普通機床物料搬運機械手設(shè)計

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CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985普通機床物料搬運機械手設(shè)計 設(shè)計 題目名稱：普通機床物料搬運機械手設(shè)計 所在學(xué)院：專業(yè)（班級）：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：評閱人：院 長 ：摘 要隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)水平的發(fā)展的自動化，機器人的使用率越來越大，機械手也得到了工業(yè)生產(chǎn)的大量普及，它們被運用到了電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、機械的加工與成型產(chǎn)業(yè)、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)等的流水線上, 它們不僅能夠提高運輸被運物的效率而且還可以節(jié)約地球上珍貴的能源，減低認為操作帶來的失誤和成本，使現(xiàn)代經(jīng)濟的發(fā)展需求得到滿足。通過老師的悉心教導(dǎo)和自己查閱文獻，在本文中對物料搬運機械手進行了總體機構(gòu)的設(shè)計，設(shè)計出了直角坐標(biāo)形式的搬運機械手。使機械手的能夠完成機身的旋轉(zhuǎn)，機械手臂的伸縮和升降；根據(jù)機械手的技術(shù)參數(shù)設(shè)計了機械手的手部夾持機構(gòu)，并完成了二維圖紙的工作量，并且對機械手的電動機和減速器的型號進行了選擇；對機械傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)的進行了設(shè)計，其中驅(qū)動系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)和電機系統(tǒng)，電機系統(tǒng)選用了兩個電機，在底座上的電機為機身的旋轉(zhuǎn)提供動力，另一個電機為手臂的升降提供動力；并完成了整體的液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算，繪制了機械液壓系統(tǒng)工作原理圖。關(guān)鍵詞： 機械手； 液壓伺服定位； 驅(qū)動系統(tǒng)； 數(shù)控機床ABSTRACTWith the development of automation in the industrial industry, the utilization rate of robots is getting larger and larger, and robots are also widely used in industrial production. they have been applied to the assembly lines of electronic equipment industry, automobile industry, food industry, machining and forming industry of machinery, pharmaceutical industry and so on. they can not only improve the efficiency of transporting transported goods, but also save precious energy on earth, reduce errors and costs caused by operation, and meet the development requirements of modern economy. Through the teachers careful teaching and consulting the literature, this paper designs the overall mechanism of the material handling robot, and designs the handling robot in the form of right-angle coordinates. The manipulator can complete the rotation of the machine body, the extension and lifting of the manipulator; According to the technical parameters of the manipulator, the hand clamping mechanism of the manipulator is designed, and the workload of two-dimensional drawings is completed, and the models of the manipulators motor and reducer are selected. The mechanical transmission system and drive system are designed, wherein the drive system comprises a hydraulic system and a motor system, and the motor system selects two motors, the motor on the base provides power for the rotation of the machine body, and the other motor provides power for the lifting of the arm. And completed the design and calculation of the overall hydraulic system, and drew the working principle diagram of the mechanical hydraulic system.Key words: Manipulator；Hydraulic servo control；Drive system；Numerical control machine toolsII目 錄1 .緒論11.1本課題的目的和意義11.2 機械手國內(nèi)外研究進展及發(fā)展趨勢11.3 設(shè)計要求22. 機械手總體方案設(shè)計32.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型32.2機械手基本技術(shù)參數(shù)的確定32.3設(shè)計方案42.4驅(qū)動方式的選擇52.5 機械手總裝圖53. 機械手各部件設(shè)計計算73.1 機械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算73.2 腕部設(shè)計計算93.3臂伸縮機構(gòu)設(shè)計103.4機身和底座的設(shè)計124. 機械手液壓原理圖設(shè)計164.1手部抓取液壓回路164.2腕部轉(zhuǎn)動液壓回路164.3小臂伸縮液壓回路164.4總體系統(tǒng)圖175. 電機和減速器的選擇195.1電機的選擇195.2減速器的選擇205.3螺柱的設(shè)計與校核206. 機械手的定位緩沖裝置226.1常用的定位方式226.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素226.3機械手運動的緩沖裝置237. 總結(jié)與展望24參考文獻25附錄1：譯文26附錄2：英文原文301. 緒論1.1本課題的目的和意義機械手設(shè)計是完成技術(shù)基礎(chǔ)課和相關(guān)專業(yè)課后的專業(yè)課程的綜合應(yīng)用，通過設(shè)計，我們增強了分析和整合機構(gòu)的能力，以及制定設(shè)計能力和機電一體化系統(tǒng)設(shè)計能力，初步掌握了實際生產(chǎn)過程自動化的設(shè)計方法。 （1）通過設(shè)計，為了在實踐中應(yīng)用課程中學(xué)到的理論知識（機械原理、機械設(shè)計、自動控制基礎(chǔ)知識、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計等），對這些知識進行了鞏固，并且把理論與實踐的結(jié)合。因此，機械手設(shè)計是一門綜合性的專業(yè)設(shè)計，它涉及到基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程。（2）機械手設(shè)計是我們的機械設(shè)計和制造及其自動化專業(yè)的學(xué)生設(shè)計的完整的機電一體化整機設(shè)計。通過培養(yǎng)自主完成整機設(shè)計的能力，掌握機電一體化機械產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)方法和步驟，為我的未來的工作奠定良好的基礎(chǔ)。目的：未來，人類將在某些嚴苛的場合進行生產(chǎn)，或者用于精簡操作，操縱者會回報工作以挽救人的力量。意義：由于機械手在生活中的廣泛使用，人類的生產(chǎn)率得到了極大的提高，我們的工作環(huán)境也得到了改善，讓人類的生活變得越來越智能化。1.2 機械手國內(nèi)外研究進展及發(fā)展趨勢1.2.1 機械手的國內(nèi)進展目前在一些機種方面，例如：弧焊機械人、搬運機械人、裝配機械人、點焊機械人、噴涂機械人、特種機械人等基本掌握了機械手的設(shè)計制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置，軟件和關(guān)鍵技術(shù)的編寫，也掌握了全套弧焊自動化、自動化噴漆線及其周邊配套設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)和自動通信；在基礎(chǔ)部件方面，機械人焊接電源、諧波減速器、自動焊縫跟蹤裝置也取得了突破。從技術(shù)方面來看，中國已經(jīng)為中國機械手技術(shù)的自主開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。1.2.2 機械手的國外進展近年來，國外工業(yè)機械手領(lǐng)域出現(xiàn)了一些發(fā)展趨勢。雖然機械手的性能得到了大幅度的提高，但是它們的價格卻在持續(xù)的下降；機械結(jié)構(gòu)可重構(gòu)和模塊化；控制系統(tǒng)朝向開放的基于PLC的控制器發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械手中的作用已從排練和仿真演變成了過程控制。1.2.3 機械手的發(fā)展趨勢目前，各種機械手和機器人的研制已經(jīng)成為各個國家的研究熱點：1機械手的結(jié)構(gòu)會向著模塊化前進。例如：關(guān)節(jié)模塊中伺服電機、減速器、檢測系統(tǒng)三位一體化；機械手的機器會從關(guān)節(jié)模塊和鏈接模塊以重新組織的方式來構(gòu)造。2工業(yè)機器人將向由PC機控制系統(tǒng)開放型方向進取。設(shè)備的集成度提高，控制柜的體積慢慢變小，擁有模塊化結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)的可靠性會隨之提高、易于操性和有可維修性。3機器人將采用傳感器。裝配和焊接機器人也采用傳感器，例如：視覺和力傳感器，而遙控機器人利用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器融合技術(shù)進行決策控制；智能化機器人將采用多傳感器融合配置的關(guān)鍵技術(shù)。4機械手將開發(fā)柔性仿形涂繪機器人，開發(fā)柔性仿形復(fù)合機構(gòu)，將對仿形伺服軸軌跡的規(guī)劃進行研究。 5工業(yè)機器人產(chǎn)品將進行離線教學(xué)編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。綜上所述，大體是兩個方向：其一是機器人的模塊化化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法和復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)的智能化；其次是生產(chǎn)和加工相聯(lián)系，以滿足相對具體的任務(wù)；在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟性，簡潔性，可靠性，大量采用工業(yè)控制器市場化、模塊化的元件。1.3 設(shè)計要求1根據(jù)設(shè)計要求及原始數(shù)據(jù)，進行機械手抓取機構(gòu)及底座、機身的設(shè)計，選擇驅(qū)動方式；2根據(jù)機械手的動作，進行液壓系統(tǒng)原理設(shè)計；3描述出機械手常用的緩沖定位裝置。2. 機械手總體方案設(shè)計2.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型工業(yè)機器人有直角坐標(biāo)型機器人結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)型機器人結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)和圓柱坐標(biāo)型機器人結(jié)構(gòu)這四大類。1直角坐標(biāo)型式機器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機器人還有一個名字叫笛卡爾坐標(biāo)機器人，直角坐標(biāo)機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機器人有可能達到很高的位置精度（m級）。但是，這種直角坐標(biāo)機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。2圓柱坐標(biāo)型式機器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)型式機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。3球坐標(biāo)型式機器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)型式機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。4關(guān)節(jié)型式機器人結(jié)構(gòu)多關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。2.2機械手基本技術(shù)參數(shù)的確定搬運機械手的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)是機械手的機能以及規(guī)格的數(shù)值： 1臂力本次設(shè)計的機械手所需要的臂力為30kg。2機器人的結(jié)構(gòu)的形式和自由度的數(shù)目本次設(shè)計的機械手所采用的坐標(biāo)的形式為圓柱坐標(biāo)的形式，其中它還包含了四個自由度，他們包含著：手腕回轉(zhuǎn)運動、手臂的伸縮運動、手臂的升降運動以及機身帶動手臂的旋轉(zhuǎn)運動。3機械手的手指的夾持范圍本次設(shè)計的機械手夾持的圓柱形棒料工件，夾持范圍為60100mm。4控制方式由PLC控制。5定位精度本次設(shè)計所設(shè)計的機械手定位精度是1 mm。6機械手行程范圍和工作速度如表2-1表2-1 機械手的行程范圍和工作速度機構(gòu)的名稱行程的范圍工作的速度手部夾緊25mm50mm/s腕部回轉(zhuǎn)9090/s臂部伸縮500mm200mm臂部升降500mm100mm/s機身旋轉(zhuǎn)18060/s2.3設(shè)計方案機械手設(shè)計方案采用圓柱坐標(biāo)機器人；結(jié)構(gòu)主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。執(zhí)行機構(gòu)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，如夾持型、托持型和吸附型等。驅(qū)動機構(gòu)，驅(qū)動手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。圖2-1 機械手工作原理圖在本次設(shè)計中，被運輸物體的重量有30KG，而且有50mm長，考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，在符合系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)以減低成本并提高產(chǎn)品的可靠性。機械手工作原理如圖2-1所示。2.4驅(qū)動方式的選擇1.液壓驅(qū)動機械手的手部的開閉、手腕的回轉(zhuǎn)運動及手臂的伸縮動作都采用了液壓驅(qū)動。2.電機驅(qū)動在機器手驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的電機類型包括步進電機、直流伺服電機及交流伺服電機。步進電機可直接將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個電脈沖，步進電機就回轉(zhuǎn)一定的角度，其回轉(zhuǎn)角度大小與脈沖數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。步進電機可在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖的頻率來進行調(diào)速，從而實現(xiàn)快速起動、反轉(zhuǎn)和制動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機器人無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流伺服電機在機器人中應(yīng)用也很廣泛，它常用于直接帶動滾珠絲杠驅(qū)動關(guān)節(jié)手臂運動。直流伺服電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)與一般動力用直流電機相同。按激磁方式直流伺服電機可分為永磁式、他激式、串激式和并激式等。在機械手驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機。交流伺服電機在機器人中的應(yīng)用情況與直流伺服電機相同，但交流伺服電機與直流伺服電機相比，其無電刷、功率大、過載能力強、環(huán)境適應(yīng)性好，因而交流伺服電機是今后機械手用電機的發(fā)展方向。 機械手的手臂的升降運動還有機身的旋轉(zhuǎn)運動均是選用了這種方式。2.5 機械手總裝圖圖2-2機械手裝配圖3. 機械手各部件設(shè)計計算3.1機械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算F +圖3-1 滑槽杠桿式手部構(gòu)造、受力剖析1手指2銷軸3杠桿1.如圖3-1所示由FX=0 得 (3-1)由FY=0 得 (3-2)由MO1F=0 得 (3-3) h=a/cos (3-4) F=2bacos2Fn (3-5)式中：手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線點的距離，取a=50mm； b夾緊力作用點與回轉(zhuǎn)支點間的距離，取b=50mm；夾緊工件時，兩回轉(zhuǎn)支點與手指的滑槽方向的夾角，取=30。Fn為手指握力，查握力計算公式得Fn=0.5G。所以計算得Fn=0.5G=0.5mg=0.5300.98=147N所以由手部的驅(qū)動力計算公式(3-5)經(jīng)過計算得：F=220.5N F實際=Fk1k2/ (3-6)算式中的F是理想驅(qū)動力； k1=1.5；安全系數(shù)； k2=1+ag；工作情況系數(shù)；取k2=1.2； 工作效率取=0.9所以 F實際=441N (3-7)2.如圖所示： 圖3-2取油缸內(nèi)徑d=50mm，手部夾緊速度v=50mm/s；供油壓力: P=F實際S=F實際4d2 (3-8)經(jīng)計算得： P=4414502=0.22MPa (3-9)3.活塞桿工作運動長度L,即L=（D/2）tg （3-10）式中D=50mm，=30得出L=23.1mm L=25mm（圓整）4.計算兩個爪子的L、：取 L/RCP=3 （3-11）式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3-12）由公式（3-11）（3-12）得：L=3RCP=150兩爪的夾角2=120， 查表得知：=2239（按最佳偏向角計算）5. 手部右腔流量Q=Sv=4d2v=450250=98.2ml/s （3-13）6.驗算定位誤差由題可知 R最大加持半徑=50mm R最小夾持半徑=30mmRcp=（R1+R2）/2 （3-14） Rcp=40mm查表得知定位誤差為1.2mm，m=2，LAB=mRcp=402=80mm （3-15）查表得最佳的偏轉(zhuǎn)角是c=5444所以定位誤差為：=lAB 2+(R1sin)2-lABR1sincosC-lABsinc=1.01mm (3-16)3.2 腕部設(shè)計計算腕部是連接手和手臂的部件。 要求：90的回轉(zhuǎn)區(qū)間以及轉(zhuǎn)動時速度=45/s用最大負荷計算：要使擺動缸的工件的扭矩達到最大值，必須要平放工件。工件總重10kg，長度l=650mm。如圖3-3所示。3.2.1計算扭矩M1設(shè)重力集齊在離手指中央200mm處，即扭矩M1為：M1=FS （3-17） M1=mg0.2=19.6（NM） m=10kg F S F 圖3-33.2.2油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M2F=5kg S=10cm代入公式2.9得M2=FS=59.80.1 =2.6（NM） 3.2.3擺動缸的摩擦力矩M摩M摩=SF摩=0.0250=0.1MNm3.2.4擺動缸的總摩擦力矩MM=0.19+2.6+0.1=2.89Nm （3-18） 3.2.5油缸壓力P由公式T=Pb（A1-mm）106/8 （3-19）其中： b葉片密度，這里取b=2cm； P油壓；T驅(qū)動力矩；C擺動缸內(nèi)徑, 這里取A1=9.5cm；B轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取mm=3cm。所以代入（3-19）公式P=8T/b（C-B）106 (3-20)=82.89/0.02（0.95-0.03）106=0.128Mpa3.2.6 計算流量Q=8QbC-B （3-21）Q=0.125bC-B=4,b=0.02，得出Q=31.9ml/s3.3臂伸縮機構(gòu)設(shè)計手臂的出現(xiàn)讓機械手活動起來更為靈活，所以操作時它是最重要的部件。它可以支持住手腕和手的重量，并使它們在空間中來去自由的活動。手部的位置精度越高，則機械手的精度越高。手臂伸縮的速度為200m/s行程L=500mm1. 流經(jīng)手臂的流量Q=sv （3-25） =200402 1050ml2.手臂右腔工作壓力，公式得： P=F/S （3-24）式中：F為液壓缸活塞驅(qū)動力，F(xiàn)摩=G2L+aa=1890N。 （3-25）其中為當(dāng)量摩擦系數(shù)，去=0.42；G運動部件所承重，取500N；L為手臂重心到端點的距離，為180mm F慣=Ggt=102N （3-26）為速度變化量，為0.2m/s；t是啟動的過程所用的時間，取0.010.5s,本次取0.1s；F密=0.03FF=F摩+F慣+F回+F密=2053.6N （3-27） 所以代入公式（3-24）得： P=F/S=2053.6/40=0.41MPa3.由初步計算選液壓泵所需液壓最高壓力 P=0.41MPa所需液壓最大流量 Q=1005ml/s選擇CB-D型液壓泵（齒輪泵）他的參數(shù)如表3-1所示，此泵工作壓力P為10MPa，轉(zhuǎn)速n為1800r/min，可以滿足需要。型號排量ml/r壓力MPa壓力MPa轉(zhuǎn)速r/min轉(zhuǎn)速r/min容積效率%CB-D32-7010（min）14（max）1800240090表3-1 CB-D型液壓泵參數(shù)4.選取電機根據(jù)CB-D液壓泵的Pmax確定電機功率：Pmax=14702400600.9=43.6KW所以這個機械手選擇Y200M-2型電機（JB/T 9616-1999），他的額定的功率是45KW。轉(zhuǎn)速為2970r/min。5.驗算腕部擺動缸：T=PDm（A1-mm）1060.125 （3-28）=8v/b（A1-mm） （3-29）式中：m為機械效率，取值在0.85到0.90之間v為容積效率，取值在0.70到0.95之間所以代入公式（3-28）得：T=0.890.03（0.12-0.032）0.85106/8 （3-30） =25.8（NM）MM=30.5（NM）因此，取手部抓取缸的工作壓力 P=0.25MPa 流量 Q=100ml/s圓整多個缸的數(shù)值：腕部旋轉(zhuǎn)缸的工作壓力P1=0.15MPa 流量 Q1=35ml/s小臂伸縮缸的工作壓力P1=0.45MPa 流量Q1=1000ml/s最后結(jié)果如表3-2名稱行程范圍工作壓力工作速度流量手爪的握緊25mm0.25MPa50mm/s100ml/s手腕的回轉(zhuǎn)900.15MPa90/s35ml/s手臂的伸縮500mm0.45MPa200mm/s1000ml/s表3-2 最終結(jié)果3.4機身和底座的設(shè)計3.4.1 機身的螺桿的設(shè)計和計算1.確定牙型、材料和許用應(yīng)力：此螺桿應(yīng)用梯形螺紋的45鋼的鑄鐵，單線為1=n；查【機械設(shè)計手冊】表7.2-6得知，許用比壓Pp=1118N/mm2，vs3m/s；螺桿的許用應(yīng)力為：屈服應(yīng)力為s=340N/mm2p=s35=68113.4N/mm2 ； 取p=90N/mm2。 （3-31）bp=11.2p=901088N/mm2； 取bp=99N/mm2。 （3-32）p=0.6p=54N/mm2 （3-33）螺母的許用應(yīng)力為：bp=50N/mm2 ； p=0.6p=35N/mm2。2耐磨性的設(shè)計計算本設(shè)計的螺母為整體式的螺母，故取=1.8，F(xiàn)=2500N。螺桿中徑： d20.8F/(Pp）=9mm (3-34)螺柱的螺紋數(shù)據(jù)：大徑d=36mm，螺距P=6mm，中徑d2=33mm，小徑d1=29mm，牙頂隙ac=0.5mm。螺母高度H： H=d2=59.4mm; 取H=60mm (3-35)螺紋的旋合圈數(shù)和工作高度計算：z=HP=10 （3-36）h=0.5P=3mm （3-37）導(dǎo)程角的驗算：=arctanP/d2=3.3123 (3-38)牙面滑動速度：vs=d2vxPcos=1.73m/s3m/s; vx=0.1m/s (3-39)故最開始取的Pp的值符合規(guī)格。自鎖的驗算：查機械手冊得知=0.5；牙型角=30。當(dāng)量摩擦角：PV=arctan/cos2=8.827 （3-40）因為PV所以符合自鎖需求。3.螺桿強度的計算摩擦轉(zhuǎn)矩：T1=12d2Ftan+Pv=8872.8Nmm （3-41）ca=4F/d12+3T1/0.2d132=4.925Nmm2p滿足要求。螺牙的強度計算：壓根寬：b=0.65P=3.9mm=Fdbz=0.567Nmm2p=35Nmm2 （3-42）b=3Fhdb2z=1.308Nmm2bp=50Nmm2 （3-43）所以在牙根處的剪切強度及其彎曲強度均滿足要求。3.4.2齒輪設(shè)計計算1.材料選擇小齒輪選擇40cr（調(diào)質(zhì)）材料，241286HBS（固有硬度區(qū)間）；大齒輪選擇45鋼（正火）材料，162217HBS（固有硬度區(qū)間）。2.模數(shù)的確定根據(jù)本設(shè)計需要，初步選定齒數(shù)為z1=20，z2=60。令：Flim1=290MPa，F(xiàn)lim2=200MPa，SFlim=1.4，YST=2查找機械設(shè)計圖5.19，得：YN11.0=YN2。查找機械設(shè)計圖5.32，得：YX1=1.0=YX2。經(jīng)計算得：F1=Flim1YSTYN1YX1SFlim=414.2857MPa (3-44)F2=Flim2YSTYN2YX2SFlim=284.7143MPa (3-45)查機械手冊圖5.14，得：YFa1=2.66，YFa2=2.16。查機械手冊圖5.15，得：YSa1=1.55，YSa2=1.84。經(jīng)計算得：YFa1YSa1F1=0.010;YFa2YSa2F2=0.014。 （3-46）故 YFa2YSa2F2=YFaYSaF 。 （3-47）取KtYt=1.4;a=0.2。m34KTYFaYSaYau+Iz12F=3.66 (3-48)(3-48)中的T=200Nm。取m=4代入（3-48）得：KY=1.531.4。所以a=mz1u+I2=160mm （3-49）3.強度校核電動機的圓周速度為：v=d1n160000=0.04m/s （3-50）以八級精度來定義的話：vz1100=0.008m/s （3-51）查機械手冊圖5.3、圖5.4圖5.7得KA=1.10;KV=1.00；bd1=0.3。經(jīng)計算得齒寬為：b=aa=24mm取k=1.03；k=1.1經(jīng)計算得載荷系數(shù)為:k=kAkVkk=1.25 (3-52)齒輪的分度圓直徑的計算：d1=mz1=80mm；d2=mz2=240mm （3-53）齒輪的基圓直徑的計算：db1=d1cos=75.175mm, db2=d2cos=225.526mm (3-54)齒輪的齒頂圓直徑的計算：da1=88mm;da2=248mm (3-55)齒輪的齒頂壓力角為:a1=arccosdb1/da1=31.3218 a2=arccosdb2/da2=24.5803 (3-56)=12Z1tana1-tan+Z2tana2-tan=1.6708 (3-57)所以?。篩=0.25+0.75a=0.699 （3-58）所以：F1=2KTYFa1YSa1Ybd1m=187.63MPa0.7F1=290MPa (3-59)F2=2KTYFa2YSa2Ybd2m=120.58MPa0.7F1=200MPa (3-60)滿足強度要求。4.齒輪的齒數(shù)z1=20,z2=60,m=4mm,=20,u=3,d1=80,d2=240,da1=88mm,da2=248mm,df1=70mm,df2=230mm,a1=31.3218,a2=24.5803,v=0.04m/s,b=24mm。4. 機械手液壓原理圖設(shè)計4.1手部抓取液壓回路圖 4-1手部抓取缸液壓原理圖1、手部抓取缸液壓原理圖如圖4-1所示2、泵的提供壓力P取10MPa，流量Q取最大流量即Q=1300ml/s。因此，采用圖4-1中所示的調(diào)速閥來調(diào)節(jié)速度，選擇合適流量值為100L/min，工作壓力P=0.25MPa。采用： YF-B10B 溢流閥 2FRM5-20/102 調(diào)速閥 23E1-10B 二位三通閥4.2腕部轉(zhuǎn)動液壓回路 圖4-2腕部轉(zhuǎn)動液壓回路1、腕部擺動油缸液壓原理圖如圖4-2所示2、工作壓力 P=0.15MPa流量 Q=35ml/s采用：2FRM5-20/102 調(diào)速閥34E1-10B 換向閥（O型保壓）YF-B10B 溢流閥4.3小臂伸縮液壓回路 圖4-3小臂伸縮缸液壓回路1、小臂伸縮油缸液壓原理圖如圖4-3所示2、工作壓力 P=0.45MPa流量 Q=1000ml/s采用： YF-B10B 溢流閥2FRM5-20/102 調(diào)速閥23E1-10B 二位三通閥4.4總體系統(tǒng)圖 圖 4-4液壓總體系統(tǒng)圖1.總體系統(tǒng)圖如圖4-4所示2.工作過程 手臂伸長手爪夾緊腕部回轉(zhuǎn)手臂縮回手爪松開卸荷3.動作順序表表4-1動作順序表 元件動作1DT2DT3DT4DT5DT手臂伸長+-手爪夾緊+-腕部回轉(zhuǎn)+-手臂縮回-+-手爪松開-卸荷-5. 電機和減速器的選擇5.1電機的選擇本次設(shè)計選擇用到兩個電機，一個帶動臂部的升降運動，第二個帶動機身的旋轉(zhuǎn)運動。驅(qū)使臂部升降運動的電機安裝在肋板上，驅(qū)使機身旋轉(zhuǎn)的電機安裝在底部，并且和減速器連接。1、 帶動臂部升降的電機：小臂的起落速度為v=100mm/s，驅(qū)動力F=2500N.P=Fv1000=0.25KW (5-1)螺桿轉(zhuǎn)速： n=60vd=53.1r/min （5-2）其中d螺桿大徑，d=36mm；所以選擇Y100L-6（JB/T 9616-1999）型電動機. Y100L-6型電動機參數(shù)如表5-1所示：表5-1 Y100L-6電動機型號額定功率KW滿載時轉(zhuǎn)速r/min電流A效率%功率因素Y100L-61.5940477.50.74電機輸出軸 D=28mm。聯(lián)軸器選擇：圓柱型套筒式聯(lián)軸器2845GB/T 117-20002、帶動機身回轉(zhuǎn)的電機： 初選轉(zhuǎn)速 =60/s n=1/6rad/s=10r/min由于齒輪減速比 i=3減速器減速比 i=30所以n=10330=900r/min選擇Y90L-6型籠型異步電動機電動機的屬性是采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，制冷模為I014即全封閉自扇冷卻，U額=380V，P額=50HZ。Y90S-6電動機各種數(shù)據(jù)如圖5-2所示：型號額定功率KW滿載時轉(zhuǎn)速r/min電流A效率%功率因素Y90L-63.29103.273.50.72表5-2 Y90L-6電動機技術(shù)數(shù)據(jù)電機尺寸D=28mm；減速器輸入軸尺寸d=30mm；所以選擇KL5聯(lián)軸器J128443062JBZQ4387-1986.5.2減速器的選擇減速器的原動機和減速機之間的單獨裝置，用來降低速度和增添扭矩以滿足需求。選擇WP0120型（外購）圓柱蝸桿減速器。5.3螺柱的設(shè)計與校核螺桿是主承機器人的，并給手臂上下運動傳遞動力。螺桿的材料選擇：符合經(jīng)濟角度要求的材料為鑄鐵。螺距 P=6mm 梯形螺紋螺紋的操作高度 h=0.5P （5-3）=3mm螺紋的牙底寬度 b=0.65P=0.656=3.9mm （5-4）螺桿強度 = s/35 （5-5）=150/35=3050MPa螺紋牙剪切 =40彎曲 b=45551、當(dāng)量應(yīng)力=4Fd122+3T0.2d132 (5-6)式中 T傳遞轉(zhuǎn)矩Nmm螺桿材料的許用應(yīng)力 所以代入公式（5.5）得：=42009.8d122+32009.80.6/0.2d132=2495/d122+361.2/d1323050106=2495/d122+361.2/d13290025001012 =6225025/d14+11236/d1690025001012 6225025d12+11236900d161012 62250250.0292+112369000.02961012得 16471pa535340pa合格2、剪切強度Z=H/P=160/6 （旋合匝數(shù)） （5-7）=F/d1bz （5-8） =2009.8/0.0293.9（160/6）10-3 =206.8103Pa=0.206MPa=40MPa 3、彎曲強度b=3Fh/d1b2z =32009.83/2.93.92（160/6） =0.48MPa=45MPa 合格6. 機械手的定位緩沖裝置6.1常用的定位方式為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，機械手應(yīng)具有必要的重復(fù)定位精度。根據(jù)機械手工作場合及工作情況的不同，搬運物件、裝配或操持工具進行噴涂、焊接等，都要求有適宜的定位精度。 機械手定位精度的高低與其手臂承受的負荷（即臂力）、手臂結(jié)構(gòu)的剛度、運動速度、工作行程、運動部件間的配合間隙、定位方法及定位前運動的平穩(wěn)性等因素有關(guān)。液壓機械手的定位系統(tǒng)可分為機械擋塊定位和電氣定位系統(tǒng)。最簡單的方法是利用油缸的活塞（或回轉(zhuǎn)油缸的動片）緊靠油缸端蓋（或定片）而定位。如果未實現(xiàn)完全緩沖時，就有損壞油缸零件的危險。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮設(shè)置端部緩沖裝置或在設(shè)計液壓系統(tǒng)時增加緩沖回路。常用的機械擋塊定位結(jié)構(gòu)還包括：插銷定位、多級油缸定位等。電氣定位系統(tǒng)基本上可分為：開關(guān)控制和伺服控制系統(tǒng)。6.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素1機械手準確工作涉及到三維定位問題，是多個線量和角度量定位的結(jié)合。在許多更為簡單的情況下，單個量值可能占主導(dǎo)地位。影響單線量或角量定位誤差的因素有一下幾點：（1）運動件的重量運動件的重量包括機械人自身的重量G1和被捕捉物體的重量G2。通常被挪動物的重量增大時，定位精度會隨之變低。于是設(shè)計中不光是要減小被挪動物自身的質(zhì)量，還要考慮到改變工作重量的影響。（2）精度工廠提供的制造精度和操作人員安裝時的安裝調(diào)速精度都會會對定位精度形成負面的影響。（3）定位速度定位速度對定位精度有很大的影響。因為速度不同時，需要不同等的能量。一般來說，為了減小定位誤差，應(yīng)當(dāng)合適的控制定位速度，例如：增添緩沖物的緩沖能力和緩沖效率，并控制驅(qū)動系統(tǒng)及時放慢速度。（4）剛度當(dāng)機械手自身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時，定位精度會很低，很容易發(fā)生波動。（5）定位方式不同的定位方式影響因素不同。如定位機械擋塊的時候，定位精度與諸如擋塊的剛度和撞擊擋塊的速度等成分有關(guān)。（6）驅(qū)動源液壓的壓力波動，氣、電壓波動、油溫波動、氣溫波動都會影響機械手的重復(fù)定位精度。因此，要選擇需要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)油溫方式。（7）控制系統(tǒng)開關(guān)、電液比例和伺服控制的位置精度是不同的。這不僅是由于各種控制元件的準確性和靈敏度的差異，而且還與位置的反饋裝置的存在或不存在相關(guān)聯(lián)。本課題使用的定位精度為機械擋塊定位。6.3機械手運動的緩沖裝置緩沖裝置分為內(nèi)部緩沖和外部緩沖兩種形式。內(nèi)部緩沖形式包括柱面終端緩沖裝置和緩沖回路等。外部緩沖擁有彈性機械元件和液壓緩沖器。內(nèi)緩沖的長處是結(jié)構(gòu)單調(diào)、緊湊。但有時安放位置有局限性；外部緩沖的長處是安放位置靈動，簡便，緩沖性能好調(diào)等，但結(jié)構(gòu)較為龐大。常見的緩沖裝置包括三種：固定行程位置、可調(diào)行程位置以及多點定位。該課題選擇的緩沖裝置是油缸端部緩沖裝置。當(dāng)活塞移動一定距離時，緩沖室形成在活塞與端蓋中間間。利用節(jié)流的原理使緩沖室的中間產(chǎn)生暫時的背壓阻力，從而讓運動減速直至停止。在緩沖時，節(jié)流孔是始終不變的，被叫做為恒定節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。7. 總結(jié)與展望本次設(shè)計的機械手的機身被設(shè)計成機座式，這樣的機械手有利于搬運工件，并且可以安裝行走裝置。手臂安放在機座螺柱中間，這種設(shè)計經(jīng)常可以在回轉(zhuǎn)型的機械手上面看到。手臂可以在螺柱上作上下運動，得到很大的上下行程。電動機帶動螺柱旋轉(zhuǎn)是機械手完成升降運動。手臂的旋轉(zhuǎn)是電動機聯(lián)結(jié)減速器，電動機運動從而是減速器上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動了手臂旋轉(zhuǎn)，這樣就可以是自由度達到要求。自由度越少，機械手的動作就越單調(diào)；考慮到工業(yè)生產(chǎn)上的特性、工廠所具備的設(shè)備條件，還有設(shè)備損壞帶來的額外成本等因素，所以設(shè)計中多選取標(biāo)準件。所設(shè)計的機械手的設(shè)計和安裝變的簡單，維護也變得更加方便。參考文獻1 丁樹模,液壓傳動M.北京:機械工業(yè)出版社,2007.2 熊幸明,曹才開,一種工業(yè)機械手的PLC控制J.微計算機信息,2006,11s:120-122.3 孔秀艷,一種四軸搬運機械手的PLC控制J.大眾科技,2008,7:112-113.4 王炳實,機床電氣控制.第三版J.北京:機械工業(yè)出版社,2004:146-162.5 趙 旭,基于機電液一體化的液壓機械手設(shè)計及其控制D,2010.6 王雷，金林根，劉志虎機床機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真J重慶文理學(xué)院學(xué)報，2014，33(5)：71-76.7 牛瑞利,基于西門子PLC的小型搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計D,2013.8 徐 帥,基于PLC的氣動搬運機械手控制系統(tǒng)J,2016,9:75-78.9 Wen-Hong Zhu,Joris De Schutter.VIRTUAL DECOMPOSITION BASED MOTION/FORCE CONTROL OF A KUKA361 INDUSTRIAL MANIPULATORJ. 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