《工件转移机构方案的总体设计》7900字

--PAGEIII-工件转移机构方案的总体设计摘要本次论文是对工件转移机构方案的总体设计，其主要运动形式是通过电机的驱动，经过带传动来完成机械臂的转移，卡具是通过气缸和工件卡紧侧带轮来完成对零件的夹持与转动。工件转移机构是通过一台传动电机带动下，实现对工件转移机构的传动装置和工件夹持装置的转动的两个工作量，所以工件转移机构的结构非常简单，主要由电机的驱动、带传动、花键链接、带轮、气缸等工作组成的工件转移机构。其工作流程是在电机的驱动下，通过花键联接的运动特性来完成力矩的传递，然后带轮与花键联接完成机械臂的转动，卡具的夹持动作是通过气缸来完成升降和夹紧，所以工件转移机构在操控上非常便捷，大大的提高工作效率。关键词：反转机构；气动；机械手；带传动目录摘要 I1绪论 11.1引言 11.2国外发展情况 11.3国内发展情况 11.4本次研究的主要内用 21.5课题的研究目的及意义 22工件转移机构设计的总体方案 22.1机械臂运动形式的选择 32.2工件转移机构机械臂执行机构设计 42.2.1工件转移机构的机械臂及卡具设计方案 42.2.2卡紧方法的确定 42.3传动方法的挑选 52.4动作表意图 63装置主要部件的挑选与校核 73.1采用电机的挑选 73.2同步带选择 83.2.1选择同步带的带齿 83.2.2圆弧齿同步带的参数计算 83.3轴与机械臂的设计 123.3.1大带轮轴的设计 123.3.2轴承的校验 133.3.3对于滚珠花键轴的设计 143.3.4支撑板的材料与尺寸的确定 153.4卡具和升降气缸的挑选 163.4.1气缸种类挑选 163.4.2升降气缸数据的计算 163.4.3卡具气缸的选择 174工件反转转移机构的传递装置的组成装配 184.1传动大带轮旁的装配 184.2夹具旁装配 194.3总体的装配 20结论 21参考文献 22--PAGEIII-1绪论1.1引言工件转移机构主要是代替了人类工作的一些单一枯燥无味的工作，解决了人类的工作枯燥和工作的压力，并按照一定的工作轨迹，精确高效率的完成抓取与搬运和操作的全部工作。工件反转机构在早期使用在汽车的制造业，一般使用在焊接、喷涂与搬运。工件反转机构主要研究意义如上诉说为了代替了人类工作的一些单一枯燥无味的工作，解决了人类的工作枯燥和单一的兴趣。其主要运动形式是通过电机的传动带动带轮，传动装置通过带轮的传递下完成机械臂的移动和转动，卡具的上升与下降通过气动装置完成。1.2国内外发展情况早期20世纪制造出机械臂，至今80年，如今人们对机械臂的研究与热情还是非常高涨，也跟随着这份高涨机，械臂现也不局限与工业的搬运和非常大的工业机器，现已将机械臂运用在深海的探究，对现在人类需要帮助的假机械臂，以及军事排除炸弹的机器人。对日本国家有着“机器人王过”的称呼。目前机械臂在日本的工业上应用和技术相当出色，在机器人的生产和组装数上来看，日本在国际上是名列前茅。机械臂的夹持的动作由原来的笨拙也变的灵巧，结构也越来越简便，其中设计的仿真手也可以代替人完成特定的动作，夹持力通过编程控制的非常精确。我国对机器人的研究是非常晚的，对机械手的设计也如此，1986年经过国家大力的支持和重点规划下在沈阳建立的机器人研究基地，经过了14年的努力在2000年11月29日，在20实际即将进入尾声时，我国第一台具有人类形体的机器人诞生“先行者”。随着机械臂不断地发展，机械臂的设计会随着工作环境的变化来设计机械臂的结构，这样对设计的成本和性能都得到了保障，但需要夹持的精度高和研发性能非常好的机械手还是有一定的难度。我国目前研究机器人已有三十年有余，在机器人应用集成系统，数字化高端装备的制造，机器人管焊机，打磨机器人，汽车机器人焊装线，搬运机器人，机器人包装，对汽车零部件的抛光机器手等。例如：我国的厦门思尔特公司研究机器人已近20年，主要研究机器人的应用集成系统，主要包括焊接集成系统，机器人的移栽；唐山开元机器人公司，重点研究的是机器人焊接，让机器人更加灵活的进行各种焊接；昆山华恒焊接机器人公司，该公司专门细致的研究机器人的各种焊接，机器人管焊，管板焊，管管焊，纵缝焊，机器人的环缝焊接，机器人的自动化焊接，平口机器人焊接，机器人进行坡口焊接等；南京熊猫公司主要研究机械手的喷涂及搬运，让机械手更快速省力精准的进行汽车喷涂及零件喷涂，更快速的搬运零件。机器人及机械手本体产品的技术难度比较高，所以市场规模远大于本体市场。所以才有了国内机器人及机械手行业的迅速发展。区域相对于较为分散，但是数量众多，犹如燎原星星之火，点燃了国内工业机器人及机械手发展应用的浪潮。1.3本次研究的主要内容本次主要设计的内容是根据工人在流水线工作的动作完成的设计：（1）依据工作需求查询资料制定方案；（2）根据工人操作流程完成夹持移动图；（3）选择装置的传动装置，部件与各个部位的负载值和工作时间；（4）挑选气缸并绘制工作原理图，和卡具的上升与下降的行程；（5）绘制装配图和部件图；（6）体现三维的运动仿真。1.4课题的研究目的及意义本次设计的是工件转移机构,主要目的是为了完成操作工在工作线上反复的转移工件，其配合工人在流水线完成传送带上的工件转移和转动，由此代替工人在流水线上反复的完成此项操作。根据了解在我国还有很多工厂的一些简单的工件转移还是由工人完成，这样大大的减少了工作量。本次设计的工件转移机构，结构简单，是利用电机的驱动来完成机械臂的转动与卡具的旋转，工作简单，成本低。由此工件转移机构在工作中通过机械臂与机械手来实现工件的传递，如需要更大的传动力和更大的工件，根据需要来完成更换，大大的提高了工作量；工件转移机构还可以在对工人身体有伤害的工作环境下工作，比如在气温低、气温高、有异味、辐射高或者有有毒气体及工人操作不便的工作环境下，这样由工件转移机构来代替工人操作，这样大大的减少了操作事故；此外，在流水线上工件转移机构有频率的进行工作，工人也会高效率的工作，可以说是一举两得。2工件转移机构设计的总体方案本次课题设计的主要目的是为了实现传送带上工件在工作台上旋转90°并转移到下一工序，卡紧机构完成180°自转，传递时相对传送的方向不变动工件的方向为目的。本次机械臂组成主要有驱动与传动部分组成，传动部分主要完成机械臂将工件在工作台完成转动和卡具自传，因驱动的方式有很多种类，本次课题采用的是气动与电机的方式完成工作，接下来进行具体的描述。2.1机械臂运动形式的选择依据机械臂工作特征可分成直角坐标、圆柱坐标、球坐标、多关节四种机械手。圆柱坐标型种类通过一点的回转并与两个平动的自由度组成如图（b）表示。该型特点为同直角坐标型操作器相比，圆柱坐标型操作器除了保持运动直观性强的优点外，机构占用体积小，使用范围广。球坐标型种类是通过自身的旋转和回转以及具有平移自由度组成如图（c）表示。该型优点为同圆柱坐标型操作器相比，这种操作器在占据同样空间的情况下，其使用更大，因此还能将臂伸向地面，还可将零件将地面拾起。直角坐标种类是通过笛卡尔坐标系三轴的自由度组成如图（a）表示。由笛卡尔坐标系三坐标计算更加简洁。该型坐标的组成便捷，其工作更加准确，应采用在精度非常高的工作环境下。多关节种类是通过三回转来实现工作如图（d）表示。多关节型具有人的手臂的某些特征,与其他类型的操作器相比,具有精密的组件，使用方便且使用范围广。本次课题设计的主要目的是为了实现传送带上工件在工作台上旋转90°并转移到下一工序，卡紧机构完成180°自转,传递时相对传送的方向不变动工件的方向为目的。因本次卡具的设计加持的精度要求不是很高，并经济成本不高所以本次设计采用圆柱坐标型机械手。本次设计要求机械臂主要完成动作是机械臂的转动、卡具自转、卡具的上升与下降和卡紧过程。其流程是：卡具的降落→夹紧工件→卡具升起→90°的转动和旋转→卡具的降落→卡具松开工件→卡具的升起。2.2工件转移机构机械臂执行机构设计2.2.1工件转移机构的机械臂及卡具设计方案目前我国机械工业传动种类有摩擦轮传动、螺纹传动、齿轮传动、涡轮蜗杆传动、丝杆传动、带传动、链传动，因为本次设计的工件转移机构两中心距较大所以比较满足传动的种类有：链传动、带传动，他们的缺点和优点比较如表2.1所表示。由上表叙述可知，带传动与链传动的传动比都得不到恒定，经过筛选后找到同步带传动，这种传动综合了普通带传动与链条传动的优点：承载力大，传动精确平稳，运动失效风险低。传动比范围大，可实现远距离传动。可在恶劣环境下工作且维护保养方便，运转费用低。具有传动比准确，无滑差，可获得恒定的速比，传动效率高。由分析得到，因机械臂传动需要一定的轴向间距，还需要恒定的传动比，所以本次采用同步带传动。在机械臂旋转90度时，中心旋转的带轮是固定不动的，因带轮的传动比是2:1，卡具的侧带轮自转180度，卡具旁的同步带轮和空心轴链接，空心轴内部链接着滚珠花键的轴，此轴将同步带轮180度然后自转传递到卡具，卡具加持工件后180度自转。2.2.2卡紧方法的确定通过查找资料得知，卡具种类有很多常用的机械手部，按卡持原理，可分卡持与电吸两类。电吸类型机械手常有余平面比较光滑的零件，常用于较小的板材零件与特大的板材零件，不适合本次设计的圆形零件。这次设计应采用卡持手指，按卡持手可分为平行运动与旋转运动。平行移动卡持手其运动形式主要靠手指的卡持力，所以这种结构简单，适用于本次设计，且卡持不影响太多的位置变化，卡持误差非常小可忽略不计。经过层层筛选，本次设计将采用卡持式手指。2.3传动方法的挑选为达到理想的工作流程，须采用合理传动方法。在工业常使用的传动方法种类颇多，如：气压传动方式、液压传动方式、步进电机传动方式、内燃机传动方式等，各传动对比如表2.2。表2.2各传动特点传动方式功率基本性能结构预算气压传动方式功率小但压力小可以实现高速，但定位精度低，冲击严重结构大低液压传动方式功率大但压力高可进行无级变速，运动平稳，冲击小，能快速启动结构大高步进电机传动方式功率小定位精度高结构小低内燃机传动方式功率大工作效率不高，比较耗能结构大低经表2.2对比后发现气缸的结构简单、紧凑、易于制造，气源来源方便，便于贮存。在易燃、易爆、强磁、粉尘大等恶劣场合，工作安全可靠：工作压力一般为0.4-0.6MPa，故输出力和力矩不大，夹持力不是很高，本次设计的机械手不需要很高的加持力所以本次采用气缸传动：因电机是使用编程控制进给进度所以精度较高，且气动电机体积小、成本低，所以本台设备机械手臂的旋转采用步进电机传动。在考虑电机在各种环境下精度与工作效率会受影响，在提前了解下工作环境是恒温的，所以不用考虑外界因素会影响电机。2.4动作示意图经过选择出的传动方式绘制出运动简图如图2.3。其传动主要有传动电机，花键链接，带轮，轴等构成，在1电机的传动下，支撑板3会旋转90度，因为大带轮2与小带轮6传动比是2:1，小带轮6会自转180度，花键链接轴5的传递下，卡具7会随着自转180度，卡具7会随着气缸4的上升下降完成升降动作。本次设计的机械臂的工作流程如图2.3所示。3装置主要部件的挑选与校核3.1采用电机的挑选本次采用的电机目的是使卡具在夹持零件后自转180度后，机械臂完成90度的转移。从而为了得到更好的性能，所以本次采用减速机为10减速比的机器。本次采用的电机需要有较好的承载惯性力，得知：机械臂转移所耗时间为，高速运转耗时，夹持工件后惯性力矩为转移角度为，已知传动马达的进给最小值为所得出动作的脉冲数为其频率为转动的速度为采用的马达转子惯性力矩：减速器的减速比是：加速扭矩的计算为（3.4）所需扭矩的计算惯量比的确定满足。依据采用电机的特性选用42行星的减速型进步电机（其减速比：10）3.2同步带的选择3.2.1选择同步带的带齿通过查阅资料后同步带分为梯形齿形同步带与圆弧形齿形同步带两种，其中同步带里的梯形齿，它的制造价格比较廉价，但是在工作环境下会发生很大的抖动，因为该带的齿根低，工作时会发生工作力的集中，大大的影响了工作承受的力和使用年限，工作时该带还会发出杂音并且影响传递的数度。所以在传动精度高，工作不丢转和传递转矩时没有大抖动的工作环境下优先采用圆弧形齿形同步带轮。因为圆弧形齿形在工作时工作效率高，但失效低为：在工作时该带轮会减少抖动，且在传动时非常稳定而且传动时没有噪音：该带可以在工作环境非常恶劣的情况下工作，工作时也不用进行润滑：在传递转矩时对于张紧力不用很高，在带损坏时维修也很简单，还可在温度高的工作环境下工作。所以工件转移机构的带传动采用圆弧齿同步带轮传动转矩。3.2.2圆弧齿同步带的参数计算（1）功率的设计设计功率是为了满足，卡具的自转与机械臂的转移，且带轮为的传动比为设计要求，才得出设计功率共式中为电机功率，是工作系数，如变化不大的载荷时查表3.1得出，该带轮的工作是正反转的往复运动，则，因传动是增速，得出为增速比，，计算出，所以（2）选择带的形状与节距得知小带轮的转速：依据和，由图3.1选择型，所以节距为图3.1（3）节圆的直径与带轮齿数的选择依据小带轮与带的形状由表3.2得出小带轮的最小齿数：，此处取，由此得出大带轮齿数：则分别得出小带轮，大带轮的节圆直径为（4）带传动的速度（5）中心距的确定初步确定的中心距，初步确定的节线长度为得出采用带长代号为的型同步带,节线长为，齿数为，其采用中心距为其中带长参数的确定与啮合齿数的参数从查得出啮合齿数：当（7）带宽参数的确定带额定的功率：—带宽的参数按照的原则挑选带的宽度由得出，计算取（8）参数整合带轮的参数：，，,带参数：采用型同步带：，，，3.3轴与机械臂的设计3.3.1大带轮轴的设计（1）轴最小直径的确定进行对大带轮的受力和分析得知，轴在工作的同时承受转矩与弯矩的，并与大轮接触需要足够的要求，所以现在算出最小直径的尺寸。得知该轴承受的弯矩为，扭矩为，弯扭合成强度的要求是—折合系数，；—轴的抗弯截面系数，；—轴的许用弯曲应力，。其本次轴才用材料是钢，对钢的调质处理，由《机械设计手册》可知，得知传动轴的设计次轴段是与大带轮链接，所以此处键槽需要放大，取，其机械臂是通过该带轮左右的轴承与调整环来传动和确定位置的。3.3.2轴承的校核经过对轴承在工作时是承受着径向力，因轴承的直径是，所以本次采用深沟球轴承，尺寸为。由《机械设计手册》得知，额定动载荷是。轴承的使用时间计算公式为—当量动载荷；—寿命指数，球轴承；—轴承转速。当量动载荷—载荷系数，取；—径向载荷；—轴向载荷；—径向系数；—轴向系数。查机械设计手册可知；轴向载荷轴承寿命计算后：得知满足使用。3.3.3对于滚珠花键轴的设计工件转移机构采用滚珠花键，因为工件转移机构的卡具在夹持工件后，不仅需要完成卡具的上升与下降还需要完成夹持工件后完成自转。因为滚珠花键钢珠在高精度花键内部槽中，进行直线和旋转，并传递力的运动，所以满足这次设计的要求。得知行程的长度：，速度：，载荷：，所以采用高扭矩的滚珠花键轴型号，这次设计主要的扭矩是由本花键承受，则有：—最大扭矩；—花键轴的容许扭转应力；—花键轴极截面系数；—花键轴直径。可求得查选择花键轴径：经过计算花键的轴长为，因为小带轮轴内部与花键链接，而外部需要链接带轮和机械臂等，为滚珠花键零件图。3.3.4支撑板的材料与尺寸的确定支撑板采用铝合金，因为主要作用是支撑力和完成转动，和减轻重量为目的。因已知中心距所以支撑板也采用一样的尺寸，又因该板需要与两边的轴链接，考虑各因素后将：长设计成，分别为左右的宽度，为支撑板零件图。3.4卡具和升降气缸的挑选3.4.1气缸种类挑选本次设计采用普通型气缸，因为本次夹持的工件尺寸为块状的，重量为不需要特殊的气缸：因为双作用的气缸成本低，又能实现本设计需要的抓取工作，所以卡具使用平行手指气缸。3.4.2升降气缸数据的计算 （1）确定气缸直径已知：零件运输行程为，时间为，零件与自重约为，工作压力则气缸的轴向负载力为气缸均匀值：由得出气缸负载率为气缸预计的输出力为由公式得出气缸直径所以气缸直径为D。（2）气缸的行程选择因零件运动范围是10mm，所以气缸的运动范围设为15mm。（3）气缸的选择与装配本次设计的升降气缸将采用，因为该气缸为了完成卡具的上升与下降，计算出气缸直径为，运动范围为，所以最终采用本气缸,因考虑冲击力与震动将使用橡胶缓冲防止冲击力与震动。3.4.3卡具气缸的选择零件尺寸是，，，夹紧距离为双边，由此得出零件重量由夹持力是，则有（3.29）由计算得出，卡具气缸型号为。4工件反转转移机构的传递装置的组成与装配4.1传动大带轮旁的装配将各个零件选择好后进行计算，将各个零件进行组装，传递大带轮旁的装配如。该装置的支撑板和固定轴是与轴承相链接，然后大带轮不动，和固定轴上的键联接。实际完成的运动是进步电机带动着支撑板完成旋转。4.2卡具旁装配卡具旁的装配图为所示。如图所示，空心轴连接着轴承链接的支撑板，小带轮是通过空心轴上的键相链接，花键套是连接着滚珠花键的轴与空心轴内部链接，然后在滚珠花键运动的同时完成传递力矩的，然后卡具可完成上升与下降还可自转。4.3总体的装配这次设计的总体的装配图4.3所示，同步带轮固定着加持零件的机械臂中心位置，固定轴连接着轴承链接的支撑板2，当进步电机1传动时，机械臂转动到90度后，小带轮会发生180度的自转，因为同步带轮的传动比是2:1，因空心轴是与小带轮链接，滚珠花键是与空心轴内部链接，小带轮180度自传是通过花键轴传递到卡具，所以卡具会完成180度的自转，卡具的升降是通过气缸4来进行控制。本次设计的目的是通过一台电机的传动下，卡具在夹持工件后完成180度的自转与机械臂完成90度的传递目的的设计。结论用过这次工件转移机构的设计，充分的了解了机械装置的组成与运动方式，其本次设计的工件转移机构，主要工作原理是通过一台电机的传动完成机械臂与机械手配合将工件进行180度的自转与90度转动的工作原理。其设计的主要目的就是解决工人在流水线工作着单一的工作，大大的减轻了人耗和生产效率，结合实际对工作环境的情况合理的选择采用设备，充分的起到了用非常低的成本组成了工件转移机构。在成本十