气动机械手的设计.doc

气压传动与控制三级项目题目：气动机械手的设计小组成员：康彩波 李露莎 张 杰 张 毅 荣晓瑜 钟亚军指导教师：吴晓明教授日 期：2012/10/27一、设计机械手的背景及其意义在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。由于以上的问题，需要一种东西代替人在恶劣的环境中作业的要求呼之欲出，同时随着社会的进步，工业自动化产品的性能日益加强，而价格也因电子技术的高速发展而不断下降，机械手就在这样诞生了，机械手可以代替人在各种恶劣的环境中作业 。二、气动机械手设计A、夹紧缸 B、长臂伸缩缸C、立柱升降缸 D、回转缸工作行程：夹紧缸40mm，伸缩缸200mm,升降缸200mm。夹紧缸夹紧力500N，伸缩缸伸缩力小于200N，升降缸提升力800N动作顺序如下：机械手动作顺序：立柱下降机械臂伸出机械手加紧立柱上升立柱旋转机械手放松机械臂缩回立柱旋转。缸伸出为1，缩回为0。则动作顺序为C0（c0）B1(b1)A0(a0)C1(c1)D1(d1)A1(a1)B0(b0)D0(d0)C0。由此得到X-D图与逻辑图：x-d图逻辑图由以上两图，继而得到气动系统控制图：气动控制回路电气控制回路三、伸缩手臂的设计与计算根据本机械手的设计技术参数，伸缩手臂的行程为200mm，气爪抓重约为51Kg，加上末端执行器（气爪）和连接板的重量，总质量约为53Kg，由此，伸缩手臂的最大横向负载F=mg=539.8=520N。根据表3-2的数据，初步选定为缸径为20mm型号为MGPL25200的气缸作为机械手的伸缩手臂。伸缩手臂作水平直线运动时，主要克服的是摩擦阻力和惯性力，因此，气缸所需要的驱动力应由摩擦阻力和惯性力来确定。 式中 摩擦阻力，应包括手臂与伸缩导轨间的摩擦阻力，活塞与密封装置处的摩擦阻力； 手臂在启动过程的惯性力。其大小可按以下公式计算； 其中手臂移动部件的重量（牛顿）； g重力加速度（9.8米/秒2）； 启动或制动前后的速度差（米/秒）； 启动或制动所需的时间（秒）。摩擦力的计算：不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。图3-5是机械手的伸缩手臂受力示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩缸两侧。图3-5 伸缩手臂受力示意图由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。在垂直方向，可近似认为 FN=G总=520N。导杆所受到的水平方向的摩擦力 F摩=FN 其中 摩擦系数，气缸导向杆的材料为钢，取=0.2。 将有关数据代入进行计算F摩=FN =0.2520=104N惯性力的计算：本设计要求手臂平动时V=200mm/s，在计算惯性力的时候，设置启动时间=0.1s，启动速度V=V=200mm/s。=106N气缸所需的驱动力 F驱= F摩+ F惯=104+106N=210N 气缸的理论驱动力 F=1/4d2p其中 d气缸活塞杆的直径（米）； p气缸的工作压力（帕）。根据设计技术参数 d=10mm，p=0.5MPa代入数据进行计算得 F=1/4d2p=1/43.14（0.025）20.5106 =246N由计算的结果可知 FF驱即气缸提供的理论驱动力大于气缸实际所需的驱动力，因此，伸缩手臂的设计符合设计要求。 四、升降手臂的设计根据前段部分的设计和机械手结构尺寸可知：最大抓重m1=2Kg；标准气爪的材料为铝合金，经查找资料得知其密度2=2.75103Kg/m3，则标准气爪的质量m2=2V22.751030.0160.0570.0230.06Kg；伸缩手臂与标准气爪的连接板材料为45钢，其密度3=7.85103Kg/m3，则连接板的质量m3=3V37.851030.0810.030.010.19Kg；另外伸缩手臂导杆伸出件质量m4 0.5Kg。得出偏心负载的总质量m=m1+m2+m3+m4=2+0.06+0.19+0.5=2.75Kg，选型时要考虑一定的裕量，按m=3Kg，L=320mm选型五、回转臂的设计对摆台进行受力分析如图3-9所示，摆台要承受以上部件对它的轴向负载F和偏心负载G总对它的产生的弯矩M。图3-9 摆台受力计算图 当机械手竖直向下运动时，摆台受到的轴向负载最大，它的大小由摆台以上部件的总重力和惯性力决定，即 F=F重+F惯式中 F重摆台所要支撑的重力之和； F惯机械手在下降过程的惯性力。 摆台支撑的部件包括竖直升降气缸、水平伸缩气缸、气爪、夹持重物以及连接各个气缸的连接板，前文已计算气爪、夹持重物以及气爪和水平伸缩气缸之间的连接板，其总质量约为m3Kg。下面估算水平伸缩气缸、竖直升降气缸以及它们之间连接板的质量。水平伸缩气缸、竖直升降气缸和气爪的制造材料是一样的，都为铝合金 ，其密度2=2.75103Kg/m3；连接板的材料为45钢，其密度3=7.85103Kg/m3。水平伸缩气缸的质量m伸缩=2V伸缩2.751030.2530.0360.0832.08Kg，竖直升降气缸的质量m升降=2V升降2.751030.1460.1460.169.38Kg，连接板的质量m板=3V板7.851030.160.160.012.01Kg，求得摆台所要支撑的质量总和m总=m+m伸缩+m升降+2m板=3+2.08+9.38+22.01=18.48Kg，摆台所要支撑的重力之和F重=m总g=18.489.8=181.10N。机械手在下降过程中惯性力的计算：本设计要求手臂升降时V=100mm/s，在计算惯性力的时候，设置启动时间=0.05s，启动速度V=V=100mm/s。其大小可按以下公式计算： 其中 摆台所要支撑的质量总和（牛顿）； 手臂升降时启动或制动前后的速度差（米/秒）； 启动或制动所需的时间（秒）。 代入计算数据求得=36.96N综上所述：摆台应承受的轴向负载F=F重+F惯=181.10+36.96=218.06N由于机械手承受重物的偏心负载，必然会对摆台产生一个弯矩，在选择摆台时需保证摆台所能承受的弯矩M不能超过许用弯矩，否则可能会造成摆台的变形损坏，影响机械手的运动平稳性和运动精度。摆台所要承受的弯矩M=G总L，根据前文的设计计算，知G总=29.4N，L=320mm。代入数据求得M=G总L=29.40.32=9.41Nm摆台有基本型和高精度型两种类型，基本型的成本较低，运动精度能满足本设计要求，因此选择基本型即可。驱动力的计算 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座图1 滑槽杠杆式手部受力分析 如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，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P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于O1OA和O2OA均为直角三角形，故AOC=BOC=。根据销轴的力平衡条件，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0P=2P1cosP1=P/2cos 销轴对手指的作用力为p1。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即m01(F)=0得 P1h=Nb 因 h=a/cos 所以 P=2b(cos)N/a式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 由上式可知，当驱动力P一定时，角增大则握力N也随之增加，但角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取=3040。这里取角=30度。 这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基础中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即： P实际=PK1K2/式中 手部的机械效率，一般取0.850.95； K1安全系数，一般取1.22 K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。 本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120,=30时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下： 根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式 N=0.5G 把已知条件代入得当量夹紧力为 N=49（N） 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2b(cos)N/a 得 P=P计算=2*45/27(cos30)*49=122.5(N) P实际=P计算K1K2/ 取=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 则 P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)六、项目感想 在这次气压传动与控制三级项目当中我们在图书馆和网上查阅了好多资料，在信息的筛选和分析过程中曾遇到组内意见不统一的情况，经过激烈的讨论最终确定上述分析结果。经过这次讨论课不仅加深了我们对多学知识的了解，更丰富了我们课外相关知识的积累，加强了我们团队合作精神。期间虽然还有一些问题是我们一直没有理解的，由于时间精力的原因不能再深一步研究下去留下一些遗憾，但也使我们认识到了自己的不足，促使我们将会更加细心努力专业课本所学知识积极听取老师的指导。这样的讨论课加深了我们对课程学习的兴趣，更激发了我们对所学知识具体应用领域探索的欲望。七、参考资料吴振顺，气压传动与控制，哈尔滨工业大学出版社周碧胜，周碧海短电弧切削技术c中国上海硬面