机械手结构设计及机构精度研究-机械综合实验与创新设计

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1、 四自由度上下料机械手结构设计及机构精度研究 中期进度报告 团队中期进度报告 目录 一 绪论 1 1.1 前期主要工作 1 1.2前期工作总结 1 二 机械手设计方案 1 2.1 机械手工作性能要求 1 2.1.1 工件材料 1 2.1.2 搬运要求 1 2.1.3 机械手自由度数 2 2.1.4 机械手手部方案设计 2 2.1.5 机械手提升方案设计 2 2.1.6 机械手水平搬运方案设计 2 2.1.7 机械手驱动方案设计 2 2.1.8 机械手控制方案设计 2 2.2 机械手主要技术参数 2 2.2.1 机构运动简图 3 2.2.2 摆臂CD尺寸的确定 3 2.2.3 B点F点位置的确定

2、 3 2.2.4 手臂极限工作状态分析 5 2.2.5 机构尺寸 6 2.3 传动方案的确定 6 三 手部结构设计 6 3.1电磁铁类型 6 3.2 电磁铁参数 6 3.3安装连接方式 7 3.4电磁铁的体积规格 7 四 气缸及气动系统设计 7 4.1气缸的设计计算 7 4.1.1气缸类型及安装形式 7 4.1.2活塞杆直径计算 7 4.1.3气缸筒内径计算 7 4.1.4气缸的行程 8 4.1.5气缸的运动速度 8 4.3气缸夹板 9 五 机械臂结构设计及校核 9 5.1 手臂结构强度设计与校核 9 5.1.1 材料及型材确定 9 5.1.2 摆臂与驱动臂连接夹板 10 5.1.3 配重质量

3、的确定 11 5.1.4 摆臂设计及校核 11 5.1.5 驱动臂结构设计及校核 13 5.1.6 支撑臂设计 13 5.1.7 机械手质量计算 13 5.1.8 手臂转动惯量的计算 14 5.2手臂齿轮齿条的设计计算 15 5.2.1设计要求 15 5.2.2齿轮齿条的材料选择 15 5.2.3各系数的选定 15 5.2.4齿轮的设计参数，许用应力的选择 16 5.2.5齿轮的设计计算 17 5.3手臂齿轮的设计计算 18 5.4 机械手转臂处电机的选取 23 六 底座设计与校核 23 6.1 行星轮设计与校核及电机的选取 23 6.1.1 中心轮和行星轮设计 23 6.1.2 行星轮及大外

4、轮与校核 28 6.1.3 齿轮具体参数 29 6.1.4齿轮润滑油的选取 30 6.1.5电机的选择 30 6.2导轨的设计计算 31 6.2.1导轨的类型 31 6.2.2直线导轨副截面 31 6.2.3滚动导轨载荷计算 31 6.2.4导轨的选取 33 6.2.5预期寿命 33 6.3 拖动导轨运动的齿轮齿条设计以及电机的选择: 33 6.3.1 齿轮齿条的设计 34 6.3.2 齿轮齿条具体参数 36 6.3.3齿轮润滑油的选取 37 6.3.4电机的选取 37 七 传感器和微动开关的选择 38 7.1 光电传感器的选择 38 7.2 微动开关的选取及其具体参数 38 八 后续工作 3

5、8 一 绪论 1.1 前期主要工作 前期工作我们把重点放在机械手机构和结构设计计算，具体工作如下： 确定技术参数：在满足功能要求的前提下，参考实验室上下料机械手的技术参数，结合上网查阅的工业机械手的实际生产应用，确定了机械手的设计方案，并对机械手的主要技术参数进行了选择，包括抓取工件的几何尺寸和质量、工作寿命、手臂运动参数、工作节拍、定位精度等。 确定技术方案和技术参数之后，我们展开了结构设计。我们根据技术要求选择电磁铁、气缸，确定气动系统的传动原理；确定摆臂的结构与材料，并进行校核；实现摆臂上下动作的齿轮齿条、齿轮的设计计算及电机的选择；实现机械手旋转动作的行星轮的设计计算和电机的选择；在上

6、述设计完成后，精确计算机械手的质量，进行导轨的选择；实现机械手水平运动的齿轮齿条的设计计算和电机的选择；这样，我们基本完后了机械手的设计计算。 1.2前期工作总结 总的来说，前期工作完成的还是比较圆满的，经过大量的设计计算我们确定了机械手的结构尺寸和力学数据，主要零件的参数，为接下来的仿真分析和性能计算提供可靠的数据。在老师的指导帮助下，对设计的概念有了一个更加深刻的认识。在进行一些主要零件的设计计算过程中也遇到很多专业知识瓶颈，我们通过翻阅资料学习消化再进行计算。虽然期间经过一些磕磕绊绊，也遇到一些比较棘手的问题，但在我们小组成员的一起努力下，我们最终完成了这些工作。但是，仍然存在一些问题。

7、三维建模工作由于过于乐观的估计了计算量的多少导致只是完成了一部分，由于对专业软件的不熟悉，影响了项目进度。这些都是我们在接下来的工作中需要注意的。 二 机械手设计方案 对于机械手的要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求他们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在特定位置精确定位的要求。因此，我们根据工件材料的作业技术要求，给定了最合理的作业顺序。之后在满足系统功能要求和条件的前提下，根据工件的结构形状和材料特性，进一步确定了机械手结构；同时在设计过程中，在满足工作条件的要求使用的前提下，尽量选用标准件，降低制造成本，并简化设计过程。 2.1 机械手工作性能要

8、求 2.1.1 工件材料 工件重量 M=5kg，材料为灰铸铁，密度， 工件形状如图2-1所示： 图 2-1 工件几何形状 2.1.2 搬运要求 工件提升高度 H=650mm 生产节拍 T=12s 使用寿命 工件搬动距离 x方向搬运距离866mm，y方向搬运距离1600mm；如右图图2-2所示。 我们采用机械手来实现此功能要求，并在功能要求的基础上，我们确定了机构的设计技术方案及设计技术参数： 图2-2 水平搬运距离 2.1.3 机械手自由度数 由于工件在竖直方向和回转方向上都有运动，因此，将机械手自由度数确定为四个，即两个转动自由度（立柱回转自由度和摆臂上下摆动自由度）和两个移动自由度（立柱水

9、平移动自由度和工件竖直移动自由度）。 2.1.4 机械手手部方案设计 由于工件材料为灰铸铁，所以采用吸附式电磁铁，方便快捷，可提高吸附效率。 2.1.5 机械手提升方案设计 按照工件材料提升要求在竖直方向上，工件的材料的提升由两部分组成： （1）摆臂提升高度500mm；（2）气缸提升高度150mm，减小摆臂提升高度，可使结构更加紧凑。 2.1.6 机械手水平搬运方案设计 考虑到机械手水平搬运距离相对竖直提升距离较大，水平搬运主要由两部分组成：摆臂的回转和水平移动。 2.1.7 机械手驱动方案设计 由于气压传动动作迅速，反应灵敏，齿轮齿条传动寿命长，工作平稳，可靠性高，所以我们采用两种传动方案结

10、合，实现机械手的传动。 2.1.8 机械手控制方案设计 由于专业所学知识有限，控制系统的设计暂不考虑、 2.2 机械手主要技术参数 生产节拍对机械手的速度提出了要求，我们根据机械手设计方案，对机械手各自由度运动时间及机械手运动方案进行了划分：（1）工件吸取时间1s；（2）机械手的摆臂提升、气缸提升及底座前进，三个运动同时进行，时间2s；（3）之后摆臂旋转90度，时间3s；（4）释放工件，时间1s；（5）摆臂旋转90度返回，时间3s；（6）机械手摆臂下降、气缸下降及底座后退，三个运动同时进行，回到初始位置，时间2s。这样完成了一个工作周期。 设计方案确定之后，根据生产节拍，确定了机械手的技术参数

11、 1.抓重 5kg 2.机械手自由度 4 3.最大工作半径 1200mm； 4.摆臂运动参数 提升高度 500mm：提升时间 2s； 5.支撑臂运动参数 回转范围；回转速度；最大中心高1050mm 6.定位方式 微动开关和机械挡块 7.定位精度 2.2.1 机构运动简图 在确定了机械设计方案之后，我们确定了机械手的运动原理，来实现要求的机构功能，并画出了机械手的机构运动简图，如右图图2-3所示 其中，M点、N点分别为摆臂部分和部分的中点。 图2-3 机构运动简图 2.2.2 摆臂CD尺寸的确定 1.为满足搬运要求 取 2.为提供足够的旋转空间 取 3.防止机构尺寸太大 取配重杆长度 2.2.3

12、 B点F点位置的确定 2.2.3.1 B点位置确定 为确定B点位置，对CD杆受力分析公式中各个点的位置及角角所表示角如右图图2-4所示： 对杆AD受力分析可得 图2-4 受力分析图 其中：配重质量； ：摆臂部分质量； ：摆臂部分质量； ：点气动系统、电磁铁及气动系统夹板质量； ：在B点驱动臂BG对摆臂CD的力； ：分别表示对应图2-4中两点之间距离； 由此可得 所以由公式可知 当增大的时候，减小； 当增大的时候，即减小，减小，即F点下移； 所以，B点越靠近C点，F点越靠近O点，都会使所需减小。 因为当机械手处于最低状态时，最大，最大，所以取此极限状态进行分析。 前述可知，越大，越小；但是，越大

13、，将导致BG杆过长，所以取=1000 mm。优点：（1）节省材料，防止驱动臂BG过长；（2）预留长度，为机械手装配留有足够空间，保证机械手强度。 2.2.3.2 F点位置确定 为了确定点位置，先对特殊状态，即F点与B点处于同一水平高度，且 B点位于最低点处时，进行分析，机械手所处工作状态及点的位置间的关系如图2-5所示： 由几何关系可知 图2-5 假定最低工作状态 在垂直于杆AC 方向上分力 所以，有一半的力无法做功，从而导致电机功率太大。 所以，为了避免此位置，而且不会使驱动臂GB太长，取=550mm。 2.2.4 手臂极限工作状态分析 2.2.4.1 手部最高点状态 此时 机构相对关系如右

14、图图2-6收拾，由此可确定驱动臂BG长度 图2-6 最高工作状态 2.2.4.2 手部最低点状态 此状态分析，可以帮助我们确定机械 手底座距离工件输送段的距离,并且确定驱动距离,符号及公示所表示意义如图2-7所示： 图2-7 最低工作状态 由余弦定理可知FF 所以， 为满足安装要求，各机械臂长度应留有足够的余量 现将各机械臂的长度调整如下： 由于能加的长度并不影响结构的强度，所以强度计算仍按调整前尺寸进行计算。 2.2.5 机构尺寸 在完成上述分析的基础上，机构的各部分尺寸就可以确定，如下图图2-8所示，为接下来的结构设计奠定了基础： 图2-8 机构尺寸 2.3 传动方案的确定 气压传动动作迅

15、速，反应灵敏，齿轮齿条传动寿命长，工作平稳，结构尺寸紧凑，可靠性高，所以我们采用两种传动方案结合，针对各处传动特点，采用了如下方案，实现机械手的传动：C点处选用气压传动实现工件竖直方向提升150mm；F点处，选用齿轮齿条传动，实现摆臂GB的上下摆动；在0点处，选用行星轮传动，实现支撑臂的回转运动，同时选用齿轮齿条传动实现机械手的前进送料运动。 三 手部结构设计 对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料，为了提升工件材料的抓取速度，并结合工件材料的材料特性，故选取了吸附式电磁铁。电磁铁都是为特定客户设计、生产,型号众多无法一一列举，我们把电磁铁的主要参数列举如下

16、。 3.1电磁铁类型 交流电磁铁需要的骤增功率是同等直流电磁铁的两倍，而且直流电磁铁只要电压稳定，温升在很小的环境下，其提供的为稳定的磁场，保证被吸物能够稳定的吸在电磁铁上，所以选用直流电磁铁。 3.2 电磁铁参数 工作电压36V（DC） 初吸力（20mm）24V 3 根据电磁铁工作状况，选用安全系数为1.5 终吸力（0mm）36V 7.5 由机械手上的电磁铁工作性质可知，选用间歇式直流电磁铁、50%负载循、 C级线圈、绝缘等级B级-130 3.3安装连接方式 气压系统的采用外部螺栓连接，并在手部支架采用卡槽嵌入。 3.4电磁铁的体积规格 长宽高=806040（单位mm)，查阅资料得电磁铁质量计算时取密度7.5g/，m=7.5806040=1.44 四 气缸及气动系统设计 气缸的优点，负载可以很大，动作很迅速，反应可以很快；对环境适应