某三自由度機械手機械和氣動部分設(shè)計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21376某三自由度機械手機械和氣動部分設(shè)計計算案例 1381第1章機械部分設(shè)計 1217821.1伺服電機的選型設(shè)計 1291371.1.1伺服電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動慣量的確定 11151第2章氣動部分設(shè)計 3172832.1氣動技術(shù) 3195182.1.1氣動回路主要特點 381712.1.2氣動回路主要元件分類 3239932.2氣缸的選型設(shè)計與電磁閥選取 4129242.2.1Y軸氣缸缸徑的確定 480922.2.2X軸氣缸缸徑的確定 551672.2.3電磁閥的選型設(shè)計 6184462.3氣動回路的設(shè)計 6第1章機械部分設(shè)計1.1伺服電機的選型設(shè)計1.1.1伺服電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動慣量的確定上文已介紹到本次的設(shè)計在旋轉(zhuǎn)方面選擇取用伺服電機，使用電力驅(qū)動，使用電力驅(qū)動扭矩更大。接下來對選用伺服電機的選型進(jìn)行一些計算。第一步要確認(rèn)下來伺服電機的有關(guān)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下（1.1）式中，TM——電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩（N?mTL——單軸傳動系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N?mGD電機總轉(zhuǎn)動慣量的計算：（1.2）式中，JMj1——氣動機軸與中間傳動軸之間的速比，j1=jL——氣動機軸與生產(chǎn)機械軸之間的速比，jL=ωM下面對所選電機的功率進(jìn)行計算，為了能夠保證扭轉(zhuǎn)力矩的穩(wěn)定，所選的電機要有穩(wěn)定的額定定功率，具體計算內(nèi)容如下：根據(jù)旋轉(zhuǎn)部件的總質(zhì)量為20kg，然后其整體重物的旋轉(zhuǎn)半徑是200mm,物體的旋轉(zhuǎn)角速度為2π/s，然后根據(jù)做旋轉(zhuǎn)運動的物體，的向心力的求導(dǎo)公示式中，m旋轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量ω旋轉(zhuǎn)角速度r旋轉(zhuǎn)半徑將上述數(shù)值代入式子進(jìn)行計算，可得出向心力為130N，然后根據(jù)電機需提供的最小功率計算公式式中，T--為電機提供的理論扭轉(zhuǎn)力矩，T=F?r0（P——所選電機的功率n——重物的轉(zhuǎn)速把上述數(shù)值代入公式進(jìn)行計算，可得出的電機所需提供的最小理論功率為2.55kw所以本次設(shè)計所需要的電機功率值≥2.55kw，扭轉(zhuǎn)力矩≥1.3N/m第2章氣動部分設(shè)計2.1氣動技術(shù)2.1.1氣動回路主要特點1、氣動結(jié)構(gòu)相比較液動裝置十分輕便，后期維修也比較簡單，安全性能較高一些2、工作介質(zhì)是何時何地都能采集的空氣，工作介質(zhì)來源比較簡單。處理空氣的方法較為簡易，對環(huán)境影響小，然而比較耗電，轉(zhuǎn)換率比較低。所以后期的使用費用相對較高。3、想要工作速度調(diào)整的話較為容易實現(xiàn)，氣缸的工作速度范圍大致為五十至五百毫米每秒。然而由于是氣壓驅(qū)動，它工作起來的速度保持能力即穩(wěn)定性上有所欠缺。4、由于空氣是可被壓縮的，那么就可以被用來貯存能量，能夠在短時間內(nèi)發(fā)出能量，在間歇運動中獲得高速響應(yīng)。能適應(yīng)沖擊負(fù)載和較強的過負(fù)載。在某些條件下，可以使得氣動裝置擁有自保持能力。2.1.2氣動回路主要元件分類油霧器在氣動流體傳動系統(tǒng)中，動力是由壓縮空氣在閉路中傳遞和控制的。當(dāng)空氣介質(zhì)需要潤滑時，油霧裝置用于向空氣流體中添加所需的潤滑劑?！?7】減壓閥減壓閥是一種利用自身能量將入口壓力調(diào)節(jié)到設(shè)定出口壓力并保持出口壓力穩(wěn)定的閥門。在流體力學(xué)來講，減壓閥是一種節(jié)流元件，它可以改變局部阻力，即通過改變節(jié)流面積，改變流體的動能和流速，導(dǎo)致壓力損失，從而達(dá)到減壓的目的。然后，根據(jù)調(diào)節(jié)和控制，平衡波動和彈簧反作用力，使閥后壓力在一定誤差范圍內(nèi)保持恒定。【16】電磁閥電磁閥是一般用于控制磁性的工業(yè)設(shè)備，由電磁控制的部件。那是空氣氣壓和油壓電路都可以使用的致動器。在工業(yè)生產(chǎn)中，電磁閥可以調(diào)節(jié)介質(zhì)的方向、速度、流動和其他參數(shù)。螺線管閥能夠與不同的電路協(xié)調(diào)完成設(shè)定控制，能夠確保設(shè)定的穩(wěn)定性和精度。螺線管閥多種多樣。在不同的控制系統(tǒng)中，螺線管閥起著不同的作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，單向閥、安全閥、方向控制閥、調(diào)速閥等最被使用。電磁閥有密封空洞。不同位置有通孔。每個孔都連接著別的管道?？斩吹闹虚g有活塞，旁邊有兩個電磁鐵。哪個磁鐵線圈要電氣化。閥體立即被吸引到哪一側(cè)?？刂崎y體的作用是用于開閉不同的油漏孔，但油入口孔始終開放，工作油進(jìn)入不同的油排出管，然后根據(jù)油的壓力按壓活塞?；钊?qū)動活塞桿，控制機械構(gòu)成要素。因此，通過控制電磁鐵電流的接通斷開，能夠完成預(yù)定的動作。【16】儲氣罐儲氣罐的作用是用來儲存氣體的氣動元件，而且它也起到使系統(tǒng)穩(wěn)壓的作用，按照儲氣罐所受壓力的不同將之分為高壓儲氣罐，低壓儲氣罐，常壓儲氣罐【15】2.2氣缸的選型設(shè)計與電磁閥選取2.2.1Y軸氣缸缸徑的確定本次所設(shè)計的機械手的Y軸方向的伸縮原動件選擇雙桿雙軸直動氣缸來進(jìn)行驅(qū)動，計算所需氣缸的工作參數(shù)，并根據(jù)計算結(jié)果來選擇氣缸種類，這對于能否保證氣缸穩(wěn)定的工作是十分重要的。下面就雙桿雙軸氣缸的具體參數(shù)進(jìn)行計算：經(jīng)過機械設(shè)計手冊的查詢，可得普通雙作用氣缸的推力與理論輸出拉力計算公式為：氣缸的理論輸出推力：(1.3)氣缸的理論輸出拉力：(1.4)式中，F(xiàn)0F2D——氣缸的活塞缸徑md——氣缸的活塞桿直徑m，估算時可取d=0.3Dρ——氣缸的工作壓力pa，大致估算得氣缸作用的零部件總體質(zhì)量估算值為5.5kg，氣缸行程100mm,工作時間為1s，氣缸工作氣壓0.4pa，根據(jù)作用點力矩平衡公式：(1.5)其中，L1L2G——為氣缸工作零部件總質(zhì)量5.5kgF0把上述數(shù)據(jù)代入計算公式，可求出本次設(shè)計所要求的最小推力為：F0=氣缸平均速度v=mns進(jìn)一步將以上數(shù)據(jù)帶入以下公式，可求得氣缸缸徑：所以理論的普通直動氣缸缸徑值范圍D≥25mm，綜合考量之下決定選擇DPZ-21-100雙桿雙軸直動氣缸作為Y軸方向的驅(qū)動件。2.2.2X軸氣缸缸徑的確定X軸方向的氣缸主要負(fù)責(zé)X軸的上下伸縮，輔助進(jìn)行物品的移動，上一部分早就確定此軸方向要選擇普通類型的伸縮氣缸。接下來進(jìn)行一些計算來確定一下此軸方向氣缸的類型。首先在計算X軸方向驅(qū)動氣缸的缸體直徑前，需要知道氣缸作用的零部件總質(zhì)量大約為12kg，移動距離110mm,工作時間1s，工作氣壓為0.4pa氣缸缸徑求取公式為：(1.6)式中：D——普通氣缸缸徑p——氣缸工作氣壓F0把上述數(shù)值代進(jìn)公式即可求出在X軸方向的氣缸缸體直徑要求為D≥19.54mm，然后再考慮到成本和所選缸體本身的重量最后選取DNZ-20-110型號的氣缸。綜上所述，本次設(shè)計的機械手X軸和Y軸各自所選型號氣缸具體參數(shù)見表3-1表3-1X軸和Y軸機械臂單元各自氣缸參數(shù)氣缸類別氣缸型號活塞缸徑活塞直徑行程最大工作力Y軸雙桿雙軸氣桿DPZ-21-5021mm8mm100mm277.1NX軸普通直動氣缸DNZ-20-11020mm8mm110mm125.66N2.2.3電磁閥的選型設(shè)計電磁閥是電磁控制的工業(yè)設(shè)備，電磁閥的工作原理是通電后便能吸引閥門附近的磁鐵，便能左右閥體的位置，繼而讓排氣孔開啟或者關(guān)閉。如果按照功能特點進(jìn)行劃分可分為以下幾類：兩位兩通，兩位三通，兩位四通，兩位五通幾種。如果按照工作原理劃分則可分為直動式，分布式，先導(dǎo)式幾種。[1]本課題對驅(qū)動氣缸采用的控制閥是2位3通電磁閥。2.3氣動回路的設(shè)計下圖便是本次設(shè)計機械手的氣壓系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空壓機（排氣壓力大于0.4~0.6MPa）通過快換接頭進(jìn)入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作[2]。圖3-1機械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖表3-1氣路元件圖序號型號規(guī)格名稱數(shù)量1QF-44手動截止閥12儲氣缸13QTY-20-S1分水濾氣器14QTY-20-S1減壓閥15QTY-20-S1油霧器16YJ-1壓力繼電器17～11YVPS