简易机械手机械结构设计

机电工程学院 专业综合课程设计专业综合课程设计 说说 明明 书书 课题名称 简易机械手机械机构设计 学生姓名 沈柳根 学号 20110611119 专 业 机械电子工程 班级 11 机电 成 绩 指导教师签字 2015 年1 月5 日 摘要摘要 简易机械手是工业机械手的简化 功能相似 而工业机械手是近代自动控 制领域中出现的一项新的技术 是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合 的产物 并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分 工业机械手 是提高生产过程自动化 改善劳动条件 提高产品质量和生产效率的有效手段 之一 工业机械手设计是机械制造 机械设计和机械电子工程等专业的一个重 要教学环节 是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合 设计 通过设计提高学生的机械分析与综合能力 机械结构设计的能力 机电 液一体化系统设计的能力 掌握实现生产过程自动化的设计方法 通过对于气动机械手的设计 展现了各个相关学科知识在这里的整合 有 利于理解专业知识 关键词 关键词 简易机械手 结构设计 气动 目 录 摘要 I 1 设计任务介绍及意义 1 1 1 设计任务意义 1 1 2 设计任务要求介绍 1 2 总体方案设计 3 2 1 结构分析 3 2 3 设计简介 3 3 机械传动结构设计 5 3 1 传动结构总体设计 5 3 2 手指气缸的设计 6 3 3 纵向气缸的设计 12 3 4 横向气缸的设计 13 4 最终图纸 15 4 1 装配图 15 5 总结 16 参考文献 17 1 设计任务介绍及意义 1 1 设计任务意义 通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力 提高分析和解决问题能 的一个重要环节 专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的 是学生根据所学课程进行的工程基本训练 课程设计的意义在于 1 培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识 独立进行机电控制系 统 产品 的初步设计工作 并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大 知 识领域 2 通过设计 培养学生独立的机械整机设计能力 树立正确的设计思路 掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤 为自动化机械设计打下良 好的基础 3 培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法 进行工程师基本素质的 训练 4 树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风 同时最大限度的培养了学 生分工协作完成大型设计的能力 1 2 设计任务要求介绍 1 基本要求 1 总体设计 针对具体的原理方案 通过对动力和总体参数的选择和 计算 进行总体设计 最后给出机械系统的装配图 A1 一张 2 根据要求 撰写设计说明书 1 份 3 设计选题分组进行 每位同学采用不同方案 或参数 独立完成 2 该机械手的功能 机械手的初始位置停在原点 启动后 机械手将下降 加紧工件 上升 右移 再下降 放松工件 再上升 左移 八个动作 完成一个工作周期 如图 1 所示 3 任务要求 执行元件 气动气缸 运动方式 直角坐标 4 主要设计参数参数 气缸工作行程 400 mm 运动负载质量 50 kg 移动速度控制 0 2 m s 图 1 搬运任务 2 总体方案设计 2 1 结构分析 机械手主要由手部 运动机构和控制系统三大部分组成 手部是用来抓持 工件 或工具 的部件 根据被抓持物件的形状 尺寸 重量 材料和作业 要求而有多种结 构形式 如夹持型 托持型和吸附型等 运动机构 使手部 完成各种转动 摆动 移动或复合运动来实现规定的动作 改变被抓持物 件的位置和姿势 控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制 来完 成特定动作 1 夹紧气缸 2 纵向气缸 3 横向气缸 4 常开手部 5 固定支架导轨 2 个 6 弹簧 图 2 方案一示意图 2 2 设计任务要求介绍 可以看出 图示为地面固定式 气缸 2 固定在地面上的固定台上 可以上下移 动 气缸 3 通过与导轨相连 可以在水平方向移动 气缸 1 采用的是靠弹簧 恢复的单作用气缸 它与手爪构成了一套常闭式夹紧装置 3 机械传动结构设计 3 1 传动结构总体设计 本方案的机械设计中重在气缸的设计 气缸 1 的作用是物品的抓紧和释 放 气缸 2 的作用是实现物料纵向的提升与下降 气缸 3 的作用是实现物料 的横向移动 对气缸结构的要求一是重量尽量轻 以达到动作灵活 运动速 度高 节约材料和动力 同时减少运动的冲击 二是要有足够的刚度以保证 运动精度和定位精度 气缸的设计流程图如图 4 所示 图 4 气缸设计流程图 气缸按结构特征分类如图 5 单活塞杆气缸是各类气缸中应用最广的一种气缸 由于它只在活塞的一端 有活塞杆 活塞两侧承受气压作用 的面积不等 因而活塞杆伸出时的推力大 于退回时的拉力 双活塞杆气缸活塞两侧都有活塞杆 两侧受气压作用的面 积相等 活塞杆伸出时的推力和退回时的拉力相等 单作用气缸是由一侧气口供给气压驱动活塞运动 依靠弹簧力 外力或自 重等作用返回 而双作用气缸是由两侧供气口交替供给气压使活塞作往复运 动 结合课程设计的方案 夹紧气缸 1 选择单作用气缸 依靠弹簧力恢复 纵向气缸 2 选择单作用气缸 靠重力恢复 横向气缸 3 选择双作用气缸 图 5 气缸结构分类 3 2 手指气缸的设计 图 6 手指气缸结构图 1 夹紧力的计算 手指加在工件上的夹紧力 是设计手部的主要依据 必须对其大小 方 向和作用点进行分析 计算 一般来说 夹紧力必须克服工件重力所产生的 静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷 惯性力或惯性力矩 以使工件 保持可靠的夹紧状态 手指对工件的夹紧力可按下式计算 式中 安全系数 通常取 1 2 2 0 工作情况系数 主要考虑惯性力的影响 可用下式估算 其中 a 运载工件时重力方向的最大升加速度 g 重力加速度 g 9 8 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 f 摩擦系数 G 选取工件所受的重力 N 设为 1 5 将已知条件代入得 2 气缸的内径 根据手指的几何关系得 由设计任务可以知道 要驱动的负载大小位 100Kg 考虑到气缸未加载时 实际所能输出的力 受气缸活塞和缸筒之间的摩擦 活塞杆与前气缸之间的 摩擦力的影响 在研究气缸性能和确定气缸缸径时 常用到负载率 100 0 FF 气缸的理论负载气缸的实际负载 由 液压与气压传动技术 表 11 1 取 0 45 根据气缸的结构得 D 活塞直径 m d 活塞杆直径 m P 许用压力 Pa 弹簧反作用力 NtF 估算时取 d 0 3D 40N P 0 5 代入上式得 按照 GB T2348 1993 标准进行圆整 取 D 80 mm 3 活塞杆直径 由 d 0 3D 估取活塞杆直径 d 25 mm 4 缸筒长度的确定 缸筒长度 S L B 20 L 为活塞行程 B 为活塞厚度 活塞厚度 B 0 20D 0 20 x80 16mm 由于气缸的行程 L 200mm 所以 S L B 20 236 mm 5 气缸筒的壁厚的确定 由 液压气动技术速查手册 知 一般气缸缸筒与内径之比 D 1 10 其壁厚通常按薄壁筒公式计算 实验压力 一般取 1 5p p 为气缸工作压力 bPbPPa 缸筒材料的许用应力 S p Pap b 材料的抗拉强度 b Pa S 安全系数 S 6 8 通常计算出的壁厚往往很薄 考虑机械加工工艺性 往往将缸筒壁厚适当 加厚 且尽量选用标准内径和壁厚的钢管与铝合金管 下图所列缸筒壁厚可供 参考 假设所选材料为无缝钢管 则由表知 6 气缸耗气量的计算 气缸的耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩空气量 耗气量大小与气 缸的性能无关 但它是选择空压机排气量的重要依据 a as pP PA Q v max t 7 气缸的进 排气口计算 通常气缸的进 排气口的直径大小与气缸速度有关 根据 ISO 15552 ISO 7180 气缸的进 排气口的直径见下表 ISO 标准规定 气缸直径3240506380 气口尺寸 汽缸直径100125150200250 气口尺寸 汽缸直径320 气口尺寸 查此表可知 气缸的进 排气口的规格为 3 3 纵向气缸的设计 由设计方案可以知道 纵向气缸 1 不仅要承受负载 50kg 的重量 还要承受 气缸 3 及手指部分的重量 假设此重量为负载的十分之一 即 5kg 则纵向气 缸实际的负载 F 539N 进一步求的理论负载119845 0 539 FFO 1 气缸的内径 由公式得 mm XP F D O 58 10695 1198 18 1 18 1 查表后得 D 63mm 2 活塞杆直径 由 d 0 3D 估取活塞杆直径 d 18 9 mm 查表后得 d 20mm 3 缸筒长度的确定 缸筒长度 S L B 20 L 为活塞行程 B 为活塞厚度 活塞厚度 B 0 20 0 25 D 0 20 63 13mm 由于气缸的行程 L 400mm 所以 S L B 20 433 mm 4 气缸筒的壁厚的确定 选用无缝钢管为材料 查表得 5 气缸耗气量的计算 3 105 3 2 2 max X p pp X D VdD Q a a 6 气缸的进 排气口计算 查表可知 气缸的进 排气口的规格为 3 4 横向气缸的设计 1 气缸的内径 根据机械手结构关系得 取 0 2 g 9 8 得 F 130 近似 根据气缸的结构得 估算时取 d 0 3D P 0 5 代入上式得 按照 GB T2348 1993 标准进行圆整 取 D 50 mm 2 活塞杆直径 由 d 0 3D 估取活塞杆直径 d 15 mm 查表得 d 16mm 3 缸筒长度的确定 缸筒长度 S L B 20 L 为活塞行程 B 为活塞厚度 活塞厚度 B 0 20D 0 20X0 5 10mm 由于气缸的行程 L 400mm 所以 S L B 20 430 mm 4 气缸筒的壁厚的确定 假设所选材料为无缝钢管 则由表知 5 气缸耗气量的计算 a a p pp X D VdD Q 2 2 max 6 气缸的进 排气口计算 查表可知 气缸的进 排气口的规格为 4 最终图纸 4 1 装配图 最终图纸如图 7 所示 图 7 装配图 5 总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际问题 锻炼实践能力的重要环节 是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程 通过 此次课程设计 暴露出了平时学习当中存在的问题 学习不够深入 了解不透彻 导致在做课程设计的过程中 经常对一些基本的知识点弄混 这次课程设计是毕 业设计前最后的一次练兵 对我来说非常有意义 机械手高效的工作效率 准确的定位精度 以及简单的结构及控制方式是 人手不能替代的 机械手的使用也将越来越广泛 回顾起此次课程设计 令我仍感慨颇多 一周的时间说长不长 说短也不 短 在这一周里让我学会了本课程在实际生活中的用途 学会了同学之间的互 助团结 学会了怎样克服困难 付出了不少时间和精力 但学到了很多很多东 西 通过本次课程设计 从课题的选择到项目的最终完成 老师都始终给予我 们细心的指导和不懈的支持 我在老师的精心指导和严格要求下 获得了丰富 的理论知识 极大地提高了实践能力 这对我今后进一步学习这方面的知识有 极大的帮助 在此谨向各位老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意 在此 我还要感谢在