《懸掛式助力機械手設(shè)計》12000字（論文）

懸掛式助力機械手設(shè)計摘要：目前助力搬運機械手應(yīng)用非常廣泛，本文通過分析助力搬運機械手在智能搬運實際應(yīng)用過程中的發(fā)展情況，助力搬運機械手目前的發(fā)展情況以及具體的應(yīng)用情況及其具體的分類進(jìn)行了具體的分析與闡述，為后續(xù)所設(shè)計的助力搬運機械手的的方案設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。然后根據(jù)設(shè)計要求，對所設(shè)計的助力搬運機械手的回轉(zhuǎn)機構(gòu)、夾持機構(gòu)、末端操作機構(gòu)等整體結(jié)構(gòu)以及機械手進(jìn)行了具體的方案分析。最后根據(jù)任務(wù)書給定的基本參數(shù)，針對本次所設(shè)計的助力搬運機械手驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、傳動軸等重要零部件進(jìn)行了具體的參數(shù)計算與校核，對其進(jìn)行了受力、結(jié)構(gòu)、承載等多方面的計算。最后助力搬運機械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工程圖繪制。關(guān)鍵詞：機械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計；助力搬運；懸掛式目錄TOC\o"1-3"\h\u27132摘要 III第一章緒論1.1研究背景本次助力搬運機械手的設(shè)計主要用于搬運貨物中，貨物搬運過程中非常耗時耗力，在工廠貨物搬運或工件加工的工序中，把輸入輸送裝置輸送來的貨物或者待加工的工件傳遞到指定的位置，勞動強度較高、環(huán)境惡劣。若在貨物或者工件的整個工序中全部采用人工完成，在效益上難以滿足生產(chǎn)要求，而且長此以往處于這種環(huán)境中，對工人身心健康會帶來一定的危害，這樣的生產(chǎn)模式注定是要被科技社會淘汰的。隨著技術(shù)的不斷更新、工業(yè)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的勞動密集型工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)無法滿足市場的需求，并隨著勞動力成本的上升，迫使企業(yè)不得不面臨企業(yè)轉(zhuǎn)型，向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)化，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式不僅耗費大量勞動力而且生產(chǎn)效率低，質(zhì)量無法得到穩(wěn)定保障。機械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動化設(shè)備更新時的需要，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。機械手的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的人工搬運變成了自動化搬運，使勞動力在工業(yè)生產(chǎn)中得到解放，提高了工業(yè)生產(chǎn)的可操作性。1.2國外研究現(xiàn)狀機械手在日本應(yīng)用的歷史非常悠久。在七十年代時機械手首先得到應(yīng)用，然后經(jīng)過十年的發(fā)展，在八十年代的時候機械手已經(jīng)得到普及。相應(yīng)的他們工業(yè)年產(chǎn)值也得到了快速提高。1980年達(dá)到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時已達(dá)到了一萬八千五百億日元?？梢姍C械手在提高生產(chǎn)效益方面的重要性。在國際方面，各個國家已經(jīng)意識到機械手的重要性。所以機械手的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對于2002年增長了百分之10。此后機械手的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長多達(dá)90000多臺。平均年增長為7%。機械手涉及到非常多學(xué)科的知識和領(lǐng)域。包括：計算機、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)、控制、機械等等。機械手的發(fā)展離不開上述學(xué)科的發(fā)展。正是由于各個學(xué)科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動化程度高的及其人。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機械手在應(yīng)用得范圍越來越廣泛；技術(shù)也越來越得到調(diào)高，功能更加強大?，F(xiàn)在很對機械手的研究都往小型化發(fā)展。機械手將會更多的進(jìn)入到人們的日常生活中去?？傮w的發(fā)展趨勢是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、更加智能化。機械手的廣泛應(yīng)用，對提升產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)能、保障人員安全，改善勞動環(huán)境，降低勞動的強度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，起著一個十分重要的作用。機械手的廣泛應(yīng)用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。1.3國內(nèi)發(fā)展概況機械裝備制造業(yè)已經(jīng)有了與以前不同的趨勢，機器精密度大幅的提高，適應(yīng)面也不斷的增加，一些機器的體積也是大的驚人。這類高精密機器在不同的制造業(yè)已經(jīng)開始比較廣泛的推廣了，這就比較清晰的展示出了機器自動化時代的發(fā)展趨勢。中國作為發(fā)展中國家中的制造大國。更要牢牢的把握住這樣趨勢。洞察機械裝備發(fā)展的方向，奮力直追，努力彌補與國外機械裝備的差距。因此，懸掛式助力搬運機械手機械結(jié)構(gòu)的研制，就成為了未來高精密機械研制的方向之一，而且為機械裝備重要組件之一的搬運機器人，既要承載工件重量、還要有部分夾具的功能，所以它的設(shè)計非常重要，也不容忽視。如下圖1.1所示為吸盤式物料分揀機械手結(jié)構(gòu)示意圖，主要應(yīng)用于生產(chǎn)線的物料分揀，分別通過氣缸和電機實現(xiàn)整個機械手的運動控制，對于整個抓舉工業(yè)機器人的升降過程采用電機驅(qū)動實現(xiàn)，對于整個抓舉工業(yè)機器人的抓舉過程采用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)。如下圖1.2所示為搬運機械手結(jié)構(gòu)示意圖，主要通過液壓缸或者氣缸實現(xiàn)工作臺的抓舉動作，通過電機帶動中間傳動裝置的運動實現(xiàn)工作臺的旋轉(zhuǎn)運動。如下圖1.3所示為可移動式吸盤機械手結(jié)構(gòu)示意圖，分別通過液壓缸或者氣缸和電機實現(xiàn)整個抓舉工業(yè)機器人的運動控制，對于整個抓舉工業(yè)機器人的升降過程采用液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)，對于整個抓舉工業(yè)機器人的旋轉(zhuǎn)過程采用電機驅(qū)動中間傳動裝置的方式實現(xiàn)。此布局方式將電機和液壓缸均至于整個工作臺的底部，從而一定程度上提高了傳動精度，增強了穩(wěn)定性。圖1.1吸盤式物料分揀機械手結(jié)構(gòu)示意圖圖1.2輔助搬運機械手結(jié)構(gòu)示意圖圖1.3可移動式吸盤機械手結(jié)構(gòu)示意圖1.4課題的主要內(nèi)容研究目標(biāo)：針對助力搬運機械手總體方案以及機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，可以使用電機等驅(qū)動對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)裝置、移動裝置完成機械手及手爪抓緊機構(gòu)的位置變化，并完成整個機械手上端搬運貨物的工作要求，為了適應(yīng)更多的工作環(huán)境，我們采用電機驅(qū)動方式進(jìn)行整個助力搬運機械手的運動進(jìn)行機械手的伸縮動作、以及行走機構(gòu)行走輪的運動控制。主要內(nèi)容是：研究助力搬運機械手現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，研究助力搬運機械手總體方案設(shè)計以及各個部位的工作原理，分析現(xiàn)有各類助力搬運機械手的功能、結(jié)構(gòu)，針對助力搬運機械手的具體應(yīng)用實際現(xiàn)場情況，設(shè)計一種助力搬運機械手。主要設(shè)計內(nèi)容：主要完成助力搬運機械手總體方案設(shè)計、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)計算并繪制工程圖紙。在本次助力搬運機械手設(shè)計過程中將做以下工作：對助力搬運機械手的底座進(jìn)行設(shè)計計算；對助力搬運機械手的機械手伸縮機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計計算；對助力搬運機械手的驅(qū)動機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計計算；對助力搬運機械手的升降機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計計算；對助力搬運機械手的夾持機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計計算。第二章傳動方案設(shè)計2.1夾持機構(gòu)方案設(shè)計為將貨物或者工件夾起來并放到指定位置中，可通過如圖2-1所示的三種方案實現(xiàn)，接下來對這三種方案進(jìn)行對比。ABC圖2.1夾緊機構(gòu)傳動方案簡圖方案A:工作原理：如圖2-1A所示，結(jié)構(gòu)為剪刀式取料手，采用液壓缸為動力元件，當(dāng)液壓缸向外輸出力時，利用杠桿原理，取料手前段向內(nèi)收攏，緊緊抱住工件，反之則松開工件。優(yōu)點：自定心精度高，反應(yīng)迅速，液壓輸入力量大。缺點：對液壓缸的安裝要求技術(shù)較高，橫置液壓缸會使結(jié)構(gòu)體積較大，在操作末端不易采用，夾緊力不易控制，對液壓元件要求較高。方案B工作原理：如圖2-1B所示，在氣缸的作用下，向上推動滑槽，推桿末端的分力作用在對稱杠桿上，使取料手向外張開，松開貨物或者工件。當(dāng)氣缸往回運動時，手指收攏，抱緊貨物或者工件優(yōu)點：氣體易獲取，反應(yīng)迅速敏捷，對環(huán)境污染小，能耗小。結(jié)構(gòu)較小，所需安裝精度較低。缺點：滑槽磨損后定位精度會發(fā)生微小變化。方案C工作原理：如圖2-1C所示，將手指與渦輪固接在一起，對稱布置，用蝸桿同時驅(qū)動連個渦輪旋轉(zhuǎn)從而帶動手指向內(nèi)收攏或者向外張開。優(yōu)點：渦輪蝸桿有自鎖能力缺點：蝸輪蝸桿制作及安裝精度要求較高，需采用伺服電機精確運作，實現(xiàn)成本較高。通過以上三種方案的對比，綜合考慮體積、重量、維護(hù)成本、技術(shù)要求等因素，采用B方案。A方案采用液壓傳力，其可以滿足對力的要求，但是橫置的液壓缸不易安裝；對于C方案，由于電機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較小，對稱的渦輪蝸桿必然會加大體積、增重質(zhì)量，除此之外，渦輪蝸桿需要較高的安裝精度，需要使用伺服電機來控制，增加了成本；采用方案B是因為其結(jié)構(gòu)及安裝較為簡單，易于控制，體積小，且成本相對較低。2.2底座傳動方案設(shè)計底座作為機械手的基體，需承受機械手的全部質(zhì)量，要具很高的剛度和抗沖擊性，工件的左右移動通過底座的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，所以底座除了抵抗手臂和工件的傾覆力矩外還要承受機械手整體旋轉(zhuǎn)的扭矩。在了解底座的作用的基礎(chǔ)下，提出了如圖2-2所示的兩種傳動方案。AB圖2.2底座傳動方案簡圖方案A工作原理：如圖2-2A所示，底座要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機體的轉(zhuǎn)動功能是通過一對齒輪作為減速系統(tǒng)來放大扭矩，電機和小齒輪利用彈性聯(lián)軸器連接，彈性聯(lián)軸器的作用是吸收沖擊能量，對電機有一定的保護(hù)作用。在底座連接盤上安裝機械手機體，包括動力臂、動力臂驅(qū)動電機及減速器，其機體的全部質(zhì)量由最上面的一副推力軸承承擔(dān)，在中心軸兩端分別布置兩對深溝球軸承，承受機體對底座的傾覆力矩。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，經(jīng)過齒輪放大扭矩帶動中心軸轉(zhuǎn)動，從而帶動與底座連接盤上安裝的機體，通過底座的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)貨物或者工件的左右平移搬運。優(yōu)點：力矩放大，同時齒輪能吸收一部分載荷沖擊，對電機的選擇要求降低。不足：空間體積較大，對齒輪的加工及安裝精度要求較高，齒輪的傳動誤差不利于工件搬運的較高精確定位。方案B工作原理：如圖2-2B所示，電機通過彈性聯(lián)軸器直接與中心軸連接，中心軸的齒輪布置與方案A相同，同樣的，機體的重力由推力軸承承受，中心軸上下兩端的深溝球軸承承受機體的傾覆力矩，電機直接帶動心軸轉(zhuǎn)動。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)較為簡單，電機與心軸直連削弱了中間連接件的功率及扭矩?fù)p失，消除了如齒輪傳動帶來的齒隙誤差，提高了定位精度。不足：負(fù)載沖擊直接對電機造成影響，對電機的性能要求較高。通過以上兩種方案的對比，在傳動精度方面，方案A通過一對齒輪來放大電機的驅(qū)動力矩，降低了對電機性能的要求，但是齒輪的加工及安裝降低了定位精度，而方案B則是電機直接通過聯(lián)軸器與中心軸連接，沒有像方案A那樣的齒輪間隙誤差及齒輪安裝誤差，所以方案B的定位精度高于方案A。兩種方案的受力情況相同，在結(jié)構(gòu)方面，方案A的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，保證齒輪安裝的高精度提高了底座的工藝要求，而方案B相對而言結(jié)構(gòu)簡單了許多，加工精度上易于實現(xiàn)。通過比較，選擇工藝上較易實現(xiàn)，定位精度較高的方案B。2.3機械手機構(gòu)設(shè)計根據(jù)實際工作要求，機械手需要對貨物或者工件進(jìn)行搬運，如下圖2.3所示采用常見的單臂機械手和如圖2.4所示雙臂平行四邊形結(jié)構(gòu)的機械手實現(xiàn)貨物或者工件搬運。單臂機械手其：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造的技術(shù)要求及零部件加工精度容易保證，且結(jié)構(gòu)較為輕量化，適用于多自由度的加工要求，比如焊接機器人。雙臂平行四邊形結(jié)構(gòu)的機械手：其優(yōu)點就是強度及剛度大，末端操作器可一直保持水平狀態(tài)，適用于平移搬運工件、高負(fù)載工作情況。對比以上所述兩種結(jié)構(gòu)，單臂機械手可滿足大部分低負(fù)荷工作情況，但是需要配置控制水平較高的電氣控制元件和具有先進(jìn)的計算機技術(shù)及編程水平；平行四邊形手臂雖然結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜一些，整備質(zhì)量略重一些，其始終保持末端操作器水平，所需控制技術(shù)水平相對于第一種較低，制造成本也相對較低。對于本次研究課題--車輪貨物或者工件的搬運而言，貨物或者工件質(zhì)量較重，加工中只需機械手參與平移即可，沒有翻轉(zhuǎn)或者角度位移，所以結(jié)合實際工作情況，考慮技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)及制造成本采用平行四邊形結(jié)構(gòu)。圖2.3單臂機械手外形圖圖2.4平行四邊形手臂結(jié)構(gòu)簡圖2.4機械手驅(qū)動方案選擇對于手臂的驅(qū)動，可采用液壓缸驅(qū)動及伺服電機、步進(jìn)電機驅(qū)動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點有驅(qū)動力大，響應(yīng)速度快，維護(hù)簡單，但是高壓對液壓元件要求較高，還有其定位精度低，不易用于對加工精度要求較高的場合；電機驅(qū)動的優(yōu)點是可實現(xiàn)精度較高的定位，但工作力矩相對于液壓較小，需要使用減速器放大力矩。本研究課題的實際工作情況需要將機械手定位在三個不同的位置點上，所以液壓缸不宜采用，選擇伺服電機作為機械手臂的動力元件。

第三章主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1夾持手指結(jié)構(gòu)設(shè)計夾持手指作為機械手的末端操作器，其作用就是夾緊貨物或者工件，保持貨物或者工件處于穩(wěn)定的水平狀態(tài)、不能對貨物或者工件造成破壞，而且具有較高的定位精度。在第二章第一節(jié)中采用方案B的夾緊方案，手指中間有一個支點，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，利用銷作為夾持支點，手指末端加工為滑槽。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：材料：45鋼，經(jīng)過正火處理、屈服強度355MPa成型方法：鑄造+機加工圖3-1一體化手指圖3-2組合活動手指圖3-3手指軀干截面圖如上圖所示，初步設(shè)計了兩種不同機構(gòu)的夾持手指，懸臂部分橫截面相同（如圖3-3所示），圖3-1所示架構(gòu)較為簡單，整個夾持手指為一個整體。圖3-2所示接觸部分為活動圓弧面，與圖3-1所比較，其具有較高的定位精度和可適用于大范圍半徑的貨物或者工件，比較以上兩種不同結(jié)構(gòu)，結(jié)合實際工作要求，所搬運的貨物或者工件的直徑范圍為400-600mm，變化較小，要求結(jié)構(gòu)輕量化，所以采用如圖3-1的結(jié)構(gòu)。3.2手指座結(jié)構(gòu)設(shè)計手指座作為夾持手指、氣缸安裝的基體，手指在手指座上的安裝如圖3-4所示，需要承受手指對工件的加緊反力和氣缸的推力和拉力，需具有一定的強度，手指座的機構(gòu)要求簡單，輕量化，便于加工，容易實現(xiàn)工藝要求。根據(jù)機械手對末端操作器的要求，對手指座進(jìn)行了如圖3-5所示的設(shè)計，對手指座前端加工了兩個孔，用于安裝夾持手指，手指座中間位置加工了一個大圓孔和4個螺栓孔，用于與旋轉(zhuǎn)電機的定位連接，并且該區(qū)域進(jìn)行了上凸處理（高度大于螺母厚度），這樣使得手指座的空間得到擴大，給手指的安裝帶來了很大的便利。在手指座的后端焊接了一個氣缸安裝座，用以安裝夾持氣缸。除此之外，對手指座進(jìn)行了挖空，去除多余的材料，以至于減輕質(zhì)量，提高末端操作器的靈活度，達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化的要求。材料：鑄鋁，抗拉強度600MPa，屈服強度355MPa（見[6]表2-17）。成型方法：鑄造+焊接+機加工。圖3-4手指座部分零件安裝示意圖圖3-5手指座外形圖3.3小臂固定板結(jié)構(gòu)設(shè)計小臂固定板用以末端操作器（夾持手指）和小動力臂的連接，同時也作為末端旋轉(zhuǎn)電機的安裝基體，軸承與軸及機體的安裝，結(jié)合實際設(shè)計，旋轉(zhuǎn)軸和軸承與小臂固定板的安裝如圖3-6所示，在機械手運作中始終保持水平狀態(tài)，以保證貨物或者工件的水平，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3-7所示,形狀類似于套杯，對其內(nèi)表面加工成階梯孔，用以安裝推力球軸及深溝球軸承，套杯的兩側(cè)相切焊接兩塊平行的鋼板，對板進(jìn)行精加工，用以與小動力臂連接，平行座頂部凸出的圓盤，在上面加工4個螺栓孔，用于安裝旋轉(zhuǎn)電機。材料：45鋼，抗拉強度600MPa，屈服強度355MPa。成型方法：鑄造+焊接+機加工。圖3-6小臂固定板零部件安裝剖面圖圖3-7小臂固定板外形圖3.4手臂連接座結(jié)構(gòu)設(shè)計手臂連接座位于機械手的中間部分，屬于機械手重要關(guān)節(jié)，手臂座用于大動力臂與小動力臂的連接，除了連接兩手臂之外，還需在上面安裝小手臂的驅(qū)動電機及減速器，具體結(jié)構(gòu)如圖3-8所示，手臂座的左端用于和大動力臂及大動力臂小桿連接，其孔中心距與底座的旋轉(zhuǎn)盤（安裝大動力臂及小桿）上的孔中心距一致，使得兩臂平行；右半部分用以安裝減速器（含電機）和安裝小動力臂及小動力臂小桿，同左半部分一樣，右半部分的兩臂安裝孔中心距與小臂固定板的左端的孔中心距一致，使得連接桿平行，形成平行四邊形。材料：45鋼，抗拉強度600MPa屈服強度355MPa。成型方法：鑄造+機加工。圖3-8手臂連接座外形圖3.5底座連接盤結(jié)構(gòu)設(shè)計底座連接盤的作用是安裝大動力臂及驅(qū)動電機和動力臂及大動力臂小桿，同時與底座旋轉(zhuǎn)中心軸相連接，具體結(jié)構(gòu)如圖3-9和圖3-10所示，連接盤上方焊接兩塊鋼板，內(nèi)側(cè)板厚度大于前側(cè)，內(nèi)側(cè)板加工了8個螺栓孔，用以安裝減速器，兩塊鋼板上同軸的孔用以安裝大動臂及小桿；圓盤上加工了8個直徑為21的螺栓孔，用于和底座旋轉(zhuǎn)軸相連接，在底座下表面做了挖槽處理，使得下表面加工面積變小，同時連接盤上的所有孔都進(jìn)行了凸臺或者沉孔的處理，改善了加工工藝，提高了連接的可靠性。材料：45鋼，抗拉強度600MPa，屈服強度355MPa。成型方法：焊接+機加工。圖3-9底座連接盤剖面圖圖3-10底座連接盤外形圖3.6底座結(jié)構(gòu)設(shè)計底座作為機械手的基體，需承受機械手的全部質(zhì)量，要具很高的剛度和抗沖擊性，工件的左右移動通過底座的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，所以底座除了抵抗手臂和工件的傾覆力矩外還要承受機械手整體旋轉(zhuǎn)的扭矩。在了解底座的作用的基礎(chǔ)下，提出了以下如圖3-11和圖3-12所示的兩種設(shè)計方案，下面對這兩種結(jié)構(gòu)從受力情況、工藝上進(jìn)行比較。圖3-11內(nèi)外雙軸承底座圖3-12套杯式底座圖3-11內(nèi)外雙軸承底座方案A：工作原理：如圖3-11所示，對底座的內(nèi)外表面進(jìn)行加工，將手臂連接座設(shè)計為套筒式并對其內(nèi)表面加工，在底座和套筒式手臂連接座之間安裝深溝球軸承用以承受機體對底座的彎矩（傾覆力矩），在手臂連接座的底下安置推力軸承用以承受機體重量，中心軸通過鍵與手臂連接座連接，底座下方放置伺服電機，通過柔性聯(lián)軸器與中心軸連接。優(yōu)點：機體的傾覆力矩由底座來承受，改善了中心軸的受力。不足：同時對底座的內(nèi)外表面進(jìn)行加工，二次加工不易保證內(nèi)外同軸度，使安裝存在很大的難度。方案B：工作原理：如圖3-2所示，手臂連接座與中心軸通過螺栓固連，旋轉(zhuǎn)中心軸與底座通過套杯來間接連接，同樣的使用推力軸承承受機體重力，電機和中心軸間通過柔性聯(lián)軸器連接。優(yōu)點：套杯作為中心軸與底座的中介，可以單獨加工，保證了套杯的精度即保證了整個旋轉(zhuǎn)底座的安裝精度，同時對底座的加工要求變低，只需精加工與套杯配合的圓周面。不足：心軸承受較大的彎矩（傾覆力矩）。通過對以上兩個方案的對比，A方案改善了心軸的受力情況，將機體對底座的傾覆力矩轉(zhuǎn)移到了底座上，但在對底座的加工方面來說，底座的內(nèi)外表面進(jìn)行精加工，難以保證內(nèi)外的同軸度，對加工技術(shù)和裝配技術(shù)要求較高；B方案存在的問題就是心軸同時承受彎矩和扭矩，但是在對加工工藝技術(shù)和裝配技術(shù)要求較低，套杯作為一個可分離的零件，其加工精度可得到保證，同時使底座的加工變得簡單；方案B的加工工藝性優(yōu)于方案A，可行性較高，所以選擇方案B。具體結(jié)構(gòu)說明：底座由上、下兩個部分組成，上下兩個部分通過圓柱面定位，螺栓固連，底座的下部分用于安裝底座旋轉(zhuǎn)電機，如圖3-13所示。在底座下部分加工電機定位孔及螺栓連接孔，在下表面凸臺加工8個地腳螺栓孔；底座上半部分用于安裝軸承套杯，需對其上表面和與套杯的接觸面進(jìn)行加工，套杯與底座上半部分的安裝精度直接關(guān)系到轉(zhuǎn)動心軸與電機軸的同軸度誤差，所以需對底座下部分電機定位孔和底座上部分套杯定位孔進(jìn)行轉(zhuǎn)配精加工以保證較高同軸度。套杯通過螺栓與上半部分連接，底座中心軸與底座連接盤兩連接，從而帶動機械手本體旋轉(zhuǎn)。在底座上下兩個表面分別開散熱孔，改善電機的運行環(huán)境和便于電機及其他零部件的安裝，如圖3-14所示。材料：HT200，抗拉強度200MPa。成型方法：鑄造+機加工。3-14底座三維圖圖3-13底座部件安裝圖

第四章動力源選型計算與中心軸校核3-14底座三維圖圖3-13底座部件安裝圖4.1氣缸的選型計算表4-1貨物或者工件原始數(shù)據(jù)長度直徑中心孔直徑貨物或者工件重量350～500mm400～600mm100～200mm不大于50公斤手指對貨物或者工件面的支持力按公式（4-1）進(jìn)行計算公式（4-1)式中FN1為垂直于貨物或者工件面的支持力，N；為支持力與重力的夾角,°；G為貨物或者工件重力（G=m·g），N。所以手指需要對輪壁面施加731N的垂直于輪壁的支持力。通過公式（4-2）計算手指對貨物或者工件面施加731N的支持力時需要水平方向的壓力的大小公式（4-2）式中FNL為手指與貨物或者工件面的支持力的水平分力，N；為水平壓力與貨物或者工件面支持力的矢量角，°。由上述計算的FN1=731N,由圖4-2得到，所以有。所以要產(chǎn)生731牛的支持力需要水平方向施加778N的力。圖4-2貨物或者工件受力分析圖采用加緊機構(gòu)方案B進(jìn)行力的分析，根據(jù)杠桿原理按照公式（4-3）計算滑槽與銷釘接觸面的壓力公式(4-3）式中為支持力作用點到支點的距離，mm；為氣缸力到支點的距離,mm；為手指滑槽與銷釘接觸的壓力,N。由圖4-3得到=330mm，=124mm，帶入公式（4-3）得到應(yīng)用公式（4-2）計算氣缸拉力，由圖4-3得=，帶入計算得：所以氣缸所需拉力為4380N。選用FESTO公司的DNC-KP系列氣缸，氣缸參數(shù)為：工作壓力：6bar氣缸直徑：100mm工作行程：80mm理論推力：4718N圖4-3夾持手指結(jié)構(gòu)示意圖理論返力：4418N圖4-3夾持手指結(jié)構(gòu)示意圖靜態(tài)保持力：5000N4.2夾持機構(gòu)電機選型計算計算電機軸的負(fù)載:①.手指座對電機軸的轉(zhuǎn)動慣量指定手指座的材料為45鋼（密度為7.85），利用solidworks軟件對零件進(jìn)行質(zhì)量屬性分析得到手指座的質(zhì)量m為8.23kg，對其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=0.098，其質(zhì)心到電機軸的距離h為26.5mm。公式（4-4）式中為物體對指定軸的轉(zhuǎn)動慣量，；為物體對質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量，；m為物體的質(zhì)量，kg；h為物體質(zhì)心到指定軸的垂直距離，m。將以上相對應(yīng)的已知量代入公式（4-4）計算得手指座對夾持機構(gòu)旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)動慣量為：②.夾持手指對電機軸的轉(zhuǎn)動慣量指定手指材料為45鋼，正火，利用軟件對其進(jìn)行質(zhì)量屬性分析得到質(zhì)量m為3.8kg，對其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量為0.18，質(zhì)心到電機軸的距離h為247.5mm，利用公式（4-4）該零件對電機軸的轉(zhuǎn)動慣量：將以上相對應(yīng)的已知量代入公式（4-4）計算得手指座對夾持機構(gòu)旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)動慣量為：③氣缸對電機軸的轉(zhuǎn)動慣量由FESTO公司DNC標(biāo)準(zhǔn)氣缸技術(shù)參數(shù)得其重量m為4635g，對其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量為0.015，其質(zhì)心到電機軸的距離h為231.9mm，利用公式（4-4）該零件對電機軸的轉(zhuǎn)動慣量：④手指座連接盤及轉(zhuǎn)動心軸的轉(zhuǎn)動慣量指定連接盤和轉(zhuǎn)動心軸的材料為45鋼，正火，利用軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量分析得其對質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量分別為=0.0004、0.007所以0.0074⑤貨物或者工件對電機軸的轉(zhuǎn)動慣量將貨物或者工件視作為質(zhì)量分布均勻的圓柱體，應(yīng)用[2]附錄A圓柱體的質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量公式公式（4-5）式中Jcz為圓柱體質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量，；m為圓柱體質(zhì)量，kg；r為圓柱體半徑，m。由貨物或者工件原始數(shù)據(jù)得到m=50kg，r=0.3m，代入公式（4-5）計算得到貨物或者工件對其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為：利用CAD軟件測量貨物或者工件中心軸到夾持機構(gòu)旋轉(zhuǎn)中心軸的垂直距離h為387.5mm，應(yīng)用公式（4-4）計算貨物或者工件對夾持機構(gòu)旋轉(zhuǎn)中心軸的轉(zhuǎn)動慣量為：綜上得到電機軸的負(fù)載慣量為：根據(jù)工作要求，手指旋轉(zhuǎn)角度初步定為150°，完成一個工作行程的時間為2秒，預(yù)設(shè)旋轉(zhuǎn)加速時間為0.5s，可做出時間-速度關(guān)系圖，如圖4-4所示。所以得旋轉(zhuǎn)加速度為，轉(zhuǎn)數(shù)為：。圖4-4v-t關(guān)系圖圖4-4v-t關(guān)系圖計算負(fù)載轉(zhuǎn)矩公式（4-6）式中為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；J為負(fù)載總慣量，；為轉(zhuǎn)動加速度，。通過以上計算得到J=11.2，=3.5，代入公式（4-6）計算得負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：加載在伺服電機輸出端的力矩與加載在減速器輸出端的力矩的關(guān)系計算電機轉(zhuǎn)矩公式（4-7）式中為電機輸出力矩，N·m；為減速器減速比（電機和旋轉(zhuǎn)中心軸為直連，=1）為減速器效率（電機和旋轉(zhuǎn)中心軸為直連，無減速器=1）將已知數(shù)據(jù)代入公式（4-7）得到所需的電機輸出轉(zhuǎn)矩為：選用130系列步進(jìn)電機，步矩角為1.2°，轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)每分鐘時的轉(zhuǎn)矩為44，保持轉(zhuǎn)矩為50，額定電流8.5A，電機重量22kg，轉(zhuǎn)子慣量為，適配驅(qū)動器型號HBQ30722A，所選電機滿足工作要求。4.3夾持機構(gòu)中心軸校核夾持機構(gòu)中心軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由第四章第一節(jié)得該心軸所受的最大扭矩為39.2N·m，貨物或者工件到軸心距離為387.5mm，計算貨物或者工件對其所產(chǎn)生的彎矩為：M=mg·s=50x10x0.3875=19.375N·m夾持機構(gòu)中心軸的受力簡圖、彎矩、扭矩如圖4-5所示圖4-5夾持機構(gòu)中心軸受力分析圖計算軸的支持力、彎矩公式（4-8）公式（4-9）式中為y方向的各個力的大小，N；為力所在平面的各個力矩，N·m。代入數(shù)值計算得出F1=F2=372.60N。計算當(dāng)量彎矩公式（4-10）式中為當(dāng)量彎矩，N·m；M為軸承受的彎矩，N·m；T為軸承受的扭矩，N·m；為折合系數(shù)，取=0.6。將圖4-5中對應(yīng)的參數(shù)代入上述公式得軸的計算當(dāng)量轉(zhuǎn)矩為。計算軸的計算應(yīng)力公式（4-11）式中為軸的計算應(yīng)力，MPa；M為軸所受彎矩，N·m；T為軸所受扭矩，N·m；W為軸的抗彎截面系數(shù)，；為軸的許用彎曲應(yīng)力，MPa，取=60MPa。公式（4-12）式中：d為軸的直徑，mm；b為鍵槽寬度，mm；t為軸的鍵槽深度，mm。將具體數(shù)據(jù)代入公式計算得到軸的抗彎截面系數(shù):將以上計算數(shù)據(jù)代入公式計算軸的計算應(yīng)力：所以夾緊機構(gòu)中心軸的設(shè)計滿足應(yīng)用。4.4底座旋轉(zhuǎn)中心軸校核底座中心軸材料為45鋼、調(diào)質(zhì)處理。已知底座中心所受的最大扭矩為1044.68·N·m，借助solidworks軟件分析機械手本體對底座旋轉(zhuǎn)中心軸所產(chǎn)生的彎矩為216.51N·m。底座中心軸的受力簡圖、彎矩、扭矩如圖4-6所示。圖4-6底座中心軸受力分析將數(shù)值代入公式計算出軸承對軸的支持力分別為F1=F2=1443.4N。將數(shù)值代入公式計算軸的計算當(dāng)量轉(zhuǎn)矩為：。由[4]表15-4查得空心軸的抗彎截面系數(shù)公式公式（4-13）式中W為軸的抗彎截面系數(shù)，；d為軸外徑，mm；d1為孔直徑，mm。代入具體數(shù)值計算得到對于當(dāng)量彎矩最大處，應(yīng)用公式計算得到軸的計算應(yīng)力為：對于軸徑最小處，只存在扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，計算轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式（4-14）式中為軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T為軸所受扭矩，N·m；為軸的抗扭截面系數(shù)，；為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa，取=40MPa?？傻霉剑?-15）式中d為軸的直徑，mm；b為軸上鍵槽的寬度，mm；t為軸上鍵槽深度，mm。代入具體數(shù)值計算得到，進(jìn)而有所以夾緊機構(gòu)中心軸的設(shè)計滿足應(yīng)用。第五章Solidworks仿真5.1機械手與solidworks在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)過程的自動化與機械化程度，直接決定了一個生產(chǎn)企業(yè)能否在激烈的史稱競爭中取得優(yōu)勢地位。然而，在自動化與機械化生產(chǎn)過程中，機械手起到了至關(guān)重要的作用，其在工業(yè)生產(chǎn)中，不僅可以幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率，而且可以降低工人的勞動強度，甚至直接代替勞動工人在一些危險的勞動環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。故而，對于機械手爪的設(shè)計與研究便顯得極其重要。本設(shè)計是基于Solidworks軟件進(jìn)行，使得設(shè)計成果與實際要求相結(jié)合。本次設(shè)計的是針對目前發(fā)展非常迅速的貨物搬運過程中所需要的助力機械手進(jìn)行的，在如今生產(chǎn)中，助力搬運機械手應(yīng)用可謂隨處可見，其可以按照事先預(yù)定的軌跡進(jìn)行工件的搬運和安置，對實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的自動化需求，推動工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展有著極為重要的作用。5.2Solidworks介紹Solidworks有著許多可用組件，其軟件的功能也十分的強大，可以對實體零件進(jìn)行建模并生成相應(yīng)的仿真動畫，具有容易學(xué)習(xí)、容易使用、功能強大等特點，在機械設(shè)計者方面，為了提高設(shè)計方案的質(zhì)量，通過Solidworks仿真便可以有效降低在設(shè)計過程中存在的錯誤以及零件之間的誤差。在SolidWorks的使用中，因為其具有非常詳細(xì)的零件實體模型，并且可以由次生成動畫方面的工作機構(gòu)制作。然而助力機械手最直觀的表現(xiàn)方法就是動態(tài)仿真，因為動態(tài)仿真是一種可以傳遞工作過程中各組成零件動作情況的良好載體，它的特點就在于形象和直觀。Animator插件作為一個動畫制作軟件插件，其可以將其Solidworks的三維模型實現(xiàn)動態(tài)的可視化，并且實時錄制構(gòu)件的模擬裝配過程以及模擬工作過程，將構(gòu)件的工作情況得到更好地表達(dá)，提高了人們對設(shè)計內(nèi)容的直觀感受。5.3機械手仿真動畫的建立本次設(shè)計的目的是將設(shè)計好的的機械手可以按照預(yù)期軌跡進(jìn)行夾取移動。其難點是對于機械爪的動作進(jìn)行控制，使其到達(dá)到達(dá)一個指定的位置，完成預(yù)期動作。首先，啟動SolidWorks，并選擇“文件”，將提前設(shè)計好的機械手裝配圖打開，再工具欄中找到Animator組件并單擊進(jìn)行打開，其次建立一個新的動畫制作界面，設(shè)定氣動桿來對機械手傳力。然后將機械手氣動桿移動到初始位置并將時間滑桿拖到結(jié)束時間之后將機械手氣動桿移動到最終位置從而完成動畫的時間設(shè)定。用于機械手示教的過程，相當(dāng)于先模擬機械手的動作達(dá)到所需要的要求，再在動畫里面實現(xiàn)這個動作。剛開始做的時候，將想要動作的角度進(jìn)行固定。測量出所需要的各個機械臂的角度，到達(dá)目的地后回退到之前狀態(tài)，再使其通過配合改變的的方式使其返回到之前的位置。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為90°，之后測出到達(dá)目的地時候的角度，角度的改變實現(xiàn)最終的動作，將機械手氣動桿移動到初始位置，將時間滑桿拖到結(jié)束時間，將機械手氣動桿移動到最終位置。完成動畫的時間設(shè)定；其運動軌跡如圖5.1、圖5.2、圖5.3。在仿真動畫制作中同時進(jìn)行拉伸和夾爪的幅度，夾爪的角度，夾爪夾具的開合，從而實現(xiàn)移動的動作，其的配合是可以改變的，改變的過程有運動的相互行，然后選擇插值模式，有線性、捕捉、漸入漸出等對運動過程的速度進(jìn)行控制。圖5-1圖5-2圖5-35.4本章小結(jié)本文對機械手機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計研究，運用SolidWorks對其結(jié)構(gòu)建模設(shè)計，手指夾取物體時的仿真動畫，充分利用了計算機輔助設(shè)計，基于SolidWorks的機械手仿真動畫很好地實現(xiàn)預(yù)期運動,對系統(tǒng)設(shè)計起到很好的效果，提高了設(shè)計效率?？偨Y(jié)本次完成了“助力搬運機械手”，主要對機械手、傳動機構(gòu)、及其它輔助機構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算，分析了助力搬運機械手結(jié)構(gòu)的方案原理。首先，在選型方面根據(jù)實際要求，不盲目的追求多功能、高精度等問題，采用那些性價比低的設(shè)備元件，造成資源上的浪費，甚至與實際問題沖突的情況，例如夾持機構(gòu)中采用氣缸推動、機械手臂采用平行四邊形機構(gòu)等。其次，本次設(shè)計中對驅(qū)動方式、機械結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了對比選型，即與實際生產(chǎn)相吻合，友保證了機械手的工作效率。論文從助力搬運機械手的特點及組成形式開始，并對機械手的設(shè)計方案進(jìn)行了分析，最后對機械手的傳動方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計、以及具體的參數(shù)計算和校核，設(shè)計出了符合設(shè)計要求的助力搬運機械手。并根據(jù)機械手性能的要求設(shè)計了滿足條件的氣缸傳動裝置，對傳動裝置、機械手的參數(shù)計算與校核、傳動軸的參數(shù)計算與校核、夾持機構(gòu)的參數(shù)計算、驅(qū)動裝置進(jìn)行了具體的參數(shù)計算與校核，為工程圖的繪制提供了一定的理論基礎(chǔ)。然后設(shè)計底座，并從底座的傳動方案、具體的零部件設(shè)計與選型、參數(shù)計算方面展開設(shè)計。

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