四自由度搬运机械手的设计与运动仿真【含NX三维及CAD总装图】
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充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸I四自由度搬运机械手的设计与运动仿真摘要在机械制造业中,机械手已被广泛应用,改善了工人的劳动环境,显著地加快了生产节奏,提高了劳动生产率,工业生产的机械化和自动化程度得到了提高。本文先对机械手的国内外研究现状以及搬运机械手的应用背景和需求分析进行分析,对本课题任务进行了四自由度搬运机械手的总体方案设计。首先,确定了搬运机械手的自由度为四自由度;其次,本文设计了四自由度搬运机械手的夹持式手部结构、手臂结构、机身、机座、驱动系统等部分,实现了四自由度搬运机械手的水平回转,轴向移动,竖直升降,手部的旋转四个自由度及手爪的开合。本文通过针对四自由度搬运机械手的整体设计,设计出了一种具有模块化、高可靠性物料的搬运机械手,对其他经济型搬运机械手的设计也有一定的借鉴作用。关键词:四自由度;机械手;气动驱动;运动学仿真 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸IIAbstractIn machinery manufacturing, robots have been widely used to improve workers labor environment, significantly speed up production, increase labor productivity, and increase the degree of mechanization and automation of industrial production.This paper first analyzes the research status of manipulators both at home and abroad, as well as the application background and demand analysis of the handling robots. The overall program design of the four-degree-of-freedom transport manipulator is performed on the tasks of this project. Firstly, the degree of freedom of the handling robot is determined to be four degrees of freedom. Secondly, this paper designs the gripping hand structure, arm structure, fuselage, frame and drive system of the four-degree-of-freedom handling robot and realizes four freedoms. Degree of rotation of the handling robot, axial movement, vertical lifting, four degrees of rotation of the hand and the opening and closing of the hand. In this paper, by designing the overall design of a four-degree-of-freedom handling robot, a handling robot with a modular, high-reliability material is designed, which also has a certain reference for the design of other economical handling robots.Keywords: four degrees of freedom; manipulator; pneumatic drive; kinematics simulation 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸III目录第 1 章 绪论 .11.1 选题背景及研究意义 .11.2 机械手概述 .11.3 国内外发展现状 .21.3.1 国外机械手发展现状 .21.3.2 国内机械手发展现状 .21.4 课题的主要研究内容 .3第 2 章 四自由度搬运机械手的总体方案设计 .42.1 工作原理 .42.2 基本参数要求 .42.2.1 基本参数的确定 .42.2.2 设计要求 .52.3 整体方案 .52.4 小结 .6第 3 章 四自由度搬运机械手的机械结构设计 .73.1 底座的设计 .73.2 手部的设计 .73.2.1 机械手手部结构的计算 .73.2.2 竖直升降模块的设计 .83.2.3 水平伸缩模块的设计 .93.3 腕部的设计 .103.3.1 概述 .103.3.2 手腕驱动力矩的确定 .103.4 臂部的设计 .123.4.1 手臂运动机构的选择 .123.4.2 手臂偏重力矩的确定 .123.5 小结 .13第 4 章 四自由度机械手驱动系统设计 .144.1 气动元件的选用 .14 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸IV4.2 气动系统中各控制和辅助元件的选用 .154.2.1 方向控制阀的选用 .154.2.2 流量控制阀的选用 .164.2.3 压力控制阀的选用 .164.3 液压模块计算 .164.3.1 液压缸活塞的驱动力的计算 .164.3.2 液压缸的结构尺寸 .194.4 活塞杆的设计 .214.4.1 活塞杆的计算 .214.4.2 活塞杆的稳定性校核 .214.5 手臂旋转设计 .234.6 手臂升降设计 .254.6.1 臂部做升降运动时油缸的相关计算 .264.6.2 油缸内径的计算 .264.6.3 油缸壁厚 的计算 .274.6.4 活塞杆的计算 .284.7 小结 .29第 5 章 四自由度机械手液压系统设计 .305.1 机械手液压缸的受力情况 .305.1.1 大臂升降缸的受力情况 .305.1.2 手爪夹紧缸的受力情况 .305.1.3 手臂伸缩缸的受力情况 .305.2 液压元件的选择 .305.3 液压系统原理图 .315.4 小结 .31第 6 章结论 .33致谢 .34参考文献 .35附录 .36 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸5第 1 章 绪论1.1 选题背景及研究意义机械手的研制,加快了世界科技发展的进程;机械手的诞生,是工业制造史上的重大突破,提高了工业制造生产的水平。在这样的背景下,制造业里面的机械手发展的很是迅速,并且有着十分广泛的应用范围。机械手的动作都是设计好的,主要通过程序来控制机械手去完成规定制定的行为动作,它主要用于枯燥重复的流水线工作的完成,特别在一些高温、危险的环境里,去完成对人来说有困难的工作。虽然目前的机械手是比较成熟的,但是由于机械手的制造成本昂贵,因此目前仅应用于航天航空等高端领域。所以制造成本低、可以满足低端领域使用的四自由度搬运机械手的设计就刻不容缓了。一旦这种新型机械手问世,人类不仅会从传统的手工加工方式中解脱出来,还能让人类的生产率得到大幅的提高,进而改善人类的工作环境,从而让人类的生活变得越来越美好。这种机械手主要功能是代替人去完成繁重而单调的重物搬运和物品分拣工作 1。机械手的研制不仅有利于生产的机械化和自动化程度的提高,还可以减少人力的浪费,加快生产的节奏,因此对这种机械手的进一步研制就显得尤为重要。1.2 机械手概述本课题研究设计搬运机械手的自由度个数是四个。四自由度机械手的运动原理基本相同,但是由于使用领域的不同,所以其结构的设计还是有很大的区别。虽然结构上有些差异,但是机械手的设计主要是设计机械手的控制系统还有驱动系统和传动执行机构这三方面。只有这三方面设计的合理,机械手才能正常运行。1.3 国内外发展现状1.3.1 国外机械手发展现状世界上第一台机械手是 1958 年美国联合公司发明出来的,控制系统是简单 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸6的示教型的。后来科学家在此基础上进行了改造,设计出了第二代机械手,对新一代的机械手设计了更多的新功能,实用性也增加了不少。随后的时间里,美国机械铸造公司、Unimate 公司等公司对机械手的研发都很热情,研究出了具有更多功能的机械手。日本从 1969 年在美国进口了一批机械手后,充分发挥了其学习模仿的能力,经过对机械手的研究,日本工业迅速崛起,尤其是汽车行业的迅速发展,成就了“工业发展最迅速”的神话。现在国外对机械手的研发已经很先进了,已经开始从触觉和视觉方面去研制新型的机械手了。这样的机械手能够感应外界实物,不仅能够听到外界的声音,还能够看到外界的视野,这样高端的功能是非常厉害的。目前国外工业机械手的发展方向是柔性制造系统的一整条生产线的全自动化生产。图 1.1 美国早期机械手图 图 1.2 日本机械手图1.3.2 国内机械手发展现状在上个世纪八十年代,国内才开始对机械手进行研究,足足比发达国家对机械手的研究要晚了几十年。我国的第一台机械手是在上海被研发成功的,随后其他城市对机械手的研究才开始进行。随着经济改革开放,国家对机械手的研究力度提高了,并且投入了大量的科研人员和大量资金。图 1.3 国内机械手图 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸7现在我国研发的机械手主要还是用在工业方面,在其他领域的研发进境不是太好。虽然我国的机械手运用在了工业方面,但是自主研发的机械手因为产量少,且达不到一些精密仪器生产的要求。一些高精度加工还是引进国外淘汰的机械手,引进机械手的成本较高,所以我国能用得起机械手的工业企业还是很少的。1.4 课题的主要研究内容机械手主要是用在工业制造生产上,对物品做流水线式的搬运工作。对于机械手的功能要求并不多,主要完成大的工作是实现物体的来回搬运。本文机械手设计的研究内容如下:(1)机械手的工作原理机械手的定位;机械手的旋转动作和抓取动作;机械手的复位功能。(2)机械手的机械结构模块设计机械手的结构设计包括机械手底座、手部、腕部、臂部的设计。(3)机械手的驱动系统模块设计机械手的驱动模块设计包括气动和液压两部分。(4)机械手的液压系统模块设计机械手的液压模块设计包括机械手工作时液压缸的受力情况、液压元件的选取和机械手工作时的液压原理图的设计。 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸8第 2 章 四自由度搬运机械手的总体方案设计2.1 工作原理四自由度搬运机械手的工作原理是仿造人类手臂关节的活动结构,来实现各种复杂动作的运动的,一般机械手都运用在环境恶劣、流水线或者是危险性的工作环境下。本文设计的这种四自由度搬运机械手主要功能是搬运,具体来说就是把一个地方的物品搬运到固定位置上去,这样的自动化设备可以有效减轻劳动力。本文设计的这种四自由度搬运机械手运用在流水工作线上 2,所以对四自由度搬运机械手的活动顺序和对时间的掌控都有比较高的要求了。四自由度搬运机械手在搬运物体时,要保证机械手能平稳,快速,精准的运行。机械手原理图如图2.1 所示。图 2.1 机械手的结构简图2.2 基本参数要求2.2.1 基本参数的确定机械手的设计主要包括结构、功能和各种驱动及动力系统的设计,机械手的基本参数的确定应该是机械手的第一步。本文设计机械手的基本参数如下表所示3。 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸9表 2-1 机械手工作过程中的主要参数2.2.2 设计要求本课题设计的搬运机械手,要求由四个方向的运动,分别是手臂可以旋转,还有手臂能够绕着轴来摆动,最后是手臂可以夹紧松开,达到加持物品的效果。机械手的工作过程可分为:1)机械手运动的实现是利用电机传递的动力,带动传动轴、齿轮运动,进一步带动机械手的运动;2)手部的运动的实现是靠凸轮驱动摆杆,进而带动齿轮转动,最后经过内部机构的带动;3)利用凸轮的运动原理,使圆通实现移动,进而带动手臂进行摆动;4)转盘的往复回转的实现是通过圆柱凸轮带动齿条、齿轮转动完成的。2.3 整体方案在设计机械手的结构时候,要对实际的工作环境还有使用情况详细分析,然 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸10后根据情况来设计能够符合要求的机械手才行。机械手的设计需要满足的条件:要留足机械手的工作空间,并且设计的机械手应能够以多种运动形式完成不同要求的工作。机械手的结构设计,应该在满足机械手具体的工作环境和要求的前提下,通过对人的手臂功能的模仿学习之后,进行机械手的具体结构、机械手的姿态和运动方式的设计 4。图 2.2 机械手实物图图中 1机座,2液压缸,3旋转关节,4手臂,5手爪,6法兰盘 7手杆。2.4 小结本章对四自由度搬运机械手的工作原理进行了详细的描述,确定了机械手的基本参数和设计要求,明确了机械手的整体设计方案。 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸11第 3 章 四自由度搬运机械手的机械结构设计3.1 底座的设计机械手的底座的主要作用是承重,不仅要承受机器人全部重量,还要承受机械手的工作载荷,因此需要有较大的强度和刚度。机械手能否正常工作,取决于底座的安装基面的大小。由于机械手对底座的结构要求较低,只要机械手的定位合理即可,本课题设计的机械手其底座如图所示。图 3.1 底座三维图3.2 手部的设计3.2.1 机械手手部结构的计算 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸12机械手夹持爪要根据手爪的工作环境来选取,主要参考依据有被搬运物品的质量、大小、形状和机械手夹持爪的工作行程,本课题所设计的机械手的参数为:M=30.0kg,夹持点和转轴中心的最大力臂为 46.0mm,由这些参数来确定夹持手爪的规格。夹持手爪夹持物品的夹持力的计算如下 5: 公式 (3.1)G321式中 1安全系数,(取值为 1.22);2工况系数,一般情况下受器件惯性力的影响较大 , ga12a被搬运物品的加速度,g被搬运物品的重力加速度;3位置系数;G被搬运物品的重量;分别取 , , ; 则由能公式(3.1) 可得:2.15.3公式(3.2)162305.12所以夹持力矩(取最小的夹持力计算) 为:公式(3.3)mSF9.74.6由计算结果知,可选取型号为 SMC,MHC2- 16D- A198S 的手爪,其主要参数:(1)手爪开合时间 0.03s;(2)手爪的夹持力矩 75N.m;(3)重复定位精度为0.02mm。图 3.2 手爪结构图 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸133.2.2 竖直升降模块的设计竖直臂的作用是控制机械手的升降,它的驱动方式是气压驱动,因为竖直臂不易定位,考虑到工作中工作行程和工作压力等因素的影响,所以本设计选取了双联气缸。由于活塞杆要克服载荷收缩做工,所以气缸的内径 的大小要结合机械手工作压力和工作载荷来确定,具体过程如下:公式(3.4) PFD14式中 气压缸的内径 ; ()气压活塞受到的载荷 ; ()气压缸受到的压力 ; ()气缸总的机械效率( 的取值范围 0.30.5) ;考虑到气缸中活塞杆的直径和具体工作情况的影响:公式 (3.5) PFD145.01将 , 代入公式(3.5)计算得:a5.0MPp3.公式m98.123.0514.415. (3.6)式中 t竖直臂气缸的伸缩时间, s6.0ts竖直臂气缸的收缩行程, mF竖直臂气缸的收缩行程, NF153.2.3 水平伸缩模块的设计因为水平臂只在平面内运动,且仅有一端需要定位,所以采用水平钢杆和气压缸组合使用的方法来保证了水平臂的刚性,选用笔形气缸就可达到设计要求。将 , 代入式(3.5)计算得:a5.0MPp3.0公式mPFD5.3.014.3541. 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸14(3.7) 式中 t竖直臂气缸的伸缩时间, s5.0ts竖直臂气缸的收缩行程, 7mF竖直臂气缸的收缩行程, NF1根据 3.2.2 和 3.2.3 的计算结果,选取型号为 SMC,CXSM10-70-Z75 的气缸,其重复定位精度为 .020mm。03.3 腕部的设计3.3.1 概述机械手的手部与臂部是靠腕部进行连接的,腕部对手部有支承作用。因为腕部作用的重要性,所以腕部的结构设计尽量紧凑,材料选取密度较小的,这样的腕部重量较轻,转动起来比较灵活 6。本课题设计的机械手腕部具体结构如下图所示。图 3.3 腕部结构图3.3.2 手腕驱动力矩的确定机械手手腕回转时,启动产生的惯性力矩、转动轴与支承孔之间的摩擦阻力矩、密封装置的摩擦阻力矩、转动的重心与轴线不重合产生的偏重力矩对手腕的回转影响较大,因此在设计手腕时就不得不从这几方面进行入手。手腕转动时驱动力矩具体可按下式来计算 7:公式摩偏惯驱 M(3.8) 式中 M 驱驱动手腕转动的驱动力矩M 惯惯性力矩 M 偏参与转动的零部件对转动轴线所产生的偏重力矩 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸15M 摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 腕部回转时受力如图所示。图 3.4 腕部回转力矩图 摩擦阻力矩 M 摩公式21DNf摩(3.9) 式中 f轴承摩擦系数,滚动轴承取 f=0.020,滑动轴承取 f=0.10;N1 、N2 轴承的支承反力;D1 、D2 轴承直径由设计参数得 , , , , , m04.06.2N7013022.ef=0.10。由公式(3.9)代入数值计算可得公式mM.2.1摩(3.10) 工件重心偏置力引起的偏置力矩 M 偏公式eG1偏(3.11) 式中 G1工件重量(N)e偏心距将 e=0.02,G1=300 N 代入公式( 3.11)计算得公式mNM6偏(3.12) 腕部启动时的惯性阻力矩 M 惯 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸16公式 tJM工 件惯 (3.13) 式中 手腕回转角速度(1/s)t手腕启动过程中所用时间(s)J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量(kgm )2J 工件工件对手腕回转轴线的转动惯量(kgm ) 由已知计算得 J=3.0,J 工件 =6.0, =0.30m/ m ,t=1.50s,代入公式2(3.13)得公式NM8.15.306惯(3.14) 由于受到驱动缸密封处摩擦损失的影响,设计时 M 的取值应该比理论值偏大,一般按下式进行计算 8。 公式摩偏惯驱 2.1(3.15) 将公式(3.10) 、 (3.12) 、 (3.14)计算的结果代入得公式mNM12.3.68.驱(3.16)综上计算知手腕驱动力矩为 12.12 mN3.4 臂部的设计3.4.1 手臂运动机构的选择臂部不仅是用来支承手部和腕部的主要部件,也是机械手的主要执行部件。它不仅承受手臂自身的重量,还要承受手部、手腕、和被抓取工件的重量。手臂的设计是否合理将直接影响机械手的工作性能,因此手臂的设计必须考虑以下因素的影响 8:机械手的抓取重量、运动形式、运动速度和定位精度的要求 手臂受力情况、导向装置和油缸的分布、手腕与内部管路的连接方式。综合刚度、导向性、偏重力矩和稳定性等因素对机械手臂部的设计的影响,本设计选择的手臂运动机构为双导杆伸缩机构,其驱动方式为液压驱动,液压缸选取双联液压缸。 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸173.4.2 手臂偏重力矩的确定手臂偏重力矩的计算公式公式LGM总偏(3.17)经过初步计算可得 , , , 。NG30物 10手 N20腕 G40臂所以手臂所受的外力为公式14总(3.18)初步取各部分长度为 , , ,mL90物 L80手 mL650腕mL50臂计算出平均偏重长度为公式GG6801手腕手物 臂手腕腕手手物物(3.19)由公式(3.17)代入数据计算得偏重力矩为公式mNLM680.10总偏(3.20)3.5 小结本章确定了机械手的机身底座、手爪的相关数据以及确定了水平升降模块和垂直升降模块的气缸内径和型号,对机械手的手臂、腕部和臂部进行了设计。 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸18第 4 章 四自由度机械手驱动系统设计4.1 气动元件的选用气压泵是气压回路的心脏,主要为回路提供动力。进行气动回路设计时,首先要完成气压泵的选择。而气压泵的选择主要确定气压泵的类型和气压泵具体型号,气压泵的类型要根据气压回路对气压的特性要求来确定,气压泵的具体型号是由气压回路中气压缸的耗气量总和、所需的气体压力、气压泵的吸入流量和气压泵的输出气压进行参考选取的 10。气缸的换气量 主要受气缸的直径 、气缸的动作时间、行程 、气缸管道内Q D S的容积、换向阀到气缸管道的容积等因素的影响,为了方便计算,一般忽略这些因素的影响,因此在单位时间内气缸内空气耗气量 的计算过程如下:Q21或,公式(4.1)124tSDQ24td式中 Q在单位时间内气缸压缩气体的消耗量( );3Q1无活塞杆端气缸进气的情况下压缩气体的消耗量( );3有活塞杆端气缸进气的情况下压缩气体的消耗量( );23t1、t2气缸内活塞的往返程时间( ) ;s气缸内活塞的行程( ) ;S m气缸内部的直径( ) ;D m气缸内活塞杆的直径( ) ; m水平臂气缸内的压缩空气耗气量计算过程如下:由公式(4.1)计算得:公式smtSDQ/3.16.041.322 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸19(4.2)式中 t水平臂气缸压缩空气的时间,t=0.6ss水平臂气缸压缩空气的行程,s=60mmD水平臂气缸的缸径,D=13mm竖直臂气缸内的压缩空气耗气量计算过程如下 10:由公式(4.1)计算得:公式smtSDQ/103.5.0471.33222 (4.3)式中 t竖直臂气缸压缩空气的时间,t=0.5ss竖直臂气缸压缩空气的行程,s=70mmD竖直臂气缸的缸径,D=35mm综上两部分的计算,本课题最后选用参数为: :0.0178;22050;.80MPa;0.245kw 的气压泵。04.2 气动系统中各控制和辅助元件的选用在气动系统中,气压泵、控制阀、气动回路和执行气动缸的相互配合是机械手完成指定的工作要求和任务的关键。气动控制阀保证了整个气动回路的有序运行,气动回路中的各类控制阀控制各执行元件的动作顺序和速度的方式是通过改变压缩空气的方向和流量来控制的,气压泵的压缩空气进而带动各气压缸等执行元件的工作。4.2.1 方向控制阀的选用在气压回路中,执行元件的启动、停止和方向变化是由方向控制阀来控制的。它的工作原理是通过改变压缩气体的方向及通断,来控制气动回路中的执行元件完成指定要求的工作。方向控制阀种类较多,可以将其分为如下 3 类 11:(1)按阀内空气流通方向分为:单向型控制阀;双向控制阀。(2)按控制方式分为:电磁控制型换向阀;气压控制换向阀;机械换向阀;人力控制阀。(3)按照定义分为:按阀内换气端口的数量定义为几通阀按阀内阀芯 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸20有、切换工作位置的数目定义为几位阀。所研究的机械手要满足自动控制的要求气缸工作时的具体要求,综合考虑了机械手的技术要求,所以本课题选择了先导性 2 位 5 通电磁换向阀。4.2.2 流量控制阀的选用通过流量控制阀对机械手的各个动作元件的速度进行有效的控制,机械手才能保证其动作过程的完整进行。流量控制阀是通过控制流过流量控制阀的气流流通截面积的改变来控制气动回路中的流量,流量控制阀大体上可以分为 3 种:排气节流阀节流阀单向节流阀。因为本课题所选用的是双向工作气缸,所以需要 2 个单向节流阀组合的来实现。4.2.3 压力控制阀的选用压力控制阀作为气动回路中首选气压元件,它的功能是控制回路中气流压力的变化,按照功能可以将其分为:减压阀;顺序阀;溢流阀(安全阀) 。本课题所选用的是溢流阀,它主要用于气压泵的出口处,当回路中压力过大时,可以对整个回路起到过载保护作用。4.3 液压模块计算4.3.1 液压缸活塞的驱动力的计算本课题所设计机械手的手臂伸缩速度为 250.0mm/s,其行程 L=400.0mm,其抓重 300.0N; 公式惯回密摩 FF(4.4)式中 摩擦阻力; 摩F密封装置处的摩擦阻力;密液压缸回油腔内的低压油液所造成的阻力;回启动或制动时,活塞杆所受到平均惯性力。惯F其中 、 、 、 的具体计算如下。摩 密 惯 惯(1) 的计算。摩本课题设计导向杆是截面为圆柱面的双向导向杆,导向杆对称均布在伸缩缸的两侧,启动开始时,导向杆受到摩擦阻力较大, 具体计算如下:摩F 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸21由于导向杆的配置是对称的,两个导向杆的受力情况是相同的,因此计算过程中只计算一个导向杆。公式0AM(4.5)公式baFLG总(4.6)公式 a总b(4.7)公式0Y(4.8)公式abFG总(4.9)由公式(4.5) 、 (4.6) 、 (4.7) 、 (4.8) 、 (4.9)联合得公式aLa总(4.10)公式aLGF2总摩 (4.11)式中 参与运动的零部件和工件所受的总重力,本设计具体值为总GN50230总L支承杆和手臂结构的重量的中心的距离, ;mL10a导向支承杆的长度, ;m150a当量摩擦系数,其值受导向支承杆的截面形状影响。对于圆柱面来说 的计算如下: 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸22取 =1.557.12.4 摩擦系数常见材料的摩擦系数如下:钢对青铜: 取 钢对铸铁: 取15.0,3.018.取 , 代入已知数据得.公式NaLGF 175150215.02总摩 (4.12)(2) 的计算 密液压缸密封处的总摩擦力计算如下:公式FF03.21封封(4.13)公式dLp3封(4.14) 式中 驱动力,Fd伸缩油管的直径,d=70mm;P工作压力(Pa);P10.0MPa, 取值范围为 0.02300.050,取p=4.0Mpa, =0.050;L密封的有效长度。公式02Kd(4.15) 公式14.8.(4.16)公式20dL(4.17) 取 =10mm,K=0.1 代入公式(4.17)计算得0d公式m501.212 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸23(4.18)公式 (4.19)NF96.4310574.3103 封(3) 的计算 回F由于背压阻力较小,F 回的计算一般取 F.回(4) 的计算惯公式tgGF总惯(4.20)公式(4.21)Nt205.10总惯式中 参与运动的零部件所受的总重力(包括工件重量)(N )G总g重力加速度,取 10 2/ms静止加速到常速的速度变化量vA sm/2.0启动过程的时间(s),其取值范围为 ,取t 5.1=0.050s。tA综上(1) 、 (2) 、 (3) 、 (4)的计算,所求驱动力为,F=453.13N 公式(4.22)4.3.2 液压缸的结构尺寸(1)液压缸内径的计算油进入无杆腔的情况如下:公式421DPF(4.23) 油进入有杆腔的情况如下:公式422d(4.24)液压的有效面积:公式1PFS 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸24(4.25)由公式(4.23) 、 (4.24)代入数值计算得 公式(4.26)mPFD391095.4313.42无公式(4.27)d821有由计算结果查表 4-1 得,液压缸内径 D 取整 D=40mm式中 F驱动力N);液压缸的工作压力,取 =4Mpa;1p1pD活塞缸内径m);d活塞杆直径(m);液压缸机械效率,取 。950.表 4-1 液压缸工作压力表表 4-2 液压缸内径系列 JB826-66(mm)(2)液压缸壁厚计算在实际应用中,液压缸壁厚计算有下列三种情况 11:中等壁厚, 时,162.3D公式cP13.2 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸25(4.28)公式m605.1423. (4.29) 式中 液压缸内的工作压力1PMPa钢管的强度系数,其中无缝钢管 =1计入管壁公差及侵蚀的附加厚度cD液压缸内径(m)壁薄, 时,16公式21DP(4.30)公式m40(4.31)壁厚, 时,由 得2.3Dnb公式13.402PD(4.32)公式m04.10(4.33)式中 材料的抗拉强度( )bMPan安全系数,n 的取值范围为 3.55常用缸体材料的许用应力 常见几种材料的许用应力如下,锻钢 的取值范围为 110.0120.0Mpa,本文取用 =120.0Mpa;铸铁 =60.0Mpa;无缝钢管 的取值范围为 100.0110.0Mpa。 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸26表 4-3 标准液压缸径(JB6867) (mm)4.4 活塞杆的设计4.4.1 活塞杆的计算因为活塞杆直 d 由强度条件决定,故具体计算要考虑拉、压强度的影响,计算过程如下 12:公式 (4.34)nb公式24dF(4.35)碳钢 ,取 ; 一般不小于 1.4,取a120Mppa10n1.4n由公式(4.34) 、 (4.35)计算得公式 (4.36)mFd 71024.3.523由公式(4.36)结果得,活塞杆直径 d 取整 d=10mm4.4.2 活塞杆的稳定性校核由活塞杆长度和直径的关系来确定是否进行稳定性校核。当括塞杆长度L15d 时,就必须进行校核了,校核过程如下 11:公式KNP(4.37)式中 临界力(N) ,由材料力学中的有关公式计算可得。KP安全系数,其取值范围为 42K活塞杆的临界力有三种情况,具体情况如下:(1)大柔度杆 充值购买-下载设计文档后,加 Q-1459919609 免费领取图纸27当 时,临界力 为1iLKF公式(4.38)JE2式中 柔度系数,活塞杆的计算柔度i活塞杆横截面的惯性半径(m), 4dFiJ活塞杆截面对中性轴的惯性矩( ) ,4m6JE弹性横量,E=210GPa长度折算系数,特I四自由度搬运机械手的设计与运动仿真摘要在机械制造业中,机械手已被广泛应用,改善了工人的劳动环境,显著地加快了生产节奏,提高了劳动生产率,工业生产的机械化和自动化程度得到了提高。本文先对机械手的国内外研究现状以及搬运机械手的应用背景和需求分析进行分析,对本课题任务进行了四自由度搬运机械手的总体方案设计。首先,确定了搬运机械手的自由度为四自由度;其次,本文设计了四自由度搬运机械手的夹持式手部结构、手臂结构、机身、机座、驱动系统等部分,实现了四自由度搬运机械手的水平回转,轴向移动,竖直升降,手部的旋转四个自由度及手爪的开合。本文通过针对四自由度搬运机械手的整体设计,设计出了一种具有模块化、高可靠性物料的搬运机械手,对其他经济型搬运机械手的设计也有一定的借鉴作用。关键词:四自由度;机械手;气动驱动;运动学仿真IIAbstractIn machinery manufacturing, robots have been widely used to improve workers labor environment, significantly speed up production, increase labor productivity, and increase the degree of mechanization and automation of industrial production.This paper first analyzes the research status of manipulators both at home and abroad, as well as the application background and demand analysis of the handling robots. The overall program design of the four-degree-of-freedom transport manipulator is performed on the tasks of this project. Firstly, the degree of freedom of the handling robot is determined to be four degrees of freedom. Secondly, this paper designs the gripping hand structure, arm structure, fuselage, frame and drive system of the four-degree-of-freedom handling robot and realizes four freedoms. Degree of rotation of the handling robot, axial movement, vertical lifting, four degrees of rotation of the hand and the opening and closing of the hand. In this paper, by designing the overall design of a four-degree-of-freedom handling robot, a handling robot with a modular, high-reliability material is designed, which also has a certain reference for the design of other economical handling robots.Keywords: four degrees of freedom; manipulator; pneumatic drive; kinematics simulationIII目录第 1 章 绪论 .11.1 选题背景及研究意义 .11.2 机械手概述 .11.3 国内外发展现状 .21.3.1 国外机械手发展现状 .21.3.2 国内机械手发展现状 .21.4 课题的主要研究内容 .3第 2 章 四自由度搬运机械手的总体方案设计 .42.1 工作原理 .42.2 基本参数要求 .42.2.1 基本参数的确定 .42.2.2 设计要求 .52.3 整体方案 .52.4 小结 .6第 3 章 四自由度搬运机械手的机械结构设计 .73.1 底座的设计 .73.2 手部的设计 .73.2.1 机械手手部结构的计算 .73.2.2 竖直升降模块的设计 .8IV3.2.3 水平伸缩模块的设计 .93.3 腕部的设计 .103.3.1 概述 .103.3.2 手腕驱动力矩的确定 .103.4 臂部的设计 .123.4.1 手臂运动机构的选择 .123.4.2 手臂偏重力矩的确定 .123.5 小结 .13第 4 章 四自由度机械手驱动系统设计 .144.1 气动元件的选用 .144.2 气动系统中各控制和辅助元件的选用 .154.2.1 方向控制阀的选用 .154.2.2 流量控制阀的选用 .164.2.3 压力控制阀的选用 .164.3 液压模块计算 .164.3.1 液压缸活塞的驱动力的计算 .164.3.2 液压缸的结构尺寸 .194.4 活塞杆的设计 .214.4.1 活塞杆的计算 .214.4.2 活塞杆的稳定性校核 .214.5 手臂旋转设计 .234.6 手臂升降设计 .254.6.1 臂部做升降运动时油缸的相关计算 .26V4.6.2 油缸内径的计算 .264.6.3 油缸壁厚 的计算 .274.6.4 活塞杆的计算 .284.7 小结 .29第 5 章 四自由度机械手液压系统设计 .305.1 机械手液压缸的受力情况 .305.1.1 大臂升降缸的受力情况 .305.1.2 手爪夹紧缸的受力情况 .305.1.3 手臂伸缩缸的受力情况 .305.2 液压元件的选择 .305.3 液压系统原理图 .315.4 小结 .31第 6 章结论 .33致谢 .34参考文献 .35附录 .366第 1 章 绪论1.1 选题背景及研究意义机械手的研制,加快了世界科技发展的进程;机械手的诞生,是工业制造史上的重大突破,提高了工业制造生产的水平。在这样的背景下,制造业里面的机械手发展的很是迅速,并且有着十分广泛的应用范围。机械手的动作都是设计好的,主要通过程序来控制机械手去完成规定制定的行为动作,它主要用于枯燥重复的流水线工作的完成,特别在一些高温、危险的环境里,去完成对人来说有困难的工作。虽然目前的机械手是比较成熟的,但是由于机械手的制造成本昂贵,因此目前仅应用于航天航空等高端领域。所以制造成本低、可以满足低端领域使用的四自由度搬运机械手的设计就刻不容缓了。一旦这种新型机械手问世,人类不仅会从传统的手工加工方式中解脱出来,还能让人类的生产率得到大幅的提高,进而改善人类的工作环境,从而让人类的生活变得越来越美好。这种机械手主要功能是代替人去完成繁重而单调的重物搬运和物品分拣工作 1。机械手的研制不仅有利于生产的机械化和自动化程度的提高,还可以减少人力的浪费,加快生产的节奏,因此对这种机械手的进一步研制就显得尤为重要。1.2 机械手概述本课题研究设计搬运机械手的自由度个数是四个。四自由度机械手的运动原理基本相同,但是由于使用领域的不同,所以其结构的设计还是有很大的区别。虽然结构上有些差异,但是机械手的设计主要是设计机械手的控制系统还有驱动系统和传动执行机构这三方面。只有这三方面设计的合理,机械手才能正常运行。71.3 国内外发展现状1.3.1 国外机械手发展现状世界上第一台机械手是 1958 年美国联合公司发明出来的,控制系统是简单的示教型的。后来科学家在此基础上进行了改造,设计出了第二代机械手,对新一代的机械手设计了更多的新功能,实用性也增加了不少。随后的时间里,美国机械铸造公司、Unimate 公司等公司对机械手的研发都很热情,研究出了具有更多功能的机械手。日本从 1969 年在美国进口了一批机械手后,充分发挥了其学习模仿的能力,经过对机械手的研究,日本工业迅速崛起,尤其是汽车行业的迅速发展,成就了“工业发展最迅速”的神话。现在国外对机械手的研发已经很先进了,已经开始从触觉和视觉方面去研制新型的机械手了。这样的机械手能够感应外界实物,不仅能够听到外界的声音,还能够看到外界的视野,这样高端的功能是非常厉害的。目前国外工业机械手的发展方向是柔性制造系统的一整条生产线的全自动化生产。图 1.1 美国早期机械手图 图 1.2 日本机械手图1.3.2 国内机械手发展现状在上个世纪八十年代,国内才开始对机械手进行研究,足足比发达国家对机械手的研究要晚了几十年。我国的第一台机械手是在上海被研发成功的,随后其他城市对机械手的研究才开始进行。随着经济改革开放,国家对机械手的研究力度提高了,并且投入了大量的科研人员和大量资金。8图 1.3 国内机械手图现在我国研发的机械手主要还是用在工业方面,在其他领域的研发进境不是太好。虽然我国的机械手运用在了工业方面,但是自主研发的机械手因为产量少,且达不到一些精密仪器生产的要求。一些高精度加工还是引进国外淘汰的机械手,引进机械手的成本较高,所以我国能用得起机械手的工业企业还是很少的。1.4 课题的主要研究内容机械手主要是用在工业制造生产上,对物品做流水线式的搬运工作。对于机械手的功能要求并不多,主要完成大的工作是实现物体的来回搬运。本文机械手设计的研究内容如下:(1)机械手的工作原理机械手的定位;机械手的旋转动作和抓取动作;机械手的复位功能。(2)机械手的机械结构模块设计机械手的结构设计包括机械手底座、手部、腕部、臂部的设计。(3)机械手的驱动系统模块设计机械手的驱动模块设计包括气动和液压两部分。(4)机械手的液压系统模块设计机械手的液压模块设计包括机械手工作时液压缸的受力情况、液压元件的选取和机械手工作时的液压原理图的设计。9第 2 章 四自由度搬运机械手的总体方案设计2.1 工作原理四自由度搬运机械手的工作原理是仿造人类手臂关节的活动结构,来实现各种复杂动作的运动的,一般机械手都运用在环境恶劣、流水线或者是危险性的工作环境下。本文设计的这种四自由度搬运机械手主要功能是搬运,具体来说就是把一个地方的物品搬运到固定位置上去,这样的自动化设备可以有效减轻劳动力。本文设计的这种四自由度搬运机械手运用在流水工作线上 2,所以对四自由度搬运机械手的活动顺序和对时间的掌控都有比较高的要求了。四自由度搬运机械手在搬运物体时,要保证机械手能平稳,快速,精准的运行。机械手原理图如图2.1 所示。图 2.1 机械手的结构简图102.2 基本参数要求2.2.1 基本参数的确定机械手的设计主要包括结构、功能和各种驱动及动力系统的设计,机械手的基本参数的确定应该是机械手的第一步。本文设计机械手的基本参数如下表所示3。表 2-1 机械手工作过程中的主要参数2.2.2 设计要求本课题设计的搬运机械手,要求由四个方向的运动,分别是手臂可以旋转,11还有手臂能够绕着轴来摆动,最后是手臂可以夹紧松开,达到加持物品的效果。机械手的工作过程可分为:1)机械手运动的实现是利用电机传递的动力,带动传动轴、齿轮运动,进一步带动机械手的运动;2)手部的运动的实现是靠凸轮驱动摆杆,进而带动齿轮转动,最后经过内部机构的带动;3)利用凸轮的运动原理,使圆通实现移动,进而带动手臂进行摆动;4)转盘的往复回转的实现是通过圆柱凸轮带动齿条、齿轮转动完成的。2.3 整体方案在设计机械手的结构时候,要对实际的工作环境还有使用情况详细分析,然后根据情况来设计能够符合要求的机械手才行。机械手的设计需要满足的条件:要留足机械手的工作空间,并且设计的机械手应能够以多种运动形式完成不同要求的工作。机械手的结构设计,应该在满足机械手具体的工作环境和要求的前提下,通过对人的手臂功能的模仿学习之后,进行机械手的具体结构、机械手的姿态和运动方式的设计 4。图 2.2 机械手实物图图中 1机座,2液压缸,3旋转关节,4手臂,5手爪,6法兰盘 7手杆。122.4 小结本章对四自由度搬运机械手的工作原理进行了详细的描述,确定了机械手的基本参数和设计要求,明确了机械手的整体设计方案。13第 3 章 四自由度搬运机械手的机械结构设计3.1 底座的设计机械手的底座的主要作用是承重,不仅要承受机器人全部重量,还要承受机械手的工作载荷,因此需要有较大的强度和刚度。机械手能否正常工作,取决于底座的安装基面的大小。由于机械手对底座的结构要求较低,只要机械手的定位合理即可,本课题设计的机械手其底座如图所示。图 3.1 底座三维图143.2 手部的设计3.2.1 机械手手部结构的计算机械手夹持爪要根据手爪的工作环境来选取,主要参考依据有被搬运物品的质量、大小、形状和机械手夹持爪的工作行程,本课题所设计的机械手的参数为:M=30.0kg,夹持点和转轴中心的最大力臂为 46.0mm,由这些参数来确定夹持手爪的规格。夹持手爪夹持物品的夹持力的计算如下 5: 公式 (3.1)G321式中 1安全系数,(取值为 1.22);2工况系数,一般情况下受器件惯性力的影响较大 , ga12a被搬运物品的加速度,g被搬运物品的重力加速度;3位置系数;G被搬运物品的重量;分别取 , , ; 则由能公式(3.1) 可得:2.15.3公式(3.2)162305.12所以夹持力矩(取最小的夹持力计算) 为:公式(3.3)mSF9.74.6由计算结果知,可选取型号为 SMC,MHC2- 16D- A198S 的手爪,其主要参数:(1)手爪开合时间 0.03s;(2)手爪的夹持力矩 75N.m;(3)重复定位精度为0.02mm。15图 3.2 手爪结构图3.2.2 竖直升降模块的设计竖直臂的作用是控制机械手的升降,它的驱动方式是气压驱动,因为竖直臂不易定位,考虑到工作中工作行程和工作压力等因素的影响,所以本设计选取了双联气缸。由于活塞杆要克服载荷收缩做工,所以气缸的内径 的大小要结合机械手工作压力和工作载荷来确定,具体过程如下:公式(3.4) PFD14式中 气压缸的内径 ; ()气压活塞受到的载荷 ; ()气压缸受到的压力 ; ()气缸总的机械效率( 的取值范围 0.30.5) ;考虑到气缸中活塞杆的直径和具体工作情况的影响:16公式 (3.5) PFD145.01将 , 代入公式(3.5)计算得:a5.0MPp3.公式m98.123.0514.415. PFD(3.6)式中 t竖直臂气缸的伸缩时间, s6.0ts竖直臂气缸的收缩行程, mF竖直臂气缸的收缩行程, NF153.2.3 水平伸缩模块的设计因为水平臂只在平面内运动,且仅有一端需要定位,所以采用水平钢杆和气压缸组合使用的方法来保证了水平臂的刚性,选用笔形气缸就可达到设计要求。将 , 代入式(3.5)计算得:a5.0MPp3.0公式mPFD5.3.014.3541. (3.7) 式中 t竖直臂气缸的伸缩时间, s5.0ts竖直臂气缸的收缩行程, 7mF竖直臂气缸的收缩行程, NF10根据 3.2.2 和 3.2.3 的计算结果,选取型号为 SMC,CXSM10-70-Z75 的气缸,其重复定位精度为 .020mm。0173.3 腕部的设计3.3.1 概述机械手的手部与臂部是靠腕部进行连接的,腕部对手部有支承作用。因为腕部作用的重要性,所以腕部的结构设计尽量紧凑,材料选取密度较小的,这样的腕部重量较轻,转动起来比较灵活 6。本课题设计的机械手腕部具体结构如下图所示。图 3.3 腕部结构图3.3.2 手腕驱动力矩的确定机械手手腕回转时,启动产生的惯性力矩、转动轴与支承孔之间的摩擦阻力矩、密封装置的摩擦阻力矩、转动的重心与轴线不重合产生的偏重力矩对手腕的回转影响较大,因此在设计手腕时就不得不从这几方面进行入手。手腕转动时驱动力矩具体可按下式来计算 7:公式摩偏惯驱 M(3.8) 式中 M 驱驱动手腕转动的驱动力矩M 惯惯性力矩 M 偏参与转动的零部件对转动轴线所产生的偏重力矩M 摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 腕部回转时受力如图所示。18图 3.4 腕部回转力矩图 摩擦阻力矩 M 摩公式21DNf摩(3.9) 式中 f轴承摩擦系数,滚动轴承取 f=0.020,滑动轴承取 f=0.10;N1 、N2 轴承的支承反力;D1 、D2 轴承直径由设计参数得 , , , , , m04.06.2N7013022.ef=0.10。由公式(3.9)代入数值计算可得公式mM3.2206.704.1摩(3.10) 工件重心偏置力引起的偏置力矩 M 偏公式eG1偏(3.11) 式中 G1工件重量(N)e偏心距19将 e=0.02,G1=300 N 代入公式( 3.11)计算得公式mNM6偏(3.12) 腕部启动时的惯性阻力矩 M 惯 公式 tJ工 件惯 (3.13) 式中 手腕回转角速度(1/s)t手腕启动过程中所用时间(s)J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量(kgm )2J 工件工件对手腕回转轴线的转动惯量(kgm ) 2由已知计算得 J=3.0,J 工件 =6.0, =0.30m/ m ,t=1.50s,代入公式2(3.13)得公式NM8.15.306惯(3.14) 由于受到驱动缸密封处摩擦损失的影响,设计时 M 的取值应该比理论值偏大,一般按下式进行计算 8。 公式摩偏惯驱M2.1(3.15) 将公式(3.10) 、 (3.12) 、 (3.14)计算的结果代入得公式mN12.3.68.12驱(3.16)20综上计算知手腕驱动力矩为 12.12 mN3.4 臂部的设计3.4.1 手臂运动机构的选择臂部不仅是用来支承手部和腕部的主要部件,也是机械手的主要执行部件。它不仅承受手臂自身的重量,还要承受手部、手腕、和被抓取工件的重量。手臂的设计是否合理将直接影响机械手的工作性能,因此手臂的设计必须考虑以下因素的影响 8:机械手的抓取重量、运动形式、运动速度和定位精度的要求 手臂受力情况、导向装置和油缸的分布、手腕与内部管路的连接方式。综合刚度、导向性、偏重力矩和稳定性等因素对机械手臂部的设计的影响,本设计选择的手臂运动机构为双导杆伸缩机构,其驱动方式为液压驱动,液压缸选取双联液压缸。3.4.2 手臂偏重力矩的确定手臂偏重力矩的计算公式公式LGM总偏(3.17)经过初步计算可得 , , , 。NG30物 10手 N20腕 G40臂所以手臂所受的外力为公式1042103总(3.18)初步取各部分长度为 , , ,mL90物 L8手 mL65腕mL50臂计算出平均偏重长度为公式GLLGL 6801手腕手物 臂手腕腕手手物物21(3.19)由公式(3.17)代入数据计算得偏重力矩为公式mNLGM680.10总偏(3.20)3.5 小结本章确定了机械手的机身底座、手爪的相关数据以及确定了水平升降模块和垂直升降模块的气缸内径和型号,对机械手的手臂、腕部和臂部进行了设计。22第 4 章 四自由度机械手驱动系统设计4.1 气动元件的选用气压泵是气压回路的心脏,主要为回路提供动力。进行气动回路设计时,首先要完成气压泵的选择。而气压泵的选择主要确定气压泵的类型和气压泵具体型号,气压泵的类型要根据气压回路对气压的特性要求来确定,气压泵的具体型号是由气压回路中气压缸的耗气量总和、所需的气体压力、气压泵的吸入流量和气压泵的输出气压进行参考选取的 10。气缸的换气量 主要受气缸的直径 、气缸的动作时间、行程 、气缸管道内Q D S的容积、换向阀到气缸管道的容积等因素的影响,为了方便计算,一般忽略这些因素的影响,因此在单位时间内气缸内空气耗气量 的计算过程如下:Q21或,公式(4.1)124tSDQ24td式中 Q在单位时间内气缸压缩气体的消耗量( );3Q1无活塞杆端气缸进气的情况下压缩气体的消耗量( );3有活塞杆端气缸进气的情况下压缩气体的消耗量( );23t1、t2气缸内活塞的往返程时间( ) ;s气缸内活塞的行程( ) ;S m气缸内部的直径( ) ;D m气缸内活塞杆的直径( ) ; m23水平臂气缸内的压缩空气耗气量计算过程如下:由公式(4.1)计算得:公式smtSDQ/3.16.041.322(4.2)式中 t水平臂气缸压缩空气的时间,t=0.6ss水平臂气缸压缩空气的行程,s=60mmD水平臂气缸的缸径,D=13mm竖直臂气缸内的压缩空气耗气量计算过程如下 10:由公式(4.1)计算得:公式smtSDQ/103.5.0471.33222 (4.3)式中 t竖直臂气缸压缩空气的时间,t=0.5ss竖直臂气缸压缩空气的行程,s=70mmD竖直臂气缸的缸径,D=35mm综上两部分的计算,本课题最后选用参数为: :0.0178;22050;.80MPa;0.245kw 的气压泵。04.2 气动系统中各控制和辅助元件的选用在气动系统中,气压泵、控制阀、气动回路和执行气动缸的相互配合是机械手完成指定的工作要求和任务的关键。气动控制阀保证了整个气动回路的有序运行,气动回路中的各类控制阀控制各执行元件的动作顺序和速度的方式是通过改24变压缩空气的方向和流量来控制的,气压泵的压缩空气进而带动各气压缸等执行元件的工作。4.2.1 方向控制阀的选用在气压回路中,执行元件的启动、停止和方向变化是由方向控制阀来控制的。它的工作原理是通过改变压缩气体的方向及通断,来控制气动回路中的执行元件完成指定要求的工作。方向控制阀种类较多,可以将其分为如下 3 类 11:(1)按阀内空气流通方向分为:单向型控制阀;双向控制阀。(2)按控制方式分为:电磁控制型换向阀;气压控制换向阀;机械换向阀;人力控制阀。(3)按照定义分为:按阀内换气端口的数量定义为几通阀按阀内阀芯有、切换工作位置的数目定义为几位阀。所研究的机械手要满足自动控制的要求气缸工作时的具体要求,综合考虑了机械手的技术要求,所以本课题选择了先导性 2 位 5 通电磁换向阀。4.2.2 流量控制阀的选用通过流量控制阀对机械手的各个动作元件的速度进行有效的控制,机械手才能保证其动作过程的完整进行。流量控制阀是通过控制流过流量控制阀的气流流通截面积的改变来控制气动回路中的流量,流量控制阀大体上可以分为 3 种:排气节流阀节流阀单向节流阀。因为本课题所选用的是双向工作气缸,所以需要 2 个单向节流阀组合的来实现。4.2.3 压力控制阀的选用压力控制阀作为气动回路中首选气压元件,它的功能是控制回路中气流压力的变化,按照功能可以将其分为:减压阀;顺序阀;溢流阀(安全阀) 。本课题所选用的是溢流阀,它主要用于气压泵的出口处,当回路中压力过大时,可以对整个回路起到过载保护作用。254.3 液压模块计算4.3.1 液压缸活塞的驱动力的计算本课题所设计机械手的手臂伸缩速度为 250.0mm/s,其行程 L=400.0mm,其抓重 300.0N; 公式惯回密摩 FF(4.4)式中 摩擦阻力; 摩F密封装置处的摩擦阻力;密液压缸回油腔内的低压油液所造成的阻力;回F启动或制动时,活塞杆所受到平均惯性力。惯其中 、 、 、 的具体计算如下。摩F密 惯 惯F(1) 的计算。摩本课题设计导向杆是截面为圆柱面的双向导向杆,导向杆对称均布在伸缩缸的两侧,启动开始时,导向杆受到摩擦阻力较大, 具体计算如下:摩F由于导向杆的配置是对称的,两个导向杆的受力情况是相同的,因此计算过程中只计算一个导向杆。公式0AM(4.5)公式baFLG总(4.6)26公式 aLGF总b(4.7)公式0Y(4.8)公式abFG总(4.9)由公式(4.5) 、 (4.6) 、 (4.7) 、 (4.8) 、 (4.9)联合得公式aLFa总(4.10)公式aLGF2总摩 (4.11)式中 参与运动的零部件和工件所受的总重力,本设计具体值为总GN50230总L支承杆和手臂结构的重量的中心的距离, ;mL10a导向支承杆的长度, ;m150a当量摩擦系数,其值受导向支承杆的截面形状影响。对于圆柱面来说 的计算如下:取 =1.557.12.4 27摩擦系数常见材料的摩擦系数如下:钢对青铜: 取 钢对铸铁: 取15.0,3.018.取 , 代入已知数据得.公式NaLGF 175150215.02总摩 (4.12)(2) 的计算 密液压缸密封处的总摩擦力计算如下:公式FF03.21封封(4.13)公式dLp3封(4.14) 式中 驱动力,Fd伸缩油管的直径,d=70mm;P工作压力(Pa);P10.0MPa, 取值范围为 0.02300.050,取p=4.0Mpa, =0.050;L密封的有效长度。公式02Kd(4.15)公式14.8.(4.16)28公式20KdL(4.17) 取 =10mm,K=0.1 代入公式(4.17)计算得0d公式mL501.2102(4.18)公式 (4.19)NF96.4374.33 封(3) 的计算 回F由于背压阻力较小,F 回的计算一般取 F05.回(4) 的计算惯公式tgGF总惯(4.20)公式(4.21)Ntg205.10总惯式中 参与运动的零部件所受的总重力(包括工件重量)(N )G总g重力加速度,取 10 2/ms静止加速到常速的速度变化量vA sm/2.0启动过程的时间(s),其取值范围为 ,取t 5.1=0.050s。tA综上(1) 、 (2) 、 (3) 、 (4)的计算,所求驱动力为,F=453.13N 公式(4.22)294.3.2 液压缸的结构尺寸(1)液压缸内径的计算油进入无杆腔的情况如下:公式421DPF(4.23) 油进入有杆腔的情况如下:公式422dDPF(4.24)液压的有效面积:公式1PFS(4.25)由公式(4.23) 、 (4.24)代入数值计算得 公式(4.26)mPFD391095.4313.42无公式(4.27)d821有由计算结果查表 4-1 得,液压缸内径 D 取整 D=40mm式中 F驱动力N);液压缸的工作压力,取 =4Mpa;1p1pD活塞缸内径m);30d活塞杆直径(m);液压缸机械效率,取 。950.表 4-1 液压缸工作压力表表 4-2 液压缸内径系列 JB826-66(mm)(2)液压缸壁厚计算在实际应用中,液压缸壁厚计算有下列三种情况 11:中等壁厚, 时,162.3D公式cP13.2(4.28)公式m605.1423. 31(4.29) 式中 液压缸内的工作压力1PMPa钢管的强度系数,其中无缝钢管 =1计入管壁公差及侵蚀的附加厚度cD液压缸内径(m)壁薄, 时,16公式21DP(4.30)公式m420(4.31)壁厚, 时,由 得2.3Dnb公式13.402PD(4.32)公式m1043.1204(4.33)式中 材料的抗拉强度( )bMPan安全系数,n 的取值范围为 3.55常用缸体材料的许用应力 32常见几种材料的许用应力如下,锻钢 的取值范围为 110.0120.0Mpa,本 文取用 =120.0Mpa;铸铁 =60.0Mpa;无缝钢管 的取值范围为 100.0110.0Mpa。表 4-3 标准液压缸径(JB6867) (mm)4.4 活塞杆的设计4.4.1 活塞杆的计算因为活塞杆直 d 由强度条件决定,故具体计算要考虑拉、压强度的影响,计算过程如下 12:公式 (4.34)nb公式24dF(4.35)碳钢 ,取 ; 一般不小于 1.4,取a120Mppa10n1.4n由公式(4.34) 、 (4.35)计算得公式 (4.36)mFd 710214.3.523由公式(4.36)结果得,活塞杆直径 d 取整 d=10mm4.4.2 活塞杆的稳定性校核由活塞杆长度和直径的关系来确定是否进行稳定性校核。当括塞杆长度L15d 时,就必须进行校核了,校核过程如下 11:33公式KNP(4.37)式中 临界力(N) ,由材料力学中的有关公式计算可得。KP安全系数,其取值范围为 42KN活塞杆的临界力有三种情况,具体情况如下:(1)大柔度杆当 时,临界力 为1iLKF公式(4.38)JEK2式中 柔度系数,活塞杆的计算柔度i活塞杆横截面的惯性半径(m), 4dFJiJ活塞杆截面对中性轴的惯性矩( ) ,4m6JE弹性横量,E=210GPa长度折算系数,特定的柔度值, , 为比例极限。1PE1(2)中柔度杆当 时,临界力 为12KF34公式baFK(4.39)式中 F活塞杆横截面积( )2ma、b与材料性质有关的常数,特定的柔度值, , 为屈服极限2ba22(3)短压杆短压杆的时候,由于 ,此时活塞杆 L15d,因此不进行压杆稳定的校核。24.5 手臂旋转设计由机械手手臂的旋转运动来确定机械手手臂的回转液压缸,回转液压缸做回转运动受力情况如图 4.1 所示。图 4.1 手臂回转运动受力图机械手手臂的回转驱动力矩计算如下:公式回摩惯驱 M(4.40)35(1)密封装置处的摩擦力矩公式摩摩摩 M(4.41)估计取 , ;取回转缸内径 ,输出轴与动片联NF5080 mD230接处的直径为 , 1md公式(4.42)NRF5.5摩公式 (4.43)rM16223082摩公式(4.44)m4N16摩(2)手臂启动时的惯性力矩公式 (4.45)tJ0惯式中 动片角速度的变化量,启动时 , 。sm/60启动过程所需的时间(s),取t st5.0公式2c0gGJ(4.46)式中 回转零件相对于重心轴线的转动惯量cJ公式12mlJc(4.47)将手臂回转零件质量 ,回转时手臂长度 代入公式kg60ml250(4.45) 、 (4.46) 、 (4.47)中计算得公式(4.48)23015.cJ公式 (4.49) 8.62036公式(4.50)mNM605.320惯(3)回转液压缸回油腔的背压反力矩公式2rRbpdRr回(4.51)取 ,MpaP8.1mb0公式 (4.52)mN680105.21.82回公式(4.53)4964驱驱动力矩的计算公式2pdDbdMRr驱(4.54)图 4.2 回转液压缸计算图回转缸内径 D 的计算根据 公式驱驱 M(4.55)37公式2dDpbM驱(4.56)公式2dbp驱(4.57) 式中 D回转缸内径(m)M 驱 作用在动片的外载荷力矩b
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