2881 基于PLC的自动化车间物料搬运装置的控制设计
2881 基于PLC的自动化车间物料搬运装置的控制设计,基于,plc,自动化,车间,物料,搬运,装置,控制,节制,设计
第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 7 -第三章 机械手总体结构设计3.1 动作工况与分析气 动 机 械 手 是 以 压 缩 空 气 的 压 力 来 驱 动 执 行 机 构 运 动 的 机 械 手 。 其 主 要特 点 是 :介 质 源 极 为 方 便 , 输 出 力 小 , 气 动 动 作 迅 速 , 结 构 简 单 , 成 本 低 。但 是 , 由 于 空 气 具 有 可 压 缩 的 特 性 , 工 作 速 度 的 稳 定 性 较 差 , 冲 击 大 , 而 且气 源 压 力 较 低 , 抓 重 一 般 在 30 公 斤 以 下 , 在 同 样 抓 重 条 件 下 它 比 液 压 机械 手 的 结 构 大 , 所 以 适 用 于 高 速 、 轻 载 、 高 温 和 粉 尘 大 的 环 境 中 进 行 工 作 。机 械 手 的 全 部 动 作 由 电 磁 阀 控 制 的 气 缸 驱 动 。 其 中 ,上 升 /下 降 、 左 移 /右 移 以 及 摆 动 分 别 由 双 线 圈 两 位 电 磁 阀 控 制 ,机 械 手 的 放 松 /夹 紧 由 一 个单 线 圈 两 位 电 磁 阀 (夹 紧 电 磁 阀 )控 制 。 机 械 手 的 任 务 是 将 A 工 作 台 上 的 工件 搬 运 到 B 工 作 台 ( 或 B 到 A) , 机 械 手 示 意 图 如 图 3-1 所 示 :图 3-1 机 械 手 示 意 图在 连 续 自 动 工 作 方 式 的 状 态 下 机 械 手 的 顺 序 实 现 的 动 作 如 图 1 示 意 图所 示 : 手 臂 下 降 手 指 夹 紧 手 臂 上 升 手 臂 右 摆 动 手 臂 右 伸 手 臂 下降 手 指 松 开 手 臂 上 升 手 臂 左 伸 手 臂 左 摆 动 ( 回 到 初 始 位 ) , 机 械手 可 以 反 复 不 断 的 进 行 上 述 循 环 动 作 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 8 -3.2 机械手各部分结构设计3.2.1 机械手底座的设计底 座 是 机 械 手 的 基 础 部 分 , 机 械 手 执 行 机 构 的 各 部 件 和 驱 动 系 统 均 安 装于 机 座 上 , 故 起 支 撑 和 连 接 的 作 用 。底 座 的 设 计 是 根 据 各 个 零 件 的 尺 寸 及 有 助 于 拆 装 方 便 来 设 计 的 如 图2-2 所 示 : 图 3-2 箱 座箱 座 内 壁 不 需 要 与 其 他 零 件 有 配 合 的 关 系 , 所 以 内 表 面 不 需 要 加 工 。 左右 厚 壁 上 端 有 M10 的 螺 纹 孔 , 要 求 加 工 表 面 粗 糙 度 , 连 接 轴 承 下 座 的 , 底版 的 光 孔 是 用 来 固 定 整 个 装 置 的 , 材 料 为 铸 铁 HT200。3.2.2 立柱结构设计立 柱 是 支 承 手 臂 的 部 件 , 立 柱 也 可 以 是 手 臂 的 一 部 分 , 手 臂 的 回 转 运 动和 升 降 (或 俯 仰 )运 动 均 与 立 柱 有 密 切 的 联 系 。 机 械 手 的 立 往 通 常 为 固 定 不动 的 , 但 机 械 手 的 立 柱 因 工 作 需 要 , 有 时 也 可 作 横 向 移 动 , 即 称 为 可 移 式 立柱 。 a.立 柱 的 材 料 及 热 处 理由 于 设 计 功 率 不 是 太 大 , 对 其 重 量 和 尺 寸 无 特 殊 要 求 , 故 选 择 常 用 材 料45 钢 , 调 质 处 理 。b.初 估 轴 径按 扭 矩 初 估 轴 的 直 径 , 根 据 1查 表 10-2, 得 C=106117, 考 虑 倒 安第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 9 -装 轴 承 受 扭 矩 作 用 , 取 C=106, 则3minPd( 3-1)式 中 : C由 轴 承 的 材 料 和 承 载 情 况 缩 确 定 的 常 数 ;P轴 的 输 出 功 率 , KW;n轴 的 转 速 , r/min.各 参 数 值 为 C=106、 P=15KW、 n=280, 则33min1569.d所 以 选 择 轴 径 40mm, 轴 上 面 设 计 个 法 兰 , 用 法 兰 来 固 定 轴 承 因 为 轴 是靠 气 缸 摆 动 来 旋 转 的 , 所 以 所 受 的 载 荷 很 小 , 不 需 要 校 核 。3.2.3 轴承的选择轴 承 是 用 以 支 承 轴 和 轴 上 回 转 或 摆 动 零 件 的 部 件 ,在 各 种 机 械 中 应 用广 泛 。 根 据 轴 承 工 作 时 的 摩 擦 性 质 , 可 分 为 滚 动 轴 承 和 滑 动 轴 承 两 大 类 。 滚动 轴 承 依 靠 主 要 元 件 间 的 滚 动 接 触 来 承 受 载 荷 , 它 与 滑 动 轴 承 相 比 , 具 有 摩擦 阻 力 小 、 效 率 高 、 启 动 容 易 、 润 滑 简 便 等 优 点 。 同 时 , 滚 动 轴 承 绝 大 部 分已 经 标 准 化 , 并 由 专 业 厂 家 生 产 , 选 用 和 更 换 很 方 便 。 其 缺 点 就 是 抗 击 能 力差 , 工 作 时 有 噪 声 , 以 及 工 作 寿 命 不 及 液 体 摩 擦 的 滑 动 轴 承 。滚 动 轴 承 的 类 型 很 多 , 按 照 滚 动 体 的 形 状 , 滚 动 轴 承 可 分 为 球 轴 承 和 滚子 轴 承 两 大 类 。 球 轴 承 的 滚 动 体 与 内 、 外 圈 是 点 接 触 , 运 转 时 摩 擦 耗 损 小 ,但 承 载 能 力 和 抗 击 能 力 差 ; 滚 子 轴 承 为 线 接 触 , 承 载 能 力 和 抗 冲 击 能 力 较 球轴 承 大 , 但 运 转 是 耗 损 大 。 按 照 滚 动 轴 承 能 否 自 动 调 心 , 可 分 为 调 心 轴 承 和非 调 心 轴 承 。 按 照 滚 动 体 列 数 多 少 , 可 分 为 单 列 轴 承 、 双 列 轴 承 和 多 列 轴 承 。按 照 轴 承 能 承 受 的 主 要 载 荷 方 向 和 公 称 接 触 角 的 不 同 , 可 分 为 向 心 轴 承 和 推力 轴 承 两 大 类 。a.向 心 轴 承向 心 轴 承 主 要 承 受 径 向 载 荷 , 0 45, 又 可 分 为 : 径 向 接 触轴 承 , = 0, 只 能 承 受 径 向 载 荷 ; 角 接 触 向 心 轴 承 , 0 45, 不 仅 能 承 受 径 向 载 荷 ,而 且 随 着 角 的 增 大 ,其 承 受 轴 向 载 荷 的 能 力 随 之 增大 。b.推 力 轴 承第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 10 -推 力 轴 承 主 要 承 受 轴 向 载 荷 , 45 90, 又 可 分 为 : 轴 向 接触 轴 承 , = 90, 只 能 承 受 轴 向 载 荷 ; 角 接 触 推 力 轴 承 , 450 90, 它 主 要 承 受 轴 向 载 荷 ,同 时 也 能 承 受 较 小 的 径 向 载 荷 。 随 着角 的 增 大 ,其 承 受 径 向 载 荷 的 能 力 将 减 小 。轴 承 所 受 载 荷 的 大 小 、 方 向 和 性 质 , 是 选 择 滚 动 轴 承 的 主 要 依 据 。 本 设计 中 轴 承 既 承 受 径 向 力 及 转 矩 , 又 承 受 轴 向 力 , 因 此 选 用 推 力 球 轴 承 和 深 沟球 轴 承 ,推 力 轴 承 主 要 受 轴 向 力 , 球 轴 承 主 要 受 径 向 力 , 又 根 据 外 廓 尺 寸 的条 件 和 轴 的 内 径 选 用 6006 深 沟 球 轴 承 和 51213 推 力 球 轴 承 。3.2.4 上轴承座的选择6006 深 沟 球 轴 承 : d=30 mm D=55mm B=13mm da=36mm Da=49mm51213 推 力 球 轴 承 : d=65mm D=100mm T=27mm da=86mm Da=100mm根 据 以 上 的 尺 寸 可 以 确 定 轴 承 上 座 的 尺 寸 ,如 图 3-3 所 示 :图 3-3 上 轴 承 座由 于 配 合 接 触 的 面 比 较 多 ,所 以 对 表 面 粗 糙 度 的 要 求 也 高 ,轴 承 配 合 的地 方 要 求 公 差 等 级 ,轴 承 的 配 合 主 要 是 内 圈 与 轴 颈 、 外 圈 与 轴 承 座 孔 的 配 合 。滚 动 轴 承 是 标 准 件 , 因 此 , 轴 承 内 圈 与 轴 颈 采 用 基 孔 制 配 合 , 轴 承 外 圈 与 轴承 座 孔 采 用 基 轴 制 配 合 普 通 圆 柱 公 差 标 准 中 基 准 孔 的 公 差 带 都 在 零 线 之 上 ,第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 11 -故 滚 动 轴 承 内 圈 与 轴 颈 的 配 合 要 比 圆 柱 公 差 标 准 中 规 定 的 基 孔 制 同 名 配 合 要紧 的 多 。 例 如 , 一 般 圆 柱 体 基 孔 制 的 K6 配 合 为 过 度 配 合 , 而 在 滚 动 轴 承内 圈 配 合 中 则 为 过 盈 配 合 。滚 动 轴 承 内 、 外 圈 的 处 的 配 合 , 既 不 能 过 紧 也 不 能 过 松 。 过 紧 的 配 合 会使 轴 承 的 内 、 外 圈 产 生 变 形 , 可 破 坏 轴 承 的 正 常 工 作 , 而 增 加 了 装 拆 的 难 度 。过 松 的 配 合 , 不 仅 会 影 响 轴 的 旋 转 精 度 , 甚 至 会 使 配 合 表 面 发 生 滑 动 。 因 此 ,轴 承 配 合 种 类 的 选 取 , 应 根 据 轴 承 的 类 型 与 尺 寸 、 载 荷 的 大 小 、 方 向 和 性 质以 及 工 作 环 境 决 定 。所 以 30 的 6006 轴 径 上 安 装 轴 承 , 这 个 轴 径 就 是 根 据 轴 承 的 d 来 的 , 36 是 6006 轴 承 的 安 装 尺 寸 , 同 样 根 据 推 力 轴 承 的 尺 寸 来 确 定 轴 承 座 的 尺寸 。3.2.5 下轴承座的选择下 轴 承 座 的 尺 寸 是 根 据 轴 承 尺 寸 来 定 的 。 其 主 要 配 合 的 地 方 也 是 安 装 轴承 的 地 方 , 需 要 公 差 的 配 合 。 ( 同 上 ) 如 图 3-4:图 3-4 下 轴 承 座在 安 装 轴 承 的 端 面 上 要 注 明 公 差 配 合 , 分 别 以 其 为 基 准 面 , 查 机 械设 计 手 册 , 标 明 几 个 端 面 的 圆 柱 度 和 相 对 基 准 面 的 圆 跳 动 度 , 还 有 表 面粗 糙 度 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 12 -3.2.6 大臂的结构设计本 设 计 的 手 臂 实 现 的 是 水 平 直 线 运 动 , 实 现 直 线 往 复 运 动 采 用 的 是 气 压驱 动 的 活 塞 气 缸 。 由 于 活 塞 气 缸 的 体 积 小 、 重 量 轻 , 因 而 在 机 械 手 的 手 臂 结构 中 应 用 比 较 多 。本 设 计 手 臂 很 简 单 , 在 手 臂 内 侧 固 定 个 伸 缩 气 缸 , 如 图 3-5 所 示 :图 3-5 大 臂 设 计3.2.7 小臂的结构设计本 设 计 的 手 臂 与 上 述 的 大 臂 实 现 的 运 动 方 式 一 样 , 主 要 是 上 下 直 线 运动 。 实 现 直 线 往 复 运 动 采 用 的 也 是 气 压 驱 动 的 活 塞 气 缸 。本 设 计 手 臂 很 简 单 , 在 上 面 固 定 个 夹 紧 气 缸 , 如 图 3-6 所 示 :图 3-6 小 臂 设 计3.2.8 气爪的结构设计夹 持 式 手 部 结 构 由 手 指 (或 手 爪 )和 传 力 机 构 所 组 成 。 其 传 力 结 构 形 式比 较 多 , 如 滑 槽 杠 杆 式 、 斜 楔 杠 杆 式 、 齿 轮 齿 条 式 、 弹 簧 杠 杆 式 .等 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 13 -夹 持 式 是 最 常 见 的 一 种 , 其 中 常 用 的 有 两 指 式 、 多 指 式 和 双 手 双 指 式 :按 手 指 夹 持 工 件 的 部 位 又 可 分 为 内 卡 式 (或 内 涨 式 )和 外 夹 式 两 种 :按 模 仿 人手 手 指 的 动 作 , 手 指 可 分 为 一 支 点 回 转 型 , 二 支 点 回 转 型 和 移 动 型 (或 称直 进 型 ), 其 中 以 二 支 点 回 转 型 为 基 本 型 式 。 当 二 支 点 回 转 型 手 指 的 两 个 回转 支 点 的 距 离 缩 小 到 无 穷 小 时 , 就 变 成 了 一 支 点 回 转 型 手 指 ;同 理 , 当 二支 点 回 转 型 手 指 的 手 指 长 度 变 成 无 穷 长 时 , 就 成 为 移 动 型 。 回 转 型 手 指 开 闭角 较 小 , 结 构 简 单 , 制 造 容 易 , 应 用 广 泛 。 移 动 型 应 用 较 少 , 其 结 构 比 较 复杂 庞 大 , 当 移 动 型 手 指 夹 持 直 径 变 化 的 零 件 时 不 影 响 其 轴 心 的 位 置 , 能 适 应不 同 直 径 的 工 件 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 14 -图 3-7 气 爪 设 计本 设 计 是 采 用 两 指 式 , 内 卡 式 , 上 下 气 爪 通 过 销 来 连 接 , 过 盈 配 合 , 如图 3-7 所 示 。 设 计 时 考 虑 的 几 个 问 题 :a.具 有 足 够 的 握 力 (即 夹 紧 力 )在 确 定 手 指 的 握 力 时 , 除 考 虑 工 件 重 量 外 , 还 应 考 虑 在 传 送 或 操 作 过 程中 所 产 生 的 惯 性 力 和 振 动 , 以 保 证 工 件 不 致 产 生 松 动 或 脱 落 。b.手 指 间 应 具 有 一 定 的 开 闭 角两 手 指 张 开 与 闭 合 的 两 个 极 限 位 置 所 夹 的 角 度 称 为 手 指 的 开 闭 角 。 手 指的 开 闭 角 应 保 证 工 件 能 顺 利 进 入 或 脱 开 , 若 夹 持 不 同 直 径 的 工 件 , 应 按 最 大直 径 的 工 件 考 虑 。 对 于 移 动 型 手 指 只 有 开 闭 幅 度 的 要 求 。c.保 证 工 件 准 确 定 位为 使 手 指 和 被 夹 持 工 件 保 持 准 确 的 相 对 位 置 , 必 须 根 据 被 抓 取 工 件 的 形状 , 选 择 相 应 的 手 指 形 状 。 例 如 圆 柱 形 工 件 采 用 带 “V”形 面 的 手 指 , 以便 自 动 定 心 。d.具 有 足 够 的 强 度 和 刚 度手 指 除 受 到 被 夹 持 工 件 的 反 作 用 力 外 , 还 受 到 机 械 手 在 运 动 过 程 中 所 产生 的 惯 性 力 和 振 动 的 影 响 , 要 求 有 足 够 的 强 度 和 刚 度 以 防 折 断 或 弯 曲 变 形 ,当 应 尽 量 使 结 构 简 单 紧 凑 , 自 重 轻 , 并 使 手 部 的 中 心 在 手 腕 的 回 转 轴 线 上 ,以 使 手 腕 的 扭 转 力 矩 最 小 为 佳 。e.考 虑 被 抓 取 对 象 的 要 求根 据 机 械 手 的 工 作 需 要 , 通 过 比 较 , 我 们 采 用 的 机 械 手 的 手 部 结 构 是 一支 点 两 指 回 转 型 , 由 于 工 件 多 为 圆 柱 形 , 故 手 指 形 状 设 计 成 V 型 。3.2.9 手部夹紧气缸设计计算A 手 部 驱 动 力 计 算本 课 题 气 动 机 械 手 的 手 部 结 构 如 图 3-8 所 示 , 其 工 件 重 量 G=10 公 斤 ,a=37.5mm,b=70mm,根 据 1摩 擦 系 数 为 f=0. 10。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 15 -图 3-8 手 部 结 构 分 析 图a) 根 据 手 部 结 构 分 析 示 意 图 , 其 驱 动 力 为 :aNbP2( 3-2)b) 根 据 手 指 夹 持 工 件 的 方 位 , 可 得 握 力 计 算 公 式 :)(fG10.( 3-3)代 入 公 式 ( 3-2) 得 : )(3.75.3012NPc)参 照 17实 际 驱 动 力 :21K实 际( 3-4)因 为 传 力 机 构 为 齿 轮 齿 条 传 动 , 根 据 1故 取 , 并 取 94.05.1K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g时 , 参 照 17则 :22K( 3-5)第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 16 -代 入 公 式 ( 3-4) 得 : )(实 际 NP194.02537所 以 夹 持 工 件 时 所 需 夹 紧 气 缸 的 驱 动 力 为 1191N.B 气 缸 的 直 径本 气 缸 属 于 单 向 作 用 气 缸 。 以 下 公 式 都 参 照 17, 根 据 力 平 衡 原 理 ,单 向 作 用 气 缸 活 塞 杆 上 的 输 出 推 力 必 须 克 服 弹 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 杆 工 作 时的 总 阻 力 , 其 公 式 为 :FzPDFl421( 3-6)式 中 : 活 塞 杆 上 的 推 力 , N1F弹 簧 反 作 用 力 , Nl气 缸 工 作 时 的 总 阻 力 , Nz气 缸 工 作 压 力 , PaP弹 簧 反 作 用 按 下 式 计 算 :()lfFCS( 3-7)4138fGdDn( 3-8)121( 3-9)式 中 : 弹 簧 刚 度 , N/mfC 弹 簧 预 压 缩 量 , ml一 活 塞 行 程 , mS 弹 簧 钢 丝 直 径 , m1d弹 簧 平 均 直 径 , mD 弹 簧 外 径 , m2 弹 簧 有 效 圈 数n第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 17 -一 弹 簧 材 料 剪 切 模 量 , 一 般 取G97.410aGP在 设 计 中 , 必 须 考 虑 负 载 率 的 影 响 , 则 :21lDPF由 以 上 分 析 得 单 向 作 用 气 缸 的 直 径 :14()l代 入 有 关 数 据 , 可 得 4138fGdCDn93437.0(.5)8015mN64lfFs337.0162所 以 : 14()lFDP16237.20.6.80.94 m659查 有 关 手 册 圆 整 , 得 0由 , 可 得 活 塞 杆 直 径 : 3.02Dd mDd5.193.02圆 整 后 , 取 活 塞 杆 直 径 d18校 核 , 按 公 式 214F( 3-10)有 : 214d其 中 , ,aMP0N3.71则 : m189.03.7216第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 18 -所 以 满 足 设 计 要 求 。C 缸 筒 壁 厚 的 设 计缸 筒 直 接 承 受 压 缩 空 气 压 力 , 必 须 有 一 定 厚 度 。 一 般 气 缸 缸 筒 壁 厚 与 内径 之 比 小 于 或 等 于 1/10, 参 照 17, 其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 计 算 :2pdP( 3-11)式 中 : 缸 筒 壁 厚 , mmD气 缸 内 径 , mm实 验 压 力 , 取 , PapPp5.1材 料 为 :ZL3, aM2代 入 己 知 数 据 , 则 壁 厚 为 : pd365102.10.2m83取 , 则 缸 筒 外 径 为 :m1D根 据 以 上 计 算 选 择 的 气 缸 型 号 为 : QGSD q 3250 B LB 其 中 : QGSD- 普 通 型 单 作 用 气 缸 ;q 派 生 气 缸 代 号 : q=弹 簧 前 置 型 ;32 汽 缸 内 径 ;50- 气 缸 行 程 ;B 缓 冲 : B=可 调 缓 冲 ;LB 安 装 方 式 : LB=轴 向 底 座3.2.10 升降气缸设计计算手 臂 升 降 装 置 由 转 柱 、 升 降 缸 活 塞 轴 、 升 降 缸 体 、 碰 铁 、 可 调 定 位 块 、定 位 拉 杆 、 缓 冲 撞 铁 、 定 位 块 联 接 盘 和 导 向 杆 等 组 成 。 在 转 柱 上 端 用 管 接头 和 气 管 分 别 将 压 缩 空 气 引 到 手 腕 回 转 气 缸 手 部 夹 紧 气 缸 和 手 臂 伸 缩 气 缸 ,转 柱 下 端 的 气 路 , 将 压 缩 空 气 引 到 升 降 缸 上 腔 , 当 压 缩 空 气 进 入 上 腔 后 , 推动 升 降 缸 体 上 升 , 并 由 两 个 导 向 杆 进 行 导 向 , 同 时 碰 铁 随 升 降 缸 体 一 同 上 移 ,当 碰 触 上 边 的 可 调 定 位 块 后 , 即 带 动 定 位 拉 杆 ,缓 冲 撞 铁 向 上 移 动 碰 触 升降 用 液 压 缓 冲 器 进 行 缓 冲 。 上 升 行 程 大 小 通 过 调 整 可 调 定 位 块 来 实 现 , 手 臂第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 19 -下 降 靠 自 重 实 现 。 结 构 简 图 如 图 3-9 所 示 :图 3-9 结 构 分 析 简 图A 驱 动 力 计 算根 据 上 图 力 的 作 用 方 向 , 可 计 算 活 塞 的 驱 动 力 F, 参 照 1可 知 摩 擦系 数 f=0. 17。a) 根 据 结 构 示 意 图 , 驱 动 力 公 式 为 :总GFf( 3-12)b) 质 量 计 算 :手 臂 升 降 部 分 主 要 由 手 臂 伸 缩 气 缸 、 夹 紧 气 缸 、 手 臂 、手 爪 及 相 关 的 固 定 元 件 组 成 。 气 缸 为 标 准 气 缸 , 根 据 中 国 烟 台 气 动 元 件 厂 的 产 品 样 本 可 估 其 质 量 , 同 时 测 量 设 计 的 有 关 尺 寸 , 据 估 计)(40NG总所 以 代 入 公 式 ( 3-12) : 总Ff总总4017.0)( N68第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 20 -c) 参 照 17实 际 驱 动 力 : 21KF实 际因 为 传 力 机 构 为 齿 轮 齿 条 传 动 , 参 照 1故 取 , 并 取 94.05.1K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g时 , 根 据 17则 :22所 以 )(实 际 NF149.05468所 以 夹 持 工 件 时 所 需 夹 紧 气 缸 的 驱 动 力 为 1494N.B 气 缸 的 直 径本 气 缸 属 于 单 向 作 用 气 缸 。 以 下 公 式 均 参 照 17根 据 力 平 衡 原 理 , 单向 作 用 气 缸 活 塞 杆 上 的 输 出 推 力 必 须 克 服 弹 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 杆 工 作 时 的总 阻 力 , 其 公 式 为 : FzPDFl421式 中 : 活 塞 杆 上 的 推 力 , N1F弹 簧 反 作 用 力 , Nl气 缸 工 作 时 的 总 阻 力 , Nz气 缸 工 作 压 力 , PaP弹 簧 反 作 用 按 下 式 计 算 : ()lfFCS4138fGdDn121式 中 : 弹 簧 刚 度 , N/mfC 弹 簧 预 压 缩 量 , ml一 活 塞 行 程 , mS 弹 簧 钢 丝 直 径 , m1d弹 簧 平 均 直 径 , mD第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 21 - 弹 簧 外 径 , m2D 弹 簧 有 效 圈 数n一 弹 簧 材 料 剪 切 模 量 , 一 般 取G97.410aGP在 设 计 中 , 必 须 考 虑 负 载 率 的 影 响 , 则 :21lDF由 以 上 分 析 得 单 向 作 用 气 缸 的 直 径 :14()lP代 入 有 关 数 据 , 可 得 4138fGdCDn93437.410(.5)80153677.46mNlfFCs3.01220.6所 以 : 14()lFDP21694.07.6.2035m.查 有 关 手 册 圆 整 , 得由 , 可 得 活 塞 杆 直 径 :3.02Dd mDd5.13.圆 整 后 , 取 活 塞 杆 直 径 d18校 核 , 按 公 式 214F有 : 4其 中 , , aMP20N35则 : md 189.35216所 以 满 足 设 计 要 求 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 22 -C 缸 筒 壁 厚 的 设 计缸 筒 直 接 承 受 压 缩 空 气 压 力 , 必 须 有 一 定 厚 度 。 一 般 气 缸 缸 筒 壁 厚 与 内径 之 比 小 于 或 等 于 1/10, 根 据 17其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 计 算 :2pdP式 中 : 缸 筒 壁 厚 , mmD气 缸 内 径 , mm实 验 压 力 , 取 , PapPp5.1材 料 为 :ZL3, aM2代 入 己 知 数 据 , 则 壁 厚 为 : 2pd563301.210m87取 , 则 缸 筒 外 径 为 :m5.2D4.2根 据 以 上 计 算 选 择 气 缸 型 号 为 : QGSD q 40100 B FB其 中 : QGSD- 普 通 型 单 作 用 气 缸 ;q 派 生 气 缸 代 号 : q=弹 簧 前 置 型 ;40- 汽 缸 内 径 ;100- 气 缸 行 程 ;B 缓 冲 : B=缓 冲 可 调 ;FB- 安 装 方 式 : FB=后 法 兰 ;3.2.11 伸缩气缸设计计算手 臂 伸 缩 装 置 由 伸 缩 缸 活 塞 轴 、 伸 缩 缸 体 、 碰 铁 、 可 调 定 位 块 、 定 位 拉杆 、 缓 冲 撞 铁 、 定 位 块 联 接 盘 和 导 向 杆 等 组 成 。 在 手 臂 右 端 用 管 接 头 和 气 管分 别 将 压 缩 空 气 引 到 手 腕 回 转 气 缸 手 部 夹 紧 气 缸 , 手 臂 左 端 的 气 路 , 将 压 缩空 气 引 到 伸 缩 缸 上 腔 , 当 压 缩 空 气 进 入 上 腔 后 , 推 动 升 降 缸 体 右 移 , 并 由 两个 导 向 杆 进 行 导 向 , 同 时 碰 铁 随 升 降 缸 体 一 同 右 移 , 当 碰 触 上 边 的 可 调 定 位块 后 , 即 带 动 定 位 拉 杆 ,缓 冲 撞 铁 向 右 移 动 碰 触 左 右 用 液 压 缓 冲 器 进 行 缓 冲 。右 移 行 程 大 小 通 过 调 整 可 调 定 位 块 来 实 现 , 手 臂 左 移 与 右 移 类 似 。 结 构 简 图如 图 3-10 所 示 :第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 23 -图 3-10 结 构 分 析 简 图A 驱 动 力 计 算根 据 上 图 力 的 作 用 方 向 , 可 计 算 活 塞 的 驱 动 力 F, 参 照 1可 知 摩 擦系 数 f=0. 17。a) 根 据 结 构 示 意 图 , 驱 动 力 公 式 为 :fFb) 质 量 计 算 :小 臂 升 降 部 分 主 要 由 夹 紧 气 缸 、 手 臂 、 手 爪 及 相 关 的 固定 元 件 组 成 。 气 缸 为 标 准 气 缸 , 根 据 中 国 烟 台 气 动 元 件 厂 的 产 品 样 本 可 估 其 质 量 , 同 时 测 量 设 计 的 有 关 尺 寸 , 据 估 计)(30NG总所 以 代 入 公 式 : fF总3017.)( N5c) 参 照 17实 际 驱 动 力 : 21KF实 际因 为 传 力 机 构 为 齿 轮 齿 条 传 动 , 参 照 1故 取 , 并 取 94.05.1K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g时 , 根 据 17则 :22第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 24 -所 以 )(实 际 NF16394.025所 以 夹 持 工 件 时 所 需 夹 紧 气 缸 的 驱 动 力 为 163N.B 气 缸 的 直 径本 气 缸 属 于 单 向 作 用 气 缸 。 以 下 公 式 均 参 照 17根 据 力 平 衡 原 理 , 单向 作 用 气 缸 活 塞 杆 上 的 输 出 推 力 必 须 克 服 弹 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 杆 工 作 时 的总 阻 力 , 其 公 式 为 : FzPDFl421式 中 : 活 塞 杆 上 的 推 力 , N1F弹 簧 反 作 用 力 , Nl气 缸 工 作 时 的 总 阻 力 , Nz气 缸 工 作 压 力 , PaP弹 簧 反 作 用 按 下 式 计 算 : ()lfFCS4138fGdDn121式 中 : 弹 簧 刚 度 , N/mfC 弹 簧 预 压 缩 量 , ml一 活 塞 行 程 , mS 弹 簧 钢 丝 直 径 , m1d弹 簧 平 均 直 径 , mD 弹 簧 外 径 , m2 弹 簧 有 效 圈 数n一 弹 簧 材 料 剪 切 模 量 , 一 般 取G97.410aGP在 设 计 中 , 必 须 考 虑 负 载 率 的 影 响 , 则 :21lDF由 以 上 分 析 得 单 向 作 用 气 缸 的 直 径 :第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 25 -14()lFDP代 入 有 关 数 据 , 可 得 4138fGdCn93437.410(.5)80153677.46mNlfFCs3.01220.6所 以 : 14()lFDP21694.07.6.2035m.查 有 关 手 册 圆 整 , 得由 , 可 得 活 塞 杆 直 径 :3.02Dd mDd5.13.圆 整 后 , 取 活 塞 杆 直 径 d18校 核 , 按 公 式 214F有 : 4其 中 , , aMP20N35则 : md 189.35216所 以 满 足 设 计 要 求 。C 缸 筒 壁 厚 的 设 计缸 筒 直 接 承 受 压 缩 空 气 压 力 , 必 须 有 一 定 厚 度 。 一 般 气 缸 缸 筒 壁 厚 与 内径 之 比 小 于 或 等 于 1/10, 根 据 17其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 计 算 :2pdP式 中 : 缸 筒 壁 厚 , mmD气 缸 内 径 , mm实 验 压 力 , 取 , PapPp5.1第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 26 -材 料 为 :ZL3, aMP2.1代 入 己 知 数 据 , 则 壁 厚 为 : 2pd563301.210m87取 , 则 缸 筒 外 径 为 :m5.2D4.2根 据 以 上 计 算 选 择 气 缸 型 号 为 : QGSD q 40100 B LB其 中 : QGSD- 普 通 型 单 作 用 气 缸 ;q 派 生 气 缸 代 号 : q=弹 簧 前 置 型 ;40- 汽 缸 内 径 ;100- 气 缸 行 程 ;B 缓 冲 : B=缓 冲 可 调 ;LB- 安 装 方 式 : LB=轴 向 底 座 ;3.2.12 回转气缸设计计算实 现 机 械 手 手 臂 回 转 运 动 的 机 构 形 式 是 多 种 多 样 的 , 常 用 的 有 叶 片 式 回转 缸 、 齿 轮 传 动 机 构 、 链 轮 传 动 机 构 、 连 杆 机 构 等 。 在 本 机 械 手 中 , 手 臂 回转 装 置 由 回 转 缸 体 、 转 轴 、 定 片 、 回 转 定 位 块 、 回 转 中 间 定 位 块 和 回 转 用 液压 缓 冲 器 (此 部 件 位 置 参 见 附 图 )等 组 成 。 当 压 缩 空 气 通 过 管 路 分 别 进 入 手臂 回 转 气 缸 的 两 腔 时 , 推 动 动 片 连 同 转 轴 一 同 回 转 , 转 轴 通 过 平 键 而 带 动 升降 气 缸 活 塞 轴 、 定 位 块 联 接 盘 、 导 向 杆 、 定 位 拉 杆 、 升 降 缸 体 和 转 柱 等 同 步回 转 。 因 转 柱 和 手 臂 用 螺 栓 连 接 , 故 手 胃 亦 作 回 转 运 动 。手 臂 回 转 气 缸 采 用 矩 形 密 封 圈 来 密 封 , 密 封 性 能 较 好 , 对 气 缸 孔 的 机械 加 工 精 度 也 易 于 保 证 。手 臂 回 转 运 动 采 用 多 点 定 位 缓 冲 装 置 , 其 工 作 原 理 见 回 转 用 液 压 缓 冲器 部 分 。 手 臂 回 转 角 度 的 大 小 , 通 过 调 整 两 块 回 转 定 位 块 和 回 转 中 间 定 位 块的 位 置 而 定 。 在 机 械 手 的 手 腕 回 转 运 动 中 所 采 用 的 回 转 缸 是 单 叶 片 回 转 气 缸 ,它 的 工 作 原 理 如 图 3-10所 示 , 定 片 1与 缸 体 2固 连 , 动 片 3与 回 转 轴 5固 连 。动 片 封 圈 4把 气 腔 分 隔 成 两 个 .当 压 缩 气 体 从 孔 a进 入 时 , 推 动 输 出 轴 作 逆时 4回 转 , 则 低 压 腔 的 气 从 b孔 排 出 。 反 之 , 输 出 轴 作 顺 时 针 方 向 回 转 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 27 -图 3-10 回 转 气 缸 示 意 图参 照 17单 叶 片 气 缸 的 压 力 p和 驱 动 力 矩 M的 关 系 为 :2rRPb( 3-13)或 2rRb式 中 : M- 回 转 气 缸 的 驱 动 力 矩 ;cmNP- 回 转 气 缸 的 工 作 压 力 ;R- 缸 体 内 壁 半 径 ;cr- 输 出 轴 半 径 ;mb- 动 片 宽 度 .上 述 驱 动 力 矩 和 压 力 的 关 系 式 是 对 于 低 压 腔 背 压 为 零 的 情 况 下 而 言 的 。若 低 压 腔 有 一 定 的 背 压 , 则 上 式 中 的 P应 代 以 工 作 压 力 与 背 压 之 差 。1P2根 据 以 上 计 算 选 择 回 转 气 缸 型 号 为 : QGH 2 50180 B F S R其 中 : QGH- 齿 杆 式 回 转 摆 动 气 缸 ;2 - 派 生 气 缸 代 号 : 2=双 出 轴 ;50- 气 缸 内 径 ;第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 28 -180- 回 转 动 摆 动 角 度 ;B 缓 冲 : B=可 调 缓 冲 ;F 法 兰 ;S 单 杆 基 本 型 ;R 耐 热 型 ; R=采 用 氟 橡 胶 密 封 件 , 最 高 耐 温 200。
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