機械設計制造及其自動化方向-文庫吧

【正文】 ，它是機械手規格中的主要參數。抓重以 10 公斤左右的機械手為數最多。一般將抓重 1 公斤以下的定為微型；1~5 公斤的定為小型； 5~30 公斤的定位中型； 30 公斤以上的定為大型。機械手抓重的大小對其他參數如行程范圍、運動速度、坐標型式和緩沖裝置的設計均有影響，因此，設計時必須予以重視。 自由度數和坐標型式 機械手的自由度數和坐標型式的選擇，應根據機械手現場具體的生產情況和工藝的要求而定。 運動速度 運動速度是機械手主要參數之一，它反 映了機械手的生產水平，很多機械手由于速度低限制了它的適用范圍。 行程范圍 機械手的手臂運動行程大小與機械手的抓重大小、坐標型式、驅動方式以及使用性能有關系，一般對于通用機械手的手臂回轉應盡可能的大些使機械手具有一定的通用性，因此一般地手臂回轉行程范圍應大于 180 度；手臂伸縮行程大多數在500~1000 毫米范圍內選取。 設計路線與方案 設計步驟 ； ； 中國石油大學（北京）現代遠程教育畢業設計（論文） 9 ； ； 所給規格，范圍，性能進行分析，強度和運動學校核 ； ； ； 。 研究方法和措施 使用現在機械設計方法和液壓傳動技術進行設計，采用關節式坐標（四個自由度，可以繞橫，縱軸轉動和上下左右擺動）。 本章小結 本章介紹了工業機械手的組成、規格參數、設計路線等內容，這種設計的機械手組成全面，配置合理，能達到一定的使用要求。 中國石油大學（北京）現代遠程教育畢業設計（論文） 10 第 3章 機械手各 部分的 計算與分析 手部 計算與分析 手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見的主要有夾鉗式，本設計主要考慮夾鉗式手部設計。 夾鉗式手部是由手指，傳動機構和驅動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸，盤，套類零件，一般情況下 可 采用兩個手指。 手部的主要功用是當工件在傳送過程中抓取和釋放工件，當手指牢固地抓緊工件時 ，可把整個系統當做靜止狀態看待，這時就可以用傳統的靜力分析方法來確定各種力的關系及大小，從而保證機器人可靠地工作。 ～ 輸 出力的比率分析 手部的主要功用是當工件在傳送過程中抓取和釋放工件，當手指牢固地抓緊工件時 ，可把整個系統當做靜止狀態看待 ，這時就可 以用傳統的靜力分析方法來確定各種力的關系及大小，從而保證機器人可靠地工作?，F以實例說明手部輸入 輸出力的確定，如圖 C 點的力平衡方程式為： F23= F56=rPsin2 其中： P— 驅動力 (輸入力 ) F2 F56—— 分別為杠桿 2 作用在杠桿 3 和杠桿 5 作用 在杠桿 6 上的力。 由 A（ A`）點力矩平衡方程式可求的抓取力 （輸出力）： 中國石油大學（北京）現代遠程教育畢業設計（論文） 11 F= F2312hh = F5612hh = rPsin2 12hh 一般取rPsin2≈ 4~6， 即 r≈ arcsin(81~121)≈ 4176。 47′ ~7176。 11′ 上述分析說明這類杠桿機構的最大優點就是過死點位置時產生自鎖作用。上述方法 還不是一種簡便而直觀的方法，最直觀而又有效的方法就是虛功原理?，F以實例來分析， 如圖 根據虛功原理我們可得方程式： 21PV1=FVC1 其中： V0=Va=Lψ ； V1=Rψ 而 ψ —— 杠桿 2 的角速度 ， R—— 扇形齒輪的節圓半徑， L—— A 點至固定鉸鏈點 OR的距離。 VC的垂直分量 VC1 為： VC1= VCcosθ =Locosθ 中國石油大學（北京）現代遠程教育畢業設計（論文） 12 將 Vm=Rψ 和 VC1= Locosθ代入21PV1=FVC 中可以求得輸入 — 輸出力的比率為： ε =FP=R2Lcosθ 另一實例瞬時中心確定在 O3,由于 Δ O1O1’ O3∽ Δ O2O4O3 則 dl=clh? 即lhl=ddc? 再根據平衡條件得： Pδ pFbr=0 即 P b δ φ 2 － F a δ φ 1=0 由圖所示的幾何關系可得 ： Lbδ φ 1= Lδ φ 2 即 δ φ 2=lhδ φ 1=ddc?δ φ 1 整理可得 c =FP =)( dcb ad? 中國石油大學（北京）現代遠程教育畢業設計（論文） 13 同樣可求出其它不同手部的輸入 一輸出的比率 ε0 。 腕部 計算與分析 腕部設計 的基本要求 手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，適應性更強。手腕具有獨立的自由度，此設計手腕有繞 X軸轉動和沿 X軸左右擺動兩個自由度。手腕回轉運動機構為回轉油缸，擺動也采用回轉油缸。他的結構緊湊，靈活，自由度符合設計要求，它要求嚴格密封才能保證穩定的輸出轉矩。 ，它連同手部的動靜載荷均由臂部承受。腕部的結構、重量和動力載荷直接影響著臂部的結構、重量和運動性能。因此在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 ，又承擔聯接和支承作用，除了保證力和運動的要求以及具有足夠的強度和剛度外還應綜合考慮合理布局腕部和手部的連接、腕部自由度的檢測和位置檢測、管線布置以及潤滑、維修調整等問題。 （如熱膨脹，壓力油的粘度和燃點，有關材料及電控電測元件的耐熱性等問題）。 腕部回轉力矩的計算 腕部回轉時，需要克服以下幾種阻力： M摩 從圖 ： M摩 ＝ ? ?1 1 2 22f R D R D? ? ?kgf m? 12DD 軸承直徑（ m） 式中： 12RR －軸承處支反力 ? ?kgf m? ；可靜力學平衡方程求得。 f軸承的摩擦系數，對于滾動軸承 f= 為簡化計算取 M摩 ? 總 阻 力 矩 中國石油大學（北京）現代遠程教育畢業設計（論文） 14 圖 腕部回轉支承處的受力圖 1G 工件重量（ kgf） ， 2G 手部重量（ kgf） ， 3G －手腕轉動件重量（ kgf） 1G 重心偏置所引起的力矩 M偏 M偏 ＝ 1G e? （ kgf） 式中 e－工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離（ m） ，所需的力矩 M慣 啟動過程近似等加速運動，根據手腕回轉的角加速度 ? 及啟動所用的角速度?起 ： M慣 ＝ ? ? 20 .0 1 7 5 2JJ ? ?? ? ? ?工 件 () 式中： J工 件 －工件對手腕回轉軸線的轉動慣量 ? ?2kgf m s?? J－手腕回轉部分對手腕回轉軸線的轉動慣量 ? ?2kgf m s?? ? －手腕回轉過程的角加速 ? ?度 秒 ? －啟動過程所轉過的角度（度） 手腕回轉所需要的驅動力矩應當等于上述三項之和。 MMMM ? ? ?總 偏 摩 慣 () 因為手腕回轉部分的轉動慣量 ? ?J+J工 件不是很大，手腕起動過程所產生的轉動力矩也不大，為了簡化計算，可以將計算 M偏 ， M摩 適當放大，而省略掉 M慣 ，這時 ? ?M M M??總 偏 摩 (1)設手指，手指驅動油缸及回轉油缸轉動件為一個等效圓柱體， L=50cm，直徑 D=10cm，則 m=。 (2)摩擦阻力矩 M摩 ＝ 阻 力 矩 (3)設起動過程所轉過的角度 ?起 ＝ 20 ,等速轉動角速 度 100 s? ?? 中國石油大學（北京）現代遠程教育畢業設計（論文） 15 計算：求 M偏 ＝ ? ? 20 .0 1 7 52JJ ? ?? ? ? ?工 件 查型鋼表有： ? ?221 0 . 0 3 42J m R k g f m s? ? ? ? ? ? ? ?2 2 21 3 6 . 0 2 812J m L R k g f m s? ? ? ? ?工 件 代入 M慣 ＝ 256（ N m） M偏 ＝ 0。M摩 ＝ 阻 力 矩 。M摩 ＝ 阻 力 矩 +265 M= ? ?265 2 9 4 .4 k g0 .9 m?? 確定轉軸的最小尺寸 ? ， TW －抗扭剖面模量 ? ?3 32 9 4 .4 1 0 0 .2T Td?????， 查得 ? ? 60 aT MP? ? ? ?3 ?? ?驅 ， 15d mm? ， 取轉軸直徑 d=40mm。 回轉油缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力矩 M總 ，機械手的手腕回轉運動 所采用的單葉片回轉油缸，定片 1與缸體 2固連，動片 3與轉軸 5 固連，當 a,b口分別進出油時，動片帶動轉軸回轉達到手腕回轉目的。 M= 22 R r )2pb（ ? M總 () 式中： M總 — 手腕回轉總的阻力矩（ N m） P— 回轉油缸的工作壓力 r— 缸體內徑半徑（ cm） R— 輸出軸半徑（ cm） b— 動片寬度 注：可按外形要求或安裝空間大小，先設定 b,R,r 中兩個： Dd =— , 2b 2Dd? ,取 Dd =2， 2bDd =3 又因為 d=40mm，則 D=80mm， b=60mm 去頂回轉油缸工作壓力： 中國石油大學（北京）現代遠程教育畢業設計（論文） 16 222()Mp b R r???總 2222 2 9 4 .4 8 .0 1 ( k g / )6 ( 8 4 ) cm? ??? () 由于系統工作壓力遠遠大于此壓力，因此回轉油缸的工作壓力足以克服摩擦力。 腕部擺動油缸設計 M M M M? ? ?摩 偏 慣 偏離重心 e的計算及 M偏 圖 腕部擺動油缸設計尺寸圖 估計 L=45cm， 121 6 , 4 5 , 5e cm e cm R cm? ? ?， ?桿 12( ) /e m e m e m m? ? ? ? ?桿 件 桿 件 =30cm 克服重心偏置所需的力矩 16 .41 ( )M G e kgf m? ? ?偏 克服摩擦所需力矩 M摩 M摩 = 克服運動慣性所需的力矩 M慣 J桿 = 2 2 21( 3 ) / 12m L R m e? ? ?(kgm2s ) J件 = 22me =25? =(kgm2s ) 中國石油大學（北京）現代遠程教育畢業設計（論文） 17 J總 =(kgm2s ) M慣 =JW/t 設 w= 050/s , 20o??起 M慣 = 2w /?起 =(kgf m) 則擺動所需的驅動力矩 M M M M? ? ?摩 偏 慣 =(