五自由度機(jī)械臂設(shè)計

五自由度機(jī)械臂設(shè)計,自由度,機(jī)械,設(shè)計 摘 要 隨著機(jī)械的發(fā)展，很多各種新型的設(shè)備被廣泛的用到各行各業(yè)當(dāng)中，尤其是這些搬運(yùn)機(jī)械手和機(jī)械手器人，也是被用到比如物流港口以及機(jī)械加工行業(yè)，能夠取代人工實(shí)現(xiàn)高效率的作業(yè)要求，有著非常好的操作性能，特別是對于各種不同復(fù)雜的工作環(huán)境當(dāng)中，有著比較好的適應(yīng)性，尤其是在礦石和建筑中往往通過人工碼垛物品的話，存在一定的危險性，并且對于部分的材料重量都比較大，人工作業(yè)效率非常的低。機(jī)械手的使用也是近些年普及起來的，由于有著各方面的優(yōu)點(diǎn)，因此受到各行各業(yè)的偏好，目前市場需求量也比較大，對于制造企業(yè)來說也是一個比較好的機(jī)遇，在工藝和性能上設(shè)計出一款更能滿足市場要求的碼垛設(shè)備，更有優(yōu)勢。 本次設(shè)計的五自由度機(jī)械臂，主要是結(jié)合目前市面上的各種機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，滿足用在對于物料的抓取要求，結(jié)構(gòu)主要使用液壓缸驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)五個自由度的動作，設(shè)計的任務(wù)涵蓋結(jié)構(gòu)的方案確定，以及主要零部件的計算校核。。并通過畫圖軟件完成整個五自由度機(jī)械臂的零部件和整體結(jié)構(gòu)的圖紙。 關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；五自由度；夾持手爪 Abstract With the development of machinery, many new types of equipment are widely used in all walks of life. Especially, these handling robots and palletizing robots are also used, such as logistics port and machining industry, which can replace the efficient operation requirements, and have very good operating performance, especially for the operation. In a variety of different complex working environment, there is a better adaptability, especially in ore and building often through artificial palletizing items, there is a certain risk, and some of the material weight is relatively large, the efficiency of manual work is very low. The use of palletizing machine is also popular in recent years. Because of the advantages of all aspects, it is preferred by all walks of life, and the demand of the market is relatively large. It is also a good opportunity for the manufacturing enterprises to design a palletizing equipment which can meet the requirements of the market more in process and performance. Advantage. The design of the five degree of freedom hydraulic manipulator, mainly combined with the current market of various hydraulic manipulator structure, to meet the requirements for the grasp of the material, the structure is mainly used hydraulic cylinder drive, the realization of the five degrees of freedom movement, the design of the task covers the structure of the project and the calculation of the main parts of the calculation. Nuclear. And complete the entire five degrees of freedom hydraulic manipulator parts and overall structure drawings by drawing software. Key words: Hydraulic manipulator; Five degree of freedom; Gripping hand 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 引 言 1 第一章 緒論 2 1.1 課題的背景和意義 2 1.2 機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 3 第二章 五自由度機(jī)械臂設(shè)計方案 4 2.1 五自由度機(jī)械臂系統(tǒng)組成及基本原理 4 2.2 機(jī)械手的方案確定 4 第三章五自由度機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 3.1升降裝置的液壓油缸的設(shè)計 6 3.2小臂俯仰裝置的液壓油缸的設(shè)計 6 3.3回轉(zhuǎn)裝置的液壓油缸的設(shè)計 7 3.4縱向移動裝置驅(qū)動油缸設(shè)計 8 3.5導(dǎo)向光桿和直線軸承的設(shè)計 9 第四章旋轉(zhuǎn)氣缸和氣動夾爪的設(shè)計 11 4.1 旋轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計 11 4.2 氣動夾爪的設(shè)計 13 4.2.1氣動夾爪的方案確定 13 4.2.2夾爪機(jī)構(gòu)的選用要點(diǎn) 14 4.2.3 滑槽杠桿式鉗爪的夾緊力分析與計算 14 4.2.4 手部夾緊氣缸的計算與選型 16 第五章 齒輪、齒條和軸的設(shè)計及校核 17 5.1齒輪齒條的設(shè)計 17 5.1.1齒輪齒條校核計算 17 5.2回轉(zhuǎn)軸的設(shè)計與校核 19 5.2.1軸的尺寸確定 19 5.2.2軸的強(qiáng)度校核 20 第六章機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計 21 6.1 液壓傳動機(jī)械手的傳動過程 21 6.2 擬定液壓系統(tǒng)工作原理圖 21 總 結(jié) 23 參考文獻(xiàn) 24 謝 辭 25 III 引 言 經(jīng)歷過幾次工業(yè)革命的洗禮，在科學(xué)技術(shù)以及制造業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，機(jī)械已經(jīng)幾乎滲透到了人類產(chǎn)業(yè)的各種領(lǐng)域。工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)發(fā)展、軍事等都離不開機(jī)械科學(xué)的輔助和指導(dǎo)。 同樣的，在制造業(yè)急速發(fā)展的世紀(jì)，機(jī)械手的應(yīng)用也極為廣泛。工廠車間的物料輸送對于機(jī)械手的需求較為迫切。步進(jìn)電機(jī)機(jī)械手、氣動機(jī)械手、機(jī)械臂等類型的機(jī)械手層出不窮。人們在機(jī)械制造領(lǐng)域的工作效率的提高非常需要各類機(jī)械手的幫助，只有完善工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，人類的制造產(chǎn)業(yè)鏈才能逐步壯大起來。設(shè)計一種工作效率高、價格低廉、節(jié)能環(huán)保的工業(yè)機(jī)械手，成為了一個人類科技及制造業(yè)發(fā)展的不朽橋梁。 本次設(shè)計致力于設(shè)計出一種節(jié)能綠色、工作可靠合理的五自由的機(jī)械臂，這種機(jī)械手由液壓油缸和氣缸驅(qū)動，并其擁有5個自由度的運(yùn)動。這種機(jī)械臂可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)的工廠中。 25 第一章 緒論 1.1 課題的背景和意義 目前機(jī)械行業(yè)發(fā)展的非常的好，也是取得了很大的突破，市面上也是涌現(xiàn)出來不少各種新型的設(shè)備，被廣泛的用到各個行業(yè)，特別是現(xiàn)在處于技術(shù)前沿的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，被用到建設(shè)行業(yè)以及礦石作業(yè)跟交通運(yùn)輸，并且很多一線城市的餐廳都能看到機(jī)器人的身影，可以實(shí)現(xiàn)自動化送貨和點(diǎn)單這些要求。機(jī)械手屬于機(jī)械人設(shè)備，用在各種場合，尤其是現(xiàn)在比較普遍的上料機(jī)械手以及碼垛機(jī)械手。碼垛機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)對于貨物的堆碼作業(yè)要求，有著非常好的操作性能，貨物堆碼作業(yè)的對象往往都是體積和重量比較大的產(chǎn)品，以往的人工堆碼無論是時間還是運(yùn)作上，效率都非常的低，并且在一定程度上有著風(fēng)險的存在，而且費(fèi)用比較高，這些對于企業(yè)來說都是一種經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，大量的機(jī)械設(shè)備的使用可以很好的解決傳統(tǒng)堆碼作業(yè)存在的問題，尤其是現(xiàn)在的大型港口和物流基地，每天的貨物吞吐量都是比較大的，并且有著非常嚴(yán)格的作業(yè)時間，這些就要用到非常多的大型吊裝設(shè)備跟堆碼設(shè)備，需要對貨物進(jìn)行很好的擺放堆放。免得大量的空間浪費(fèi)。 目前市面上的機(jī)械手種類比較多，用的也比較普遍，有液壓驅(qū)動的也有電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械手，這些機(jī)械手結(jié)合目前的電氣控制技術(shù)以及計算機(jī)相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的自動操作要求，只要通過把原理動作以信號的方式輸入設(shè)備，就能夠?qū)崿F(xiàn)我們需要的各種動作要求，按照一定的規(guī)范來作業(yè)，上料作業(yè)也是一個要求嚴(yán)格的工序，不僅僅對于貨物的擺放要整齊，尤其是對于高度也是有要求的，這些都是在上料作業(yè)中的常見的作業(yè)。由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)比較簡單，并且對于操作的要求比較低，設(shè)備的費(fèi)用也比較經(jīng)濟(jì)，這些都是目前碼垛設(shè)備發(fā)展的一個優(yōu)勢，所以被很多企業(yè)普遍的使用到，市場前景也是比較好，每年的銷量都是在不斷的提升，因此對于制造加工單位來說，也是一個比較好的機(jī)遇，在激烈的市場競爭當(dāng)中，做好設(shè)備的工藝，在設(shè)備的結(jié)構(gòu)上做的更加經(jīng)濟(jì)，能夠滿足各種工況需求的上料設(shè)備，也是目前的發(fā)展趨勢。對于我們行業(yè)的從業(yè)人員來說，要求也是在不斷的提升。 1.2 機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 機(jī)械手的使用有著一定的歷史時期了，特別是在很多港口碼頭，用的比較多，以往的機(jī)械手主要是需要人工進(jìn)行操作，對于操作人員來說有著一定的技術(shù)要求，最早的碼垛設(shè)備是國外發(fā)明的[1-3]。被用到各種復(fù)雜的危險環(huán)境下，主要就是代替人工來作業(yè)的，能夠?qū)崿F(xiàn)一些重量比較大的物品搬運(yùn)，并且在一些金屬加工當(dāng)中，對于高溫的物體搬運(yùn)堆碼，只有通過這種碼垛設(shè)備，才能很好的滿足生產(chǎn)的要求。碼垛設(shè)備的使用，國外技術(shù)比較早，有著一定的基礎(chǔ)，因此在這些機(jī)器人領(lǐng)域，處于比較領(lǐng)先的技術(shù)前沿，能夠設(shè)計出各種外形結(jié)構(gòu)的機(jī)械手，在工藝和制造上也是更加人性化，動作精度高。在對于一些精度比較高，要求比較復(fù)雜的機(jī)械手碼垛設(shè)備，需求量還是比較大，未來的買多設(shè)備也是朝著自能化發(fā)展的。 對于機(jī)械手的研發(fā)和設(shè)計，我們國家起步比較遲一點(diǎn)，并且在六七十年代國家在這塊的技術(shù)基本都是屬于空白階段，完全沒有自己的研發(fā)技術(shù)和專利。部分港口的碼垛加工需求，只能通過進(jìn)口國外的機(jī)械手才能滿足生產(chǎn)的要求，這些都是要花大價錢實(shí)現(xiàn)購買，在機(jī)器的后期使用和技術(shù)維護(hù)上往往就有著很大的局限性，成本也比較高，隨著市場的不斷擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，國內(nèi)機(jī)械行業(yè)和物流行業(yè)發(fā)展比較快，因此對于這些設(shè)備的需求量曾直線上升，國家對于這些設(shè)備領(lǐng)域也是比較關(guān)心，投入了很大的心血和精力，鼓勵很多有能力的企業(yè)實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，并且跟研究院進(jìn)行合作，在國外先進(jìn)設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)上不斷的創(chuàng)新，研發(fā)屬于自己技術(shù)的設(shè)備，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在機(jī)械手方面也是取得了很好的成績。尤其是很多沿海城市，有不少這些機(jī)械手設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)，都能夠獨(dú)立生產(chǎn)各種外形結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)備，在自動化和精確的也都比較高，并且有些企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)大批量的設(shè)備生產(chǎn)出口，能夠?qū)崿F(xiàn)流水線加工作業(yè)，在工藝上也都比較成熟了。隨著行業(yè)的發(fā)展機(jī)械設(shè)備的要求和工藝也是越來越嚴(yán)格，不斷提出新的標(biāo)準(zhǔn)，要適應(yīng)市場的需求，這些在一定程度上對于我們的從業(yè)人員來書也是需要不斷的跟新思維，跟上技術(shù)發(fā)展的步伐，為行業(yè)的發(fā)展做出一份貢獻(xiàn)。 第二章 五自由度機(jī)械臂設(shè)計方案 2.1五自由度機(jī)械臂系統(tǒng)組成及基本原理 本次的五自由度機(jī)械臂大體上是應(yīng)用于車間中并進(jìn)行上料下料功能的?？紤]到機(jī)械臂的比其他驅(qū)動方式的機(jī)械手更加穩(wěn)定，本次設(shè)計選用了液壓作為機(jī)械手的驅(qū)動方式?？紤]到工廠的工作環(huán)境較為復(fù)雜，需要機(jī)械手的自由度更為靈活，這次設(shè)計了可以實(shí)現(xiàn)五自由度的機(jī)械臂，并且附加一個機(jī)械手爪。五個自由度分別是四個液壓缸和一個旋轉(zhuǎn)氣缸以實(shí)現(xiàn)的水平位移、水平回轉(zhuǎn)、垂直升降、小臂俯仰和手腕俯仰運(yùn)動。 2.2 機(jī)械手的方案確定 本次機(jī)械手的運(yùn)動采用四個液壓缸和一個旋轉(zhuǎn)氣缸進(jìn)行驅(qū)動[4-7]。 底座的旋轉(zhuǎn)利用油缸帶動齒輪條使整體進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動。根據(jù)分析來看，齒輪齒條傳動時候有一個元件是必須是固定不動的，齒條是安裝在主體回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動軸上，這樣齒條的移動帶動回轉(zhuǎn)軸上的齒輪轉(zhuǎn)動，這樣主體的回轉(zhuǎn)軸就會轉(zhuǎn)動，從而使得整個機(jī)械手的裝置就會自由的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這樣Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動就可以實(shí)現(xiàn)了。設(shè)計出的旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖2.1 旋轉(zhuǎn)裝置回轉(zhuǎn)部分示意圖 大臂小臂整體的升降運(yùn)動由一個標(biāo)準(zhǔn)液壓油缸實(shí)現(xiàn)，這個液壓缸通過前置安裝在主體上，考慮到油缸的行程較長，需要在液壓缸兩側(cè)安裝兩個平行的導(dǎo)向光桿，這樣可以實(shí)現(xiàn)升降方向上的確定。 大臂上的末端連接著一鉸接頭，鉸接頭連接液壓缸，液壓缸活塞與小臂連接，油缸活塞伸縮帶動小臂俯仰，小臂的俯仰運(yùn)動由此實(shí)現(xiàn)。由于液壓驅(qū)動的方式相對于其他驅(qū)動方式有著清潔，穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此這里選擇液壓缸進(jìn)行驅(qū)動而不是電機(jī)驅(qū)動。 接下來考慮機(jī)械手腕部的俯仰運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)，手爪在抓取物體的同時水平軸上也要能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍的俯仰運(yùn)動，此運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)通過液壓缸難以實(shí)現(xiàn)，所以考慮到是否可以通過旋轉(zhuǎn)氣缸來實(shí)現(xiàn)，由于這種旋轉(zhuǎn)氣缸已經(jīng)成為了一種標(biāo)準(zhǔn)成熟的氣動產(chǎn)品，這次設(shè)計就直接采用韓國JRT和SMC品牌的氣缸實(shí)現(xiàn)這個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并將其安裝在機(jī)械手小臂末端。 手爪則是自主設(shè)計的一種結(jié)構(gòu)，通過尾部一個氣缸帶動一個鉸鏈?zhǔn)箖蓚?cè)的連桿機(jī)構(gòu)位移，這樣就能夠通過液壓動力實(shí)現(xiàn)了手爪的抓緊和松開的動作了。 具體原理則是：油缸的活塞桿運(yùn)動帶動中間的鉸接頭開始平行于兩側(cè)運(yùn)動，如此帶動兩側(cè)的對應(yīng)連桿收起放下，兩側(cè)的手爪就能夠張開或者夾緊了。 另外整個機(jī)械裝置的縱向移動也是采用液壓油缸來進(jìn)行驅(qū)動，整體的液壓油缸來驅(qū)動整個上部的機(jī)械手裝置可以進(jìn)行縱向的伸縮移動，采用油缸驅(qū)動后保證兩側(cè)的導(dǎo)向裝置選擇直線導(dǎo)軌配滑塊來確定其導(dǎo)向裝置。 整個五自由度機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)裝置就如下圖所示。 圖2.2 機(jī)械手總裝配圖 第三章 五自由度機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1升降裝置的液壓油缸的設(shè)計 升降裝置的上下運(yùn)動通過一個液壓缸來得以實(shí)現(xiàn)。 考慮到升降裝置位于機(jī)械手的整體下部并承載起整個擺動機(jī)構(gòu)和手爪的重量，則令其可承受重量為30kg，而手爪抓取的物料重量為5KG。所以總重量則可以進(jìn)行以下的計算。 因此液壓缸的內(nèi)徑計算如下所示： 液壓油缸的系統(tǒng)壓力選擇較小的液壓油缸壓力為P=0.8MPa 通過公式計算得到液壓油缸內(nèi)徑的尺寸最下限值為 故得知液壓缸的內(nèi)徑尺寸必須大于23.6mm，查訊相關(guān)的手冊的液壓油缸尺寸對照表，取標(biāo)準(zhǔn)缸徑尺寸為Da=40mm。 3.2小臂俯仰裝置的液壓油缸的設(shè)計 本次的擺動的裝置采用液壓驅(qū)動實(shí)現(xiàn)。俯仰裝置上包括小臂和手爪機(jī)構(gòu)，俯仰裝置需要驅(qū)動的重量包括小臂以及手爪和一個旋轉(zhuǎn)氣缸，大臂的質(zhì)量按照材料密度計算為5kg，小臂為2kg左右，加上物料、手爪和旋轉(zhuǎn)氣缸的質(zhì)量整個俯仰裝置所要求承受的重量為可以大體上按照20kg來計算。 那么此液壓油缸的內(nèi)徑計算如下： 液壓油缸的系統(tǒng)壓力選擇較小的液壓油缸壓力為P=0.8MPa 通過公式計算得到液壓油缸內(nèi)徑的尺寸最下限值為 所以此液壓油缸的內(nèi)徑尺寸不得小于15.2mm，查訊相關(guān)的手冊的液壓油缸尺寸對照表，選擇內(nèi)徑為32mm的標(biāo)準(zhǔn)液壓缸較為合適。 3.3回轉(zhuǎn)裝置的液壓油缸的設(shè)計 考慮到機(jī)械手裝置的要求，本次設(shè)計的主體回轉(zhuǎn)裝置的運(yùn)動由一個齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)得以實(shí)現(xiàn)。由于齒條連接著液壓缸活塞直線運(yùn)動，齒條與齒輪嚙合，就可以帶動整個大臂小臂以及剩余部分的轉(zhuǎn)動。所以這個本身回轉(zhuǎn)裝置的重量，以及大臂小臂和升降裝置的重量都應(yīng)當(dāng)是液壓缸被需求的重量。按照本次的設(shè)計計算，整個升降裝置的重量可以算出，包括俯仰機(jī)構(gòu)和夾持手爪的總重量大致45kg，而轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的重量大致為20kg，所以總共重量估計預(yù)重是65Kg。同樣的我們需要計算回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動時的慣性力矩和摩擦力矩。按照需求，響應(yīng)時間設(shè)為0.5s，齒輪角速度為4rad/s。 （3-1） 上式中 Mm——各支承處的總摩擦力矩； Mg——啟動時慣性力矩，一般按下式計算： （3-2） 上式中 J——手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）; ——回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）; △t——回轉(zhuǎn)臂啟動時間（s） 當(dāng)Mm=83(N·m)， 根據(jù)公式，液壓缸的內(nèi)徑尺寸計算也就可以列出來了，液壓油缸的系統(tǒng)壓力選擇較小的液壓油缸壓力為P=0.8MPa。綜上所述，可以得出這個液壓缸的內(nèi)徑尺寸的下限值為 由此可知，液壓缸的內(nèi)徑尺寸不得小于19.24mm，查訊相關(guān)的手冊的液壓油缸尺寸對照表Da=32mm。 3.4縱向移動裝置驅(qū)動油缸設(shè)計 縱向移動裝置的驅(qū)動油缸是要考慮整個底座上面的重量，回轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動油缸上面的總重量預(yù)估為65Kg，而滑軌上底座的總量在45kg左右。本次設(shè)計縱向位移裝置的液壓缸所承載的總質(zhì)量按110Kg來計算?？紤]到滑軌的摩擦系數(shù)μ總是小于1的，由公式知道液壓缸只要能承載1100N的力，設(shè)計的液壓油缸就可以很合理了。 根據(jù)公式，液壓缸的內(nèi)徑尺寸計算也就可以列出來了，液壓油缸的系統(tǒng)壓力選擇較小的液壓油缸壓力為P=0.8MPa，那么升降裝置的油缸內(nèi)徑為 那么油缸的內(nèi)徑至少為41.84mm，本查訊相關(guān)的手冊的液壓油缸尺寸對照表Da=50mm。 表3.1 液壓缸尺寸對照表 3.5導(dǎo)向光桿和直線軸承的設(shè)計 在大行程驅(qū)動和提升機(jī)器人整個臂中的氣缸的過程中，為確保操作過程中的穩(wěn)定性，導(dǎo)向裝置的設(shè)計是必要的。在此階段，機(jī)械手的升降裝置需要導(dǎo)向光桿和直線軸承的設(shè)計。 按照擺動200N承重與負(fù)載，我們選擇兩個導(dǎo)光柱，使得軸承上的負(fù)荷均勻地分布，在兩側(cè)上的線性軸承是固定的，在導(dǎo)桿2個的滑動導(dǎo)軌分別需要。負(fù)載是100N。為此設(shè)計選擇的滑動軸承具有法蘭。 直線軸承的基本形式如下。 圖3.1 直線軸承的基本形狀 根據(jù)每個滑動軸承的負(fù)載承受100N，我們選用滑動軸承為LMF25，軸承中間孔徑為25mm，這樣導(dǎo)向光桿的直徑也為25mm。 直線軸承的基本尺寸如下表3.2所示 表3.2 直線軸承的基本尺寸 主要尺寸 法蘭 垂直度 徑向 跳動 （max） 基本額定載荷 口徑 長 度 法 蘭 聯(lián)接孔 動 C (kg f) 靜 Co (kg f) mm L 公差 D f t P.C.D X Y Z 19 0 -0.20 28 5 20 3.5 6 3.1 0.012 0.012 21 27 6 17 32 5 24 3.5 6 3.1 18 22 8 24 32 5 24 3.5 6 3.1 28 40 8 29 40 6 29 4.5 7.5 4.1 38 56 10 30 42 6 32 4.5 7.5 4.1 52 80 12 32 43 6 33 4.5 7.5 4.1 52 79 13 37 48 6 38 4.5 7.5 4.1 79 120 16 42 54 8 43 5.5 9 5.1 0.015 0.015 90 140 20 59 62 8 51 5.5 9 5.1 100 160 25 第四章 旋轉(zhuǎn)氣缸和氣動夾爪的設(shè)計 4.1旋轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計 此五自由度機(jī)械臂臂的手爪的俯仰用的通過一個旋轉(zhuǎn)氣缸來實(shí)現(xiàn)。由于夾具抓住了材料，它必須承受要一定的負(fù)載。當(dāng)也就是說當(dāng)手爪開始俯仰旋轉(zhuǎn)時候，此裝置必須要求有一定的承重的能力。為了實(shí)現(xiàn)這個功能，直接選擇一個旋轉(zhuǎn)氣缸來實(shí)現(xiàn)這個功能。當(dāng)其旋轉(zhuǎn)時，整個夾具必須能夠在180度內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)抓握旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。在這個設(shè)計中，選擇了一個帶有齒條和小齒輪的旋轉(zhuǎn)氣缸，這是一個由韓國SMC公司制造的旋轉(zhuǎn)氣缸。這種旋轉(zhuǎn)氣缸有兩種選擇旋轉(zhuǎn)的模式：90度和180度旋轉(zhuǎn)。這次選擇了一個可旋轉(zhuǎn)180度的旋轉(zhuǎn)氣缸。帶齒輪的旋轉(zhuǎn)氣缸是氣缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過機(jī)架的直線運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。 由于選擇精度高，內(nèi)部采用精密滾珠軸承設(shè)計，轉(zhuǎn)動精度可以達(dá)到的數(shù)值為±0.01。 該系列旋轉(zhuǎn)氣缸的主要視圖如下 圖4.1 SMC旋轉(zhuǎn)氣缸的主要視圖 這次設(shè)計分析了旋轉(zhuǎn)氣缸的基本形狀。這種力分析通常考慮旋轉(zhuǎn)圓柱體的軸向載荷和偏心載荷以及它們旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的彎矩。 當(dāng)此機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時，軸向載荷通過旋轉(zhuǎn)圓柱體的中心傳遞，所以尺寸由整個部件的重量和慣性決定，夾緊缸的夾緊力和夾緊力以及連接這些裝置的連接板通常重量為1.10千克，夾緊力和重量的總重量估計為10千克。然后，旋轉(zhuǎn)氣缸的總質(zhì)量為11.10kg，那么旋轉(zhuǎn)圓筒的旋轉(zhuǎn)臺必須具有的總量為111.0N。 手爪的擺動速度在V = 100毫米/秒左右旋轉(zhuǎn)。液壓驅(qū)動需要0.05秒。因此，液壓速度為100毫米/秒。當(dāng)夾爪在旋轉(zhuǎn)的時候，此旋轉(zhuǎn)氣缸的中心受到軸向的負(fù)載載荷一定是最大的，所以力的大小可以通過重量和慣性力這樣算出。 其大小可以通過以下公式計算： （4-1） （4-2） 旋轉(zhuǎn)缸的彎曲力矩為M = FL。根據(jù)之前的計算，G的總值被定為135 N。根據(jù)夾具的旋轉(zhuǎn)半徑來選擇旋轉(zhuǎn)半徑，并且此結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)半徑由所選擇的氣爪的基本尺寸決定，L = 70mm。計算得到M = 10.4 nm，查相關(guān)尺寸對照表。 因?yàn)橛行Я貫?.48P，P=3～7，所以有效力矩的范圍就為4.5～10.5Nm，選擇型號CRBU2W40-90S的旋轉(zhuǎn)氣缸，此氣缸可以選擇180度。大 4.2 氣動夾爪的設(shè)計 4.2.1氣動夾爪的方案確定 考慮到設(shè)計機(jī)械手的氣動夾爪，就可以考慮選取最常見的鉗爪式手部機(jī)構(gòu)。其他的機(jī)械手爪形式也十分豐富，常用的手部機(jī)構(gòu)大致有如下幾種： （1）拔桿連桿機(jī)構(gòu)式夾爪 （2）平行連桿機(jī)構(gòu)式夾爪 （3）齒輪齒條移動式夾爪 （4）重力式夾爪 （5）可自鎖式夾爪 （6）自定心式夾爪 （7）根據(jù)不同直徑調(diào)整的夾爪 （8）壓力接觸銷的夾爪 （9）定位銷式夾爪 （10）定制式調(diào)整夾爪 夾爪的結(jié)構(gòu)一般由以下幾個部分組成： 1、手指 手指與物料直接接觸，通過手指的張開和靠攏實(shí)現(xiàn)物料的夾取和放下的動作。一個機(jī)械手爪一般擁有2到3個手指組成。 2、傳動機(jī)構(gòu) 手指的張開動作由它提供傳動動力。 3、驅(qū)動裝置 顧名思義，驅(qū)動裝置通過液壓，氣動，電動等方式提供手指運(yùn)動的動力。 具體結(jié)構(gòu)方案圖如下面的示意圖所示： 圖4.2 手爪機(jī)構(gòu)方案圖 4.2.2夾爪機(jī)構(gòu)的選用要點(diǎn) 1. 具有足夠力進(jìn)行夾緊 2. 具有足夠大的張開角度 3. 能保證工件的準(zhǔn)確位置定位 4. 手爪結(jié)構(gòu)具有符合要求的強(qiáng)度和剛度 5. 盡可能有一定的通用性[8-10] 4.2.3 滑槽杠桿式鉗爪的夾緊力分析與計算 如圖4.3所示，牽引桿2的端部設(shè)置有圓柱銷3，并且當(dāng)拉桿2向上方抬起，圓柱形銷移動到兩個夾爪4的滑動槽和移動夾爪4旋轉(zhuǎn)圍繞兩個旋轉(zhuǎn)指針以夾緊工件。當(dāng)杠桿2被按下時，鉗口4從工件上釋放。設(shè)P是作用在拉桿2上的驅(qū)動力，其是柱形銷上的兩個夾爪的力，N是夾爪的夾緊力。鉗口的尺寸比例如圖所示[11]。 圖4.3 滑槽杠桿式鉗爪 1—手架；2—拉桿；3—圓柱銷；4—鉗爪 根據(jù)圓柱銷的平衡條件可知 cos，則 按照鉗爪的平衡條件 得 因?yàn)?， 所以 式中 a——手爪回轉(zhuǎn)支點(diǎn)（或）到對稱中心線的距離； b——手爪回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到鉗口中心線的距離 由以上式子我們可知，P是恒定的并且增加，并且N也增加。 但是過大會使行程超過極限，則桿（即活塞桿）的行程太大。 因此，通常優(yōu)選取為30?40°。 這種設(shè)計選擇30°。 為了一定能滿足力的大小需求，夾緊力可以取最大值： 查訊相關(guān)圖表得，鋼與鋼的靜摩擦力系數(shù)f=0.1，取抓取物料最大的加速度a為1m/。 由此得出計算， 4.2.4 手部夾緊氣缸的計算與選型 如上方圖4.3所示，a=67.5mm，b=37mm，=30° 又求得N=540(N) P=540(N) 由上述計算算出實(shí)際氣缸需求力，=568.7（N） 即氣缸缸徑： 系統(tǒng)氣源壓力設(shè)為； 根據(jù)設(shè)計行程要求，選取D=40mm 由于工件的尺寸是獨(dú)一無二的，因此只需考慮夾具和出口之間的孔，因此氣缸的行程不會太大。 氣缸S的行程正確選擇為55毫米。 根據(jù)驅(qū)動力的計算，氣缸的內(nèi)徑最初確定為40毫米，行程設(shè)為40毫米。查SMC產(chǎn)品手冊，選擇新型 CG1系列氣缸，并連接前端部法蘭。 因此，我們在SMC產(chǎn)品中選擇了CG1FN80-100。 第五章 齒輪、齒條和軸的設(shè)計及校核 5.1齒輪齒條的設(shè)計 5.1.1齒輪齒條校核計算 系統(tǒng)模數(shù)m取5 齒數(shù)確定：齒輪的Z暫取36。 精度等級的選擇：它的精度選擇主要取決于周圍速度。本設(shè)計齒輪轉(zhuǎn)速約57r/min，速度很底。本設(shè)計的齒輪精度采用IT8. 齒條結(jié)構(gòu)用于連接液壓缸來帶動齒輪，因此齒條采用單面齒，傳動時作用力計算[12]： 表5.1齒輪校核計算公式對照表 作用力 計算公式 直齒輪 斜齒（人字齒）輪 分度圓上的圓周力Ft/N Ft=2000T/d 節(jié)圓上的圓周力F’t/N F’t=2000T/d’ 徑向力F’r/N F’r=F’t tan’ F’r=F’t tan’/cos 軸向力F’x/N F’x=F’ttan (人字齒輪F’x=0） 轉(zhuǎn)矩T/N*m T=1000P/=9549P/n 說明 P- 齒輪傳遞的功率（kW） -齒輪的角速度（rad/s),=n/30 n-齒輪的轉(zhuǎn)速(r=min) 注：1.表中d、d’分別為齒輪的分度圓直徑和節(jié)圓直徑（mm）。 2.計算齒輪的強(qiáng)度時應(yīng)使用Ft；計算軸和軸承時應(yīng)使用Ft、F’r、F’x。 計算得： F=2000*9549*1.4/57/180=2606N （5-1） 一對傳動中的齒輪齒條上所受的圓周力F是相等的，同時，模數(shù)m也是相等的。但齒形系數(shù)不相同，許用彎曲應(yīng)力也是不相等的，所以要分別計算大小兩齒輪齒根彎曲應(yīng)力。計算時應(yīng)分別代入各自的齒形系數(shù)（Y或Y）及許用彎曲應(yīng)力。強(qiáng)度條件為： 式中，分別為大小齒輪及大齒輪的許用齒根彎曲應(yīng)力，其值為： = （5-2） 式中：——齒根彎曲強(qiáng)度的安全系數(shù)。由于斷齒比點(diǎn)蝕破壞有更大的危險性，所以 應(yīng)比有更大的值，其值見下表所示[13]： 表5.2齒面安全系數(shù)對照表 安全系數(shù) 軟齒面（HBS350) 硬齒面（HRC>38) 重要傳動，滲碳淬火或鑄造齒輪 1.0~1.1 1.1~1.2 1.3 1.3~1.4 1.4~1.6 1.6~2.2 注：如在制造時對材質(zhì)及工藝工藝均有嚴(yán)格檢驗(yàn)的傳動，安全系數(shù)數(shù)值還可以降低，但不小于1 ——分別為齒輪材料及齒條材料按齒輪試件進(jìn)行試驗(yàn)求得的齒根彎曲疲勞極限值。與相似，試驗(yàn)結(jié)果有較大的離散性。相關(guān)手冊列舉了的最低值加25%的變化范圍作為一般狀況齒輪傳動設(shè)計時的極限應(yīng)力值。如齒根彎曲應(yīng)力屬于對稱循環(huán)變應(yīng)力時，應(yīng)將表中查到的極限應(yīng)力值減低30%。 齒輪強(qiáng)度校核： =1.2×2606×2.32/15/5=96.7Mpa == 滿足彎曲強(qiáng)度條件 齒條強(qiáng)度校核： =1.2×2606×2.06/15/5=85.9Mpa == 所以滿足彎曲強(qiáng)度條件。 因此，齒輪齒條有關(guān)參數(shù)的選擇能夠滿足要求。 5.2回轉(zhuǎn)軸的設(shè)計與校核 5.2.1軸的尺寸確定 因?yàn)橐筮@一回轉(zhuǎn)軸需要裝配齒輪和旋轉(zhuǎn)坐以及軸承等較多零件，所以這里選用可以用軸肩定位的階梯軸更為合適。根據(jù)其他零件的尺寸和具體需求，設(shè)計的回轉(zhuǎn)軸尺寸具體如下圖所示[14]。 圖5.1回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.2.2軸的強(qiáng)度校核 考慮到這里的軸在工作時候保持著液壓缸驅(qū)動的低速回轉(zhuǎn)運(yùn)動，軸向上受到扭矩，在這里進(jìn)行軸的扭矩強(qiáng)度校核[15-16]。 首先我們知道公式 （5-3） ，P=0.8MPa （5-4） （5-5） 其中，P表示功率，n表示軸的轉(zhuǎn)速，A0查書可以得到。現(xiàn)確定P的值， 由之前的分析得知 F液壓缸推力，油缸的橫截面積乘以0.8MPa就等于推力2573N ，角速度為6rad/s，r為齒輪分度圓半徑90mm。求得這個機(jī)構(gòu)的需求功率P等于1.4kw。 根據(jù)角速度得知軸平均大概1.05s回轉(zhuǎn)一周，所以一分鐘的轉(zhuǎn)速n就等于57r/min。 這樣＝29.94mm。之前設(shè)計的軸徑最小值為37mm，所以滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件，扭轉(zhuǎn)校核成立。 第六章機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計 6.1 液壓傳動機(jī)械手的傳動過程 1.機(jī)械手位于起始原點(diǎn)位置 2.機(jī)械手回轉(zhuǎn)裝置使主軸旋轉(zhuǎn)到指定位置 3.氣動手爪開始夾緊物料 4.機(jī)械手大臂俯仰動作 5.機(jī)械手主體位移 6.機(jī)械手手臂又伸出到指定位置 7.氣動手爪放松并放下物料 8.機(jī)械手手臂開始縮回動作 9.機(jī)械手主體位移 10.回轉(zhuǎn)裝置主軸旋轉(zhuǎn)返還起始原點(diǎn)位置 6.2 擬定液壓系統(tǒng)工作原理圖 按照整個系統(tǒng)的工作完成情況，可以選定合適的液壓油缸。選擇單桿活塞液壓缸進(jìn)行伸縮運(yùn)動，縱向運(yùn)動，主軸的旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動。手爪的運(yùn)動選擇一種氣動夾爪來得以實(shí)現(xiàn)，以確保整個系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動效果。下面具體說明液壓系統(tǒng)的原理[17]。 手臂俯仰，主體位移和主軸轉(zhuǎn)動均采用單向調(diào)節(jié)器節(jié)流閥調(diào)節(jié)，速度可調(diào)，操作平穩(wěn)。 懸臂缸缸套設(shè)置有單向順序閥，可調(diào)節(jié)順序閥的彈簧力以在活塞自重引起的油壓作用下保持開式鏈條，活塞桿和杠桿以這種方式支撐。在操作中，進(jìn)入油泵的油泵油進(jìn)入左右移動油缸的上腔，順序閥的壓力增加，使其開啟，活塞向下移動。當(dāng)活塞必須向左移動時，加壓流體通過單向閥進(jìn)入左右行走油缸的下腔并且不被順序閥阻塞。它采用單向閥順序克服手的重量等，防止滑落，性能穩(wěn)定可靠。 圖6.1機(jī)械臂液壓原理圖 總 結(jié) 本次設(shè)計的題目基于CATIA的五自由度機(jī)械臂裝置，對于我個人的知識儲備來講是有著一定的難度的。從一開始的持續(xù)迷茫沒有方向，到逐漸有些想法并且做出成品。確實(shí)經(jīng)歷了很多學(xué)習(xí)上的錘煉。這次的機(jī)械手設(shè)計，無論是原理上還是結(jié)構(gòu)上的較為通俗易懂，可是我對于對于液壓方面的知識儲備十分匱乏，在經(jīng)歷了去圖書館借閱相關(guān)資料，詢問同學(xué)和老師后，液壓的相關(guān)知識也學(xué)習(xí)了很多。再有就是關(guān)于CATIA的建模和仿真操作也是請教的不少高手，雖然對老師們來說我的CATIA建模有些簡陋，但是我也收獲了很多很多的CATIA技巧，建模也比大一的時候熟練了不少，相信在以后的工作崗位上也能運(yùn)用自如，實(shí)現(xiàn)個人技能的真正價值。關(guān)于軸和齒輪以及其他一些零件的設(shè)計，也是花費(fèi)了不少功夫和精力的，學(xué)習(xí)好的同學(xué)和老師幫我度過了開始時候很迷茫的階段，我真正學(xué)會了感恩，并且收獲了很多成熟的計算思路。 總的來說，我認(rèn)為這次設(shè)計對我來說真的是一次歷練，困難或者輕松與否都是一次讓我在大學(xué)期間最后熟悉專業(yè)知識的好機(jī)會，收獲滿滿成就感的同時，也會收獲一個更好的未來! 參考文獻(xiàn) [1] Charles W. Beardsly, Mechanical Engineering, ASME, Regents Publishing Company,Inc,1998. [2] Davis JR.Sae fatigue design handbook. 4Society of Automotive Engineers Inc；1996 [3] T.Ramayah and Noraini Ismail,Process Planning Concurrent Engineering,Concurrent Engineering,2010. [4] 邱宣懷等. 機(jī)械設(shè)計[M]. 北京：高等教育出版社，2003:23-56 [5] 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計師手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002:12-16 [6] 鄭文緯,吳克堅. 機(jī)械原理.[M] 北京：高等教育出版社,2003:16-25 [7] 李學(xué)志主編. 機(jī)械CAD技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,2004:132-195 [8] 唐劍兵.機(jī)械基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計 [M] 重慶:重慶大學(xué)出版社,2006.2:55-99 [9] 鄭向華，唐劍兵.機(jī)械基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計課程設(shè)計手冊[M] 重慶:重慶大學(xué)出版社. 2008.10:15-69 [10] 吳宗澤.《機(jī)械零件設(shè)計手冊》[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2003:13-45 [11] 于傳浩,章滌峰.一種氣動機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計[J]. 液壓氣動與密封,2003(5)：22 [12] 趙志剛等.材料力學(xué)[M]. 天津：天津大學(xué)出版社,2001:58-91 [13] 張福潤等.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社,2000:15-69 [14] 王曉莉.機(jī)械制圖[M]. 北京:科學(xué)出版社,2006:45-46 [15] 李華.機(jī)械制造技術(shù)[M] 北京:高等教育出版社, 2009.2:44-92 [16] 倪兆榮，張?；I.機(jī)械工程材料[M] 北京:科學(xué)出版社,2007:36-89 [17] 耿躍峰,夏政偉.四自由度搬運(yùn)機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計[J]. 液壓與氣動,2012(2)：42-44. 謝 辭 大學(xué)的時間非常的美好，學(xué)習(xí)的過程也是特別的充實(shí)，在這幾年的大學(xué)生活中學(xué)到了非常多的知識，也成熟了很多。為期幾個月的畢業(yè)設(shè)計過程當(dāng)中，我深深的體會到了知識的力量了，很多在平時沒怎么注意到的知識點(diǎn)都在本次的設(shè)計過程中得到很好的運(yùn)用，畢業(yè)設(shè)計真的是一個很好的檢驗(yàn)過程，也是對于我整個大學(xué)的學(xué)習(xí)過程的考核，讓我認(rèn)識到知識的可貴。在這邊我特別要感謝輔導(dǎo)老師對于我的幫助，老師平時工作也特別忙，但是依然對我們還是很嚴(yán)格，每周都要檢查我們的進(jìn)度，有時候晚上還經(jīng)常催我們進(jìn)度，在碰到問題的時候，老師都能抽出時間來給我們分析問題的原因，怎么去解決困難，這些都在畢業(yè)設(shè)計中有著很大的幫助，也是本次畢業(yè)設(shè)計能夠很圓滿結(jié)束的原因，所以要感謝老師教會我了很多專業(yè)的知識，也讓我學(xué)會了怎么解決問題，這些都是對我以后的工作有很大的幫助的，讓我學(xué)會了獨(dú)立動手的能力。并且我也要感謝學(xué)校這些年對于我的培養(yǎng)，給我提供了這么好的環(huán)境，讓我們能在學(xué)校學(xué)到很多本領(lǐng)，為將來走上社會少走點(diǎn)彎路，感謝學(xué)校的培養(yǎng)，也感謝學(xué)校的老師和領(lǐng)導(dǎo)在我們身上付出的心血。并且我也要感謝同組的同學(xué)們，在碰到問題的時候，能夠互相討論，并且能夠有著很好的團(tuán)隊意識，這些都是很好的工作品質(zhì)，也是做人做事的良好的品格，謝謝你們。 總之感謝老師，感謝學(xué)校以及同學(xué)們，謝謝你們這些年對我的幫助。