立式精锻机自动上料机械手三维设计【含CAD图纸、说明书】
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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘 要工业机械手在目前的工业趋势下,势必会变得越来越受重用。它既拥有着传统机械的作用,也可以通过系统的指令来完成规定的动作。由于工业机械手与人不同,它不需要休息,在适当的维护保养下可以长时间的工作,十分高效,在工业过程中展现出强大的生命力。机械手技术包含了软件技术,机械工程,人工智能等多个领域的技术。其应用状况,是一个国家工业自动化的标志。随着当下工业自动化的发展与需求,由此可见,机械手将在工业中扮演着更加重要的角色。为了解决抓取圆形坯料并将其运输到立式精锻机上,设计了立式精锻机自动上料机械手。本文首先简单介绍了机械手的理论意义以及应用价值,表述了机械手的4个自由度和整体坐标形式。在给定了关键参数后,然后再对机械手的整体各结构和机械手结构内的部分重要零件进行详细的分析和选取,并进行一定的载荷的校核。其中选取了圆柱坐标作为其坐标形式,手爪部分选用了双支点回转结构作为夹紧部分;手腕部分采取了回转油缸,以液压驱动的方式进行驱动;手臂部分采取了相同的液压缸结构。并对液压系统进行了一定的分析。其次,在选取完大致的结构之后,本文也详细介绍了机械手的设计理论和计算方法。详尽的讨论了机械手手爪部、机械手手腕部、机械手手臂升降、伸缩、回转机构的相关计算来确保机械手能够可靠的抓取坯料。最后,通过Solidworks对机械手整体进行三维建模。关键词:机械手,液压传动,Solidworks三维建模,立式精锻机ABSTRACTIndustrial robots will become more and more popular in the current industrial trend. It not only has the function of traditional machinery, but also can complete the prescribed actions through systematic instructions. Because industrial manipulator is different from people, it does not need rest. It can work for a long time with the proper maintenance. It is very efficient and shows great vitality in the process of industry. Manipulator technology includes software technology, mechanical engineering, artificial intelligence and other fields of technology. Its application status is the symbol of a countrys industrial automation. With the development and demand of industrial automation, manipulator will act a more important role in industry. In order to solve the grabing round billet and transport it to the vertical precision forging machine.The vertical precision forging machine with automatic feeding manipulator is designed. This paper firstly introduces the theoretical significance and application value of manipulator, and describes the four degrees of freedom and overall coordinate form of manipulator. After the key parameters are given, the whole structure of the manipulator and some important parts in the structure of the manipulator are analyzed and selected in detail, and a certain load check is carried out. The cylindrical coordinate is selected as its coordinate form, and the double pivot structure is used as the clamping part. The wrist part adopts the rotary oil cylinder, which is driven by the hydraulic drive; The arm part adopts the same hydraulic cylinder structure. And the hydraulic system is analyzed.Secondly, after selecting the general structure, the design theory and calculation method of manipulator are introduced in detail. This paper discusses the calculation of manipulator arm, wrist, arm lifting, stretching and rotating mechanism to ensure the reliable grasping of the blank.Finally, three-dimensional modeling of the manipulator is carried out through Solidworks.Key words:Machine Manipulator,Hydraulic transmission, Solidworks 3D modeling,Vertical precision forging machine目录摘 要IABSTRACTII1 绪论12 机械手方案的选择32.1 机械手坐标形式的确定32.2 机械手的主要部件及运动32.3 驱动机构的选择42.4 机械手参数的确定42.5 本章小结43 机械手手部方案的确定与设计53.1 手部结构分类53.2 夹钳式手部设计的要求53.3 机械手手部的设计63.3.1 手部夹紧装置63.3.2 手爪的力学分析63.3.3 夹紧力及驱动力的计算73.4 夹紧缸尺寸计算93.5 螺栓尺寸的选定103.5.1 手指部螺栓的分析与计算103.5.2 手架部分螺栓的分析与计算113.6 手部拉紧轴的分析113.6.1 轴的载荷分析和计算113.6.2轴的材料的选择123.7 销连接的设计123.8 本章小结124 机械手手腕结构设计134.1 腕部设计所需满足的要求134.2 腕部结构的选择134.3 腕部的设计计算134.3.1 腕部参数的设定144.3.2 腕部驱动条件的确定144.4 腕部零件的设计164.4.1 腕部轴承的设计164.4.2腕部键的设计164.5 本章小结175 机械手手臂方案的确定与设计185.1 满足手臂运动的要求185.2 机构的选择185.3 手臂的设计计算185.3.1 系统摩擦力的计算195.3.2 手臂密封装置阻力的分析与计算195.3.3 惯性力的计算195.4 液压缸压力和结构的分析205.5 手臂部分螺栓的设计215.6 手臂部分的装配以及技术要求215.7 本章小结216 机械手机身结构设计226.1 机身整体构思226.2 机身回转机构的分析与计算226.2.1 液压缸驱动力矩的计算226.2.2 回转缸尺寸的选定246.3 机身升降机构的计算246.3.1 手臂偏重力矩的计算246.3.2 手臂升降不自锁条件分析计算256.3.3 手臂升降时驱动力的计算256.3.4 液压缸尺寸的初步确定266.4 回转液压缸结构确定276.4.1 定位杆的受力分析276.4.2 定位缸的设计计算276.5 齿轮的计算286.6 连接件的设计296.6.1 回转定位油缸键的选取296.6.2 回转定位油缸销的选取296.7 本章小结297 机械手零部件三维建模307.1 SolidWorks软件的背景及特点307.2 机械手的三维建模307.3 本章小结328 经济性与环保性分析338.1尽量使用环保无污染材料338.2系统高效节能设计338.3本章小结339 液压系统3410结论与展望36参考文献37附录一 外文译文38附录二 外文原文48致谢54VII 1 绪论1.1前言机械手能够大致实现与人类手臂相似的动作,它可以在空间内进行物体的抓放,移动,回转等功能,同时也可以进行其它操作的机械部件。机械手可以仿真人手的部分动作,根据已输入的语言或程序,来实现完全自动化的动作,如回转,升降,移动,抓取工件等。在工业中被广泛所应用的机械手称为工业机械手。它能够更有效地完成较多的复杂高强度的人类无法完全胜任的工作。因此,机械手被广泛地应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门1。近年来,随着工业4.0的提出以及我国经济的发展,中国工业转型在中国转变经济增长模式的过程中扮演着重要角色,所以国家的工业也需要通过飞速的发展与完善。机械手作为机械生产中及其重要的一种工具,对其技术的不断突破以及更新也变得越来越重要。2随着现代工业发展的需求,机械手在机械制造、冶金等部门中十分重要,特别是在高温度、高压力、易燃易爆以及放射性等恶劣不利人类工作的环境中来代替人类无法完全胜任的工作。因此机械手在如今的时代下拥有十分广泛的空间以及极为有利的前景。1.2工业机械手的发展动态和趋势目前工业机械手在国内主要是发展铸造、热处理工艺的工业机械手,来改善工作强度以及条件;而在国外的机械工业中,工业机械手被广泛的使用。例如进行点焊作业的点焊机械手,进行喷涂作用的喷漆机器人等。与我国机械手的不同之处在于,国外的机械手的发展趋势是大力研制具有智能反馈系统的智能机械手,使它们能够具有一定的传感能力3,并根据外界条件的变化进行反馈作用,同时作相应的变更,使得机械手能够进行更加精确的反馈动作,并根据反馈进行适当的下一步的相应动作。根据目前工业机械手的发展趋势,人类也要对发展中的工业机械手的应用与发展提出以下五点更高的要求:一、重复高精度。由于时代的发展,以后机械手会使用的越来越普遍,也会越来越广泛。因此,对机械手的精度就提出了一定的要求,需要在多次使用时保证定位的精确性4。二、机械手的模块化。模块化的机械手相比于一般的导向驱动机械手更加容易操作,也更加灵活。根据模块的不同可以使得已经模块化的机械手由于它们所拥有的模块功能不同,便会使机械手拥有不同的多样的功能。这就令机械手的应用范围增大了很多,提高了机械手的多样性4。三、无给油化。无给油化是新提出的一个环保概念,这是为了达成食品、医药、生物工程等特殊行业的无污染要求。随着现代材料科学的发展,新型环保无润滑材料的出现,构造特殊,不仅节省润滑油脂且不污染环境,系统简便、性能稳定、成本较低、寿命可靠4。四、机电一体化。机电一体化的核心思想在于机械装置与电子技术相结合的自适应控制气动元件,使得机械手内的系统由简单的“开关控制”进化到高度的“反馈控制”,很大程度上提高了机电系统的可靠性4。五、环保经济化。在当今时代的发展下,环保无污染已成为机械设计的趋势,所以设计的机械手为了节能减排应该令结构尽量的轻盈紧凑,必要时可利用二次能源或是环保可降解无污染的材料进行设计。1.3本章小结本章简要的介绍了机械手在当下的重要性、机械手的作用以及在国内外机械手的发展动态以及在当今时代下的发展趋势,同时简单陈述了本文的研究内容和方向。2 机械手方案的选择本章节介绍了机械手的坐标以及参数,然后根据参数选择总体方案的介绍,并列出主要性能参数和部件的基本数据。2.1 机械手坐标形式的确定机械手主要有如下所述的4种基本的坐标型式:1. 直角坐标式直角坐标的机械手结构较简单,精度高。工作位置为一条直线时十分适合选用本坐标形式。但是其占地较多2. 圆柱坐标式结构相对复杂,但运动惯性小,不占太多空间,且工作的范围广阔。同时定位精度也可以达到较高的标准,在很多情况下都可以选取本形式。但由于其结构限制,不能夹取地面上的工件。3. 球坐标式它具有响应快、迅速、灵活且不占过多空间的优点,工作范围较广。但是因为球坐标的结构较为复杂,手部摆动幅度的误差会由于手臂的前后伸缩运动从而引起比原先更大的中心定位误差。4. 关节式具有三个转动关节,其中两个关节轴线互相平行,它们形成一个较复杂的运转范围。具有响应迅速,工作范围大且不占很多空间的优点,并且可以通用于多种场合。由于其复杂的结构以至于位置精度不容易控制。综上所述,本设计的立式精锻机自动上料机械手采用圆柱坐标式机械手来实现相关功能。2.2 机械手的主要部件及运动在选定了圆柱坐标以后,开始分析本文所设计的机械手关键的动作。立式精锻机自动上料机械手自由度数为4,主要完成5个动作,分别为机械手手爪的夹紧与松开、机械手手腕的回转、机械手手臂的伸出和收缩、机械手手臂的回转及其上升下降。因此,本机械手主要由七个构件、六个缸体组成:1)机械手手臂升降机构采用直线式液压缸;2)中间座部件采用齿轮回转来带动机械手的手臂回转;3)手臂回转机构采用回转式液压缸;4)手臂伸缩机构采用直线式液压缸;5)夹持式手部方案与机械手手臂的伸缩机构相同;6)手腕部件方案同3);7)回转定位油缸进行工件位置的定位。2.3 驱动机构的选择本设计中组成自动上料机械手的关键部分即为驱动机构,驱动方案以及驱动装置的选择很大程度上决定了系统的性价比。因为拥有不同的动力源,所以工业机械手的驱动装置就可以分为液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动这样的四类5。根据本设计的情况进行考虑,则本文机械手的驱动方式为液压驱动。这种方式容易操控,驱动力足够,能够较有效完成要求。2.4 机械手参数的确定 机械手主要参数:1)能够抓取的工件质量: 工件直径 2)坐标形式:圆柱坐标3)自由度:4)工作半径的范围:5)手臂抬起的最高高度:6)手臂运动参数: 手臂德伸出与缩回范围 手臂伸缩速度 伸出速度: 收缩速度: 手臂升降速度 上升 下降 手臂升降范围 手臂回转范围 (这里取) 手臂回转速度 7)手腕运动参数: 手腕回转范围 手腕回转速度 2.5 本章小结本章运用了已知的参数对整体自动上料机械手进行了方案设计,如机械手坐标形式、确定自由度和驱动方式的选择。53 机械手手部方案的确定与设计在机械手手部抓取工件时,系统响应应快,精确度高,并且具有一定的可靠性。由于机械手爪抓取工件的参数有很大的差别,例如大小、形状、尺寸的不同,因此需要由工件的参数来决定机械手的具体结构。3.1 手部结构分类一般手爪分为夹持式以及吸附式这两大类6。按照本设计的技术参数及上文的方案分析,由于本设计的机械手所抓的坯料多为回转型坯料,为了保证抓取的可靠性,则选取夹钳式手部设计,本章节便只介绍夹钳式手部。它由机械手手指、传动机构以及驱动装置三部分组成7。可以抓性能以及尺寸各不同的回转类零件如套筒等零件。它最常见驱动方式的为液压驱动,也有气动或者电驱动的驱动形式8。常用传动的机构来夹紧或放开工件。平移型手指靠手指的平移来抓平板或是方料。在抓取各种大小不一的圆棒时,精度的影响不大。但制造时较为不便且较占空间。回转型手指靠回转运动抓取。这类手指结构简便,制造较易。因此这类手指在工业上应用得较为广泛。但由于工件的不同会使得精度不太高。其分类形式以及简图如图,一支点回转型,两支点回转型,移动型本文选取图中的b)结构作为手指结构。图3.1 机械手结构类型3.2 夹钳式手部设计的要求1. 夹紧力、驱动力要足够9夹紧力若过大会对工件有一定的磨损,也可能会产生大量的能耗,使得系统的经济性大大降低;相反,若力量过小则会夹持不了工件或是夹持力不够从而产生松动甚至是脱落,无法保证抓取的安全性。所以,在确定夹紧力时,需要多方面考虑系统的动静平衡以及惯性问题,保证夹紧的可靠性,防止系统松动和脱落等危险现象。2. 机械手的手指之间应该有足够的开闭角度10手指在工作时拥有足够的开闭范围则可以简单顺利地抓放坯料或工件。若工件的直径不同,则需要按直径大的工件来进行开闭角以及开闭范围的考虑与选取。3. 保证工件在手指内的夹持精度手指能够较准确地定位到被夹紧工件的位置。例如凸轮或是带有曲面的等工件,保证它们可靠的位置精度是十分重要的一部分。4. 要求拥有可靠足够安全的强度和一定的刚度,防止在既有惯性力又有振动的环境下防止零件失效(断裂或弯曲变形)。因此也需使结构尽量紧凑轻盈。 5. 应考虑互换性和通用性,在大多数的情况下,机械手的手部是根据设定的要求专门设计的,为了让其有更多的功能或作用,使其更加的通用,提高它的适用性,来适应参数、形态各异的工件需要。也可以对机械手的零件进行互换(满足装配要求与系统正常运转即可)。3.3 机械手手部的设计3.3.1 手部夹紧装置为了完成拟定的设计目标,本文设计的手指结构在上文3.1已经介绍,传动机构采用滑槽杠杆机构,夹紧装置选择常开式,油的压力作为驱动来带动拉杆进行运动,并且通过传动机构的带动来实现手指的抓取运动。3.3.2 手爪的力学分析本文所选取的滑槽杠杆式手部的机构如下图3.2:图3.2 手部结构受力分析简图因为圆柱销为平衡状态,其受合力=0,可得出对其进行变形得到公式3.1 (3.1) 销对机械手手指的反作用力为,因为二力平衡,所以有下式3.2 (3.2)由手指的平衡条件得公式3.3, (3.3)因为所以 (3.4)由上文的分析与计算可得出结论:当驱动力F确定之后,如果角继续扩大,那么握力FN也会随着角度的增加而增大。但角如果过大,则会导致活塞杆上下移动过大,使得手爪的结构也相应地增大,不适合之后对其他部件的设计。因此初步确定角的范围在之间,本设计中此角度取。3.3.3 夹紧力及驱动力的计算保证手爪能够可靠地抓住工件的关键因素在于手指的夹紧力。因此必须对力的三要素进行具体计算分析。载荷包括重力产生的静载荷以及系统运动时产生的动载荷。1)最小夹紧力确定最小夹紧力根据式3.5进行分析与计算: (3.5)其中,安全系数 ,工况系数根据公式3.6进行计算 (3.6) 其中 最大上升加速度;g ; (3.7) 系统响应时间,此处取0.5s; 方位系数,根据实际情况,这里取4.0; 坯料所受的重力,在本文中此重力均为G=mg=60x9.8=588N。 运载工件时重力方向的最大上升速度,由前文分析可得出,将以上结果代入公式3.7计算出加速度a=0.2;因此,综上所述,G=588N,根据公式3.2可得出夹紧力为3598.56N。2)夹紧缸驱动力的计算因为本机械手设计所选取的液压缸为单作用缸,所以其作用力可以由3.8得 (3.8) 活塞直径; 活塞杆直径; 工作压力上述参数单位均为SI,由此可确定驱动力:(2)由公式3.4可以得出公式3.9 (3.9) 将b=90mm,a=95mm带入上式,得(3) 一般取效率值 由此得出3.4 夹紧缸尺寸计算表 3.1 液压缸工作压力活塞上外力F(kN)液压缸工作压力(MPa)活塞上外力F(kN)液压缸工作压力(MPa)由表3.1分析,本设计中实际工作压力,不难看出。如图,在缸的无杆腔进油时,根据公式3.10计算其内径 (3.10)回油时系统压力,公式可化为3.11 (3.11)当缸的有杆腔进油时,根据公式3.12计算其内径: (3.12) F 驱动力; P1 P2 此处取; 这里效率值取; d 活塞杆直径,可利用下式3.13计算 (3.13)表3.2 压力与往复速度比对照表液压缸工作压力往复速度比由于工作压力为,所以,得 再将已知结果代入3.5可得取,查液压缸内径推荐标准JB826-66确定其内径,外径推荐标准JB1086-7确定其外径。综上,有液压夹紧缸的结构件图见下图3.3图3.3 夹紧缸结构图3.5 螺栓尺寸的选定3.5.1 手指部螺栓的分析与计算由设计结构分析,手部需要有螺纹紧固件对其进行预紧。又根据前文的受力分析可知,在机械手手部受力最大螺栓其预紧力力为5382.84N,许用应力2MPa,根据螺栓设计公式3.13 (3.14)其中,预紧力为夹紧力5382.84N,得出d1需大于等于6.6mm,根据GB/T70.1-2016进行取整,所以这里选用内六角圆柱头螺钉M8。3.5.2 手架部分螺栓的分析与计算机械手的手架部分需要有4个螺栓对其进行固定,由于夹紧力在手指端部,因此,此螺栓组受倾覆力矩影响。在手指夹取工件时,手架左侧螺栓被压紧,右侧螺栓被放松;当手指放开工件时,右侧螺栓被压紧,左侧螺栓被放松。根据螺栓所受最大载荷公式3.15 (3.15)其中,根据力矩公式M=Fl得出F=5382.54N,l=345mm,得出螺栓所受的力矩为1856.98Nm。由于4个螺栓在手架均匀分布,因此=45mm。根据公式3.8可得出螺栓最大工作载荷为10316.6N。由公式3.7可得出螺栓小径4.6mm,根据GB/T70.1-2016,对计算结果进行取整,由此选取内六角头圆柱头螺钉M6。3.6 手部拉紧轴的分析3.6.1 轴的载荷分析和计算根据手部的分析,机械手手部的轴应为拉紧轴,所受力为两端的拉紧力,对于夹持式手部的结构分析,轴中由开槽平头紧定螺钉固定。因此,拉紧轴仅受弯矩影响,受力分析图及其弯矩图如图3-4所示。由已知夹紧力为5382.54N,根据参数以及手部结构的参数,取夹紧力距离轴为195mm,根据弯矩公式M=Fl得出弯矩为1049.595Nm。图3.4 轴的受力分析及其弯矩图如上图所示,F1=F3=5382.84N,F2=10765.68N,所以轴所受最大载荷即为1049.595Nm。根据轴的直径设计公式3.16 (3.16)其中M为1049.595Nm,由前文可知,许用应力=2MPa,因此可得出轴的直径d6.8mm,取整则为8mm。由于这为拉紧轴,载荷分布较简单,因此不需要分段,仅需一段即可。轴的装配图则如图3.5所示。图3.5 机械手手部拉紧轴装配图3.6.2轴的材料的选择由于机械手手部在抓取物体时会在手爪处产生应力集中,因此在轴上会产生一定的弯矩,在轴的运转过程中亦会产生大量的热量,需要能够抗氧化并且能够耐一定的高温。如上图3-5所示,为了手部抓取不产生松动或脱落,保证抓取的可靠性,同时考虑经济性。因此选用经过耐热钢作为轴的材料。3.7 销连接的设计销按用途分为用于定位的定位销,用于连接的连接销等11。前者是机械结构进行装配时十分重要的定位零件,有些销也可以传递较小的载荷。销的类型有很多,例如圆锥销,圆柱销,槽销等,这些销都是标准件,因此可直接选用。本设计采用圆柱销,由于圆柱销需要进行过盈配合从而固定在销的孔内,并且机械手的零部件需要卡紧以保证系统的安全可靠,所以选择的过盈配合连接。在装配前,需要对其相关精度进行复查。3.8 本章小结本章介绍了机械手的结构及其种类,并通过已选取的方案对于机械手手爪的夹紧力、液压缸的驱动力进行分析,并根据表格选取液压缸的内外径尺寸。根据已知许用应力设计手部轴,螺栓的直径,根据尺寸设计出可靠安全的机械手手部。4 机械手手腕结构设计机械手手腕安装在手臂部分与手爪部分之间,其作用是通过臂部的运动(如移动,回转等)来更加完善地改变或者调整机械手的手部在空间内操作的方位,使得机械手运动的范围更广,同时令机械手适应性更强。4.1 腕部设计所需满足的要求1. 结构尽可能紧凑、质量小机械手的手腕处于机械手手臂和机械手手爪之间,则整个机械手手部的动载荷以及静载荷都需要由手臂部承载。因此,不难看出,手腕部的结构、质量和其载荷分布,都会对机械手各部分产生影响。所以在设计时,结构需紧凑并且轻盈。2. 合理布局其结构机械手的腕部是整体系统的执行机构,还需要有支撑和连接的作用。所以,在能保证系统正常运作的情况下,还需要能够有足够安全的强度以及刚度。除此之外,还应结合机械手的实际情况对整体进行全面完善的考虑并合理布局。例如机械手腕部、机械手臂部、机械手手爪部的连接。还有对于手腕部分的自由度数的检测以及寿命、性能的分析。3. 完整分析工作条件根据本文参数以及条件,机械手在抓料上料至立式精锻机上时,环境对其没有太多的影响,而且机械手没有在高温高压的恶劣环境中,亦没有在具有腐蚀性的介质中进行工作。所以环境对系统的影响不大。4.2 腕部结构的选择手腕的动作不是很多,但由于其为连接部件,所以其结构需要非常紧凑。在力量可以保证的前提下,质量尽可能的要小,手腕部分所连接的手爪的夹紧机构经常要与手腕结构一同考虑。本设计条件所需要设计的机械手要求其手腕旋转90度,1个回转的自由度。驱动方案已在第二章的方案分配中介绍,此处不再叙述。4.3 腕部的设计计算机械手的手腕在回转时,克服以下阻力才能够正常运转:1. 腕部摩擦力产生的力矩 (4.1)2. 回转时产生的偏心矩 (4.2)式中 重心到轴线的距离()。3. 惯性矩 (4.3)4. 带动系统的驱动力矩 (4.4)4.3.1 腕部参数的设定自动上料机械手的手指夹紧结构、手腕回转结构这几个结构可以等效成为一个高100cm,直径100mm,能够旋转180度的圆柱体,抓取工件的质量为。其所受的重力为。4.3.2 腕部驱动条件的确定1. 摩擦阻力矩 (4.5)2. 系统启动时间,此处取 s (4.6) 回转角速度 (4.7)3. 惯性矩 (4.8) , 腕部质量约为通过式4.8:4. 回转时产生的偏心矩(此处可忽略)5. 能够驱动系统的总力矩Nm取效率,可计算Nm有上述计算可知,液压缸回转时所产生的驱动力矩必须大于总阻力矩,则有对公式进行变形,得出式 (4.9)式中: 系统运转时产生的总力矩; P 系统运转时的压力差 R 内孔半径; r 轴的半径; b 叶片宽。图4.1 回转液压缸结构示意图如上图所示,并由式4.9,得出4.4 腕部零件的设计4.4.1 腕部轴承的设计由于手腕部是横向放置,轴的最右端与机械手手爪部分相连接。则轴的右端所受转矩为8Nm,腕部所受重力为132.01kg,即1293.70N,左端轴承径向力,手腕所受重力与此转矩相平衡。根据力学平衡公式及长度可得出,=879.5N。因为手腕为横向放置,因此轴承不受轴向载荷。选用圆锥滚子轴承即可,综合手腕结构考虑并根据GB/T297-2013选用32015及32013的圆锥滚子轴承。相同的,在轴的左端轴承也仅受径向力作用且仅是定位的作用,所以可以选用深沟球轴承。根据GB/T276-2013,本设计中,缸体右侧选用6015深沟球轴承,缸体左侧选用6209轴承。轴承需用卡圈对其进行一定的预紧定位作用,以此来防止轴向游隙。本机械手中,其轴转速并不大,且不在高温的工作介质中工作。因此,考虑到密封以及承受的载荷,这里采取油脂润滑的方式进行润滑。装脂量最适宜装在轴承内部空间容积的。4.4.2腕部键的设计 由于轴受转矩影响,且不受轴向力,因此选用普通平键进行连接即可。根据GB/T1096-2003,拟定普通平键108,长度取35,轴的直径为35。根据普通平键连接的强度条件公式4.10 (4.10)其中,根据上文分析已知转矩为8Nm,h为8mm。则可得出其应力为3.57MPa,远小于许用应力。因此,普通平键108可以满足要求。4.5 本章小结本章介绍了机械手手腕部分设计的基本要求,且给出了机械手手腕的结构设计,通过已知的手腕结构参数结构设计计算出机械手腕部所受的载荷,设计出驱动机构的液压缸尺寸,同时分析与选用手腕部分上的轴承部分以及轴上的键的选取与校核,使其能够正常驱动,运转可靠。5 机械手手臂方案的确定与设计机械手臂部运动的作用:带动手部的运动且支撑手腕部分及手爪部分。手部的位姿(位置及姿态)若改变,则需要利用机械手手腕部分的自由度来完成。所以,至少具备3个自由度才能满足其运动要求。它们分别为手臂的伸缩运动,升降运动和手臂的回转运动,上述的这些运动利用驱动和传动机构来完成。机械手的手臂部分在运动时直接承受了机械手的腕部、机械手的手部和工件的动静载荷。12所以机械手手臂的总体结构、手臂工作的范围及其灵活性对于系统性能的影响是显而易见的。5.1 满足手臂运动的要求1. 臂部所受载荷要足够,质量要尽可能的小1)恰当的提高手臂的支撑刚度,支撑点的距离要尽量合适。2)对手臂处的载荷详细考虑,合理布局。3)采取更精密的公差配合2. 臂部速度快,惯性尽量减少机械手在确定了行程范围、生产节拍后,便可知其速度大小。因此上述的两个参数需要尽量大。机械手臂部的质量也需要一定的减少。可以通过下列三种方法来减少惯性:1) 采用密度较低的材料如铝合金等,减少重量;2) 对手臂轮廓的尺寸进行一定的缩小;3) 手臂的回转运动尽量在较小的前伸位置下,减小手臂的回转半径;3. 手臂不能自锁 由于系统运动时若不平衡,那么系统很有可能由于摩擦以及动平衡的原因产生自锁现象,这就需要对系统不自锁的条件进行考虑,使得手臂能够顺利完成其工作。5.2 机构的选择根据实际情况以及本文所设定的参数可知,此处选择类似双导杆伸缩机构,并且采用双作用液压缸进行液压驱动。由于希望增加伸缩运动的距离,因此这里将伸缩机构更改为燕尾型导轨。5.3 手臂的设计计算先根据前文已知的参数和已设计的系统来对本章的系统进行大致的估计,并初步计算设计出一个结构,并且可以类比与之相似的结构,重新进行系统的完善。根据不断地分析,便可设计出其结构。液压驱动力可通过公式进行计算 (5.1)5.3.1 系统摩擦力的计算由前文可知,本设计选取燕尾式导轨,此时的计算公式为: (5.2) 所有构件重力; 当量摩擦系数,可根据下式5.3计算: (5.3) 钢对青铜时取摩擦系数 导轨的夹角: 若, 若,手腕质量大约为200kg,所受重力,手臂质量约为,则其所受重力,机械手抓取的工件,所受重力,进行计算可知5.3.2 手臂密封装置阻力的分析与计算前文第三章已分析系统驱动压力为,所以有下式5.4; (5.4) F为系统的驱动力。5.3.3 惯性力的计算惯性力计算公式如式5.5: (5.5)式中 运动状态下零件的重力; 重力加速度,此处仍取 臂部伸出的速度; 机械手手臂系统启动过程的时间,一般可取。本文所设计的自动上料机械手根据参数分析可知其不属于重载,且运转速度不快,又由于参数臂部伸出的=0.233m/s,所以这里取=0.2s,代入上式,得取=0.05F,将以上的计算结果代入公式 (5.1)可以得出则F=2147.12N5.4 液压缸压力和结构的分析在已知驱动力之后,根据表3.1选择液压缸的工作压力P=1MPa。其结构示意图如图5.1。图5.1液压缸结构图此处液压缸的内径计算方式以及选定方式如同章节3.4,因此这里仅列出计算结果,过程不再详细叙述。解此方程可得出D2=61.8mm取D1,D2中的最大值,并根据液压缸推荐标准,取内外径标准值,则D=80mm,d=30mm。5.5 手臂部分螺栓的设计根据回转机构进行分析,螺栓组是由6个承受横向载荷的螺栓连接,总受力为2147.12N,根据每个螺栓受力公式5.11可得每个螺栓受力为214.71N。 (5.7)可得每个螺栓受力为214.71N。根据螺栓的预紧力公式5.12 (5.8)为材料的摩擦系数,取值范围为,此处取值。f是接合面的摩擦系数,因为螺栓的材料为钢,同时查取参考文献11,得此处的摩擦系数为0.4,螺栓数量为6个,z=6,i为接合面数,结构中螺栓连接了两个面则有i=2,由此得出螺栓所需预紧力为322.07N。再由螺栓设计公式3.7,计算出出螺栓小径需要大于8.1mm,对计算结果根据GB/T70.1-2016进行取整,因此这里选取M10的内六角圆柱头螺钉进行紧固连接。5.6 手臂部分的装配以及技术要求手臂回转部分依靠上端盖与手臂的伸缩机构相连接。对于本设计的手臂回转机构的主轴的轴承进行密封,根据GB/T3452.1-2005,利用O型橡胶密封圈155x5.3进行密封,各密封件装配之前需浸透油。手臂升降部分在螺纹紧固件紧固时,必须使用合适的旋具或扳手。在进行液压系统的装配时可以用密封填料,但需要防止泄露进系统内。5.7 本章小结本章介绍了机械手手臂设计的基本要求,根据参数选择手臂设计的方案并通过摩擦阻力,惯性力,重力等的力学分析设定了手臂驱动液压缸的内径与外径。并对一定的零件进行设计与选取。同时也对手臂部分的技术要求作了一定的介绍。6 机械手机身结构设计机械手机身的作用既能够直接支撑手臂,也能够驱动手臂。在一般情况下,它能完成手臂部分的运动,如回转和升降。安装在机械手部件上是它们的传动机构。机身的形式较多,在大多数情况下,为固定的机身,特别的机身也可以沿着轨道工作。6.1 机身整体构思根据本设计的参数以及本设计的要求,机械手需要实现其手臂的回转运动,一般来说,在机身处设置机械手臂的回转机构。为了使得设计得合理安全可靠,因此就要进行综合的考虑及分析。机身是机械手的重要组成部分,它能够对机械手的运动产生极大的影响。比较普遍的机身结构有回转缸位于升降下的结构,其承受力矩大,但精度不能保证;回转缸位于升降上的结构,其结构紧凑,但质量较大。综上,并进行综合考虑,本设计采取第二种结构即回转缸置于升降缸之上的结构。本设计的机械手包括了机械手机身的回转运动和机械手升降运动这两种运动。回转系统液压缸的主转轴与升降系统液压缸共用一个活塞杆。选用空心的活塞杆,活塞杆内装一个花键套,轴与此花键采取基孔制过盈配合,活塞的升降运动通过花键轴来带动。花键轴和升降液压缸缸体的下端盖用普通平键进行连接固定,下端盖和连接地面的系统底座来进行固定。这样就定位了花键轴,同时也利用了花键轴完全定位了活塞杆13。此结构由于活塞杆在内部所以十分紧凑。由于前文已分析驱动结构,此处也使用液压驱动的方式进行驱动。为了能够使叶片回转,回转液压缸利用进油孔和排油孔分别通向回转叶片的两侧即可。回转的角度大小一般通过挡块确定。根据本设计的条件,就意味着回转叶片之间所转动的角度大小,为了达成设计的基本要求,本设计采用动静片之间回转的角度为。6.2 机身回转机构的分析与计算6.2.1 液压缸驱动力矩的计算回转液压缸的大致尺寸与结构如图6.1所示。且驱动力矩需要满足式6.1图6.1 机身的力学分析与大致尺寸的结构简图 (6.1) 一般, 根据式6.2进行计算; (6.2)式中 ; 启动时间; J0 手臂在其回转时产生的转动惯量(Nms2)。当其回转时,手臂零件重心与回转轴的距离为,则其转动惯量可通过公式进行计算 (6.3)式中 Jc 回转零件产生的转动惯量,可根据6.4计算 ; (6.4) 回转缸的背压力矩,此处可以近似为零。回转结构近似视为长,的圆柱体,取,Nms2Nms2由式6.2计算:Nm又根据式6.1计算,最终解出结果Nm6.2.2 回转缸尺寸的选定 (6.5)对上式进行变形得出式 (6.6) 拟取,代入式得132mm根据液压缸推荐标准系列,取标准值D=150mm。6.3 机身升降机构的计算6.3.1 手臂偏重力矩的计算由前文可知,N,偏重力臂mm。偏重力矩由公式 ()将已知数据代入上式,得6.3.2 手臂升降不自锁条件分析计算手臂在其重力的作用下会有向下的运动,而立柱的导套防止这种趋势,如图6.1所示。根据两力平衡的条件可知 (6.8)即 (6.9)而系统不自锁的条件为: (6.10) 即一般取f=0.15,则 (6.11)当mm时mm根据上述的分析,可得出结论:导套高度最小高度为,根据综合情况分析取。6.3.3 手臂升降时驱动力的计算 ()取。余下参数的的计算同上。(1) 的计算 ()由前文参数以及分析可得,速度,,约为,根据式N(2) N推出N(3) 根据密封方式取得(4) 最终得出总驱动力6.3.4 液压缸尺寸的初步确定由上文分析可得取,则应得出,查阅液压缸内径推荐标准得:6.4 回转液压缸结构确定定位油缸的作用为在手臂回转时进行定位。其进油方式是单口进油,出油方式为单口出油。6.4.1 定位杆的受力分析图 6.2 杆的力学分析如上图,杆所受力为由图进行分析可得6.4.2 定位缸的设计计算由前文介绍已知,液压缸的工作压力,则本节的定位缸内径为因此取,根据液压小径推荐标准选取小径为,定位缸的结构简图如图6.3所示图6.3 回转定位油缸结构简图6.5 齿轮的计算本设计中采用直尺圆柱齿轮进行传动,取输入功率为10kw,由于本设计仅考虑传动,所以选用两个相同齿轮进行传动。齿轮转速为960r/min,压力角取,精度取级,根据参考文献11,材料选用40Cr,热处理采用调质处理,齿面硬度为280HBS。选齿轮齿数为。根据齿面疲劳强度设计公式 (6.16)其中,取,u取3.2,选取,查阅参考文献11的表10-5得出弹性影响系数。同时计算重合度系数。查参考文献11可知齿轮的接触疲劳极限为550MPa,根据安全性以及寿命的考虑,取其接触疲劳许用应力为520MPa。因此,将上列已知参数带入公式6.16中,得出再对分度圆直径进行一定的调整,其中齿轮的圆周速度,齿宽=60.9mm,根据参考文献11得: ,根据修正分度圆公式=65.44,则模数。所以,齿轮的模数,齿数,分度圆直径。精度与压力角如上文所述。6.6 连接件的设计6.6.1 回转定位油缸键的选取由于轴受转矩影响,因此利用普通平键进行连接即可。查阅键的国家标准GB/T1096-2003,拟定选用普通平键,长度l取20,轴的直径为25且轴为基孔制配合。根据前文公式4.6 (4.10)其中,力为F/2=5520N,转矩为55200.0875=483Nm,h为7mm。则可得出其应力为110MPa,可承受静载荷以及轻微冲击,满足要求。因此,普通平键87可以满足要求。6.6.2 回转定位油缸销的选取由于圆锥销在受到横向力的时候会进行自锁现象。安装拆卸较方便,精度较高,可进行多次的拆卸与装配,且对精度没有影响。所以本设计根据GB/T117-2000选取圆锥销B845进行连接。6.7 本章小结本章提出了机身的整体设计方案,并且在此基础上确定选取了回转液压缸以及回转定位缸的尺寸。在对于机构的设计方案完成后,对系统内的部分重要零件(如齿轮)以及连接件(键,销)进行了分析与设计计算,选取适合本方案的零件。7 机械手零部件三维建模在本设计方案完全确定后
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