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轻工业技术论文 直交轴摆动装置设计

2018-12-19 13:14:54来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘 要

  随着社会的不断发展,机器人的应用也越来越受到人们的爱戴,在工业环境中机器人的力量可以代替人的力量,是社会发展的必然趋势。

  在实践生产过程中,应用机械手,可以提高工件的装卸、传送、刀具的换取以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

  直交轴摆动机构在工业生产中加工成本低,传动效率高,所以在自动生产线和轻工业机械化设备、包装设备等方面有广泛的应用。

  关键词:直交轴摆动机构;机械手;轻工业

  1绪论

  1.1机械手的发展背景

  机械手的研制起源于美国,在1958年美国联合控制公司发明出了第一台机械手。它的结构为:机体上面安装了一个回转的长臂,顶部装了电磁块工件抓放机构,为国民的经济发展提供了装备和为人民的生活提供了更好的生活产品。不管是传统产业还是新的产业,都离不了各式各样的机械装备,机械工业所提供的装备性能和质量以及成本对国民经济的各部门技术和经济效益有很大的影响。机械工业规模和技术的水平是衡量一个国家经济技术和经济实力的很重要的标志。所以,世界上的国家把发展机械工业作为一个国家经济的战略重点之一。

  1.2机械手的分类

  1.2.1按用途分:

  专用机械手和通用机械手。

  1.2.2按驱动方式分:

  液压传动机械手、气压传动机械手、机械传动机械手、电力传动机械手。

  2总体方案的设计

  2.1设计要求

  要求设计一抓取零件的机械手,要求当气缸进气,手爪强制闭合,当切断供气时,在弹簧力作用下手爪张开。要求工作过程中,运动稳定、可靠,且结构简单、紧凑。具体涉及直交轴摆动机构和一种气动机械手爪。

  2.2设计方案

  在本次设计中,我拟定了两个方案。

  第一个方案:在直交轴摆动机构的摆杆上安装一个气动机械手,采用的机械手是齿轮机械手,平行张开闭合。

  第二个方案:在直交轴摆动机构的摆杆上安装一个气动机械手,采用的机械手是连杆机械手,可以张开一定的角度。

  2.3最终方案

  因为设计要求当气缸进气,手爪强制闭合,当切断供气时,在弹簧力作用下手爪张开,所以气缸采用单作用活塞气缸,它是带不动齿轮机械手的,因为需要的力比较大,单作用活塞气缸适用于需要的力比较小的场合,并且齿轮机械手只能平行张开闭合,整个装置只有一个自由度,不能抓取住零件,需要一定的张开角度,连杆机械手满足要求,所以选用第二个设计方案。

  3结构的设计

  3.1直交轴摆动机构的设计

  3.1.1组成原件

  包括基座、摆杆和摆动轴,皮带轮、销孔盘、套筒销、套筒、套筒轴和支杆。

  3.1.2运动原理

  皮带轮带动销孔盘转动,套筒销在销孔盘上面的一个孔中同时做两种运动:绕皮带轮的轴作圆周运动和在销孔中作轴向的滑动。套筒销固定在套筒上,套筒可以沿套筒作上下滑动和绕支点轴承作转动。当皮带轮转动时,销孔盘转动,带动套筒作旋转运动,经过套筒传动后使得摆杆做周期的往复运动。(见图3.1直交轴摆动机构)

  图3.1

  3.1.3直交轴摆动机构的机构简化

  我们要求摆杆的长度为200mm,摆动的转角为90°,根据使用情况整个机构的工作空间不能超过200x200x350。图示为摆杆从(1)位置(极限位置)经(2)位置(水平位置)到达(3)位置的示意图。(见图3.2直交轴摆动机构的机构简化)

  设计时我们需要参数化设计的关键尺寸,关系如下:

  ;

  取c为45mm时;

  b的数值符合下列不等式:

  C

  100

  d可取值为35mm,代入b可取为60mm。

  图3.2

  3.1.4轴套筒支杆

  在上式中计算出c=45mm,已知摆杆长度为200mm。

  摆杆的位置在轴的中间(见图3.3 轴套筒支杆)

  图3.3

  因为计算出a=63.64mm,所以取销孔盘的半径为35mm。

  轴套筒支杆的高度为150mm,两支杆的距离为110mm,厚度为10mm。(见图3.4 轴套筒支杆尺寸图)

  图3.4

  3.1.5套筒和套筒轴

  计算出d=35mm,所以可以计算出套筒的销孔轴的长度。(见图3.5 套筒和3.6套筒尺寸图)

  图3.5

  在直交轴摆动机构中的支杆上的孔的大小为14mm,为了让套筒可以自由的上下移动,所以套筒孔的直径大小为15mm。壁厚为5mm,销孔轴的长度为70mm,可以保证不会溜出来。

  图3.6

  在直交轴摆动机构的轴套筒支杆中,两支杆的距离为110mm,孔大小为14mm,可设计出套筒轴。(见图3.7 套筒轴尺寸图)

  图3.7

  3.1.6销孔盘设计和轴承的选取

  在直交轴摆动机构中销孔盘的大小决定着其机构转动的极限角度,上面计算出a=63.64mm,所要求的摆杆转动角度为90°,销孔盘的半径可取35mm。可计算出销孔盘孔的位置和大小。(见图3.8 销孔盘和图3.9 销孔盘的尺寸大小)。

  图3.8

  图3.9

  在轴承的选择方面,为了更好的配合和强度方面,所选择的轴承尺寸系列代号为02 NV203E和10 NV1008。(见图3.10 02轴承配合图和3.11 10轴承配合图)

  两个轴承的具体尺寸:

  尺寸系列代号:02 尺寸系列代号:10

  大小: NV203E 大小:NV1008

  外径:40 外径:68

  内径:17 内径:40

  宽度:12 宽度:15

  图3.10

  图3.11

  3.1.7固定支架

  固定支架是为了限制管道或设备位移的,是一种支架形式。本次设计的支架是为了固定销孔盘的位置和轴套筒支杆的位置,也可以使得整个结构更稳定,在固定支架上面打了四个孔,是为了更好的固定,整个固定支架全长为320mm,宽度为350mm,高度为220mm。(见图3.12固定支架和3.13固定支架尺寸图)

  图3.12

  图3.13

  3.2机械手的设计

  3.2.1机械手的应用

  随着我国工业生产的不断飞跃发展,自动化程度迅速提高,实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化,已愈来愈引起人们的重视。

  机械手是模仿着人们的手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人们进行正常的工作,意义更为重大。因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输等方面得到越来越广泛的应用。

  3.2.2机械手的组成

  机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的如方框图3.14所示。

  (1)执行机构

  手部:本次毕业设计使用夹持式手部,夹持式手部由手指(或手爪)和传力

  所构成,手指是与物件直接接触,而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹物件的任务。

  手腕:是联接手部和手臂的部件,起调整或改变工件方位的作用。

  手臂:支承手腕和手部的部件,用以改变工件的空间位置。

  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)运动与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的,但因工作需要,有时也作横向移动,即称为可移式立柱。

  机座:它是机械手的基础部分,机械手执行机构的各种部件和驱动系统均安装于机座上,故起支承和联接的作用。

  执行机构

  驱动系统

  控制系统

  位置检测装置

  被抓取工件

  图3.14

  (2)驱动系统

  机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。

  (3)控制系统

  有电气控制和射流控制两种,一般常见的为电气控制。它是机械手的重要组成部分,它分配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予的指令(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间),同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

  (4)位置检测装置

  控制机械手执行机构的运动位置,并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

  3.2.3机械手的分类

  (1)按用途分:专用机械手和通用机械手,由于本次毕业设计是具有动作少、工作对象单一、结构简单、实用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化

  生产,所以属于专用机械手。

  (2)按驱动方式分:液压传动机械手、气压传动机械手、机械传动机械手、电力传动机械手,由于本课题要求设计一抓取零件的机械手,要求当气缸进气,手爪强制闭合,当切断供气时,在弹簧力的作用下手爪张开,所以选用气压传动机构。

  (3)本次机械设计机械手的主要技术参数

   = 1 \* GB3 \* MERGEFORMAT ①型号与名称。

   = 2 \* GB3 \* MERGEFORMAT ②机械结构形式。

   = 3 \* GB3 \* MERGEFORMAT ③自由度数:1个自由度。

   = 4 \* GB3 \* MERGEFORMAT ④运动范围:实现手爪闭合抓取零件,手臂摆动,手爪张开放下零件,手臂摆动到原地方的循环动作。

   = 5 \* GB3 \* MERGEFORMAT ⑤运动速度:指最大速度或平均速度,或各运动自由度的速度。

   = 6 \* GB3 \* MERGEFORMAT ⑥抓取重量:表示负荷能力的参数。根据其抓取的零件来确定抓取的重量,通常用最大速度时腕部最大负荷(N)表示。

   = 7 \* GB3 \* MERGEFORMAT ⑦驱动方式:气压驱动。

   = 8 \* GB3 \* MERGEFORMAT ⑧定位精度:衡量工业机械手工作质量的重要指标。一般指重复定位精度。定位精度与位置控制方式、运动部件本身的精度和刚度、抓重、运动速度等因素有密切关系。

  为了更好地理解机械手可见图3.15手指运动型式示意图

  图3.15

  3.2.4机械手的设计

  (1)抓取的零件

  本次设计机械手的适用场合是轻工业抓取棒料,所以零件为棒料,材料是45钢,可以算出它的重量,棒料长高h为100mm,底面半径为r为20mm。

  (2)机械手握力的计算

  手指握紧工件时所需要的力称为握力(即夹紧力),握力的大小与被加持工件的重量、重心位置以及加持工件的方位有关,我们把握力假象为作用在过手指与工件接触面的对称平面内,并设两力大小相等,方向相反,用N表示,如图3.16V形指形夹圆棒料受力情况所示。图示手指为水平位置夹紧水平位置放置的工件的情形。

  图3.16

  当工件重量、手指指形、工件的形状和夹持的方位正确后,即可借助图3.17

  查出握力计算公式,结合驱动力的计算方法,可求出驱动力的大小。

  由上面计算可得出握力(夹紧力)为75N。

  (3)驱动装置的设计

  手部夹持工件时的握力,是通常通过液压(或气压)驱动装置产生驱动力,尔后经过传动力机构传递过去的,驱动装置的型式一般有双向作用和单向作用活塞缸式两种(本次设计是气压驱动装置产生驱动力,驱动装置的型式是单向作用活塞式)。

  图3.19为单向作用活塞式气压驱动装置示意图,当空气压力流入时,活塞杆右移使手指夹紧工件,当没有气体流入时,在弹簧反作用力的作用下活塞杆左移,手指松开工件(图3.20 气缸和机械手装配图)。

  图3.19

  图 3.20

  常开式和常闭式仅有一个输送工作介质的管道,故结构简单,尤其在手腕动作较多的情况下,采用这种结构可简化管道的设计。常开式驱动装置目前应用最多。常闭式手指由于靠弹簧力而夹紧工件,所以握力不宜很大,但是这种手指不会因为工作介质压力不稳定或偶尔事故造成驱动系统失压而发生工件脱落的危险。然而本次的设计就是常闭式单作用气缸。

  单杆单作用气缸,其驱动力公式为:

  图3.21

  (4)选用机械手的类型

   = 1 \* GB3 \* MERGEFORMAT ①按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;

   = 2 \* GB3 \* MERGEFORMAT ②按适用范围可分为专用机械手和通用机械手;

   = 3 \* GB3 \* MERGEFORMAT ③按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手。

  本次设计是气动式、专用、点位控制机械手,是一种连杆机构机械手,可见图3.22 连杆机械手。

  图3.22

  连杆机构是机械的组成部分中的一类,指由若干(两个以上)有确定相对运动的构件用低副(转动副或移动副)联接组成的机构。其广泛应用于内燃机、搅拌机、输送机、椭圆仪、机械手爪、牛头刨床、开窗、车门、机器人、折叠伞中。(可见图3.23 一种连杆机构)

  图3.23

  (5)机械手的结构设计

   = 1 \* GB3 \* MERGEFORMAT ①机械手的V形手指角度:120°,可见图3.24机械手V形角度。

  图3.24

   = 2 \* GB3 \* MERGEFORMAT ②机械手的手指尺寸,可见图3.24 机械手手指尺寸。

  图3.24

   = 3 \* GB3 \* MERGEFORMAT ③连杆的设计及尺寸,可见图3.25连杆的尺寸。

  图3.25

  3.3气缸的设计

  3.3.1气缸的作用

  将气压能转换为往复直线运动机械能。

  3.3.2气缸的类型

  本次设计用的单作用气缸,压缩空气使活塞向一个方向运动,借助弹簧的作用力复位;结构比较简单,弹簧力起背压作用,输出力随行程变化,所以用于较小的场合(可见图3.27单作用气缸简图)。

  图3.27

  本次设计我们选用的是活塞式气缸第二个,借助弹簧复位的气缸。

  3.3.3气缸的基本结构参数

  采用QCM2系列小单活塞杆气缸可见其参数,图3.28气缸参数。

  图3.28

  因为套筒轴支杆的宽度为40mm,所以选用缸径为32mm的参数,具体数值可看图3.28,并画出其气缸装配图(图3.29气缸外壳)。

  图3.29

  3.3.4活塞的设计

  根据其缸径为32mm,活塞行程为65mm,可设计出活塞尺寸和活塞杆尺寸。可见图3.30活塞尺寸和图3.31活塞杆尺寸。

  图3.30

  活塞是气缸体中作往复运动的机件,活塞的基本部件结构可分为顶部、头部和裙部。一般活塞多采用平顶或者凹顶,制作工艺比较简单,比较紧凑。活塞必须要有足够的强度和刚度,导热性号,耐热性高,膨胀系数小(尺寸及形状变化要小),相对密度小(重量轻),耐磨及耐腐蚀,还要成本低,故本次设计中活塞的材料采用铝合金。

  图3.31

  算出其尺寸之后可见活塞杆装配图3.32。

  图3.32

  4控制系统

  控制系统是可以让它实现按照我们所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何可变的量。

  4.1控制循环图

  在本次设计中,运用了PLC控制系统,控制流程如图4.1所示。

  电机开始转动

  转动5秒,摆杆

  转动到另一端

  电机停止工作,气缸进气,手爪闭合,抓取零件

  经过3秒之后,电机重新启动,转动5秒,摆杆转动到原来的位置

  电机再次停止工作,气缸断气,手爪张开,放取零件,时经3秒,电机再次启动,实现循环动作

  图4.1

  4.2 控制梯形图

  5套筒轴支杆的有限元分析

  5.1套筒轴支杆的作用

  第一个作用:套筒带动套筒轴支杆左右摆动。

  第二个作用:套筒轴支杆要承受气缸和机械手的压力。

  5.2套筒轴支杆的承受压力

  本次设计中气缸和机械手的材料都是铝合金,因为所夹的零件不大,所以选用铝合金,其铝合金的密度为,其气缸和机械手的总重力为125N。

  按照压强公式可以把套筒轴支杆上的压力求出来,为0.125MPa,接下来用SW进行受力分析(图5.1套筒轴受力分析图)。

  图5.1

  在图中可以看到套筒轴支杆已经弯曲,可见图5.2套筒轴支杆受力分析报告。

  图5.2

  由报告可看出最大位移是0.00169779m,属于微变形,所以套筒轴支杆可以承受气缸和机械手的总重量。

  结论

  通过此次毕业设计,我不仅学习到了直交轴摆动装置机构的原理,而且了解了机械手的在社会上面的发展趋势,伴随着社会的不断迅速发展,机械手的应用是越来越广泛,它可以代替人为劳动力,减轻人在工业上的劳动力,使自己在专业知识方面有了质的飞跃。

  毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业,它不但是对学校所学知识的综合应用,也是今后走向社会发展奠定了一定的基础,让我学习到一份完整的设计需要什么东西,要做到面面俱到,提高我们的学习能力和解决问题的能力,毕业设计的指导是老师检验教学的效果,让其改进教学的方法,提高教学质量的绝好机会。

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