垃圾桶清理机械手的设计论文毕设论文.docx
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垃圾桶清理机械手的设计论文毕设论文
1前言
1.1选题背景与意义
1.1.1国内外研究现状
从各国的行业统计资料来看,近30多年来,气动行业发展很快。
20世纪70年代,液压与气动元件的产值比约为9∶1,而30多年后的今天,在工业技术发达的欧美、日本等国家,该比例已达到6∶4,甚至接近5∶5。
我国的气动行业起步较晚,但发展较快[1]。
从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20%以上,高于中国机械工业产值平均年递增率[2]。
随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用,气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。
由于气压传动系统使用安全、可靠,可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。
气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点[3]。
所以,气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工,食品和药品的包装、精密仪器、医疗和军事上。
对于本课题—垃圾桶清理机械手的设计,是一个比较新颖的课题,国内外还没有将气动机械手运用到垃圾桶清理方面。
我的设计可以让垃圾桶清运工人避免直接接触垃圾桶,而达到对垃圾桶的清理效果,简便省力卫生,是一个比较新颖的课题。
1.1.2发展前景及方向
(1)模块化
由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承,使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。
模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能,是气动机械手的一个重要的发展方向。
(2)无给油化
无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求。
随着材料技术的进步,新型材料的出现,用自润滑材料制造的无润滑元件,不仅节省润滑油、不污染环境,而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。
(3)机电气一体化
由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面。
而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大,由PLC直接控制线圈变得越来越可能。
气动机械手、气动控制越来越离不开PLC,而阀技术的发展,又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手[5]。
(4)垃圾清理机械化
随着现代垃圾处理技术的革新,气动机械手在垃圾清理方面的应用,顺应现代环保的号召,将现代技术应用到环保项目当中,更是加快了人类社会自动化的进程。
1.2设计内容
1.2.1设计内容
(1)确定机械手的形状和自由度。
机械手爪初步确定为剪刀型,通过计算得到的数据画出三维图,根据垃圾桶清理机械手要实现的功能,确定机械手有5个自由度。
(2)执行机构设计
设计出机械手的各执行机构,包括:
支座、手臂、手部等部件的设计。
(3)气动系统的设计
本课题将设计出机械手的气压传动系统,包括气动元器件的选取,气动回路的设计,并绘出气动原理图。
(4)PLC控制系统的设计
本机械手拟采用PLC对机械手进行控制,要选取PLC型号,根据机械手的工作流程编制
2机械手的总体设计方案
2.1机械手的组成
(1)执行机构
1)手部
机械手的手部可分为夹持式和吸附式,在此设计我采用夹持式手部结构。
夹持式手部由手爪和传力机构所构成。
手指采用平行夹持结构,而手指通过传力机构产生夹紧力来完成夹放垃圾桶的任务。
2)手爪摆动
垃圾桶的倾倒需要在手爪抓住垃圾桶之后进行绕手腕的旋转来完成,此处我选用了一个摆动角度180度的摆动气缸完成此项动作。
3)手臂
在本设计中我采用气缸作为驱动手臂运动的部件,来实现手臂的前后推拉运动。
4)立柱
立柱是支承手臂的部件或手臂的一部分,手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。
机械手的立柱因工作需要,有时也可作横向移动,即称为可移式立柱。
5)机座
机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上,故起支撑和连接的作用。
(2)驱动系统
驱动系统是驱动垃圾桶清理机械手执行机构运动。
本设计采用气缸作为驱动装置。
2.2机械手基本形式的选择
常见手臂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)球坐标型机械手;(4)多关节型机械手。
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。
2.3驱动机构的选择
根据设计内容和需求确定使用圆柱坐标型机械手,利用气动方式和齿轮齿条传动来实现机器人的旋转运动,采用气压缸驱动实现手臂上下运动和前后伸缩运动,手腕处采用一个摆动气缸来实现倾倒的动作,末端夹持器则采用夹持式手部结构,同样采用气压缸作为驱动。
2.4机械手的设计参数
(1)手爪最大抓重:
25kg
(2)垃圾桶宽:
约500mm
(3)自由度数:
5个自由度
(4)坐标型式:
圆柱坐标
(5)手指开合角度:
60°
(6)支座旋转角度:
90°
(7)手爪摆动角度:
180°
(8)手臂运动参数:
伸缩行程:
200mm
伸缩速度:
100mm/s
升降行程:
200mm
升降速度:
100mm/s
手爪摆速:
30°/s
2.5机械手的运动分析及结构图
(1)机械手的运动过程中各动作如表2.1所示。
表2.1工业机器人的运动过程
机械手开机,处于A位
工步一
旋转至B位
工步二
手臂上升
工步三
手臂伸出
工步四
夹紧垃圾桶
工步五
旋转至C位
工步六
手爪摆动倾倒垃圾
工步七
手爪回正
工步八
旋转至B位
工步九
放松垃圾桶
工步十
手臂收缩
工步十一
手臂下降
工步十二
旋转至A位
工步十三
3机械手手部结构设计及计算
3.1手部结构
本设计中采用夹持式手部结构,由手爪和传力机构所组成。
本设计中采用剪刀形状的传力机构。
3.1.1手爪的形状
夹持式是最常见的一种手爪形状,本设计采用平行夹持式的手爪,在手抓内部与垃圾桶接触处添加防滑垫,确保手爪在夹持垃圾桶时的摩擦力,避免垃圾桶滑落。
3.1.2设计时考虑的问题
(1)具有足够的夹紧力
(2)手指间应具有一定的开闭角
(3)手抓能够有一定的摆动角度
(4)保证垃圾桶准确定位
(5)具有足够的强度和刚度
(6)考虑被抓取对象的要求
3.2手部结构设计及计算
手部驱动力的计算:
垃圾桶重量G=25kg,平行手爪的角度,,摩擦系数为。
(1)根据手爪类别,计算夹紧力
受力分析得(3.1)
-工件质量
-重力加速度
-动态运动时产生的加速度
-安全系数
-V型手爪张开的角度
-气爪夹头与工件的摩擦因素,查表得=0.25
=
(2)其驱动力为:
(3.2)
(3)实际驱动力为:
(3.3)
因为传力机构为齿轮齿条传动,故取,并取。
若被抓取工件的为匀速取时,则:
所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为7237N。
3.3夹紧气缸的设计
3.3.1气缸工作压力的确定
由《液压传动与气压传动》表3.2取气缸工作压力
表3.2气压负载常用的工作压力
负载F/N
<5000
5000~10000
10000~20000
20000~30000
30000~50000
>50000
工作压力p/MPa
<0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
>5~7
3.3.2气缸内径D和活塞杆直径d的确定
本课题设计的气缸属于双向作用气缸。
压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等。
活塞左行时活塞杆产生推力,活塞右行时活塞杆产生拉力。
(3.4)
(3.5)
-活塞杆上的推力,N
-活塞杆的拉力,N
-气缸工作时的总阻力,N
-气缸工作压力,Pa
-活塞直径,m
-活塞杆直径,m
气缸工作时的总阻力与众多因素有关,可以载荷率的形式计入公式,如要求气缸的静推力和静拉力,则在计入载荷率后:
(3.6)(3.7)
本设计气缸动态参数要求一般,且工作频率低,基本是匀速运动,其载荷率可取。
由以上分析得双向作用气缸的直径:
(3.8)
代入有关数据,可得:
圆整,得
由,可得活塞杆直径:
圆整后,取活塞杆直径
3.3.3缸筒壁厚和外径的设计
缸筒直接承受压缩空气压力,必须有一定厚度。
一般气缸缸筒壁厚与内径之比小
于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算:
(3.9)
-缸筒壁厚,mm
-气缸内径,mm
-气缸试验压力,一般取(Pa)
-气缸工作压力(Pa)
-缸筒材料许用应力(Pa)
本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为:
铝合金ZL106,[]=3MPa
代入己知数据,则壁厚为:
取,则缸筒外径为:
3.3.4手部活塞杆行程长L计算
活塞杆的位移量(3.10)
为了以免活塞与缸盖相碰撞,保证夹紧效果,因此将计算行程多加。
(3.11)
故查有关手册圆整为
3.3.5校核
(1)活塞杆稳定性的验算:
当活塞杆的长度较小时,可以只按强度条件校核计算活塞杆直径有:
(3.12)
其中,[],
则:
所以满足实际设计要求。
(2)气缸推力验算:
==
由以上计算可知气压缸能产生的推力大于夹紧工件所需的推力。
所以该气缸满足要求。
3.3.6缸结构设计
(1)缸筒与缸盖的连接
缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、钢筒螺纹、卡环等,在此处,夹紧气缸选择钢桶螺纹连接,将前后缸盖旋紧,密封。
(2)气缸的安装连接结构
在本设计中,考虑到夹紧气缸要与手爪一起摆动,所以此处将其放在四个轴承上,后盖与摆动气缸连接,使其只能做饶轴的旋转运动,如图所示:
图3.1夹紧气缸连接示意图
(3)气缸的选择
本设计采用SMC公司的气缸,根据计算的气缸的活塞直径及缸径选择夹紧气缸的型号为CQ2L100-30D。
3.4摆动气缸的设计
3.4.1摆动气缸有效输出力矩计算
(1)摆动气缸承受力矩计算
摆动气缸所承受的负载力是其前端除了夹紧气缸之外,包括手爪的重量和垃圾桶的重量,估计重量为:
F=300N;垃圾桶高度约为1m,重心定在中心,负载力臂约为:
l=0.5m。
摆动气缸应该承受的力矩:
M=F·l(3.13)
式中
M—摆动气缸承受的力矩,N·m
F—负载力,N
l—负载力的力臂,m
所以M=F·l=300N·0.5m=150N·m
(2)摆动气缸有效输出力矩计算
摆动气缸的负载率计算公式为:
η=M/M0(3.14)
式中
M—摆动气缸承受的力矩,N·m
M0—摆动气缸的有效输出力矩,N·m
对静负载,一般选η=0.9
所以M0=M/η=150N·m/0.9=166.67N·m
3.4.2根据输出力矩确定摆动气缸
(1)摆动气缸的工作压力
由上计算可知,摆动气缸的输出力矩为166.67N·m,从标准气缸库中选择工作压力为p=0.5MPa的摆动气缸。
(2)摆动气缸的摆动角度
此气缸是为实现垃圾桶的垃圾倾倒功能,所以选择摆动角度为180度即能实现功能。
(3)缸筒与缸盖的连接
缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、钢筒螺纹、卡环等,在此处,夹紧气缸选择钢桶螺纹连接,将前后缸盖旋紧,密封。
(4)气缸的安装连接结构
该气缸用脚座式安装连接。
(5)摆动气缸的选型
综合考虑摆动气缸所要实现的功能,根据计算,我选择日本SNC公司的CRB2系列单叶片摆动角度180度的摆动
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