凸轮式机械手的设计.doc

分 类 号 密 级 题题 目 目 凸轮式机械手的设计 姓 名 学 号 系 别 机电系 专 业 机电一体化 指 导 教 师 论文提交日期 2011 年 5 月 摘要摘要 机械手是模仿人的手部动作 按给定程序 轨迹和要求实现自动抓取 搬运和操 作的自动装置 它特别是在高温 高压 多粉尘 易燃 易爆 放射性等恶劣环境中 以及笨重 单调 频繁的操作中代替人作业 机械手虽然目前还不如然手那样灵活 但它具有不断重复工作和劳动 不知疲劳 不怕危险 抓举重物的力量比人手力大的 特点 因此获得日益广泛的应用 机械手一般由执行机构 驱动系统 控制系统及检 测装置三大部分组成 智能机械手还具有感觉系统和智能系统 通过对机电一体化专业大学专科三年的所学知识进行整合 对工业机械手各部分 机械结构和功能的论述和分析 设计了一种凸轮式机械手 重点针对机械手的手脘 手臂等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了详细的分析 还有凸轮机构的设计 应用 凸轮机械手可以代替工人机械而繁重的劳动 是一种高效的自动化生产设备 凸轮机械手作为一种新型机械手 具有结构紧凑 可靠性好 成本低 精度高的特点 在现代场合仍具有十分重要的地位 关键词 机械手 凸轮机构 控制系统 目 录 第 1 章凸轮机械手的简图绘制 1 1 已知条件 1 2 从动杆运动规律的选择 1 2 1 凸轮机构从动杆运动分析 1 2 2 从动杆的位移方程及运动规律曲线 1 2 3 凸轮机构的压力角与凸轮基圆半径的选择 1 4 绘制凸轮轮廓 第 2 章 凸轮机构机械手自由度的计算 2 1 计算凸轮机构机械手的自由度 第 3 章机械手部分设计 3 1 手部 3 11 手部总体要求 3 12 手部类型 3 13 手部要求 3 14 设计时应注意的问题 3 15 手指夹紧力的计算 3 16 驱动力的计算 3 2 机械手的手腕 3 2 1摩擦阻力矩的计算 3 2 2偏置力矩 M 偏的计算 3 2 3惯性力矩 M 惯的计算 3 3 机械手的手臂 3 31 设计时注意的问题 3 32 驱动力分别计算 第 4 章各种材料的选择 结 论 谢 辞 参考文献 第 1 章 凸轮式机械手的简图绘制 1 1 已知条件 基圆 以凸轮最小半径 r0 所作的圆 r0 称为凸轮的基圆半径 推程运动角 0 远休止角 01 回程运动角 近休止角 02 行程 h 推杆的运 动规律 是指推杆在运动过程中 其位移 速度和加速度随时间变化的规律 1 2 从动杆运动规律的选择 1 21 凸轮机构从动杆运动分析 当从动杆运动为多项式运动规律时 多项式运动规律一般式为 n k k k n n CCCCCCS 0 3 3 2 210 当从动杆为等速运动规律时 从动杆加速度在行程始末为突变的 其余为 0 行 程始末为刚性冲击 只是用于低速轻载 当从动杆为等加速 等减速运动规律时 从动杆速度行程始末为 0 行程中点最大 加速度绝对值为常数 中点处方向有突变 行程始末为柔性冲击 易产生噪声 磨损 较大 适用于低速中速轻载 当从动杆为余弦加速度规律时 从动杆速度行程始末为 0 行程中点最大 加速度 行程始末较大 中点处为零 整个过程圆滑变化 行程始末为柔性冲击 适用于中速 重载 当从动杆为正弦加速度运动规律时 从动杆速度行程始末为 0 行程中点最大 加 速度行程始末中点处均为 0 整个过程圆滑变化 理论上无冲击 噪声小 磨损小 但 取决于制造精度 适用于高速轻载 综上所述 采用从动杆为余弦加速度规律的凸轮机构 1 22 从动杆的位移方程及运动规律曲线 余弦加速度运动规律是按余弦曲线变化 从动杆运动方程为 从动杆推程方程 0 2 0 2 2 00 0 2 2 1 2 cos h a sin h v cos h s 从动件回程方程 00 2 2 00 0 2 2 1 2 cos h a sin h v cos h s 由式可知 加速度曲线是余弦曲线 速度曲线是正弦曲线 而位移曲线是简谐运 曲线 余弦加速度运动规律的位移曲线 速度曲线和加速度曲线如图所示 余弦加速 度运动规律的位移曲线的画法如下 画出坐标轴 以横坐标轴代表凸轮转角 选择适当的角度比例尺 度 mm 以 纵坐标轴代表从动杆位移 s 选择适当的长度比例尺 mm mm 2 在横坐标上按所选角度比例尺 截取升程角 在纵坐标上按所选长度比例尺 截取行程 h 3 以行程 h 为直径 在纵坐标轴 s 轴上画半圆 将该半圆和升程角 对应等分 为相同等分数 得等分点 1 2 3 4 5 6 和 1 2 3 4 5 6 4 过半圆上各等分点 1 2 3 4 5 6 作直线平行于横坐标轴 轴 与过转角 同名等分点 1 2 3 4 5 6 所作的横坐标的垂线相交 得交点 5 将交点等以光滑的曲线连接起来 便得升程的位移曲线 回程的位移曲线可 以用同样方法求得 但回程的位移曲线与升程的位移曲线为对称曲线 余弦加速度运动规律曲线图 0 t 0 t t t t t t t 凸轮机构的压力角与凸轮基圆半径的选择 许用压力角 一般可取30 50 之间 这里取 40 凸轮基圆半径 r0 在满足 max 条件下 要满足结构和强度要求 R 1p 由C R R 可知R 1p2p1p 绘制凸轮轮廓 由于 滚子从动杆凸轮机构 从动杆与凸轮之间为滚动摩擦 运动阻力及磨损均小 可以承受较大的载荷 所以选用滚子从动杆 利用反转法绘制凸轮轮廓 步骤如下 一 绘制凸轮理论轮廓线 画出尖顶从动杆的凸轮轮廓线 1 绘制从动杆位移曲线 选取适当的比例尺 位移的比例尺 u 转角的比例 尺 U 作从动杆的位移线图 如图所示 在横坐标上按每等分升程角和回程角 得 0 10 等分点 1 2 3 4 过各等分点作横坐标的垂线 交位移曲线于 1 A 2 B 3 C 从而得从动杆在各对应点的位移 1 2 3 4 4 D 1 s 1 A 2 s 2 B 3 s 3 C 4 s 4 D 2 画出反转过程中从动杆导路中心线的位置 任取一点 O 为凸轮回转中心 取与位移曲线相同的比例尺 u 以 O 为圆心 以为半径作基圆 标出从动杆的位置 b r 从动杆与基圆的接触点为 在基圆上自点开始 沿顺时针方向 按照与位移曲线 0 c 0 c 横坐标相同的等分数等分基圆 得点 作径向线 则径向线 O O 即为凸 1 c 2 c 1 c 2 c 轮在反转过程中从动杆导路中心线所在各个点位置 3 画凸轮轮廓线 自基圆开始 沿得等分点的径向线 O O 向外依次 1 c 2 c 量取 O 1 O 2 得点 这些点即是从动杆顶尖在反转过程中 1 c 1 A 1 c 2 B 0 B 1 B 2 B 所处的一系列位置 将 各点连成一条封闭光滑的曲 0 B 1 B 2 B 4 由于该凸轮机构需要两从动杆速度相等运动方向相反 所以凸轮需设计成对称结 构 5 由 各点连成的封闭光滑的曲线 即为凸轮理论轮廓线轮廓 0 B 1 B 2 B 冀中职业学院 论文 二 绘制凸轮的工作轮廓线 以理论轮廓线上的各点为圆心 以滚子半径 r 5 为 半径作无数小圆 这些小圆的内包络线即为凸轮的工作轮廓线 最左端到最 右端距离为 128mm 凸轮机构中从动杆端部滚子与凸轮需要始终保持锁合 在凸轮机构设计中采 用弹簧力锁合 如图 第 2 章 凸轮机构机械手自由度的计算 2 1 计算凸轮机构机械手的自由度 该凸轮机构中活动构件数 n 3 低副 3 高副 2 故其自由度应为 L P H P F 3n 2 L P H P 3x3 2x3 2 1 因为 机构具有确定的相对运动的必要条件是 机构的自由度 F 大于零 并 冀中职业学院 论文 且主动构件数与机构的自由度数相等 在该机构中 F 1 大于零 主动构件数与机构的自由度相等 故该机构具有 确定的相对运动 符合设计要求 手部 冀中职业学院 论文 机械手的手部是用来抓持工件 或工具 的部件 手部抓持工件的迅速 准 确和牢靠程度都将直接影响到机械手的工作性能 它是机械手的关键部件之一 1 手部总体确定 手部是承担抓取刀具的机构 由手指传力机构和驱动装置等组成 是机械手 的重要组成部分之一 根据被抓起部件的材料 形状 尺寸以及一些特性的不同 此机械手部分为手指式 2 手指式手部的类型 手指式手部是以手指的张开和闭合来实现抓持工件 它对抓取各种形状的工 件具有较大的适应性 故应用最广 一般手指式手部具有两指 三指或者多指 后者应用较少 而次此设计手指为两指式手指 冀中职业学院 论文 手指式手部按手指的运动形式可分为回转型和平移型 回转型又分为单支点 和双支点两种 回转型手部多用于抓持圆柱形工件 平移型用于抓持方形工件 3 手部要求 1 手指应具有足够的夹紧力 在考虑手指的夹紧力时 除考虑工件的重量 外 还应考虑工件在传送过程中产生的惯性力和震动等影响 以保证夹持牢靠 2 各构件要有足够的刚度的强度 3 构件要简单 修理方便 4 应尽可能结构紧凑 使之重量轻 动作灵活 4 设计时应注意的问题 冀中职业学院 论文 手指应有足够的夹紧力 为使手指牢靠的夹紧工件 除考虑被抓持工件 的重力外 还应考虑工件在传送过程中所产生的动载荷 手指应有一定的开闭范围 其大小不仅与工件尺寸有关 而且须注意手 部接近工件的运动路线及方位的影响 应保证工件在手指内准确定位 结构尽量紧凑 重量轻 以利于腕部和臂部的结构设计 根据应用条件考虑通用性 5 手指夹紧力的计算 手指对工件的夹紧力可按下式计算 1 2 3 kgf 冀中职业学院 论文 式中 1 安全系数 通常取 5 2 工作情况系数 主要考虑惯性力的影响 可按 2 a g 估算 a 为机械手在搬运工件过程的加速度 m s 2 g 为重力加速度 m s 2 3 方位系数 被抓持工件的重量 kg 冀中职业学院 论文 6 驱动力的计算 手指夹持工件所需要驱动力的大小 在同一夹紧力的条件下 随所采用的传 动结构的不同而异 但其计算方法都是按照具体的传动机构进行力的分析 根据 力系平衡原理来进行的 P1 N a b sin sin a 根据受力的平衡条件可得驱动力为 P 2 P1 sina 2Na b sin sina sin a 3 2 驱动力的计算 冀中职业学院 论文 机械手的手腕连接于手和手臂之间 用于调整手的方向 此机械手能旋转任何 角度 所以手腕能分别独立的绕 X Y Z 轴向实现转动即实现手 腕的任何角度 的伸缩和转动 手腕回转的驱动力距 M 通常计按下式计算 M 1 1 1 2 M 摩 M 偏 M 惯 公斤力 米 式中 M 摩 手腕支撑处的摩擦阻力距 M 偏 工件重心偏置的偏置力矩 M 惯 手腕运动的惯性力矩 1 摩擦阻力矩的计算 冀中职业学院 论文 M 摩 f 2 N1 D1 N2 D2 公斤力 米 式中 N1 N2 轴承处支反力 D1 D2 轴承直径 米 F 轴承的摩擦系数 2 偏置力矩 M 偏的计算 M 偏 G e 公斤力 米 式中 G 工件的重量 公斤力 冀中职业学院 论文 e 工件重心到手腕转轴线的垂直距离 米 3 惯性力矩 M 惯的计算 M 惯 0 0175 J 腕 J 手 J 工 w t 公斤力 米 式中 J 腕 手腕的转动部件对其运动轴线的转动惯量 J 手 手部对手腕转动轴线的转动惯量 J 工 工件对手腕转动轴线的转动惯量 W 手腕转动的角速度 1 秒 T 手腕启动过程所需用的时间 秒 冀中职业学院 论文 3 3 机械手的手臂 手臂部是机械手的主要执行部件 其作用是支承手部 主要用来改变刀具的 位置 手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式 1 设计时注意的问题 手臂部的运动和结构形式对机械手的工作性能有着较大的影响 设计时应注 意下列几点 1 刚度要好 要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸 实践证明 空心 杆比实心杆刚度大得多 常用钢管作臂部和导向杆 用工字钢和槽钢作支承板 以保证有足够的刚度 冀中职业学院 论文 2 偏重力矩要小 偏重力矩是指臂部的总重量对其支承或回转轴所产生 的力矩 它对臂部的升降运动和转动 均将产生影响 设计时应使臂部各部分的 质量分布合理 以减少其偏重力矩 3 重量要轻 惯量要小 由于机械手在高速情况下经常起停和换向 为 了减少在运动状态变化时所产生的冲击 必须采取有效的缓冲装置外 力求结构 紧凑 重量轻 以减少惯性力 4 导向性要好 为了防止臂部在直线移动中沿运动轴线发生相对转动 以保证手部的正确方向和准确定位 必须有导向装置 其结构应根据臂部的安装 形式 抓取重量和运动行程等因素来确定 2 驱动力分别计算如下 1 手臂水平伸缩时 冀中职业学院 论文 P 驱 P 摩 P 惯 公斤力 式中 P 驱 驱动力 P 摩 摩擦力 包括手臂伸缩导轨间 导向杆间和密封装置处的摩擦阻 力 公斤力 P 惯 手臂在启动过程中的惯性力 其大小可按下式近似计算 P 惯 G 伸 V g t 公斤力 式中 G 伸 随同手臂伸缩部件总重量 公斤力 G 重力加速度 m s 2 V 手臂的工作速度 m s T 起动过程所用时间 秒 冀中职业学院 论文 2 手臂升降时 P 驱 P 摩 P 惯 G 升 公斤力 式中 G 升 随同手臂升降部件总重量 公斤力 3 手臂水平左右摆动时 M 驱 M 摩 M 惯 公斤力 米 式中 M 驱 驱动力矩 公斤力 米 M 摩 摩擦力矩 包括转轴支撑处和密封装置处的摩擦阻力矩 公斤 力 米 M 惯 手臂在起动过程中的惯性力矩 可按下式计算 M 惯 J w t 公斤力 米 冀中职业学院 论文 式中 J 随同手臂摆动部件对转轴的转动惯量 W 手臂摆动的角速度 1 秒 机械手机构示意图 第 4 章 材料的选择 一般机械凸轮最常用的材料是 45 和 40Cr 其热处理方法选择如下 1 整体淬火 强度 硬度 HRC50 55 提高 承载能力增大 但 韧性减小 变形较大 淬火后须磨齿或研齿 只适用于载荷较大 无冲 击的机械凸轮 应用较少 冀中职业学院 论文 2 调质 由于硬度低 韧性也好不太高 不能用于大冲击载荷下工作 只适用于低速 中载的机械凸轮 一对调质机械凸轮的小机械凸轮面硬度要比 大齿 面硬度高出 HB25 40 3 正火 受条件限制不适合淬火和调质的大直径机械凸轮用 4 表面淬火 45 40Cr 高频淬火机床机械凸轮广泛采用 直径较大用火 焰表面淬火 但对受较大冲击载荷的机械凸轮因其韧性不够 须用低碳钢 有冲击 中小