【《臂部采用凸轮机构传动的机械手设计》9000字（论文）】

臂部采用凸轮机构传动的机械手设计摘要在现如今的生活中，工业机械手的作用越来越重要。许多领域都出现了工业机械手的身影。特别是2017年以后，工业机械手得到了迅猛发展。工业机械手具有可以大大提高企业质量生产管理效率，降低人工劳动强度等众多技术优点，目前已被广泛运用。本文分析了机械手的发展前景与现状，设计臂部采用凸轮机构的工业机械手。此机械手结构比较简单，紧凑，运行起来稳定安全。从经济方面考虑，研发维护起来成本较低。本文阐述了臂部采用凸轮机构传动的机械手设计，根据抓取的物体的重量推算出液压缸的具体参数，根据提升重物的距离设计出凸轮机构的参数，并且设计出合适的齿轮齿条来确保抓取的物体到达给定的位置要求，设计合适的弹簧进行缓冲。然后通过科学的方法对各个重要零部件的刚度强度以及整体的稳定性进行校核。凸轮机械手在目前的生产线上已经初步实现了价值关键词：工业机械手，凸轮，液压缸目录摘要………………ⅠAbstract…………….……………...Ⅱ1绪论……………………11.1工业机械手的发展前景与现状……………11.2工业机械手分类以及各部分组成………11.3选题意义…………………22总体方案的确定………………42.1机械手的原理……………42.2方案的确定………………53液压缸的设计……………63.1驱动力的计算……………63.2液压缸参数的计算………64臂部的设计……………94.1凸轮机构的设计…………94.2齿轮齿条的参数确定……………………94.3花键强度校核…………124.4轴承的选择……………135手部的设计……………………155.1负压喷嘴及吸盘的选择……………155.2真空吸盘的设计………175.3负压喷嘴的确定………19结论…………21参考文献…………23绪论国家提出制造业高质量发展，这让每个投身于制造业的人都看到政策的福音。而光有政策是远远不够的，必须还得靠技术的支持。工业机械手已经在工厂的生产线上大范围应用，制造业高质量发展必将使机械手的应用越来越广泛。1.1工业机械手的发展前景与现状在科技高度发达的今天，人类一直致力于把双手从简单重复的劳动中解放出来，随着工业革命的发展，各种各样的机械手在自动化生产线的地位已经越来越重要，尤其是在工业领域。工业机械手可以自动识别用户编写的操作程序，并按照编写的程序来执行对工件进行抓取和运输到指定工作位置等各种操作。还能用来代替人工，做各种频繁劳重的体力活，还可以在特殊环境下随时进行工作，保障人身安全，因此大量应用于工业机械制造、航空、冶金等领域。机械手的概念是在早期机器人的基础上逐步提出来的，研究工作开始于20世纪中期。特别是1946年第一台新型计算机的问世，更为机械手的持续发展进步奠定了坚实基础。机械手首先是从美国开始发明的，1958年美国成功研制出了世界上第一台机械手，此后经过不断改良，使这台机械手更加完善，这台机械手对以后的机械手发展影响深远，意义重大。机械手得到迅猛的发展是在二战期间，许多国家用来搬运炸弹。而由于我国现代工业机械手的产业起步较其他发达国家要晚，因此，要落后其他国家许多。但我国政府认识到机械手的重要性，加大了投资与研发，在众多学者以及研究者的积极参与下，成功研制了一系列工业机械手。随着机械手的发展，人们对机械手的要求也越来越高，包括在精度方面，稳定性方面等，人们已经不满足于机械手只能搬运重物做重复劳动这单一方面。如今的机械手已经向模块化发展。由标准的相互独立的制造模块组成，每个模块有动力源、驱动部分等。不同的模块组合在一起，有一个信息的控制系统控制，构成了具有特殊功能的机械手。扩大了机械手的应用范围。再一个是往无给油化的方面发展。无给油化是一个新提出来的概念，主要应用于食品等生产过程中无污染的领域。随着时代的不断向前推进，机械手的各部分发展不断趋于完善，相信在不久的将来，机械手领域一定会迎来腾飞。1.2工业机械手分类以及各部分组成机械手的分类有很多种，主要有以下几种：（1）机械手按驱动方式分可分为气动式、机械式、电动式、液压式；（2）按照自动机械手的用途分类又可细分为各种类型专用自动机械手和各种类型通用机械手；（3）按点位控制操作方式不同又可细分为连续点位控制和自动点位轨迹控制两种机械手。机械手的构成并不复杂，主要是执行机构、驱动机构和控制系统。1.机械手的执行机构机械手的执行机构一般由手、臂、躯干三部分组成。手部：是安装在机械手手臂的前端，为了进行抓取夹持工作的部件。通常手部需要根据抓取的物件大小尺寸形状来进行设计。手部大致可以分成夹持型和吸附型。夹持型又分为内抓式和外抓式。吸附型主要抓取平板玻璃状的物体。手臂：主要作用主要是用来支撑手部。其次，工件运动的范围取决于臂部运动形式，还用来支撑腕部。手臂和人的手臂一样，能旋转也能伸缩，增加了机械手的自由度，使机械手的运动更加灵活。躯干：通俗来说就是一个承载其他部件的支架。2.驱动机构驱动机构是使工业机械手运动的机构，是一个重要的部分。一般有液压式，气动式，电动式和机械式四类。目前比较常用的是气压式驱动和液压式驱动。气动式的成本低，速度快，定位精度比其他机械手高，缺点是臂力小，在300N以下。液压式的臂力大，一般来说能达到10000N以上，可以完成连续的控制。3.控制系统控制系统能按照人的意愿或者所希望的方式控制可变的量，从而实现理想状态控制系统在现阶段已被广泛应用于各个方面。加入一辆车没有控制系统，那就无法实现转弯，加速等功能，控制系统可以形象的比作人的大脑，具有举足轻重的作用。1.3选题意义在我国，机器人模仿人手的动作，主要是为了减轻工人的劳动强度，改善工作条件。在生产中，可以提高自动化水平和劳动生产率。在逐步发展通用机械手的同时，也要加强计算机控制机械手和组合机械手的研发。除了大力研发外，还要注意速度和定位的准确性，这样才能更好地发挥机械手的作用。虽然机械手的应用并不尽如人意，但只要技术和价格问题得到解决，机械手将逐渐成为制造系统中的基本单元，机械手的应用将得到跨越式的发展。本次选择臂部采用凸轮机构的机械手设计这个课题，串联了大学四年所学的全部关于机械的知识，同时发展自己的设计能力，熟练掌握应用自己的查表能力，计算能力，查阅资料的能力，为以后成为一个专业的技术人员奠定基础。

2.总体设计方案的确定本次设计所要实现的目的是抓取5-10kg，并且是玻璃材质的平板状物件，而且要实现到达指定的位置的要求。通过比较其他相关的产品，设定手部可以实现90°的回转，臂部部分能达到150mm的伸缩。本次设计的产品可以应用于自动化生产线的上下料2.1机械手的原理如图2-1所示。齿轮3与凸轮4固联在一起，凸轮5和臂部6固联在转轴7上，轴7与凸轮4套装，可沿轴向移动，装在凸轮5圆周上挡销10与11和固定挡块8与9起定位作用，装在转轴7右端的压缩弹簧12可保证凸轮4与5紧靠。1-油缸2-齿条3-齿轮45-凸轮6-臂部7-转轴8、9-挡块10、11-挡销12-弹簧13-手部14-工件图2-1臂部采用凸轮机构的机械手工作原理当活塞油缸1通过齿条2和齿轮3驱动凸轮4沿逆时针方向转动时，凸轮5在弹簧12的作用下，连同7和臂部6向左移，当到两齿轮完全合笼后，凸轮5将随凸轮4一起转动。当凸轮5转过角后，凸轮5上的挡销10同挡块8相碰，凸轮5被迫停止转动。当凸轮4继续转动时，手臂6被凸轮4推向右方，完成整个工作循环。2.2方案的确定首先要整体考虑机械手的自由度，定位精度以及运行速度等。自由度通常是衡量机械系统运动灵活度的一个重要参数，在一个机械系统中自由度多就意味着此系统越灵活，能完成的动作就越多。3个自由度就能满足一般的机械手的需要，专用的机械手通常只有两个自由度。定位精度是衡量机械手运动稳不稳定的一个重要指标，通俗讲是看工件能不能准确到达工作所需要的指定的位置。一般所说的定位精度是指重复定位精度。伺服系统可以使工业机器人的定位精度达到0.01毫米。除了对机械手整体的考虑，各个分部之间也应该进行设计与校核。1.驱动系统的设计：液压缸是机械手中的执行元件，可以把液压能转化为机械能，为机械手提供动力。本课题选择的液压缸应该保证机械手运转的基本动力，并能够使物件转向。2.臂部结构设计：臂部的整体尺寸结构应该满足完成机械作业时所需要的空间要求。3.手部设计：由于本设计抓取的物件为玻璃材质平板状的物体，故采用吸盘式的手部设计。通过真空吸盘抓取物体实现物体的移动。4.其他关键部位的设计：包括齿轮齿条，挡销的选取设计。

3.液压缸的设计液压缸在本课题的设计中起到将液压缸动能转化为机械能的作用，是机械手的主要操作执行元件。液压缸的结构是简单的，使用安装起来也比较方便。本课题为实现直线运动，采用单活塞式双作用液压缸。3.1驱动力的计算手臂要克服摩擦力和其他的惯性力才能做伸缩运动，所以驱动力的可以用下面这个式子计算：（3-1）式中——起动过程的惯性力；其大小按下式估算：（3-2）其中G——臂部移动部件的总重量,估算G=mg=1009.8=980Ng——重力加速度，g=9.8v——臂部运动速度，v=0.5m/st——起动时所用的时间，这里取t=0.2s——摩擦阻力。查资料《机械设计手册》可以查出铸铁与橡胶的动摩擦因数为，则可得：490N根据公式（3-1），可得，由于臂部的主轴直接带动首部及工件的运动，考虑其产生的动载及吸盘负压条件，取驱动力为3.2液压缸参数的计算3.2.1液压缸的输出力（1）如图3-1示，单杆活塞式液压缸的推力（3-3）式中——液压缸推力——工作压力——活塞的作用面积；——活塞直径图3-1活塞缸（2）如图3-2所示，单杆活塞式液压缸的拉力（3-4）式中——液压缸拉力——工作压力——液压缸有杆腔作用面积（3-5）——活塞直径——活塞杆直径图3-2活塞缸3.2.2液压缸的输出速度（1）单活塞式液压缸活塞外伸时的速度（3-6）式中——活塞的外伸速度——进入液压缸的流量——活塞的作用面积（3-7）——活塞直径（2）单活塞式液压缸活塞缩入时的速度（3-8）式中——活塞的缩入速度——流出液压缸的流量——液压缸有杆腔作用面积（3-9）——活塞直径——活塞杆直径3.2.3液压缸主输出力的校核根据公式（3-1），单杆活塞式液压缸的推力根据公式（3-2），单杆活塞式液压缸的传动拉力经过校核满足驱动力要求。

4臂部的设计臂部是机械手的重要部分。跟人类的手臂一样，机械手的臂部也可以伸缩旋转。手臂的作用就是承受重量，改变工件位置。此次设计的机械手所用的手臂包括齿轮齿条，凸轮的选择及计算，键的选择等问题。4.1凸轮机构设计凸轮机构是一种能够使从动件作预期规律运动的高副机构，是由凸轮，从动件（也称推杆）和机架组成的高副机构。凸轮机构应用广泛，本次就应用到了凸轮机构来控制机械手臂的升降，凸轮普遍应用在印刷机内燃机中。凸轮做等速转动时，从动件的运动规律取决于凸轮的曲线形状。由于凸轮机构在机器中的功能不同，其从动件的运动规律也不同。从动件的运动规律如图4-1所示。4-1从动件的运动规律本设计题目要求，凸轮机构的传动为直线方向的往复运动，根据凸轮机构的特性，如第二章的图2-1所示，利用凸轮1转动，使凸轮2按凸轮轮廓线以点接触的形式规律地运动，在运动到行程最大时，两凸轮重合，此时两轮廓曲面完全接触，摩擦力达到最大，在摩擦力的作用，实现同时传动。综上所述，凸轮机构可以进行简化设计，主动凸轮与从动凸轮的接触面被设计为与轴线成。4.2齿轮齿条的参数确定齿轮的齿条的传动如图4-2所示。齿条运动的速度与齿轮分度直径、转速之间的关系为（4-1）式中：齿轮分度圆直径，单位：；：齿轮转速，单位：。图4-2齿轮与齿条传动齿轮的加工方法有很多种，最常用的是切削加工法。先进行粗加工，再进行精细加工加工工程中还要避免根切的发生。加工完后还要进行热处理，避免出现点蚀，断裂等情况，才能达到应用的要求。4.2.1齿轮齿条的尺寸计算齿轮齿条的参数计算如表4.1所示。表41齿轮齿条参数计算结果项目名称计算公式及代号数值原始数值齿轮齿数21模数（GB/T1375-200X）螺旋角基本齿廓（GB/T1356-2001）压力角齿顶高系数1齿轮变位系数要求耐磨条件较好时可按表3-2选取齿宽齿轮齿条齿条基准面至齿顶高的距离齿轮长度主要几何参数计算序号项目名称计算公式及代号数值1齿轮分度圆直径2齿顶高齿轮齿条3齿根高齿轮齿条4齿高齿轮齿条5齿轮中心到齿条线的距离6齿距7齿条齿数取整8齿条切齿部分精确长度4.3花键强度校核花键联接的强度计算与键联接相似，首先根据联接的结构特点、使用要求和工作条件选定花键类型和尺寸，然后进行必要的强度校核计算。查GB/T1144-2001，初选花键大径、小径、齿数、齿宽、工作长度、倒角。假定载荷在键的工作面上均匀分布，每个齿面工作面上的压力的合力作用在平均直径处，即传递的转矩，并引入系数来考虑实际载荷在各花键齿上分配不均的影响，则花键联接的强度条件为静联接：（5-6）动联接：（5-7）：载荷分布不均系数，与齿数多少有关，一般取；：花键齿数；：齿的工作长度，单位为；：花键齿的侧面的工作高度，矩形花键，，此处为倒角尺寸，单位均为；：花键的平均直径，矩形花键，，单位为；：花键联接的许用挤压应力，单位为；：花键联接的许用压力，单位为。经过校核，花键长度满足工作要求。4.4轴承的选择此次机械手轴承在正常工作时要分别承受较小的径向力和较大的轴向力。所以综合考虑，选择角接触球轴承。角接触球轴承一般成对安装。接触角关系到载荷能力的大小。接触角大载荷能力就大。通过主动凸轮的结构，选择轴承的参数如表4.2所示表4.2轴承参数轴承代号尺寸7000C100150484.4.1轴承座的选择轴承座一面为固定轴承，同时要与框架连接，轴承座受到静载荷，同时也受到旋转的载荷，必须具有一定的强度和刚度。为方便安装和固定轴承座分为上盖和下盖，上盖有凸台，上面有螺纹孔。上端盖和下端盖通过螺栓连接。端盖选用45钢，由于轴承座主要受到工件的重力作用，为稳定的静载荷，所以不必校核。4.4.2框架的设计用的45钢钢筋做框架，两端用在轴承座上。由于框架只受到工件和其它零部件的重力，大约为500N,同时又受到很小的扭矩，主要是启动时的扭矩。由框架的结构可知，危险截面在与轴承座连接处。受到的拉伸应力为：（5-8）其中：为所受的上述的各部件的重力为400N;d为的直径为12mm代入公式5-8得查取机械设计手册得45钢则，所以框架是安全的。5手部的设计机器人的手部是直接用于抓取工件或者夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，安装于机器人手臂的前端。由于被夹持工件的形状、重量不同所以机械手的手部机构是多种多样的。工业机器人的手部分类如图5-1所示。图5-1机械手部的分类手部起到很重要的作用，但是手部设计时，还应该特别注意以下问题，手部必须得有足够的吸力去吸附工件，不能在抓取过程中使工件掉落。还有手部也得考虑成本，兼顾价格的同时还要有技术的投入。除此之外，手部也应该有足够的运动范围。5.1负压喷嘴及吸盘的选择由于本课题抓取的工件是玻璃材质的平板状物件，故选用空气负压吸盘式手部。工作原理如图5-2所示。压缩空气通入喷嘴1，由于喷嘴通道界面的变化，使与吸盘2相通的小孔口处形成很高的气流速度将吸盘2中的空气带出，形成负压进而吸附工件。真空系统的另一个执行元件是真空吸盘。真空吸盘能吸住表面平整光滑的工件，而且由于柔软的橡胶，所以不会损坏工件。利用真空吸盘是最便宜的一种来抓取工件的方式。真空吸盘可以代替人类在高温的环境下进行工作。构成吸盘的材料是多种多样的。有丁腈橡胶，聚氨酯或者硅橡胶。真空吸盘具有易损耗，易使用，无污染，不伤工件等特点。真空吸盘的工作原理也是利用负压将物体吸牢，进而提升重物，将工件送到指定位置后，吸盘的负压就变为零，从而释放物体。吸盘的吸力有大有小，根据实际情况选择吸力较大的吸盘还是吸力较小的吸盘综合成本技术等考虑，本设计选择使用丁腈橡胶为吸盘的材料。1喷嘴2吸盘3工件图5-2负压喷嘴式吸盘图5-3为两种吸盘的形状。图5-3（a）所示为圆形平吸盘，图5-3（b）所示为波纹形吸盘。通过对比，可以看到，圆形平吸盘的结构类似于一个喇叭，而波纹形吸盘类似于弹簧，具有这样的形状，就意味着波纹形吸盘具有缓冲作用，在抓取的过程中不会使工件受到损害。而且波纹形吸盘能够抓取表面不是特别平整的工件，适应能力更强。图5-3吸盘5.2.真空吸盘的计算设计1）选择真空吸盘抓取物体要注意以下三点：①工件重量及自身重力②合力的计算及方向③工件的材质及表面特性2）受力分析：真空吸盘吸持工件有两种使用情况，即真空吸盘与工件处于水平或垂直工作状态，本设计中真空与工件处于垂直工作状态，受力分析如图5-4所示。图5-4受力分析真空度垂直负载有效表面水平负载密封面的表面压力摩擦力密封面积密封面积的受力负载力真空吸盘坐标真空吸盘与工件间的摩擦系数吸力加速度为了保证整体有足够的夹紧力，需要同时满足的受力条件如下：当手部抓取的工件与吸盘垂直时，整个吸盘是受力平衡的，根据平衡条件，，，垂直力水平力。3)方向的力（图5-4所示）：方向最大的传输力取决于它的真空度工件表面特性及真空吸盘与工件接触面的角速度及加速度力，若利用真空吸盘搬运工件，不可忽视加速度力，(5-1)其中，：工件质量，：加速度。式中为轴与轴方向受力之间的相互关系。方向的力减弱就可以增加真空吸盘的负载，换句话说，对于水平安装的真空吸盘在垂直方向所受的负载力越大，它的横向传输力就越小。4）摩擦系数摩擦系数是影响轴方向的横向传输重要因素。它是由工件和真空吸盘这两种材质同时决定的。真空吸盘与工件接触面之间的压力越大（即真空度越大），可降低对摩擦系数的要求。换言之，如果增加轴方向的负载，则要求增加摩擦系数。5）工件的材质特性：工件的材质特性影响着真空发生器的效能，被吸工件的表面质量直接影响真空吸盘的保持力。6）其它方面：抽真空的时间和被抽真空的量成比例，并与所产生的真空度成正比。如果真空度从提高到，即吸力增加1.5倍；而所需的能量却大于1.5倍。因此，在选择真空吸盘时，不应以最大真空度来计算，所以应选择大一点的真空吸盘。根据上述，真空吸盘的吸力主要有真空吸盘的负压度，以及吸盘吸住工件表面积的大小来决定的。除此之外，气流负压式的气流压力与流量、挤气式吸盘内腔的大小对吸盘吸力均有影响。要具体情况具体分析，在实践时对计算的吸力作必要的修正。对于真空吸盘来说，其吸力可用下式近似计算：（5-2）：吸盘吸力（N），这里选：真空表读数（真空度），这里选0.07：吸盘数量，选取2个；：安全系数（一般取）；：工作情况系数。工作情况系数要根据实际情况而定，一般可在范围内选取；：方位系数。吸盘吸附垂直放置的工件时，（为摩擦系数），吸盘材料为橡胶，工件材料为玻璃时，可取。代入已知条件，可得，取，形状为圆形型吸盘。5.3负压喷嘴的设计抓取的工件重量为5-10kg，表面光滑，材料为平滑的玻璃材质，所以根据公式5-2，得到的吸力为根据以上计算，取两个吸盘，有效直径为70mm。选择渐扩式的喷嘴，因为结构简单，也能保证产生足够的负压。图5-5喷嘴结构临界断面上的速度值(5-3)则喷嘴喷出空气时的速度：(5-4)式中：——喷嘴速度系数，表示由于喷嘴中压力损失造成的减速；——绝对大气压（引气管中的压力6bar）；——选取定的喷嘴内腔压力（绝对大气压）；——绝热曲线指标（）(5-5)值取大于1绝对大气压是为了补偿由喷嘴排出空气时的扩张，当＜1绝对大气压时会发生内腔吸气现象，应避免。喷嘴中达到音速处的断面面积(5-6)由圆的面积计算公式可求喷嘴直径(5-7)喷嘴出口处的断面