天津商业大学机械手课设.docx
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天津商业大学机械手课设
机械课程设计
——手指和腕部设计
学院:
机械工程学院
指导教师:
洪X教授
班级:
机械XXXX班
学号:
20XXXXXX
姓名:
XXX
录目
一、绪论.....................................1
二、课程设计有关事项.........................2
................................22.1基本要求...................................22.2提交.............................22.3具体结构形式................................22.4技术要求选题.....................................2三、四、手指设计............................2
............................2确定手部结构4.1
...........................3手部受力分析4.2
........................4手部夹紧力的计算4.3
.....................44.4手部夹紧缸的设计计算..................54.4.1夹紧缸主要尺寸的计算.......................6缸体结构及验算4.4.2
.................7活塞与活塞杆的设计计算4.4.3
五、手腕的驱动力矩的计算.....................9
....................9手腕转动时所需的驱动力矩5.1...................115.2回转液压缸的驱动力矩计算...................12
手腕回转缸的尺寸及其校核5.3
................................15六、参考文献
一、绪论
机械工业是国民的装备部,是为国民经济提供装备和为人民提供耐用消费品的产业,不论是传统产业,还是新兴产业,都离不开各种各样的机械设备。
机械工业所提供装备的性能、质量和成本,对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要指标。
因此,世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济战略重点之一。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备,工业机械手的工业机器人的一个重要分支,它的特点是通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性,机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置,在现代化生产过程中,机械手被广泛的运用于自动化生产线中,机器人的研制和生产已成为高技术领域内,迅速发展起来的一门新兴技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复和劳动,不知疲劳,不惧危险,抓举重物的力量比人手大的特点,因此机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛的得到了应用。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
机械手技术涉及到力学,机械学,电气液压技术,自动控制技术,传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨多种学科的综合技术。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
1
二、课程设计有关事项:
2.1基本要求:
1)结构设计
2)设计计算,校核计算
3)草图经知道老师检查,签字后,完成CAD图纸
4)携带签字后的草图与打印的装配图答辩,答辩后连草图一并收回。
2.2提交
1)设计计算说明书
2)结构设计草图和打印的总装配各一张。
2.3具体结构形式
三坐标形式选一种:
直角坐标式、圆柱坐标式,球坐标式。
设计参数:
夹持圆柱型铁质工件;
工件1:
重5kg,直径82mm
工件2:
重8kg,直径105mm
工件3:
重12kg,直径120mm
2.4技术要求:
1)Z向:
上下升降距离500mm
2)X向:
伸缩长度300mm
3)绕Z轴可转角度>120°
三、选题:
3.1球坐标手指和腕部设计
3.2工件3
四、手指设计
4.1确定手部结构
根据设计要求设计出的手部结构如图4-1所示:
2
4-1手部结构图图FF图中为夹紧缸活塞杆的推力。
为手指对工件的夹紧力,N4.2手部受力分析所示经分析,手部受力图如图4-2
机械手手部受力分析图图4-2
F?
F由图可知,手部结构对称,则21?
0F?
得由yF
''FFF?
cos2=且=1113
?
M(F)?
0得由1o''FFFF=h=b且N1NNc
?
cosh=由几何关系有由上述等式可得:
c12b22?
F)Fcos(
N?
cbcos2即FNF==式中b—手指回转中心到夹紧力作用点之间的距离;
C—手指回转中心到滑槽支点之间的距离;
?
—工件被夹紧时手指滑槽方向与回转中心在水平方向的夹角。
4.3手部夹紧力的计算
手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据。
必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。
一般来说,夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态所产生的载荷(惯性力或惯性力矩),以使工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按下式计算(李允文,1994):
F?
KKKGN=1.5×1.02×12×9.8=720N312式中:
K1—安全系数,取K1=1.5;
K2—工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。
取K2=1.02;
K3—方位系数,根据工件形状以及手指与工件位置不同进行选定,K3=4
G—被抓工件所受重力(N),G=mg=10×9.8=98N。
则:
2b2?
15022?
30?
?
720?
=FF?
?
coscos3240N理论
c50N
F3240理论=4184==F
实际?
0.85N
?
?
=0.85。
式中—手指传力效率,取4.4手部夹紧缸的设计计算
4
4.4.1夹紧缸主要尺寸的计算
由前知,夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸,假设夹紧工件时的行程为25mm,时间为0.5s,则所需夹紧力为:
F?
F?
P=4148?
P弹弹实际式中:
F—活塞杆实际输出力;P弹—弹簧压缩时的作用力。
其中:
4GdP?
462N=(L?
S)
弹38DZZ52G?
8.1?
10(kg/cm);式中:
G—弹簧材料的剪切模量,对于钢材,D—弹簧的钢丝直径(3mm);
DZ—弹簧中径(30mm);
Z—弹簧的有效圈数(18圈);
L及S—活塞的行程及弹簧的与预缩量,L=25mm,S=20mm。
∴F=4148+462=4880N<5000N
MP,考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑,取工作压工作压力取1查表aMP。
力为2a?
2?
PF?
D
4得:
由公式
4F4?
4880D?
?
?
49.2mm6?
?
3.14?
2?
P10?
0.95
式中:
D—液压缸内径;
P—液压缸工作压力;
?
?
=0.95。
—液压缸工作效率,
由JB826-66标准系列将缸内径圆整为D=50mm,同理查得活塞杆直径d=32m,
液压缸内径系列JB826-66(mm)
20
25
32
40*
50*
55
63*
(65)
70
(75)
80*
(85)
90*
(95)
100*
(105)
5
250
180200*)140*160*110125*(1301.括号内的尺寸尽可能不用。
注:
JB1086-67)标准系列2.*号为(
JB826~66)活塞杆直径系列(
10
12
14
16
18
20
22
25
28
30)(
32
35
40
45
50
55
(60)
63
65()
70
(75)
80
(85)
90
(95)
液压缸工作压力
作用在活塞N上的外力F()
液压缸工作压力(Mpa)
在活塞作用上的外力F(N)
作缸工液压Mpa)压力(
5000〈
0.8~1
20000~30000
2.0~4.0
5000~10000
1.5~2.0
30000~50000
4.0~5.0
10000~20000
2.5~3.0
50000〉
5.0~7.0
4.4.2缸体结构及验算,则壁查得可取缸筒外径为60mJB1068-67缸体采用45号钢无缝钢管,由?
5mm厚。
=)MPaP((李
(1)液压缸额定工作压力以保证工作安全应低于一定极限值,N。
壮云,2008)22226?
)DD?
(0.05)?
10(0.060.35?
340?
1sMPa36.36?
?
?
?
P0.35
N220.06D1);m式中:
D—缸筒内径();D1—缸筒外径(mMPa)。
340—缸筒材料的屈服点,σs(45号钢为MPaMPa=<36.362,故安全。
PN已知工作压力值应与塑性液压缸的额定压力)(2为避免缸筒在工作时发生塑形变形,PN6
变形压力有一定的比例范围。
PN≤(0.35~0.42)PPl
D?
13l?
P2.g
slpMPaD。
-缸筒发生完全塑性变形时的压力(式中:
PPl,)
P?
61.92MP计算可得:
plaP?
0.35?
61.92?
21.67MPaN
MPaMPa,故安全。
<21.67PN=2已知实际工作压力P(MP)应远远大于耐压试验压力)缸筒爆裂压力PT。
(3aED?
1lgP?
2.3
bED
6?
?
600MPP?
2.3?
600?
10?
lg1.2?
109.27MP查表知45号钢,则:
abaEPPPPMPa远远大于耐压实验压力取1.5,可知=3。
ETNT4.4.3活塞与活塞杆的设计计算
(1)活塞设计
活塞的外径与缸筒内径一致为D=50mm,活塞宽度B一般为活塞外径的0.6~1.0倍,这里取为0.8倍,则B=0.8×50=40mm。
因是单作用弹簧缸,活塞与活塞杆采用较简单的螺纹连接。
活塞与缸筒内壁采用O型密封圈密封(王懋瑶,2004)。
活塞结构如下:
图4-3活塞结构图
对于无导向环活塞的材料,一般选用高强度铸铁HT200或球墨铸铁(陈大先,2004),这里我们选用HT200。
加工上,活塞外径D对孔轴线的径向圆跳动公差值,可按7、8级精度加工,7
同时其圆柱度公差值,按9、10级选取;端面T对轴线的垂直度公差值按8级精?
?
m0.8m~0.4之间。
度加工;外表面粗糙度控制在
(2)活塞杆设计
由前知活塞杆的直径d=32mm,活塞一端用螺纹与活塞相连接,另一端也采用外螺纹与手指连接(如图)
图4-4活塞杆外端部结构图
?
KK?
P?
M30?
2,A=20mm32mm,故取(螺纹长短型)活塞杆直径d=活塞杆结构(如图)采用实心杆
图4-5活塞杆结构图
杆体材料采用35号钢,加工后调质到硬度为229~285HBS,必要时,再经高频淬火,硬度达45~55HRC。
活塞杆直径d的圆柱度公差值,应按8级精度加工,其圆度公差值,应按9、10级精度加工;端面T的垂直度公差值应加工成7?
m之间(郑修本,1999)。
级精度;外圆表面粗糙度应处于0.4~0.8
验算活塞杆的强度
l150?
?
10
32d,属于短150mm,活塞杆已知32mm则取活塞杆的计算长度为行程活塞杆,主要验算抗拉强度。
Fn4663.5?
3s?
7.5?
2mm?
2?
d6?
?
?
10?
?
310已知d=32mm,故安全。
s式中:
F—液压缸最大推力,F取1.5×3109=4663.5;
D—活塞杆直径,ns—安全系数,一般取ns=3;
8
?
MPaMPa31035—活塞杆材料屈服极限(号钢为),查资料知s
五、手腕的驱动力矩的计算
5.1手腕转动时所需的驱动力矩
手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动,驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩,手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩,动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图5-1所示为手腕受力的示意图。
1.工件2.手部3.手腕
图5-1手碗回转时受力状态
手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:
M?
M?
M?
M?
M驱封摩惯偏MN?
cm);
:
式中-驱动手腕转动的驱动力矩(驱9
MN?
cm);
-惯性力矩(惯M-参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对偏N?
cm).
转动轴线所产生的偏重力矩(M-手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力封N?
cm);
矩(下面以图5-2所示的手腕受力情况,分析各阻力矩的计算:
1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦
?
,起动过程所用的若手腕起动过程按等加速运动,手腕转动时的角速度为?
t,则时间为:
?
)cmN.?
J)(M?
(J
1惯t?
2).s(N.cmJ;
参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量-式中:
2J).sN.cm(。
-工件对手腕转动轴线的转动惯量1J为:
若工件中心与转动轴线不重合,其转动惯量1G1?
J?
J
2c1eg12J)scm.(N.:
式中-工件对过重心轴线的转动惯量:
cG-工件的重量(N);
1e-工件的重心到转动轴线的偏心距(cm),1?
-手腕转动时的角速度(弧度/s);
?
t-起动过程所需的时间(s);
?
?
—起动过程所转过的角度(弧度)。
2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏
M?
GeeGN?
cm)
(+偏3311G-手腕转动件的重量式中:
(N);
310
e-手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)
3Ge?
0.当工件的重心与手腕转动轴线重合时,则11M3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩封f(Rd?
Rd)?
M
AB21N?
cm2)
(封dd-转动轴的轴颈直径(cm);
,式中:
21f?
0.01f?
0.1f;
,对于滑动轴承-摩擦系数,对于滚动轴承RR-处的支承反力(N),可按手腕转动轴的受力分析求解,,BA?
0F)?
M(根据,得:
AGl?
GllGRl?
122?
33BGl?
Gl?
Gl321213
Rl?
B?
M?
0,得(F):
同理,根据BG(l?
l)?
G(l?
l)?
G(l?
l)322113?
R
Al
G-的重量:
(N)
式中2l,l,l,l,—如图5-2所示的长度尺寸(cm).
3124、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封,与选用的密衬装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。
5.2回转液压缸的驱动力矩计算
在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸,它的原理如图4-2所示,定片1与缸体2固连,动片3与回转轴5固连。
动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时,推动输出轴作逆时4回转,则低压腔的气从b孔排出。
反之,输出轴作顺时针方向回转。
单叶液压缸的压力P驱动力矩M的关系为:
11
2M22)?
pb(Rr?
pM?
22
)?
rb(R2或
手腕回转缸的尺寸及其校核5.3
尺寸设计1.Dmm95R?
轴径,=190mm,半径液压缸内径为液压缸长度设计为,mmb?
501D?
?
s/90t?
mmR35?
=0.1s,
=,加速度时间液压缸运行角速度,=70mm,半径2MPa4?
0.P,
压强则力矩:
22)?
pb(Rr?
M
2
226)0.0350.4?
10?
0.1(0.095?
?
2)m.156(?
N
12
2.尺寸校核
m?
10kg,分析部件的质量分布情
(1)测定参与手腕转动的部件的质量1况,mm50r?
质量密度等效分布在一个半径的圆盘上,那么转动惯量:
2rm1?
J
2
2050.10?
?
2
2m.kg0125?
0.()kgmm100l?
的棒料上,那么转动惯量:
工件的质量为5质量分布于长2lm?
J
c1221.5?
0?
122)m(kg..?
00042
l?
150mm的棒料来说,最大偏心假如工件中心与转动轴线不重合,对于长距
e?
50mm,其转动惯量为:
12em?
J?
J11c205.?
00.0042?
5?
2).m.0167(kg0?
?
)JJ?
(?
M
1?
t惯90).01670(0.0125?
?
0.1?
26.3(N.m)
(2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏,考虑e?
0,夹持工件一端时工件重心偏离转动轴手腕转动件重心与转动轴线重合,113
e?
50mm,线则:
3M?
GeeG+偏3311?
10?
10?
0?
5?
10?
0.05?
2.5(N.m)
Mf?
0.01,(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为,对于滚动轴承摩ddd?
30mmf,
,轴的轴颈轴承直=0.1,径,为手腕转动对于滑动211RRR?
300NmmR?
150Nd?
20,
为轴颈处的支承反力,粗略估计,,BABA2f(Rd?
Rd)M
AB212?
摩0.01(300?
0.02?
150?
0.03)
2?
0.05(N.m)?
3.回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封,与MM为选用的密衬装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。
在此处估计摩封的3倍,
MM?
?
3摩封3?
0.05?
0.15(N.m)?
M?
M?
M?
M?
M29(N.m)15....263?
25?
005?
0?
?
?
驱封摩惯偏〈MM驱?
设计尺寸符合使用要求,安全。
14
六、参考文献
1.张建民.工业机器人.北京:
北京理工大学出版社,1988
2.王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封,1999,5
3.黄锡恺,郑文伟.机械原理.北京:
人民教育出版社,1981
4.龚振帮机器人机械设计北京:
电子工业出版社,1995
1987机械工业出版社,北京气压传动及控制郑洪生5...:
15
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