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工业机械手-四轴数控机械手臂的主要部件结构

发布日期:2020-04-10

孙雨婷

摘要 :工业机械手的设计理论与方法为基础,对四轴数控机械手臂进行了系统设计,根据生产需要完成了四轴机械手臂的直线运动模组、电机及联轴器、转动模块、气动手爪等主要部件的结构设计,使其可以应用于工作效率要求较高的场合。


1 直线运动模组的选择与设计


1.1 直线运动模组的选择 滚珠丝杠副具有高传动效率、运动平稳、高精度、高耐用性、 良好同步性、无间隙与高刚性等特点,因此,本次设计采用滚 珠丝杠型直线模组。由于直线模组是立式的,所以就需要对纵 向的滚珠丝杠进行设计选型以及计算校核。


1.2 纵向滚珠丝杠的设计与计算 已 知 滚 珠 丝 杠 传 动, 交 流 伺 服 电 机 驱 动, 电 机 功 率 200W,有效载荷 30 kg,丝杠导程 5 mm,有效行程 200 mm, 滚珠丝杠的摩擦系数为 =0.2,快速进给速度 vmax=4m/min, 定位精度为 0.01 mm, 重复定位精度为 ±0.02 mm,要求寿命 10000 h。 选择滚珠丝杠副规格:滚珠丝杠副导程 ph、当量转速 nm、 当量载荷 Fm、额定动载荷 Lh、估算最小螺纹底径 d2m,由 Ph、 Cam、d2m 数据选取相应规格的滚珠丝杠副 FFZD1505-3。 选择滚珠丝杠副所用支承轴承:滚珠丝杠副的预紧力 Fp、 行程补偿值 C、预拉伸力 Ft 、轴承所受最大轴向载荷。 选角接触推力球轴承,取 d = 30。当 d = 30 mm,预加负 荷≥ FBP,所以选择 7602030TVP 轴承。


2 电机及联轴器的选择

2.1 电机的选择 本设计选用伺服电机。 换算到电机轴负载惯量:滚珠丝杠的惯量 JB、负载的惯量 JW、电机轴负载惯量 JL。 计算负载转矩:对摩擦力的转矩 TW,换算到电机轴负载 转矩 TL


2.2 联轴器的选择 转矩 T=9550P/n 根据计算转矩,转速和轴径选择 HL2 弹性柱销联轴器。


3 转动模块的设计


3.1 转动模块的设计参数 电机功率 100W、减速比 80、转动范围,转动速度小于 90° /s、转动角度 180°。


3.2 驱动电机的选择 手 腕 回 转 关 节 电 机 确 定 为 安 川 交 流 伺 服 电 机 SGMPH- 01A,满足设计要求。


3.3 柔轮,刚轮,波发生器的结构选择 本设计采用了较为常用的杯形柔轮,凸轮式波发生器,带 凸缘的刚轮。 对于双波传动的谐波减速器,即柔轮和刚轮的齿数差为 2, 柔轮和刚轮的齿数分别 Z1 和 Z2,柔轮分度圆直径为 d1=mZ1,综上本设计选择了杯型柔轮,上海诺广机械有限公司生产 的 XB1(40-80)机型谐波减速器。


4 气动手爪的设计


4.1 手爪的设计参数 能实现双向抓取,抓重 2 kg,可自动对中,重复精度高 ,  抓取力矩恒定; 缸径¢ 25mm, 夹紧力 1.5 kg;张开尺寸 33 mm, 行程 14 mm。


4.2 手部夹紧力计算 本课题气动机械手的工件重量 G=2 kg,平行开闭型气爪。 总夹持力产生的摩擦力 2µF 必须大于夹持工件的重力 mg,故 F > mg/2µ。


4.3 气缸的直径 根据力平衡原理,单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须 克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力 F1、弹簧反作用 Ft、弹簧刚度 Cf 、弹簧平均直径 Dt。 在设计中,必须考虑负载率的影响。 由以上分析得单向作用气缸的直径 D 可得活塞杆直径 d=(0.2~0.3)D 按公式 d ≥ 校核满足设计要求。 根据计算,可选择合适末端执行器(手爪)的型号 MHZ- 25D。


5 结语 四轴数控机械手作业的准确性和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。合理的机械手设计,不仅可以提高机床的加工效率和自动化程度,而且对组合机床的整体设计也至关重要,对数控机床在机械加工企业的普及等方面具有非常重要的意义。


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