機(jī)械手-液壓工業(yè)抓持機(jī)械手設(shè)計
機(jī)械手-液壓工業(yè)抓持機(jī)械手設(shè)計,機(jī)械手,液壓,工業(yè),設(shè)計
1 緒論1.1機(jī)器人的定義 工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動化發(fā)展的一個重要分支,作為多學(xué)科融合的邊沿科學(xué),機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今高技術(shù)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)、微電子技術(shù)、液壓技術(shù)、控制理論、計算機(jī)技術(shù)、人工智能的研究取得突破性進(jìn)展,必將對機(jī)器人技術(shù)的研究及應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,特別是生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)在感覺及大腦神經(jīng)研究所取得的重大成果,為未來高度智能化機(jī)器人的誕生打下了堅實的基礎(chǔ)。由于機(jī)器人科學(xué)的發(fā)展十分迅速,世界上對機(jī)器人還沒有一個明晰、統(tǒng)一的定義。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義:機(jī)器人是一種可以反復(fù)編程和多功能的用來搬運材料、零件、工具的操作機(jī)或為了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變和可編程的動作的專門系統(tǒng)(A reprogrammable and multifunctional manipulator,devised for the transport of masterials,parts,tools or specialized Systems,with varied and programmed movements,with the aim of carring out varied tasks )。 隨著我國在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)上研究的不斷進(jìn)展,很多專家也建議建立自己的機(jī)器人定義,我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643-90將工業(yè)機(jī)器人定義為“一種能自動定位控制,可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運材料、零件或操持工具,用于完成各種任務(wù)作業(yè)”。1.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展簡史及趨勢50年代,機(jī)器人技術(shù)開始萌芽,并隨計算機(jī)技術(shù)及數(shù)控技術(shù)的研究進(jìn)展而迅速發(fā)展起來。1949年,美國空軍研制新型軍用飛機(jī),它把成熟的伺服技術(shù)與當(dāng)時新近發(fā)展起來的數(shù)字計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來,麻省理工學(xué)院(MIT)輻射實驗室于1953年研制出這樣的機(jī)器。1954年美國人(George C.Devol)申請了第一個機(jī)器人技術(shù)方面的專利“程序控制物料傳送裝置”,根據(jù)這一專利,1959年第一次成功地研制出采用數(shù)字控制程序自動化裝置的原型機(jī)。世界上第一臺實用的工業(yè)機(jī)器人是美國Unimation公司研制成功的Unimate機(jī)器人,人們普遍把Unimate機(jī)器人看成是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的鼻祖。 到了90年代后期,隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外,各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長足的進(jìn)展。我國的機(jī)器人研究相對開始較晚。先后經(jīng)歷了上世紀(jì)70年代的萌芽期,80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。1972年我國開始研制工業(yè)機(jī)器人。進(jìn)入80年代,我國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展得到了國家和政府的重視與支持?!捌呶濉逼陂g,國家著重進(jìn)行了工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)元件、幾類工業(yè)機(jī)器人整機(jī)與應(yīng)用工程的開發(fā)研究。經(jīng)過五年的攻關(guān),完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人的成套技術(shù)開發(fā),研制出噴漆、弧焊、點焊和搬運等作業(yè)機(jī)器人,開發(fā)了幾類通用與專用控制器及幾類關(guān)鍵的元部件,并在生產(chǎn)中經(jīng)受了實際應(yīng)用的考驗。90年代是我國機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵年代。我國自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運行。國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。而在“十一五”期間,我國更強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人技術(shù)的重要性,把重點放在解決我國已研制應(yīng)用多年的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化前期關(guān)鍵技術(shù),大力推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,力爭在“十五”末期實現(xiàn)噴涂、焊接、裝配等機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化。21世紀(jì)的頭十年應(yīng)是我國工業(yè)機(jī)器人實現(xiàn)商品化、為產(chǎn)業(yè)化鋪平道路的時期,在擴(kuò)大國內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域的同時,進(jìn)一步開拓國際市場,促進(jìn)國際合作,為以后我國工業(yè)機(jī)器人的普及和騰飛打下堅實的基礎(chǔ)?,F(xiàn)在國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:(1)工業(yè)機(jī)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(jī)價格不斷下降。(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展,便于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化。(4)機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器,而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。(5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制,如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。1.3項目的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一種,它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。機(jī)械手可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化,能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全,因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手主要由手部和運動機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件的部件,根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式;運動機(jī)構(gòu)是使手部完成各種轉(zhuǎn)動、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作,改變被抓持物件的位置和姿勢。作者所研究的項目是“軸類零件二維運輸機(jī)械手”,項目來源于云南銅業(yè)股份有線公司的電鍍生產(chǎn)線改進(jìn)。根據(jù)設(shè)計要求,機(jī)械手手部采用夾持式結(jié)構(gòu),在空中能實現(xiàn)升降移動和前后移動兩個自由度,并能搬運重30kg的軸類零件。機(jī)械手最多有六個自由度,二維機(jī)械手是其中最簡單的一種,技術(shù)相對成熟。國內(nèi)外很多專家和學(xué)者都對這類機(jī)械手進(jìn)行了研究,國外發(fā)展最成熟的是日本的公司,把可重構(gòu)化的思想與機(jī)械手機(jī)構(gòu)相結(jié)合,生產(chǎn)的機(jī)械手不僅價格低,還具有相當(dāng)廣泛的適用性,易于維護(hù)和改進(jìn)。我國的機(jī)械手研究起步較晚,發(fā)展相對落后,雖然也有很多公司已經(jīng)開始生產(chǎn)這種機(jī)械產(chǎn)品,并初具規(guī)模,例如上海瓦科自動化設(shè)備有限公司、揚州市恒陽冶金科技有限公司、廣州市海同機(jī)電設(shè)備有限公司、大連四達(dá)高技術(shù)發(fā)展有限公司和上海優(yōu)樂博特自動化工程有限公司等都是專業(yè)提供各種機(jī)械手的公司,但多采用電動機(jī)來驅(qū)動和控制,使這類機(jī)械手運行不平穩(wěn)、體積大、調(diào)速不方便、造價昂貴,且只能控制單個機(jī)體的運動,不利于組裝在自動生產(chǎn)線上。而應(yīng)用在電鍍行業(yè)的機(jī)械手更是少,由于電鍍行業(yè)的特殊性,項目的復(fù)雜性,市場上不可能買到現(xiàn)成的機(jī)械手裝備,重新設(shè)計電鍍行業(yè)二維軸類零件運輸機(jī)械手生產(chǎn)線有相當(dāng)大的必要性。 目前,在電鍍行業(yè),機(jī)器設(shè)備還比較差,多為人工操作或是半自動機(jī)操作,生產(chǎn)線裝備更是比較落后,致使生產(chǎn)效率低,而且在惡劣的環(huán)境下,對工人身體不利還易出現(xiàn)危險。正是在這種條件下,以電鍍行業(yè)軸類運輸通用機(jī)械手為切入點,設(shè)計能夠在電鍍槽與電鍍槽之間、電鍍槽與上料裝置之間、電鍍槽與下料裝置之間搬運軸類零件的通用機(jī)械手,為改善此行業(yè)的生產(chǎn)效率低,工人環(huán)境危險的問題。雖然目前也有很多同類運輸機(jī)械手正在應(yīng)用中,可是最大的問題是,這些機(jī)械手為專用化設(shè)備,不僅價格高,而且適應(yīng)性不強(qiáng),有的只能適用于一種零件或只適用于一條生產(chǎn)線,且有些老式的機(jī)械手體積龐大,浪費了不少資源,這也就成了制約電鍍行業(yè)發(fā)展的瓶頸。綜上所述,機(jī)械手生產(chǎn)線作為新一代生產(chǎn)工具,能夠代替人完成人力所不及或人所不適宜的工作。隨著機(jī)械手在各個領(lǐng)域的應(yīng)用,對機(jī)械手的綜合性能提出了更高的要求,專業(yè)化更強(qiáng),實用性更高,經(jīng)濟(jì)性要求也己經(jīng)擺到了人們的面前。因此,結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、能滿足功能要求又具有一定的可靠性的工業(yè)機(jī)器人或者說功能專一的機(jī)械手需求量越來越大。1.4項目的可行性與安全性分析1.4.1項目的可行性分析 可行性研究的目的是用最小的代價在盡可能短的時間內(nèi)確定問題是否能夠解決。以下分別從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上、運行上、法律上對該系統(tǒng)可行性進(jìn)行研究。(1)從經(jīng)濟(jì)上來說,隨著技術(shù)的逐步成熟與工作效率的提高,液壓缸、行架、導(dǎo)軌、螺釘?shù)攘慵图庸こ杀镜荣M用都有所降低,原來十幾萬的系統(tǒng)成本現(xiàn)在幾萬元就能實現(xiàn),而該系統(tǒng)投入運行后能節(jié)約更多的財力,現(xiàn)在主要表現(xiàn)有以下幾個方面:第一,本系統(tǒng)的運行可以代替人工進(jìn)行許多繁雜的勞動;第二,本系統(tǒng)的運行可以節(jié)省更多的資源;第三,本系統(tǒng)的運行可以大大的提高工作人員的工作效率;第四,本系統(tǒng)的運行可以滿足大量軸類零件的電鍍,很好的適應(yīng)零件的變化。所以,本系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上是可行的。(2)從技術(shù)上來說,本系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、精度配合的知識對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,在二維繪圖軟件CAXA2007的環(huán)境下進(jìn)行開發(fā);用液壓系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟和計算方法對其液壓油缸、液壓站、集成油路進(jìn)行設(shè)計;從工藝學(xué)的角度出發(fā)對機(jī)械手中的復(fù)雜零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。綜上所述,本系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)在技術(shù)上和軟硬件設(shè)備上的條件都是滿足的,因此,它在技術(shù)上是可行的。(3)從運行上來說,本系統(tǒng)為一個軸類零件二維運輸機(jī)械手生產(chǎn)線系統(tǒng),采用液壓驅(qū)動的方式,使三個機(jī)械手同步運動完成整個電鍍的過程。機(jī)械工廠的電壓380V,能提供此系統(tǒng)所需的能量。因此,本系統(tǒng)在運行上也是可行的。(4)從法律上來說,本系統(tǒng)純?yōu)樗饺嗽O(shè)計,在開發(fā)過程中沒有涉及合同、責(zé)任等與法律相抵觸的方面。因此,本系統(tǒng)在法律上是可行的。1.4.2項目的安全性分析系統(tǒng)安全性研究的目的是該系統(tǒng)的運行不影響工人的工作生活,工廠的設(shè)備,零件的質(zhì)量以及盡量避免事故的發(fā)生。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)油缸的設(shè)計及密封方式做了很好的保護(hù),盡量避免露油、泄油事故的發(fā)生。(2)定期對油缸、油管、油口進(jìn)行檢查與清洗,避免油口或油管堵塞事故的發(fā)生。(3)整個生產(chǎn)線放置指定的區(qū)域里,外圍用黃色警戒線標(biāo)出,以免工人無意靠近造成事故的發(fā)生。(4)對機(jī)械手生產(chǎn)線進(jìn)行維修,檢查時,事先切斷電源開關(guān),防止事故的發(fā)生,提高系統(tǒng)的安全性。綜上所述,該機(jī)械手生產(chǎn)線是安全的。1.5本論文的主要研究內(nèi)容本論文選題于電鍍行業(yè)的“軸類零件二維運輸機(jī)械手設(shè)計”,并把機(jī)械手運用到自動生產(chǎn)線上。該生產(chǎn)線針對現(xiàn)在電鍍行業(yè)工作效率低、電鍍成本高、工人工作環(huán)境危險的情況而設(shè)計。主要完成機(jī)械手夾緊和松開、前后移動、上下移動的功能,實現(xiàn)把將要電鍍的軸類零件從上料機(jī)構(gòu)取下,到完成電鍍從下料機(jī)構(gòu)取出的全自動化操作,整個過程需要三個機(jī)械手同步運動,它們是生產(chǎn)線的重要組成部分,其組成環(huán)節(jié)較多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,較難協(xié)調(diào)工作。整個運動采用液壓驅(qū)動的方法,分別用三對油缸實現(xiàn)三對運動,這是本文論述的重點。而行架、上料機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)、電鍍槽的結(jié)構(gòu)相對簡單,在整個系統(tǒng)中只取到輔助作用,所以只對其進(jìn)行簡單的描述。 本論文研究的主要內(nèi)容有:(1)軸類零件二維運輸機(jī)械手的總體方案的確定。機(jī)械手采用懸掛式結(jié)構(gòu),在空間行架上運動,用液壓進(jìn)行驅(qū)動,構(gòu)建液壓站對其進(jìn)行控制。(2)機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計。手部采用連桿杠桿式結(jié)構(gòu),夾持部用鑲塊的結(jié)構(gòu)。由于是搬運軸類零件,采用兩支機(jī)械手并排設(shè)計。(3)機(jī)械手行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計。機(jī)械手要能前后運動,只有在機(jī)械手上安上滾輪和導(dǎo)軌實現(xiàn)機(jī)械手的高效的運動。(4)液壓缸的設(shè)計。機(jī)械手有三對運動,故采用三個液壓缸來滿足系統(tǒng)的需要,對每個液壓缸都需要詳細(xì)的設(shè)計。 (5)液壓站的設(shè)計。包括油箱、電動機(jī)、液壓泵、油管等的設(shè)計過程。(6)功能檢驗。檢驗機(jī)械手的各功能,并效驗使用年限和工作效率。2 機(jī)械手關(guān)鍵技術(shù)分析2.1引言 機(jī)械行業(yè)擁有悠久的歷史,是一個自古就有的行業(yè)。從古代生產(chǎn)簡單的小型工具開始,到英國工業(yè)革命時期瓦特發(fā)明蒸汽機(jī),到現(xiàn)在新型數(shù)控機(jī)床、大型機(jī)的發(fā)明,整個機(jī)械行業(yè)都在向前發(fā)展著。而工業(yè)機(jī)器人和專用機(jī)械手這個才起源于上實際70年代的應(yīng)用科學(xué),伴隨著傳動技術(shù)、液壓技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、控制工程等各種科學(xué)的交叉發(fā)展,技術(shù)逐步趨近成熟,在國民生活中發(fā)揮到越來越來的作用。這是在這些關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,機(jī)械手生產(chǎn)線才能做出正確的設(shè)計。2.2電鍍技術(shù)隨著工業(yè)化生產(chǎn)的不斷細(xì)分,新工藝新材料的不斷涌現(xiàn),在實際產(chǎn)品中得到應(yīng)用的設(shè)計效果也日新月異,電鍍是在設(shè)計中經(jīng)常要涉及到的一種工藝,對于這種工藝的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛,通過這種工藝的處理我們通常可以得到一些金屬色澤的效果,如高光,亞光等,通過這樣的處理為產(chǎn)品的設(shè)計增加一個亮點。電鍍就是利用電解的方式使金屬或合金沉積在工件表面,以形成均勻、致密、結(jié)合力良好的金屬層的過程。簡單的理解,是物理和化學(xué)的變化和結(jié)合。我們一般應(yīng)用電鍍工藝來提高工件的抗腐蝕、抗磨損的性能,或提供導(dǎo)電或絕緣性能的鍍層改變工件的電性能等。電鍍工藝要求鍍層金屬做陽極,待鍍件做陰極,鍍層金屬的鹽溶液做電解質(zhì)溶液,通直流電進(jìn)行電鍍。利用這個原理,可以鍍金、銀、銅、鋅、鎘、鎳等。也可以說,電鍍是指借助外界直流電的作用,在溶液中進(jìn)行電解反應(yīng),使導(dǎo)電體例如金屬的表面沉積上一層金屬或合金層的過程。該機(jī)械手系統(tǒng)就是應(yīng)用在電鍍銅生產(chǎn)線上,用CuSO4作電解質(zhì)溶液,要鍍的金屬軸類工件接電源負(fù)極,電源正極接純銅。通電后,陽極的Cu原子失去電子變成Cu2離子溶入電解液中,而在陰極:金屬銅以離子狀態(tài)進(jìn)入鍍液,并不斷向陰極遷移,最后在陰極上得到電子還原為金屬銅,逐漸形成金屬銅鍍層。其反應(yīng)式為:陽極: Cu - 2e Cu2 陰極: Cu2+ + 2e Cu2.3液壓技術(shù)2.3.1液壓傳動概述及其優(yōu)點一部完整的機(jī)器就是一個復(fù)雜的系統(tǒng),由動力子系統(tǒng)、傳動子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和工作機(jī)構(gòu)等組成。傳動部分是一個中間環(huán)節(jié),而液壓傳動是傳動方式的一種主要類型。液壓傳動(hydrostatic transmission)是用液體的壓力能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與傳遞。液壓系統(tǒng)主要由:動力元件(油泵)、執(zhí)行元件(油缸或液壓馬達(dá))、控制元件(各種閥)、輔助元件和工作介質(zhì)等五部分組成。近30年來,由于控制技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感檢測技術(shù)及材料科學(xué)的發(fā)展,極大的推動了液壓傳動與控制技術(shù)的發(fā)展,使其成為集傳動、控制、計算機(jī)、傳感檢測、機(jī)電液為一體化的全新的自動控制技術(shù)。液壓傳動與控制技術(shù)應(yīng)用在工程機(jī)械、礦山機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車機(jī)械、機(jī)床機(jī)械、軍事機(jī)械、海洋工程等各種行業(yè),在國民經(jīng)濟(jì)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。表現(xiàn)出液壓傳動的優(yōu)點:(1)體積小、重量輕,因此慣性力較小,當(dāng)突然過載或停車時,不會發(fā)生大的沖擊。因此,液壓傳動易于實現(xiàn)快速啟動、制動及頻繁換向,每分鐘的換向次數(shù)可達(dá)500次(左右擺動)、1000次(往復(fù)移動)。(2)能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)的自動調(diào)節(jié)牽引速度,并可實現(xiàn)大范圍的無極調(diào)速。這使得液壓傳動裝置可在極低的速度下輸出很大的力(3)換向容易,在不改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的情況下,可以較方便地實現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運動的轉(zhuǎn)換。(4)液壓裝置易于實現(xiàn)過載保護(hù)。當(dāng)液壓系統(tǒng)超過負(fù)荷(或系統(tǒng)承受液壓沖擊)時,液壓油可以經(jīng)溢流閥排回油箱,系統(tǒng)特到過載保護(hù)。(5)由于采用油液為工作介質(zhì),元件相對運動表面間能自行潤滑,磨損小,使用壽命長。(6)操縱控制簡便,自動化程度高。(7)易于設(shè)計和制造。因為液壓元件都已經(jīng)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化,使液壓系統(tǒng)的設(shè)計、制造都比較方便。2.3.2液壓傳動的基本原理液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞運動的介質(zhì),通過液壓泵把電動機(jī)(或其他動力)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的液壓能,油液輸入液壓缸后,又通過液壓缸把油液的液壓能轉(zhuǎn)變成驅(qū)動工作部件運動的機(jī)械能。液壓系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程可以簡單的用圖21來表示。 動力元件 執(zhí)行元件機(jī)械能 液壓能 機(jī)械能 控 制 元件控制與調(diào)節(jié)作用 圖21 液壓系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程在液壓系統(tǒng)中,無論電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動或其他直線運動的機(jī)械能都依靠密封容積的變化轉(zhuǎn)化為液體的壓力能,即液壓泵輸出的液壓油具有一定的壓力。而工作部件運動的速度決定于在單位時間內(nèi)通過節(jié)流閥流入液壓缸中油液的多少,因為工作部件運動時所能克服的阻力大小于液壓油的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。對液壓系統(tǒng)的控制則是通過控制和調(diào)節(jié)液壓油的壓力、流量及液壓方向來實現(xiàn)的,因此,液壓傳動和液壓控制是不可分割的。2.3.3液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟和內(nèi)容液壓系統(tǒng)的設(shè)計是整個機(jī)器設(shè)計的一部分,它的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器的用途、特點和要求,利用液壓傳動的基本原理,擬定出合理的液壓系統(tǒng)圖,再經(jīng)過必要的計算來確定液壓系統(tǒng)的參數(shù),然后按照這些參數(shù)來選用液壓元件的規(guī)格和進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟大體如下:(1)液壓系統(tǒng)的工況分析。即在開始設(shè)計液壓系統(tǒng)時,首先要對機(jī)器的工作情況進(jìn)行詳細(xì)的分析,一般要考慮下面幾個方面的問題。第一:確定該機(jī)器中哪些運動需要液壓傳動來完成。第二:確定各運動的工作順序和各執(zhí)行元件的工作循環(huán)。第三:確定液壓系統(tǒng)的主要工作性能,包括執(zhí)行元件的運動速度、調(diào)速范圍、最大行程以及運動的平穩(wěn)性要求。第四:確定各執(zhí)行元件所承受的負(fù)載及其變化范圍。(2)擬定液壓系統(tǒng)原理圖。即根據(jù)任務(wù)要求,確定采用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的型式、調(diào)速方案和速度換接方法,滿足系統(tǒng)的調(diào)壓、卸荷及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換向和安全互鎖等要求,選擇基本回路,然后將各基本回路組合成液壓系統(tǒng)原理圖。(3)液壓系統(tǒng)的計算并選擇液壓元件。液壓計算的目的是確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù),以便按照這些參數(shù)合理的選擇標(biāo)準(zhǔn)元件和設(shè)計非標(biāo)準(zhǔn)元件。具體設(shè)計計算步驟如下:第一步:計算液壓缸的主要尺寸以及所需的壓力和流量。第二步:計算液壓泵的工作壓力、流量和傳動功率。第三步:選擇液壓泵和電動機(jī)的類型和規(guī)格。第四步:選擇閥類元件和輔助元件的規(guī)格。(4)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行驗算。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,滿足設(shè)計任務(wù)的要求,對液壓系統(tǒng)的壓力損失和發(fā)熱升溫要進(jìn)行驗算。(5)繪制正式工作圖和編制技術(shù)文件。正式工作圖一般包括:液壓系統(tǒng)原理圖;非標(biāo)準(zhǔn)的液壓缸、液壓油箱圖;液壓泵、液壓閥及管路的安裝總圖。技術(shù)文件一般包括:基本件、標(biāo)準(zhǔn)件、通用件及外購件匯總表,液壓系統(tǒng)安裝和調(diào)試要求,設(shè)計說明書等。2.4機(jī)械設(shè)計技術(shù)2.4.1機(jī)械原理 “機(jī)械”是“機(jī)器”和“機(jī)構(gòu)”的總稱,機(jī)械原理正式一門以以機(jī)器和機(jī)構(gòu)為研究對象的科學(xué)。在機(jī)械原理中,我們把機(jī)器的各種問題看成是歸納成機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動學(xué)以及機(jī)器的動力學(xué)兩個方面來考慮?,F(xiàn)代機(jī)器人的研究,正是建立在此基礎(chǔ)上,在機(jī)構(gòu)學(xué)中形成了研究專題,其中以普通、特殊串聯(lián)、多環(huán)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu),步行和蛇行機(jī)器人機(jī)構(gòu)等為研究對象,包括結(jié)構(gòu)分析、運動學(xué)、動力學(xué)建模,最優(yōu)控制,參數(shù)識別等多個應(yīng)用領(lǐng)域。 用機(jī)械原理的方法,能使所分析的問題簡單化,以最快的速度,最優(yōu)的方法滿足系統(tǒng)的要求。我所設(shè)計的電鍍機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)運用連桿杠桿式機(jī)構(gòu)的原理,繪出正確的機(jī)構(gòu)簡圖,并對機(jī)械手進(jìn)行運動分析和動力分析。 2.4.2機(jī)械設(shè)計機(jī)械設(shè)計是為了滿足機(jī)器的某些特定的功能而進(jìn)行的創(chuàng)造性的過程,即用新的原理或新的概念,開發(fā)創(chuàng)新出新的產(chǎn)品。我已經(jīng)掌握了通用機(jī)械零件的設(shè)計原理、方法和機(jī)械設(shè)計的一般規(guī)律,具有選用通用機(jī)械傳動裝置和初步具有設(shè)計簡單機(jī)械的能力,具有運用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力,在此機(jī)械設(shè)計能力的基礎(chǔ)上,我的項目題目為“軸類運輸二維機(jī)械手的設(shè)計”,包括了機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、空間行架、行走機(jī)構(gòu)和液壓站的設(shè)計。整個產(chǎn)品的設(shè)計步驟如下:(1)明確設(shè)計的任務(wù)要求,把任務(wù)分解為具體的功能模塊。(2)針對具體的要求,提供可供選擇的方案,并進(jìn)行比較得出最優(yōu)的方案。(3)按照選定的方案進(jìn)行總體設(shè)計、運動學(xué)、動力學(xué)分析、零部件的工作能力和結(jié)構(gòu)分析,繪制裝配總圖。(4)根據(jù)裝配圖,結(jié)合具體的生產(chǎn)條件和零件的結(jié)構(gòu)工藝性等因素,繪制零件工作圖。(5)整理圖紙,編寫計算說明書和使用說明書。我所設(shè)計的機(jī)械手正是根據(jù)這個設(shè)計步驟進(jìn)行設(shè)計和分析的,從解讀任務(wù)要求到完成設(shè)計說明書,都以機(jī)械設(shè)計的思想和方法貫穿于始終,以機(jī)械設(shè)計手冊為重要的參考資料,完成整個機(jī)械手的設(shè)計過程。2.4.3精度設(shè)計 任何機(jī)械產(chǎn)品,都是由零部件組成的。因此,機(jī)械零部件幾何參數(shù)的精度(尺寸精度、形狀及相互位置精度、表面粗燥度等)會直接影響現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量,包括工作精度、耐用性、可靠性、效率等。這就是說,在合理設(shè)計結(jié)構(gòu)和正確選用材料的前提下,機(jī)械零部件幾何參數(shù)的精度設(shè)計是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素,是機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)。機(jī)械零部件幾何精度的任務(wù),就是根據(jù)使用要求對于經(jīng)過參數(shù)設(shè)計階段確定的機(jī)械零件的幾何參數(shù)合理的給出尺寸、形狀位置和表面粗糙度公差值,用以控制加工誤差,從而保證產(chǎn)品的各項性能要求。機(jī)械產(chǎn)品中的孔、軸結(jié)合主要有三種形式:孔、軸有相對運動,孔軸固定連接和孔、軸之間定位可拆連接。為滿足這三種配合要求,極限于配合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了配合制、標(biāo)準(zhǔn)公差系列和基本偏差系列,其基本結(jié)構(gòu)圖如圖22所示。 標(biāo)準(zhǔn)公差系列 基孔制配合配合制 基本偏差系列 基軸制配合 圖22 極限與配合的結(jié)構(gòu)在機(jī)械制造過程中,從工藝上和宏觀經(jīng)濟(jì)效益考慮,一般優(yōu)先選用基孔制。這是因為加工孔用的刀具多是定值的,選用基孔制便于減少孔用定值刀具和量具的數(shù)目。而加工軸的刀具大都不是定值的,因此,改變軸的尺寸不會增加刀具和量具的數(shù)目。軸類零件二維機(jī)械手經(jīng)過設(shè)計計算,應(yīng)用到的配合尺寸如圖23所示。序號配合零件配合代號配合制配合類別配合特征1活塞與油缸H7/g6基孔制間隙配合較小的間隙,應(yīng)用于精密的潤滑處。2活塞桿和法蘭蓋H7/g6基孔制間隙配合較小的間隙,應(yīng)用于精密的潤滑處。3內(nèi)缸套和外端蓋H7/g6基孔制間隙配合較小的間隙,應(yīng)用于精密的潤滑處。4法蘭蓋和油缸H8/g7基孔制間隙配合較小的間隙,應(yīng)用于精密的潤滑處。5開口銷的連接H8/f8基孔制間隙配合一般的間隙,用于一般轉(zhuǎn)速的動配合。6機(jī)械手部鉸鏈連接處H9/c9基孔制間隙配合較大間隙多應(yīng)用于鉸接處。7彈性聯(lián)軸器的配合H7/k6基孔制過渡配合大部分有微小的間隙,用于稍有震動的配合。圖23 機(jī)械手設(shè)計中用到的配合2.4.4工程材料 材料用來做器件、機(jī)構(gòu)或其他產(chǎn)品,材料是生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。對機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計,首先就是要對材料進(jìn)行選擇。選用材料的好壞,直接影響到整個機(jī)器的性能好壞,如果選擇的材料不適當(dāng),整個機(jī)器無法正確的制造出來,這個設(shè)計就是白費。在機(jī)械行業(yè)中,應(yīng)用得最廣的仍然是金屬材料。根據(jù)初步的估計,整個機(jī)械手生產(chǎn)線自重的70左右為鑄鐵,碳鋼占20,其余為合金鋼及少量的有色金屬塑料等。了解鋼的熱處理及各金屬材料的組織、性能關(guān)系,從工藝學(xué)的角度認(rèn)識機(jī)械產(chǎn)品是進(jìn)行設(shè)計的基本前提。再好的設(shè)計,如果在實際生產(chǎn)中無法制造出來,那么這個設(shè)計就是失敗的,正式這點,使我的整個機(jī)械手的設(shè)計立足于實際生產(chǎn)。從毛坯的材料選擇到材料的制造工藝,都為本設(shè)計提供了基本的保證。2.5計算機(jī)繪圖技術(shù)計算機(jī)繪圖是相對于手工繪圖而言的一種高效率、高質(zhì)量的繪圖技術(shù)。手工繪圖使用三角板、丁字尺、圓規(guī)等簡單工具,是一項細(xì)致、復(fù)雜和冗長的勞動。不但效率低、質(zhì)量差,而且周期長,不易于修改。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,用計算機(jī)繪圖能很好的解決手工繪圖所帶來的不便。 現(xiàn)在市場上,計算機(jī)繪圖軟件主要分三維繪圖和二維繪圖兩大類,由于現(xiàn)在三維繪圖軟件還發(fā)展的不太成熟,國內(nèi)公司主要應(yīng)用三維繪圖在外觀設(shè)計和產(chǎn)品造型方面。而我所設(shè)計的機(jī)械手處于結(jié)構(gòu)的設(shè)計,用二維繪圖軟件才能更好的表示出整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和尺寸。國內(nèi)市場比較活躍的二維繪圖軟件有:美國AutoDesk公司AutoCAD、華工開目公司的KMCAD、北航華正的CAXA、華軟公司的InteCAD。因為CAXA不僅具有繪圖方便、操作簡單、運行消耗的資源小等優(yōu)點,更因為它的種類齊全的國際標(biāo)準(zhǔn)件圖庫,靈活的剖面線設(shè)置使得越來越多的企業(yè)應(yīng)用此軟件。正是因為此原因,我說設(shè)計的機(jī)械手采用CAXA2007r1(測試版)的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行計算機(jī)繪圖。2.6本章小結(jié) 本章對機(jī)械手所采用的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計思想進(jìn)行了介紹。首先詳細(xì)說明液壓的基本原理和方法,接著分別介紹了機(jī)械設(shè)計技術(shù)和計算機(jī)繪圖技術(shù)的方法原理,并初步介紹了機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、精度設(shè)計、工程材料等方面的基礎(chǔ)知識,同時分析了CAXA繪圖的優(yōu)點及整個設(shè)計的開發(fā)環(huán)境。為下面幾章的機(jī)械手詳細(xì)設(shè)計做好了鋪墊。4 機(jī)械手系統(tǒng)總體方案設(shè)計3.1引言機(jī)器手是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,根據(jù)機(jī)械手所要完成的要求,合理的分配機(jī)械、電子、硬件、軟件各部分所承擔(dān)的任務(wù)和功能,對提高系統(tǒng)的整體性能、結(jié)構(gòu)簡化、成本降低起著舉足輕重的作用。因此,對軸類零件二維運輸機(jī)械手采用系統(tǒng)的觀點進(jìn)行整體功能分析,可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、靈活性和高可靠性系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵步驟。3.2機(jī)械手任務(wù)要求該機(jī)械手運用在電鍍生產(chǎn)線上,為了提高勞動生產(chǎn)率,加快產(chǎn)品的生產(chǎn)速度與工人工作的安全性,要求三支機(jī)械手同步運動,當(dāng)?shù)谝恢C(jī)械手把軸類零件從上料機(jī)構(gòu)搬運到電鍍槽內(nèi)時,第二支機(jī)械手負(fù)責(zé)把軸內(nèi)零件從電鍍槽搬運到清洗槽內(nèi),而第三支機(jī)械手則把零件從清洗槽搬運到下料機(jī)構(gòu)中,最后整個工序完成。三支機(jī)械手在生產(chǎn)線上要求同步運動,即機(jī)械手每次運動都要完成如下動作:下降夾緊上升平移下降松開返回機(jī)械手的設(shè)計參數(shù)與要求如下:(1)機(jī)械手能夾持軸類零件的直徑為3060mm。(2)機(jī)械手能進(jìn)行上下運輸運動,其最大行程為300mm。(3)機(jī)械手能進(jìn)行左右運輸運動,其行程為100mm1500mm。(4)工件重量30Kg,工件長度為400mm。(5)完成一次運輸時間小于20秒鐘。(6)機(jī)械手使用年限為20年。(按每年250天,每天16小時計算)3.3機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)是軸類零件二維運輸機(jī)械手最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu),是工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手生產(chǎn)線賴以實現(xiàn)各種運動的實體,機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局、類型、傳動方式以及驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計直接關(guān)系著其工作性能。專業(yè)機(jī)械手屬于工業(yè)機(jī)器人的一種,其機(jī)械結(jié)構(gòu)按坐標(biāo)形式主要有直角坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、SCARA型和關(guān)節(jié)型等。(1)直角坐標(biāo)型機(jī)器人操作臂的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高,三個關(guān)節(jié)的運動相互獨立,其間沒有禍合,不影響末端手爪的姿態(tài),不產(chǎn)生奇異狀態(tài),運動和控制都比較簡單;缺點是占地面積大,動作范圍小,操作靈活性差。(2)球坐標(biāo)機(jī)器人和圓柱坐標(biāo)機(jī)器人占地面積小,工作空間較大,在空間中的定位也比較直觀,但是它們的移動關(guān)節(jié)不容易防護(hù),極坐標(biāo)型機(jī)器人也存在移動關(guān)節(jié)不易防護(hù)的問題,它們多用于一些特殊的作業(yè)環(huán)境。(3)SCARA型機(jī)器人的主要特點是結(jié)構(gòu)輕便,響應(yīng)快,最適用于在垂直方向完成零件的裝配作業(yè)。(4)關(guān)節(jié)型機(jī)器人操作臂的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,動作靈活,在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小,工作空間大;缺點是進(jìn)行控制時計算量比較大,確定末端執(zhí)行部件的位姿不直觀。綜上所述,關(guān)節(jié)型機(jī)器人雖然運動學(xué)分析比較復(fù)雜,控制難度大,但與其它型式機(jī)器人相比操作靈活性強(qiáng),因而它的應(yīng)用日益廣泛。針對該軸類零件二維運輸機(jī)械手,為了使它具有一定的操作靈活性和較好的使用性能,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用圓柱坐標(biāo)型。整個機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計為3個自由度,將運動分解為兩部分:移動部分和操作部分。移動部分占2個自由度,包括上下移動機(jī)構(gòu)和前后移動機(jī)構(gòu),這兩個自由度相互垂直,其間無禍合,可以有效的進(jìn)行控制。操作部分有1個自由度,即為機(jī)械手夾緊和放松機(jī)構(gòu)。機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)采用連桿杠桿式結(jié)構(gòu),如圖31所示。圖31 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計3.4驅(qū)動系統(tǒng)性能分析及方案設(shè)計機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計往往要受到作業(yè)環(huán)境條件的限制,同時還要考慮價格因素的影響以及所能達(dá)到的技術(shù)水平。目前機(jī)器人的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種形式。氣動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、動作迅速,可在惡劣的環(huán)境中工作,但氣動裝置也存在噪聲問題,只適用于精度要求不高的點位系統(tǒng)中。電氣驅(qū)動系統(tǒng)具有精度高、控制準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速快等優(yōu)點,但控制較復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。而壓驅(qū)動系統(tǒng)能夠提供較大的驅(qū)動壓力和功率,具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、無級變速等特點,液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)響應(yīng)速度快,可達(dá)到較高的定位精度和剛度,常用于要求提供較大驅(qū)動力矩、對移動性能要求差的大功率機(jī)器人系統(tǒng)中。綜合考慮各種因素,這里設(shè)計的電鍍生產(chǎn)線運輸機(jī)械手系統(tǒng)運用液壓驅(qū)動,建立一個液壓站為整個生產(chǎn)線提供動力支持。液壓驅(qū)動系統(tǒng)裝配圖見設(shè)計圖紙部分第2張:電鍍自動線液壓站裝配圖。3.5傳動系統(tǒng)設(shè)計3.5.1傳動方式概述傳動裝置的作用主要是將驅(qū)動元件的動力傳遞給機(jī)器人相應(yīng)的執(zhí)行部件,以實現(xiàn)各種預(yù)定的運動。目前常用的傳動方式有:皮帶輪傳動、鏈條傳動、齒輪齒條傳動、蝸輪蝸桿傳動、行星齒輪傳動、諧波減速傳動、螺旋傳動等機(jī)械傳動方式以及液體傳動、電氣傳動等。諧波齒輪傳動具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、能獲得大的傳動比等優(yōu)點,但存在扭轉(zhuǎn)剛度較低且傳動比不能太小的缺點。行星齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的優(yōu)點是用于中等減速比傳動,但存在齒輪間隙,難以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)過程中精確位置要求,因此限制了它的廣泛應(yīng)用。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)常用于要求有大的傳動比且傳動過程中要求機(jī)構(gòu)自鎖的場合,這種方式安全性能高,但同樣存在齒側(cè)間隙,而且效率較低。皮帶輪傳動可以實現(xiàn)過載保護(hù),可是存在彈性滑動,和鏈傳動一樣使用一段時間后易松弛,傳動運轉(zhuǎn)過程中還產(chǎn)生動載荷,因此,二者常用于傳動精度要求不高的場合。滾珠絲杠傳動具有傳動效率高、摩擦阻力小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)且能夠有效消除傳動間隙,無傳動“爬行”現(xiàn)象和不自鎖等優(yōu)點,但是價格較高。相對機(jī)械傳動,液壓傳動能進(jìn)行無級調(diào)速、可在極低的速度下傳遞出很大的力、體積小、質(zhì)量輕、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點,應(yīng)用較為廣泛。3.5.2機(jī)械手移動部分傳動由于在電鍍生產(chǎn)線上,機(jī)械手移動精度要求不是很高,但需要三支機(jī)械手同步運動,要傳遞的力很大,在滿足性能的基礎(chǔ)上考慮到經(jīng)濟(jì)性要求,所以,移動機(jī)構(gòu)選用液壓傳動,由活塞液壓缸來承擔(dān)將油液壓力轉(zhuǎn)換為機(jī)械手的直線移動。由于升降移動行程較短,故采用單桿移動液壓缸就能滿足要求;而機(jī)械手的前后移動由于行程為1500mm,距離較長,故需采用液壓缸套筒的結(jié)構(gòu),液壓油先推動油缸內(nèi)缸套筒移動,當(dāng)內(nèi)缸套頂住一個凸臺后,內(nèi)缸套不動,液壓油繼續(xù)推動活塞桿移動,實現(xiàn)二級移動,即節(jié)約了液壓缸的制造成本,又節(jié)省了液壓缸的空間占位面積。機(jī)械手移動部分傳動設(shè)計,見設(shè)計圖紙第4張:機(jī)械手前后移動液壓缸;第5張:機(jī)械手升降移動液壓缸。3.5.3機(jī)械手夾持部分傳動考慮到機(jī)械手的零件為軸類零件,工件重量30Kg,工件長度為400mm,需要兩支機(jī)械手手爪均部于軸的兩側(cè),實現(xiàn)同步運動,且機(jī)械手抓起零件后,在空中運輸需要保持機(jī)械手的夾緊狀態(tài)。用液壓傳動系統(tǒng),可以直接用閥類元件控制兩支機(jī)械手手爪的同步運動并進(jìn)行夾緊,夾緊油缸要求體積小,但活塞運動速度快,保證夾緊時間小于1s。機(jī)械手夾持部分傳動設(shè)計見設(shè)計圖紙第6張:機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計。3.6機(jī)械手總裝配置 根據(jù)以上的設(shè)計方案,繪制出電鍍生產(chǎn)線運輸機(jī)械手總體配置方案如下圖所示:圖32 機(jī)械手總體配置圖整個機(jī)械手電鍍生產(chǎn)線包括上料機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)、液壓站、電鍍槽、清洗槽、機(jī)體支座、支撐柜空中行架、機(jī)械手、液壓缸等部件組成。在此機(jī)械手電鍍生產(chǎn)線上,三支機(jī)械手同步運動,當(dāng)?shù)谝恢C(jī)械手把軸類零件從上料機(jī)構(gòu)搬運到電鍍槽內(nèi)時,第二支機(jī)械手負(fù)責(zé)把軸內(nèi)零件從電鍍槽搬運到清洗槽內(nèi),而第三支機(jī)械手則把零件從清洗槽搬運到下料機(jī)構(gòu)中,實現(xiàn)三個零件同時工作,節(jié)省了人力,大大提高了工作的效率。3.7本章小結(jié) 本章主要針對電鍍生產(chǎn)線上,軸類零件二維運輸機(jī)械手的性能要求和工作特點,對機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動方式、液壓驅(qū)動以及總裝配置等問題進(jìn)行了整體分析和方案設(shè)計,確定連桿杠桿式的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式,采用液壓驅(qū)動和傳動技術(shù),用液壓缸和液壓站來構(gòu)建整個電鍍自動生產(chǎn)線,并簡單介紹了整個生產(chǎn)線的工作步驟。系統(tǒng)方案的確定為后文液壓系統(tǒng)的設(shè)計、液壓缸的設(shè)計和液壓站的設(shè)計提供了根本條件。4 機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析4.1引言 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)是整個電鍍生產(chǎn)線的重點,它是與零件直接接觸的重要部件,機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計好壞,直接影響到整個系統(tǒng)的功能要求能否滿足。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括夾持部分、行走部分、缸體部分等組成,下文將分別從這幾個方面進(jìn)行介紹。4.2機(jī)械手夾持部的力學(xué)分析 機(jī)械手采用連桿杠桿式的結(jié)構(gòu)設(shè)計,手爪內(nèi)部用鑲塊進(jìn)行連接,裝入不同大小的鑲塊,就能實現(xiàn)對不同直徑軸的夾緊,其結(jié)構(gòu)簡圖如下圖41所示:圖41 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)簡圖在此機(jī)械手中,手爪的夾緊力靠a、b、c、四個參數(shù)來設(shè)定,其力N、P的計算公式如下:P= (4.1)P機(jī)械手外作用力;N機(jī)械手對零件的夾緊力;因為軸類零件重量為30Kg,重力Gmg3010300N,根據(jù)公式: GN (4.2)查表得,將其0.28;G300N;代入公式(4.2)中,得:N300/0.281071N,根據(jù)我所設(shè)計得機(jī)械手夾持結(jié)構(gòu)得尺寸,有b40mm;c22mm;a15;60,將其代入公式(4.1)中,得P940N0.94KN機(jī)械手外作用力P0.94KN,即為機(jī)械手夾緊油缸的外作用力。4.3機(jī)械手行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計 機(jī)械手要能實現(xiàn)在空中的前后移動,首先需要在空中固定一個導(dǎo)軌,通過導(dǎo)軌,利用滾輪在導(dǎo)軌的移動來實現(xiàn)機(jī)械手的前后移動??臻g行架用兩根槽型鋼焊接固定在圓柱立柱上,滾輪采用三角的型式,中間夾住導(dǎo)軌,使其運動平穩(wěn)。導(dǎo)軌和行架用螺釘連接,中間螺釘起連接固定的作用,兩邊的螺釘起調(diào)整導(dǎo)軌相對位置及保證導(dǎo)軌平行的作用。由于前后移動油缸固定在空中行架上,液壓缸的動作通過帶動拉桿的前后移動,而拉桿與機(jī)械手的行走機(jī)構(gòu)套在一起,實現(xiàn)機(jī)械手的前后移動,故在機(jī)械手的行走機(jī)構(gòu)上兩端要裝上拉桿套。如圖42所示,為機(jī)械手的行走機(jī)構(gòu)。圖42 機(jī)械手行走機(jī)構(gòu)4.4機(jī)械手總體結(jié)構(gòu) 通過以上的分析,該機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)包括空中行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械手升降移動油缸、機(jī)械手夾緊油缸和機(jī)械手的夾持部四個大的部件,將其組裝成一體后就形成了一部完整的機(jī)械手。 機(jī)械手的行走機(jī)構(gòu)與升降移動液壓缸的法蘭蓋采用四個螺栓均勻布置進(jìn)行連接,使其升降移動液壓缸穩(wěn)定的放置在機(jī)械手行走機(jī)構(gòu)的下方;而升降油缸與夾緊油缸中間用一塊連接板,用內(nèi)六角圓柱頭螺釘使活塞桿和連接板固定,用六角頭螺栓使連接板和夾緊油缸的法蘭蓋固定,這樣使夾緊油缸與升降油缸連接成為了一個整體。夾緊油箱的另一端法蘭蓋用長板的結(jié)構(gòu),直接與機(jī)械手的手爪部結(jié)構(gòu)連接在一起。如圖43所示,為機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖43 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)示意圖4.5本章小結(jié) 本章通過對機(jī)械手的行走機(jī)構(gòu)、手部結(jié)構(gòu)、升降油缸和夾緊油缸進(jìn)行分析,并對這四部分進(jìn)行連接,形成機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu),并用簡單的示意圖進(jìn)行表示,清楚的描述了機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)。5 液壓系統(tǒng)設(shè)計5.1引言 液壓系統(tǒng)是整個機(jī)械手設(shè)計的核心,液壓系統(tǒng)設(shè)計的好壞,直接影響到整個機(jī)械手系統(tǒng)的工作性能,本章將重點介紹機(jī)械手液壓系統(tǒng)的設(shè)計。對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,要按照一定的方法和步驟,首先了解系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)、工作循環(huán)及對液壓系統(tǒng)的主要要求,其次對液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析、計算及效驗,最后分析液壓站的結(jié)構(gòu)特點,并作出總結(jié)。5.2液壓系統(tǒng)工況分析5.2.1液壓系統(tǒng)的組成機(jī)械手生產(chǎn)線系統(tǒng),采用液壓傳動系統(tǒng),液壓系統(tǒng)若能正常工作必須由以下五部分組成: (1)動力裝置。它是把原動機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體壓力能的能量轉(zhuǎn)換裝置,一般由電動機(jī)和液壓系組成,其作用是為液壓系統(tǒng)提供壓力油。 (2)執(zhí)行元件。它是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置,其作用是在壓力油的推動下輸出力和速度(直線運動),或力矩和轉(zhuǎn)速(回轉(zhuǎn)運動)。這類元件包括各類液壓缸和液壓馬達(dá)。 (3)控制調(diào)節(jié)元件。它是能控制或調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中油的壓力、流量或方向,以保證執(zhí)行裝置完成預(yù)期工作的元件。這類元件主要包括各種液壓閥,如溢流閥、節(jié)流閥以及換向閥等。 (4)輔助元件。輔助元件是指油箱、蓄能器、油管、管接頭、濾油器以及流量計等。這些元件分別起散熱、貯油、蓄能、輸油、連接、過濾、測量壓力和測量流量等作用,以保證系統(tǒng)正常工作,是液壓系統(tǒng)不可缺少的組成部分。(5)工作介質(zhì)。它在液壓傳功及控制中起傳遞運動、動力的作用。工作介質(zhì)為液壓油或其它合成液體。5.2.2系統(tǒng)達(dá)到的功能要求和技術(shù)指標(biāo)運輸機(jī)械手是對零件進(jìn)行搬運以及正確放置為目的的設(shè)備,在自動生產(chǎn)線上具有重要的用途。該機(jī)械手的各動作是由液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)的,完成機(jī)械手的上升運動、前后移動、夾緊和放松三對運動的六個動作。工人在操作臺前,使用不同的按鈕實現(xiàn)本機(jī)械手的各個動作。機(jī)械手運用在電鍍生產(chǎn)線上,要求三支機(jī)械手同步運動,當(dāng)?shù)谝恢C(jī)械手把軸類零件從上料機(jī)構(gòu)搬運到電鍍槽內(nèi)時,第二支機(jī)械手負(fù)責(zé)把軸內(nèi)零件從電鍍槽搬運到清洗槽內(nèi),而第三支機(jī)械手則把零件從清洗槽搬運到下料機(jī)構(gòu)中,最后整個工序完成。機(jī)械手由液壓和電氣配合實現(xiàn)的動作循環(huán)要求如圖51所示:圖51 機(jī)械手動作循環(huán)圖通過機(jī)械手的以上動作分析,分別用三個液壓油缸來實現(xiàn)機(jī)械手的三對動作。分別稱作:前后移動油缸、升降油缸和夾緊油缸。根據(jù)設(shè)計要求,機(jī)械手的設(shè)計參數(shù)如圖52所示。序號設(shè)計參數(shù)1機(jī)械手能夾持軸類零件的直徑為3060mm。2機(jī)械手能進(jìn)行上下運輸運動,其最大行程為300mm。3機(jī)械手能進(jìn)行前后運輸運動,其行程為100mm1500mm。4工件重量30Kg,工件長度為400mm。5完成一次運輸時間小于20秒鐘。6機(jī)械手使用年限為20年。(按每年250天,每天16小時計算)圖52 機(jī)械手設(shè)計參數(shù)5.3液壓系統(tǒng)參數(shù)計算5.3.1確定液壓缸負(fù)載力設(shè)液壓缸工作循環(huán)中最大外負(fù)載為F,根據(jù)液壓設(shè)計手冊中,液壓缸負(fù)載公式及各參數(shù)意義為:F= (5.1)R液壓缸外作用力,單位KN;液壓缸總效率;通過查表,在額定壓力下的液壓缸,總效率為=0.90.95,取=0.93,升降移動液壓缸所受外作用力R=5.56KN,代入公式(5.1)得: F=5.98KN5980N 夾緊油缸和前后移動油缸的外作用力分別為0.94KN、34.31KN,帶入公式21中,對各油缸的負(fù)載情況進(jìn)行計算,對出如圖53所示的數(shù)據(jù)。液壓缸類型液壓缸外作用力R(KN)液壓缸負(fù)載力F(KN)前后移動液壓缸14.7815.89升降移動液壓缸5.565.98機(jī)械手夾緊液壓缸0.941.0153 各油缸的外作用力和負(fù)載力5.3.2確定液壓缸主要尺寸5.3.2.1初選液壓系統(tǒng)壓力系統(tǒng)壓力選定得是否合理,直接關(guān)系到整個系統(tǒng)設(shè)計的合理程度。在液壓系統(tǒng)功率一定的情況下,若系統(tǒng)壓力選得過低,則液壓元器件、液壓輔件的尺寸和重量就增加,系統(tǒng)造價也相應(yīng)增加;若系統(tǒng)壓力選得較高,則液壓設(shè)備的重量、尺寸會相應(yīng)降低,但制造精度等要求也相應(yīng)的提高。根據(jù)液壓設(shè)計手冊中的工作壓力表,初步選定液壓系統(tǒng)的工作壓力為PP5MPa。5.3.2.2液壓缸主要尺寸液壓缸的主要尺寸包括液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿的外徑兩個主要的尺寸,設(shè)液壓缸的內(nèi)徑用D表示,塞桿的外徑用d表示,根據(jù)液壓設(shè)計手冊中,單活塞桿液壓缸內(nèi)徑的計算公式及各參數(shù)的意義為: (5.2)P1液壓缸工作壓力,初算時可取系統(tǒng)工作壓力PP,單位MPa; P2液壓缸回油腔背壓力,單位MPa;dD活塞桿外徑與液壓缸內(nèi)徑之比; F液壓缸負(fù)載,單位N;通過查表,確定P15MPa,P20.4MPa,d/D=0.5,機(jī)械手升降移動油缸的負(fù)載力F5980N,代入公式(5.2)得:40.33mm 機(jī)械手夾緊油缸的負(fù)載力F1010N,帶入公式(5.2)得:17.27mm機(jī)械手橫移油缸得負(fù)載力F15890N,帶入公式(5.2)得:63.09mm 活塞桿直徑可由d/D值算出,由計算所得得D與d值分別按液壓設(shè)計手冊表中圓整到近似得標(biāo)準(zhǔn)直徑,以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封元件。由于機(jī)械手的前后移動油缸最大行程為1500mm,考慮到活塞桿的加工過程中,此長活塞桿加工困難,不易制造,故采用雙級油缸結(jié)構(gòu),內(nèi)缸套內(nèi)徑取63mm,根據(jù)設(shè)計,外油缸取100mm。各功能液壓缸的油缸內(nèi)徑D和活塞桿外徑選取值如圖54所示。 液壓缸類型液壓缸內(nèi)徑D(mm)活塞桿外徑d(mm)前后移動液壓缸10032升降移動液壓缸4022機(jī)械手夾緊液壓缸188圖54 各液壓缸的D和d的取值對選定后的液壓缸內(nèi)徑D,必須進(jìn)行最小穩(wěn)定速度的驗算。要保證液壓缸節(jié)流腔的有效工作面積A,必須大于保證最小穩(wěn)定速度的最小有效面積Amin,即AAmin,由公式:Amin (5.3)流量閥的最小穩(wěn)定流量;液壓缸的最低速度,由設(shè)計要求給定;用機(jī)械手夾緊油缸進(jìn)行最小穩(wěn)定速度驗算,qmin是由產(chǎn)品樣本查得調(diào)速閥L-10B的最小穩(wěn)定流量為0.05L/min,由于夾緊時間取1s,根據(jù)設(shè)計要求,vmin20m/min。夾緊油缸D=18mm,d8mm,代入公式(5.3),得:Amincm22.5cm2A1822.64 cm2可見上述不等式能滿足,液壓缸能達(dá)到所需低速。5.3.2.3計算各液壓缸工作時所需流量 查液壓設(shè)計手冊,液壓缸的流量計算公式及各參數(shù)的意義為: (5.4)液壓缸的流量,m3/min;D液壓缸內(nèi)徑,m;V活塞桿的運動速度,m/min;根據(jù)公式(5.4),代入各參數(shù)數(shù)值,計算出機(jī)械手前后移動和升降移動工作所需的流量Q前后、Q上下為:Q前后D2v/43.140.06321840.05608m3/min56.08L/minQ上下D2v/43.140.0421040.01256m3/min12.56L/min5.3.3液壓泵與電動機(jī)的確定 5.3.3.1泵的工作壓力的確定考慮到正常工作中進(jìn)油管路有一定的壓力損失,所以泵的工作壓力為: PPP1+P (5.5) PP液壓泵最大工作壓力,MPa; P1執(zhí)行元件最大工作壓力,MPa;P進(jìn)油管路中的壓力損失;初始計算時,壓力損失P在簡單系統(tǒng)下,可取0.20.5MPa;在復(fù)雜系統(tǒng)下,可取0.51.5MPa。這里機(jī)械手液壓系統(tǒng)中選取0.4MPa,并將P1=5MPa,P0.4MPa 代入公式(5.5),得: PPP1+P=5+0.4=5.4MPa上述計算得的是系統(tǒng)的靜壓力,考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡階段出現(xiàn)的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外,考慮到一定的壓力貯備量,并確保泵的壽命,因此選泵的額定壓力Pn應(yīng)滿足Pn(1.251.6)PP。中低壓系統(tǒng)取小值,高壓系統(tǒng)取大值,機(jī)械手液壓系統(tǒng)中,按中低壓系統(tǒng)取小值,則:Pn1.35.47.02MPa5.3.3.2泵的流量確定液壓設(shè)計手冊中,液壓泵的最大流量公式為: Q (5.6) Q液壓泵的最大流量,L/min;同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值,L/min; 系統(tǒng)泄漏系數(shù);一般取系統(tǒng)泄漏系數(shù)1.11.3,現(xiàn)取1.2。由于機(jī)械手升降移動油缸有三個同時運動,故流量之和為3Q上下37.68 L/min。因此取前后移動液壓缸的流量為56.08L/min,代入公式(5.6),得:Q1.256.08L/min 67.29L/min5.3.3.3選擇液壓泵的規(guī)格根據(jù)以上算得的液壓泵最大工作壓力PP和液壓泵的最大流量Q,查找液壓設(shè)計手冊中的液壓泵型號規(guī)格,現(xiàn)選用CB-50型齒輪泵。該泵的參數(shù)如圖55所示。類別型號排量(mL/r)壓力(MPa)轉(zhuǎn)速(r/min)特點生產(chǎn)場額定最高額定最高齒輪泵CB-50501012.514501650鋁合金殼,浮動軸套結(jié)構(gòu)長江液壓件廠合肥液壓件廠圖55 液壓泵的參數(shù)5.3.3.4電動機(jī)的選定選擇與液壓泵相匹配的電動機(jī),首先需要計算電動機(jī)的額定功率,查液壓設(shè)計手冊,根據(jù)公式,即P= (5.7) P電動機(jī)額定功率,KW; PS泵的額定壓力,MPa; Q泵的額定流量,L/min; 轉(zhuǎn)換系數(shù); p液壓泵的總效率。根據(jù)以上的液壓泵的參數(shù),將p=0.81,=0.7,Q50mL/r1450 r/min
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機(jī)械手
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