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1、一、设计要求为卸码垛机械手臂配制造附件,即夹持工件的手指机构。机构应根据工件的形状、尺寸、工件质量大小、表面性质等因素专门设计。本设计拟搬运宽度尺寸90110mm、质量为5kg以的六菱柱形钢质工件,手指机构带水平转盘。设计手指机构的机械结构,机构自身重量控制在10kg以,手指的动力驱动方式自选。二、具体设计方案本次机械手的主要设计构思来源于实验室的机械手模型,通过对实验室机械手的一系列观察研究,开始了如下方案的设计。首先,我们选择了气动的方式来驱动机械手的运动,而对于气缸的选择,因为在这方面的学习还不够,而且对于我们所设计的机械手结构在气缸方面的要求不高,故在此不作进一步研究。 根据实验室的机
2、械手模型,我们仿照其结构把机械手设计为平行式夹持手爪,接下来是对一些重要尺寸的确定做一较为详细的介绍。2.1机械手手爪伸缩运动的设计通过查阅相关资料,对于夹持型手爪进行受力分析如图所示,两个手指总夹持力2F必须大于夹持工件的重力mg故应满足2Fmg,即Fmg/2 式中为摩擦系数,本次设计的手指夹持处设有辅助件,材料取为硬质橡胶,一般令=0.65；另外已知m为5kg； 由此可得 Fmg/2=59.8/=38N 机械手的结构图如下：此部分为机械手的夹持部分,由图中可知,此结构主要是以齿轮齿条的啮合运动来实现手指的夹紧与放松,而通过两个类似于单缸气缸的腔体充气和放气产生推动力。因此根据公式可得：D=
3、4F/P其中为负载率,一般取0.4。 代入相关数据可得：D=0.017m又知腔体中受压缩气体作用的面积为一圆环,即s=*R-r=*D/4 其中R为腔体外半径,r为轴半径 只要圆环面积s大于*D/4即可,现取D=0.02m=20mm r=10mm R=20mm 则s的面积足够大,能提供足够的推力来满足运动。之后根据所夹持件尺寸的要90至110mm,则按照90mm来计算最小的工件尺寸,若能夹到的话,则110mm的也一定能夹到,然后通过一系列的尺寸推导运算该部分是通过先初步设计尺寸,然后在建模过程中不断修改所得,即可设计出如上所示的机械手结构。其中最主要的就是齿轮齿条的行程大小确定,它是根据所要夹持
4、工件的尺寸要求来设计的。另外对于该如何夹持六边形工件的设计方法作如下简单说明：现由图来说明,我们在两根手指上各设计了一块可转动的夹板材料为硬质橡胶,通过这两块夹板可绕手指纵向做旋转运动的好处来实现此功能。2.2机械手手爪旋转运动的设计通过上面对手爪伸缩运动的设计,我们有了一定的启发,为了尊重现实模型的实际性,以及对结构设计的简化,我们取用了与上述结构十分相似的模型来实现旋转运动。加上上述伸缩运动的结构后,其总观图如下：由图中显而易见通过两个腔体的充放气带动齿条运动,而齿条又带动齿轮轴的旋转,从而实现手爪的旋转运动。2.3机械手手爪其余设计为了提高机械手的运动速度与控制精度,应在保证机械手手臂有
5、足够强度和刚度的条件下,尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料,故该处选用高强度铝合金制造机械手手臂。其密度通过查阅相关资料可得大概为3g/cm,而整个机械手的大概体积是2700mm,则重量为8kg左右,满足要求。另外对于轴承的选择,伸缩结构部分主要实现齿轮齿条的运动传递与种类改变从直线到旋转再到直线对轴承的力学性能要求不高,故选用深沟球轴承,旋转部分因为要支撑下半部的伸缩结构,故选用推力球轴承。具体尺寸查阅相关资料可得。以上就是本次机械手设计的主要结构确定方法,以及一些相关零件的确定,望能得到老师点评。三、总结与反思本次机械手的设计中,本人负责的主要是设计与计算部
6、分,对于该机械手在设计过程中存在的问题在此需要重点说明几点；1、 对于手指结构处附加的两块夹板,其主要目的是为了适应六边形的工件在夹取时的方便,另外其材料选为硬质橡胶是为了在夹取时增大与工件间的摩擦力,还有一个好处就是,若机械手长期在一些恶劣环境下工作,必定会让夹板处的磨损加快,此时可换用一副新的夹板来夹持工件,这样可减少成本的损失,一举两得。2、 齿条轴的设计是本次机械手设计中的重中之重,对于其结构的加工有两种方法,一种是在轴上直接生成齿条,另外一种是先在轴上生成一凹槽,然后把齿条安装在凹槽上。对比这两种方法,我们选择了后者,考虑到几个因素：1加工上会比直接生成齿条轴简单。2当齿条长期工作,
7、磨损厉害时可拆卸下来安装新的齿条,这样可减少成本。3对于定位的要求,或者在加工过程中的定位技术要求会降低,因为若齿条宽度足够的话,就可以确保与齿轮的啮合程度足够,无需考虑到直接生成时啮合不足的问题。4通过改变齿条上的齿数,或者同时改变齿轮齿条的模数齿数,即可满足不同行程的需求。综上所述,选用第二种方法是有其好处的,这样更加有其合理性,人性化的一面。3、 在润滑方面,因为考虑到结构的密封性要求,选用脂润滑,因为机械手的运动速度不高,其轴承、活塞处的磨损、发热等消耗都不会很高,只需要定期给予润滑即可。 4、另外一点就是模数、齿数的确定是根据以往机械课程设计的经验去选取的,在此也没有进行校核,不过在选取齿条、齿轮时可根据相关力学性能来选取,同时也可通过试装,初步测试其合理性的方法来最终决定选取怎样的模数、齿数。因为本次机械手设计的重点是在结构上,故对于该部分的校核选取工作量有所减少。 /
