1、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)大作業(yè) 單自由度可開合手爪 學(xué)院 機(jī)電學(xué)院 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì) 班級(jí) 1108102 姓名 孫賀龍 指導(dǎo)教師 吳偉國(guó) 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過程

2、，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手爪是通用氣動(dòng)上下料機(jī)械手爪，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。1.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度圖1-1所示為機(jī)械手的手指、

3、手腕、手臂的運(yùn)動(dòng)示意圖。圖 1-1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖1.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)夾持式手部。 1.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)考慮 到 機(jī) 械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。1.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)按照 抓 取 工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。1.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄

4、漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。1.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。1.7機(jī)械手的主要參數(shù)1、主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機(jī)械手最大抓重以30公斤左右的為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為30公斤。2、基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為1.2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為1

5、20°/s，平均移動(dòng)速度為lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為90°/s。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(應(yīng)大于1

6、80否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土0.5±lmm1.8機(jī)械手爪的技術(shù)參數(shù)列表一、 用途:夾取重物。二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、抓重30公斤 (夾持式手部)2、自由度數(shù)1個(gè)自由度3、座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑1500mm5、手指夾持范圍棒料 : 80150mm片料 : 面 積不大于0.5m Z6、驅(qū)動(dòng)方式氣壓傳 動(dòng)圖1- 6機(jī)械手的工作范圍 二 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部:當(dāng)工件是

7、板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。2.1手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。2.2設(shè)計(jì)時(shí)

8、考慮的幾個(gè)問題(一)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。(二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。(三)保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。(四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械

9、手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。(五)考慮被抓取對(duì)象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示.2.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，其工件重量G=30公斤，“V”形手指的角度2=120°，b=400mm， R=80mm,摩擦系數(shù)為f=0.10 ，銷釘直徑10mm，扇形齒輪頂部圓直徑20mm。圖3

10、-2 齒輪齒條式手部Fig.3-2 Gear Wheel Hand(1) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: (2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式:所以：=7350（N）(3) 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取=0.94 ，并取=1.5.若被抓取工件的最大加速度取a=g 時(shí)，則: 所以： 所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為23457N。2、氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為: 式中: 活塞桿上的推力，N彈簧反作用力，N氣缸工作時(shí)的總阻力，NP氣缸工作 壓力，Pa彈

11、簧反作用按下式計(jì)算: 式中: 彈簧剛度，N/mL 彈簧預(yù)壓縮量，mS活塞行程，md彈簧鋼絲直徑，mD彈簧平均直徑，mD彈 簧外徑，m n 彈 簧 有效 圈數(shù)G 彈簧 材料剪切模量，一般取G=79.4X 1 護(hù)Pa在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率幾的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得： 所以： 查有關(guān)手冊(cè)圓整，得D=65 mm由d/D=O.20.3， 可得活塞桿直徑:d=(0.20.3)D=1319.5 mm圓整后，取活塞桿直徑d=18 mm校核，按公式有: 其中=120MPa, F=750N則:d (47350/120)=8.8mm 18mm滿足設(shè)計(jì)要求。3、缸筒壁厚的設(shè)

12、計(jì)缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: 式中: 6 缸筒壁厚 mmD氣缸內(nèi) 徑 ，咖P實(shí)驗(yàn)壓力，取P=1.5PPa材料為 : ZL3, =3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: = =6.5 mm取=7.5 mm，則缸筒外徑為:D=65+7.52 =80 mm。2.4 齒輪齒條的強(qiáng)度校核2.4.1 齒輪材料選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，由機(jī)械設(shè)計(jì)書中的齒輪齒面硬度為217-255HBW，平均硬度為236HBW，初取齒輪模數(shù)m=4，z=；40,則齒條正火處理，齒面硬度為162-217HBW，平均硬度為190HBW，選用8級(jí)精度，且：式中：T齒輪傳遞的扭矩，T=N*b=735*0.4=294NmK速度系數(shù)，為保證速度平穩(wěn)，取K=1.2齒寬系數(shù)，取=1.1彈性系數(shù)，查表得=198.8節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，=25u齒條齒輪齒數(shù)比，u=重合度系數(shù)，查表得=0.86螺旋角系數(shù)，=1許用接觸用力， =由機(jī)械設(shè)計(jì)查表得疲勞極限，壽命系數(shù)，取安全系數(shù) ，得=855MPa