搬运机械手的设计
更新时间:2024-05-09 12:27:01 阅读量: 综合文库 文档下载
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搬运机械手设计
目录
中文摘要 ............................................................................................................................................ 4 英文摘要 ............................................................................................................................................ 4 主要符号表 ........................................................................................................................................ 5 一 绪论 .............................................................................................................................................. 6
1.1前言 ...................................................................................................................................... 6 1.2机械手的简史 ...................................................................................................................... 6 1.3机械手在生产中的应用 ...................................................................................................... 7
1.3.1 建造旋转零件(转轴、盘类、环类)自动线 ................................................ 7 1.3.2 在实现单机自动化方面 ..................................................................................... 8 1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 ..................................................................... 8 1.4 机械手的组成 ..................................................................................................................... 8 1.5本文主要研究内容 .............................................................................................................. 9 二 机械手的总体设计方案 ............................................................................................................ 10
2.1 机械手基本形式的选择 ................................................................................................... 10 2.2机械手的主要部件及运动 ............................................................................................... 10 2.3驱动机构的选择 ................................................................................................................ 11
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2.4 机械手的技术参数列表 ................................................................................................... 11 三 机械手手部的设计计算 ............................................................................................................ 12
3.1 概述 ................................................................................................................................... 12 3.2设计时应考虑的问题 ........................................................................................................ 12 3.3驱动力的计算 .................................................................................................................... 12 3.4两支点回转式钳爪的定位误差的分析 ........................................................................... 15 四 腕部的设计计算 ........................................................................................................................ 16
4.1概述 .................................................................................................................................... 16 4.2腕部设计的基本要求 ........................................................................................................ 16 4.3腕部的驱动力矩计算 ........................................................................................................ 16
4.3.1腕部的驱动力的计算 ......................................................................................... 17
五 臂部的设计计算 ........................................................................................................................ 19
5.1 概述 ................................................................................................................................... 19 5.2 设计时要注意的要求 ....................................................................................................... 19 5.3 手臂直线运动的驱动力计算 .......................................................................................... 19
5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 ............................................................................... 20 5.3.2 密封装置的摩擦阻力 ........................................................................................ 22
六 机身的设计计算 ........................................................................................................................ 23
6.1 机身的整体设计 ............................................................................................................. 23
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6.2 机身回转机构的设计计算 .............................................................................................. 24 6.3 机身升降机构的计算 ....................................................................................................... 28
6.3.1 手臂偏重力矩的计算 ........................................................................................ 28
七 结束语 ........................................................................................................................................ 30 八 参考文献 .................................................................................................................................... 31
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摘要:
随着工业自动化发展的需要,机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程 。
首先,本文介绍机械手的作用,机械手的组成和分类,说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时,本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。
文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。
关键词:机械手;运动仿真;液压传动;液压缸;
Abstract:
The applying of the manipulators are more and more important in the industry, with the development of industrial automation. The paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator.
The first,The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator. This article system elaboration industry manipulator's design theory and method. The comprehensive exhaustive discussion has transported manipulator's hand, the wrist, the arm ,the fuselage and so on ,which the major structural design computation.
Keywords: manipulator; motion simulation; hydraulic power transmission;
Hydraulic cylinder.
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主要符号表
FN 手指夹紧力 N
D 弹簧中径 mm
D1
弹簧内径 mm
D2 C n M ? M偏 t FQ0 FQ 弹簧外径 弹簧旋绕比 弹簧有效圈数
转动缸的回转力矩 偏重力臂 偏重力矩 螺钉间距 螺钉承受的拉力 工作载荷 5
mm
N?m mm
N?m
mm
N
N
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1 绪论
1.1前言
用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:
(1) 对环境的适应性强,能代替人从事危险,有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所,机械手不受影响,只要根据工作环境进行合理的设计,选择适当的材料和结构,机械手就可以在异常高温或低温,异常压力和有害气体,粉尘,放射线作用下,以及冲压,灭等危险环境中胜任工作。
(2) 机械手能持久,耐劳,可以把人从繁重单调的劳动中解放出来,并能扩大和延伸人的功能。
(3) 由于机械手的动作准确,因此可以稳定和提高产品的质量,同时又可以避免人为的操作错误。
(4) 机械手特点是通过用工业机械手的通用性,灵活性好,能很好的适应产品的不断变化,以满足柔性产生的需要。
在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,受到机械工业的重视??。
3机械手一般分为三类:
第一类:是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类:是需要人工才做的,称为操作机。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类:是用专用机械手,主要附属于自动机床或自动线上,用以解决机床上下料和工件送。
1.2 工业机械手的简史
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
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(1)1954年USA工程师德尔沃最早提出机械人的概念; (2)1959年USA德尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人; (3)1962年USA正式将机械人的使用性提出来,且制造出类似人的手臂; (4)1967年JAN成立了人工手研究会,并召开了首届机械手学术会; (5)1970年在USA召开了第一届工业机械人学术会,并的到迅速普及; (6)1973年辛辛那提公司制造出第一台小型计算机控制的的工业机械人,当时是液压驱动,能载重大成就45KG;
(7)到1980年在JAN得到普及,并定为“机械人元年”此后在日本机械人得到了前所未有的发展与提升,在就是后来到台湾再到大陆。
第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。
第三代机械手(机械人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。
随着工业机器手(机械人)研究制造和应用的扩大,国际性学术交流活动十分活跃,欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。
1.3机械手在生产中的应用
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象,可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。
在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高,现代化加工车间,常配有机械手,以提高生产效率,完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中,加工、装配等生产很大程度上不是连续的。目前在我国机械手常用于完成的工作有:注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序;机械手加工行业中用于取料、送料;浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。
1.3.1 建造旋转零件(转轴、盘类、环类)自动线
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一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多,如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线(环类),大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线(轴类),上海拖拉机厂的齿坯自动线(盘类)等。
加工箱体类零件的组合机床自动线,一般采用随行夹具传送工件,也有采用机械手的,如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。
1.3.2 在实现单机自动化方面
各类半自动车床,有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能,单仍需人工上下料;装上机械手,可实现全自动化生产,一人看管多台机床。目前,机械手在这方面应用很多,如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手,大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手,沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手,青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验,国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手,或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手(生产线中有两台多工位机床)和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环,装上机械手的自动装卸工件,可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面:一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等;其一是用于多工位冲床,用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。
1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面
模锻方面,国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤,其所配的转底炉,用两只机械手成一定角度布置早炉前,实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。
1.4 机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。其组成及相互关系如下图:
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行程检测装置 驱动部分 控制部分呢 执行机构
被传动物件 手部 1.5 本文主要研究内容
本文研究了国内外机械手发展的现状,通过学习机械手的工作原理,熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上,确定了搬运机械手的基本系统结构,对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析,完成了机械手机械方面的设计工作(包括传动部分、执行部分、驱动部分)的设计工作。
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2 机械手的总体设计方案分析
本课题是搬运机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构方面。在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此,在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。
2.1 机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,因此本设计采用圆柱坐标型。
2.2机械手的主要部件及运动
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。执行机构是用来抓持工件(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。驱动机构,驱动手部完成各种转动(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。控制机构主要利用可编程序控制器、微型计算机等控制驱动机构动作,进而控制执行机构运动。 机械手详细的运动为:(1)定位 (2)抓取 (3)提升 (4)顺时针转90° (5) 前进 (6)下降 (7)松开 (8)提升 (9)后退 (10)逆时针转90° (11) 下降,完成一个工作循环。
图1.1 机械手基本形式示意图
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2.3驱动机构的选择
驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便,驱动力大等优点。因此,机械手的驱动方案选择液压驱动。
2.4 机械手的技术参数列表
一、用途:搬运:用于车间搬运 二、设计技术参数:
1、抓重:60Kg (夹持式手部) 2、自由度数:5个自由度 3、座标型式:圆柱座标 4、最大工作半径:1600mm 5、手臂最大中心高:1248mm 6、手臂运动参数 伸缩行程:1200mm 伸缩速度:83mm/s 升降行程:300mm 升降速度:67mm/s 回转范围:0-180° 7、手腕运动参数
回转范围: 0-180°
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3 机械手手部的设计计算
3.1
概述
手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件,它具有模仿人手的功能,并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手,它的手指形状也不象人的手指、,它没有手掌,只有自身的运动将物体包住,因此,手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状,尺寸,重量,材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构,它一般可分为钳爪式,气吸式,电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多,如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式??等,这里采用滑槽杠杆式。
3.2 设计时应考虑的几个问题
(1) 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下,不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。
(2) 手指应具有一定的张开范围,手指应该具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度)??,以便于抓取工件。
(3) 要求结构紧凑、重量轻、效率高,在保证本身刚度、强度的前提下,尽可能使结构紧凑、重量轻,以利于减轻手臂的负载。 (4) 应保证手抓的夹持精度。
3.3 驱动力的计算
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1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座
图1 滑槽杠杆式手部受力分析
如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P,并通过销轴中心O点,两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2,其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点,P1和P2的延长线交O1O2于A及B,由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形,故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件,即
∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα
销轴对手指的作用力为p1′。手指握紧工件时所需的力称为握力(即夹紧力),假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内,并设两力的大小相等,方向相反,以N表示。由手指的力矩平衡条件,即∑m01(F)=0得 P1′h=Nb 因 h=a/cosα 所以 P=2b(cosα)2N/a
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式中 a——手指的回转支点到对称中心线的距离(毫米)。
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。
由上式可知,当驱动力P一定时,α角增大则握力N也随之增加,但α角过大会导致拉杆(即活塞)的行程过大,以及手指滑槽尺寸长度增大,使之结构加大,因此,一般取α=30°~40°。这里取角α=30度。
这种手部结构简单,具有动作灵活,手指开闭角大等特点。查《工业机械手设计基础》中表2-1可知,V形手指夹紧圆棒料时,握力的计算公式N=0.5G,综合前面驱动力的计算方法,可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响,其实际的驱动力P实际应按以下公式计算,即: P实际=PK1K2/η
式中 η——手部的机械效率,一般取0.85~0.95; K1——安全系数,一般取1.2~2
K2——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响,K2可近似按下式估计,K2=1+a/g,其中a为被抓取工件运动时的最大加速度,g为重力加速度。
本机械手的工件只做水平和垂直平移,当它的移动速度为500毫米/秒,移动加速度为1000毫米/秒2,工件重量G为98牛顿,V型钳口的夹角为120°,α=30°时,拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下:
根据钳爪夹持工件的方位,由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式
N=0.5G
把已知条件代入得当量夹紧力为 N=49(N)
由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2b(cosα)N/a 得
2 P=P计算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N) P实际=P计算K1K2/η
取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1
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则 P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)
3.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析
图2 带浮动钳口的钳爪
钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O′的距离为
x,则
x=
l2?(R/sin??b?a)2
当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差△,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为
△ =∣
l2?(Rmax/sin??b?a)2-
l2?(Rmin/sin??b?a)2∣
其中l=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2?=120° ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm 代入公式计算得
最大定位误差△=∣44.2-44.7∣=0.5<0.8 故符合要求.
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4机械手腕部的设计计算
4.1 概述
腕部是连接手部与臂部的部件,起支承手部的作用。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态,也可以说是确定末端执行器的姿态。故腕部也称作机器人的姿态机构。典型的腕部结构有:(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转,总力矩M,需要克服以下几种阻力:克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定(一般小于270)。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270的情况下,可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大,一般适用于悬挂式臂部。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。本设计要求手腕回转180,综合以上的分析考虑到各种因素,腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构,采用液压驱动。
0004.2腕部设计的基本要求:
(1) 力求结构紧凑、重量轻
腕部处于手臂的最前端,它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然,腕部的结构、重量和动力载荷,直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此,在腕部设计时,必须力求结构紧凑,重量轻。
(2)结构考虑,合理布局
腕部作为机械手的执行机构,又承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要求外,要有足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手部的连接。
(3) 必须考虑工作条件
对于本设计,机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料,因此不太受环境影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对机械手的腕部没有太多不利因素。
4.3 腕部的驱动力矩计算
(1)腕部的驱动力矩需要的力矩
M惯。
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(2)腕部回转支撑处的摩擦力矩M摩。
0夹取棒料直径100mm,长度1000mm,重量60Kg,当手部回转180时,计算 力矩: (1) 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体,高为220mm,直径120mm,其重力估算G=3.14
G???0.06?0.22?7800Kgm?9.8NKg?190N23
(2)擦力矩M摩?0.1m。
(3)启动过程所转过的角度?启?180=0.314rad,等速转动角速度??2.616s?2。
M惯??J?J工件??2 查取转动惯量公式有:
J?12MR22?启 (4.1)
?1190N29.8NKg?0.06N?m?s?0.0342N?m?s222
J工件?1G12g?l2?3R2??160?9.8129.8?12?3?0.052??5.0125N?m?s
2代入: M惯??0.0342?5.0125?2.61622?0.314?55N?m
M?M惯?M摩?M惯?0.1M
M?550.9?61.11N?m
4.3.1 腕部驱动力的计算
表4-1 液压缸的内径系列(JB826-66) (mm) 32 40 50 55 63 65 80 130 85 140 90 160 95 180 100 200 105 250 20 70 110
25 75 125 17
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设定腕部的部分尺寸:根据表4-1设缸体内空半径R=110mm,外径根据表3-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度,考虑到实际装配问题后,其外径为226mm;动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图4.1所示。则回转缸工作压力
P?2Mb?R?r22??2?61.110.066??0.055?0.022522??7.35Mpa,选择8Mpa
动片静片
图4.1 腕部液压缸剖截面结构示意 表4.2 标准液压缸外径(JB1068-67) (mm)
液压缸内径 2040 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 钢50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 P?160Mpa 45钢50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 P?200Mpa
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5 臂部的结构
5.1 概述
臂部是机械手的主要执行部件,其作用是支承手部和腕部,并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上,因而一般机械手的臂部有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。臂部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向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现,因此,它不仅仅承受被抓取工件的重量,而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小(即臂力)和定位精度等都直接影响机械手的工作性能,所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时,设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。综合考虑,本设计选择双导杆伸缩机构,使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。
5.2设计时要注意的要求:
设计臂部时要注意下述要求:
(1) 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形,手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大;空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆,用工字钢和槽钢作支承板。
(2) 导向性要好 为防止手臂在直线移动中,沿运动轴线发生相对运动,或设置导向装置,或设计方形、花键等形式的臂杆。
(3) 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度,要尽量减少臂部运动部分的重量,以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。
(4) 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大,惯性力引起的定位前的冲击也就越大,运动即不平稳,定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量,使结构紧凑、重量轻,同时要采取一定的缓冲措施。
5.3 手臂直线运动的驱动力计算
先进行粗略的估算,或类比同类结构,根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸,再进行校核计算,修正设计。如此反复,绘出最终的结构。
做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力,来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。
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F?F摩?F密?F回?F惯 (5.1)
5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算
分析:
摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状,其摩擦阻力是不同的,要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图,本设计是双导向杆,导向杆对称配置在伸缩岗两侧。
图 5.1 机械手臂部受力示意
计算如下:
由于导向杆对称配置,两导向杆受力均衡,可按一个导向杆计算。
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Fb?G总La
Y?0 ?
G总?Fb?Fa
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?L?a?Fa?G总???a? 得
F摩?Fa摩?Fb摩??Fa??Fb''
?F摩??G总'?2L?a? (5.2)
??a??式中 G总——参与运动的零部件所受的总重力(含工件)(N);
L——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离(m),参考上一节的计算; a——导向支撑的长度(m);
?——当量摩擦系数,其值与导向支撑的截面有关。 对于圆柱面:
???''?4??????????1.27?1.57??2?
?——摩擦系数,对于静摩擦且无润滑时:
钢对青铜:取??0.1?0.15
钢对铸铁:取??0.18?0.3 计算:
'??0.20?1.5?0.3 ,G总?1070N,导向杆的材料选择钢,导向支撑选择铸铁
L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为0.016m
将有关数据代入进行计算
?2?1.41?0.16?'?2L?F摩?G总???1070?0.3?????5978.6N0.16?a???
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5.3.2 密封装置的摩擦阻力
不同的密封圈其摩擦阻力不同,在手臂设计中,采用O型密封,当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为:F封经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力:
?0.03F。
F?0.03F?F摩?F惯=6210N
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6 机身的设计计算
机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动,这些运动的传动机构都安在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此,臂部的运动越多,机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的,也可以是行走的,既可以沿地面或架空轨道运动。
6.1 机身的整体设计
按照设计要求,机械手要实现手臂1800的回转运动,实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构,就要综合考虑,分析。
机身承载着手臂,做回转,升降运动,是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种:
(1)回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长,花键轴的变形对回转精度的影响较大。
(2)回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆,内部导向,结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降,运动部件较大。
(3)活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现:齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转,从而使手臂左右摆动。 分析:
经过综合考虑,本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动,机身的回转和升降。如上图所示,回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接,回转缸的动片与缸体连接,由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心,内装一花键套与花键轴配合,活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定,下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴,也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部,结构紧凑。具体结构见下图。
驱动机构是液压驱动,回转缸通过两个油孔,一个进油孔,一个排油孔,分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定,对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度,为满足设计要求,设计中动片和静片之间可以回转1800。
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图6.1 回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图
6.2 机身回转机构的设计计算
(1) 回转缸驱动力矩的计算
手臂回转缸的回转驱动力矩M驱,应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩M阻相平衡。
M驱惯性力矩的计算
M惯M惯?M惯?M阻?M回 (6.1)
?J0??J0???t (6.2)
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式中 ??——回转缸动片角速度变化量(rad?s),在起动过程中??=?;
t——起动过程的时间(s);
)。
J0——手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量(N?m?s2若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为?,则
GgJ0?Jc??2 (6.3)
式中 Jc——回转零件的重心的转动惯量。
Jc?m?l?3R2z2?12 (6.4)
回转部件可以等效为一个长1800mm,直径为60mm的圆柱体,质量为159.2Kg.设置起动角度?=180,则起动角速度??=0.314rads,起动时间设计为0.1s。
Jc?m?l?3R2z2?212?43N?m?s2
J0?Jc?Gg??1495N?m?s2
M惯?J0??J0???t=1495?0.3140.1?4694.3N?m?s2
密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下M阻=0.03M驱,由于回油背差一般非常的小,故在这里忽略不计。 经过以上的计算M驱=4839.5N?m?s2
(1)回转缸尺寸的初步确定
设计回转缸的静片和动片宽b=60mm,选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为
输出轴与动片连接处的直径,设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算:
D?8M驱bp?d2 (6.5)
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D=151mm
既设计液压缸的内径为150mm,根据表4.2选择液压缸的基本外径尺寸180mm(不是最终尺寸),再经过配合等条件的考虑。 (2)液压缸盖螺钉的计算
根据表4.3所示,因为回转缸的工作压力为8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,根据初步估算, L??D?3.14?150?471mm,t'螺钉的数目为(一个面6个,两个面是12个)。
危险截面SPSZ?LZ?4716?78.5?t,所以缸盖
??R??r22??0.15?0.05422?0.0157m2
所以,FQ??20933N
FQ?KFQS K?1.5?1.8
FQ?KFQ=1.5?20933?31400NS
2401.2所以FQ0=20933+31400=52333N螺钉材料选择Q235,则????4?1.3FQ?sn??200MPa(n?1.2?2.5)
螺钉的直径d?0?????4?1.3?523333.14?200?106?0.020m
螺钉的直径选择d=20mm.选择M20的开槽盘头螺钉。
经过以上的计算,需要螺钉来连接,最终确定的液压缸的截面尺寸如图5.2所示,内径为150mm,外径为230mm,输出轴径为50mm。
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连接螺栓静片液压缸盖连接螺钉动片图6.2 回转缸的截面图
(3)动片和输出轴间的连接螺钉
动片和输出轴之间的连接结构如图6.2。连接螺钉一般为偶数,对称安装,并用两个定位销定位。连接螺钉的作用:使动片和输出轴之间的配合紧
bp密。
8?D2?d2??M摩?FQZfd2
于是得
式中
FQFQ?bp4Zfd?D2?d2?
——每个螺钉预紧力;
D——动片的外径;
f——被连接件配合面间的摩擦系数,刚对铜取f=0.15 螺钉的强度条件为
?合1.3FQ????d142?
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d1?4FQ或 带入有关数据,得
FQ?bp4Zfd????
?D2?d2?0.06?8?106=4?Z?0.15?0.05?2401.2?200MPa?0.152?0.052??40000N
螺钉材料选择Q235,则????4?1.3FQ?sn(n?1.2?2.5)
螺钉的直径 d?0?????4?1.3?400003.14?200?106?0.0135m
螺钉的直径选择d=14mm.选择M14的开槽盘头螺钉。
6.3 机身升降机构的计算 6.3.1 手臂偏重力矩的计算
图 6.3 手臂各部件重心位置图
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(1)零件重量G工件、G爪、G腕、
G臂等。
G工件?60Kg现在对机械手手臂做粗略估算:G爪和G腕总共=33Kg
G臂?16.2KgG总?G工件+G爪+G腕+
G臂=109.2Kg
(2)计算零件的重心位置,求出重心到回转轴线的距离?。
?工件=1920mm =1.69mm
?手和腕?臂=0.88mm
(6.6)
???工件G工件??手腕G手腕??臂G臂G总???工件G工件??手腕G手腕??臂G臂G总?1650mm
所以,回转半径??1650mm
(3) 计算偏重力矩
M偏?G总? (6.7)
M偏?G总??109.2Kg?9.8?1.650m?1765N?m
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结束语
毕业设计在经过一系列工作后终于完成了。我所设计的是轻型平动搬运机械手,通过此次设计使我对材料的性能和零件的工艺规程编制方法有了一定的掌握。
此次设计是由学生向工程技术人员转变的一个过渡阶段,我十分重视和珍惜,此次设计给予我的启迪与锻炼,使我对设计的认识有了一定的深度。 在毕业设计规定的时间内,我做了大量的调查研究。收集了较为全面的技术资料。阅读了大量的专业文献并将它们应用到毕业设计中。并在设计中,咨询了相关的师傅,对力机械手的生产加工以及调试有了进一步的认识。对不懂的问题经过与大家的探讨和研究后得到了解决,培养了我们团结互助,求真务实的严谨作风。
以上工作成绩的获得与指导老师顾老师的辛勤劳动及耐心细致地教导是分不开的。有了指导教师的细心帮助才有了我今天的成绩。在这里谨向在这次毕业设计中给予我关心与指导的老师表示诚心的感谢,在此我衷心地对老师说一声“谢谢”! 由于本人能力有限,缺乏实际工作经验,初次做本专业设计,出现漏洞和错误,敬请各位老师批评指正。
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参考文献
[1] 孙志礼、冷兴聚、魏延刚等 . 机械设计[M]. 东北大学出版社, 2003 [2] 金茂菁. 我国工业机器人发展现状[J]. 机器人技术与应用, 2001, 01(4) [3] 王田苗. 工业机器人发展思考[J]. 机器人技术与应用,2004年,(2)期 [4] 张广鹏 方英武 田忠强. 工业机器人整机结构方案的动态性能评价[J]. 西安理工大学学报, 2004,20(1)
[5] 张建民. 工业机器人[B][M]. 北京理工大学出版社,1992 [6] 马香峰. 机器人结构学[B] [M] . 机械工业出版社,1991 [7] 李超,气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学,2003 [8] 陆祥生 ,杨绣莲.机械手.中国铁道出版社,1985.1 [9] 张建民.工业机械人.北京:北京理工大学出版社,1992 [10] 蔡自兴.机械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001,4
[11] 王雄耀.近代气动机械人(机械手)的发展及应用.液压气动与密封,1999,5
[12] 李允文.工业机械手设计.机械工业出版社,1996.4
[13] 张军, 封志辉.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.4
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