驾驶室焊接自动转序机械手系统设计Word格式.docx
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1.名词
1.manufacture
2.fabrication
3.yielding
2.动词
1.produce
2.output
第1章绪论
1.1课题背景及意义
机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，工业机械手是工业机器人的一个重要分支[1]。
可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
它在减轻工人的劳动强度的同时,大大提高了劳动生产率。
机械手作业的准确性和在各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景[2]。
据资料显示，目前机械手在我国制造业领域的应用率已达到35%，而在欧美等发达国家更是达到了60%-70%。
在汽车制造业中，各类型的机械手的应用更为广泛，对于汽车制造从传统的离散型生产到高度流水线式的转变起到了很大的作用[3]。
本课题的内容是设计某卡车驾驶室外壳的自动转序机械手。
负责夹持驾驶室外壳，提升并旋转。
并转到下一个焊接加工工位以实现连续作业。
1.2课题国内外研究现状
经过在某大型汽车制造厂的认识实习及参考相关国内外资料，对于此类辅助转序机械手。
悬吊、起升及搬运过程多采用机械夹持装置，动力常采用电动、液压或气动。
且对此类要求精度不高的机械手没有太严格的技术要求。
由于对动力的要求不大且动作频繁的机械手，常采用气动作为动力源[5]。
近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用5。
电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；
气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；
微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；
由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究[16]。
1.3课题研究的趋势
由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作[16]。
而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。
所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等[16]。
第2章机械手装置的介绍
2.1机械手装置的基本结构和工作原理
此机械手的动作要求为夹持、旋转、升降和横向行走四个动作。
此四个动作没有相对密切的联系。
所以基本思路是分别设计四个动作对应的机构，机构设计完成后再将四个部分有机地结合。
2.1.1夹持部分
夹持部分的作用是主要作用是垂直悬吊驾驶室，夹持部分由两组联动手爪负责，每组手爪有两只勾手。
手爪的开合动作由齿轮齿条通过连杆机构驱动，动力由气缸通过齿轮齿条机构提供，在此机构中仅有手爪开合的起停影响，惯性力不大，由气缸本身的缓冲部分负责。
整体机构简图如图2-1.
图2-1夹持部分机构简图
2.1.2旋转部分
旋转机构的作用是待夹持机构夹持并提升驾驶室后将夹持机构连同驾驶室整体旋转90度，旋转的时间要求为3秒，动作迅速。
夹持机构通过连接杆与齿轮相连，连接杆通过调心推力滚子轴承固定在支板上。
旋转过程中的阻力为整体夹持机构旋转的惯性力和推力球轴承滚珠的滚动摩擦力，整体阻力不大。
故也采用气缸通过齿条驱动齿轮，齿轮通过键连接驱动夹紧机构和驾驶室旋转。
由于旋转完成后惯性力矩较大，在旋转轴上部由电磁制动器制动。
旋转时支板需要通过卡紧装置固定。
整体机构简图如图2-2
图2-2旋转部分机构简图
2.1.3升降和横向行走部分
升降机构是待夹持机构夹持完毕后，负责起吊以及下放驾驶室。
横向行走机构负责整个机械手装置的水平移动。
升降机构由安装在横向行走机构上的一对电动葫芦实现，安全可靠。
横向行走装置的设计参照了起重机的行走小车结构的设计。
横向行走机构由电机、减速器、车轮和工字钢等主要部件组成。
整个机构的所有承重通过一对主动车轮和一对被动车轮卧在工字钢横梁上平衡。
电机通过减速器驱动主动车轮，通过车轮与工字钢之间的踏面摩擦力带动整个机构平行走动。
行走完毕后的惯性力制动由电机（锥形制动电动机）的制动部分完成。
整个升降机构和横向行走机构如下图2-3所示。
图2-3升降机构和横向行走机构简图
2.2主要零部件
（1）SMC气缸×
2
两个气缸，分别为手爪开合和机械手旋转提供动力。
（2）TJ2A交流电磁制动器×
1
电磁制动器为旋转机构提供制动力矩。
（3）齿轮齿条；
齿轮×
2；
齿条×
4
齿轮齿条机构为手爪开合和机械手旋转传递动力
（4）KITO电动葫芦×
电动葫芦为升降机构提供动力，安全可靠。
（5）热轧工字钢×
工字钢作为横向行走机构的支承和踏面
（6）CM电动葫芦用钢轮（主动）×
与工字钢踏面产生摩擦，作为支承，传递行走力矩。
（7）CM电动葫芦用钢轮（被动）×
作为支承和平衡用。
（8）YREZ起重用锥形绕线转子制动电动机×
提供行走力矩和制动力矩
（9）CW型圆弧圆柱蜗杆减速器
由于主动轮所需转速不大，需要减速。
而初步估算减速比i在10以上，故选用结构紧凑的圆弧圆柱蜗杆减速器。
（10推力调心滚子轴承
由于旋转机构的回转部位主要承受垂直向下的轴向力，也承受旋转齿轮的径向力。
所以采用以承受轴向力为主、亦可以承受轴向力55％的的径向力的推力调心滚子轴承。
（11深沟球轴承
用于行走机构的钢轮轴。
第3章结构设计与主要零件校核
3.1设计计算
3.1.1手爪机构设计计算
（1）.手爪为铸造手爪。
结构如下图3-1所示：
图3-1手爪结构
（2）.手抓摆动角度计算
手爪的行程要求为150mm，将手爪主要尺寸简化就可计算出手爪摆角θ，如下公式及图。
（3-1）
图3-2手爪摆角计算图
（3）手爪连杆机构各转动副压力角与传动角计算。
将整个手爪连杆机构主要尺寸简化成几何模型（如图3-3），已知摆角θ=34.65°
手爪的初始角度为50°
。
将θ设为变量。
根据中间几何数据即可计算在手爪摆动整个过程中各个转动副的压力角和传动角的变化情况。
计算过程如下：
V=108×
sin（50-θ）（3-2）
ΔV=82.5-V（3-3）
H1=
（3-4）
H2=108×
cos（50-θ）（3-5）
ΔH2=H2-70（3-6）
ΔH1=H1+ΔH2-259.6（3-7）
H3=70+259.6+ΔH1（3-8）
G=
（3-9）
（3-10）
（3-11）
所以手爪与连杆转动副的压力角（°
）：
α1=θ1-90（3-12）
手爪与连杆转动副的压力角（°
γ1=180-θ1（3-13）
所以连杆与滑动杆转动副的压力角（°
α2=θ2（3-14）
由以上几个公式可以看出，曲柄连杆转动副和连杆滑块转动副的压力角是手爪摆动角θ的函数。
曲柄连杆转动副的传动角随着手爪打开而减小，而连杆滑块转动副的传动角随着手爪打开而增大。
在机构运动过程中，传动角γ的大小一般是变化的，为了保证机构传力性能良好，应使γmin≥40°
~50°
，对于一些受力很小或不经常使用的操纵机构，则可允许传动角小些，只要不发生自锁即可[1]。
为了详细了解在手爪摆动过程中各转动副传动角的变化情况，可以将手爪摆动角θ设置为变量，把手爪摆动角度的初始值和终止值设置为边界值，把各个转动副的传动角γ作为目标函数，用循环语句编程，采用穷举法逐一计算各个θ下的γ值，并可以利用绘图功能会出传动角γ的变化情况。
连杆与滑动杆转动副的压力角（°
γ2=90-α2（3-15）
图3-3手爪连杆机构个转动副压力角及传动角几何模型
为了计算出在手爪摆动过程中个转动副压力角及传动角变化情况，将各个计算公式编成M文件，在Matlab环境下计算。
过程如下：
设摆角θ为变量，曲柄连杆转动副（手爪与连杆转动副）及连杆滑块转动副（连杆与滑动杆转动副）两个转动副的压力角和传动角为目标值。
θ变量为[0,34.65°
]换算成弧度为[0,0.6144]。
M文件如下：
%Title（连杆机构压力角和传动角）
I=0;
fortheta=0:
0.0005:
0.6144;
%手爪转动角变量
I=I+1;
V（I）=108*sin（50*pi/180-theta）;
%
dtV（I）=82.733-V（I）;
H1（I）=sqrt（300^2-（67.5+V（I））^2）;
H2（I）=108*cos（50*pi/180-theta）;
dtH2（I）=H2（I）-70;
dtH1（I）=H1（I）+dtH2（I）-259.6;
H3（I）=70+259.6+dtH1（I）;
G（I）=sqrt（67.5^2+H3（I）^2）;
theta1（I）=acos（（108^2+300^2-G（I）^2）/（2*108*300））;
%曲柄与连杆夹角_1
alfa1（I）=theta1（I）*180/pi-90;
%曲柄连杆转动副压力角_1
gama1（I）=90-alfa1（I）;
%曲柄连杆转动副传动角_1
theta2（I）=atan（（V（I）+67.5）/H1（I））;
%连杆滑块夹角_2
alfa2（I）=theta2（I）*180/pi;
%连杆滑块转动副压力角_2
gama2（I）=90-alfa2（I）;
%连杆滑块转动副传动角_2
end
n=length（gama1）;
%计算步数
l=150;
%手爪行程
dtl=l/（n-1）;
%手爪步长
J=0;
forll=0:
dtl:
150;
J=J+1;
lx（J）=ll;
plot（lx,alfa1,'
r.'
）;
holdon
plot（lx,gama1,'
b.'
gridon
title（'
曲柄连杆旋转副压力角和传动角变化（红色-压力角α_-传动角γ_'
）
xlabel（'
手爪行程（mm）'
ylabel（'
角度（°
）'
完
以上是曲柄连杆旋转副压力角和传动角变化的M文件，而连杆滑块转动副压力角和传动角变化的M文件与上述相似，只是将计算角度的公式替换成3-14和3-15。
计算生成的图片如图3-4和图3-5所示，从两张计算图片可以看出：
曲柄连杆旋转的传动角γ1在手爪开启过程中从80°
线性下降到34°
虽然在末尾传动角γ1小于40°
但由于旋转副主要传递运动，没有达到自锁角度，所以满足要求。
连杆滑块转动副的传动角γ2在手爪开启过程中从60°
线性上升到72°
满足传动性能要求。
图3-4曲柄连杆旋转副压力角和传动角变化
图3-5连杆滑块转动副压力角和传动角变化
4.手爪开合气缸选择
（1）气缸缸径选择。
4个手爪负责悬吊驾驶室和为驾驶室的旋转传递动力。
悬吊时不需要气缸提供力，而旋转时需要气缸提供静力。
驾驶室的总重量为200Kg，垂直截面尺寸为2100×
2100.在其旋转过程中等效为质量为200Kg，半径为1000的圆盘。
则其转动惯量为
（3-16）
驾驶室旋转90°
的时间要求为3s。
把整个旋转过程等效为匀加速过程
如图3-6所示
图3-6旋转过程等效图
所以角加速度α满足：
（3-17）
所以角加速度α：
（3-18）
所以手爪需要传递的旋转力矩M为:
M=Jα=100×
0.3498=34.98N·
m（3-19）
而四个手爪在旋转过程中对驾驶室的力等效为两圆周力。
如图3-7所示
图3-7手爪施力图
在旋转过程仅有一对力对驾驶室传递旋转力矩。
手爪力臂l为：
l=980/2=490（3-20）
所以手爪横向受力
N（3-21）
再分析连杆机构的力传递几何模型，如图3-8所示：
图3-8手爪受力分析图
由图分析可得：
F1=F/cos（40）（3-22）
（3-23）
F3=F2（3-24）
F4=F3/cos（30）（3-25）
综上所述有：
（3-26）
手爪由气缸通过双联齿轮，再通过齿条带动。
而双联齿轮齿数相同，所以手爪需要的力与气缸提供的力相同。
对于气缸力：
（F4:
气缸力；
p：
气压（0.5MPa）；
d：
缸径）
N
所以就得气缸的直径d：
mm
考虑机构的各处摩擦和齿轮滑动摩擦，取d=40。
（2）气缸行程选择
气缸通过双联齿轮带动手爪运动，而双联齿轮的齿数相同，所以手爪所需要的行程就是气缸的行程。
根据图3-3可得，ΔH1的最大值即为气缸行程。
在上面计算各个转动副压力角的Matlab程序中，找到ΔH1对应的变量dtH1（I）最终值为73.4。
对应SMC气缸选型手册。
选择行程为：
l=75
至此，手爪开合气缸缸径为Φ40，行程为75。
对应SMC气缸选型手册，最终气缸型号为：
CDA2L-40-75-Y7BW3.
型号代号含义如下：
D：
带有磁环。
L：
安装方式为轴向脚座型。
40：
缸径。
75：
行程。
Y7BW：
磁性开关型号。
3：
磁性开关个数。
（3）气缸所需流量计算
已知气缸的缸径d和行程l，要求手爪开合时间为2s，所以气缸所需流量为：
3.1.2旋转机构设计计算
1旋转力矩计算
（1）整个夹持机构连同驾驶室的整体转动惯量计算：
驾驶室的质量为200Kg，整个夹持机构的齿轮、齿条、支座、手爪等零件在UGNX7.5环境下模拟计算质量约为100Kg。
将整体等效为质量为300Kg、半径为1000的圆柱。
所以等效圆柱的转动惯量：
又由图3-6和式3-18已知角加速度α=0.3489rad/s2所以整个旋转力矩为：
M=Jα=150×
0.3489=52.335N·
m（3-27）
2连接杆最小轴颈设计
连接杆的最小轴颈处既承受周期旋转力矩又承受周期的垂直向下的拉力，先按扭转强度设计，再按静强度校核。
按扭转强度条件扭转切应力τT满足：
（3-28）
连接杆材料为45钢，所以有：
（3-29）
（3-30）
取d=50。
按拉伸强度校核，有拉应力
（3-31）
满足强度要求
3连接杆推力调心滚子轴承轴承选择
连接杆最小轴颈d=50，由于连接杆的下端需要连接法兰盘与夹持机构相连，考虑法兰连接螺栓沉头座的因素，法兰盘的直径：
d1=130（3-32）
图3-9轴承及最小轴颈
而连接杆的法兰盘需要穿过推力调心滚子轴承的内圈（如图3-9），所以选择推力调心滚子轴承的内圈直径
da=140（3-33）
所以推力调心滚子轴承的型号为2928。
4旋转齿轮及齿条设计
旋转齿轮收到的阻力矩为夹持机构的旋转力矩及夹持机构对推力调心滚子轴承的摩擦力产生的摩擦力矩。
查滚动轴承摩擦系数表可知推力调心滚子轴承的摩擦系数约为f=0.002。
所以摩擦阻力矩M1为（F:
垂直力；
r：
轴承平均半径）：
M1=2*F*f*r=2*2.94*0.002*150=1.7649N·
m（3-34）
所以总的阻力矩（M:
夹持机构旋转力矩）：
M´
=M+M1=52.335+1.7649=54.1N·
m（3-35）
齿轮连接轴有一个键，需要在最小直径d的基础上增加6％，取齿轮连接轴直径d1为：
d1=1.06×
50=53（3-36）
取d1=55。
由于齿轮中心孔边缘距离齿根不能太小，所以齿轮的齿数z满足：
mz≥d1+2m（3-37）
初取m=2，则有：
z≥30（3-38）
又因为齿数太小对旋转气缸的缸径要求较大，经大致计算，初选
z=90（3-39）
按齿根弯曲疲劳强度计算模数m
（3-40）
初取K=1.3、
=1；
T1=M´
=54.1N·
m=54100N·
mm；
z初取90；
（3-41）
取应力循环影响系数KFN=1，查表可得45调质钢弯曲疲劳强度极σFE=380MPa,取安全系数S=1.4,则：
=
（3-42）
又查表得：
齿形系数YFa=2.2；
应力矫正系数YSa=1.78。
所以：
（3-43）
由于m不小于2，取
齿
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