【文章內(nèi)容簡介】 手臂設計的要求 所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕型材料。 ，提高手臂運動的響應速度。 。 ，以減少整個手臂對回轉軸的轉動慣性。 ，重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。 、靈活、平穩(wěn)，定位精度高。 本設計中，手臂的上下運動由氣缸驅(qū)動實現(xiàn)，結構緊湊，裝拆方便，導向裝置由一根立柱導向，防止手臂在直線運動過程 中沿運動軸線發(fā)生相對轉動，確保手臂隨機座一起轉動。手臂的結構圖如圖 所示： 圖 手臂結構圖 伸縮氣缸的選用 ，且要滿足行程要求，經(jīng)過查找篩選預選 SMC 氣缸的 CQM系列薄型單桿雙作用氣缸，型號為： CQMB20RC100M9B（缸徑為 20mm，行程 100mm）。 本設計所選伸縮氣缸符合體積小、重量輕、薄、安裝空間小、安裝方便等特點。 三江學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 13 本薄 型單桿雙作用伸縮氣缸只需基本型安裝即可滿足要求。 導向裝置 氣動機械手的手臂在進行伸縮（或升降）時，為了防止手臂繞軸線轉動或產(chǎn)生變形，以保證手部的正確方向，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它根據(jù)手臂的結構、抓重等因素選取。 目前常采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿等，在本機械手設計中采用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。 手臂和手部的總質(zhì)量 35 鋼的密度： !未找到引用源。 。青銅的密度： !未找到引用源。 通過 SolidWorks 2021 的質(zhì)量屬性工具計算得到手部結構和臂部結構的總質(zhì)量為： M=M手 +M鋁 +M缸 +M閥 +M薄片 +M其他 =+++++=（ g） 機械手腰部和機座結構設計及計算 機械手腰部和機座的結構設計 其結構示意圖如圖 所示。手臂升降裝置主要由立柱、導軸上零件 導軸下零件 升降氣缸 塊零件 定位套 3 和轉柱 7 等組成，塊零件和轉柱通過螺母連接 ，即轉柱定制為螺紋柱，安裝方便，節(jié)約成本。手臂機座結構主要由三塊鋁型材 8 通過螺栓連接而成。 實現(xiàn)機械手手臂回轉運動的機構形式多種多樣，常用的有葉片式回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機械、連桿機構等。在本設計中，手臂回轉裝置用齒輪傳動機構形式。通過 PLC 控制伺服電機帶動齒輪外罩 4內(nèi)的齒輪，達到手臂回轉的功能。 三江學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 14 圖 機械手腰部和機座的結構圖 機械手升降氣缸的選用 ：升降氣缸預選 SMC 氣缸的薄型氣缸。手臂結構總質(zhì)量為 M=，考慮到在臂部安裝時還要添加控制部分，故預選負 載力為 F=30N；查相關手冊取氣缸工作壓力為 p=。由 SMC 手冊查得負載率 錯誤 !未找到引用源。 。 因此，氣缸缸徑為： D=ηΠPF4= 304 6 ??? ?η= 經(jīng)圓整并查手冊標準?。?D=20（ mm） 為便于安裝調(diào)試，對行程要留有適當余量，所示預選氣缸標準行程為 H=60mm,預選 SMC 薄型單桿雙作用氣缸的型號為： CQMB20RC60。 根據(jù)氣缸的運動狀態(tài)是輸出推力還是拉力、負載率 錯誤 !未找到引用源。 、氣缸的行程 L=60mm和氣缸的動作時間 t=,由 SMC手冊相應圖可查得氣缸的理論基準速度 錯誤 !未找到引用源。 =220mm/s。 三江學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 15 根據(jù)氣缸的運動狀態(tài)是輸出力還是拉力以及負載率，可查得氣缸的最大速度 錯誤 !未找到引用源。 max 與理論基準速度 錯誤 !未找到引用源。 之比 錯誤 !未找到引用源。 值，從而求得氣缸的最大速度 錯誤 !未找到引用源。 。 查得： 錯誤 !未找到引用源。 α = vmax=v0179。α =220179。 =198mm/s 最后根據(jù)各系列緩沖氣缸的緩沖特性曲線和氣緩沖氣缸的緩沖特性曲線，若氣缸的負載質(zhì)量 M 和最大速度 錯誤 !未找到引用源。 的交點在預選氣缸缸徑的緩沖特性曲線之下，則表示負載運動的動能 21 MV2max錯誤 !未找到引用源。 小于氣缸的允許吸收的最大能量，即該預選缸徑的緩沖能力滿足要求。本設計所選的伸縮氣缸負載質(zhì)量較小，從手冊圖中查可知所選擇的缸徑的緩沖能力能滿足要求。 機械手的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法 在設計中，臂部的運動較多，如果運動速度和負載較大，當運動狀態(tài)變化時，將產(chǎn)生沖擊和振動。這不僅會影響機械手的精確定位，甚至會使其不能正常運轉。為了提高平穩(wěn)性，在設計時應采取有效的緩沖裝置吸收能量。因此從減少能量產(chǎn)生的角度來看，要注意以下兩 點： （ 1）機身和臂部運動部件要緊湊，質(zhì)量輕，以減少慣性力。本設計中臂部采用鋁合金制作。 （ 2）應考慮重心的位置，即運動部件各部分的質(zhì)量對轉軸或支承的分布情況。在設計中如果重心和轉軸不重合，將增大轉動慣量，當轉速過高，將會有較大的沖擊和振動。 常見機械手臂桿的平衡技術有四種：質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動或液壓平衡法和采用平衡電動機。本設計采用質(zhì)量平衡法來達到要求，臂桿質(zhì)量平衡的原理是合理地分布臂桿質(zhì)量，使臂桿重心盡可能落在支點上，必要時甚至采用在適當位置配置平衡質(zhì)量的方法，使臂 桿的重心落在支點上。 機座傳動裝置的總體設計 確定傳動方案 考慮到氣動機械手的性能要求，本設計初步確定以下兩個傳動方案：錐齒輪傳動和蝸桿傳動，下面將對兩種方案進行比較以便確定個合理的傳動方案。 所示的蝸桿傳動方案 它的主要優(yōu)點有： （ 1）因為結構比交錯軸斜齒輪機構緊湊，所以可實現(xiàn)空間交錯軸間的很大傳動三江學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 16 比。 （ 2）蝸桿傳動接觸方式不同于其它類型傳動，為線接觸，噪音小，傳動平穩(wěn)； （ 3）當蝸桿導程角 g 很小時，傳動具有自鎖性，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而蝸輪不能帶動蝸桿，故它常用于起重或其它需要自鎖的場合。 它的缺點： （ 1）蝸桿傳動的一般效率η =～ ，機械效率較低，具有自鎖性的蝸桿傳動的效率η≤ 。 （ 2） 蝸桿傳動齒面的螺旋線方向滑動速度很大，因此容易引起磨損和發(fā)熱，故摩擦損失大，效率低，而且為減輕齒面的磨損及防止膠合，蝸輪一般使用貴重的減摩材料制造，成本高。 （ 3）對制造和安裝誤差很敏感，安裝時對中心距的尺寸精度要求較高。 所示的齒輪傳動方案 它的主要優(yōu)點有： （ 1）瞬時傳動比恒定，工作平穩(wěn)， 傳動準確可靠，可傳遞空間任意兩軸之間的運動和動力。 （ 2）適用的功率和速度范圍廣。 （ 3）傳動效率高，η =～ 。在機械傳動中，齒輪傳動的效率較高。 （ 4）工作可靠，使用壽命長。 （ 5）外廓尺寸小，結構緊湊。 它的主要缺點是：制造和安裝精度要求較高，需專門設備制造，成本較高，不 宜用于較遠距離兩軸之間的傳動。 圖 三江學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 17 圖 錐齒輪傳動 傳動方案除滿足氣動機械手功能、動作上要求外，還需滿足工作可靠、結構簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、工藝性好和使用維護便利等要求。分析以上兩方案的優(yōu)缺點后，確定采用錐齒輪傳動方案會更加的合理，所以本設計采用錐齒輪傳動。 電動機的選用 電動機的選擇有兩種類型：步進電機和伺服電機。下面將通過分析比較確定選用哪種類型的電機： 。步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，而伺服 電機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。 。步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高速時會急劇下降，而伺服電機為恒力矩輸出。 。步進電機一般不具有過載能力，伺服電機具有較強的過載能力。 。步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構成位置環(huán)和速度環(huán)，控制性能更可靠。 綜合以上四點所述，而且采用的是 PLC控制系統(tǒng)，所以確定采用伺服電機。 使用直流電源的電動機稱為直流電動機，它與交流電動機相比，具有調(diào)速性能好、調(diào)速范圍寬、起動轉矩大等優(yōu)點。所以考慮到以上因素和本系統(tǒng)的運動要求，預選本設計的電動機為直流有刷伺服電機，型號： 2224A024SR。 錐齒輪的結構設計 已知工作條件：輸入功率 P=錯誤 !未找到引用源。 Pmaxη max=179。 81%= 小錐齒輪轉速 錯誤 !未找到引用源。 n1=11r/min 三江學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 18 大錐齒輪實際轉速 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 n2= 所以，傳動比 i=錯誤 !未找到引用源。 = =，初定傳動比 i= 驗證傳動比： 由以上數(shù)據(jù)得：傳動比誤差 錯誤 !未找到引用源。 ε = ?=2% 傳動比誤差ε =2%錯誤 !未找到引用源。 控制在177。（ 3%5%）內(nèi)，因此傳動比 i= 、熱處理方法、精度等級 考慮到該傳動的功率較小，故大、小錐齒輪都選用 45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度分別為 220HBS、 260HBS，屬軟齒面閉式傳動；錐齒輪的載荷平穩(wěn)，而且轉速較低，根據(jù)工作條件，定為 7級精度。 ，故應按齒面接觸疲勞強度設計，并按齒根彎曲強度進行較核。 由設計計算公式進行計算：計算公式均摘自《 機械設計手冊第三卷第 14篇》 項目 設計內(nèi)容 結果 Z Z2及齒寬、系數(shù)φ R 取小錐齒輪齒數(shù) Z1=15，大錐齒輪齒數(shù) 錯誤 !未找到引用源。 2=i錯誤 !未找到引用源。 1=錯誤 !未找到引用源 。 ，取大錐齒輪齒數(shù) 錯誤 !未找到引用源。 2=23，齒寬系數(shù)不宜取得過大，否則將引起小端齒項過薄，齒根圓角半徑過小，故取齒寬系數(shù) 錯誤 !未找到引用源。 φ R= 41 Z1=15 錯誤 !未找到引用源。 2=23 φ R= 41 KT d1t≥ 3 212 )()( URRHE KTZ ??? ? 試選 錯誤 !未找到引用源。 = 錯誤 !未找到引用源。 = 傳遞的轉矩Td ZE Td= 查表得 ： ZE= !未找到引用源。 Td= ZE= 接觸疲勞強度極限 錯誤 !未找到引用源。 ? HLim? HLim2 按齒面硬度查圖得： ? HLim1=600MPa ? HLim2=560MPa ? HLim1=600MPa ? HLim2=560MPa 三江學院 2021屆本科生畢業(yè)設計（論文） 19 次數(shù) N1=60n1jLh=60179。 11179。 1179。 10179。 300179。 8=179。 107 N2= iN1 =179。 107 N1=179。 107 N2=179。 107 壽命系數(shù) 錯誤 !未找到引用源。 查圖得 :KHN1=， KHN2= KHN1= KHN2=