某機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16842某機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例 1251701.1動(dòng)作工況與分析 1219171.2機(jī)械手各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 253171.1.1機(jī)械手底座的設(shè)計(jì) 213141.1.2立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3327031.1.3軸承的選擇 4279591.1.4上軸承座的選擇 529601.1.5下軸承座的選擇 7164371.1.6大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7264721.1.7小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 814981.1.8氣爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 910451.1.9手部夾緊氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 111.1動(dòng)作工況與分析氣動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。機(jī)械手的全部動(dòng)作由電磁閥控制的氣缸驅(qū)動(dòng)。其中,上升/下降、左移/右移以及擺動(dòng)分別由雙線圈兩位電磁閥控制,機(jī)械手的放松/夾緊由一個(gè)單線圈兩位電磁閥(夾緊電磁閥)控制。機(jī)械手的任務(wù)是將A工作臺(tái)上的工件搬運(yùn)到B工作臺(tái)（或B到A），機(jī)械手示意圖如圖2-1所示：1-伸縮式氣缸2-夾緊式氣缸3-夾爪4-底座5-支柱6-升降式氣缸圖2-1機(jī)械手示意圖在連續(xù)自動(dòng)工作方式的狀態(tài)下機(jī)械手的順序?qū)崿F(xiàn)的動(dòng)作如圖1示意圖所示：手臂下降→手指夾緊→手臂上升→手臂右擺動(dòng)→手臂右伸→手臂下降→手指松開→手臂上升→手臂左伸→手臂左擺動(dòng)（回到初始位），機(jī)械手可以反復(fù)不斷的進(jìn)行上述循環(huán)動(dòng)作。1.2機(jī)械手各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1.1機(jī)械手底座的設(shè)計(jì)底座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。底座的設(shè)計(jì)是根據(jù)各個(gè)零件的尺寸及有助于拆裝方便來設(shè)計(jì)的如圖2-2所示：圖2-2箱座箱座內(nèi)壁不需要與其他零件有配合的關(guān)系，所以內(nèi)表面不需要加工。左右厚壁上端有M10的螺紋孔，要求加工表面粗糙度，連接軸承下座的，底版的光孔是用來固定整個(gè)裝置的，材料為鑄鐵HT200。1.1.2立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動(dòng)的，但機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。a.立柱的材料及熱處理由于設(shè)計(jì)功率不是太大，對(duì)其重量和尺寸無特殊要求，故選擇常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。b.初估軸徑按扭矩初估軸的直徑，根據(jù)[1]查表10-2，得C=106～117，考慮倒安裝軸承受扭矩作用，取C=106，則（3-1）式中：C——由軸承的材料和承載情況縮確定的常數(shù)；P——軸的輸出功率，KW；n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min.各參數(shù)值為C=106、P=15KW、n=280，則所以選擇軸徑40mm，軸上面設(shè)計(jì)個(gè)法蘭，用法蘭來固定軸承因?yàn)檩S是靠氣缸擺動(dòng)來旋轉(zhuǎn)的，所以所受的載荷很小，不需要校核。1.1.3軸承的選擇軸承是用以支承軸和軸上回轉(zhuǎn)或擺動(dòng)零件的部件,在各種機(jī)械中應(yīng)用廣泛。根據(jù)軸承工作時(shí)的摩擦性質(zhì)，可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。滾動(dòng)軸承依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來承受載荷，它與滑動(dòng)軸承相比，具有摩擦阻力小、效率高、啟動(dòng)容易、潤(rùn)滑簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，滾動(dòng)軸承絕大部分已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并由專業(yè)廠家生產(chǎn)，選用和更換很方便。其缺點(diǎn)就是抗擊能力差，工作時(shí)有噪聲，以及工作壽命不及液體摩擦的滑動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承的類型很多，按照滾動(dòng)體的形狀，滾動(dòng)軸承可分為球軸承和滾子軸承兩大類。球軸承的滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈是點(diǎn)接觸，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦耗損小，但承載能力和抗擊能力差；滾子軸承為線接觸，承載能力和抗沖擊能力較球軸承大，但運(yùn)轉(zhuǎn)是耗損大。按照滾動(dòng)軸承能否自動(dòng)調(diào)心，可分為調(diào)心軸承和非調(diào)心軸承。按照滾動(dòng)體列數(shù)多少，可分為單列軸承、雙列軸承和多列軸承。按照軸承能承受的主要載荷方向和公稱接觸角的不同，可分為向心軸承和推力軸承兩大類。a.向心軸承向心軸承主要承受徑向載荷，0°45°，又可分為：①徑向接觸軸承，=0°，只能承受徑向載荷；②角接觸向心軸承，0°<45°，不僅能承受徑向載荷,而且隨著角的增大,其承受軸向載荷的能力隨之增大。b.推力軸承推力軸承主要承受軸向載荷，45°90°，又可分為：①軸向接觸軸承，=90°，只能承受軸向載荷；②角接觸推力軸承，450°<<90°，它主要承受軸向載荷,同時(shí)也能承受較小的徑向載荷。隨著角的增大,其承受徑向載荷的能力將減小。軸承所受載荷的大小、方向和性質(zhì)，是選擇滾動(dòng)軸承的主要依據(jù)。本設(shè)計(jì)中軸承既承受徑向力及轉(zhuǎn)矩，又承受軸向力，因此選用推力球軸承和深溝球軸承,推力軸承主要受軸向力，球軸承主要受徑向力，又根據(jù)外廓尺寸的條件和軸的內(nèi)徑選用6006深溝球軸承和51213推力球軸承。1.1.4上軸承座的選擇6006深溝球軸承:d=30mmD=55mmB=13mmda=36mmDa=49mm51213推力球軸承:d=65mmD=100mmT=27mmda=86mmDa=100mm根據(jù)以上的尺寸可以確定軸承上座的尺寸,如圖2-3所示:圖2-3上軸承座由于配合接觸的面比較多,所以對(duì)表面粗糙度的要求也高,軸承配合的地方要求公差等級(jí),軸承的配合主要是內(nèi)圈與軸頸、外圈與軸承座孔的配合。滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，因此，軸承內(nèi)圈與軸頸采用基孔制配合，軸承外圈與軸承座孔采用基軸制配合普通圓柱公差標(biāo)準(zhǔn)中基準(zhǔn)孔的公差帶都在零線之上，故滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸頸的配合要比圓柱公差標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基孔制同名配合要緊的多。例如，一般圓柱體基孔制的K6配合為過度配合，而在滾動(dòng)軸承內(nèi)圈配合中則為過盈配合。滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈的處的配合，既不能過緊也不能過松。過緊的配合會(huì)使軸承的內(nèi)、外圈產(chǎn)生變形，可破壞軸承的正常工作，而增加了裝拆的難度。過松的配合，不僅會(huì)影響軸的旋轉(zhuǎn)精度，甚至?xí)古浜媳砻姘l(fā)生滑動(dòng)。因此，軸承配合種類的選取，應(yīng)根據(jù)軸承的類型與尺寸、載荷的大小、方向和性質(zhì)以及工作環(huán)境決定。所以Φ30的6006軸徑上安裝軸承，這個(gè)軸徑就是根據(jù)軸承的d來的，Φ36是6006軸承的安裝尺寸，同樣根據(jù)推力軸承的尺寸來確定軸承座的尺寸。1.1.5下軸承座的選擇下軸承座的尺寸是根據(jù)軸承尺寸來定的。其主要配合的地方也是安裝軸承的地方，需要公差的配合。（同上）如圖2-4：圖2-4下軸承座在安裝軸承的端面上要注明公差配合，分別以其為基準(zhǔn)面，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，標(biāo)明幾個(gè)端面的圓柱度和相對(duì)基準(zhǔn)面的圓跳動(dòng)度，還有表面粗糙度。1.1.6大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的手臂實(shí)現(xiàn)的是水平直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用的是氣壓驅(qū)動(dòng)的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。本設(shè)計(jì)手臂很簡(jiǎn)單，在手臂內(nèi)側(cè)固定個(gè)伸縮氣缸，如圖2-5所示：圖2-5大臂設(shè)計(jì)1.1.7小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的手臂與上述的大臂實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方式一樣，主要是上下直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用的也是氣壓驅(qū)動(dòng)的活塞氣缸。本設(shè)計(jì)手臂很簡(jiǎn)單，在上面固定個(gè)夾緊氣缸，如圖2-6所示：圖2-6小臂設(shè)計(jì)1.1.8氣爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式..等。夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。圖2-7氣爪設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是采用兩指式，內(nèi)卡式，上下氣爪通過銷來連接，過盈配合，如圖2-7所示。設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題：a.具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。b.手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。c.保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。d.具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。e.考慮被抓取對(duì)象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型。1.1.9手部夾緊氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算A．手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，其工件重量G=10公斤，a=37.5mm,b=70mm,根據(jù)[1]摩擦系數(shù)為f=0.10。圖2-8手部結(jié)構(gòu)分析圖a)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)分析示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為：（2-2）（2-3）代入公式（2-2）得：c)參照實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:（2-4）因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，根據(jù)[1]故取，并取若被抓取工件的最大加速度取a=g時(shí)，參照[17]則：（2-5）代入公式（2-4）得：所以夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為1191N.B．氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。以下公式都參照，根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為:（2-6）式中:—活塞桿上的推力，N—彈簧反作用力，N—?dú)飧坠ぷ鲿r(shí)的總阻力，N—?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ琍a彈簧反作用按下式計(jì)算:（2-7）（2-8）（2-9）式中:—彈簧剛度，N/m—彈簧預(yù)壓縮量，m一活塞行程，m—彈簧鋼絲直徑，m—彈簧平均直徑，m—彈簧外徑，m—彈簧有效圈數(shù)一彈簧材料剪切模量，一般取在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:由以上分析得單向作用氣缸的直徑:代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得所以：查有關(guān)手冊(cè)圓整，得由，可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式（2-10）有:其中，,則:所以滿足設(shè)計(jì)要求。C．缸筒壁厚的設(shè)計(jì)缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，參照[17]，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: