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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 1 1 工業(yè)機(jī)械手概況 工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械 電子 控制 計(jì)算機(jī) 傳感器 人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技 術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備 它是一種自動(dòng)的 位置可控的 具有編程 功能的多功能操作機(jī) 這種操作機(jī)具有幾個(gè)軸 能夠借助可編程操作來處理各種材料 零件 工具和專用裝置以執(zhí)行各種任務(wù) 而機(jī)械手臂的研究 開發(fā)和設(shè)計(jì)是從二十世紀(jì)中葉開始的 我國的工業(yè)機(jī)械手是 從 80 年代 七五 科技攻關(guān)開始起步 在國家的支持下 通過 七五 八五 科技攻關(guān) 目前已經(jīng)基本掌握了機(jī)械手的設(shè)計(jì)制造技術(shù) 控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)技 術(shù) 運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù) 生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件 開發(fā)出噴漆 弧焊 點(diǎn) 焊 裝配 搬運(yùn)等機(jī)器人 其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自 動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用 弧焊機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用在汽車制造企業(yè)的焊裝生產(chǎn)線上 但總的來看 我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用水平和國外比還有一定得距離 如 可靠性低于國外產(chǎn)品 機(jī)械手應(yīng)用工程起步較晚 應(yīng)用領(lǐng)域窄 生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國 外比有差距 影響我國機(jī)械手發(fā)展的關(guān)鍵平臺(tái)因素就是其軟件 硬件和機(jī)械結(jié)構(gòu) 目 前工業(yè)機(jī)械手仍大量應(yīng)用在制造業(yè) 其中汽車工業(yè)占第一位 占 28 8 電器制造 業(yè)第二位 占 16 4 化工第三位 占 11 7 發(fā)達(dá)國家汽車行業(yè)機(jī)械手應(yīng)用占 保有量百分比為 23 4 53 年產(chǎn)每萬量汽車所擁有的機(jī)械手?jǐn)?shù)為 包括整車和零部 件 日本 88 0 臺(tái) 德國 64 0 臺(tái) 法國 32 2 臺(tái) 英國 26 9 臺(tái) 美國 33 8 臺(tái) 意 大利 48 0 臺(tái) 機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成 手部是用來抓持工件 或工具 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 如夾持型 托持型和吸附型等 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng) 擺動(dòng) 移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí) 現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作 改變被抓持物件的位置和姿勢 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降 伸縮 旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立 運(yùn)動(dòng)方式 稱為機(jī)械手的自由度 為了抓取空間中任意位置和方位的物體 需有 6 個(gè)自由度 自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù) 自由 度越多 機(jī)械手的靈活性越大 通用性越廣 其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜 一般專用機(jī)械手有 2 3 個(gè)自由度 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 上料機(jī)械手與通用機(jī)械手相比 其中上料機(jī)械手種的移動(dòng)式搬運(yùn)上料機(jī)械手適用 于各種棒料 工件的自動(dòng)搬運(yùn)及上下料工作 例如鋁型材料擠壓成型鋁棒料的搬運(yùn)及 高溫棒料的自動(dòng)上料作業(yè) 最大抓取棒料直徑可達(dá) 180mm 最大抓握重量可達(dá) 30 公斤 最大行走距離為 1200mm 根據(jù)作業(yè)要求及載荷情況 機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度可調(diào) 移 動(dòng)式搬運(yùn)上料機(jī)械手主要由手爪 小臂 大臂 手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 小車行走機(jī)構(gòu) 液壓 泵站 電氣控制系統(tǒng)組成 整個(gè)機(jī)械手及液壓系統(tǒng)均集中設(shè)置在行走小車上 結(jié)構(gòu)緊 湊 電氣控制系統(tǒng)采用 OMRON 的可編程控制器 各種作業(yè)的實(shí)現(xiàn)可以通過編程實(shí)現(xiàn) 國內(nèi)外實(shí)際上使用的多為定位控制的機(jī)械手 沒有視覺及觸覺反饋 目前 世界 各國正積極研制帶有 視覺 和 觸覺 的工業(yè)機(jī)械手 使它能對所抓取的工件可以 進(jìn)行分辨 能選取所需要的工件 并正確的夾持工件 進(jìn)而精確的在機(jī)器中定位 定 向 為使機(jī)械手有 眼睛 去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零部件 它由視 覺傳感器輸入三個(gè)視圖方向的視覺信息 通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形分辨 判別是否是所要 抓取的工件 為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來 一般采用兩種方法 一是檢測把握物體手臂的變形 以決定適當(dāng)?shù)奈樟?另一種是直接檢測指部與物件的滑動(dòng)位移 來修正握力 因此 這種機(jī)械手具有以下幾個(gè)方面的性能 1 能準(zhǔn)確的抓住方位變化的物體 2 能判斷對象的重量 3 能自動(dòng)避開障礙物 4 抓空或抓里不足時(shí)能夠檢測出來 這種具有感知能力并對感知的信息做出反映的工業(yè)機(jī)械手稱之為 智能機(jī)械 手 現(xiàn)在 工業(yè)機(jī)械手的使用范圍只限于在簡單重復(fù)的操作方面節(jié)省人力 其效用 是代替從事繁重工作 危險(xiǎn)工作 單調(diào)重復(fù)的工作 惡劣環(huán)境下的工作方面尤其明顯 至于像汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的消費(fèi)工業(yè)部分 機(jī)械手的應(yīng)用情況決不能說是最好 的 雖然這些工業(yè)部門工時(shí)不足的問題尖銳 但采用機(jī)械手只限于一小部分工序 其 原因是 其原因是 工業(yè)機(jī)械手的性能還不能滿足這些部門的要求 適于機(jī)械手工作 范圍很狹小 這是主要原因 經(jīng)濟(jì)性問題當(dāng)然也很重要 采用機(jī)械手來節(jié)約人力從經(jīng) 濟(jì)上來看 不一定總是合算的 然而 利用機(jī)械手或類似機(jī)械設(shè)備節(jié)省人力和實(shí)現(xiàn)生 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 產(chǎn)合格化得要求 今后還會(huì)持續(xù)增長 只要技術(shù)方面和價(jià)格方面存在的問題獲得解決 機(jī)械手的應(yīng)用必將會(huì)飛躍發(fā)展 目前 工業(yè)機(jī)械手有很大一部分應(yīng)用于制造業(yè)的物流搬運(yùn)中 極大的促進(jìn)物流自 動(dòng)化 隨著生產(chǎn)的發(fā)展 搬運(yùn)機(jī)器人的各方面的性能都得到了很大的改善和提高 氣 動(dòng)機(jī)械手大量的應(yīng)用到物流搬運(yùn)機(jī)器人領(lǐng)域 在手爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面根據(jù)所應(yīng)用場合的不同以及對工件夾持的特殊要求 采取 了多種形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成對工件的夾緊和防止工件脫落的鎖緊措施 在針對同樣 的目標(biāo)任務(wù) 采取多種運(yùn)動(dòng)方式相結(jié)合的方式來達(dá)到預(yù)定的目的 驅(qū)動(dòng)方面采用了一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人多種驅(qū)動(dòng)方式的情況 有液壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)等等 愈來愈多的搬運(yùn)機(jī)器人是采用混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 這樣能夠更好的發(fā)揮各驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn) 避免缺點(diǎn) 并且在它的控制精度方面和搬運(yùn) 效率方面有了很大的提高 在搬運(yùn)機(jī)械手的控制方面 出現(xiàn)了多種控制方式 如 由原始的電控的機(jī)械手 較先進(jìn)的基于工控機(jī)控制的 基于 PC 控制的 進(jìn)一步的嵌入式 PC 控制技術(shù) 還有采 用 PLC 可編程控制的 在物料搬運(yùn)方面近年來呈現(xiàn)出的趨勢就是系統(tǒng)化 無論是我國還是國外 物料搬 運(yùn)的發(fā)展都是由單一設(shè)備走向成套設(shè)備 由單機(jī)走向系統(tǒng) 在制造業(yè)方面 隨著 JIT FMS CIMS 等現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展 對物料搬運(yùn)系統(tǒng)也提出了新的要求 其特點(diǎn) 是力求減少庫存 壓縮等待和輔助時(shí)間 使多品種 少批量的物料準(zhǔn)時(shí)到達(dá)要求的地 點(diǎn) 這一趨勢在機(jī)械工業(yè)方面得到了很大的應(yīng)用 其中采用了機(jī)器人等先進(jìn)的物料搬 運(yùn)技術(shù) 促進(jìn)了機(jī)械工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)水平提高 1 2 工業(yè)機(jī)械手的分類 機(jī)械手的種類 按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式 氣動(dòng)式 電動(dòng)式 機(jī)械式機(jī)械手 按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種 1 專用機(jī)械手 附屬于主機(jī)的 具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置 這種機(jī)械手工作對 象不變 動(dòng)作較簡單 結(jié)構(gòu)簡單 實(shí)用可靠 適用于成批 大批量生產(chǎn)自動(dòng)線或?qū)C(jī) 作為自動(dòng)上 下料用 2 通用機(jī)械手 具有獨(dú)立控制系統(tǒng) 程序可變 動(dòng)作靈敏 動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手 通用機(jī)械手 工作范圍大 定位精度高 通用性強(qiáng) 適用于工件經(jīng)常變換的中 小批量自動(dòng)化生產(chǎn) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置 如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸 和傳遞工件 在加工中心中更換刀具等 一般沒有獨(dú)立的控制裝置 有些操作裝置需 要由人直接操縱 如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手 1 3 工業(yè)機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛 可以歸納為以下一些方面 1 建造旋轉(zhuǎn)零件體 軸類 盤類 環(huán)類零件 自動(dòng)線 一般都采用機(jī)械手在機(jī) 床之間傳送工件 2 在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面 1 各類半自動(dòng)車床 有自行夾緊 進(jìn)刀 切削 退刀和松開的功能 但仍 需人工上下料 裝上機(jī)械手 可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn) 2 注塑機(jī)有加料 合模 成型 分模等自動(dòng)工作循環(huán) 裝上機(jī)械手自動(dòng)取 料 可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn) 3 沖床有自動(dòng)上下沖壓循環(huán) 安裝機(jī)械手上下料 可實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化 3 鑄 鍛 焊 熱處理等加工方面 總的來說 由于工業(yè)機(jī)械手的特點(diǎn)滿足了社會(huì)生產(chǎn)的需要 進(jìn)而帶來了經(jīng) 效益 其特點(diǎn) 1 對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng) 能代替人從事危險(xiǎn) 有害的操作 在長時(shí)間對人體 害的場所 機(jī)械手不受影響 2 機(jī)械手能持久 耐勞 可以把人從繁重的單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來 并能擴(kuò) 大和延伸人的功能 3 動(dòng)作準(zhǔn)確 可保證穩(wěn)定和 產(chǎn)品的質(zhì)量 同時(shí) 可避免人為的操作錯(cuò)誤 4 通用性靈活性好 特別是通用工業(yè)機(jī)械手 能適應(yīng)產(chǎn)品品種迅速變化的要 求 滿足柔性生產(chǎn)的需要 5 采用機(jī)械手能明顯的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 2 1 工業(yè)機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制部分所組成 各部分關(guān)系如下框圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括抓取部分 手部 腕部 臂部和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件所組成 1 手部 直接與工件接觸的部分 一般是會(huì)轉(zhuǎn)型或平移型 傳力機(jī)構(gòu)的形式較多 常用的有 滑槽杠桿式 連桿杠桿式 彈簧式等 2 腕部 是連接手部和手臂的部件 并可用來調(diào)整被抓取物體的方位 3 臂部 手部是支撐被抓取物件 手部 腕部的重要部件 手臂的作用是帶 動(dòng)手指抓取物件 并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到給定的位置 該設(shè)計(jì)的手臂有四個(gè)自由 度 采用圓柱坐標(biāo) 前后 上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn) 圓柱坐標(biāo)占空間小 工作范圍大 慣性大 且不能抓取底面物體 一般為專用機(jī)械手 4 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu) 該機(jī)械手采用 V 型導(dǎo)軌作為底 座行走機(jī)構(gòu) X 軸向直線移動(dòng) 5 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 有氣動(dòng) 液動(dòng) 電動(dòng)和機(jī)械式四種形式 該機(jī)械手采用液壓驅(qū) 動(dòng) 6 控制系統(tǒng) 點(diǎn)位控制及連續(xù)控制 7 機(jī)身 2 2 規(guī)格參數(shù) 工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)是說明機(jī)械手規(guī)格和性能的具體指標(biāo) 一般包括以下幾 個(gè)方面 1 抓重 額定抓取重量或額定負(fù)荷 單位為公斤 該機(jī)械手抓重為 30kg 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 2 自由度數(shù)目和坐標(biāo)形式 該機(jī)械手整機(jī) 手臂和手腕等運(yùn)動(dòng)共有 4 個(gè)自由度 坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo) 3 驅(qū)動(dòng)方式 液動(dòng) 4 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 800mm 5 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù) 小于 180 6 手指夾持范圍 65 85 7 定位精度 3mm 8 輪廓尺寸 2350 1950 900 mm 9 整機(jī)重量 略 2 3 設(shè)計(jì)路線與方案 2 3 1 設(shè)計(jì)步驟 1 查閱相關(guān)資料 2 確定研究技術(shù)路線與方案構(gòu)思 3 結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 4 根據(jù)所給規(guī)格 范圍 性能進(jìn)行分析 強(qiáng)度及運(yùn)動(dòng)學(xué)校核 5 根據(jù)所給技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算 6 繪制工作裝配圖草圖 7 繪制總圖及零件圖等 8 總結(jié)問題進(jìn)行分析解決 2 3 2 研究方法和措施 使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和液壓傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì) 采用圓柱坐標(biāo) 4 個(gè)自由度 2 4 本章小結(jié) 本章主要按照機(jī)械手的組成初步擬定了總體的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)路線 制定了初 步的設(shè)計(jì)步驟 給出該機(jī)械手的相關(guān)參數(shù) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第三章 計(jì)算與分析 3 1 手部 手部按其夾持工件的原理 大致可分為夾持和吸附兩大類 夾持類最常見的主要 有夾鉗式 該機(jī)械手采用夾鉗式手部設(shè)計(jì) 夾鉗式手部由手指 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置組成 它對抓取各種形狀的工件有較大的適 應(yīng)性 可以抓取軸 盤 套類零件 該機(jī)械手采用 2 個(gè)手指 3 1 1 夾鉗手部設(shè)計(jì)的基本要求 1 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力 2 手指應(yīng)具有一定得開閉范圍 3 應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度 4 要求結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕 效率高 5 考慮通用性和特殊要求 3 1 2 手部的計(jì)算與分析 1 手部受力分析 如圖 3 1 圖 3 1 手部受力簡圖 2 由拉桿力平衡條件 得 0 yF 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 cos21P 2P 1P 由 0 得 MFbNh 1 cosaabp 2s 初選 m50 b50 30 3 夾緊力計(jì)算 GKN321 kgf 取 5 1 a g2 04 設(shè) 機(jī)械手緩沖時(shí)最大加速度為 20m s2 1 035 3Kba tn 45 7013 04 1 Nkgf 所以 cos22 NaP 取 85 36 計(jì) 算實(shí) 際 4 確定油缸直徑 D 實(shí) 際P2d P 選取柱塞 5 0 壓力油工作壓力 24cmkgf 所以 365 012 PD 實(shí) 際 根據(jù)液壓油缸內(nèi)徑及活塞桿外徑系列 GB T2348 1993 選取油缸內(nèi)徑為 40mm 則活塞桿直徑為 185 04 dm 壁厚 D2 3 選夾緊缸壁厚 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 3 1 3 夾持誤差分析 工件平均半徑 5 240 CPRm V 型鉗夾角 12 偏轉(zhuǎn)角 按最佳偏轉(zhuǎn)角確定 60sinco1 ABcplR 取 為 2 倍工件平均半徑 ABl 50 ABl mR6 1cosi0 maxmin sincosin2siaxmax1 ABABAB lRll 69 0 m 7 iiinaxm2 ABABAB lll 68 021 所以夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求 3 2 腕部 3 2 1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 手腕部件置于手部和臂部之間 它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變 或調(diào)整手部在空間的方位 用以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍 適應(yīng)性強(qiáng) 手腕具有獨(dú)立的 自由度 手腕有繞 X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)自由度 該機(jī)械手采用手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn) 油缸 它結(jié)構(gòu)緊湊 靈活 自由角度符合設(shè)計(jì)要求 它要求嚴(yán)格密封 才能保證穩(wěn)定 的輸出轉(zhuǎn)矩 1 腕部處于臂部的最前端 它連同手部的動(dòng)靜載荷均由臂部承受 腕部的結(jié)構(gòu) 重量和動(dòng)力載荷直接影響著臂部的結(jié)構(gòu) 重量和運(yùn)動(dòng)性能 因此在腕部設(shè)計(jì)時(shí) 必須 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 力求結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕 2 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 由承擔(dān)連接和支撐作用 除了保證力和運(yùn)動(dòng)的 要求 以及具有足夠的強(qiáng)度 剛度外還應(yīng)綜合考慮 合理布局及腕部和手部的連接 腕部自由度的位置檢測 管線布置 以及潤滑 維修 調(diào)整等問題 3 腕部設(shè)計(jì)應(yīng)充分估計(jì)環(huán)境對腕部的不良影響 如熱膨脹 壓力油的粘度和燃 點(diǎn) 有關(guān)材料及電控點(diǎn)測元件的耐熱性等 3 2 2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 腕部回轉(zhuǎn)時(shí) 需要克服一下幾種阻力 1 腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 M 摩 由圖 3 2 可知 M 摩 R 1D1 R2D2 kgf m f 式中 R 1 R2 軸承處支承反力 kgf m 可由靜力學(xué)平衡方程求得 D1 D2 軸承直徑 m f 軸承的摩擦系數(shù) 對于滾動(dòng)軸承 f 02 1 為簡化計(jì)算取 M 摩 0 1M 總阻力矩 圖 3 2 腕部回轉(zhuǎn)力矩簡圖 G1 工件重量 G 2手部重量 G 3手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重量 2 克服由于工件 G1重心偏置所產(chǎn)生的力矩 M 偏 M 偏 G1 e kgf 式中 e 工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離 m 3 克服起動(dòng)慣性所需的力矩 M 慣 起動(dòng)過程近似等加速運(yùn)動(dòng) 根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角加速度 及起動(dòng)所用的角速度 起 M 慣 0 0175 J J 工件 kgf m 22 式中 J 工件 工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kgf m s J 手腕回轉(zhuǎn)部分對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kgf m s 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 手腕回轉(zhuǎn)過程中的角速度 度 秒 起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度 度 手腕回轉(zhuǎn)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)當(dāng)?shù)扔谏鲜鋈?xiàng)之和 M 總 M 偏 M 摩 M 慣 因?yàn)槭滞蠡剞D(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J J 工件 不是很大 手腕起動(dòng)過程所產(chǎn)生的轉(zhuǎn) 動(dòng)力矩也不大 為了簡化計(jì)算 可以將計(jì)算 M 偏 M 摩 適當(dāng)放大 而省略掉 M 慣 這 時(shí) M 總 1 1 M 偏 M 摩 設(shè)手爪 手爪驅(qū)動(dòng)油缸及回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)動(dòng)件為一個(gè)等效圓柱體 高為 7 cm 直徑為 22 cm 其重量為 G 394 8 N 摩擦阻力矩 M 摩 0 1M 總阻力矩 起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度 起 18 等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 200 s 則 M 慣 0 0175 J J 工件 22 查型鋼表有 J mR2 0 084 kgf m s 12 J 工件 m L 2 3R2 5 03 kgf m s 2 112 代入 M 慣 99 59 N m M 偏 0 M 摩 0 1M 總阻力矩 M 0 1M 總阻力矩 99 59 110 66 1 回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩 圖 所示為機(jī)械手的手腕回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所采用的單葉片回轉(zhuǎn)油缸 定片 1 與缸體 2 相連 動(dòng)片 3 與轉(zhuǎn)軸 5 相連 當(dāng) a b 口分別進(jìn)出油時(shí) 動(dòng)片帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)達(dá)到手腕回轉(zhuǎn)目的 式中 M 總 手腕回轉(zhuǎn)總的阻力矩 P 回轉(zhuǎn)油缸工作壓力 R 缸體內(nèi)徑半徑 r 輸出軸半徑 b 動(dòng)片寬度 注 可按外形要求或安裝空間大小 先設(shè)定 b R r 中的兩個(gè) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 D d 2 取 D d 2 22 5 1dDb dD2b 設(shè) r 40 mm R 100 mm b 30 mm 確定回轉(zhuǎn)油缸工作壓力 P 47 N cm 2RbMr 總 由于系統(tǒng)工作壓力 P 441 45 N cm 所以回轉(zhuǎn)油缸工作壓力足以克服摩擦力 3 3 臂部 3 3 1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 手臂部件是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件 他的作用是支撐腕部和手部 包括工件 并帶動(dòng)它們作空間轉(zhuǎn)動(dòng) 臂部運(yùn)動(dòng)的目的 把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點(diǎn) 手臂的各種運(yùn)動(dòng)由油缸驅(qū) 動(dòng)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn) 從臂部的受力情況分析 它在工作中既直接承受腕部 手 部和工件的靜動(dòng)載荷 而且自身運(yùn)動(dòng)又較多 故受力復(fù)雜 因而 它的結(jié)構(gòu) 工作范 圍 靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機(jī)械手的工作性能 機(jī)身是固定的 它是直接承受和傳動(dòng)手臂的部件 實(shí)現(xiàn)臂部的升降 回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng) 臂部要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng) 需滿足下列的各項(xiàng)基本要求 1 對于機(jī)械手臂式機(jī)身的承載能力 取決于其剛度 結(jié)構(gòu)上采用水平懸伸梁形 式 顯然 伸縮臂桿的懸伸長度越大 則剛度越差 而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷 變化 對于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能 位置精度和負(fù)荷能力等影響很大 為了提高剛度 盡 量縮短臂桿的懸伸長度 還應(yīng)注意 1 根據(jù)受力情況 合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 臂部和機(jī)身既受彎曲力 而且不僅是一個(gè)方向的彎曲力 也受扭轉(zhuǎn)力 應(yīng)選用抗 彎和抗扭剛度較高的截面形狀 所以機(jī)械手常用無縫鋼管坐導(dǎo)向桿 用工字鋼或槽鋼 作為支撐板 這樣既提高了手臂剛度 又大大減輕了手臂的自重 而且空心的內(nèi)部還 可以布置驅(qū)動(dòng)裝置 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及管道 有利于結(jié)構(gòu)的緊湊 外形整齊 2 高支承剛度和選擇支承間的距離 臂部和機(jī)身的變形量不僅與本身剛度有關(guān) 而且同支承的剛度和支撐件間距離有 很大關(guān)系 要提高支承剛度 除從支座的結(jié)構(gòu)形狀 底板的剛度以及支座與底板的連 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 接剛度等方面考慮外 特別注意提高配合面間的接觸剛度 3 合理布置作用力的位置和方向 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)結(jié)合具體受力情況 設(shè)法使各作用力的變形相互抵消 4 設(shè)計(jì)臂部時(shí) 元件越多 間隙越大 剛性越低 因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單 要全面分析各尺寸鏈 在要求高的部位合理確定調(diào)整補(bǔ)償環(huán)節(jié) 以減少重要部件的間 隙 從而提高剛度 5 水平放置的手臂 要增加導(dǎo)向桿的剛度 同時(shí)提高其配合精度和相對位置精 度 使導(dǎo)向桿承受部分或大部分自重和抓取重量 6 提高活塞和缸體內(nèi)徑配合精度 以提高手臂前伸時(shí)的剛度 2 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高 慣性要小 機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要參數(shù)之一 它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平 一般時(shí) 根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定 在一般情況 手臂的移動(dòng) 回轉(zhuǎn)和上升均要求勻速運(yùn)動(dòng) V 和 為常數(shù) 但在手臂的起動(dòng)和終止瞬間 運(yùn)動(dòng)是變化的 為了減少?zèng)_擊 要 求起動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前的加速度不能太大 否則引起沖擊和振動(dòng) 圖 3 3 左中 A 點(diǎn)為起動(dòng)位置 B 點(diǎn)位緩沖位置 C 點(diǎn)為終點(diǎn)位置 t 1起動(dòng)時(shí)間 t2為制動(dòng)時(shí)間 T 為運(yùn)動(dòng)周期 對于告訴運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手 其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在 mm s 最大回轉(zhuǎn)角度150 設(shè)計(jì)在 180 s 內(nèi) 在大部分形行程距離上平均移動(dòng)速度為 1000mm s 平均回轉(zhuǎn)角 速度為 90 s 手臂伸縮時(shí)所產(chǎn)生的慣性力為 F 慣 ma tvgG m 質(zhì)量 kg a 加速度 m s G 手臂運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量 kgf g 重力加速度 9 8m s t 起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間 v 起動(dòng)或制動(dòng)的速度差 手臂回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩為 M 慣 0 0175J 0 0175 J c J0 t 式中 J 角加速度 s 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 起動(dòng)或制動(dòng)的角速度差 s J 臂部回轉(zhuǎn)件對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg m s Jc 臂部零件對其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg m s J0 臂部零件作為重心位置的質(zhì)點(diǎn)對臂部回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 J0 回轉(zhuǎn)半徑 為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量 采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料 2 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸 3 減少回轉(zhuǎn)半徑 在安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí) 先縮后回轉(zhuǎn) 或先回轉(zhuǎn)后伸 盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作 4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置 3 手臂動(dòng)作應(yīng)靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力 盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦 對于懸臂式機(jī)械手 其傳動(dòng)件 導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理 使手臂運(yùn)動(dòng)過程 盡可能平衡 以減少對升降支承軸線的偏心力矩 特別要防止發(fā)生 卡死 的現(xiàn)象 自鎖 為此必須計(jì)算使之滿足不自鎖條件 如圖 3 3 右所示 1 偏重力矩的計(jì)算步驟 計(jì)算零件重量 可分解為規(guī)則的體型進(jìn)行計(jì)算 計(jì)算零件重心位置 求出重心至回轉(zhuǎn)軸線的距離 求重心位置并計(jì)算偏重力臂 G 總 G 工 G 爪 G 腕 G 臂 i 1 nGCC 臂腕爪工 臂臂腕腕爪爪工工 n1iii X 計(jì)算偏重力矩 M 偏 G 總 iXi 1 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 圖 3 3 手部伸縮所受慣性力簡圖 2 升降導(dǎo)向柱不自鎖條件 手臂在 G 總 的作用下有向下的趨勢 而立柱導(dǎo)套防止手臂這種趨勢 由力的平衡有 R1 R2 R1h G 總 R 1 R2 G總 所謂不自鎖的條件 G 總 F 1 F2 2F1 2R1f h 2 f 取 f 0 15 則 h 0 30 4 位置精度要求高 一般說來 直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高 關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控 制 精度差 在手冊上加設(shè)定位裝置和自檢測機(jī)構(gòu) 能較好的控制位置精度 檢測裝 置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng) 嚙合件的間隙 除此之外 要求機(jī)械手通用性要好 能適合多種作業(yè)的要求 工藝性要好 便于 加工和安裝 用于熱加工的機(jī)械手 還要考慮隔熱 冷卻 用于作業(yè)區(qū)粉塵大的接攜手 還要 設(shè)置防塵裝置等 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 3 3 2 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 通常先進(jìn)行粗略的估算 根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸 再進(jìn)行校 核計(jì)算 修正設(shè)計(jì) 為了便于進(jìn)行液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算 我們分別就伸縮缸 升降缸 回轉(zhuǎn)油缸的 設(shè)計(jì)敘述如下 3 3 3 伸縮油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 1 作水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)油缸的驅(qū)動(dòng)力 根據(jù)油缸驅(qū)動(dòng)時(shí)所需克服的負(fù)載 摩擦 密封裝置及慣性等幾個(gè)方面的力 確定 油缸所需的驅(qū)動(dòng)力 油缸活塞的驅(qū)動(dòng)力 P 的設(shè)計(jì)計(jì)算如圖 3 4 所示 P P 摩 P 密 P 回 P 慣 式中 P 摩 摩擦阻力 手臂運(yùn)動(dòng)時(shí) 運(yùn)動(dòng)表面間的摩擦力 如導(dǎo)向裝置 活 塞和缸壁等處的阻力 圖 3 4 油缸活塞的驅(qū)動(dòng)力簡圖 由于導(dǎo)向桿相對稱配置 兩導(dǎo)向桿受力均衡 可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算 0 FmA G L aR 得 R 總 bbaGL 總 0Y G R R 得 R G總 baa總 L 得 P 摩 Pa 摩 P b 摩 a bR 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 所以 P 摩 aGL2總 1 3 35 0 2 9 81 267N 15 式中 G 參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量 含工件重 kgf 總 L 手臂參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心 C 到導(dǎo)向支承前端的 距離 cm a 導(dǎo)向支承的長度 cm 摩擦系數(shù) 對于靜摩擦且無潤滑時(shí) 鋼對鑄鐵 取 0 18 0 3 剛對鑄鐵 4 2 P 密 密封裝置處的摩擦阻力 0 型密封 當(dāng)油缸工作壓力小于 100 kgf cm 活塞桿直徑為油缸直徑的一般 活塞與活塞桿都采用 0 型密 封圈密封時(shí) 油缸密封處的總的摩擦力為 P 封 1 P 封 2 0 03P 式中 P 為驅(qū)動(dòng)力 P 封 1 P 封 2 0 03 3655 4 109 6 N P 封 3 dlp 式中 p 工作壓力 kgf cm P 15d 所以應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核 P 0 7 10 knP3102 6 6 式中 P k 臨界力 可按材料力學(xué)有關(guān)公式計(jì)算 nk 2 4 大柔度桿的臨界力 Pk 當(dāng) 時(shí) 臨界力 Pk為 1 il P kgf 0 21 10FE2 26287 04 1 6 式中 活塞桿的計(jì)算柔變 柔度系數(shù) l 活塞桿的計(jì)算長度 cm F 8 0464 0J i md8 023 J 活塞桿截面對中性軸的慣量 cm J 15 642 34 d E 2 1 10 kgf cm 彈性模量 長度折算系數(shù) 特定的柔度值 1 28 7 PE 2501 6 比例極限 P i 0 75430 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 Pk 1 80 102 6209 175 6 P 0 6 10 Pa 0 6 MPakn38 66 油缸端蓋的聯(lián)接方式及強(qiáng)度計(jì)算 為保證聯(lián)接的緊密性 必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距 t1 進(jìn)而決定螺釘?shù)臄?shù)目 缸的一端為缸體與缸蓋鑄造成一體 另一端缸體與缸蓋采用螺釘聯(lián)接 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 為保證聯(lián)接的緊密性 必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距 t1 見表 4 8 進(jìn)而決定螺釘?shù)臄?shù) 目 在這種聯(lián)接中 每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力 為工作載荷 和預(yù)進(jìn)力 0Q0Q 之和 s s 式中 ZP D42 P 為驅(qū)動(dòng)力 kgf Z 螺釘數(shù)目 P 工作 動(dòng)力 kgf cm 預(yù)緊力 kgf s K K 1 5 1 8s 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 合 41 320d 21Qj d1 式中 Q j 1 3 Q0 計(jì)算載荷 kgf j 表 3 1 螺釘間距 t1 與壓力 p 的關(guān)系 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 工作壓力 p1 kgf cm 螺釘間距 t1 mm 5 15 150 15 25 120 25 50 100 50 10 80 kgf cm 抗拉許用應(yīng)力 ns2 n 1 2 2 5 d 1 螺紋內(nèi)徑 cm 表 3 2 常用螺釘材料的流動(dòng)極限 鋼號(hào) 10 A2 A3 35 45 40crs kgf cm 2 2100 2200 2400 3200 3600 6500 9000 缸體螺紋計(jì)算 d1 cm 合 4QK201Dd 2014DQK 式中 P P 0 s p 42 KP 1 5 1 8 P D 油缸內(nèi)徑 s K1 應(yīng)考慮螺紋拉應(yīng)力和扭應(yīng)力合成作用系數(shù)取 K1 1 3 缸蓋連接螺釘和動(dòng)片連接螺釘計(jì)算 1 缸蓋連接螺釘計(jì)算 缸蓋與回轉(zhuǎn)油缸的缸體用螺釘聯(lián)接時(shí) 其螺釘?shù)膹?qiáng)度計(jì)算方法 同伸縮油缸缸蓋螺釘強(qiáng)度計(jì)算 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 43 12dQj 或 d1 j 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 式中 d 1 螺釘?shù)膬?nèi)徑 cm Q1 1 3Q 計(jì)算載荷 kgf 螺釘材料作用拉應(yīng)力 3 4 機(jī)身 機(jī)身是直接支撐和傳動(dòng)手臂的部件 一般是實(shí)現(xiàn)臂部的升降 回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn) 動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上 或者直接構(gòu)成機(jī)身的卻敢于底座相連 因此 臂部的運(yùn)動(dòng)愈多 機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜 機(jī)身既可以是固定的 也可以是 行走的 即可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng) 3 5 本章小結(jié) 本章只要對機(jī)械手的手部 腕部 臂部 機(jī)座進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析以及相關(guān) 校核 對手部夾持誤差進(jìn)行了分析 對伸縮和升降油缸進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和選型 對相 關(guān)液壓元件進(jìn)行了選型和校核 第 4 章液壓系統(tǒng) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 4 1 液壓缸的工況圖 根據(jù)前面設(shè)計(jì)的好的各液壓缸的參數(shù) 繪制各液壓缸的 P t 圖 Q t 圖 N t 圖 1 活塞缸工況圖的繪制 已知參數(shù) 包括設(shè)計(jì)出的參數(shù) Di di Fi t Ui t i 表示第幾個(gè)缸的參數(shù) 無桿腔進(jìn)油 24 DitViQFP 有桿腔進(jìn)油 24 diti Ni t Fi t Vi t 2 擺動(dòng)缸工況圖的繪制 已知參數(shù) Di di Mi t i t bi Pi t 28 diDbitMi Qi t bi Di di 8 i t Ni t Mi t i t 1 雙作用夾緊油缸 D1 40mm d1 20mm F1 V1 3 5cm s 5 020 7458 6 3tNt 2 手腕回轉(zhuǎn)缸 D2 100mm d2 40mm b2 30mm 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 M2 2 1 s 3471 6103 3 9tmNt 注意 忽略角加速度和角減速度的影響 3 手臂升降活塞缸 D3 80mm d3 60mm F5 V5 25 0 cm s 5 001 298 6 7tNt 4 手臂伸縮活塞缸 D4 50mm d4 25mm F4 V4 29 8 cm s 5 021 583679 tNt 4 2 做工況圖 1 夾緊缸 無桿腔進(jìn)油情況下 P1 N1 22 02 46758 cmN W4569837 圖 4 1 夾緊缸無桿腔進(jìn)油時(shí)工況圖 有桿腔進(jìn)油情況下 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 P1 22 54 6928 cmN Q1 25 0 4 2 270 cm s4 圖 4 2 夾緊缸有桿腔進(jìn)油時(shí)工況圖 2 手腕回轉(zhuǎn)缸 P2 22 60 19485 3mN Q2 10 4 49 5 cm s N2 W4 950187 圖 4 3 手腕回轉(zhuǎn)缸工況圖 3 手臂升降活塞缸 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 P3 22 45 2017 9cmN Q3 29 8 8 37 4 cm s N3 W19587 圖 4 4 手臂升降缸工況圖 因?yàn)橐陨鲜菬o桿腔進(jìn)油的工況 當(dāng)有桿腔進(jìn)油時(shí) 整個(gè)手臂自重會(huì)使它產(chǎn)生復(fù)值 負(fù)荷 所以不作有桿腔進(jìn)油的工況圖 4 手臂伸縮活塞缸 無桿腔進(jìn)油情況下 P4 N4 22 56 29371 cmN W65 78320 91 圖 4 5 手部伸縮缸無桿腔進(jìn)油時(shí)工況圖 有桿腔進(jìn)油情況下 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 P4 22 80 2931 cmN Q4 29 8 5 2 5 438 61cm s 圖 4 6 手部伸縮缸有桿腔進(jìn)油時(shí)工況圖 4 3 計(jì)算和選擇液壓元件 4 3 1 液壓泵的選擇 1 計(jì)算液壓泵的工作壓力 泵的工作壓力是所有液壓缸中工作壓力最大者與管道壓力損失之和 即 Ps Pimax P P 管道和各類閥的全部壓力損失之和 可先估計(jì) 一般取 P 5 8 10 Pa5 2 計(jì)算液壓泵的流量 Qp Kqimax 式中 K 泄露折算系數(shù) 一般 K 1 1 1 5 3 選擇液壓泵的規(guī)格 參照設(shè)計(jì)手冊或產(chǎn)品樣本 選取其額定壓力比 Ps 高 25 60 其流量與上述計(jì)算 一直的液壓泵 4 計(jì)算功率 選用電動(dòng)機(jī) 按工況圖 找出所有缸 N t 圖中最高功率點(diǎn)的 Nmax 對應(yīng)的 Ps 計(jì)算值 和泵額 定流量的乘積 然后除以泵的總效率 p N 電 pQPs 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 確定液壓泵的流量壓力和選擇泵的規(guī)格 泵的工作壓力的確定 考慮到正常工作中進(jìn)油路有一定的壓力損失 所以 泵的 工作壓力為 Pp P1 P Pp 液壓泵的最高工作壓力 P1 執(zhí)行元件的最高工作壓力 P 進(jìn)油管路中的壓力損失 初算時(shí) 簡單系統(tǒng)可取 MPa P 0 5 MP a 0 5 2 Pp 4 5 0 5 5 MP a 上述計(jì)算所得的 Pp是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力 考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡 階段出現(xiàn) 的動(dòng)態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力 另外考慮到 一定的壓力儲(chǔ)備量并確保泵的壽命 因 此選泵的額定壓力 Pn Pp1 6 2 Pn 1 25 Pp 1 25 5 6 25 MPa 泵流量的確定 液壓泵的最大流量應(yīng)為 qp KL q max qp 液壓泵的最大流量 q max 同時(shí)工作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值 如果這是 溢流閥正進(jìn)行工作 尚需加溢流閥的最小溢流量 L min3 2 KL 系統(tǒng)泄露系數(shù) 一般取 KL 1 21 qp 1 2 32 38 4 L min 選擇液壓泵的規(guī)格 根據(jù)以上算得 Pp和 qp 再查閱有關(guān)手冊 現(xiàn)選用 CB B25 齒輪泵 該泵的基本參數(shù)為 每轉(zhuǎn)排量 mL r 泵的額定壓力 Pn 10 MPa 25 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 nB 1450r min 容積效率 r 0 85 總效率 0 7 與液壓泵匹配的電動(dòng)機(jī)的選定 首先分別計(jì)算出不同工況時(shí)的功率 取它們之間 的最大值作為選取電動(dòng)機(jī)規(guī)格的依據(jù) 由于在速度較小時(shí) 泵輸出的流量減小 泵的 效率急劇下降 一般當(dāng)流量在 0 2 1L min 范圍內(nèi)時(shí) 可取 0 03 0 14 同 時(shí) 還應(yīng)注意到 為了使所選擇的電動(dòng)機(jī)在經(jīng)過泵的流量特性曲線最大功率點(diǎn)時(shí) 不 致停轉(zhuǎn) 需進(jìn)行驗(yàn)算 即 2P nqp 1 3 pBP 泵的工作壓力 P 245 25 N cm 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 N 電 1 57 10 W 1 57 KW 65 0 21892 選電機(jī) Y1001L1 4 N 2 2 KW n 1430 rpm 4 3 2 選擇液壓控制閥的原則 按控制閥的額定壓力和額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量 原則 4 3 3 選擇液壓輔助元件的要求 1 濾油器 按泵的最大流量選取流量略大些的濾油器 濾油精度在為 100 m 網(wǎng)式或線段式 濾油器即可 2 有關(guān)和管接頭 油管和管接頭的通徑與閥一致來選取 3 油箱容積 V 5Qp 注意 Qp 單位若為 L min 時(shí) V 的單位為 dm Qp 單位若為 m min 時(shí) V 的單位為 m 4 3 4 具體選擇液壓元件 1 換向回路 夾緊缸換向選用二位四通閥 其他缸全部選用 B 型的三位四通電磁換向閥 選 用 B 型電磁閥便于微機(jī)控制 選中位為 0 型是是定位準(zhǔn)確 2 調(diào)建方案 從工況圖可知 本系統(tǒng)是功率較小的 故選簡單的進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速 同樣的 道理 選用單泵供油 力求獲得較好的經(jīng)濟(jì)性 3 緩沖回路應(yīng)便于微機(jī)控制 提高自動(dòng)化程度 4 系統(tǒng)的安全可靠性 為防止伸縮缸在氧氣一定角度后的自由下滑 都采用單向順序閥來平衡 根據(jù)動(dòng)作要求編制液壓系統(tǒng)動(dòng)作循環(huán)及電磁動(dòng)作順序表 液壓元件的選擇 確定管道尺寸 本系統(tǒng)主油路流量 q 31 L min 壓油路的允許流速為 v 4m s 則內(nèi)徑 d 4 6 4 6 12 8mm 13mmvq 4 31 液壓油箱的設(shè)計(jì) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 液壓油箱的作用是儲(chǔ)存液壓油 分離液壓油中的雜志和空氣 同時(shí) 起到分散 的作用 1 液壓油箱有效容積的確定 液壓油箱在不同的工作條件下 影響散熱的條件很多 通常按壓力范圍來考慮 液壓油箱的有效容積 V 可概略地確定為 在中低壓系統(tǒng)中 p 6 3MP a 可取 V qp 5 3 式中 V 液壓油箱幼小容量 q p 液壓泵額定流量 V 3 qp 3 38 4 115 2 故 V 120L 應(yīng)當(dāng)注意 設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)后 設(shè)備中的那部分會(huì)因重力作用而流回液壓油箱 為了防止液壓油從郵箱中溢出 郵箱中的液壓油位不能太高 一般不應(yīng)超過液壓油箱 高度的 1 液壓油箱的外型尺寸 液壓油箱的有效容積確定后 需設(shè)計(jì)液壓油箱的外型尺寸 一般尺寸比 長 寬 高 為 1 1 2 31 因此 長 寬 高 4 5 6 所以長為 400mm 寬為 500mm 高為 600mm 在小型液壓系統(tǒng)中 進(jìn)給速度的控制一般采用節(jié)流閥根據(jù)工作時(shí)對低速性能和速 度負(fù)載特性都有一定要求的特點(diǎn) 決定采用定量泵和節(jié)流閥組成的容積節(jié)流調(diào)速 這 種調(diào)速回路具有效率高 發(fā)熱小 和速度剛性好的特點(diǎn) 并且節(jié)流閥裝在回油路中 對液壓缸具有一定得緩沖作用 確定供油方式 A qmin Vmin A 0 05 10 3 1056 6 47 cm3 qmin是由產(chǎn)品樣本查的 GE 系列節(jié)流閥 AQF3 E10B 的最小穩(wěn)定流量為 0 05L min Vmin是液壓缸的最低流速 V min由設(shè)計(jì)要求給定 Vmin 1056cm min A 4 D 2 d 22 76cm 計(jì)算在各工作階段液壓缸所需的最大流量 Q 夾 4 D 夾 d 夾 v 夾 28 26 L min Q 上升 4 D 上 v 上 105 50 L min Q 下降 4 D 下 d 下 v 下 46 15 L min Q 伸出 4 D 出 v 出 58 87 L min 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 Q 縮回 4 D 回 d 回 v 回 44 15 L min 4 4 本章小結(jié) 本章主要對機(jī)械手的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì) 確定了調(diào)速方案和換向 緩沖回路 對所需液壓元件進(jìn)行計(jì)算選型 對液各個(gè)壓缸工況圖進(jìn)行繪制 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 第 5 章液壓缸的保養(yǎng)與維護(hù) 5 1 液壓元件的安裝 1 安裝前元件應(yīng)以煤油進(jìn)行清洗 并要進(jìn)行壓力和密封性試驗(yàn) 合格后可安裝 2 泵機(jī)器傳動(dòng)要求較高的同心度 3 油泵的入口 出口和旋轉(zhuǎn)方向 一般在泵上均有表明 不得接反 4 安裝各種閥時(shí) 應(yīng)注意進(jìn)油口與回油口的方向 5 為了避免空氣滲入閥內(nèi) 連接處應(yīng)保持密封良好 6 用法蘭安裝的閥件 螺釘不能擰的過緊 因?yàn)橛袝r(shí)擰的過緊反而密封不良 5 2 液壓系統(tǒng)的一般使用與維護(hù) 1 油箱中的液壓油應(yīng)經(jīng)常保持正常油面 2 液壓油應(yīng)經(jīng)常保持清潔 3 油溫應(yīng)適當(dāng) 油箱的油溫一定不能超過 60 4 回路里的空氣應(yīng)完全清除掉 回路里進(jìn)入空氣后 因?yàn)闅怏w的體積和壓力成 反比 所以隨著負(fù)荷的變動(dòng) 油缸的運(yùn)動(dòng)也要受到影響 為了防止回油管回油時(shí)帶入 空氣 回油管必須插入油面以下 吸入管和泵軸的密封部分等各個(gè)低于大氣壓的地方 應(yīng)注意不要漏入空氣 5 在初次啟動(dòng)油泵時(shí) 應(yīng)向泵里灌滿油 檢查轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否正確 入口與出口 是否接反 6 在油泵啟動(dòng)和停止時(shí) 應(yīng)是溢流閥卸荷 7 溢流閥的調(diào)節(jié)壓力不得超過液壓系統(tǒng)的最高壓力 8 應(yīng)盡量保持電磁閥的電壓穩(wěn)定 否則可能會(huì)導(dǎo)致線圈的過熱 9 易損零件 如密封圈等 應(yīng)經(jīng)常有備品 以便及時(shí)更換 5 3 一般技術(shù)安全事項(xiàng) 在液壓系統(tǒng)的使用維護(hù)中 必須注意技術(shù)安全否則會(huì)引起傷亡事故 1 用扳手去擰緊或調(diào)整的零件 必須注意技術(shù)安全否則會(huì)引起傷亡事故 2 所有連接螺釘必須擰緊 法蘭上所有螺釘都必須裝上 3 一切聯(lián)鎖或鎖緊裝置必須校準(zhǔn) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 34 4 檢查用的壓力計(jì)等儀表 必須放于便于觀察的地方 5 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí) 禁止在工作的條件下進(jìn)行檢查和調(diào)整 6 當(dāng)打開放氣閥是 眼睛不要對著噴射的方向 5 4 本章小結(jié) 本章主要對液壓元件的安裝提出規(guī)范要求 對液壓系統(tǒng)的一般性安全使用與維護(hù) 及注意事項(xiàng)進(jìn)行簡單介紹 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 35 結(jié) 論 總的來說工業(yè)機(jī)器人性能在不斷提高 高速度 高精度 高可靠性 便于操作和 維修 而單機(jī)價(jià)格不斷下降 平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 10 3 萬美元降至 97 年的 6 5 萬美元 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化 可重構(gòu)化發(fā)展 例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī) 減速機(jī) 檢測系統(tǒng)三位一體化 由關(guān)節(jié)模塊 連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī) 國外已有模 塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市 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 便于標(biāo)準(zhǔn)化 網(wǎng)絡(luò)化 器件集成度提高 控制柜日見小巧 且采用模塊化結(jié)構(gòu) 大 大提高了系統(tǒng)的可靠性 易操作性和可維修性 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)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用 虛擬 現(xiàn)實(shí)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 機(jī)器人化機(jī)械開始興起 從 94 年美國開發(fā)出 虛擬軸機(jī)床 以來 這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一 紛紛 探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域 但總的來看 我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)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(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚 應(yīng)用領(lǐng)域窄 生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距 在應(yīng)用規(guī)模上 我國己安裝的國產(chǎn)工 業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái) 約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四 以上原因主要是沒有形成機(jī)器 人產(chǎn)業(yè) 當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求 一客戶 一次重新設(shè)計(jì) 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(guān)鍵技術(shù) 對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃 搞好 系列化 通用化 模塊化設(shè)計(jì) 積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 可以看到 工業(yè)機(jī)械手可用來 作為衡量一個(gè)國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一 與世界上主要工業(yè)水平國家相比 我國 的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)還是相當(dāng)落后的 各項(xiàng)工作都有待于繼續(xù)做好 為此必須急起急追 才能迎頭趕上 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 36 參考文獻(xiàn) 1 張慧慧 費(fèi)仁元 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析 M 北京工業(yè)大學(xué)出版社 1998 9 2 祥瑛 工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用 M 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 3 3 果 王峻峰 何松齡 一種基于 SCARA 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) J 機(jī)械工程師 2005 年第 4 期 4 兵 趙斌 梁海峰 PLC 在物料搬運(yùn)機(jī)械手控制中的應(yīng)用 可編程控制器與工廠 自動(dòng)化 PLC FA 2004 年 11 期 5 兵 趙武 施永輝 物料搬運(yùn)機(jī)械手的研制 J 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) 2005 年第 8 期 6 濮良貴 紀(jì)名剛 機(jī)械設(shè)計(jì) J 高等教育出版社 2001 6 7 王世剛 苗淑杰 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐 M 哈爾濱工程大學(xué)出版社 2003 2 8 劉品 李哲 機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測基礎(chǔ) M 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2005 1 9 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 編委會(huì)編 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 第二冊 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 8 10 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 編委會(huì)編 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 第三冊 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 8 11 蔡小華 薛小雯 在 CAD 環(huán)境下利用 VB 實(shí)行范成法加工齒輪的仿真 A 無錫職 業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) 2008 6 12 殷素峰 張文麗 基于 VB 和 AutoCAD 實(shí)現(xiàn)齒輪三維參數(shù)化建模 A 機(jī)械工程于 自動(dòng)化 2008 10 13 Joseph Constanse DFMA leaming to Design for Manufacture and Assembly Meeh Erg 1992 14 G Boothroyd and P Dewhurst Product Design foe Manfacture And Assembly M Manuf Eng 1998 15 Shad Dowlastahahi A Comparison of Approach to Concurrent Engineering M Adv Manuf Tech 1994 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 37 致 謝 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了大學(xué)四年來所學(xué)過的大部分知識(shí) 使理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí) 際得以有機(jī)結(jié)合 在設(shè)計(jì)過程中 不但鞏固了如工程制圖 機(jī)械設(shè)計(jì) CAD 液壓技 術(shù)等方面的知識(shí) 而且還學(xué)到了許多未曾接觸過的知識(shí) 開闊了視野 曾加了知識(shí)儲(chǔ) 備 增強(qiáng)了自學(xué)能力 值得強(qiáng)調(diào)的是在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中要特別感謝王慧文老師自始至終的耐心教導(dǎo) 循 循善誘 方使駑鈍之才茅塞頓開 期間王老師多次詢問設(shè)計(jì)進(jìn)程 并為我指點(diǎn)迷津 幫助我開拓思路 精心點(diǎn)撥 熱忱鼓勵(lì) 王老師淵博的知識(shí) 一絲不茍的作風(fēng) 嚴(yán)謹(jǐn) 求實(shí)的治學(xué)態(tài)度 踏踏實(shí)實(shí)的精神 不僅授我以文 而且教我做人 雖歷時(shí)三月 卻 給以終生受益無窮之道 對王老師的感激之情無以言表 還要外感謝同窗好友彼此相互扶持 互相勉勵(lì)切磋 使之能夠順利完成 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 38 附 錄 About Manipulator Mchanical hand is also called from begins auto hand can imitate the manpower and arm s certain holding function with by presses the fixed routine to capture the transporting thing OR operation tool s automatic operation installment It may replace person s strenuous labor to realize the production mechanization and the automation can operate under the hostile environment protects the personal safety thus widely applies in departments and so on machine manufacture metallurgy electron light industry and atomic energy The manipulator is mainly composed of the hand and the motion The hand is uses for to grasp holds the work piece or tool the part according to is grasped holds the thing shape the size the weight the material and the work request has many kinds of structural styles like the clamp the request hold and the adsorption and so on The motion causes the hand to complete each kind of rotation swinging the migration or the compound motion realizes the stipulation movement changes is grasped holds the thing position and the posture Motion s fluctuation the expansion revolving and so on independence movement way is called manipulator s degree of freedom In order to capture in the space the optional position and the position object must have 6 degrees of freedom The degree of freedom is the key parameter which the manipulator designs The degree of freedom are more manipulator s flexibility is bigger the versatility is broader its structure is also more complex Generally the special purpose manipulator has 2 3 degrees of freedom The manipulator s type may divide into the hydraulic pressure type the air operated according to the drive type electromotive type the mechanical manipulator May divide into the special purpose manipulator and the general purpose manipulator two kinds according to the applicable scope May divide into the position control and the continuous path according to the path control mode controls the manipulator and