PAGE18鋼管打捆機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要鋼管作為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要產(chǎn)品，諸多科學(xué)的檢測和實驗的結(jié)果展現(xiàn)了了其強大的抗壓能力和優(yōu)秀的焊接性能，使用十分安全可靠。隨著市場上對鋼管的需求量的迅速增長，鋼管的打捆質(zhì)量和效率也已經(jīng)成為了影響鋼管產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約因素之一。通過人力手工打捆的鋼管產(chǎn)品在包裝質(zhì)量方面存在相當(dāng)大的問題，往往各廠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一，容易造成在運輸過程中出現(xiàn)松散、混亂等現(xiàn)象，嚴重影響了運輸、銷售和使用。查閱相關(guān)的資料，設(shè)計一種新型打捆設(shè)備，說明新型打捆設(shè)備的組成和工作原理，對打捆設(shè)備的各個零件進行選型，在solidworks中進行三維建模，同時對重要零件進行ansys有限元分析優(yōu)化，最后，繪制整個設(shè)備的二維圖。本課題運用機器人技術(shù)與鋼管打捆技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，設(shè)計一種新型打捆設(shè)備，將三自由度機器人與夾緊機構(gòu)相結(jié)合，采用仿生學(xué)原理模仿人的雙臂環(huán)抱運動，在關(guān)節(jié)處安裝電機驅(qū)動機械手運動，在末端安裝氣缸來控制夾緊機構(gòu)夾緊鋼帶。最后設(shè)計出了鋼管打捆機械手。設(shè)計的鋼管打捆機械手克服了市場上普遍的缺點，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作難度高，占地面積大，生產(chǎn)成本高。可以滿足中小型企業(yè)的要求。關(guān)鍵詞：鋼管；鋼管打捆；機械手；鋼帶；夾緊目錄第一章緒論 11.1選題背景 11.2課題研究目的與意義 11.3鋼管打捆機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3.1國外現(xiàn)狀 21.3.2國內(nèi)現(xiàn)狀 31.3.4鋼管打捆機發(fā)展趨勢 41.4本文研究內(nèi)容 51.5本章小結(jié) 6第二章鋼管打捆機械手的整體設(shè)計 72.1鋼管打捆機械手的設(shè)計依據(jù) 72.1.1鋼管打捆裝置的打捆方式 72.1.2鋼管包的參數(shù)計算 82.2鋼管打捆機械手的整體結(jié)構(gòu) 102.2.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 102.2.2傳動系統(tǒng)設(shè)計 112.3本章小結(jié) 12第三章鋼管打捆機械手的零件選用 133.1機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 133.2鋼帶的選用 143.2.1鋼帶變形條件 153.2.2鋼帶應(yīng)力及負載計算 153.3伺服電機和減速器的選用 173.3.1各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的參數(shù)確定 173.3.2各關(guān)節(jié)電機及減速器的選型 183.4鋼管打捆機械手末端夾緊機構(gòu)設(shè)計 213.4.1鋼帶夾緊機構(gòu)的設(shè)計原理 213.4.2鋼帶夾緊機構(gòu)的工作原理 223.4.3鋼帶夾緊機構(gòu)的力學(xué)研究 223.5氣缸的選型 263.5.1氣缸的選型 263.5.2氣缸的安裝和維護 273.6本章小結(jié) 28第四章鋼管打捆機械手的靜力分析及其優(yōu)化 294.1機械臂L1的靜力分析 294.2機械臂L2的靜力分析 334.3夾緊鉗的靜力分析 364.4本章小結(jié) 38第五章論文總結(jié)和展望 295.1全文總結(jié) 395.2課題展望 40參考文獻 42第一章緒論1.1選題背景早在幾百年之前，鋼鐵就開始對人類社會產(chǎn)生巨大影響。發(fā)展到現(xiàn)代，特別是在工業(yè)革命爆發(fā)之后，鋼鐵更是成為了現(xiàn)代社會必不可少的支柱產(chǎn)業(yè)之一。小到個人日常生活用品,其中很大一部分都是由鋼鐵材料加工而成的；大到軍事設(shè)備，生產(chǎn)工具，軌道交通也都離不開鋼鐵的參與。鋼鐵產(chǎn)業(yè)在中國的經(jīng)濟中起決定性的作用，是整個國家所有工業(yè)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代任何發(fā)展中國家是否邁入發(fā)達國家的主要標(biāo)志是其工業(yè)化程度和自動化程度，即工業(yè)化在國民經(jīng)濟中所占的比重以及工業(yè)的機械化、自動化程度。即便是已經(jīng)完成了整個國家產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化，正在發(fā)展新型工業(yè)的發(fā)達國家，鋼鐵工業(yè)在整個國家的產(chǎn)業(yè)中依舊是不可替代的。2019年，中國鋼管的表觀消費量為7619.18萬噸，同比增長9.3%，其中焊接鋼管表觀消費量為5241.9萬噸，同比增長11.8%;無縫鋼管表觀消費量為2377.24萬噸，同比增長4.3%。根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計顯示，2019年我國鋼管產(chǎn)量為8417.6萬噸，同比增長8.7%。截止至2020年1-10月中國鋼管累計產(chǎn)量達到7265.1萬噸?？梢婁摴墚a(chǎn)業(yè)到現(xiàn)在依然有巨大的發(fā)展空間。而鋼管作為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要產(chǎn)品，承壓能力和焊接性能都很高，多種嚴格的科學(xué)檢驗和測試證明，鋼管使用十分安全可靠。不僅如此，在液體和氣體運輸行業(yè)中，由于鋼管的直徑大，所以輸送流量大，密封性好，降低鋪設(shè)輸送管道的成本，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。鋼管的打捆包裝是鋼管出廠的最后一道工序，打捆的質(zhì)量不僅影響鋼管的質(zhì)量，還影響了鋼管的運輸、銷售、和使用。隨著對鋼管的需求量的迅速增長，鋼管的打捆質(zhì)量和效率也已經(jīng)成為了影響鋼管產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約因素之一。鋼鐵產(chǎn)業(yè)隨著我國的工業(yè)程度的不斷加深而迅速發(fā)展，作為必需品的鋼管的需求量也在不斷地上升，鋼管的打捆包裝質(zhì)量和效率也成了一個限制鋼管產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素，于是就產(chǎn)生了鋼管打捆機這個概念，并成功地研發(fā)出來。1.2課題研究目的與意義鋼鐵產(chǎn)業(yè)隨著我國的工業(yè)程度的不斷加深而迅速發(fā)展，作為工業(yè)必需品的鋼管的需求量也在不斷地上升，從而形成了鋼管產(chǎn)業(yè)。目前，在運輸、建筑、機械、汽車、船舶等領(lǐng)域鋼管的需求量極大，僅油氣管道的需求就占據(jù)了大半，而這其中所需的鋼管管道都是由焊接技術(shù)實現(xiàn)的。鋼管的生產(chǎn)過程需要對鋼管進行打捆包裝，其中鋼管打捆的效率以及作業(yè)安全性對于鋼管行業(yè)的整體生產(chǎn)水平有著至關(guān)重要的影響[2]。多年以來，技術(shù)及設(shè)備的升級改進重心一直在各類生產(chǎn)機器上面，技術(shù)及設(shè)備的不斷創(chuàng)新改進，鋼管生產(chǎn)機械的加工自動化及生產(chǎn)效率都有了飛躍的提高，這是值得肯定的。值得注意的是，鋼管產(chǎn)業(yè)的健康良好的發(fā)展生態(tài)圈涉及方方面面。鋼管成型打捆是鋼管生產(chǎn)環(huán)節(jié)的輔助工序，從來沒有人去研究改進這個環(huán)節(jié)。長久以來，鋼管的生產(chǎn)制造十分先進，但打捆包裝卻一直都在使用傳統(tǒng)的工人手工打捆，人力手工鋼管打捆過程作業(yè)量大、生產(chǎn)效率極其低下且伴隨著相當(dāng)大的危險系數(shù)。通過人力手工打捆的鋼管產(chǎn)品在包裝質(zhì)量方面確實存在相當(dāng)大的問題，往往各廠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一，容易造成在運輸過程中出現(xiàn)松散、混亂等現(xiàn)象，嚴重影響了運輸、銷售和使用，在國內(nèi)外鋼管市場漸漸失去了競爭力。鋼管成型打捆儼然是我國鋼管產(chǎn)業(yè)壯大國內(nèi)鋼管市場開拓國際鋼管市場的重要制約因素。我國針對鋼管打捆包裝設(shè)備的研究起步較晚，經(jīng)歷了從無到有、從簡到精的發(fā)展過程，最終逐漸發(fā)展成為了一個行業(yè)[3]。本課題運用機器人技術(shù)與鋼管打捆技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，旨在簡化鋼管打捆機的結(jié)構(gòu)，減少打捆機的占地面積，降低打捆機的操作難度，提高打捆機的安全性，提高打捆機打捆效率，提高生產(chǎn)的自動化水平。力求不斷改善鋼管成型打捆質(zhì)量，逐步將我國的鋼管成型打捆工序做高做好，逐步實現(xiàn)鋼管成型打捆的自動化、標(biāo)準(zhǔn)化、高效化，逐步使鋼管成型打捆符合國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)，逐步使我國的鋼管走出國門，走到全世界每一個需要它的地方。1.3鋼管打捆機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國外現(xiàn)狀國外的鋼管打捆設(shè)備由于研究起步較早，經(jīng)過幾十年的研究和改進，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)較為成熟了，已經(jīng)實現(xiàn)系統(tǒng)化、專業(yè)化、系列化、多樣化生產(chǎn)，不論是精度何穩(wěn)定性都有保證，國際上比較有名的鋼管打捆機生產(chǎn)商有:美國SIGNODE(信諾)公司、瑞典SUNDBIRSTA(森德斯)公司、意大利MAIR公司、德國TITAN公司[4]。早先美國的SIGNODE公司主要業(yè)務(wù)是生產(chǎn)鋼帶捆扎機，但在1913年，該公司增大了業(yè)務(wù)范圍，開始生產(chǎn)捆扎機械了，是地球上第一家進軍打捆機領(lǐng)域的公司。不僅生產(chǎn)能力強大，占據(jù)的市場大，還十分注重研發(fā)與創(chuàng)新，一直在不斷改進，精益求精，最終生產(chǎn)出了穩(wěn)定性高，使用壽命長的打捆機，占據(jù)了中國鋼材打捆包裝設(shè)備的大半市場，我國各大鋼鐵企業(yè)都在使用，如寶山、包頭、鞍山等鋼鐵公司。瑞典SUNDBIRSTA公司主要生產(chǎn)棒材和線材及其他各類材料的打捆設(shè)備。目前在各國各地有1500余臺線材打捆機正在運行中。從上世紀(jì)八十年代起中國的鋼鐵企業(yè)就從該公司購買線材打捆機，如首都、鞍山鋼鐵公司等。德國TITAN公司從事打捆設(shè)備的設(shè)計制造已經(jīng)有近八十年的歷史了，研究出了無扣式打捆，在纖維帶打捆技術(shù)上遙遙領(lǐng)先，制造的焊接式打捆設(shè)備享譽全球，是世界上最可靠的焊接式打捆設(shè)備。1.3.2國內(nèi)現(xiàn)狀早在90年代初期，就有少數(shù)幾家科研單位展開過對打捆機的研發(fā)攻關(guān)，但由于沒有關(guān)鍵技術(shù)，未能生產(chǎn)出打捆機，由于打捆設(shè)備一直依賴進口，所以技術(shù)起步較晚，發(fā)展緩慢。在近幾年才逐漸形成產(chǎn)業(yè)格局，國內(nèi)的鋼管行業(yè)才逐漸開始使用自己的打捆設(shè)備。盡管在整體的技術(shù)層面上還與發(fā)達國家有一定的差距，但是經(jīng)過三十年的技術(shù)累計，已經(jīng)取得一些成果。國內(nèi)的北京航空航天大學(xué)、鞍山科技大學(xué)、浙江大學(xué)等科研單位都參與過鋼管打捆設(shè)備的研制。北京航空航天大學(xué)以國外全自動打捆機核心技術(shù)作為基礎(chǔ)，在國家的大力支持下，研制出了SCBD-800-I，一種新型的液壓鋼管打捆設(shè)備，該設(shè)備的研制成功，減少了國內(nèi)市場長期以來對國外進口設(shè)備的依賴，節(jié)約了生產(chǎn)成本。鞍山科技大學(xué)研制的鋼材打捆機采用鋼絲捆扎，每捆鋼管繞2至6圈以保證堅固牢靠，每道繞捆扎耗時25至50秒，鋼材捆直徑上限可達800mm及以上，每捆重量上限可達十噸。浙江大學(xué)在已有設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)鋼管行業(yè)的具體特點和市場需求，研制出了符合自身特點的無縫鋼管打捆設(shè)備，在國內(nèi)占據(jù)了一定的市場。圖1-1人力簡易打捆近年來，由于機器人技術(shù)的快速發(fā)展，將自動化技術(shù)與鋼管打捆技術(shù)相結(jié)合成了打捆設(shè)備研究方面的熱門課題，由于技術(shù)的積累不夠，目前雖然已有成果，研究出了全自動打捆機械設(shè)備，但缺陷極大，生產(chǎn)成本高，占地面積大，只能達成半自動化生產(chǎn)，離不開人力，所以打捆的效率不高。圖1-2人力半自動打捆1.3.3鋼管打捆機發(fā)展趨勢鋼管打捆是鋼管生產(chǎn)環(huán)節(jié)中至關(guān)重要一環(huán)，原材料在經(jīng)過縱剪、剪切對焊、渦流探傷、去毛刺、焊接、成型、定徑、飛鋸及精整等工藝流程之后，需要將其打捆包裝。打捆的平穩(wěn)性和效率會影響整個鋼管生產(chǎn)線的產(chǎn)量，在未來對于鋼管打捆機械手的研究中，應(yīng)該根據(jù)實際生產(chǎn)中的問題來對設(shè)備進行研發(fā)改良，鋼管打捆機械手改進方向如下。(1)對于鋼管打捆設(shè)備首先要注意的打捆機工作的穩(wěn)定性。打捆機的穩(wěn)定性決定了整捆鋼管的質(zhì)量,在鋼管打捆過程中，如果設(shè)備不穩(wěn)定就會使得鋼管發(fā)生碰撞,造成裂痕、坑斑等破壞、使鋼管在使用中更容易發(fā)生損壞，嚴重減少了鋼管的使用壽命。實現(xiàn)更高的穩(wěn)定性方法有兩種，第一種，提高鋼管打捆設(shè)備伺服控制系統(tǒng)的精度，加裝反饋控制系統(tǒng)，對打捆反饋信號進行監(jiān)測，使控制系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)軌跡進行實時調(diào)整，提高伺服電機的轉(zhuǎn)動角度和速度的控制，使機械手精確地在預(yù)定軌跡上運動不發(fā)生偏移，從啟動到停止的過程中全程保持平穩(wěn)運行，從而保證打捆鋼管的質(zhì)量；第二種，簡化鋼管打捆設(shè)備的機構(gòu)，越是復(fù)雜的機器越容易發(fā)生故障，簡化設(shè)備能有效地降低故障率從而提高穩(wěn)定性。(2)鋼管打捆設(shè)備還應(yīng)注意環(huán)保問題，提高對廢棄鋼帶的利用。目前國內(nèi)的鋼管打捆設(shè)備生產(chǎn)時大多用的是特制鋼帶，對廢舊鋼帶利用率不高，大部分都是直接回爐重造，這種處理方式不僅提高了生產(chǎn)成本，還加重了環(huán)境污染。鋼管打捆設(shè)備應(yīng)加大對廢鋼帶的利用技術(shù)研發(fā)的投入，將廢鋼帶利用到生產(chǎn)中。(3)鋼管打捆設(shè)備還應(yīng)注意提高打捆過程中的自動化水平。雖然目前的鋼管打捆設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)了部分自動化，但關(guān)鍵環(huán)節(jié)仍然離不開人力，這不僅影響了鋼管的生產(chǎn)效率，更重要的是無法保證工人作業(yè)時的生命安全，在設(shè)計打捆設(shè)備時應(yīng)考慮到自動化水平較高的機器人技術(shù)，將機器人技術(shù)與打捆方式相結(jié)合，用機械手取代人力，提高打捆設(shè)備的自動化水平和生產(chǎn)的效率。1.4主要研究內(nèi)容1.鋼管打捆機械手的整體設(shè)計

以六角形的鋼管包為研究對象,提出鋼管打捆機械手的打捆方式，設(shè)計出整體結(jié)構(gòu);通過對六角鋼管包相關(guān)參數(shù)的分析，確定機械手的相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)。2.鋼管打捆機械手的三維建模、仿真分析

對新型鋼管打捆機械手進行三維建模,并在ANASY軟件中對其進行靜力學(xué)仿真分析，進而對靜力學(xué)的相關(guān)理論進行驗證

3.鋼管打捆機械手的靜力分析

對新型鋼管打捆機械手進行靜力學(xué)分析，建立靜力學(xué)方程，并通過機械手的理論負載對各關(guān)節(jié)軸電動機和減速器進行選型計算。4.鋼管打捆機械手末端執(zhí)行器的研究與設(shè)計

設(shè)計出末端夾緊機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)，對其進行力學(xué)分析研究。1.5本章小結(jié)本章主要介紹了選擇鋼管打捆機的發(fā)展過程，選作研究課題的原因，研究的目的與意義，以及鋼管打捆機在國內(nèi)外的市場現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，總結(jié)了現(xiàn)有鋼管打捆設(shè)備的不足之處及優(yōu)化改進的方向，主要的研究思路、方向和內(nèi)容。第二章鋼管打捆機械手的整體設(shè)計2.1鋼管打捆機械手的設(shè)計依據(jù)2.1.1鋼管打捆的打捆方式通過對人體雙臂環(huán)抱并捆扎物體的觀察調(diào)研，雙臂及手腕的運動軌跡分析，根據(jù)仿生學(xué)原理，將機器人技術(shù)與鋼管打捆技術(shù)相結(jié)合，用機器人模擬人的雙手打捆運動過程，研究出了一種三自由度的仿人雙臂的打捆機械手，可以取代人工，提高打捆的效率[5]。目前，國內(nèi)對廢帶的處理仍是人工或簡易設(shè)備來完成，通過實地對“人工打捆”方式的調(diào)研和對“人雙手環(huán)抱取放或捆扎物體”方式的觀察及過程分析，運用仿生學(xué)原理，將鋼管打捆技術(shù)與機器人技術(shù)相結(jié)合的打捆方式，研究并設(shè)計一種仿人雙臂的三自由度新型鋼管打捆機械手的設(shè)備[6]?？梢匀〈斯ご蚶?，并提高打捆的效率。1、鋼帶打捆優(yōu)點是鋼帶本身具有優(yōu)良的耐腐蝕性和耐磨性，使用壽命長；鋼帶的承載力度大，受力不會輕易斷開，鋼管捆緊固，運輸十分安全方便。缺點是鋼帶成本要比鐵絲貴，打捆需要用到配套的機器。2、鋼絲或鋼絲繩捆扎優(yōu)點是成本較低，打捆方便，操作簡單，一個人就可以完成打捆，缺點是鋼管不易扎牢，使用后無法重復(fù)利用，不符合綠色環(huán)保的概念[7]。對比以上兩種打捆耗材，考慮到不合格鋼管的回收利用問題，可以直接加工成鋼帶，不僅符合綠色環(huán)保的理念，還節(jié)約了成本，所以最后選擇了鋼帶打捆的方式。圖2-1鋼帶連接方式目前市場上常見的鋼帶連接方式可分為兩大類：帶鎖扣連接和免鎖扣連接，共有五種連接方式。（1）鎖扣式鋼帶連接，是一種傳統(tǒng)的連接方式。它在重疊的鋼帶處放置鎖扣，再將鎖扣連同鋼帶沖咬出兩對凸口實現(xiàn)連接。這種連接強度低，只有鋼帶本身的65%，此外，這種連接方式還需要人工批量放置鎖扣，鎖扣也需要消耗成本，所以這種連接方式正在被淘汰。（2）無鎖扣沖咬式鋼帶連接，在雙層鋼帶上沖咬出三對陰陽子母扣來實現(xiàn)連接，有的公司是兩對或者5對，這種連接方式運用的非常廣泛，它的連接強度能夠達到鋼帶本身的80%，但是人們也發(fā)現(xiàn)了這種連接方式存在的問題：在頻繁的運輸過程中會出現(xiàn)脫扣現(xiàn)象。（3）防松沖咬式鋼帶連接，在無鎖扣沖咬式連接的基礎(chǔ)上改進而來，即在沖咬式的基礎(chǔ)上加了一對折邊，將鋼帶折起一截，這個設(shè)計大大的防止鋼帶松脫。自2012年面世以來，就被國內(nèi)打捆界廣泛使用，一些大型集團如寶武鋼、首鋼、中國一重、中色科技、中冶集團等也在使用。（4）電阻焊接式鋼帶連接，在雙層鋼帶的中間位置通過兩個電阻熱熔連接，連接強度能夠達到70%左右，因為焊接的同時會產(chǎn)生火花，這種連接方式不能用于有防火要求的環(huán)境中，并且對鋼帶的表面要求非常高，不能有油漆和污染。（5）氬弧焊連接式是另外一種焊接方式，它通過在雙層鋼帶中間兩個氬弧焊點連接，連接強度較高，能夠達到鋼帶本身的90%且外表美觀。但是同電阻焊一樣，不能運用在有防火要求的環(huán)境中，另外，氬氣也是一種消耗品，需要隨時補充。由于對生產(chǎn)環(huán)境沒有防火要求，考慮到生產(chǎn)成本問題，最后采用電阻焊接式鋼帶連接方法。2.1.2鋼管包的參數(shù)計算鋼管的包裝方式一共有三種：六角包裝、矩形包裝和圓形包裝[8]。其中矩形包裝雖然方便運輸，但結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易變形，且包裝不夠扎實，圓形包裝雖然內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，但鋼管包容易發(fā)生滾動，不僅運輸十分不便，而且存在安全問題，只有六角形包裝兼顧二者的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，內(nèi)部緊湊，還十分安全可靠。故在實際生產(chǎn)中多采用六角形鋼管包裝方式。因此，在實際生產(chǎn)過程中，六角鋼管包型[9]。六角鋼管包打捆所需鋼帶的長度取決于鋼管包的周長，而鋼管包周長取決于鋼管的型號和大小，鋼帶長度一般稍微大于鋼管包周長，留出兩端鋼帶重疊區(qū)，以便于對鋼帶焊接如圖2-2所示。圖2-2六角鋼管包示意圖圖2-2為六角鋼管包簡化模型，其中n為單邊的鋼管根數(shù)，d為鋼管的外徑，H為鋼管包的高度，則六角鋼管包周長S可以表示為：（2.1）假設(shè)鋼管包的邊長為l，由于鋼管包是正六邊形，則可以由模型計算出鋼管包的邊長l和高度H，（2.2）QUOTEH=2lcos300（2.3）由式（2.2）、（2.3）可得，（2.4）本文的打捆對象主要是外徑為21.3mm~114mm的鋼管，可由公式（2.1）、（2.4）計算出以下參數(shù)表。表2-1六角鋼管包主要參數(shù)表鋼管外徑單邊鋼管根數(shù)鋼管包周長鋼管包高度鋼帶長度d(mm)n(根)S（mm）H(mm)s(mm)21.38968.385279.549100026.971061.584306.453110033.761127.74325.55117042.461405.136409.595145048.3513226.516382.932137060.341294.285373.628124076.141608.754471.527165087.641880.255542.782192011431725.96508.90617702.2鋼管打捆機械手的整體結(jié)構(gòu)2.2.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計鋼管打捆機械手的工作過程如下，兩側(cè)機械手末端執(zhí)行機構(gòu)（由鋼帶夾緊機構(gòu)和氣缸組成）對鋼帶進行夾緊，機械臂對鋼管包進行環(huán)抱運動，對鋼帶進行拉緊對接，之后進行鋼帶焊接，最后機械臂復(fù)位。機械臂需要的主要功能如下，第一，對鋼帶兩端位置的識別抓取功能；第二，能完成對鋼管包的環(huán)保運動，使鋼帶受力形狀向六邊形靠近；第三，完成對兩端鋼帶的拉緊工作，使其重合，以便于焊接。其本質(zhì)是平面三自由度關(guān)節(jié)式串聯(lián)機械臂，結(jié)構(gòu)簡圖圖2-3鋼管打捆機械手結(jié)構(gòu)簡圖在圖中，實線為鋼管打捆機械手的初始位置，虛線為鋼管打捆機械手最終位置；L1、L2、L3分別為大臂、小臂、末端執(zhí)行機構(gòu)，地面與大臂、大臂與小臂、小臂與末端執(zhí)行機構(gòu)通過轉(zhuǎn)動副連接，由于對動力沒有太大要求，可以用伺服電機進行控制；E1、E2為初始狀態(tài)下的抓取點，六角鋼管包的周長用S表示，鋼管包的高度用H表示，最終狀態(tài)抓取的與鋼管包中心線之間的距離用S2表示（考慮到夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與尺寸，以及鋼管包的大小，在50mm~100mm之間選取合適的尺寸）。2.2.2傳動系統(tǒng)設(shè)計鋼管打捆機械手的主要運動關(guān)節(jié)要三個，而且對轉(zhuǎn)動力矩的要求不高，只需能帶動機械手即可，為了減輕重量，保持整體結(jié)構(gòu)的美觀性，選用電機—諧波減速器同軸傳動方式。選用XBS系列諧波減速器，因為該減速器的輸出采用法蘭連接，體積小，結(jié)構(gòu)美觀。確定了機械手的傳動方式后，就能設(shè)計關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)了。關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計士要考慮的是驅(qū)動部件和傳動方式，其中對于驅(qū)動部件的影響主要體現(xiàn)在:電機和減速器的尺寸大小，以及電機的動力輸出方式與減速器的動力輸入、輸出方式[10]。通過設(shè)計，可初步確定出關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，如圖2-5所示根據(jù)選用部件和傳動方式確定關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖如下所圖2-5關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖2.3本章小結(jié)本章主要介紹了鋼管打捆機械手的整體設(shè)計原理，用機器人仿照人的雙臂進行打捆；打捆的耗材和選用和打捆方式的選擇，選用鋼帶作為耗材，用電阻焊接方式打捆；通過對六角鋼管包主要參數(shù)的計算分析和打捆機的結(jié)構(gòu)選擇分析，確定了打捆機械手的主要尺寸參數(shù)，最后確定了機械手的幾個關(guān)節(jié)的傳動方式，電機—諧波減速器同軸傳動方式。第三章鋼管打捆機械手的零件選用3.1機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計新型鋼管打捆機械手的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，主要是各個桿件長度參數(shù)的確定[11]。鋼管打捆機械手的幾個主要的參數(shù)是大臂，小臂，以及末端夾緊機構(gòu)的長度，因為打捆機并不只是針對一種鋼管包，而是針對一個范圍內(nèi)的鋼管包，所以鋼管打捆機械手既要能對最大尺寸鋼管包打捆，也要能對最小鋼管包進行打捆，其中鋼管包的高度H對各個結(jié)構(gòu)參數(shù)影響最大。由表2-1可得，在鋼管外徑為87.6mm時，鋼管包的高度最大，最大為542.782mm，在鋼管外徑為27.3mm時，鋼管包的高度最小，最小為279.549mm，最大鋼管包的高度差不多是最小鋼管包的兩倍，因為鋼管打捆機械手各個桿件的長度最小值由最大六角包型的高度決定，由此便會產(chǎn)生一個問題：當(dāng)我們按照最大六角鋼管包設(shè)計出的鋼管打捆機械手去對最小鋼管包打捆時各個桿件是否會存在“大材小用”的問題[12]。如圖2-4所示，在1：1比例下繪制的六角鋼管包模型圖，實線代表打捆最大六角鋼管捆時的機械手模型，虛線代表打捆最小鋼管捆時的機械手模型，把按最大鋼管包高度設(shè)計出的鋼管打捆機械手對最小鋼管包使用時，發(fā)現(xiàn)打捆機械手相對于小的六角鋼管捆來說太大了，不便于打捆工作。圖2-4鋼管包簡化模型因此，對于那些小一點的六角鋼管包需要再設(shè)計出一種型號小一些的鋼管打捆機械手，經(jīng)過對21.3mm~114mm系列的鋼管包的高度研究發(fā)現(xiàn)，鋼管包的高度可分為兩個檔次，外徑42.4mm、76.1mm、87.6mm、和114mm屬于400mm~600mm檔次，設(shè)計出一號鋼管打捆機械手，外徑21.3mm、36.9mm、33.7mm、48.3mm和60.3mm屬于200mm~400mm檔次，設(shè)計出二號鋼管打捆機械手。對于鋼管打捆機械手，由于末端執(zhí)行機構(gòu)由夾緊機構(gòu)和氣缸組成，因此末端執(zhí)行機構(gòu)的長度由兩者共同決定[13]。通過對夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定一號末端執(zhí)行機構(gòu)桿長180mm，二號桿長100mm，根據(jù)工業(yè)機械臂的合理化設(shè)計要求（功能要求、美觀性要求、輕量化要求），可令各桿件的長度滿足于：L1≥L2≥L3[14]。通過對六角鋼管包關(guān)鍵參數(shù)的研究分析，初步確定一號鋼管打捆機械手L1長度為700mm，L2長度為400mm，二號鋼管打捆機械手L1長度為450mm，L2長度為275mm。兩種型號的鋼管打捆機械手的各項參數(shù)如下：表2-2兩種型號打捆機械手的各參數(shù)型號L1（mm）L2（mm）L3（mm）170040018024502751003.2鋼帶的選用在鋼管打捆機械手對鋼管打捆的過程中，末端抓取機構(gòu)會一直對一些厚度大，不易變形的鋼帶施加作用力，這些力主要是變形力、夾緊力、拉伸力，變形力使鋼帶發(fā)生塑性變形，彎曲成六角形，從而完成鋼管打捆；夾緊力是末端夾緊機構(gòu)抓住鋼帶，使鋼帶不在打捆過程中發(fā)生滑落的力；拉伸力是在打捆中使鋼管排列緊湊，焊接后鋼管捆綁扎實的力。這些力合成的反機械手末端桿約束的力就是鋼帶對機械手的負載。因為鋼帶的上下兩側(cè)對夾緊機構(gòu)的上下兩側(cè)約束反力大小相等，方向相反，所以可以相互抵消掉，因為鋼帶對夾緊機構(gòu)的約束反力發(fā)生在最后，所以在打捆過程中，負載主要由使鋼帶發(fā)生塑性變形的變形力決定，所以變形力的分析計算特別重要。3.2.1鋼帶變形條件鋼管打捆機械手對鋼管包打捆的過程實質(zhì)上就是鋼帶塑性變形的過程[15]。由于打捆采用的鋼帶都是由不合格鋼管二次利用加工而來，所以本身就有一定的硬度，不易變形，所以要施加外力使其彎曲變形。目前低碳鋼鋼管占市場的主流，又因為低碳鋼強度低、硬度低、材質(zhì)軟，且價格便宜，方便回收。所以選擇低碳鋼（Q235）為鋼帶的材料。當(dāng)應(yīng)力超過屈服強度QUOTEσs時，材料發(fā)生塑性變形但相應(yīng)的應(yīng)力變化很小，稱為屈服。當(dāng)收到的外力超過屈服強度時，材料才會發(fā)生塑性變形，否則只能是彈性變形，離開外力就會復(fù)原。所以，只有使機械手對鋼帶的變形力所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力大于等于鋼帶屈服強度，鋼帶才會發(fā)生塑性變形直至彎折。即滿足：（3.1）低碳鋼（Q235）的屈服強度QUOTEσs=235MPa。3.2.2鋼帶應(yīng)力及負載計算如下圖所示，在對六角鋼管包打捆的過程中，兩側(cè)的鋼帶都發(fā)生了三次彎折變形，分別發(fā)生在鋼管捆的六個圓角處，A、B、C是右側(cè)鋼帶三次塑性變形彎折點。圖3-1右側(cè)鋼帶三次彎折變形圖為了計算鋼帶在打捆過程中的彎曲正應(yīng)力，可以把鋼管包外面的鋼帶看作鋼管包的一部分。那么鋼帶的每次彎折變形都可以簡化為懸臂梁模型從而進行鋼帶彎曲正應(yīng)力的求解。所以有以下方程組（3.2）在式（3.2）中是第i（i=1、2、3QUOTEi=1、2、3）次鋼管彎折變形時截面上的彎曲正應(yīng)力；Mi是第i次彎折變形時的彎矩；WZ是彎曲截面系數(shù)，與截面的大小形狀有關(guān)，單位為QUOTEm3m3；為第i次彎折變形時機械手對鋼帶的變形力（因其與負載大小相同，方向相反，故在計算過程中假設(shè)與負載相互抵消）；為第iQUOTEi次變形時Fi的作用點和彎折截面之間的長度；S1、S2的含義同第二章。由于鋼帶的橫截面為矩形，所以設(shè)鋼帶厚度為h，鋼帶寬度為b，鋼帶彎曲截面系數(shù)WZ可表示為：（3.3）由式（3.1）、（3.2）、（3.3）可得，第i次鋼帶彎折變形時機械手末端執(zhí)行機構(gòu)所受負載為：QUOTEFi≥bh2?σs3S-6S2-2i-1S選定鋼帶的型號和材料后，可以用式（3.4）計算出不同型號鋼管包在三次彎折變形時機械手末端執(zhí)行機構(gòu)理論上所受最小負載。1、選用厚度h為4mm,寬度b為40mm的鋼帶時不同型號鋼管包在三次彎折變形時所受理論最小負載如下表3-1所示。表3-1h=4mm、b=40mm時Fi的值鋼管型號（外徑mm）F1(N)F2(N)F3(N)42.448.6389.13532.3976.141.7575.45391.1687.635.1462.67289.2311438.6469.39339.89選用厚度h為3mm,寬度b為40mm的鋼帶時不同型號鋼管包在三次彎折變形時所受理論最小負載如下表3-2所示。表3-2h=3mm、b=40mm時Fi的值鋼管型號（外徑mm）F1(N)F2(N)F3(N)42.427.3650.14299.4376.123.4942.45220.0587.619.835.28162.7211421.7439.04191.193.3伺服電機和減速器的選用鋼管打捆機械手的本質(zhì)是工業(yè)機器人，所以其關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式主要有三種，液壓、氣動和電動[16]。大部分的工業(yè)機器人采用的是電動傳動，現(xiàn)狀應(yīng)用最廣泛的電機是交流伺服電機。相比較于直流伺服電動機，交流伺服電機具有反饋環(huán)節(jié)，對速度及位移的控制更為精準(zhǔn)，但輸出力矩較小，需要配合相應(yīng)的減速器來實現(xiàn)傳動[17]。鋼管打捆機械手有三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的傳動力矩很小，為了減少整體尺寸，三個關(guān)節(jié)均可采用電機—諧波減速器同軸的傳動方式[18]。根據(jù)相關(guān)資料，該傳動方式的傳動效率為60%。由于只有先對各個關(guān)節(jié)進行力學(xué)分析才能選擇伺服電機和減速器，而機構(gòu)的運行速度又不高，所以不需要進行動力學(xué)分析，只需要進行靜力學(xué)分析即可。關(guān)節(jié)的輸出轉(zhuǎn)矩包括負載轉(zhuǎn)矩和負載加速轉(zhuǎn)矩，而關(guān)節(jié)角加速度、各機械臂的重量和機械臂的長度的參數(shù)估算就尤為重要了。3.3.1各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的參數(shù)確定在第二章的計算中，確定了機械臂的三個桿長：L1=700mm、L2=400mm、L3=180mm(由氣缸和末端夾緊機構(gòu)組成)，根據(jù)輕量化原則，在solidworks中進行三維建模，由于工字形截面更加穩(wěn)固且輕便，故機械臂各桿件結(jié)構(gòu)采用工字化結(jié)構(gòu)，中間鏤空處理。建模之后打開評估頁面，輸入選擇材料的密度就可以得出各主要零件質(zhì)量，其中三個機械臂的材料是碳鋼，選用的氣缸材料為鍍鉻不銹鋼，得出L1的質(zhì)量為41.5kg,L2是質(zhì)量為13.89kg,L3的質(zhì)量為5.366kg,三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（由電機和減速器組成）的質(zhì)量估算為5kg。計算出質(zhì)量以及長度等參數(shù)后，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的確定還需要對各關(guān)節(jié)的角速度和角加速度進行計算[21]。由于機械手打包的鋼管捆的高度不是固定的，而是在一個范圍內(nèi)，所以只能設(shè)角速度和角加速度的最大值為：QUOTEω=0.7rad∕s、QUOTEα=0.7rad∕s2以最大值來計算求解。表3-3轉(zhuǎn)矩參數(shù)表參數(shù)名稱單位值ML1機械臂1重量kg37.3ML2機械臂2重量kg18.8ML3機械臂3重量kg6.5L1機械臂1長度mm700L2機械臂2長度mm400L3機械臂3長度mm180MG2關(guān)節(jié)2質(zhì)量kg5MG3關(guān)節(jié)3質(zhì)量kg53.3.2各關(guān)節(jié)電機及減速器的選型在鋼管打捆的過程中，鋼帶一共彎曲變形了三次，其中第三次變形時，機械手的兩個關(guān)節(jié)負載力矩最大。所以在鋼帶第三次變形時對機械手進行靜力分析，如下圖3-2所示，圖中ML1QUOTEML1、ML2QUOTEML2、ML3QUOTEML3分別代表三個機械臂，MG2QUOTEMG2和MG3QUOTEMG3分別代表兩個關(guān)節(jié)，負載力用F表示。圖3-2機械手的靜力學(xué)分析在理想狀態(tài)下，各桿件質(zhì)心均在桿件中心，關(guān)節(jié)質(zhì)心在回轉(zhuǎn)中心，由受力分析可得，連桿負載對關(guān)節(jié)1產(chǎn)生的靜力矩：(3.5)關(guān)節(jié)1的轉(zhuǎn)動慣量J1：(3.6)關(guān)節(jié)1的慣性矩TJ1：(3.7)關(guān)節(jié)1的總轉(zhuǎn)矩T1(3.8)在式（3.5）、（3.6）中l(wèi)1、l2、l3、lG2、lG3是桿件1、桿件2、桿件3和關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2質(zhì)心從重力方向到回轉(zhuǎn)中心的力偶，是負載力到回轉(zhuǎn)中心的力偶。因為鋼管包的大小不同，所以力矩和力偶也不相同，所以計算出的最大靜力矩和轉(zhuǎn)動慣量也各不相同。在42.4~114mm管徑的鋼管包中，由前面的分析可知，用鋼管打捆機械手打包管徑小的鋼管包時，容易產(chǎn)生大材小用，即鋼管包的管徑越小，打捆機械手的運動幅度越大，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩也就越大。因為選擇電機和減速器需要用到最大轉(zhuǎn)矩，故計算最大轉(zhuǎn)矩只需計算最小鋼管包的總轉(zhuǎn)矩即可。在打捆管徑為42.4mm的鋼管包時，由表3-1得出負載力F=532.39N,代入公式（3.2）計算得，mm、QUOTEl2=240.02mm、QUOTEl3=-27.43mm、QUOTElG2=428.44mm、QUOTElG3=51.59mm、QUOTElF=569.76mm，在分別代入到式（3.5）、（3.6），用式（3.7）、（3.8）求得關(guān)節(jié)1的總轉(zhuǎn)矩QUOTE。所以關(guān)節(jié)1的總轉(zhuǎn)矩最大值為QUOTE。因為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的傳動效率η=60%，傳動比i=50，所以電機的輸出轉(zhuǎn)矩QUOTET1'=T1/ηi=19.453N?m，因此選用150ST-M23020型號伺服電機，該電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩為23QUOTEN?mN·m，故選用XBS25型號減速器。圖3-3XBS25減速器關(guān)節(jié)2力矩最大時刻恰好與關(guān)節(jié)1的最大力矩時刻相同，所以可以套用關(guān)節(jié)1的計算和電機、減速器選型過程，求解出關(guān)節(jié)2總轉(zhuǎn)矩最大值QUOTE，關(guān)節(jié)的傳動效率QUOTEη=60%，傳動比QUOTEi=50，電機輸出轉(zhuǎn)矩QUOTET2'=T2/ηi=9.077QUOTEN?mN·m，因此選用130ST-M10020型號伺服電機，該電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩為10N·m，故選用XBS25型號減速器。由于關(guān)節(jié)3不受負載力F的作用，所以關(guān)節(jié)3受到的力矩只有其自身（桿件3）的重量產(chǎn)生的力矩，其自身的最大靜力矩為：QUOTETG3=12ML3×L3×g最大轉(zhuǎn)動慣量為：QUOTEJ3=ML3×L3將表3-3中數(shù)據(jù)帶入式（3.9）和（3.10）得QUOTETG3=4.73N?m，QUOTEJ3=0.04353kg?m2,關(guān)節(jié)3最大轉(zhuǎn)矩QUOTET3max=TG3+TJ3=4.76N?m，因為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的傳動效率QUOTEη=60%，傳動比QUOTEi=50，所以電機的輸出轉(zhuǎn)矩QUOTET3'=T3/ηi=0.193QUOTEN?mN·m，因此選用60ST-M02430型號伺服電機，該電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩為2.4QUOTEN?mN·m，故選用XBS25型號減速器。綜上所述，各關(guān)節(jié)選用的伺服電機和減速器的型號和參數(shù)如下表所示。表3-4各關(guān)節(jié)伺服電機和減速器的型號和參數(shù)關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩（·）電機所需輸出總轉(zhuǎn)矩（·）伺服電機型號減速器型號額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩·額定轉(zhuǎn)速減速比1683.59519.453150ST-M23020XBS25200023.0100050295.696.58130ST-M10020XBS25200010.010005035.7860.19360ST-M02430XBS2530002.41000503.4鋼管打捆機械手末端夾緊機構(gòu)設(shè)計3.4.1鋼帶夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計鋼帶夾緊機構(gòu)是鋼管打捆機械手的核心部件，在打捆過程中負責(zé)完成對鋼帶的夾緊以完其他步驟，該機構(gòu)的主要功能是抓緊鋼帶。其實質(zhì)是力的放大裝置，即增力機構(gòu)，在這里我們選用的增力方式是杠桿式結(jié)構(gòu)。3.4.2鋼帶夾緊機構(gòu)的工作原理鋼帶夾緊機構(gòu)對鋼帶的抓緊主要是通過以下的方式實現(xiàn)的：氣缸對末端夾緊機構(gòu)施加一個力，而后通過傳動機構(gòu)傳到末端夾緊機構(gòu)的夾緊鉗上，夾緊鉗對鋼帶施加一個壓緊力F，使鋼帶與夾緊鉗和夾塊緊密相連，從而產(chǎn)生摩擦力，經(jīng)過仔細驗證，該摩擦力可以使鋼帶不發(fā)生位移從而實現(xiàn)鋼帶的夾緊。該夾緊機構(gòu)的夾緊方式如圖3-3所示。圖3-4夾緊方式示意圖圖中，夾緊機構(gòu)對鋼帶產(chǎn)生的總壓緊力用FN表示，夾緊機構(gòu)對鋼帶產(chǎn)生的總摩擦力用Ff表示，鋼帶單側(cè)受到的壓緊力和摩擦力分別用N和f表示，它們之間滿足以下關(guān)系式(3.11)通過研究計算發(fā)現(xiàn)，在Ff大約為20000N的情況下，鋼帶夾緊機構(gòu)就可以實現(xiàn)對鋼帶的夾緊，使其不發(fā)生位移，能順利完成打捆工作，此時，取摩擦系數(shù)的大小QUOTEu=0.5u=0.5，安全系數(shù)k=1.5QUOTEk=1.5，鋼帶一側(cè)的夾緊鉗對鋼帶施加的夾緊力N大約是13500N，等同于1350kg物體重量所產(chǎn)生的力。3.4.3鋼帶夾緊機構(gòu)的力學(xué)研究對鉸鏈的力學(xué)研究，可有效的掌握力在機構(gòu)中的傳遞特性[19]。1.夾緊機構(gòu)的力學(xué)傳遞圖3-5壓緊機構(gòu)簡圖如圖3-4所示，1為氣缸活塞桿，2、3為中間桿，4、5為夾緊鉗，6為夾緊機構(gòu)的壓塊，圖中A、B、C為活動鉸鏈，D、E為固定鉸鏈，P是氣缸對夾緊機構(gòu)做的功。夾緊機構(gòu)為左右對稱機構(gòu)，選擇氣壓傳動方式[20]。以氣缸為動力源，氣缸通過活塞桿1向夾緊機構(gòu)施加一個力，使A向下運動，通過活動鉸鏈A把力傳遞到活動鉸鏈B、C上，活動鉸鏈B、C也隨之向下運動，將力傳遞到夾緊鉗的前臂上，由于夾緊鉗的前臂和夾緊鉗實際上是連接在一起的，且有固定鉸鏈D、E，所以會以D、E為中心產(chǎn)生杠桿作用，使力傳遞到夾緊鉗的夾緊面上，從而作用于夾塊，使鋼帶牢牢固定在夾塊上，不發(fā)生滑動從而脫落。（1）活動鉸鏈A及連接件1、2的受力分析圖：圖3-6活動鉸鏈A的受力分析圖圖中，是氣缸施加于活動鉸鏈A的推力，F(xiàn)BA、FCA分別是連接件1、2對氣缸連桿1的反作用力，那么三者之間存在以下關(guān)系。QUOTEFBAcosa=FCAcosa(3.12)由式（3.12）得：QUOTEFBA=Fp/2sina(2)活動鉸鏈B及連接件2、4的受力分析圖：圖3-7活動鉸鏈B的受力分析圖圖中，是中間桿2傳遞給活動鉸鏈B的推力，由于夾緊鉗4的另一頭是固定鉸鏈D，力不能直接傳遞給鉸鏈D，所以會以杠桿的形式將力傳遞下去，根據(jù)杠桿原理將反作用力分解成兩個力，一個是垂直于杠桿并且直接作用于杠桿的力FBH，另一個是平行于杠桿將在傳遞過程中被抵消的力FBD，則它們之間存在以下關(guān)系式。QUOTEFBH=FABnsin?QUOTEFBD=FABncos(a+β)(3.(3)連接件2的力的傳遞分析圖。圖3-8連接件2的運動傳力圖中間桿2與夾緊鉗4通過鉸鏈B連接，因為夾緊鉗實質(zhì)上是杠桿結(jié)構(gòu)，所以夾緊鉗對鉸鏈B沒有反作用力，只有中間桿2通過鉸鏈B傳遞到夾緊鉗4的作用力，即QUOTEFABn，如上圖所示，F(xiàn)AB是的一個分力，與夾緊鉗4垂直，可得出以下關(guān)系式。QUOTEFABncosθ（3.15）2.夾緊機構(gòu)的增力比計算夾緊機構(gòu)的任務(wù)是完成對鋼帶的夾緊，對夾緊力的要求比較大，即鋼帶在夾緊面上的靜摩擦力，所以夾緊機構(gòu)最關(guān)鍵的部分就是增力結(jié)構(gòu)，在本次的設(shè)計中，將力的放大機構(gòu)放在了夾爪上，而杠桿結(jié)構(gòu)是最簡單實用的放大方式，故采用了杠桿結(jié)構(gòu)對力進行放大。以固定鉸鏈D為中心的杠桿結(jié)構(gòu)和夾緊面的受力分析圖，即力的放大示意圖：圖3-9杠桿結(jié)構(gòu)力的放大示意圖圖中，F(xiàn)AB是連接件傳遞過來的力，D是固定鉸鏈，在圖中主要作為杠桿的支點，杠桿結(jié)構(gòu)在這里的主要作用是對傳遞過來的力進行放大，而FAB’就是經(jīng)過杠桿放大之后的力，而則是直接作用于鋼帶的夾緊力，由圖可以得出關(guān)系式。(3.16)由公式（3.13）、（3.14）、（3.15）、（3.16）可得，(3.17)根據(jù)桿3的尺寸，鋼帶的寬度30mm，厚度2到4mm，可以初步設(shè)定L1=50mm,L2=10mm。在夾緊鉗夾緊時，對夾緊機構(gòu)進行測量，測得QUOTEa=45°α=30°、β=30°QUOTEβ=30°,帶入公式（3.12）、（3.17）得出的增力比為QUOTE?=kFNFP=15.3（安全系數(shù)k=2QUOTEk=2）（3.18）3.5氣缸的選型3.5.1氣缸的選型因為抓緊機構(gòu)是整個鋼管打捆機械手的核心部件，而氣缸又是抓緊機構(gòu)的動力元件，所以在設(shè)計完夾緊機構(gòu)后，對氣缸的選擇就會顯得十分重要。氣缸的選型主要考慮兩方面因素：一是氣缸的出力大小，這需要通過夾緊機構(gòu)的夾緊力計算得出；二是氣缸的行程，這也需要通過夾緊機構(gòu)的行程變化測出。（1）氣缸內(nèi)徑的確定將已知條件L1=50mm、L2=10mm、α=30°、β=30°QUOTEβ=30°QUOTEa=45°QUOTEβ=30°帶入公式（3.12）、（3.17）得：QUOTEFA=13500N,FP=2611.22NFA=13500N,FP=882.4N。得到需要的活塞桿推力大小之后，根據(jù)工作壓力和工作載荷之間的關(guān)系，得出公式（3.19）QUOTED=4FP∕πPη（3.19）其中，D為氣缸內(nèi)徑，單位m；FP為推力，單位N；P為選定的工作壓力，單位Pa；為總的機械效率。在對氣缸的工作性能和工作效率的要求比較高的時候，的取值范圍為0.3-0.5，（需要較高的工作性能時取0.3，需要較高的工作效率時取0.5），在對氣缸的工作性能和工作效率的要求較低的時候，QUOTEη的取值范圍為0.7-0.85。根據(jù)現(xiàn)實中的生產(chǎn)情況，取P=1MPa，QUOTEη=0.7，帶入公式（4.8）得D=0.0394m,即39.4mm，取氣缸的內(nèi)徑D的大小為40mm。（2）活塞桿行程的測算根據(jù)設(shè)計的夾緊機構(gòu)的各項參數(shù)，在三維模型上進行活塞的行程測量，得出氣缸運動路徑長為44.25mm,故取氣缸的行程為50mm。根據(jù)計算出來的氣缸推力、氣缸內(nèi)徑（40mm）和行程(50mm)，工作壓力P為1MPa,最終選擇HCDM2系列的氣缸。根據(jù)氣缸的類型以及結(jié)構(gòu)，選擇了CDM2B40-50J的標(biāo)準(zhǔn)型氣缸，如下圖所示。圖3-10CDM2B40-50J型氣缸氣缸的安裝和維護氣缸的安裝：1.安裝前，要進行空載試運動實驗，工作正常不漏氣才可以安裝。2.驅(qū)動氣缸的壓縮空氣一定要干凈、干燥、因此要用分水過濾器過濾一遍。

3.安裝的氣源進口處需設(shè)置油霧器，利于工作中的潤滑，氣缸的合理潤滑極為重要，潤滑不好會出現(xiàn)爬行，甚至不能正常使用。

4.安裝的時要注意運動方向，活塞桿只能承受軸向負載。

5.不能使用全部行程，尤其是活塞桿往外運動時，避免活塞與缸蓋直接碰撞，否則會造成氣缸零件損壞。氣缸的維護：1.氣缸使用時要定期檢查各部分零件，工作是否穩(wěn)定，運動的速度和運動周期變化大不大，安裝架有無變形，螺絲和連接部分是否松動脫落等。發(fā)現(xiàn)問題要及時維修，避免意外發(fā)生。2.在氣缸正常工作時，要經(jīng)常給分水過濾器加水，給油霧器加油保持潤滑，半年不加油的氣缸要在滑動的部分加潤滑脂。3.氣缸需要定期更換密封圈，以防止泄露不能正常工作，再次裝配時，一定要先把零件清洗并擦干，不能將污漬和雜物帶入到氣缸內(nèi)部，尤其要注意對密封圈的保護防止切開、劃痕、斷裂等。

4.氣缸拆除后短時間內(nèi)不再使用時，活塞桿等暴露在空氣中的部件，應(yīng)在表面涂上防銹油，使用防塵塞堵上進氣和排氣孔。3.6本章小結(jié)本章主要在完成鋼管打捆機械手的整體設(shè)計的基礎(chǔ)上，對機械手主要傳動部件，三個關(guān)節(jié)處的電機和減速器進行了參數(shù)計算和選型，對夾緊機構(gòu)進行了傳動分析和設(shè)計，并以夾緊機構(gòu)的曾力比和夾緊力對氣缸進行了選型。第四章鋼管打捆機械手結(jié)構(gòu)的靜力分析及其優(yōu)化目前比較常用的靜力分析軟件有solidworks中的simulation和ansys中的workbench,相較于simulation，使用ansys中的workbench做結(jié)構(gòu)的有限元分析顯得更加專業(yè)方便。在整個鋼管打捆機械手的結(jié)構(gòu)中，三個機械臂是最重要的零件，同時，也是整個機械結(jié)構(gòu)中的主要運動部件，收到的力最多，下面將主要對三個機械臂L1、L2、L3進行盡靜力分析，由于兩條機械臂是兩端完全對稱設(shè)計的，故只需對一側(cè)的機械臂進行靜力分析即可，此次靜力分析選擇的是左邊的機械臂。在solidworks中將零件另存為后綴為x_t格式的文件，打開AnsysWorkbench，雙擊AnalysisSystems欄目下的StaticStructural,將x_t文件導(dǎo)入到Geometry中，雙擊Geometry下面的Model,進入到靜力分析界面，依次點擊左側(cè)欄目里的Model—Geometry—Part1,在左下方的欄目框中Material下面的第一行后面選擇材料，點擊左側(cè)欄目中的Mesh，再點擊左下方方框里的Sizing進行網(wǎng)格的劃分，在ElementSize后方輸入劃分的網(wǎng)格大小，由于對于分析的精度要求不是太高，這里根據(jù)零件的大小選擇合適的網(wǎng)格大小,右擊StaticStructural—Insert,在后面的欄里選擇合適的約束后，再在欄里選擇零件所受到的力，之后就是輸出結(jié)果圖的設(shè)定了，右鍵單擊Solution—Insert—Deformation,選擇后面的Total和Directional,最后右擊Solution點擊后面的Solve，稍等一會分析結(jié)果就出來了。4.1機械臂L1靜力分析整個機械臂的結(jié)構(gòu)如下圖所示，其中，機械臂L1主要受到的力有兩個，一個是電機1對機械臂施加的轉(zhuǎn)矩，另一個則是則是電機2反作用于機械臂L1的轉(zhuǎn)矩。由于電機的轉(zhuǎn)矩不是直接作用于中心孔的，而是作用于固定電機的四個螺栓孔上，所以不能將轉(zhuǎn)矩直接施加到螺栓孔上，而是將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為4個螺栓孔相對于孔中心的四個力矩，從而求出直接作用于螺栓孔的力，如下圖所示，則有(4.1)其中，代表電機1經(jīng)過減速器減速后輸出的作用于機械臂的力矩，F(xiàn)Z是單個螺栓孔受到的力，DZ是電機傳動軸到螺栓孔中心的距離。圖4-1電機固定螺栓孔受力圖另一端電機反作用于機械臂L1的轉(zhuǎn)矩也可以進行分解，由于電機2直接與減速器相連，而減速器又是通過8個螺栓固定在機械臂上，所以機械臂L1受到的轉(zhuǎn)矩可以分解為8個螺栓孔受到的力，如下圖所示，其中FR是單個螺栓孔所受到的力，DR則是電機傳動軸到螺栓孔中心的距離。圖4-2減速器固定螺栓孔受力圖FR與DR之間存在以下的關(guān)系式(4.2)根據(jù)機械臂L1的參數(shù)可得DZ=48mm,DR=72.5mm，和表3-4中的電機參數(shù)帶入公式（4.1）、（4.2）可得出單個螺栓孔受到的力FZ=3560.4N,FR=165.0N,按下圖所示對機械臂L1施加力圖4-3L1上的力分布圖最后可得出分析結(jié)果：（a）主視圖（b）俯視圖圖4-4L1變形云圖（a）主視圖（b）俯視圖圖4-5L1應(yīng)力云圖在圖4-4和圖4-5中，機械臂L1的主要的變形全部集中在彎曲的關(guān)節(jié)處，其中最大的變形處的變形大小為0.013522mm，此時，集中在此處的等效應(yīng)力在4.572-6.0959Mpa之間，而碳鋼的最小屈服極限為207Mpa,此時還遠遠達不到變形的標(biāo)準(zhǔn)，所以L1的變形為彈性變形，不會破壞零件的結(jié)構(gòu)，其中整個機械臂L1應(yīng)力最大的地方在電機軸孔處，最大的應(yīng)力為13.716Mpa,同樣不會對機械臂造成不良的影響，所以機械臂不會在工作時發(fā)生破壞，影響安全問題。4.2機械臂L2靜力分析整個機械臂的結(jié)構(gòu)如下圖所示，其中，機械臂L2主要受到的力有兩個，一個是電機1對機械臂施加的轉(zhuǎn)矩，另一個則是電機3反作用于機械臂L1的轉(zhuǎn)矩，將力施加在機械臂L2上，如下圖所示。設(shè)機械臂L2左端電機傳動軸到螺栓孔中心距離為DZ1,單個螺紋孔受到的力為FZ1,右端電機傳動軸到螺栓孔中心距離為DZ2,單個螺紋孔受到的力為FZ2分別將DZ1=45mm,DZ2=72mm和表3-4中的電機參數(shù)帶入公式（4.1）可得FZ1=32.1N,FZ2=332.3N。將其施加到機械臂L2上，如下圖所示。圖4-8L2上的力分布圖分析后得出的結(jié)果如下圖所示（a）主視圖（b）俯視圖圖4-6L2變形云圖（a）主視圖（b）俯視圖圖4-7L2應(yīng)力云圖在圖4-6和圖4-7中，機械臂L1的主要的變形全部集中在機械臂中間偏右處，其中最大的變形處的變形大小為0.00073213mm，此時，集中在此處的等效應(yīng)力在0.2664-1.0651Mpa之間，而碳鋼的最小屈服極限為207Mpa,此時還遠遠達不到變形的標(biāo)準(zhǔn)，所以L2的變形為彈性變形，不會破壞零件的結(jié)構(gòu)，其中整個機械臂L2應(yīng)力最大的地方在電機2軸孔孔附近，最大的應(yīng)力為2.3691Mpa,同樣不會對機械臂造成不良的影響，所以機械臂不會在工作時發(fā)生破壞，影響安全問題。4.3夾緊鉗的靜力分析整個夾緊鉗的結(jié)構(gòu)如下圖所示，其受到的力為夾緊鋼帶時鋼帶反作用于夾緊面的力和其連接桿傳遞過來的力，鋼帶的反作用力的大小按照夾緊力FN=3500N來進行計算，可用公式（3-16）求出反作用于連接桿的力，其大小2338N，如下圖所示對夾緊面施加力，圖4-8夾緊鉗的受力圖分析后得出以下結(jié)果：圖4-9夾緊鉗變形云圖圖4-10夾緊鉗應(yīng)力云圖如圖4-9和4-10所示，整個零件發(fā)生巨大的變形，零件的變形主要集中在夾緊面和后方的連接孔上，最大的變形量為0.10682mm，零件受到的最大應(yīng)力為1263.6Mpa,普通碳鋼的屈服強度范圍在235-345Mpa之間，遠遠超出了屈服極限，現(xiàn)對零件進行優(yōu)化，優(yōu)化后分析結(jié)果如下。圖4-11夾緊鉗改進后變形云圖圖4-12夾緊鉗改進后應(yīng)力云圖如上圖所示，現(xiàn)在將零件的材料改進為55SiCrA彈簧鋼，它的屈服極限為1300Mpa,而現(xiàn)在的最大應(yīng)力為1270.2Mpa,不超過屈服極限，發(fā)生變形可以恢復(fù)，最大的變形為0.053393mm，不影響零件的正常工作。4.4本章小結(jié)本章主要使用ansys軟件對鋼管打捆機械手的幾個重要零部件進行了靜力分析。對幾個重要的零部件施加了理論上所承受的約束和載荷，最后通過ansys分析軟件得出的變形云圖和應(yīng)力云圖，通過這兩個圖分析零件的工作情況，最終發(fā)現(xiàn)了不合格的零件夾緊鉗，并對其進行優(yōu)化，使其滿足工作是的強度要求。第五章論文總結(jié)與展望5.1全文總結(jié)本文針對了國內(nèi)外鋼管打捆設(shè)備的發(fā)展情況和市場的現(xiàn)狀