新型多功能氣壓立柱式四自由度工業(yè)機械手設(shè)計含開題及19張CAD圖

新型多功能氣壓立柱式四自由度工業(yè)機械手設(shè)計含開題及19張CAD圖,新型,多功能,氣壓,立柱,自由度,工業(yè),機械手,設(shè)計,開題,19,cad 多功能機械手設(shè)計 Multi-function manipulator design 摘 要 伴隨著當今科學(xué)技術(shù)水平不斷地提升，工業(yè)機械手在社會中受到了廣大人民的關(guān)注，在當今工業(yè)自動化強度逐漸提高的社會，工業(yè)機械手在被運用在各種制造業(yè)和家居生活中，這使得機械手的數(shù)量日漸的增加。所以，對于工業(yè)機械手技術(shù)的開發(fā)和生產(chǎn)也是迫在眉睫。本次論文作者就工業(yè)機械手領(lǐng)域，設(shè)計了一款新型的氣壓多功能機械手，這個機械手擁有四個自由度,采用五個氣缸完成機械手的動作。在整個的設(shè)計過程中，作者先是對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計然后對結(jié)構(gòu)中的一些主要零件進行校核，最后進行氣壓元件校核和氣壓系統(tǒng)的設(shè)計。 此次論文的課題是個具有實用性很強的項目，它將機械設(shè)計與氣壓系統(tǒng)設(shè)計緊密的結(jié)合在一起，讓我在這個過程中總結(jié)了大學(xué)四年以來所學(xué)的理論知識同時也豐富了我的設(shè)計思路。 關(guān)鍵詞：機械手；氣壓系統(tǒng)；四個自由度 42 Abstract With the modern science and technology level constantly increase, the industry manipulator by the broad masses of the people's attention in the society, in today's industrial automation intensity gradually improve society, industrial robots are used in various manufacturing and living in the life, the number of the manipulator is increased. Therefore, the development and production of industrial mechanical hand technology is extremely urgent. In this paper, the author designed a new pneumatic multi-functional manipulator in the field of industrial manipulator. The manipulator has four degrees of freedom and use five cylinders to complete the manipulator. During the whole design process, the author designed the structure and checked some major parts in the structure, and finally carried out the design of the pneumatic element checking and pneumatic system. Topic of this paper is a practical project, it will be the combination of mechanical design and pneumatic system design closely together, let me in the process, summed up the university four years learning theory knowledge but also enriched my design ideas. Key words: manipulator; Air pressure system; four degrees of freedom 目 錄 摘 要 IV Abstract V 1 引言 1 1.1選題背景及意義 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 1.2.1 世界機器人的發(fā)展 1 1.2.2我國工業(yè)機器人的發(fā)展 2 1.2.3發(fā)展趨勢 2 1.3本設(shè)計主要研究的內(nèi)容 4 1.3.1機械結(jié)構(gòu)部分 4 1.3.2機械手的驅(qū)動方式 5 2機械手的總體設(shè)計 6 2.1機械手的組成 6 2.2機械手的設(shè)計 6 2.2.1設(shè)計要求 6 2.2.2總體設(shè)計任務(wù) 6 2.2.3總體方案擬定 7 3 機械手各部件的載荷計算及校核 9 3.1 設(shè)計要求分析 9 3.2手指夾緊機構(gòu)的設(shè)計 9 3.3軸的設(shè)計： 11 3.3.1前臂回轉(zhuǎn)軸的強度初選尺寸及校核 12 3.3.2前臂桿空心圓桿載荷的計算及校核 15 3.3.3升降臂桿回轉(zhuǎn)軸的尺寸選擇及校核 18 3.3.4升降臂桿重要心軸尺寸選擇及校核 19 4機械傳動系統(tǒng)設(shè)計 22 4.1俯仰氣缸設(shè)計計算及校核 23 4.1.1氣缸內(nèi)徑的確定 23 4.1.2活塞桿直徑的確定 24 4.1.3缸筒長度的確定 24 4.1.4氣缸筒的壁厚的確定 25 4.1.5氣缸耗氣量的計算 26 4.1.6氣缸進排氣口直徑的計算 26 4.1.7活塞桿的校核 27 4.2夾緊氣缸設(shè)計計算與校核 28 4.2.1氣缸內(nèi)徑的確定 29 4.2.2活塞桿直徑的確定 30 4.2.3缸筒長度的確定 30 4.2.4氣缸筒的壁厚的確定 31 4.2.5氣缸耗氣量的計算……..............................................................................................................32 4.2.6氣缸進排氣口直徑的計算 32 4.2.7活塞桿的校核 32 5 氣壓傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計 35 結(jié) 論 36 參考文獻 37 致 謝 38 1 引言 1.1選題背景及意義 跟隨著工業(yè)自動化程度逐漸的進步和科學(xué)技術(shù)不停的更新，工業(yè)的生產(chǎn)方法也隨之發(fā)生了革命性的改變，從手工作坊式的生產(chǎn)演變成現(xiàn)在自動化的生產(chǎn)流程。比如一些工業(yè)工作現(xiàn)場有很多負荷大、勞動力強、危險系數(shù)高等場合最終將會由機器人所代替。一方面很大程度上減輕了人類的體力勞動強度，在另外一方面也在一定程度上提高了勞動生產(chǎn)率。 經(jīng)過本課題的研討能夠使得學(xué)生在整個畢業(yè)設(shè)計的過程中充分的利用所學(xué)專業(yè)知識和實踐理論，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計思維，能夠更全面和系統(tǒng)的將所學(xué)知識結(jié)合在一起。 本次課題所研究的助力多功能機械手所采用的傳動系統(tǒng)為氣壓傳動。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1 世界機器人的發(fā)展 在20世紀初的時候，機械手就出現(xiàn)在了機床加工和汽車的制造裝配行業(yè)。在1913年當時工業(yè)發(fā)展并不太完善的情況下，美國的Ford汽車公司成功調(diào)試了世界上第一條汽車零件加工與裝配的自動化生產(chǎn)線并完成了生產(chǎn)線的制造，F(xiàn)ord公司采用了工業(yè)機械手裝置來完成上下料的動作同時完成工件的抓取及傳送。所以可以看出工業(yè)機械手在自動化生產(chǎn)線發(fā)面有著很重要的地位與作用。 隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，人們?yōu)榱私鉀Q搬運大物件的難題，研制出了一種能夠?qū)ｉT進行物件的抓取及搬運的裝置，這個裝置就是操作機，它通過工人控制按鈕操作來進行大物件的搬運，在很大程度上減輕了人類的體力勞動，大大節(jié)約了成本。在兵工廠的生產(chǎn)中用它來進行易燃易爆和有毒等火工品的加工及裝配等操作。這類型的裝置的特點就是不附屬于同一個工作主機，并且依靠人的操作來實現(xiàn)動作的完成。因此有人將這種操作裝置稱為遙控操作機，操縱型機器人等。 工業(yè)機械手出現(xiàn)在相對于較晚的時候，當時美國為了使自己國家的工業(yè)自動化程度提高從而開始了工業(yè)機械手的研究與設(shè)計，在很短的時間內(nèi)，就成功研制了半自動化工業(yè)機械手。日本、蘇聯(lián)、歐洲這些發(fā)展相對較快的國家在美國成功研制出機械手之后也開始了工業(yè)機械手的設(shè)計與制作。其中日本機械手的發(fā)展速度是最快的國家。 1.2.2我國工業(yè)機器人的發(fā)展 我國工業(yè)機械手最早的出現(xiàn)是用在汽車的制造及裝配行業(yè)，通常用這類機械手完成物體的上下料、噴漆和搬運等勞動強度較大的地方。工業(yè)機械手的產(chǎn)生減輕了人類的體力勞動，它代替了很多人們從事一些非常危險的工作，在保證增加了生產(chǎn)效率和質(zhì)量的前提下幫助人們完成繁瑣，單調(diào)的勞動。機械手目前主要應(yīng)用在制造生產(chǎn)行業(yè)中，尤其在手機電腦等電子產(chǎn)品的制造和汽車裝配比如車門，車床以及輪胎的夾取還有塑料加工以及金屬加工等行業(yè)中。在當今這個日益迅速發(fā)展的時代，隨著加工和裝配的任務(wù)復(fù)雜程度的逐漸提高，所需要的工業(yè)機械手自動化程度和性能也要相對應(yīng)的變得更加高端，所以工業(yè)機械手的領(lǐng)域?qū)拥膶挿骸? 我國現(xiàn)在的工業(yè)機械手的應(yīng)用范圍就已經(jīng)很普及了。在國家科學(xué)院的支持下 ，我國的智能機器人和特種加工機器人取得了很大的進步和發(fā)展，讓我們引以為豪的是水下機器人的突破，它能夠在6千米的水下進行工作，這種成果在世界處于領(lǐng)先的水平，我國還研制出無線遙控機器人、爬壁式機器人，手術(shù)機器人等一些特殊的機種。目前，我國機器人正在向視覺、觸覺、聽覺等基礎(chǔ)上研究與設(shè)計，并且已經(jīng)有了一定的發(fā)展。但是在一些傳感器信息控制技術(shù)和自主遙控機器人還有全智能化裝配機器人等方面的研制工作剛剛出于起步階段，和國外的水平差距還是很顯著地。所以我國工業(yè)機器人的前景是一片廣闊的，以后我們的生活將會在機器人的改變下變得更加的方便，快捷。 1.2.3發(fā)展趨勢 機械手的發(fā)展趨勢一定是往智能化程度更高的方向發(fā)展。將來所研制的機械手會是集各種傳感器為一體，能夠檢測和感知人體系統(tǒng)，它會隨著外界的條件的改變產(chǎn)生自適應(yīng)能力，完成工件的加工及裝配，就比如在機械手上安裝了視覺和距離傳感器，能夠準確地自動尋找所需的加工工件，完成一條生產(chǎn)線上的完全自動化，這樣就能完成以后的無人工廠的工作。截止到目前，這種機械手可以說是已經(jīng)起步并且取得了一定的成就。這里所說的視覺機械手即在上面安裝微型攝像機和光學(xué)測距儀器還有微型計算機，工作的時候微型攝像機拍攝出外界的狀況比如說一些工件的特征，然后經(jīng)過系統(tǒng)的分析傳送至微型計算機，在經(jīng)過系統(tǒng)的整合與分析傳遞出相應(yīng)的信號，從而控制機械手的各種工作動作及方式。這種機械手一般都用在精度比較高的地方。 總的來說，伴隨著傳感技術(shù)的提升工業(yè)機械手所能達到的裝配能力也會大大的提高。與此同時，機械手所工作的領(lǐng)域也將會不斷地擴大，未來的機械手可以給人類帶來諸多的便利。  1.3本設(shè)計主要研究的內(nèi)容 本次的課題我所設(shè)計的是擁有四個自由度的多功能機械手，采用的傳動系統(tǒng)為氣壓傳動，主要完成以下任務(wù)： 機械部分 機械手結(jié)構(gòu)方面由手爪結(jié)構(gòu)、前臂結(jié)構(gòu)、大臂結(jié)構(gòu)和底座部分組成。手爪是抓取工件的結(jié)構(gòu)，用來夾緊和放松橡膠塊，采用的是左右的夾緊方式；前臂是連接手爪部分和大臂的部件，它是由一個空心圓管與一個方管焊接而成的，通過法蘭盤可以進行回轉(zhuǎn)運動。大臂是整個機械手最大的部件，它的運動范圍相對與其它部位要大一些，中間通過軸承與軸的配合可以進行左右擺動和俯仰動作；支座用來支撐整個機械手，它是固定在相應(yīng)工作環(huán)境中地面上的。 1.3.1機械結(jié)構(gòu)部分 1.運動形式方案的選擇 為了讓機械手能夠完成自己設(shè)置的相應(yīng)動作，應(yīng)該選取相應(yīng)的方案。本次我用的是球坐標機構(gòu)的運動方式。 2.前臂的結(jié)構(gòu) 前臂的運動為回轉(zhuǎn)工作，其中左右轉(zhuǎn)動采用氣壓驅(qū)動。 3.大臂結(jié)構(gòu) 大臂是主要的結(jié)構(gòu)，它能進行左右轉(zhuǎn)動和俯仰運動，實現(xiàn)物體的上升和下降。俯仰動作由俯仰氣缸推動活塞桿從而控制活塞桿的長度來完成的，。 4.手爪結(jié)構(gòu) 手抓結(jié)構(gòu)采用氣壓直接驅(qū)動方式。 5.底座結(jié)構(gòu) 底座結(jié)構(gòu)采用的是立柱的形式。底座能夠進行回轉(zhuǎn)的動作，采用的氣壓驅(qū)動方式。 1.3.2機械手的驅(qū)動方式 本次機械手驅(qū)動方式所采用的是氣壓驅(qū)動。氣壓傳動能夠滿足本次機械手的各部位的運動。手臂的回轉(zhuǎn)和俯仰運動都采用氣壓驅(qū)動同時手爪的驅(qū)動也采用氣壓驅(qū)動。  2機械手的總體設(shè)計 2.1機械手的組成 大多數(shù)機械手都是由機械結(jié)構(gòu)部分、傳動系統(tǒng)部分、控制系統(tǒng)部分這三個部分組成的。 機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：機械手的機械結(jié)構(gòu)部分一般包括手爪夾緊裝置、前臂、大臂、立柱這幾個部分。 傳動系統(tǒng)：傳動系統(tǒng)就是能使機械手產(chǎn)生各種運動的動力所在部分，機械能傳遞到機械手的各個運動關(guān)節(jié)部分從而使得這些關(guān)節(jié)工作。 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)就是能夠控制機械手的各種動作，比如夾緊放松，上升下降以及急停等這些動作。 2.2機械手的設(shè)計 2.2.1設(shè)計要求 我設(shè)計的機械能完成以下一系列的運動方式：原始狀態(tài)→手爪張開→抓住工件→手臂俯仰運動→機身轉(zhuǎn)動→放下物體→立柱回轉(zhuǎn)到原始狀態(tài) 本次機械手的運動參數(shù)： （1） 機械手的服務(wù)半徑為3000mm。 （2） 機械手的上下行程為1300mm。 （3） 工件（橡膠）的尺寸為270mm-650mm。 （4） 工件（橡膠）的重量為50kg-110kg 2.2.2總體設(shè)計任務(wù) （1）多功能機械手結(jié)構(gòu)模塊的選擇：立柱式機械手。 （2）自由度的確定：自由度是機械手在空間立體上的能夠運動個數(shù)的多少，自由度越高說明機械手的運動方向越多，控制起來也不容易，本次我所設(shè)計的是四自由度的機械手，它能夠完成我的任務(wù)要求。 （3）傳動方式的選擇 a:液壓傳動、b：氣壓傳動、c：電機傳動、d：機械聯(lián)動。其中液壓和氣壓傳動較為常見和通用。 液壓傳動：一般的液壓傳動系統(tǒng)傳動的精度很大，主要是因為它的潤滑系統(tǒng)很好，能夠以很高的速度運動，控制起來也比較方便，因為液體不可被壓縮，所以它的動力很大，因此一般的液壓系統(tǒng)用在重型或大型工業(yè)生產(chǎn)中，然而液壓在工廠中有污染并且很臟，一旦液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問題維修起來也會是一個很大的問題。 氣壓傳動：氣動配置的結(jié)構(gòu)相對與簡單了許多，同時安裝和維護的成本較低。工作氣壓比較低，這樣使用起來就比較安全。氣壓傳動的工作介質(zhì)是空氣也就是說這樣有很多的資源供我們使用同時還不會污染大氣；氣壓傳動不會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象所以可以在超負載的工作環(huán)境中正常工作。但是氣壓傳動也存在著許多缺點，比如在氣壓傳動過程中排氣系統(tǒng)的噪音比較大，所以一般我們加上消聲器來減小噪音；氣壓傳動定位精度不夠高，工作速度不夠快，所以氣壓傳動不適合高速運動的場合。 電機傳動：通常我們用電機傳動一般是步進電機和伺服電機，這種電機可以用于那些程序復(fù)雜同時運動軌跡又有很明確要求的小中型的機械手。然而直流電機就可以進行重型手同時運行速度低的機械手。電機傳動適合于驅(qū)動力矩大，信號傳遞快，控制方式相對于靈活的機械手。 機械聯(lián)動：機械聯(lián)動的動作穩(wěn)定，其運動范圍小同時結(jié)構(gòu)又比較繁瑣，一般用在自由度數(shù)少而傳動速度較快的一些特定的機械手。 綜上所述，本次設(shè)計我們選用的傳動系統(tǒng)為氣壓傳動。 2.2.3總體方案擬定 本次設(shè)計的機械手為四自由度立柱式機械手 這四個自由度的分配具體方式如下所述： （1） 手腕回轉(zhuǎn)自由度。采用氣壓缸來完成腕部的回轉(zhuǎn)自由度，這個氣缸主要為剎車氣缸，能夠使手腕部位立刻停止運動。 （2） 前臂回轉(zhuǎn)自由度。同樣也是采用氣壓缸來完成前臂的回轉(zhuǎn)運動，該氣缸也為剎車氣缸，能夠使臂桿運動部位產(chǎn)生急停動作。 （3） 大臂的俯仰運動自由度。大臂俯仰運動采用氣壓缸來實現(xiàn)，它的行程靠活塞桿的長度和行程開關(guān)來決定。 （4） 底座的回轉(zhuǎn)自由度。底座也是采用的氣壓缸來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)的運動，同時也是剎車氣缸的制動來實現(xiàn)底座的急停。  3 機械手各部件的載荷計算及校核 3.1 設(shè)計要求分析 本次我所設(shè)計的多功能機械手所用的是立柱式，全氣壓傳動方式。能夠?qū)崿F(xiàn)的是手腕的回轉(zhuǎn)、前臂桿的回轉(zhuǎn)、大臂桿的俯仰、底座的回轉(zhuǎn)這四個自由度。相對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)為手部抓取裝置、手腕的回轉(zhuǎn)機構(gòu)、前臂的回轉(zhuǎn)機構(gòu)、大臂的俯仰機構(gòu)、底座的回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成，這些機構(gòu)都是由氣缸驅(qū)動和控制的。 3.2手指夾緊機構(gòu)的設(shè)計 圖3-1為手指夾緊裝置 設(shè)計中采用夾鉗式取料手，夾取面采用Q235材料，設(shè)計成凸點分布來增加摩擦力，查閱資料可得工件與夾持面的摩擦系數(shù)約為0.5。手指的夾緊放松動作采用單活塞，雙作用氣缸來完成，采用曲柄滑塊機構(gòu)往復(fù)的傳動。 手指對工件的夾緊力計算： 式中： ——安全系數(shù)，取1.5。 ——考慮慣性力的工作情況系數(shù) 可估算： = 其中：——重力加速度； ——提升工件時豎直方向的最大上升加速度，可計算： ——提升工件時豎直方向的最大上升速度，0.05。 —系統(tǒng)達到最高速度所需要的時間，一般取0.3～0.5。我們?nèi)?.5s。 計算得：=1.01。 ——方位系數(shù) 查表2-1計算=1。 表3-1 ——工件的重力（）。 計算可得： 手指夾緊放松動作由雙作用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)，曲柄滑塊機構(gòu)中損耗的能量約15％。則手指夾緊缸的載荷為： 1666.5/0.85=1960.6 3.3軸的設(shè)計： 軸是一個非常重要的零件。軸在機械手中一般都作為支撐件和回轉(zhuǎn)件，它在里面有不可替代的作用，其中軸套要與軸完美的配合起來，這樣才能使得軸的壽命增加，使用效果更好，一般都是軸的轉(zhuǎn)動來支撐機械臂的回轉(zhuǎn)俯仰等動作，所以也可以這樣說，軸是機械手的核心所在。 我們根據(jù)承受載荷的方式不同，可以將軸分為回轉(zhuǎn)軸、傳動軸、心軸這三種。在機器運動的過程中有彎矩的作用也有扭矩的作用我們叫這樣的為轉(zhuǎn)軸，傳動軸一般只承受轉(zhuǎn)矩，可能會有一點彎矩的作用，因為一般的機器它的同軸度可能沒有那么精確。那么最后一種心軸就只承受彎矩的作用了。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計一般為了讓它能滿足運動要求，我們需要對軸進行抗彎強度的分析和抗扭能力的計算，找到軸的最大強度從而防止軸的斷裂或者受拉而產(chǎn)生的變形，也讓軸在工作中能按照實際的要求能夠穩(wěn)定性的工作，一般對整個軸的校核就是對那個最危險的截面進行校核，如果它能滿足校核的各種強度要求，那么整個軸就可以安全的在你設(shè)定的環(huán)境中工作。如下，我們來進行軸的設(shè)計與校核。 3.3.1前臂回轉(zhuǎn)軸的強度初選尺寸及校核 圖3-2為前臂桿 本次設(shè)計的前臂回轉(zhuǎn)軸主要受拉應(yīng)力，所以進行抗拉強度分析即可，軸的主要分為碳鋼和合金鋼，因為碳鋼比合金鋼的價錢更便宜，碳鋼能夠很好的應(yīng)對應(yīng)力集中的問題，同時還可以對碳鋼進行表面熱處理以及一些化學(xué)加工的方法從而提高軸的強度和耐磨性能。所以本次設(shè)計采用Q235材質(zhì)。 前臂桿腕部回轉(zhuǎn)軸的尺寸選擇及校核: 圖3-3為前臂桿回轉(zhuǎn)軸 1. 選擇回轉(zhuǎn)軸的尺寸 初選回轉(zhuǎn)軸最薄弱截面的直徑是40mm 2. 拉壓強度的校核 經(jīng)分析小臂回轉(zhuǎn)軸主要受拉力作用 由σ=FA Ｆ＝（Ｍ爪+m）×g ∴σ=（Ｍ爪+m）×gπ×r2 ∴σ=73+110×10π×x202=1.46Mpa 表3-2 由上表3-2可知，Q235材料在直徑為40mm的時候[σ]=225Mpa ∴σ?[σ] 所以這個回轉(zhuǎn)軸符合強度的要求。  3.3.2前臂桿空心圓桿載荷的計算及校核 圖3-4為空心圓桿 表3-3抗彎扭合成強度計算軸頸公式 空心圓桿受到的拉力F=M爪+m×g 空心圓桿受到的彎矩為M=F×L圓桿 ∴ M=M爪+m×g×L圓桿=73+110×10×0.584N?m =1068N?m 如表3-2所示，軸d=21.68×3MσP×131-α4 ∴σP=M1-α4×21.683d3 由表可得α=d1d 其中 d1=71mm ， d=76mm 由計算可得： σp=98.4Mpa 因為我們選用的是固定的圓桿同時處于載荷平穩(wěn)狀態(tài) ∴ σp=σ+1p 材料牌號: Q235,Q235F 毛坯直徑/mm: 76mm 　 硬度（HB）: 　 MPa 不小于|抗拉強度σb: 440 MPa 不小于|屈服點σs: 240 MPa 不小于|彎曲疲勞極限σ-1: 180 MPa 不小于|扭轉(zhuǎn)疲勞極限τ-1: 105 許用靜應(yīng)力[σ+1]|MPa: 176 許用疲勞應(yīng)力[σ-1]|MPa: 120～138 ∴ σp<[σp] 所以這個空心圓桿滿足彎曲強度的要求。  3.3.3升降臂桿回轉(zhuǎn)軸的尺寸選擇及校核 圖3-5 升降臂桿主回轉(zhuǎn)軸剖視圖 1：主回轉(zhuǎn)軸的尺寸選擇 初選，主要回轉(zhuǎn)軸的危險截面的直徑為60mm 2：對回轉(zhuǎn)軸進行受力分析及校核 經(jīng)分析可得本次回轉(zhuǎn)軸主要受彎矩，可得： F=M總×g=（M爪+M管+m）×g =（73+20+110）×10=2030N M=F×L ∴ M=2030×1.465N?m=2974N?m 因為此次選擇的是實心軸，所以： d=21.683Mσp ∴ σp=M×21.683d3=140MPa ∴ ∴σp<[σp] 所以該回轉(zhuǎn)軸滿足彎曲強度的校核。 3.3.4升降臂桿重要心軸尺寸選擇及校核 圖3-6升降臂桿主受力心軸 本次設(shè)計的升降臂桿主心軸只受彎矩，所以進行抗彎強度分析即可，升降臂桿心軸的材料主要分為碳鋼和合金鋼，由于碳鋼比合金鋼價格便宜實惠，碳鋼對應(yīng)力集中的敏感性比較低，同時還能進行熱處理和化學(xué)處理的方法從而提高耐磨性和抗疲勞強度，所以本次設(shè)計采用Q235材質(zhì)。表面進行鍍鉻處理。 1. 心軸尺寸的選取 初選軸徑為40mm 2. 對心軸進行受力分析及校核 則支反力 作出此心軸的受力分析圖與彎矩圖如下圖3 圖3-7 軸的受力分析圖 T=0 該軸主要材料為Q235，查閱表3-2，得Q235許用彎曲應(yīng)力=40MPa 表 3-4軸的常用材料及其主要力學(xué)性能  4機械傳動系統(tǒng)設(shè)計 本次的傳動系統(tǒng)主要為氣缸的設(shè)計，本次設(shè)計的主要為兩個雙作用氣缸和三個夾緊氣缸。橫向氣缸的作用是實現(xiàn)物料的夾緊與放松，縱向氣缸的作用是實現(xiàn)中臂桿的俯仰運動，三個夾緊氣缸主要是為了使機械手實現(xiàn)急停保護。氣缸結(jié)構(gòu)的要求主要分為兩點，第一點是氣缸的質(zhì)量要盡可能的輕一點 ，這樣不但能節(jié)約材料還可以提高運動速度；第二點是氣缸上的活塞桿要有一定的剛度，如果剛度不夠那么活塞桿可能產(chǎn)生變形，這樣它的運動和定位精度就得不到保障，所以這一點很重要。 氣缸的設(shè)計流程圖如圖1所示 圖4-1 氣缸設(shè)計流程圖 通常氣缸可以分為單作用氣缸和雙作用氣缸，單作用氣缸就是只在氣缸的一端通入高壓氣體，然后通過氣體的壓力作用推動活塞桿的單向運動，然后活塞桿的反向運動是由其它外力來完成的，不同的是雙作用氣缸它的氣源都可以來自氣缸的兩端，活塞桿的往復(fù)運動都是兩端的氣壓的推動作用，然而兩端的氣壓大小并不相同，也就是說產(chǎn)生的力的大小不一樣。為了能使活塞桿左右往復(fù)有規(guī)律的運動，我選擇的是雙作用單活塞桿氣缸來完成本次的傳動設(shè)計。 4.1俯仰氣缸設(shè)計計算及校核 在進行氣缸的計算時要考慮到氣缸與活塞之間的摩擦、活塞桿與限位之間的接觸摩擦，以及氣缸在沒有工作時所能產(chǎn)生的實際輸出力，也就是額定輸出。此次要能產(chǎn)生的負載力的大小為267kg。通常為了確定氣缸缸徑以及氣缸的各種參數(shù)，我們通常會用到負載率 β： 表4-1 由《液壓與氣壓傳動》表4-1： 負載的平均運動速度 v=3m/min=50mm/s，取β=0.60，所以實際氣壓缸的負載大小為： F=F0×β 其中F0=M爪+M管+M中臂桿+m×g =73+20+110+64×10 =2670N ∴ F=2670×0.6=1602N 4.1.1氣缸內(nèi)徑的確定 表4-2 D=1.27FP=1.2716020.6×106 =65.62mm F—氣缸的輸出拉力 N； P —氣缸的工作壓力Pa 按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=80 mm 氣缸缸徑尺寸系列 表4-3 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180） 200 （220） 250 320 400 500 630 4.1.2活塞桿直徑的確定 由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=24mm，由表：活塞桿直徑取d=25mm 活塞桿直徑系列 表4-4 4.1.3缸筒長度的確定 缸筒長度S=L+B+30 L為活塞行程； B為活塞厚度 活塞厚度B=(0.6~1.0)D= 0.7×80=56mm 由于氣缸的行程L=500mm ,所以S=L+B+30=586mm 導(dǎo)向套滑動面長度A: 通常導(dǎo)向套滑動面長度為A，當D<80mm時，可取A=(0.6~1.0)D；當D>80mm時,取A=(0.6~1.0)d。 所以A=25mm 最小導(dǎo)向長度H： 已知氣缸的最大行程為L，當缸筒直徑為D時，則最小導(dǎo)向長度為： H≥L20+D2 代入數(shù)據(jù) 即最小導(dǎo)向長度H≥50020 +802 =65mm 活塞桿的長度l=L+B+A+65=500+56+25+65=646mm 4.1.4氣缸筒的壁厚的確定 由《液壓與氣動手冊》可查氣缸筒的壁厚δ可根據(jù)薄壁筒公式來進行計算：δ ≥P.D2σ 式中 δ—缸筒壁厚（m）； D—缸筒內(nèi)徑（m）； P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）； σ—缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa）； 理論氣缸筒壁厚的取值：對于普通用途的氣缸一般取計算值的7倍；對于大型氣缸一般取計算值的20倍，再圓整到規(guī)范管材尺碼。 參考《液壓與氣壓傳動》缸筒壁厚強度計算及校核 σ=σbn,我們的缸體的材料選擇45鋼，σb=600 MPa，σ =6005=120 MPa n為安全系數(shù) 一般取 n=5； σb 缸筒材料的抗拉強度(Pa) P—缸筒壁所能承受的最大工作壓力（MPa）。當p≤16 MPa時，P取1.5p； 當p＞16 MPa時，P取1.25p 由此可知工作壓力0.6 MPa小于16 MPa P=1.5p=1.5×0.6=0.9 MPa δ ≥P.D2σ= 0.9×802×120 =0.3mm 參照下表4-5， 氣缸筒的壁厚圓整取δ = 7 mm 表4-5 4.1.5氣缸耗氣量的計算 Q = πD24ts = πD2?V4ηv P+PaPa = π 0.082 ×0.05m/s4×0.95?0.6+0.10.1 =1.85×10-3m3/s 4.1.6氣缸進排氣口直徑的計算 v—空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=10~15（ms） 選取v = 12 m/s 由公式 d0 = 2Qπv 代入數(shù)據(jù)得 d0 = 2×1.85×10-3π×12=14.014 mm 氣缸排氣口直徑 表4-6 所以取氣缸排氣口直徑為15 mm Q— —工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（m3s） V----空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=10~25（ms） 4.1.7活塞桿的校核 由于本次所選活塞桿的長度L>10d，所以不僅要進行強度校核而且還需要對穩(wěn)定性進行校核。基于以上考慮本活塞桿的材質(zhì)選擇45號鋼。 參考《機械設(shè)計手冊》 由《液壓氣動技術(shù)手冊》 活塞桿的穩(wěn)定性校核： 由公式 FP0 ≤ FKnK 式中 FP0— 活塞桿所承受的最大軸向力（N）； FP0=1602N FK — 縱向彎曲極限力（N）； nK — 穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.5~4。綜合考慮選取2 K—活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，對于實心桿K=d/4 代入數(shù)據(jù) K =25/4=6.25mm 由于細長桿比LK ≥ 85m 即 FK = mEJπ2L2 實心圓桿： J = πd464 式中 L— 氣缸的安裝長度 ； m— 末端系數(shù)；選擇固定—自由 m = 1/4 E— 材料彈性模量，鋼材 E = 2.1 × 1011 Pa ； J— 活塞桿橫截面慣性力矩（m4）； d— 活塞桿的直徑（m）； 表4-7 L— 氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為646mm 代入數(shù)據(jù)得 FK =5.942× 104 N 因為 FKnK = 2.971× 104 > FP0 ∴ 活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件； 活塞桿的強度校核： 由公式 d ≥ 4Fp0πσ σ=σbn ，n為安全系數(shù) 一般取 n=5； σb 缸筒材料的抗拉強度(Pa) 45鋼的抗拉強度，σb=600 MPa ，σ=σbn = 6005 = 120 MPa 則 4Fp0πσ = 4.16 mm ＜ d ，所以強度滿足要求； 綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強度的校核都通過了，即滿足要求。 4.2夾緊氣缸設(shè)計計算與校核 如果按照普通的安裝方式夾緊氣缸活塞桿需承受特別大的徑向力，這樣的話就對活塞桿的強度要求很高同時又耗費許多原材料最重要的就是活塞桿的壽命減短，所以這種安裝方式很不合理。所以需要在夾緊氣缸下面加上一組滑動工字型導(dǎo)軌來承受夾緊氣缸的徑向力，這樣的方案就使得整個的系統(tǒng)變得更加的簡單與合理。 圖4-2為夾緊氣缸裝置 由手抓夾緊力可知：橫行氣缸的總載荷為:F總=1960.6N ∴ F=F總×β=1960.5×0.6 =1176.3N 4.2.1氣缸內(nèi)徑的確定 表4-8 D=1.27FP= 1.27 F總P?=1.271176.30.6×106 =56.23mm F—氣缸的輸出拉力 N； P —氣缸的工作壓力Pa 按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=63 mm 氣缸缸徑尺寸系列 表4-9 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180） 200 （220） 250 320 400 500 630 4.2.2活塞桿直徑的確定 由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=18.9mm 由表活塞桿直徑取d=20mm 活塞桿直徑系列 表4-10 4.2.3缸筒長度的確定 缸筒長度S=L+B+20 L為活塞行程；B為活塞厚度 活塞厚度B=(0.6~1.0)D= 0.7×63=44mm 由于氣缸的行程L=350mm ,所以S=L+B+20=414mm 導(dǎo)向套滑動面長度A: 通常導(dǎo)向套滑動面的長度為A，當D<80mm時，可取A=(0.6~1.0)D；當D>80mm時,取A=(0.6~1.0)d。 所以A=20mm 最小導(dǎo)向長度H： 根據(jù)經(jīng)驗，當氣缸的最大行程為L，缸筒直徑為D，最小導(dǎo)向長度為：H≥L20+D2 代入數(shù)據(jù) 即最小導(dǎo)向長度H≥35020 +632 =49 mm 活塞桿的長度l=L+B+A+40=350+44+20+49=463 mm 4.2.4氣缸筒的壁厚的確定 根據(jù)《液壓與氣動手冊》可查氣缸筒的壁厚δ可以根據(jù)薄壁筒公式來進行計算：δ ≥P.D2σ 式中 δ—缸筒壁厚（m）； D—缸筒內(nèi)徑（m）； P—缸筒可以承受的最大工作壓力（MPa）； σ—缸筒所選材料的許用應(yīng)力（MPa）； 理論氣缸筒壁厚的取值：對于普通用途的氣缸約取計算值的7倍；大型氣缸約取計算值的20倍，再圓整到規(guī)范管材尺碼。 參考《液壓與氣壓傳動》缸筒壁厚強度計算及校核 σ=σbn,我們的缸體的材料選擇45鋼，σb=600 MPa，σ =6005=120 MPa n為安全系數(shù) 一般取 n=5； σb 缸筒材料的抗拉強度(Pa) P—缸筒壁所能承受的最大工作壓力（MPa）。當p≤16 MPa時，P取1.5p； 當p＞16 MPa時，P取1.25p 由此可知工作壓力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9 MPa δ ≥P.D2σ= 0.9×632×120 =0.24mm 參照下表4-11 氣缸筒的壁厚圓整取δ = 6mm 表4-11 4.2.5氣缸耗氣量的計算 Q = πD24ts = πD2?V4ηv P+PaPa = π 0.0632 ×0.05m/s4×0.95?0.6+0.10.1 =1.15×10-3m3/s 4.2.6氣缸進排氣口直徑的計算 v—空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=10~15（ms） 選取v = 12 m/s 由公式 d0 = 2Qπv 代入數(shù)據(jù)得 d0 = 2×1.15×10-3π×12=11.05 mm 氣缸進排氣口直徑 表 4-12 所以取氣缸排氣口直徑為10 mm R— —工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（m3s） V----空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=10~25（ms） 4.2.7活塞桿的校核 由于本次所選活塞桿的長度L>10d，所以不僅要進行強度校核而且還需要對穩(wěn)定性進行校核?；谝陨峡紤]本活塞桿的材質(zhì)選擇45號鋼。 參考《機械設(shè)計手冊》 由《液壓氣動技術(shù)手冊》 穩(wěn)定性校核： 由公式 FP0 ≤ FKnK 式中 FP0— 活塞桿所能承受的最大軸向壓力（N）； FK — 縱向彎曲極限力（N）； nK — 穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.5~4。綜合考慮選取2 K—活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，對于實心桿K=d/4 代入數(shù)據(jù) K =10/4=2.5mm 由于細長桿比LK ≥ 85m 即 FK = mEJπ2L2 實心圓桿： J = πd464 式中 L— 氣缸的安裝長度 ； m— 末端系數(shù)；選擇固定—自由 m = 1/4 E— 材料彈性模量，這里 E = 2.1 × 1011 Pa ； J— 活塞桿橫截面所受慣性力矩（m4）； d— 活塞桿的直徑（m）； 表4-13 L— 氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為463mm 代入數(shù)據(jù)得 FK =1.18× 104 N 因為 FKnK =0.59 × 104 > FP0 所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件； 強度校核： 由公式 d ≥ 4Fp0πσ σ=σbn ，n為安全系數(shù) 一般取 n=5； σb 缸筒材料的抗拉強度(Pa) 45鋼的抗拉強度，σb=600 MPa ，σ=σbn = 6005 = 120 MPa 則 4Fp0πσ = 1.92 mm ＜ d ，因此強度滿足要求； 綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強度的校核都通過了，即滿足要求。  5 氣壓傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計 本次設(shè)計的氣壓控制系統(tǒng)有三個剎車氣缸，一個手指夾緊放松氣缸和一個大臂升降氣缸。通過按下控制面板上的急停按鈕來控制三個剎車氣缸的剎車制動；按下夾緊按鈕控制手指氣缸的夾緊，按下放松按鈕控制手指氣缸的放松；按下上升和下降按鈕可以控制大臂氣缸的上升和下降運動。具體的控制方式如下圖5-1所示： 圖5-1 結(jié) 論 本次的畢業(yè)設(shè)計做的是多功能機械手。此次畢設(shè)我主要的任務(wù)是完成機械手的結(jié)構(gòu)部分設(shè)計比如手指夾緊機構(gòu)，臂桿機構(gòu)的設(shè)計，同時采用氣壓傳動控制的系統(tǒng)來完成機械手的傳動和控制。主要的工作包含： 1. 經(jīng)過查看閱覽與機械手相關(guān)的資料，了解介紹了當今國內(nèi)外工業(yè)機械手的發(fā)展情況和以后的發(fā)展前景還有我們國家需要加強的方面。在一定形式上拿出一些高端科技和日常生活生產(chǎn)中的常見的多種工業(yè)機器人。 2. 通過本次課題所給定的要求，我選取了四個自由度的機械手來完成本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)，經(jīng)過多次的分析和總結(jié)，更加的論實了這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計的穩(wěn)定性和可實施性。 3. 通過對機械手夾緊力矩的多次計算，然后對比各種傳動系統(tǒng)的優(yōu)缺點，我最后選用了氣壓傳動和控制的方案。 4. 通過機械手在實際工作工程中的工作要求，我選取了合適的氣壓元件主要為氣壓缸和活塞桿的選取，并對它們進行了穩(wěn)定性和強度的校核，從而確定了氣壓元件的尺寸大小以及所選用的材料等，最后畫出了一些主要的機械結(jié)構(gòu)圖，能夠更好的輔助設(shè)計的說明。 參考文獻 [1] 郭洪紅.工業(yè)機器人運用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社.2008-7.7～11，15，19，26～30，40，44～45，51，68，79～84，91. 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