《机械系统设计》课程设计指导

厦门理工学院《机械系统设计》课程设计指导书《机械系统设计》课程设计（机械手）的步骤与方法3.1明确题目要求，查阅有关资料学生在获得课程设计的题目之后，首先应明确设计任务，并阅读《机械系统设计》课程设计提纲，了解课程设计的目的、内容、技术要求和设计步骤。然后在教师的指导下，拟订工作进度计划；查阅必要的图书、杂志、手册、产品图纸、同类型机械系统说明书和其它有关设计参考资料；熟悉专业标准，便于设计时采用。对机械手系统的用途、特点，主要参数、总体设计、传动结构、操纵机构、零部件的功用及结构进行分析研究，力求做到理解、消化并进而能有所改进。3.2机械手总体设计方案主要任务是完成机械手的结构方面总体设计，以及ADAMS软件进行简单的运动仿真。在总体设计方案中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务，然后通过ADAMS软件对机械手进行简单的运动仿真。3.2.1机械手的主要部件及运动以圆柱坐标式机械手的基本方案为例，根据设计任务，为了满足设计要求，机械手具有5个自由度分别为：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降5个主要运动。机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转180°（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动1.2m 。（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。3.2.2驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。3.3机械手的手部设计和计算3.3.1手部设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4）应保证手抓的夹持精度。3.3.2典型的手部结构（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2）移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型。3.3.3机械手手指的设计计算常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单,适于夹持平板方料,且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置,其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指,驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，例如选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。(a)(b)图3.1滑槽杠杆式手部结构、受力分析1——手指2——销轴3——杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和的延长线于A及B。由=0得=0得由=0得hF=（3.1）式中a——手指的回转支点到对称中心的距离（mm）.——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=~。手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算：（3.2）式中——安全系数，通常1.22.0；——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a，重力方向的最大上升加速度；——运载时工件最大上升速度——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03~0.5s——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。G——被抓取工件所受重力（N）。表3-1液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于5000 50000以上计算：设a=100mm,b=50mm,<<;机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和驱动液压缸的尺寸。设==1.02根据公式，将已知条件带入：=1.5（2）根据驱动力公式得：=1378N（3）取（4）确定液压缸的直径D选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8~1MPa,根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为:D=630.5=31.5mm，选取d=32mm为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径，当张开时，如图3.2（b）所示，最大夹持半径计算如下：机械手的夹持半径从40~90mm（a）(b)图3.2手抓张开示意图3.3.4机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。图3.3手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为80mm~180mm。一般夹持误差不超过1mm,分析如下：工件的平均半径：手指长,取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定： 计算当S时带入有： 夹持误差满足设计要求。3.3.5弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图3.4所示，计算如下。图3.4圆柱螺旋弹簧的几何参数(1).选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力(2).选择旋绕比C=8，则（3.3）(3).根据安装空间选择弹簧中径D=42mm，估算弹簧丝直径 (4).试算弹簧丝直径（3.4）(5).根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数： （3.5）选择标准为，弹簧的总圈数圈(6).最后确定，，，(7).对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取：当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，。结论本设计弹簧，因此弹簧稳定性合适。(8).疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式：（3.6）选取1.31.7（力学性精确能高）（3.7）结论：经过校核，弹簧适应。3.4机械手的腕部设计和计算3.4.1腕部设计的基本要求（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。3.4.2典型的腕部结构(1)具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于）。(2)齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3)具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4)机-液结合的腕部结构。3.4.3腕部的设计计算假设腕部设计考虑的参数：夹取工件重量60Kg，回转。腕部的驱动力矩计算腕部的驱动力矩需要的力矩。腕部回转支撑处的摩擦力矩。夹取棒料直径100mm，长度1000mm，重量60Kg，当手部回转时，计算力矩：（1）手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径120mm，其重力估算G=3.14擦力矩。启动过程所转过的角度=0.314rad，等速转动角速度。（4.1）查取转动惯量公式有：代入：腕部驱动力的计算表4-1液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内空半径R=110mm，外径根据表3-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为226mm；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图4.1所示。则回转缸工作压力，选择8Mpa图4.1腕部液压缸剖截面结构示意表4.2标准液压缸外径（JB1068-67）（mm）液压缸内径405063809010011012514015016018020020钢P5060769510812113316814618019421924545钢506076951081211331681461801942192453.3.4液压缸盖螺钉的计算图4.2缸盖螺钉间距示意表4.3螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（Mpa）螺钉的间距t(mm)小于150小于120小于100小于80缸盖螺钉的计算，如图4.2所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4.3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力（4.2）计算：液压缸工作压强为P=8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,试选择8个螺钉，，所以选择螺钉数目合适Z=8个危险截面(4.3)所以=11863.3+10545=19772N螺钉材料选择Q235，（）螺钉的直径（4.4）螺钉的直径选择d=16mm.4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。于是得(4.5)D——动片的外径；f——被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15螺钉的强度条件为(4.6)或(4.7)带入有关数据，得螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径螺钉的直径选择d=12mm.选择M12的开槽盘头螺钉。3.5机械手的肩部设计和计算3.5.1臂部设计的基本要求手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。合理布置作用力的位置和方向。注意简化结构。提高配合精度。二、臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在,最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径：减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。减少臂部运动件的轮廓尺寸。减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。驱动系统中设有缓冲装置。三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。3.5.2手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：双导杆手臂伸缩机构。手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。双活塞杆液压缸结构。活塞杆和齿轮齿条机构。3.5.3肩部及手臂设计计算手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。(5.1)手臂摩擦力的分析与计算分析：摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，为双导向杆，导向杆对称配置在伸缩缸两侧。机械手臂部受力示意图计算如下：由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。得得(5.2)式中参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；L——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算;a——导向支撑的长度（m）;——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取钢对铸铁：取计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁，，L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为0.016m将有关数据代入进行计算手臂惯性力的计算：本设计要求手臂平动是V=,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度V=V=,(5.3)密封装置的摩擦阻力：不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=6210N，根据表3.1选择液压缸的工作压力P=2MPa确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图5.2所示双作用液压缸示意图当油进入无杆腔，当油进入有杆腔中，液压缸的有效面积：故有（无杆腔）(5.4)（有杆腔）(5.5)F=6210N，=，选择机械效率将有关数据代入：根据表4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=65mm.液压缸外径的设计根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为79mm.活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：(5.6)设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=20mm,L=1360mm,现在进行校核。结论：活塞杆的强度足够。3.6机械手支撑系统设计——机身设计机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。3.6.1机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图3.6.2机身回转机构的设计计算（1）回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡。(6.1)惯性力矩的计算(6.2)式中——回转缸动片角速度变化量（），在起动过程中=；t——起动过程的时间(s);——手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（）。若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则(6.3)式中——回转零件的重心的转动惯量。(6.4)回转部件可以等效为一个长1800mm，直径为60mm的圆柱体，质量为159.2Kg.设置起动角度=180，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s。4694.3密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算=4839.5回转缸尺寸的初步确定设计回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算：(6.5)D=151mm既设计液压缸的内径为150mm,根据表4.2选择液压缸的基本外径尺寸180mm(不是最终尺寸)，再经过配合等条件的考虑。液压缸盖螺钉的计算根据表4.3所示，因为回转缸的工作压力为8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,根据初步估算，，,所以缸盖螺钉的数目为（一个面6个，两个面是12个）。危险截面所以，所以螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径螺钉的直径选择d=20mm.选择M20的开槽盘头螺钉。经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸的截面尺寸如图5.2所示，内径为150mm，外径为230mm，输出轴径为50mm回转缸的截面图动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构如图6.2。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。