二 一 五 年 五 本科畢業(yè)設計說明書 本 科 畢 業(yè) 設 計 題 目 學生姓名 學 院 工學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 指導教師 學校代碼 10184 學 號 I 摘要 本次設計的澆鑄機械手根據(jù)規(guī)定的動作順序 綜合運用所學的基本理論 基本知識和相關的機械設計專業(yè)知識 完成對機械手的設計 對機械手的工作原 理 結構使用范圍 特點參數(shù)選擇等方面進行了闡述 其中機械手的機械結構采 用液壓油缸 回轉(zhuǎn)支架 傾倒機構 澆包等機械器件組成 采用類似球坐標 三 個自由度 為 X 軸的移動 Z 軸的轉(zhuǎn)動和移動 澆包的最大容量 8Kg 此澆鑄機 械手主要是將熔融的金屬液送到壓鑄機的模具內(nèi) 機械手的動作主要采用液壓系 統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng) 機械手的手臂升降采用伸縮油缸 機械手手臂的回轉(zhuǎn)采用回 轉(zhuǎn)液壓缸 機械手手臂的傾倒主要采用傾倒液壓缸 關鍵詞 機械手 液壓傳動 液壓缸 Abstract The design of casting manipulator use the basic theory basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design and the maximum capacity 8Kg poured package One mechanical structure of the manipulator using hydraulic cylinder rotary stents dumping institutions pouring etc machinery parts In the hydraulic drive bodies manipulator arm stretching using telescopic tank rotating column of tanks used rack manipulator movements using tank movements This is mainly to cast manipulator to the molten metal casting mould the movement mainly adopts hydraulic manipulator system and electric control system Manipulator arm lifting adopts adjustable cylinder manipulator arm of adopting rotary hydraulic cylinder manipulator arm fall mainly adopts dump hydraulic cylinder KeyWords manipulatir fluid drive hydraulic cylinder II 目 錄 摘 要 II ABSTRACT II 1 緒論 1 1 1 前言 1 1 2 工業(yè)機械手的簡史 2 1 3 工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應用 3 1 3 1 建造旋轉(zhuǎn)零件 轉(zhuǎn)軸 盤類 環(huán)類 自動線 4 1 3 2 在實現(xiàn)單機自動化方面 4 1 3 3 鑄 鍛 焊熱處理等熱加工方面 4 1 4 機械手的組成 4 1 4 1 執(zhí)行機構 4 1 4 2 驅(qū)動機構 5 1 4 3 控制系統(tǒng)分類 5 1 5 工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 6 1 6 本文主要研究內(nèi)容 7 1 7 本章小結 7 2 機械手的總體設計方案 8 2 1 機械手基本形式的選擇 8 2 2 機械手的主要部件及運動 9 2 3 驅(qū)動機構的選擇 9 2 4 機械手的技術參數(shù)列表 9 2 5 機械手的工作原理 10 2 6 機械手液壓系統(tǒng)圖 11 2 7 本章小節(jié) 12 3 機械手手部的設計計算 13 3 1 手部設計基本要求 13 III 3 2 典型的手部結構 13 3 3 機械手的設計計算 13 3 3 1 選擇手抓的類型 13 3 3 2 手 澆包 的回轉(zhuǎn)支架設計 13 3 4 彈簧的設計計算 14 3 5 本章小結 16 4 臂部的結構及有關計算 17 4 1 概述 17 4 2 手臂直線運動機構 17 4 2 1 手臂俯仰運動 18 4 2 2 手臂回轉(zhuǎn)運動 18 4 3 運動驅(qū)動力 18 4 3 1 臂部運動驅(qū)動力計算 18 4 3 2 傾倒運動驅(qū)動力的計算 18 4 3 3 傾倒液壓缸工作壓力和結構的確定 19 4 4 升降運動驅(qū)動力的計算 20 4 5 液壓缸外徑的設計 21 4 6 本章小結 21 5 機身的設計計算 22 5 1 機身的整體設計 22 5 2 機身回轉(zhuǎn)機構的設計計算 23 5 3 手臂偏重力矩及升降不自鎖條件的分析計算 26 5 3 1 手臂偏重力矩的 20 計 算 26 5 3 2 升降不自鎖條件分析計算 28 5 4 軸的設計與計算 28 5 4 1 概括 28 5 4 2 軸的常用材料 29 5 4 3 軸的結構設計原則 30 5 4 4 提高軸疲勞強度的結構措施 30 5 4 5 軸的加工和裝配工藝性 31 IV 5 4 6 軸的計算 31 5 5 軸承的選擇與分析 33 5 6 本章小結 33 結 論 34 參考文獻 35 致 謝 37 1 1 緒論 1 1 前言 用于再現(xiàn)人手的的功能的技術裝置稱為機械手 機械手是模仿著人手的部分 動作 按給定程序 軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取 搬運或操作的自動機械裝置 在 工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為工業(yè) 1 機 械 手 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術 并已成為現(xiàn)代機械制 造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分 這種新技術發(fā)展很快 逐漸成為一門新興的 學科 機械手工程 機械手涉及到力學 機械學 電器液壓技術 自動控制技 術 傳感器技術和計算機技術等科學領域 是一門跨學科綜合技術 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備 工業(yè)機械手也 是工業(yè)機器人的一個重要分支 他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè) 在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點 尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性 機械 手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力 在國民經(jīng)濟領域有著廣泛的發(fā)展空間 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識 其一 它能部分的 代替人工操作 其二 它能按照生產(chǎn)工藝的要求 遵循一定的程序 時間和位置 來完成工件的傳送和裝卸 其三 它能操作必要的機具進行焊接和裝配 從而大 大的改善了工人的勞動條件 顯著的提高了勞動生產(chǎn)率 加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械 化和自動化的步伐 因而 受到很多國家的重視 投入大量的人力物力來研究和 應用 尤其是在高溫 高壓 粉塵 噪音以及帶有放射性和污染的場合 應用的 更為廣泛 在我國近幾年也有較快的發(fā)展 并且取得一定的效果 受到機械工業(yè) 的重視 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器 他有多個自由 度 可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作 機械手的結構形式開始比較簡單 專用性較強 隨著工業(yè)技術的發(fā)展 制 成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作 適用范圍比較廣的 程序控制通用機 械手 簡稱通用機械手 由于通用機械手能很快的改變工作程序 適應性較強 所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用 2 1 2 工業(yè)機械手的簡史 現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于 20 世紀 50 年代初 是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式 能適應產(chǎn)品種類變更 具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品 機械手首先是從美國開始研制的 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機 械手 他的結構是 機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂 端部裝有電磁鐵的工件抓放機構 控制系統(tǒng)是示教型的 1962 年 美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數(shù)控示教再 現(xiàn)型機械手 商名為 Unimate 即萬能自動 運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔 臂回轉(zhuǎn) 俯仰 用液壓驅(qū)動 控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置 不少球坐標式通用機械手就是 在這個基礎上發(fā)展起來的 同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司 Unimaton 專門生產(chǎn)工業(yè)機械手 1962 年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 Versatran 機械手 原意是靈活 搬運 該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn) 臂可以回轉(zhuǎn) 升降 伸縮 采用液壓驅(qū)動 控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型 雖然這兩種 機械手出現(xiàn)在六十年代初 但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎 1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學 麻省理工學院聯(lián)合研制一種 Unimate Vic arm 型工業(yè)機械手 裝有小型電子計算機進行控制 用于裝配作業(yè) 定位誤差可小于 1 毫米 美國還十分注意提高機械手的可靠性 改進結構 降低成本 如 Unimate 公 司建立了 8 年機械手試驗臺 進行各種性能的試驗 準備把故障前平均時間 注 故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度 它給出在第一次故障前的平均 運行時間 由 400 小時提高到 1500 小時 精度可提高到 0 1 毫米 德國機器制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手 主要用于起重運輸 焊接和 設備的上下料等作業(yè) 德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手 采用關節(jié)式結構 和程序控制 瑞士 RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機械手 采用示教方法編制程序 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快 應用最多的國家 自 1969 年從美國引進二種 典型機械手后 大力研究機械手的研究 據(jù)報道 1979 年從事機械手的研究工作 的大專院校 研究單位多達 50 多個 1976 年個大學和國家研究部門用在機械手 的研究費用 42 1979 年日本機械手的產(chǎn)值達 443 億日元 產(chǎn)量為 14535 臺 其 3 中固定程序和可變程序約占一半 達 222 億日元 是 1978 年的二倍 具有記憶 功能的機械手產(chǎn)值約為 67 億日元 比 1978 年增長 50 智能機械手約為 17 億 日元 為 1978 年的 6 倍 截止 1979 年 機械手累計產(chǎn)量達 56900 臺 在數(shù)量上 已占世界首位 約占 70 并以每年 50 60 的速度增長 使用機械手最多的 是汽車工業(yè) 其次是電機 電器 預計到 1990 年將有 55 萬機器人在工作 第二代機械手正在加緊研制 它設有微型電子計算機控制系統(tǒng) 具有視覺 觸覺能力 甚至聽 想的能力 研究安裝各種傳感器 把感覺到的信息反饋 使 機械手具有感覺機能 目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺 3 機 械 手 第三代機械手 機械人 則能獨立地完成工作過程中的任務 它與電子計算 機和電視設備保持聯(lián)系 并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS Flexible Manufacturing system 和柔性制造單元 Flexible Manufacturing Cell 中重要一環(huán) 隨著工業(yè)機器手 機械人 研究制造和應用的擴大 國際性學術交流活動十 分活躍 歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多 1 3 工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應用 機械手是工業(yè)自動控制領域中經(jīng)常遇到的一種控制對象 機械手可以完成許 多工作 如搬物 裝配 切割 噴染等等 應用非常 4 廣 泛 在現(xiàn)代工業(yè)中 生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題 各行各業(yè)的自動化 水平越來越高 現(xiàn)代化加工車間 常配有機械手 以提高生產(chǎn)效率 完成工人難 以完成的或者危險的工作 可在機械工業(yè)中 加工 裝配等生產(chǎn)很大程度上不是 連續(xù)的 據(jù)資料介紹 美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中 有 75 是小批量生產(chǎn) 金屬 加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50 件以下 零件真正在機床上加工的時間僅占零 件生產(chǎn)時間的 5 從這里可以看出 裝卸 搬運等工序機械化的迫切性 工業(yè) 機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的 目前在我國機械手常用于完成的 工作有 注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序 機 械手加工行業(yè)中用于取料 送料 澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等 本文以能 夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象 下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應 用 4 1 3 1 建造旋轉(zhuǎn)零件 轉(zhuǎn)軸 盤類 環(huán)類 自動線 一般都采用機械手在機床之間傳遞零件 國內(nèi)這類生產(chǎn)線很多 如沈陽永泵 廠的深井泵軸承體加工自動線 環(huán)類 大連電機廠的 4 號和 5 號電動機加工自 動線 軸類 上海拖拉機廠的齒坯自動線 盤類 等 加工箱體類零件的組合機床自動線 一般采用隨行夾具傳送工件 也有采用 機械手的 如上海動力機廠的氣蓋加工自動線轉(zhuǎn)位機械手 1 3 2 在實現(xiàn)單機自動化方面 各類半自動車床 有自動加緊 進刀 切削 退刀和松開的功能 單仍需人 工上下料 裝上機械手 可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn) 一人看管多臺機床 目前 機械 手在這方面應用很多 如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手 大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機械手 沈陽第三機床廠的 Y38 滾齒機 械手 青海第二機床廠的滾銑花鍵機床機械手等 由于這方面的使用已有成功的 經(jīng)驗 國內(nèi)一些機床廠已在這類產(chǎn)品出廠是就附上機械手 或為用戶安裝機械手 提供條件 如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機械手 生產(chǎn)線中有兩臺多 工位機床 和天津二注塑機有加料 合模 成型 分模等自動工作循環(huán) 裝上機 械手的自動裝卸工件 可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn) 目前機械手在沖床上應用有兩個方 面 一是 160t 以上的沖床用機械手的較多 如沈陽低壓開關廠 200t 環(huán)類沖床磁 力起重器殼體下料機械手和天京拖拉機廠 400t 沖床的下料機械手等 其一是用于 多工位沖床 用作沖壓件工位間步進輕局技術研究所制作的 120t 和 40t 多工位沖 床機械手等 1 3 3 鑄 鍛 焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面 國內(nèi)大批量生產(chǎn)的 3t 5t 10t 模鍛錘 其所配的轉(zhuǎn)底爐 用兩只 機械手成一定角度布置早爐前 實現(xiàn)進出料自動化 上海柴油機廠 北京內(nèi)燃機 廠 洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經(jīng)驗 1 4 機械手的組成 工業(yè)機械手由執(zhí)行機構 驅(qū)動機構和控制機構三部分組成 1 4 1 執(zhí)行機構 1 手部 既直接與工件接觸的部分 一般是回轉(zhuǎn)型或平動型 多為回轉(zhuǎn)型 因其結構簡單 手部多為兩指 也有多指 根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩 種 也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤 主要用于吸冷的 光滑表面的零件或 薄板零件 和電磁吸盤 5 傳力機構形式教多 常用的有 滑槽杠桿式 連桿杠桿式 斜槭杠桿式 齒輪齒條式 絲杠螺母式 彈簧式和重力式 2 腕部 是連接手部和臂部的部件 并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位 以 擴大機械手的動作范圍 并使機械手變的更靈巧 適應性更強 手腕有獨立的自 由度 有回轉(zhuǎn)運動 上下擺動 左右擺動 一般腕部設有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上 下擺動即可滿足工作要求 有些動作較為簡單的專用機械手 為了簡化結構 可 以不設腕部 而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件 目前 應用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構為回轉(zhuǎn)液壓 氣 缸 它的結構緊 湊 靈巧但回轉(zhuǎn)角度小 一般小于 2700 并且要求嚴格密封 否則就難保證穩(wěn) 定的輸出扭距 因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下 采用齒條傳動或鏈輪以及輪系 結構 3 臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件 它的作用是支撐腕部和手 部 包括工作或夾具 并帶動他們做空間運動 臂部運動的目的 把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點 如果改變手部的姿 態(tài) 方位 則用腕部的自由度加以實現(xiàn) 因此 一般來說臂部具有三個自由度 才能滿足基本要求 即手臂的伸縮 左右旋轉(zhuǎn) 升降 或俯仰 運動 手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構 如液壓缸或者氣缸 和各種傳動機構來實 現(xiàn) 從臂部的受力情況分析 它在工作中既受腕部 手部和工件的靜 動載荷 而且自身運動較為多 受力復雜 因此 它的結構 工作范圍 靈活性以及抓重 大小和定位精度直接影響機械手的工作性能 4 行走機構 有的工業(yè)機械手帶有行走機構 我國的正處于仿真階段 1 4 2 驅(qū)動機構 驅(qū)動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分 根據(jù)動力源的不同 工業(yè)機械手的 驅(qū)動機構大致可分為液壓 氣動 電動和機械驅(qū)動等四類 采用液壓機構驅(qū)動機 械手 結構簡單 尺寸緊湊 重量輕 控制 5 方 便 1 4 3 控制系統(tǒng)分類 在機械手的控制上 有點動控制和連續(xù)控制兩種方式 大多數(shù)用插銷板進行 點位控制 也有采用可編程序控制器控制 微型計算機控制 采用凸輪 磁盤磁 帶 穿孔卡等記錄程序 主要控制的是坐標位置 并注意其加速度特性 6 1 5 工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 1 工業(yè)機器人性能不斷提高 高速度 高精度 高可靠性 便于操作和 維修 而單機價格不斷下降 平均單機價格從 91 年的 10 3 萬美元降至 97 年的 6 5 萬美元 2 機械結構向模塊化 可重構化發(fā)展 例如關節(jié)模塊中的伺服電機 減 速機 檢測系統(tǒng)三位一體化 由關節(jié)模塊 連桿模塊用重組方式構造機器人整機 國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市 3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展 便于標準 化 網(wǎng)絡化 器件集成度提高 控制柜日見小巧 且采用模塊化結構 大大提高了 系統(tǒng)的可靠性 易操作性和可維修性 4 機器人中的傳感器作用日益重要 除采用傳統(tǒng)的位置 速度 加速度 等傳感器外 裝配 焊接機器人還應用了視覺 力覺等傳感器 而遙控機器人則 采用視覺 聲覺 力覺 觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制 多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用 5 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真 預演發(fā)展到用于過程控制 如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人 6 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng) 而是致力于操 作者與機器人的人機交互控制 即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作 系統(tǒng) 使智能機器人走出實驗室進入實用化階段 美國發(fā)射到火星上的 索杰納 機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例 7 機器人化機械開始興起 從 94 年美國開發(fā)出 虛擬軸機床 以來 這 種新型裝置已成為國際研究的熱點之一 紛紛探索開拓其實際應用的領域 我國 的工業(yè)機器人從 80 年代 七五 科技攻關開始起步 在國家的支持下 通過 七五 八五 科技攻關 目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術 控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術 運動學和軌跡規(guī)劃技術 生產(chǎn)了部分機器人關鍵 元器件 開發(fā)出噴漆 弧焊 點焊 裝配 搬運等機器人 其中有 130 多臺套噴漆 機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線 站 上獲得規(guī)模應用 弧焊 機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上 但總的來看 我國的工業(yè)機器人技術及 其工程應用的水平和國外比還有一定的距離 如 可靠性低于國外產(chǎn)品 機器人應 用工程起步較晚 應用領域窄 生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距 在應用規(guī)模上 我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺 約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四 以上 7 原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè) 當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求 一客戶 一次重新設計 品種規(guī)格多 批量小 零部件通用化程度低 供貨 周期長 成本也不低 而且質(zhì)量 可靠性不穩(wěn)定 因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期 的關鍵技術 對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃 搞好系列化 通用化 模塊化設計 積極推 進產(chǎn)業(yè)化進程 我國的智能機器人和特種機器人在 863 計劃的支持下 也取得 了不少成果 其中最為突出的是水下機器人 6000m 水下無纜機器人的成果居世 界領先水平 還開發(fā)出直接遙控機器人 雙臂協(xié)調(diào)控制機器人 爬壁機器人 管 道機器人等機種 在機器人視覺 力覺 觸覺 聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展 了不少工作 有了一定的發(fā)展基礎 但是在多傳感器信息融合控制技術 遙控加 局部自主系統(tǒng)遙控機器人 智能裝配機器人 機器人化機械等的開發(fā)用方面則剛 剛起步 與國外先進水平差距較大 需要在原有成績的基礎上 有重點地系統(tǒng)攻 關 才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品 以期在 十五 后期立于世界先 進行列之中 1 6 本文主要研究內(nèi)容 本文研究了國內(nèi)外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀 通過學習機械手的工作原理 熟悉了 澆鑄機械手的運動機理 在此基礎上 確定了澆鑄機械手的基本系統(tǒng)結構 對澆 鑄機械手的運動進行了簡單的力學模型分析 完成了機械手機械方面的設計工作 包括傳動部分 執(zhí)行部分 驅(qū)動部分 的設計工作 1 7 本章小結 本章簡要的介紹了機械手的基本概念 在機械手的組成上 系統(tǒng)的從執(zhí)行機 構 驅(qū)動機構以及控制部分三個方面說明 比較細致的介紹了機械手的發(fā)展趨勢 簡要的敘述了本文研究的內(nèi)容 8 2 機械手的總體設計方案 本課題是澆鑄機械手的設計及運動仿真 本設計主要任務是完成機械手的結 構方面設計 以及 ADAMS 軟件進行簡單的運動仿真 在本章中對機械手的座標 形式 自由度 驅(qū)動機構等進行了確定 因此 在機械手的執(zhí)行機構 驅(qū)動機構 是本次設計的主要任務 2 1 機械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài) 按坐標形式大致可以分為以下 4 種 1 直角坐標型機械手 2 圓柱坐標型機械手 3 球坐標 極坐標 型機械手 4 多關節(jié)型機機械手 其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊 定位精度較高 占地面積小 因此本設 計采用類似球坐標型 圖 2 1 是機械手配置示意圖 圖 2 1 機械手基本工作示意 9 2 2 機械手的主要部件及運動 在類似球坐標式機械手的基本方案選定后 根據(jù)設計任務 為了滿足設計要 求 本設計關于機械手具有 3 個自由度 即 手臂俯仰運動和手臂回轉(zhuǎn)運動 手 臂上的傾倒機構的傾倒運動 本設計機械手主要由 4 個大部件和 3 個液壓缸組成 1 采用回轉(zhuǎn)液壓缸使手臂回轉(zhuǎn) 10 2 采用伸縮液壓缸使手臂俯仰 54 3 采用一個傾倒液壓缸 通過傾倒機構運動實現(xiàn)澆包的翻倒及其倒料 4 通過電氣控制確定澆包移動的位置 2 3 驅(qū)動機構的選擇 驅(qū)動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程 度上取決于驅(qū)動方案及其裝置 根據(jù)動力源的不同 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構大致 可分為液壓 氣動 電動和機械驅(qū)動等四類 采用液壓機構驅(qū)動機械手 結構簡單 尺寸緊湊 重量輕 控制方便 驅(qū)動力大等優(yōu)點 因此 機械手的驅(qū)動方案選擇 液壓驅(qū) 6 動 2 4 機械手的技術參數(shù)列表 一 用途 澆鑄機械手用于將熔融的液態(tài)金屬放入壓鑄機的模具內(nèi) 可以根 據(jù)生產(chǎn)需要改變動作程序 二 設計技術參數(shù) 1 抓重 8Kg 2 自由度數(shù) 3 個自由度 3 座標型式 類似球座標 4 最大工作半徑 1500mm 5 手臂最大中心高 1256mm 6 手臂運動參數(shù) 升降行程 150mm 升降速度 60mm s 回轉(zhuǎn)范圍 0 110 回轉(zhuǎn)速度 60 s 10 7 手腕運動參數(shù) 傾倒范圍 0 70 回轉(zhuǎn)速度 30 s 緩沖方式 節(jié)流閥減速緩沖 位置檢測 電磁閥反饋式 驅(qū)動方式 液壓 控制方式 繼電器固定程序控制 2 5 機械手的工作原理 澆鑄機械手的初始的位置 停在保溫爐坩堝熔融金屬液面上 在此進行保溫 等待澆鑄 當壓鑄機慢速合模時 壓鑄機的電控裝置發(fā)信 使機械手升降油缸動 作 機械手開始下降并浸入到液態(tài)金屬內(nèi) 直達電極接觸金屬液面 電壓繼電器 2XJ 發(fā)信 澆包停止下降 并用時間繼電器控制澆包 已裝滿液態(tài)金屬 然后澆 包上升 在提升過程中將多余的金屬溶液從后擋板上溢出 直達澆包底面超過液 面的最高點 碰限位開關 1XWK 提升結束 同時 澆鑄機械手手臂慢速回轉(zhuǎn) 當碰限位開關 5XWK 后 手臂變?yōu)榭焖倩剞D(zhuǎn) 當碰限位開關 6XWK 后 又變?yōu)?慢速回轉(zhuǎn) 直到碰限位開關 3XWK 后停止回轉(zhuǎn) 此時 壓鑄機模具合嚴 機械手 的傾倒油缸 4 動作 經(jīng)過繩索拉動傾倒機構 帶動澆包傾轉(zhuǎn) 經(jīng)延時后 控制傾 倒油復位 并使手臂反向回轉(zhuǎn) 當碰限位開關 4XWK 后 手臂反轉(zhuǎn)結束 同時 升降油缸活塞上升 澆包下降 直至電極 A 接觸金屬液面 電壓繼電器 1XJ 發(fā)信 使升降油缸停止 澆包就停在了熔融金屬液面上一定距離處進行保溫 準備第二 次動作循環(huán) 11 2 6 機械手液壓系統(tǒng)圖 由液壓系統(tǒng)圖來分析機械手動作和電磁換向閥電磁鐵動作 其情況如下表 12 2 7 本章小節(jié) 本章對機械手的整體部分進行了總體設計 選擇了機械手的基本形式以及自 由度 確定了本設計采用液壓驅(qū)動 給出了設計中機械手的一些技術參數(shù) 下面 的設計計算將以次進行 13 3 機械手手部的設計計算 3 1 手部設計基本要求 1 應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力 應當考慮到在一定的夾緊力下 不同 的傳動機構所需的驅(qū)動力大小是不同的 2 要求結構緊湊 重量輕 效率高 在保證本身剛度 強度的前提下 盡可能使結構緊湊 重量輕 以利于減輕手臂的負載 3 應保證澆包的定位 7 精 度 3 2 典型的手部結構 傾倒型 通過繩索和滑輪與傾倒機構相連接 使其彈簧復位 3 3 機械手的設計計算 3 3 1 選擇手抓的類型 本設計是設計平動搬運機械手的設計 考慮到所要達到的原始參數(shù) 手的傾 倒角最大是 夾取重量為 8Kg 常用的工業(yè)機械手手部 按握持工件的原理 分07 為夾持和吸附兩大類 吸附式常用于抓取工件表面平整 面積較大的板狀物體 不 適合用于本方案 本設計機械手采用夾持式手指 夾持式機械手按運動形式可分為 回轉(zhuǎn)型和平移型 平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動 這種手指結構簡單 適于夾持平板方料 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置 其理論夾持誤 差零 若采用典型的平移型手指 驅(qū)動力需加在手指移動方向上 這樣會使結構變 得復雜且體積龐大 顯然是不合適的 因此不選擇這種類型 通過綜合考慮 本設計選擇回轉(zhuǎn)型手臂和具有平行四邊形機構的手臂 手臂 上安裝有彈簧 通過繩索和滑輪與傾倒機構聯(lián)接 用來使傾倒機構復位 同時也 起到緩沖作用 為適應壓鑄機壓住不同零件或控制零件最佳加工余量的需要 澆鑄機械手的澆包容量可以調(diào)節(jié) 對于大容量調(diào)節(jié)采用調(diào)換澆包的辦法 松開螺 釘 便能更換澆包 對于小容量調(diào)節(jié) 可調(diào)節(jié)電極與金屬液面的間距 3 3 2 手 澆包 的回轉(zhuǎn)支架設計 回轉(zhuǎn)支架的運動學分析 為實現(xiàn)澆包傾倒 必須確定連桿的起始位置和 70 終點位置以及連桿的尺寸 首先 為使拉伸的力盡量的小 位置 1 應該盡量靠近 澆包的左側位置 最終確定距離澆包左側 處為 1 位置 其次 確定位置m5 14 2 具體尺寸如圖 3 1 所示 再將位置 1 和位置 2 連線 將此線由 a 位置順時針轉(zhuǎn) 到 b 位置 然后以位置 2 為圓心 以位置 1 和位置 2 的連線為半徑畫圓 直 70 線和園的交點即位置 3 任意選擇位置 4 將位置 4 和位置 3 連接 其長度 根據(jù)桿長不變 將位置 1 向右偏移 確定位置 5 分別以 4 和 5m1 m07 為圓心 畫圓 交于一點即位置 6 R25 詳情見下圖 圖 3 1 回轉(zhuǎn)支架運動學示意圖 3 4 彈簧的設計計算 選擇彈簧拉伸條件 選擇圓柱螺旋拉伸彈簧 如圖 3 2 所示 計算過程如下 15 圖 3 2 圓柱螺旋拉伸彈簧的幾何參數(shù) 1 選擇硅錳彈簧鋼 查取許用切應力 80MPa 2 選擇旋繞比 則10 c 4 65CK 410 65CK 810 834 3 根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑 估算彈簧絲直徑mD 8 10 Cd 4 試算彈簧絲直徑 1 6MAXFKd m2083 6 5 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù) 16 38MAXGdnFC 9 選擇標準為 彈簧的總圈數(shù) 圈9 n 6 最后確定 mdD2 0 mdD21 d1822 nH57825 95 mDL617 鉤 環(huán) 展 開 長 度 7 對于拉伸彈簧鉤環(huán)強度的驗算 其強度條件 63213 102802 4rdF papaD663432 89 5 88 結論 經(jīng)過校核 彈簧適應 3 5 本章小結 通過本章的設計計算 先對手部回轉(zhuǎn)支架結構進行運動學分析 然后分別對 緩沖裝置用的彈簧 驅(qū)動力進行計算 17 4 臂部的結構及有關計算 4 1 概述 是機械手的主要執(zhí)行部件 其作用是支承澆包和傾倒機構 并將裝滿 12 臂 部 的鋼水傳送到給定位置和方位上 因而一般機械手的手臂有三個自由度 即手臂 上傾倒缸的伸縮 左右回轉(zhuǎn)和升降運動 手臂的回轉(zhuǎn)是通過立柱來實現(xiàn)的 手臂 的俯仰是通過升降液壓缸來實現(xiàn)的 手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構和各種傳動 機構來實現(xiàn) 因此 它不僅僅承受被抓取工件的重量 而且承受手部和手臂自身 的重量 手臂的結構 工作范圍 靈活性以及抓重大小 即臂力 和定位精度等 都直接影響機械手的工作性能 所以必須根據(jù)機械手的抓取重量 運動形式 自 由度數(shù) 運動速度及其定位精度的要求來設計手臂的結構型式 同時 設計時必 須考慮到手臂的受力情況 油缸及導向裝置的布置 內(nèi)部管路的連接形式等因素 因此設計臂部時一般要注意下述要求 剛度要大 為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形 手臂的截面形狀 的選擇要合理 弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大 空心管的彎曲剛度和扭曲 剛度都比實心軸大得多 所以常用鋼管作臂桿及導向桿 用工字鋼和槽鋼作支承 板 導向性要好 為防止手臂在直線移動中 沿運動軸線發(fā)生相對運動 或 設置導向裝置 或設計方形 花鍵等形式的臂桿 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生 的靜力矩 為提高機器人的運動速度 要盡量減少臂部運動部分的重量 以減少 偏重力矩和整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量 運動要平穩(wěn) 定位精度要高 由于臂部運動速度越高 重量越大 慣 性力引起的定位前的沖擊也就越大 運動即不平穩(wěn) 定位精度也不會高 故應盡 量減少小臂部運動部分的重量 使結構緊湊 重量輕 同時要采取一定的緩沖措 施 4 2 手臂直線運動機構 機械手手臂的伸縮 升降及橫向移動均屬于直線運動 而實現(xiàn)手臂往復直線 運動的機構形式比較多 常用的有活塞油 氣 缸 活塞缸和齒輪齒條機構 絲 桿螺母機構以及活塞缸和連桿機構 18 4 2 1 手臂俯仰運動 手臂為以平行四邊形機構 它具有俯仰和回轉(zhuǎn)運動 手臂俯仰運動是通過鉸 鏈支撐的升降油缸來達到 活塞桿帶動連接的手臂左端上下運動 從而實現(xiàn)手臂 的升降運動 其俯仰角度是 使得平行四邊形機構的連桿做平面平行運動 54 即澆包具有升降和橫移運動 4 2 2 手臂回轉(zhuǎn)運動 手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)的 液壓油通過進油口進入回轉(zhuǎn)油缸腔 體內(nèi) 作用在動片上 產(chǎn)生驅(qū)動力矩 推動動片及其與動片連接輸出軸轉(zhuǎn)動 輸 出軸將產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過傳遞軸帶動回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)動 回轉(zhuǎn)工作臺帶動與其連接的 手臂回轉(zhuǎn) 從而實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn) 圖 4 1 回轉(zhuǎn)液壓缸計算圖 4 3 運動驅(qū)動力 4 3 1 臂部運動驅(qū)動力計算 計算臂部運動驅(qū)動力 包括力矩 時 要把臂部所受的全部負荷考慮進去 機械手工作時 臂部所受的負荷主要有慣性力 摩擦力和重力等 4 3 2 傾倒運動驅(qū)動力的計算 手臂作伸縮運動時 出克服摩擦阻力 和慣性力 之外 還要克服澆包和mFg 液態(tài)金屬的重力 故其驅(qū)動力GGg 密封裝置處的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同 在手臂設計中 采 用 O 型密封 當液壓缸工作壓力小于 10Mpa 液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近 似為 F3 0 慣 19 傾倒液壓缸慣性力的計算 本設計要求活塞運動速度 在計算smv 20 慣性力時 設置啟動時間 V V 83mm s NtgvGF05 4 總慣 7 23175 23 05 4 4 3 3 傾倒液壓缸工作壓力和結構的確定 經(jīng)過上面的計算 確定了液壓缸驅(qū)動力 選擇液壓缸的工作NF85 23 壓力 P 0 8MPa md16 確定液壓缸結構尺寸 當油進入無桿腔 214DFp 當油進入有桿腔中 224dp 液壓缸的有效面積 1FSp 故有 無桿腔 11 4 3FDp 有桿腔 21Fdp F 2335 85N 選擇機械效率pa6108 0 95 將有關數(shù)據(jù)代入 mD3 20 4 4 升降運動驅(qū)動力的計算 手臂作垂直運動時 除克服摩擦阻力 Fm 和慣性力 Fg 之外 還要克服臂部運 動部件的重力 故其驅(qū)動力 Pq 可按下式計算 Pq Fm Fg W N 式中 Fm 各支承處的摩擦力 N Fg 啟動時慣性力 N 可按臂伸縮運動時的情況計算 W 臂部運動部件的總重量 N 上升時為正 下降時為負 當 Fm 40N Fg 100N W 1098N 時 Pq 40 100 1098 1238 N 214DFp 當油進入有桿腔中 224dp 液壓缸的有效面積 1FSp 故有 無桿腔 11 4 3FDpp 有桿腔 21d F 3580N 選擇機械效率p60a 0 95 將有關數(shù)據(jù)代入 mdFD 10 02 95 18 04395 0 18 4326 據(jù)上 選擇標準液壓缸內(nèi)徑系列 選擇 D 100mm 21 4 5 液壓缸外徑的設計 根據(jù)裝配等因素 考慮到液壓缸的臂厚在 6mm 所以該液壓缸的外徑為 106mm 活塞桿的計算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞 或液壓缸 運動的要求和強度要求 對于桿長 L 大于直徑 d 的 15 倍以上 按拉 壓強度計算 24Fd 設計中活塞桿取材料為碳剛 故 活塞桿直徑 d 20mm10Mpa 現(xiàn)在進行校核 dF66244 10 358 結論 活塞桿的強度足夠 4 6 本章小結 本章設計了澆注機械手的手臂結構 手臂采用手臂伸縮機構 對驅(qū)動的液壓 缸的驅(qū)動力進行了詳細的計算 并對液壓缸的基本尺寸進行了設計 22 5 機身的設計計算 機身是直接支撐和驅(qū)動手臂的部件 一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動 這些 運動的傳動機構都安在機身上 或者直接構成機身的軀干與底座相連 因此 臂 部的運動越多 機身的機構和受力情況就越復雜 機身是可以固定的 也可以是 行走的 既可以沿地面或架空軌道 16 運 動 5 1 機身的整體設計 按照設計要求 機械手要實現(xiàn)手臂 的回轉(zhuǎn)運動 實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機01 構一般設計在機身處 為了設計出合理的運動機構 就要綜合考慮和分析 機身承載著手臂 做回轉(zhuǎn) 升降運動 是機械手的重要組成部分 常用的機 身結構有以下幾種 1 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結構 這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩 其缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長 花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大 2 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結構 這種結構采用單缸活塞桿 內(nèi)部導向 結構緊湊 但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降 運動部件較大 3 活塞缸和齒條齒輪機構 手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn) 齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉(zhuǎn) 從而使手臂左右擺動 分析 經(jīng)過綜合考慮 本設計選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結構 本設計機身包括 一個運動 機身的回轉(zhuǎn) 如上圖所示 回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體連接 由缸體帶動手 臂回轉(zhuǎn)運動 回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的 活塞桿采用空心 內(nèi)裝 一花鍵套與花鍵軸配合 活塞升降由花鍵軸導向 花鍵軸與與升降缸的下端蓋用 鍵來固定 下短蓋與連接地面的的底座固定 這樣就固定了花鍵軸 也就通過花 鍵軸固定了活塞桿 這種結構是導向桿在內(nèi)部 結構緊湊 具體結構見 10 下 圖 驅(qū)動機構是液壓驅(qū)動 回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔 一個進油孔 一個排油孔 分 別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側來實現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn) 回轉(zhuǎn)角度一般靠機械擋塊來決定 對于 本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉(zhuǎn)動的角度 為滿足設計要求 設計中動片和 靜片之間可以回轉(zhuǎn) 01 5 2 機身回轉(zhuǎn)機構的設計計算 1 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的 17 計 算 23 手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩 應該與手臂運動時所產(chǎn)生的慣性力矩驅(qū)M 及各密封裝置處的摩擦阻力矩 相平衡 館M阻 驅(qū) 阻 回慣 慣性力矩的計算 0 Jt 慣 式中 回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量 在起動過程中rads t 起動過程的時間 s 手臂回轉(zhuǎn)部件 包括工件 對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 0J 2Nms 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為 則 20cGg 式中 回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量 cJ 231zcmlR 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長 820mm 直徑為 1720mm 的圓柱體 質(zhì)量為 72Kg 設置起動角度 180 則起動角速度 0 314 起動時間設計為 rads 0 1s 2234 17 3 smNRlmJc 20 5 86 0 sC JM250 慣 密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下 由于回油背差一般非常驅(qū)阻 M3 0 的小 故在這里忽略不計 經(jīng)過以上的計算 mN 6 21驅(qū) 2 回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定 24 設計回轉(zhuǎn)缸的靜片和動片寬 b 80mm 選擇液壓缸的工作壓強為 8Mpa d 為 輸出軸與動片連接處的直徑 設 d 80mm 則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過下列計算 6 5 28MDd 驅(qū)bp m170 既設計液壓缸的內(nèi)徑為 m170 3 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?因為回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為 8Mpa 所以螺釘間距 t 小于 80mm 根據(jù)初步估算 所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目為mDL8 531704 3 5 78641tZLt 一個面 6 個 兩個面是 12 個 危險截面 222 04 085 14 3 mrRS 所以 NzPFQ 7 668 0 SK 8 15 NFQS807 6 所以 14 0 螺釘材料選擇 Q235 則 n 1 2 2 5 6 7 MpanS20 14 螺釘?shù)闹睆?mFdQ10214 37 6 40 螺釘?shù)闹睆竭x擇 選擇 M10 的開槽盤頭 d 19 螺 釘 25 經(jīng)過以上的計算 需要螺釘來連接 最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖 5 1 所示 內(nèi)徑為 170mm 外徑為 220mm 輸出軸徑為 80mm 圖 5 1 回轉(zhuǎn)缸的截面圖 動片和輸出軸之間的連接結構如圖 5 1 連接螺釘一般為偶數(shù) 對稱安裝 并用兩個定位銷定位 連接螺釘?shù)淖饔?使動片和輸出軸之間的配合緊密 282QbpdDdMFZf 摩 于是得 24QbpFdZf 式中 每個螺釘預緊力 QF D 動片的外徑 f 被連接件配合面間的摩擦系數(shù) 剛對銅取 f 0 15 26 螺釘?shù)膹姸葪l件為 24 13dFQ 或 1 帶入有關數(shù)據(jù) 得 NdDzfbpFQ 7508 17 05 4804 262 螺釘材料選擇 Q235 則 n 1 2 2 5 Mpans2 螺釘?shù)闹睆?md8 71024 356 螺釘?shù)闹睆竭x擇 選擇 M8 的開槽盤頭螺釘 8M 5 3 手臂偏重力矩及升降不自鎖條件的分析計算 5 3 1 手臂偏重力矩的 20 計 算 1 對機械手手臂的粗略估算 27 圖 5 2 手臂各部件重心位置圖 零件重量 等 G工 件 爪 腕 G臂Kg8 工 件 現(xiàn)在對機械手手臂做粗略估算 kgG32臂 k40 臂工 件總 2 計算零件的重心位置 求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離 m150工 件 7 手 臂 mG 8605 317 0 總 手 臂手 臂工 件工 件 所以 回轉(zhuǎn)半徑 m860 3 計算偏重力矩 28 MG 總偏 mN 3486 014偏 5 3 2 升降不自鎖條件分析計算 手臂在 的作用下有向下的趨勢 而里柱導套有防止這種趨勢 總 由力的平衡條件有 1RF2 h 1G總 即 hFR總 21 所謂的不自鎖條件為 總 112RFFf 即 fhG 總總 2 hf 取 則16 0 32h 當 時 m1650m5283 因此在設計中必須考慮到立柱導套必須大于 528mm 5 4 軸的設計與計算 5 4 1 概括 軸是組成機械的重要零件之一 它用來安裝各種傳動零件 使之繞其軸線轉(zhuǎn) 動 傳遞轉(zhuǎn)矩或回轉(zhuǎn)運動 并通過軸承與機架或機座相連接 軸與其上的零件組 成一個組合體 軸系部件 在軸的設計時 不能只考慮軸本身 必須和軸系零 部件的整個結構密切聯(lián)系起來 軸按受載情況分為 29 1 轉(zhuǎn)軸 支承傳動機件又傳遞轉(zhuǎn)矩 即同時承受彎矩和紐矩的作用 2 心軸 只支承旋轉(zhuǎn)機件而不傳遞轉(zhuǎn)矩 即只承受彎矩作用 心軸又可 分為固定心軸和轉(zhuǎn)動心軸兩種 3 傳動軸 主要傳遞轉(zhuǎn)矩 即主要承受紐矩 不承受或承受較小的彎矩 在本設計中為常用的圓形截面階梯軸的設計 軸的設計應滿足下列幾方面的要求 再結構上要受力合理 盡量避免或減少 應力集中 足夠的強度 靜強度和疲勞強度 必要的剛度 特殊情況下的耐腐 蝕性和耐高溫性 高速軸的振動穩(wěn)定性及良好的加工工藝性 并應使零件在軸上 定位可靠 裝配適當和裝拆方便等 通常設計程序為 根據(jù)機械傳動方案的整體布局 擬訂軸上零件的布置和裝配方案 選擇軸的材料 初步估算軸的直徑 進行軸的結構設計 校核軸鍵聯(lián)結強度及軸的彎矩強度 對于重要的軸 應進行強度的精確校核計算 必要是還要較核軸的剛度和臨界轉(zhuǎn)速 根據(jù)上述計算結果修改設計 繪制軸的工作圖 零件圖 5 4 2 軸的常用材料 應用于軸的材料種類很多 主要根據(jù)軸的使用條件 對軸的強度 剛度和其 它機械性能的要求 采用的熱處理方式 同時考慮制造加工工藝 并力求經(jīng)濟合 理 通過設計計算來選擇軸的材料 軸的材料一般是經(jīng)過軋制或鍛造經(jīng)切削加工的碳素鋼或合金鋼 對于較小的 軸 可用圓鋼制造 有條件的可直接用冷拔鋼材 對于重要的 大直徑或階梯直 徑變化較大的軸 采用鍛坯 為了節(jié)約金屬和提高工藝性 直徑大的軸還可以制 成空心的 并且?guī)в泻附拥幕蝈懺斓耐咕?軸常用的材料是優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼 如 35 45 和 50 其中以 45 號鋼最為常用 不太重要及受載較小的軸可用 Q235 Q275 等普通碳素結構鋼 對于受力較大 軸的尺寸受限制 以及某些有特殊要求的軸可用合金結構鋼 當采用合金結構鋼 時 應優(yōu)先選用符合我國資源情況的硅錳鋼 硼鋼等 對于結構復雜的軸 例如 花鍵軸 空心軸等 為了保持尺寸穩(wěn)定性和減少熱處理變形可選用鉻鋼 對于 30 大截面非常重要的軸可選用鉻鎳鋼 對于高溫或腐蝕條件下工作的軸可選用耐熱 鋼或不銹鋼 5 4 3 軸的結構設計原則 軸的結構設計是確定軸的合理外行和全部結構尺寸 為軸設計的重要步驟 它與軸上安裝的零件類型 尺寸及其位置 零件的固定方式 載荷的性質(zhì) 方向 大小及分布情況 軸承的類型與尺寸 軸的毛坯 制造和裝配工藝 安裝及運輸 對軸的變形等原因有關 設計者可根據(jù)軸的具體要求進行設計 必要時可做幾個 方案進行比較 以便選出最佳方案 一般軸結構設計原則 1 節(jié)約材料 減輕重量 盡量采用等強度外行尺寸或大的截面系數(shù)的截 面形狀 2 易于軸上零件的精確定位 穩(wěn)固 裝配 拆卸和調(diào)整 3 采用各種減少應力集中和提高強度的結構措施 4 便于加工制造和保證精度 5 4 4 提高軸疲勞強度的結構措施 軸有各種破壞形式 如疲勞 腐蝕 磨損 撞擊 微動和蠕變等 但軸的破 壞多數(shù)屬于疲勞破壞 據(jù)統(tǒng)計 機器零件的破壞中有 80 的損壞是屬于疲勞破壞 而軸類零件的破壞的比例則更高一些 疲勞破壞分高周 高循環(huán) 疲勞 低周 低循環(huán) 疲勞 微動疲勞和表面疲勞等 高周疲勞屬于低應力 低于材料屈服極限 甚至彈性極限 長壽命 循環(huán) 次數(shù)一般大于 或 的情況下是疲勞破壞 是最常見的一種 通常稱為疲勞 4105 軸的疲勞破壞多屬于此類 軸截面變化處 如軸肩 鍵槽和環(huán)槽等 會產(chǎn)生應力集中 疲勞破壞往往 在此處發(fā)生 軸的工作表面應力最大 也會出現(xiàn)疲勞破壞 在軸的結構設計中 應力求降低應力集中的現(xiàn)象和提高軸的表面質(zhì)量 降低應力集中的主要措施有 加大圓角 加內(nèi)凹圓角 打橫孔等多種 提高軸的表面質(zhì)量包括降低軸的表面粗 糙度 對軸表面進行處理 如熱處理 機械處理和化學處理等 5 4 5 軸的加工和裝配工藝性 進行軸的結構設計時 除考慮前面的各種因素外 同時還應考慮便于軸的加 工 測量 裝配和維修 通常要注意以下幾個主要方面 31 1 考慮加工工藝所必須的結構要素 如中心孔 螺尾退刀槽 砂輪越程 槽等 2 合理確定軸與零件的配合性質(zhì) 加工精度和表面粗糙度 3 配合直徑一般按 GB T 2822 1981 圓整為標準值 4 確定各軸段長度時應盡可能使結構緊湊 同時還應保證零件所需的滑 動距離 裝拆或調(diào)整所需空間 并轉(zhuǎn)動零件不得與其他零件相碰 與輪轂轉(zhuǎn)陪的 軸段長度一般應略小于輪轂 2 3mm 以保證軸向定位可靠 5 處特殊要求者外 一般軸上所有零件都應無過盈地達到配合部位 6 為便于導向和避免擦傷配合面 軸的兩端及有過盈配合的臺階處應制 成倒角 7 為了減少加工刀具的種類和提高勞動生產(chǎn)率 軸上的倒角 圓角 鍵 槽等應盡可能取相同尺寸 或盡量減少不同尺寸的倒角 圓角 鍵槽的數(shù)量 5 4 6 軸的計算 此實心軸承的轉(zhuǎn)矩 T 為 n P6105 9 7134 805 936 mN 13 彎矩 M 為 204 F8 51 mN 4 270 對于碳素結構鋼和合金結構鋼彎曲應力與扭應力的合成 可按第三強度理論 求出 因此 可以應用公式 來計算當量彎矩 22 TMe 32 按脈動轉(zhuǎn)矩計算 b01 由 機械設計 表 12 3 軸的許用應力 取 401 b 7b 計算當量彎矩 221 73 190 4 75 eM mN 3 8 計算應滿足 311 0bed 34 52387 m1 圓整后取 mm451d 軸中段軸徑上有鍵槽 在此基礎上 軸徑增大 3 3 m5 46 圓整后取 d0 由于 21eM 計算應滿足 3122 0bed 34 75 m061 33 取整 md42 5 5 軸承的選擇與分析 對于升降缸的運動 對于機身回轉(zhuǎn)用的軸承有影響 因此 這里要充分考慮 這個問題 對于本設計 采用一支點 雙固定 另一支點游動的支撐結構 作為 固定支撐的軸承 應能承受雙向軸向載荷 故內(nèi)外圈在軸向全要固定 其結構參 看本章開始的 機身結構示意圖 11 本設計采用兩個角接觸球軸承 面對面或者背對背的組合結構 這種結構可 以承受雙向軸向載荷 5 6 本章小結 本章對機械手的機身進行設計分別 對機身的回轉(zhuǎn)機構和升降機構進行設計 計算 同時也計算了升降立柱穩(wěn)定的條件 這是機身設計中不可缺少的部分 34 結 論 通過此次畢業(yè)設計 我了解機械手各種結構以及相關知識 并將幾何畫圖知 識 機械設計 機械原理 液壓傳動等相關知識綜合運用 這不但夯實了我的專 業(yè)知識 而且也使我的專業(yè)素質(zhì)有了很大提高 除此之外 我也了解了當前國內(nèi) 外在機械手先進生產(chǎn)和制造技術 尤其是日本的機械手設計精巧靈活 同時 通 過對機械手的結構設計作了系統(tǒng)的分析 在一定程度上我掌握了機械手設計和計 算過程和相關知識 這將為以后的工作學習打下一定基礎 本次畢業(yè)設計只是對 澆鑄機械手的結構和驅(qū)動做了系統(tǒng)的計算分析 設計中沒有涉及到機械手繼電器 固定程序設計 采用液壓傳動 液壓出力大 臂力可達 1000N 以上 且可用電液伺服機構 實現(xiàn)連續(xù)控制 使機械手用途更廣 定位精度一般非常高 在 1mm 內(nèi) 該機械 手選擇配置澆包 盛鋼水 必要時可以更換澆包 在機械設計的過程中學到 做任何事情要有正確的態(tài)度和心態(tài) 我明白了做 學問要一絲不茍 對于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視 要通過正確的途徑去 解決 同時 在做事情的過程中要有耐心和毅力 不要一遇到困難就打退堂鼓 只要堅持下去就可以找到思路去解決問題 總之 此次畢業(yè)設計過程 我收獲了 很多 此次設計的完成為大學四年劃上了一個完美的句號 也為將來的人生之路 做好了很好的鋪墊 由于經(jīng)驗知識水平的局限 設計難免有不到之處 望讀者見諒 請指正 35 參考文獻 1 張建民 工業(yè)機器人 北京 北京工業(yè)大學出版社 1988 2 李允文 工業(yè)機械手設計 北京 機械工業(yè)出版社 1996 3 費仁元 張慧慧 機器人機械設計和分析 北京 北京工業(yè)出版社 1998 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