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大学毕设论文--文--多自由度机械手机电系统设计课程设计.doc
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1、机电一体化系统设计课程设计设计题目:多自由度机械手机电系统设计内 装:1. 设计说明书2. 装配图3. 控制电路原理图4. .专 业:机械设计制造及其自动化姓 名:学 号:100205052指导教师:叶大鹏 方兵完成日期:2014.1.12成 绩:福建农林大学机电工程学院机电一体化系统设计课程设计说明书设计题目: 多自由度机械手机电系统设计 学 院: 金山学院 专业年级: 10机械 学 号: 学生姓名: 指导教师: 叶大鹏 方兵 2014年1月14日一、总体方案设计51.1 设计任务51.2 总体方案确定51.2.1机械手基本形式的选择51.2.2机械手的主要部件及运动51.2.3驱动机构的选
2、择51.2.4 机械手的技术参数列表5二、机械系统设计62.1机械手手部的设计计算62.1 .1手部设计基本要求62.1.2 典型的手部结构62.1.3机械手手抓的设计计算62.1.4.机械手手抓夹持精度的分析计算102.1.5弹簧的设计计算112.2腕部的设计计算132.2.1 腕部设计的基本要求132.2.2典型的腕部结构142.2.3 腕部结构和驱动机构的选择142.2.4 腕部的设计计算142.3臂部的设计及有关计算172.3.1 臂部设计的基本要求172.3.2 手臂的典型机构以及结构的选择182.3.3 液压缸工作压力和结构的确定202.4机身的设计计算212.4.1 机身的整体设
3、计212.4.2 机身回转机构的设计计算222.4.3 机身升降机构的计算252.4.4 轴承的选择分析27三、控制系统硬件电路设计273.1可编程序控器的简介273.2 PLC的结构,种类和分类283.3 FX2n系列三菱PLC特点293.4 接近开关传感器303.5 I/O接口简介313.6 行程开关的介绍313.6.1 行程开关的概念313.6.2 行程开关的作用及原理313.7电路的总体设计323.7.1回路的设计323.7.2 系统输入/输出分布表333.7.3机械手的程序设计343.7.4 步进电机的运行控制34四、参 考 文 献35一、总体方案设计1.1 设计任务基本要求: 设计
4、一个多自由度机械手(至少要有三个自由度)将最大重量为30Kg的工件,由车间的一条流水线搬到别一条线上;二条流水线的距离为:1800mm;工作节拍为:50s;工件:最大直径为200mm 的棒料;1.2 总体方案确定1.2.1机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,因此本设计采用圆柱坐标 。图1.1 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。图1.
5、1 机械手基本形式示意1.2.2机械手的主要部件及运动在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后,根据设计任务,为了满足设计要求,本设计关于机械手具有5个自由度既: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。本设计机械手主要由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(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。1.2.3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
6、。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。1.2.4 机械手的技术参数列表一、用途:搬运:用于传送带间搬运二、设计技术参数:1、抓重:30Kg (夹持式手部)2、自由度数:5个自由度3、座标型式:圆柱座标4、最大工作半径:1800mm5、手臂最大中心高:1248mm6、手臂运动参数伸缩行程:1200mm伸缩速度:83mm/s升降行程:300mm升降速度:67mm/s回转范围:01807、手腕运动参数回转范围:0180二、机械系统设计2.1
7、机械手手部的设计计算2.1 .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。2.1.2 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 移动型即两手指相对支座作往复运动。(3)平面平移型。2.1.3机械手手抓的设计计算1.选择手抓的
8、类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计,考虑到所要达到的原始参数:手抓张合角=,夹取重量为30Kg。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,本设计选择二指回
9、转型手抓,采用滑槽杠杆这种结构方式。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。2 .手抓的力学分析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。(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O点,两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2,其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点,交和的延长线于A及B。由=0 得 =0 得 由=0 得h F= (3.1)式中 a手指的回转支点到对称中心的距离(mm). 工件被夹紧时
10、手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知,当驱动力一定时,角增大,则握力也随之增大,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=。3.夹紧力及驱动力的计算 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: (3.2)式中 安全系数,通常1.22.0; 工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a,重力方向的最大上升加速度; 运载时工件最大上升速度 系统达到最高速度的时间,一般选取0.030.
11、5s 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)。表3-1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力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50000.8120000300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.050000以上5.08.0计算:设a=100mm,b=50mm,;机械手达到最高响应时间为0.5s,求夹紧力和驱动力和 驱动液压缸的尺寸。(1) 设 =1.02 根据公式,将已知条件带入: =1.5 (2)根据驱动力公式得: =1378N (3)取 (4)确定液
12、压缸的直径D 选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa, 根据表4.1(JB826-66),选取液压缸内径为:D=63mm则活塞杆内径为:D=630.5=31.5mm,选取d=32mm4. 手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为,活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围,手指长100mm,当手抓没有张开角的时候,根据机构设计,它的最小夹持半径,当张开时,如图3.2(b)所示,最大夹持半径计算如下: 机械手的夹持半径从4090mm 图3.2 手抓张开示意图2.1.4.机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并
13、有足够的抓取能。机械手能否准确夹持工件,把工件送到指定位置,不仅取决于机械手的定位精度(由臂部和腕部等运动部件来决定),而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中,为了适应工件尺寸在一定范围内变化,一定进行机械手的夹持误差。图3.3 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为80mm200mm。一般夹持误差不超过1mm,分析如下:工件的平均半径:手指长,取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定:计算 当S时带入有:夹持误差满足设计要求。2.1.5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,计算如下。图3.4 圆柱螺旋弹
14、簧的几何参数(1).选择硅锰弹簧钢,查取许用切应力(2).选择旋绕比C=8,则 (3.3)(3).根据安装空间选择弹簧中径D=42mm,估算弹簧丝直径 (4).试算弹簧丝直径 (3.4)(5). 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数: (3.5)选择标准为,弹簧的总圈数圈(6).最后确定,(7).对于压缩弹簧稳定性的验算 对于压缩弹簧如果长度较大时,则受力后容易失去稳定性,这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比,本设计弹簧是2端自由,根据下列选取: 当两端固定时,,当一端固定;一端自由时,;当两端自由转动时,。结论本设计弹簧,因此弹簧稳定性合适。(8).疲劳强度和应力强度的验算。对
15、于循环次数多、在变应力下工作的弹簧,还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算(如果变载荷的作用次数,或者载荷变化幅度不大时,可只进行静应力强度验算)。现在由于本设计是在恒定载荷情况下,所以只进行静应力强度验算。计算公式: ;选取1.31.7(力学性精确能高) 结论:经过校核,弹簧适应。2.2腕部的设计计算2.2.1 腕部设计的基本要求(1) 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端,它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然,腕部的结构、重量和动力载荷,直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此,在腕部设计时,必须力求结构紧凑,重量轻。(2)结构考虑,合理布局 腕部作为机械手的执行机构,
16、又承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要求外,要有足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手部的连接。(3) 必须考虑工作条件对于本设计,机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料,因此不太受环境影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对机械手的腕部没有太多不利因素。2.2.2典型的腕部结构(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转,总力矩M,需要克服以下几种阻力:克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定(一般小于)。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于的情况下,可采用齿条活塞驱动的腕部结构。
17、这种结构外形尺寸较大,一般适用于悬挂式臂部。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。2.2.3 腕部结构和驱动机构的选择 本设计要求手腕回转,综合以上的分析考虑到各种因素,腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构,采用液压驱动。2.2.4 腕部的设计计算1. 腕部设计考虑的参数 夹取工件重量30Kg,回转。2. 腕部的驱动力矩计算(1) 腕部的驱动力矩需要的力矩。(2) 腕部回转支撑处的摩擦力矩。夹取棒料直径100mm,长度1000mm,重量30Kg,当手部回转时,计算 力矩:(1) 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸
18、转动件等效为一个圆柱体,高为220mm,直径120mm,其重力估算G=3.14(2) 擦力矩。(3) 启动过程所转过的角度=0.314rad,等速转动角速度。 (4.1)查取转动惯量公式有:代入: ;3. 腕部驱动力的计算表4-1 液压缸的内径系列(JB826-66) (mm)2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸:根据表4-1设缸体内空半径R=110mm,外径根据表3-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度,考虑到实际装配问题后,其外径为226mm;动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.
19、基本尺寸示如图4.1所示。则回转缸工作压力,选择8Mpa图4.1 腕部液压缸剖截面结构示意表4.2 标准液压缸外径(JB1068-67) (mm)液压缸内径40 5063809010011012514015016018020020钢P5060769510812113316814618019421924545钢506076951081211331681461801942192454. 液压缸盖螺钉的计算图4.2 缸盖螺钉间距示意表4.3 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P(Mpa)螺钉的间距t(mm)0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80缸盖
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