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輪胎裝配機械手設計 I 輪胎裝配機械手設計 摘要 機械手是能夠模仿一些動作功能的人員和夾臂 固定的程序 自動操作裝置的 處理或操作的工具 本文設計的輪胎裝配機械手的圓柱坐標型液壓機械手 主要用于氣力輸送夾緊和完 成工作 首先通過機械手的結構和工作原理進行分析 在此基礎上提出了設計方案 其 次 每個元素的主要結構及液壓系統(tǒng)的設計和驗證 最后 通過 AutoCAD 軟件繪制機械 裝配圖和零件 通過這次設計 鞏固了大學所學的專業(yè)知識 例如 機械設計 材料力學 公差和 互換性和機械制圖 掌握機械產品設計方法和經(jīng)驗 利用 AutoCAD 軟件 在今后的工作 生活具有重要的意義 關鍵字 輪胎 機械手 圓柱坐標 液壓系統(tǒng) 輪胎裝配機械手設計 II Tire assembly manipulator design Abstract Robot hand is able to imitate the human hand and arm of some action functions with a fixed program to grab handling objects or operating tools of the automatic operation This paper describes the design of the cylinder coordinate hydraulic manipulator which is mainly used for the carrying and assembling of the tire First by the manipulator s structure and principle were analyzed in this study Based on the design scheme is presented then mainly the main structure parts and hydraulic system were design and checking calculation Finally through the AutoCAD drawing software drawn the manipulator assembly drawing and the main parts of the map Through the design the consolidation of the University of the professional knowledge such as mechanical principles mechanical design mechanics of materials tolerance and interchangeability theories mechanical drawing master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software for the future work in life is of great significance Keywords Tire Manipulator Cylindrical coordinates Hydraulic system 輪胎裝配機械手設計 III 目 錄 第一章 緒論 1 1 1 研究背景及意義 1 1 2 國內外發(fā)展狀況 1 第二章 總體方案設計 3 2 1 設計要求 3 2 1 1 動作要求 3 2 1 2 參數(shù)要求 3 2 2 方案擬定 3 2 2 1 方案分析 3 2 2 2 擬定方案 5 第三章 手臂部分設計 6 3 1 臂部整體設計 6 3 2 手臂伸縮驅動力計算 6 3 2 1 手臂摩擦力的計算 6 3 2 2 手臂密封處的摩擦阻力的計算 7 3 2 3 手臂慣性力的計算 7 3 3 手臂伸縮油缸的設計 8 3 3 1 確定液壓缸的結構尺寸 8 3 3 2 液壓缸外徑的設計 9 3 3 3 活塞桿的設計校核 9 3 3 4 油缸端蓋的設計 10 第四章 機身部分設計 12 4 1 機身的整體設計 12 4 2 回轉機構的設計 12 4 2 1 回轉缸驅動力矩的計算 12 4 2 2 回轉缸尺寸參數(shù)的確定 13 4 3 機身升降機構的設計 15 4 3 1 手臂重力矩的計算 15 4 3 2 升降油缸驅動力的計算 15 4 3 3 升降缸尺寸參數(shù)的確定 16 第五章 搬運手爪及裝配機構設計 18 5 1 搬運手爪的設計 18 輪胎裝配機械手設計 IV 5 2 裝配機構的設計 19 第六章 液壓系統(tǒng)設計 20 6 1 方案擬定 20 6 1 1 制定調速方案 20 6 1 2 制定壓力控制方案 20 6 1 3 選擇液壓動力源 20 6 1 4 繪制液壓系統(tǒng)圖 20 6 3 液壓元件的計算和選擇 21 6 3 1 液壓泵 21 6 3 2 確定油箱容量 22 6 3 3 液壓元件的選擇 22 6 2 液壓系統(tǒng)性能驗算 22 6 2 1 壓力損失驗算 22 6 2 2 發(fā)熱溫升驗算 23 總 結 25 參考文獻 26 致 謝 27 輪胎裝配機械手設計 1 第一章 緒論 1 1 研究背景及意義 機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種自動高科技生產 工業(yè)機械手在我國是 80 年代以 來 七五 科技開始 在國家的支持下 通過 七五 八五 科學和技術 掌握了 機械手操作機制造技術 控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術 運動學和軌跡規(guī)劃 機器人的 部分關鍵元器件生產 開發(fā) 涂裝 焊接電弧焊接 組裝 運輸?shù)?機器人 其中 130 多個機器人繪畫在 20 多個企業(yè)近 30 條自動噴涂生產線 站 的訪問規(guī)則的弧焊機器人 已經(jīng)應用于模具 焊接線的汽車廠 但總的來說 應用機械手工業(yè)的發(fā)展和我國工程外 水平和一定的距離 本文介紹了裝配氣動機械手液壓機械手的設計 其主要作用是攜帶輪胎夾緊和工作 水平的提高 工業(yè)自動化 機器人的應用越來越廣泛 部分運動的機械臂可以模擬 根 據(jù)預定的計劃 路徑等要求 實現(xiàn)夾片和運輸工具或操作機械手 體力勞動可以取代許 多重復性 從而降低了工人的勞動強度 提高生產效率 1 2 國內外發(fā)展狀況 機械手首先是 1958 年美國研制了第一手的共同控制 其結構體上安裝一個旋轉臂頂 部安裝工件 電磁塊夾持和釋放機制控制系統(tǒng)的教學形式 1962 年 美國社會的基礎上共同控制方案和試驗在數(shù)控機床中的閱讀教學型機械手 的名稱 即德爾通用自動建模系統(tǒng) 在炮塔和臂可伸縮 旋轉 俯仰 用液壓驅動 控制系統(tǒng)與鼓作為存儲設備 很多球坐標機械手的總體發(fā)展是同年 社會融合和普魯伯 曼萬能自動有限公司 專業(yè)生產工業(yè)機械手 1962 年 美國機械制造有限公司的成功經(jīng)驗機械手的中心支柱 該機械手可以旋轉 通過控制系統(tǒng)驅動液壓提升教學 這兩種類型的機器人出現(xiàn)在 60 年代初 但是發(fā)展的基 礎工業(yè)機器人在國外 美國斯坦福大學德爾 1978 年 麻省理工大學合作開發(fā)工業(yè)機械手式德爾 vicarm 配 備了微型計算機控制的裝配操作 定位誤差小于 1mm 聯(lián)邦德國機械制造業(yè)自 1970 年 以來應用機械手 主要用于起重運輸設備 焊接電源等操作 德意志聯(lián)邦共和國也產生點焊機器人的控制結構和程序日本是工業(yè)機械手的最快速 大量的國家 1969 年 從美國引進兩個機械手大力從事前蘇聯(lián)在 20 世紀 60 年代以來 應 用和發(fā)展的機械手 在 1977 年年底 其中一半是國產 進口額的一半 輪胎裝配機械手設計 2 目前 工業(yè)機械手大部分還屬于第一代 主要取決于工人的控制 改進的方向主要 是降低成本 提高二代機械手是加強配備了微型電子計算機控制系統(tǒng) 具有視覺和觸覺 的能力 雖然聽的能力 安裝各種傳感器 方向信息反饋 機器人具有感覺功能 第 三代機械手指能夠完成任務的過程中 電子裝置及其你的電視和保持聯(lián)系 并逐步發(fā)展 的一個重要組成部分 FMC 單元柔性和柔性制造系統(tǒng) 機械手一般應用大多數(shù)國家機械工業(yè)機械手 固定裝置 其工作程序是 fix un 通用 機械手也開發(fā) 應用電流開關型位置控制 伺服生產單位的數(shù)量在調試控制軌跡的連續(xù) 型 沒有固定觸點控制方式的控制程序的大多數(shù) 專用機械手的控制 輪胎裝配機械手設計 3 第二章 總體方案設計 2 1 設計要求 2 1 1 動作要求 裝配機器人分為搬運和裝配兩個動作 實現(xiàn)夾住輪胎然后搬運過來 然后定位 定 位之后由裝配的機構擰螺絲實現(xiàn)裝配動作 1 可以設計成一體式 即搬運的機構和裝配的機構在一個圓柱坐標機器人完成 也可以設計成雙臂式 即搬運和裝配部分在兩個圓柱坐標機器人上分別完成動作 2 裝配機器人擰螺絲過程為 對角依次固定 一般汽車輪胎上有五個固定螺絲 成對角狀態(tài)擰螺絲才能保證輪胎的緊固 2 1 2 參數(shù)要求 1 輪胎直徑 300 450mm 2 主臂回轉角度 0 280 3 主臂回轉轉速 0 16 r min 4 機器人直線移動速度 0 0 5m s 5 機器人自由度 5 2 2 方案擬定 2 2 1 方案分析 裝配機器人分為搬運和裝配兩個動作 實現(xiàn)夾住輪胎然后搬運過來 然后定位 定 位之后由裝配的機構擰螺絲實現(xiàn)裝配動作 機械手主要有以下類型 1 直角坐標型 直角坐標機器人的結構是最簡單的 如圖 2 所示 臂部由三副相互正交的 X Y 方向 移動 沿直線移動 Z 三軸操作簡便 用于將零件簡單的插入操作 如旋 但占用的空間 越大 經(jīng)營范圍是比較低的 圖 2 1 直角坐標型 輪胎裝配機械手設計 4 2 圓柱坐標型 圓柱坐標型機器人的結構比較簡單 如圖 2 2 一部分由轉動副臂和兩個移動副組成 經(jīng)營范圍為圓柱形 其特點是定位精度高 直觀和簡單的運動控制 結構簡單 體積小 價格便宜 因此 應用廣泛 圖 2 2 圓柱坐標型 3 垂直多關節(jié)型 垂直多關節(jié)機器人的上肢和設計 圖 2 3 有三個旋轉關節(jié) 關節(jié)的尺寸繞 Z 軸旋 轉 兩個鉸鏈臂的兩個軸平行于 Y 軸的旋轉運動 利用三圓弧來改變位置的空間秩序的 手 機器人關節(jié)的相對角位移的每個元素相鄰的臂部運動坐標 結構緊湊 操作靈活 最好 占用空間小 運行速度高工作范圍內 在一個空間配置貧窮可憐的各種障礙 但 其影響精度的手臂的位置 實現(xiàn)高精度的運動有困難 圖 2 3 圓柱坐標型 4 平面關節(jié)型 平面關節(jié)型裝配機器人的數(shù)量目前應用中的裝配生產線 這是一個機器人裝配精度 高 速度快 精度高 靈活性好等 如圖 2 4 圖 2 4 平面關節(jié)型 輪胎裝配機械手設計 5 5 極坐標型 極坐標型機器人使用兩個移動和旋轉來改變手的位置的空間 如圖 1 4 可沿 X 軸產 生直線臂 擺動軸的軸旋轉關節(jié) Y 和 Z 俯仰運動臂可以繞 Z 軸能夠抓住物體在地面上 該機器人的特點是結構緊湊 占地面積小 移動靈活 可擴展的機器人的工作空間 但 旋轉關節(jié)中的體現(xiàn)終端設備上執(zhí)行的運動線的分辨率是可變的 難以保證 圖 2 5 極坐標型 2 2 2 擬定方案 根據(jù)上面幾種機器人結構特點比較 由于圓柱坐標型機械臂動作靈活 所占空間小 工作范圍大 能在狹窄空間內饒過各種障礙物的特性 綜合以上決定采用 2 圓柱坐標 型裝配機器人 其結構簡圖如圖 2 6 所示 圖2 6 輪胎裝配機械手結構簡圖 輪胎裝配機械手設計 6 第三章 手臂部分設計 3 1 臂部整體設計 臂構件的主要作用是實現(xiàn)支撐手腕和手 包括工作 使他們的空間旋轉 同時伸 縮 考慮到機械手夾持這種設計的輪胎 重量輕 因此設計選擇活塞桿伸縮機構 伸縮 臂油缸活塞桿安裝在活塞桿的導向套 減少彎曲應力 活塞桿的拉力共同作用的壓力和 彎曲載荷 應力簡單 穩(wěn)定 運輸 外形美觀 結構采用液壓驅動 液壓缸的選擇雙作 用液壓缸的結構方案 如下圖所示 圖 3 1 臂部結構 3 2 手臂伸縮驅動力計算 這一水平直線運動的摩擦伸縮液壓缸驅動力 根據(jù)液壓缸運動幾個方面克服阻力 慣性 以確定液壓缸需要確定驅動力的計算液壓缸的活塞 FF 回摩 密 慣 3 2 1 手臂摩擦力的計算 由于油缸采用導向套導向故 0AM bGLaF總 得 bF 總 0Y 輪胎裝配機械手設計 7 baGF 總 得 a L 總 abab 摩 摩摩 2LFG 總摩 600 1260N aLGF2 總摩 206 3 3 2 2 手臂密封處的摩擦阻力的計算 不同的密封圈的摩擦阻力臂不同 在設計中采用 O 形環(huán) 當液壓缸工作壓力低于 10MPa 總摩擦阻力在液壓缸密封可以近似 0 03F 封F 3 2 3 手臂慣性力的計算 0 1慣FtvG 總 輪胎裝配機械手設計 8 所以 1260 69 9 0 03F 0 05FF摩 慣 封 回F 求得 1446N 所以手臂伸縮驅動力為 1446N 3 3 手臂伸縮油缸的設計 表 3 1 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外 力 F N 液壓缸工作壓 力 Mpa 作用在活塞上外 力 F N 液壓缸工作壓 力 Mpa 小于 5000 0 8 1 20000 30000 2 0 4 0 5000 10000 1 5 2 0 30000 50000 4 0 5 0 10000 20000 2 5 3 0 50000 以上 5 0 8 0 經(jīng)過上面的計算 確定了液壓缸的驅動力 F 4378N 根據(jù)表 3 1 選擇液壓缸的工作壓 力 P 1MPa 3 3 1 確定液壓缸的結構尺寸 液壓缸內徑的計算 如圖 3 2 所示 圖 3 2 雙作用液壓缸示意圖 當油進入無桿腔 421DPF 當油進入有桿腔 212d 輪胎裝配機械手設計 9 液壓缸的有效面積 mm 1PS 2 所以 無桿腔 113 4D 有桿腔 214dP 將數(shù)據(jù)代入得 43 8mm 113 4PD610 943 根據(jù)表 4 1 JB826 66 選擇標準液壓缸內徑系列 選擇 D 50mm 表 3 2 活塞桿直徑系列 GB T2348 93 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 現(xiàn)在進行穩(wěn)定性校核 其穩(wěn)定性條件為 輪胎裝配機械手設計 10 knp 代入數(shù)據(jù) 臨界力 F 3 14 90463 4MPakp ba 70 426102 取 3 30154 47 MPaknkn 4378 所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求 3 3 4 油缸端蓋的設計 每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 為工作載荷 和剩余預緊力 之和0QSQ S 式中 工作載荷 QZpDP42 螺釘中心所在圓的直徑 0D P 驅動力 Z 螺釘數(shù)目 Z 1 0tD 剩余預緊力 KQ K 1 5 1 8 SQ SQ 計算 D 76mm 取 90mm P 1MPa 間距與工作壓強有關 見表 3 3 間距應小于0 150mm 試選螺釘數(shù)為 6 個 表 3 3 螺釘間距 t 與壓力 P 之間的關系 工作壓力 P Mpa 螺釘?shù)拈g距 t mm 0 5 1 5 小于 150 1 5 2 5 小于 120 2 5 5 0 小于 100 5 0 10 0 小于 80 輪胎裝配機械手設計 11 則 Z 代入數(shù)據(jù) 46 150 滿足要求 10tD 1t 838N QZpDP42 選擇 K 1 5 1 5 1255N S 837 1257 2095N0Q 螺釘直徑按強度條件計算 1d lJQ 4 1 3 1 3 2095 2723 5NJQ0 代入數(shù)據(jù) 0 0045m1d l 4 sn6103524 7 輪胎裝配機械手設計 12 第四章 機身部分設計 4 1 機身的整體設計 根據(jù)設計要求 機械手要實現(xiàn)手臂 280 的回轉運動 實現(xiàn)旋轉機械臂的運動一般設 計在機身 升降的支撐體 鑒于這種設計 旋轉筒上設有升降油缸結構 這種機身設計包括兩個旋轉和升降 機身 如圖 4 1 所示 機身結構的旋轉機構缸部件的上端臂和回轉氣缸與氣缸蓋旋轉移動 件連接到氣缸體 包括筒體旋轉的臂 轉筒的轉動軸與升降氣缸的活塞桿是活塞桿設置 在空心套筒扳手和與柱塞舉升花鍵花鍵軸導向 通過具體結構見下圖 輪胎裝配機械手設計 13 圖 4 1 機身結構示意圖 4 2 回轉機構的設計 4 2 1 回轉缸驅動力矩的計算 手臂回轉缸驅動力矩 的計算公式為 驅M N m 驅 慣 回 封 輪胎裝配機械手設計 14 28 kg mcJ 3 122Rlm 136 0 12 2 28 93 3kg m2c0 gG 2 892 93 3 227 6 慣M0Jt 50 mN 為了簡便計算 密封處的摩擦阻力矩 由于回油背差一般非常的小 驅封 M3 0 故在這里忽略不計 0回 所以 227 6 0 0 03驅 驅 234 6驅 mN 4 2 2 回轉缸尺寸參數(shù)的確定 1 回轉缸油腔內徑 D 計算公式為 23810dbpM 驅 2 油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎?回轉缸的工作壓力為 5Mpa 所以螺釘間距 t 應小于 80mm 螺釘數(shù)目 輪胎裝配機械手設計 15 Z 3 14 3 93tD 801 所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇 6 個 危險截面 0 00589 2rRS 45 22 2m 所以 4906 3NQFZP 4906 3 1 5 7359 4N K 1 5 KFQS 所以 7359 4 4906 3 12265 7NQ 螺釘材料選擇 Q235 則 n 1 2 2 5 2401 sn MPa 螺釘?shù)闹睆?d 10mm Q3F 螺釘?shù)闹睆竭x擇 d 10mm 選擇 M10 的內六角圓頭螺釘 上面計算 最終確定液壓缸尺寸 內直徑 100 毫米外徑根據(jù)壁厚的設計中 根據(jù)表 4 2 JB1068 67 和輸出軸的外徑 168mm 選擇 直徑 50 毫米 圖 4 2 回轉缸的截面圖 輪胎裝配機械手設計 16 21 34QFd 合 或 14QFd 帶入有關數(shù)據(jù) 得 10416 7NQF 42dDZfbp 05 015 64226 螺釘材料選擇 Q235 則 n 1 2 2 5 4 sn MPa 螺釘?shù)闹睆?d 9 3mm Q 3F 螺釘?shù)闹睆竭x擇 d 10mm 選擇 M10 的內六角圓頭螺釘 4 3 機身升降機構的設計 4 3 1 手臂重力矩的計算 1 估算重量 150N 150N 500N工 件G爪 臂G 2 計算零件的重心位置 求出重心到回轉軸線的距離 800mm 760mm 400mm 工 件 爪 臂 由于 總 i iGX 所以 0 5425m總 臂臂爪爪工 件工 件 GX 3 計算偏重力矩 MG 總偏 434總偏 mN 4 3 2 升降油缸驅動力的計算 FF 回慣 摩 密 式中 摩擦阻力 取 f 0 16 F摩 12f摩 輪胎裝配機械手設計 17 G 零件及工件所受的總重 1 的計算F慣 GvFgt 總慣 設定速度為 V 0 6m s 起動或制動的時間差 t 0 1s 為 800N 總 將數(shù)據(jù)帶入上面公式有 489 8N 1 0896F慣 2 的計算摩F f12摩 2500NhGF 總 1 736 0458 所以 2 2500 0 16 800Nf12F 摩 輪胎裝配機械手設計 18 則 4 94mm 6104 325 Pd 活塞桿直徑應大于 8 5mm 4 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?D 120mm 取 180mm P 1 0MPa 間距與工作壓強有關 見表 4 3 間距應小0D 于 120mm 試選螺釘數(shù)為 6 個 則 Z 代入數(shù)據(jù) 84 120 滿足要求 10t 1t 1962 5N QZpDP42 選擇 K 1 5 1 5 2943 75N 1962 5 2943 75 4907NS 0QS 螺釘直徑按強度條件計算 1d lJ 1 3 1 3 4907 6379 1NJQ0 代入數(shù)據(jù) 0 0068m1d lJQ 4 snJ 6103524 79 輪胎裝配機械手設計 19 第五章 搬運手爪及裝配機構設計 5 1 搬運手爪的設計 裝配機器人分為搬運和裝配兩個動作 實現(xiàn)夾住輪胎然后搬運過來 然后定位 這 些動作均需要搬運手爪實現(xiàn) 另外參數(shù)要求搬運的輪胎直徑 300 450mm 如下圖通過 CAD 法匹配分析最小直徑輪胎與最大直徑輪胎時所需手爪的結構 圖 5 1 搬運手爪結構分析 通過上述分析得到搬運手爪的詳細結構尺寸如下圖示 圖 5 2 搬運手爪結構尺寸 輪胎裝配機械手設計 20 5 2 裝配機構的設計 設計要求輪帶放到位后由裝配機構擰螺絲實現(xiàn)裝配動作 裝配機器人擰螺絲過程為 對角依次固定 一般汽車輪胎上有五個固定螺絲 成對角狀態(tài)擰螺絲才能保證輪胎的緊 固 在機械手設計中通常擰螺絲的裝配機構有現(xiàn)成的電動扳手 只需選型后搭配到機械 手上即可 由于本處要求成對角狀態(tài)擰螺絲故選用如下帶成對角套筒的電動扳手 同時為了保證機械手在搬運爪把輪胎搬運到車輪軸上是精確定位在電動扳手上設置 一傳感器 1 該傳感器為位置傳感器 可以感應車輪軸的中心位置 而為了保證電動扳手套筒能精確套入待擰緊的螺帽 在電動扳手上設置一傳感器 2 該傳感器也是位置傳感器 可以感應螺桿的中心位置 在擰完一顆螺帽后套筒移除 電 動扳手旋轉電機旋轉 兩個套筒在傳感器 2 作用下找到下一對對角螺栓進行擰緊 如此 循環(huán) 3 次及可完成輪胎螺栓的擰緊工作 圖 5 3 裝配機構結構 輪胎裝配機械手設計 21 第六章 液壓系統(tǒng)設計 6 1 方案擬定 6 1 1 制定調速方案 計量泵電源一般采用節(jié)流調速 流量控制閥的流量改變輸入或輸出液壓致動器的速 度調節(jié) 這種調速方式結構簡單 但效率低 發(fā)熱量大 多用于低功率應用 體積速度控制通過液壓泵或液壓馬達速度的變化來實現(xiàn)優(yōu)勢是沒有損失 損失和溢 流節(jié)流產量需要輔助泵調速方式對大功率液壓系統(tǒng) 移動速度快 容積節(jié)流調速供油變量泵通常是用流量控制閥的輸入或輸出液壓執(zhí)行器的流量控制 使供油量和油量為有效的控制回路速度越高 穩(wěn)定性較好的速度 但其結構更為復雜 針對這一次節(jié)流調速 6 1 2 制定壓力控制方案 在執(zhí)行元件的液壓系統(tǒng)的工作要求 保持一定的工作壓力或工作在一定范圍內的壓 力 也需要不斷地或連續(xù)多級壓力控制 在節(jié)流調速系統(tǒng) 通常由計量泵的燃油控制閥 所需的壓力 并保持恒定 在調速系統(tǒng)中的供油量 以及變量泵的安全閥的安全保護功 能 液壓系統(tǒng)中的高壓油 有時需要流量不大 在這個時候 我們可以考慮用一個壓力 回路的高壓 而不是創(chuàng)建一個高壓泵 液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中 一段時間不需要油 停泵時的不便 需考慮選擇放電電路 在本地系統(tǒng) 工作壓力應小于主油源壓力時 要考慮解壓縮電路來實現(xiàn)所需的工作 壓力 6 1 3 選擇液壓動力源 該液壓系統(tǒng)工作介質的液壓源只提供液壓源的核心 是泵調速定量泵節(jié)流燃料一般 在沒有其他輔助油源供油量的液壓泵量大于對油系統(tǒng) 多余的油通過溢流閥流回油箱 溢流閥 起著控制和穩(wěn)定的油源下容積調速泵多數(shù)是用變量 安全定義系統(tǒng)的最高壓力 6 1 4 繪制液壓系統(tǒng)圖 液壓系統(tǒng)控制電路和液壓源相結合 制定好 每個組合電路來消除多余的重復單元 的系統(tǒng)結構簡單 注意要素之間的關系 鎖定 防止誤操作 以減少損失 能提高系統(tǒng) 的工作效率 維護和監(jiān)控的液壓系統(tǒng) 主要道路應安裝在系統(tǒng)所需要的傳感器元件 例如 壓力 表和溫度計等 輪胎裝配機械手設計 22 圖 6 1 液壓系統(tǒng)原理圖 6 2 液壓元件的計算和選擇 6 2 1 液壓泵 輪胎裝配機械手設計 23 取泵的總效率 0 85 則 N 4 7kw 60P額額 Q 選電機 Y132M 4 N 5 5kw n 1460r min 6 2 2 確定油箱容量 V 100L總 6 2 3 液壓元件的選擇 表 6 1 液壓元件一覽表 注 表中元件的序號與液壓系統(tǒng)原理圖中的序號相對應 6 3 液壓系統(tǒng)性能驗算 6 3 1 壓力損失驗算 1 沿程壓力損失 輪胎裝配機械手設計 24 油在管路中的實際流速為 smdqv 36 02 1742 09836 Re 油在管路中呈紊流流動狀態(tài) 其沿程阻力系數(shù)為 25 014eR 求得沿程壓力損失為 MPap03 2103 9819864 25 2 局部壓力損失 額定流量序列的單向 17 50L min 壓力損失 0 4 mpa 標稱額定電液換向閥 2 為 190L min 壓力損失 0 3 mpa 標稱單向順序閥為 18 150L min 損失的額定壓力 0 2 MPa 通過各閥的局部壓力損失之和為 2221 3 1506 190 43 57 50 4p MPa8 6 3 2 發(fā)熱溫升驗算 輪胎裝配機械手設計 25 1 計算發(fā)熱功率 Phc 16 5 9 35kW 3 3kW Phr 2 3kW 由此可見 油箱的散熱能滿足系統(tǒng)散熱的要求 輪胎裝配機械手設計 26 總 結 設計階段的大學學習是一種罕見的理論與實踐相結合的學習機會 通過圓柱齒輪減 速器的理論和實踐知識的組合設計 運動綜合運用我的專業(yè)知識 能力解決實際問題 而且提高了我的文件和設計手冊的設計規(guī)范的能力水平 和其他的專業(yè)知識 而且通過 對局部控制組件 妥協(xié) 以及細節(jié)的決定 我的運動能力 經(jīng)驗了豐富 壓縮力的能力 和意愿的質量 也提高耐力水平不同 這是我們所有的希望 我們的目標是提高畢業(yè) 是有限的 但它是完整的 這是這 個設計 我積累了大量的實踐經(jīng)驗 能更好的我的精神是知識武裝起來的 他讓我在未 來行為的研究工作更高的應變能力 溝通和理解 在完成本畢業(yè)給了我很大的信心 讓我懂得專業(yè)知識和職業(yè)發(fā)展前景的信心 但同 時 它缺乏很多的缺點和不足 留下遺憾 后悔 但不給我只有更好沒有我 未來的我 的最新技術 新設備的科學技術 力爭盡快掌握這些先進的知識 更好地服務四個國家 輪胎裝配機械手設計 27 參考文獻 1 郭洪紅 工業(yè)機器人技術 第二版 西安電子科技大學出版社 2013 2 孫志禮 冷興聚 魏延剛等 機械設計 M 東北大學出版社 2003 3 徐灝 機械設計手冊 M 第 5 卷 機械工業(yè)出版社 1992 4 吳宗澤 機械設計師手冊 M 機械工業(yè)出版社 2002 5 成大先 機械設計圖冊 M 化學工業(yè)出版社 2002 6 羅洪量 機械原理課程設計指導書 M 第二版 高等教育出版社 1986 7 JJ 杰克 美 機械與機構的設計原理 M 第一版 機械工業(yè)出版社 1985 8 王玉新 機構創(chuàng)新設計方法學 M 第一版 天津大學出版社 1996 9 張建民 工業(yè)機器人 B M 北京理工大學出版社 1992 10 馬香峰 機器人結構學 B M 機械工業(yè)出版社 1991 11 俄 IO M 索羅門采夫 工業(yè)機器人圖冊 B M 機械工業(yè)出版社 1993 12 黃繼昌 徐巧魚 張海貴等 實用機械機構圖冊 B M 人民郵電出版社 1996 13 天津大學 工業(yè)機械手設計基礎 編寫組 工業(yè)機械手設計基礎 B M 天津科學技術出版 社 1981 14 曲忠萍 國外工業(yè)機器人發(fā)展態(tài)勢分析 J 機器人技術與應用 2001 02 15 徐學林 互換行與測量技術基礎 M 湖南大學出版社 2005 輪胎裝配機械手設計 28 致 謝 大學生活即將結束 在這四年 我遇到了很多朋友熱心幫助教授工作設計成功的完 成不是他們的熱情幫助和顧問的指導 教師和學生在這里都給予指導和幫助我的畢業(yè)這 表示最誠摯的謝意 首先 設計指導 感謝你緊張的工作 試圖引導時間 我們總是關心我們的進展狀 況 要求我們掌握幫助教師管理在整個設計過程中 從實際操作數(shù)據(jù)準備階段 它提供 了指導 我不僅學到了書本上的知識 更學會操作方法 并了解如何把握設計的一個關 鍵 如何準備一個合理的時間和紙張 在設計過程中畢業(yè)設計她與我們一起解決設計中 出現(xiàn)的問題 其次 給予幫助教師設計的畢業(yè)生 與我的同學以誠摯的感謝 在設計的過程中 他們給了我很多的幫助和無私的關懷 更重要的是提供多方面的技術 我們感謝他們 他沒有這些數(shù)據(jù)不完整的文件 此外 也給所有的學生我的幫助表示感謝 總之 本設計的結果是教師和學生 在一個月內 我們合作的非常愉快 教會我很 多偉大的真理 是一種資產 我的生活 我在新教師和學生對我的幫助表示感謝 輪胎裝配機械手設計 I 輪胎裝配機械手設計 摘要 機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能 用以按固定程序抓取 搬運物件或 操作工具的自動操作裝置 本文講述了輪胎裝配機械手即圓柱坐標液壓機械手設計 主要用于完成輪胎的搬運 夾持及裝配工作 首先 通過對機械手的結構及原理進行分析 在此分析基礎上提出了 設計方案 然后 對主要各主結構部件及液壓系統(tǒng)進行了設計與驗算 最后 通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了本機械手裝配圖及主要零部件圖 通過本次設計 鞏固了大學所學專業(yè)知識 如 機械原理 機械設計 材料力學 公差與互換性理論 機械制圖等 掌握了普通機械產品的設計方法并能夠熟練使用 AutoCAD 制圖軟件 對今后的工作于生活具有極大意義 關鍵字 輪胎 機械手 圓柱坐標 液壓系統(tǒng) 輪胎裝配機械手設計 II Tire assembly manipulator design Abstract Robot hand is able to imitate the human hand and arm of some action functions with a fixed program to grab handling objects or operating tools of the automatic operation This paper describes the design of the cylinder coordinate hydraulic manipulator which is mainly used for the carrying and assembling of the tire First by the manipulator s structure and principle were analyzed in this study Based on the design scheme is presented then mainly the main structure parts and hydraulic system were design and checking calculation Finally through the AutoCAD drawing software drawn the manipulator assembly drawing and the main parts of the map Through the design the consolidation of the University of the professional knowledge such as mechanical principles mechanical design mechanics of materials tolerance and interchangeability theories mechanical drawing master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software for the future work in life is of great significance Keywords Tire Manipulator Cylindrical coordinates Hydraulic system 輪胎裝配機械手設計 III 目 錄 第一章 緒論 1 1 1 研究背景及意義 1 1 2 國內外發(fā)展狀況 1 第二章 總體方案設計 3 2 1 設計要求 3 2 1 1 動作要求 3 2 1 2 參數(shù)要求 3 2 2 方案擬定 3 2 2 1 方案分析 3 2 2 2 擬定方案 5 第三章 手臂部分設計 6 3 1 臂部整體設計 6 3 2 手臂伸縮驅動力計算 6 3 2 1 手臂摩擦力的計算 6 3 2 2 手臂密封處的摩擦阻力的計算 7 3 2 3 手臂慣性力的計算 7 3 3 手臂伸縮油缸的設計 8 3 3 1 確定液壓缸的結構尺寸 8 3 3 2 液壓缸外徑的設計 9 3 3 3 活塞桿的設計校核 9 3 3 4 油缸端蓋的設計 10 第四章 機身部分設計 12 4 1 機身的整體設計 12 4 2 回轉機構的設計 12 4 2 1 回轉缸驅動力矩的計算 12 4 2 2 回轉缸尺寸參數(shù)的確定 13 4 3 機身升降機構的設計 15 4 3 1 手臂重力矩的計算 15 4 3 2 升降油缸驅動力的計算 15 4 3 3 升降缸尺寸參數(shù)的確定 16 第五章 搬運手爪及裝配機構設計 18 5 1 搬運手爪的設計 18 輪胎裝配機械手設計 IV 5 2 裝配機構的設計 19 第六章 液壓系統(tǒng)設計 20 6 1 方案擬定 20 6 1 1 制定調速方案 20 6 1 2 制定壓力控制方案 20 6 1 3 選擇液壓動力源 20 6 1 4 繪制液壓系統(tǒng)圖 20 6 3 液壓元件的計算和選擇 21 6 3 1 液壓泵 21 6 3 2 確定油箱容量 22 6 3 3 液壓元件的選擇 22 6 2 液壓系統(tǒng)性能驗算 22 6 2 1 壓力損失驗算 22 6 2 2 發(fā)熱溫升驗算 23 總 結 25 參考文獻 26 致 謝 27 輪胎裝配機械手設計 1 第一章 緒論 1 1 研究背景及意義 機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備 我國的工業(yè)機械手是從 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 已經(jīng)基本掌握了機械手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 生產了部分機器人關鍵元器件 開發(fā)出噴漆 孤焊 點焊 裝配 搬 運等機器人 其中有 130 多臺噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產線 站 上獲得規(guī)模應用 孤焊機器人已經(jīng)應用在汽車制造廠的焊裝線上 但總的看來 我國的 工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定距離 本文講述了輪胎裝配機械手即液壓機械手設計 主要作用是完成輪胎的搬運夾持及 裝配工作 隨著工業(yè)自動化程度的提高 機械手的應用領域越來越廣 機械手能模擬人 的手臂的部分動作 按預定的程序 軌跡及其它要求 實現(xiàn)抓取 搬運工件或操縱工具 機械手可以代替很多重復性的體力勞動 從而減輕工人的勞動強度 提高生產效率 1 2 國內外發(fā)展狀況 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 它的結構是 機體上安裝一個回轉長臂 頂部裝有電磁塊的工件抓放機構 控制系統(tǒng)是 示教形的 1962 年 美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(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)仿照坦克炮塔 臂可以回轉 俯仰 伸縮 用液壓驅動 控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置 不少球坐標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 專門生產工業(yè)機械手 1962 年美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手 該機械手的中央立 柱可以回轉 升降采用液壓驅動控制系統(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 Vicarm 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) 定位誤差小于 1 毫米 聯(lián)邦德國機械制造業(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) 聯(lián)邦德國 KnKa 公司還生產一種點焊機械手 采用關節(jié)式結構和程序控制 日本是工 業(yè)機械手發(fā)展最快 應用最多的國家 自 1969 年從美國引進兩種機械手后大力從事機械 輪胎裝配機械手設計 2 手的研究 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手 至 1977 年底 其中一半是國產 一 半是進口 目前 工業(yè)機械手大部分還屬于第一代 主要依靠工人進行控制 改進的方向主要 是降低成本和提高精度 第二代機械手正在加緊研制 它設有微型電子計算控制系統(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 是機械手具有感覺機能 第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務 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 和柔性制造單元 FMC 中 的重要一環(huán) 一般概況國內機械行業(yè)應用的機械手絕大部分為專用機械手 附屬于某一設備 其 工作程序是固定的 通用機械手也有發(fā)展 目前應用的都是開關式點位控制型 伺服型 已試制出數(shù)臺在調試中 連續(xù)軌跡控制型還沒有 控制方式 有觸點固定程序控制占絕 大多數(shù) 專用機械手多采用這種控制 輪胎裝配機械手設計 3 第二章 總體方案設計 2 1 設計要求 2 1 1 動作要求 裝配機器人分為搬運和裝配兩個動作 實現(xiàn)夾住輪胎然后搬運過來 然后定位 定 位之后由裝配的機構擰螺絲實現(xiàn)裝配動作 1 可以設計成一體式 即搬運的機構和裝配的機構在一個圓柱坐標機器人完成 也可以設計成雙臂式 即搬運和裝配部分在兩個圓柱坐標機器人上分別完成動作 2 裝配機器人擰螺絲過程為 對角依次固定 一般汽車輪胎上有五個固定螺絲 成對角狀態(tài)擰螺絲才能保證輪胎的緊固 2 1 2 參數(shù)要求 1 輪胎直徑 300 450mm 2 主臂回轉角度 0 280 3 主臂回轉轉速 0 16 r min 4 機器人直線移動速度 0 0 5m s 5 機器人自由度 5 2 2 方案擬定 2 2 1 方案分析 裝配機器人分為搬運和裝配兩個動作 實現(xiàn)夾住輪胎然后搬運過來 然后定位 定 位之后由裝配的機構擰螺絲實現(xiàn)裝配動作 機械手主要有以下類型 1 直角坐標型 直角坐標型機器人的結構是最簡單的 如圖 2 1 臂部由三個相互正交的移動副組成 沿 X Y Z 三個坐標軸的方向作直線移動 它具有操作簡便的優(yōu)點 被用于零部件的移 送 簡單的插入 旋擰等作業(yè) 但所占空間較大 工作范圍相對較小 圖 2 1 直角坐標型 輪胎裝配機械手設計 4 2 圓柱坐標型 圓柱坐標型機器人的結構也比較簡單 如圖 2 2 臂部由一個轉動副和兩個移動副組 成 工作范圍為圓柱形狀的 其特點是位置精度高 運動直觀 控制簡單 結構簡單 占地面積小 廉價 因此應用廣泛 圖 2 2 圓柱坐標型 3 垂直多關節(jié)型 垂直多關節(jié)型機器人是根據(jù)人的上肢而設計的 如圖 2 3 它前三個轉動關節(jié) 腰關 節(jié)繞 Z 軸轉動 臂的兩個關節(jié)繞平行于 Y 軸的兩軸線轉動 它利用順序的三個圓弧運動 來改變手的空間位置 關節(jié)型機器人以臂部各相鄰部件的相對角位移為運動坐標 結構 緊湊 操作靈活性最好 所占空間小 運動速度較高 操作范圍大 能在狹窄空間內饒 過各種障礙物 但其精度受手臂姿勢的影響 實現(xiàn)高精度運動有一定的困難 圖 2 3 圓柱坐標型 4 平面關節(jié)型 平面關節(jié)型裝配機器人目前在裝配生產線上應用的數(shù)量最多 它是一種精密型裝配 機器人 具有速度快 精度高 柔性好等特點 如圖 2 4 圖 2 4 平面關節(jié)型 輪胎裝配機械手設計 5 5 極坐標型 極坐標型機器人利用兩個轉動和一個移動來改變手的空間位置 如圖 1 4 產生沿手 臂軸 X 的直線移動 繞基座軸 Y 的轉動和繞關節(jié)軸 Z 的擺動 其手臂可作繞 Z 軸的俯仰 運動能抓取地面上的物體 這種機器人的特點是結構緊湊 所占空間小 運動靈活 并 能擴大機器人的工作空間 但旋轉關節(jié)反映在末端執(zhí)行器上的線位移分辨率是一個變量 精度難以保證 圖 2 5 極坐標型 2 2 2 擬定方案 根據(jù)上面幾種機器人結構特點比較 由于圓柱坐標型機械臂動作靈活 所占空間小 工作范圍大 能在狹窄空間內饒過各種障礙物的特性 綜合以上決定采用 2 圓柱坐標 型裝配機器人 其結構簡圖如圖 2 6 所示 圖2 6 輪胎裝配機械手結構簡圖 輪胎裝配機械手設計 6 第三章 手臂部分設計 3 1 臂部整體設計 手臂部件是機械手的主要執(zhí)行部件 它的作用是支承腕部和手部 包括工作 并 帶動它們作空間轉動 考慮到本次設計的機械手夾持輪胎 抓取重量較小 因此本設計選擇油缸桿伸縮機 構 其手臂的伸縮油缸活塞桿安裝在導向套內 減小油缸桿的彎曲應力 活塞桿受拉壓 和彎曲載荷共同作用 受力簡單 傳動平穩(wěn) 外形整齊美觀 結構緊湊 使用液壓驅動 液壓缸選取雙作用液壓缸 其詳細結構如下圖示 圖 3 1 臂部結構 3 2 手臂伸縮驅動力計算 做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦 慣性等幾 個方面的阻力 來確定來確定液壓缸所需要的驅動力 液壓缸活塞的驅動力的計算為 FF 回摩 密 慣 3 2 1 手臂摩擦力的計算 由于油缸采用導向套導向故 0AM bGLaF總 得 bF 總 0Y 輪胎裝配機械手設計 7 baGF 總 得 a L 總 abab 摩 摩摩 2LFG 總摩 式中 參與運動的零部件所受的總重力 含工件 N G總 L 手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離 m 參考上一節(jié)的計算 a 導向支撐的長度 m 當量摩擦系數(shù) 其值與導向支撐的截面有關 對于圓柱面 57 1 2 4 摩擦系數(shù) 對于靜摩擦且無潤滑時 鋼對青銅 取 5 01 鋼對鑄鐵 取 3 8 計算 油缸桿的材料選擇鋼 導向套支撐選擇鋼 預估 3051 2 已知 L 800mm 導向支撐 a 設計為 200mmN60 總G 將有關數(shù)據(jù)代入進行計算 600 1260N aLF2 總摩 206 3 3 2 2 手臂密封處的摩擦阻力的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同 在手臂設計中 采用 O 型密封圈 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 0 03F 封F 3 2 3 手臂慣性力的計算 0 1慣FtvG 總 式中 參與運動的零件的總重力 包括工件 N 總 從靜止加速到工作速度的變化量 m s v 啟動時間 s 一般取 0 01 0 5 t 設啟動時間為 0 2s 最大為 0 233m s 則 v 0 1 69 9N慣F 2036 輪胎裝配機械手設計 8 由于背壓阻力較小 可取 0 05回F 所以 1260 69 9 0 03F 0 05FF摩 慣 封 回 求得 1446N 所以手臂伸縮驅動力為 1446N 3 3 手臂伸縮油缸的設計 表 3 1 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外 力 F N 液壓缸工作壓 力 Mpa 作用在活塞上外 力 F N 液壓缸工作壓 力 Mpa 小于 5000 0 8 1 20000 30000 2 0 4 0 5000 10000 1 5 2 0 30000 50000 4 0 5 0 10000 20000 2 5 3 0 50000 以上 5 0 8 0 經(jīng)過上面的計算 確定了液壓缸的驅動力 F 4378N 根據(jù)表 3 1 選擇液壓缸的工作壓 力 P 1MPa 3 3 1 確定液壓缸的結構尺寸 液壓缸內徑的計算 如圖 3 2 所示 圖 3 2 雙作用液壓缸示意圖 當油進入無桿腔 421DPF 當油進入有桿腔 212d 液壓缸的有效面積 mm 1PS 2 所以 無桿腔 113 4D 有桿腔 214dP 輪胎裝配機械手設計 9 式中 活塞驅動力 P P 油缸的工作壓力 MPa 1p 活塞桿直徑 d 油缸機械效率 工程機械中用耐油橡膠可取 0 96 由上節(jié)求得驅動力 F 1446N 1MPa 機械效率 0 961p 將數(shù)據(jù)代入得 43 8mm 113 4PD60 943 根據(jù)表 4 1 JB826 66 選擇標準液壓缸內徑系列 選擇 D 50mm 3 3 2 液壓缸外徑的設計 外徑按中等壁厚設計 根據(jù) JB1068 67 取油缸外徑外徑選擇 76mm 3 3 3 活塞桿的設計校核 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 mm pd4 設計中取活塞桿材料為碳鋼 碳鋼許用應力的 100 120Mpa 本次取 110 則 4 1mm6104 3 d 考慮到手部夾緊油缸需內置于該活塞桿 而前述已算得手部夾緊油缸外徑為 36mm 所以活塞直徑按下表取 d 36mm 滿足強度和裝配要求 表 3 2 活塞桿直徑系列 GB T2348 93 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 現(xiàn)在進行穩(wěn)定性校核 其穩(wěn)定性條件為 knp 式中 臨界力 N kp 安全系數(shù) 2 4 nkn 按中長桿進行穩(wěn)定性校核 其臨界力 F kp ba 式中 F 活塞桿截面面積 mm 2 a b 常數(shù) 與材料性質有關 碳鋼 a 461 b 2 47 柔度系數(shù) 經(jīng)計算為 70 輪胎裝配機械手設計 10 代入數(shù)據(jù) 臨界力 F 3 14 90463 4MPakp ba 70 426102 取 3 30154 47 MPaknkn 4378 所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求 3 3 4 油缸端蓋的設計 為保證連接的緊密性 螺釘間距 t 應適當 如圖 4 2 在這種聯(lián)結中 每個螺釘在1 危險剖面上承受的拉力 為工作載荷 和剩余預緊力 之和0QSQ 0QS 式中 工作載荷 Z pDP42 螺釘中心所在圓的直徑 0D P 驅動力 Z 螺釘數(shù)目 Z 1 0tD 剩余預緊力 KQ K 1 5 1 8 SQ SQ 計算 D 76mm 取 90mm P 1MPa 間距與工作壓強有關 見表 4 3 間距應小于0 150mm 試選螺釘數(shù)為 6 個 表 3 3 螺釘間距 t 與壓力 P 之間的關系 工作壓力 P Mpa 螺釘?shù)拈g距 t mm 0 5 1 5 小于 150 1 5 2 5 小于 120 2 5 5 0 小于 100 5 0 10 0 小于 80 則 Z 代入數(shù)據(jù) 46 150 滿足要求 10tD 1t 838N QZpDP42 選擇 K 1 5 1 5 1255N S 837 1257 2095N0Q 螺釘直徑按強度條件計算 輪胎裝配機械手設計 11 1d lJQ 4 式中 計算載荷 1 3 JQJ0 許用抗拉應力 l lns 螺釘材料的屈服點 材料選擇 45 鋼 則屈服強度為 352MPa s n 安全系數(shù) n 1 2 2 5 此處取 n 2 螺紋內徑 d 1 224S d 為螺釘公稱直徑 S 為螺距 1d1 計算 1 3 1 3 2095 2723 5NJQ0 代入數(shù)據(jù) 0 0045m1d l 4 sn6103524 7 輪胎裝配機械手設計 12 第四章 機身部分設計 4 1 機身的整體設計 按照設計要求 機械手要實現(xiàn)手臂 280 的回轉運動 實現(xiàn)手臂的回轉運動機構一般 設計在機身處 同時機身承載著升降運動 綜合考慮 本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構 本設計機身包括兩個運動 機身的回轉和升降 如圖 4 1 所示 回轉機構置于升降缸之上的機身結構 手臂部件與回 轉缸的上端蓋連接 回轉缸的動片與缸體連接 由缸體帶動手臂回轉運動 回轉缸的轉 軸與升降缸的活塞桿是一體的 活塞桿采用空心 內裝一花鍵套與花鍵軸配合 活塞升 降由花鍵軸導向 具體結構見下圖 圖 4 1 機身結構示意圖 4 2 回轉機構的設計 4 2 1 回轉缸驅動力矩的計算 手臂回轉缸驅動力矩 的計算公式為 驅M N m 驅 慣 回 封 輪胎裝配機械手設計 13 慣性力矩 慣M0Jt 式中 臂部回轉部件 包括工件 對回轉軸線的轉動慣量 kg m 0J 2 回轉缸動片角速度變化量 在啟動過程 rad s 啟動過程的時間 s t 若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為 前面計算得 800mm 則 2c0gGJ 式中 回轉零件的重心的轉動慣量 cJ cJ 3 122Rlm 回轉部件可以等效為一個長 600mm 直徑為 1000mm 的圓柱體 質量為 100Kg 設置 起動角速度 70 s 則起動角速度 1 22 起動時間設計為 0 5s rads 28 kg mcJ 3 122Rlm 36 0 12 2 28 93 3kg m2c0 gG 2 892 93 3 227 6 慣M0Jt 50 mN 為了簡便計算 密封處的摩擦阻力矩 由于回油背差一般非常的小 驅封 M3 0 故在這里忽略不計 0回 所以 227 6 0 0 03驅 驅 234 6驅 mN 4 2 2 回轉缸尺寸參數(shù)的確定 1 回轉缸油腔內徑 D 計算公式為 23810dbpM 驅 式中 P 回轉油缸的工作壓力 d 輸出軸與動片連接處的直徑 初步設計按 D d 1 5 2 5 b 動片寬度 可按 2b D d 2 選取 選定回轉缸的動片寬 b 50mm 工作壓力為 5MPa d 50mm 94 9mm23506 4810 D 按標準油缸內徑選取內徑為 100mm 2 油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎?輪胎裝配機械手設計 14 回轉缸的工作壓力為 5Mpa 所以螺釘間距 t 應小于 80mm 螺釘數(shù)目 Z 3 14 3 93tD 801 所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇 6 個 危險截面 0 00589 2rRS 45 22 2m 所以 4906 3NQFZP 4906 3 1 5 7359 4N K 1 5 KFQS 所以 7359 4 4906 3 12265 7NQ 螺釘材料選擇 Q235 則 n 1 2 2 5 2401 sn MPa 螺釘?shù)闹睆?d 10mm Q3F 螺釘?shù)闹睆竭x擇 d 10mm 選擇 M10 的內六角圓頭螺釘 經(jīng)過以上的計算 最終確定的液壓缸的尺寸 內徑為 100mm 外徑按中等壁厚設計 根據(jù)表 4 2 JB1068 67 取外徑選擇 168mm 輸出軸徑為 50mm 圖 4 2 回轉缸的截面圖 3 動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎?根據(jù)動片所受力矩的平衡條件有 驅M摩 即 24QbpFDdZf 式中 每個螺釘預緊力 D 動片的外徑 f 被連接件配合面間的摩擦系數(shù) 鋼對鋼取 f 0 15 輪胎裝配機械手設計 15 螺釘?shù)膹姸葪l件為 21 34QFd 合 或 1Qd 帶入有關數(shù)據(jù) 得 10416 7NQF 42dDZfbp 05 015 64226 螺釘材料選擇 Q235 則 n 1 2 2 5 4 sn MPa 螺釘?shù)闹睆?d 9 3mm Q 3F 螺釘?shù)闹睆竭x擇 d 10mm 選擇 M10 的內六角圓頭螺釘 4 3 機身升降機構的設計 4 3 1 手臂重力矩的計算 1 估算重量 150N 150N 500N工 件G爪 臂G 2 計算零件的重心位置 求出重心到回轉軸線的距離 800mm 760mm 400mm 工 件 爪 臂 由于 總 i iGX 所以 0 5425m總 臂臂爪爪工 件工 件 GX 3 計算偏重力矩 MG 總偏 434總偏 mN 4 3 2 升降油缸驅動力的計算 FF 回慣 摩 密 輪胎裝配機械手設計 16 式中 摩擦阻力 取 f 0 16 F摩 12Ff 摩 G 零件及工件所受的總重 1 的計算慣 GvFgt 總慣 設定速度為 V 0 6m s 起動或制動的時間差 t 0 1s 為 800N 總 將數(shù)據(jù)帶入上面公式有 489 8N 1 0896F慣 2 的計算摩F f12摩 2500NhGF 總 1 736 0458 所以 2 2500 0 16 800Nf12F 摩 3 液壓缸在這里選擇 O 型密封 所以密封摩擦力可以通過近似估算 F3 0 密 4 由于背壓阻力較小 為簡便計算 可將其忽略 0回F 所以 F 489 8 800 0 03F 80 當液壓缸向上驅動時 F 2105N 當液壓缸向下驅動時 F 505N 4 3 3 升降缸尺寸參數(shù)的確定 1 液壓缸內徑的計算 液壓缸驅動力按上升時計算 F 2105N 由表 5 1 選擇油缸工作壓力為 1 0MPa 計 算如 5 4 節(jié)公式 代入數(shù)據(jù) 0 1029 113 4PD610 9253 根據(jù)表 4 1 可選取液壓缸內徑 D 125mm 2 液壓缸外徑的計算 按厚壁計算 3 2 13 402PD 式中 缸體材料的許用應力 無縫鋼管時 100 110MPa 根據(jù)表 4 2 JB1068 67 取外徑選擇 180mm 輪胎裝配機械手設計 17 3 活塞桿的計算 設計中取活塞桿材料為碳鋼 碳鋼許用應力的 100 120Mpa 本次取 110 則 4 94mm 6104 325 Pd 活塞桿直徑應大于 8 5mm 4 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?D 120mm 取 180mm P 1 0MPa 間距與工作壓強有關 見表 4 3 間距應小0D 于 120mm 試選螺釘數(shù)為 6 個 則 Z 代入數(shù)據(jù) 84 120 滿足要求 10t 1t 1962 5N QZpDP42 選擇 K 1 5 1 5 2943 75N 1962 5 2943 75 4907NS 0QS 螺釘直徑按強度條件計算 1d lJ 式中 計算載荷 1 3 JQJ0 許用抗拉應力 l ln s 螺釘材料的屈服點 材料選擇 45 鋼 則屈服強度為 352MPa s n 安全系數(shù) n 1 2 2 5 此處取 n 2 螺紋內徑 d 1 224S d 為螺釘公稱直徑 S 為螺距 1d1 計算 1 3 1 3 4907 6379 1NJQ0 代入數(shù)據(jù) 0 0068m1d lJ 4 snJQ6103524 79 輪胎裝配機械手設計 18 第五章 搬運手爪及裝配機構設計 5 1 搬運手爪的設計 裝配機器人分為搬運和裝配兩個動作 實現(xiàn)夾住輪胎然后搬運過來 然后定位 這 些動作均需要搬運手爪實現(xiàn) 另外參數(shù)要求搬運的輪胎直徑 300 450mm 如下圖通過 CAD 法匹配分析最小直徑輪胎與最大直徑輪胎時所需手爪的結構 圖 5 1 搬運手爪結構分析 通過上述分析得到搬運手爪的詳細結構尺寸如下圖示 圖 5 2 搬運手爪結構尺寸 輪胎裝配機械手設計 19 5 2 裝配機構的設計 設計要求輪帶放到位后由裝配機構擰螺絲實現(xiàn)裝配動作 裝配機器人擰螺絲過程為 對角依次固定 一般汽車輪胎上有五個固定螺絲 成對角狀態(tài)擰螺絲才能保證輪胎的緊 固 在機械手設計中通常擰螺絲的裝配機構有現(xiàn)成的電動扳手 只需選型后搭配到機械 手上即可 由于本處要求成對角狀態(tài)擰螺絲故選用如下帶成對角套筒的電動扳手 同時為了保證機械手在搬運爪把輪胎搬運到車輪軸上是精確定位在電動扳手上設置 一傳感器 1 該傳感器為位置傳感器 可以感應車輪軸的中心位置 而為了保證電動扳手套筒能精確套入待擰緊的螺帽 在電動扳手上設置一傳感器 2 該傳感器也是位置傳感器 可以感應螺桿的中心位置 在擰完一顆螺帽后套筒移除 電 動扳手旋轉電機旋轉 兩個套筒在傳感器 2 作用下找到下一對對角螺栓進行擰緊 如此 循環(huán) 3 次及可完成輪胎螺栓的擰緊工作 圖 5 3 裝配機構結構 輪胎裝配機械手設計 20 第六章 液壓系統(tǒng)設計 6 1 方案擬定 6 1 1 制定調速方案 節(jié)流調速一般采用定量泵供油 用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量 來調節(jié)速度 此種調速方式結構簡單 但效率低 發(fā)熱量大 多用于功率不大的場合 容積調速是靠改變液壓泵或液壓馬達的排量來達到調速的目的 其優(yōu)點是沒有溢流 損失和節(jié)流損失 效率較高 但需要有輔助泵 此種調速方式適用于功率大 運動速度 高的液壓系統(tǒng) 容積節(jié)流調速一般是用變量泵供油 用流量控制閥調節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的 流量 并使其供油量與需油量相適應 此種調速回路效率也較高 速度穩(wěn)定性較好 但 其結構比較復雜 綜合考慮本次采用節(jié)流調速 6 1 2 制定壓力控制方案 液壓執(zhí)行元件工作時 要求系統(tǒng)保持一定的工作壓力或在一定壓力范圍內工作 也 有的需要多級或無級連續(xù)地調節(jié)壓力 一般在節(jié)流調速系統(tǒng)中 通常由定量泵供油 用 溢流閥調節(jié)所需壓力 并保持恒定 在容積調速系統(tǒng)中 用變量泵供油 用安全閥起安 全保護作用 在有些液壓系統(tǒng)中 有時需要流量不大的高壓油 這時可考慮用增壓回路得到高壓 而不用單設高壓泵 液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中 某段時間不需要供油 而又不便停泵 的情況下 需考慮選擇卸荷回路 在系統(tǒng)的某個局部 工作壓力需低于主油源壓力時 要考慮采用減壓回路來獲得所 需的工作壓力 6 1 3 選擇液壓動力源 液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供 液壓源的核心是液壓泵 節(jié)流調速系統(tǒng) 一般用定量泵供油 在無其他輔助油源的情況下 液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量 多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱 溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用 容積調速系 統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油 用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力 6 1 4 繪制液壓系統(tǒng)圖 液壓系統(tǒng)圖由擬定好的控制回路及液壓源組合而成 各回路相互組合時要去掉重復 多余的元件 力求系統(tǒng)結構簡單 注意各元件間的聯(lián)鎖關系 避免誤動作發(fā)生 要盡量 減少能量損失環(huán)節(jié) 提高系統(tǒng)的工作效率 輪胎裝配機械手設計 21 為便于液壓系統(tǒng)的維護和監(jiān)測 在系統(tǒng)中的主要路段要裝設必要的檢測元件 如壓 力表 溫度計等 圖 6 1 液壓系統(tǒng)原理圖 6 2 液壓元件的計算和選擇 6 2 1 液壓泵 工作壓力 P P 5 MPa 估算 0 5MPaMAX3P 所以 P 5 0 5 5 5MPa泵 流量 29 44L min 取 K 1 1QAX 所以 Q K20 24 32 4L min泵 規(guī)格 根據(jù) 液壓設計手冊單行本 P152 表 20 5 6 選擇齒輪泵 CB40 n 1460r min Q 40L min P 6MPa額 額 輪胎裝配機械手設計 22 電機選用 取泵的總效率 0 85 則 N 4 7kw 60P額額 Q 選電機 Y132M 4 N 5 5kw n 1460r min 6 2 2 確定油箱容量 V 100L總 6 2 3 液壓元件的選擇 表 6 1 液壓元件一覽表 序號 元件名稱 規(guī)格 數(shù)量 1 線隙式過濾器 2 5MPa 100L min 1 2 電動機 5 5kw 1460r min 1 3 齒輪泵 5MPa 1450r min 1 4 溢流閥 2 5MPa 12 1 5 電磁換向閥 6 3MPa 12 1 6 單向閥 6 3MPa 12 1 7 壓力表 0 8 MPa 1 8 14 節(jié)流閥 6 3MPa 12 2 9 15 20 21 25 26 30 節(jié)流閥 6 3MPa 8 7 10 16 電磁換向閥 6 3MPa 12 2 11 17 電磁換向閥 6 3MPa 12 2 12 18 單向順序閥 2 5MPa 12 2 22 27 電磁換向閥 6 3MPa 8 2 23 28 電磁換向閥 6 3MPa 8 2 31 電磁換向閥 6 3MPa 8 1 33 壓力繼電器 1 6 3 MPa 1 34 減壓閥 6 3MPa 8 1 35 壓力表開關 6 3MPa 4 1 注 表中元件的序號與液壓系統(tǒng)原理圖中的序號相對應 6 3 液壓系統(tǒng)性能驗算 6 3 1 壓力損失驗算 1 沿程壓力損失 沿程壓力損失 主要是注射缸快速注射時進油管路的壓力損失 此管路長 5m 管 內徑 0 032m 快速時通過流量 2 7L s 選用 20 號機械系統(tǒng)損耗油 正常運轉后油的運動 粘度 27mm2 s 油的密度 918kg m3 輪胎裝配機械手設計 23 油在管路中的實際流速為 smdqv 36 02 1742 09836 Re 油在管路中呈紊流流動狀態(tài) 其沿程阻力系數(shù)為 25 014eR 求得沿程壓力損失為 MPap03 2103 9819864 25 2 局部壓力損失 單向順序伺 17 的額定流量為 50L min 額定壓力損失為 0 4MPa 電液換向閥 2 的額 定流量為 190L min 額定壓力損失 0 3 MPa 單向順序閥 18 的額定流量為 150L min 額 定壓力損失 0 2 MPa 通過各閥的局部壓力損失之和為 2221 3 1506 190 43 57 50 4p MPa8 從大泵出油口到注射缸進油口要經(jīng)過單向閥 13 電液換向閥 2 和單向順序閥 18 單 向閥 13 的額定流量為 250L min 額定壓力損失為 0 2 MPa 通過各閥的局部壓力損失之和為 Pap65 023 4 0253 17 02 3 由以上計算結果可求得快速注射時 小泵到注射缸之間總的壓力損失為 p1 0 03 0 88 MPa 0 91MPa 大泵到注射缸之間總的壓力損失為 p 2 0 03 0 65 MPa 0 68MPa 由計算結果看 大小泵的實際出口壓力距泵的額定壓力還有一定的壓力裕度 所選 泵是適合的 綜合考慮各工況的需要 確定系統(tǒng)的最高工作壓力為 6 3MPa 也就是溢流閥 7 的調 定壓力 6 3 2 發(fā)熱溫升驗算 輪胎裝配機械手設計 24 1 計算發(fā)熱功率 液壓系統(tǒng)的功率損失全部轉化為熱量 發(fā)熱功率計算如下 Phr P r P c 對本系統(tǒng)來說 Pr 是整個工作循環(huán)中雙泵的平均輸入功率 ziPitrtqpT1 系統(tǒng)總輸出功率 求系統(tǒng)的輸出有效功率 nimjjWjitc tsFP11 由前面給定參數(shù)及計算結果可知 合模缸的外載荷為 90kN 行程 0 35m 注射缸的 外載荷為 192kN 行程 0 2m 預塑螺桿有效功率 5kW 工作時間 15s 開模時外載荷近 同合模 行程也相同 注射機輸出有效功率主要是以上這些 kPc 3 1502 109 35014 5 35 總的發(fā)熱功率為 Phr 5 3 3 kW 2 3kW 2 計算散熱功率 前面初步求得油箱的有效容積為 1m3 按 V 0 8abh 求得油箱各邊之積 a b h 1 0 8m3 1 25m3 取 a 為 1 25m b h 分別為 1m 求得油箱散熱面積為 At 1 8h a b 1 5ab 1 8 l 1 25 1 1 5 1 25 m2 5 9m2 油箱的散熱功率為 Phc K1At T 式中 K1 油箱散熱系數(shù) 查表 5 1 K1 取 16W m2 T 油溫與環(huán)境溫度之差 取 T 35 Phc 16 5 9 35kW 3 3kW Phr 2 3kW 由此可見 油箱的散熱能滿足系統(tǒng)散熱的要求 輪胎裝配機械手設計 25 總 結 畢業(yè)設計是大學學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的學習機會 通過這次 對圓柱齒輪減速器理論知識和實際設計的相結合 鍛煉了我的綜合運用所學專業(yè)知識 解決實際工程問題的能力 同時也提高了我查閱文獻資料 設計手冊 設計規(guī)范能力以 及其他專業(yè)知識水平 而且通過對整體的掌控 對局部的取舍 以及對細節(jié)的斟酌處理 都使我的能力得到了鍛煉 經(jīng)驗得到了豐富 并且意志品質力 抗壓能力以及耐力也都 得到了不同程度的提升 這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在 提高是有限的但卻是 全面的 正是這一次畢業(yè)設計讓我積累了許多實際經(jīng)驗 使我的頭腦更好的被知識武裝 起來 也必然讓我在未來的工作學習中表現(xiàn)出更高的應變能力 更強的溝通力和理解力 順利如期的完成本此畢業(yè)設計給了我很大的信心 讓我了解專業(yè)知識的同時也對本 專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心 但同時也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺 留下了些許遺憾 不過不足與遺憾不會給我打擊只會更好的鞭策我前行 今后我更會關注新科技新設備新 工藝的出現(xiàn) 并爭取盡快的掌握這些先進知識 更好的為祖國的四化服務 輪胎裝配機械手設計 26 參考文獻 1 郭洪紅 工業(yè)機器人技術 第二版 西安電子科技大學出版社 2013 2 孫志禮 冷興聚 魏延剛等 機械設計 M 東北大學出版社 2003 3 徐灝 機械設計手冊 M 第 5 卷 機械工業(yè)出版社 1992 4 吳宗澤 機械設計師手冊 M 機械工業(yè)出版社 2002 5 成大先 機械設計圖冊 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我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀?同學表示感謝