工业机械手设计机电一体化说明书本科学位论文Word格式.docx
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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。
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送到下一个生产工序;
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。
广泛采用工业机械手,不仅可提高产品的质量与产量,而且对保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。
同计算机、网络技术一样,工业机械手的广泛应用正在日益改善着人类的生产和生活方式。
1.3工业机械手的组成及原理
工业机械手一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测系统和人工智能系统等组成。
机械系统是完成抓取工件实现所需运动的执行机构;
驱动系统的作用是向执行机构提供动力,执行元件驱动源的不同,驱动系统的传动方式有液动式、气动式、电动式和机械式四种,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;
控制系统是工业机械手的指挥系统,它控制工业机器人按规定的程序运动;
检测传感系统主要检测工业机械手执行系统的运动位置、状态,并反馈给控制系统进而及时比较调整。
本次设计的工业机械手属于圆柱坐标式的液压驱动机械手,具有手臂升降、伸缩、回转等三个自由度。
因此相应地有手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构等组成。
每一部分均用液压缸驱动与控制。
下图为本次设计的机械手总平面图:
图1-1机械手总平面图
1底座、2立柱、3液压缸、4伸缩臂、5升降臂、6机械手
机械手的工作原理:
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。
在PLC程序控制的条件下,采用液压传动方式,来实现执行机构的相应部位发生规定要求的,有顺序,有运动轨迹,有一定速度和时间的动作。
同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。
下图为机械手的系统工作原理框图:
图1-2机械手的系统工作原理框图
第二章伸缩臂的设计方案
2.1设计方案论证以及确定
2.1.1设计参数及要求
1、伸缩长度:
300mm;
2、单方向伸缩时间:
1.5~2.5s;
3、定位误差:
要有定位措施,定位误差小于2mm;
4、前端安装机械手,伸缩终点无刚性冲击。
2.1.2设计方案的比较论证
根据设计参数及要求,选择齿轮、滚珠丝杠来实现工业机械手伸缩臂的伸缩运动,结构简单,易于控制,更经济实用。
2.2机械手伸缩臂总体结构设计方案
经过本人的反复思考及论证,先做出运动简图。
现如下图2-1所示,该机构中支座安装在机器人床身上,用于安装滚珠丝杠和伸缩杆等零件。
由步进电动机
(1)驱动,带动一级齿轮减速器
(2)。
通过减速器输出轴与丝杠(3)相连,以电机为动力驱动滚珠丝杠转动,通过丝母的直线运动,推动导向杆运动,利用电机正反转动实现伸缩换向。
法兰用于安装机械手,构成如图所示的结构:
图2-1步进电机伸缩机构示意图
2.3执行装置的设计方案
2.3.1滚珠丝杠的选择
2.3.1.1滚珠丝杠副的选择:
(1)由题可知:
伸缩长度S为300毫米,伸缩时间t为2秒,所以速度
初选螺距P=10mm(2.1)则:
(2.2)
(2)计算载荷:
(为载荷系数,为硬度系数,为精度系数)
由题中条件,取,取取D级精度,取
丝杠的最大工作载荷:
导向杆所受摩擦力即丝杠最大工作载荷:
Fmax=F==120N(2.3)
则:
(3)计算额定动载荷的值:
(2.4)
所以
(4)根据选择滚珠丝杠副:
按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍大于的原则,选用汉江机床厂FC1型滚珠
丝杠:
表2-1汉江机床厂FC1型滚珠丝杠
丝
杠
代
号
丝杠尺寸/mm
螺
旋
角
滚珠直径
米制/mm
螺母安装尺寸/mm
额定载荷
中径
大径
导程
动载
静载
d
p
D
E
M
L
Q
h
4006-3
40
39.5
8
3.969
50
118
75
15
6
4
48
M6
9
21379
69825
FC1-5006-3,FC1-52008-2.5
考虑各种因素选用FC1-5006-3。
由表2-9得丝杠副数据:
公称直径导程p=8mm螺旋角
滚珠直径
按表2-1中尺寸计算:
滚道半径(2.5)
偏心距(2.6)
丝杠内径(2.7)
(5)稳定性验算
由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能发生失稳,所以在设计时应验算其安全系数
S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S](见表2-10)。
丝杠不会发生失稳的
最大载荷,称为临界载荷(N)按下式计算:
(2.8)
式中E为丝杠材料的弹性模量,对于钢,E=206Mpa;
l为丝杠工作长度(m)L=450mm;
为丝杠危险截面的惯性矩;
u为长度系数,见表2-10。
依题意:
(2.9)
取,则
(2.10)
安全系数。
查表2-10,[S]=3~4,S>
[S],丝杠是安全的,
不会失稳。
(6)刚度验算:
滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(N·
m)共同作用下引起每个导程
的变形量:
(2.11)
其中A——丝杠截面积
——丝杠极惯性矩
G——丝杠的切变模量,对于钢
T——转矩
式中:
ρ为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数,为工作载荷,取摩擦系数
,则ρ=8′40″则
T=(2.12)
按最不利情况取(其中F=)
(2.13)
则:
丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为:
(2.14)
通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度()的1/2,即
(2.15)
该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求。
(7)效率验算:
滚珠丝杠副的传动效率为
(2.16)
要求在90%~95%之间,所以该丝杠副合格。
经上述计算:
FC1-5006-3各项性能均符合题目要求,可选用。
2.3.1.2滚珠丝杠螺距的选择:
P=8mm
2.3.1.3滚珠丝杠的有效长度:
根据结构的设计确定,要保证有300mm的伸缩长度,先对丝杠螺母进行选择。
丝杠螺母选用外循环螺旋槽式:
滚珠螺母可得到其结构尺寸总长为L=61mm。
根据其传动的特点,要保证螺母不脱离滚珠丝杠,又要有300mm移动距离,则丝杠的有效传动长度为L=430mm。
2.3.1.4滚珠丝杠的安装结构:
采用双推简支式安装,一端安装支推轴承与深沟球轴承的组合,另一端安装深沟球轴承,其轴向刚度较低,双推端可预拉伸安装,预紧力小,轴承寿命较高,适用于中速传动精度较高的长丝杠传动系统。
由此可知:
丝杠转速:
Pn=L/2所以(2.17)
2.3.1.5丝杠安装轴承的选择
由于滚珠丝杠副的支承形式采用的是一端固定一端游动(F-S),而又避免丝杠受压,所以丝杠的固定端(承重端)为左端,右端为游动端。
因此为了满足使用要求,左端的轴承选取双向推力球轴承与深沟球轴承的组合形式。
推力轴承的特点是只能承受单向轴向载荷。
为了限制左端的径向位移,同时又要限制向右的轴向位移,故选用角接触球轴承。
此类轴承的特点是能同时承受径向轴向联合载荷。
1)双向推力球轴承的选择
2)初步选定为51000型代号为51306d=30mmD=60mmT=21mm
3)校核基本额定载荷
通过所要求轴承寿命(等于丝杠的寿命)算基本额定载荷
在实际工程计算中,轴承寿命常用小时表示
(2.18)
=2338N(2.19)
其中,C——基本额定动载荷(N)
P——当量动载荷(N)
——寿命指数球轴承
n——轴承的转速(r/min)
在使用寿命为15000小时的要求下,双向推力球轴承应承受的基本额定动载荷为
2338N。
初步选用的轴承的额定载荷=27KN,即>C所以满足使用要求。
此类单向推力球轴承的数据如下表:
表2-2球轴承
基本尺寸
安装尺寸
基本额定载荷
极限转速
重量
轴承代号
dDT
minmaxmax
脂油
W
≈
51000型
mm
KN
r/min
kg
——
306020
57530.6
36.266.8
32004500
0.14
51306
4)深沟球轴承的选择
选用的轴承型号为6007c(),具体数据见下表:
表2-3深沟球轴承
dDB
A
70000C型
Mm
457516
1651691
25.820.5
750010000
0.28
7009C
5)深沟球轴承的选择:
下端的轴承只起游动和限制径向位移的作用,所以采用深沟球轴承。
选择60000型,
具体数据见下表:
表2-4球轴承数据
60000型
30427
32.439.60.3
4.003.15
1200016000
0.026
61806
2.3.2减速齿轮的有关计算
2.3.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数:
(1)确定传动比i==1.25故此次设计采用一级减速
(2)按照工作要求,此次设计齿轮传动采用直齿圆柱齿轮开式传动。
轮齿的主要失效形
式为齿面磨损,故此次设计采用硬齿面。
(3)选择齿轮材料及确定许用应力:
由表10-1选小齿轮材料为40MnB(调质)、硬度260HBS;
大齿轮材料35Si
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