車床工件自動裝夾機械手設計【含12張CAD圖紙】,含12張CAD圖紙,車床,工件,自動,機械手,設計,12,CAD,圖紙 畢業(yè)設計(論文)任務書 學院 ：機電工程學院 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 班級： 學生情況 指導教師情況 題目類型 姓 名 學 號 姓 名 職 稱 單 位 理論研究 □ 科研開發(fā) □ 機電工程學院 工程設計 √ 論文 □ 題目 車床工件自動裝夾機械手設計 主要 內容 以及 目標 (畢業(yè)設計應完成的主要內容，設計任務達到的目標) 主要內容: （1）完成調研報告和開題報告； （2）完成車床工件自動裝夾機械手設計； （3）建立該機械手的CAD結構； （4）中英文摘要各200字，設計說明書不少于15000字； （5）外文資料翻譯不少于5000字。 目標: （1）完成車床工件自動裝夾機械手設計結構設計，其中包括裝配圖及關鍵的零件圖； （2）對機械手進行計算。 成果 形式 （畢業(yè)設計完成具體工作量；成果形式；驗收方式） （1）3張A0圖紙，包括裝配圖、零件圖； （2）設計計算說明書； （3）機械手的圖紙。 基本 要求 （對完成設計任務方面的具體要求：設計技術參數(shù)、數(shù)據(jù)及來源、調試所用儀器設備） 設計技術參數(shù)： 抓重： 10kg 數(shù)據(jù)來源： 北京機械工業(yè)自動化研究所、上海發(fā)那科機器人有限公司 實習 調研 要求 （對部分有實習環(huán)節(jié)的專業(yè)，提出實習或調研的具體要求，包括調研提綱、實習時間、地點和具體內容要求） （1）了解國內外工業(yè)機器人的現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢； （2）了解工業(yè)機器人的各個組成部分； （3）掌握車床工件自動裝夾機械手設計的組成機構及其工作原理； （4）分析現(xiàn)有各種類型工業(yè)機器人的特點，如運動方式、驅動方式、控制方式等； （5）總結出本設計課題的基本實現(xiàn)方法及結構，分析其技術關鍵及難點； （6）做出本設計課題的設計安排，如技術線路、研究方法、設計工具、時間安排等。 主要 參考 文獻 （指導教師提供有關參考資料、工具書、期刊論文等） （1）費仁元 張慧慧. 機器人機械設計和分析.北京：北京工業(yè)大學出版社，1998 （2）馬香峰. 機器人機構學.北京：機械工業(yè)出版社，1991 （3）加藤一郎. 機械手圖冊.上海：上海科學技術出版社，1979 （4）張鐵 謝存禧. 機器人學.廣州：華南理工大學出版社，2000 （5）宗光華 張慧慧 譯. 機器人設計與控制.北京：科學出版社，2004 （6）張建民. 工業(yè)機器人.北京：北京理工大學出版社，1988 （7）周伯英. 工業(yè)機器人設計.北京：機械工業(yè)出版社，1995 （8）索羅門采夫. 工業(yè)機器人圖冊.北京：機械工業(yè)出版社，1993 （9）余達太. 工業(yè)機器人應用工程.北京：冶金工業(yè)出版社，1999 （10）吳芳美. 機器人控制基礎.北京：中國鐵道出版社，1992 （11）任大為. 機械設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，1998 （12）徐灝. 新編機械設計師手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1995 （13）黃靖遠. 機械設計學.北京：機械工業(yè)出版社，1999 （14）孟憲源等. 現(xiàn)代機構手冊（上、下冊）.北京：1994 主要 儀器 設備 （根據(jù)畢業(yè)設計題目情況需要填寫） （1）機電工程學院機器人機研究室的FUNC（發(fā)那科）機器人； （2）機電工程學院機械創(chuàng)新設計實驗室廣茂達機器人模型以及慧魚機器人創(chuàng)意組合模型； （3）計算機一臺。 畢業(yè)設計（論文）開始日期 2009-2-23 畢業(yè)設計（論文）完成日期 2009-6-19 畢業(yè)設計（論文）進度計劃（起止時間、工作內容） （指導教師對畢業(yè)設計（論文）的進度計劃提出要求,至少詳細到前期、中期和答辯階段） 前期（到第4周止）： 對題目進行調研，確定設計方案，完成調研報告和開題報告； 中期（到10周止）： 完成工作量的60％～70％，即完成電動式關節(jié)型機器人機械手的結構設計，包括3張A0圖紙的裝配圖、零件圖； 后期（到16周止）： 完成所有工作量，包括對建立機械手的三維虛擬模型，進行運動仿真，對實驗室的機械手模型進行調試，完成設計計算說明書，準備答辨提綱等。 指導教師（簽字）： 督導教師（簽字）： 年 月 日 系畢業(yè)設計（論文）領導小組審查意見： 組長（簽字）： 年 月 日 分 類 號 密 級 寧學院 畢業(yè)設計(論文) 車床工件自動裝夾機械手設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 誠 信 承 諾 我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《車床工件自動裝夾機械手設計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）： 年 月 日 摘 要 隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，工業(yè)機械手的應用越來越普遍，已被廣泛地應用于各行各業(yè)中。首先，簡要介紹了機械手的基本概念、機械手的組成和分類，以及工業(yè)機械手的簡史和發(fā)展趨勢。其次，本文通過車床機械手的動作分析，確定了機械手的坐標形式、自由度和驅動機構，確定了機械手的主要技術參數(shù)；完成了送料機械手的總體方案設計。再次，完成了機械手的手部、臂部和機身的結構設計。最后，通過對機械手的動作行程分析，完成了機械手的氣缸設計和氣元件的選擇；設計了可滿足車床使用的機械手 關鍵詞：機械手 ，工業(yè)自動化，結構設計,氣缸 Abstract With the development of industrial automation ,the industrial manipulators are used widely. They are applied in kinds of industry. Firstly ,it introduced briefly the basic concept of the robot, the composition and classification of robot ,the development history of industrial robots and development trends of industrial robots. Secondly, to analyzing the process of automatic production line for camshaft pump feeding robot,I have determined the coordinates form，the number of freedom and drive mechanismthe of manipulator, identified the main technical parameters of mechanical hand,completed the overall design of automatic line feed pump camshaft mechanical hand. Thirdly,I have completed the structure design of hand, arm and body . Finally, through analysing the movement of mechanical hand,I have completed the design of hydraulic cylinders and the choice of hydraulic components ;I have designed schematic diagram of hydraulic system and the diagram of electrical control to meet the requirements of manipulator's loop movement. Keywords: The mechanical hand, industrial automation, structure design, cylinder 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 第1章 緒論 1 1.1機械手概述 1 1.2機械手的組成和分類 2 1.2.1機械手的組成 2 1.2.2機械手的分類 3 1.3課題的提出及主要任務 3 1.3.1課題的提出 3 1.3.2課題的主要任務 4 第2章 機械手的設計方案 4 2.1機械手的座標型式與自由度和工作范圍 5 2.2 機械手的手部結構方案設計 5 2.3 機械手的手臂結構方案設計 5 2.4機械手的驅動方案設計 6 2.5 機械手的控制方案設計 6 2.6機械手的主要參數(shù) 6 2.7機械手的技術參數(shù)列表 6 第3章手部結構設計 7 3.1手部設計 8 3.1.1手指的形狀和分類 8 3.1.2設計時考慮的幾個問題 8 3.2手部夾緊氣缸的設計 9 第4章 手臂結構設計 12 4.1手臂伸縮 12 4.1.1結構設計 12 4.1.2手臂伸縮驅動力的計算 12 4.2手臂升降和回轉部分 13 4.2.1結構設計 13 4.3手臂伸縮氣缸的設計 13 4.4 氣壓系統(tǒng)主要參數(shù) 17 4.4.1氣缸和氣馬達的設計計算 17 4.4.2 氣壓元件的選擇 18 4.5氣壓原理圖 21 總結與展望 23 參考文獻 24 致 謝 25 本科畢業(yè)設計 第1章 緒論 1.1機械手概述 生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用. 現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品。 機械手首先從美國開始研制，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。在此基礎上美國通過不斷改進完善，研制出一系列新的機械手，美國的研制十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。 德國從1970年開始再制造行業(yè)應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型的機械手后，便開始大力進行機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手研究工作的大專院校、研究單位多達50多個；1979年日本機械手的產值達到443億日元，產量為14535臺。使用機械手最多的行業(yè)是汽車工業(yè)，其次是電機、電器和電子行業(yè)。到目前在日本工作的工業(yè)機械手已有100萬臺左右。 目前隨著電子計算機和電信設備的不斷發(fā)展，工業(yè)機械手應用也不斷擴大，正逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。 1.2機械手的組成和分類 1.2.1機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖1-1所示。 圖1-1機械手的組成方框圖 (一)執(zhí)行機構 包括手部 、手腕、手臂和立柱、機座等部件，有的還增設行走機構。 (二)驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有氣傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制 系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構 以一定的精度達到設定位置。 1.2.2機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: (二)按驅動方式分 機械手可分為氣傳動機械手、氣壓傳動機械手、機械傳動機械手、電力傳動機械手。本設計是氣傳動機械手的設計。 1、 氣傳動機械手 是以氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾 百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油 的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械 手采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是 電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 1.3課題的提出及主要任務 1.3.1課題的提出 隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產率。例如，車床的生產過程中，往往工件、材料的上下要人工完成，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題。 現(xiàn)在的機械手大多采用氣傳動，氣傳動存在以下幾個優(yōu)點: (1)氣傳動能方便地實現(xiàn)無級調速，調速范圍大。 (2)在相同功率情況下，氣傳動能量轉換元件的體積較小，重量較輕。 (3)工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實現(xiàn)頻繁換向。 (4)便于實現(xiàn)過載保護，而且工作油液能使傳動零件實現(xiàn)自潤滑，故使用壽命長。 (5)操縱簡單，便于實現(xiàn)自動化。特別是和電氣控制聯(lián)合使用時，易于實現(xiàn)復雜的自動工作循環(huán)。 （6）氣元件易于實現(xiàn)系列化、標準化和通用化。 1.3.2課題的主要任務 本課題將要完成的主要任務如下: 機械手為車床機械手，因此它是專用機械手. 查閱相關資料,完成系統(tǒng)總體方案設計及相關氣缸和氣爪的設計計算和選型; 利用CAD軟件完成機械手的裝配圖和零件圖設計; 翻譯相關的外文資料并撰寫一篇論文。 第2章 機械手的設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地搬運工件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，增強專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制。 本次設計的機械手是車床專用氣動上下料機械手，專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點。 2.1機械手的座標型式與自由度和工作范圍 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。 圖2-1所示為機械手的手臂的運動示意圖和工作范圍圖。 圖 2-1 機械手的運動示意圖和工作范圍圖 2.2 機械手的手部結構方案設計 為了適應車床，把機械手的手部結構設計成夾持式手部，可以準確的夾取工件。 2.3 機械手的手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 2.4機械手的驅動方案設計 由于氣傳動系統(tǒng)的工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實現(xiàn)頻繁換向，因此選用氣傳動系統(tǒng)。 2.5 機械手的控制方案設計 考慮到機械手的專用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 2.6機械手的主要參數(shù) 機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。 除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為400mm,最大工作半徑約為1300mm，手臂安裝前后可調200mm。手臂回轉行程范圍定為240(應大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機械手設計成手臂安裝范圍可調，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。 定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為土0.5～±lmm 2.7機械手的技術參數(shù)列表 本部分參考常見機器的參數(shù),進行的自設定的參數(shù). 一、用途: 用于車床上下料。 二、設計技術參數(shù): 1、抓重 10公斤 (夾持式手部) 2、自由度數(shù) 4個自由度 3、座標型式 圓柱座標 4、最大工作半徑 1300mm 5、手臂最大中心高 1200mm 6、手臂運動參數(shù) 伸縮行程 400mm 伸縮速度 300mm/s 升降行程 200mm 升降速度 300mm/s 回轉范圍 0°～ 240° 7、手指夾持范圍 工件: 80～150mm 8、定位方式 行程開關或可調機械擋塊等 9、定位精度 士0.5mm 10,緩沖方式 氣緩沖器 11.驅動方式 氣壓傳動 第3章手部結構設計 為了使機械手的專用性更強，把機械手的手部結構設計成夾持式手部 3.1手部設計 3.1.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內卡式(或內漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 3.1.2設計時考慮的幾個問題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 (二)手指間應具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 (三)保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 (四)具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的 慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量 使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭 轉力矩最小為佳。 (五)考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如附圖所示. 3.2手部夾緊氣缸的設計 本課題氣動機械手的手部結構如圖3-1所示： 圖3-1齒輪齒條式手部 其工件重量G=5公斤， V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1)根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅動力為: (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: 所以 (3)實際驅動力: 1、因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則: 所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為。 2、氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: 式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N - 氣缸工作時的總阻力，N - 氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: Gf = 式中:- 彈簧剛度，N/m - 彈簧預壓縮量，m - 活塞行程，m - 彈簧鋼絲直徑，m - 彈簧平均直徑，. - 彈簧有效圈數(shù). - 彈簧材料剪切模量，一般取 在設計中，必須考慮負載率的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關數(shù)據(jù)，可得 所以: 查有關手冊圓整，得 由,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式 有: 其中，[]， 則: 滿足實際設計要求。 3、缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: 式中:6- 缸筒壁厚，mm - 氣缸內徑，mm - 實驗壓力，取, Pa 材料為:ZL3,[]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 第4章 手臂結構設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 4.1手臂伸縮 4.1.1結構設計 手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復運動采用的是氣驅動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂結構中應用比較多。同時 ，氣驅動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。在本機械手中，采用的是單導向桿作為導向裝置，它可以增加手臂的剛性和導向性。 4.1.2手臂伸縮驅動力的計算 圖4-1所示為活塞氣缸驅動手臂下伸時的示意圖。在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅動力和壓力之間的關系式不一樣。當壓力油輸入工作腔時，驅使手臂前伸(或縮回)，其驅動力應克服手臂在前伸(或縮回)起動時所產生的慣性力，手臂運動件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力，因此，驅動力計算公式為: P驅 = P慣 + P摩 + P密  + P背 N （4-1） 式中:P慣——手臂在起動過程中的慣性力(N); P摩——摩擦阻力(包括導向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N); P密——密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻 力不同 。 P背——氣缸非工作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與 油箱相連時，則 P背 =0 手臂作水平伸縮時所需的驅動力: 圖4-1 手嘴伸出時的受力狀態(tài) 4.2手臂升降和回轉部分 4.2.1結構設計 手臂升降裝置由轉柱、升降缸活塞軸、升降缸體、碰鐵、可調定位塊、定位拉桿、、定位塊聯(lián)接盤和導向桿等組成。 實現(xiàn)機械手手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、連桿機構等。在本機械手中，手臂回轉裝置由回轉缸體、轉軸、定片、回轉定位塊、回轉中間定位塊等組成。當油液通過管路分別進入手臂回轉氣缸的兩腔時，推動動片連同轉軸一同回轉，轉軸通過平鍵而帶動升降氣缸活塞軸、定位塊聯(lián)接盤、導向桿、定位拉桿、升降缸體和轉柱等同步回轉。因轉柱和手臂用螺栓連接，故手臂作回轉運動。 手臂回轉氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好，對氣缸孔的機械加工精度也易于保證。 4.3手臂伸縮氣缸的設計 1．驅動力計算 根據(jù)手臂伸縮運動的驅動力公式:F=Ff + （4-2） 其中，由于手臂運動從靜止開始，所以△v=v, 摩攘系數(shù):設計氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查有關手冊可得f=0.17.質量計算:手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、手臂回轉氣缸、夾緊氣缸、、手爪及相關的固定元件組成。氣缸為標準氣缸，根據(jù)中國氣動元件廠的《產品樣本》可估其質量，同時測量設計的有關尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時其質量為70kg，放松物件后其質量為55kg.接觸面積:S=O.5m2 則上料時： F=F + = =1540（N） 下料時： F=F + = =935(N) 考慮安全因素，應乘以安全系數(shù)K=1.2 則上料時: F=15401.2=1850 (N) 下料時: F=9351.2=1120 (N) 2、氣缸的直徑 根據(jù)雙作用氣缸的計算公式: （4-3） （4-4） 其中: F——活塞桿伸出時的推力，N F——活塞桿縮入時的拉力 d——活塞直徑，mm P——氣缸工作壓力，Pa 代入有關數(shù)據(jù)，得: 當推力做功時: （4-5） = =108.5(mm) 當拉力做功時: D=(1.01～1.09)[4F/] =(1.01～1.09) =92.12(mm) 圓整后，取D=100mm 3、活塞桿直徑的計算 根據(jù)設計要求,此活塞桿為空心活塞桿，目的是桿內將裝有3根伸縮油管。因此，活塞桿內徑要盡可能大，假設取d=70mm, d=56mm. 校核如下:(按縱向彎曲極限力計算) 氣缸承受縱向推力達到極限力F以后，活塞桿會產生軸向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，必須使推力負載(氣缸工作負載F與工作總阻力F之和)小于極限力F。 該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關。有關公式為: （4-6） 式中: L——活塞桿計算長度，m K——活塞桿橫截面回轉半徑，空心桿，m d——空心活塞桿內孔直徑，m A——活塞桿橫截面面積，空心桿，m f——材料強度實驗值，對鋼取f=2.110Pa a——系數(shù)，對鋼a=1/5000 代入有關數(shù)據(jù)，得: = =573(KN) 推力負載為: 代入有關數(shù)據(jù)，得: = =3142(N) << 所以，安全。設計符合要求。 4,缸筒壁厚計算 根據(jù)公式： （4-7） 式中P為實驗壓力，取P=1.5P=0.610Pa 材料為ZL3，則[]=3MPa，則： = =10 mm，故取=10 mm 4.4 氣壓系統(tǒng)主要參數(shù) 4.4.1氣缸和氣馬達的設計計算 一、氣缸的設計計算 1.初定氣缸工作壓力 氣缸工作壓力主要根據(jù)運動循環(huán)各階段中的最大總負載力來確定，此外，還需要考慮以下因素： (1)各類設備的不同特點和使用場合。 (2)考慮經濟和重量因素，壓力選得低，則元件尺寸大，重量重；壓力選得高1些，則元件尺寸小，重量輕，但對元件的制造精度，密封性能要求高。 所以，氣缸的工作壓力的選擇有兩種方式：1是根據(jù)機械類型選；二是根據(jù)切削負載選。 如表4-1、表4-2所示。 表4-1 按負載選執(zhí)行文件的工作壓力 負載/N ＜5000 500～10000 10000～20000 20000～30000 30000～50000 ＞50000 工作壓力/MPa ≤0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 ＞5 表4-2 按機械 類型選執(zhí)行文件的工作壓力 機械類型 機 床 農業(yè)機械 工程機械 磨床 組合機床 龍門刨床 拉床 工作壓力/MPa a≤2 3～5 ≤8 8～10 10～16 20～32 2.氣缸的流量計算 氣缸的最大流量： qmax=A·vmax (m3/s) （4-8） 式中：A為氣缸的有效面積A1或A2(m2)；vmax為氣缸的最大速度(m/s)。 氣缸的最小流量： qmin=A·vmin(m3/s) 式中：vmin為氣缸的最小速度。 氣缸的最小流量qmin，應等于或大于流量閥或變量泵的最小穩(wěn)定流量。若不滿足此要求時，則需重新選定氣缸的工作壓力，使工作壓力低1些，缸的有效工作面積大1些，所需最小流量qmin也大1些，以滿足上述要求。 流量閥和變量泵的最小穩(wěn)定流量，可從產品樣本中查到。 二、氣馬達的設計計算 1.計算氣馬達排量 氣馬達排量根據(jù)下式決定： vm=6.28T/Δpmηmin(m3/r) （4-9） 式中：T為氣馬達的負載力矩(N·m)；Δpm為氣馬達進出口壓力差(N/m3)；ηmin為氣馬達的機械效率，1般齒輪和柱塞馬達取0.3～0.35，葉片馬達取0.8～0.3。 2. 計算氣馬達所需流量氣馬達的最大流量： qmax=vm·nmax(m3/s) （4-10） 式中：vm為氣馬達排量(m3/r)；nmax為氣馬達的最高轉速(r/s)。 4.4.2 氣壓元件的選擇 一，氣泵的確定與所需功率的計算 1.氣泵的確定 (1)確定氣泵的最大工作壓力。氣泵所需工作壓力的確定，主要根據(jù)氣缸在工作循環(huán)各階段所需最大壓力p1，再加上油泵的出油口到缸進油口處總的壓力損失ΣΔp，即 pB=p1+ΣΔp （4-11） ΣΔp包括油液流經流量閥和其他元件的局部壓力損失、管路沿程損失等，在系統(tǒng)管路未設計之前，可根據(jù)同類系統(tǒng)經驗估計，1般管路簡單的節(jié)流閥調速系統(tǒng)ΣΔp為(2～5)×105Pa，用調速閥及管路復雜的系統(tǒng)ΣΔp為(5～15)×105Pa，ΣΔp也可只考慮流經各控制閥的壓力損失，而將管路系統(tǒng)的沿程損失忽略不計，各閥的額定壓力損失可從氣元件手冊或產品樣本中查找，也可參照表4-3選取。 表4-3 常用中、低壓各類閥的壓力損失(Δpn) 閥名 Δpn(×105Pa) 閥名 Δpn(×105Pa) 閥名 Δpn(×105Pa) 閥名 Δpn(×105Pa) 單向閥 0.3～0.5 背壓閥 3～8 行程閥 1.5～2 轉閥 1.5～2 換向閥 1.5～3 節(jié)流閥 2～3 順序閥 1.5～3 調速閥 3～5 (2)確定氣泵的流量qB。泵的流量qB根據(jù)執(zhí)行元件動作循環(huán)所需最大流量qmax和系統(tǒng)的泄漏確定。 ①多氣缸同時動作時，氣泵的流量要大于同時動作的幾個氣缸(或馬達)所需的最大流量，并應考慮系統(tǒng)的泄漏和氣泵磨損后容積效率的下降，即 qB≥K(Σq)max(m3/s) （4-12） 式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，1般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值；(Σq)max為同時動作的氣缸(或馬達)的最大總流量(m3/s)。 ②采用差動氣缸回路時，氣泵所需流量為： qB≥K(A1-A2)vmax(m3/s) 式中：A 1，A 2為分別為氣缸無桿腔與有桿腔的有效面積(m2)；vmax為活塞的最大移動速度(m/s)。 ③當系統(tǒng)使用蓄能器時，氣泵流量按系統(tǒng)在1個循環(huán)周期中的平均流量選取，即 qB=ViK/Ti （4-13） 式中：Vi為氣缸在工作周期中的總耗油量(m3)；Ti為機器的工作周期(s)；Z為氣缸的個數(shù)。 (3)選擇氣泵的規(guī)格：根據(jù)上面所計算的最大壓力pB和流量qB，查氣元件產品樣本，選擇與PB和qB相當?shù)臍獗玫囊?guī)格型號。 上面所計算的最大壓力pB是系統(tǒng)靜態(tài)壓力，系統(tǒng)工作過程中存在著過渡過程的動態(tài)壓力，而動態(tài)壓力往往比靜態(tài)壓力高得多，所以泵的額定壓力pB應比系統(tǒng)最高壓力大25%～60%，使氣泵有1定的壓力儲備。若系統(tǒng)屬于高壓范圍，壓力儲備取小值；若系統(tǒng)屬于中低壓范圍，壓力儲備取大值。 (4)確定驅動氣泵的功率。 ①當氣泵的壓力和流量比較衡定時，所需功率為： p=pBqB/103ηB (kW) （4-14） 式中：pB為氣泵的最大工作壓力(N/m2)；qB為氣泵的流量(m3/s)；ηB為氣泵的總效率，各種形式氣泵的總效率可參考表4-4估取，氣泵規(guī)格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，變量泵取小值。 表4-4 氣泵的總效率 氣泵類型 齒輪泵 螺桿泵 葉片泵 柱塞泵 總效率 0.6～0.7 0.65～0.80 0.60～0.75 0.80～0.85 ? ②在工作循環(huán)中，泵的壓力和流量有顯著變化時，可分別計算出工作循環(huán)中各個階段所需的驅動功率，然后求其平均值，即 p= （4-15） 式中：t1，t2，…，tn為1個工作循環(huán)中各階段所需的時間(s)；P1，P2，…，Pn為1個工作循環(huán)中各階段所需的功率(kW)。 按上述功率和泵的轉速，可以從產品樣本中選取標準電動機，再進行驗算，使電動機發(fā)出最大功率時，其超載量在允許范圍內。 4.5氣壓原理圖 圖4-1氣壓原理圖 1 過濾器，2（16）截止閥，3 單向定量氣泵，4 溢流閥，5 回轉氣馬達，6（12）平衡閥，8(11)可調節(jié)流閥，9（10）氣缸，14夾緊缸，15壓力表，17不可調節(jié)流閥 1轉臺回轉支路 回轉支路的執(zhí)行元件是一個大轉矩氣馬達，它能雙向驅動轉臺回轉。馬達由手動換向閥A控制正、反轉，其油路為 進油路：氣泵--A--回轉馬達 回油路：回轉馬達--A--B--C--D--油箱 2手臂的升降支路 手臂升降支路的執(zhí)行元件是一個氣缸，它的伸縮運動驅動手臂的上、下移動。氣缸由手動換向閥B控制上、下移動，其油路為 進油路:氣泵--A--B--平衡閥6中的單向閥--氣缸無桿腔 回油路：氣缸有桿腔--B--C--D--油箱 3手臂的伸縮支路 手臂伸縮支路的執(zhí)行元件是一個氣缸，它的伸縮運動驅動手臂的左、右移動 。氣缸由手動換向閥C控制左、右移動，其油路為 進油路：氣泵--A--B--C--平衡閥12中的單向閥--氣缸無桿腔 回油路：氣缸有桿腔--C--D--油箱 4手抓的夾松支路 手抓夾松支路的執(zhí)行元件是一個氣缸，它的伸縮運動驅動手臂的夾松。氣缸由手動換向閥D控制上、下移動，其油路為 進油路：氣泵--A--B--C--D--氣缸上腔 25 總結與展望 總結與展望 一、總結 通過對機械手的結構要求和動作行程分析，確定了機械手的坐標形式、自由度和驅動機構，確定了機械手的主要技術參數(shù)，完成了機械手的氣缸設計和氣元件選擇，機械手技術是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，機械自動化作為工業(yè)發(fā)展的一個方向，它有著廣闊的市場，屬于實際需要去研制的一種項目。通過這次機械手設計讓我知道了現(xiàn)代企業(yè)在完成自動化控制中離不開PLC的控制，它可以使企業(yè)在生產的同時減少勞動力和生產成本。目前我國很多地區(qū)的企業(yè)整個生產設備還比較落后且大部分工序都是通過人工來完成的，而機械手成本比較低且操作簡單很適合中小企業(yè)的發(fā)展要求。但隨著科技不斷進步我相信多功能復雜的機械手將會在不久的將來出現(xiàn)，所以在今后的學習和生活中我們還要不段的學習和創(chuàng)新，只有這樣才能設計出更符合現(xiàn)代社會所需求的產品。 二、今后研究方向 在設計過程中，我通過查閱大量有關資料，與同學交流經驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中的探索的艱難和成功的喜悅。雖然做得還不是很完善，但是在設計過程中所學到的東西是這次設計的最大收獲和財富，使我終身受益。 參考文獻 [1]何存興編·氣傳動與氣壓傳動·華工科技大學出版社·2000.8 [2]黃錫愷，鄭文偉.機械原理.北京:人民教育出版社，1981 [3]東北工學院<<機械零件設計手冊>>編寫組編·機械零件設計手冊·冶金工業(yè)出版社·1979.12 [4]東北工學院<<機械零件設計手冊>>編寫組編·機械零件設計手冊·冶金工業(yè)出版社·1979.12 [5]周開勤編·機械零件手冊·高等教育出版社·1998.3. 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