機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))——某生產(chǎn)線機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析_第1頁(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))——某生產(chǎn)線機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析_第2頁(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))——某生產(chǎn)線機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析_第3頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、目 錄第一章 緒論1 1.1 課題背景及意義1 1.2 機(jī)械手的發(fā)展和趨勢(shì)1 1.3 某生產(chǎn)線機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求和基本內(nèi)容2第二章 某生產(chǎn)線機(jī)械手模塊的設(shè)計(jì)4 2.1機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇4 2.2氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景5 2.3機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案6 2.4機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6 2.5機(jī)械手的系統(tǒng)設(shè)計(jì)8 2.6機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算9 2.7機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)12 2.8機(jī)械手腰部和機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算13 2.9機(jī)座傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì)15第三章 旋轉(zhuǎn)模塊的設(shè)計(jì)23 3.1旋轉(zhuǎn)模塊總體設(shè)計(jì)23 3.2擺動(dòng)氣缸的選用23第四章 裝釘模塊的設(shè)計(jì)25 4.1 裝釘模塊的總體布置設(shè)計(jì)25

2、4.2釘盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26 4.3壓釘軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26 4.4裝釘氣缸的選用26 4.5導(dǎo)軸和導(dǎo)套的設(shè)計(jì)27第五章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)28 5.1 三維建模28 5.2 caxa的運(yùn)用33結(jié)束語(yǔ)35致 謝36參考文獻(xiàn)37第一章 緒論1.1 課題背景及意義 某生產(chǎn)線機(jī)械手是一種具有開(kāi)放式特征的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。是多種高科技的融合,可以完成電工、電子、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器、機(jī)電控制、數(shù)字信號(hào)處理等許多課程的幾百個(gè)實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)。某生產(chǎn)線機(jī)械手的作用主要以展示機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特征和功能關(guān)系為主。相對(duì)于工業(yè)機(jī)器人具有它的特殊性:首先,一臺(tái)機(jī)械手相當(dāng)于一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái),要能顯示多種運(yùn)動(dòng)性能。因此,應(yīng)用環(huán)境廣泛,功能多樣。

3、其次,其制造加上精度略低于工業(yè)機(jī)器人,且性?xún)r(jià)比高。另外,它的體積小,重量輕。因此,專(zhuān)用性強(qiáng)的生產(chǎn)線機(jī)械手的研制方法不能滿(mǎn)足這樣的要求。所以我用solidworks軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)其進(jìn)行的原理分析設(shè)計(jì)了一種的可擴(kuò)展式機(jī)械手,具有造價(jià)低、調(diào)控容易、重復(fù)性好的特點(diǎn)。1.2 機(jī)械手的發(fā)展和趨勢(shì)機(jī)械手在現(xiàn)實(shí)生活中的種類(lèi)可以說(shuō)是非常的多,然而最初的機(jī)械手是工業(yè)機(jī)械手,它最早應(yīng)用在汽車(chē)制造工業(yè),常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的 手足和大腦功能,它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作:代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng),提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主

4、要應(yīng)用與制造業(yè)中,特別是電器制造、汽車(chē)制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心,自動(dòng)搬運(yùn)小車(chē)與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展,功能和性能的不斷改善和提高,機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。工業(yè)機(jī)械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來(lái)的,始于40年代的美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究,它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是:機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂,端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu),控制系統(tǒng)是示教型的;1962年,美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上,又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再

5、現(xiàn)型機(jī)械手。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔,臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮,用液壓驅(qū)動(dòng);控制系統(tǒng)用磁鼓做儲(chǔ)存裝置。不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的;同年該公司和普曼公司合并成為萬(wàn)能制動(dòng)公司,專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫versatran機(jī)械手,原意是靈活搬運(yùn),可做點(diǎn)位和軌跡控制:該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮,采用液壓驅(qū)動(dòng),控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這2種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初,但都是國(guó)外機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。從60年代后期起,噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開(kāi)始應(yīng)用。1978年美國(guó)unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種unimation

6、vic.arm型工業(yè)機(jī)械手,裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制,用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從1970年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手,主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè):聯(lián)邦德國(guó)kuka公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手,采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制;日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快,應(yīng)用國(guó)家最多的國(guó)家,自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后,開(kāi)始大力從事機(jī)械手的研究,目前以成為世界上工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多的國(guó)家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手,主要用于機(jī)械化、自動(dòng)化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。我國(guó)工業(yè)機(jī)械手的研究與開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國(guó)第一臺(tái)機(jī)械手開(kāi)發(fā)于上海,隨之全國(guó)各省都開(kāi)始研制和

7、應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃(1986-1990)開(kāi)始,我國(guó)政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中,并且為此項(xiàng)目投入大量的資金,研究開(kāi)發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人,有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人,廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人,大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人,沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等等。這些機(jī)器人的控制器,都是由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開(kāi)發(fā)的,同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開(kāi)發(fā)出來(lái),如機(jī)器人專(zhuān)用軸承,減震齒輪,直流伺服電機(jī),編碼器,dcpwm等等。我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在應(yīng)用專(zhuān)業(yè)機(jī)械手的同時(shí),

8、相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手,研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等??梢詫C(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件,如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu),以便根據(jù)不同的作業(yè)要求,選用不用的典型機(jī)構(gòu),組裝成各種用途的機(jī)械手,即便于設(shè)計(jì)制造,又便于跟換工件,擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。1.3 某生產(chǎn)線機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求和基本內(nèi)容 所謂機(jī)械手的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是指具有特定功能的、相互間具有許多聯(lián)系要素構(gòu)成的一個(gè)整體。首先,從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),本設(shè)計(jì)是采用內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計(jì)與外部系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法,既重視內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計(jì),也重視內(nèi)、外系統(tǒng)的聯(lián)系。在確定系統(tǒng)功能時(shí),每個(gè)模塊都遵循保證基本功能、滿(mǎn)足使用功能、剔除多余功能,恰到好處

9、地利用外觀功能和原則。因此,本著該設(shè)計(jì)意圖,根據(jù)動(dòng)作要求對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,本次的設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)基本內(nèi)容: 1.掌握機(jī)械手整條生產(chǎn)線的工作原理,并分析各工作模塊的功能。 2.對(duì)機(jī)械手工作模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。 3.根據(jù)功能需要,進(jìn)行機(jī)構(gòu)原理圖設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析。 4.測(cè)繪零件,設(shè)計(jì)零件,用solidworks 2011繪制三維零件圖,并進(jìn)行三維裝配圖設(shè)計(jì)。 5.對(duì)三維圖進(jìn)行分析和修改,然后轉(zhuǎn)化為工程圖以便畫(huà)二維圖。 6.對(duì)部分典型或非標(biāo)零件用caxa 2011或solidworks 2011進(jìn)行設(shè)計(jì)。 7.完成設(shè)計(jì)圖紙,包括零件圖、裝配圖。最終本人用solidworks 2011設(shè)計(jì)完成的三維

10、裝配圖如圖1.3所示: 圖1.3 三模塊總裝配圖 第二章 某生產(chǎn)線機(jī)械手模塊的設(shè)計(jì)2.1機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式一般有三種方式:氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式、液壓驅(qū)動(dòng)方式、電驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式1.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氣源簡(jiǎn)便獲得、能得到較高的開(kāi)關(guān)速度、可安裝調(diào)速器,使開(kāi)關(guān)速度按需要進(jìn)行調(diào)整、氣體削減性大,關(guān)閉時(shí)有彈性、成本低。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn):因氣體有削減性所以速度不易勻稱(chēng) ,噪聲大,難以準(zhǔn)確控制位置及速度。2.液壓驅(qū)動(dòng)方式 液動(dòng)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體種小、輸出力大、簡(jiǎn)便獲得低速或高速,能無(wú)級(jí)變速、功率重量比大,低速平穩(wěn)、由于液壓油的黏性而效率較高,有自潤(rùn)滑功能和防銹功能。 液動(dòng)驅(qū)動(dòng)

11、的缺點(diǎn): 油溫變化引起油粘度的變化、液壓元件和管道易滲漏、配管,維修不方便、易漏油,成本較高。3.電驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn):適用性較強(qiáng),不受環(huán)境溫度影響、輸出轉(zhuǎn)矩范圍廣、控制方便,能自由地采用直流、交流、短波、脈沖等各種信號(hào),適于放大、記憶、邏輯判斷和計(jì)算等工作、可落實(shí)超小型化、擁有機(jī)械自鎖性、安裝、維護(hù)檢修方便、可分為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、直流驅(qū)動(dòng)和交流驅(qū)動(dòng)。其中直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速性能好,功率較大,效率高。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn):結(jié)構(gòu)龐雜、機(jī)械效率低一般只有25%-60%、輸出轉(zhuǎn)速不能太低或太高、易受電源電壓、頻率變化的影響 根據(jù)機(jī)械手的功能的動(dòng)作要求,確定利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直流驅(qū)動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)

12、運(yùn)動(dòng);利用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng);考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手工作范圍較小,利用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng);考慮到機(jī)械手的手部需結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,容易維修,而且重量要輕,機(jī)械手的手部也采用氣缸驅(qū)動(dòng)。鑒于上面三種驅(qū)動(dòng)方式,選擇氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式為本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)。2.2氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景2.2.1氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀近20年來(lái),氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬,尤其在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛的應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合,使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化的程度變得更高,控制方式更靈活,性能更可靠。從各國(guó)的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看,近30年來(lái),氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。我國(guó)的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚,但發(fā)展較快,從20世紀(jì)

13、80年化中期開(kāi)始,氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá)20%以上,高于中國(guó)機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、plc技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用安全、可靠,可以在高溫、震動(dòng)、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)。所以,氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛用于汽車(chē)制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工,食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上?,F(xiàn)代汽車(chē)制造工廠的生產(chǎn)線,尤其是主

14、要工藝的焊接生產(chǎn)線,大多采用了氣動(dòng)機(jī)械手。車(chē)身在每個(gè)工序的移動(dòng);車(chē)身外殼被真空吸盤(pán)吸起和放下,在指定工位的夾緊和定位;點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊,都采用了各種特殊功能的氣動(dòng)機(jī)械手。在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上,在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上,不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪,還可以看到許多靈巧的真空吸盤(pán)將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住,運(yùn)送到指定目標(biāo)位置。對(duì)加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運(yùn)系統(tǒng),采用了平穩(wěn)加速的sin氣缸。氣動(dòng)機(jī)械手用于對(duì)食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動(dòng)計(jì)量包裝;用于煙草工業(yè)的自動(dòng)卷煙和自動(dòng)包裝

15、等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動(dòng)機(jī)械手;自動(dòng)加蓋、安裝和擰緊氣動(dòng)機(jī)械手等。 此外,氣動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如:氣動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)病床機(jī)械手,外科手術(shù)機(jī)械手等。2.2.2氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展前景目前在世界上形成了以日本、美國(guó)和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。我國(guó)對(duì)氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚,但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大,我國(guó)自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在汽車(chē)等行業(yè)為國(guó)家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。由于氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),可能預(yù)見(jiàn),在不久的將來(lái),氣動(dòng)機(jī)械手將越來(lái)越廣泛地進(jìn)入工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療

16、、生活等領(lǐng)域。2.3機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案2.3.1機(jī)械手系統(tǒng)工作原理和組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和位置檢測(cè)裝置所組成。各系統(tǒng) 之間的相互關(guān)系如圖2.3.1所示: 圖2.3.1 系統(tǒng)之間相互關(guān)系機(jī)械手的工作原理:采用氣壓傳動(dòng)方式,來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定要求,有順序,有運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)作;同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出命令,必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視,當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)可發(fā)出報(bào)警信號(hào);位置檢測(cè)裝置可隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng),從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的要求達(dá)到設(shè)定位置。2.4機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂、立柱和機(jī)座等部件。(1)手部: 即與

17、工件接觸的部件。由于與工件接觸的形式不同,可分為夾持式和吸附式。手部結(jié)構(gòu)取決于被抓取工件的表面形狀、被抓部位和物件的重量以及尺寸。本設(shè)計(jì)考慮到以上因素,工件屬于輕、狀零件,所以采用吸附式手部,吸附式手部主要由吸盤(pán)等構(gòu)成,它是靠吸附力吸附物件的。(2)手腕: 手腕是連接手部和手臂的部件,并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位。(3)手臂: 手臂的作用是帶動(dòng)手部去抓取物件,并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。(4)立柱:立柱是支承手臂的部件,手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。(5)機(jī)座: 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均裝在機(jī)座上,故它起支撐和連接的作用。 2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)

18、運(yùn)動(dòng)的。常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。 3.控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著機(jī)械手按規(guī)定的動(dòng)作要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng),它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng),必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視,當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 4.位置檢測(cè)裝置 它可將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的位置相比較,通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。本課題采用氣動(dòng)位置傳感器,它可以將位移的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ淖兓?,再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康淖兓?.4.1機(jī)械手坐標(biāo)形式的選擇按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式,其坐標(biāo)形式可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型及關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。如圖2.4.1所示: (a)

19、 (b) 直角坐標(biāo)系 圓柱坐標(biāo)系 (c) (d) 球型坐標(biāo)系 關(guān)節(jié)式坐標(biāo)系 圖2.4.1 坐標(biāo)形式由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變,因此,采用圓柱坐標(biāo)形式。2.4.2機(jī)械手的技術(shù)參數(shù) 1.機(jī)械手最大抓重: 1kg 2.工件尺寸:長(zhǎng)*寬*高=50*50*25(mm) 3.坐標(biāo)形式:圓柱坐標(biāo) 4.支座旋轉(zhuǎn)角度:180 5.手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù):伸縮行程:100mm 伸縮速度:100mm/s 升降行程:60mm 升降速度:100mm/s 6.機(jī)械手定位精度:0.5mm2.5機(jī)械手的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度自由度是指機(jī)械手所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手

20、具有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)副,具有手臂伸降,旋轉(zhuǎn)和前后伸縮三個(gè)自由度。 2.機(jī)械手的工作范圍 工作范圍是指手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合。該機(jī)械手的工作范圍如圖2.5所示:圖2.5 機(jī)械手工作范圍 3.機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)形式的方案,運(yùn)動(dòng)形式為一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng),兩個(gè)移動(dòng),共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。2.6機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算2.6.1氣缸的選用 1.預(yù)選氣缸的缸徑 一般用作實(shí)驗(yàn)的工件不會(huì)太重,塑料制品工件和鋁制工件即可。 根據(jù)氣缸的負(fù)載狀態(tài),鋁制工件的質(zhì)量:m1=0.15kg/m2 塑料工件的質(zhì)量:m2=0.1kg/m2 鋁制工件的重力為:g=m1g=0.159.8=

21、1.47n 可確定氣缸的軸向負(fù)載力f1.47n。 根據(jù)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),參考表2.6.1-1,預(yù)選氣缸的負(fù)載率=0.7。表2.6.1-1負(fù)載率與負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)負(fù)載率靜載荷(如夾緊)70%動(dòng)載荷氣缸速度50mm-500mm/s50%氣缸速度500mm/s30% 根據(jù)氣源供氣條件,確定氣缸的使用壓力p。p應(yīng)小于減壓閥進(jìn)口壓力的85%。本課題設(shè)計(jì)的氣缸為單作用氣缸,工作壓力p=0.3mpa。由以上分析得單作用氣缸的直徑: d=2.98(mm)查smc現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),得d=4mm 2.預(yù)選氣缸的行程根據(jù)氣缸的操作距離及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程比來(lái)預(yù)選氣缸的行程,應(yīng)盡量選為標(biāo)準(zhǔn)行程,可保證供貨迅

22、速,成本降低。本設(shè)計(jì)氣缸行程選為l=30mm。 3.選擇氣缸的品種 查smc手冊(cè)表,為了滿(mǎn)足安裝空間小,氣缸小巧,選驅(qū)動(dòng)方式為彈簧壓回型的cj1系列,如表2.6.1-2。本設(shè)計(jì)選用氣缸的型號(hào)為:cj1b4-30型單作用彈簧壓回型氣缸。 4.校核氣缸所能提供的拉力 氣缸內(nèi)徑為4mm,使用壓力為0.6mpa,可知?dú)飧姿芴峁┑睦椋?fq=pa=p=0.6106106=1.884n 可知1.884n1.47n,所以可以認(rèn)為氣缸的選用是合適的。表2.6.1-2系列微型氣缸的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 缸徑2.54使用介質(zhì)空氣最高使用壓力0.7mpa最低使用壓力0.3mpa活塞速度50-500mm/s行程公差0-0.

23、52.6.2真空吸盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.真空吸盤(pán)連接結(jié)構(gòu) 為了抓取工件,采用真空吸盤(pán)結(jié)構(gòu),如圖2.5.1所示,首先真空吸盤(pán)組建在氣缸的推動(dòng)下下移,當(dāng)吸盤(pán)4碰到工件時(shí)彈簧3壓縮,整個(gè)導(dǎo)向桿1在防轉(zhuǎn)螺釘2 的作用下直線移動(dòng)保證工件不會(huì)壓壞,然后吸盤(pán)吸住工件。 圖2.5.1真空吸盤(pán)結(jié)構(gòu)2.6.3真空吸盤(pán)的選取 吸盤(pán)是直接吸附物體的元件。吸盤(pán)通常是由橡膠材料與金屬骨架壓制成型的。吸盤(pán)的橡膠出現(xiàn)脆裂,是橡膠老化的表現(xiàn)。通過(guò)查找相關(guān)真空吸盤(pán)的資料,本設(shè)計(jì)的工件質(zhì)量輕,因此,選取吸盤(pán)的形式為風(fēng)琴型吸盤(pán),吸盤(pán)直徑為10,材料為硅橡膠。 2.6.4手部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量 與設(shè)計(jì)的手部結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境方面選lldpe樹(shù)脂(線型低

24、密度聚乙烯 ),它具有優(yōu)異的耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性能和電絕緣性,較高的耐熱性能,抗沖和耐穿刺性能等。 lldpe樹(shù)脂的密度:0.91-0.94g/cm3; 鋁合金zl101的密度:2.6-2.8g/cm3;45鋼的密度:7.85g/cm3。通過(guò)solidworks 2011的質(zhì)量屬性工具計(jì)算得到手部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為: m手=m樹(shù)+m鋁+m鋼=52.11+9.45+9.48=71.04g2.7機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.7.1手臂設(shè)計(jì)的要求 1.需根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕型材料。 2.盡量減少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊,提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。 3.手臂部分的結(jié)構(gòu)必需滿(mǎn)足完成作業(yè)任

25、務(wù)提出的工作空間要求。 4.要盡量減輕手臂運(yùn)動(dòng)部分的重量,以減少整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性。 5.除了手臂部份設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕外,同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。 6.手臂部分的設(shè)計(jì)需動(dòng)作迅速、靈活、平穩(wěn),定位精度高。 本設(shè)計(jì)中,手臂的上下運(yùn)動(dòng)由氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)緊湊,裝拆方便,導(dǎo)向裝置由一根立柱導(dǎo)向,防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。手臂的結(jié)構(gòu)圖如圖2.7.1所示:1.橫梁 2.導(dǎo)軸上固定件3.導(dǎo)向柱4.直角連接零件5.伸縮氣缸6.支撐架圖2.7.1 手臂結(jié)構(gòu)圖2.7.2伸縮氣缸的選用 1.考慮到以上設(shè)計(jì)要求,且要滿(mǎn)足行程要求,經(jīng)過(guò)查找篩選預(yù)選sm

26、c氣缸的cqm系列薄型單桿雙作用氣缸,型號(hào)為:cqmb20rc-100-m9b(缸徑為20mm,行程100mm)。 本設(shè)計(jì)所選伸縮氣缸符合體積小、重量輕、薄、安裝空間小、安裝方便等特點(diǎn)。 2.選擇安裝方式 本薄型單桿雙作用伸縮氣缸只需基本型安裝即可滿(mǎn)足要求。2.7.3導(dǎo)向裝置 氣動(dòng)機(jī)械手的手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)時(shí),為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)或產(chǎn)生變形,以保證手部的正確方向,以增加手臂的剛性,在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí),必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它根據(jù)手臂的結(jié)構(gòu)、抓重等因素選取。 目前常采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿等,在本機(jī)械手設(shè)計(jì)中采用單導(dǎo)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。2.7.4手臂和手部的

27、總質(zhì)量 35鋼的密度:7.85g/cm3;青銅的密度:8.43g/cm3 通過(guò)solidworks 2011的質(zhì)量屬性工具計(jì)算得到手部結(jié)構(gòu)和臂部結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為: m=m手+m鋁+m缸+m閥+m薄片+m其他=71.04+271.94+451.6+84.29+30.57+175.83=1085.27(g)2.8機(jī)械手腰部和機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算2.8.1機(jī)械手腰部和機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.8.1所示。手臂升降裝置主要由立柱、導(dǎo)軸上零件1、導(dǎo)軸下零件2、升降氣缸5、塊零件6、定位套3和轉(zhuǎn)柱7等組成,塊零件和轉(zhuǎn)柱通過(guò)螺母連接,即轉(zhuǎn)柱定制為螺紋柱,安裝方便,節(jié)約成本。手臂機(jī)座結(jié)構(gòu)主要由三塊鋁型材

28、8通過(guò)螺栓連接而成。實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式多種多樣,常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)械、連桿機(jī)構(gòu)等。在本設(shè)計(jì)中,手臂回轉(zhuǎn)裝置用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式。通過(guò)plc控制伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪外罩4內(nèi)的齒輪,達(dá)到手臂回轉(zhuǎn)的功能。圖2.8.1 機(jī)械手腰部和機(jī)座的結(jié)構(gòu)圖2.8.2機(jī)械手升降氣缸的選用 1.已知:升降氣缸預(yù)選smc氣缸的薄型氣缸。手臂結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為m=1085.27,考慮到在臂部安裝時(shí)還要添加控制部分,故預(yù)選負(fù)載力為f=30n;查相關(guān)手冊(cè)取氣缸工作壓力為p=0.4mpa;由smc手冊(cè)查得負(fù)載率=0.5。因此,氣缸缸徑為:d=13.8mm經(jīng)圓整并查手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)?。篸=20(mm) 為便

29、于安裝調(diào)試,對(duì)行程要留有適當(dāng)余量,所示預(yù)選氣缸標(biāo)準(zhǔn)行程為h=60mm,預(yù)選smc薄型單桿雙作用氣缸的型號(hào)為:cqmb20rc-60。 2.驗(yàn)證氣缸的緩沖能力根據(jù)氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是輸出推力還是拉力、負(fù)載率=0.5、氣缸的行程l=60mm和氣缸的動(dòng)作時(shí)間t=0.6s,由smc手冊(cè)相應(yīng)圖可查得氣缸的理論基準(zhǔn)速度=220mm/s。 根據(jù)氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是輸出力還是拉力以及負(fù)載率,可查得氣缸的最大速度vmax與理論基準(zhǔn)速度之比值,從而求得氣缸的最大速度vmax。查得: =0.9 vmax=v0=2200.9=198mm/s 最后根據(jù)各系列緩沖氣缸的緩沖特性曲線和氣緩沖氣缸的緩沖特性曲線,若氣缸的負(fù)載質(zhì)量m和

30、最大速度的交點(diǎn)在預(yù)選氣缸缸徑的緩沖特性曲線之下,則表示負(fù)載運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能mv2max小于氣缸的允許吸收的最大能量,即該預(yù)選缸徑的緩沖能力滿(mǎn)足要求。本設(shè)計(jì)所選的伸縮氣缸負(fù)載質(zhì)量較小,從手冊(cè)圖中查可知所選擇的缸徑的緩沖能力能滿(mǎn)足要求。2.8.3機(jī)械手的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法 1.機(jī)械手的平穩(wěn)性分析 在設(shè)計(jì)中,臂部的運(yùn)動(dòng)較多,如果運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)載較大,當(dāng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí),將產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。這不僅會(huì)影響機(jī)械手的精確定位,甚至?xí)蛊洳荒苷_\(yùn)轉(zhuǎn)。為了提高平穩(wěn)性,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效的緩沖裝置吸收能量。因此從減少能量產(chǎn)生的角度來(lái)看,要注意以下兩點(diǎn):(1)機(jī)身和臂部運(yùn)動(dòng)部件要緊湊,質(zhì)量輕,以減少慣性力。本設(shè)計(jì)中臂部采用

31、鋁合金制作。(2)應(yīng)考慮重心的位置,即運(yùn)動(dòng)部件各部分的質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)軸或支承的分布情況。在設(shè)計(jì)中如果重心和轉(zhuǎn)軸不重合,將增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高,將會(huì)有較大的沖擊和振動(dòng)。 2.臂桿平衡方法 常見(jiàn)機(jī)械手臂桿的平衡技術(shù)有四種:質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動(dòng)或液壓平衡法和采用平衡電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)采用質(zhì)量平衡法來(lái)達(dá)到要求,臂桿質(zhì)量平衡的原理是合理地分布臂桿質(zhì)量,使臂桿重心盡可能落在支點(diǎn)上,必要時(shí)甚至采用在適當(dāng)位置配置平衡質(zhì)量的方法,使臂桿的重心落在支點(diǎn)上。2.9機(jī)座傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì)2.9.1確定傳動(dòng)方案考慮到氣動(dòng)機(jī)械手的性能要求,本設(shè)計(jì)初步確定以下兩個(gè)傳動(dòng)方案:錐齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng),下面將對(duì)兩種方案進(jìn)行比較以

32、便確定個(gè)合理的傳動(dòng)方案。 1.如圖2.9.1-1所示的蝸桿傳動(dòng)方案 它的主要優(yōu)點(diǎn)有: (1)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)比交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)緊湊,所以可實(shí)現(xiàn)空間交錯(cuò)軸間的很大傳動(dòng)比。 (2)蝸桿傳動(dòng)接觸方式不同于其它類(lèi)型傳動(dòng),為線接觸,噪音小,傳動(dòng)平穩(wěn); (3)當(dāng)蝸桿導(dǎo)程角g 很小時(shí),傳動(dòng)具有自鎖性,即只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪,而蝸輪不能帶動(dòng)蝸桿,故它常用于起重或其它需要自鎖的場(chǎng)合。 它的缺點(diǎn): (1)蝸桿傳動(dòng)的一般效率=0.70.9,機(jī)械效率較低,具有自鎖性的蝸桿傳動(dòng)的效率0.5。 (2) 蝸桿傳動(dòng)齒面的螺旋線方向滑動(dòng)速度很大,因此容易引起磨損和發(fā)熱,故摩擦損失大,效率低,而且為減輕齒面的磨損及防止膠合,蝸輪一般使用貴

33、重的減摩材料制造,成本高。 (3)對(duì)制造和安裝誤差很敏感,安裝時(shí)對(duì)中心距的尺寸精度要求較高。 2.如圖2.9.1-2所示的齒輪傳動(dòng)方案它的主要優(yōu)點(diǎn)有: (1)瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定,工作平穩(wěn),傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠,可傳遞空間任意兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 (2)適用的功率和速度范圍廣。 (3)傳動(dòng)效率高,=0.920.98。在機(jī)械傳動(dòng)中,齒輪傳動(dòng)的效率較高。 (4)工作可靠,使用壽命長(zhǎng)。 (5)外廓尺寸小,結(jié)構(gòu)緊湊。它的主要缺點(diǎn)是:制造和安裝精度要求較高,需專(zhuān)門(mén)設(shè)備制造,成本較高,不宜用于較遠(yuǎn)距離兩軸之間的傳動(dòng)。 圖2.9.1-1蝸桿傳動(dòng) 圖2.9.1-2 錐齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)方案除滿(mǎn)足氣動(dòng)機(jī)械手功能、動(dòng)作上要求外,還

34、需滿(mǎn)足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、傳動(dòng)效率高、工藝性好和使用維護(hù)便利等要求。分析以上兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)后,確定采用錐齒輪傳動(dòng)方案會(huì)更加的合理,所以本設(shè)計(jì)采用錐齒輪傳動(dòng)。2.9.2電動(dòng)機(jī)的選用 電動(dòng)機(jī)的選擇有兩種類(lèi)型:步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。下面將通過(guò)分析比較確定選用哪種類(lèi)型的電機(jī): 1.頻率特性的比較。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象,而伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn),即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。 2.矩頻特性的比較。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降,且在較高速時(shí)會(huì)急劇下降,而伺服電機(jī)為恒力矩輸出。 3.過(guò)載能力的比較。步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力,伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。 4.運(yùn)行性能的比較。步進(jìn)

35、電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制,啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制,驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣,內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán),控制性能更可靠。綜合以上四點(diǎn)所述,而且采用的是plc控制系統(tǒng),所以確定采用伺服電機(jī)。使用直流電源的電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為直流電動(dòng)機(jī),它與交流電動(dòng)機(jī)相比,具有調(diào)速性能好、調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)。所以考慮到以上因素和本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)要求,預(yù)選本設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)為直流有刷伺服電機(jī),型號(hào):2224a024sr。2.9.3錐齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已知工作條件:輸入功率p=pmaxmax=3.8881%=3.14w 小錐齒輪轉(zhuǎn)速n1=11r

36、/min 大錐齒輪實(shí)際轉(zhuǎn)速n2=7.5r/min 所以,傳動(dòng)比i=1.47,初定傳動(dòng)比i=1.5 驗(yàn)證傳動(dòng)比:由以上數(shù)據(jù)得:傳動(dòng)比誤差=2%傳動(dòng)比誤差=2%控制在(3%-5%)內(nèi),因此傳動(dòng)比i=1.5 1.選擇錐齒輪材料、熱處理方法、精度等級(jí) 考慮到該傳動(dòng)的功率較小,故大、小錐齒輪都選用45鋼(調(diào)質(zhì)),齒面硬度分別為220hbs、260hbs,屬軟齒面閉式傳動(dòng);錐齒輪的載荷平穩(wěn),而且轉(zhuǎn)速較低,根據(jù)工作條件,定為7級(jí)精度。 2.因?yàn)辇X面為軟齒面,故應(yīng)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì),并按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行較核。由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算:計(jì)算公式均摘自機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第三卷第14篇項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容結(jié)果1.齒數(shù)z1、z2

37、及齒寬、系數(shù)r 取小錐齒輪齒數(shù)z1=15,大錐齒輪齒數(shù)z2=iz1=1.515=22.5,取大錐齒輪齒數(shù)z2=23,齒寬系數(shù)不宜取得過(guò)大,否則將引起小端齒項(xiàng)過(guò)薄,齒根圓角半徑過(guò)小,故取齒寬系數(shù) r=z1=15z2=23r=2.載荷系數(shù)ktd1t2.92試選kt=1.4kt=1.43.小錐齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩td4.材料系數(shù)zetd=19n.mm查表得:ze=189.8td=19n.mmze=189.85.大小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限 hlim1、hlim2按齒面硬度查圖得:hlim1=600mpahlim2=560mpahlim1=600mpahlim2=560mpa6.應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n1=60n1jlh

38、=60111103008=1.58107n2=1.05107n1=1.58107n2=1.051077.接觸疲勞壽命系數(shù)khn1、khn2查圖得:khn1=1.11,khn2=1.13khn1=1.11khn2=1.138.確定許用接觸應(yīng)力取安全系數(shù)sh=1h1=1.11600kpah2=1.13560mpash=1h1=666mpah2=623mpa9.試算小齒輪分度圓直徑取h1=h2d1t2.92為了保證齒輪平穩(wěn)傳動(dòng),確定過(guò)載時(shí)能自我保護(hù),且方便制造維修,將分度圓直徑擴(kuò)大兩倍,得到d1t13.54d1t13.5410.計(jì)算圓周速度vv=v=7.79mm/s11.計(jì)算載荷系數(shù)查表6.2得使用

39、系數(shù)ka=1;查圖6.10得動(dòng)載系數(shù)kv=1.1;查圖6.13得k=1.15則k=kakvk=11.11.15=1.265ka=1kv=1.1k=1.15k=1.26512.校正分度圓直徑d1d1=d1t=13.54 d1=13.09mm13.計(jì)算模數(shù)mm=0.87按標(biāo)準(zhǔn)取m=1取d1=15m=114.兩輪分度圓直徑d1、d2、錐距r、齒寬b、齒高h(yuǎn)d1=mz1=115=15mmd2=mz2=123=23mmr=b=rr=17.73h=(2h*a+c*)m=(210.2)1d1=15mmd2=23mmr=13.73mmb=4.43mmh=2.2mm15.大小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限查圖6.9取:

40、flim1=240mpa、flim2=220mpaflim1=240mpaflim2=220mpa16. 彎曲疲勞壽命系數(shù)查圖6.7?。簁fn1=0.96、kfn2=0.98kfn1=0.96kfn2=0.98錐齒輪主要傳動(dòng)尺寸列表:模數(shù)m1壓力角20齒數(shù)zz1=15z2=23z1=15z2=23齒頂高h(yuǎn)aha=h*am=11=1ha=1mm齒根高h(yuǎn)fhf=(h*a+c*)m=(1+0.2)1=1.2hf=1.2mm分度圓直徑dd1=mz1=115=15d2=mz2=123=23d1=15mmd2=23mm分度圓錐角1=tan-1=tan-1=33.112=90-1=56.891=33.112

41、=56.89錐距rr=r=13.73mm齒頂角aa1=a2=tan-1=tan-1a1=a2=7.14 齒寬bb=4.57(取整數(shù))b=42.9.4傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)與校核根據(jù)軸線形狀的不同,軸可分為直軸、曲軸和撓性鋼絲軟軸。其中,直軸的應(yīng)用最為廣泛,根據(jù)外形又可分為直徑無(wú)變化的光軸(圖2.9.4-1)和直徑有變化的階梯軸(圖2.9.4-2),本設(shè)計(jì)中的傳動(dòng)軸本著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配緊湊的原則,選用光軸即能滿(mǎn)足傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的功能。 圖2.9.4-1 光軸 圖2.9.4-2 階梯軸傳動(dòng)軸的承載情況,主要承受轉(zhuǎn)矩,不承受彎矩或承受很小的彎矩,僅起到傳遞動(dòng)力的作用。傳動(dòng)軸材料的選擇:軸常用的材料是碳素鋼、合金

42、鋼和球墨鑄鐵。碳素鋼比合金鋼低廉,對(duì)應(yīng)力集中的敏感性低,經(jīng)熱處理或化學(xué)處理可得到較高的綜合力學(xué)性能,尤其在耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度兩個(gè)方面,而且優(yōu)質(zhì)中碳鋼中的45鋼經(jīng)過(guò)正火或調(diào)質(zhì)處理后可用于比較重要或承載較大的軸,因此,本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸的材料選用45鋼調(diào)質(zhì)。擬定的傳動(dòng)軸裝配如圖2.9.4所示:圖2.9.4傳動(dòng)軸裝配圖圖中,a、b處均為平端緊定螺釘連接,緊定螺釘既起固定又起定位作用。a處通過(guò)螺釘連接聯(lián)軸器,b處通過(guò)緊定螺釘連接錐齒輪,平端緊定螺釘均選用m2.5,長(zhǎng)度為6mm,b處的齒輪安裝公差尺寸為6h8/m7。2.9.5聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用套筒聯(lián)軸器,套筒聯(lián)軸器擁有的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,徑向尺

43、寸小,成本較低。套筒的材料采用45鋼,并經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)。套筒聯(lián)軸器通過(guò)一個(gè)公用套筒并采用平端緊定螺釘作軸向固定,為了保證連接具有一定的對(duì)中精度和便于套筒的裝拆,套筒與軸采用的配合。因此,所設(shè)計(jì)的套筒聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)圖如圖2.9.5所示:圖2.9.5聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖2.9.6消聲器的選取消聲器是一種允許氣流通過(guò)而能使聲能衰減的裝置,能夠降低氣流通道上的空氣動(dòng)力性噪聲。本設(shè)計(jì)中,對(duì)消聲器的要求是,在噪聲頻率范圍內(nèi)消聲效果好,排氣的阻力要小,以免影響換向閥的換向性能,而且要求結(jié)構(gòu)耐用、便于清洗。通常根據(jù)換向閥的連接口徑來(lái)選擇消聲器的規(guī)格。根據(jù)以上要求,選取smc公司的an系列消聲器,型號(hào)為an110-01,最高使

44、用壓力為1.0mpa,該消聲器的消聲原理為膨脹干涉型。 第三章 旋轉(zhuǎn)模塊的設(shè)計(jì)3.1旋轉(zhuǎn)模塊總體設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)模塊的設(shè)計(jì)須與氣動(dòng)機(jī)械手緊密聯(lián)系,總體布置時(shí),需具體確定各零部件之間的相對(duì)位置保證模塊在整個(gè)工序中的連續(xù)和流暢。從整個(gè)模塊來(lái)說(shuō),需做到結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝。本設(shè)計(jì)中主要是擺動(dòng)氣缸和旋轉(zhuǎn)載體的設(shè)計(jì)和裝配,保證功能滿(mǎn)足要求。旋轉(zhuǎn)模塊總體布置的軸測(cè)圖如圖3.1所示:圖3.1 旋轉(zhuǎn)模塊總體布置軸測(cè)圖3.2擺動(dòng)氣缸的選用根據(jù)擺動(dòng)氣缸反受負(fù)載的性質(zhì),確定氣缸的有效輸出力矩m0。有效輸出力矩:m0=式中:m擺動(dòng)氣缸承受的實(shí)際力矩; 負(fù)載率,按smc手冊(cè)查表,本設(shè)計(jì)可取=0.1。已知:擺動(dòng)角=90,擺動(dòng)時(shí)間t

45、=1s,塑料的密度塑=0.92g/cm3,鋁合金的密度鋁=2.55g/cm3,旋轉(zhuǎn)載體和連接方塊的質(zhì)量通過(guò)solidworks 2011的質(zhì)量屬 性工具計(jì)算得到: m=m工件+m方塊+m載體=150+22.76+59.36=232g使用壓力為0.5mpa,等效半徑r=15cm所以,等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:j=mr2=0.2320.152=0.00522kgm2擺動(dòng)角加速度:=/(90t2)=90/(9012)=3.14rad/s2則理論輸出力矩:m0=0.00164nm根據(jù)手冊(cè)可選crbu2自由安裝型規(guī)格的氣缸。負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能:ed=j(t)2=0.00164(3.141)2=0.0081nm故其允許能

46、量能滿(mǎn)足轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的要求,擺動(dòng)氣缸的型號(hào)為:crbu2wu30-90sl。 第四章 裝釘模塊的設(shè)計(jì)4.1 裝釘模塊的總體布置設(shè)計(jì)裝釘模塊的總體布置是指結(jié)構(gòu)布局的細(xì)化,需確定模塊各零件之間的相對(duì)位置及聯(lián)系尺寸、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞方式等。1、鋁型材 2、主壓釘氣缸 3、支架 4、壓釘軸 5、導(dǎo)軸 6、定位彈性螺栓 7、釘盒 8、工件載體 9、輔助壓釘氣缸圖4.1 裝釘模塊總體布置圖經(jīng)過(guò)認(rèn)真功能原理分析,裝釘模塊的總體結(jié)構(gòu)布置如圖4.1示,從圖中可知道主壓釘氣缸在釘盒的左側(cè),而輔助壓釘氣缸與工件載體連接,這主要是考慮到工件裝釘?shù)氖芰侠硇?,保證工藝過(guò)程的連續(xù)和流暢。首先,需考慮工件載體和釘盒的相對(duì)位置,

47、使工件能安全快速的裝釘;其次,需考慮釘盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),保證供釘合理準(zhǔn)確,此釘盒所裝的釘子是靠其自身的重力有序地下移方便裝配;然后,需考慮到主氣缸和輔助氣缸的選取,達(dá)到模塊預(yù)定的功能。4.2釘盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為培訓(xùn)系統(tǒng)的一個(gè)模塊,主要是仿真工廠自動(dòng)生產(chǎn)線的功能,所以在釘盒的設(shè)計(jì)時(shí),預(yù)定本釘盒可裝40個(gè)彈簧釘(即左右各20個(gè)釘子),為了提高設(shè)計(jì)和制造的經(jīng)濟(jì)性,降低生產(chǎn)成本,本釘盒采用各個(gè)零件裝配而成,均通過(guò)國(guó)產(chǎn)內(nèi)六角螺栓裝配。因此經(jīng)過(guò)功能分析,為了讓釘子能有序迅速的往下掉方便安裝,在釘子的上方左右各加了t型抵塊,t型抵塊在設(shè)計(jì)時(shí),需與壁保持合理的間隙,材料采用鋁合金,因此t型抵塊長(zhǎng)、寬分別設(shè)計(jì)為107

48、mm、10mm。因?yàn)獒斪硬捎脴?biāo)準(zhǔn)的,因此考慮到釘子的放置空間,預(yù)定釘盒的總長(zhǎng)和總寬分別為262mm、67mm。此外,為了保證釘盒能合理的定位,在釘盒的底板添加 一個(gè)定位彈性螺栓m12,保證了功能的合理性。圖4.2釘盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖4.3壓釘軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)此壓釘軸僅傳遞橫向的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力,根據(jù)軸上零件的安裝、定位及軸的制造工藝,可以合理的確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸,此軸材料亦采用45鋼調(diào)質(zhì),基于釘子的尺寸,預(yù)定軸長(zhǎng)為90mm,直徑4.5,為保證壓釘過(guò)程的安全和可靠,安裝此軸用兩個(gè)平端緊定螺釘進(jìn)行固定和定位。開(kāi)槽平端緊定螺釘為m2.55。4.4裝釘氣缸的選用在氣動(dòng)機(jī)械手模塊的設(shè)計(jì)中有選到升降氣缸為smc薄

49、型單桿雙作用氣缸,它的型號(hào)為:cqmb20rc-60-m9b??紤]到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化以及其經(jīng)濟(jì)性,經(jīng)過(guò)比較并分析,主打釘氣缸預(yù)選和升降氣缸同類(lèi)型并且同型號(hào)的氣缸,經(jīng)過(guò)驗(yàn)算,該氣缸可滿(mǎn)足此主壓釘氣缸的要求,這樣可提高氣缸使用和維修的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)該壓釘預(yù)計(jì)用10n的力就夠?qū)⑨斪哟蛉牍ぜ?nèi),而此氣缸所能提供的負(fù)載力為f: f=62.8n因此,f10n,滿(mǎn)足功能要求。此氣缸的安裝亦采用基本型的通孔安裝。對(duì)于輔助壓釘氣缸的選取,它主要起到輔助壓釘?shù)淖饔?,因此薦于主壓釘氣缸的選取分析和cqm系列帶導(dǎo)桿氣缸的導(dǎo)向精度高,為使裝置簡(jiǎn)單緊湊、增強(qiáng)互換性和經(jīng)濟(jì)性,選取同類(lèi)型的氣缸,只是行程無(wú)需那么大,

50、行程選取l=20mm即可滿(mǎn)足要求,因此輔助壓釘氣缸的選取型號(hào)為:cqmb20rc-20-m9b。該氣缸的安裝尺寸與cq2、cqs系列有互換性,而橫向負(fù)載是cq2系列的2-4倍。4.5導(dǎo)軸和導(dǎo)套的設(shè)計(jì)(1)導(dǎo)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)軸為一光軸,主要起到引導(dǎo)的作用,只需滿(mǎn)足氣缸的行程要求以及精度要求即可。因此可設(shè)計(jì)軸的長(zhǎng)度為90mm,直徑為12,材料為45鋼,通過(guò)緊定螺釘固定和定位。(2)導(dǎo)套的設(shè)計(jì) 1、材料的選擇銅合金是銅與錫、鉛、鋅或鋁的合金,是傳統(tǒng)使用的材料,因?yàn)榍嚆~具有減磨性、耐磨性好,且具有較高的抗疲勞強(qiáng)度,廣泛用于重載的場(chǎng)合,因此導(dǎo)套的材料選擇青銅。2、潤(rùn)滑方式考慮到保養(yǎng)的效果和干凈性,選擇脂潤(rùn)

51、滑。3、尺寸的設(shè)計(jì)導(dǎo)套的外徑:d1=(1.21.6)d=(1.21.6)12=14.419.2故取d1=16mm環(huán)的寬度:b=(0.120.15)d=(0.120.15)16=1.920.288故取b=2.5mm第五章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5.1 三維建模 5.1.1 solidworks概述solidworks是功能強(qiáng)大的三維cad設(shè)計(jì)軟件,是美國(guó)solidworks公司開(kāi)發(fā)的基于windows操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件。solidworks相對(duì)于其他cad設(shè)計(jì)軟件來(lái)說(shuō),簡(jiǎn)單易學(xué),具有高效的、簡(jiǎn)單的實(shí)體建模功能,并可以利用solidworks集成的輔助功能對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)體模型進(jìn)行一系列計(jì)算機(jī)輔助分析,以便更好

52、地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要,節(jié)省設(shè)計(jì)成本,提高設(shè)計(jì)效率。solidworks通常應(yīng)用于產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)中,它將產(chǎn)品置于三維空間環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)工程師按照設(shè)計(jì)思想繪制出草圖,然后生成模型實(shí)體及裝配體,運(yùn)用solidworks自帶的輔助功能對(duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行模擬功能分析,根據(jù)分析結(jié)果修改設(shè)計(jì)的模型,最后輸出詳細(xì)的工程圖,進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)。由于solidworks簡(jiǎn)單易用并且有強(qiáng)大的輔助分析功能,已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中,如機(jī)械設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、電裝設(shè)計(jì)、消費(fèi)品產(chǎn)品及通信器材設(shè)計(jì)、汽車(chē)制造設(shè)計(jì)、航空航天的飛行器設(shè)計(jì)等行業(yè)中。solidworks集成了強(qiáng)大的輔助功能,使我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中可以方便地進(jìn)行三維瀏覽、運(yùn)動(dòng)模擬、碰撞和運(yùn)動(dòng)分析、受力分析及運(yùn)動(dòng)算例,在模擬運(yùn)動(dòng)中為動(dòng)畫(huà)添加馬達(dá)等。 5.1.2 solidworks 2011三維建模舉例下面將以裝釘模塊的工件載體零件作為例子,說(shuō)明solidworks 2011三維建模的過(guò)程。 1.雙擊桌面上的solidworks 2011的快捷方式圖標(biāo),啟動(dòng)軟件。 2.選擇【文件】-【新建】命令,在彈出的對(duì)話框中有3個(gè)圖標(biāo),單擊【零件】圖標(biāo),然后單擊【確定】按鈕,進(jìn)入默認(rèn)的工作環(huán)境。 3.單擊工具欄的保存按鈕,彈出【另存為】對(duì)話框,文件名取名為:工作載體,單擊保存。 4

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