【某快换装置切换转盘及机械手爪设计案例2800字】

某快换装置切换转盘及机械手爪设计案例1.1引言在非批量生产且对于单一多功能机械臂，会遇到各种不同的工况，所以在本章中设计了一种盘状切换装置，其作用是可以切换不同的快换接头：可以装配三个不同的快换接头，起到面对对接端不同大小的机械手的自动切换和对接，也起到面对需要不同材料或能量供应的特殊机械手（例如焊接头）的专用快换接头的自动切换；也可以在三个斜面上装配一个快换接头和两个辅助工具（例如上一章的方案三），起到提高自动化和提高工作效率的目的。面对快换接头本章也尝试设计了两种不同的手爪，分别为三指爪和二指爪。1.2切换装置的设计1.2.1整体结构设计图4-1切换转盘整体图（仰视）装置由转盘、蜗轮蜗杆传动机构、伺服电机、谐波减速器、触点开关等构成。转盘与机械臂呈30°夹角，快换机构与转盘呈30°夹角，所以快换机构与机械臂呈直线。图4-2切换转盘整体图（平视）转盘和蜗轮蜗杆传动机构的外壳使用铝合金材料，在具有合格的强度下尽量减轻其重量。在本设计方案中蜗杆属于时转时停，并且传递的功率较小，转动速度也为低速，故蜗杆用45钢;蜗轮外圈则采用用铸锡磷青铜ZCuSn10P1,铸造成型。为了节约成本，仅齿圈用青铜铸造,而轮芯用采用45钢制造。1.2.2转盘设计正面：为了使三个快换接头互不影响，故设置三个呈30°均匀分布的斜面。可以更大限度的减少一个接头在工作时其他两个接头的碰撞等影响。图4-3转盘反面图图4-4转盘正面图反面：有方便推力球轴承插入的环形卡槽，推力球轴承型号为51105，主要作用是平衡荷载，起到辅助支撑的作用。在环形卡槽顶端有三个铜触点，铜触点与三个斜面相对应，方便定位。为节约机械臂的有效载荷，故转盘整体使用轻质铝合金铸造而成。1.2.3蜗轮蜗杆传动设计主要起到改变传动方向和辅助减速的效果。图4-5蜗轮蜗杆装配图（1）蜗轮设计设计尺寸：（长度单位mm）传动比i：28蜗轮齿数Z2:28蜗轮变位系数X2:0蜗轮齿宽B2:11.7总变位系数X:0齿顶高系数ha*:1齿顶间隙系数c*:0.25齿数比u:28传动中心距a:43蜗轮分度圆直径d2:70蜗轮齿顶圆直径da2:75蜗轮齿根圆直径df2:63.75蜗轮齿顶高ha2:2.5蜗轮齿根高hf2:3.125蜗轮全齿高h2:5.625蜗轮公法线跨齿数K2:3.72蜗轮公法线长度Wk2:21.483（2）蜗杆设计（长度单位mm）端面模数mn:2.5法向模数Mt:2.47法向压力角αn:20导程角γ:8.88基圆柱导程角βb:0.381蜗杆头数Z1:1蜗杆变位系数X1:0蜗杆齿宽B1:38.25蜗杆分度圆直径d1:16蜗杆齿顶圆直径da1:21蜗杆齿根圆直径df1:9.75蜗杆齿顶高ha1:2.5蜗杆齿根高hf1:3.125蜗杆全齿高h1:5.625蜗杆分度圆弦齿高hh1:2.5蜗杆轴向齿厚sch1:3.927蜗杆法向齿高hch1:3.88I（3）蜗轮轴设计图4-6蜗轮轴因为主轴受冲击载荷较大，故采用20Cr经行渗碳淬火处理。装配蜗轮处开键槽，长端端口处车螺纹与六角螺母相配合来锁紧转盘。预估载荷为150N。由于安装在外壳和转盘之间的推力球轴承提供了支撑，故蜗轮轴主要受到扭转力，以下将按扭转强度进行校核。轴的扭转强度条件为：τ由此可得轴的最小直径为：d≥由于轴的材料选择的是40Cr，所以轴的许用扭转切应力为35~55MPa。经计算的轴的许用最小直径为9.13mm，本设计的轴最细处直径为15mm，符合强度要求。1.2.4外壳及其他设计图4-7外壳正面图外壳采用铝合金铸造而成，在顶端加装方便推力球轴承插入的环形卡槽，在卡槽旁边安装三个正负极为一对的金属触点，其角度与转盘上的三个斜面相对应，当安装在转盘上的铜触点与安装在外壳上的触点相接触时，电路形成通路，说明转盘已经达到预定地点，伺服电机停止转动。本设计中一共使用了5个轴承：在外壳上端的为推力球轴承，型号为GB51105，主要起到辅助支撑的作用；在蜗轮轴上安装有两个相对安装的角接触球轴承，型号为GBS7002。在蜗杆轴上安装有两个相对安装的角接触球轴承，型号为GBS7000。在蜗轮轴上安装有两个起到定位作用的垫片，厚度分别为2mm和1mm。蜗轮轴端安装起锁紧作用的六角螺母，型号为M16-N。1.2.5伺服电机的选取伺服电机可控制旋转角度，其转子转速受到输入脉冲信号影响，每当接收一个脉冲信号就会旋转相应的角度，所以位置精度非常高。图4-8三菱HG-KN系列伺服电机本方案需要较为精确的控制蜗轮蜗杆机构的旋转角度，故采用伺服电机作为驱动电机。选取三菱HG-KN系列伺服电机，其具有低惯性、小尺寸等优点。具体型号为HG-KN23(B)J-S100，参数为：额定输出为200W，额定转矩为0.64Nm，额定转速为3000r/min，额定电流为1.3A，惯量为0.225×101.2.6谐波减速器的选取图4-9NidecWPU系列谐波减速机因为本方案中的减速器大小有较大限制，故采用体积小、减速比大的谐波减速器。选取NidecWPU系列开放组合型谐波减速机，具体型号为WPU-35-50-SNH。其参数为：重量0.57kg、减速比为50。本方案中选择的电动机转速为3000r/min，谐波减速器减速比为50，蜗轮蜗杆机构的减速比为28.经过计算可得切换一个快换接头大约需要9秒，满足设计预期。1.3手爪设计机械手爪是机器人手臂较常用的各种末端执行器之一，在企业生产中和日常生活中都有出现。在本方案中，机械手爪设计由微型电机驱动。1.3.1方案一：两指手爪如图所示，为两指机械手，本方案利用传动副构成了多连杆机构，从相对的两个手指运动看，能够实现开闭动作:方案中的主运动结构为丝杠螺母机构，将微型电机内置在机械手内部，微型电机的转动带动丝杠旋，从而带动中间连杆上下平动，推动连杆最终带动手指夹持端进行开闭运动。通过电机的内置，减小了机械手总体的尺寸，使得整体结构变得更为紧凑。图4-10二指爪本方案在手爪指端加装带有弹性的橡胶结构，其特点是可以适应不同直径和不规则近圆形端面物体，具有一定的通用适应性并提高了防滑性。两指的底端也加装了具有一定弧度的橡胶厚垫片，作用是起到一定支撑作用，辅助夹取截面较大物体。1.3.2方案二：三指手爪本方案所设计的机械手爪为外夹式三指机械手爪，该类手爪的结构适用于夹取圆盘状、球状等物体，由于机械臂负载有限，故手爪应重量轻、结构紧凑，本方案中三指手爪结构如图所示。该手爪为四连杆机构，运动原理是通过微型电机驱动丝杠转动，丝杠转动带动中心块上下平动，中心块在下降时，手指在短连杆的推动下做张开运动;电机反转运动时中心块做向上平动运动，手指在短连杆的牵引下做闭合运动。图4-11三指爪1.4小结在本章中主要设计了一种新型转盘切换装置，可以实现快换接头的切换，如图4-12所示为整体装配图。并且也设计了两种常用机械手爪，分别为二指爪和三指爪。图4-12整体装配图此方案是为了解决一些特殊情况的尝试，例如：面对大型末端执行器和小型末端执行器尺寸差异巨大的法兰，单一快换接头并不适配，这时就可以使用到这个切换装盘，可以装配两个大小不一的快换接头来面对各种大小不一的末端执行器。或者在某种情况下，需要切换驱动力不同的末端执行器，比如说需要切换