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1、一、机械系统设计课程设计指导书1.1 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
2、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1.3.
3、3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：vDof=4；Mma=x5kg； max =10r/min； vmax =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: 0180三、机械系统设计课程设计（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
4、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主要任务是完成机械手的结构方面总体设计，以及 ADAMS 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。3.2.1 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
5、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。3.2.2 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
6、 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3.3.1 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（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
7、即两手指相对支座作往复运动。(3) 平面平移型。3.3.3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。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
8、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：滑槽杠杆图3.1 (a)为常见的滑槽杠杆式手部结构。aaI(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0点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为-和F2,oo oo o F F其力的方向垂直于滑槽的中心线 1和 2并指向 点，交1和2的延长线于A及B。 工F由 x =0得TF2工Fy =02cos a工 M(F )由 01 =0得 Fl=FN hCOS aF=-C
9、OS2a FaN3.1)式中a手指的回转支点到对称中心的距离(mm).a工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。F aFa由分析可知，当驱动力 一定时， 角增大，则握力 N 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a = 300 400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：F KK KG3.2)式中1 安全系数，通常1.2 口 2.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似
10、按下式估K2 =1+ 其中aa，重力方向的最大上升加速度；vmaxt响vmax 运载时工件最大上升速度响!一系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5sK3 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)。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50000.8 120000 300002.0 4.05000 100001.5 2.030000 500004.0 5.010000 200002.5 3.050000以上5.0 8.0表3T液压缸的工作压力计算：设a=100mm,b=50mm, 10 R R当 0 MA
11、X MIN S 时带入有：(Rmax.2sin 0 丿2 R21 max cos B a 2 sin 0-MAX2 R21 min COS B = sin 00.678夹持误差满足设计要求。3.3.5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，计算过程窗如下。L图 3.4 圆柱螺旋弹簧的几何参数(1) .选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力匸二800MPa(2) .选择旋绕比C=8，则4C 1 0.6153.3)+4C 46K q +坯身4 %牛1 +皿4C 46(4 x 8丿46(3) .根据安装空间选择弹簧中径D=42mm，估算弹簧丝直径d = C = T = 5.25mm(4) . 试算弹簧丝直径d 1.63.4)d 1.6F KC 1621 x 1.183 x 8
