機械手課程設(shè)計工業(yè)機械手設(shè)計

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1、 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院機械系統(tǒng)設(shè)計 課程設(shè)計說明書 設(shè)計題目：工業(yè)機械手設(shè)計 學院：機電工程學院 班級：機械電子091班 學號：200910834127 姓名：朱小華 指導老師：張日紅、關(guān)秋菊、施俊俠 完成日期：2012-5-25

2、 第一章 機械手設(shè)計任務(wù)書 3 1.1課程設(shè)計目的 3 1.2設(shè)計內(nèi)容和要求 3 第二章 腕部設(shè)計 4 2.1腕部設(shè)計的基本要求 4 2.2碗部的機構(gòu)設(shè)計 4 2.3碗部設(shè)計的計算 6 2.4拉緊裝置原理 7 第三章 手臂的設(shè)計 8 3.1手臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 8 3.2驅(qū)動力矩的計算 10 3.3缸蓋聯(lián)接螺釘和動片聯(lián)接螺釘計算 11 3.4夾緊缸彈簧的確定 12 第四章 液壓系統(tǒng)控制 13 4.1液壓系統(tǒng)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表 13 4.2 機械手總的液壓控

3、制圖 13 4.3 現(xiàn)場器件跟PLC的連線 14 4.4 PLC三菱編程梯形圖： 15 第五章 參考文獻 20 第一章 機械手設(shè)計任務(wù)書 1.1課程設(shè)計目的 課程設(shè)計是一個極為重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，是使學生綜合運用所學過的基本理論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程設(shè)計問題而進行的一次基本訓練。這對學生即將從事的相關(guān)技術(shù)工作和未來事業(yè)的開拓都具有一定意義。 其主要目的： 一、 培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問題的獨立工作能力，拓寬和深化學生的知識。 二、 培養(yǎng)學生樹立正確的設(shè)計思想，設(shè)計構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計的一

4、般程序規(guī)范和方法。 三、 培養(yǎng)學生樹立正確的設(shè)計思想和使用技術(shù)資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設(shè)計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。 四、 培養(yǎng)學生進行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。 1.2設(shè)計內(nèi)容和要求 （一）原始數(shù)據(jù)及資料 （1）原始數(shù)據(jù)： a、生產(chǎn)綱領(lǐng)：100000件（兩班制生產(chǎn)） b、自由度（四個自由度） 臂轉(zhuǎn)動210 臂上下運動 300mm 臂升長（伸縮） 4

5、00mm 手部轉(zhuǎn)動 180 （2）設(shè)計要求： a、上料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、裝配圖、各主要零件圖（一套） b、液壓原理圖（一張） c、設(shè)計計算說明書（一份） （3）技術(shù)要求 主要參數(shù)的確定： a、 坐標形式：圓柱坐標 b、 抓重：200N c、 自由度：4個 d、 臂的運動行程：伸縮運動400mm，回轉(zhuǎn)運動210， 升降運動300mm e、 臂的運動速度：伸縮運動＜250mm/s， 回轉(zhuǎn)運動＜90/s 升降運動＜70mm/s

6、 f、 腕部的運動行程：回轉(zhuǎn)運動180 g、 腕部的運動速度：回轉(zhuǎn)運動＜90/s h、 定位方式：電位器（或接近開關(guān)等）設(shè)定，點位控制 i、 手指夾持范圍：棒料直徑φ50－φ70mm， 長度450－1200mm j、 驅(qū)動方式：液壓（中、低系統(tǒng)） k、 定位精度：3mm l、 控制方式：PLC控制 （二）料槽形式及分析動作要求 （1）料槽形式 由于工件的形狀屬于小型回轉(zhuǎn)體，此種形狀的零件通常采用自用輸送的輸料槽，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，不需要其他動力源和特殊裝置，所以本課

7、程題采用此種輸料槽。 （2）動作要求分析如圖1.1所示 動作一：送料 動作二：預夾緊 動作三：手臂上升 動作四：手臂旋轉(zhuǎn) 動作五：小臂伸長 動作六：手腕旋轉(zhuǎn) 圖1.1要求分析 第二章 腕部設(shè)計 腕部是連接手部和臂部的部件，它的作用主要是在臂部運動基礎(chǔ)進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，使機械適應(yīng)復雜的動作要求。 2.1腕部設(shè)計的基本要求 1）力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 2) 必須考慮的工作條件。在高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作，考慮熱膨脹，壓力油的粘度和有關(guān)材料及電控制元件的耐熱性。 2.2碗部的機構(gòu)

8、設(shè)計 1)選取手腕部分的自由度。如下圖2-1所示，手腕運動有：繞X軸轉(zhuǎn)動稱為回轉(zhuǎn)運動；繞Y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動；繞Z軸稱為左右擺動。這里選用一個自由度的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的機構(gòu)簡單緊湊，靈巧，能基本滿足工作要求。 圖2-1 腕部的自由度（1—臂部 2—腕部 3—手部） 2) 采用具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部機構(gòu)，直接用回轉(zhuǎn)液體壓驅(qū)動來實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)，具有機構(gòu)緊湊，靈活等優(yōu)點。如圖下圖2-2所示的腕部結(jié)構(gòu)，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸，實現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)運動。從A-A剖面視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片（簡稱動片）用螺訂，銷釘和轉(zhuǎn)軸10連接在一

9、起，定片8則和缸體9連接。壓力油分別由油孔5，7進出油涳，實現(xiàn)手部12的旋轉(zhuǎn)。 圖2-2用一個回轉(zhuǎn)液壓力缸實現(xiàn)腕部旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu) 2.3碗部設(shè)計的計算 基本參數(shù)：抓重G=200N,回轉(zhuǎn)符號= ，行程，速度<,以最大負荷計算，當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，用估算法，工件重100N，長度取1100mm, 如圖2-3所示。 圖2-3 腕部受力簡圖 腕部回轉(zhuǎn)時，需要克服以下幾種阻力。 1）計算扭矩 設(shè)重力集中于離手指中心350mm處，即扭矩為： ==200x0.35=70 2) 油缸（伸縮）及其

10、配件的估算扭矩 F=5kg, S=10cm = 3)擺動缸的磨擦力矩 =250N （估算值） S=15mm （估算值） =S= 3.75 4）擺動缸的總摩擦力矩M =70+4.9+3.75=78.65 由公式/8 B----葉片密度,這里取b=3cm -----擺動缸內(nèi)徑,這里取12cm ，取4cm 。 所以代入公式得 P=8T /=8x43.65/0.03x(0.12-0.04)x10=0.909 又因為 所以 Q =W () =0.754/s =75.4/s 2.4拉緊裝

11、置原理 如圖所示,油缸右腔停止進油時,彈簧力夾緊工作,油缸右腔進油時松開工件。 1） 右腔推力，取油缸內(nèi)徑D=45mm，油缸壓力P= 3179.25N 2） 根據(jù)鉗爪夾緊的方位，查出當量夾緊力計算公式為： F 其中=2150=300N ，代入上公式有 F==1350N 則實際夾緊力為 取 =1.5 ，=1.1 ，=0.85則有 =2620.59 N 經(jīng)圓整取=2700 N 3） 計算手部活塞桿行程長L，即 ==12.99

12、mm 經(jīng)圓整取L=13mm 第三章 手臂的設(shè)計 3.1手臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 手臂回轉(zhuǎn)后液壓缸的設(shè)計計算，手臂回轉(zhuǎn)時所需的驅(qū)動力矩，采用回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動時，其受力情況可化簡成圖4-20。 圖4-20 手臂回轉(zhuǎn)運動時的受力圖 驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)的力矩M驅(qū)，與手臂起動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣及各密封裝置的摩擦阻力矩M摩相平衡。 M驅(qū)＝M慣+M摩+M回 （3－1） （1）M摩——密封裝置處的摩擦力矩（Nm） M摩＝M摩’+M摩” 估計取 F’=3

13、50N ,F”=600N 估計取 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D=200mm ,輸出軸與動片聯(lián)接處的直徑 d=80mm , 動片寬度b=100mm M摩’=F’R＝3500.152＝26.25Nm M摩”＝2F”R＝26000.152=90Nm 所以， M摩＝26.25+90=116.25Nm (2)M——手臂起動時的慣性力矩 M=J0= 式中 ——回轉(zhuǎn)缸動片的角速度變化量（rad/s），在起動過程中=，取=60/s ——起動過程的時間（s）,取=0.5s J0——手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（Nms2）。若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與

14、回轉(zhuǎn)軸的距離為， 則 J0=Jc+ 式中 Jc——回轉(zhuǎn)零件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量 Jc= 取手臂回轉(zhuǎn)零件質(zhì)量m=120Kg，回轉(zhuǎn)時手臂長度l=1100mm Jc==12.1 Jo=12.1+1200.352=26.8 M慣＝12.1x=25.33Nm M回——回轉(zhuǎn)液壓缸回油腔的背壓反力矩 M回== 取, M回==562.5 Nm M驅(qū)=149.5+25.33+562.5=737.3 Nm 3.2驅(qū)動力矩的計算 如圖4-21所示回轉(zhuǎn)液壓缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩M驅(qū)′ M驅(qū)′== 圖4-21 回轉(zhuǎn)液

15、壓缸計算圖 (一) 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D的計算 根據(jù) M驅(qū)= M驅(qū)′ M驅(qū)= 式中 D——回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑（m） M驅(qū)——作用在動片的外載荷力矩 p——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（Pa） d——輸出軸與動片聯(lián)接處的直徑（m），初步設(shè)計時按 選取 b——動片寬度（m） D==0.21m 為減少動片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度（即液壓缸寬度）時，可選用 所以 3.3缸蓋聯(lián)接螺釘和動片聯(lián)接螺釘計算 （1）缸蓋聯(lián)接螺釘計算

16、缸蓋與回轉(zhuǎn)液壓缸的缸體用螺釘聯(lián)接時，其螺釘?shù)膹姸扔嬎惴椒ㄅc伸縮液壓缸缸蓋螺釘強度計算方法相同。 （2）動片與輸出軸聯(lián)接螺釘計算 動片與輸出軸用螺釘聯(lián)接的結(jié)構(gòu)見圖4-22。聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對稱地安裝，并用兩個銷釘定位。聯(lián)接螺釘?shù)淖饔檬牵菏箘悠c輸出軸的配合面緊密接觸不留間隙，當油腔通高壓油時，動片受油壓作用，產(chǎn)生一個合成液壓矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。 動片的受力情況如圖4-22b所示。 依動片所受力矩的平衡條件，有： 圖4-22 動片與輸出軸聯(lián)接方式及動片受力圖 于是得 式中 FQ——每個螺釘?shù)念A緊力（N） Z——螺釘數(shù)目，

17、Z=6 f——被聯(lián)接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15 所以 螺釘?shù)膹姸葪l件為 常用螺釘材料的屈服極限 螺釘材料為45號鋼，所以取MPa 所以 3.4夾緊缸彈簧的確定 彈簧工作載荷F=50N 最大軸直徑 最小筒直徑 彈簧剛度 查機械設(shè)計手冊表30.2－8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得 材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm . 單圈彈簧工作極限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度。 (3.7) 曲度系數(shù)＝1.14，G－彈簧材料的剪切彈性模

18、量，鋼材G= Z=110mm,則活塞缸總長L=150mm。 第四章 液壓系統(tǒng)控制 4.1液壓系統(tǒng)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表 電磁鐵 序號 動作循環(huán) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 臂 部伸縮 伸出 伸出緩沖 縮回 縮回緩沖 + + + + + + 臂部升 降 上升 上升緩沖 下降 下降緩沖 + + + + + 臂 部 回

19、 轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn)緩沖 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)緩沖 停止 + + + + + + 腕 部回轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn)緩沖 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)緩沖 停止 + + + + + + 夾 持 夾緊 松開 + 原位卸荷 + 4.2 機械手總的液壓控制圖 4.3 現(xiàn)場器件跟PLC的連線 4.4 PLC三菱編程梯形圖： 第五章 參考文獻 1、《機械設(shè)計手冊》 機械工業(yè)出版社,徐灝主編 2、《工業(yè)機器人》 北京理工大學出版社,張建民著 3、《液壓傳動》 機械工業(yè)出版社,丁樹模主編 20