機(jī)械手設(shè)計(jì)說明書

指導(dǎo)老師：設(shè)計(jì)合作成員：一、設(shè)計(jì)工程名稱機(jī)械手臂手指機(jī)構(gòu)2二、設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)擬搬運(yùn)寬度尺寸90～110mm、質(zhì)量為5kg以內(nèi)的六菱柱形鋼質(zhì)工件，手指機(jī)構(gòu)帶水平轉(zhuǎn)盤。手指的動力驅(qū)動方式為液壓傳動。液壓傳動的機(jī)械手是以壓縮液體的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。三、設(shè)計(jì)要求(1)機(jī)械手為專用機(jī)械手，適用于夾六菱柱形鋼質(zhì)工件。(2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度。(3)主要設(shè)計(jì)出機(jī)械手的手部機(jī)構(gòu)。(4)液壓傳動系統(tǒng)液壓缸的選用四、設(shè)計(jì)方案4.1機(jī)械手根本形式的選擇機(jī)械手的典型結(jié)構(gòu)一般可分為：回轉(zhuǎn)型〔包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種〕、移動型〔移動型即兩手指相對支座作往復(fù)運(yùn)動〕和平面平移型。本設(shè)計(jì)采用二指回轉(zhuǎn)型手抓。4.2機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動本機(jī)械手的部件有齒輪、齒條、連桿和液壓缸等。主要的運(yùn)動有直動液壓缸驅(qū)動齒條的平動、齒輪和齒條的嚙合運(yùn)動、連桿的轉(zhuǎn)動和手抓的平行移動。4.3驅(qū)動方式的選擇本機(jī)械手的驅(qū)動方案采用液壓機(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。4.4機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表用途：卸碼垛機(jī)械手臂抓重：5kg抓取的物體的幾何形狀：寬度為90～110mm六菱柱形鋼質(zhì)工件機(jī)械手自重：小于等于10kg4.5機(jī)械工作原理機(jī)械手的夾工件的工作原理框圖如圖1所示。四連桿齒條齒輪傳動執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)四連桿齒條齒輪傳動執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)〔液壓傳動〕手爪夾持工件手爪夾持工件圖1.機(jī)械手夾工件的工作原理框圖該機(jī)械手采用了液壓驅(qū)動方式來實(shí)現(xiàn)其工作的要求，工作要求就是機(jī)械手能適應(yīng)六菱柱形鋼質(zhì)工件不同面的夾持，故帶有水平轉(zhuǎn)盤手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。傳動機(jī)構(gòu)采用齒條與齒輪嚙合。本機(jī)械通過液壓驅(qū)動傳遞動力推動齒條平動，齒條與齒輪嚙合將液壓缸傳來的水平運(yùn)動轉(zhuǎn)化為齒輪連桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。而齒條與齒輪嚙合驅(qū)動四連桿轉(zhuǎn)動，四連桿機(jī)構(gòu)使夾板水平移動，完成對工件的夾緊松開。機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2、圖3所示。手爪局部特點(diǎn)如下表述：1.機(jī)械手手部由手爪〔即夾板〕和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。機(jī)械手爪能夾寬度尺寸為90～110mm的工件，由于所夾工件是六菱柱形鋼質(zhì)工件，故在豎直方面上夾持會比擬方便設(shè)計(jì)和簡化機(jī)構(gòu)，手爪局部可以做成平面夾板，而機(jī)構(gòu)本身應(yīng)帶水平轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)以適應(yīng)不同角度的夾持。2.傳力機(jī)構(gòu)型式連桿杠桿式，夾板是與工件直接接觸的構(gòu)件，在豎直方向上夾持工件，夾板外表始終保持與工件側(cè)外表平行，通過夾板產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。圖2.機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)圖3.機(jī)械手除去端蓋部件正視圖4.6結(jié)構(gòu)說明本機(jī)械手從上至下主要部件分別是水平轉(zhuǎn)盤、液壓缸、齒條齒輪、四連桿、夾板。手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及夾持范圍計(jì)算〔如圖4〕a.齒輪設(shè)計(jì)：綜合考慮防止齒輪根切、加工方便、機(jī)械手結(jié)構(gòu)盡量小和簡單等因素，齒輪模數(shù)M=1，分度圓半徑為20mm。同時連桿1和齒輪做成一體能大大簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)。b.考慮到剛度和夾緊的需要確定L3=19c.確定D因?yàn)闄C(jī)械手要夾緊的工件的范圍是90～110mm，所以D<=90mm.而且D越大，機(jī)械手的體積越大。再結(jié)合已經(jīng)確定的齒輪的參數(shù)，應(yīng)選D=40。d.確定L2因?yàn)闄C(jī)械手要夾緊的工件的范圍是90～110mm，故L2=(110+19*2-40)/2=54.留下一定的設(shè)計(jì)余量，選L2=60。圖4.手爪結(jié)構(gòu)e.夾緊力和驅(qū)動力的計(jì)算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。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)。手指對工件的加緊力可按公式計(jì)算：〔3.2〕式中K1——平安系數(shù)，通常1.2--2.0；K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦浪鉑2=1+a/g〔其中a為重力方向的最大上升加速度a=Vmax/t響；Vmax——運(yùn)載時工件最大上升速度t響——系統(tǒng)到達(dá)最高速度的時間，一般選取0.03--0.5sK3——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〔N〕本設(shè)計(jì)采用的參數(shù)值如下：K1=1.6；K2=1+a/g=1+〔0.1/0.5〕/10=1.02；K3=1.5；G=50故得：FN>=1.6×1.02×1.5×50=122.4N計(jì)算驅(qū)動力：F計(jì)算=FN〔〔h+L2COSα〕-kb〕=122.4×〔〔47.5+80×cos18〕-0.15×18.11〕/20=739N實(shí)際驅(qū)動力：取η=0.95得F實(shí)際=F計(jì)算/η=739/0.95=778N液壓缸的直徑D選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.8~1MPa,4表1.液壓缸的缸筒內(nèi)徑尺寸系列表2.液壓缸活塞桿外徑尺寸系列表3.液壓缸活塞行程系列〔GB/T2349-1980〕根據(jù)表1，選取液壓缸內(nèi)徑為：D=16mm根據(jù)表2，那么活塞桿內(nèi)徑為:D=160.5=8mm，選取d=8mm行程選擇：當(dāng)夾住工件為90mm時，到達(dá)最小極限位置，那么夾板應(yīng)能夾住小于90，取a=40〔圖4〕，即齒輪轉(zhuǎn)過角度要為α齒條與齒輪配合，即齒條要走過L=20480360查表3，行程選擇最小行程25mm就可以滿足要求了4.6.3主要零件結(jié)構(gòu)說明a.齒條〔如圖5〕齒條的端部做成圓柱形，方便裝配。另外在齒條的端面打孔，一方面可以與液壓缸推桿端部很好的連接，另一方面可以方便定位，簡化優(yōu)化結(jié)構(gòu)。圖5.齒條b.齒輪連桿〔圖6〕齒輪與連桿做成一體，齒輪中心用軸連接，軸兩端用套筒和軸承固定在殼體上，齒輪連桿與長桿連接處有凸起，保證連接處間隙可調(diào)。圖6.齒輪連桿圖7.齒條與齒輪連桿嚙合c.軸承〔如圖8〕軸承使用的是脂潤滑軸承，該類軸承使用方便，潤滑性能優(yōu)異，耐高溫，保證使用精度，持久耐用。軸承與殼體上的軸承孔配合，用軸承蓋封裝起來，所以從外部看機(jī)械手整體，軸承就看不到，但是軸承是本機(jī)械手中非常重要的部件，它很好地減小摩擦，保證了連桿運(yùn)動的平穩(wěn)性。圖8.脂潤滑軸承圖9.連桿與軸、軸承配合d.連桿2〔如圖10〕其中與夾板連接的連桿2如下圖，連桿2的連桿部位設(shè)計(jì)成對稱形式，這樣就保證了鉸接處很好地運(yùn)動，并且在結(jié)構(gòu)上看起來也比擬美觀合理。e.夾板〔如圖11〕連桿連接，在豎直方向上可動。如果工件在未加工之前外表不平整，那么通過夾板在豎直方向上微動確保可以完全夾住工件。注：連桿連接處用鉸制螺栓連接圖10.連桿2圖11.連桿與夾板配合連接主要零件的工藝性a.底板〔如圖13〕底板做成彎折狀，毛壞直接鑄造得到，經(jīng)過精加工得到實(shí)體。殼體由兩塊底板連接合成得到。比照設(shè)計(jì)前期所做的底板〔如圖12〕及組成的整體機(jī)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)改良后的底板使結(jié)構(gòu)更加緊湊合理和保證了運(yùn)動的穩(wěn)定。圖12.改良前的底板及由底板裝配得到的機(jī)械手實(shí)體圖13.改良后的底板及由底板裝配得到的機(jī)械手實(shí)體b.齒輪連桿(如圖15)該零件是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵零件，比照前期設(shè)計(jì)〔如圖14〕，齒輪與連桿分開，雖然齒輪與連桿可以比擬容易得到，但是裝配起來會使得機(jī)構(gòu)臃腫并且不穩(wěn)定。改良后〔如圖15〕，將齒輪與連桿做成一體，從而節(jié)省了材料，同時又使得機(jī)械手的結(jié)構(gòu)變得緊湊，使得運(yùn)動平穩(wěn)。在加工方面，連桿上的齒可以采用線切割技術(shù)方便地得到，并且節(jié)省了材料，精度也得到了保障。此外，在連桿連接處設(shè)計(jì)了凸臺，這樣可以調(diào)整間隙而使得配合良好，而且因?yàn)橥古_是工作面，加工凸臺使得加工方便，并且連桿旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生摩擦，加凸臺會使得摩擦面減小，從而使機(jī)構(gòu)運(yùn)動平穩(wěn)。圖14.改良前的齒輪和連桿圖15.改良后的齒輪連桿c.連桿2該連桿在連接處設(shè)計(jì)成對稱形式〔如圖17〕，裝配后運(yùn)動穩(wěn)定，并且在結(jié)構(gòu)上裝配合理。比照前期〔如圖16〕的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在前期的設(shè)計(jì)容易發(fā)生振動，并且容易磨損。改良后的零件克服了以上弱點(diǎn)。并且改良后的結(jié)構(gòu)在鉸接處精度要求更高一些。圖16.改良前的連桿2圖17.改良后的連桿2六、小結(jié)1、本次設(shè)計(jì)的是液壓專用機(jī)械手，適用于夾寬度尺寸90～110mm、質(zhì)量為5kg以內(nèi)的六菱柱形鋼質(zhì)工件，設(shè)計(jì)出來的機(jī)械構(gòu)經(jīng)過驗(yàn)算后可以滿足要求。2、設(shè)計(jì)的過程中，通過大家集體討論得出初步方案，按照方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并不斷改良驗(yàn)算優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出大家滿意的結(jié)果。在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，應(yīng)該每隔一兩天小組成員一起討論，提出設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的各種問題并解決問題，這樣設(shè)計(jì)會比擬有效率并且可以集團(tuán)體智慧，時不時地找指導(dǎo)老師提供意見，綜合設(shè)計(jì)出最優(yōu)化結(jié)果。3、設(shè)計(jì)過程是對自己solidworks技能提升的過程，即使是