68机械系统设计大作业

1机械系统设计大作业——单自由度可开合手爪学院机电学院专业机械设计班级1108102姓名孙贺龙指导教师吴伟国2机械手的设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手爪是通用气动上下料机械手爪，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。1.1机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度图1-1所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。3图1-1机械手的运动示意图1.2机械手的手部结构方案设计夹持式手部。1.3机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。1.4机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。1.5机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉4因此本机械手采用气压传动方式。1.6机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。1.7机械手的主要参数1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以30公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为30公斤。2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.2m/s，最大回转速度设计为120°/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为90°/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1500mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5～±lmm1.8机械手爪的技术参数列表5一、用途:夹取重物。二、设计技术参数:1、抓重30公斤(夹持式手部)2、自由度数1个自由度3、座标型式圆柱座标4、最大工作半径1500mm5、手指夹持范围棒料:80～150mm片料:面积不大于0.5mZ6、驱动方式气压传动6图1-6机械手的工作范围7二手部结构设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部:当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2.1手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。2.2设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。8(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示.2.3手部夹紧气缸的设计1、手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如图3-2所示，其工件重量G=30公斤，“V”形手指的角度2=120°，b=400mm，R=80mm,摩擦系数为f=0.10，销钉直径10mm，扇形齿轮顶部圆直径20mm。图3-2齿轮齿条式手部9Fig.3-2GearWheelHand(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:NR2bP(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:309.8735()2cos6040.1mgNNu所以：NR2bP=7350（N）(3)实际驱动力:21KKPP实际因为传力机构为齿轮齿条传动，故取=0.94，并取1K=1.5.若被抓取工件的最大加速度取a=g时，则:212gaK所以：1.52=7350234570.94PN实际所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为23457N。2、气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:ztFFpDF421式中:1F——活塞杆上的推力，NtF——弹簧反作用力，NzF——气缸工作时的总阻力，NP——气缸工作压力，Pa10弹簧反作用按下式计算:SlCFftnDGdCf3141812dDDt式中:fC——弹簧刚度，N/mL——弹簧预压缩量，mS——活塞行程，md1——弹簧钢丝直径，mDt——弹簧平均直径，mD2——弹簧外径，mn——弹簧有效圈数G——弹簧材料剪切模量，一般取G=79.4X1护Pa在设计中，必须考虑负载率几的影响，则:tFpDF421由以上分析得单向作用气缸的直径:pFFDt14代入有关数据，可得：nDGdCf31418mN/46.36771510308/105.3104.79343911SlCFftN6.22010606.33673所以：pFFDt14mm23.654.0105.0/6.22049042/16查有关手册圆整，得D=65mm由d/D=O.2～0.3，可得活塞杆直径:d=(0.2～0.3)D=13～19.5mm圆整后，取活塞杆直径d=18mm校核，按公式24/dFt有:2/1/4tFd其中=120MPa,Ft=750N则:d(47350/120)2/1=8.8mm18mm满足设计要求。3、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:2/pDP式中:6——缸筒壁厚mm12D——气缸内径，咖Pp——实验压力，取Pp=1.5PtPa材料为:ZL3,[]=3MPa代入己知数据，则壁厚为:2/pDP=365101032/10665=6.5mm取=7.5mm，则缸筒外径为:D=65+7.52=80mm。2.4齿轮齿条的强度校核2.4.1齿轮材料选用45号钢，调质处理，由机械设计书中的齿轮齿面硬度为217-255HBW，平均硬度为236HBW，初取齿轮模数m=4，z=；40,则zd=mz=160mm齿条正火处理，齿面硬度为162-217HBW，平均硬度为190HBW，选用8级精度，且：EH3dHZZZZ2KTu1ud2（）式中：T——齿轮传递的扭矩，T=N*b=735*0.4=294NmK——速度系数，为保证速度平稳，取K=1.2d——齿宽系数，取d=1.1EZ——弹性系数，查表得EZ=198.8MPaHZ——节点区域系数，HZ=25u——齿条齿轮齿数比，u=Z——重合度系数，查表得Z=0.8613Z——螺旋角系数，Z=1H——许用接触用力，N2min1H2HZ1.5390===585MPaS1.0=NHminHZS由《机械设计》查表得疲劳极限Hmin1=570MPa，Hmin2=390MPa，寿命系数N1N2Z=Z=1.5，取安全系数HS=1.0，得H1N1min1HZ=S=1.55701.0=855MPaN2min1H2HZ1.5390===585MPaS1.0故H=H2=585MPa，将上面数据代入齿轮分度圆直径公式中：EH3dHZZZZ2KTu1ud2（）=本方案设计齿轮分度圆直径d=160mm32.4mm所以满足接触疲劳强度要求2.5结构校核（1）机械爪臂的弯曲强度校核xy面内NF=735Nxz面内3F=mg/2=150NNMF7350.4294ZbNm3MF1500.460ybNm抗弯截面模量22-3Z11bh0.40.0111066W22-6y11bh0.40.016.71066W14maxZyMM=+=9.2MPayZWW查表得调质45号钢b=650MPamax〈〈b符合强度要求参考文献【1】宋宝玉，王黎钦《机械设计》高等教育出版社，2010【2】宋宝玉《机械设计指导书》北京高等教育出版社，2006