【《鼠标装配工作站机械设计及有限元分析案例》3500字】

鼠标装配工作站机械设计及有限元分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u5450鼠标装配工作站机械设计及有限元分析案例 1206581.1鼠标产品三维建模 1197471.2上下料盘、鼠标装配夹具三维建模 2282921.3机器人夹钳末端执行器三维建模 277291.1.1MHZ2-20D（平行开闭双手指双作用）气缸介绍 330501.1.2夹钳末端执行器设计参数计算 3255851.1.3夹钳末端执行器尺寸建模 3291741.4机器人吸盘末端执行器三维建模 5226711.4.1PATS吸盘介绍 5148441.4.2吸盘末端执行器参数计算 5165081.4.3吸盘末端执行器尺寸建模 6116021.5主要机械结构的有限元分析 791481.5.1有限元分析法介绍 740741.5.2末端执行器材料、约束及受力分析 727001.5.3末端执行器结果分析 853361.6鼠标装配工作站布局设计 982691.7小结 111.1鼠标产品三维建模图3-1华为AF30无线蓝牙鼠标图3-1华为AF30无线蓝牙鼠标图图3-2鼠标面壳图图3-3鼠标底壳1.2上下料盘、鼠标装配夹具三维建模图3-4鼠标装配夹具图3-4鼠标装配夹具1.3机器人夹钳末端执行器三维建模夹钳末端执行器由平指爪钳、V指和橡胶推杆组成。经过查询资料，设计出一种连动式夹持机构，将平指爪钳和V指结合设置在开闭型平行夹爪气缸MHZ2-20D的平行活动夹爪上，通过工业机器人位姿改变，可以实现末端执行器分别使用V指夹持电池、平指夹钳夹取产品，橡胶推杆推动夹紧的功能。需要利用气缸使夹爪开合，夹取电池和装配产品。电池V指夹持，产品平指夹持，两指共用行程为10mm，平指末端有长为3mm支撑平面。1.1.1MHZ2-20D（平行开闭双手指双作用）气缸介绍图3-5MHZ2-20D气缸图3-5MHZ2-20D气缸1.1.2夹钳末端执行器设计参数计算电池重量12g，直径为14mm的圆柱体；鼠标产品重量为56g。电池与夹钳末端执行器之间的摩擦系数为：0.5鼠标产品与夹钳末端执行器之间的摩擦系数为：0.25夹持电池所需夹持力：(3-1)鼠标产品所需夹持力：(3-2)根据计算可以得出，型号为MHZ2-20D的气缸产生的夹持力可以夹持电池以及鼠标产品。且该型号气缸工作行程符合夹钳末端执行器的工作行程要求。1.1.3夹钳末端执行器尺寸建模根据选用气缸、电池、鼠标产品外形尺寸以及IRB120机械臂设计夹钳末端执行器各零件。考虑末端执行器在鼠标装配任务中，鼠标电池的夹取安装，和鼠标产品的夹持摆放。注意电池爪和夹钳爪的工作行程计算。图3-6电池爪电池爪的设计图3-6电池爪图3-7夹钳爪夹钳爪的设计：图3-7夹钳爪连接体设计：根据机器人末端法兰盘，底端连接板的定位孔位置设计连接体，使之可以装配到IRB120机器人的末端法兰如图3-8所示，以及底端连接板上。图图3-7连接体图图3-8机器人末端法兰夹钳末端执行器总体设计：将设计的产品装配后，夹钳末端执行器如图3-9所示：图图3-9夹钳末端执行器1.4机器人吸盘末端执行器三维建模吸盘末端执行器由吸盘和橡胶推杆组成，经过设计思考，吸盘末端执行器选用直径为10mm的柔性吸盘，可适应吸附物表面的小范围形变，进而由真空发生器产生真空压力使吸盘吸附鼠标底壳和鼠标面壳，橡胶推杆由机器人控制其位姿以完成鼠标装配任务。1.4.1PATS吸盘介绍PATS吸盘可以通过选择不同吸盘直径和接触面积改变吸盘真空压力。吸盘末端执行器采用4个直径为10mm圆形吸盘，单个该吸盘在-40KPa状态下可产生1.142N的吸力。1.4.2吸盘末端执行器参数计算吸盘抓取鼠标底壳36g以及鼠标面壳10g。吸盘的法线与鼠标曲面切线夹角为20°和-20°。在水平与垂直方向上，吸盘运动速度从0mm/s加速度到200mm/s所用时间均为1s，抓取过程中的安全系数S=4，工件和吸盘之间的摩擦系数为0.5，真空度选用-40KPa：(3-3)(3-4)(3-5)水平方向上的加速度为：(3-6)水平方向上的总载荷为：(3-7)垂直方向上的加速度为：(3-8)垂直方向上的总载荷为：(3-9)水平方向合力：(θ=20°)(3-10)垂直方向合力：(θ=20°)(3-11)吸盘总吸力为：(3-12)水平方向合力：(θ=-20°)(3-13)垂直方向合力：(θ=-20°)(3-14)吸盘总吸力为：(3-15)吸盘最小直径为：（3-16）吸盘直径为1.41mm即可符合设计要求，故可以选用直径为10mm的吸盘1.4.3吸盘末端执行器尺寸建模图3-10吸附吸盘1.吸附吸盘的设计图3-10吸附吸盘2.连接体设计：根据机器人末端法兰盘，底端连接板的定位孔位置设计连接体，使之可以装配到IRB120机器人的末端法兰如图3-8所示，以及底端连接板上。1.吸盘末端执行器总体设计：将设计的产品装配后，吸盘末端执行器如图3-11所示：图图3-11吸盘末端执行器1.5主要机械结构的有限元分析1.5.1有限元分析法介绍有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素（即单元），就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。1.5.2末端执行器材料、约束及受力分析根据IRB120机器人的载荷分析以及对于小型零件装配方面考虑末端执行器选用铝材为主体材料，如图3-12所示。铝合金属于有色金属结构材料，塑性好、密度低、强度高、可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性、抗腐蚀性。图图3-12末端执行器材料选型对于吸盘末端执行器所受约束为机器人末端的固定约束。受力情况为吸盘吸附产品的重量以及加速产生的惯性力。通过计算采用安全系数S=4的基础上得出吸盘所需吸力为12.832N，反作用于吸盘末端。对于夹钳末端执行器所受约束为机器人末端的固定约束。受力情况为电池夹钳爪夹取电池所克服的电池重力、产品爪夹取鼠标产品所克服的重力，根据计算可知，电池夹钳爪的夹持力需2.4N，产品夹钳爪的夹持力为22.4N。1.5.3末端执行器结果分析根据设计的产品模型，以及计算出的各模型所需参数在Inspire中进行有限元分析。根据分析结果对模型进行结构优化和可行性验证。吸盘末端执行器有限元分析结果如图3-13(a)第一主应力、(b)米塞斯等效应力所示：图图3-13吸盘末端执行器有限元分析(b)米塞斯等效应力(a)第一主应力夹钳末端执行器电池爪有限元分析结果如图3-14(a)第一主应力、(b)米塞斯等效应力所示：图3-14夹钳末端执行器电池爪有限元分析图3-14夹钳末端执行器电池爪有限元分析(b)米塞斯等效应力(a)第一主应力夹钳末端执行器产品夹钳爪有限元分析结果如图3-15(a)第一主应力、(b)米塞斯等效应力所示：图图3-15夹钳末端执行器产品夹钳爪有限元分析(b)米塞斯等效应力(a)第一主应力在吸盘末端执行器有限元分析应力云图中可以看到，吸盘末端执行器主要的应力集中点在主体前端位置。夹钳末端执行器电池爪有限元分析应力云图中主要的应力集中点在气缸平行指处、夹钳末端执行器产品夹钳爪有限元分析应力云图中主要的应力集中点在气缸平行指内侧。1.6鼠标装配工作站布局设计机器人工作站布局指的是在有限的空间中，将整个工作站所需的的生产装配设备、辅助设备以及必要的零件等资源进行合理的布局规划。同时合理划分出加工区域、人员流动区域、物料工件流通区域等空间位置。使整个生产加工工作站合理高效的运行，并考虑减少人工的干预，以更高效、更智能化为最终目标。对于鼠标装配工作站的布局，需要注意以下几点：工作站的布局应该保证鼠标装配机器人末端执行器的工作范围覆盖到需要工作的区域；在整个装配工作中应该保证机器人末端执行器互相不发生干涉且与物料盘、鼠标装配夹具等工作站其他单元不发生干涉；在工作站外围设计围栏，避免在工作站工作时发生意外；工作站的管路布局应考虑工作需求，避免装配过程中影响生产。鼠标装配工作站总体布局如图所示，工作站由工作台、两台IRB120机器人、物料盘、鼠标装配夹具、鼠标零件、吸盘末端执行器、夹钳末端执行器组合而成，两台机器人之间距离为1000mm，双机器人协同工作。左侧为夹钳末端执行器机器人，负责电池的装配和鼠标产品的夹取摆放。右侧为吸盘末端执行器机器人，负责鼠标面壳和鼠标底壳的吸盘吸取装配。两个机器人在工作站协同装配，大大减少了工作站占用面积，采用这种生产方式可以保证鼠标装配精度以及持续长时间作业。在图中可以看到两台机器人工作范围具有重合区域，在机器人工作站调试时需要重点注意两台机器人的轨迹规划。物料盘也根据装配工序设