机械手论文08398.doc

i 目 录 前 言 1 第 1 章 概论 3 1.1 机械手的发展历史 3 1.2 机械手的发展意义 4 1.3 机械手在机械制造中的应用 4 1.3.1 国外应用 .4 1.3.2 国内应用 .4 1.4 机械手的发展趋势 5 1.5 solidworks 软件在机械设计中的应用 5 1.6 本课题的目的和意义 5 第 2 章 工业机械手总体设计 7 2.1 概述 7 2.2 工业机械手的组成 8 2.3 机械手功能流程图与工步实现 9 2.4 机械系统设计 10 2.4.1 总体介绍 .10 2.4.2 行走机构 .13 2.4.3 驱动电机的选择 .15 2.4.4 同步齿型带的设计 .16 2.4.5 轴的设计 .18 2.4.6 液压系统设计 .19 2.4.7 电磁吸盘的设计 .21 第 3 章 悬挂式搬运机械手三维建模 24 3.1 传统工业机械设计方法 24 3.2 solidworks 软件的特点 24 ii 3.3 三维建模的必要性 25 3.4 机械手总体三维建模分析 25 3.5 液压缸的三维建模详细制作过程 27 3.6 其他零部件的三维建模和装配模型创建 31 结束语 40 参考文献 41 致 谢 42 iii 摘 要 随着自动化技术的发展，工业机械手也得到了迅速的发展和更为广泛的应 用。本文研究的是其中的一种悬挂式液压搬运机械手，通过可编程控制器 （plc）进行控制，方便快捷的实现了作业的任务要求。同时，机械手以悬挂 的方式操作，体积较小，不占用太大的空间，有利于生产车间的布置。采用液 压传动，可以使传动平稳，保证较准确的工作要求。同时 solidworks 是基 于特征的实体造型软件，建立的三维建模，三维建模比二维平面图 更加直观、清晰。同时利用装配建模技术可以将零件模拟装配起来。 利用装配模型可以进行后续的装配干涉分析、运动仿真模拟等，还 可以在装配环境中对零件进行设计、编辑、修改。利用这些功能， 能有效避免产品设计中经常带来的尺寸不匹配，零件干涉等问题。 关键词： 机械手 液压传动 solidworks 软件 三维建模 1 前 言 从世界上第一台遥控机械手于上世纪 60 年代诞生以来，到现在有近 50 年 的历史了，在这近 50 年里，伴随着计算机技术、自动控制理论以及相关技术的 发展，为了适应工业自动化生产的要求，工业机器人得到了迅速的发展，如今 已经历了三代的发展历程：可编程的示教再现机器人、基于传感器具有一定自 主能力的机器人、智能机器人。 机器人技术是综合了计算机技术、控制理论、机构学、传感技术、信息技 术、人工智能和仿生技术的一种高新技术。不仅能简单的代替人工劳动，而且 综合了人的特长和机器特长，可以长时间持续工作，精度较高，能对环境状态 进行快速的反应和分析能力，具有抗恶劣环境能力。工业机器人作为机电一体 化的自动化生产设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产，对稳定、提高 产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要 的作用 。现在工业机械手得到了广泛的应用，主要有机床加工工件的装卸、电 子行业中装配印制电路板，机械行业中组装零部件、危险场合下危险品及有害 物的搬运、宇宙及海洋的开发、军事工程及生物医学方面的研究和试验等领域。 液压传动有许多突出的优点，如具有传动平稳，易于实现无级调速和自动 控制等优点，在机床、锻压机、塑料机械、钢铁工业用的冶金机械、提升装置、 轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥 梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等国；船舶用的甲板起重机 械（绞车） 、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、 测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞 行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等领域得到了广泛的应用， 极大的提高了生产率，在社会的发展的过程中起到了很大的推动作用。 在这样的大的背景下，本文提出了悬挂式液压搬运机械手的设计。通过 设计,综合运用已经学过的力学、机械设计、机械制图的有关知识、电工技术、 电子技术、电气控制技术、检测技术，液压传动技术、计算机技术等方面的知 识，设计一个悬挂式液压搬运机械手。 机械手在悬挂在空中的单根工字梁上运动，将一放在某一固定位置的工件 2 搬运到了另外一处的传送带上，机械手返回原来的固定出，重复上述操作。在 机械手的工作过程中，工作部分采用液压驱动，行走部分采用电动机驱动，而 抓取部分，采用电磁吸盘的工作方式，其控制部分采用 plc 控制。设计主要包 括三大部分：系统的总体设计、机械设计、三维建模。 通过这一设计过程，加深对所学知识的了解和运用能力，并加深对机械系 统的了解 ，并接受基本的机械设计训练和三维建模的训练，了解和学会一些新 型三维建模技术。 3 第 1 章 概论 工业机器人一般可理解为：在工业自动化应用领域中的一种自动控制、可 重复编程、多功能、多自由度的操作机（固定式的或是移动式的） ，用于搬运材 料、工件、操持工具或检测装置，完成各种作业。 近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了 较快的发展。机械手广泛地应用于锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷 漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘 等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。 机床上料机械手是典型的机电一体化设备，它可自动地为机床抓取工件， 取代操作人员频繁取料，降低劳动强度，提高工作效率。 本课题所涉及的输送带上下料机械手自1999 年投入运行, 工作安全可靠, 效果良好, 可用做输送带自动上料设备和生产线上的自动抓取设备。 本课题主要是应用 solidworks 软件的三维设计功能，对输送带上下料机械 手的各零部件进行三维设计并实现其各部件的装配和运动仿真。 1.1 机械手的发展历史 人类在改造自然的历史进程中，随着对材料、能源和信息这三者的认识和 用，不断创造各种工具（机器） ，满足并推动生产力的发展。 工业社会向信息社会发展，生产的自动化，应变性要求越来越高，原有机 器系统就显得庞杂而不灵活，这时人们就仿造自身的集体和功能，把控制机、 动力机、传动机、工作机综合集中成一体，创造了“ 集成化” 的机器系统机 器人。从而引起了生产系统的巨大变革，成为“人 机器人劳动对象” ， 或者“人 机器人动力机 工作机劳动对象” 。 机器人技术从诞生到现在，虽然只有短短三十几年的历史，但是它却显示 了旺盛的生命力。近年来，世界上对于发展机器人的呼声更是有增无减，发达 国家竞相争先，发展中国家急起直追。许多先进技术国家已先后把发展机器人 技术列入国家计划，进行大力研究。我国的机器人学的研究也已经起步，并把 “机器人开发研究 ”和柔性制造技术系统和设备开发研究等与机器人技术有关的 研究课题列入国家“ 七五”、 “八五”科技发展计划以及 “八六三”高科技发展计划。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已经成为现代机 械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门 新兴的学科机械手工程。 4 1.2 机械手的发展意义 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能 部分地代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时 间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装 配。从而大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业 生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的 人力物力加以研究和应用。 近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了 较快的发展。机械手广泛地应用于锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷 漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘 等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。 机床上料机械手是典型的机电一体化设备，它可自动地为机床抓取工件， 取代操作人员频繁取料，降低劳动强度，提高工作效率。 总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实 现工业生产自动化的一个重要手段，国内外都很重视它的应用和发展。 1.3 机械手在机械制造中的应用 1.3.1 国外应用 美国制造 155 毫米的钢弹体洛克福特军械厂，从胚料加工开始到加工完毕 直至弹体包装都自动进行，不用人手去接触，达到全自动生产。 工业机械手还能用来代替人工进行打磨、抛光、去毛刺和清理切屑等工作。 例如，瑞典一家工厂打磨和抛光不锈钢子弯头时，采用 asea 机械手，提高加 工效率 30%以上，而且产品质量稳定，不伤害工人。又如：瑞典沃尔沃 （valov）公司在机械手上装了三个环形磨轮装置，用来对传动箱外表面去毛刺， 比手工方法节省工时 50%。 1.3.2 国内应用 国内在金属切削加工中，用机械手来完成刀具的自动更换。如北京第二机 床厂，北京第八机床厂，上海第二机床厂，上海第八机床厂，宁夏大河机床厂 等单位研制的自动换刀机床，均用机械手自动更换刀具。在生产自动线上，用 机械手完成的传递和上下料，如：沈阳水泵厂深井泵体加工自动线，无锡柴油 机厂和甘肃汽车齿轮厂的齿胚的加工自动线都采用了机械手。大连工矿车辆厂 的 800kg 侧架的加工，采用机械手抓取、传递和安放并与一些机床组合成侧架 5 切削加工自动线，提高效率 10 倍。 1.4 机械手的发展趋势 国内应加强机械手基础性能的实验以及基础理论研究，克服和解决制造技 术及其它存在的问题。提高机械手运动速度。尤其是应用于冲压行业中的机械 手，以适应提高生产率和符合生产节拍的需要。要研究解决机械手的运动速度 和缓冲、定位技术。引进国外先进技术，培训专门技术人才，普及机械手有关 知识。尽快解决机械手的定型设计、定点、定量生产以及配套件的生产和供应 问题，推进机械手设计制造中的现代化（cad/cam ） 、标准化、系列化工作， 以满足国内外市场的需求。目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能不断提 高，其发展趋势是：扩大机械手在工业上的应用、提高工业机械手的工作性能、 发展组合式机械手、研制具有“视觉” 和“触觉”的“智能机器人”。 1.5 solidworks 软件在机械设计中的应用 二维 cad 着眼于完善产品的几何描述能力，而三维设计是着眼于更好表 达产品完整的技术和生产管理信息，使得一个工程项目的设计和生产准备各环 节可以并行展开。而且三维设计可方便地设计出所见即所得的三维实体模型， 并对其进行装配、过去模拟及干涉检查，即在投入真实的生产之前就可以对其 产品进行物性分析及装配测试等活动。从而更好的满足设计目的的要求，并大 大缩短了产品的生命周期。 solidworks 软件是一个基于特征的参数化实体建模设计工具，是当今世界 完全基于 nt/windows 平台的三维机械设计 cad 软件系统主流产品。 solidworks 软件与其它基于特征的参数化三维机械设计软件，如 pro/engineer、ug 相比，具有 windows 的图形界面和易于掌握的优点。同时， 利用装配建模技术可以将零件模拟装配起来，并可以对装配结果进行后续的装 配干涉分析、运动仿真模拟、物性分析及有限无分析，还可以在装配环境中对 零件进行设计、编辑及修改。利用这些功能，能有效地避免产品设计中经常带 来的尺寸不匹配、零件干涉等问题。 1.6 本课题的目的和意义 目前国内应用软件进行工业机械设计的很多，还都以传统的设计方法为主， 导致产品的设计周期长、成本高。不能满足工业机械使用的季节性、工作环境 的多变性和用户要求的多样性，不能使工业机械的设计随着市场的需求而不断 6 地转变，更无法在要求的较短周期内，开发出新的产品。我国在工业机械新技 术创新方面还很薄弱，无法适应新世纪经济发展的要求。基于传统工业机械的 设计方式的种种缺陷与不足和 solidworks 的强大功能以及在工业机械设计中的 优势，本课题即机械手将在固定位置上的工件搬运到另一处的传送带上，而后 机械手回到原来位置上，应用 solidworks 软件完成各组成零件的建模及装配。 并完成该悬挂式机械手进行搬运过程的动画演示，从而使人们可以直观到悬挂 式机械手在生产中的地位和主要作用。该方法是结合计算机辅助设计与制造的 专业特点对现代工业设计方法的一种学习。将本课题的设计方法移植到工业设 计中，则较传统的设计方式能够大大缩短产品工业设计的设计周期。用 solidworks 软件进行工业设计的一般步骤为：单体设计 绘图装配模拟 改进整体装配运动仿真改进成型加工生产，比传统的绘图加工 装配实验采集数据改进二次加工装配最终成型，缩短了设计周期， 降低了成本。 7 第 2 章 工业机械手总体设计 2.1 概述 机械手主要由执行机构、驱动系统以及位置检测装置等所组成。执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。驱动系统是驱动 执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传 动等四种形式。控制系统由电器控制和射流控制两种。它支配着机械手按规定 的程序运动。位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机 构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统 进行调整，从而使执行机构以一定的精度到达设定位置。设计机械手时应考虑 的因素很多，但从机械手的特点来分析有以下几点： 1）抓重：是机械手所能抓取或搬运的最大重量。一般抓重 1kg 以下的定 为微型，1-5kg 的定为小型，5-30kg 的定为中型，30kg 以上的定为大型。 2）自由度和坐标型式：自由度是机械手的每一个构件相对固定坐标系所具 有的独立运动自由度。因手指的夹放动作不能改变工件的位置和方位，故它不 不计为自由度数，其它运动均计为自由度数。按机械手的不同运动形式及其组 合情况，其坐标型式分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。机械 手的自由度数和坐标形式应根据机械手现场具体的生产情况和工艺的要求而定。 3）运动速度：它反应了机械手的生产水平，影响机械手动作快慢的主要运 动是手臂的伸缩和回转运动。手臂的运动速度大小与机械手的驱动方式、定位 方式、抓重大小和行程距离有关。手臂的运动对机械手的速度影响最大，因此， 手臂的运动速度应根据生产节拍时间长短、生产过程的平稳性和定位精度等要 求来确定。 4）行程范围：主要受手臂的伸缩行程影响，其行程范围大多在 500- 1000mm 范围内。 除上述主要参数外，还应考虑定位方式和位置检测装置的选用。 机械手由机座、机械臂、手爪、plc 可编程控制器及气源等部分组成。可 以完成水平臂的摆动和伸缩、垂直臂的伸缩、手爪的旋转和抓取物料等动作, 准确地把物料送到指定位置。在机床的送料高度、物料的摆放位置、抓取高度、 工件的重量等确定后, 机械手各部分的空间几何位置以及工作空间、运动状态 等即可确定,各个动作即可按给定顺序和运动学、动力学要求完成。气动系统考 虑了使用载荷、机器人机械本体结构、动态及静态性能等因素, 水平臂的摆动 和伸缩、垂直臂的伸缩、手爪的摆动的运动速度均可调节。 8 2.2 工业机械手的组成 机械手主要由执行机构、控制系统、驱动系统以及位置检测装置等组成。其 相互之间的关系方框图如下图 2.1 所示。 图 2.1 机械手系统图 a、 执行机构包括:手部、手腕、手臂、行走机构、回转机构、机座等。 手部即与工件接触的部件，主要有夹持式与吸附式两种，如图 2.2 圆形电 磁吸盘； 图 2.2 吸附式电磁吸盘 手腕连接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用； 手臂 支撑手部和手腕，以改变工件的空间位置； 行走机构 主要是为了完成较大距离的操作和使用范围； 机座 机械手的基础部分，机械手的执行机构和各部件均安装与此，起支 撑的作用； 回转机构 为了完成空间不同方位的任务； b、驱动系统 即驱动执行机构运动的传动装置，常用的有，液压传动 、气 压传动、电力传动、机械传动等四种形式。 c、控制系统 主要是电气控制和射流控制两种，但一般常见的是电气控制。 控制系统 驱动系统 执行机构 被抓取工件 位置检测装置 9 电气控制还主要有以 plc 和单片机为核心构造电控系统为主。控制系统支配机 械手按特定的程序运动，并记忆人们给与机械手的指令信息，同时按其控制系统 的信息对机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监控，当动作有错误或发 生故障时即发出警报信号。 d、位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给 控制系统，并与设定的位置比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的 精度达到设定位置。 2.3 机械手功能流程图与工步实现 根据上述的功能要求、实现和工作过程的分析，确定其功能流程图如下 所示： 图 2.3 机械手功能流程图 ya1 电磁阀下降 ya2 上升控制电磁阀 ya3 电磁吸盘控制 yaj 夹轨器 ka1 驱动电机正转 ka2 驱动电机反转 启动按钮 sb0 正转按钮 sb1 反转按钮 sb2 复位按钮 sb3 上限位开关 sq1 下限 位开关 sq2 右行程开关 sq3 左行程开关 sq4 检测开关 td 由于机械手不需要旋转和曲线运动，所以机械手在下降和上升阶段只需 要完成沿竖直方向的运动即可，而在右行和左行的阶段只需要完成沿导轨的水平 运动即可。 10 2.4 机械系统设计 2.4.1 总体介绍 本次设计的机械手整体其组成共有三大部分，分别为行走机构、液压缸 部件和电磁吸盘三大部分。 根据设计的需要，综合考虑设计、制造等因素，最终确定如下图的方案， 其装配的主视图、俯视图、左视图、轴测图分别如图 2.4、图 2.5、图 2.6、图 2.7 所示。 图 2.4 主视图 11 图 2.5 俯视图 12 图 2.6 左视图 13 图 2.7 轴测图 2.4.2 行走机构 行走机构是整个机械手工作的基础部分，整个机械手的运动、工作过程都 要借助于行走机构来实现。在电动机的带动下，通过安装在支架上的轴承和传 动轴，由同步皮带轮，传递到车轮轴上的带轮上，从而带动机构沿工字钢导轨 运动，进而实现机械手的搬运功能。 行走机构的支架主要靠焊接而成，如下图 2.8 所示，这主要是由于制造和 安装的需要，同时也由于焊接结构有其特有的优点，节省材料和工时，能化大 为小，拼小成大，易于实现制造。这样整个结构制造起来就简单容易。 14 图 2.8 行走机构图 同步齿形带传动综合了带传动和链传动的特点，它允许有较大的中心距， 结构简单，制造安装和维护方便，成本底廉。 同步带的强力层为多股绕制的钢丝绳或玻璃纤维绳，基本为氯丁橡胶和聚 氨脂橡胶，带内表面为离形，工作时，带内环表面上的齿和带轮外缘上的齿相 啮合而进行传动。 带的强力层承载后变形小，其周节保持不变，故带和带轮之间没有相对滑 动，保证同步传动。 底座上有四个安装孔，其中的两个采用螺栓连接，另外两个采用螺栓与螺 母连接的方式，用于连接与液压系统的上端盖，使之成为一个有机的整体。 由于在支架两个立板之间的距离是有限的，同时安装轴承的孔的空间也是 有限的，小于车轮的挡圈，为了便于安装，采用了类似减速箱的安装方法，这 15 样就可以方便的将车轮安装在支架上，而上下两部分之间的连接采用了六个 m16x100 的螺栓，既使结构紧凑又可以满足强度的要求。 2.4.3 驱动电机的选择 通过 solidworks 三维设计软件，可以估算整个结构的重量在 420kg 左右， 加上工件的重量： mv m7.80.40.18282kg （2.1） 我们取为 300kg,这样整个机械手工作时的总重量约为 720kg,根据工字钢的结构 整个机构的总压力： f=mm 0g7000n （2.2） 从而可以计算出作用在钢轨上的压力 f0 =1/2f 6/ 3453n （2.3）37 钢与钢之间的滚动摩擦系数为 f0.08,则它们之间的滑动摩擦力 f1 ff 0 276n*m （2.4） 则所需的转矩为： m0rf 1 1.42n*m 机械手所允许的最大行进速度为 ，则所需的功率 p 为sm/2 p2762552w （2.5） 根据上述计算我们选用 ys-8022 型号的电动机。其主要的参数如下表 2.1 所 示。 表 2.1 ys-8022 电机主要参数 型号 电 压 v 频率 hz 输出功率 w 转速 r/min 效率 % 功率因数 cos 电流 a 启动 转矩 最大 转矩 启动电 流 ys- 8022 380 50 1100 2800 80.5 0.86 2.55 2.2 2.4 6.0 其主要的安装尺寸如表 2.2 所示，结合工作的实际，设计成两端传动的结 构形式。 16 图 2.9 电机安装图 表 2.2 ys-8022 电机安装尺寸 安装尺寸 外形尺寸不大于机 座 号 a b c d（j6 ） e f(n9) g h k ab ac ae hd l 45 71 56 28 07.2920 04.2937.2 05.4.8 90 100 115 150 2.4.4 同步齿型带的设计 本课题中的设备电机额定功率 p1.1kw，转速 n12800r/min 的 ys8002 变频电机，大带轮转速 1000r/min，中心距 a 为 140mm 左右，每日三班制工作。 现确定大带轮、小带轮的相关参数如下所述。 1.确定计算功率 pc 根据已知工作条件查表 8.27，取 ka1.8，则 pckap pc1.81.11.98kw 2选定带型和节距 pb 根据 pc1.98kw 和 n12800r/min，由图 8.19 查出带型为 l 型，对应的节 距 pb9.525mm 3选定小带轮的齿数 z1 和带轮直径 d1，d2 由表 8.28 查得小带轮的齿数 zmin16，取小带轮的齿数 z116。 小带轮节圆直径 d1z1pb/ 17 169.525/ 48.535mm 大带轮齿数 z2n1/n2z1 2800/100016 44.8 4.校核带速 v vd1n1/60000 48.5352800/60000 7.11m/svmax 50m/s 带速符合要求。 5.确定中心距 a 及带长 lp 初定中心距 a0： 0.7d1d2 a02d1d2 0.7d1d2 0.748.535145135mm 2 d1d2 248.535145387.07 根据机器的结构要求，取 a0140mm 带长 l0 为 l02a 0/2 d1d2 d2d1 2 /4a0 2140/2 48.53514514548.535 2/4500mm 582mm 由表 8.23 取标准节线长 lp582mm，带的齿数 z60，带的长度代号为 230。 因为轴间距可调整，则实际中心距 a 为 aa 0lpl 0/2 140584582/2 141mm 6.计算小带轮的齿合数 zm zment z1/2 pbz1/2 2az2z1 ent16/29.52516/2 21414816 18 6 7计算基本额定功率 p0 由表 8.13 查得 l 型带的基准宽度 bs025.4mm， 基准宽度 bs0 的带的许用工 作拉力 ta244n，带的单位长度质量 m0.095kg/m，则 p0 tam 2v/1000 2440.0957.11 27.11/1000 1.31kw 8. 确定带宽 bs 由于 zm6，取 kz1， bsbs 0 25.4 4./kzpc41.3./98 10.3mm 由表查得带宽代号为 050 的 l 型带的 bs12.7mm。 9. 计算轴上的压力 f f1000pc/v 10001.98 /7.11 278n 10. 设计结果 同步带规格为 230l050 gb1161689，小带轮的齿数 z116，大带轮的齿 数 z260 中心距 a 141mm，轴上压力 f278n 2.4.5 轴的设计 通常现场对于一般轴的设计方法有类比法和设计计算法两种。 1.类比法 此方法是根据轴的工作条件，选择与其相似的轴进行类比及结构设计，画处 轴的零件图。用类比法设计轴一般不进行强度计算。由于完全依靠现有资料及 设计者的经验进行轴的设计，设计结果比较可靠，稳妥，同时又加快设计进程， 因此类比法比较常用，但此方法有时带有一定的盲目性。 2.设计计算法 用设计计算法设计轴的一般步骤为： 1根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。 19 2按扭转强度估算出轴的最小直径。 3设计轴的结构，绘制出轴的结构草图。 4按弯扭合成进行轴的强度校核。一般在轴上选取 23 个危险截面进行强度 校核。如果危险截面强度不够太大，则必须重新修改轴的结构。 5修改结构后在进行校核计算。 6绘制轴的零件图。 本次设计机构可知传递功率属于小功率，对材料无特殊要求，故选用 45#钢， 并调质处理由表 13.2 查锝 -1 b60mpa 确定主动轴的轴径 按扭转强度计算轴径： 根据表 13.1 得 c118107。又由式13.2 得 dc 107118 18.122.3mm 3/np310/98. 考虑到轴的最小直径处要安装连联轴器，会有键槽存在，故将估算直径加大 3%5%，取为 19.2824.2mm。由设计手册取标准直径 d120mm 确定轴上零件的位置和固定方式如下所述。 选用带轮的从动轴右端转配齿轮的左端用轴环定位，右端用套筒定位，齿轮 的周向固定采用平键联接，轴承安装两侧定位其轴向用轴肩定位，径向用过盈 配合固定。 2.4.6 液压系统设计 在机械手的工作过程中，电磁吸盘的上下运动，主要通过机械手的上升和 下降运动实现的。而机械手的上升和下降运动是由液压驱动系统控制的。在机 械手的下降运动阶段，油从上油口进入，而下面的油箱有一定的背压。这样机 械手在上下油压的作用下，加上活塞以及活塞杆和电磁吸盘的自身重力，平稳 的往下运动。而在上升阶段，液压油从下面的进油口进油，有上下油腔的压力 差，使机械手上升。 20 图 2.10 液压子部件轴测图 我们设计的液压缸，活塞及活塞杆的结构如下图所示。其中我们将活塞及 活塞杆作为一个整体进行设计。 图 2.11 液压部件 图 2.12 液压缸 21 图 2.13 活塞及活塞杆 通过 solidworks 三维设计软件的工具物理属性功能估算机械手在工 作时液压缸活塞所承受的重量为 480 千克。由此进行以下的计算： 选定工作压力 3mpa,建立如图 2.14 的力学方程 图 2.14 液压缸计算简图 p1a2p 2a1 f （2.6） 其中 p1 为进油腔的压力， a2 为进油腔的有效面积，p2 为出油腔的压 力（背压） ，a1 为出油腔的有效面积，f 为工作时的载荷。 当活塞杆受拉时，选定活塞杆与液压缸内径的比值 v d/d0.5 （2.7） 根据系统特点及调速性能的要求，选定背压 p2 为 0.2mpa,则有 d4f/p 1 p 2 1 v2 85mm （2.8） 根据设计的需要和有关液压缸内径的有关标准，选定液压缸的内径为 100mm,则活塞杆的内径 d 为 50mm. 设定液压缸的移动速度最大为 0.02m/s,最小为 0.01m/s，则在上升的阶 段有 vq/a 得 q d2 d 2v/4 7.065l/min （2.9） 由于此系统是低压系统，所以不需要进行校核计算。 根据上述设计画出液压系统的原理图如图 2.15 所示。 22 图 2.15 液动系统原理图 2.4.7 电磁吸盘的设计 由于圆形电磁吸盘的整个磁路结构像一个圆盘，磁通经过一个几乎密封的 气隙，能产生很大的吸力，结构简单、动作快，控制功率小。鉴于上述优点我 们选用电磁式吸盘。 由上述计算可以知道，工件的重量的是 300kg,由此可以确定电磁吸盘的吸 力是 300kg，由此进行以下计算： 设定圆形吸盘的外轮廓尺寸为 900mm，其结构如图所示 （1） 计算磁感应强度 b b5000 =5800wb/ （2.10）sf2cm 其中 f 为工件的重量，s 是空气隙的横截面积，单位是 。2c 修正后 bcm b 11600 高斯 ，其中 2。 （2）初算总的安匝数 iw iw2b/ 01-106 = 5800 安匝 （2.11） 其中， 1 2 20.52.5mm 取为 0.2 （3）确定线圈尺寸 选定电压 24v，外壳的厚度取为 10mm，取 dh120 bk（iw） 2/20f227.5mm. （2.12） 23 其中 电阻系数 =0.01754，线圈的温升取为 =80，填空系数 fk0.45 线圈的高度 与宽度的比值 取为 3，散热系数 m0.0011 kl 线圈的有关尺寸如图 4.13 所示，其中 dcpd 1d 2 为线圈的平均直径。 为线圈的内径， 为线圈的宽度，其单位都为米。则：1dkb d=4dcpiw/u1.4 （2.13） 取导线直径 d=2mm。 图 2.16 线圈尺寸图 （4）线圈匝数 wiw iiwjq1933 匝 （2.14） 其中 q1=/4d2 为导线的横截面积， j=3a/ .圆整线圈匝数 w 为 1940， 2m 修 正 bk=wd22024.8 （2.15） 取 为 20mm,则有 k=bk673mm. （5）核算线圈的温升 u 2/rms1 （2.16） rd cp /qw （2.17） r 为线圈的电阻（） ，q 为导线的横截面积( )， 为线圈的平均直径(m),2cpd1s 为散热的表面积，u 为线圈的电压（v） 。 s1=（d h md1） k1403.2 。 （2.18）2c 为一系数，取为 2.4。m 则有 r=9， =46，符合要求。根据上述计算，设计的吸盘的结构为： 24 图 2.17 电磁吸盘剖面图 图 2.18 电磁吸盘轴测图 25 第 3 章 悬挂式搬运机械手三维建模 3.1 传统工业机械设计方法 在传统的工业机械设计中，设计构思首先要以平面图的形式表达出来，然 后对其进行校核、修改，最后由生产者把平面图纸上的内容转化成三维的实物。 整个开发过程中，设计者需要将很大一部分精力用于将三维构想转化到平面图 纸上，即使使用cad辅助设计，这一过程简化的工作量仍然很小，只是平面图 的生成由图板变成了计算机屏幕，设计思路并没有发生根本的改变，许多问题， 特别是机构的运动学等问题，只有在见到产品时才能发现，导致产品的设计周 期长、成本高。此外，工业机械使用的季节性、工作环境的多变性和用户要求 的多样性，使农业机械设计随着市场的需求而不断地转变，要求在短周期内， 设计和生产开发出新产品。美国的产品开发周期是3-6个月，而我国要1224个 月。这说明我国在技术创新方面很薄弱，不能适应新世纪经济发展的要求。 3.2 solidworks 软件的特点 为了缩短产品的开发周期，并行设计的理念开始在20世纪兴起，并在本世 纪得到大量的应用。其中最典型的就是虚拟样机技术的应用与推广。 虚拟样机技术其实就是指物理样机在虚拟环境中的替代品。其目的就是代 替物理样机在pc平台上进行仿真测试。这样就可以及时的发现问题并且去改进 机器的结构和构造。我们基于这种理念采用国际最先进的pro/e三维设计软件 进行虚拟样机的建立，并且对其进行仿真分析。 产品设计的核心是构思。三维实体设计则带来了一个全新的设计过程， 整 个设计过程与人的思维一致。在设计中直接采用三维设计，设计者对自己产品 的每个细节了如指掌，经过三维装配，一部真实的设备便展现在设计者面前。 这为设计人员提供了一条省时、高效的设计新途径。 solidworks是美国参数公司开发的参数化建模软件，是新一代cad/cam 系 统软件。其功能强大，集零件设计、大型组件装配、模具开发、钣金设计、造 型设计、机构仿真及有限元分析等功能于一体，广泛应用于机械、电子、航空 航天等领域。 1. 参数化设计：solidworks采用参数化设计、基于特征的实体模型化系统， 工程设计人员采用具有智能特性的、基于特征的功能去生成模型，可以随意勾 画草图和改变模型，使设计更加简易、灵活。 2. 单一数据库：solidworks建立在统一基层的数据库上。所谓单一数据库， 就是工程中的资料全部来自一个库，使每位独立用户都在为同一产品造型而工 26 作。换言之，整个产品设计过程中任何一处的变动都会反映到从设计到加工的 各个环节，做到全关联， 以使所有零件和各个环节保持一致性和协调性。 3. 强大的装配功能：装配是设计的重要环节。solidworks实现零件间的装 配非常简单， 只要确定系统部件间的装配关系，系统就会根据给定的相关关系， 将零部件自动安装在装配位置上。如改变原设计的尺寸，与它相关的零部件的 位置或约束关系将会自动改变。 4. 机构设计技术：solidworks包含了在整个装配过程中评估行为的功能。 只要给定适当的临界参数，solidworks的cosmosmotion模块就可以对产品进 行结构分析、运动分析和有限元分析等。在装配零件时，用户可以快速、简单 地把连接类型应用于零件，然后评估真实的产品将如何动作，机构装配完成后， 用户可对整个装配进行工程分析。 3.3 三维建模的必要性 工业机械由于自身的特点和工作对象的复杂性，给其研制带来了较大的困 难，也使农机的研究有其自身的特殊性，有些设计的理论分析和综合计算过程 复杂，计算量相当大。由于以上原因，传统的农机理论分析很多是定性的说明 问题，计算机辅助手段应用不够。相对复杂的机构分析和设计问题，往往借助 于图解法和经验类比法。因此，我国工业机械设计手段比较落后，设计过程复 杂，工作量大、效率低，与国外差距较大。 二维交互式绘图软件在工业机械领域应用比较普遍，有一定的 cad应用 基础，使用软件多为 autocad 及一些国产的二次开发产品。工业机械零部件 中，有的复杂曲面较多，如开沟器曲面、犁体曲面、旋耕机旋刀、水泵叶轮、 送料螺旋等；有的钣金件较多，如机耕船船体、抛秧机托板、各种种肥箱等； 这些零部件的设计，采用传统手工设计方法和二维设计软件，很难满足精度要 求，采用三维 cad 设计系统，表达直观、设计方便，并可指导 capp 和 cam 进行数据加工和模具制造。 3.4 机械手总体三维建模分析 solidworks是基于特征的实体造型软件，建立的三维建模比二维平面图更加 直观、清晰。同时利用装配建模技术可以将零件模拟装配起来。利用装配模型 可以进行后续的装配干涉分析、运动仿真模拟、物性分析、有限元分析等，还 可以在装配环境中对零件进行设计、编辑、修改。利用这些功能，能有效避免 产品设计中经常带来的尺寸不匹配，零件干涉等问题。 在零件建模前，一般应进行深入的特征分析，后按照特征的主次关系，按 一定的顺序建模。搞清楚零件是由哪几个特征组成，明确各个特征的形状，它 27 们之间的相对位置和表面连接关系，然后进行装配。 在solidworks 系统中，零件、装配体和工程都属于对象，它采用了自顶向下 的设计方法创建对象。装配体是若干零件的组合，通常用来实现一定的设计功 能，在solidworks 系统中，用户先设计好所需的零件，然后根据配合关系和约束 条件将零件组装起来，生成装配体。使用装配关系，可相对其他零部件来准确 地定位零部件，还可以定义零部件如何相对于其他零部件移动和旋转。通过继 续添加配合关系，可以将零部件移到所需的位置。配合会在零件之间建立几何 关系，例如共点，垂直，相切等。每种配合关系对特定的几何实体组合有效。 在装配过程中，用户可以使用配合关系来确定零件的位置和方向可以自下 而上的设计一个装配体，也可以自上而下地进行设，或者两者方法结合使用。 1. 自下向上的装配设计 在日常工作中，最常见到的是自下向上的装配设计。即零件设计和造型完 成后，在装配环境中通过施加装配约束，完成装配模型。具体的实施过程主要 有： （1）零件设计。逐一构造所有零件的特征实体模型。 （2）零部件的引用。 （3）装配规划。 1）为新的装配模型取名。 2）分析基础构件。基础构件是第一个引入装配模型中的零件，默认自由度 为零。一般选择机器中固定不动的零件作为基础构件，如减速器中的下箱体。 3）分析零件的引入顺序、构件之间的约束关系。 4）考虑是否建立子装配体。 5）全面考虑模型的参数化方案。先进的机械设计对参数化提出了很高的要 求，利用参数化技术可以很方便地实现相关零件、部件之间地联动，比如修改 了一根传动轴的直径后，对应的轴承内径和箱体支撑孔孔径随之改变，实现转 配模型和零件模型之间的数据联动。同时也要意识到极端情况造成的模型崩溃 的情况，比如当轴径过大造成箱体孔大于箱体长度，导致箱体造型崩溃。 2. 自顶向下的装配设计 和机械设计中的草图设计有些类似，自顶向下的设计往往应用在全新设计 或创新设计中。设计起始阶段，零件的形状和位置往往还不能完全确定，似乎 为我们应用cad/cam 系统进行装配建模带来困难。事实上，我们需要改变观 点，充分利用cad/cam系统提供的功能可以非常顺利地完成自顶向下的装配 设计。 设计步骤主要有： （1）装配规划 划分装配体的层次结构。 计划部件之间的装配约束方法。 28 全局参数化设计方案设计。 （2）部件及设计与装配。 （3）零件及设计。 （4）零部件的引用。 （5）生成工程图。 下面我将具体将其中液压缸零部件设计规划列出，详细介绍其具体三维建 模过程。 图3.1 液压缸部件设计规划 3.5 液压缸的三维建模详细制作过程 1 进入零件体，绘制草图，通过【拉伸】 ， 【拉伸切除】命令，建立如图 3.2 实 体模型。 机械手 吸盘 液压缸 带轮 机架 缸套 缸杆 螺栓螺母 拉伸 拉伸切除等拉伸扫描切除 草图 草图草图 29 图3.2液压缸凸台 2 通过【拉伸】 【拉伸切除】命令，建立如图 3.3 实体模型。 图 3.3 液压缸主体 3 进入零件体，通过【拉伸】 、 【拉伸-切除】 、 【螺纹孔】命令，建立如图 3.4 实 体模型。 30 图 3.4 液压上螺纹孔 4 进入零件体，通过【拉伸】 、 【拉伸-切除】 ，命令，建立如图 3.5 实体模型。 图 3.5 活塞及活塞杆 31 5 进入零件体，通过【拉伸】 、 【拉伸-切除】 【螺纹孔】等命令，建立如图 3.6 实 体模型。 图 3.6 前缸盖 6 进入装配体，将各零件进行装配，建立如图 3.7 液压缸。 图 3.7 液压缸装配体 32 3.6 其他零部件的三维建模和装配模型创建 1 进入零件体，绘制草图，通过【拉伸】 ， 【拉伸切除】等命令，建立如下图等 各实体模型零件。 图 3.7 电机底座 图 3.8 小带轮 33 图 3.9 大带轮 图 3.10 工字钢 2 进行吸盘装配体的装配，选择【装配体】 ，单击【确定】如下图 3.11 界面。 34 图 3.11 新建装配图 3 在菜单栏点击 ，继续点击 ，在如图 3.12 中选择基本 件。 图 3.12 添加装配基本零件 35 4 在菜单栏点击 ，重复上一步的动作，继续添加零 件，将所要的零件添加一部分，在菜单栏点击 ，在要配合的零件的 部位选中如图 3.13 所示。单击 就可以完成两零件的配合，或者在 右面图标中选中想要的配合 ，在单击 ，会有同样 的效果。 图 3.13 装配实体 5 装配吸盘，利用配合功能。效果如图 3.14 实体模型。 36 图 3.14 吸盘 6 装配整个机械手的过程，如以下各图所示。 图 3.15 插入固定元件 37 图 3.16 插入电机及带轮等配件并配合 图 3.17 插入液压传动件 38 图 3.18 插入吸盘 图 3.15 总装配体 7 总装配体的动画制作过程及最终效果。 打开装配文件，单击动画图标按钮 ，进入动画仿真分析界面。 如 3.16 图要求。 39 图 3.16 生成动画步骤 在装配体中选择要求运