某氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8609某氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算案例 117121課題來源 1261832氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 1197522.1機(jī)械手工作原理 1127432.2機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式 2311252.3機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選用 3155793結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1286533.1手爪設(shè)計(jì) 1146483.1.1手爪結(jié)構(gòu) 1272013.1.2手爪計(jì)算 1212743.1.3手爪校核 2319053.2機(jī)械手升降計(jì)算 230823.2.1系統(tǒng)壓力 2208023.2.2升降氣缸計(jì)算 384353.2.3活塞桿設(shè)計(jì) 499273.2.4行程設(shè)計(jì) 5321933.2.5設(shè)計(jì)端蓋 6107163.2.6缸的大小計(jì)算 748993.3水平方向設(shè)計(jì)計(jì)算 7195783.4機(jī)械手底座旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì) 7182093.4.1機(jī)械手旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì) 842463.4.2旋轉(zhuǎn)氣缸的選型 9162973.5機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10105083.5.1螺柱的選擇 10323213.5.2機(jī)械手底部設(shè)計(jì) 11110013.6機(jī)械手的穩(wěn)定性 12159943.6.1因素 1268923.6.2機(jī)械手的緩沖 13217294氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13155084.1手爪設(shè)計(jì) 14313514.2擺動(dòng)設(shè)計(jì) 142054.3伸縮設(shè)計(jì) 1543494.4氣動(dòng)原理圖和機(jī)械手外觀圖 151課題來源任務(wù)書2氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)方案2.1機(jī)械手工作原理氣動(dòng)機(jī)械手的組成，第一是手，用來鉗住工具，根據(jù)所鉗住的物體的寬度，重量，具有幾種形式。第二是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用來改變被鉗物體的狀態(tài)，最后一個(gè)是自由度，自由度是依靠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來定義，是機(jī)械手運(yùn)行的關(guān)鍵因素，自由度越大，氣動(dòng)機(jī)械手越可以涉及到更廣的范圍，并不止一個(gè)自由度，機(jī)械手的自由度可以控制各種電機(jī)完成任務(wù)。如下圖：圖2.1機(jī)械手的一般組成2.2機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式機(jī)械手的種類多樣，但是最常見的是：軟索式型等。而根據(jù)其運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)方式，則有直角，圓柱，球坐標(biāo)以及關(guān)節(jié)式這些坐標(biāo)方式。由于本設(shè)計(jì)中自由度大，旋轉(zhuǎn)應(yīng)該相對(duì)比較靈活，根據(jù)這些特點(diǎn)我們?cè)谶@里選擇圓柱坐標(biāo)型。但是還會(huì)有運(yùn)動(dòng)行程小等等不足。因此我們添加了一個(gè)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，增加了機(jī)械手的一個(gè)上下自由度。圖3機(jī)械手形式分類2.3機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件主要包括氣動(dòng)馬達(dá)、氣缸和氣動(dòng)閥等,一般分別為4-6個(gè)主要?dú)鈮骸?-10個(gè)主要?dú)鈮?。本?shí)用新型燃煤氣源配送方便,維修簡(jiǎn)單屬于機(jī)械氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中主要采用伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)轉(zhuǎn)。而機(jī)械傳動(dòng)僅限于固定的動(dòng)作。一般是采用凸輪式的連桿機(jī)構(gòu)來完成所規(guī)定的位置。它雖然具有操作可靠、運(yùn)轉(zhuǎn)速度高、成本較低的優(yōu)點(diǎn),但不容易進(jìn)行調(diào)整。本文中采取全氣動(dòng)方式做為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)條件，主要?jiǎng)恿Σ考闅飧缀蜌鈩?dòng)馬達(dá)。3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1手爪設(shè)計(jì)3.1.1手爪結(jié)構(gòu)手爪的設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要。a.夾緊力手在進(jìn)行工作時(shí),變形小,防止傷害到工件的表面。b.啟動(dòng)范圍在電動(dòng)機(jī)工作時(shí),手指的啟動(dòng)開關(guān)位置中最大值是測(cè)量的,這個(gè)變化被統(tǒng)稱為啟動(dòng)開關(guān)幅值。c.結(jié)構(gòu)小，重量輕運(yùn)動(dòng)狀況在操作時(shí)發(fā)生變化,其中的結(jié)構(gòu)會(huì)有變化，采用小結(jié)構(gòu)，輕重量。d.手爪的強(qiáng)度和剛度夾緊的輸送方式使它是在一定時(shí)期內(nèi)自動(dòng)結(jié)束的。該儀式使用彈簧式氣動(dòng)離合器、夾緊后的氣動(dòng)式輸送機(jī)械手,使得輸送工件改變形狀,松開,單獨(dú)的作用式氣動(dòng)輸送缸。這個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置主要是由于它的整體簡(jiǎn)單方便。3.1.2手爪計(jì)算手爪設(shè)計(jì)要求夾緊并夾起工件：N≥kk下面是公式中的單位。a=9.8m/sk3G得：N=12000N。手爪上的驅(qū)動(dòng)力p=2b通過設(shè)計(jì)，計(jì)算得P=377N。查得，可用公式計(jì)算：Fckk因?yàn)楦椎倪\(yùn)行需要?dú)鈮簛硗瓿?，因此FA3.1.3手爪校核綜合材料選擇d/D=0.7，d=35mm。Fc滿足要求。經(jīng)計(jì)算壓力等于1兆帕。3.2機(jī)械手升降計(jì)算3.2.1系統(tǒng)壓力表1表2由上述可知，在不忽略其他因素的情況下，取系統(tǒng)的負(fù)載為15000N，故選氣缸壓力P1=1MPa。3.2.2升降氣缸計(jì)算為了能夠使整個(gè)氣動(dòng)泵進(jìn)出能夠盡量達(dá)到同時(shí)滿足與整個(gè)工作臺(tái)快速轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)出的等效運(yùn)動(dòng)面積時(shí)間和運(yùn)轉(zhuǎn)相同。為了減少氣動(dòng)泵的流量的流動(dòng)，所以在有桿腔的運(yùn)動(dòng)面a1,和無桿腔運(yùn)動(dòng)面a2應(yīng)該滿足a1=2a2。同時(shí)氣缸內(nèi)徑D男足:D=0.707d1。d1為活塞桿直徑。故此在氣缸上的氣體無桿腔有效水平截面:F=PAD=4表3考慮到其他可能性的因素，取升降缸內(nèi)徑大小值為63mm;雖然比50大，但是可以保證壓力的大小可以完全適應(yīng)此升降缸。因此選擇的取的稍微大了一些。因A1=2A，得d=0.5D=31.5mm。活塞桿的大小取為32毫米。表41.氣缸表面材料選用強(qiáng)度檢測(cè)后。選用45號(hào)鋼，其動(dòng)力學(xué)性能最為好。δ≥PPy—壓力。σ=2.計(jì)算壓力Pmax≤1.5Pn=1.25×10=12.5MPa。計(jì)算其強(qiáng)度為600兆帕。取安全系數(shù)為5。σ=δ≥P=12.5×125=5.5mm。P=FS,滿足這樣可以得到外徑為83毫米。3.2.3活塞桿設(shè)計(jì)活塞桿的設(shè)計(jì)是氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)中很重要的部分，它承接著機(jī)械手的重量以及一些外部條件的一些不可避免的因素，要保證他的承受能力，選用合適的材料是重中之重。此壓力氣腔完全封閉，結(jié)構(gòu)聯(lián)系著缸底和缸蓋。兩個(gè)活塞桿在高速公路上同時(shí)受到其他外力驅(qū)動(dòng)牽引時(shí),一般建議可以至少選取一個(gè)dD=0.3?0.5在上述計(jì)算中，可得活塞桿得直徑可以在下表中取90。表5檢查尺寸，查得：最小穩(wěn)定流量qminminv=6mm/sA1由于A1成立。強(qiáng)度計(jì)算d≥4F因?yàn)閐<90mm。[σ]為許用應(yīng)力；σ=取得n=5。因此活塞桿的校驗(yàn)通過。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了更好的搭配其他元件的使用，同時(shí)加強(qiáng)元件之間的合作，要適當(dāng)?shù)奶幚砗酶鱾€(gè)元件之間的位置。提高操作性。密封性其夾緊密封圈按形狀主要可分有u形y型夾緊密封密閉圈、u形u型夾緊密封織物緊閉密封圈、o形u型夾緊密閉密封圈、v形夾緊密封密閉圈等[6]。薄鋼板片的涂層厚度一般大約為0.5mm。為了充分方便其施工設(shè)計(jì)及日常維護(hù),本系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方案特別考慮選用一種o型鋼作密封保護(hù)圈。3.2.4行程設(shè)計(jì)氣缸的行程在機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中非常重要，一個(gè)機(jī)械手的運(yùn)行能否順利，靠的就是機(jī)械手的行程運(yùn)作，在機(jī)械手工作時(shí)，需要選擇合適的參數(shù)，通過下面的參數(shù)來設(shè)計(jì)并且完成機(jī)械手的行程設(shè)計(jì)。表6[6]表7[6]表8[6]根據(jù)任務(wù)書的要求?？傻茫_選擇合適的氣缸行程，在實(shí)際進(jìn)行氣缸設(shè)計(jì)中。間隙不能太大。如果間隙太大,會(huì)直接容易引起整個(gè)氣缸內(nèi)部的廢氣泄露。降低了氣缸容積啟動(dòng)效率,致使整個(gè)氣缸內(nèi)部具有各種無法完全滿足要求的特殊設(shè)計(jì)啟動(dòng)性能。因此選擇上表中的1050作為工作行程?；钊O(shè)計(jì)間隙配置及其位移角度應(yīng)十分好,不能離的太近,也沒有讓元件之間的距離拉的過大。如果元件之間的運(yùn)轉(zhuǎn)太死板，可能會(huì)損壞元器件間導(dǎo)致氣壓不穩(wěn)定。如果間隙太大,會(huì)直接容易引起整個(gè)氣缸內(nèi)部的廢氣泄露,降低了氣缸容積啟動(dòng)效率,致使整個(gè)氣缸內(nèi)部具有各種無法完全滿足要求的特殊設(shè)計(jì)啟動(dòng)性能。在實(shí)際進(jìn)行氣缸設(shè)計(jì)工作過程中必須特別要注意確保最低氣缸裝置具備一定的最低氣缸導(dǎo)向壓力系數(shù)?？捎霉綖?H≥導(dǎo)向軸長(zhǎng)度為A?；钊膶挾仍O(shè)為M。C=H?1圖9[1]計(jì)算得其導(dǎo)向長(zhǎng)度后，取9厘米。圖中滑動(dòng)面的距離為A=0.8×9cm=7.2其寬度為B=0.9×90mm3.2.5設(shè)計(jì)端蓋計(jì)算端蓋可用公式計(jì)算得端蓋：?=3p(D下面是公式中的單位。D1—cm。P—dσ3.2.6缸的大小計(jì)算機(jī)械手的缸直徑不得超過整個(gè)缸體的內(nèi)徑20-30倍，可得：直徑D=5?10=50cm。3.3水平方向設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械手的夾爪夾緊物體時(shí)，在物體在水平方向上的受力如下圖。工件工件圖10設(shè)工件重量為五千克，長(zhǎng)度為一百毫米。缸及其元件的[4]為F=5000NS=0.5m。所得到的值，可用公式計(jì)算得：=5000×10×1=5000。3.4機(jī)械手底座旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以用幾個(gè)齒輪的嚙合來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)搭配氣動(dòng)的配置，讓底座各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)組成的零部件被正常運(yùn)行，齒輪的機(jī)械運(yùn)動(dòng)主要用途是機(jī)械用來通過控制和驅(qū)動(dòng)改變運(yùn)動(dòng)方向,齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)圖如下：圖11齒輪的旋轉(zhuǎn)性好，并且可以旋轉(zhuǎn)360度，配合旋轉(zhuǎn)氣缸，可以很好的實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪部的運(yùn)行。3.4.1機(jī)械手旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的負(fù)載功率：P0當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)加速或者減速時(shí)。其功率：Pa當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)加速或者減速時(shí)。計(jì)算力矩：TL當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)加速或者減速時(shí)。計(jì)算得GD：GD機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)：ta機(jī)械手制動(dòng)：tdTl式中:fGR運(yùn)算公式得T=0.12。因?yàn)镚D通過計(jì)算：G得：Pa=0.0068W。計(jì)算得出機(jī)械手旋轉(zhuǎn)開始時(shí)間ta機(jī)械手旋轉(zhuǎn)暫停時(shí)間td在計(jì)算到現(xiàn)在，氣缸上所承受：TL3.4.2旋轉(zhuǎn)氣缸的選型圖12圖13根據(jù)上圖的旋轉(zhuǎn)氣缸，由于MSQB?20A的旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)節(jié)，精度高。并且操作十分容易。因此選擇MSQB?20A的旋轉(zhuǎn)3.5機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.5.1螺柱的選擇由于螺柱在機(jī)械結(jié)構(gòu)中起到固定作用，他對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)固定有著極大的作用。本設(shè)計(jì)用鑄鐵作為螺柱的材料。通過不斷的設(shè)計(jì)，最終選擇螺距為6毫米的螺柱來最為本設(shè)計(jì)的要求。接下來通過計(jì)算得到b為3.9毫米。α==30～50Mpa。得到螺紋牙為40毫米。機(jī)械手結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算。得：α=4×200×9.8==通過檢測(cè)。合格。剪切強(qiáng)度Z=Hτ=F=200×9.8=206.8×103=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa。彎曲強(qiáng)度σ==0.48Mpa＜σ合格。3.5.2機(jī)械手底部設(shè)計(jì)機(jī)械手底部:圖143.6機(jī)械手的穩(wěn)定性3.6.1因素影響單一線量或者角度的定位精度誤差的因子有以下幾點(diǎn):1.定位方式不同的衛(wèi)星定位系統(tǒng)模型對(duì)其測(cè)量影響準(zhǔn)確程度的決定因素可能是不一樣的。例如在對(duì)一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)擋塊本身進(jìn)行碰撞定位時(shí),定位的準(zhǔn)確精度大小應(yīng)該與機(jī)械擋塊上的剛度及其在通過碰撞連接到機(jī)械擋塊上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度大小有關(guān)。2.剛度要求由于需要夾緊物品，所以要求機(jī)械手的剛度要特別高才行，不然夾著夾著物品就掉了。3.氣動(dòng)機(jī)械手的精度氣動(dòng)機(jī)械手的精度受很多因素影響，在制造時(shí)，在安裝時(shí)都可能或多或少的影響機(jī)械手在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候的精度。4.工件的重量工件的重量對(duì)機(jī)械手的要求十分重要，如果工件太重，可能導(dǎo)致機(jī)械手發(fā)生翻轉(zhuǎn)，太小可能導(dǎo)致機(jī)械手的爪子夾不到，并且在運(yùn)行中導(dǎo)致爪子定位不清，最后讓工件所放的位置距離理想位置過遠(yuǎn)。5.氣動(dòng)控制本設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)控制機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)，通過控制讓機(jī)械手實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，伸縮，伸長(zhǎng)，夾緊等功能。3.6.2機(jī)械手的緩沖緩沖的傳動(dòng)形式主要可以包括位于氣缸內(nèi)部末端的內(nèi)緩沖傳動(dòng)設(shè)備及氣缸緩沖傳動(dòng)回路。主要有：改變緩沖氣流流量,達(dá)到調(diào)節(jié)氣缸緩沖的目的。三個(gè)主要參數(shù)都應(yīng)該是在氣缸工作使用環(huán)境特定條件下所受到限制的。(1)加速度的選擇一般會(huì)選擇最大加速度，因?yàn)樽畲蠹铀俣韧ǔ?huì)根據(jù)一些相對(duì)性能等影響因素等來進(jìn)行綜合選擇。(2)計(jì)算F當(dāng)氣缸水平伸縮時(shí)=0.25×10=138N。(3)計(jì)算vV=0.10.64=0.154氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)