仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機械系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計說明書設(shè)計題目：工業(yè)機械手設(shè)計學(xué)院：機電工程學(xué)院 班級：機械電子091班 學(xué)號：200910834127 姓名：朱小華 指導(dǎo)老師：張日紅、關(guān)秋菊、施俊俠 完成日期：2012-5-25 第一章 機械手設(shè)計任務(wù)書31.1課程設(shè)計目的31.2設(shè)計內(nèi)容和要求3第二章 腕部設(shè)計42.1腕部設(shè)計的基本要求42.2碗部的機構(gòu)設(shè)計42.3碗部設(shè)計的計算62.4拉緊裝置原理7第三章 手臂的設(shè)計83.1手臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計83.2驅(qū)動力矩的計算103.3缸蓋聯(lián)接螺釘和動片聯(lián)接螺釘計算113.4夾緊缸彈簧的確定12第四章液壓系統(tǒng)控制134.1液壓系統(tǒng)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表134.2 機械手總的液壓控制圖134.3 現(xiàn)場器件跟PLC的連線144.4 PLC三菱編程梯形圖：15第五章 參考文獻20第一章 機械手設(shè)計任務(wù)書1.1課程設(shè)計目的課程設(shè)計是一個極為重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是使學(xué)生綜合運用所學(xué)過的基本理論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程設(shè)計問題而進行的一次基本訓(xùn)練。這對學(xué)生即將從事的相關(guān)技術(shù)工作和未來事業(yè)的開拓都具有一定意義。其主要目的：一、 培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問題的獨立工作能力，拓寬和深化學(xué)生的知識。二、 培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想，設(shè)計構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計的一般程序規(guī)范和方法。三、 培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想和使用技術(shù)資料、國家標(biāo)準(zhǔn)等手冊、圖冊工具書進行設(shè)計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。四、 培養(yǎng)學(xué)生進行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學(xué)習(xí)的基本工作態(tài)度，工作作風(fēng)和工作方法。1.2設(shè)計內(nèi)容和要求 （一）原始數(shù)據(jù)及資料 （1）原始數(shù)據(jù)： a、生產(chǎn)綱領(lǐng)：100000件（兩班制生產(chǎn)） b、自由度（四個自由度） 臂轉(zhuǎn)動210 臂上下運動 300mm 臂升長（伸縮） 400mm 手部轉(zhuǎn)動 180 （2）設(shè)計要求： a、上料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、裝配圖、各主要零件圖（一套） b、液壓原理圖（一張） c、設(shè)計計算說明書（一份）（3）技術(shù)要求 主要參數(shù)的確定：a、 坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)b、 抓重：200Nc、 自由度：4個d、 臂的運動行程：伸縮運動400mm，回轉(zhuǎn)運動210， 升降運動300mme、 臂的運動速度：伸縮運動250mm/s，回轉(zhuǎn)運動90/s升降運動70mm/s f、 腕部的運動行程：回轉(zhuǎn)運動180 g、 腕部的運動速度：回轉(zhuǎn)運動90/s h、 定位方式：電位器（或接近開關(guān)等）設(shè)定，點位控制 i、 手指夾持范圍：棒料直徑5070mm，長度4501200mmj、 驅(qū)動方式：液壓（中、低系統(tǒng)）k、 定位精度：3mml、 控制方式：PLC控制（二）料槽形式及分析動作要求（1）料槽形式 由于工件的形狀屬于小型回轉(zhuǎn)體，此種形狀的零件通常采用自用輸送的輸料槽，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，不需要其他動力源和特殊裝置，所以本課程題采用此種輸料槽。（2）動作要求分析如圖1.1所示 動作一：送料 動作二：預(yù)夾緊 動作三：手臂上升 動作四：手臂旋轉(zhuǎn) 動作五：小臂伸長 動作六：手腕旋轉(zhuǎn)圖1.1要求分析第二章 腕部設(shè)計腕部是連接手部和臂部的部件，它的作用主要是在臂部運動基礎(chǔ)進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，使機械適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。2.1腕部設(shè)計的基本要求1）力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。2) 必須考慮的工作條件。在高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作，考慮熱膨脹，壓力油的粘度和有關(guān)材料及電控制元件的耐熱性。2.2碗部的機構(gòu)設(shè)計1)選取手腕部分的自由度。如下圖2-1所示，手腕運動有：繞X軸轉(zhuǎn)動稱為回轉(zhuǎn)運動；繞Y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動；繞Z軸稱為左右擺動。這里選用一個自由度的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的機構(gòu)簡單緊湊，靈巧，能基本滿足工作要求。 圖2-1 腕部的自由度（1臂部 2腕部 3手部）2) 采用具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部機構(gòu)，直接用回轉(zhuǎn)液體壓驅(qū)動來實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)，具有機構(gòu)緊湊，靈活等優(yōu)點。如圖下圖2-2所示的腕部結(jié)構(gòu)，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸，實現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)運動。從A-A剖面視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片（簡稱動片）用螺訂，銷釘和轉(zhuǎn)軸10連接在一起，定片8則和缸體9連接。壓力油分別由油孔5，7進出油涳，實現(xiàn)手部12的旋轉(zhuǎn)。圖2-2用一個回轉(zhuǎn)液壓力缸實現(xiàn)腕部旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)2.3碗部設(shè)計的計算基本參數(shù)：抓重G=200N,回轉(zhuǎn)符號= ，行程，速度<,以最大負(fù)荷計算，當(dāng)工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，用估算法，工件重100N，長度取1100mm,如圖2-3所示。 圖2-3 腕部受力簡圖腕部回轉(zhuǎn)時，需要克服以下幾種阻力。1）計算扭矩設(shè)重力集中于離手指中心350mm處，即扭矩為：=200x0.35=702) 油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩F=5kg, S=10cm=3)擺動缸的磨擦力矩 =250N （估算值） S=15mm （估算值）=S= 3.754）擺動缸的總摩擦力矩M=70+4.9+3.75=78.65由公式/8 B-葉片密度,這里取b=3cm-擺動缸內(nèi)徑,這里取12cm ，取4cm 。所以代入公式得 P=8T /=8x43.65/0.03x(0.12-0.04)x10=0.909又因為 所以 Q =W () =0.754/s =75.4/s2.4拉緊裝置原理 如圖所示,油缸右腔停止進油時,彈簧力夾緊工作,油缸右腔進油時松開工件。1） 右腔推力，取油缸內(nèi)徑D=45mm，油缸壓力P=3179.25N2） 根據(jù)鉗爪夾緊的方位，查出當(dāng)量夾緊力計算公式為： F 其中=2150=300N ，代入上公式有 F=1350N 則實際夾緊力為 取 =1.5 ，=1.1 ，=0.85則有 =2620.59 N 經(jīng)圓整取=2700 N3） 計算手部活塞桿行程長L，即 =12.99mm 經(jīng)圓整取L=13mm第三章 手臂的設(shè)計3.1手臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計手臂回轉(zhuǎn)后液壓缸的設(shè)計計算，手臂回轉(zhuǎn)時所需的驅(qū)動力矩，采用回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動時，其受力情況可化簡成圖4-20。圖4-20 手臂回轉(zhuǎn)運動時的受力圖驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)的力矩M驅(qū)，與手臂起動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣及各密封裝置的摩擦阻力矩M摩相平衡。 M驅(qū)M慣+M摩+M回 （31）（1）M摩密封裝置處的摩擦力矩（Nm） M摩M摩+M摩” 估計取 F=350N ,F”=600N 估計取 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D=200mm ,輸出軸與動片聯(lián)接處的直徑 d=80mm , 動片寬度b=100mm M摩=FR3500.15226.25Nm M摩”2F”R26000.152=90Nm 所以， M摩26.25+90=116.25Nm(2)M手臂起動時的慣性力矩M=J0=式中 回轉(zhuǎn)缸動片的角速度變化量（rad/s），在起動過程中=，取=60/s起動過程的時間（s）,取=0.5sJ0手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（Nms2）。若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為， 則J0=Jc+式中 Jc回轉(zhuǎn)零件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量Jc=取手臂回轉(zhuǎn)零件質(zhì)量m=120Kg，回轉(zhuǎn)時手臂長度l=1100mmJc=12.1Jo=12.1+1200.352=26.8M慣12.1x=25.33Nm M回回轉(zhuǎn)液壓缸回油腔的背壓反力矩M回=取,M回=562.5 NmM驅(qū)=149.5+25.33+562.5=737.3 Nm3.2驅(qū)動力矩的計算 如圖4-21所示回轉(zhuǎn)液壓缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩M驅(qū)M驅(qū)=圖4-21 回轉(zhuǎn)液壓缸計算圖(一) 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D的計算根據(jù) M驅(qū)= M驅(qū)M驅(qū)=式中 D回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑（m） M驅(qū)作用在動片的外載荷力矩 p回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（Pa） d輸出軸與動片聯(lián)接處的直徑（m），初步設(shè)計時按 選取 b動片寬度（m）D=0.21m為減少動片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度（即液壓缸寬度）時，可選用所以 3.3缸蓋聯(lián)接螺釘和動片聯(lián)接螺釘計算（1）缸蓋聯(lián)接螺釘計算 缸蓋與回轉(zhuǎn)液壓缸的缸體用螺釘聯(lián)接時，其螺釘?shù)膹姸扔嬎惴椒ㄅc伸縮液壓缸缸蓋螺釘強度計算方法相同。（2）動片與輸出軸聯(lián)接螺釘計算 動片與輸出軸用螺釘聯(lián)接的結(jié)構(gòu)見圖4-22。聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對稱地安裝，并用兩個銷釘定位。聯(lián)接螺釘?shù)淖饔檬牵菏箘悠c輸出軸的配合面緊密接觸不留間隙，當(dāng)油腔通高壓油時，動片受油壓作用，產(chǎn)生一個合成液壓矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。動片的受力情況如圖4-22b所示。依動片所受力矩的平衡條件，有：圖4-22 動片與輸出軸聯(lián)接方式及動片受力圖于是得 式中 FQ每個螺釘?shù)念A(yù)緊力（N）Z螺釘數(shù)目，Z=6f被聯(lián)接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15所以 螺釘?shù)膹姸葪l件為常用螺釘材料的屈服極限螺釘材料為45號鋼，所以取MPa所以 3.4夾緊缸彈簧的確定彈簧工作載荷F=50N最大軸直徑最小筒直徑彈簧剛度查機械設(shè)計手冊表30.28圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm .單圈彈簧工作極限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度。 (3.7)曲度系數(shù)1.14，G彈簧材料的剪切彈性模量，鋼材G=Z=110mm,則活塞缸總長L=150mm。第四章 液壓系統(tǒng)控制4.1液壓系統(tǒng)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表電磁鐵序號動作循環(huán)1234567891011121314臂部伸縮伸出伸出緩沖縮回縮回緩沖+臂部升降上升上升緩沖下降下降緩沖+臂部回轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)緩沖反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)緩沖停止+腕部回轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)緩沖反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)緩沖停止+夾持夾緊松開+原位卸荷+4.2 機械手總的液壓控制圖4.3 現(xiàn)場器件跟PLC的連線4.4 PLC三菱編程梯形圖：第五章 參考文獻 1、機械設(shè)計手冊 機械工業(yè)出版社,徐灝主編 2、工業(yè)機器人 北京理工大學(xué)出版社,張建民著 3、液壓傳動 機械工業(yè)出版社,丁樹模主編