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沈 陽 化 工 大 學 科 亞 學 院 本 科 畢 業(yè) 論 文 題 目 三自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 1101 班 學生姓名 于兆明 指導教師 趙艷春 論文提交日期 2015 年 月 1 日 論文答辯日期 2015 年 月 5 日 畢業(yè)設(shè)計 論文 任務(wù)書 機械設(shè)計制造及其自動化 機制 1101 班 學生 于兆明 畢業(yè)設(shè)計 論文 題目 三自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計 論文 內(nèi)容 1 設(shè)計說明書一份 2 CAD 圖紙一套 包括總裝圖 零件圖 3 文獻綜述 不少于 3000 字 畢業(yè)設(shè)計 論文 專題部分 三自由度機械手結(jié)構(gòu) 起止時間 2015 年 3 月 6 日 至 2015 年 6 月 5 日 指導教師 簽字 2015 年 3 月 6 日 摘要 隨著現(xiàn)代機械工業(yè)的發(fā)展 在機械生產(chǎn)中機械人得到了更廣泛的應(yīng) 用 其中應(yīng)用最為廣泛的機械人是一個可以改編程序的多功能操作器 設(shè)計用來按照開始編制的完整完成多種作業(yè)的運動程序運送材料 零件 工具或?qū)Ｓ迷O(shè)備 然而在機械人當中的主要部件就是大家所熟悉的機械 手 本文主要介紹機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 主要對液壓系統(tǒng) 支持手臂運動的 液壓缸 使手臂可以在 180 范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)缸進行設(shè)計 主要參數(shù)為 抓 取重量最大為 50N 最大夾持鍛坯直徑為 120 主要用于夾持直徑在 80 120 的鍛坯件 本次機械手的設(shè)計 分為七部分進行介紹 手腕和加緊油缸結(jié)構(gòu) 的設(shè)計 是根據(jù)手部的旋轉(zhuǎn)角度 進行擺動缸的設(shè)計 機械手臂伸縮 機構(gòu)設(shè)計 該種機構(gòu)主要由活塞桿 油缸體 中間架體 左壓條 滑枕 和右壓條等組合而成 定位油缸的選定和設(shè)計 主要用來定位機械手 的位置 中間架座部件的設(shè)計 通過齒輪與機械手臂回轉(zhuǎn)油缸穩(wěn)固聯(lián) 接 而回轉(zhuǎn)油缸的殼體又穩(wěn)固在機械手臂伸縮機構(gòu)的中間體上 從而使 機械手臂運動連貫并且定位準確 最后是主要部件的連接設(shè)計 關(guān)鍵詞 夾持式機械手 液壓系統(tǒng) 工作原理 伸縮 定位 Abstract This text mainly introduces the machine hand structure design main to the liquids press system support the liquids of the arm sport s press an urn and make the turn over urn that the arm revolve in 180 scopes carry on a design Its main parameter is The biggest work radius is a 120mm biggest grab at the weight as5 Mainly used for the work piece handling loading and unloading can be applied to most of the plant operations cutting device The manipulator design divided into six parts description wrist structure design is based on grasping part of the rotation angle swing cylinder design arm structure of the design telescopic arm to the main structure internal hydraulic cylinder sleeve driven sets of telescopic arm to achieve the operation arm cylinder design which is based on the entire arm and the weight of the hand arm rotational angle of the design to achieve the required operating range arm structure design the arm is the support arm component must be carefully considered the arm of materials so that they will reach the strength final link is a major component of the design arm and boom boom and hydraulic cylinder blocks as well as the size the arm are connected by hinged Keywords to clip machinery hand Press sulfide hydraulic work axiom flexibility fixed position 目 錄 第一章引 言 1 1 1 機械手的分類 1 1 2 機械手的組成 4 1 3 應(yīng)用機械手的意義 6 第二章總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 8 2 1 原始數(shù)據(jù) 8 2 2 工作要求 8 2 3 系統(tǒng)組成 9 2 4 總體技術(shù)方案 9 2 4 1 動作分析 10 2 4 2 手部 10 第三章回轉(zhuǎn)裝置的總體組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 3 1 回轉(zhuǎn)裝置的組成 12 3 1 1 執(zhí)行件 12 3 1 2 傳遞件 12 3 1 3 驅(qū)動件 12 第四章機械傳動方案的設(shè)計與計算 14 4 1 小車的主要組成部分 14 4 2 同步帶傳動方式優(yōu)缺點 14 4 3 驅(qū)動動力源 15 4 4 機械傳動方案的設(shè)計計算 15 4 4 1 設(shè)計數(shù)據(jù)確定 16 4 4 2 同步帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算 17 致謝 22 參考文獻 23 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 1 第 1 章 引 言 機械工業(yè)是我國國民的基礎(chǔ) 為國民經(jīng)濟各個產(chǎn)業(yè)提供裝備且為人民生活 提供實用消費產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè) 無論是傳統(tǒng)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè) 以及新興行業(yè) 都是和各種 工業(yè)機械設(shè)備是分不開的 工業(yè)機械設(shè)備的性能 質(zhì)量和成本 為提供中國國 民經(jīng)濟各部門和國家的整體經(jīng)濟效率的所有技術(shù)進步有著直接的影響 機械行 業(yè)的技術(shù)水平和規(guī)模是衡量整個國家的經(jīng)濟實力和重要標準的科學技術(shù)水平 因此 在世界各地發(fā)展機械行業(yè)在經(jīng)濟實力發(fā)展的一個重要戰(zhàn)略 工業(yè)機器人是近幾十年來迅速發(fā)展高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備 而工業(yè)機械手 是作為工業(yè)機器人的重要分支之一 其特性可以被編程來完成各種預(yù)期的任務(wù) 分配 對整體結(jié)構(gòu)性能人和機器的相關(guān)優(yōu)勢 尤其反映了人們的智力和適應(yīng)性 在各種不適環(huán)境下的情況下的機械手操作精度和運算能力 在國民經(jīng)濟的各個 領(lǐng)域的工作有一個良好的發(fā)展態(tài)勢 機械手是機械自動化生產(chǎn)發(fā)展的過程中發(fā)展起來的一種創(chuàng)新機制 如今 現(xiàn)代化的自動化生產(chǎn)線作業(yè)的該設(shè)備廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人的過程 和機器人 生產(chǎn)這種新技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)在技術(shù)上完善 并快速發(fā)展 它被促進的工業(yè)機械 手的發(fā)展過程中 操縱器可以更好地實現(xiàn)機械化和自動化的整體組合 而機械 手靈活 方便 但它有重復的工作和工作 不知道疲勞 這是人手所不具備的 抓住重量的能力也大于人的能力 因此 機械手正在很多部門 并應(yīng)用到越來 越多的廣泛領(lǐng)域和項目 涉及機械 機電液壓技術(shù) 計算機技術(shù) 傳感器技術(shù)和科技等領(lǐng)域的自動 化控制技術(shù)的機械手技術(shù) 是一種跨學科的綜合技術(shù) 機械手作為多功能機器是可以自動化定位 控制并且可重新編程序以的 并且擁有多個自由度 可以在各式各樣的工作環(huán)境下正確的完成任務(wù) 1 1 機械手的分類 機械手一般可分為三類 第一種類為通用型機械手 無需人工操作 它不 附屬于某種主機的裝置 可以自行根據(jù)不同任務(wù)的需求進行程序的編制 以便 可以完成各項操作 它特點是不但具備了普通機械的性能 還具備記憶智能與 通用機械 第二類為操作機 需要人工操作 這類機械手起源于軍事和原子工 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 2 業(yè) 最先是需要操作機來完成特定的作業(yè)動作 后來發(fā)展到可以利用無線電訊 號操作機來完成包括探測月球在內(nèi)的一些高級的作業(yè)動作 而機械工業(yè)中所采 用的鍛造操作機就是屬于這一類機械手 第三類為主機專用機械手 主要依附 于自動機床和自動線上 用來解決機床上下料和工件送給動作 這種機械手國 外稱之為 Mechanical Hand 是專門為主機服務(wù)機械 由主機提供驅(qū)動 除極 少數(shù)外 工作程序一般是固定的 目前 在國外第一類通用機械手應(yīng)用的較多 國外稱之為機器人 本課題 所研究機械手則是屬于第三種類機械手 1 簡史 機械手開始于美國開發(fā)研制的 美國聯(lián)合控制公司于 1958 年研發(fā)出了第一 臺機械手 它的結(jié)構(gòu)是 機體上安裝了一個可回轉(zhuǎn)長臂 頂部裝有電磁塊制作 的工件抓取機構(gòu) 控制系統(tǒng)為演示教形的 美國聯(lián)合控制的公司在于 1962 年 根據(jù)上述方案 開發(fā)機器人的數(shù)控示范 教學類型 命名為 Unimate 即萬能自動 這組運動系統(tǒng)是仿照坦克炮塔 臂 可以俯仰 旋轉(zhuǎn)和縮放 由液壓驅(qū)動 控制系統(tǒng)是使用鼓作為存儲設(shè)備 現(xiàn)代 也有很多的操盤一般球面坐標被包的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 同年 公司和 Leo pluijmen 公司合并成立了通用自動公司 是專業(yè)生產(chǎn)工業(yè)機器人 美國機械制造公司在 1962 年也研制出了一種叫 Vewrsatran 的機械手 該 機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn) 它的升降采用了液壓驅(qū)動控制系統(tǒng) 雖然兩種機 械手都出現(xiàn)在六十年代初期 但兩者都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ) 為 Unimate 公司和斯坦福大學在美國于 1978 年 麻省理工學院聯(lián)合開發(fā)了 為 Unimate Vicarm 工業(yè)機器人 操縱器安裝到控制小型電腦 要在裝配工作 中使用 其定位誤差小于 1 毫米 雖然從早期的 20 世紀 70 年代的德國機 械制造行業(yè)開始應(yīng)用的機械手 主要目的是進行焊接 起重 運輸設(shè)備和材料 等工作難度動作上下 目前 工業(yè)機械手中的大部分屬于第一代 控制主要依靠人工來進行 目 前的努力改進的方向主要是在于提高精度和降低成本兩個方面 現(xiàn)在第二代機械手正在緊鑼密鼓地研制中 設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng) 具有可視 可觸的能力 甚至還可能具備聽和想等智能能力 需要研發(fā)安裝上 各種傳感器 并且把感受到的信息反饋到信息終端 使機械手成為有感覺的智 能機能 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 3 而第三代機器人都能獨立完成作業(yè)任務(wù) 它的電子計算機和電視設(shè)備能保 持穩(wěn)定的連接 它也是一個機械手發(fā)展成柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 的重要一步 2 應(yīng)用簡況 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn) 機械化和自動化的生產(chǎn)過程中已經(jīng)成為一個突出重點 而在化工等行業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)自動化過程已經(jīng)基本解決 但在生產(chǎn)組裝加工是不 足夠的機械和在工業(yè)生產(chǎn)過程中的問題 因此 處理卸載過程自動化機械等問 題十分迫切 工業(yè)機器人是解決夫人和發(fā)展的過程自動化的問題 根據(jù)現(xiàn)有的研究資料統(tǒng)計 美國的技術(shù)偏重在于毛坯的生產(chǎn)環(huán)節(jié) 而日本 則偏重于機械加工環(huán)節(jié) 隨著機械手技術(shù)的不斷發(fā)展進步 該應(yīng)用的對象會不 斷進行改變 機械手的作用在于鍛造作業(yè)中能進一步成為為鍛造設(shè)備的生產(chǎn)力 進而改 善人工操作面臨的熱 累 險等勞動條件與鏡況 在國內(nèi)機械手工業(yè)和鐵路產(chǎn)業(yè)的研究中首先要在單機 專機上采用機械手 上下料 用于減輕工人的勞動強度和危險度 而在國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機械手卻是用于在鐵路車軸 輪等大 中批量零 件的加工和生產(chǎn) 并能與機床共同工作組成一個綜合性的數(shù)控加工機械工作系 統(tǒng) 3 國外使用機械組件在操縱器的研究成為了焦點 有相機和微型計算機一 起研究 為了準確地確定軸承零件實現(xiàn)鑲嵌加載的目標 4 發(fā)展趨勢 工業(yè)機械手主要表現(xiàn)在無論數(shù)量 品種 還是性能機床加工 鑄造 熱處 理等 以及作用還遠遠沒有它是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要 在國內(nèi)機械手的主要發(fā)展逐步擴大應(yīng)用范圍 注重功能開發(fā)鑄造 機械手 的熱處理 從而減輕勞動強度 提高了作業(yè)的條件 在專業(yè)機械工業(yè) 也發(fā)展 相當迅速的機械手的同時 將各種機械手的運動工作 如擺動 俯仰 升降 機構(gòu)如收縮 橫向和縱向機構(gòu) 設(shè)計成為一個典型的機械 所以 你可以根據(jù) 不同的要求和不同類型的需求而研制 這可以靈活地組成的工業(yè)機器人的功能 這大大方便了工業(yè)過程的設(shè)計 如制造和零件更廣泛地擴大應(yīng)用范圍 此外正 確的方向 減少沖擊 提高了速度 以更好地發(fā)揮機械手的作用 此外 在現(xiàn)代研究應(yīng)側(cè)重于機械手的發(fā)展 如伺服 記憶體再現(xiàn) 考慮用 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 4 腹腔鏡 通常連接到一個微型計算機的機械手 具有觸覺 視覺等的智能機械 手的性能的感覺 在國外機械制造業(yè)中的應(yīng)用及各種機械手 目前主要應(yīng)用于機床 臥式鍛 壓機上下點焊 噴漆等 這種機械手可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定以完成操作任務(wù)的程序 此外 國外操縱的發(fā)展趨勢是注重機械智能性能發(fā)展 與感知能力 并正在努 力可以反饋外部環(huán)境的變化 并作出相應(yīng)的改變 如當位置偏差 機械手可以 檢測并更正 在視覺和觸覺功能 目前已經(jīng)取得了一定的成績 安裝機械手與視覺功能是在電視 迷你計算機 如計算機 攝像機和一個 距離傳感器裝置的工作 工作是 TV 攝像機對象可以轉(zhuǎn)化為視頻信號 然后傳 送到計算機中 計算機分析對象 如類型 大小 位置和顏色 以及指示指令 來控制所述操縱器的行動 觸覺功能安裝在機械手的觸覺反饋控制裝置 機械手首先需要手指在工作 中找到了工作 并通過安裝在手指的內(nèi)部壓力敏感元件的觸摸效果 手指后提 前去搶占文物 手柄的大小可以操作的敏感元素的手指往里裝 可實現(xiàn)全自動 控制的握力大小 傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展 使機器人的運算能力將得到進一步 的發(fā)展 但是更重要則是將機械手 單元和柔性制造系統(tǒng)并相結(jié)合 進而從能根本 改變機械制造系統(tǒng)的人工操作 1 2 機械手的組成 機械手主要是由驅(qū)動機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成 各組成部分 的關(guān)系如下圖 執(zhí)行機構(gòu) 如圖 1 1 所示 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 5 圖 1 1 執(zhí)行機構(gòu) 手部 手部安裝在手臂的前端 手臂中鑲孔裝置中有轉(zhuǎn)動軸軸承 并可以把動作 傳給手腕 用以作轉(zhuǎn)動 伸屈手腕 開閉合手指的動力 本課所指的機械手則僅需進行開閉手指的動作 機械手手就像一個人的手指 分為無關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié)固定和關(guān)節(jié) 三種自由 手指的數(shù)量也可以被分為手指 三個和四個手指 大多使用手指的 因為手指 能夠根據(jù)夾持物體的大小裝配各種形狀和尺寸與卡盤的形狀 這樣就可以完成 基本操作需求 本課題的機械手使用的是二指形狀 手臂 手臂則有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分 本次課題機械手的手臂采用的是無關(guān)節(jié)臂 手臂是引導手指準確把握構(gòu)件的主要目的 并傳輸?shù)剿璧奈恢?為了使 操作者能夠準確地工作 三自由度的手臂都需要小心和精確定位 本課題所做的機械手是在手臂三個自由度的前伸后退 上升下降 左轉(zhuǎn)右 轉(zhuǎn)三個方向定位上都是采用了行程開關(guān) 近一步確保了定位的精準度 機械手的運動是平移運動和旋轉(zhuǎn)分不開的 因此 它主要是在液壓馬達用 的伺服致動器 擺動缸電脈沖馬達 和直圓柱體 直流伺服電動機和步進電機 等 軀干是使手臂 電動源和執(zhí)行機構(gòu)能夠固定相連接的支架 驅(qū)動機構(gòu) 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 6 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種 液壓 氣壓 電動和機械驅(qū)動 這 4 種驅(qū)動中屬液 壓氣壓使用最多 能夠占據(jù) 90 以上 而電動 機械驅(qū)動則是使用的少之又少 主要是通過液壓油缸 油泵 閥和燃料箱來實現(xiàn)傳輸 它是利用油缸 馬 達齒輪 齒條和實現(xiàn)該臂的線性運動 并通過擺動油缸 減速機和電機 油缸 機架 鏈或齒輪 鏈輪等 要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂運動 液壓驅(qū)動的高壓 產(chǎn)量大 體 積小 運動平穩(wěn)的優(yōu)點 并且可以無極變速 自動鎖定 并且可以在中間位置 停止 其缺點是需要配備壓力源 該系統(tǒng)是復雜的和成本較高 由氣動驅(qū)動元件的氣動馬達 氣動氣缸 閥等一般采用采用四到六個大氣 壓 個別的崛起可以達到 8 10 個大氣壓 它的優(yōu)點是空氣便捷 維護簡單 成 本低 的缺點是 輸出小 體積大 但是 由于大的空氣的可壓縮性是比較難 以實現(xiàn)的停止 控制方法的唯一點 潤滑性差 這會導致壓力系統(tǒng)的中間位置 是容易生銹 為了減低停機時產(chǎn)生的沖擊力效果 氣壓系統(tǒng)應(yīng)裝有速度控制或緩沖機構(gòu) 電力驅(qū)動的產(chǎn)量不多 現(xiàn)在是使用三相感應(yīng)電動機作為主要動力 以極大 的減速比減速 以驅(qū)動致動器 直線運動由電機絲桿螺母機構(gòu)驅(qū)動 其他用于線 性電機 通用機械手正在思考與齒輪箱 直流或交流伺服電機 步進電機等 電力驅(qū)動的優(yōu)勢在于簡單的電源 使用簡單 維護方便 驅(qū)動和控制系統(tǒng) 被用作電源的形式 輸出較大 缺點是控制反應(yīng)速度慢 機械驅(qū)動則只能應(yīng)在于固定的場地 一般使用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)制定的動 作 它的優(yōu)點在于動作準確可靠 成本低 速度快 缺點是不易調(diào)整結(jié)構(gòu)形狀 本課題所研究的機械手則是采用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)來實現(xiàn)手臂的上 升與下降方面 5 控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的主要因素 包括工作秩序 位置和加速度等 控制系統(tǒng)是根據(jù)動作的要求設(shè)計的 該數(shù)字序列被用于控制 首先 你需 要編寫程序 并將其存儲 然后根據(jù)設(shè)定的程序 然后以控制的操縱器的正確 操作 1 3 應(yīng)用機械手的意義 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 引言 7 隨著科學技術(shù) 越來越多的各種機械手和應(yīng)用的發(fā)展 在機械行業(yè) 焊接 鑄造 鉚釘 耐壓 抗沖擊 熱處理 檢驗 組裝 電鍍 噴漆 機械加工等 工作的類型是真正的應(yīng)用程序的原因 其他部門 如輕工業(yè) 建筑業(yè) 重工業(yè) 以及在國防工業(yè)等已使用 在機械工業(yè)中 使用機械手的意義可為一下幾點 1 自動化程度成產(chǎn)過程中的提高 應(yīng)用機械手可以方便的材料制成 換刀 所述工件和機器組件的加載和卸 載的傳送諸如自動化的程度 不僅提高了勞動生產(chǎn)率 降低了生產(chǎn)成本 2 能夠完善勞動條件 避免危險事故 在高溫 高壓 低溫 有灰塵 低壓 臭味 噪聲 有放射性或有其他毒 性污染等工作場合中 用人為去操作則是很危險的 也無法完美做到 而應(yīng)用 機械手可部分甚至全部代替人安全完成作業(yè) 大大解決勞動危險問題 3 可以減輕人力勞動強度 更有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機械手代替人來進行工作任務(wù) 這是直接減少人力投入的一個重要方 面 同時應(yīng)用機械手可以進行連續(xù)的無疲勞工作 這是也減少人力投入的另一 個方面 因此 在自動化機床的綜合加工的自動線上 目前用的幾乎都是機械 手 只有極少數(shù)的人力 實現(xiàn)了減少人力投入和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍 使 得生產(chǎn)作業(yè)的工作進行的更有節(jié)奏 根據(jù)上面敘述 在生產(chǎn)生活中成功有效的應(yīng)用機械手 是發(fā)展機械工業(yè)的 必然也是一種重要趨勢 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 8 第二章 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 2 1 原始數(shù)據(jù) 負載重量 10kg 重復定位精度 1mm 自由度 3 Z 軸的移動 R 軸的平動 軸的轉(zhuǎn)動 Z 大臂的升降 R 大臂的伸縮 腰軸 各軸最大運動速度 Z 軸上下 200mm s 軸回轉(zhuǎn) 30 s R 軸伸縮 200mm s 各軸最大運動范圍 Z 軸上下 550mm 軸回轉(zhuǎn) 90 R 軸伸縮 400mm 2 2 工作要求 機械手的工藝流程 機械手初始位 機械手前伸 機械手上升 機械手抓緊物件 機械手后退 機械手前進 小車 小車停止 機械手左轉(zhuǎn) 90 機械手前伸 機械手松 開物件 機械手后退 小車 機械手下降 機械手右轉(zhuǎn) 90 小車后退 退 至初始位 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 9 圖 2 1 機構(gòu)簡圖 2 3 系統(tǒng)組成 本課機械手系統(tǒng)是由機體 傳送機構(gòu) 動力源和控制裝置四部分組成 主 體由汽車和部件 如本體 輸送機構(gòu)主要由伸縮臂和把握機構(gòu) 電源是由液壓傳 動和機械傳動 控制裝置主要由自動控制和手動控制兩部分組成 2 4 總體技術(shù)方案 畢業(yè)設(shè)計的目的就是要把我們上課所學的分散的知識點綜合起來進行靈活 運用 由于機電一體化是目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢 所以 我的畢業(yè)設(shè)計的主要研 究是 機 電 流動性 這三個在一起 機 指機器 機械的主要作用可分為五個部分 分別是和的操盤下 機 械手放松 前后機械臂的收縮后 車前進后退 轉(zhuǎn)向操縱的左轉(zhuǎn)右 這五個部 分在機器上完成上下的操縱器的運動 在本主題的研究操縱器由電機絲杠螺母 機構(gòu)驅(qū)動 以實現(xiàn)該臂向上和向下移動 滾珠絲杠驅(qū)動是放在適量做搓絲之間 的摩擦產(chǎn)生的螺絲和螺母深溝球之間 絲桿驅(qū)動沿著軌道線驅(qū)動滾帶球推進 滾珠絲杠傳動與滑動絲杠傳動相比 具有以下特點 傳動的效率高 滾珠絲杠副的傳動效率能達 85 98 為滑動絲杠 副的 3 4 倍 運動平穩(wěn) 它得到的接近恒定滾動摩擦系數(shù) 較小的摩擦轉(zhuǎn)矩差異 開始工作 有起動時 低速無爬行沒有影響 能源預(yù)緊 所述預(yù)裝可以消除過量配合間隙配合后 可提高接觸剛 度和傳輸?shù)臏蚀_性 同時增加摩擦扭矩已經(jīng)比較適中 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 10 工作的壽命長 滾珠絲杠螺母對摩擦表面具有精度高 硬度高 壽命 長和精度穩(wěn)定 壽命約為滑動絲杠副的 4 10 倍以上 定位和重復定位精度高 由于滾珠絲杠副的摩擦小 無爬行 發(fā)熱小 裂紋 可以通過擴張的預(yù)加載預(yù)拉伸補償 因此 可以實現(xiàn)更高的定位 并重 復定位精度 同步性良好 同時可以使用更多套相同的滾珠絲杠副驅(qū)動的同時在 相同的多個移動部件 可以得到更好的同步性 可靠性高 潤滑密封裝置具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點 維護方便 不自鎖 用于垂直移動機械手 必須添加剎車裝置 經(jīng)濟性差 成本高 由于工件的結(jié)構(gòu)的復雜性 所以價格高的生產(chǎn)成 本也高 經(jīng)過計算 選擇如下 電動機型號 Y802 2 功率 1 1W 絲杠型號 Tr40 7 2 4 1 動作分析 工業(yè)機械手的機械機構(gòu)是指是機械手進行操作 夾持工件及各種運動的機 械部件 機械部件主要包括手部 手臂可以前后伸縮部分 手臂可以上下升降 部分 腰部可以回轉(zhuǎn)部分以及行走機構(gòu)和機座 2 4 2 手部 手部 包括杠桿手指 單向函數(shù)型封閉式油缸等 經(jīng)過工作原理 利用這 個對象指的是綁雙手緊握油缸動作 通過拉桿連接旋轉(zhuǎn)手指 保持和釋放操作 1 手臂的前后伸縮部分 手臂的前后伸縮部分是由直線油缸來帶動實現(xiàn) 當直線油缸工作時機械手通過活塞桿行程的變化而變化 從而完成了手臂 的伸縮運動 2 手臂的上下升降部分 手臂的上下升降部分則是由電動機 絲桿傳動副 立柱等部分組成 3 電機的工作 通過聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)螺桿 但螺母周由徑向轉(zhuǎn)動極限螺栓 螺 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 11 母和臂幀影響可以是向上和向下 腰轉(zhuǎn)部分主要是由轉(zhuǎn)盤和回轉(zhuǎn)油缸兩部分組成 回轉(zhuǎn)油缸進入壓力 回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)軸開始執(zhí)行回轉(zhuǎn)動作 并通過活塞桿 的伸縮來帶動轉(zhuǎn)盤 就實現(xiàn)了機械手的左右轉(zhuǎn)動 4 行走機構(gòu) 行走機構(gòu)主要是由電動機 齒輪 帶輪等部分組成 電動機工作進行時 通過齒輪 帶輪的傳動 帶動小車的輪子轉(zhuǎn)動 來實 現(xiàn)行走動作 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 回轉(zhuǎn)裝置的總體組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 第三章 回轉(zhuǎn)裝置的總體組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 1 回轉(zhuǎn)裝置的組成 回轉(zhuǎn)裝置主要是由執(zhí)行件 傳遞件及控制系統(tǒng)三大部分組成 3 1 1 執(zhí)行件 本次課設(shè)計應(yīng)用回轉(zhuǎn)臺與傳遞件 是鏈輪共同使用的一個長平鍵的心軸 驅(qū)動件驅(qū)動傳遞件 鏈輪傳動 鏈輪通過共用件通過共享鏈輪將直接得 到主軸旋轉(zhuǎn)運動的部分上的旋轉(zhuǎn)臺 使它可以旋轉(zhuǎn) 3 1 2 傳遞件 因為本課題中對機械手的要求是為間歇往返的回轉(zhuǎn)運動 所以要考慮采用 回轉(zhuǎn)曲線傳動 回轉(zhuǎn)傳動分為帶傳動 齒輪傳動和鏈傳動這三種類型 齒輪傳動而高效 工作可靠 結(jié)構(gòu)緊湊 使用壽命長等特點 廣泛的轉(zhuǎn)速 和功率等 但細節(jié)上的制造和安裝精度要求較高 且不能緩沖沒有沒有過載保 護裝置 在精度低時 噪音過大 由于這一類的操盤旋轉(zhuǎn)精度不高 因此將不 予考慮 鏈傳動有無彈性滑動和打滑的現(xiàn)象 但穩(wěn)定的工作 具有準確平均速度比 傳動效率高 并且在相同的傳輸功率的結(jié)構(gòu)的情況下更緊湊 鏈條張力小 在 鏈輪軸的力作用很小 所以它可用于低速和重載荷的條件下 并與齒輪傳動 鏈傳動制造和安裝精度要求比較 低鏈瞬時傳動比的主要缺點是不恒定的 行 駛穩(wěn)定性較差 具有沖擊和噪音的工作 很容易磨損后跳躍齒輪 周期性重負 載的傳輸及嚙合沖擊發(fā)生 因此 不適合大負荷變化和快速反向旋轉(zhuǎn)的場合 皮帶傳動是一種廣泛使用的機械傳動 它具有結(jié)構(gòu)簡單 生產(chǎn)成本低 傳 輸非常流暢 無潤滑 制造和安裝精度也不高 噪音小 還是可以緩沖減震 過載保護功能 同步帶傳動是一種網(wǎng)狀型皮帶傳動裝置 具有摩擦傳動帶和齒輪傳動裝置 的特性 具有同時大發(fā)送功率 驅(qū)動更精確等 所以是穩(wěn)定的 可用于高傳輸 精度的工作情況 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 回轉(zhuǎn)裝置的總體組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 3 1 3 控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的主要要素 包括到達的位置 工作進行的順序 各式加 速度還有運動工作的時間等 控制系統(tǒng)可以根據(jù)動作的要求是 要設(shè)計一個特定的數(shù)字序列被用于控制 這將是第一個寫一個程序來存儲 然后根據(jù)設(shè)定的程序 工作來控制機械手 本課就是采用的電機驅(qū)動 通過齒輪和效用函數(shù)的使用軸馬達驅(qū)動皮帶輪 傳動 實現(xiàn)了車步行運動 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設(shè)計與計算 14 第四章 機械傳動方案的設(shè)計與計算 4 1 小車的主要組成部分 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是運用步進電動機帶動同步帶與帶輪驅(qū)動小車沿著軌道進行的徑 向往返運動 執(zhí)行機構(gòu) 交換工作臺輸出方式采取的是送出的方式 交換工作臺的輸出沿著相對軌 道送出 控制部分 采用 PLC 編程控制器來確保完成小車各種狀態(tài)運動的控制 其小車示意圖如圖 4 1 所示 圖 4 1 小車示意圖 4 2 同步帶傳動方式優(yōu)缺點 優(yōu)點 比較準確的傳動 同步帶采用的是嚙合傳動 且工作時無滑動穩(wěn)定 較高的傳動效率 最高效率可達 96 與 V 帶相比下能節(jié)能 10 以上 平穩(wěn)傳動 能夠吸收振動 噪音也很小 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設(shè)計與計算 15 可使用的范圍非常廣泛 傳動比最高能達 10 帶輪直徑比 V 帶小很 多 從而不無需大的張緊力 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最高速可大到 50m s 傳遞功率 300KW 擁有準確的傳動比 耐磨和耐油性較好 對軸及軸承的壓力小 也可 以使用較小的帶輪直徑 采用較短的中心距和而較大的則是速比 可以在各式各樣的工作環(huán)境下穩(wěn)定工作 無需潤滑 易于保養(yǎng) 缺點 安裝要求高 需要平行二帶輪軸線 在與二帶輪軸線垂直的平面同步運 行 帶輪中心距必須嚴格要求 安裝不當容易發(fā)生爬齒 干涉 跳齒等現(xiàn)象 帶和帶輪的工藝制造復雜且繁瑣 批量成產(chǎn)會受到成本的影響 4 3 驅(qū)動動力源 步進電動機的工作原理是把脈沖信號轉(zhuǎn)變換成角位移和直線位移的執(zhí)行元 件 這也是一種機械式的脈沖轉(zhuǎn)換器 脈沖的每一次輸出 步進電動機就會前 進一步 所以被稱為脈沖電動機 步進電動機三大類主要有 反應(yīng)式步進電動 機 永磁感應(yīng)式步進電動機還有機床磁式步進電動機 本次設(shè)計采用其中的反 應(yīng)式步進電動機 因為它的結(jié)構(gòu)較為簡單 且在工業(yè)上運用的方向也較為廣泛 之所以步進電動機能成為現(xiàn)代控制數(shù)學系統(tǒng)執(zhí)行重要元件 是因為步進電 動機無論是在本身上還是在性能方面都在不斷的改進與完善 其優(yōu)點如下 可直接實現(xiàn)數(shù)字控制 控制性能好 元件為無接觸式 因為它沒有電刷和轉(zhuǎn)換器 可以可靠而又平穩(wěn)的運行 步進電動機規(guī)定承受的范圍負載內(nèi) 步距值并不會受到負載大小影響 電壓電 源的影響 波形及環(huán)境周圍溫度不斷變換的影響 抵抗干擾能力較強 可以保 持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速運行 誤差不長期積累 反應(yīng)式步進電機相繞組功率的情況下 有能力的自我鎖定和永磁步進電 機也可以保持轉(zhuǎn)矩 4 4 機械傳動方案的設(shè)計計算 本次設(shè)計所選用了一級傳動 得知其傳動比為 1 5 本次設(shè)計計算是參照 下冊機械工業(yè)出版社出版 中 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設(shè)計與計算 16 的第十章帶傳動和鏈傳動第五節(jié)同步帶與多契帶傳動中的同步帶傳動章節(jié) 4 4 1 設(shè)計數(shù)據(jù)確定 因預(yù)定設(shè)計的車速為 3km h 并且還想到實際的車速有 50 的誤差問題 所以 實際得到的最高車速為 4 5km h 折算成米 秒 應(yīng)為 1 25m s V 車 1 25m s 根據(jù)工作上的實際要求所以取的車輪直徑為 130mm 又因為車速為 1 25m s 所以小車速行駛速度也應(yīng)等于輪子的切向行駛速度 因為 V dn 60 1000 4 1 V 車輪切向速度 V 1 25m s d 車輪直徑 d 130mm n 車輪轉(zhuǎn)速 所以經(jīng)計算得 n 60 1000V d 60 1000 1 25 3 14 130 184rpm 因為驅(qū)動軸轉(zhuǎn)數(shù)就是等于轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速 所以 n 轉(zhuǎn)驅(qū) n 184rpm n 轉(zhuǎn)驅(qū) 184rpm 因為 T 9 55 P 驅(qū) n 4 2 610 T 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 T 9NM P 驅(qū)動軸功率 n 驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速 n 184rpm 所以經(jīng)計算得 9 9 55 P 驅(qū) 1843106 P 驅(qū) 0 2KM 因為 n 電 n 驅(qū) 4 3 n 驅(qū) 驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速 n 驅(qū) 184rpm n 電 電機軸轉(zhuǎn)速 傳動比 所以計算得 n 電 n 電驅(qū) n 電 1 5 184 276rpm 記 n 電 276rpm 由于驅(qū)動主軸 9 n 米 根據(jù)所選模型的實際工作需求 130 bf001 相五相步進角 為 0 75 10 12 80V 電流電壓空載 9 31 n 的最大轉(zhuǎn)矩 起始頻率 3000 步驟 s 空載運行頻率為 16000 步 s 反應(yīng)一步進電機 因為 T 電 9 55 P 電 n 電 4 4 610 T 電 電機軸轉(zhuǎn)矩 T 電 9 31n m n 電 電機軸轉(zhuǎn)速 n 電 276rpm 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設(shè)計與計算 17 P 電 電機功率 所以計算得 P 電 T 電 n 電 9 55 9 31 276 9 55 0 26km 6103610 P 電 0 26km 因為 總 帶 聯(lián) 滾 4 5 總 總的傳動效率 帶 同步帶的傳動效率 帶 0 98 聯(lián) 聯(lián)軸器的傳動效率 聯(lián) 0 99 滾 滾動軸承的傳動效率 滾 0 99 所以 總 0 98 0 99 0 99 0 99 總 0 99 因為 P 驅(qū) P 實電 總 4 6 P 驅(qū) 驅(qū)動軸功率 P 驅(qū) 0 2Kw 總 總機械傳動功率 總 0 99 P 實電 實際的電動機功率 所以計算得 P 實電 P 驅(qū) 總 0 2 0 99 0 21kw P 實電 0 21kw 因為 P 實電 P 電 所以符合工作要求 4 4 2 同步帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算 求出設(shè)計功率 因為 Pd Pm K 4 7 Pd 設(shè)計功率 Pm 電動機功率 P P 0 26kw K 修正載荷系數(shù) 實用機械設(shè)計手冊 下 表 10 5 9 修正載荷系數(shù) K 取 1 8 因為傳動裝置不是張緊裝置和系統(tǒng)減速 額外的修正系數(shù)為零所以 Pd 1 8 0 26 0 5kw 選擇帶的節(jié)距 因為 Pd 0 5kw n 電 276rpm n1 小帶輪轉(zhuǎn)速 查 實用機械設(shè)計手冊 下 圖 10 5 4 查出了同步帶節(jié)距代號為 H 而對應(yīng)的 節(jié)距 Pd 12 7mm 確定其帶輪的直徑和各帶節(jié)線長長度 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設(shè)計與計算 18 查 實用機械設(shè)計手冊 表 10 5 8 得 H 型帶的小帶輪的轉(zhuǎn)速 n1 276rpm 因而 小于 900rpm 所以得出小帶輪最少的齒數(shù) Z1 應(yīng)為 14 Z1 取 22 因為 Z2 Z1 傳動比 1 5 Z2 大帶輪齒數(shù) Z1 小帶輪齒數(shù) Z1 22 所以 Z1 1 5 22 33 查 機電一體化機械系統(tǒng)設(shè)計 表 3 11 得出大帶齒輪數(shù) 大帶輪齒數(shù) Z2 應(yīng)取標準值為 32 Z2 32 小帶輪節(jié)圓直徑 因為 1 Pb Z1 4 8 Pb 同步帶節(jié)距 Pb 12 7mm Z1 小帶輪齒數(shù) Z1 22 所以計算得 d1 12 7 22 3 14 88 94mm d1 88 94mm 同理可得 大帶輪節(jié)圓直徑 d2 129 36mm d2 129 36mm 選擇帶長 LP 初定中心距 a 因為 0 7 d2 d1 a 2 d2 d1 d2 大帶輪節(jié)圓直徑 d2 129 36mm d1 小帶輪節(jié)圓直徑 d1 88 94mm 所以 152 81 a 436 6 a 取 420mm a 420mm 因為 Lp 2aCOS d2 d1 2 d2 d1 180 定 角 4 9 因為 arcsin d2 d1 2a 4 10 1 所以 arcsin 129 36 88 94 2 420 3 所以 a 420mm 3 所以 Lp 2 420 COS3 129 36 88 94 2 3 129 36 88 94 180 839 343 2 1184mm 節(jié)線長 Lp 1184mm 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設(shè)計與計算 19 查 實用機械設(shè)計手冊 下 表 10 5 5 取整數(shù)得出結(jié)果 選用長度代號為 510 Lp 1295 4mm 齒數(shù) Zb 102 的同步帶 傳動中心距 a 的確定 因為 M Pb 8 2Zb Z1 Z2 4 11 M 修正系數(shù) Pb 同步帶節(jié)距 Pb 12 7mm Zb 同步帶齒數(shù) Zb 102 Z1 大帶輪齒數(shù) Z1 22 Z2 小帶輪齒數(shù) Z2 32 所以計算得 M 12 7 8 21 102 22 32 238 125 M 238 125mm 因為 a M 4 12 8 1212ZpbM 238 125 476mm 483 05 3 a 476mm 所以節(jié)線長 Lp 1295 4mm 傳動中心距 a 476mm 選擇標準帶寬 確認小帶輪的轉(zhuǎn)速 n1 184rpm 小帶輪的齒數(shù) Z1 22 查 實用機械設(shè)計手冊 下 表 10 5 17 運用差值方法計算出 H 型帶的額定基準 功率 P 2 7Kw 確定實際帶寬 bs 因為 bs bs Pd k2 P 4 13 bs 標準帶寬 即查 實用機械設(shè)計手冊 下 表 10 5 4 bs 76 2mm Pd 設(shè)計功率 Pd 0 5kw K2 嚙合齒數(shù)系數(shù) K2 根據(jù)實際的工作需求得出 K2 1 所以 bs 76 2 0 5 1 2 7 17 414 需要查 實用機械設(shè)計手冊 表 10 5 4 中 bs 取標準值為 25 4mm 其寬度標準代 號為 100 極限寬度偏差為 bs 25 4mm8 03 確定帶寬系數(shù) Kw 因為 Kw bs bs 所以 Kw 25 4 76 2 0 2914 14 Kw 0 29 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設(shè)計與計算 20 確定額定功率 P 因為 P K2 Kw P 4 14 K2 嚙合齒數(shù)系數(shù) k2 1 Kw 帶寬系數(shù) kw 0 29 P 基準額定功率 P 2 7kw 所以計算得 P 0 29 2 7 0 77kw 因為 P Pd 所以滿足設(shè)計要求 帶的圓周速度 V 的確定 因為 V Pb Z1n1 60 1000 4 15 Pb 帶的節(jié)距 Pb 12 7mm Z1 小帶輪齒數(shù) Z1 22 n1 小帶輪轉(zhuǎn)速 n1 276r mm 所以計算得 V 12 7 22 276 60 1000 1 3m s 工作能力驗算 因為 P K2 kw Ta bs m v bs V 10 4 16 23 K2 嚙合齒數(shù)系數(shù) K2 1 Kw 帶寬系數(shù) Kw 0 29 Ta 許用工作拉力 該拉力需查 實用機械設(shè)計手冊 表 10 5 9 Ta 2100 85N m 單位長度的質(zhì)量查 實用機械設(shè)計手冊 表 10 5 9 得知 m 0 448 m 所以 P 1 25 4 76 2 2100 85 25 4 0 448 1 3 76 2 1 3 1000 0 7814 2 因為 P Pd 所以額定功率大于設(shè)計功率所以傳動帶的能力足夠支持運轉(zhuǎn) 最小軸徑的確定 因為 dmin A 4 17 3 np A 該系數(shù)修正需查 簡用機械設(shè)計手冊 的表 14 13 軸承材料應(yīng)為 45 鋼 A 為 118 P 傳遞功率為 0 26kw n 驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速為 184r mm 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 機械傳動方案的設(shè)計與計算 21 所以 dmin A 118 13mm3 np3184 26 0 d 取 30mm 結(jié)果整理 選用 H 型同步帶 Pb 12 7mm Lp 1295 4mm Bs 25 4mm 小帶輪 Z 22 d 88 94mm 大帶輪 Z 32 d 129 36mm 傳動的中心距 a 476mm 傳動帶長度帶號為 510 而寬度帶號為 100 剩下查 實用機械設(shè)計手冊 表 10 5 20 表 10 5 10 最小軸徑為 30mm 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 致謝 22 致 謝 首先 我要誠摯的感謝沈陽化工大學科亞學院以及機械與交通工程系的各 位老師這四年來對我的悉心栽培 是老師們的精心培養(yǎng) 讓我成為了一名合格 的大學畢業(yè)生 學到了很多專業(yè)知識 使我熟練掌握專業(yè)僅能 并且培養(yǎng)了我 的動手實踐能力 至此 我要特別感謝我的指導老師趙艷春老師 在老師的精心指導下 不 僅讓我對這次的畢業(yè)設(shè)計的課題有了深刻的了解 也從中掌握了機械設(shè)計的大 致要求 設(shè)計的基本步驟 趙艷春老師在設(shè)計之初 過程和最后的總結(jié)部分給 我提出了很多的寶貴建議 是我少走很多的彎路 能直接捕捉到本次設(shè)計的精 髓所在 這次的畢業(yè)設(shè)計也完整而又順利的完成了 這是我四年來我大學生活的一 個見證 也是老師們悉心教育我們的一個見證 我會把它當做一個人生的起點 朝著這方向繼續(xù)努力下去 最后 對那些幫助過我的老師 同學 朋友們 是你們的幫助使我如虎添翼 順利完成了畢業(yè)設(shè)計 誠摯的感謝你們 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻 23 參考文獻 1 楊黎明 機械零件設(shè)計手冊 第一版 國防工業(yè)出版社 1986 12 2 吳宗澤 機械設(shè)計 第一版 中央廣播電視大學出版社 1998 2 3 盧頌峰 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊 第一版 中央廣播電視大學出版社 1998 4 4 非標準零件手冊 第三版 國防工業(yè)出版社 5 液壓與氣動傳動 機械工業(yè)出版社 6 機械手及其應(yīng)用 機械工業(yè)出版社 7 液壓元件樣本 機械工業(yè)出版社 8 楊長能 張興毅 可編程序控制器基礎(chǔ)及應(yīng)用 第一版 重慶大學出版社 1992 1 9 左建民 液壓與氣壓傳動 第二版 北京 機械工業(yè)出版社 1999 5 10 孫燕華 AutoCAD2000 機械制圖 北京 機械工業(yè)出版社 2002 9 11 顧京 數(shù)控加工編程及操作 北京 高等教育出版社 2003 9 12 陳立德 機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計指導書 第二版 北京 高等教育出版社 2004 6 13 金大鷹 機械制圖 北京 機械工業(yè)出版社 2001 7 14 柴鵬飛 機械設(shè)計基礎(chǔ) 北京 機械工業(yè)出版社 2004 8