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送料机械手设计及Solidworks仿真(2)

2023-03-09    作者:    来源:

第3章 机械机构设计

3.1 手部设计计算

3.1.1 对手部设计的要求

1、有适当的夹紧力

手部在工作时,应具有适当的夹紧力,以保证夹持稳定可靠,变形小,不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节,对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。

2、有足够的开闭范围

夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时,一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围,可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关,如工件的形状和尺寸,手指的形状和尺寸,一般来说,如工作环境许可,开闭范围大一些较好,如图3.1所示。

送料机械手设计及Solidworks仿真 图1

图3-1  机械手开闭示例简图

(3) 力求结构简单,重量轻,体积小

手部处于腕部的最前端,工作时运动状态多变,其结构,重量和体积直接影响整个机械手的结构,抓重,定位精度,运动速度等性能。因此,在设计手部时,必须力求结构简单,重量轻,体积小。

(4) 手指应有一定的强度和刚度

(5)其它要求

因此送料,夹紧机械手,根据工件的形状,采用最常用的外卡式两指钳爪,夹紧方式用常闭史弹簧夹紧,松开时,用单作用式液压缸。此种结构较为简单,制造方便。

3.1.2 抓紧装置原理及各参数计算

如图3.2所示:油缸右腔停止进油时,弹簧力夹紧工件,油缸右腔进油时松开工件。

送料机械手设计及Solidworks仿真 图2
送料机械手设计及Solidworks仿真 图3


图3-2  油缸示意图

1、右腔推力为

FP =(π/4)D²P                        (3-1)

=(π/4)送料机械手设计及Solidworks仿真 图40.5²送料机械手设计及Solidworks仿真 图525送料机械手设计及Solidworks仿真 图610³

=4908.7N

2、根据钳爪夹持的方位,查出当量夹紧力计算公式为:

F1=(2b/a)送料机械手设计及Solidworks仿真 图7(cosα′)²N′            (3-2)

其中 N′=4送料机械手设计及Solidworks仿真 图898N=392N,带入公式2.2得:

F1=(2b/a)送料机械手设计及Solidworks仿真 图9(cosα′)²N′

   =(2送料机械手设计及Solidworks仿真 图10150/50)送料机械手设计及Solidworks仿真 图11(cos30º)²送料机械手设计及Solidworks仿真 图12392

                   =1764N

则实际加紧力为 F1实际=PK1K2/η                          (3-3)

=1764送料机械手设计及Solidworks仿真 图131.5送料机械手设计及Solidworks仿真 图141.1/0.85=3424N

经圆整F1=3500N

3、计算手部活塞杆行程长L,即

L=(D/2)tgψ                           (3-4)

                  =25×tg30º

                  =23.1mm

经圆整取l=25mm

4、确定“V”型钳爪的L、β。

取L/Rcp=3                               (3-5)

式中:    Rcp=P/4=200/4=50                        (3-6)

由公式(2.5)(2.6)得:L=3×Rcp=150

取“V”型钳口的夹角2α=120º,则偏转角β按最佳偏转角来确定,

查表得:

β=22º39′

5、机械运动范围(速度)

(1) 伸缩运动送料机械手设计及Solidworks仿真 图15=500mm/s

送料机械手设计及Solidworks仿真 图16=50mm/s

(2)  上升运动送料机械手设计及Solidworks仿真 图17=500mm/s

送料机械手设计及Solidworks仿真 图18=40mm/s

(3)  下降送料机械手设计及Solidworks仿真 图19=800mm/s

送料机械手设计及Solidworks仿真 图20=80mm/s

(4)  回转送料机械手设计及Solidworks仿真 图21=90º/s

送料机械手设计及Solidworks仿真 图22=30º/s

所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s

6、手部右腔流量

Q=sv                        (3-7)

=60πr²

=60×3.14×25²

=1177.5mm³/s

7、手部工作压强

P= F1/S                     (3-8)

                               =3500/1962.5=1.78Mpa

3.2 腕部设计计算

3.2.1 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构

直接用回转液压(气)缸驱动实现脆部的回转运动,因具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。图3.3所示的脆部结构,果用一个回转液压缸,实现腕部的旋转运动。从A—A剖视图上可以看出,回转叶片(简称动片)用螺钉、销钉和转轴10连接在一起,定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5、7进出油腔,实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动片、定片之间允许因转的角度来决定(一般小于270。),图示液压虹可以回转±90。。肮部旋转位置控制问题,可采用机械档块定位。当要求任意点定位时,可采用位置检测元件(如本例为电位器,其轴安装在件l左端面的小孔)对所需位置进行检测并加以反馈控制.

送料机械手设计及Solidworks仿真 图23

1—手部驱动液压缸  2—回转液压缸 3—通向手部的油管 4—腕架 5—左进油孔  6—通向摆动缸油管 7—右进油孔 8—固定叶片 9—缸体 10—回转轴  11—回转叶片 12—手部

图3-3  用一个回转液压缸实现腕部旋转的结构

要求:回转±90º

     角速度W=45º/s

以最大负荷计算:

当工件处于水平位置时,摆动缸的工件扭矩最大,采用估算法,工件重10kg,长度l=650mm。如图2.3所示。

3.2.2 各参数计算

1、计算扭矩送料机械手设计及Solidworks仿真 图24

设重力集中于离手指中心200mm处,即扭矩送料机械手设计及Solidworks仿真 图25

送料机械手设计及Solidworks仿真 图26=F×S                                   

=10×9.8×0.2=19.6(N·M)

(1) 油缸(伸缩)及其配件的估算扭矩送料机械手设计及Solidworks仿真 图27

F=5kg     S=10cm

带入公式2.9得

送料机械手设计及Solidworks仿真 图28=F×S=5×9.8×0.1 =4.9(N·M)    

(2)    摆动缸的摩擦力矩送料机械手设计及Solidworks仿真 图29

送料机械手设计及Solidworks仿真 图30 =300(N)(估算值)

S=20mm     (估算值)

送料机械手设计及Solidworks仿真 图31=送料机械手设计及Solidworks仿真 图32×S=6(N·M)

(3)    摆动缸的总驱动矩M

驱动手部回转的力矩送料机械手设计及Solidworks仿真 图33应该与起动时所产生的惯性力矩送料机械手设计及Solidworks仿真 图34及各密封装置处的摩擦力矩送料机械手设计及Solidworks仿真 图35相平衡

          送料机械手设计及Solidworks仿真 图36=送料机械手设计及Solidworks仿真 图37+送料机械手设计及Solidworks仿真 图38+送料机械手设计及Solidworks仿真 图39                                           (3-9)

式中:送料机械手设计及Solidworks仿真 图40———密封装置处的摩擦力矩(N﹒m);

       送料机械手设计及Solidworks仿真 图41=送料机械手设计及Solidworks仿真 图42                                                (3-10)

(其中:送料机械手设计及Solidworks仿真 图43——回转缸动片的角速度变化量(rad/s),在起动过程中送料机械手设计及Solidworks仿真 图44=送料机械手设计及Solidworks仿真 图45

                               

送料机械手设计及Solidworks仿真 图46——起动过程中的时间(S);

                                

送料机械手设计及Solidworks仿真 图47 ——手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量(N.m﹒送料机械手设计及Solidworks仿真 图48),

若手臂回转零件的重心与回转釉的距离为送料机械手设计及Solidworks仿真 图49,则

送料机械手设计及Solidworks仿真 图50=送料机械手设计及Solidworks仿真 图51                                  (3-11)

送料机械手设计及Solidworks仿真 图52为回转零件对重心轴线的转动惯量;

     送料机械手设计及Solidworks仿真 图53——回转液压缸回油腔的背压反力矩。

                  送料机械手设计及Solidworks仿真 图54=送料机械手设计及Solidworks仿真 图55                          (3-12)

所以      送料机械手设计及Solidworks仿真 图56=送料机械手设计及Solidworks仿真 图57+送料机械手设计及Solidworks仿真 图58+送料机械手设计及Solidworks仿真 图59                        

 =30.5(N·M)            

(4)由公式

送料机械手设计及Solidworks仿真 图60=P×b(D²-d²)×106/8                      (3-13)

其中:b—叶片密度,这里取b=3cm;

D—摆动缸内径, 这里取D=10cm;

d—转轴直径, 这里取d=3cm。

所以代入(3-13)公式

P=8送料机械手设计及Solidworks仿真 图61/b(D²-d²)×106

=8×30.5/0.03×(0.1²-0.03²)×106

=0.89Mpa

又因为

送料机械手设计及Solidworks仿真 图62=8Q/(D²-d²)b

所以

Q=送料机械手设计及Solidworks仿真 图63(D1²-d²)b/8

                  =(π/4)(0.1²-0.03²)×0.03/8

                  =0.27×10-4m³/s

                  =27ml/s

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