某自動打磨裝置的機械臂方案設(shè)計分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25481某自動打磨裝置的機械臂方案設(shè)計分析案例 1253991.1構(gòu)建機械手整體模型 1137051.1.1底座部分 236291.1.2腰部回轉(zhuǎn)部分 326651.1.3大手臂部分 3257121.1.4肘關(guān)節(jié)部分 416861.1.5小手臂部分 4312681.1.6手腕部分 544591.2機械手結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化 5138071.2.1靜應(yīng)力分析 522491.2.2有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 71.1構(gòu)建機械手整體模型裝配示意圖如圖4-1所示，其中0~6分別對應(yīng)圖3-2中的連桿。各連桿的尺寸如表4-1所示。圖4-1六軸機械手裝配圖序號0表示底座部分，序號1表示腰部回轉(zhuǎn)部分，序號2表示大手臂部分，序號3表示小手臂部分，序號4表示手腕部分，序號5表示末端執(zhí)行器。表4-1連桿構(gòu)件組成等效連桿序號等效連桿組成部件0底座、底盤旋轉(zhuǎn)渦輪箱1驅(qū)動臂座2大手臂3肘關(guān)節(jié)部分4小手臂5手腕6末端夾手1.1.1底座部分底座部分共有16個零件，核心部件是渦輪蝸桿。關(guān)于蝸輪蝸桿，如圖4-2所示，本文采用圓柱蝸桿，齒頂高系數(shù)取1，模數(shù)選為5.0，頂隙系數(shù)取0.2，傳動比為6，渦桿Z1=15，渦輪選用Z2=60。該機構(gòu)可以得到很大的傳動比，比交錯軸斜齒輪機構(gòu)緊湊。兩輪嚙合齒面間為線接觸，其承載能力大大高于交錯軸斜齒輪機構(gòu)。蝸桿傳動相當(dāng)于螺旋傳動，為多齒嚙合傳動，故傳動平穩(wěn)、噪音很小。機構(gòu)具有自鎖性，可實現(xiàn)反向自鎖，即只能蝸桿帶動蝸輪，而不能由蝸輪帶動蝸桿。其反向自鎖性可起安全保護作用。但是傳動效率較低，磨損較嚴(yán)重。蝸輪蝸桿嚙合傳動時，嚙合輪齒間的相對滑動速度大，故摩擦損耗大、效率低。另一方面，相對滑動速度大使齒面磨損嚴(yán)重、發(fā)熱嚴(yán)重，為了散熱和減小磨損，常采用價格較為昂貴的減摩性與抗磨性較好的材料及良好的潤滑裝置，所以為了提高效率，采用有色金屬做渦輪，蝸桿則采用較硬的材料，比如青銅制造。底座是可旋轉(zhuǎn)的。其特征在于，包含旋轉(zhuǎn)座和固定設(shè)置在旋轉(zhuǎn)座中間的齒輪，所述齒輪的上下位置均設(shè)有與齒輪相嚙合的齒條，為第一齒條和第二齒條，第一齒條和第二齒條相互平行，所述第一齒條由設(shè)置在第一齒條兩端的第一油缸組帶動，所述第二齒條由設(shè)置在第二齒條兩端的第二油缸組帶動。底座的外殼設(shè)計簡單，主要起到支撐和保護作用，在各個連接處有需要設(shè)置密封防塵，以便提高使用壽命。為了滿足工作需要和經(jīng)濟效益，本文選擇珠光體灰鑄鐵，其性能好，可以滿足設(shè)計需要，工藝簡單，方便生產(chǎn)，可以節(jié)約成本。圖4-2底盤蝸輪蝸桿1.1.2腰部回轉(zhuǎn)部分腰部回轉(zhuǎn)部分就是大臂臂座，上端連接大臂。主要通過安轉(zhuǎn)法蘭進行組裝。因為是傳動鏈的起始部位，所以對機械手末端的影響較大。因此，該部分的材料必須耐用且強度夠高。本文選擇高強度鑄鐵鑄造臂座。并且為了保險起見，在臂座的兩耳部位焊接加強筋。驅(qū)動臂座如圖4-3所示。圖4-3驅(qū)動臂座1.1.3大手臂部分大手臂部分主要包括手臂、安裝法蘭等。位于傳動鏈中部，其上端連接小臂，也要受到來自工作時的負(fù)載，所以也要求一定的強度。本文選擇合金鋼作為制造大臂和相關(guān)法蘭的材料。大手臂工作時會受到小臂和打磨機的重量等外力，為了保險起見，設(shè)計加強筋提高抗形變能力，加強筋通過焊接完成，如圖4-4所示的。圖4-4大手臂1.1.4肘關(guān)節(jié)部分肘關(guān)節(jié)部分如圖4-5所示。該部分零件部分擁有標(biāo)準(zhǔn)件，所以直接選購。圖4-5肘關(guān)節(jié)部分1.1.5小手臂部分小手臂部分可以說成大手臂的縮小簡化版，但由于小手臂要與腕部連接，所以在腕部側(cè)的結(jié)構(gòu)要稍許復(fù)雜一些，如圖4-6所示。圖4-6小手臂部分1.1.6手腕部分手腕部分設(shè)計了不同的末端部分執(zhí)行器，這樣它就具有拾取不同形狀的物體的功能，在實現(xiàn)抓取功能時，在爪子指尖處會貼上傳感器片，就可以實現(xiàn)對力的實時監(jiān)控，并進行對力大小的控制。1.2機械手結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化機械臂的工作屬于簡單的機械動作，但是工作強度高，動作反復(fù)次數(shù)多，工作時間久，很容易產(chǎn)生疲勞，嚴(yán)重時可能會造成機器損害，造成事故。所以對機器做力學(xué)分析至關(guān)重要。本文選擇系統(tǒng)中重要的大手臂和小手臂作為研究對象。確定它們的受力情況，做受力分析計算扭矩。然后再在ANSYS軟件中虛擬仿真，施加約束和受力來模仿大小臂工作時的載荷，然后根據(jù)軟件得出的各個云圖來分析論證，完成對機器的優(yōu)化設(shè)計。1.2.1靜應(yīng)力分析首先對大臂做受力分析，類似電機的設(shè)計，選擇大手臂所受載荷最大的情況做受力分析。根據(jù)分析，大臂受力最大的情況如圖4-7所示。此時的第三關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角為-20°。圖4-7大手臂靜力分析圖根據(jù)上圖中的數(shù)據(jù)代號對大手臂及上端部分受力分析并計算，計算如下。；；；.因此，得出大手臂上端受力990牛，下端受力1490牛，手臂上部分扭矩為262N*m，下部分扭矩為1065N*m圖4-8小手臂靜力分析圖依據(jù)同樣的方法，根據(jù)上圖中的數(shù)據(jù)代號對小手臂上端部分受力分析并計算，計算如下。；；；得出小手臂上端受力750牛，下端受力990牛，手臂上部分扭矩為91N*m，下部分扭矩為562N*m1.2.2有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化ANSYS軟件可以導(dǎo)入模型，設(shè)置約束、選擇材料、加載作用力、劃分網(wǎng)格，然后進行有限元分析,直觀的反映出零件的應(yīng)力、應(yīng)變、總位移。從而方便我們對材質(zhì)進行選擇和對模型進行優(yōu)化。對于本次設(shè)計，大臂和小臂是至關(guān)重要的部件，兩者的形變直接影響到打磨系統(tǒng)的工作精度。所以本次有限元分析選擇大臂和小臂。在大臂兩關(guān)節(jié)處設(shè)置重力和扭矩，仿真大手臂在工作時的受力情況，然后選擇好材料，并且開始劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格如圖4-9所示.圖4-9大手臂網(wǎng)格化等待電腦計算完畢，就可以得到大臂工作狀態(tài)的應(yīng)力云圖，應(yīng)變云圖，位移云圖。在云圖右側(cè)是各種顏色區(qū)域?qū)?yīng)的應(yīng)力應(yīng)變大小。應(yīng)力云圖見圖4-10。云圖中直觀的顯示了大臂的最大應(yīng)力為34MPA，位置在大臂上關(guān)節(jié)處。應(yīng)力反映了內(nèi)部受壓情況，應(yīng)變量和位移反映了材料發(fā)生了形變。云圖中直觀的顯示了大臂的應(yīng)變最大值為1.29*10-4，如圖4-11，其變化是經(jīng)過放大后出圖的，方便我們觀察，位移云圖中顯示最大綜合位移為0.068mm，如圖4-12。最大應(yīng)力值34mpa遠遠低于所選材料的屈服力，所以可以滿足設(shè)計要求。圖4-10大手臂應(yīng)力云圖圖4-11大手臂應(yīng)變云圖圖4-12大手臂總位移云圖小手臂的有限元分析與大手臂相同，經(jīng)過選材，畫網(wǎng)格，加載荷之后計算出圖。根據(jù)云圖可以直觀的看到，小手臂工作時最大應(yīng)力為14551393PA，如圖4-13所示,應(yīng)變云圖中直觀表示最大應(yīng)變?yōu)?.179*10-5，如圖4-14所示,位移云圖中顯示最大綜合位移0.14mm，如圖4-15所示。同樣，小手臂工作時最大應(yīng)力值遠遠低于本次設(shè)計中所選材料的屈服力,明顯設(shè)計滿足要求。圖4