毕业设计论文_多自由度铝合金机械手的设计与实现

毕业设计论文_多自由度铝合金机械手的设计与实现内容摘要：

13 夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。 必须对大小、方向和作用点进行分析计算。 一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变 化山东轻工业学院 2020 届本科生毕业设计 14 的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算： FN ≥ K1 K2 G 式中 K1 —— 安全系数，通常 ～ K2 —— 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响， K2 可近似按下式计算： K2 =1+ga，其中 a =响tvmax maxv —— 运载时工件最大上升速度 响t —— 系统达到最高速度的时间，一般选取 ～ G—— 被抓取工件所受的重力（ N） 计算：设 a=50mm， b=200mm， 10176。 ≤  ≤ 40176。 ，机械手达到 最高响应时间为 ，vmax =。 解：（ 1）设 K= K2 =1+ ga1+ 根据公式将已知条件带入： ∴ FN = 10 = N （ 2）根据驱动力公式得： F计算 = 2cos502020 30176。  N= N （ 3）取η = F实际 = = N 手抓夹持范围计算 为了保证手抓张开角为 60176。 ，活塞杆运动长度为 34mm。 手抓夹持范围，手指长200mm， 如图 32 所示。 当手抓没有张开角的时候，如图 (a)所示，根据机构设计，它的最小 夹持半径 R1 =40mm，当张开角 60176。 时，如图（ b）所示，最大夹持半径 R2 计算如下： R2 =   30ta n1 30co s4030ta n2 0 0 ≈ 121mm 山东轻工业学院 2020 届本科生毕业设计 15 ∴机械手的夹持半径从 40mm～ 121mm。 图 32 机械手的夹持精度图 销轴的选择与校核 销 轴 的材料为 45 钢，许用切应力  =80MPa，许用挤压应力  p =120MPa14 ，选取销轴的型号为 GB/T 882 870 销轴的抗剪强度公式：   422dFt 销轴的抗压强度公式：  ptp adF   215 抗剪强度422dFt = 42  抗压强度 p adFt2 =   p ，因此销轴合适。 设计完手部结构后，将手部的部件进行装配，装配图如图 33所示 16。 山东轻工业学院 2020 届本科生毕业设计 16 图 33 机械手手部装配图 第四章 机械手驱动装置的选择 机械手夹紧气缸的选择 气缸一般分为单作用气缸和双 作用气缸两类。 单作用气缸的特点是： （ 1） 缸内安装弹簧、膜 片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些；（ 2） 用弹簧力或膜片力等复位，压缩空气 能量的一部分用于克服弹簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输出力；（ 3）仅一端进（排）气，结构简单，耗气量小；（ 4） 气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。 由于以上特点，单作用活塞气缸多用于短行程。 其推力及运动速度均要求不高场合，如气吊、定位和夹紧等装置上。 单作用柱塞缸则不然，可用在长行程、高载荷的场合。 双作 用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。 其结构可分为双活塞杆式、双活塞式、单活塞杆式、缓冲式和非缓冲式等。 此类气缸使用最为广泛。 双活塞杆双作用气缸 有缸体固定和活塞杆固定两种。 缸体固定时，其所带载荷与气缸山东轻工业学院 2020 届本科生毕业设计 17 两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一腔排气），活塞杆带动工作台左右运动，工作台运动范围等于其有效行程的 3 倍。 安装所占空间大，一般用于小型设备上。 活塞杆固定时，为管路连接方便，活塞杆制成空心，缸体与载荷连成一体，压缩空气从空心活塞杆的左端或右端进入气缸两腔，使缸体带动工作台向左 或向左运动，工作台的运动范围为其有效行程的 2倍。 适用于中、大型设备。 本设计中 机械手 的 夹紧 和上升采用气缸控制，而手臂的旋转采用电机控制。 气缸直径 D 的计算 气缸的工作压力在 ～ 内，取 p空气 =， 活塞杆直径 d= ∵ F实际 = pdD4 22 ）（ ∴ D=）（空气 实际 F4 =)( 26   = ㎜ 选取气缸标准内径为： D=63 ㎜ 17 则活塞杆内径为 d=63 = ㎜，选取 d=32 ㎜。 确定气缸的型号 （ 1）气缸作用力的计算 F气缸 = p空气 4 dD 22 ）（  =1387 N＞ F实际 因此气缸的直径合适 （ 2）气缸行程的 确定 由于  =30176。 ，当爪部转动 30176。 时，两连接杆水平，所以气缸的行程为 s=a tan30176。 = ㎜， 连杆中导轨可运动的长度为 L=30cosaa = ㎜ （ 3）选择气缸 由 D=63 ㎜， s= ㎜， p= 选择气缸的型号为 CA1BN6350 机械手上升气缸的选择 手部重量的估算 山东轻工业学院 2020 届本科生毕业设计 18 由于上升气缸支持着气缸以上的所有工件的重量，因此选择此气缸应先估 算气缸以上的所有工件的重量。 取铝合金的密度为 ,手部的质量为： 2 g/cm3  [10  +  10 +（ +）  2 21 +2   1 2]cm3 = ㎏ 手部与气缸之间的连接部件的重量为： g/cm3  [ 1  2+6 9 +6122]= ㎏ 气缸的重量为： ㎏ 与气缸和机械手相连的底部托盘的重量为：    1= ㎏ 轴的重量为：  ( 515153+92 +  1+ 25 3=22 ㎏ 轴承的重量为： ㎏ 与下气缸相连的底盘的重量为： （  192    17） =㎏ 抓取物品的重量为 20 ㎏ 确定气缸的型号 气缸上部的总重量为 +++22+20= ㎏ 作用于气缸上的力为 F=K2 mg=  机械手上升的高度为 30 ㎜ 因此选择气缸的型号与水平放置气缸的型号相同，为 CA1BN6350 气缸控制回路原理图 在 41 为气缸的控制回路原理图， 1—— 气马达； 2—— 总阀； 3—— 分水滤气器；4—— 油雾器； 5—— 单向阀； 7—— 调速阀； 9—— 三位四通换向阀； 11—— 气缸 山东轻工业学院 2020 届本科生毕业设计 19 图 41 气缸控制回路原理图 电机的选择 电 机的类型及特点 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。 通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号 ，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。 可以通过控制脉冲个数来控制角 位移量，从而达到准确定位的目的；同时 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机分三种：永磁式（ PM） ，反应式（ VR）和混合式（ HB）。 永磁式步进 电机 一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 度 或 15 度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 ，但噪声和振 动都很大。 在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。 它又分为两相和五相：两相步进角一般为 度而五相步进角一般为 度。 这种步进电机的应用最为广泛 14。 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。 分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降 15。 同步电机分为同 步发电机和同步电动机。 现代发电厂中的交流机以同步电机为主。 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机山东轻工业学院 2020 届本科生毕业设计 20 运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。 同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。 近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。 这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调 节电网电压的目的 18。 电机的选择 （ 1）各部件转动惯量的估算 抓取零件的转动惯量： J1 =20㎏  = ㎏ 2m 手部的转动惯量： J2 = ㎏  = ㎏ 2m 连接部件的转动惯量： J3 = ㎏  = ㎏ 2m 与气缸和机械手相连的底部托盘的转动惯量： J4 = 121    4（ + ） = ㎏ 2m 轴的转动惯量： J5 = ㎏ 2m 气缸的重量和尺寸比较小，转动惯量可忽略 所以总转动惯量为 J总 = J1 + J2 + J3 + J4 + J5 = ㎏ 2m （ 2）选择电机 本设计中采用斜齿 伞齿减速电机，其输出转速为 r/min。 计算：已知电机效率为  =， 物体的总转动惯量为 J总 = ㎏ 2m ，物体的转速为n=，求电机的功率和扭矩。 解：由 P 2J21t  得 P=t2J2= )( 2  = W 选取 KA47R37DR63S4 型号的电机 16 ，其功率为 ，输出转速为 n=，最大额定转矩 T额 =290Nm ， m=32 ㎏ 电机的实际转矩 T实 =9549nP =9549  = Nm ＜ T额 ，因此电机合适。 （ 3）联轴器 的型号 的选择 电机与轴之间采用联轴器，由国标 GB/T38521997 选择联轴器的型号为 YL3 型凸缘联山东轻工业学院 2020 届本科生毕业设计 21 轴 器 19 ，重量为 ㎏ 轴承的选择 轴承的类型及特点 一 、 深沟球轴承的特点 ：（ 1） 在结构上深沟球轴承的每个套圈均具有横截面大约为球周长的三分之一 的连续沟型滚道。 它主要用于承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷；（ 2） 在轴承的径向游隙增大时，具有角接触球轴承的性质，可承受两个方向交变 的轴向载荷；（ 3） 摩擦小，转速高 ；（ 4） 结构简单，制造成本低，容易达到较高的制造精度 ；（ 5） 一般采用冲压浪形保持架，内径大于 200mm 或高速运转的轴承，采用车制实体保持架 20。 二 、 角接触球轴承的特点 ： 可同时 承受径向负荷和轴向负荷，转速较高，接触角越大，轴向承载能力越高。 单列轴承只能承受一个方向的轴向负荷，在承受径向负荷时，将引起附加轴向力。 并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移。 若是成对双联安装，使一对轴承的外圈相对，即宽端面对宽端面，窄端面对窄端面。 这样即可避免引起附加轴向力，而且可在两个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内。 角接触球轴承的变型结构多达 70多种。 （ 1） 名义接触角有 15176。 、 25176。 、 40176。 三种，接触角越大轴向承载能力 越高。 高精度和高速轴承通常取 15176。 接触角，在轴向力作用下，接触角会增大 ；（ 2） 一般为内圈或外圈带锁口，内、外圈不可分离。 外圈加热膨胀后与内圈、滚动体、 保持架组件装配。 装球数比深沟球轴承多，额定负荷在球轴承中最大，刚性强，运转平稳 ；（ 3） 可以利用内、外圈相互位移调整径向游隙。 常成对使用，并施加预负荷，以提高轴承刚性。 三 、 圆柱滚子轴承的特点 ：（ 1） 滚子与滚道为线接触，径向承载能力大，适用于承受重负荷与冲击负荷 ；（ 2） 摩擦系数小，适合高速，极限转速接近深沟球轴承 ； 21 （ 3）N型及 NU型可轴向移动，能适应因热膨胀或安装误差引起的轴与外壳相对位置的变化，可作自由端支承使用。 内圈或外圈可分离，便于安装和拆卸 ；（ 4） 对轴和座孔的加工要求较高，轴承安装后内外圈轴线相对偏斜要严加控制，以免造成接触应力集中 ；（ 5）内孔带 1： 12 锥度的双列圆柱滚子轴承，径向游隙可以调整，径向刚度高，适应于机床主轴 22。 轴承的选择 在本设计中 轴承需要承受很大的轴向力，所要承受的径向力十分的小，因此选用了 止山东轻工业学院 2020 届本科生毕业设计 22 推轴承和角接触球轴承，而角接触球轴承 公称接触角为 40176。 ，可以承受很大的轴向力，采用角接触球轴承的型号为 7236AC。 23 其外形如图 42所示。 图 42 轴承 轴的设计 在选定好轴承后 ，电动机输出地功率需要通过轴承与轴的连接传递到机械手，因此需要对轴进行设计。 由于在。