机械手设计说明书

指导老师：设计合作成员：一、设计工程名称机械手臂手指机构2二、设计目的本设计拟搬运宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。手指的动力驱动方式为液压传动。液压传动的机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。三、设计要求(1)机械手为专用机械手，适用于夹六菱柱形钢质工件。(2)选取机械手的座标型式和自由度。(3)主要设计出机械手的手部机构。(4)液压传动系统液压缸的选用四、设计方案4.1机械手根本形式的选择机械手的典型结构一般可分为：回转型〔包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种〕、移动型〔移动型即两手指相对支座作往复运动〕和平面平移型。本设计采用二指回转型手抓。4.2机械手的主要部件及运动本机械手的部件有齿轮、齿条、连杆和液压缸等。主要的运动有直动液压缸驱动齿条的平动、齿轮和齿条的啮合运动、连杆的转动和手抓的平行移动。4.3驱动方式的选择本机械手的驱动方案采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。4.4机械手的技术参数列表用途：卸码垛机械手臂抓重：5kg抓取的物体的几何形状：宽度为90～110mm六菱柱形钢质工件机械手自重：小于等于10kg4.5机械工作原理机械手的夹工件的工作原理框图如图1所示。四连杆齿条齿轮传动执行机构驱动系统四连杆齿条齿轮传动执行机构驱动系统〔液压传动〕手爪夹持工件手爪夹持工件图1.机械手夹工件的工作原理框图该机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手能适应六菱柱形钢质工件不同面的夹持，故带有水平转盘手臂的回转运动。传动机构采用齿条与齿轮啮合。本机械通过液压驱动传递动力推动齿条平动，齿条与齿轮啮合将液压缸传来的水平运动转化为齿轮连杆的回转运动。而齿条与齿轮啮合驱动四连杆转动，四连杆机构使夹板水平移动，完成对工件的夹紧松开。机械手的整体结构图如图2、图3所示。手爪局部特点如下表述：1.机械手手部由手爪〔即夹板〕和传力机构所构成。机械手爪能夹宽度尺寸为90～110mm的工件，由于所夹工件是六菱柱形钢质工件，故在竖直方面上夹持会比拟方便设计和简化机构，手爪局部可以做成平面夹板，而机构本身应带水平转盘机构以适应不同角度的夹持。2.传力机构型式连杆杠杆式，夹板是与工件直接接触的构件，在竖直方向上夹持工件，夹板外表始终保持与工件侧外表平行，通过夹板产生夹紧力来完成夹放物件的任务。图2.机械手整体结构图3.机械手除去端盖部件正视图4.6结构说明本机械手从上至下主要部件分别是水平转盘、液压缸、齿条齿轮、四连杆、夹板。手爪结构设计及夹持范围计算〔如图4〕a.齿轮设计：综合考虑防止齿轮根切、加工方便、机械手结构尽量小和简单等因素，齿轮模数M=1，分度圆半径为20mm。同时连杆1和齿轮做成一体能大大简化机械结构。b.考虑到刚度和夹紧的需要确定L3=19c.确定D因为机械手要夹紧的工件的范围是90～110mm，所以D<=90mm.而且D越大，机械手的体积越大。再结合已经确定的齿轮的参数，应选D=40。d.确定L2因为机械手要夹紧的工件的范围是90～110mm，故L2=(110+19*2-40)/2=54.留下一定的设计余量，选L2=60。图4.手爪结构e.夹紧力和驱动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。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的加紧力可按公式计算：〔3.2〕式中K1——平安系数，通常1.2--2.0；K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算K2=1+a/g〔其中a为重力方向的最大上升加速度a=Vmax/t响；Vmax——运载时工件最大上升速度t响——系统到达最高速度的时间，一般选取0.03--0.5sK3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择G——被抓取工件所受重力〔N〕本设计采用的参数值如下：K1=1.6；K2=1+a/g=1+〔0.1/0.5〕/10=1.02；K3=1.5；G=50故得：FN>=1.6×1.02×1.5×50=122.4N计算驱动力：F计算=FN〔〔h+L2COSα〕-kb〕=122.4×〔〔47.5+80×cos18〕-0.15×18.11〕/20=739N实际驱动力：取η=0.95得F实际=F计算/η=739/0.95=778N液压缸的直径D选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8~1MPa,4表1.液压缸的缸筒内径尺寸系列表2.液压缸活塞杆外径尺寸系列表3.液压缸活塞行程系列〔GB/T2349-1980〕根据表1，选取液压缸内径为：D=16mm根据表2，那么活塞杆内径为:D=160.5=8mm，选取d=8mm行程选择：当夹住工件为90mm时，到达最小极限位置，那么夹板应能夹住小于90，取a=40〔图4〕，即齿轮转过角度要为α齿条与齿轮配合，即齿条要走过L=20480360查表3，行程选择最小行程25mm就可以满足要求了4.6.3主要零件结构说明a.齿条〔如图5〕齿条的端部做成圆柱形，方便装配。另外在齿条的端面打孔，一方面可以与液压缸推杆端部很好的连接，另一方面可以方便定位，简化优化结构。图5.齿条b.齿轮连杆〔图6〕齿轮与连杆做成一体，齿轮中心用轴连接，轴两端用套筒和轴承固定在壳体上，齿轮连杆与长杆连接处有凸起，保证连接处间隙可调。图6.齿轮连杆图7.齿条与齿轮连杆啮合c.轴承〔如图8〕轴承使用的是脂润滑轴承，该类轴承使用方便，润滑性能优异，耐高温，保证使用精度，持久耐用。轴承与壳体上的轴承孔配合，用轴承盖封装起来，所以从外部看机械手整体，轴承就看不到，但是轴承是本机械手中非常重要的部件，它很好地减小摩擦，保证了连杆运动的平稳性。图8.脂润滑轴承图9.连杆与轴、轴承配合d.连杆2〔如图10〕其中与夹板连接的连杆2如下图，连杆2的连杆部位设计成对称形式，这样就保证了铰接处很好地运动，并且在结构上看起来也比拟美观合理。e.夹板〔如图11〕连杆连接，在竖直方向上可动。如果工件在未加工之前外表不平整，那么通过夹板在竖直方向上微动确保可以完全夹住工件。注：连杆连接处用铰制螺栓连接图10.连杆2图11.连杆与夹板配合连接主要零件的工艺性a.底板〔如图13〕底板做成弯折状，毛坏直接铸造得到，经过精加工得到实体。壳体由两块底板连接合成得到。比照设计前期所做的底板〔如图12〕及组成的整体机构，发现改良后的底板使结构更加紧凑合理和保证了运动的稳定。图12.改良前的底板及由底板装配得到的机械手实体图13.改良后的底板及由底板装配得到的机械手实体b.齿轮连杆(如图15)该零件是机械设计的关键零件，比照前期设计〔如图14〕，齿轮与连杆分开，虽然齿轮与连杆可以比拟容易得到，但是装配起来会使得机构臃肿并且不稳定。改良后〔如图15〕，将齿轮与连杆做成一体，从而节省了材料，同时又使得机械手的结构变得紧凑，使得运动平稳。在加工方面，连杆上的齿可以采用线切割技术方便地得到，并且节省了材料，精度也得到了保障。此外，在连杆连接处设计了凸台，这样可以调整间隙而使得配合良好，而且因为凸台是工作面，加工凸台使得加工方便，并且连杆旋转时会产生摩擦，加凸台会使得摩擦面减小，从而使机构运动平稳。图14.改良前的齿轮和连杆图15.改良后的齿轮连杆c.连杆2该连杆在连接处设计成对称形式〔如图17〕，装配后运动稳定，并且在结构上装配合理。比照前期〔如图16〕的设计，发现在前期的设计容易发生振动，并且容易磨损。改良后的零件克服了以上弱点。并且改良后的结构在铰接处精度要求更高一些。图16.改良前的连杆2图17.改良后的连杆2六、小结1、本次设计的是液压专用机械手，适用于夹宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，设计出来的机械构经过验算后可以满足要求。2、设计的过程中，通过大家集体讨论得出初步方案，按照方案进行设计并不断改良验算优化，最终设计出大家满意的结果。在设计过程当中，应该每隔一两天小组成员一起讨论，提出设计过程中出现的各种问题并解决问题，这样设计会比拟有效率并且可以集团体智慧，时不时地找指导老师提供意见，综合设计出最优化结果。3、设计过程是对自己solidworks技能提升的过程，即使是