【《冲床上下料机械手的结构设计案例》7500字】

1冲床上下料机械手的结构设计案例1.1机械手总体设计方案1.1.1机械手自由度和坐标形式选择一条传动链的设计，通常应当先确定其自由度和坐标形式，为了这个目标，要弄清楚机械手需要几个运动。简单分析，可以了解到机械手总共需要垂直方向的直线运动，水平方向的直线运动，大角度的转动三种运动方式，初定垂直方向一个传动链，水平方向一个传动链，转动两个传动链，包括腰部和手部两个部分。确定自由度之后，应当确定各机构的坐标形式，如图3-1所示，机械手的坐标形式通常有四种形式。不同的型式代表着不同的运动状态，如图a所示，直角坐标型的机械手的运动形式为x轴、z轴的直线运动，该坐标能够实现较大的运行精度，但因为运行量大，占用空间较大，所不适用于运动复杂的场合。图b和图c分别代表圆柱坐标型机械手和球型坐标机械手，两种方式均有z轴的回转运动和x轴的直线运动，不同的是圆柱型坐标机械手的z轴同样具有回转运动；相比于后者，前者运行空间更小，且更加灵活。图d为关节型机械手，该机械手由不同关节构成，每个关节都能够自由的进行回转运动，该型机械手为四种类型中精度最高，可完成360度内限定三维空间内各个点的执行任务，但该机械手控制复杂，成本较高，多用于一些任务复杂的场合，不适用单一运动的执行机构。图3-1各坐标型式的机械手简图Figure3-1Kinematicsketchesofmanipulatorindifferenttypeofcoordinate分析冲床上下料机械手的运动情况，主要完成拾取工件上料、下料，其运动形式为z轴的旋转运动，x轴的直线运动，在减少成本的情况下，不考虑运动复杂的形式，但为了适应不同冲床的上下料任务，在z轴方向上也应该添加一上下的直线运动。据此依据，选用圆柱形坐标为最佳方案。本文所用冲床冲压界面为水平方向，所以机械手执行部位即手部只设置垂直方向的回转运动。如下图3-2为本机械手的运动简图。3-2上下料机械手运动简图Figure3-2Kinematicsketchofloadingandunloadingmanipulator1.1.2机械手主体参数表3-1机械手主体参数Table3-1Mainparametersofmanipulator1.2机械手的驱动方案设计 驱动方式对比目前的机械手驱动方式有多种，包括电、气、液、及混合驱动。通过对课题目的研究，选用电机驱动方式。一方面，由于机械手工作时的姿态和执行位置处于不断地改变中，电机驱动方式最能保证运动的稳定性和快速性。液压装置虽然运行平稳，力矩较大，但其噪声较大，且存在不同程度的漏油现象；气动装置不太稳定。所以，除非特殊场合，一般机械的动力原件通常选取电机，电机作为接收脉冲进行角度回转的动力原件，能够精确的控制点位，且具有成熟的配套设施保证可靠的传动，且体积相对较小。电机的种类多样且区别较大，不同的场合可选用不同的电机。作为工业尤其制造业的运动执行设备，通常需要进行伺服控制来保证工作顺利完成。交流伺服电机作为集大成者以较大比例参与其中，伺服电机有着综合性能优越的优势。与之相比，步进电机重量较大，运行过程难以保持平稳，转速、转矩性能均较差；伺服电机又分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类，直流电机较交流电机有着速度平稳，性能良好的特点，但由于其电刷结构产生摩擦，使得维修复杂且难以获得较大的转速。交流电机虽然需要复杂的控制配套设施，但在运行范围内，其可以保持恒转矩输出，所以用于力矩条件要求高且不需要频繁维护的场合。由于本课题研究的机械手的额定负载较小，体积和重量均要求较小，上下轴，旋转轴，伸缩轴和摆动轴都要求动态特性好、传动功率较大，都采用交流伺服电机的驱动方式。1.3机械手的传动方案设计1.1.1腰部的传动方案作为端拾器的摆动元件，驱动装置必须平稳可靠，与腰部驱动原件相同，均采用电机驱动方式左为摆动轴，腰部或腕部往往需要承受较大比重的力矩，在刚度满足要求的前提下，应尽量选用空心结构以减小转动惯量。通常，电机轴与传动件的连接方式有两种，为联轴器或者同步带；其中，联轴器直接接在电机轴与传动件之间，可减少功率损失，采用同步带则增大了结构的复杂程度。在此选用联轴器作为连接方案。腰部、腕部的具体结构如图3-1、3-2所示：图3-3腰部传动方案Figure3-3Transmissionschemeofthewaist图3-4腕部的传动方案Figure-4Transmissionschemeofthewrist如图3-3所示，机械手腰部的动力由电机提供，经过减速器减速后，获得低转速、大转矩的运动，并经过轴端的连接传递给回转关节。减速器的类型繁多，不同减速器的价格、性能、使用场合均有差别。其中，行星减速器结构紧凑、承载能力较强，尽管其价格较贵，在此制作方案陈述、实际设计可根据需求改造。1.1.2腕部的传动方案图3-4显示了腕部的传动方案，与腰方案类似，不同的是回转关节与轴之间的运动通过同步带传递，同时设置调节螺栓调整同步轮高度，在回转关节上连接有拾端器，并随回转关节的转动而运动。腕部作为端拾器的直接承载部位，既要能够回转自由，又要具有较大的承载能力。所以选用推力球轴承。图3-6伸缩臂传递方案Figure3-6Transmissionschemeofthetelescopicarm1.1.3伸缩臂的传动方案图3-6显示了伸缩臂的传递方案，在直线单一传动方式中，目前只有丝杠能够做到高度精准、灵活控制，所以，水平方向与竖直方向的主要传递方式都采用丝杠传动。电机的转动通过同步带轮传递后化为滚珠丝杠的转动，丝杠上的螺母连着滑台，于其一并做直线运动，滑台由导轨引导方向。导轨 。丝杠轴的两端由轴承固定，这样可以减少摩擦系数。1.1.4机身升降的传动方案图3-7机身升降的传递方案Figure3-7Liftingtransmissionschemeoffuselage机身的升降同样由交流伺服电机提供动力，通过同步轮、同步带后，将运动传至丝杠，以上部件全部置于基座当中，丝杠螺母连接滑块、腰部及其以上部位进行上下移动。滚珠丝杠作为精密传动构件，当丝杆垂直安装时，其不具备自锁功能，所以电机中必须包含制动器，传动方案如图3-7所示。综上所述，可以得到机械手的整体传动方案，如图3-8所示。其中，在每台电机上装上编码器和限位开关，用来向控制器传递位置信息，构成闭环控制系统，以保证精确的位置控制。 图3-8机械手的整体传动方案Figure3-8Overalltransmissionschemeofthemanipulator1.4机械手的主要结构设计1.4.1手部端拾器设计作为汽车车门钣金原件的夹取部位，要求夹持可靠，若采用手爪夹持，则会大大增加驱动功率和材料使用量。为了更好的适应板件的夹取要求，本设计拟采用吸盘端拾器。吸盘的吸力来源一般有两种方式，一种为气动元件，另一种是磁力吸附。磁力吸附有几个缺点，当有剩磁的时候会极大的影响传动精度，此外，高温会对磁铁产生较大影响，经常用于废铁加工场合。通常情况下，采用气动方式的真空吸盘为可靠选择。真空吸盘的吸取过程是否稳定主要取决与吸盘在工件上的分布方式与接触面积，当端拾器旋转时，吸盘与接触面会产生剪应力，相应的，会影响吸盘产生偏移，所以，应在合理范围内尽量的增大吸力和提高接触面积。只要吸盘内没有残余空气或空气含量不予考虑，通过内外压差，吸盘就能吸住工件表面，工业中常用的方式有两种，一是真空泵排气式、二是气流负压式，真空泵排气使通过管道将真空泵与吸盘接口相连，盘腔内空气被吸入泵内，从而负压；与真空泵排气式相似，在气流负压式中，控制阀可将大气与吸盘内腔相连，在重力作用下，工件自动脱离；气流负压式的工作原理是，自气泵将空气压缩，与喷嘴相连后产生射流，带走盘腔内空气，形成负压。在此采用气流负压式。真空吸盘的吸力计算（3-1）式中：S是负压腔工作表面的吸附面积，k1、k2、k3、分别为西畔的安全系数、工作情况系数和吸盘姿态系数，一般取k1=1.2~2，k2=1~3；k3则根据不同情况取不同的值，当吸附表面为水平位置时，K3=1；垂直位置时，K3=1/ƒ，ƒ为吸盘与被吸附工件间的摩擦系数。吸盘个数n：（3-2）根据《材料力学》，可对吸盘的分布进行计算设计，由于该工件所适用吸盘存在现成产品，在此仅提供改造方案如下。图3-9吸盘端拾器结构示意图Figure3-structuralrepresentationofsuctiontooling如图3-9所示，端拾器的支撑构件为主杆和副杆，主杆与副杆之间加装手动旋转杆和支撑杆，各杆件之间通过紧固关节相连并固定；其中，支撑杆安装与手动旋转杆上，通过旋转该杆，可调节支撑杆的角度。吸盘装于支撑杆的端部，同样，该部件也可自由旋转，两者均通过预紧螺钉进行固定，这样就保证了该拾端器能够拾取各类曲度的板件。当然，也可以加入小电机或者气缸等进行自动调节。不同角度的端拾器工作示意图如下：图3-10端拾器吸附板材示意图Figure3-10Sketchofthedifferentstatusofthesucker1.4.2腕部结构设计在进行腕部设计时要使结构尽量轻便，腕部、手部、臂部的位置分配要保证合理。在本设计中，腕部的回转由伺服电机提供动力，经过同步带的传递执行，考虑到工序的执行应当是低转速，高转矩，所以在电机的轴端应当设置减速器。具体结构如图3-11所示。图3-11手腕回转系统Figure3-11Rotarysystemofwrist作为端拾器的转动执行部件，回转关节由轴承、轴承座、回转轴、锁紧法兰和主关节构成，并随着同步轮的转动进行转动，在主关节上开有通孔，用来安装端拾器的主杆。腕部回转力矩计算：对系统结构分析，可知回转力矩需要克服的力矩为启动时的惯性力矩、工件对回转中心轴线产生的偏转力矩，还有摩擦阻力。公式为：M驱=M惯+M偏+M擦（3-3)式中：M驱-驱动力矩；M惯-惯性力矩；M偏-偏转力矩；M磨-摩擦力矩。图3-12端拾器转动简化示意图Figure3-12simplifieddiagramofendpickrotation如图3-12所示，将端拾器和工件看作一根均匀的细棍，总长为600mm，重心与旋转轴轴心到重心的距离为230mm，旋转轴轴心到端点A的距离为145mm。偏转力矩计算公式：M偏=Ge（N.m）（3-4）设拾端器总重为5kg，工件重2kg,则M偏=70×0.23=16.1（N.m）惯性力矩M惯=（J+J工件）（3-5）式中：ω-回转角速度（rad/s）;φ-回转角度（rad);旋转关节的转动惯量（kg.m2)；J工件-工件的转动惯量（kg.m2)。设回转角速度ω=120°/s=2.09rad/s，φ=180°=1.14rad，细棒转动惯量公式：J=（3-6）则M摩=0.1M驱，M驱=0.263+16.1+0.1M驱M驱=17.9N.M1.4.3伸缩臂结构设计如图3-13所示，机械手臂部主要包括主臂、主臂点击想、导轨、滑块、伏笔点击想、副臂、导向装置和拖链。电机水平安装于电机箱内，通过同步带、丝杠等传动件进行副臂的传动，丝杠上的螺母与滑块相连，副臂嵌于滑块上。主臂的部底均安装有孔槽以便于灵活固定；滑块采用EGH15GA系列滑块，滑动导轨安装于主臂的两端，主臂内部安装滚珠丝杠，在丝杠上安装滑块，滑块连接副臂，使丝杠的旋转运动转化为副臂的直线运动。考虑到实际条件，副臂电机采用立式安装。才外，在主臂的末端设有导向装置来保证副臂平稳安全的工作。在本文所使用的电机中，均拥有自动刹车装置。 图3-13伸缩臂的结构Figure3-13Structureoftelescopicarm1.4.4腰座结构设计（1)腰部结构设计如图3-14所示， 腰部结构为机械手的回转运动和升降运动提供了容器和支撑。与臂部传动类似，机身的升降由电机提供动力，由同步带和丝杠进行传动。在导轨的两端安装由缓冲块，用来防撞，缓冲块采用WS系列铜合金。 腰部电机装于腰筒内，回转关节可装配手臂。腰筒固定在连接板上，连接板嵌于腰部支撑臂上，整个支撑臂由肋板支撑，并由螺母固定。图3-14腰部结构设计图Figure3-14Thestructureofthewaist（2）基座结构设计图3-15基座结构示意图Figure3-15Schematicdiagramofthebasestructure基座是机械手的重要承载部分，它承载了整个机械手的重量，并以较大的中心稳定性保证机械手不会随意移动。本设计采用箱体式结构，与整体材料相同，仍然使用高强度的铝合。在箱体内部空间，一部分固定机械手，一部分安装电气线路板，同时设置箱门来保证可以随时线路板的常规操作，在箱门上开有通风口用以散热。由于车间情况的随机性、通常机械手应具有可更换手部执行件和便于移动的功能，所以在基座的底部应同时设置万向轮和脚杯。整体结构示意图如图3-16所示 图3-16机械手总体结构图Figure3-16Overallstructuraldiagramofpunchmanipulator1.5机械手关键部位的计算选型1.5.1伺服电机的计算选型（1)转矩的计算作为机械手的动力来源，伺服电机功率应当处在合理范围之内，如功率过大，会造成成本升高及资源浪费，如果功率过小，则伺服电机提供的转矩则难以保证机械手的正常运转，造成过载。①工作转矩的计算以腰部电机为例，各组成部分的重量为端拾器≤5kg，主臂≤25kg，副臂≤15kg，腰部≤10kg，机身上半部分≤55kg。设端拾器、主臂、副臂绕其各自重心的转动惯量分别为J1、J2、J3，则腰部电机承载部分的转动惯量依平行轴的计算得：J=J1+m1l1+J2+m2l2+j3+m3l32（3-7）式中，m1，m2,m3,分别为端拾器、主臂、副臂的质量，l1、l2、l3、分别代表各部分到腰部回转中心的距离，分别为500mm、70mm、200mm。在实际运行中平行轴的转动惯量要远大于各组成部分绕重心的转动惯量，所以计算时可以忽略J1、J2、J3的值，即腰部回转的等效转动惯量为J=m1l12+m2l22+m3l32(3-8)=5×0.52+25×0.072+15×0.22=1.9725kg.mm2设回转轴从ω0=0°到ω1=60°所需时间为0.5s，那么启动时回转轴转矩T1=J×ω1=摩擦力矩和惯性力矩的计算省略，但总体较小，在此取T实=5N.m减速器所需的最小转矩Tmin=ST实=2×5=10N.mS:公共安全系数（2）减速器的选型腰部电机的减速器类型采用用谐波减速器，特点是传动速比大、承载能力高、传动精度高、传动效率、运动平稳、结构简单、安装方便等。相关参数如下表3-2谐波减速器相关参数Table3-2parametersofharmonicreducer电机的选型伺服电机所需转矩T=（3-9）由T=，p出=根据p额>p出及电动机功率大于减速器额定功率，确定p额>0.54kw，综合考虑，选用三菱伺服电机，参数如表3-3所示。表3-3腰部电机参数Table3-3parametersofwaistservomotor根据该计算原理，可分别对其余电机进行功率计算，具体型号见总说明书。此外，根据腕部受力分析和结构状况，应选用行星减速器作为减速机构，型号为VRGF-9C-400,减速比为9。1.5.2滚珠丝杠的选型计算滚珠丝杠作为机械设备的单件直线传动，整体由螺杆、螺母和滚珠构成，丝杠的螺母可以用来连接被连接件。现以机身升降的丝杠传动来进行计算工作参数设丝杠平均转速nm=450r/min,丝杠摩擦系数μ=0.1，重复定位精度σ=±0.1mm,机械预期寿命Lh=15000hr，丝杠长度为500mm，滚道硬度为58-62HRC。计算载荷图3-17伺服电机运动状态图Figure3-16Motionstatediagramofservomotor如图3-16所示，在同一个周期内，伺服电机经过了加速、匀速和减速三个阶段，三种状态对应的转矩均不相同，则其相应的载荷也不同，设在加速、匀速和减速三种状态下滚珠丝杠的当量载荷分别为F1、F2、F3，则丝杠加速时：F1=μmg+m(g+a)=0.1×55×9.8+55×（9.8+1）=674.9N；a=1m/s；丝杠匀速时：F2=μmg+mg=0.1×55+55×9.8=592.9N;丝杠减速时：F3=μmg+m（g-a）=0.1×55×9.8+55×(9.8-1)=537.9N;当量载荷Fe=。丝杠正常工作，所以计算载荷Fc=KF·KH·KA·Fe=1.3×1.0×1.43×629.2=1169.68N式中：KF-载荷系数，取1.3；KH-硬度系数，取1.0；KA-精度系数，取级别C10=1.43；滚道实际硬度HRC不小于58；额定动载荷C`a=FC(3-10）换算后C`a=8648.28N≈882.478kgf，在按照Ca≥Ca`的原则确定丝杠尺寸。根据机械手结构和功能要求，选用TBI滚珠丝杠，型号为SFS2510,具体尺寸见表3-4表3-4滚珠丝杠参数Table3-4parametersofballscrew参数外径内径导程滚珠直径螺母外径法兰直径法兰厚度螺母长度法兰宽度额定动载荷大小（mm）2524.6101.175621262481638丝杠稳定性计算 在丝杠运行过程中，需要限制丝杠在系统中所受的最大载荷，即临界载荷：Fcr=（3-11）式中：fs-支撑方式系数，取1；弹性模量，等于2.1×104kgf/mm2；Ia-危险截面惯性矩，等于πd14/64=17976.7mm2；μ-长度系数，取2；l-工作长度，等于50mm。则：Fcr=稳定安全系数：nw=>>[nw]=2.54；（3-12）刚度校核由丝杠选型可知丝杠横截面积A=；则丝杠的变形量δs=。通常δs<，计算后满足要求。1.5.3同步带的选型计算以腕部传动为例，回转力矩M驱=17.9N.m,电机型号为HG-KR23 ,额定功率为0.2KW，额定转速3000rpm；减速器选用VRGF-9C-400行星减速器，减速比为9；同步带轮传动比为1.6。同步带计算功率和转速计算功率的计算：Pd=P0×K1×K2×K3;式中:P0-减速机的输出功率K1-工作载荷修正系数，取K1=1.4；K2-增速修正系数，K2=1;K3-张紧轮修正系数，无张紧轮，K3=1；设工作效率η=95％，则Pd=P0×K1=200×0.95×1.4=266w,则同步轮转速n1=3000/9=333rpm。带节距和型号的确定同步带的选用主要考虑啮合齿形和主从动轮的转速情况，经过分析和比较，在此选用弧齿作为同步带的齿形、弧齿均有承载能力、力矩分配均匀的优点，因此各啮合齿之间不易发生干涉，传动效率高。节距在此取pd=5mm。带轮齿数和节圆半径 由已知条件查表可选Z1=30，则主动轮节圆直径为：d1=（3-13）查表得同步轮外径：d01=46.61mm；则从动轮的齿数：Z2=i·Z1=1.6×30=48，其节圆直径：d2=mm，外径d02=75.25mm。（3-14）综上，主动轮规格为30-5M,从动轮规格为48-5M。同步带传动速度v（3-15）（5）初定中心距由公式0.7×(d1+d2)≤a0≤2×(d1+d2)计算中心距，在这里根据机构的的设计要求，本机械手副臂同心轮中心距a0取840mm。（6)同步带长度的确定带长的计算：L0=2a0+;（3-16）查表选节线长度Lp=1885mm。实际中心距a≈a0+（3-17)啮合齿数Zn≈{取15基本额定功率查表得许用工作拉力Ta=315N,单位长度重量q=0.041kg/m,则基本额定功率：p0=(3-18）轮轴作用力Fr=查表取得其他参数，带的齿数取200，基准带宽取15mm。1.6真空系统的设计1.6.1真空原件介绍拉瓦尔喷管是火箭发动机和航空发动机最常用的构件，其由两个相对的锥形管构成，一个的截面积由大到小收缩，而另一个的截面面积由小到大扩张。气体在经过拉瓦尔喷管内腔时，随着截面面积的变化，速度也受到不同程度的加减速，最后，在气体被喷发出的时候，能够获得极大的速度。在工业实践中，这一元件也被大量使用在各种气体装置中。如图3-17，真空发生器由拉瓦尔管、负压腔、接受管三部分组成。压缩空气从入口处流入，经拉瓦尔管压缩后扩张，然后形成高速气流经管道流入洗盘内腔，盘腔内部空气随着气流一同高速流入大气，因此产生真空，然后吸附工件。图3-18真空发生器原理图Figure3-17Principlediagramofvacuumgenerator1.6.2真空系统结构设计钣金工件表面光滑，为了保证可靠的抓取，采用吸盘为最佳选择，本设计采用两两一组的吸盘共同工作。板件有时候存在一定的倾斜角度，所以尽可能选用孔径小，长度短的风琴式真空吸盘。图3-18为真空系统原理图，其由吸盘、真空压力开关、真空发生器、换向阀、压力表、减压阀、气动三联件、气源等构件组成。手动阀6打开，当需要产生真空压力时，2YA得电后二位三通换向阀10接通，真空发生器11产生真空吸附钣金工件；当真空度达到真空压力开关