機(jī)械手課程設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)

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1、仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 設(shè)計(jì)題目：工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院 班級(jí)：機(jī)械電子091班 學(xué)號(hào)：200910834127 姓名：朱小華 指導(dǎo)老師：張日紅、關(guān)秋菊、施俊俠 完成日期：2012-5-25

2、 第一章 機(jī)械手設(shè)計(jì)任務(wù)書 3 1.1課程設(shè)計(jì)目的 3 1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 3 第二章 腕部設(shè)計(jì) 4 2.1腕部設(shè)計(jì)的基本要求 4 2.2碗部的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2.3碗部設(shè)計(jì)的計(jì)算 6 2.4拉緊裝置原理 7 第三章 手臂的設(shè)計(jì) 8 3.1手臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.2驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 10 3.3缸蓋聯(lián)接螺釘和動(dòng)片聯(lián)接螺釘計(jì)算 11 3.4夾緊缸彈簧的確定 12 第四章 液壓系統(tǒng)控制 13 4.1液壓系統(tǒng)動(dòng)作循環(huán)及電磁鐵動(dòng)作順序表 13 4.2 機(jī)械手總的液壓控制圖

3、 13 4.3 現(xiàn)場(chǎng)器件跟PLC的連線 14 4.4 PLC三菱編程梯形圖： 15 第五章 參考文獻(xiàn) 20 第一章 機(jī)械手設(shè)計(jì)任務(wù)書 1.1課程設(shè)計(jì)目的 課程設(shè)計(jì)是一個(gè)極為重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的基本理論、基本知識(shí)與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題而進(jìn)行的一次基本訓(xùn)練。這對(duì)學(xué)生即將從事的相關(guān)技術(shù)工作和未來(lái)事業(yè)的開拓都具有一定意義。 其主要目的： 一、 培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問(wèn)題的獨(dú)立工作能力，拓寬和深化學(xué)生的知識(shí)。 二、 培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程

4、序規(guī)范和方法。 三、 培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想和使用技術(shù)資料、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等手冊(cè)、圖冊(cè)工具書進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。 四、 培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學(xué)習(xí)的基本工作態(tài)度，工作作風(fēng)和工作方法。 1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 （一）原始數(shù)據(jù)及資料 （1）原始數(shù)據(jù)： a、生產(chǎn)綱領(lǐng)：100000件（兩班制生產(chǎn)） b、自由度（四個(gè)自由度） 臂轉(zhuǎn)動(dòng)210 臂上下運(yùn)動(dòng) 300mm 臂升長(zhǎng)（伸縮） 400

5、mm 手部轉(zhuǎn)動(dòng) 180 （2）設(shè)計(jì)要求： a、上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、裝配圖、各主要零件圖（一套） b、液壓原理圖（一張） c、設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書（一份） （3）技術(shù)要求 主要參數(shù)的確定： a、 坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) b、 抓重：200N c、 自由度：4個(gè) d、 臂的運(yùn)動(dòng)行程：伸縮運(yùn)動(dòng)400mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)210， 升降運(yùn)動(dòng)300mm e、 臂的運(yùn)動(dòng)速度：伸縮運(yùn)動(dòng)＜250mm/s， 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)＜90/s 升降運(yùn)動(dòng)＜70mm/s

6、 f、 腕部的運(yùn)動(dòng)行程：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)180 g、 腕部的運(yùn)動(dòng)速度：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)＜90/s h、 定位方式：電位器（或接近開關(guān)等）設(shè)定，點(diǎn)位控制 i、 手指夾持范圍：棒料直徑φ50－φ70mm， 長(zhǎng)度450－1200mm j、 驅(qū)動(dòng)方式：液壓（中、低系統(tǒng)） k、 定位精度：3mm l、 控制方式：PLC控制 （二）料槽形式及分析動(dòng)作要求 （1）料槽形式 由于工件的形狀屬于小型回轉(zhuǎn)體，此種形狀的零件通常采用自用輸送的輸料槽，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要其他動(dòng)力源和特殊裝置，所以本課程題

7、采用此種輸料槽。 （2）動(dòng)作要求分析如圖1.1所示 動(dòng)作一：送料 動(dòng)作二：預(yù)夾緊 動(dòng)作三：手臂上升 動(dòng)作四：手臂旋轉(zhuǎn) 動(dòng)作五：小臂伸長(zhǎng) 動(dòng)作六：手腕旋轉(zhuǎn) 圖1.1要求分析 第二章 腕部設(shè)計(jì) 腕部是連接手部和臂部的部件，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，使機(jī)械適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。 2.1腕部設(shè)計(jì)的基本要求 1）力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 2) 必須考慮的工作條件。在高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作，考慮熱膨脹，壓力油的粘度和有關(guān)材料及電控制元件的耐熱性。 2.2碗部的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

8、 1)選取手腕部分的自由度。如下圖2-1所示，手腕運(yùn)動(dòng)有：繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上下擺動(dòng)；繞Z軸稱為左右擺動(dòng)。這里選用一個(gè)自由度的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，靈巧，能基本滿足工作要求。 圖2-1 腕部的自由度（1—臂部 2—腕部 3—手部） 2) 采用具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部機(jī)構(gòu)，直接用回轉(zhuǎn)液體壓驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)，具有機(jī)構(gòu)緊湊，靈活等優(yōu)點(diǎn)。如圖下圖2-2所示的腕部結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸，實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從A-A剖面視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片（簡(jiǎn)稱動(dòng)片）用螺訂，銷釘和轉(zhuǎn)軸10連接在一起，

9、定片8則和缸體9連接。壓力油分別由油孔5，7進(jìn)出油涳，實(shí)現(xiàn)手部12的旋轉(zhuǎn)。 圖2-2用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓力缸實(shí)現(xiàn)腕部旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu) 2.3碗部設(shè)計(jì)的計(jì)算 基本參數(shù)：抓重G=200N,回轉(zhuǎn)符號(hào)= ，行程，速度<,以最大負(fù)荷計(jì)算，當(dāng)工件處于水平位置時(shí)，擺動(dòng)缸的工件扭矩最大，用估算法，工件重100N，長(zhǎng)度取1100mm, 如圖2-3所示。 圖2-3 腕部受力簡(jiǎn)圖 腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服以下幾種阻力。 1）計(jì)算扭矩 設(shè)重力集中于離手指中心350mm處，即扭矩為： ==200x0.35=70 2) 油缸（伸縮）及其配件

10、的估算扭矩 F=5kg, S=10cm = 3)擺動(dòng)缸的磨擦力矩 =250N （估算值） S=15mm （估算值） =S= 3.75 4）擺動(dòng)缸的總摩擦力矩M =70+4.9+3.75=78.65 由公式/8 B----葉片密度,這里取b=3cm -----擺動(dòng)缸內(nèi)徑,這里取12cm ，取4cm 。 所以代入公式得 P=8T /=8x43.65/0.03x(0.12-0.04)x10=0.909 又因?yàn)? 所以 Q =W () =0.754/s =75.4/s 2.4拉緊裝置原

11、理 如圖所示,油缸右腔停止進(jìn)油時(shí),彈簧力夾緊工作,油缸右腔進(jìn)油時(shí)松開工件。 1） 右腔推力，取油缸內(nèi)徑D=45mm，油缸壓力P= 3179.25N 2） 根據(jù)鉗爪夾緊的方位，查出當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式為： F 其中=2150=300N ，代入上公式有 F==1350N 則實(shí)際夾緊力為 取 =1.5 ，=1.1 ，=0.85則有 =2620.59 N 經(jīng)圓整取=2700 N 3） 計(jì)算手部活塞桿行程長(zhǎng)L，即 ==12.99mm

12、 經(jīng)圓整取L=13mm 第三章 手臂的設(shè)計(jì) 3.1手臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 手臂回轉(zhuǎn)后液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算，手臂回轉(zhuǎn)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，采用回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力情況可化簡(jiǎn)成圖4-20。 圖4-20 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力圖 驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)的力矩M驅(qū)，與手臂起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣及各密封裝置的摩擦阻力矩M摩相平衡。 M驅(qū)＝M慣+M摩+M回 （3－1） （1）M摩——密封裝置處的摩擦力矩（Nm） M摩＝M摩’+M摩” 估計(jì)取 F’=350

13、N ,F”=600N 估計(jì)取 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D=200mm ,輸出軸與動(dòng)片聯(lián)接處的直徑 d=80mm , 動(dòng)片寬度b=100mm M摩’=F’R＝3500.152＝26.25Nm M摩”＝2F”R＝26000.152=90Nm 所以， M摩＝26.25+90=116.25Nm (2)M——手臂起動(dòng)時(shí)的慣性力矩 M=J0= 式中 ——回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的角速度變化量（rad/s），在起動(dòng)過(guò)程中=，取=60/s ——起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間（s）,取=0.5s J0——手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nms2）。若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)

14、軸的距離為， 則 J0=Jc+ 式中 Jc——回轉(zhuǎn)零件對(duì)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jc= 取手臂回轉(zhuǎn)零件質(zhì)量m=120Kg，回轉(zhuǎn)時(shí)手臂長(zhǎng)度l=1100mm Jc==12.1 Jo=12.1+1200.352=26.8 M慣＝12.1x=25.33Nm M回——回轉(zhuǎn)液壓缸回油腔的背壓反力矩 M回== 取, M回==562.5 Nm M驅(qū)=149.5+25.33+562.5=737.3 Nm 3.2驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 如圖4-21所示回轉(zhuǎn)液壓缸的進(jìn)油腔壓力油液，作用在動(dòng)片上的合成液壓力矩即驅(qū)動(dòng)力矩M驅(qū)′ M驅(qū)′== 圖4-21 回轉(zhuǎn)液壓缸

15、計(jì)算圖 (一) 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D的計(jì)算 根據(jù) M驅(qū)= M驅(qū)′ M驅(qū)= 式中 D——回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑（m） M驅(qū)——作用在動(dòng)片的外載荷力矩 p——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（Pa） d——輸出軸與動(dòng)片聯(lián)接處的直徑（m），初步設(shè)計(jì)時(shí)按 選取 b——?jiǎng)悠瑢挾龋╩） D==0.21m 為減少動(dòng)片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，選擇動(dòng)片寬度（即液壓缸寬度）時(shí)，可選用 所以 3.3缸蓋聯(lián)接螺釘和動(dòng)片聯(lián)接螺釘計(jì)算 （1）缸蓋聯(lián)接螺釘計(jì)算 缸蓋

16、與回轉(zhuǎn)液壓缸的缸體用螺釘聯(lián)接時(shí)，其螺釘?shù)膹?qiáng)度計(jì)算方法與伸縮液壓缸缸蓋螺釘強(qiáng)度計(jì)算方法相同。 （2）動(dòng)片與輸出軸聯(lián)接螺釘計(jì)算 動(dòng)片與輸出軸用螺釘聯(lián)接的結(jié)構(gòu)見圖4-22。聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱地安裝，并用兩個(gè)銷釘定位。聯(lián)接螺釘?shù)淖饔檬牵菏箘?dòng)片與輸出軸的配合面緊密接觸不留間隙，當(dāng)油腔通高壓油時(shí)，動(dòng)片受油壓作用，產(chǎn)生一個(gè)合成液壓矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。 動(dòng)片的受力情況如圖4-22b所示。 依動(dòng)片所受力矩的平衡條件，有： 圖4-22 動(dòng)片與輸出軸聯(lián)接方式及動(dòng)片受力圖 于是得 式中 FQ——每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力（N） Z——螺釘數(shù)目，Z=

17、6 f——被聯(lián)接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼取f=0.15 所以 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 常用螺釘材料的屈服極限 螺釘材料為45號(hào)鋼，所以取MPa 所以 3.4夾緊缸彈簧的確定 彈簧工作載荷F=50N 最大軸直徑 最小筒直徑 彈簧剛度 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表30.2－8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得 材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm . 單圈彈簧工作極限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度。 (3.7) 曲度系數(shù)＝1.14，G－彈簧材料的剪切彈性模量，

18、鋼材G= Z=110mm,則活塞缸總長(zhǎng)L=150mm。 第四章 液壓系統(tǒng)控制 4.1液壓系統(tǒng)動(dòng)作循環(huán)及電磁鐵動(dòng)作順序表 電磁鐵 序號(hào) 動(dòng)作循環(huán) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 臂 部伸縮 伸出 伸出緩沖 縮回 縮回緩沖 + + + + + + 臂部升 降 上升 上升緩沖 下降 下降緩沖 + + + + + 臂 部 回

19、轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn)緩沖 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)緩沖 停止 + + + + + + 腕 部回轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn)緩沖 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)緩沖 停止 + + + + + + 夾 持 夾緊 松開 + 原位卸荷 + 4.2 機(jī)械手總的液壓控制圖 4.3 現(xiàn)場(chǎng)器件跟PLC的連線 4.4 PLC三菱編程梯形圖： 第五章 參考文獻(xiàn) 1、《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 機(jī)械工業(yè)出版社,徐灝主編 2、《工業(yè)機(jī)器人》 北京理工大學(xué)出版社,張建民著 3、《液壓傳動(dòng)》 機(jī)械工業(yè)出版社,丁樹模主編