6自由度教學(xué)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD】

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Industrial automation manipulator plays a considerable role, small to the automatic tool change mechanical arm of the machine, the whole of unattended automatic factory, no one can not see the shadow of the manipulator. Application of robot in the industry can ensure the operating cycle of coherence, improve the quality of. In addition, the manipulator control precision, but also can improve the precision of parts. Key words: Manipulator; automation; accuracy 1 前言 在工資水平較低的中國，制造業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機(jī)械手的使用已經(jīng)越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們設(shè)在中國的工廠中引進(jìn)了自動化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)的中國本土制造廠也開始對機(jī)械手表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，因?yàn)樗麄円鎸と肆魇矢?，以及交貨周期縮短帶來的挑戰(zhàn)。 機(jī)械手可以確保運(yùn)轉(zhuǎn)周期的一貫性，提高品質(zhì)。另外，讓機(jī)械手取代普通工人從模具中取出零件不僅穩(wěn)定，而且也更加安全。同時，不斷發(fā)展的模具技術(shù)也為機(jī)械手提供了更多的市場機(jī)會。 可見隨著科技的進(jìn)步，市場的發(fā)展，機(jī)械手的廣泛應(yīng)用已漸趨可能，在未來的制造業(yè)中，越來越多的機(jī)械手將被應(yīng)用，越來越好的機(jī)械手將被創(chuàng)造，毫不夸張地說，機(jī)械手是人類走向先進(jìn)制造的一個標(biāo)志，是人類走向現(xiàn)代化、高科技進(jìn)步的一個象征。 因此如何設(shè)計出一個功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的機(jī)械手變成了迫在眉睫的問題。 針對機(jī)械手的設(shè)計，考慮到兩種方案。方案一，依靠兩盤狀凸輪及連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的張合與手臂的上下擺動。而圓柱凸輪的旋轉(zhuǎn)帶動鏈輪回轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。這種雖然方案簡單易行，但結(jié)構(gòu)較大，鏈傳動是撓性的拉拽，難于定位；而且鏈條及鏈輪布置在水平面內(nèi)，鏈條不宜過長。定位精度不能保證，故不宜采用此方案。 方案二：該方案在手指的動作和手臂的仰俯方面與方案一采取同種設(shè)計，在手臂的回轉(zhuǎn)上采用了不同機(jī)構(gòu)，它通過液壓缸—連桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)完成手臂的回轉(zhuǎn)。此方案結(jié)構(gòu)簡單，各運(yùn)動部件之間的運(yùn)動都易于實(shí)現(xiàn)，不會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。故本設(shè)計采用第二種方案［1］。 2 設(shè)計要求和功能分析 2.1 設(shè)計要求 該機(jī)械臂用于物流生產(chǎn)線上物品的抓取和易位。整個機(jī)械臂安裝在一個回轉(zhuǎn)支座上，回轉(zhuǎn)角度范圍為360度；小臂相對于大臂可擺動，擺動范圍為60-120度；小臂末端的手腕也可以擺動，擺動范圍為-60度到+60度；手腕的末端安裝一機(jī)械手，機(jī)械手具有開閉能力，用于直徑30-45mm工件的抓取，工件長度350mm，重量8kg。 2.2 功能分析 系統(tǒng)共有6個自由度，分別是夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰（1）、左右搖擺、俯仰（2）及基座的回轉(zhuǎn)。 基座的回轉(zhuǎn)自由度可以進(jìn)行360度的回轉(zhuǎn)；與基座相連的俯仰機(jī)構(gòu)（包含液壓缸）可進(jìn)行俯仰動作，幅度較大，可以滿足60-120度的俯仰要求，與此相連部分為左右搖擺機(jī)構(gòu)，能夠完成-60~60度的左右來回擺動，接著下去的是俯仰機(jī)構(gòu)，與搖擺機(jī)構(gòu)內(nèi)部類似，亦可完成-60~60度的上下俯仰動作，最后的是旋轉(zhuǎn)部分與手指部分，旋轉(zhuǎn)部分可以正反旋轉(zhuǎn)，手指部分通過在手腕上滑槽來控制收放動作。機(jī)構(gòu)采用液壓控制各自由度的動作，簡單方便且功率大，各自由度之間相互聯(lián)系且獨(dú)立，動作時互不干涉。 3 基座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軸的設(shè)計及強(qiáng)度校核 由設(shè)計要求分析可知，基座的回轉(zhuǎn)自由度可以進(jìn)行360度的回轉(zhuǎn)。 3.1 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度概略計算軸頸 （1）選取軸材料 由于中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性，材料來源方便。且該鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其綜合力學(xué)性能要優(yōu)化于其他中碳結(jié)構(gòu)鋼。調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機(jī)械性能。故選用45號鋼，調(diào)質(zhì) 查表得，，，，， （2）估算軸頸 對軸使用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法，根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件 (1) 算得 (2) 式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa； 　　　 T——軸所受的扭矩，N·mm； 　　　 WT——軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，m； 　　　　P——軸傳遞的功率,kW； 　　　　d——計算截面處軸的直徑，mm； ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa 可知，對于軸，，，，為齒輪分度圓半徑，則：?？紤]到軸是垂直布置，過細(xì)會失穩(wěn)，因此取，最小直徑為花鍵內(nèi)徑。 3.2 擬定軸的結(jié)構(gòu) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，擬定主要參數(shù)尺寸［3］，如圖一所示。 （1）支承采用圓錐滾子軸承3007712。 選擇依據(jù)：圓錐滾子軸承可以分離，由內(nèi)圈與滾子、保持架一起組成的組件和外圈可以分別??圓錐滾子軸承安裝。滾子和滾道接觸處修正的接觸線可以減少應(yīng)力集中。圓錐滾子軸承可以承受大的徑向載荷和軸向載荷。 按GB277-84，取下端軸頸直徑為60mm，寬33mm；取下端軸肩直徑80mm，寬25mm （2)齒輪下端面由軸環(huán)定位 鑒于軸環(huán)承受軸的重力，取軸環(huán)直徑100mm，寬20mm。齒輪軸頭取直徑80mm，寬97mm，稍小于輪豰（100-3）。 （3）齒輪上端面接觸套筒，固定套筒的軸身直徑70mm，寬15mm； （4)套筒上接圓錐滾子軸承，與下端軸承一樣。軸頸直徑為60mm，寬30mm。 （5)和上端蓋相密封的軸身直徑56mm，寬36mm。 （6)連接花鍵的上軸頭小徑52mm，大徑56mm，寬27mm；軸兩端倒角。 （7)齒輪與平鍵采用過盈連接,采用A型平鍵（A型平鍵在軸上鍵槽中軸向固定良好） 鍵槽寬度，槽深，槽長L應(yīng)小于齒輪的寬度，取，軸段上平鍵居中布置。取過盈配合。 3.3 計算支反力和繪制彎矩圖和扭矩圖 （1）支反力的計算 由于活塞齒條的作用，軸受到水平方向的力，同時在軸承受到支反力，這樣產(chǎn)生彎矩。 (3) 支座A的支反力， (4) 支座B的支反力 （2)繪制彎矩圖和扭矩圖，如下圖（二）： a. 最大彎矩發(fā)生在平鍵中心的界面處 (5) B. 扭矩 圖1 彎矩圖和扭矩圖 Figure 1 bending moment diagram and torque diagram 3.4 強(qiáng)度精確校核 （1）確定危險截面，校核強(qiáng)度 分析可知，危險剖面在平鍵中心處，此時彎矩最大，且有鍵槽，抗彎剖面模量和抗扭剖面模量較小。所以，需對該面進(jìn)行強(qiáng)度精確校核。 （2）按安全系數(shù)法［5］精確校核平鍵的強(qiáng)度： a.查表可得： 過盈配合為時的應(yīng)力集中系數(shù)， 尺寸系數(shù)， 表面質(zhì)量系數(shù) b.主要參數(shù)設(shè)計計算 綜合影響系數(shù)，； (7) 彎曲應(yīng)力幅 (8) 平均應(yīng)力 (9) 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅 (10) 扭轉(zhuǎn)平均應(yīng)力 （3）根據(jù)以上可得，僅考慮切應(yīng)力和僅考慮正應(yīng)力時的工作安全系數(shù)分別為： a.只考慮正應(yīng)力時的安全系數(shù) (11) b.只考慮切應(yīng)力的安全系數(shù) (12) 可得平鍵的工作安全系數(shù)： (13) 查表得，S>[S] 結(jié)論 ： 滿足強(qiáng)度要求 4 液壓泵俯仰機(jī)構(gòu)零件設(shè)計及強(qiáng)度校核 液壓泵是為液壓傳動提供加壓液體的一種液壓元件，是泵的一種。它的功能是把動力機(jī)(如電動機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能。根據(jù)主機(jī)工況、功率大小和系統(tǒng)對工作性能的要求，確定為液壓泵俯仰機(jī)構(gòu)。 4.1 確定螺柱組連接所受的工作載荷 只受橫向載荷（作用于接合面，垂直向下） 根據(jù)UG質(zhì)量分析，得到前四個自由度的總質(zhì)量 根據(jù)UG距離分析，前四個自由度質(zhì)心到螺柱分布中心的距離 傾覆力矩（順時針方向） 4.2 計算傾覆力矩的工作拉力 在傾覆力矩作用下，左面的螺釘受到加載作用而右面的螺釘受到減載作用，故左面的螺柱受力較大，所受的載荷由 書本[3]的P411（11-3b）得知為 (14) 4.3 求每個螺柱所需的預(yù)緊力 橫向工作載荷將使連接件下滑，采用普通螺柱連時是靠摩擦力來承受，M對摩擦力無影響，雖在M的作用下，左邊的壓力減小，但右面的拉力增大，所以保證不下滑的條件，由式（11-27）可知; (15) =1.2 =0.2 4.4 計算螺柱直徑 螺柱所受的總拉力由式（11-19）求得 (16) 由表11-5取=0.3 查表選擇螺柱材料為Q235，性能等級5.6，屈服強(qiáng)度 ，安全系數(shù)，則需用應(yīng)力為 根據(jù)式（11-21）求得螺柱危險剖面的直徑（螺紋小徑）為： 初取直徑=16 4.5 校驗(yàn)螺柱組連接接合面的工作能力 （1）連接接合面右端不超過許用值，以防止接合面壓潰，由式（11-39）有： (17) 式中，接合面面積； 接合面抗彎剖面模量： 由表11-9查得 （2）連接接合面左端應(yīng)保持一定的預(yù)緊力，以防止接合面產(chǎn)生間隙，即由式（11-38） 由于會產(chǎn)生間隙，應(yīng)提高預(yù)緊力，由，求得不產(chǎn)生間隙的最小預(yù)緊力=28570 由式（11-19）重新求得螺柱所受到的總拉力 由式（11-21）重新求得螺柱危險截面的剖面直徑 取=24的螺柱，誤差小于5%，在工程允許范圍內(nèi)，查GB/T901-1988［1］，B級等長螺柱M243 5 左右搖擺機(jī)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度校核 5.1 動葉片中3個螺釘設(shè)計 由公式得， （1）確定預(yù)緊力 由公式得， (18) 其中：安全裕度系數(shù) 接合面間摩擦系數(shù) 工作轉(zhuǎn)矩 取動葉片與油液接觸面積為，油壓為2，油壓作用在動葉片上的等效力的作用點(diǎn)位于圓周上 （2）查表，取材料為45號鋼，性能等級為8.8級 屈服強(qiáng)度極限 初估直徑M16，查表，取， 取螺釘直徑M24,查表， 5.2 動葉片中2個銷的設(shè)計 （1）確定剪切力 取動葉片與油液接觸面積為 油壓為，油壓在動葉片等效力的作用點(diǎn) 位于圓周上 （2）確定銷個數(shù) （3）查機(jī)械手冊，取材料為45號鋼 常用的銷 5.3 動葉片與套筒之間的鍵的設(shè)計 (19) （1）工作轉(zhuǎn)矩 油壓為，承壓面A為 作用點(diǎn)離鍵沿半徑方向?yàn)? （2）回轉(zhuǎn)直徑的d為 鍵高， 取 5.4 軸的設(shè)計 取，， 去材料為40Cr鋼， 取 6 連腕部俯仰機(jī)構(gòu)零件設(shè)計及強(qiáng)度校核 6.1 動葉片中3個螺釘設(shè)計 由公式得， (20) （1）確定預(yù)緊力 由公式， 查表得 安全裕度系數(shù) 接合面間摩擦系數(shù) 工作轉(zhuǎn)矩 取動葉片與油液接觸面積為，油壓為2，油壓作用在動葉片上的等效力的作用點(diǎn)位于圓周上 （2）查表，取材料為45號鋼，性能等級為8.8級 屈服強(qiáng)度極限 初估直徑M16，查表11-7，取， 取螺釘直徑M16,查表11-1， 6.2 連接前自由度箱體的4個固定螺釘設(shè)計 （1）求每個螺釘?shù)乃桀A(yù)緊力和總拉力 (21) 剩余預(yù)緊力 查表知： 安全裕度系數(shù) 接合面間摩擦系數(shù) 螺釘個數(shù) 前自由度總質(zhì)量 形心位置 查表， 由公式， a. 取，為螺釘?shù)街行木€的距離 b. ,為前自由度總質(zhì)量到接口的力臂 （2)設(shè)計直徑 查表11-6，取材料為45號鋼，性能等級8.8級，屈服極限 初估M16，查表11-7，， （3)校核螺釘接合面的工作能力 接合面上側(cè)不出現(xiàn)縫隙的條件 滿足 接合面下側(cè)不出現(xiàn)壓潰的條件 查表11-9， 滿足 注：特殊情況為當(dāng)前自由度部分自由下垂，四個螺釘完全承受前部分的重力，每個螺釘承受，查圖11-20，得此時， ，由此滿足條件。 6.3 動葉片中2個銷的設(shè)計 確定剪切力 取動葉片與油液接觸面積為 油壓為，油壓在動葉片等效力的作用點(diǎn) 位于圓周上 (22) 確定銷個數(shù) 查機(jī)械手冊，取材料為45號鋼 常用的銷 6.4 動葉片與套筒之間的鍵的設(shè)計 工作轉(zhuǎn)矩 油壓為，承壓面A為 作用點(diǎn)離鍵沿半徑方向?yàn)? 回轉(zhuǎn)直徑的d為 鍵高， 取 6.5 軸的設(shè)計 (23) 穩(wěn)定不變扭矩， 由， 取碳素鋼 7 旋轉(zhuǎn)和夾緊的設(shè)計及強(qiáng)度校核 7.1 機(jī)械手指部基座與回轉(zhuǎn)體的螺栓連接 （1）采用普通螺栓連接，布局如圖六示。 將前部指部和輪胎簡化為一簡支梁結(jié)構(gòu)，在其質(zhì)心處受到一集中力。 圖2 機(jī)構(gòu)簡圖 Figure 2 institutions diagram （2）確定螺栓組連接所受的工作載荷。 只受到橫向載荷（作用于接合面，垂直向下） 根據(jù)UG的質(zhì)量分析后，得知不得總質(zhì)量為： 所要夾取得輪胎質(zhì)量為： （g?。? 傾覆力矩順時針方向 =404.27 （3）計算各螺栓所受的工作拉力。 在傾覆力矩的作用下，上面的螺栓受到加載作用，而下面的螺栓受到減載的作用，故上面的螺栓受力較大，所受的載荷為： (24) 上面的螺栓所受到的總工作拉力： （4）求每個螺栓所需的預(yù)緊力。 橫向工作載荷將使指架下滑，采用普通螺栓時是靠摩擦力來承受；M對摩擦力無影響，雖在M作用下，上面的壓力減小，但下邊的增大，所以保證不下滑的條件是： 由式： =1.2 f=0.2 （5）計算螺栓直徑。 螺栓所受的總拉力由式求得： (25) 由表11—5取= 0.3 查表11.6選擇螺栓材料為Q235，性能等級取3.6，其屈服極限；不控制預(yù)緊力，初取直徑為16，查表11.7，安全系數(shù)為S= 4，則。 根據(jù)公式（11—21）求得螺栓危險剖面的直徑（螺紋小徑）為： 查GB/822—1988選用公稱直徑d = 10mm(螺紋小徑= 8.376mm)的螺釘。 螺紋規(guī)格：d = M10, 公稱直徑d = 50mm,性能等級為3.6級的H型螺釘GB/822—1988 。 （6）校核螺釘組連接接合面的工作能力。 連接接合面下端的擠壓應(yīng)力不超過許用值，以防止接合面壓潰，由式(11—39)有： (26) 式中，接合面面積； 接合面抗彎剖面模量： 由表11.9 查得 ， 故連接面下端不會壓潰。 連接合面上端應(yīng)保持一定的剩余預(yù)緊力，以防止接合面產(chǎn)生間隙，即，由式（11—38）得： 故接合面上端受壓最小出不會產(chǎn)生間隙。 7.2 手部旋轉(zhuǎn)液壓缸葉片與夾緊缸連接螺釘?shù)脑O(shè)計 圖3 手部旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)液壓缸剖視圖 Figure 3 hand rotating the rotary cross-sectional view of the hydraulic cylinder 備注：葉片寬度b=110mm 采用普通螺釘連接。 （1）確定螺釘組連接所受的工作載荷。 假定選用低壓系統(tǒng)p = 5MPa, 葉長的受力面積： 周向工作載荷 （2）計算各螺釘及銷所受的同向載荷： 如果假設(shè)將葉長展開，鋪平后，相當(dāng)于螺釘組受橫向載荷，根據(jù)式（11—28），得： (27) （3）計算螺釘直徑： 由式（11—24）得， 查表11.6，選擇螺釘材料為Q235，性能等級為3.6級，其屈服極限，，初估直徑d = 10mm, 查表11.7，，S = 2.25， = 84.44 H為螺釘桿與孔壁擠壓面的最小高度， h = 7.5 mm 由式（11—26），螺釘?shù)募羟袕?qiáng)度條件為： 查表11.7 查GB/T96—1981，選用公稱直徑d = 10mm （螺紋小徑）的螺釘。 7.3 機(jī)械手指部設(shè)計及夾緊力計算 圖4 機(jī)械手指部機(jī)構(gòu)簡圖 Figure 4 institutions of the Ministry of Machinery finger thumbs （1）機(jī)械手指部夾緊力的計算 a液壓活塞所受的壓力 液壓活塞承壓面面積: S===15080() 所以F=P S=5MPa15080=75400N 是手指連桿施加給左手指的力,是左手指對連桿的反作用力; 和同樣構(gòu)成一對作用力與反作用力,如圖所示. 由于機(jī)構(gòu)的對稱性,故=,=. 當(dāng)機(jī)構(gòu)靜平衡時,,; ,所以==43532.2(N) (28) 根據(jù)對O點(diǎn)的力矩平衡: =NL N====6969.1(N) 8 總結(jié) 該機(jī)構(gòu)是一個六自由度的工業(yè)機(jī)械手，能完成夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰、搖擺以及回轉(zhuǎn)動作，可用于工業(yè)流水線上的操作。我們主要針對設(shè)計的是在轎車生產(chǎn)過程中，后車箱備胎的放置，機(jī)構(gòu)簡便、效率高，可控范圍大，沉重量大，基座運(yùn)用齒輪傳動，效率高，強(qiáng)度大，液壓泵俯仰機(jī)構(gòu)承載性強(qiáng)，可調(diào)角度大，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)都是-60度到60度。機(jī)構(gòu)所用零件便于加工，標(biāo)準(zhǔn)件較多，便于機(jī)構(gòu)的組裝，相應(yīng)的成本也不高。 參考文獻(xiàn) [1] 熊有倫．機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996:1. 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