【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。 ??13 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變 化山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： FN ≥ K1 K2 G 式中 K1 —— 安全系數(shù)，通常 ～ K2 —— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， K2 可近似按下式計(jì)算： K2 =1+ga，其中 a =響tvmax maxv —— 運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度 響t —— 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取 ～ G—— 被抓取工件所受的重力（ N） 計(jì)算：設(shè) a=50mm， b=200mm， 10176?！?? ≤ 40176。，機(jī)械手達(dá)到 最高響應(yīng)時(shí)間為 ，vmax =。 解：（ 1）設(shè) K= K2 =1+ ?ga1+ 根據(jù)公式將已知條件帶入： ∴ FN = 10 = N （ 2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得： F計(jì)算 = 2cos502020? 30176。 ? N= N （ 3）取η = F實(shí)際 = = N 手抓夾持范圍計(jì)算 為了保證手抓張開角為 60176。，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為 34mm。手抓夾持范圍，手指長(zhǎng)200mm， 如圖 32 所示。 當(dāng)手抓沒有張開角的時(shí)候，如圖 (a)所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小 夾持半徑 R1 =40mm，當(dāng)張開角 60176。時(shí)，如圖（ b）所示，最大夾持半徑 R2 計(jì)算如下： R2 = ?? ??? 30ta n1 30co s4030ta n2 0 0 ≈ 121mm 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 ∴機(jī)械手的夾持半徑從 40mm～ 121mm。 圖 32 機(jī)械手的夾持精度圖 銷軸的選擇與校核 銷 軸 的材料為 45 鋼，許用切應(yīng)力 ??? =80MPa，許用擠壓應(yīng)力 ? ?p? =120MPa??14 ，選取銷軸的型號(hào)為 GB/T 882 8?70 銷軸的抗剪強(qiáng)度公式： ? ???? ???422dFt 銷軸的抗壓強(qiáng)度公式： ? ?ptp adF ?? ?? 2??15 抗剪強(qiáng)度422dFt?? ??= ???42?? ??? 抗壓強(qiáng)度 ?p? adFt2 = ??? ? ?p?? ，因此銷軸合適。 設(shè)計(jì)完手部結(jié)構(gòu)后，將手部的部件進(jìn)行裝配，裝配圖如圖 33所示 ??16 。 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 圖 33 機(jī)械手手部裝配圖 第四章 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 機(jī)械手夾緊氣缸的選擇 氣缸一般分為單作用氣缸和雙 作用氣缸兩類。 單作用氣缸的特點(diǎn)是： （ 1） 缸內(nèi)安裝彈簧、膜 片等，一般行程較短；與相同體積的雙作用氣缸相比，有效行程小一些；（ 2） 用彈簧力或膜片力等復(fù)位，壓縮空氣 能量的一部分用于克服彈簧力或膜片張力，因而減小了活塞桿的輸出力；（ 3）僅一端進(jìn)（排）氣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗氣量小；（ 4） 氣缸復(fù)位彈簧、膜片的張力均隨變形大小變化，因而活塞桿的輸出力在行進(jìn)過程中是變化的。由于以上特點(diǎn)，單作用活塞氣缸多用于短行程。其推力及運(yùn)動(dòng)速度均要求不高場(chǎng)合，如氣吊、定位和夾緊等裝置上。單作用柱塞缸則不然，可用在長(zhǎng)行程、高載荷的場(chǎng)合。 雙作 用氣缸指兩腔可以分別輸入壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)的氣缸。其結(jié)構(gòu)可分為雙活塞桿式、雙活塞式、單活塞桿式、緩沖式和非緩沖式等。此類氣缸使用最為廣泛。雙活塞桿雙作用氣缸 有缸體固定和活塞桿固定兩種。缸體固定時(shí)，其所帶載荷與氣缸山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 兩活塞桿連成一體，壓縮空氣依次進(jìn)入氣缸兩腔（一腔進(jìn)氣另一腔排氣），活塞桿帶動(dòng)工作臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍等于其有效行程的 3 倍。安裝所占空間大，一般用于小型設(shè)備上。 活塞桿固定時(shí)，為管路連接方便，活塞桿制成空心，缸體與載荷連成一體，壓縮空氣從空心活塞桿的左端或右端進(jìn)入氣缸兩腔，使缸體帶動(dòng)工作臺(tái)向左 或向左運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍為其有效行程的 2倍。適用于中、大型設(shè)備。 本設(shè)計(jì)中 機(jī)械手 的 夾緊 和上升采用氣缸控制，而手臂的旋轉(zhuǎn)采用電機(jī)控制。 氣缸直徑 D 的計(jì)算 氣缸的工作壓力在 ～ 內(nèi)，取 p空氣 =， 活塞桿直徑 d= ∵ F實(shí)際 = pdD4 22 ）（? ∴ D=）（空氣 實(shí)際 F4 ??=)( 26 ???? ?? = ㎜ 選取氣缸標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑為： D=63 ㎜ ??17 則活塞桿內(nèi)徑為 d=63 = ㎜，選取 d=32 ㎜ 。 確定氣缸的型號(hào) （ 1）氣缸作用力的計(jì)算 F氣缸 = p空氣 4 dD 22 ）（ ?? =1387 N＞ F實(shí)際 因此氣缸的直徑合適 （ 2）氣缸行程的 確定 由于 ? =30176。，當(dāng)爪部轉(zhuǎn)動(dòng) 30176。時(shí)，兩連接桿水平，所以氣缸的行程為 s=a tan30176。= ㎜， 連桿中導(dǎo)軌可運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度為 L=?30cosaa = ㎜ （ 3）選擇氣缸 由 D=63 ㎜， s= ㎜， p= 選擇氣缸的型號(hào)為 CA1BN6350 機(jī)械手上升氣缸的選擇 手部重量的估算 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 由于上升氣缸支持著氣缸以上的所有工件的重量，因此選擇此氣缸應(yīng)先估 算氣缸以上的所有工件的重量 。 取鋁合金的密度為 ,手部的質(zhì)量為： 2? g/cm3 ? [10? ? + ? 10? +（ +） ? 2? 21? +?2 ? ? 1? 2]cm3 = ㎏ 手部與氣缸之間的連接部件的重量為： g/cm3 ? [? 1? ? 2+6? 9? +6?1?2?2]= ㎏ 氣缸的重量為： ㎏ 與氣缸和機(jī)械手相連的底部托盤的重量為： ? ? ? 1= ㎏ 軸的重量為： ? (? ?515?15?3+?92 ?+? ? 1+ ??25 3=22 ㎏ 軸承的重量為： ㎏ 與下氣缸相連的底盤的重量為： ?（ ? 192 ? ? ? 17） =㎏ 抓取物品的重量為 20 ㎏ 確定氣缸的型號(hào) 氣缸上部的總重量為 +++22+20= ㎏ 作用于氣缸上的力為 F=K2 mg= ??? 機(jī)械手上升的高度為 30 ㎜ 因此選擇氣缸的型號(hào)與水平放置氣缸的型號(hào)相同，為 CA1BN6350 氣缸控制回路原理圖 在 41 為氣缸的控制回路原理圖， 1—— 氣馬達(dá)； 2—— 總閥； 3—— 分水濾氣器；4—— 油霧器； 5—— 單向閥； 7—— 調(diào)速閥； 9—— 三位四通換向閥； 11—— 氣缸 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 圖 41 氣缸控制回路原理圖 電機(jī)的選擇 電 機(jī)的類型及特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào) ，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。 可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角 位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí) 可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（ PM） ，反應(yīng)式（ VR）和混合式（ HB）。永磁式步進(jìn) 電機(jī) 一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度 或 15 度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 ，但噪聲和振 動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家 80 年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 度而五相步進(jìn)角一般為 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛 ??14 。 伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降 ??15 。 同步電機(jī)分為同 步發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的交流機(jī)以同步電機(jī)為主。同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。 作為發(fā)電機(jī)山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 運(yùn)行是同步電機(jī)最主要的運(yùn)行方式，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的另一種重要的運(yùn)行方式。同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場(chǎng)合，應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來，小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用。 同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時(shí)電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào) 節(jié)電網(wǎng)電壓的目的 ??18 。 電機(jī)的選擇 （ 1）各部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估算 抓取零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J1 =20㎏ ? = ㎏ 2m? 手部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J2 = ㎏ ? = ㎏ 2m? 連接部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J3 = ㎏ ? = ㎏ 2m? 與氣缸和機(jī)械手相連的底部托盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J4 = ?121 ? ? ? 4?（ + ） = ㎏ 2m? 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J5 = ㎏ 2m? 氣缸的重量和尺寸比較小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可忽略 所以總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J總 = J1 + J2 + J3 + J4 + J5 = ㎏ 2m? （ 2）選擇電機(jī) 本設(shè)計(jì)中采用斜齒 傘齒減速電機(jī)，其輸出轉(zhuǎn)速為 r/min。 計(jì)算：已知電機(jī)效率為 ? =， 物體的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J總 = ㎏ 2m? ，物體的轉(zhuǎn)速為n=，求電機(jī)的功率和扭矩。 解：由 P 2J21t ????? 得 P=t2J2??= )( 2?? ??? = W 選取 KA47R37DR63S4 型號(hào)的電機(jī) ??16 ，其功率為 ，輸出轉(zhuǎn)速為 n=，最大額定轉(zhuǎn)矩 T額 =290Nm? ， m=32 ㎏ 電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩 T實(shí) =9549nP =9549 ? = Nm? ＜ T額 ，因此電機(jī)合適。 （ 3）聯(lián)軸器 的型號(hào) 的選擇 電機(jī)與軸之間采用聯(lián)軸器，由國標(biāo) GB/T38521997 選擇聯(lián)軸器的型號(hào)為 YL3 型凸緣聯(lián)山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 軸 器 ??19 ，重量為 ㎏ 軸承的選擇 軸承的類型及特點(diǎn) 一 、 深溝球軸承的特點(diǎn) ：（ 1） 在結(jié)構(gòu)上深溝球軸承的每個(gè)套圈均具有橫截面大約為球周長(zhǎng)的三分之一 的連續(xù)溝型滾道。它主要用于承受徑向載荷，也可承受一定的軸向載荷；（ 2） 在軸承的徑向游隙增大時(shí)，具有角接觸球軸承的性質(zhì)，可承受兩個(gè)方向交變 的軸向載荷；（ 3） 摩擦小，轉(zhuǎn)速高 ；（ 4） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，容易達(dá)到較高的制造精度 ；（ 5） 一般采用沖壓浪形保持架，內(nèi)徑大于 200mm 或高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承，采用車制實(shí)體保持架 ??20 。 二 、 角接觸球軸承的特點(diǎn) ： 可同時(shí) 承受徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷，轉(zhuǎn)速較高，接觸角越大，軸向承載能力越高。 單列軸承只能承受一個(gè)方向的軸向負(fù)荷，在承受徑向負(fù)荷時(shí)，將引起附加軸向力。 并且只能限制軸或外殼在一個(gè)方向的軸向位移。若是成對(duì)雙聯(lián)安裝，使一對(duì)軸承的外圈相對(duì)，即寬端面對(duì)寬端面，窄端面對(duì)窄端面。這樣即可避免引起附加軸向力，而且可在兩個(gè)方向使軸或外殼限制在軸向游隙范圍內(nèi)。角接觸球軸承的變型結(jié)構(gòu)多達(dá) 70多種 。（ 1） 名義接觸角有 15176。、 25176。、 40176。三種，接觸角越大軸向承載能力 越高。高精度和高速軸承通常取 15176。接觸角，在軸向力作用下，接觸角會(huì)增大 ；（ 2） 一般為內(nèi)圈或外圈帶鎖口，內(nèi)、外圈不可分離。外圈加熱膨脹后與內(nèi)圈、滾動(dòng)體、 保持架組件裝配。裝球數(shù)比深溝球軸承多，額定負(fù)荷在球軸承中最大，剛性強(qiáng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) ；（ 3） 可以利用內(nèi)、外圈相互位移調(diào)整徑向游隙。常成對(duì)使用，并施加預(yù)負(fù)荷，以提高軸承剛性 。 三 、 圓柱滾子軸承的特點(diǎn) ：（ 1） 滾子與滾道為線接觸，徑向承載能力大，適用于承受重負(fù)荷與沖擊負(fù)荷 ；（ 2） 摩擦系數(shù)小，適合高速，極限轉(zhuǎn)速接近深溝球軸承 ； ??21 （ 3）N型及 NU型可軸向移動(dòng)，能適應(yīng)因熱膨脹或安裝誤差引起的軸與外殼相對(duì)位置的變化，可作自由端支承使用。內(nèi)圈或外圈可分離，便于安裝和拆卸 ；（ 4） 對(duì)軸和座孔的加工要求較高，軸承安裝后內(nèi)外圈軸線相對(duì)偏斜要嚴(yán)加控制，以免造成接觸應(yīng)力集中 ；（ 5）內(nèi)孔帶 1： 12 錐度的雙列圓柱滾子軸承，徑向游隙可以調(diào)整，徑向剛度高，適應(yīng)于機(jī)床主軸 ??22 。 軸承的選擇 在本設(shè)計(jì)中 軸承需要承受很大的軸向力，所要承受的徑向力十分的小，因此選用了 止山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 推軸承和角接觸球軸承，而角接觸球軸承 公稱接觸角為 40176。，可以承受很大的軸向力，采用角接觸球軸承的型號(hào)為 7236AC。 ??23 其外形如圖 42所示。 圖 42 軸承 軸的設(shè)計(jì) 在選定好軸承后 ，電動(dòng)機(jī)輸出地功率需要通過軸承與軸的連接傳遞到機(jī)械手，因此需要對(duì)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)。 由于在