三自由度圆柱坐标搬运机器人设计3DCAD图纸+说明书+SolidWorks三维模型
压缩包内含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985毕业设计(论文)题 目: 三自由度圆柱坐标搬运机器人设计 院 (系): 机电系 专 业: 机械设计制造及自动化 学生姓名: 学 号: 指导教师单位: 姓 名: 职 称: 题目类型:理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 应用研究年 5月 1日摘 要机械手是在在机械化、自动化生产过程中发展的一种新型装置,使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。机械手能代替人类、重复枯燥完成危险工作,提高劳动生产力,减轻人劳动强度。该装置涵盖了位置控制技术可编程控制技术、检测技术等。本课题拟开发的物料气动机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数,可代替人工在高温危险区进行作业,。关键词:机械手, 气动机械手,抓取,提升45AbstractThe manipulator is a new device developed in the mechanization, automation of the production process, a grasping and moving the workpiece function automation device use. Manipulator can be boring to do dangerous work instead of humans, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device includes position control technology and programmable control technology, detection technology. This paper intends to develop material pneumatic manipulator can grasp up in space objects, flexible movement, any changes to the relevant parameters according to the changing and the movement process requirements, it may replace human work in high risk areaKeywords: manipulator, pneumatic manipulator, grab, lifting目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论11.1 课题背景及目的11.2 机械手的定义11.3 气动机械手概念11.4 气动机械手的组成21.5 气动机械手的应用21.6 课题研究的背景和意义21.7 国内外气动机械手的研究31.8 气动机械手的应用3第2章 气动机械手设计要求与方案52.1 气动机械手设计要求52.2 基本设计思路52.2.1 系统分析52.2.2 总体设计框图52.2.3 气动机械手的基本参数62.3 气动机械手结构设计62.4 机械手材料的选择72.5机械臂的运动方式72.6 气动机械手驱动方式的选择82.7 动作要求分析82.8 气动机械手结构及驱动系统选型9第3章 系统各主要组成部分设计103.1夹持器结构设计与校核103.1.1夹持器种类103.1.2夹持器设计计算113.1.3夹持器校核123.2升降方向设计计算123.2.1 初步确系统压力123.2.2 升降气缸计算133.2.3 活塞杆的计算校核153.2.4 气缸工作行程的确定163.2.5 活塞的设计173.2.6 导向套的设计与计算173.2.7 端盖和缸底的计算校核183.2.7 缸体长度的确定193.2.8 缓冲装置的设计193.2.9 气缸的选型193.3 水平方向设计计算213.3.1 水平方向计算213.3.2 气缸的选型213.4底座回转机构设计计算233.4.1 回转部位负载计算校核233.4.2 马达的选型253.5机身结构的设计校核263.5.1 马达的选择263.5.2 螺柱的设计与校核273.5.3 机座的机械结构283.6气动机械手的定位及平稳性确定293.6.1常用的定位方式293.6.2影响平稳性和定位精度的因素293.6.3气动机械手运动的缓冲装置30第4章 气动驱动系统设计324.1手部抓取缸324.2 腕部摆动气动回路334.3小臂伸缩缸气动回路344.4总体系统图35第5章 上位机控制控制系统设计375.1系统控制算法设计385.2 机械手控制系统的硬件部分405.3 机械手控制系统的软件部分41总 结42参考文献43致 谢44 三自由度圆柱坐标搬运机器人设计第1章 绪论1.1 课题背景及目的毕业设计是机械设计制造及其自动化专业在校学习的最后一个环节,是对四年大学学习的继续深化和检验,即有实践性又有综合性,是其他单一课程所不能替代的,通过毕业设计更能提高综合训练能力,为即将走向工作岗位,提高实际工作能力起到十分重要的作用。以达到如下目的:(1)综合运用所学的基础理论、基本知识和基本技能,提高分析解决实际问题的能力。(2)接受工程师必须的综合训练,提高实际工作能力。如调查研究、查阅文献和收集资料并进行分析的能力;制订设计或试验方案的能力;设计、计算和绘图能力;总结提高撰写论文的能力。(3)检验综合素质与实践能力。1.2 机械手的定义目前,工业机械手的定义,世界各国尚未统一,分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机械手协会给工业机械手下的定义:工业机械手是一种可重复编程的多功能操作装置,可以通过改变动作程序,来完成各种工作,主要用于搬运材料,传递工件。1.3 气动机械手概念气动机械手(Robot)是自动执行工作的机器装置。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 气动机械手是近50年才迅速发展起来的一种有代表性的、机械和电子控制系统组成的、自动化程度高的生产工具。在生产制造业中,工业气动机械手技术得到广泛的应用。它自动化程度高,对改善劳动条件,确保产品质量和提升工作效率,起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命。1.4 气动机械手的组成执行系统一般包括手部、腕部、臂部、机身机座等,其中最主要是运动系统。气动机械手主要由执行系统、驱动系统及控制系统三部分组成。手部是夹紧(或吸附、托持)与松开工件或工具 的部件,由手指(或吸盘),驱动元件和传动元件等组成。时间、速度和加速度等参数。气动机械手与主机及其它有关装置之间的联系3。1.5 气动机械手的应用按气动机械手布局形式分可分为:架空式气动机械手、附机式气动机械手、落地式气动机械手三种。此外,还有安装在自动线料道上或料道旁,实现工件上、下料、传递转位、转向等用途的气动机械手,他们具有运动单一、结构简单,位置灵活及精度一般要求较低的特点。 气动机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置3。1.6 课题研究的背景和意义由于现代科技的发展,无论是在工业生产中还是人类日常生活,气动机械手技术都得到广泛的应用。研究智能类人气动机械手是近年科学家一致致力于的方向。类人气动机械手是以人类模型的,它能仿照人类各种动作和具有人类的外部特征。未来气动机械手管家将不是梦。按气动机械手结构的不同,气动机械手又可以分很多种。轮式移动气动机械手、履带气动机械手、机器手、步行气动机械手等等。值得一提的是步行气动机械手,他是近年来类人机器研究的重要成果。它的移动方式跟大多数动物一样甚至可以跟人类一下。这是一种很复杂的自动化程度很高的运动。相对于传统的轮式和履带气动机械手,他对环境的适应性更强。能在很小的空间作业,在不平的道路上如履平地,上下楼梯等等。 将来不久,这项技术会得到非常广泛应用。 在气动机械手研究、制作中,运用电脑对设计出来的气动机械手进行仿真是一项非常重要的过程。气动机械手仿真包含零件建模,零件装配,最后进行运动仿真。通过仿真,设计员可以很直观的观察到各个机构的运动状况,知道有没有出现干涉;可以清楚知道各个部件的受力情况,得出各种模拟数据。这种方法大大节约了研制时间和成本。 1.7 国内外气动机械手的研究工业气动机械手在日本应用的历史非常悠久。在七十年代时工业气动机械手首先得到应用,然后经过十年的发展,在八十年代的时候工业气动机械手已经得到普及。相应的他们工业年产值也得到了快速提高。1980年达到一千亿日元,到1990年提高到六千亿日元。在2004年时已达到了一万八千五百亿日元。可见工业气动机械手在提高生产效益方面的重要性。 在国际方面,各个国家已经意识到工业气动机械手的重要性。所以工业气动机械手的订单急速上升。在2003年的订单量相对于2002年增长了百分之10。此后工业气动机械手的需求量仍然不断上升。从2001年到2006年全球订单增长多达90000多台。平均年增长为7%。国际气动机械手的发展方向: 气动机械手涉及到非常多学科的知识和领域。包括:计算机、电子、控制、人工智能、传感器、通讯与网络、控制、机械等等。气动机械手的发展离不开上述学科的发展。正是由于各个学科的相互影响和综合集成,才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步,气动机械手在应用得范围越来越广泛;技术也越来越得到调高,功能更加强大。现在很对气动机械手的研究都往小型化发展。气动机械手将会更多的进入到人们的日常生活中去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。工业气动机械手的广泛应用,对提升产品的质量与产能、保障人员安全,改善劳动环境,降低劳动的强度,提高生产效率,节约原材料消耗以及降低生产成本,起着一个十分重要的作用。工业气动机械手的广泛应用体现以人为本的原则,它的出现让人们的生活更加便利和美好。1.8 气动机械手的应用气动机械手产业是在计算机、继汽车之后出现的又一种新的大型高技术产业。现代,气动机械手产业市场前景发展很好。从二十世纪起,世界气动机械手产业一直稳步增长。到了二十世纪九十年代,气动机械手产品发展快速增长,年增长率平均在百分之十上下。2004年创记录达到百分之二十。在亚洲气动机械手需求量更多,年增长率高达百分之四十三。经历40多年的发展,工业气动机械手应用到很多领域中去了。气动机械手在制造业中应用的最广泛。如在焊接、热处理、表面涂覆、机械加工、装配、检测和仓库堆垛毛、坯制造(冲压、压铸、锻造等)等等作业中,气动机械手替代了人工作业,并使得生产效益大大提高。第2章 气动机械手设计要求与方案2.1 气动机械手设计要求1、根据要求设计气动机械手设计整套图纸;2、机械手能实现伸缩手300mm和升降功能500mm;3、机械手能实现转向90度和定位功能;4、机械手能实现抓紧和松开功能。2.2 基本设计思路2.2.1 系统分析机械手是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要在一个生产过程中实现自动化,需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析,从而判断机械手是否合适。所以要完成机械手的设计,一般要先做如下工作:(1) 根据机械手的使用场合,明确机械手的目的和任务。(2) 分析机械手所在的系统工作环境。(3) 认真分析系统的工作要求,确定机械手的基本功能和方案,如机械手的自由度数目、动作速度、定位精度、抓取重量等。进一步根据抓取、气动物体的质量、形状、尺寸及生产批量等情况,来确定机械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。对此,我进行如下分析:(1) 本设计课题为物料气动机械手设计,是通过机械手进行两地物料运输的机械手。而机械手的使用场合,非常广泛,要涉及到物料的状态,运作流水线的环境等等因素,相较于我所掌握的理论知识和能力,我选择非批量生产的小型物体加工流水线上的物料气动机械手。(2) 由于我所选择的机械手是非批量生产的小型物体加工流水线上的物料气动机械手,所以,机械手所在的系统工作环境一定是工厂,要求精度高,容错率低,速度快。2.2.2 总体设计框图图2 总体设计框图如图2为总设计框图,说明如下:(1) 控制系统:任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号,控制机械手的执行机构,使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为CPU的选择,CPU程序的编写调试等。(2) 驱动系统:驱动系统工作的驱动装置。(3) 机械系统:包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式,并计算得出具体结构。(4) 感知系统:即传感器的选择及具体作用。2.2.3 气动机械手的基本参数1. 机械手的最大气动物料的重量是它的主参数。本论文物料气动机械手所气动的物料质量可设定为1吨。2. 运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性,所以运动速度也是是物料物料气动机械手的一个主要的基本参数。设计速度过低的话,会无法满足机械手的动作功能,限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影响机械手动作的平稳性。 3. 伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键,也是机械手设计的基本参数。3.定位精度也是机械手的主要基本参数之一。机械手精度太低,就完成不了功能,精度太高又意味着成本的增加。综合考虑,该物料气动机械手的定位精度设定为士0.5到士1mm之间。物料气动机械手的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料气动机械手各关节的行程和时间分配来决定。2.3 气动机械手结构设计根据所设计的机械手的运动方式:机械臂的转动,机械臂的升降。根据上文所说的,机械手按照坐标的分类情况,选择圆柱坐标式机械手更为妥当。2.4 机械手材料的选择机械手手臂的材料应根据手臂的工作状况来进行选择,并满足机械手的设计和制作要求。从设计的思想出发,机械手手臂要完成各种运动。因此,对材料的一个要求是作为运动的部件,它应是轻型材料。另一方面,手臂在运动过程中往往会产生振动,这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时,需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑,以便有效地提高手臂的动态性能。此外,机械手手臂选用的材料与一般的结构材料不同。机械手手臂是一种伺服机构,要受到控制,必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时,可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。总之,选择机械手手臂的材料时,要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机械手手臂常用的材料:(l)碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢:这类材料强度好,尤其是合金结构钢强度增加了45倍、弹性模量E大、抗变形能力强,是应用最广泛的材料;(2)铝、铝合金及其它轻合金材料:其共同特点是重量轻、弹性模量E不大,但是材料密度小,则E/p之比仍可与钢材相比;(3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品质,但是脆性大,可加工型不好,与金属等零件连接的接合部需要特殊设计。然而,日本己试制了在小型高速机械手上使用的陶瓷机械手手臂的样品;从本文设计的机械手的角度来看,在选用材料时不需要很大的负载能力,也不需要很高的弹性模量和抗变形能力,此外还要考虑材料的成本,可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下,初步选用铝合金作为机械臂的构件。2.5机械臂的运动方式常见的机械手的运动形式有五种: SCARA型、直角坐标型极坐标型、关节型和圆柱坐标型。根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要,可采用不同的结构。位置具体选用哪种形式,必须根据作业要求、工作现场、以及气动前后工件中心线方向的变化等情况,分析比较并择优选取。这类机械手一般由2个肩关节和1个肘关节进行定位,由2个或3个腕关节进行定向。其中,一个肩关节绕铅直轴旋转,另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线,考虑到机械手的作业特点,即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点,故选用关节型机械手。如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类机械手运动学比较复杂,运动学的反解比较困难;确定末端杆件的姿态不够直观,且在进行控制时,计算量比较大。图3 常见的运动方式2.6 气动机械手驱动方式的选择机械手常用的驱动方式主要有气动驱动、气动驱动和马达驱动四种基本形式。但与气动驱动相比,功率较小,气动驱动的能源、结构都比较简单速度不易控制,精度不高。马达传动能源简单,速度和位置精度都很高,使用方便,噪声低,机构速度变化范围大,效率高,控制灵活。气动驱动的特点是功率大、结构简单,可省去减速装置,响应快,精度较高。但是需要有气动源,而且容易发生气体泄漏。起初,我先选择电动机的传动结构,但是考虑到机械手的升降运动运用纯机械结构并不能达到理想传动效果。而机械手臂旋转如若使用气动或者气动传动,就必须带有旋转气动或者旋转气缸,相对来说结构较为复杂,不利于设计。故改良方案,将驱动方式分成两个部分。其中,机械臂的回转采用传动的驱动方式,通过马达带动齿轮链进行旋转传动;而机械臂的伸缩、升降和机械手抓的抓取,都采用气动驱动方式。2.7 动作要求分析动作一:送 料动作二:预夹紧动作三:手臂上升动作四:手臂旋转动作五:小臂伸长动作六:手腕旋转 预夹紧 手臂上升 手臂旋转 手臂伸长 手臂转回 手腕旋转 图2.2 气动机械手动作简易图2.8 气动机械手结构及驱动系统选型本课题所设计的气动机械手为通用型的气动机械手,其中坐标系为圆柱坐标系结构。驱动系统选用马达驱动和气动驱动,马达驱动用于机座的旋转和手臂的上下移动,气动驱动用于手臂的伸缩和气动机械手的夹取和翻转3。第3章 系统各主要组成部分设计3.1夹持器结构设计与校核3.1.1夹持器种类1.连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下,连杆和杠杆使手爪产生夹紧(放松)运动,由于杠杆的力放大作用,这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。2.楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开,来实现抓取工件。3.齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条,齿条带动齿轮旋转,产生手爪的夹紧与松开动作。4.滑槽式手爪 当活塞向前运动时,滑槽通过销子推动手爪合并,产生夹紧动作和夹紧力,当活塞向后运动时,手爪松开。这种手爪开合行程较大,适应抓取大小不同的物体。5.平行杠杆式手爪不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构,因此,比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多结合具体的工作情况,采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动,通过活塞杆端部齿条,中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照所要捆绑的重物最大使用 的钢丝绳直径为50mm来设计。a有适当的夹紧力手部在工作时,应具有适当的夹紧力,以保证夹持稳定可靠,变形小,且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节,对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。b有足够的开闭范围工作时,一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围,手指开闭范围的要求与许多因素有关c力求结构简单,重量轻,体积小作时运动状态多变,其结构,重量和体积直接影响整个气动机械手的结构,抓重,定位精度,运动速度等性能。手部处于腕部的最前端,工因此,在设计手部时,必须力求结构简单,重量轻,体积小。d手指应有一定的强度和刚度因此送料,采用最常用的外卡式两指钳爪,夹紧方式用常闭式弹簧夹紧,夹紧气动机械手,根据工件的形状,松开时,用单作用式气缸。此种结构较为简单,制造方便。气缸右腔停止进时,气缸右腔进时松开工件。3.1.2夹持器设计计算手爪要能抓起工件必须满足: (3-6)式中,-为所需夹持力;-安全系数,通常取1.22;-为动载系数,主要考虑惯性力的影响可按估算,为机械手在搬运工件过程的加速度,为重力加速度;-方位系数,查表选取;-被抓持工件的重量 10;带入数据,计算得: ;理论驱动力的计算: (3-7)式中,-为柱塞缸所需理论驱动力;-为夹紧力至回转支点的垂直距离;-为扇形齿轮分度圆半径;-为手指夹紧力;-齿轮传动机构的效率,此处选为0.92;其他同上。带入数据,计算得 计算驱动力计算公式为: (3-8)式中,-为计算驱动力;-安全系数,此处选1.2;-工作条件系数,此处选1.1; 而气缸的工作驱动力是由缸内压提供的,故有 (3-9)式中,-为柱塞缸工作压;-为柱塞截面积;选取缸内径为50mm3.1.3夹持器校核活塞杆直径查气动传动与控制手册根据杆径比d/D,一般的选取原则是:当活塞杆受拉时,一般选取d/D=0.3-0.5,当活塞杆受压时,一般选取d/D=0.5-0.7。本设计选择d/D=0.7,d=35 mm=9616N377N计算所得的力远远大于实际所需要的力,所以满足要求。经计算,所需的压约为: (后续章节进行介绍)3.2升降方向设计计算3.2.1 初步确系统压力表3-1 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa1.25,满足最低速度的要求。2.活塞杆强度计算: 90mm (4-4)式中 许用应力;(Q235钢的抗拉强度为375-500MPa,取400MPa,为位安全系数取5,即活塞杆的强度适中)3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动马达机构相连接,为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力,适应气缸的安装要求,提高其作用效率,应根据负载的具体情况,选择适当的活塞杆端部结构。4.活塞杆的密封与防尘活塞杆的密封形式有Y形密封圈、U形夹织物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等6。采用薄钢片组合防尘圈时,防尘圈与活塞杆的配合可按H9/f9选取。薄钢片厚度为0.5mm。为方便设计和维护,本方案选择O型密封圈。3.2.4 气缸工作行程的确定 气缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定,并参照表4-4选取标准值。气缸活塞行程参数优先次序按表4-4中的a、b、c选用。表4-4(a)气缸行程系列(GB 2349-80)62550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表4-4(b) 气缸行程系列(GB 2349-80)6 40 6390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4-4(c) 气缸形成系列(GB 2349-80)6240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800根据设计要求知快速接近工件,行程根据任务书要求,根据表3-8,可选取气缸的工作行程为1050mm。3.2.5 活塞的设计由于活塞在气动力的作用下沿缸筒往复滑动,因此,它与缸筒的配合应适当,既不能过紧,也不能间隙过大。配合过紧,不仅使最低启动压力增大,降低机械效率,而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面;间隙过大,会引起气缸内部泄露,降低容积效率,使气缸达不到要求的设计性能。考虑选用O型密封圈。3.2.6 导向套的设计与计算1.最小导向长度H的确定 当活塞杆全部伸出时,从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度1。影响气缸工作性能和稳定性。因此,在设计时必须保证气缸有一定的最小导向长度。根据经验,当气缸最大行程为L,缸筒直径为D时,最小导向长度为: (4-5)一般导向套滑动面的长度A,在缸径小于80mm时取A=(0.61.0)D,当缸径大于80mm时取A=(0.61.0)d.。活塞宽度B取B=(0.61.0)D。若导向长度H不够时,可在活塞杆上增加一个导向套K(见图4-1)来增加H值。隔套K的宽度。图4-1 气缸最小导向长度1因此:最小导向长度,取H=9cm;导向套滑动面长度A=活塞宽度B=2.导向套的结构 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等,可按工作情况适当选择。3.2.7 端盖和缸底的计算校核 在单活塞气缸中,有活塞杆通过的端盖叫端盖,无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔,它不仅要有足够的强度以承受气动力,而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔(或装导向套的孔)及防尘圈、密封圈槽,还有连接螺钉孔,受力情况比较复杂,设计的不好容易损坏。1.端盖的设计计算端盖厚h为:式中 D1螺钉孔分布直径,cm; P气动力,; 密封环形端面平均直径,cm; 材料的许用应力,。2.缸底的设计 缸底分平底缸,椭圆缸底,半球形缸底。3.2.7 缸体长度的确定 气缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度1。一般气缸缸体长度不应大于缸体内经的2030倍。取系数为5,则气缸缸体长度:L=5*10cm=50cm。3.2.8 缓冲装置的设计 气缸的活塞杆(或柱塞杆)具有一定的质量,在气动力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端,当杆头进入气缸的端盖和缸底部分时,会引起机械碰撞,产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置,就是为了避免这种机械撞击,但冲击压力仍然存在,大约是额定工作压力的两倍,这就必然会严重影响气缸和整个气动系统的强度及正常工作。缓冲装置可以防止和减少气缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击,在它们的行程终端能实现速度的递减,直至为零。 当气缸中活塞活塞运动速度在6m/min以下时,一般不设缓冲装置,而运动速度在12m/min以上时,不需设置缓冲装置。在该组合机床气动系统中,动力滑台的最大速度为4m/min,因此没有必要设计缓冲装置。3.2.9 气缸的选型经过比较,参考市场上的气缸类型,选择一种可靠优质的气缸产品的生产商速易可(上海)有限公司http:/www.tonab.net/about_us.asp。速易可气动(上海)有限公司成立于2004年,从事于空压零组件和设备研 究、生产、销售的自动化厂商,产品以TONAB品牌营销国内外市场,产品主要有空气净化组件、气动控制组件、气动执行组件、辅助组件、空压设备,产 品广泛应用于医疗器械、工业机械手、食品包装机械、纺织机械、半导体设备、轨道交通、烟草机械、机床自动控制、真空搬运、汽车制造、教学培训等行业。速易可目前主要产品有:无杆气缸、滑台气缸、止动气缸、回转气缸、机械夹、回转夹紧气()压缸、导杆气缸、带锁气缸、双轴缸、标准型气缸、控制阀、空气控制组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。根据上节计算,在这选择YAM63.3.3 水平方向设计计算3.3.1 水平方向计算当工件处于水平位置时,摆动缸的工件扭矩最大,采用估算法,工件重10kg,长度l =100mm。如图3.4所示。工件图3.4 受力简图(1)计算扭矩4 (2)气缸(伸缩)及其配件的估算扭矩 4F =10000N S =1m(最大行程时)带入公式2.9得=10000101 =100000(NM) 由于水平方向的气缸与升降方向的有些类似,在此不在一一列举3.3.2 气缸的选型速易可目前主要产品有:无杆气缸、滑台气缸、止动气缸、回转气缸、机械夹、回转夹紧气()压缸、导杆气缸、带锁气缸、双轴缸、标准型气缸、控制阀、空气控制组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。根据上节计算,在这选择YAM63.3.4底座回转机构设计计算腕部是联结手部和臂部的部件,腕部运动主要用来改变被夹物体的方位,它动作灵活,转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度,可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求:回转360 角速度=45/s3.4.1 回转部位负载计算校核.若传动负载作回转运动负载额定功率: (3-24)负载加速功率: (3-25)负载力矩(折算到马达轴): (3-26)负载GD(折算到马达轴): (3-27)起动时间: (3-28)制动时间: (3-29) 式中,-为额定功率,KW;-为加速功率,KW;-为负载轴回转速度,r/min;-为马达轴回转速度,r/min;-为负载的速度,m/min;-为减速机效率;-为摩擦系数;-为负载转矩(负载轴),;-为马达启动最大转矩,;-为负载转矩(折算到马达轴上),;-为负载的,;-为负载(折算到马达轴上),;-为马达的,;具体到本设计,因为步进马达是驱动腰部的回转,传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。 因为腰部回转运动只存在摩擦力矩,在回转圆周方向上不存在其他的转矩,则在回转轴上有; (3-30)式中,-为滚动轴承摩擦系数,取0.005;-为机械手本身与负载的重量之和,取100;-为回转轴上传动大齿轮分度圆半径,R=240;带入数据,计算得 =0.12; 同时,腰部回转速度定为=5r/min;传动比定为1/120;且, 带入数据得: =10.45667。将其带入上(3-24)(3-30)式,得: 启动时间 ; 制动时间 ;折算到马达轴上的负载转矩为:。3.4.2 马达的选型 根据参数,选型为BM-R100臂部运动的目的,一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上,从臂部的受力情况看,它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷,而且自身运动又较多,故受力较复杂。气动机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了5。手臂的伸缩速度为200m/s行程L=1000mm(1)手臂右腔流量,公式(3.7)得: =100040 =1004800mm/s =0.1/10m/s =1000ml/s(2)手臂右腔工作压力,公式(3.8) 得: (3.12)式中:F 取工件重和手臂活动部件总重, F =1000kg,=10000N。 (4)由初步计算选泵所需气动最高压力 P =10Mpa所需气动最大流量 Q =1000ml/s3.5机身结构的设计校核臂部和机身的配置形式基本上反映了气动机械手的总体布局。本课题气动机械手的机身设计成机座式,这样气动机械手可以是独立的,自成系统的完整装置,便于随意安放和搬动,也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间,多见于回转型气动机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动,获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转,从而达到了自由度的要求7-9。3.5.1 马达的选择机身部使用了两个马达,其一是带动臂部的升降运动;其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的马达安装在肋板上,带动机身回转的马达安装在混凝土地基上。带动臂部升降的马达:初选上升速度 V =100mm/s P =6KW所以转/分3.5.2 螺柱的设计与校核螺杆是气动机械手的主支承件,并传动使手臂上下运动。螺杆的材料选择:从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。螺距 P =6mm 梯形螺纹螺纹的工作高度 h =0.5P (3.17)=3mm螺纹牙底宽度 b =0.65P=0.656=3.9mm (3.18)螺杆强度11 (3.19)=3050Mpa螺纹牙剪切 =40弯曲=4555(1)当量应力 (3.20)式中 T传递转矩Nmm螺杆材料的许用应力 所以代入公式(3.20)得: 6225025d12+11236900d16101262250250.0292+112369000.02961012即16471pa535340pa合格(2)剪切强度 (旋合圈数) (3.21) (3.22) =206.8103pa =0.206Mpa=40Mpa(3)弯曲强度=0.48Mpa=45Mpa合格3.5.3 机座的机械结构带动机身回转的马达:初选转速 W =60/s N =1/6转/秒=10转/分由于齿轮 I =3减速器 I =30所以 n =10330=900转/分机座的机械结构如图3.9所示:图3.9 机座结构图3.6气动机械手的定位及平稳性确定3.6.1常用的定位方式机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当气动机械手经减速运行到终点时,紧靠挡块而定位。若定位前已减速,定位时驱动压力未撤除,在这种情况下,机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于0.5mm,若定位时关闭驱动路而去掉工作压力,这时气动机械手可能被挡块碰回一个微小距离,因而定位精度变低12。3.6.2影响平稳性和定位精度的因素气动机械手能否准确地工作,实际上是一个三维空间的定位问题,是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下,单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下:(1)定位方式不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时,定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。(2)定位速度定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时,必须耗散的运动部件的能量不同。通常,为减小定位误差应合理控制定位速度,如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率,控制驱动系统使运动部件适时减速。(3)精度气动机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。(4)刚度气动机械手本身的结构刚度和接触刚度低时,因易产生振动,定位精度一般较低。(5)运动件的重量运动件的重量包括气动机械手本身的重量和被抓物的重量。运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常,运动件重量增加时,定位精度降低。因此,设计时不仅要减小运动部件本身的重量,而且要考虑工作时抓重变化的影响。(6)驱动源气动的压力波动及电压、温的波动都会影响气动机械手的重复定位精度。因此,采用必要的稳压及调节气动措施。(7)控制系统开关控制、电气比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同,而且也与位置反馈装置的有无有关13。本课题所采用的定位精度为机械挡块定位。3.6.3气动机械手运动的缓冲装置缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有气缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和气动缓冲器。内缓冲的优点是结构简单,紧凑。但有时安置位置有限;外缓冲的优点是安置位置灵活,简便,缓冲性能好调等,但结构较庞大。本课题所采用的缓冲装置为气缸端部缓冲装置。当活塞运动到距气缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力,以使运动减速直至停止,而避免硬性冲击的装置,称为气缸端部缓冲装置12-15。在缓冲行程中,节流口恒定的,称为恒节流式气缸端部缓冲装置。设计气缸端部恒节流缓冲装置时,(最大加速度)、(缓冲腔最大冲击压力)和(残余速度)三个参数是受工作条件限制的。通常采用的办法是先选定其中一个参数,然后校验其余两个参数。步骤如下:(1)选择最大加速度通常,amax值按气动机械手类型和结构特点选取,同时要考虑速度与载荷大小。对于重载低速气动机械手,- 取5m/s2以下,对于轻载高速气动机械手,-取510 m/s2(2)计算沿运动方向作用在活塞上的外力F水平运动时: (3.23) =0.251033.62-7=138N(3)计算残余速度Vr (3.24)m/s第4章 气动驱动系统设计气动控制室自动送料机构的一种主要的控制形式。自动送料机构的运动速度和操作室根据气体的流量与压力来确定,因而只要控制气的流量和压力,就可以控制自动送料机构的运动速度和操作力,气动压力一般在5140公斤/厘米范围内,最大臂力可达160公斤以上。主要优点:(1)气动执行元件(马达和气缸)结构紧凑,重量轻,功率小。(2)可通过空气带走大量热能,保证机械的正常运行。(3)气动元件有直线位移式和旋转式二种,适用范围较广,其控制速度的区间也比较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。(4)响应速度比较快,能高速启动,制动和反向,无后滞现象。其力矩一惯量比也较大,因而其加速度能力较强。(5)气动元件于其他驱动元件相比,刚度较大,位置误差小,定位精度高,而且耐振动等。缺点:控制系统比较复杂,处理功率讯号的数学运算误差,检测,放大,测试和补偿功能不如电子,机电装置灵活简便4-6。4.1手部抓取缸图 4.5 手部抓取缸气动原理图(1)手部抓取缸气动原理图如图4.5所示(2)泵的供气动力P取1Mpa,流量Q取系统所需最大流量即Q =1300ml/s。因此,需装图4.
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