課程設(shè)計(劉軍安)

1、第三章 搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計方案3.2 機(jī)械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機(jī)械手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式可以分為以下四種：（1）直角坐標(biāo)型機(jī)械手；（2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；（3）球坐標(biāo)型機(jī)械手；（4）多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。其中，圓柱型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度高，占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手。3.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分，工業(yè)機(jī)械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。采用電機(jī)機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點。因此，機(jī)械手的驅(qū)動方案選擇電動

2、驅(qū)動和液壓驅(qū)動相結(jié)合的方式。3.2機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動在圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計要求，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機(jī)械手具有5個自由度：手抓張合、手部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂升降5個主要運(yùn)動。本設(shè)計機(jī)械手通過3個電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，先帶傳動，然后再通過齒輪傳動將運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)，平動和升降運(yùn)動。由4個大部件和3個電機(jī)及1個液壓泵組成：（1）手部，采用一個直線液壓缸，通過結(jié)構(gòu)運(yùn)動實現(xiàn)手抓的張合。（2）腕部，采用一個電動機(jī)通過帶傳動再齒輪傳動實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)。（3）臂部，采用電動機(jī)先帶傳動后齒輪齒條傳動來實現(xiàn)手臂平動1.2m。（4）機(jī)身，采用2個電機(jī)及帶傳動齒輪傳動來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。3

3、.4機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途：搬運(yùn)，用于車間搬運(yùn)。二、設(shè)計技術(shù)參數(shù)：1.抓重：60kg2.自由度數(shù)：5個自由度3.坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)4.最大工作半徑：1600mm5.手臂最大中心高：1248mm6.手臂運(yùn)動參數(shù)伸縮行程：1200mm伸縮速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s第四章 機(jī)械手的設(shè)計計算4.1 機(jī)械手手抓的設(shè)計計算本設(shè)計是設(shè)計平動搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計，考慮到所要求達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張合角60°，夾取重量為60kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部，按握持工件的原理，分為夾持和吸附兩類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體，不適合本方案。本設(shè)計機(jī)械手采

4、用夾持式手指，夾持式機(jī)械手按照運(yùn)動形式可分為會轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，這種手指結(jié)構(gòu)簡單，適于夾持平板方料，且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置，其理論夾持誤差為零。若采用典型的平移型手指，驅(qū)動力需加在手指的移動方向上，這樣會使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然不合適，因此不選擇這種類型。綜合考慮，本設(shè)計選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機(jī)械手手抓閉合，在壓力油的作用下，彈簧被壓縮，從而機(jī)械手的手指張開。 圖4.1 滑槽杠桿手部結(jié)構(gòu) 1 手指 2 銷軸 3 杠桿手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方

5、向和作用點進(jìn)行分析。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按公式計算：FNK1K2K3G式中 K1：安全系數(shù)，通常為1.2、2.0； K2：工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估算K2，其中a為重力方向的最大上升加速度：a=vmax/t響 Vmax：載時工件的最大上升速度 t響：系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般選取0.03-0.05s K3：方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇 G：被抓取工件所受重力計算：設(shè)a=100mm，b=50mm，10°<a< 40°，機(jī)

6、械手達(dá)到最高響應(yīng)時間為0.5s，求夾緊力FN和驅(qū)動力F。（1） 設(shè)K1=1.5K2=1+b/a=1+0.1/0.5/9.8=1.02K3=0.5根據(jù)公式，將已知條件帶入： 所以 FN（2） 根據(jù)驅(qū)動力公式得：F計算=（2x100/50）xcos30°x449.8=1378N（3） 取=0.85F實際=F計算/=1378/0.85=1621N為了保證手抓張開叫為60°，活塞桿運(yùn)動長度為34mm。手指長100mm，當(dāng)手抓沒有張開角的時候，如圖4.2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑R1=40；張開60°時，如圖4.2（b）所示，最大夾持半徑R2計算如下： R2

7、=100xtg30°+40cos30°=90（a） （b） 圖4.2 手抓張開示意圖4.2 腕部設(shè)計計算（1）具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點?；剞D(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于270°）。（2）齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角度大于270°的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。（3）具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。（4）機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。1. 腕部的驅(qū)動力矩需要克服的力矩M慣。2. 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩M

8、摩0.1M。夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量60kg，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)180°時，計算力矩：1. 手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算 G=x0.062x0.22x7800kg/m3x9.8N/kg=190N2. 摩擦力矩M摩=0.1 N·m3. 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度啟=18°=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角度=2.616s-2 M慣=（J+J工件）2/2啟 J=1/2MR2=1/2x(190/9.8)x0.062=0.0342N·m·s2 J工件=G/12g（l2+3R2）=

9、60x9.8x(1+3x0.052)/(12x9.8)=5.0125N·m·s2代入： M=M慣+M摩=M慣+0.1M M=55/0.9=61.11N·m4.3 臂部的設(shè)計及有關(guān)計算一、臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕（1）根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。（2）提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。（3）合理布置作用力的和方向。（4）注意簡化結(jié)構(gòu)。（5）提高配合精度。二、臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小機(jī)械手手部的運(yùn)動速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對于高速運(yùn)動的機(jī)械手，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在180°/s內(nèi)，大部分平均移動速度為100

10、0mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在90°/s。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性最有效、最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。三、手臂動作應(yīng)該靈活為減少手臂運(yùn)動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機(jī)械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位鍵布置合理，使手臂運(yùn)動盡可能平衡，以減少升降軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死。為此必須計算使之滿足不自鎖的條件。分析：不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。下圖是機(jī)械手的手臂示意圖，本設(shè)計是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮崗的兩側(cè)。計算：導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選側(cè)鑄鐵總=1070N，L=1.69-0.28=1.4m，導(dǎo)向支撐a設(shè)計為0.016m將相關(guān)數(shù)據(jù)代入：F摩=G總（2L/a）=1070x0.3x2x（1.41+0.16）/0.16=59