简易机械手机械结构设计

徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书机电工程学院《专业综合课程设计》说明书课题名称：简易机械手机械机构设计学生姓名：沈柳根学号：20110611119专业：机械电子工程班级：11机电成绩：指导教师签字：2015年1月5日徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书I摘要简易机械手是工业机械手的简化，功能相似，而工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过对于气动机械手的设计，展现了各个相关学科知识在这里的整合，有利于理解专业知识。关键词：简易机械手；结构设计；气动徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书II目录摘要........................................................错误!未定义书签。1设计任务介绍及意义.........................................................11.1设计任务意义：.......................................................11.2设计任务要求介绍：...................................................12总体方案设计...............................................................32.1结构分析.............................................................32.3设计简介.............................................................33机械传动结构设计...........................................................53.1传动结构总体设计.....................................................53.2手指气缸的设计.......................................................63.3纵向气缸的设计......................................................123.4横向气缸的设计......................................................134最终图纸..................................................................154.1装配图..............................................................155总结......................................................................16参考文献....................................................................17徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书11设计任务介绍及意义1.1设计任务意义：通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力，提高分析和解决问题能的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的意义在于：1．培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。2．通过设计，培养学生独立的机械整机设计能力，树立正确的设计思路，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤，为自动化机械设计打下良好的基础。3．培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法，进行工程师基本素质的训练。4．树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风,同时最大限度的培养了学生分工协作完成大型设计的能力。1.2设计任务要求介绍：1.基本要求：（1）总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的装配图（A1一张）。（2）根据要求，撰写设计说明书1份。(3）设计选题分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成；2．该机械手的功能：机械手的初始位置停在原点，启动后，机械手将下降——加紧工件——上升——右移——再下降——放松工件——再上升——左移八个动作，完成一个工作周期（如图1所示）。3．任务要求：执行元件：气动气缸；运动方式：直角坐标；4．主要设计参数参数：气缸工作行程——400mm；运动负载质量——50kg；移动速度控制——0.2m/s。徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书2图1搬运任务徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书32总体方案设计2.1结构分析机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。1-夹紧气缸；2-纵向气缸；3-横向气缸；4-常开手部5-固定支架导轨（2个）；6-弹簧图2方案一示意图2.2设计任务要求介绍可以看出：图示为地面固定式，气缸2固定在地面上的固定台上，可以上下移动；徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书4气缸3通过与导轨相连，可以在水平方向移动。气缸1采用的是靠弹簧恢复的单作用气缸，它与手爪构成了一套常闭式夹紧装置。徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书53机械传动结构设计3.1传动结构总体设计本方案的机械设计中重在气缸的设计，气缸1的作用是物品的抓紧和释放，气缸2的作用是实现物料纵向的提升与下降，气缸3的作用是实现物料的横向移动。对气缸结构的要求一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击，二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度气缸的设计流程图如图4所示图4气缸设计流程图气缸按结构特征分类如图5单活塞杆气缸是各类气缸中应用最广的一种气缸。由于它只在活塞的一端有活塞杆，活塞两侧承受气压作用的面积不等，因而活塞杆伸出时的推力大于退回时的拉力。双活塞杆气缸活塞两侧都有活塞杆，两侧受气压作用的面积相等，活塞杆伸出时的推力和退回时的拉力相等。单作用气缸是由一侧气口供给气压驱动活塞运动，依靠弹簧力、外力或自重等作用返回；而双作用气缸是由两侧供气口交替供给气压使活塞作往复运动。结合课程设计的方案，夹紧气缸1选择单作用气缸，依靠弹簧力恢复；纵向气缸2选择单作用气缸，靠重力恢复；横向气缸3选择双作用气缸徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书6图5气缸结构分类3.2手指气缸的设计徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书7图6手指气缸结构图（1）夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩)，以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算：式中错误!未找到引用源。——安全系数，通常取1.2-2.0；错误!未找到引用源。——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可用下式估算其中a——运载工件时重力方向的最大升加速度g——重力加速度g=9.8错误!未找到引用源。——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书8f——摩擦系数G——选取工件所受的重力（N）设错误!未找到引用源。为1.5，错误!未找到引用源。将已知条件代入得：（2）气缸的内径根据手指的几何关系得：由设计任务可以知道，要驱动的负载大小位100Kg，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率β：%100()0FF气缸的理论负载气缸的实际负载由《液压与气压传动技术》表11-1：取β=0.45根据气缸的结构得：D--活塞直径，m；d--活塞杆直径，m；P--许用压力,Pa；tF--弹簧反作用力，N错误!未找到引用源。徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书9估算时取d=0.3D,错误!未找到引用源。=40N,P=0.5错误!未找到引用源。。代入上式得：按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=80mm（3）活塞杆直径由d=0.3D估取活塞杆直径d=25mm徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书10(4)缸筒长度的确定：缸筒长度S=L+B+20L为活塞行程；B为活塞厚度活塞厚度B=0.20D=0.20错误!未找到引用源。80=16mm由于气缸的行程L=200mm,所以S=L+B+20=236mm（5）气缸筒的壁厚的确定:由《液压气动技术速查手册》知：一般气缸缸筒与内径之比错误!未找到引用源。δ/D≤1/10，其壁厚通常按薄壁筒公式计算：bP--实验压力，一般取bP=1.5p(p为气缸工作压力)，Pa；p--缸筒材料的许用应力，Pa，p=b/S；b--材料的抗拉强度，Pa；S--安全系数，S=6~8。通常计算出的壁厚往往很薄，考虑机械加工工艺性，往往将缸筒壁厚适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管与铝合金管。下图所列缸筒壁厚可供参考。徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书11假设所选材料为无缝钢管，则由表知(6)气缸耗气量的计算：气缸的耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩空气量。耗气量大小与气缸的性能无关，但它是选择空压机排气量的重要依据。aaspPPAQ.vmaxtη(7)气缸的进、排气口计算通常气缸的进、排气口的直径大小与气缸速度有关，根据ISO-15552、ISO-7180。气缸的进、排气口的直径见下表（ISO标准规定）气缸直径3240506380气口尺寸汽缸直径100125150200250气口尺寸汽缸直径320气口尺寸徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书12查此表可知，气缸的进、排气口的规格为错误!未找到引用源。3.3纵向气缸的设计由设计方案可以知道，纵向气缸1不仅要承受负载50kg的重量，还要承受气缸3及手指部分的重量，假设此重量为负载的十分之一，即5kg。则纵向气缸实际的负载F=539N。进一步求的理论负载119845.0/539/βFFO错误!未找到引用源。（1）气缸的内径由公式错误!未找到引用源。得：mmXPFDO58106951198/18.1/18.1查表后得：D=63mm。（2）活塞杆直径由d=0.3D估取活塞杆直径d=18.9mm查表后得：d=20mm(3)缸筒长度的确定：缸筒长度S=L+B+20L为活塞行程；B为活塞厚度活塞厚度B=(0.20错误!未找到引用源。0.25)D=0.20错误!未找到引用源。63=13mm由于气缸的行程L=400mm,所以S=L+B+20=433mm（4）气缸筒的壁厚的确定选用无缝钢管为材料，查表得：(5)气缸耗气量的计算3105.3)2^2^(maxXpppXDVdDQaaπ徐州工程学院机电工程学院课程设计说明书13(6)气缸的进、排气口计算查表可知，气缸的进、排