機械手課程設計工業(yè)機械手設計

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1、仲愷農(nóng)業(yè)工程學院機械系統(tǒng)設計 課程設計說明書 設計題目：工業(yè)機械手設計 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、關秋菊、施俊俠 完成日期：2012-5-25

2、 第一章 機械手設計任務書 3 1.1課程設計目的 3 1.2設計內容和要求 3 第二章 腕部設計 4 2.1腕部設計的基本要求 4 2.2碗部的機構設計 4 2.3碗部設計的計算 6 2.4拉緊裝置原理 7 第三章 手臂的設計 8 3.1手臂旋轉機構設計 8 3.2驅動力矩的計算 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 機械手總的液壓控制圖

3、 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 機械手設計任務書 1.1課程設計目的 課程設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)范圍內的工程設計問題而進行的一次基本訓練。這對學生即將從事的相關技術工作和未來事業(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)學生樹立正確的設計思想，設計構思和創(chuàng)新思維，掌握工程設計的一般程

4、序規(guī)范和方法。 三、 培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和使用技術資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術文件等方面的工作能力。 四、 培養(yǎng)學生進行調查研究，面向實際，面向生產(chǎn)，向工人和技術人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。 1.2設計內容和要求 （一）原始數(shù)據(jù)及資料 （1）原始數(shù)據(jù)： a、生產(chǎn)綱領：100000件（兩班制生產(chǎn)） b、自由度（四個自由度） 臂轉動210 臂上下運動 300mm 臂升長（伸縮） 400

5、mm 手部轉動 180 （2）設計要求： a、上料機械手結構設計圖、裝配圖、各主要零件圖（一套） b、液壓原理圖（一張） c、設計計算說明書（一份） （3）技術要求 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，回轉運動210， 升降運動300mm e、 臂的運動速度：伸縮運動＜250mm/s， 回轉運動＜90/s 升降運動＜70mm/s

6、 f、 腕部的運動行程：回轉運動180 g、 腕部的運動速度：回轉運動＜90/s h、 定位方式：電位器（或接近開關等）設定，點位控制 i、 手指夾持范圍：棒料直徑φ50－φ70mm， 長度450－1200mm j、 驅動方式：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體，此種形狀的零件通常采用自用輸送的輸料槽，該裝置結構簡單，不需要其他動力源和特殊裝置，所以本課程題

7、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 動作五：小臂伸長 動作六：手腕旋轉 圖1.1要求分析 第二章 腕部設計 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進一步改變或調整手部在空間的方位，使機械適應復雜的動作要求。 2.1腕部設計的基本要求 1）力求結構緊湊，重量輕。 2) 必須考慮的工作條件。在高溫作業(yè)和腐蝕性介質中工作，考慮熱膨脹，壓力油的粘度和有關材料及電控制元件的耐熱性。 2.2碗部的機構設計

8、 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軸轉動稱為回轉運動；繞Y軸轉動稱為上下擺動；繞Z軸稱為左右擺動。這里選用一個自由度的手腕回轉運動機構為回轉液壓缸，它的機構簡單緊湊，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缸驅動的腕部機構，直接用回轉液體壓驅動來實現(xiàn)腕部的回轉，具有機構緊湊，靈活等優(yōu)點。如圖下圖2-2所示的腕部結構，采用一個回轉液壓缸，實現(xiàn)的旋轉運動。從A-A剖面視圖上可以看出，回轉葉片（簡稱動片）用螺訂，銷釘和轉軸10連接在一起，

9、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。 圖2-2用一個回轉液壓力缸實現(xiàn)腕部旋轉的結構 2.3碗部設計的計算 基本參數(shù)：抓重G=200N,回轉符號= ，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 腕部回轉時，需要克服以下幾種阻力。 1）計算扭矩 設重力集中于離手指中心350mm處，即扭矩為： ==200x0.35=70 2) 油缸（伸縮）及其配件

10、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拉緊裝置原

11、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 ==12.99mm

12、 經(jīng)圓整取L=13mm 第三章 手臂的設計 3.1手臂旋轉機構設計 手臂回轉后液壓缸的設計計算，手臂回轉時所需的驅動力矩，采用回轉液壓缸實現(xiàn)手臂回轉運動時，其受力情況可化簡成圖4-20。 圖4-20 手臂回轉運動時的受力圖 驅動手臂回轉的力矩M驅，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＝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’=350

13、N ,F”=600N 估計取 回轉缸內徑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——手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量（Nms2）。若手臂回轉零件的重心與回轉

14、軸的距離為， 則 J0=Jc+ 式中 Jc——回轉零件對重心軸線的轉動慣量 Jc= 取手臂回轉零件質量m=120Kg，回轉時手臂長度l=1100mm Jc==12.1 Jo=12.1+1200.352=26.8 M慣＝12.1x=25.33Nm M回——回轉液壓缸回油腔的背壓反力矩 M回== 取, M回==562.5 Nm M驅=149.5+25.33+562.5=737.3 Nm 3.2驅動力矩的計算 如圖4-21所示回轉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動力矩M驅′ M驅′== 圖4-21 回轉液壓缸

15、計算圖 (一) 回轉缸內徑D的計算 根據(jù) M驅= M驅′ M驅= 式中 D——回轉缸內徑（m） M驅——作用在動片的外載荷力矩 p——回轉液壓缸的工作壓力（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 缸蓋

16、與回轉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)接的結構見圖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，Z=

17、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量，

18、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 正轉 正轉緩沖 反轉 反轉緩沖 停止 + + + + + + 腕 部回轉 正轉 正轉緩沖 反轉 反轉緩沖 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