正式机械手夹持器.doc

15沈阳理工大学课程设计专用纸 1 夹持器1.1夹持器设计的基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围；（3）应保证工件在手指内的夹持精度；（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；设计参数及要求（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松；（2）所要抓紧的工件直径为80mm 放松时的两抓的最大距离为110-120mm/s ， 1s抓紧,夹持速度20mm/s；（3）工件的材质为5kg，材质为45#钢；（4）夹持器有足够的夹持力；（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力。1.2.夹持器结构设计 1.2.1夹紧装置设计. 1.2.1.1夹紧力计算 一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 2-1式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.22.0，取1.5；工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数, ，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指与工件形状：型指端夹持圆柱型工件，为摩擦系数，为型手指半角，此处粗略计算, 求得夹紧力 ，取整为177N。 1.2.1.2驱动力力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式：式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角可得，得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： ，取 1.2.1.3液压缸驱动力计算设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力：式中 活塞直径 活塞杆直径 驱动压力，,已知液压缸驱动力，且由于，故选工作压力P=1MPa 据公式计算可得液压缸内径：根据液压设计手册,见表1.1，圆整后取D=32mm。活塞杆直径 d=0.5D=0.540mm=16mm活塞厚 B=(0.61.0)D 取B=0.8d=0.732mm=22.4mm,取23mm.缸筒长度 L(2030)D 取L为123mm活塞行程，当抓取80mm工件时，即手爪从张开120mm减小到80mm，楔快向前移动大约40mm。取液压缸行程S=40mm。液压缸流量计算：放松时流量 夹紧时流量 1.2.1.4选用夹持器液压缸温州中冶液压气动有限公司所生产的轻型拉杆液压缸 型号为：MOB-B-32-83-FB，结构简图，外形尺寸及技术参数如下：表1.2夹持器液压缸技术参数工作压力使用温度范围允许最大速度效率传动介质缸径受压面积()速度比无杆腔有杆腔1MPa+300 m/s90%常规矿物液压油32mm12.58.61.45 1.2.2手爪的夹持误差及分析 在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。工件直径为80mm，尺寸偏差，则，。 本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有： 1.2.3楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的力分析如下：滚子与斜楔面间当量摩擦角，为滚子与转轴间的摩擦角，为转轴直径，为滚子外径，为滚子与转轴间摩擦系数; 支点至斜面垂线与杠杆的夹角；杠杆驱动端杆长；杠杆夹紧端杆长；杠杆传动机械效率1.2.3.1斜楔的传动效率 斜楔的传动效率可由下式表示： 杠杆传动机械效率取0.834，取0.1，取0.5，则可得=, ，取整得=。1.2.3.2动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即，如果，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以必须大于。此外，当时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。1.2.3.3斜楔驱动行程与手指开闭范围当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为L，此时对应的杠杆手指由位置转到位置，其驱动行程可用下式表示：杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： 通常状态下，在左右范围内，则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条件可知最大为55-60mm,最小设定为30mm.即。已知，可得，可知：楔块下边为60mm，支点O距中心线30mm，且有，解得：1.2.3.4与的确定斜楔传动比可由下式表示：可知一定时，愈大，愈大，且杠杆手指的转角在范围内增大时，传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由分配距离为：，。1.2.3.5确定由前式得：，取。1.2.3.6确定为沿斜面对称中心线方向的驱动行程， ，取，则楔块上边长为18.686，取19mm.1.2.4材料及连接件选择V型指与夹持器连接选用圆柱销，d=8mm, 需使用2个杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销，d=8mm, 需使用2个滚子与手指连接选用圆柱销，d=6mm, 需使用2个以上材料均为钢，无淬火和表面处理楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径12mm，螺距p=1，旋合长度为10mm。 2 腕部2.1腕部设计的基本要求（1）力求结构紧凑、重量轻；（2）结构考虑，合理布局；（3）必须考虑工作条件2.2具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从AA剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，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进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动，静片之间允许回转的角度来决定（一般小于），图中缸可回转。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采馈控制。2.3腕部结构计算2.3.1腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服的阻力有：（1）腕部回转支承处的摩擦力矩（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩（3）克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度及启动过程转过的角度按下式计算：手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为200mm，直径90mm，其重力估算： ,取98N.等效圆柱体的转动惯量： 工件的转动惯量，已知圆柱体工件， 要求工件在0.5s内旋转90度, 取平均角速度，即=，代入得： 解可得： =0.80832.3.2回转液压缸所驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a, b口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。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。 或 式中 手腕回转时的总的阻力矩 回转液压缸的工作压力（Pa） 缸体内孔半径（m） 输出轴半径（m），设计时按选取 动片宽度（m）上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。2.3.3回转缸内径D计算由 ，得：， 为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用：综合考虑，取值计算如下：r=16mm，R=40mm，b=50mm，取值为1Mpa。2.3.4液压缸盖螺钉的计算 连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：，即工作拉力与残余预紧力之和计算如下：液压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距小于150mm,试选择2个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=2个 受力截面 ，此处连接要求有密封性，故k取（1.5-1.8），取K=1.6。 所以 螺钉材料选择Q235，安全系数n取1.5（1.5-2.2）螺钉的直径由下式得出 ，F为总拉力即 螺钉的直径选择d=8mm.2.3.5静片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： 螺钉的强度条件为： 带入有关数据，得：螺钉材料选择Q235，则（安全系数）螺钉的直径 ，d值极小，取。螺钉选择M6的开槽盘头螺钉， 。 2.3.6腕部轴承选择 腕部材料选择HT200，估计轴承所受径向载荷为50N,轴向载荷较小，忽略。两处均选用深沟球轴承。现校核较小轴径处轴承。6005轴承基本数据如下：，当量动载荷，载荷系数取1，则，由公式：N为转速，由0.5s完成回转，计算得：，球轴承代入得：，远大于轴承额定寿命。选用轴承为深沟球轴承6005，6008。 3 伸缩臂设计3.1伸缩臂设计基本要求 设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作。（1）功能性的要求：伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（2）适应性的要求：要求设置可调式定位机构；动力的大小要能与负载相适应。（3）可靠性的要求：要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。（4）寿命的要求：设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施（5）经济的要求（6）人机工程学的要求（7）安全保护和自动报警的要求 3.2伸缩臂机构结构设计3.2.1伸缩臂液压缸参数计算3.2.1.1工作负载R液压缸的工作负载R是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对液压缸产生的总阻力，即： 式中：-工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力；-工作机构满载启动时的惯性力。(1)的确定 工件的质量m=5.9 (kg) 夹持器的质量 15kg(已知)伸缩臂的质量 50kg(估计)其他部件的质量 15kg(估计)工作机构荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N) 取Ri=860N(2) 的确定 Rm= (N) (3) 的确定 Rg=(N) 式中：为启动时间，其加速时间约为0.10.5s=0.1s , =0.2s总负载 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N) 取实际负载为 =1200 3.2.1.2液压缸缸筒内径D的确定D= 式中：R=1000 5000 , p可取0.8, =取液压缸缸筒内径为40mm。3.2.1.3活塞杆设计参数及校核(1)活塞杆材料：选择45号调质钢，其抗拉强度=570(2)活塞杆的直径：查液压传动设计手册得，当压力小于10Mpa时，速比=1.33。则可选取活塞杆直径为20mm系列，且缸筒的厚度为5mm。 最小导向长度：mm (3)活塞杆强度及压杆稳定性的计算 油缸稳定性的计算因为油缸的工作行程较大，则在油缸活塞杆全部伸出时，计算油缸受最大作用力压缩时油缸的稳定性。假设油缸的活塞杆的推理为P，油缸稳定的极限应力为Pk，则油缸稳定性的条件为PPk。Pk按下式得到： 式中：可按液压传动设计手册得到； 式中：为活塞杆直径为缸体外径。D为缸体内径。所以， 所以 、为长度、上的断面惯性矩。 查时极限力的计算图，可由且查得所以：。所油缸的稳定性是满足条件的。 活塞杆强度的计算（E：材料的弹性模量）刚的弹性模量为E200Mpa。液压传动与控制查得： 所以活塞杆强度是满足条件的。 3.2.1.4缸筒设计参数及校核(1)缸筒材料：选择ZG310-570铸钢,其抗拉强度=570(2)缸筒壁厚及校核：取壁厚=5mm 因此属于普通壁厚缸筒壁厚的校核 式中：-缸筒内最高工作压力；=7-材料的许用应力 -材料的安全系数=5校核符合要求(3)缸筒外径： 3.2.1.5缸底设计参数及校核(1)缸底材料：选择Q235碳素结构钢，其抗拉强度375460(2)缸底厚度 mm 取缸底厚度为5mm3.2.1.6油缸零件的连接计算首先确定油缸缸筒与缸盖采用螺纹连接;缸筒与缸底的连接此处选用焊接方式，此种方式能够使液压缸紧凑牢固。（1）缸筒螺纹处的强度计算：螺纹处的拉应力： 螺纹处的剪应力： 合成应力： 许用应力： 式中：P:油缸的最大推力kgf; D:油缸内径cm; ：螺纹直径cm；：螺纹内径，当采用普通螺纹时（GB196-63）时，可近似按下式（t螺距cm）;K:螺纹预紧力系数，去K1.251.5；：螺纹那摩擦系数（0.070.2），一般取0.12；：缸筒材料的屈服极限。n: 安全系数，取n=1.2-2.5,一般取n=1.75.由前面计算可得：D=40mm=4cm，则查机械设计课程设计手册，采用普通螺纹基本尺寸（GB/T196-2003）公称直径第二系列 4.8，可得螺距t=0.4cm; =4.8cm .所以，。 K取1.5，n:取1.75。所以：,满足强度条件。（2）缸筒与缸底的焊接强度计算P:油缸推力kgf:焊缝效率，可取0.7：焊条材料得抗拉强度3.2.1.7液压油缸其他零件结构尺寸得确定由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压力为2.0。（1）活塞与活塞杆得连接结构：油缸在一般工作条件下，活塞与活塞杆采用螺纹连接。其形式如图所示（2）活塞杆导向套：做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定，材料选用铸铁材料。（3）活塞与缸体得密封。采用O型密封圈密封。选用36.5内径，截面直径为3.55mm.3.2.2导向杆机构设计3.2.2.1导向机构的作用导向机构的作用是保证液压缸活塞杆伸出时的方向性，提供机构刚度，保证伸缩量的准确性。3.2.2.2导向机构的外形尺寸及材料导向选择矩形导轨导向，导轨为伸缩臂基座上得一部分，经加工而成；滑台则在其上滑动且滑台得端部靠法兰安装夹持器部分。材料选择为45号钢1为滑台，2为伸缩臂基座，3为矩形导轨的压板。此处矩形导轨是直接在基座上加工出来的，滑台在导轨面上滑动，靠压板来固定调节。基座臂厚为10mm.。3