机械手结构设计及机构精度研究机械综合实验与创新设计Word格式文档下载.docx
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4.1.3气缸筒内径计算9HbmVN777sL
4.1.4气缸的行程10V7l4jRB8Hs
4.1.5气缸的运动速度1083lcPA59W9
4.3气缸夹板10mZkklkzaaP
5机械臂结构设计及校核11AVktR43bpw
5.1手臂结构强度设计与校核11ORjBnOwcEd
5.1.1材料及型材确定112MiJTy0dTT
5.1.2摆臂与驱动臂连接夹板12gIiSpiue7A
5.1.3配重质量的确定12uEh0U1Yfmh
5.1.4摆臂设计及校核13IAg9qLsgBX
5.1.5驱动臂结构设计及校核14WwghWvVhPE
5.1.6支撑臂设计15asfpsfpi4k
5.1.7机械手质量计算15ooeyYZTjj1
5.1.8手臂转动惯量的计算15BkeGuInkxI
5.2手臂齿轮齿条的设计计算16PgdO0sRlMo
5.2.1设计要求163cdXwckm15
5.2.2齿轮齿条的材料选择17h8c52WOngM
5.2.3各系数的选定17v4bdyGious
5.2.4齿轮的设计参数,许用应力的选择17J0bm4qMpJ9
5.2.5齿轮的设计计算18XVauA9grYP
5.3手臂齿轮的设计计算19bR9C6TJscw
5.4机械手转臂处电机的选取24pN9LBDdtrd
六底座设计与校核24DJ8T7nHuGT
6.1行星轮设计与校核及电机的选取24QF81D7bvUA
6.1.1中心轮和行星轮设计244B7a9QFw9h
6.1.2行星轮及大外轮与校核29ix6iFA8xoX
6.1.3齿轮具体参数30wt6qbkCyDE
6.1.4齿轮润滑油的选取31Kp5zH46zRk
6.1.5电机的选择31Yl4HdOAA61
6.2导轨的设计计算32ch4PJx4BlI
6.2.1导轨的类型32qd3YfhxCzo
6.2.2直线导轨副截面32E836L11DO5
6.2.3滚动导轨载荷计算32S42ehLvE3M
6.2.4导轨的选取34501nNvZFis
6.2.5预期寿命34jW1viftGw9
6.3拖动导轨运动的齿轮齿条设计以及电机的选择:
34xS0DOYWHLP
6.3.1齿轮齿条的设计34LOZMkIqI0w
6.3.2齿轮齿条具体参数37ZKZUQsUJed
6.3.3齿轮润滑油的选取38dGY2mcoKtT
6.3.4电机的选取38rCYbSWRLIA
七传感器和微动开关的选择39FyXjoFlMWh
7.1光电传感器的选择39TuWrUpPObX
7.2微动开关的选取及其具体参数397qWAq9jPqE
八后续工作39llVIWTNQFk
绪论
1.1前期主要工作
前期工作我们把重点放在机械手机构和结构设计计算,具体工作如下:
确定技术参数:
在满足功能要求的前提下,参考实验室上下料机械手的技术参数,结合上
网查阅的工业机械手的实际生产应用,确定了机械手的设计方案,并对机械手的主要技术参数
进行了选择,包括抓取工件的几何尺寸和质量、工作寿命、手臂运动参数、工作节拍、定位精度等。
yhUQsDgRTI
确定技术方案和技术参数之后,我们展开了结构设计。
我们根据技术要求选择电磁铁、气
缸,确定气动系统的传动原理;
确定摆臂的结构与材料,并进行校核;
实现摆臂上下动作的齿轮齿条、齿轮的设计计算及电机的选择;
实现机械手旋转动作的行星轮的设计计算和电机的选择;
在上述设计完成后,精确计算机械手的质量,进行导轨的选择;
实现机械手水平运动的齿轮齿条的设计计算和电机的选择;
这样,我们基本完后了机械手的设计计算。
MdUZYnKS8l
1.2前期工作总结
总的来说,前期工作完成的还是比较圆满的,经过大量的设计计算我们确定了机械手的结构尺寸和力学数据,主要零件的参数,为接下来的仿真分析和性能计算提供可靠的数据。
在老
师的指导帮助下,对设计的概念有了一个更加深刻的认识。
在进行一些主要零件的设计计算过程中也遇到很多专业知识瓶颈,我们通过翻阅资料学习消化再进行计算。
虽然期间经过一些磕
磕绊绊,也遇到一些比较棘手的问题,但在我们小组成员的一起努力下,我们最终完成了这些
工作。
但是,仍然存在一些问题。
三维建模工作由于过于乐观的估计了计算量的多少导致只是完成了一部分,由于对专业软件的不熟悉,影响了项目进度。
这些都是我们在接下来的工作中需要注意的。
09T7t6eTno
二机械手设计方案
对于机械手的要求是能快速、准确地拾放和搬运物件,这就要求他们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在特定位置精确定位的要求。
因此,我们根据工件材料的作业技术要求,给定了最合理的作业顺序。
之后在满足系统功能要求和条件的前提下,根据工件的结构形状和材料特性,进一步确定了机械手结构;
同时在设计过程中,在满足工作条件的要求使用的前提下,尽量选用标准件,降低制造成本,并简化设计过程。
e5TfZQIUB5
2.1机械手工作性能要求
2.1.1工件材料
工件重量M=5kg,材料为灰铸铁,密度
—6.8103kg/m3,
工件形状如图2-1所示:
工件几何形状
2.1.2搬运要求
工件提升高度H=650mm生产节拍T=12s
使用寿命Lh=10年
工件搬动距离x方向搬运距离向搬运距离1600mm如右图图2-2所示,我们采用机械手来实现此功能要能要求的基础上,我们确定了机构的设及设计技术参数:
图2-2水平
sISovAcVQM
2.1.3机械手自由度数
由于工件在竖直方向和回转方向上都有运动,因此,将机械手自由度数确定为四个,即两
个转动自由度(立柱回转自由度和摆臂上下摆动自由度)和两个移动自由度(立柱水平移动自由度和工件竖直移动自由度)。
GXRw1kFW5s
2.1.4机械手手部方案设计
由于工件材料为灰铸铁,所以采用吸附式电磁铁,方便快捷,可提高吸附效率。
2.1.5机械手提升方案设计
按照工件材料提升要求在竖直方向上,工件的材料的提升由两部分组成:
(1)摆臂提升高度500mm
(2)气缸提升高度150mm减小摆臂提升高度,可使结构更加紧凑。
2.1.6机械手水平搬运方案设计
考虑到机械手水平搬运距离相对竖直提升距离较大,水平搬运主要由两部分组成:
摆臂的
回转和水平移动。
2.1.7机械手驱动方案设计
由于气压传动动作迅速,反应灵敏,齿轮齿条传动寿命长,工作平稳,可靠性高,所以我们采用两种传动方案结合,实现机械手的传动。
UTREx49Xj9
2.1.8机械手控制方案设计
由于专业所学知识有限,控制系统的设计暂不考虑、
2.2机械手主要技术参数
生产节拍对机械手的速度提出了要求,我们根据机械手设计方案,对机械手各自由度运动
时间及机械手运动方案进行了划分:
(1)工件吸取时间1s;
(2)机械手的摆臂提升、气缸提升及底座前进,三个运动同时进行,时间2s;
(3)之后摆臂旋转90度,时间3s;
(4)释放工
件,时间1s;
(5)摆臂旋转90度返回,时间3s;
(6)机械手摆臂下降、气缸下降及底座后退,三个运动同时进行,回到初始位置,时间2s。
这样完成了一个工作周期。
8PQN3NDYyP
设计方案确定之后,根据生产节拍,确定了机械手的技术参数
1.抓重5kg
2.机械手自由度4
4.
3.最大工作半径摆臂运动参数
1200mm;
提升高度500mm提升时间2s;
5.
支撑臂运动参数
回转范围0~90;
回转速度30/s;
最大中心咼1050mm
6.
定位方式
微动开关和机械挡块
7.
定位精度
_1mm
2.2.1机构运动简图
在确定了机械设计方案之后,我们确机械手的运动原理,来实现要求的机构功画出了机械手的机构运动简图,如右图图示mLPVzx7ZNw
其中,M点、N点分别为摆臂DF部分F部分的中点。
机构运动简图
2.2.2摆臂CD尺寸的确定
2.2.3B点F点位置的确定
2.2.3.1B点位置确定
为确定B点位置,对CD杆受力分析公式
中各个点的位置及:
-角:
角所表示角如右图
图2-4所示:
对杆AD受力分析可得
二MA=0
图2-4受力分析图
mDgLADmADgLAM-mAcgLAN-mcgLAccos:
FbcosLab=0
其中:
m°
:
配重质量;
mAD:
摆臂AD部分质量;
mAc:
摆臂AC部分质量;
me:
C点气动系统、电磁铁及气动系统夹板质量;
Fb:
在B点驱动臂BG对摆臂CD的力;
Lab、Lac、Lad、Lam、Lan:
分别表示对应图2-4中两点之间距离;
由此可得
mDgLADmADgLAMmACgLAN^CgLACCOS_:
:
卜B-
COS-Lab
所以由公式可知当Lab增大的时候,Fb减小;
当COS^增大的时候,即一:
减小,Fb减小,即F点下移;
所以,B点越靠近C点,F点越靠近0点,都会使所需Fb减小。
因为当机械手处于最低状态时,1最大,Fb最大,所以取此极限状态进行分析
前述可知,Lab越大,Fb越小;
但是,Lab越大,将导致BG杆过长,所以取Lab=1000mm
优点:
(1)节省材料,防止驱动臂BG过长;
(2)预留长度Lbg,为机械手装配留有足够空间,
图2-5假定最低工作状态1zOk7Ly2vA
保证机械手强度。
AHP35hB02d
223.2F点位置确定
为了确定F点位置,先对特殊状B点处于同一水平高度,且B点位于进行分析,机械手所处工作状态及点关系如图2-5所示:
ND0cB141gT
bb
由几何关系可知〉=arcsin30
AB
:
=90-30=60
1
Fb在垂直于杆AC方向上分力FBn二FbCOSFb
2
所以,有一半的力无法做功,从而导致电机功率太大。
所以,为了避免此位置,而且不会使驱动臂GB太长,取Laf=550mm
2.2.4手臂极限工作状态分析
224.1手部最高点状态
此时机构相对关系如右图图2-6收拾,由可确定驱动臂BG长度
Lbg「Lab2Laf2=100025502
=1141.271142mm
M二arctan《=arctan更=28.81
图2-6最高工作状态
Lab1000
图2-7最低工作状态
距离
为接下来
2.2.4.2手部最低点状态
此状态分析,可以帮助我们确定机械
手底座距离工件输送段的距离LCC'
并且确定驱动
Lfg,符号及公示所表示意义如图2-7所示:
LBB'
=LBDcos30=1000cos30:
866mm
LCc'
二Lcdcos30二1200cos30
=1039.23:
1040mm
'
22
Lbf=YLab+Laf一2COS(90—^)LabLaf
由余弦定理可知1FF
=J5502+10002—2汉-X550汇1000=867.47賂868mm
\2
所以,Lfg=Lbg—Lbf=1142-868=274mm
为满足安装要求,各机械臂长度应留有足够的余量现将各机械臂的长度调整如下:
Lcd=1250mmL'
bg=1200mmL^e=400550100=1050mm
由于能加的长度并不影响结构的强度,所以强度计算仍按调整前尺寸进行计算。
2.2.5机构尺寸
在完成上述分析的基础上,机构的各部分尺寸就可以确定,如下图图2-8所示,
的结构设计奠定了基础:
fuNsDv23Kh
2.3传动方案的确定
气压传动动作迅速,反应灵敏,齿轮齿条传动寿命长,工作平稳,结构尺寸紧凑,可靠性高,所以我们采用两种传动方案结合,针对各处传动特点,采用了如下方案,实现机械手的传动:
C点处选用气压传动实现工件竖直方向提升150mmF点处,选用齿轮齿条传动,实现摆臂GB
的上下摆动;
在0点处,选用行星轮传动,实现支撑臂的回转运动,同时选用齿轮齿条传动实现机械手的前进送料运动。
tqMB9ew4YX
三手部结构设计
对于导磁性的环类和带孔的盘类零件,以及有网孔状的板料等,通常用电磁吸盘吸料,为
了提升工件材料的抓取速度,并结合工件材料的材料特性,故选取了吸附式电磁铁。
电磁铁都是为特定客户设计、生产,型号众多无法一一列举,我们把电磁铁的主要参数列举如下。
HmMJFY05dE
3.1电磁铁类型
交流电磁铁需要的骤增功率是同等直流电磁铁的两倍,而且直流电磁铁只要电压稳定,温升在很小的环境下,其提供的为稳定的磁场,保证被吸物能够稳定的吸在电磁铁上,所以选用
直流电磁铁。
ViLRalt6sk
3.2电磁铁参数
工作电压36V(DQ初吸力(20mm24V3kg
根据电磁铁工作状况,选用安全系数为1.5终吸力(0mm36V7.5kg
由机械手上的电磁铁工作性质可知,选用间歇式直流电磁铁、50%负载循、
C级线圈、绝缘等级B级-130C
3.3安装连接方式
气压系统的采用外部螺栓连接,并在手部支架采用卡槽嵌入。
3.4电磁铁的体积规格
长X宽X高=80X60X40(单位mm)查阅资料得电磁铁质量计算时取密度7.5g/,m=7.5
X80X60X40X=1.44kg9eK0GsX7H1
四气缸及气动系统设计
气缸的优点,负载可以很大,动作很迅速,反应可以很快;
对环境适应性好,可以在恶劣环境中使用。
由于重物竖直方向提升距离较大,并且为使结构紧凑,竖直方向的提升距离部分由气动系统实现提升高度150mm设计参考《机械设计手册4》naK8ccr8VI
4.1气缸的设计计算
4.1.1气缸类型及安装形式
气缸类型:
机械手的运动要求气缸活塞向两个方向运动,所以选定双作用普通气缸安装形式:
固定式气缸,前法兰MF1式。
4.1.2活塞杆直径计算
所以直径d>
(4AS/n)1/2=0.339伽考虑到加工和冲击载荷,根据表24.2-5活塞直径系列,选取直径为10伽技术要求:
(1)直径d与气缸导向套配合,公差取f8,粗糙度Ra为0.8um
(2)同轴度误差不大于0.02mm
(3)热处理:
调质
(4)活塞杆与活塞的连接:
用螺纹连接
4.1.3气缸筒内径计算
活塞杆下行时产生的拉力F1活塞杆上行时产生的拉力F2F2=n(D2—d2)Pn
4
此结构中气缸工作频率一般,基本是匀速运动,其载荷率可取n=0.7—0.85,取最小值0.7。
由24-41一般气缸的正常工作条件工作压力为0.4—0.6MPa,取气缸的工作气压为0.5MPa,选取较大的D值。
B6JglVV9ao
D=(4F2+d2)1/2=nPn
4沃6.44汉9.8|cC/I2、1/2cc/ica
=(6+0.01)=0.018m=18m
3.140.51060.7
气缸筒内径圆整(表
24.2-4),取20m
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- 机械手 结构设计 机构 精度 研究 机械 综合 实验 创新 设计