机械手课程设计工业机械手设计.doc

仲恺农业工程学院机械系统设计课程设计说明书设计题目：工业机械手设计学院：机电工程学院 班级：机械电子091班 学号：200910834127 姓名：朱小华 指导老师：张日红、关秋菊、施俊侠 完成日期：2012-5-25 第一章 机械手设计任务书31.1课程设计目的31.2设计内容和要求3第二章 腕部设计42.1腕部设计的基本要求42.2碗部的机构设计42.3碗部设计的计算62.4拉紧装置原理7第三章 手臂的设计83.1手臂旋转机构设计83.2驱动力矩的计算103.3缸盖联接螺钉和动片联接螺钉计算113.4夹紧缸弹簧的确定12第四章液压系统控制134.1液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表134.2 机械手总的液压控制图134.3 现场器件跟PLC的连线144.4 PLC三菱编程梯形图：15第五章 参考文献20第一章 机械手设计任务书1.1课程设计目的课程设计是一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程设计问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。其主要目的：一、 培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。二、 培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。三、 培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。四、 培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。1.2设计内容和要求 （一）原始数据及资料 （1）原始数据： a、生产纲领：100000件（两班制生产） b、自由度（四个自由度） 臂转动210° 臂上下运动 300mm 臂升长（伸缩） 400mm 手部转动 ±180° （2）设计要求： a、上料机械手结构设计图、装配图、各主要零件图（一套） b、液压原理图（一张） c、设计计算说明书（一份）（3）技术要求 主要参数的确定：a、 坐标形式：圆柱坐标b、 抓重：200Nc、 自由度：4个d、 臂的运动行程：伸缩运动400mm，回转运动210°， 升降运动300mme、 臂的运动速度：伸缩运动250mm/s，回转运动90°/s升降运动70mm/s f、 腕部的运动行程：回转运动180° g、 腕部的运动速度：回转运动90°/s h、 定位方式：电位器（或接近开关等）设定，点位控制 i、 手指夹持范围：棒料直径5070mm，长度4501200mmj、 驱动方式：液压（中、低系统）k、 定位精度：±3mml、 控制方式：PLC控制（二）料槽形式及分析动作要求（1）料槽形式 由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自用输送的输料槽，该装置结构简单，不需要其他动力源和特殊装置，所以本课程题采用此种输料槽。（2）动作要求分析如图1.1所示 动作一：送料 动作二：预夹紧 动作三：手臂上升 动作四：手臂旋转 动作五：小臂伸长 动作六：手腕旋转图1.1要求分析第二章 腕部设计腕部是连接手部和臂部的部件，它的作用主要是在臂部运动基础进一步改变或调整手部在空间的方位，使机械适应复杂的动作要求。2.1腕部设计的基本要求1）力求结构紧凑，重量轻。2) 必须考虑的工作条件。在高温作业和腐蚀性介质中工作，考虑热膨胀，压力油的粘度和有关材料及电控制元件的耐热性。2.2碗部的机构设计1)选取手腕部分的自由度。如下图2-1所示，手腕运动有：绕X轴转动称为回转运动；绕Y轴转动称为上下摆动；绕Z轴称为左右摆动。这里选用一个自由度的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的机构简单紧凑，灵巧，能基本满足工作要求。 图2-1 腕部的自由度（1臂部 2腕部 3手部）2) 采用具有一个自由度的回转缸驱动的腕部机构，直接用回转液体压驱动来实现腕部的回转，具有机构紧凑，灵活等优点。如图下图2-2所示的腕部结构，采用一个回转液压缸，实现的旋转运动。从A-A剖面视图上可以看出，回转叶片（简称动片）用螺订，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5，7进出油涳，实现手部12的旋转。图2-2用一个回转液压力缸实现腕部旋转的结构2.3碗部设计的计算基本参数：抓重G=200N,回转符号= ，行程，速度<,以最大负荷计算，当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，用估算法，工件重100N，长度取1100mm,如图2-3所示。 图2-3 腕部受力简图腕部回转时，需要克服以下几种阻力。1）计算扭矩设重力集中于离手指中心350mm处，即扭矩为：=200x0.35=702) 油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩F=5kg, S=10cm=3)摆动缸的磨擦力矩 =250N （估算值） S=15mm （估算值）=S= 3.754）摆动缸的总摩擦力矩M=70+4.9+3.75=78.65由公式/8 B-叶片密度,这里取b=3cm-摆动缸内径,这里取12cm ，取4cm 。所以代入公式得 P=8T /=8x43.65/0.03x(0.12-0.04)x10=0.909又因为 所以 Q =W () =0.754/s =75.4/s2.4拉紧装置原理 如图所示,油缸右腔停止进油时,弹簧力夹紧工作,油缸右腔进油时松开工件。1） 右腔推力，取油缸内径D=45mm，油缸压力P=3179.25N2） 根据钳爪夹紧的方位，查出当量夹紧力计算公式为： F 其中=2150=300N ，代入上公式有 F=1350N 则实际夹紧力为 取 =1.5 ，=1.1 ，=0.85则有 =2620.59 N 经圆整取=2700 N3） 计算手部活塞杆行程长L，即 =12.99mm 经圆整取L=13mm第三章 手臂的设计3.1手臂旋转机构设计手臂回转后液压缸的设计计算，手臂回转时所需的驱动力矩，采用回转液压缸实现手臂回转运动时，其受力情况可化简成图4-20。图4-20 手臂回转运动时的受力图驱动手臂回转的力矩M驱，与手臂起动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装置的摩擦阻力矩M摩相平衡。 M驱M惯+M摩+M回 （31）（1）M摩密封装置处的摩擦力矩（N·m） M摩M摩+M摩” 估计取 F=350N ,F”=600N 估计取 回转缸内径D=200mm ,输出轴与动片联接处的直径 d=80mm , 动片宽度b=100mm M摩=FR350×0.15÷226.25N·m M摩”2F”R2×600×0.15÷2=90N·m 所以， M摩26.25+90=116.25N·m(2)M手臂起动时的惯性力矩M=J0=式中 回转缸动片的角速度变化量（rad/s），在起动过程中=，取=60°/s起动过程的时间（s）,取=0.5sJ0手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（N·m·s2）。若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为， 则J0=Jc+式中 Jc回转零件对重心轴线的转动惯量Jc=取手臂回转零件质量m=120Kg，回转时手臂长度l=1100mmJc=12.1Jo=12.1+120×0.352=26.8M惯12.1x=25.33N·m M回回转液压缸回油腔的背压反力矩M回=取,M回=562.5 N·mM驱=149.5+25.33+562.5=737.3 N·m3.2驱动力矩的计算 如图4-21所示回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M驱M驱=图4-21 回转液压缸计算图(一) 回转缸内径D的计算根据 M驱= M驱M驱=式中 D回转缸内径（m） M驱作用在动片的外载荷力矩 p回转液压缸的工作压力（Pa） d输出轴与动片联接处的直径（m），初步设计时按 选取 b动片宽度（m）D=0.21m为减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度（即液压缸宽度）时，可选用所以 3.3缸盖联接螺钉和动片联接螺钉计算（1）缸盖联接螺钉计算 缸盖与回转液压缸的缸体用螺钉联接时，其螺钉的强度计算方法与伸缩液压缸缸盖螺钉强度计算方法相同。（2）动片与输出轴联接螺钉计算 动片与输出轴用螺钉联接的结构见图4-22。联接螺钉一般为偶数，对称地安装，并用两个销钉定位。联接螺钉的作用是：使动片与输出轴的配合面紧密接触不留间隙，当油腔通高压油时，动片受油压作用，产生一个合成液压矩，克服输出轴上所受的外载荷力矩。动片的受力情况如图4-22b所示。依动片所受力矩的平衡条件，有：图4-22 动片与输出轴联接方式及动片受力图于是得 式中 FQ每个螺钉的预紧力（N）Z螺钉数目，Z=6f被联接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取f=0.15所以 螺钉的强度条件为常用螺钉材料的屈服极限螺钉材料为45号钢，所以取MPa所以 3.4夹紧缸弹簧的确定弹簧工作载荷F=50N最大轴直径最小筒直径弹簧刚度查机械设计手册表30.28圆柱螺旋压缩弹簧的尺寸及参数得材料直径d=2.5mm,弹簧中径D=25mm,节距P=10.4mm .单圈弹簧工作极限载荷下变形量为7.075mm，单圈弹簧刚度。 (3.7)曲度系数1.14，G弹簧材料的剪切弹性模量，钢材G=Z=110mm,则活塞缸总长L=150mm。第四章 液压系统控制4.1液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表电磁铁序号动作循环1234567891011121314臂部伸缩伸出伸出缓冲缩回缩回缓冲+臂部升降上升上升缓冲下降下降缓冲+臂部回转正转正转缓冲反转反转缓冲停止+腕部回转正转正转缓冲反转反转缓冲停止+夹持夹紧松开+原位卸荷+4.2 机械手总的液压控制图4.3 现场器件跟PLC的连线4.4 PLC三菱编程梯形图：第五章 参考文献 1、机械设计手册 机械工业出版社,徐灏主编 2、工业机器人 北京理工大学出版社,张建民著 3、液压传动 机械工业出版社,丁树模主编