【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 空吸盤(pán)的設(shè)計(jì) 真空吸盤(pán)是利用吸盤(pán) 內(nèi)形成負(fù)壓（真空）而把工件吸附住的元件。它適用于抓取薄片狀的工件，如塑料板、矽鋼片、紙張及易碎的玻璃器皿等，要求工件表面平整光滑、無(wú)孔無(wú)油。 吸盤(pán)材料構(gòu)成 除結(jié)構(gòu)外，吸盤(pán)材料也是決定其 密封性能 的關(guān)鍵因素。目前市場(chǎng)上的真空吸盤(pán)采用的材料有丁腈橡膠、硅橡膠、聚氨酯、氟橡膠等。由硅橡膠制成的吸盤(pán)適于抓住表面較粗糙的制品；由氨酯制成的吸盤(pán)則很耐用。另外，在實(shí)際生產(chǎn)中如果要求吸盤(pán)具有耐油性，則可以考慮使用聚氨酯、 丁腈橡膠或含乙烯基的聚合物等材料來(lái)制造吸盤(pán)。具體材料的選擇要根據(jù)工作環(huán)境對(duì)吸盤(pán)耐油、耐水、耐磨、耐熱、耐寒等性能要求確定。 本次設(shè)計(jì)采用較為常見(jiàn)的橡膠材料聚氨脂橡膠。 吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)形狀和安裝方式： 真空吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)分為普通型和特殊型，常見(jiàn)的普通型真空吸盤(pán)有以下三種：(a) 扁平吸盤(pán)形狀各異，材料品種多，特別適于搬運(yùn)表面光滑的工件； (b) 短波紋管型吸盤(pán)吸附剛性好，接觸工件時(shí)緩沖性能好，吸力強(qiáng)，其波紋管可作小行程移動(dòng)，用來(lái)分離細(xì)小工件，但它很少用于垂直舉升； (c) 長(zhǎng)波紋管型吸盤(pán)與短波紋管型吸盤(pán) 適用場(chǎng)合相同，但它能適用水平方向更大高度差，并可做較長(zhǎng)距離運(yùn)送動(dòng)作。 特殊型真空吸盤(pán)是為了滿(mǎn)足特殊應(yīng)用場(chǎng)合而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，又分為異形吸盤(pán) 5 和專(zhuān)用吸盤(pán)兩種，這些吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)形狀因吸附對(duì)象而異，種類(lèi)繁多 。 選取條件主要根據(jù)被吸附的工件形狀和使用條件來(lái)確定，由設(shè)計(jì)要求所知的平板玻璃材質(zhì)工件分析現(xiàn)采用碗狀吸盤(pán)。采用緊固螺栓將吸盤(pán)和噴嘴固定。本次設(shè)計(jì)采用扁平吸盤(pán)的變形設(shè)計(jì)其具體的結(jié)構(gòu)和尺寸如下圖 圖 真空吸盤(pán)用于兩種不同位置工作時(shí)的安裝方位。在吸盤(pán)水平安裝時(shí)，除了要吸持住工件負(fù)載外，還應(yīng)該考慮吸盤(pán)移動(dòng)時(shí)因工件的慣性力對(duì)吸力的影響。而吸盤(pán)垂直安裝時(shí)，吸盤(pán)的吸力與吸盤(pán)與工件間的摩擦力有密切關(guān)系。 本次設(shè)計(jì)采用水平安裝。 真空橡膠吸盤(pán)吸附力的計(jì)算及其尺 寸確定校核 參考文獻(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)論文《吸盤(pán)的受力分析》 可得到以下資料 真空吸盤(pán) 兩 種工作情況下的力學(xué)模型，參數(shù)說(shuō)明如下： ΔPu 為真空度； Fv 為垂直負(fù)載； Aw 為有效面積； Fh為水平負(fù)載； Pd 為密封面的表面壓力； Fr 為摩擦力；Ad為密封面積； Ad 為密封面積的受力； F為負(fù)載力； μ 為真空吸盤(pán)與工件間的摩擦系數(shù)； Fs 為吸力； Fa 為加速度力； x、 y為真空吸盤(pán)受力分析坐標(biāo)。 由真空吸盤(pán)工作原理及上述受力可知，要滿(mǎn)足正常的吸持物體的要求，即能夠正常作業(yè)的條件為： Fd=PdAd ＞ 0，且水平安裝時(shí) Fr= Fd?μ ＞ Fh，垂直安 裝時(shí) Fr= Fd?μ ＞ Fv。設(shè)，已知被吸持物體重 mkg，真空度為 ΔPu ，則 Fs=ΔPu?Aw 。再設(shè)旋轉(zhuǎn)角度 φ ，旋轉(zhuǎn)半徑 r，重力加速度 g，夾持時(shí)間 t， Fs1為靜態(tài)吸力， 6 Fs2為動(dòng)態(tài)吸力。 a． 靜態(tài)負(fù)載計(jì)算 公式為 ： 靜態(tài)吸力： Fs1=fv=mg； b． 動(dòng)態(tài)負(fù)載計(jì)算 公式為 ： 當(dāng)真空吸盤(pán)處于水平位置時(shí)，受力處于平衡狀態(tài)，即： ∑Fx=0 Fh Fr=0 即 Fh=Fr ∑Fy=0 Fv+Fd Fs2=0 即 Fd=Fs2Fv 因?yàn)槟Σ亮?Fr 等于密封面積的受力和摩擦系數(shù)的乘積，即： Fr=Fd?μ=(Fs2 Fv)?μ 又因?yàn)榇怪必?fù)載力 Fv等于物體質(zhì)量與加速度的乘積，當(dāng)真空吸盤(pán)處于垂直位置時(shí)，受力處于平衡狀態(tài)。 由于本機(jī)械手采用水平安裝，且運(yùn)動(dòng)的速度為勻速，速度較慢，所以受力分析無(wú)水平面內(nèi)的受力，工件的翻轉(zhuǎn)為勻速無(wú)向心加速度，只需簡(jiǎn)單的考慮垂直方向的靜態(tài) 受力即可， Fs1= fv= mg 取安全系數(shù)為 Fs1= 10kg 2m /s= Fs1==ΔPu?Aw / 1K 2K 3K 式中 1K —— 安全系數(shù)，一般取 1K =～２ 1K 取 １ .５ 2K —— 工作情況系數(shù)，一般取 2K ＝１～３ 2K 取１ 3K—— 姿態(tài)系數(shù)： 當(dāng)吸附表面處于水平位置時(shí)， 3K =1 當(dāng)吸附表面處于垂直位置時(shí)， 3K =1/f f為盤(pán)與被吸體的摩擦系數(shù) 則 1SF = △ uP ? eD4? ／ 1K 2K 3K 式中 eD —— 吸盤(pán)的有效直徑 7 △ uP = sF 1K 2K 3K ／ 24 eD? ＝ ｍｇ 1K 2K 3K ／ 24 eD? ＝ 10kg? 2m /s? ? 4／ ? 2m = 真空泵的選用 本次設(shè)計(jì)選用旋片式真空泵其結(jié)構(gòu)如圖 旋片泵工作原理圖 1泵體 。2旋片 。3轉(zhuǎn)子 。 4彈簧 。5排氣閥 片式真空泵的工作原理說(shuō)明 如圖為旋片泵的工作原理示意圖，旋片泵主要由定子、轉(zhuǎn)子、旋片、定蓋、彈簧等零件組成。其結(jié)構(gòu)是利用偏心地裝在定子腔內(nèi)的轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子的外圓與定子的內(nèi)表面相切兩者之間的間隙非常?。┖娃D(zhuǎn)子槽內(nèi)滑動(dòng)的借助彈簧張力和離心力緊貼在定子內(nèi) 壁的兩塊旋片，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，始終沿定子的內(nèi)壁滑動(dòng)。 兩個(gè)旋片把轉(zhuǎn)子、定子內(nèi)腔和定蓋所圍成的月牙型空間分隔成 A、 B、 C三個(gè)部分，當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，與吸氣口相通的空間 A 的容積不斷地增大， A空間的壓強(qiáng)不斷的降低，當(dāng) A 空間內(nèi)的壓強(qiáng)低于被抽容器內(nèi)的壓強(qiáng)，根據(jù)氣體壓強(qiáng)平衡的原理，被抽的氣體不斷地被抽進(jìn)吸氣腔 A，此時(shí)正處于吸氣過(guò)程。 B 腔的空間的容積正逐漸減小，壓力不斷地增大，此時(shí)正處于壓縮過(guò)程。而與排氣口相通的空間 C的容積進(jìn)一步地減小， C 空間的壓強(qiáng)進(jìn)一步的升高，當(dāng)氣體的壓強(qiáng)大于排氣壓強(qiáng)時(shí)，被壓縮的氣體推開(kāi)排氣閥 ，被抽的氣體不斷地穿過(guò)油箱內(nèi)的油 8 層而排至大氣中，在泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，不斷地進(jìn)行著吸氣、壓縮、排氣過(guò)程，從而達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。 排氣閥浸在油里以防止大氣流入泵中，油通過(guò)泵體上的間隙、油孔及排氣閥進(jìn)入泵腔，使泵腔內(nèi)所有運(yùn)動(dòng)的表面被油覆蓋，形成了吸氣腔與排氣腔的密封，同時(shí)油還充滿(mǎn)了一切有害空間，以消除它們對(duì)極限真空的影響 本次設(shè)計(jì)真空泵選用 江蘇海門(mén)遠(yuǎn)東真空設(shè)備有限公司 生產(chǎn)的旋片式真空泵。其技術(shù)參數(shù)如下： 性能 Function 型號(hào) Model 2X4A 2X8A 2X8 2X15 2X30A 2X70A 抽氣速率 (L/S) Pumping Speed 4 8 8 15 30 70 極限壓力(≤Pa) Ultimate Pressure ≤610 2 電機(jī)功率 (kw) Motor Power 3 溫升 (℃) Temperature Rise ≤40℃ 噪音 dB(A) LW Noise ≤72 ≤78 ≤78 ≤80 ≤82 ≤86 進(jìn)氣口徑 (mm) Inlet Diameter Φ25 Φ25 Φ40 Φ40 Φ65 Φ80 泵轉(zhuǎn)速 (rpm) Rotational Speed 450 550 320 320 450 420 用油量 (L) Injection Amount of Oil 2 2 外形尺寸 (cm) Size 553441 554344 794354 795354 785056 916570 重量 (Kg) Weight 54 70 135 428 240 9 按上表選用 2X8A 型號(hào) 旋片式真空泵，其各方面指標(biāo)均符合條件。 由于 2X8A 型 真空泵的重量有 70kg,所以該真空泵不能安裝在機(jī)械手的頭部，以避免影響聯(lián)接件的剛度和強(qiáng)度，所以真空泵由軟管聯(lián)接安裝在地方，軟管和機(jī)械手的臂部聯(lián)接采用滕州福瑞德公司研發(fā)生產(chǎn)的 RC10螺紋旋轉(zhuǎn)接頭。旋轉(zhuǎn)接頭和臂部的聯(lián)接采用內(nèi)外螺紋聯(lián)接，旋轉(zhuǎn)接頭和軟管的聯(lián)接采用鋼絲箍緊，旋轉(zhuǎn)接頭如圖 3所示： 圖 旋轉(zhuǎn)接頭 10 吸盤(pán)固定螺釘?shù)膹?qiáng)度校核 吸盤(pán)和噴嘴之間的連接需要一個(gè)螺釘作為緊固。這個(gè)螺釘不僅要使二者緊密連接在一起，而且要在中心位置開(kāi)孔維持氣流的流通。因此這個(gè)螺釘是要自主設(shè)計(jì)的。 由于此螺釘?shù)奈恢迷谖P(pán)內(nèi)部，裝配時(shí)考慮到可操作空間狹小。因此設(shè)計(jì)中要注意到裝配方法的問(wèn)題。通過(guò)查詢(xún)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)?，F(xiàn)在以?xún)?nèi)六角螺釘為基礎(chǔ)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)如下： 此螺釘受到的力主要是軸向拉力，在吸取和釋放工件的時(shí)候受到循環(huán)應(yīng)力。 （ 1）沒(méi)有 工件的時(shí)候，工作拉力 2 2 2m i n 1 . 2 3 . 1 4 ( 5 . 0 3 . 0 ) 5 1 0 3 . 0 1F G V g N N? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?吸 盤(pán) 聚 氨 脂 橡 膠 （ ） （ 2）在吸取工件的時(shí)候，工作拉力 m a x 3 . 0 1 1 0 0 1 0 3 . 0 1F G G V g G N N N?? ? ? ? ? ? ?工 件 工 件吸 盤(pán) 聚 氨 脂 橡 膠 （ ） 因此螺釘受到的最大拉力為 按照教材提供的可選螺釘材料，現(xiàn)選取 45H鋼作為材料。由教材機(jī)械設(shè)計(jì)表58查得材料屈服極限 355S Mpa?? ,由表 510查得安全系數(shù) S=,故螺釘材料的許用應(yīng)力 ? ? 355 2 2 1 . 91 . 6S M p a M p aS?? ? ? ? （ ） 根據(jù)式 ? ?m a x1 4 4 1 0 3 .0 1 0 .7 73 .1 4 2 2 1 .9fd m m m m?? ?? ? ??? 設(shè)計(jì)的螺釘小徑 1 20 .0 0. 77d m m m m?? 滿(mǎn)足強(qiáng)度要求 經(jīng)過(guò)軟件校核：受軸向載荷－緊螺栓（動(dòng)載荷）校核計(jì)算結(jié)果 工作載荷： Fc = kN 相對(duì)剛度： = ? 螺栓材料： 45 螺栓抗拉強(qiáng)度： = 600 MPaB? 螺栓屈服強(qiáng)度： = 355 MPas? 11 抗壓疲勞強(qiáng)度： lt = 140MPa? 安全系數(shù)： a1S = 2 螺栓許用應(yīng)力幅： [ ] = MP a?? 螺栓公稱(chēng)直徑： dM = M20 螺栓計(jì)算應(yīng)力幅： a = MPa? 校核計(jì)算結(jié)果： aa[]??? 滿(mǎn)足 （ 3）設(shè)計(jì)結(jié)果如圖 所示： 圖 12 噴嘴的設(shè)計(jì) 本此設(shè)計(jì)機(jī)械手臂部參考 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第 5 卷采用材料球墨鑄鐵 235，所設(shè)計(jì)的具體尺寸如圖 4 吸盤(pán)和臂部的聯(lián)接采用 M20 60 的內(nèi)六角緊固螺釘，手部聯(lián)接件采用四個(gè)螺釘組成的內(nèi)六角緊固螺釘聯(lián)接。結(jié)構(gòu)如下圖 13 圖 機(jī)械手臂部的質(zhì)量計(jì)算 根據(jù)機(jī)械工程材料查得球墨鑄鐵的密度為 ? =(克 /立方厘米 ) 忽略臂部的孔的體積將臂部看成一個(gè)實(shí)心的整體其體積為 V=160mm 104mm88mm+27mm 104mm 104mm=(1464320+292032) 3mm =1756352 3mm ,質(zhì)量為M=? V= 1756352 3mm≈ ,由于忽略了孔的體積所以質(zhì)量可以近似的確定為 12kg。吸盤(pán)的質(zhì)量為 150g,在這里計(jì)算可以忽略不計(jì)，再加上工件的最大質(zhì) 量為 10kg,和真空泵的聯(lián)接臂部的旋轉(zhuǎn)接頭的質(zhì)量最大估計(jì)為 1kg，整個(gè)臂部的質(zhì)量可以確定為 23kg。 臂部聯(lián)接件的螺紋選擇 機(jī)械手的臂部和臂部聯(lián)接件的聯(lián)接是非常重要的，在這里采用的是緊固螺釘聯(lián)接，為了使螺紋在機(jī)械手來(lái)回的運(yùn)動(dòng)中不松動(dòng)螺旋副的選擇必須滿(mǎn)足自鎖條件： v??? =arc tan ?cosf =arc tanvf 式中 ? 為螺紋升角； ? =arc tan 2dS?=arc tan 2dnp?， S 為導(dǎo)程， 2d 為中徑， P 為螺距， v? 為當(dāng)量摩擦角； vf 為螺旋副的當(dāng)量摩擦角； 14 f為摩擦系數(shù) 具體數(shù)值見(jiàn)濮良貴 和紀(jì)名剛編寫(xiě)的《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版表 512 根據(jù)以上公式和數(shù)值來(lái)選取單線(xiàn)普通螺紋，螺紋升角（ ? =1176。 23′～ 3176。 2′）小于螺旋副的當(dāng)量摩擦角（ v? ≈ 176。 ~176。） 臂部螺釘組聯(lián)接設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的螺釘組受橫向的載荷和翻轉(zhuǎn)力矩的作用，其失效形式可能出現(xiàn)接合面滑移，以及在翻轉(zhuǎn)力矩作用下，接合面的上邊可能產(chǎn)生離縫（即 //F 0）下邊可能被壓潰，計(jì)算方法為先由不滑移條件求出 /F ,從而求出 //F 和 0F , 確定螺釘?shù)闹睆?，再?yàn)算不離縫不壓潰條件， 1，受力分析 （ 1）計(jì)算螺釘組所受的工作載荷 如圖 5所示，在工作載荷 P的作用下，螺釘組承受如下各力和翻轉(zhuǎn)力矩作用 : 軸向力 vP =0 橫向力 HP =Mg=23kg /2s =. 翻轉(zhuǎn)力矩 M= HP 128mm=28851N mm (2)計(jì)算單個(gè)螺釘所受的最大工作拉力 F 在翻轉(zhuǎn)力矩 M的作用下，使聯(lián)接件有繞中心軸順時(shí)針?lè)D(zhuǎn)的趨勢(shì)，則中心軸上邊的螺釘受拉，下面受壓，由 M 引起的工作拉力 和壓力差不多，由 M引起的工作拉力為 F2 = MLmax /L1 2 + L2 2 +? + L3 2 =28851 24/(4 242 )=301N 因此螺釘所受的最大的工作拉力為 F= F2 =301N 15 (3)按不滑移條件求螺釘?shù)念A(yù)緊力 /F 在橫向力 HP 的作用下，聯(lián)接接合面可能產(chǎn)生滑移，按接合面不滑移的條件可以列出底板不滑移的條件為， ? Z /F ? Kf HP 則 /F ? Kf HP /? Z 由彭文生主編的《機(jī)械設(shè)計(jì)》 第二版表 31查得 ? =。由表 32查得1C /( 1C + 2C )=，則 2C /( 1C + 2C )==。取 Kf = , 則 /F =（ ／ 4 ）Ｎ＝ (4)螺釘所受的總拉力 0F 0F = /F +[ 1C /( 1C + 2C )] F=（ + 301） N= 選擇螺釘材料為強(qiáng)度級(jí)別 Q235，由彭文生主編的《機(jī)械設(shè)計(jì)》 第二版表 34查 查得 s? =240Mpa 設(shè)螺釘所需公稱(chēng)直徑 d 在 M6~M16范圍內(nèi)，由彭文生主編的《機(jī)械設(shè)計(jì)》 第二版表 35（ a）查得 S=3，則 [? ]= s? /S=240Mpa/3=80 Mpa. 所以螺釘?shù)奈ｋU(xiǎn)剖面 直徑為 1d ? ] [ 0?? F? = 80 ??? ? mm= 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選用 M10粗牙普通螺紋， 1d =，計(jì)算結(jié)果比原估直徑要小，更能滿(mǎn)足條件，故決定選用 M10螺紋。 16 （ 1）聯(lián)接接合面下端不壓潰的校刻 考慮螺釘預(yù)緊力 /F 的變化得 maxp? = A1 [Z /F VPCCC212? ]+ WM =[ 104881? 4 +6881042?? ] M pa = M pa 由彭文生主 編的《機(jī)械設(shè)計(jì)》 第二版表 37， ［ p? ］＝ s? =96Mpa M pa ,故聯(lián)接接合面下端不會(huì)壓潰。 （ 2）聯(lián)接接合面上端不出現(xiàn)間隙的?？? 考慮螺釘預(yù)緊力 /F 的變化得 minp? =A1 [Z /F VPCCC212? ]WM =[ 104881? 4 6881042?? ] M pa = M pa 0 故接合面不會(huì)產(chǎn)生間隙。 手部聯(lián)接件的設(shè)計(jì) 經(jīng)查找各種設(shè)計(jì)手部聯(lián)接資料手部聯(lián)接件的材料選擇為 HT2547，和噴嘴的聯(lián)接采用四個(gè) M10的螺釘組，和擺動(dòng)剛的了聯(lián)接采用 9個(gè) M8的螺釘組聯(lián)接。其各部分的具體尺寸和結(jié)構(gòu) 結(jié)合前面設(shè)計(jì)的噴嘴和后面的擺動(dòng)缸，設(shè)計(jì)如零件圖所示 .前面和噴嘴的聯(lián)接螺釘組已進(jìn)行了強(qiáng)度?？?，聯(lián)接件和后面擺動(dòng)缸的聯(lián)接采用了 9個(gè) M8 20的螺釘，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足于要求的條件故不需要再進(jìn)行強(qiáng)度的?？?。 17 第 3 章 擺動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì) 擺動(dòng)油缸加工困難，密封性要求高，容