人人文库网 > 图纸下载 > 毕业设计 > 机床上下料机械手设计【8张CAD图纸和毕业论文】

机床上下料机械手设计说明书.doc

机床上下料机械手设计【8张CAD图纸和毕业论文】

资源目录

机床上下料机械手设计【全套CAD图纸和毕业论文】.rar

机床上下料机械手设计说明书.doc---(点击预览)

半联轴器-A3.dwg

回转主轴-A3.dwg

回转底座-A1.dwg

回转架-A2.dwg

大臂-A2.dwg

小臂-A2.dwg

底座-A1.dwg

机械手装配图-A0.dwg

压缩包内文档预览：(预览前20页/共38页)

编号：11331819 类型：共享资源大小：819.09KB 格式：RAR 上传时间：2018-11-13 上传人：好资料QQ****51605 IP属地：江苏

200
积分

版权申诉 word格式文档无特别注明外均可编辑修改；预览文档经过压缩，下载后原文更清晰！ 立即下载

关键词：: 全套CAD图纸和毕业论文机床上下机械手设计全套 cad 图纸以及毕业论文

资源描述：

【温馨提示】购买原稿文件请充值后自助下载。

以下预览截图到的都有源文件,图纸是CAD，文档是WORD，下载后即可获得。

预览截图请勿抄袭，原稿文件完整清晰，无水印，可编辑。

有疑问可以咨询QQ：414951605或1304139763

摘要

机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

本文讲述了机床上下料机械手设计。首先，通过对机械手现状进行全方位调研，在此基础上提出了机械手方案；接着，设计计算了各主要构成件的结构尺寸；然后，对气动及控制系统进行了设计；最后，通过AutoCAD制图软件绘制了上下料机械手装配图、主要零件图。

通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了起重机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。

关键字：上下料，机械手，设计校核，控制

Abstract

A manipulator is also known as an automatic hand that can mimic the action functions of the hand and arm, which is used to capture, carry objects or operate tools according to a fixed program.

This paper describes the design of the manipulator on the machine tool. First, through a comprehensive survey of the status of the manipulator, the manipulator scheme is proposed on this basis. Then, the structure and size of the main components are calculated and calculated. Then, the pneumatic and control system is designed. Finally, the assembly drawing of the manipulator and the main parts drawing are drawn by the AutoCAD drawing software. .

Through this design, it has consolidated the professional knowledge of the University, such as mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and interchangeability theory, mechanical drawing, and so on. It has mastered the design method of the lifting machinery products and can use AutoCAD drafting software skillfully, which is of great significance for the future work to work in life.

Key words: Loading and unloading, Manipulator, Design check and control.

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外机械手的研究及发展现状 1

1.3主要内容 2

第2章总体方案设计 3

2.1设计要求 3

2.1.1 任务要求 3

2.2结构及原理分析 3

2.3总体方案设计 3

2.3.1驱动方案选择 3

2.3.2手部方案选择 3

2.3.3机械臂、机身、机座方案 4

2.3.4整体方案确定 4

第3章动力及驱动机构设计 5

3.1电动机的选择 5

3.1.1 扭矩的计算 5

3.1.2 启动矩频特性校核 6

3.2回转减速器的选择 6

3.3回转主轴及轴上零件的设计与校核 7

3.3.1尺寸与结构设计计算 7

3.3.2强度校核计算 7

3.3.3轴上零件的选择与校核 9

3.4气缸的选择 11

3.4.1安装方式 11

3.4.2作用力大小 11

3.4.3活塞行程 11

3.4.4汽缸型号选择 12

第4章执行机构的设计 13

4.1大臂、小臂的设计 13

4.1.1受力分析 13

4.1.2内力图的绘制 20

4.1.3宽度、钢板厚度的选取 21

4.1.4危险截面处高度计算 21

4.2抓爪的设计 22

4.2.1抓爪的受力分析 22

4.2.2抓爪的精度分析 25

4.3连接销轴的校核 25

4.4回转底座的设计 26

第5章控制系统设计 27

5.1 PLC控制简介 27

5.2机械手的控制 27

总结 30

参考文献 31

致谢 32

第1章绪论

1.1研究背景及意义

目前，由于劳动力成本和技术问题，国内机床的上下料仍然采用人工上下料，不仅效率低、精度低，而且工人的劳动强度大，存在操作者发生安全事故的隐患。有些机床生产厂商为了防止操作者发生安全事故，在机床上加入了一些防护措施，如加入光电保护器等；但这不能从根本上防止操作者的安全。因此，设计机械手以代替人工进行上下料的操作就变得十分重要。本设计就是根据这一工程应用需要，设计上下料机械手。

随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中液压机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。

全部文件.png

机械手装配图-A0.png

半联轴器-A3.png

大臂-A2.png

底座-A1.png

回转底座-A1.png

回转架-A2.png

回转主轴-A3.png

小臂-A2.png

目录.PNG

内容简介：: 毕业设计（论文）课题：机床上下料机械手设计所在学院：专业：班级：姓名：学号：指导教师： 2018 年 4 月 25 日 I 摘要机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。本文讲述了机床上下料机械手设计。首先，通过对机械手现状进行全方位调研，在此基础上提出了机械手方案；接着，设计计算了各主要构成件的结构尺寸；然后，对气动及控制系统进行了设计；最后，通过 AutoCAD 制图软件绘制了上下料机械手装配图、主要零件图。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了起重机械产品的设计方法并能够熟练使用 AutoCAD 制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键字：上下料，机械手，设计校核，控制 II Abstract A manipulator is also known as an automatic hand that can mimic the action functions of the hand and arm, which is used to capture, carry objects or operate tools according to a fixed program. This paper describes the design of the manipulator on the machine tool. First, through a comprehensive survey of the status of the manipulator, the manipulator scheme is proposed on this basis. Then, the structure and size of the main components are calculated and calculated. Then, the pneumatic and control system is designed. Finally, the assembly drawing of the manipulator and the main parts drawing are drawn by the AutoCAD drawing software. . Through this design, it has consolidated the professional knowledge of the University, such as mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and interchangeability theory, mechanical drawing, and so on. It has mastered the design method of the lifting machinery products and can use AutoCAD drafting software skillfully, which is of great significance for the future work to work in life. Key words: Loading and unloading, Manipulator, Design check and control. III 目录摘要 I ABSTRACT.II 第 1 章绪论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外机械手的研究及发展现状 1 1.3 主要内容 2 第 2 章总体方案设计 3 2.1 设计要求 3 2.1.1 任务要求 .3 2.2 结构及原理分析 3 2.3 总体方案设计 3 2.3.1 驱动方案选择 3 2.3.2 手部方案选择 3 2.3.3 机械臂、机身、机座方案 4 2.3.4 整体方案确定 4 第 3 章动力及驱动机构设计 5 3.1 电动机的选择 5 3.1.1 扭矩的计算 .5 3.1.2 启动矩频特性校核 .6 3.2 回转减速器的选择 6 3.3 回转主轴及轴上零件的设计与校核 7 3.3.1 尺寸与结构设计计算 7 3.3.2 强度校核计算 7 3.3.3 轴上零件的选择与校核 9 3.4 气缸的选择 11 3.4.1 安装方式 11 3.4.2 作用力大小 11 3.4.3 活塞行程 11 3.4.4 汽缸型号选择 12 第 4 章执行机构的设计 13 4.1 大臂、小臂的设计 13 4.1.1 受力分析 13 4.1.2 内力图的绘制 20 IV 4.1.3 宽度、钢板厚度的选取 21 4.1.4 危险截面处高度计算 21 4.2 抓爪的设计 22 4.2.1 抓爪的受力分析 22 4.2.2 抓爪的精度分析 25 4.3 连接销轴的校核 25 4.4 回转底座的设计 26 第 5 章控制系统设计 27 5.1 PLC 控制简介 27 5.2 机械手的控制 27 总结 30 参考文献 31 致谢 32 1 第 1 章绪论 1.1 研究背景及意义目前，由于劳动力成本和技术问题，国内机床的上下料仍然采用人工上下料，不仅效率低、精度低，而且工人的劳动强度大，存在操作者发生安全事故的隐患。有些机床生产厂商为了防止操作者发生安全事故，在机床上加入了一些防护措施，如加入光电保护器等；但这不能从根本上防止操作者的安全。因此，设计机械手以代替人工进行上下料的操作就变得十分重要。本设计就是根据这一工程应用需要，设计上下料机械手。随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中液压机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。 1.2 国内外机械手的研究及发展现状机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司，专门生产工业机械手。 1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 2 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。一般概况国内机械行业应用的机械手绝大部分为专用机械手，附属于某一设备，其工作程序是固定的。通用机械手也有发展，目前应用的都是开关式点位控制型，伺服型已试制出数台在调试中，连续轨迹控制型还没有。控制方式有触点固定程序控制占绝大多数，专用机械手多采用这种控制。 1.3 主要内容首先要仔细阅读任务书所指出的功能要求，确定上下料机械手的设计方案，根据所需的功能初步选定合适的手臂结构、末端执行器结构的方案，确定整体结构，对机械系统运动方案及执行机构进行合理的设计；独立完成产品的机械结构设计、元件选型、关键零件受力分析和强度校核；接着画出机械手的零件图和装配图；最后写出设计说明书并整理资料。 3 第 2 章总体方案设计 2.1 设计要求 2.1.1 任务要求本课题要求设计一台抓取典型工件直径为 50mm，结构相对简单，手臂运动范围较大，且有较高的定位准确度的用于生产线流水线上取送工件的 4 自由度、关节式坐标的机床上下料机械手。 2.2 结构及原理分析上下料机械手也被称作自动手，能够模仿人手臂的抓取、搬运、操作等动作，具有延伸人躯体功能的作用。机械手在自动化生产线上有着广泛的应用上，如物料搬运、焊接、加工中心等。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。工件直径为 50mm，拟定重量为 15kg，按工业机械手的分类，属于小型，按用途分为通用机械手，其特点是具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样，通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适合于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。圆柱坐标式机械手与直角坐标式械手相比，占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到很高的定位精度，因此应用广泛。 2.3 总体方案设计 2.3.1 驱动方案选择驱动系统分为气动、液动、电动和机械式，本次伟车间流水线作业，且要求灵活轻便，因流水线气源丰富，取用方便故选用气动驱动，另外为了满足取放工件时 360回转，回转自由度采用电机驱动，即，本次采用气动、电动组合的方式。 2.3.2 手部方案选择手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件，一般情况下多采用两个手指。本设计考虑到设计的简便，采用了滑槽式杠杆型的手部结构，简图如下。 4 图 2-1 滑槽式杠杆型的手部结构简图驱动杆可以连接气缸，由气缸带动其往复运动从而让手指夹紧或放松。 2.3.3 机械臂、机身、机座方案（1）机械臂选用滑块连杆机构的关节型机械手臂结构，关节驱动选用气压传动的方式，靠连杆的伸缩来实现手臂的弯曲功能，具体可以参考小型机械手结构设计与研究文献中所说的设计。（2）机座和机身可以选用固定式机座类型，腰部回转传动机构，机身可做 360 度回转运动提供空间上的旋转自由度，其动力靠步进电机供给，并通过机座内部的蜗轮蜗杆减速器提供减速传动比。 2.3.4 整体方案确定通用机械手是 36 个自由度，而本次设计为 4 自由度、关节式坐标的机床上下料机械手，其结构简图如图 2-1：图 2-2 机械手结构简图由图 2-1 可以看出通过电机驱动涡轮减速器 4 的顺时针转动或者逆时针转动来带动上面的整个回转台进行转动从而带动整个机械手转动，气缸 1 的收缩与推出带动大手臂在上下方位上进行摆动，气缸 2 的收缩与推出将会带动小手臂在前后方位上的摆动，而气缸 3 的收缩与推出则会带动机械手手爪的闭合与张开。这样的工作过程是为了能够更好的对机械手进行准确的控制，来完成工件的上下料任务。 5 第 3 章动力及驱动机构设计 3.1 电动机的选择 3.1.1 扭矩的计算伺服电机最大静转矩是指电机的定位转矩。伺服电机的名义启动转maxjM 矩与最大静转矩的关系是；mpMj maxjp 伺服电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。伺服电机所需空载启动力矩按下式计算： 0Mkfakq 式中：空载启动力矩；kqM 空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机a 轴上的加速力矩；空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；kf 由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩；0M 而且初选电机型号时，应满足伺服电动机所需空载启动力矩小于伺服电动机名义启动转矩，即： maxjpkqM 计算的各项力矩如下：kqM 加速力矩 =J2521 /08.iR =1.810 51 = 26.0mKg 6 m rvnpb40360514836maxax 2112max 10642)080(160 tnJMkq =0.519N/m 空载摩擦力矩 =0.648.02 796.130 iLGfkf mN 附加摩擦力矩 )1(2200iFMYJ = = )9.(48.2mN.1 0kfakq =0.519+0.6+1.222=2.341 =0.95125=23.775maxjqMmN 3.1.2 启动矩频特性校核伺服电机有三种工况：启动、快速进给运动、工进运行。前面提出的，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转maxjqk 矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。伺服电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少见。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载力矩中的加速力kqM 矩不会很大。一般不会发生丢步现象。kaM 3.2 回转减速器的选择 7 臂部回转的速度和加速度都不应过大,所以减速环节就要有较大的传动比, 这里采用蜗轮、蜗杆一级减速,没有采用多级齿轮减速(其一级减速齿轮太大), 其基本参数如下: 传动比:i=41 中心距;a=100mm 蜗杆头数 Z2=1,蜗轮齿数 Z2=Iz1=41 齿形角 =20 模数 m=4 蜗轮变位系数 X2=-0.5 蜗杆轴向齿距 Px=m 蜗杆分度圆直径 d1=mz1/tan=40(标准值) 蜗轮分度圆直径:d2=m Z2=2a1-d1-2 X2m=80-18=160 3.3 回转主轴及轴上零件的设计与校核 3.3.1 尺寸与结构设计计算（1）传动轴上的功率 P1,转速 n1 和转矩 T1 ，，kwP5.0min/10rnmNT3.10 （2）初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料 45 钢，调质处理。 3PdCn 根据机械设计表 11.3，取，于是得：12md5.410.231 该处开有键槽故轴径加大 510，且传动轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径，为了与减速器输出轴直径保持一致。取；1 md341 。mL51 （3）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度为了满足大带轮的轴向定位的要求 2 轴段左端需制出轴肩，轴肩高度轴肩高度，取故取 2 段的直径，长度。dh07.mh3d39L472 初步选择滚动轴承。因轴承只受径向力的作用，故选用深沟球轴承。根据，查机械设计手册选取 0 基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承d392 6208，故，，轴承采用轴肩进行轴向定位，轴肩47l73 高度轴肩高度，取，因此，取。dh0.h5.2md4564 齿轮处由于齿轮分度圆直径，故采用齿轮轴形式，齿轮宽度md91 B=95mm，齿故取。另考虑到齿轮端面与箱体间距 10mm 以及两级齿轮间9l 位置配比，取，。m74l6 （4）轴上零件的周向定位 8 查机械设计表，联接大带轮的平键截面。mlhb45810 3.3.2 强度校核计算（1）求作用在轴上的力根据机械设计（轴的设计计算部分未作说明皆查此书）式(10-14)，则 NtgFdTntrt 75.68207.184a.90.23Np5. （2）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取 a 值。对于 6208 型深沟球轴承，由手册中查得 a=18mm。因此，轴的支撑跨距为 L1=90mm。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面 C 是轴的危险截面。先计算出截面 C 处的 MH、MV 及 M 的值列于下表。载荷水平面 H 垂直面 V 支反力 F ，NNH143NF126 ，NFNV237156 C 截面弯矩 M mLNH8532 m MLaNV1432 总弯矩 MV 6858222max 扭矩 T490 9 （3）按弯扭合成应力校核轴的强度根据式(15-5)及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取，6.0 轴的计算应力： MpaWTMca 61.28351.024980684)( 2222 已选定轴的材料为 45Cr，调质处理。由表 15-1 查得。因此70P- ，故安全。1-ca （4）键的选择采用圆头普通平键 A 型（GB/T 10961979）连接，联接大带轮的平键截面，。齿轮与轴的配合为，滚mlhb45810Mpap10 76Hr 动轴承与轴的周向定位是过渡配合保证的，此外选轴的直径尺寸公差为。m 3.3.3 轴上零件的选择与校核（1）轴承 10 根据前述计算选用的轴承为 6203 型深沟球轴承。由滚动轴承样本可查得,轴承背对背或面对面成对安装在轴上时,当量载荷可以按下式计算： 22213418097351.0ANHV NRF0a222231094519.37BNHV378aaFN 计算动量载荷在设计时选用 6208 深沟球轴承,查手册知079.2,65.8CkNk 根据 ,查得 143.7iA0.27e80.92251.3BR 查得所以,XY.7519.37PAN 校核轴承的当量动载荷已知 ,所以280hL336 602.74807. 7.5911nCP kC 故选用该轴承合适。（2）联轴器根据联轴器的计算转矩选择联轴器的类型；联轴器的计算转矩： 950wwczt ztnPTKKTn 式中理论转矩，N.m 驱动功率，kW 工作转速，r/minn 动力机系数；电动机取 1.0w 工况系数，查表可得取 1.25K 启动频率，查表可得启动频率 120 时，可取 1.0z 11 温度系数，查表可得，取 1.0tK 公称转矩，N.m，见各联轴器参数表。nT 代入各数据可得： 95013.wwczt ztPKNmn 考虑到电动机输出轴的直径是 42mm，主轴端部轴径为 40mm，两端的轴径不同，且必须满足，最终确定联轴器型号为型无沉孔基本型cT4JM 联轴器。（3）键选择键联接的类型和尺寸联轴器处选用单圆头平键，尺寸为 mlhb3678 校核键联接的强度键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压力为 MPaP120 键的工作长度 mbl328621 ，合适 PP MadlkT5.485.0.92131 3.4 气缸的选择本设计中用到的气缸是根据德国 Festo 公司提供的型号选用的 2。 3.4.1 安装方式根据工作要求和条件，选择双作用双耳环气缸。 3.4.2 作用力大小负载力 F，负载率 =70%，气缸输出力 F 拉=F，F 推=F，气体压力 P=0.6MPa，由公式 F 拉 = 2d DP （3.6）和 F 推 = 2d -DP （3.7）由于 F 拉F 推，T=FR（其中 R 为力臂），在气缸输出力计算时，选择 F 拉为代表计算即可。 3.4.3 活塞行程 12 气缸的行程由 3.2 节各个关节运动学分析和气缸的行程要小于它的最大行程决定。 3.4.4 汽缸型号选择（1）大臂驱动气缸的选择关节力矩最大值为 Tmax=40 Nm，取 d=0.3D，可得气缸缸径为 D=36mm，行程为 160 mm，气缸型号为 DNG-36-160-PPV-A，气缸如图 3.11 所示。（2）小臂驱动气缸的选择关节力矩最大值为 Tmax=30 Nm，取 d=0.3D，可得气缸缸径为 D=36 mm，行程为 160 mm，气缸型号为 DNG-36-160-PPV-A，气缸如图 3.11 所示。（3）抓爪驱动气缸的选择关节力矩最大值为 Tmax=20 Nm，取 d=0.3D，可得气缸缸径为 D=32mm，行程为 80 mm，气缸型号为 DNG-32-80-PPV-A，气缸如图 3.11 所示。图 3.11 DNG-32-80-PPV-A 气缸 13 第 4 章执行机构的设计 4.1 大臂、小臂的设计本次设计计算以小臂为例，大臂设计计算方式类似不一一叙述。 4.1.1 受力分析取小臂及抓爪为研究对象，如图 4.1 所示，在该工况下存在的力有：小臂及抓爪各部件所受到的重力；作用在抓爪上的抓取力，包括切向阻力，法iG1W 向阻力，侧向阻力。2W3 HK-连杆 HN-摆杆 C-大臂下铰点 A-大臂气缸下铰点 B-大臂与大臂气缸的交点 F-大臂上铰点 D-小臂气缸上铰点 E-小臂气缸下铰点 G-抓爪气缸下铰点 Q-抓爪下铰点 K-抓爪上铰点 V-抓爪抓爪当处于以上位置时，由图 4.1 知以下的角度关系。 201min2 根据前面的已知的角度可求得： = ，由图 4.1 所示可知，向量 CF 可216 以表示为：向量 389cos()in(62)CF = 5162i 14 图 4.1 F 点坐标计算简图由前面的计算结果可知，，26.9ZFC8231DFlm 在中 =DE90 7.cos0.79E 通过上式可解得 =71.5 同样在前面我已经确定了在四边形 CDEF 中FQ =EFC26.90.8.4 由以上的角度关系可表达出向量 FV,设向量 FV 与 X 轴的夹角为，则可知：180(36018.450)62 则取正值就是39. 向量 FV= 23()cos1.4in0.l =3580.86 s14 连杆机构的总传动比为 r，抓爪气缸对 N 点的作用力臂为；连杆 HK 对r N 点的作用力臂为；连杆对 Q 点的作用力臂为；抓爪对 Q 点的作用力臂2r 3r ；4r 132243sin5si160823n735.8rl mNHKlrm13248.0.66.51ri 则可得此时抓爪的理论抓取力： 34810ODFi N 切向阻力：1W 抓爪的重心到 Q 点的水平距离为 2r 15 =2r 3cos140.57.82lm 取抓爪为研究对象，如图 4.3 所示，并对 Q 点取矩，则有： 132 0()QODMFWlGr 代入数值可得： 51(0.468).4860.5780 51.2N 法向阻力的求解：2W 小臂及抓爪所受重力对 C 点的力矩有： 12523462()()0.7Ci FMGXGXX4 41 1.730.9.6.)(coscs39.)062cos62i ll l 42 12coscs.o2l l 把，，的值代入上式得：1l35()0.81CiMGN 到 C 点的距离为：1W0r 23coslCFV =148.6839.15cos(6018.450) =2808.89 mm 到 C 点的距离为：2W1r1sin389.5sin01.637.4rFVm 法向阻力决定于大臂气缸闭锁力，2 F 72651.4()102.3N 取整个小臂及抓爪为研究对象，则有： 0CM 16 即 11021()CiFeMGWr 把以上求得的数值全部该式可求得：2 N 52. 小臂气缸作用力的求解：gP 向量 FQ 在 X 轴上的模量： cos(104.)FNQ = 23.86 = .m 如图 4.1 所示，取小臂（带斗和连杆机构）为研究对象，则有： 0CM21323221()0g FNFNPEFWlGXrX 将已知量代入数值可得： 3 4 42 10.76.480.6.48.(.63.578)0.621.30g 解得： =2.3 NP51 而些时的小臂闭锁力为：，略大于说明闭锁力中够 726523.40(640)12.30N2gP 横向抓取力的求解：kW 横向抓取力由回转机构制动器所承受，即的最大值决定于回转平台kW 的制动力矩，故先要计算出制动力矩。地面附着力矩： M 4350(0.5)G其中 = .2 = 51.3Nm 由经验公式求得回转机构的最制动力矩：BM 50.6.820BM 17 550.821.7043BKVMWNmX Q 点作用力与作用力矩，，，的求解：QxRyQxMy 取连杆机构为研究对象，如图 4.2 所示，则有： NH-摇臂 HK-连杆 G3-铲斗油缸推力RK-连杆的作用力 RN-摇臂的作用力 RN G3X YYZ N Q K H RK NH-摇臂 HK-连杆 G3-抓爪气缸推力 RK-连杆的作用力 RN-摇臂的作用力图 4.2 连杆机构的计算简图20X 即 3222coscoscos0NKPGHRXRHX 0Y 即 3222sinsinsinNKX 其中 765.4101.781PN 2.5GH2.X1.5HX 将这些数值代入到上式中就可以得到： 51.708cos4.cos57.cos.0NKR ininin15 解上两式得： 5.31NR51.90K 如图 4.2 所示，取整个抓爪为研究对象，以 V 点为新坐标的原点，VQ 为轴，过 V 点与 VQ 垂直的直线为，建立坐标，则有：3X3Y3XOY30 18 即 2cos1.50QxkWR 代入数值得： 5091cos.0QxR 解得： 56QxN 30Y 即 1sin.5QykRW 代入数值得： 5504128.91sin.0Qy 解得： .3yN 30YM 即 32 1YkMWlb 代入数值得： 5530.71.480.21.0Y 解得： .9Nm 3X 即 31 02XbMW 代入数值得： 53.41280.1X 解得： 50.Nm N 点的作用力与力矩，及的求解：xRyNM 取曲柄和连杆为研究对象，如图 4.3 所示：则有： 19 3 K HF NH-摇臂 HK-连杆 F3-铲斗油缸推力 NRNyRNx RK-连杆沿 HK方向的作用力 RNy-摇臂没 HK方向的作用力 RK NH-摇臂 HK-连杆 F3-抓爪气缸推力 RK-连杆沿 HK 方向的作用力 RNy-摇臂没 HK 方向的作用力图 4.3 曲柄和连杆的受力图 20X 即 3cos1.5NxkRP 代入数值得： 5559cos1.7081.0Nx N 如图可知： tantan241yFH 同样根据图可知： 3()NkMRPK 代入数值得： 551.9708.0.Nm F 点作用力与作用力矩的求解：以小臂为研究对家，进行受力分析计算，以 F 为原点，FN 为 X 轴，以垂直 FN 的 FY 为 Y 轴进行分析： 40X 即 2cosFxNxRPER 4Y 即 2sin0FyNyX 另外 25363.81P 代入数值得： 555.40cos4.012.3810FxR N 20 5553.8410sin4.0213.70FyR N 同样由图可知： 292cos.YNxMPlR = 53.8410.07.15023 = 292sin5.ZNyPlR = 3.8410i.70.2413 = 576 则总力矩 M： 2XY = 5252(1.0)(1.3) = N 4.1.2 内力图的绘制根据最大弯矩工况所求出的小臂所受到的力和力矩，可以分别绘制出在最大弯矩工况下内力图。对于最大弯矩工况，小臂的内力图包括横向力，小臂平面内外的弯矩和剪力；最大弯矩工况下小臂的轴向力 N 图，如图 4.4（单位： N）图 4.4 最大弯矩工况下小臂 N 图最大弯矩工况小臂的图，如图 4.5（单位：N）yQ 21 图 4.5 最大弯矩工况下小臂图yQ 最大弯矩工况下小臂的图，如图 4.6（单位：）yMNm 图 4.6 最大弯矩工况下小臂的 yM 由前面的受力分析知，在通过 F 点且与小臂下底板垂直的截面所受到的应力最大，是危险截面，故首先要对该截面进行计算，然后以此为基础再求解其它尺寸。 4.1.3 宽度、钢板厚度的选取由经验统计和其它同斗容机型的测绘，取小臂宽度 280am 厚度一般为 815 mm，初选底板厚度，侧板厚度11n 在上下料机选用的结构钢材一般选 16Mn，其有足够的屈服极限和良好的机械性能，其屈服极限，在小臂中安全系数，则小臂的许用350sMPa2.8 应力为： 215.8sPan 4.1.4 危险截面处高度计算危险截面的有效面积为：2S 22 210(2)(0Shh = 9 = （4.1）62(38)m 该截面对 Z 轴的惯性矩 ZI （4.2） 32010(2)hIhydA = 3220()1h 该截面对 Y 轴的惯性矩：.yI 10532910(2)yIhzdA （4.3） = 1053291()2zh 横截面的总面积：1S （4.4）10h 该横截面受到的最大正应力：N 5612.3810()FSh （4.5）该截面受到最大的弯曲正应力，。yz 532.10yyMhhII （4.6） 53 32.75.102.7zz zII （4.7）则截面所受到轴向拉应力与弯曲应力合成后有： 23 Nyz （4.8）由于剪应力的大小相对于弯矩所产生的弯曲正应力要上得多，为简化计算，在计算中简应力忽略不计，仅在校核中用，则有：（4.9）由式 4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9 可解得： 197hm 有了危险截面的结构尺寸，再结合前面的基本心尺寸，就可以利用软件小臂绘制出。这样小臂的所有尺寸就已经基本确定。 4.2 抓爪的设计 4.2.1 抓爪的受力分析驱动杆可以连接气缸，由气缸带动其往复运动从而让手指夹紧或放松。下面对其基本结构进行力学分析： (a) (b) 图 4.7 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1-手指 2-销轴 3-杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O 点，两手指1 的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2 ，其力的方向垂直于滑槽的中心线和o 并指向点，交和的延长线于A及B。2o12F 24 由 =0 得 =XF1F2 由 =0 得 =Ycos =1 由 =0 得 = hMol(F)1NFcosah F= 2NbF 式中 a-手指的回转支点到对称中心的距离 (mm)。 -工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力F 一定时，角增大，则握力也随之增大，但N 角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好 = 034 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： 123NFKG 式中安全系数，通常1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估2 其中a 是重力方向的最大上升加速度，g=9.8 m/s ；g 1K2 maxvt响运载时工件最大上升速度；mxv 系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s；t响方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；3K G被抓取工件所受重力（N）。计算：设a=40mm，b=120mm， =35；机械手达到最高响应时间为 0.5s，求夹紧力和驱动力和驱动气缸的尺寸。F 25 设 =1.6 =60 mm/s =0.5s1KmaxVst =1.01g12 =0.5 3 根据公式，将已知条件带入： =1.61.010.515kg9.8=119NNF 根据驱动力公式得： = = 119=479N 取计算Fa bcos2N4035cos12285.0 = =599N 计算实际 85.0796 4.2.2 抓爪的精度分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为4060mm。夹持误差不超过3mm，分析如下：工件的平均半径： = =50mmCPR2 604 手指长L=120mm，取V型夹角 01 偏转角： = = =64.341cosLin cp1os6in25 按最佳偏转角确定： =64.34 计算理论平均半径 120sin60cos64.34=45mmciR0 因为 min0max 22ax2a21 asinLcosi)si(L L 26 22222 40.36sin014.36cos0in1)06sin(1 1.484 22min2min2 asinLacos)s(L RL 22222 40.36sin014.360si1)06i3(1 0.166 所以 =1.4843 夹持误差满足设计要求。 4.3 连接销轴的校核销轴在工作过程中主要受挤压应力的作用，如图 4.7 所示，在此主要进行挤压应力的校核。销轴的直径为 d=20mm，受到的横向力为 F=600N，计算销轴受到的挤压应力。图 4.8 销轴示意图由公式 jyjPA 在销轴中， 331020dhiy =4 42m， axjyP=1090N 代入公式得： jy = 410 9 =2.5MPa 查表的材料的许用挤压应力为 jy30MPa。挤压应力 jy远小于许用挤压应力，销轴的强度满足要求。 4.4 回转底座的设计进行底座结构形式的选择是一个较复杂的过程，对结构形式、构件截面和 27 结点构造等均需要结合具体的情况进行仔细的分析。对结构方案要进行技术经济比较。由于各种设备有不同的规范和要求，制定统一的底座结构选择方法较困难。但是，可以利用结构力学的知识提出下列一般的规则。这些规则是为了节约材料在选择形式时应遵守的一般规律。（1）结构的内力分布情况要与材料的性能相适应，以便发挥材料的优点。轴力较弯矩能更充分地利用材料。杆件受轴力作用时，截面上的材料分布是均匀的，所有材料都能得到充分利用。但在弯矩作用下截面的应力分布是不均匀的，所以材料的应力分布不够经济。（2）结构的作用在于把载荷由施力点传到基础。载荷传递的路程愈短，结构使用的材料愈省。（3）结构的连续性可以降低内力，节省材料。综合考虑机器的工作时所受的力，我选用机体材料 HT150 铸造底座，力学性能： =200MPa, =340MPa.适于制造箱体、底座类零件。bs 第 5 章控制系统设计 5.1 PLC 控制简介最早的 PLC 是由美国的数字设备公司研发出来的，尽管它的设计思想沿袭了计算机的设计思路，但是因为它的结构较为简单，所以它只能够做到计算机功能的一部分。它仅仅完成了对顺序结构控制的设计，具备了逻辑运算和计数等控制功能。后来这种可编程序控制器受到了更多的关注，世界各大公司都加入了对 PLC 的开发的大浪潮中来。随着我们科技的不断发展，PLC 的功能也在不断加强与增多，而在微处理技术逐渐完善之后，它的体积在功能增加的同时反而变得更加小巧玲珑。 PLC 之所以会受到如此的关注并不断发展的原因是因为 PLC 系统具有许多优秀的特质，而这些特质有：体积不大，使用起来灵活方便，通用性强，大大的提高了生产作业的效率；所需要的程序比较简单，不想计算机系统那样复杂，容易学习并掌握，这对 PLC 系统的推广与应用有很大的帮助；在使用过程中安全性高，能够多种环境下正常工作。 PLC 在以后的主要发展方向有着三个方面的选择：第一，面向中低端的自动化领域，向着微型化和低价格的方向发展并且保证 PLC 的性能的完整性与高效性；第二，向着更加复杂化，体型更加的大，功能更加的多，并且进入网络化的进程，形成一个多功能综合系统；第三，和智能系统系统进行结合，拓宽 PLC 的应用范围。 PLC 的最基本的工作方式是通过循环扫描的形式来完成的，所以 PLC 的工 28 作过程就是扫描的过程。具体为：首先 PLC 系统通过自诊断对自身是否存在故障进行必要的诊断，确认没有故障后开始与外部设备进行信号的交互，然后将各个输入点的信息进行采样储存，再通过具体程序的运行，并在程序结束后将结果传送到输出环节上。 5.2 机械手的控制气压系统直接的控制机械手的运动，而气压系统的控制则需要依靠 PLC 来进行控制。气压系统可以通过各个气压缸的运动，还有气压缸与机械手各部分的连接来操纵机械手的运动。在自动化的过程中机械手可以依靠各种程序，使机械手在不借助人工的情况下能够通过气压缸运动来自主的执行已经安排好的任务。其中如何使用 PLC 来控制机械手的气压系统的运动则是本次研究的重点。通过 PLC 来控制机械手可以做到机械手的远程自动控制，而控制的关键性因素则是 PLC 的输入与输出情况的考量，在对气压系统的控制过程进行分析后，我们确定了关于 PLC 的 I/O 口的分配情况。如下表 5-1 所示：表 5-1 控制机械手的 PLC 的 I/O 口分配情况输入输出 X0 垃圾位置信号 Y0 手臂 1 向下回转 X1 手臂 1 到达指定位置 Y1 手臂 2 向前或向后回转 X2 手臂 2 到达指定位置 Y2 手爪开始进行抓取 X3 手爪已经抓紧 Y3 手臂 1 向上摆动 X4 手臂 1 到达位置 Y4 电机逆时针回转 X5 电机旋转到位 Y5 手爪放松 X6 手爪完全放松 Y6 电机顺时针回转到位通过上面的表格进行分析后，我们可以知道机械手的 PLC 程序梯形图可以采用较为简单的顺序结构，就可以完成对垃圾的上下料工作，梯形图如下图 5.1 所示： 29 图 5.1 机械手的 PLC 梯形图将它的梯形图转换为指令表形式，并记录下来就是下面的表 5-2 所示的。表 5.2 梯形图转换的指令表指令地址 LD X000 OUT Y000 LD X001 OUT Y001 LD X002 OUT Y002 LD X003 OUT Y00

温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。