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1、厦门理工学院机械系统设计课程设计指导书1一、机械系统设计课程设计指导书一、机械系统设计课程设计指导书1.1 课程设计的目的课程设计的目的机械系统设计课程设计是在学完本课程后，进行一次学习设计的综合性练习。通过课程设计，使学生能够运用所学过的基础课、技术基础课和专业课的有关理论知识，及生产实习等实践技能，达到巩固、加深和拓展所学知识的目的。通过课程设计，分析比较机械系统中的某些典型机构，进行选择和改进；结合结构设计，进行设计计算并编写技术文件；完成系统主传动设计，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计，掌握查阅相关工程设计手册、设计标准和资料的方法，达到积累设计知识和设计技巧，提高学生设计能力的
2、目的。通过设计，使学生获得机械系统基本设计技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行机械系统设计创造一定的条件。1.2 课程设计的内容课程设计的内容机械系统设计课程设计内容由理论分析与设计计算、图样技术设计和技术文件编制三部分组成。1.2.1 理论分析与设计计算：（1）机械系统的方案设计。设计方案的分析，最佳功能原理方案的确定。（2）根据总体设计参数，进行传动系统运动设计和计算。（3）根据设计方案和零部件选择情况，进行有关动力计算和校核。1.2.2 图样技术设计：（1）选择系统中的主要机件。（2）工程技术图样的设计与绘制。1.2.3 编制技术文件：（1）对于课程设计内容进行自我经济
3、技术评价。（2）编制设计计算说明书。1.3 课程设计题目、主要技术参数和技术要求课程设计题目、主要技术参数和技术要求1.3.3 课程设计题目和主要技术参数（工业机械手系统设计）课程设计题目和主要技术参数（工业机械手系统设计）工业机械手系统设计技术参数：Dof=4；Mmax=5kg；max=10r/min；maxv=10m/min最大工作半径:1600mm手臂最大中心高:1200mm手臂运动参数:伸缩行程：1200mm升降行程：300mm回转范围: 0180手腕运动参数:回转范围: 0180厦门理工学院机械系统设计课程设计指导书2三、三、机械系统设计课程设计（机械手）的步骤与方法机械系统设计课程
4、设计（机械手）的步骤与方法3.1 明确题目要求，查阅有关资料明确题目要求，查阅有关资料学生在获得课程设计的题目之后，首先应明确设计任务，并阅读机械系统设计课程设计提纲，了解课程设计的目的、内容、技术要求和设计步骤。然后在教师的指导下，拟订工作进度计划；查阅必要的图书、杂志、手册、产品图纸、同类型机械系统说明书和其它有关设计参考资料；熟悉专业标准，便于设计时采用。对机械手系统的用途、特点，主要参数、总体设计、传动结构、操纵机构、零部件的功用及结构进行分析研究，力求做到理解、消化并进而能有所改进。3.2 机械手总体设计方案机械手总体设计方案主要任务是完成机械手的结构方面总体设计，以及 ADAMS
5、软件进行简单的运动仿真。在总体设计方案中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务，然后通过ADAMS 软件对机械手进行简单的运动仿真。3.2.13.2.1 机械手的主要部件及运动机械手的主要部件及运动以圆柱坐标式机械手的基本方案为例，根据设计任务，为了满足设计要求，机械手具有5个自由度分别为：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降5个主要运动。机械手主要由 4 个大部件和 5 个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转 180（3）臂部，采用直线缸
6、来实现手臂平动 1.2m 。（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。3.2.23.2.2 驱动机构的选择驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。 根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。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，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。3.3 机械手的手部设计和计算机械手的手部设计和计算3.3.1 手部设计基本要求手部设计基本要求（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动
7、机构所需的驱动力大小是不同的。（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度） ，以便于抓取工件。（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4） 应保证手抓的夹持精度。3.3.2 典型的手部结构典型的手部结构（1） 回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2） 移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。厦门理工学院机械系统设计课程设计指导书3（3）平面平移型。3.3.3 机械手手指的设计计算机械手手指的设计计算常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。
8、吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单,适于夹持平板方料,且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置,其理论夹持误差零。 若采用典型的平移型手指,驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，例如选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。下面对其基本结构进行力学分析：滑槽
9、杠杆 图 3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。(a)(b)图 3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指 2销轴 3杠杆在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴中心 O 点，两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为 F1和 F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线1oo和2oo并指向o点，交1F和2F的延长线于 A 及 B。由xF=0得12FFyF=012cosFF 11FF 由01M F=0得 1NFFh厦门理工学院机械系统设计课程设计指导书4cosahF=2cosNbFa（3.1）式中a手指的回转支点到对称中心的距离（mm）. 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由
10、分析可知，当驱动力F一定时，角增大，则握力NF也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=030040。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。手指对工件的夹紧力可按公式计算：123NFK K K G（3.2）式中1K安全系数，通常 1.22.0；2k工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估21bKa 其中 a，重力方向的最大上升加速度；maxvat响maxv运载时工件最大上升速度t响 系统达到最高速度的时间，
11、一般选取 0.030.5s3K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） 。表 3-1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力 F（N）液压缸工作压力 Mpa作用在活塞上外力 F（N）液压缸工作压力 Mpa小于 50000.8120000300002.04.0 5000100001.52.030000500004.05.0 10000200002.53.0 50000 以上5.08.0计算：设 a=100mm,b=50mm,010040;机械手达到最高响应时间为 0.5s，求夹紧力NF和驱动力F和 驱动液压缸的尺寸。厦门理工学院机械系统设计课程设计指导书5(1)设11.5K
12、 21bKa =0.10.5 19.8=1.0230.5K 根据公式，将已知条件带入：NF=1.51.02 0.5 588449.8NN（2）根据驱动力公式得：202 100cos30449.850F计算=1378N（3）取0.85137816210.85FFN计算 实际（4）确定液压缸的直径 D22 4FDdp实际选取活塞杆直径 d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力 P=0.81MPa,5244 16210.5870.8 100.751 0.5Fp实际根据表 4.1（JB826-66） ，选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为:D=630.5=31.5mm，选取 d=32mm为了保证
13、手抓张开角为060，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径1R40，当张开060时，如图3.2（b）所示，最大夹持半径2R计算如下：00 21003040cos3090Rtg机械手的夹持半径从 4090mm厦门理工学院机械系统设计课程设计指导书6（a）(b)图 3.2 手抓张开示意图3.3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件， 把工件送到指定位置， 不仅取决于
14、机械手的定位精度 （由臂部和腕部等运动部件来决定） ，而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。图 3.3 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为 80mm180mm。一般夹持误差不超过 1mm,分析如下：工件的平均半径：9040 2cpR65mm手指长100lmm,取 V 型夹角02120偏转角按最佳偏转角确定：一、110 060coscos46sin100 sin60CPR l计算0sincos100Rl00sin60 cos4660.15厦门理工学院机械系统设计课
15、程设计指导书7当0RMAXMINRRS 时带入有：二、22 222maxmin2cos2cos0.6782sinsinsinsinMAXMAXRRRRllll夹持误差满足设计要求。3.3.5 弹簧的设计计算弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图 3.4 所示，计算13过程如下。图 3.4 圆柱螺旋弹簧的几何参数(1).选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力 800MPa(2).选择旋绕比 C=8，则 410.615 446CKC（3.3）410.615 446CKC 4 810.6151.1834 846(3).根据安装空间选择弹簧中径 D=42mm，估算弹簧丝直径 425.258DdmmC(4).试算弹簧丝直径厦门理工学院机械系统设计课程设计指导书8 1.6MAXFKCd（3.4） 1.6MAXFKCd61621 1.183 81.67800 10mm(5). 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：38MAX MAXGdnFC（3.5）38MAX MAXGdnFC6380000 100.0072.868 1621 8选择标准为3n ，弹簧的总圈数11.53 1.54.5nn圈(6).最后确定42Dmm，7dmm，142735DDdmm
