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 T1 P 慣 P 摩 d2 2 tg v 1000 1 47 12 tg10 12 1000 0 122 Nm 現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件所產(chǎn)生的慣性矩 現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件可以看作是半徑 24mm 質(zhì)量 1 5 千克的光軸 起 轉(zhuǎn)動慣量 JS 絲 m 絲 R2 0 5 1 5 0 01222 1 1 08 10 3 Kgcm3 絲杠角速度 25 rad s t 0 4513 啟動時間為 0 1 秒則絲杠產(chǎn)生的驅(qū)動力矩 16 T2 J 絲 t 1 08 10 4 25 3 14 0 1 0 085 Nm 所以電機(jī)驅(qū)動最小力矩為 T 驅(qū) T1 T2 0 122 0 085 0 207 Nm 根據(jù)實(shí)際需要和整體布局 要選大點(diǎn)的電機(jī)使臂部平衡 綜合選擇 90BF003 型步進(jìn)電機(jī) 3 3 腕部升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 3 1 受力分析 下面來計(jì)算腕部升降所需的驅(qū)動力 手腕腕 部結(jié) 構(gòu) 圖 3 4 腕部結(jié)構(gòu)受力分析 上圖給出了整個腕部的受力情況 隨著腕部的移動 由腕部結(jié)構(gòu)的重量 Gw 手指和工件的重量 Gs 將在 A B 兩點(diǎn)形成壓力 N1 N2 從而形成摩擦 力 F1 和 F2 而電機(jī)提供的力矩應(yīng)能克服 F1 F2 腕部所有結(jié)構(gòu)的重量 Gqw 由力矩平衡得 N1 30 Gw 44 Gs 65 44 估算 Gw 24 5N Gs 7 84N Gqw 35N 所以 N1 N2 64 4 N 30 194 Gsw301984 75 24 F1 F2 N1 f 64 4 0 11 7 08 N 所以加在螺母上的全部軸向力 P Gqw 2F1 35 2 7 08 49 168 N 考慮啟動時的慣性力 震動和機(jī)構(gòu)效率的影響 其實(shí)際的驅(qū)動力 PSJ P K21 17 其中 K1 安全系數(shù) 取 K1 1 2 V 1 6 K2 工作情況系數(shù) 取 K2 1 a g a 機(jī)構(gòu)的加速度 機(jī)械效率 取 0 85 所以驅(qū)動力矩為 Tq PSJ d 2 tg v 1000 75 97 8 tg 8 247 4 55 1000 0 138 Nm 3 3 2 升降電機(jī)及絲杠選擇 1 根據(jù)上述驅(qū)動力的計(jì)算結(jié)果 查閱資料 選用 55BF003 型步進(jìn)電機(jī) 可滿足要求 2 校核螺旋副的自鎖性 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 公稱尺寸 d 18mm 梯形螺紋牙 型角 30 螺距 t 4mm 中徑 d2 d 0 5t 18 0 5 4 16mm 螺旋副為鋼 青銅 取摩擦系數(shù) f 0 14 所以 當(dāng)量摩擦角 v arctg arctg 8 2 2 cos f 15cos4 0 摩擦角 arctg arctg 4 55 2 d tn 164 3 v 滿足自鎖條件 3 4 腕部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 4 1 受力分析 驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕啟動所產(chǎn)生的慣性力矩 手腕的 轉(zhuǎn)動軸與支撐處的摩擦力距 動件與缸壁 端蓋等處的摩擦阻力距 以及由于 轉(zhuǎn)動件的重心與轉(zhuǎn)動軸線不重合時所產(chǎn)生的偏重力距 而對于本系統(tǒng)來說 參與手腕轉(zhuǎn)動的零部件很多 如果每一件都去校核的 話 即太煩瑣 也沒有必要 所以我們將整個回轉(zhuǎn)部件分為 4 個部分 1 轉(zhuǎn)軸 包括與之相連的螺母 墊母 軸承內(nèi)圈等 2 手部電機(jī) 包括電機(jī)罩等 3 手部換向變速箱 可將它視為 65 65 70mm 的一個重 0 4mm 的長方體 4 手指工件 可將它看成是一個 70 60 50 的長方體 重 0 8 公斤 重心 位置距回轉(zhuǎn)軸線為 65 毫米 由此 手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩 Mq Mg Mm Mf 其中 Mg 慣性力矩 Mp 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的偏重力矩 18 Mm 手腕的轉(zhuǎn)動軸與支撐處的摩擦力矩 Mf 手腕密封裝置處的摩擦阻力矩 下面我們分別計(jì)算上述四個力矩 1 手腕啟動時產(chǎn)生的慣性力矩 Mg 設(shè) 手腕轉(zhuǎn)動的角速度 6 s 啟動過程時間為 t 0 4s 則 J1 1 2 M1R2 電機(jī)罩及電機(jī)可看作一個半徑是 50mm 重 0 45 公斤的圓柱體 則 J2 1 2 M1R2 1 2 0 45 0 5 2 2 變速箱的轉(zhuǎn)動慣量 J3 1 2M3 a2 b2 1 2 0 4 0 652 0 652 1 69 10 kgcm23 手部機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量 J4 1 2M4 a2 b2 M4e2 1 2 0 8 0 072 0 0 62 0 8 0 0652 6 78 10 kgcm23 由此可知 Mg J1 J2 J3 J4 t 0 0000098 0 00014 0 00169 0 00678 6 0 4 0 0113 NM 2 摩擦力距 Mm 先估算兩軸承部位所受的壓力 圖 3 5 19 則根據(jù)力的平衡 所以 N 20 4N25 698 0 再考慮其他因素影響 附加一定系數(shù) 可令 N1 N2 35 N 又由軸承部位尺寸 D1 0 02m D2 0 015m 所以 Mm f 2 ND1 N2D2 0 012 2 35 0 02 0 015 0 00735 NM 3 偏重力矩 Mp 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知 其余部分重心在回轉(zhuǎn)軸線上 因此不產(chǎn)生偏重力矩 只 有手爪部分產(chǎn)生偏重力矩 所以 Mp G4 e 0 8 9 8 0 065 0 50 Nm 4 密封處的摩擦阻力距 本系統(tǒng)是電機(jī)驅(qū)動 對密封沒有嚴(yán)格要求 這部分阻力距可以咯去不計(jì) 3 4 2 回轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 綜上所述 考慮一定的安全系數(shù) 有 Mq 1 1 Mg Mm Mp 1 1 0 0113 0 0074 0 50 0 570 Nm 據(jù)此數(shù)據(jù) 可選用 60LY003 型直流力矩電機(jī) 3 5 吸盤俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及吸盤選擇 3 5 1 俯仰電機(jī)及絲杠的選擇 1 俯仰力計(jì)算 由初始設(shè)計(jì)可知 G 200N 則 N G3K 方位系數(shù) 他與手指和工件的形狀 以及手指夾持攻擊的方位有關(guān) 3 此處 按手指是水平放置 夾持垂直的工件 V 型指端夾圓形棒料的情況考慮 取 2 7643Kf sin5 017 0i 其中 型手指半角 由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知 tg 2 75 故 70 f 為其與工件的摩擦系數(shù) 取 0 17 20 所以 N K3 G 2 764 5 13 82 N 絲桿通過銷軸的向上的拉力 驅(qū)動力 是 P 作用與手指上的力 其方向 垂直于滑槽的中心線 OO1 和 OO2 滑槽對銷軸的反作用力為 P1 和 P2 且其 延長線交 A B 點(diǎn) 由于 OB 和 OA 為直角 故 AOC BOC 1O2 根據(jù)軸銷的力平衡條件得 P1 P2 P 2 P1 cos 由手指的力矩平衡條件得 h N b1P 因?yàn)?P1 h cos a 所以 P 2b cos N 2 式中 a 手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心距離 工件被夾持時 手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)線間的夾角 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時取 a 25 mm b 35mm arctg17 25 34 22 所以 銷軸或螺母所受力 驅(qū)動力的反作用力 P 2b cos N 2 a 26 461 N 考慮工件在加工過程中產(chǎn)生的慣性力 震動及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響 其實(shí) 際的驅(qū)動力為 Ps P 21K 其中 K1 安全系數(shù) 一般取 1 2 1 6 K2 工作情況系數(shù) 且 K2 1 a g A 機(jī)構(gòu)的加速度 機(jī)械效率 Ps P 42 2 N 21K 95 08 14 6 2 扭距計(jì)算 我們先來計(jì)算一下螺旋升角 校核一下此絲桿 螺母機(jī)構(gòu)是否滿足自鎖條 21 件 根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸 絲桿的公稱直徑 d 12mm 螺距 t 2mm 螺紋頭數(shù) n 1 所以 絲桿中徑 d2 d 0 5t 11mm 螺紋升角 arctg arctg 3 31 2 d tn 14 32 螺紋的當(dāng)量摩擦角 v arctg rctg 5 91 cos f 15cs 0 其中 f 是摩擦副間的摩擦系數(shù)取 0 1 是螺紋牙形半角取 15 v 所以 此絲桿螺母機(jī)構(gòu)可安全自鎖 下面來計(jì)算驅(qū)動力距 Tq T1 T2 T3 其中 T1 螺旋副摩擦力矩 T1 F d2 2 tg v Nm F 螺旋副軸向載荷 N D2 螺旋副中徑 M v 當(dāng)量摩擦角 螺旋升角 T2 T3 是端面摩擦力矩 此處不計(jì) 故 Tq T1 F d2 2 tg v 42 2 11 2 tg 3 31 5 91 0 04N 3 電機(jī)的選擇 至此 根據(jù)上述計(jì)算 我們得出了絲桿上應(yīng)具有的扭 距 據(jù)此 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品樣本手冊 選用 45BF003 型電機(jī)可以滿足要求 3 5 2 吸盤轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì) 機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確 吸取精度高 重復(fù)定位精度和運(yùn)動 穩(wěn)定性好 并有足夠的吸取能 機(jī)械手能否準(zhǔn)確吸附工件 把工件送到指定位置 不僅取決于機(jī)械手的定 22 位精度 由臂部和腕部等運(yùn)動部件來決定 而且也于機(jī)械手吸附誤差大小有 關(guān) 特別是在多品種的中 小批量生產(chǎn)中 為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變 化 一定要進(jìn)行機(jī)械手的吸附誤差分析 吸附誤差不超過 3mm 分析如下 工件的平均半徑 45mmCPR2 603 吸盤長 L 120mm 取 V 型夾角 01 偏轉(zhuǎn)角 64 34 1cos Lin cp1os 6in245 按最佳偏轉(zhuǎn)角確定 64 34 計(jì)算理論平均半徑 120 sin60 cos64 34 45mm ciR0 因?yàn)?min0max 22ax2a21 asinLcosi si L L 22222 40 36sin014 360sin1 06in 1 484 22min2min2 asinLacos s L RL 22222 40 36sin014 360si1 06i3 1 0 166 所以 1 484 3 吸附誤差滿足設(shè)計(jì)要求 3 5 3 吸盤的選擇 1 真空吸盤吸持工件的動力學(xué)分析 在產(chǎn)品包裝 物體傳輸和機(jī)械裝配等自動作業(yè)線上 使用真空吸盤來吸取 物體的案例越來越多 柔而有彈性的吸盤可以很方便地實(shí)現(xiàn)諸如工件的吸持 脫開 傳遞等搬運(yùn)功能 并確保不損壞其作用之對象 而吸持力靠真空系統(tǒng)維 持 真空的產(chǎn)生可以是由電動機(jī) 真空泵以及各種真空器件所組成的真空系統(tǒng) 來提供 也可以由壓縮空氣通過真空發(fā)生器所產(chǎn)生的二次真空來提供 前者需 23 要配置獨(dú)力的真空系統(tǒng) 而后者可以利用一般生產(chǎn)過程中已有的空氣壓縮系統(tǒng) 因此 特別在各種包裝作業(yè)過程中 利用二次真空方法顯得十分方便 經(jīng)濟(jì) 真空發(fā)生器的原理是 壓空氣通過收縮的噴騰后 從噴嘴噴射出的高速氣流卷吸 周圍的靜止流體和它一起向前流動 從而在接受室形成負(fù)壓 誘導(dǎo)二次真空 這樣的真空系統(tǒng) 尤其對于不需要大流量真空的工況條件更顯出它的優(yōu)越性 真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì) 可以根據(jù)需的真空度設(shè)計(jì)出所需的真空發(fā)生器 用真空吸盤來吸取物體 可以根據(jù)物體的不同形狀實(shí)現(xiàn)任意角度的傳遞 在此次設(shè)計(jì)中 工件平放 故從水平方向?qū)φ婵瘴P的受力分析進(jìn)行動態(tài) 分析 如圖 3 6 所示為真空吸盤用于水平位置工作時的安裝方位 在圖 3 1 吸盤 水平安裝時 除了要吸持住工件負(fù)載外 還應(yīng)該考慮吸盤移動時因工件的慣性 力對吸力的影響 圖 3 6 真空吸盤的安裝位置 2 真空吸盤的選取 為了確保真空吸盤能完成給定的任務(wù) 需考慮一定的安全系數(shù) 根據(jù)理論和實(shí) 踐經(jīng)驗(yàn) 真空吸盤的安全系數(shù) N 一般取 2 5 因此 許用提升重量 理論提升重量 N 垂直提升力 N 表 3 1 吸盤直徑 面積 垂直提升力參數(shù)表 吸盤垂直提升力 N 吸盤直徑 D mm 10 13 16 20 25 32 40 50 吸持面積 cm 0 785 1 33 2 01 3 14 4 91 8 04 12 6 19 6 吸盤垂直提升力 N 0 04MPa 3 14 5 32 8 04 12 56 19 64 32 16 50 4 78 4 由上表可知 當(dāng)工件重量為 2kg 時 許用提升重量為 19 6N 欲使安全系 數(shù)達(dá)到要求 只需滿足 2 5 垂 直 提 升 力許 用 提 升 重 量 3 1 即可 由表 3 1 選取吸盤直徑為 40mm 即可滿足 考慮到吸附物的可吸附尺寸 面 所選的吸盤直徑應(yīng)設(shè)定為大于所需吸 盤直徑 D 因吸盤在吸附時會變形 吸盤的外徑將增加 10 左右 24 因?yàn)檎婵諌毫刮P變形 所以吸附面積要比吸盤直徑小 變形度根據(jù) 吸盤的材質(zhì) 形狀 橡膠的硬度而有區(qū)別 因此 在計(jì)算得出吸盤直徑時需留 出余量 安全系數(shù)中包括變形部分 吸盤直徑雖表示吸盤的外徑 但利用真空壓力吸附物體時 因真空壓會使 橡膠變形 吸附面積也會隨之縮小 縮小后的面積即稱為有效吸附面積 此時 的吸盤直徑即稱為有效吸盤直徑 根據(jù)真空壓力 吸盤橡膠的厚度以及與吸附物的摩擦系數(shù)等不同 有效吸 盤直徑也會有差異 一般情況可預(yù)估會縮小 10 綜合上述 所選吸盤參數(shù)為 吸盤直徑 D 40mm 吸盤吸持面積 A 12 6 吸盤個數(shù) n 1 真空壓力 P 0 04MPa 3 真空發(fā)生器設(shè)計(jì) 真空發(fā)生器用于產(chǎn)生真空 結(jié)構(gòu)簡單 體積小 無可動機(jī)械部件 安裝和 使用都很方便 因此應(yīng)用很廣泛 真空發(fā)生器產(chǎn)生的真空度可達(dá)到 88kpa 真 空發(fā)生器的工作原理如圖 3 7 所示 它是由先收縮后擴(kuò)張的拉瓦爾噴管 1 負(fù)壓 腔 2 和接收管 3 等組成 有供氣口 排氣口和真空口 當(dāng)供氣口的供氣壓力 高于一定值后 噴管射出的超聲速射流 由于氣體的粘性 高速射流卷吸走負(fù) 壓腔內(nèi)的氣體 使該腔形成很低的真空度 在真空口 A 處接上真空吸盤 靠真 空壓力和吸盤吸取物體 圖 3 7 真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖 真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)簡單 無可動機(jī)械部件 故使用壽命長 真空發(fā)生器的耗氣量是指供給拉伐爾噴管的流量 它不但由噴嘴的直徑?jīng)Q 定 還與供氣壓力有關(guān) 同意噴嘴直徑 其耗氣量隨供氣壓力的增加而增加 如圖 3 8 所示 噴嘴直徑是選擇真空發(fā)生器的主要依據(jù) 噴起直徑越大 抽吸 流量和耗氣量就越大 真空度越低 噴嘴直徑越小 抽吸流量和耗氣量越小 真空度越高 25 圖 3 8 真空發(fā)生器耗氣量與工作壓力的關(guān)系 圖 3 8 所示為真空度特性曲線 由圖可知 真空度存在最大值 Pzmax 當(dāng) 超過最大值后 即使增加供氣壓力 真空度不但沒有增加反而下降 實(shí)際使用 時 建議真空度選為 63 95 Pzmax 圖 3 9 真空發(fā)生器耗氣量與工作壓力的關(guān)系 在真空吸盤的選取時 已確定真空壓力為 0 04Mpa 由圖 3 3 3 4 可得 該真空發(fā)生器耗氣量和真空度分別取 5L min 0 002Mpa 4 其他元器件的選用 一個完整的真空吸附系統(tǒng)還包括真空過濾器 供給閥 破壞閥等 真空過濾器的選擇 ZFB 200 06 型 流量是 30L min 大于真空發(fā)生器的最 26 大流量 24L min 滿足需求 真空節(jié)流閥選擇 KLA 系列單向節(jié)流 KLA L6 公稱通徑是 6mm 有效截流面大于 5mm2 泄露量小于 50cm3 min 單向閥開啟壓 力為 0 05Mpa 供給閥設(shè)置在壓力管路中 選擇一般的換向閥 AB31 AB41 系列多流體二 位二通直動截止電磁換向閥 型號 AB310 1 6 公稱通徑 5mm AB 接管螺紋 ZG1 8 有效截面面積 15 3mm2 有效截面面積大于真空發(fā)生器噴嘴兒面積的 4 倍 供氣口得連接管內(nèi)徑大于噴嘴直徑的 4 倍 減少供給回路的壓力損失 真空換向閥設(shè)置在真空回路中 必須選擇能用在真空條件下的換向閥 真 空換向閥要求不泄露 故選擇用截止式和導(dǎo)膜片式結(jié)構(gòu)比較理想 選擇 09270 09550 系列多種流體二位二通先導(dǎo)膜片式電磁閥 型號 0927000 接 管螺紋 1 4in 通徑 8mm 換向頻率大于 0 5HZ 第 4 章 基于 Pro E 的三維設(shè)計(jì)及仿真 4 1 Pro E 三維設(shè)計(jì)軟件概述 Pro Engineer 操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司 PTC 旗下的 CAD CAM CAE 一體化的三維軟件 Pro Engineer 軟件以參數(shù)化著稱 是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用 者 在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位 Pro Engineer 作為當(dāng)今世界 機(jī)械 CAD CAE CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣 是現(xiàn)今主流的 CAD CAM CAE 軟件之一 特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置 Pro Engineer 和 WildFire 是 PTC 官方使用的軟件名稱 但在中國用戶所使 用的名稱中 并存著多個說法 比如 ProE Pro E 破衣 野火等等都是指 Pro Engineer 軟件 proe2001 proe2 0 proe3 0 proe4 0 proe5 0 creo1 0 creo2 0 等等都是指軟件 的版本 Pro E 第一個提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念 并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征 的相關(guān)性問題 另外 它采用模塊化方式 用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇 而不必安裝所有模塊 Pro E 的基于特征方式 能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過程集成到 一起 實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì) 它不但可以應(yīng)用于工作站 而且也可以應(yīng)用到單機(jī) 27 上 Pro E 采用了模塊方式 可以分別進(jìn)行草圖繪制 零件制作 裝配設(shè)計(jì) 鈑 金設(shè)計(jì) 加工處理等 保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用 1 參數(shù)化設(shè)計(jì) 相對于產(chǎn)品而言 我們可以把它看成幾何模型 而無論多么復(fù)雜的幾何模 型 都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征 而每一種構(gòu)成特征 都可以用有限的 參數(shù)完全約束 這就是參數(shù)化的基本概念 但是無法在零件模塊下隱藏實(shí)體特 征 2 基于特征建模 Pro E 是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng) 工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基 于特征的功能去生成模型 如腔 殼 倒角及圓角 您可以隨意勾畫草圖 輕 易改變模型 這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過的簡易和靈 活 3 單一數(shù)據(jù)庫 全相關(guān) Pro Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上 不像一些傳統(tǒng)的 CAD CAM 系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上 所謂單一數(shù)據(jù)庫 就是工程中的資料全部來自一個 庫 使得每一個獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作 不管他是哪一個部門的 換言之 在整個設(shè)計(jì)過程的任何一處發(fā)生改動 亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計(jì)過 程的相關(guān)環(huán)節(jié)上 例如 一旦工程詳圖有改變 NC 數(shù)控 工具路徑也會自動 更新 組裝工程圖如有任何變動 也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上 這種獨(dú) 特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合 使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來 這一 優(yōu)點(diǎn) 使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化 成品質(zhì)量更高 產(chǎn)品能更好地推向市場 價格也更便 宜 Pro Engineer 是軟件包 并非模塊 它是該系統(tǒng)的基本部分 其中功能包括 參數(shù)化功能定義 實(shí)體零件及組裝造型 三維上色 實(shí)體或線框造型 完整工 程圖的產(chǎn)生及不同視圖展示 三維造型還可移動 放大或縮小和旋轉(zhuǎn) Pro Engineer 是一個功能定義系統(tǒng) 即造型是通過各種不同的設(shè)計(jì)專用功能來實(shí) 現(xiàn) 其中包括 筋 Ribs 槽 Slots 倒角 Chamfers 和抽殼 Shells 等 采用這種手段來建立形體 對于工程師來說是更自然 更直觀 無需采用 復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)方式 這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號式的賦予形體尺寸 不 象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體 這樣工程師可任意建立形體上的 尺寸和功能之間的關(guān)系 任何一個參數(shù)改變 其他相關(guān)的特征也會自動修正 這種功能使得修改更為方便和可令設(shè)計(jì)優(yōu)化更趨完美 造型不單可以在屏幕上 顯示 還可傳送到繪圖機(jī)上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印機(jī) Pro Engineer 還可輸出三維和二維圖形給予其他應(yīng)用軟件 諸如有限元分析及后 置處理等 這都是通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式來實(shí)現(xiàn) 用戶更可配上 Pro Engineer 28 軟件的其它模塊或自行利用 C 語言編程 以增強(qiáng)軟件的功能 它在單用戶環(huán)境 下 沒有任何附加模塊 具有大部分的設(shè)計(jì)能力 組裝能力 運(yùn)動分析 人機(jī) 工程分析 和工程制圖能力 不包括 ANSI ISO DIN 或 JIS 標(biāo)準(zhǔn) 并且 支持符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的繪圖儀 HP HPGL 和黑白及彩色打印機(jī)的二維和三維 圖形輸出 Pro Engineer 功能如下 1 特征驅(qū)動 例如 凸臺 槽 倒角 腔 殼等 2 參數(shù)化 參數(shù) 尺寸 圖樣中的特征 載荷 邊界條件等 3 通過零件的特征值之間 載荷 邊界條件與特征參數(shù)之間 如表面積 等 的關(guān)系來進(jìn)行設(shè)計(jì) 4 支持大型 復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì) 規(guī)則排列的系