飲料搬運機械手設計含proe三維及11張CAD圖

飲料搬運機械手設計含proe三維及11張CAD圖,飲料,搬運,機械手,設計,proe,三維,11,十一,cad 摘 要 搬運機械手可自動手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序搬運貨物的自動操作裝置，本次設計的飲料搬運機械手包括回轉裝置、伸縮裝置、升降裝置、夾緊裝置。 本次設計首先，通過對搬運機械手結構及原理進行分析，在此分析基礎上提出了其設計方案采用三自由度圓柱坐標型；接著，對主要技術參數進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設計與校核；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了機械手裝配圖及主要零部件圖，并采用Pro/E軟件建立了三維模型。 通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了普通機械產品的設計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。 關鍵字：搬運，機械手，氣缸 ，設計 Abstract The automatic manipulator can imitate some action functions of hand and arm, and is used to carry goods according to fixed procedures. The designed beverage handling manipulator includes rotary device, expansion device, lifting device and clamping device. In this design, firstly, through the analysis of the structure and principle of the manipulator, on the basis of this analysis, the design scheme of the manipulator is proposed to adopt the three degree of freedom cylindrical coordinate mode; secondly, the main technical parameters are calculated and selected; secondly, the main parts are designed and checked; finally, the assembly drawing and main parts drawing of the manipulator are drawn through the AutoCAD drawing software The three-dimensional model is established by using Pro / E software. Through this design, we have consolidated the professional knowledge learned by the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and interchangeability theory, mechanical drawing, etc.; we have mastered the design method of common mechanical products and can skillfully use AutoCAD drawing software, which is of great significance for our future work and life. Key words: Handling, Manipulator, Cylinder, Design 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2機械手概述 1 1.2.1機械手的組成 1 1.2.2機械手的分類 1 1.3 國內外發(fā)展狀況 2 第2章 總體方案設計 3 2.1 設計要求 3 2.1.1動作要求 3 2.1.2參數選定 3 2.2方案擬定 3 2.2.1結構方案的選擇 3 2.2.2驅動方案的選擇 4 第3章 機械手手部設計 6 3.1手指卡鉗的設計與校核 6 3.1.1設計要求 6 3.1.2結構尺寸設計 6 3.1.3強度校核 7 3.2夾持氣缸的設計 7 3.2.1氣缸結構方案設計 7 3.2.2氣缸工作壓力計算 8 3.2.3氣缸主要參數的選擇 9 3.2.4氣缸強度的較核 9 3.3連接板的設計與校核 10 3.3.1結構尺寸設計 10 3.3.2強度校核 10 3.4連接法蘭的結構設計 11 第4章 機械手臂部設計 12 4.1臂部整體設計 12 4.2手臂伸縮驅動力計算 12 4.2.1 手臂摩擦力的分析與計算 12 4.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計算 13 4.2.3手臂慣性力的計算 14 4.3手臂伸縮氣缸的設計 14 4.3.1確定氣缸的結構尺寸 14 4.3.2氣缸外徑的設計 15 4.3.3活塞桿的計算校核 15 4.3.4 氣缸端蓋的設計 16 第5章 機械手機身設計 18 5.1 機身的整體設計 18 5.2回轉機構的設計 18 5.2.1回轉缸驅動力矩的計算 18 5.2.2 回轉缸尺寸參數的確定 19 5.3機身升降機構的設計 21 5.3.1手臂片重力矩的計算 21 5.3.2升降導向立柱不自鎖條件 21 5.3.3升降氣缸驅動力的計算 22 5.3.4升降缸尺寸參數的確定 22 5.4螺栓的選定與校核 24 5.4.1螺栓類型選擇 24 5.4.2螺栓組的布置 24 5.4.3螺栓的受力分析 25 5.4.4螺栓組傾覆力矩校核 25 第6章 基于Pro/E的三維設計 28 6.1 Pro/E三維設計軟件概述 28 6.2三維設計 28 6.2.1升降缸桿 28 6.2.2伸縮缸體 28 6.2.3轉動缸體 29 6.2.4手抓連接支架 29 6.2.5總成三維裝配 29 總 結 31 參考文獻 32 致 謝 33 33 （飲料）搬運機械手設計 第1章 緒論 1.1研究背景及意義 隨著工業(yè)自動化程度的提高，機械手的應用領域越來越廣。機械手能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡及其它要求，實現抓取、搬運飲料箱或操縱工具。機械手可以代替很多重復性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度、提高生產效率。 目前，由于勞動力成本和技術問題，國內飲料的搬運仍然采用人工搬運，不僅效率低、精度低，而且工人的勞動強度大，存在操作者發(fā)生安全事故的隱患。有些飲料生產廠商為了減輕工人的勞動強度、提高工作效率，在飲料裝卸貨位置加入搬運機械手等。因此，設計機械手以代替人工進行搬運的操作就變得十分重要。本設計就是根據這一工程應用需要，設計一用于飲料裝卸貨的搬運機械手。 1.2機械手概述 1.2.1機械手的組成 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持飲料箱（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。 1.2.2機械手的分類 機械手的種類，按驅動方式可分為氣壓式、液壓式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床搬運和飲料箱送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機械手 1.3 國內外發(fā)展狀況 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的飲料箱抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用氣壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司，專門生產搬運機械手。 1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用氣壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外搬運機械手發(fā)展的基礎。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種Unimate-Vicarm型搬運機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的搬運等作業(yè)。 聯邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。日本是搬運機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。前蘇聯自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產，一半是進口。 一般概況國內機械行業(yè)應用的機械手絕大部分為專用機械手，附屬于某一設備，其工作程序是固定的。通用機械手也有發(fā)展，目前應用的都是開關式點位控制型，伺服型已試制出數臺在調試中，連續(xù)軌跡控制型還沒有?？刂品绞接杏|點固定程序控制占絕大多數，專用機械手多采用這種控制。 第2章 總體方案設計 2.1 設計要求 2.1.1動作要求 設計的機械手能在貨車和倉庫搬運裝卸飲料箱。及其動作為：由手部握緊飲料箱，往上抬起離開，手臂縮回，水平回轉90度，手部放下飲料箱。 2.1.2參數選定 本次設計選定參數如下： （1）伸縮行程：1000mm，伸縮速度，250mm/s； （2）升降行程：330mm，升降速度，60mm/s； （3）回轉范圍：210°，回轉速度，70°/s； （4）參考抓取重量：10kg。 2.2方案擬定 2.2.1結構方案的選擇 搬運機械手的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下： （1）直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互升降的直線運動來實現的，如圖2-1. a。由于直線運動易于實現全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。 （2）圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的，如圖2-1.b。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 （3）球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的，如圖2-1.c。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 （4）關節(jié)型機械手結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現的，如圖2-1.d。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。 圖2-1四種機械手坐標形式 根據要求，需對飲料箱從倉庫與貨車之間進行搬運，其工作范圍不需要很寬，但應盡可能占用空間小，因此選用本次設計選用三自由度圓柱坐標的結構形式。 綜上述，本次設計的飲料搬運機械手，采用三自由度圓柱坐標機械手。 2.2.2驅動方案的選擇 機械手的驅動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下： （1）液壓驅動 由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉換（電能轉換液氣壓能），速度控制多數情況下采用節(jié)流調速，效率比電動驅動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產生污染，工作噪音也較高。 （2）氣動驅動 具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。 （3）電動驅動 由于低慣量、大轉矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調制器）的廣泛采用，這類驅動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數電機后面需安裝精密的傳動機構。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅動系統(tǒng)高。但因為這類驅動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 工業(yè)機械手使用最多的一種驅動方式是電機驅動。這類機械手的特點是控制精度高，驅動力較大，響應快，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方案。但是由于這類機械手價格昂貴，限制了在一些場合的廣泛應用。 氣動機械手與其它控制方式的機械手相比，具有價格低廉、結構簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強等特點，表2.1給出了各種控制方式的比較。 表2.1 各種控制方式的比較 項目 氣壓傳動 液壓傳動 電氣傳動 機械傳動 系統(tǒng)結構 簡單 復雜 復雜 較復雜 安裝自由度 大 大 中 小 輸出力 稍大 大 小 不太大 定位精度 一般 一般 很高 高 動作速度 大 稍大 大 小 響應速度 慢 快 快 中 清潔度 清潔 可能污染 清潔 較清潔 維護 簡單 比液動復雜 需要專門技術 簡單 價格 一般 稍高 高 一般 技術要求 較低 較高 最高 較低 控制自由度 大 大 中 小 危險性 幾乎沒問題 注意火 一般無問題 無特殊問題 基于氣動驅動的以上這些優(yōu)點，而設計的機械手對精度要求不高，且左右環(huán)境為倉庫，因此，本次設計采用氣動驅動。 第3章 機械手手部設計 3.1手指卡鉗的設計與校核 3.1.1設計要求 機械手的手指是用來抓持飲料箱的部件，將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關鍵部件之一。設計時要注意的問題： （1）結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計 （2）手指應有一定的開閉范圍。它的大小不僅與飲料箱的尺寸有關，而且應注意手部接近飲料箱的運動路線及其方位的影響。 （3）手指應有足夠的夾緊力，除考慮夾持飲料箱的重力外，還應考慮飲料箱在傳送過程中的動載荷 3.1.2結構尺寸設計 （1）參數選擇 選擇待抓取飲料箱參數選定如下： 尺寸為：300mm×300mm×50mm； 重量為：10KG （2）尺寸選擇 根據飲料箱尺寸選擇手指活動范圍為：250~350mm 選定手指卡鉗寬度為：60mm；厚度為：20mm 根據后面章節(jié)對其他零件的設計匹配后手指卡鉗的詳細結構尺寸如下： 圖3-1 手指卡鉗 3.1.3強度校核 手指卡鉗因在夾持飲料箱時只受到彎矩，因此在強度校核時只需校核彎曲強度即可。 由于抓取飲料箱時抓取緊力應滿足： 故卡鉗受到的推力應滿足： 式中：f—手爪與飲料箱的靜摩擦系數，飲料箱材料為40號鋼，手爪為鋁型材，查表得f=0.13 所以，取 最危險的截面即為最窄且離末端最遠的截面處，其彎矩為： 抗彎截面系數 截面上的彎曲應力 卡鉗的材料為Al。由表15-1查得 則有：，故滿足強度要求。 3.2夾持氣缸的設計 3.2.1氣缸結構方案設計 為了確保手指夾持時卡鉗不會轉且夾持穩(wěn)定，本次采用左右卡鉗均為雙活塞式夾持氣缸，氣結構方案如下圖示。 圖3-2 夾持氣缸結構方案 3.2.2氣缸工作壓力計算 手爪要能抓起飲料箱必須滿足： 式中，-----為所需夾持力； -----安全系數，通常取1.2~2； -----為動載系數，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運飲料箱過程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數，查表選?。? -----被抓持飲料箱的重量 10； 帶入數據，計算得： ； 理論驅動力的計算： 式中， ----為氣缸所需理論驅動力； ----為夾緊力至回轉支點的升降距離； -----為扇形齒輪分度圓半徑； -----為手指夾緊力； ---傳動機構的效率，此處選為0.92； 其他同上。帶入數據，計算得 計算驅動力計算公式為： 式中，-----為計算驅動力； ---安全系數，此處選1.2； ---工作條件系數，此處選1.1； 其他同上。帶入數據，計算得： 而氣缸的工作驅動力是由缸內氣壓提供的，故有 式中，---為氣缸工作氣壓； ----為柱塞截面積； 經計算，所需的氣壓約為： 3.2.3氣缸主要參數的選擇 氣缸的工作壓力和缸的工作速度，放在氣壓系統(tǒng)設計階段，通過外部的氣壓回路、采用合適的調速回路和元件來實現。經過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各氣缸的基本參數如下： 表3-2夾持氣缸主要參數 缸內徑 壁厚 直徑 行程 工作壓力 32 12 16 50 0.8 注：氣缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調定。 在夾持氣缸的設計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結構布局設計，使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的，設計中采用了兩個導向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。作為氣壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅動力要求是輕而易舉的，要解決的關鍵問題仍然是它的結構設計能否有足夠的剛度來抗傾覆。 3.2.4氣缸強度的較核 （1）缸筒壁厚的較核 當 D/時，氣缸壁厚的較核公式如下： 式中，----為缸筒內徑； ----為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力時，取為； ----為缸筒材料的許用應力，，為材料抗拉強度，經查相關資料取為350，為安全系數，此處??； 代入數據計算，上式成立。因此氣缸壁厚強度滿足要求。 （2）活塞桿直徑的較核 活塞桿直徑的較核公式為 式中， -----為活塞桿上作用力； -----為活塞桿材料的許用應力，此處； 代入數據，進行計算較核得上式成立，因此活塞桿的強度能滿足工作要求。 3.3連接板的設計與校核 3.3.1結構尺寸設計 根據卡鉗及氣缸尺寸設計匹配后連接板的詳細結構尺寸如下： 圖3-3 連接板 3.3.2強度校核 手指卡鉗因在夾持飲料箱時只受到彎矩，連接板與之相同，因此在強度校核時只需校核彎曲強度即可。 連接板受到的推力與卡鉗相等，故： 最危險的截面即為最窄且離末端最遠的截面處，其彎矩為： 抗彎截面系數 截面上的彎曲應力： 卡鉗的材料為Al。由表15-1查得 則有：，故滿足強度要求。 3.4連接法蘭的結構設計 采用CAD設計配匹得到連接法蘭的結構尺寸如下，由于整個機械手重量并不大因此不需進行強度校核： 圖3-4 連接法蘭 第4章 機械手臂部設計 4.1臂部整體設計 手臂部件是機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶動它們作空間轉動。 臂部要實現所要求的運動，需滿足下列各項基本要求： （1）機械手臂式機身的承載 機械手臂式機身的承載能力，取決于其剛度，結構上采用水平懸伸梁形式。 （2）臂部運動速度要高，慣性要小 對于高速運動的機械手，其最大移動速度設計在1000～1500mm/s，最大回轉角速度設計在180°/s內，在大部分行程距離上平均移動速度為1000mm/s內，平均回轉角速度為90°/s內。 （3）手臂動作應靈活 對于懸臂式的機械手，其傳動件，導向件和定位件布置應合理，使手臂運動過程盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死”的現象（自鎖現象）。 （4）位置精度要高 一般說來，直角和圓柱坐標式機械手位置精度較高；除此之外，要求機械手同用性要好，能適合做種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手，還要設置防塵裝置等。 考慮到本次設計的機械手最大夾持重量10Kg，抓取重量較小，因此本設計選擇氣缸桿伸縮機構，其手臂的伸縮氣缸活塞桿安裝在導向套內，減小氣缸桿的彎曲應力。使用氣壓驅動，氣缸選取雙作用氣缸。 4.2手臂伸縮驅動力計算 做水平伸縮直線運動的氣缸的驅動力根據氣缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定氣缸所需要的驅動力。氣缸活塞的驅動力的計算為 4.2.1 手臂摩擦力的分析與計算 由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。 得 得 式中 參與運動的零部件所受的總重力（含飲料箱）（N）； L——手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m），參考上一節(jié)的計算; a——導向支撐的長度（m）; ——當量摩擦系數，其值與導向支撐的截面有關。 對于圓柱面： ——摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 鋼對鑄鐵：取 計算：氣缸桿的材料選擇鋼，導向套支撐選擇鋼， 預估，已知L=800mm，導向支撐a設計為200mm 將有關數據代入進行計算 600=1260N 4.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用O型密封圈，當氣缸工作壓力小于10Mpa。氣缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： =0.03F。 4.2.3手臂慣性力的計算 =0.1 式中 ——參與運動的零件的總重力（包括飲料箱）(N)； ——從靜止加速到工作速度的變化量(m/s)； ——啟動時間(s)，一般取0.01~0.5； 設啟動時間為0.2s，最大為0.233m/s。 則： =0.1=69.9N 由于背壓阻力較小，可取=0.05 所以 =+++=1260+69.9+0.03F+0.05F 求得 =1446N 所以手臂伸縮驅動力為=1446N。 4.3手臂伸縮氣缸的設計 表4-1 氣缸的工作壓力 作用在活塞上外力F（N） 氣缸工作壓力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 氣缸工作壓力Mpa 小于5000 0.8~1 20000~30000 2.0~4.0 5000~10000 1.5~2.0 30000~50000 4.0~5.0 10000~20000 2.5~3.0 50000以上 5.0~8.0 經過上面的計算，確定了氣缸的驅動力F=4378N，根據表5-1選擇氣缸的工作壓力P=1MPa； 4.3.1確定氣缸的結構尺寸 氣缸內徑的計算，如圖5-2所示 圖4-2 雙作用氣缸示意圖 當氣進入無桿腔： 當氣進入有桿腔： 氣缸的有效面積： (mm) 所以 （無桿腔） （有桿腔） 式中——活塞驅動力(P)； ——氣缸的工作壓力(MPa)； ——活塞桿直徑； ——氣缸機械效率，工程機械中用耐氣橡膠可取=0.96； 由上節(jié)求得驅動力F=1446N，=1MPa，機械效率=0.96 將數據代入得： ==38.8mm 根據表4-1（JB826-66），選擇標準氣缸內徑系列，選擇D=40mm. 4.3.2氣缸外徑的設計 外徑按中等壁厚設計，根據（JB1068-67）取氣缸外徑外徑選擇76mm. 4.3.3活塞桿的計算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或氣缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算： (mm) 設計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.1mm 考慮到手部夾緊氣缸需內置于該活塞桿，而前述已算得手部夾緊氣缸外徑為25mm，所以活塞直徑按下表取d=25mm，滿足強度和裝配要求。 表5-2 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 現在進行穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定性條件為 式中 ——臨界力(N)； ——安全系數，=2~4。 按中長桿進行穩(wěn)定性校核，其臨界力=F() 式中 F——活塞桿截面面積(mm)； a，b——常數，與材料性質有關，碳鋼a=461，b=2.47； ——柔度系數，經計算為70。 代入數據，臨界力 =F()=3.14=90463.4MPa 取=3 =30154.47 MPa 所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。 4.3.4 氣缸端蓋的設計 (1) 缸體材料選擇無縫鋼管，此時端蓋的連接方式多采用半環(huán)鏈接優(yōu)點是加工和裝拆方便，缺點是缸體開環(huán)槽削弱了強度 (2) 缸蓋螺釘的計算 為保證連接的緊密性，螺釘間距t應適當（如圖4-2），在這種聯結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預緊力之和 =+ 式中 ——工作載荷，=； ——螺釘中心所在圓的直徑； P——驅動力。 Z——螺釘數目，Z=； ——剩余預緊力，=KQ，K=1.5~1.8； 計算： D=76mm，取=90mm，P=1MPa，間距與工作壓強有關，見表4.3，間距應小于150mm，試選螺釘數為6個： 表4-3 螺釘間距t與壓力P之間的關系 工作壓力P（Mpa） 螺釘的間距t (mm) 0.5~1.5 小于150 1.5~2.5 小于120 2.5~5.0 小于100 5.0~10.0 小于80 則 Z=，代入數據=46<150，滿足要求； ==838N； 選擇K=1.5，=1.5=1255N; =+=837+1257=2095N 螺釘直徑按強度條件計算 式中 ——計算載荷，=1.3； ——許用抗拉應力，=； ——螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強度為352MPa； n——安全系數，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計算： =1.3=1.3×2095=2723.5N 代入數據： ===0.0045m 第5章 機械手機身設計 5.1 機身的整體設計 按照設計要求，機械手要實現手臂210°的回轉運動，實現手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮分析。 機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種： （1）回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。 （2）回轉缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。 （3）活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。 綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降。 驅動機構是氣壓驅動，回轉缸通過兩個氣孔，一個進氣孔，一個排氣孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現葉片回轉。 5.2回轉機構的設計 5.2.1回轉缸驅動力矩的計算 手臂回轉缸驅動力矩的計算公式為： =++ (N·m) 慣性力矩 = 式中 ——臂部回轉部件(包括飲料箱)對回轉軸線的轉動慣量（kg·m）； ——回轉缸動片角速度變化量，在啟動過程=(rad/s)； ——啟動過程的時間(s)； 若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為(前面計算得=800mm)，則 式中 ——回轉零件的重心的轉動慣量。 = 回轉部件可以等效為一個長600mm，直徑為1000mm的圓柱體，質量為100Kg.設置起動角速度=70°/s，則起動角速度=1.22，起動時間設計為0.5s。 === 28 kg·m =28+=93.3kg·m ==93.3=227.6 為了簡便計算，密封處的摩擦阻力矩，由于回氣背差一般非常的小，故在這里忽略不計，=0 所以 =227.6+0+0.03 =234.6 5.2.2 回轉缸尺寸參數的確定 （1）回轉缸氣腔內徑D計算公式為： 式中 P——回轉氣缸的工作壓力； d——輸出軸與動片連接處的直徑，初步設計按D/d=1.5~2.5； b——動片寬度，可按2b/(D-d)≥2選取。 選定回轉缸的動片寬b=50mm，工作壓力為5MPa，d=50mm =94.9mm 按標準氣缸內徑選取內徑為100mm。 （2）氣缸缸蓋螺釘的計算 回轉缸的工作壓力為5Mpa，所以螺釘間距t應小于80mm。螺釘數目 Z==×3.14=3.93 所以缸蓋螺釘的數目選擇6個。 危險截面 ==0.00589 所以 =4906.3N =4906.3×1.5=7359.4N (K=1.5) 所以 7359.4+4906.3=12265.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘的直徑 d=10mm 螺釘的直徑選擇d=10mm.選擇M10的內六角圓頭螺釘。 經過以上的計算，最終確定的氣缸的尺寸，內徑為100mm，外徑按中等壁厚設計，根據表4-2（JB1068-67）取外徑選擇168mm，輸出軸徑為50mm。 （3）動片聯接螺釘的計算 動片和輸出軸之間的聯接螺釘一般為偶數，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘的作用是使動片和輸出軸之間的配合面緊密接觸不留間隙。根據動片所受力矩的平衡條件有 = 即 式中 ——每個螺釘預緊力； D——動片的外徑； f——被連接件配合面間的摩擦系數，鋼對鋼取f=0.15 螺釘的強度條件為 或 帶入有關數據，得 ===10416.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘的直徑d=9.3mm 螺釘的直徑選擇d=10mm.選擇M10的內六角圓頭螺釘。 5.3機身升降機構的設計 5.3.1手臂片重力矩的計算 圖 5-3 手臂各部件重心位置圖 (1) 估算重量：=150N，=150N，=500N (2) 計算零件的重心位置，求出重心到回轉軸線的距離: =800mm，=760mm， =400mm。 由于 = 所以 =0.5425m (3) 計算偏重力矩 =434 5.3.2升降導向立柱不自鎖條件 手臂在的作用下有向下的趨勢，而里立柱導套卻阻止這種趨勢。所謂不自鎖條件就是升降立柱能在導套內自由下滑，即 ＞= 所以 若取摩擦系數 f=0.16，則導套長度h＞0.32 即 h＞0.32×0.5425=0.1736m 5.3.3升降氣缸驅動力的計算 式中 摩擦阻力，，取f=0.16。 G——零件及飲料箱所受的總重。 (1) 的計算 設定速度為V=0.6m/s；起動或制動的時間差t=0.1s、為800N。 將數據帶入上面公式有： 489.8N (2) 的計算 =2500N 所以 =2×2500×0.16=800N (3) 氣缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算 (4) 由于背壓阻力較小，為簡便計算，可將其忽略，=0 所以 F=489.8+800+0.03F 當氣缸向上驅動時，F=2105N 當氣缸向下驅動時，F=505N 5.3.4升降缸尺寸參數的確定 (1) 氣缸內徑的計算 氣缸驅動力按上升時計算，F=2105N，由表(5-1)選擇氣缸工作壓力為1.0MPa，計算如5.4節(jié)公式，代入數據： ==0.1029 根據表(4-1)可選取氣缸內徑D=125mm。 (2) 氣缸外徑的計算 按厚壁計算(3.2)： 式中 ——缸體材料的許用應力，無縫鋼管時=100~110MPa 根據表4-2（JB1068-67）取外徑選擇180mm. (3) 活塞桿的計算 設計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.94mm 活塞桿直徑應大于8.5mm。 (4) 缸蓋螺釘的計算 D=120mm，取=180mm，P=1.0MPa，間距與工作壓強有關，見表4-3，間距應小于120mm，試選螺釘數為6個： 則 Z=，代入數據=84<120，滿足要求； ==1962.5N； 選擇K=1.5，=1.5=2943.75N;=+=1962.5+2943.75=4907N 螺釘直徑按強度條件計算： 式中 ——計算載荷，=1.3； ——許用抗拉應力，=； ——螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強度為352MPa； n——安全系數，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計算： =1.3=1.3×4907=6379.1N 代入數據： ===0.0068m 5.4螺栓的選定與校核 5.4.1螺栓類型選擇 由于用于連接兩個較薄的零件。在被連接件上開有通孔，插人螺栓后在螺栓的另一端擰上螺母。采用普通螺栓的釘桿與孔之間有間隙，通孔的加工要求較低，結構簡單、裝拆方便，應用廣泛。 5.4.2螺栓組的布置 布置螺栓組包括確定螺栓組中的螺栓數目并給出每個螺栓的位置。 1）接合面處的零件形狀應盡量簡單，最好是方形、圓形或矩形、同一圓周上的螺栓數目應采用 4、6、8、12 等，以便于加工時分度。示例如下： 圖3-5 螺栓布置圖 2）受力矩的螺栓組，螺栓應遠離對稱軸，以減小螺栓受力。 3）受橫向力的螺栓組，沿受力方向布置的螺栓不宜超過 6—8 個，以免各螺栓受力嚴重不均勻。 4）同一螺栓組所用的緊固件的形狀、尺寸、材料等應一致，以便于加工和裝配。螺栓間的距離可參考表3-1如下： 表3-1螺栓間距參考值 5）為裝配螺紋連接時，工具應有足夠的操作空間，應保證一定的扳手空間尺寸。 5.4.3螺栓的受力分析 進行螺栓組連接受力分析的目的是，根據連接的結構和受載情況，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便進行螺栓連接的強度計算。 螺栓組連接主要受橫向載荷和傾覆力矩的復合作用，現在為了校核的方便，先校核受橫向載荷的連接。應該保證連接預緊后，接合面間所產生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷。 根據前面的計算，螺栓組所受橫向載荷=98N，假設各螺栓所需要的預緊力為，螺栓數目為2，M16螺栓性能等級為8.8 ，取安全系數s=1.5。 則其平衡的條件為≥ 由此得預緊力≥== 424N 此時螺栓的所受的應力===1.36Mpa＜ 5.4.4螺栓組傾覆力矩校核 傾覆力矩M作用在通過×—×軸并垂直于連接接合面的對稱平面內。底板承受傾覆力矩前，由于螺栓已擰緊，螺栓受預緊力F。有均勻的伸長；地基在各螺栓的F 。作用下，有均勻的壓縮，如下圖所示。當底板受到傾覆力矩作用后，它繞軸線O一口傾轉一個角度，假定仍保持為平面。此時，在軸線 O一。左側，地基被放松，螺栓被進一步拉伸；在右側，螺栓被放松，地基被進一步壓縮。底板的受力情況如圖3-6所示： 圖3-6 傾覆力矩 上述過程，可用單個螺栓一地基的受力變形圖來表示，見圖3-7。 圖3-7 單個螺栓-地基的受力變形圖 為簡便起見，地基與底板的互相作用力以作用在各螺栓中心的集中力代表。如圖所示，斜線氏A表示螺栓的受力變形線，斜線o滬表示地基的受力變形線。在傾覆力矩M作用以前，螺栓和地基的工作點都處于A點。底板上受到的合力為零。當底板上受到外加的傾覆力矩M后情況），在傾轉軸線o—o左側，螺栓與地基的工作點分別移至盡與馬點，兩者作用到底板上的合力的大小等于螺栓的工作載荷F ，方向向下。在o—o右側，螺栓與地基的工作點分別移至移至與點，兩者作用到底板上的合力等于載荷，其大小等于工作載荷F，但方向向上（注意右側螺栓的工作載荷為零）。作用在o—o兩側底板上的兩個總合力，對o—o形成個力矩，這個力矩應與外加的傾覆力矩M平衡， 即 M= 又因 = 于是螺栓所受的最大工作載荷為：==18.5N 其產生附加的應力===0.3Mpa，螺栓遠遠滿足我們的要求。 第6章 基于Pro/E的三維設計 6.1 Pro/E三維設計軟件概述 Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。 Pro/E第一個提出了參數化設計的概念，并且采用了單一數據庫來解決特征的相關性問題。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。功能如下： （1）特征驅動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等）； （2）參數化（參數=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）； （3）通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數之間（如表面積等）的關系來進行設計； （4）支持大型、復雜組合件的設計（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設計的程序化方法等）。 （5）貫穿所有應用的完全相關性。 6.2三維設計 6.2.1升降缸桿 升降缸桿如下圖示： 圖6-1升降缸體 6.2.2伸縮缸體 伸縮缸體如下圖示： 圖6-2伸縮缸體 6.2.3轉動缸體 轉動缸體如下圖示： 圖6-3轉動缸體 6.2.4手抓連接支架 手抓連接支架如下圖示： 圖6-4手抓連接支架 6.2.5總成三維裝配 圖6-5 手抓裝配 圖6-6總成裝配 總 結 畢業(yè)設計是大學學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的學習機會，通過這次對三自由度圓柱坐標型搬運機械手理論知識和實際設計的相結合，鍛煉了我的綜合運用所學專業(yè)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經驗得到了豐富，并且意志品質力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。 這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在，提高是有限的但卻是全面的，正是這一次畢業(yè)設計讓我積累了許多實際經驗，使我的頭腦更好的被知識武裝起來，也必然讓我在未來的工作學習中表現出更高的應變能力，更強的溝通力和理解力。 參考文獻 [1] 郭洪紅 搬運機械手技術（第二版）西安電子科技大學出版社2013 [2] 孫志禮，冷興聚，魏延剛等. 機械設計[M]. 東北大學出版社， 2003 [3] 徐灝. 機械設計手冊[M]第5卷. 機械工業(yè)出版社， 1992 [4] 吳宗澤. 機械設計師手冊[M]. 機械工業(yè)出版社， 2002 [5] 成大先. 機械設計圖冊[M]. 化學工業(yè)出版社， 2002 [6] 羅洪量. 機械原理課程設計指導書[M]（第二版）. 高等教育出版社，1986 [7] JJ.杰克（美）. 機械與機構的設計原理[M]（第一版）. 機械工業(yè)出版社，1985 [8] 王玉新. 機構創(chuàng)新設計方法學[M]（第一版）. 天津大學出版社， 1996 [9] 張建民. 搬運機械手[B][M]. 北京理工大學出版社，1992 [10] 馬香峰. 機械手結構學[B] [M] . 機械工業(yè)出版社，1991 [11] [俄]IO.M.索羅門采夫. 搬運機械手圖冊[B] [M]. 機械工業(yè)出版社，1993 [12] 黃繼昌，徐巧魚，張海貴等. 實用機械機構圖冊[B] [M]. 人民郵電出版社，1996 [13] 天津大學《搬運機械手設計基礎》編寫組. 搬運機械手設計基礎[B] [M]. 天津科學技術出版社，1981 [14] 金茂菁. 我國搬運機械手發(fā)展現狀[J]. 機械手技術與應用， 2001， 01（4） 致 謝 大學生活即將結束，在這短短的四年里，讓我結識了許許多多熱心的朋友、工作嚴謹教學相幫的教師。畢業(yè)設計的順利完成也脫離不了他們的熱心幫助及指導老師的精心指導，在此向所有給予我此次畢業(yè)設計指導和幫助的老師和同學表示最誠摯的感謝。 首先，向本設計的指導老師表示最誠摯的謝意。在自己緊張的工作中，仍然盡量抽出時間對我們進行指導，時刻關心我們的進展狀況，督促我們抓緊學習。老師給予的幫助貫穿于設計的全過程，從借閱參考資料到現場的實際操作，他都給予了指導，不僅使我學會書本中的知識，更學會了學習操作方法。也懂得了如何把握設計重點，如何合理安排時間和論文的編寫，同時在畢業(yè)設計過程中，她和我們在一起共同解決了設計中出現的各種問題。 其次，要向給予此次畢業(yè)設計幫助的老師們，以及同學們以誠摯的謝意，在整個設計過程中，他們也給我很多幫助和無私的關懷，更重要的是為我們提供不少技術方面的資料，在此感謝他們，沒有這些資料就不是一個完整的論文。 另外，也向給予我?guī)椭乃型瑢W表示感謝。 總之，本次的設計是老師和同學共同完成的結果，在設計的一個月里，我們合作的非常愉快，教會了大我許多道理，是我人生的一筆財富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W表示感謝！