7.第三章机械手总体结构设计.doc

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1、第三章 机械手总体结构设计3.1动作工况与分析气动机械手是以压缩空气的压力來驱动执行机构运动的机械手。其主 要特点是：介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本 低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大， 而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液 压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行 工作。机械手的全部动作由电磁阀控制的气缸驱动。其中，上升/下降、左移/ 右移以及摆动分别由双线圈两位电磁阀控制,机械手的放松/夹紧由一个 单线圈两位电磁阀（夹紧电磁阀）控制。机械手的任务是将A工作台上的工图3-1机械手示意图在

2、连续自动工作方式的状态下机械手的顺序实现的动作如图1示意图 所示：手臂下降一手指夹紧一手臂上升一手臂右摆动一手臂右伸手臂下 降一手指松开一手臂上升一手臂左伸一手臂左摆动（回到初始位），机械手可以反复不断的进行上述循环动作。3. 2机械手各部分结构设计3. 2. 1机械手底座的设计底座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安 装于机座上，故起支撑和连接的作用。底座的设计是根据各个零件的尺寸及有助于拆装方便來设计的如图 2-2所示：l <xNin-7H«3lI¥图3-2箱座箱座内壁不需要与其他零件有配合的关系，所以内表面不需要加工。左右厚壁上端有M10的螺

3、纹孔，要求加工表面粗糙度，连接轴承下座的, 底版的光孔是用來固定整个装置的，材料为铸铁HT200。3.2.2立柱结构设计立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运 动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定 不动的，但机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移 式立柱。a.立柱的材料及热处理由于设计功率不是太大，对其重量和尺寸无特殊要求，故选择常用材 料45钢，调质处理。b.初估轴径式中:各参数值为C一一由轴承的材料和承载情况缩确定的常数;P轴的输出功率，KW：n轴的转速，r/min.0106、P二 15KW、n二280,则= 106x=

4、39.95"mm按扭矩初估轴的直径，根据1查表10-2,得C二106117，考虑倒安 装轴承受扭矩作用，(3-1)所以选择轴径40mm,轴上面设计个法兰，用法兰來固定轴承因为轴是 靠气缸摆动来旋转的，所以所受的载荷很小，不需要校核。3.2.3轴承的选择轴承是用以支承轴和轴上回转或摆动零件的部件，在各种机械中应用 广泛。根据轴承工作时的摩擦性质，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。 滚动轴承依靠主要元件间的滚动接触來承受载荷，它与滑动轴承相比，具 有摩擦阻力小、效率高、启动容易、润滑简便等优点。同时，滚动轴承绝 大部分己经标准化，并由专业厂家生产，选用和更换很方便。其缺点就是 抗击能力差，

5、工作时有噪声，以及工作寿命不及液体摩擦的滑动轴承。滚动轴承的类型很多，按照滚动体的形状，滚动轴承可分为球轴承和 滚子轴承两大类。球轴承的滚动体与内、外圈是点接触，运转时摩擦耗损 小，但承载能力和抗击能力差；滚子轴承为线接触，承载能力和抗冲击能 力较球轴承大，但运转是耗损大。按照滚动轴承能否自动调心，可分为调 心轴承和非调心轴承。按照滚动体列数多少，可分为单列轴承、双列轴承 和多列轴承。按照轴承能承受的主要载荷方向和公称接触角的不同，可分 为向心轴承和推力轴承两大类。a.向心轴承向心轴承主要承受径向载荷，0° <6/<45° ,又可分为：径向接触 轴承，a二0&#

6、176; ,只能承受径向载荷；角接触向心轴承，0° <67 <45° , 不仅能承受径向载荷，而且随着&角的增大，其承受轴向载荷的能力随之 增大。b.推力轴承推力轴承主要承受轴向载荷，45° <cz<90° ,又可分为：轴向接 触轴承，o二90°，只能承受轴向载荷；角接触推力轴承,450° <<90° , 它主要承受轴向载荷，同时也能承受较小的径向载荷。随着Q角的增大，其 承受径向载荷的能力将减小。轴承所受载荷的大小、方向和性质，是选择滚动轴承的主要依据。本 设计中轴承既承受径向力

7、及转矩，乂承受轴向力，因此选用推力球轴承和 深沟球轴承，推力轴承主要受轴向力，球轴承主要受径向力，又根据外廓 尺寸的条件和轴的内径选用6006深沟球轴承和51213推力球轴承。3.2.4上轴承座的选择6006 深沟球轴承：d二30 mm D=55mm B=13mm da=36mmDa=49mm51213 推力球轴承：d=65mm D= 100mm T=27mm da=86mmDa=100mm根据以上的尺寸可以确定轴承上座的尺寸，如图3-3所示：由于配合接触的面比较多，所以对表面粗糙度的要求也高，轴承配合 的地方要求公差等级，轴承的配合主要是内圈与轴颈、外圈与轴承座孔的 配合。滚动轴承是标准件，

8、因此，轴承内圈与轴颈采用基孔制配合，轴承外圈与轴承座孔釆用基轴制配合普通圆柱公差标准中基准孔的公差带都 在零线之上，故滚动轴承内圈与轴颈的配合要比圆柱公差标准中规定的基 孔制同名配合要紧的多。例如，一般圆柱体基孔制的K6配合为过度配合, 而在滚动轴承内圈配合中则为过盈配合。滚动轴承内、外圈的处的配合，既不能过紧也不能过松。过紧的配合 会使轴承的内、外圈产生变形，可破坏轴承的正常工作，而增加了装拆的 难度。过松的配合，不仅会影响轴的旋转精度，其至会使配合表面发生滑 动。因此，轴承配合种类的选取，应根据轴承的类型与尺寸、载荷的大小、 方向和性质以及工作环境决定。所以30的6006轴径上安装轴承，这

9、个轴径就是根据轴承的d來的, 36是6006轴承的安装尺寸，同样根据推力轴承的尺寸来确定轴承座的 尺寸。3.2.5下轴承座的选择下轴承座的尺寸是根据轴承尺寸來定的。其主要配合的地方也是安装 轴承的地方，需要公差的配合。（同上）如图3-4：fcldt图3-4下轴承座在安装轴承的端面上要注明公差配合，分别以其为基准面，查机械 设计手册，标明几个端面的圆柱度和相对基准面的圆跳动度，还有表面 粗糙度。3.2.6大臂的结构设计本设计的手臂实现的是水平直线运动，实现直线往复运动采用的是气 压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手 臂结构中应用比较多。本设计手臂很简单，在手臂内侧固定

10、个伸缩气缸，如图3-5所示：3.2.7小臂的结构设计本设计的手臂与上述的大臂实现的运动方式一样，主要是上下直线运 动。实现直线往复运动釆用的也是气压驱动的活塞气缸。本设计手臂很简单，在上面固定个夹紧气缸，如图3-6所示：图3-6小臂设计3.2.8气爪的结构设计夹持式手部结构由手指（或手爪）和传力机构所组成。其传力结构形式 比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹赞杠杆式.等。夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式: 按手指夹持工件的部位乂可分为内卡式（或内涨式）和外夹式两种:按模仿 人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型（或 称直进型），其中

11、以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两 个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当 二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指 开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构 比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位 置，能适应不同直径的工件。图3-7气爪设计本设计是釆用两指式，内卡式，上下气爪通过销來连接，过盈配合， 如图3-7所示。设计时考虑的几个问题：a. 具有足够的握力（即夹紧力）在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过 程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或

12、脱落。b. 手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手 指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按 最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。C.保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的 形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指， 以便自动定心。d. 具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所 产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变 形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴

13、线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。e. 考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们釆用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。3.2.9手部夹紧气缸设计计算A. 手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如图3-8所示，其工件重量G二10公斤, a二37. 5mm, b二70mm,根据1摩擦系数为 f二0. 10。图3-8手部结构分析图a）根据手部结构分析示意图，其驱动力为：_ 2Nb(3-2)b)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式： 10 N- -100(N)f 0.1(3-3)代入公式(3-2)得:2x100x703?5= 3733

14、(N)c)参照17实际驱动力:殘际(3-4)因为传力机构为齿轮齿条传动，根据1故取 = 0.94,并取瓦=1.5 若被抓取工件的最大加速度取a二g时，参照17则：K、= 1 + = 2g(3-5)代入公式(3-4)得：卫诟= 373.3x I”" uii91(N)实际0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为U91N.B. 气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。以下公式都参照17,根据力平衡原理,单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹赞的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为：厂 於P 厂厂F =一 F _ Fz4(3-6)式中：耳一活塞杆上的推力，N 巧一弹赞反作用力，NF气缸工

15、作时的总阻力，NP气缸工作压力，Pa弹赞反作用按下式计算:F( = Cf(l + S)(3-7)c*(3-8)D=Dh(3-9)式中：。厂弹赞刚度，N/m1-弹赞预压缩量，mS 活塞行程，md-弹赞钢丝直径，m弹赞平均直径，mD、弹簧外径,m一弹赞有效圈数G 弹赞材料剪切模量，一般取G = 79.4xl09在设计中，必须考虑负载率的影响，贝IJ:14'由以上分析得单向作用气缸的直径：D= Y兀pi】代入有关数据，可得GdCf = r-=79.4x IO9 x (3.5x 10_3)4/8(30x IO-3)x 15 =3677.64(N/m)巧 7(/ + s)= 3677.46x60

16、xl(r'=220.6(N)所以:D= PD* 7TPi丄 =4x(373.3 + 220.6)/(龙 xO.8xl(/xO.94)F=29.65mm查有关手册圆整，得D = 30nmi由d/D = 0.20.3 ,可得活塞杆直径：d =(0.20.3)Q = 1319.5切圆整后，取活塞杆直径(1 = 18 校核，按公式耳/(刃4沪)(3-10)有:化(4耳/龙可广其中，cr=12OA0,歼=373.3N贝I：67 > 4x 373.3/(-x 120x 106)f2 = 1.99加加 < 18所以满足设计要求。C. 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度

17、。一般气缸缸筒壁厚与 内径之比小于或等于1/10,参照17,其壁厚可按薄壁筒公式计算：S = dPp/2a(3-11)式中：8 缸筒壁厚，mmD气缸内径，mm珂一实验压力，取Pp=1.5P, Pa材料为:ZL3, a = 1.2MPa代入己知数据，则壁厚为：S = dPp/2a= 20xl.5xl07(2xl.2xl06)xl0-3=083取 cr = 1mm ,则缸筒外径为:Z) = 30 + 2x1 = 32mm根据以上计算选择的气缸型号为：QGSDq 32X50 B LB其中：QGSD-普通型单作用气缸；q派生气缸代号：q二弹赞前置型;32汽缸内径；50-气缸行程；B 缓冲：B二可调缓冲

18、；LB安装方式：LB二轴向底座3.2.10升降气缸设计计算手臂升降装置由转柱、升降缸活塞轴、升降缸体、碰铁、可调定位块、 定位拉杆、缓冲撞铁、定位块联接盘和导向杆等组成。在转柱上端用管接 头和气管分别将压缩空气引到手腕回转气缸手部夹紧气缸和手臂伸缩气 缸，转柱下端的气路，将压缩空气引到升降缸上腔，当压缩空气进入上腔 后，推动升降缸体上升，并由两个导向杆进行导向，同时碰铁随升降缸体 一同上移，当碰触上边的可调定位块后，即带动定位拉杆，缓冲撞铁向上 移动碰触升降用液压缓冲器进行缓冲。上升行程大小通过调整可调定位块來实现,1-竝九手歆伸緘仏加野讹 科图3-9结构分析简图A. 驱动力计算根据上图力的作

19、用方向，可计算活塞的驱动力F,参照1可知摩擦系数 f 二0. 17oa)根据结构示意图，驱动力公式为：F = Ff + G 总(3-12)b)质量计算：手臂升降部分主要由手臂伸缩气缸、夹紧气缸、手臂、 手爪及相关的固定元件组成。气缸为标准气缸，根据中国烟台气动元件厂 的产品样本可估其质量，同时测量设计的有关尺寸，据估计G 总=400(N)所以代入公式(3-12):F = Ff+G 总=fG& + G总= 0.17x400 + 400= 468(N)c)参照17实际驱动力：KK= 冬际M J因为传力机构为齿轮齿条传动，参照1故取 =094,并取=1.5 若被抓取工件的最大加速度取a二g时

20、，根据17则：=1 + - = 2所以F =468xBx2 q1494(N)“0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1494N.B. 气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。以下公式均参照17根据力平衡原理，单 向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作 时的总阻力，其公式为：7tD2PF、=Ft -Fz4式中：耳一活塞杆上的推力，N巧一弹费反作用力，NF气缸工作时的总阻力，NP气缸工作压力，Pa弹赞反作用按下式计算：耳= Cf(/ + S)C 一时78®切卩=2-心式中：Cf弹赞刚度，N/m/-弹赞预压缩量，mS 活塞行程，md-弹赞钢丝直径，m弹赞平均直径，m

21、D、弹簧外径,m一弹赞有效圈数G 弹簧材料剪切模量,一般取G = 79.4xl09在设计中，必须考虑负载率的影响，贝IJ:口 TtETPl时一巧由以上分析得单向作用气缸的直径：D=*7TP1代入有关数据，可得 8”？79.4xlO9x(3.5xlO_3)y8(3OxlO_3)xl5= 3677. 46(N/加) 巧= C'/ + s)= 3677.46x60x107= 220. 6N所以:D= fPY 7tPl=4x(351 + 220.6)/龙 xO.7xlO6x 0.94严=33.26imn查有关手册圆整，得D = 35由d/D = 0.2 - 0.3 ,可得活塞杆直径： =(0.

22、20.3)Q = 1319.5加加圆整后，取活塞杆直径d = nm 校核，按公式耳/(刃4沪)<切 有：“沖耳/冷)严 其中，切=120儿比，牙=351N 则：d> 4x351/(x120x106)V2 = 1.92 所以满足设计要求。C. 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与 内径之比小于或等于1/10,根据17其壁厚可按薄壁筒公式计算：3 = dPp/2a式中：8 缸筒壁厚，mmD气缸内径，mm珂一实验压力，取Pp=L5P, Pa材料为:ZL3, a=1.2MPa代入己知数据，则壁厚为：5 =见/20= 30xl.5xl0y(2xl.2xl

23、06)xl03=1875取 cr = 2.5mm ,则缸筒外径为：D = 35 + 2x2.5 = 40mm根据以上计算选择气缸型号为：QGSDq40X 100 BFB其中：QGSD-普通型单作用气缸；q-派生气缸代号：q=弹赞前置型；40-汽缸内径；100-气缸行程；E-缓冲：E=缓冲可调；FB-安装方式：尸2=后法兰；3.2.11伸缩气缸设计计算手臂伸缩装置由伸缩缸活塞轴、伸缩缸体、碰铁、可调定位块、定位 拉杆、缓冲撞铁、定位块联接盘和导向杆等组成。在手臂右端用管接头和 气管分别将压缩空气引到手腕回转气缸手部夹紧气缸，手臂左端的气路， 将压缩空气引到伸缩缸上腔，当压缩空气进入上腔后，推动升

24、降缸体右移, 并由两个导向杆进行导向，同时碰铁随升降缸体一同右移，当碰触上边的 可调定位块后，即带动定位拉杆，缓冲撞铁向右移动碰触左右用液压缓冲 器进行缓冲。右移行程大小通过调整可调定位块来实现，手臂左移与右移 类似。结构简图如图3-10所示：FfFG总图3-10结构分析简图A. 驱动力计算根据上图力的作用方向，可计算活塞的驱动力F,参照1可知摩擦系 数 f 二0. 17oa) 根据结构示意图，驱动力公式为：Ffb) 质量计算：小臂升降部分主要由夹紧气缸、手臂、手爪及相关的固 定元件组成。气缸为标准气缸，根据中国烟台气动元件厂的产品样本 可估其质量，同时测量设计的有关尺寸，据估计G 总=3OO

25、(N)所以代入公式:F = Ff=fG&= 0.17x300= 51(N)c)参照17实际驱动力：KXK. 餐际M n -因为传力机构为齿轮齿条传动，参照1故取 =094,并取K】=l5 若被抓取工件的最大加速度取汗g时，根据17则：=1 + - = 2所以F伽：=51x 1,5x2 q 163(N)宀0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为163N.B. 气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。以下公式均参照17根据力平衡原理，单 向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作 时的总阻力，其公式为：7tDPFX =Ft -Fz4式中：耳一活塞杆上的推力，N刁一弹赞反作

26、用力，NF气缸工作时的总阻力，NP气缸工作压力，Pa弹赞反作用按下式计算： CfQ + S)GdCf=Di=Did式中：C厂弹赞刚度，N/m/-弹赞预压缩量，mS 活塞行程，m 心一弹费钢丝直径，m 卩一弹赞平均直径，mD2 弹赞外径，mH弹赞有效圈数G 弹赞材料剪切模量，一般取G = 79.4xl09在设计中，必须考虑负载率的影响，贝IJ:7tD2Pr）耳=:巧4由以上分析得单向作用气缸的直径：4（耳+耳）q兀pi】代入有关数据，可得Gd79.4xlO9 x(3.5xl0_3)y8(30x 10_3)xl5= 3677. 46(N/加)巧= C,/ + s)= 3677.46x60x1()7

27、= 220. 6N所以：D= g +巧）N 7TP1=（4 X（351 + 220.6）/ X 0.7 x 106 x 0.94|/2=33.26“查有关手册圆整，得D = 35mm由 d/D = 0.2 - 0.3 ,可得活塞杆直径： =（0.2 0.3）D = 13 19.5mm 圆整后,取活塞杆直径d = 13mm校核，按公式耳/（龙/4沪）56有：心4耳/(如)严其中，B=120A$, F、= 35N贝lj : 丫4x351/(龙x 120xl06)严=1.92 < 18所以满足设计要求。C. 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与 内径之比小

28、于或等于1/10,根据17其壁厚可按薄壁筒公式计算：3 = dPp/2a式中：8 缸筒壁厚，mmD气缸内径，mm珂一实验压力，取Pp=1.5P, Pa材料为:ZL3, a=1.2MPa代入己知数据，则壁厚为：S=dPp/2a= 3Oxl.5xlO5/(2xl.2xlO6)xlO3=1.875mm取 er = 2.5mm ,则缸筒外径为:D = 35 + 2 x 2.5 = 40mm根据以上计算选择气缸型号为：QGSDq40X 100 BLB 其中：QGSD-普通型单作用气缸；q-派生气缸代号：q=弹赞前置型；40-汽缸内径；100-气缸行程；E-缓冲：E=缓冲可调；LB-安装方式：LE=轴向底

29、座；3.2.12回转气缸设计计算实现机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式 回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。在本机械手中，手 臂回转装置由回转缸体、转轴、定片、回转定位块、回转中间定位块和回 转用液压缓冲器(此部件位置参见附图)等组成。当压缩空气通过管路分别 进入手臂回转气缸的两腔时，推动动片连同转轴一同回转，转轴通过平键 而带动升降气缸活塞轴、定位块联接盘、导向杆、定位拉杆、升降缸体和转柱等同步回转。因转柱和手臂用螺栓连接，故手胃亦作回转运动。手臂回转气缸采用矩形密封圈來密封，密封性能较好，对气缸孔的机 械加工精度也易于保证。手臂回转运动采用多点定位缓冲装置

30、，其工作原理见回转用液压缓冲 器部分。手臂回转角度的大小，通过调整两块回转定位块和回转中间定位 块的位置而定。在机械手的手腕回转运动中所釆用的回转缸是单叶片回转 气缸，它的工作原理如图3-10所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5 固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出 轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回 转。图3T0回转气缸示意图 参照17单叶片气缸的压力p和驱动力矩M的关系为:(3-13) 或式中：M-回转气缸的驱动力矩P-回转气缸的工作压力(N.cm);R-缸体内壁半径(cw);r-输出轴半径(c加)；b-动片宽度(c加).上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言 的。若低压腔有一定的背压，则上式中的P应代以工作压力好与背压之 差。根据以上计算选择回转气缸型号为：QGH 2 50X 180 B F S R其中：QGH-齿杆式回转摆动气缸；2 -派生气缸代号：2二双出轴；50-气缸内径；180-回转动摆动角度；B 缓冲：B二可调缓冲；F法兰；S单杆基本型；R耐热型；R二釆用氟橡胶密封件，最高耐温200° o