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本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 六自由度大臂機(jī)器人 2015 年 6 月 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II 六自由度大臂機(jī)器人 摘 要 六自由度大臂機(jī)器人采用夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) 夾持機(jī)構(gòu)具有剛度 大 承載能力強(qiáng) 誤差小 精度高 自重負(fù)荷比小 動(dòng)力性能好 控制容易等一系列優(yōu)點(diǎn)可以作為航天上的對(duì)接器 航海上的潛艇救 援對(duì)接器 工業(yè)上可以作為大件的裝配機(jī)器人 精密操作的微動(dòng)器 可以在汽車總裝線上自動(dòng)安裝車輪部件 另外 醫(yī)用機(jī)器人 天文 望遠(yuǎn)鏡等都利用了并聯(lián)技術(shù) 本文夾持機(jī)構(gòu)的研究方向 1 六自由度大臂機(jī)器人組成原理的研究 研究夾持機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算 運(yùn)動(dòng)副類型 支鉸類型以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分 析 建模與仿真等問題 2 六自由度大臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間的研究 3 六自由度大臂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究 夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括很多內(nèi)容 如機(jī)構(gòu)的總體布局 安全機(jī) 構(gòu)設(shè)計(jì) 由于本人水平有限 文中的錯(cuò)誤和不足在所難免 懇請(qǐng)各位老 師給予批評(píng)和指正 關(guān)鍵詞 機(jī)械手 虛擬樣機(jī) 夾持機(jī)構(gòu) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III Six Degrees of Freedom Robot Arm Abstract Six degrees of freedom robot arm with clamping mechanism design The clamping mechanism has high rigidity strong bearing capacity small error high precision load weight ratio good dynamic performance easy control and a series of advantages can be used as a submarine rescue docking docking space navigation on the industry as for micro robot assembly large precision operation can automatically install the wheel parts in the automobile assembly line in addition medical robots astronomical telescope using parallel technology etc The research direction of clip holding mechanism 1 on the principle of six degrees of freedom robot arm Study on the clamping mechanism the calculation of degree of freedom motion type hinge type and kinematics analysis modeling and simulation etc 2 six degrees of freedom robot arm motion space 3 study the structure design of the robot arm with six degrees of freedom The structure design of clip holding mechanism includes a lot of contents such as the design of the overall layout mechanism of safety mechanism Because of my limited ability mistakes and shortcomings in this paper and ask teachers to give the criticism and correction Key words manipulator virtual prototype clamping mechanism 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 IV 目 錄 1 前 言 1 1 1 課題研究背景意義 1 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 2 六自由度大臂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及工作原理 6 2 1 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)概述 6 2 2 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)原理 7 2 3 六自由度大臂機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 8 2 4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 9 2 5 夾持機(jī)構(gòu)工作空間的分析 10 2 6 三維空間分析原理 12 2 7 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 16 3 六自由度大臂機(jī)器人主要部件的設(shè)計(jì) 19 3 1 電動(dòng)機(jī)選型 19 3 2 電機(jī)的分類 19 3 3 選擇步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 20 3 4 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的選擇 23 3 5 軸承的壽命校核 25 3 6 手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 27 3 6 1 手爪夾持器種類 27 3 6 2 夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 28 3 7 夾持裝置氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 29 3 7 1 初步確系統(tǒng)壓力 29 3 7 2 氣缸計(jì)算 30 3 7 3 活塞桿的計(jì)算校核 32 3 7 4 氣缸工作行程的確定 33 3 7 5 活塞的設(shè)計(jì) 33 3 7 6 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算 33 3 7 7 端蓋和缸底的計(jì)算校核 34 3 7 8 缸體長(zhǎng)度的確定 35 3 7 9 緩沖裝置的設(shè)計(jì) 35 3 8 氣壓元件選取及工作原理 35 3 8 1 氣源裝置 35 3 8 2 執(zhí)行元件 36 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 V V 3 8 3 控制元件 36 3 8 4 輔助元件 38 3 8 5 真空發(fā)生器 38 4 夾持機(jī)構(gòu)機(jī)夾持機(jī)構(gòu)空間分析 39 4 1 夾持機(jī)構(gòu)夾持機(jī)構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束 39 4 1 1 連桿桿長(zhǎng)約束 39 4 1 2 運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束 39 4 1 3 連桿桿間干涉 40 4 2 確定夾持機(jī)構(gòu)空間的基本方法 40 總 結(jié) 41 參 考 文 獻(xiàn) 42 致 謝 43 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 1 1 前 言 1 1 課題研究背景意義 并聯(lián)機(jī)器人與已經(jīng)用的很好 很廣泛的串聯(lián)機(jī)器人相比往往使 人感到它并不適合用作機(jī)器人 它沒有那么大的活動(dòng)空間 它活動(dòng) 上平臺(tái)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如串聯(lián)機(jī)器人手部來得靈活 的確這種 6 TPS 結(jié)構(gòu)的 夾持機(jī)構(gòu)其工作空間只是一個(gè)厚度不大的蘑菇形空間 位于機(jī)構(gòu)的 上方 而表示靈活度的末端件 3 維轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)范圍一般只在 60 上下 角度最大也達(dá)不到 90 可是和世界上任何事物一樣都是一分為二 的 若用并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)比串聯(lián)式的缺點(diǎn) 也同樣令人吃驚 首先 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)其末端件上平臺(tái)同時(shí)經(jīng)由 6 根桿支承 與串聯(lián)的懸臂梁 相比 剛度大多了 而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 第二 由于剛度大 并聯(lián)式較 串聯(lián)式在相同的自重或體積下有高得多的承載能力 第三 串聯(lián)式 末端件上的誤差是各個(gè)關(guān)節(jié)誤差的積累和放大 因而誤差大而精度 低 并聯(lián)式?jīng)]有那樣的積累和放大關(guān)系 誤差小而精度高 第四 串聯(lián)式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)大都放在運(yùn)動(dòng)著的大小臂上 增加了系統(tǒng)的慣性 惡化了動(dòng)力性能 而并聯(lián)式則很容易將電動(dòng)機(jī) 置于機(jī)座上 減小了運(yùn)動(dòng)負(fù)荷 第五 在位置求解上 串聯(lián)機(jī)構(gòu)正 解容易 但反解十分困難 而夾持機(jī)構(gòu)正解困難反解卻非常容易 由于機(jī)器人的在線實(shí)時(shí)計(jì)算是要計(jì)算反解的 這就對(duì)串聯(lián)式十分不 利 而并聯(lián)式卻容易實(shí)現(xiàn) 夾持機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)與機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物 與 實(shí)現(xiàn)等同功能的傳統(tǒng)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)構(gòu)相比 夾持機(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn) 剛度重量比大 因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu) 且在 準(zhǔn)靜態(tài)情況下 傳動(dòng)構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿 故傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力 響應(yīng)速度快 運(yùn)動(dòng)部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控 制器的動(dòng)態(tài)品質(zhì) 允許動(dòng)平臺(tái)獲得很高的進(jìn)給速度和加速度 因而 特別適于各種高速數(shù)控作業(yè) 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 便于可重組和模塊化設(shè)計(jì) 且可構(gòu)成形式多樣 的布局和自由度組合 在動(dòng)平臺(tái)上安裝刀具可進(jìn)行多坐標(biāo)銑 鉆 磨 拋光 以及異型刀具刃磨等加工 裝備機(jī)械手腕 高能束源或 CCD 攝像機(jī)等末端執(zhí)行器 還可完成精密裝配 特種加工與夾持機(jī) 構(gòu)等作業(yè) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 2 技術(shù)附加值高 夾持機(jī)構(gòu)具有 硬件 簡(jiǎn)單 軟件 復(fù)雜的特點(diǎn) 是一種技術(shù)附加值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品 因此可望獲得高額的經(jīng) 濟(jì)回報(bào) 目前 國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)研究與開發(fā)夾持機(jī)構(gòu)非常重視 并于 90 年代中期相繼推出結(jié)構(gòu)形式各異的產(chǎn)品化樣機(jī) 1994 年在芝 加哥國(guó)際機(jī)構(gòu)博覽會(huì)上 美國(guó) Ingersoll 銑床公司 Giddings 2 如果動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)是相似的非正多邊形 并且每一對(duì)相 應(yīng)的頂點(diǎn)通過一條連桿相連 則雅戈比矩陣在工作空間內(nèi)的大部分 區(qū)域都是奇異的 這種設(shè)計(jì)上的奇異的存在 將使并聯(lián)機(jī)器人由于無法平衡施加在動(dòng) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 平臺(tái)上的負(fù)載而不能工作 在構(gòu)型奇異附近的區(qū)域 即使沒有發(fā)生 構(gòu)型奇異 也有可能出現(xiàn)雅戈比矩陣條件數(shù)很大的情況 同樣會(huì)導(dǎo) 致運(yùn)動(dòng)和力的傳遞性能變的很差 我們稱這種區(qū)域?yàn)椴B(tài)條件區(qū)域 因此 進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)尺度綜合設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮在滿足工作空間要求 運(yùn)動(dòng)可傳遞性的要求以及負(fù)載能力要求的情況下 要避開構(gòu)型奇異 點(diǎn)及奇異點(diǎn)附近的病態(tài)區(qū)域 2 6 三維空間分析原理 首先 運(yùn)動(dòng)參數(shù)的平衡條件下出現(xiàn)的子集必須被確定為系統(tǒng)的 總勢(shì)能不變的任何配置 即 在勢(shì)能的表達(dá)依賴于配置項(xiàng)系數(shù)等于 零 額外的標(biāo)量和矢量變量出現(xiàn)在 2 中圖 3 定的相關(guān)術(shù)語(yǔ)中 設(shè) 計(jì)中出現(xiàn)的變量之間的 2 分別計(jì)算設(shè)計(jì)過程中的第一階段 只 有關(guān)節(jié) lir 的鏈接和向量 bi 的組件會(huì)影響工作空間形狀和機(jī)構(gòu)的奇 異位置的長(zhǎng)度 這些參數(shù)被確定為該機(jī)構(gòu)的靜平衡是完成的 他們 被認(rèn)為是恒定的輸入數(shù)據(jù) 其值在表 II 中給出 因此 在平衡條 件下的完整性將在隨后的優(yōu)化程序保存在 然后 我們得確定剩余 的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù) 不影響平衡條件下的最大子集 將這些參數(shù)作為優(yōu) 化參數(shù)提高的工作空間和運(yùn)動(dòng)特性的機(jī)制 隨后 平衡條件不依賴 于關(guān)節(jié)的連接點(diǎn) Pi0 的位置 假設(shè)這些點(diǎn)位于一個(gè)以 r 為半徑 O 為 圓心的圓上 r 以被視為一個(gè)優(yōu)化參數(shù) 此外 讓 成為連接第 i 關(guān)節(jié)流動(dòng)錐對(duì)稱軸的球形接頭 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 圖 3 1 關(guān)節(jié)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù) 對(duì)于移動(dòng)框架 軸的方向 用角度 和 表示 不 影響平衡的條件 在這個(gè)方向上表示 角度 是軸 和軸 上移動(dòng)平面 投影之間的夾角 軸 的投影用矢量 角 來表示 至于大多數(shù)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的商業(yè)應(yīng)用 程序是可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 因此我們對(duì)非限制性的附加條件 我們的優(yōu)化參數(shù)組最后由向量 表示 III 基于恒定位第一優(yōu)化程序工作區(qū) 在本節(jié)中 我們考慮的第一個(gè)應(yīng)用程序的機(jī)制作為定位和定向 裝置的重物 在這樣的背景下 我們提出了一個(gè)過程 即 恒定方 向的工作區(qū)是自由臨界奇異性體積最大三維區(qū)域 幾種方法是目前 文獻(xiàn)中的并聯(lián)機(jī)器人定姿態(tài)工作空間計(jì)算 見 例如 26 一個(gè) 詳細(xì)的這些方法分類 在第一類方法中最有代表性的是 13 和 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 15 提出的純幾何方法 并在 26 中擴(kuò)展到機(jī)械約束與被動(dòng)關(guān)節(jié) 的運(yùn)動(dòng)范圍 第二類方法被稱為離散化 技術(shù) 例如 1 8 和 25 最基本的 一個(gè)足夠大的立方區(qū)域在笛卡爾空間中是完全離散的 然后 對(duì)這三次網(wǎng)格中的每個(gè)節(jié)點(diǎn) 解決了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和一套機(jī)械約 束測(cè)試 有可能是最復(fù)雜的和最快的離散化方法 工作空間的邊界 是在球面坐標(biāo)系統(tǒng)確定的離散范圍內(nèi)的方位角和高度角 8 盡管 這樣的方法是計(jì)算密集型的 提供的工作空間邊界的幾何性質(zhì)的信 息很少 他們可以很容易地應(yīng)用到任何類型的并聯(lián)機(jī)器人的幾乎任 何的機(jī)械約束 除了所有常規(guī)的機(jī)械限制 它的目的是在這里將封 閉形式的方程轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)約束集的三條關(guān)節(jié)的 6 DOF 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇 異軌跡 固有的復(fù)雜性原因 離散化算法 8 被發(fā)現(xiàn)是用于以下設(shè) 計(jì)程序最合適的方法 A 常規(guī)機(jī)械約束 本節(jié)總結(jié)了傳統(tǒng)的機(jī)械限制的機(jī)制定姿態(tài)工作空間 作為一個(gè)初 步的 我們要精確 平臺(tái)的定位將代表本節(jié)中歐拉角 的定 義 首先是由第一旋轉(zhuǎn)移動(dòng)框架的基軸 的角度 所表示 然后 與通過角度 的新軸 有關(guān) 最后轉(zhuǎn)化為通過角度 的移動(dòng)軸 對(duì)于歐拉角的選擇 其突變發(fā)生在 處 旋轉(zhuǎn) 矩陣定義為 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 其中 隨后 主要存在著四個(gè)基本的機(jī)械約束以限制二關(guān)節(jié)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的 定位空間 即 1 關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度 2 三球形關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的范圍 3 關(guān) 節(jié)的干涉 4 機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)的附加約束 1 限制關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度 讓移動(dòng)平臺(tái)的定位是由 3 3 的正交旋 轉(zhuǎn)矩陣 組成 對(duì)于一個(gè)給定位置 矢量 和方向 矩陣 的移動(dòng)平臺(tái) 所需關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度 用 表示 如下式 然后 五連桿結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)施加一個(gè)長(zhǎng)度約束如下式 對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)的大多數(shù)配置 只有關(guān)節(jié)的支撐段 pi2pi3 和 i 關(guān) 節(jié)的 pi3pi5 與 j 關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)部之間的碰撞是一個(gè)問題 因此 采用 3 桿機(jī)構(gòu)對(duì)二關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)置一組約束 如下 這些約束實(shí)現(xiàn)的校驗(yàn)方程需要兩個(gè)線段之間距離是最小的 這 需要一個(gè)實(shí)現(xiàn)多步算法的計(jì)算 由于空間的限制 我們這里不清楚 這樣的算法 但我們建議讀者參考一中 25 提出的方法 4 附加約 束 考慮到基礎(chǔ)平臺(tái)原型的具體設(shè)計(jì)提出了以下限制 B 奇異軌跡和內(nèi)在的運(yùn)動(dòng)約束 在這一部分中 對(duì)二關(guān)節(jié)并聯(lián)機(jī)構(gòu)奇異軌跡進(jìn)行了總結(jié) 本結(jié)構(gòu) 方程是在封閉的形式下提出被納入在下面離散化算法的運(yùn)動(dòng)約束 在 29 利用格拉斯曼線幾何確定了機(jī)構(gòu)的奇異位形 五個(gè)系列的 奇異性進(jìn)行鑒定 1 i 的關(guān)節(jié)兩個(gè)節(jié)是一致的 即 對(duì)于每 一段 i 定義最小和最大的球體半徑分別為 和 坐標(biāo)中心 構(gòu)成機(jī)制的定位工作空 間的邊界 用以約束 5 所涉及的例子 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 2 當(dāng)移動(dòng)和基礎(chǔ)平臺(tái)是平行的 即 一個(gè)奇 點(diǎn)發(fā)生在當(dāng)軸 z 平臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)角 等于 0 或 圖 4 關(guān)節(jié)的機(jī)制 頂視圖 3 在移動(dòng)平臺(tái)的一個(gè)任意方向的情況下 一個(gè)單一的配置發(fā)生 時(shí) 它的末端位于一個(gè)用笛卡爾排列所表示的二次曲面上 2 對(duì)于定位工作空間離散化技術(shù)的綜述 在 8 中提出的離散 化技術(shù)是基于以下兩個(gè)算法的完整實(shí)現(xiàn) 球面搜索算法 讓我們假設(shè)一個(gè)近似的中心點(diǎn) Oc 的位置是由一 個(gè)給定平臺(tái)的方向確定的 通過該算法進(jìn)行推斷從而得到一個(gè)工作 空間邊界 該邊界以 Oc 為中心點(diǎn)以 為球面坐標(biāo)系 檢查整個(gè)空間的過程是通過離散的方位角和天頂角 和 來完成 對(duì)于每一對(duì) 在被檢測(cè)出違背約束之前它們的半徑 逐漸遞增 當(dāng) 被發(fā)現(xiàn)位于工作區(qū)之外時(shí) 工作空間邊界的位置沿球形線 構(gòu)成了第一個(gè)近似值 第二算法 稱為工作空間邊界的算法 用于 驗(yàn)算結(jié)果 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 工作空間邊界的算法 對(duì)于每個(gè)方位角和天頂角 該算法都在檢查過程中的最 后階段 它是基于以區(qū)間折半搜索技術(shù)來保證 在工作空間邊界的 之 內(nèi) 其中 是一個(gè)給定的誤差范圍 2 7 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 臂部部件是六自由度大臂機(jī)器人的主要部件 它的作用是支承 手部 并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng) 臂部運(yùn)動(dòng)的目的 把手部送到空間運(yùn) 動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn) 如果改變手部的姿態(tài) 方位 關(guān)節(jié) 則臂部自由 度加以實(shí)現(xiàn) 因此 一般來說臂部設(shè)計(jì)基本要求 1 臂部應(yīng)承載能力大 剛度好 自重輕 臂部通常即受彎曲 而且不僅是一個(gè)方向的彎曲 也受扭轉(zhuǎn) 應(yīng)選用 彎和抗扭剛度較高的截面形狀 很明顯 在截面積和單位重量基本 相同的情況下 鋼管 工 字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多 所以 六自由度大臂機(jī)器人 常采用無縫鋼管作為導(dǎo)向桿 用工字鋼 如圖 4 1 和 4 2 所示 或槽 鋼作為支撐鋼 這樣既提高了手臂的剛度 又大大減輕了手臂的自 重 而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置 傳動(dòng)裝置以及管道 這 樣就使結(jié)構(gòu)緊湊 外形整齊 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 2 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高 慣性要小 在一般情況下 手臂的要求勻速運(yùn)動(dòng) 但在手臂的啟動(dòng)和終止 瞬間 運(yùn)動(dòng)是變化的 為了減少?zèng)_擊 要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終 止前減速度不能太大 否則引起沖擊和振動(dòng) 為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 應(yīng)采取以下措施 a 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量 采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料 b 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸 c 減少回轉(zhuǎn)半徑 d 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置 3 手臂動(dòng)作應(yīng)靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力 盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑 動(dòng)摩擦 4 位置精度要高 一般來說 直角和圓柱坐標(biāo)系六自由度大臂機(jī)器人位置精度高 關(guān)節(jié) 式六自由度大臂機(jī)器人的位置最難控制 故精度差 在手臂上加設(shè)定 位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu) 能較好的控制位置精度 本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件 一方面保證機(jī)械臂的剛度 另一方面可減小機(jī)械臂的重量 減小基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷 并且提 高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì) 最小壁厚 每種鑄造合金都有其適宜的壁厚 不同鑄造合金所能澆注出鑄件的 最小壁厚 也不相同 主要取決于合金的種類和鑄件的大小 見 表 4 1 所示 表 4 1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì) mm 鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鋁合金 銅合金 200 200 200 200 500 50 0 500 500 5 8 10 12 15 20 3 5 4 10 10 15 4 6 8 12 12 20 3 5 6 8 3 3 5 4 6 3 5 6 8 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 在特種鑄造方 法中 應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì) 本文機(jī)械臂殼體采用鑄造鋁合金 具體尺寸見總裝配圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 3 六自由度大臂機(jī)器人主要部件的設(shè)計(jì) 3 1 電動(dòng)機(jī)選型 1 按工作電源分類根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作電源的不同 可分為直流電動(dòng)機(jī) 和交流電動(dòng)機(jī) 其中交流電動(dòng)機(jī)還分為單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī) 2 按結(jié)構(gòu)及工作原理分類電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為異步 電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī) 同步電動(dòng)機(jī)還可分為永磁同步電動(dòng)機(jī) 磁阻同步電動(dòng)機(jī)和磁滯同電 動(dòng)機(jī) 異步電動(dòng)機(jī)可分為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流換向器電動(dòng)機(jī) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又 分為三相異步電動(dòng)機(jī) 單相異步電動(dòng)機(jī)和罩極異步電動(dòng)機(jī) 交流換 向器電動(dòng)機(jī)又分為單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī) 交直流兩用電動(dòng)機(jī)和推斥電動(dòng) 機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電 動(dòng)機(jī) 有刷直流電動(dòng)機(jī)可分為永磁直流電動(dòng)機(jī)和電磁直流電動(dòng)機(jī) 電磁直流電動(dòng)機(jī)又分為串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 他勵(lì)直 流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 永磁直流電動(dòng)機(jī)又分為稀土永磁直流 電動(dòng)機(jī) 鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)和鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī) 3 按起動(dòng)與運(yùn)行方式分類電動(dòng)機(jī)按起動(dòng)與運(yùn)行方式可分為電容 起動(dòng)式電動(dòng)機(jī) 電容盍式電動(dòng)機(jī) 電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)和分相式 電動(dòng)機(jī) 3 2 電機(jī)的分類 按用途分類電動(dòng)機(jī)按用途可分為驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)又分為電動(dòng)工具 包括鉆孔 拋光 磨光 開槽 切 割 擴(kuò)孔等工具 用電動(dòng)機(jī) 家電 包括洗衣機(jī) 電風(fēng)扇 電冰箱 空調(diào)器 錄音機(jī) 錄像機(jī) 影碟機(jī) 吸塵器 照相機(jī) 電吹風(fēng) 電 動(dòng)剃須刀等 用電動(dòng)機(jī)及其它通用小型機(jī)械設(shè)備 包括各種小型 小型機(jī)械 醫(yī)療器械 電子儀器等 用電動(dòng)機(jī) 控制用電動(dòng)機(jī)又分為電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)等 按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分類電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 舊標(biāo)準(zhǔn)稱為鼠籠型異步電動(dòng)機(jī) 和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 舊標(biāo)準(zhǔn) 稱為繞線型異步電動(dòng)機(jī) 按運(yùn)轉(zhuǎn)速度分類電動(dòng)機(jī)按運(yùn)轉(zhuǎn)速度可分為高速電動(dòng)機(jī) 低速電動(dòng) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 機(jī) 恒速電動(dòng)機(jī) 調(diào)速電動(dòng)機(jī) 低速電動(dòng)機(jī)又分為齒輪減速電動(dòng)機(jī) 電磁減速電動(dòng)機(jī) 力矩電動(dòng)機(jī)和爪極同步電動(dòng)機(jī)等 調(diào)速電動(dòng)機(jī)除可分為有級(jí)恒速電動(dòng)機(jī) 無級(jí)恒速電動(dòng)機(jī) 有級(jí) 變速電動(dòng)機(jī)和無極變速電動(dòng)機(jī)外 還可分為電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī) 直流 調(diào)速電動(dòng)機(jī) PWM 變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī) 3 3 選擇步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 機(jī)構(gòu)工作時(shí) 需要克服摩擦阻力矩 工件負(fù)載阻力矩和啟動(dòng)時(shí) 的慣性力矩 根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式 15 慣負(fù)摩總 M 3 1 總摩 1 0 3 2 啟慣 tJmgl 3 3 啟負(fù)負(fù)負(fù) tlM 3 4 lRvm 21 3 5 2lJ負(fù)負(fù) 3 6 2123Rml 3 7 lv 3 8 式中 偏轉(zhuǎn)所需力矩 N m 總M 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 摩擦阻力矩 N m M摩 負(fù)載阻力矩 N m 負(fù) 啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩 N m 慣 工件負(fù)載對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg m 2 負(fù)J 對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg m 2 偏轉(zhuǎn)角速度 rad s 質(zhì)量 kg m 負(fù)載質(zhì)量 kg 負(fù) 啟動(dòng)時(shí)間 s 啟t 部分材料密度 kg m 3 手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度 m s v 根據(jù)已知條件 kg m s m 5 2 負(fù)m8 0v035 1 R m m s 采用的材料假定為鑄鋼 密度025 R1 l啟t kg m3 8 7 將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得 lRv21 12 05 03 4 8 73 kg6 r s7 12 0 lv kg m2036 52 mJ負(fù)負(fù) 21 23Rl 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 22 205 3 76 13 076 1 kg m2 9 啟負(fù)負(fù)負(fù) tJglmM 2 0 67 3 01 5 N m4 啟慣 tJl 2 0 6713 92 0176 N m4 4 251 0 總慣負(fù)摩總 MM N m7 總 因?yàn)閭鲃?dòng)是通過減速器實(shí)現(xiàn)的 所以查取手冊(cè) 15 得 彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率 9 01 滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率 一對(duì) 3 減速器傳動(dòng)效率 7 4 計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率 8501 a 電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩 N m 3 4 aiM總電 3 9 根據(jù)計(jì)算得出的所需力矩 結(jié)合北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司 生產(chǎn)的 90 系列的五相混合型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線 如圖 3 3 和圖 3 4 所示 選擇 90BYG5200B SAKRML 0301 型號(hào)的步 進(jìn)電機(jī) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 3 1 90BYG 步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 圖 3 2 90BYG5200B SAKRML 0301 型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線 3 4 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的選擇 考慮到軸的載荷較大 材料選用 45 熱處理調(diào)質(zhì)處理 取材料系數(shù) 120 A 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 所以 有該軸的最小軸徑為 3310 5PdAn 考慮到鍵槽的影響 所以 dmin 取值為 17MM 具體結(jié)構(gòu)如下 圖 3 3 軸的受力模型簡(jiǎn)化 見圖 7 及受力計(jì)算 圖 3 4 軸的受力分析 知 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 76 210tan39 58tan 2402 TrtFd 31 52694 8 2 212 AVHrArVtAHFL60 3984 1 02121 BVHrBrVtBFL 3 5 軸承的壽命校核 鑒于調(diào)整間隙的方便 軸承均采用正裝 預(yù)設(shè)軸承壽命為 3 年即 12480h 校核步驟及計(jì)算結(jié)果見下表 表 3 1 軸承壽命校核步驟及計(jì)算結(jié)果 計(jì)算結(jié)果 6014計(jì)算步驟及內(nèi)容 A 端 B 端 由手冊(cè)查出 Cr C0r 及 e Y 值 Cr 98 5kN C0r 86 0kN e 0 68 計(jì)算比值 Fa Fr FaA FrA e 確定 X Y 值 XA 1 YA 0 查載荷系數(shù) fP 1 2 計(jì)算當(dāng)量載荷 P Fp XFr YFa PA 5796 24 PB 6759 14 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 計(jì)算軸承壽命 max 16700BArhPCnL 763399h 大于 12480h 由計(jì)算結(jié)果可見軸承 6014AC 6007 均合格 最終選用軸承 6014 四 軸的強(qiáng)度校核 經(jīng)分析知 C D 兩處為可能的危險(xiǎn)截面 現(xiàn)來校核這兩處的強(qiáng)度 1 合成彎矩 60 391522 BVHrBAAF78 263 rACFM 2 扭矩 T 圖91063 3 當(dāng)量彎矩 61204 32 MC 4 校核 由手冊(cè)查材料 45 的強(qiáng)度參數(shù)Pab59 1 C 截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力 95 1 80 1 624033bCd 由計(jì)算結(jié)果可見 C 截面安全 各軸鍵 鍵槽的選擇及其校 核 因減速器中的鍵聯(lián)結(jié)均為靜聯(lián)結(jié) 因此只需進(jìn)行擠壓應(yīng)力的校核 一 電機(jī)鍵的選擇及校核 帶輪處鍵 按照帶輪處的軸徑及軸長(zhǎng)選 鍵 B8X7 鍵長(zhǎng) 50 GB T1096 聯(lián)結(jié)處的材料分別為 45 鋼 鍵 40Cr 軸 1 剛輪處鍵 按照輪轂處的軸徑及軸長(zhǎng)選 鍵 B14X9GB T1096 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 聯(lián)結(jié)處的材料分別為 20Cr 輪轂 45 鋼 鍵 20Cr 軸 此時(shí) 鍵聯(lián)結(jié)合格 2 輸出軸處鍵 按照聯(lián)軸器處的軸徑及軸長(zhǎng)選 鍵 16X10 鍵長(zhǎng) 100 GB T1096 聯(lián)結(jié)處的材料分別為 45 鋼 聯(lián)軸器 45 鋼 鍵 45 軸 其中鍵的強(qiáng)度最低 因此按其許用應(yīng)力進(jìn)行校核 查手冊(cè)其 MPap10 4 25 8056924314 pplkdT 該鍵聯(lián)結(jié)合格 3 6 手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 3 6 1 手爪夾持器種類 1 連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下 連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊 放松 運(yùn)動(dòng) 由于杠桿的力放大作用 這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力 通常與彈簧聯(lián)合使用 2 楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松 開 來實(shí)現(xiàn)抓取工件 3 齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條 齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn) 產(chǎn)生手爪的 夾緊與松開動(dòng)作 4 滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí) 滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并 產(chǎn)生夾緊動(dòng) 作和夾緊力 當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí) 手爪松開 這種手爪開合行程較 大 適應(yīng)抓取大小不同的物體 5 平行杠桿式手爪 不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊 形機(jī)構(gòu) 因此 比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多 結(jié)合具體的工作情況 采用連桿杠桿式手爪 驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)移 動(dòng) 通過活塞桿端部齒條 中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合 手指的最小開度由加工 工件的直徑來調(diào)定 本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的 重物最大使用 的鋼絲繩直徑為 50mm 來設(shè)計(jì) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 a 有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時(shí) 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力 以保證夾持穩(wěn)定可靠 變形小 且不損壞工件的已加工表面 對(duì)于剛性很差的工件夾緊力 大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié) 對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝 置 b 有足夠的開閉范圍 工作時(shí) 一個(gè)手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍 夾持 類手部的手指都有張開和閉合裝置 可用開閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度 表示 于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍 手指開閉范圍的要求與許多因 素有關(guān) c 力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 重量輕 體積小 作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變 其結(jié)構(gòu) 重量和體積直接影響整個(gè)氣壓機(jī) 械手的結(jié)構(gòu) 抓重 定位精度 運(yùn)動(dòng)速度等性能 手部處于腕部的 最前端 工因此 在設(shè)計(jì)手部時(shí) 必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 重量輕 體 積小 d 手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度 因此送料 采用最常用的外卡式兩指鉗爪 夾緊方式用常閉式 彈簧夾緊 夾緊氣壓機(jī)械手 根據(jù)工件的形狀 松開時(shí) 用單作用 式氣壓缸 此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單 制造方便 氣壓缸右腔停止進(jìn)油時(shí) 氣壓缸右腔進(jìn)油時(shí)松開工件 3 6 2 夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 手爪要能抓起工件必須滿足 3 GkN321 6 式中 為所需夾持力 N 安全系數(shù) 通常取 1 2 2 1k 為動(dòng)載系數(shù) 主要考慮慣性力的影響可按 估2 gak 12 算 為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程的加速度 為a 2 sm 8 9sa 重力加速度 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 方位系數(shù) 查表選取 3k 13 k 被抓持工件的重量 20 Gg 帶入數(shù)據(jù) 計(jì)算得 N240 理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 3 1Rbp 7 式中 為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力 p 為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離 b 為扇形齒輪分度圓半徑 R 為手指夾緊力 N 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率 此處選為 0 92 其他同上 帶入數(shù)據(jù) 計(jì)算得 NP370 計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為 3 Fkc41 8 式中 為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力 cF 安全系數(shù) 此處選 1 2 1k 工作條件系數(shù) 此處選 1 1 4 而氣壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)油壓提供的 故有 3 APFc 9 式中 為柱塞缸工作油壓 P 為柱塞截面積 選取缸內(nèi)徑為 40mmA 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 3 7 夾持裝置氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 3 7 1 初步確系統(tǒng)壓力 表 3 2 按負(fù)載選擇工作壓力 1 負(fù)載 KN 50 工作壓力 MPa 0 8 1 1 5 2 2 5 3 3 4 4 5 5 表 3 3 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力 1 機(jī) 床 機(jī)械類型 磨床 組合 機(jī) 床 龍 門 刨 床 拉床 農(nóng)業(yè)機(jī)械 小型工程機(jī) 械 建筑機(jī)械 氣鑿巖機(jī) 氣機(jī) 大中型挖掘 機(jī) 重型機(jī)械 起重運(yùn)輸機(jī) 械 工作壓力 MPa 0 8 2 3 5 2 8 8 10 10 18 20 32 由表 3 2 和表 3 3 可知 初選氣缸的設(shè)計(jì)壓力 P1 1MPa 3 7 2 氣缸計(jì)算 估算要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載大小為 300N 考慮到氣缸未加載時(shí)實(shí)際所能 輸出的力 受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦 活塞桿與前氣缸之間的 摩擦力的影響 并考慮到機(jī)械爪的質(zhì)量 在研究氣缸的性能和確定 氣缸的缸徑時(shí) 常用到負(fù)載率 10 F氣 缸 的 理 論 負(fù) 載氣 缸 的 實(shí) 際 負(fù) 載 由 液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù) 表 3 4 表 3 4 氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù)載率 慣性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度 v阻性負(fù)載 靜負(fù)載 sm 10 sm 50 s 50 8 0 6 3 運(yùn)動(dòng)的速度 v 50mm s 取 0 60 所以實(shí)際的氣缸缸負(fù)載的大小為 F F0 500N 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 2 氣缸內(nèi)徑的確定 表 3 5 氣缸內(nèi)徑確定公式 項(xiàng)目 計(jì)算公式 推力 pmFPFDpm23 1 PFDpm 6 1 23 缸 徑 雙 作 用 氣 缸 拉力 po pa7 pa 5 501 23 2 m1pmFDP 表 1 氣缸內(nèi)徑系列 GB T2348 1980mm 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 按 GB T2348 1980 取標(biāo)準(zhǔn)值 D 40mm 本來可以取 32 的 考慮不可預(yù)測(cè)的超載等因素 故在這取的略微大一些 查 氣傳動(dòng)與控制手冊(cè) 根據(jù)桿徑比 d D 一般的選取原則是 當(dāng)活塞桿受拉時(shí) 一般選取 d D 0 3 0 5 當(dāng)活塞桿受壓時(shí) 一般 選取 d D 0 5 0 7 活塞桿直徑 d 0 45D 18mm 取 d 18 標(biāo)準(zhǔn)直徑 表 2 活塞桿直徑系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 1 氣缸缸體厚度計(jì)算 缸體是氣缸中最重要的零件 當(dāng)氣缸的工作壓力較高和缸體內(nèi) 經(jīng)較大時(shí) 必須進(jìn)行強(qiáng)度校核 缸體的常用材料為 20 25 35 45 號(hào)鋼的無縫鋼管 在這幾種材料中 45 號(hào)鋼的性能最為優(yōu)良 所以這 里選用 45 號(hào)鋼作為缸體的材料 2 DPy 式中 實(shí)驗(yàn)壓力 MPa 當(dāng)氣缸額定壓力 Pn 5 1 MPa 時(shí) Py 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 Py 1 5Pn 當(dāng) Pn 16MPa 時(shí) Py 1 25Pn 缸筒材料許用應(yīng)力 N mm 為材料 2 nb 的抗拉強(qiáng)度 注 1 額定壓力 Pn 額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力 Pn 1MPa 2 最高允許壓力 Pmax Pmax 1 5Pn 1 25 1 1 25MPa 氣缸缸筒材料采用 45 鋼 則抗拉強(qiáng)度 b 600MPa 安全系數(shù) n 按 氣傳動(dòng)與控制手冊(cè) P243 表 2 10 取 n 5 則許用應(yīng)力 120MPa b 2 DPy 1 540 0 2083mm 則氣缸缸體外徑為 50mm 3 缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接 構(gòu)成密封的壓力腔 因而它 的結(jié)構(gòu)形式往往和缸蓋及缸底密切相關(guān) 6 因此 在設(shè)計(jì)缸筒結(jié)構(gòu) 時(shí) 應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況 選用結(jié)構(gòu)便于裝配 拆卸和維修的鏈接形式 缸筒內(nèi)外徑應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整 3 7 3 活塞桿的計(jì)算校核 2 活塞桿強(qiáng)度計(jì)算 90mm 4 4 mF45 105 185 4 d64 式中 許用應(yīng)力 Q235 鋼的MPa80n b 抗拉強(qiáng)度為 375 500MPa 取 400MPa 為位安全系數(shù)取 5 即活塞 桿的強(qiáng)度適中 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34 3 活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞桿的外端頭部與負(fù)載的拖動(dòng)油馬達(dá)機(jī)構(gòu)相連接 為了避免 活塞桿在工作生產(chǎn)中偏心負(fù)載力 適應(yīng)氣缸的安裝要求 提高其作 用效率 應(yīng)根據(jù)負(fù)載的具體情況 選擇適當(dāng)?shù)幕钊麠U端部結(jié)構(gòu) 4 活塞桿的密封與防塵 活塞桿的密封形式有 Y 形密封圈 U 形夾織物密封圈 O 形密 封圈 V 形密封圈等 6 采用薄鋼片組合防塵圈時(shí) 防塵圈與活塞桿 的配合可按 H9 f9 選取 薄鋼片厚度為 0 5mm 為方便設(shè)計(jì)和維護(hù) 本方案選擇 O 型密封圈 3 7 4 氣缸工作行程的確定 氣缸工作行程長(zhǎng)度可以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程確定 并參照表 4 4 選取標(biāo)準(zhǔn)值 氣缸活塞行程參數(shù)優(yōu)先次序按表 4 4 中的 a b c 選用 表 4 4 a 氣缸行程系列 GB 2349 80 6 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 表 4 4 b 氣缸行程系列 GB 2349 80 6 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 表 4 4 c 氣缸形成系列 GB 2349 80 6 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 根據(jù)設(shè)計(jì)要求知快速接近工件 行程根據(jù)任務(wù)書要求 根據(jù)表 3 8 可選取氣缸的工作行程為 100mm 3 7 5 活塞的設(shè)計(jì) 由于活塞在氣力的作用下沿缸筒往復(fù)滑動(dòng) 因此 它與缸筒的 配合應(yīng)適當(dāng) 既不能過緊 也不能間隙過大 配合過緊 不僅使最 低啟動(dòng)壓力增大 降低機(jī)械效率 而且容易損壞缸筒和活塞的配合 表面 間隙過大 會(huì)引起氣缸內(nèi)部泄露 降低容積效率 使氣缸達(dá) 不到要求的設(shè)計(jì)性能 考慮選用 O 型密封圈 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 35 3 7 6 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 H 的確定 當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí) 從活塞支承面中點(diǎn)到到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中 點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 1 影響氣缸工作性能和穩(wěn)定性 因此 在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證氣缸有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 當(dāng)氣缸最 大行程為 L 缸筒直徑為 D 時(shí) 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為 20L 4 5 一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度 A 在缸徑小于 80mm 時(shí)取 A 0 6 1 0 D 當(dāng)缸徑大于 80mm 時(shí)取 A 0 6 1 0 d 活塞寬度 B 取 B 0 6 1 0 D 若導(dǎo)向長(zhǎng)度 H 不夠時(shí) 可在活塞桿上增加一個(gè)導(dǎo)向 套 K 見圖 4 1 來增加 H 值 隔套 K 的寬度 21AC 圖 3 5 氣缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 1 因此 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 取 H 9cm 導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度 A cm2 798 0 活塞寬度 B 1 2 導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu) 導(dǎo)向套有普通導(dǎo)向套 易拆導(dǎo)向套 球面導(dǎo)向套和靜壓導(dǎo)向套 等 可按工作情況適當(dāng)選擇 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 36 3 7 7 端蓋和缸底的計(jì)算校核 在單活塞氣缸中 有活塞桿通過的端蓋叫端蓋 無活塞桿通過 的缸蓋叫缸頭或缸底 端蓋 缸底與缸筒構(gòu)成密封的壓力容腔 它 不僅要有足夠的強(qiáng)度以承受氣力 而且必須具有一定的連接強(qiáng)度 端蓋上有活塞桿導(dǎo)向孔 或裝導(dǎo)向套的孔 及防塵圈 密封圈槽 還有連接螺釘孔 受力情況比較復(fù)雜 設(shè)計(jì)的不好容易損壞 1 端蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算 端蓋厚 h 為 3p 1 cpdD 式中 D1 螺釘孔分布直徑 cm P 壓力 2kgf m 密封環(huán)形端面平均直徑 cm cpd 材料的許用應(yīng)力 2kgf c 2 缸底的設(shè)計(jì) 缸底分平底缸 橢圓缸底 半球形缸底 3 7 8 缸體長(zhǎng)度的確定 氣缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和 缸體 外形長(zhǎng)度還需要考慮到兩端端蓋的厚度 1 一般氣缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng) 大于缸體內(nèi)經(jīng)的 20 30 倍 取系數(shù)為 5 則氣缸缸體長(zhǎng)度 L 5 10cm 50cm 3 7 9 緩沖裝置的設(shè)計(jì) 氣缸的活塞桿 或柱塞桿 具有一定的質(zhì)量 在氣力的驅(qū)動(dòng)下 運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的動(dòng)量 在它們的行程終端 當(dāng)桿頭進(jìn)入氣缸的端 蓋和缸底部分時(shí) 會(huì)引起機(jī)械碰撞 產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲 采用 緩沖裝置 就是為了避免這種機(jī)械撞擊 但沖擊壓力仍然存在 大 約是額定工作壓力的兩倍 這就必然會(huì)嚴(yán)重影響氣缸和整個(gè)氣系統(tǒng) 的強(qiáng)度及正常工作 緩沖裝置可以防止和減少氣缸活塞及活塞桿等 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 37 運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)缸底或端蓋的沖擊 在它們的行程終端能實(shí)現(xiàn) 速度的遞減 直至為零 當(dāng)氣缸中活塞活塞運(yùn)動(dòng)速度在 6m min 以下時(shí) 一般不設(shè)緩沖裝 置 而運(yùn)動(dòng)速度在 12m min 以上時(shí) 不需設(shè)置緩沖裝置 在該組合 機(jī)床氣系統(tǒng)中 動(dòng)力滑臺(tái)的最大速度為 4m min 因此沒有必要設(shè)計(jì)緩 沖裝置 3 8 氣壓元件選取及工作原理 氣壓驅(qū)動(dòng)是利用壓縮氣體的壓力能來實(shí)現(xiàn)能量傳遞的一種方式 其介質(zhì)主要是空氣 也包括燃?xì)夂驼羝?典型的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)由以 下四部分組成 3 8 1 氣源裝置 氣源裝置是獲得具有一定能量的壓縮空氣的裝置 其主體部分 是空氣壓縮機(jī) 有的還配有氣源凈化處理裝置 氣罐等附屬設(shè)備 它將原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能 氣壓傳動(dòng)對(duì)氣源的 要求 1 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量 2 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度 下面對(duì)于主要的氣源裝置元件進(jìn)行如下介紹 1 空氣壓縮機(jī) 空氣壓縮機(jī)是產(chǎn)生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置 是氣源主要的設(shè) 備 按結(jié)構(gòu)和工作原理可分為速度型和容積型兩大類 容積型壓縮 機(jī)是利用特殊形狀的轉(zhuǎn)子或活塞壓縮吸入封閉容積室空氣的體積來 增加空氣的壓力 容積型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 使用方便 本設(shè)計(jì)選用容積型 壓縮機(jī) 2 儲(chǔ)氣罐 儲(chǔ)氣罐可以調(diào)節(jié)氣流 減少輸出氣流的脈動(dòng) 使輸出氣流連續(xù) 和氣壓穩(wěn)定 也可以作為應(yīng)急氣源使用 還可以進(jìn)一步分離油水雜 質(zhì) 儲(chǔ)氣罐上裝有安全閥 使其極限壓力比正常工作壓力高 10 并裝有指示罐內(nèi)壓力的壓力表和排污閥等 罐的型式可分為立式和 臥式兩種 本設(shè)計(jì)選用立式儲(chǔ)氣罐 因?yàn)樗倪M(jìn)氣口在下 出氣口 在上 以利用進(jìn)一步分離空氣中的油 水 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 38 3 8 2 執(zhí)行元件 執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng) 并將氣體的 壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置 如氣缸輸出直線往復(fù)式機(jī)械 能 擺動(dòng)氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動(dòng)式機(jī)械能 1 氣缸輸出直線往復(fù)式 氣缸是執(zhí)行元件之一 目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸 其結(jié)構(gòu)和 參數(shù)都已系列化 標(biāo)準(zhǔn)化 通用化 水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙 作用氣缸 單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒 前后缸蓋 活塞 活 塞桿 密封件和緊固件等組成 其工作原理 對(duì)于前伸 回縮氣缸 當(dāng)左側(cè)無桿腔進(jìn)氣 右側(cè)有桿腔排氣時(shí)活塞桿前伸 反之 活塞桿 回縮 對(duì)于上升 下降氣缸 當(dāng)上側(cè)無桿腔進(jìn)氣 下側(cè)有桿腔排氣時(shí) 活塞桿下降 反之活塞桿上升 2 擺動(dòng)氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動(dòng)式 擺動(dòng)氣缸分為單葉片式和雙葉片式 單葉片式擺動(dòng)氣缸 壓縮空氣由進(jìn)氣口輸入 作用在葉片上 帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 另一腔的空氣從排氣口排出 雙葉片式擺動(dòng)氣缸 從進(jìn)氣口進(jìn)入的壓縮空氣作用在一個(gè)葉片 上 同時(shí)通過軸上的氣路也作用在另一葉片上帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn) 這樣雙 葉片式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將是單葉片式的 2 倍 本設(shè)計(jì)采用雙葉片式擺動(dòng)氣缸 這樣就能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩 以 利于機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng) 3 8 3 控制元件 控制元件是用來調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力 流量和控制其流動(dòng)方向 使執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力 動(dòng)作速度和改變運(yùn)動(dòng)方向 并按規(guī)定的 程序工作 控制元件按功能分為壓力控制閥 流量控制閥和方向控 制閥 1 壓力控制閥 調(diào)節(jié)和控制壓力大小的元件稱為壓力控制閥 它包括調(diào)壓閥 溢流閥 順序閥及多功能組合閥 調(diào)壓閥是出口側(cè)壓力可調(diào) 并能保持出口側(cè)壓力穩(wěn)定的壓力控 制閥 溢流閥是在回路中的壓力達(dá)到閥的規(guī)定值時(shí) 使部分氣體從排 氣側(cè)排出 以保持回路內(nèi)的壓力在規(guī)定值的閥 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 39 調(diào)速閥是根據(jù) 流量負(fù)反饋 原理設(shè)計(jì)而成的單路流量閥 調(diào)速 閥一般用于執(zhí)行元件負(fù)載變化大而運(yùn)動(dòng)速度要求穩(wěn)定的系統(tǒng)中 調(diào) 速閥根據(jù) 串聯(lián)減壓式 和 并聯(lián)溢流式 又分為調(diào)速閥和溢流節(jié)流 閥兩種主要類型 本設(shè)計(jì)選用串聯(lián)減壓式調(diào)速閥 2 方向控制閥 方向控制閥是改變壓縮空氣流動(dòng)方向和氣流通斷狀態(tài) 使執(zhí)行 元件的動(dòng)作或狀態(tài)發(fā)生變換的控制閥 其通?？煞譃閱蜗蛐涂刂崎y 和換向型控制閥兩類 1 單向型控制閥 單向閥是指氣流只能向一個(gè)方向流動(dòng)而不能反向流動(dòng)通過的閥 是最簡(jiǎn)單的單向型方向閥 在系統(tǒng)中 單向閥除單獨(dú)使用之外 經(jīng) 常與流量閥 換向閥和壓力閥組合成只能單向控制的閥 單向調(diào)速 閥就是單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)而成 單向調(diào)速閥是把節(jié)流閥芯分成了 上閥芯和下閥芯兩部分 當(dāng)流體正向流動(dòng)時(shí) 其節(jié)流過程與調(diào)速閥 是一樣的 節(jié)流縫隙的大小可通過手柄進(jìn)行調(diào)節(jié) 當(dāng)流體反向流動(dòng) 時(shí) 靠流體的壓力把閥芯壓下 下閥芯起單向閥作用 單向閥打開 可實(shí)現(xiàn)流體反向自由流動(dòng) 當(dāng)正向流動(dòng)時(shí) 經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流 當(dāng)反 向流動(dòng)時(shí) 單向閥打開 不節(jié)流 2 換向型控制閥 換向型方向控制閥按控制方式分類 分為氣壓控制 電磁控制 人力控制 換向閥是利用閥芯和閥體間相對(duì)位置的不同來變換不同 管路間的通斷關(guān)系 實(shí)現(xiàn)接通 切斷 或改變流體方向的閥 它的 用途很廣 種類也很多 換向閥的性能的主要要求是 1 油液流經(jīng)換向閥時(shí)的壓力損 失小 2 互不相通的油口間的泄漏小 3 換向可靠 迅速且 平穩(wěn)無沖擊 按換向閥的操縱方式有 手動(dòng)式 機(jī)動(dòng)式 電磁式 液動(dòng)式 電液動(dòng)式 式 按工作位置數(shù)和控制的通道數(shù)有 二位二通閥 二位三通閥 二位四通閥 二位五通閥 三位四通閥 三位五通閥等 本設(shè)計(jì)選用三位四通電磁換向閥理由如下 1 電磁換向閥是利用電磁鐵吸力推動(dòng)閥芯來改變閥的工作位 置 由于它操作輕便 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 因此應(yīng)用廣泛 2 當(dāng)三位四通電磁換向閥兩端電磁鐵都斷電時(shí) 閥芯處于中位 各口互不相通 3 使用三位四通電磁換向閥能夠快速實(shí)現(xiàn)氣缸的正反向運(yùn)動(dòng) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 40 3 8 4 輔助元件 輔助元件是保證壓縮空氣的凈化 元件的潤(rùn)滑 元件間的連接 及消聲等所必須的 可分為氣源凈化裝置和其他輔助元件兩大類 1 氣源凈化裝置 過濾器 調(diào)壓閥和油霧器等組合在一起稱為空氣處理單元 又 稱為三聯(lián)件 壓縮的空氣中含有各種雜質(zhì) 這些雜質(zhì)的存在會(huì)降低 元件的耐用度和性能 造成誤動(dòng)作和事故 必須清除 空氣處理單 元就是用來清除壓縮空氣的雜質(zhì) 提高空氣質(zhì)量的元件 2 消聲器 消聲器是降低排氣噪聲的裝置 壓縮空氣完成驅(qū)動(dòng)工作后 由 換向閥的排氣口排入大氣 此時(shí)的壓縮空氣是以接近音速的狀態(tài)進(jìn) 入大氣 由于壓力的驟然變化 使空氣急速膨脹從而發(fā)出噪音 其 音量一般為 80dB 100dB 為了改善勞動(dòng)條件 應(yīng)使用消聲器 常 用的消聲器有三種類型吸收型 膨脹型和吸收膨脹型 吸收型消聲 器是依靠吸聲材料來消聲的 膨脹型消聲器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 相當(dāng) 于一段比排氣口徑大的管件 當(dāng)氣流通過時(shí) 讓氣流在其內(nèi)部擴(kuò)散 膨脹 碰壁撞擊 反射 相互干涉而消聲 吸收膨脹型消聲器是上 述兩種的結(jié)合 氣流由斜孔引入 氣流束相互撞擊 干涉 進(jìn)一步 減速 再通過設(shè)在消聲器內(nèi)表面的吸聲材料消聲 最后排向大氣 本設(shè)計(jì)選用膨脹型消聲器 3 8 5 真空發(fā)生器 真空發(fā)生器的作用主要是使吸盤的橡膠皮碗形成真空而將工件 吸附 真空發(fā)生器的工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣 在噴 管出口形成射流 產(chǎn)生卷吸流動(dòng) 在卷吸流動(dòng)作用下 使得噴管出 口周圍的空氣不斷地被抽吸走 使吸附腔內(nèi)的壓力降至大氣壓以下 形成一定真空度 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 41 4 夾持機(jī)構(gòu)機(jī)夾持機(jī)構(gòu)空間分析 夾持機(jī)構(gòu)機(jī)的夾持機(jī)構(gòu)空間 實(shí)質(zhì)上就是測(cè)頭的工作空間 該 空間是指在滿足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)約束和幾何約束的條件下 夾持機(jī)構(gòu)機(jī) 測(cè)頭所能達(dá)到的空間點(diǎn)的所有點(diǎn)集 這些點(diǎn)集可構(gòu)成一個(gè)體積 該 體積的邊界曲面就是測(cè)頭工作空間的邊界 4 1 夾持機(jī)構(gòu)夾持機(jī)構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束 基本上 并聯(lián)的物理約束有三個(gè) 他們是 連桿桿長(zhǎng)約束 運(yùn) 動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束和連桿桿間干涉 不同于通過限制轉(zhuǎn)動(dòng)副來限制有效 自由度 本節(jié)討論的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束主要是限制運(yùn)動(dòng)范圍 4 1 1 連桿桿長(zhǎng)約束 連桿在運(yùn)動(dòng)過程中 其桿長(zhǎng)必須滿足條件 i 1 2 3 0maxinil 在上式中 lmin 和 lmax 分別表示連桿的最小桿長(zhǎng)和最大桿長(zhǎng) 4 1 2 運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束 同樣 在并聯(lián)工作過程中 必須滿足條件 0 i max i 1 2 3 在上式中 max 代表球面副的最大圓錐擺角 i 為基座平面的法 向量 m 與第 i 條連桿桿長(zhǎng)向量 li 之間的夾角 圖 4 1 可以表示成 cosi 1 ilm 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 42 圖 4 1 運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束 上式中 l b p i 1 2 3 i Tizyxli i m p p p p zm1 2 3 4 1 3 連桿桿間干涉 由于 3 個(gè)并聯(lián)連桿與基座之間的連接關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動(dòng)副 三個(gè)連桿 只能在各自的約束平面內(nèi)運(yùn)動(dòng) 因而不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象 4 2 確定夾持機(jī)構(gòu)空間的基本方法 為了描述夾持機(jī)構(gòu)機(jī)測(cè)頭的工作空間 可取若干個(gè)適當(dāng)?shù)钠叫?平面作為工作空間的剖面 這些平面與工作空間的交即是工作空間 在這些剖面上的邊界曲線 若取一系列這樣的剖面 就可得到一系 列的邊界曲線 這些邊界曲線的集合就可構(gòu)成一個(gè)完整的工作空間 邊界 例如 取一平行于 XOBY 的平面 X1ZjY1 作為工作空間的剖面 如圖 4 2 所示 該平面距坐標(biāo)原點(diǎn) OB 的距離 Zj Zmin Zmax 然后 在該平面上取一極角 i 作一極線 那么極線 與邊界曲線的交點(diǎn) i 即為測(cè)頭在該極線上所能達(dá)到的最遠(yuǎn)點(diǎn) 因此 只要能在此極線 上找到 i 即可算出該邊界點(diǎn)在坐標(biāo)系 OB XYZ 中的空間坐標(biāo) 即 icos i i sin i Z 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 43 圖 4 2 量空間剖面選取及邊界曲線的確定 由此可以看出 通過上述方法處理后 即可將工作空間邊界點(diǎn) 的計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為對(duì) i 的一維搜索問題 當(dāng)求得一個(gè)邊界點(diǎn)后 令 極線的極角增加 再按上述方法搜索出另一個(gè)邊界點(diǎn) 當(dāng)極角 i 由 0 開始增加到 360 時(shí) 就可得到該剖面上完整的邊界曲線 作完 一個(gè)剖面后 增加 Zj 再重復(fù)同樣方法 直到 Zj 由 Zmin 變化到 Zmax 為止 這樣就可求出夾持機(jī)構(gòu)機(jī)測(cè)頭的整個(gè)工作空間邊界 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 44 總 結(jié) 本文著重介紹了虛擬環(huán)境下并聯(lián)夾持機(jī)構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)建模和仿真 首先說明一下本文研究?jī)?nèi)容所涉及到的學(xué)術(shù)背景 并闡述了 虛擬樣 機(jī) 等名詞的內(nèi)涵 接下來詳細(xì)討論了并聯(lián)夾持機(jī)構(gòu)機(jī)虛擬樣機(jī)的幾 何模型 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 45 參考文獻(xiàn) 1 John A Bosch Coordinate Measuring Machines and Systems New York Marcel Dekker Inc 1995 1 38 2 張國(guó)雄 三夾持機(jī)構(gòu)機(jī) M 天津 天津大學(xué)出版社 1999 3 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