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【JX18-79】浇铸机械手设计(二维+论文)

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中间座A3.dwg
回转油钢主轴A4.dwg
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手部A0.dwg
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JX18-79 【JX18-79】浇铸机械手设计二维+论文
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【JX18-79】浇铸机械手设计(二维+论文),JX18-79,【JX18-79】浇铸机械手设计二维+论文
内容简介:
I摘要本文简要介绍了工业机器手的概念,机械手各个部件的整体尺寸设计以及其在工业生产中所起的巨大作用。本文着重对机械手进行总体方案设计,确定了机械手的坐标形式为类似球坐标式液压驱动机械手和 3 自由度,确定了机械手的技术参数,了解自动浇铸机械手的工作原理及结构特点。它主要由手臂,手臂回转支架,倾倒机构,浇包,倾倒油缸,回转油缸,底座及升降油缸等组成。同时,设计了机械手的夹持式手部结构,设计了机械手的手腕结构,计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转液压缸的驱动力矩。通过此次毕业设计,了解了机械手的组成,结构和工作原理,培养了自己综合运用所学的基础理论和基础知识进行分析和解决实际问题的能力,为以后学习和工作奠定了基础。关键词: 工业机械手 机械手 浇铸机械手IIAbstractThis paper briefly introduces the concept of industrial robot hand, the overall size design of various parts of manipulator and its great role in industrial production. This paper focuses on the overall scheme design of the manipulator, and determines the coordinate form of the manipulator as a spherical coordinate hydraulic driver and 3 degrees of freedom, determines the technical parameters of the manipulator, and understands the working principle and structural characteristics of the automatic casting manipulator. It is mainly composed of arm, arm rotation support, dumping mechanism, pouring ladle, dumping cylinder, rotary cylinder, base and lifting cylinder. At the same time, the holding hand structure of the manipulator is designed, the wrist structure of the manipulator is designed, the driving torque required by the wrist rotation and the driving torque of the rotary hydraulic cylinder are calculated. Through this graduation design, we know the composition, structure and working principle of the manipulator, and cultivate the ability to analyze and solve practical problems by using the basic theory and basic knowledge that we have learned, and lay the foundation for the future study and work.KEY WORDS:industrial robot;manipulator;pouring manipulator.III目录摘要.IABSTRACT .II第 1 章 绪论.51.1 引言 .51.2 国内外机械手领域研究现状及发展趋势.51.3 机械手发展趋势 .6第 2 章 总体技术方案及系统组成.72.1 原理与组成 .72.2 工作原理 .72.3 总体技术方案.82.3.1 动作分析.92.3.2 机械手手部.9第 3 章 手指与手腕结构设计.113.1 手指的形状和分类 .113.1.1 设计时考虑的几个问题.113.2 手腕的驱动力矩 .123.2.1 倾倒运动驱动力的计算.123.3.2 倾倒液压缸工作压力和结构的确定.133.3.2 臀部和机身.133.3.4 轴设计与计算.203.3.5 轴承设计.243.3.6 键的选择计算.26第 4 章 液压系统设计.294.1 液压系统的组成和型式.294.2 液压传动与控制的优缺点.294.2.1 优点.29IV4.2.2 缺点.294.3 液压系统设计液压系统设计.304.3.1 明确设计要求.304.3.2 总体规划、确定液压执行元件.304.3.3 明确液压执行元件的载荷、速度及其变化规律.304.3.4 确定系统工作压力.314.3.5 草拟液压系统原理图.314.3.6 液压缸的主要性能参数.314.3.7 液压缸主要零件设计.32结 论.36参考文献.37谢 辞.395第 1 章 绪论1.1 引言机械手技术是一种高新技术综合了计算机,控制理论,机制,技术,人工智能信息和传感器,多个学科和仿生学的学科。其实质是全面感知,决策,行动和互动四技术,是广泛应用于当代研究中。机械手应用水平是一个国家工业自动化水平的重要指标。工业机械手不仅具有机械本体,控制器,伺服驱动系统和检测传感装置,可在三维空间内实现仿人操作,可自动控制,重复编程,可完成自动生产设备的各种操作。机械手的应用领域主要集中在汽车行业,占现有机械手总数的 2.89%。二是家电制造业,约占 16.4%,而化学工业占 11.7%。此外,工业机械手在食品,医药,家电更多的应用,航空航天、金属加工等。随着工业机械手的迅速发展,其应用领域开始扩大从制造业向非制造业发展,在原有的制造业的同时也在不断深入,加工领域深化,扩大。在一般情况下,机械手系统可以分为以下四个部分:l)机械本体、执行机构:包括机身,动力机制,运行机制,框架,机械连接的内部支撑结构。2)动力部分:包括电源,电机及其驱动电路。3)检测传感装置:包括传感器及相应的信号检测电路。4)控制及信息处理装置:由机械手控制系统的硬件,软件。1.2 国内外机械手领域研究现状及发展趋势(1)工业机械手性能不断提高(高速度,高精度,高可靠性,操作和维修方便) ,和制造的成本不断下降,从 91 年的 103000 美元到 2005 年的 50000 美元的平均制造价格。(2)机械结构向模块化,可重构的发展。例如,伺服电机,减速器,检测系统的关节模块中的三个关节模块,集成连接模块;利用工程机械手重组形式;国外有一个模块化的装配机械手产品问市。6(3)工业机械手控制系统在基于 CP 机,开放式控制系统方向发展,易于标准化,网络设备的集成度提高,控制柜变得更加紧凑,采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性,可操作性和可维护性。(4)传感器在机械手成为越来越重要的作用,除了使用的位置,速度,加速度传感器的传统,装配,焊接机械手也用于视觉,触觉传感器,同时使用视觉,听觉的远程控制机械手,融合技术力量,环境建模和决策控制的触觉和其他多传感器;多传感器融合技术已在生产系统中的一个成熟的应用配置。(5)虚拟现实技术在机械手的角色也从仿真,开发预览的过程控制,如在远程工作环境的感觉产生的远程控制机械手操作机械手。(6)的远程控制机械手的现代系统发展的特点是不充分的自主控制系统人机交互的追求,而是致力于操作者和机械手,即远程监控远程操作系统和地方自治制度形成一个完整的,使机械手走出实验室进入实用阶段。最著名的例子是美国旅居者”机械手在火星”是成功应用的发射系统。(7)机械手化机械开始兴起。自 1994 以来,美国开发的“虚拟轴机床, “这一新装置已成为国际研究的热点,研究探讨其应用领域。1.3 机械手发展趋势随着现代化生产技术的提高,机械手设计生产能力进一步得到加强,尤其当机械手的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合,从而改变目前机械制造的人工操作状态,提高了生产效率。 就目前来看,总的来说现代工业机械手有以下几个发展趋势: a)提高运动速度和运动精度,减少重量和占用空间,加速机械手功能部件的标准化和模块化,将机械手的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机械手; b)开发各种新型结构用于不同类型的场合,如开发微动机构用以保证精度;开发多关节多自由度的手臂和手指;开发各类行走机械手,以适应不同的场合;c)研制各类传感器及检测元器件,如,触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等,用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划,同时,7越来越多的系统采用微机进行控制。8第 2 章 总体技术方案及系统组成2.1 原理与组成本次设计的自动浇铸工业机械手,是用于冷室压铸机浇铸铝合金溶液。它属于类似球坐标式液压驱动机械手。它主要由手臂、手臂回转支架、倾倒机构、倾倒油缸、回转油缸、底座及升降油缸等组成。要适应压铸机压铸不同零件或控制零件最佳加工余量的需要,浇铸机械手的浇包容量必须能够调节。具体的调节是:大容量调节一般采用的办法是更换浇包,更换浇包时只要松开螺钉就可以;小容量调节,调节电极与金属液面的间距就能实现;也可通过调节螺钉,使浇包呈不同的倾斜角度,达到微量调节的目的。浇注机械手设备配备4、6、8 公斤三种容量的浇包,结构相同,只是尺寸存在差异。用途:用于冷室压铸机浇铸铝合金溶液。规格参数:浇包的最大容量: 8 公斤;自由度: 3 个;坐标类型: 类似于球坐标;手臂运动参数:回转角(): 110;俯仰角(): 54;浇包的最大倾转角(1): 70;驱动方式: 液压;控制方式: 继电器固定程序控制。92.2 工作原理浇铸机械手(即浇包)在等待浇铸过程之初,需要停在保温炉坩埚的金属液面上方,进行保温。随着压铸机慢速合模,压铸机的电控装置发出信号,机械手升降油缸工作,浇包下降将浸入液态金属内,当电极接触金属液面,电压继电器发出信号,浇包下降过程停止,此时时间继电器控制浇包,待装满液态金属后,浇包进入上升过程,其间将多余的金属溶液从浇包的后挡板溢出,至浇包底面超过保温炉坩埚的最高点,碰到最后一个限位开关后停止回转。待到压铸机模具合严后,机械手实施倾倒油缸动作,由绳索拉动倾倒机构带动浇包施行翻转倒料。2.3 总体技术方案毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来,并进行灵活运用。现在的发展趋势是机电一体化,因此,我们的毕业设计是要我们将“机、电、液”三者合并起来。“机”即是指机械,机械手的动作过程可以分五部分,即机械手的上升下降、机械手的前伸后缩、机械手的加紧放松、机械手的左转右转、小车的前进这五部分中我们靠机械完成机械手的上升下降动作,即本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。“电”即是指电磁铁,机械手通过电磁换向阀电磁铁的动作来实现控制机械手的动作,完成浇包上升、手臂正传、手臂反转和浇包下降等动作。“液”即是指液压,通过液压控制系统,机械手按程序、轨迹要求,完成手臂回转和俯仰动作等。液压系统的优点:1. 电磁阀换向方便、灵活;2. 回油路节流调速,平稳性好;3. 平衡回路,防止手臂自行下滑或超速;4. 卸荷回路,节省功率,效率利用合理。滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠,使螺纹间产生滚10动摩擦。丝杆传动是带动滚珠沿螺纹轨道滚动。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运动副相比,有以下特点:1) 传动效率高一般滚珠丝杠副的传动效率达 85%-98%,为滑动丝杠副的 3-4 倍。2) 运动平稳滚动摩擦系数接近常数,启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击,低速时无爬行。3) 能源预紧预紧后可消除间隙产生过盈,提高接触刚度和传动精度。同时增加的摩擦力矩相对不大。4) 工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度,具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠副的 4-10 倍以上。5) 定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙,通过预紧进行预拉伸的补偿的膨胀,因此,可以达到较高的定位精度和重复定位精度。6) 同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件。可以得到较好的同步运动。7) 可靠性高润滑密封装置结构简单,维修方便。8) 不自锁用于垂直运动,必须在系统中附加自锁或制动装置。9) 经济性差,成本高由于结构工艺复杂,故制造成本高价格往往以 mm 计。经过计算,选择如下:电动机型号:Y250M-2;功率:55Kw;丝杠型号:Tr407。112.3.1 动作分析工业机械手的机械机构是指它的执行系统,是机械手抓持工件、进行操作及各种运动的机械部件。机械部件主要包括手部,手臂前后伸缩部分,手臂上下升降部分腰转部分以及机座和行走机构。2.3.2 机械手手部手部包括杠杆手指,单向作用式握紧油缸等。其工作原理:物体进入手指后,拉杆手油缸作用,通过拉杆带动杠杆手指回转,实现握紧或松开动作。本课题液压机械手的手部结构(如图 2 所示):图 2 齿轮齿条式手部结构1)手臂的前后伸缩部分手臂的前后伸缩部分由直线油缸带动实现。当直线油缸工作时通过活塞杆行程的变化,完成手臂的伸缩运动。2)手臂的上下升降部分手臂的上下升降部分是由电动机、丝杆传动副、立柱等部分组成。当电动机工作时,通过联轴器转动丝杆,由于丝杆螺母周受到立柱的径向转动限制,使得螺母及手臂架只能作上下运动。3)腰转部分腰转部分主要由转盘和回转油缸组成。当压力油进入回转油缸时,回转油缸的回转轴回转,通过活塞杆的伸缩带动转盘的转动,从而实现机械手的左右转动。124)行走机构行走机构主要是由电动机、齿轮、带轮等组成。当电动机工作时,通过齿轮、带轮的传动,带动小车的轮子转动,从而实现行走。13第 3 章 手指与手腕结构设计3.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种,其中常用的有两指式、多指式和双手双指式;按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种;按模仿人手手指的动作,手指可分为一支点回转型,二支点回转型和移动型(或称直进型),其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时,就变成了一支点回转型手指。同理,当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时,就成为移动型。回转型手指开闭角较小,结构简单,制造容易,应用广泛。移动型应用较少,其结构比较复杂庞大,当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置,能适应不同直径的工件。3.1.1 设计时考虑的几个问题1. 具有足够的握力(即夹紧力)。在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。2. 手指间应具有一定的开闭角。两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。3. 保证工件准确定位。为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指,以便自动定心。4. 具有足够的强度和刚度。手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,当应尽量使结构简单紧凑,自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手14腕的扭转力矩最小为佳。5. 考虑被抓取对象的要求。根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是一支点,两指回转型,由于工件多为圆柱形,故手指形状设计成V型。3.2 手腕的驱动力矩1手部驱动力计算手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动,克服手腕起动时所产生的惯性力矩,手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩,动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩,将是驱动手腕回转时必须做到的。手腕受力的示意图(如图3所示):图3手碗回转时受力状态(1.工件 2.手部 3.手腕)3.2.1 倾倒运动驱动力的计算手臂作伸缩运动时,除克服摩擦阻力Fm和惯性力Fg之外,还要克服浇包和液态金属的重力G,故其驱动力:.3.1GFFFgm密封装置处的摩擦阻力:不同的密封圈其摩擦阻力不同,在手臂设计中,采用 O 型密封,当液压缸工作压力小于 10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为:15.3.2FF3 . 0惯倾倒液压缸惯性力的计算:本设计要求活塞运动速度,在计smmv/200算惯性力时,设置启动时间smm83VV3.3NtgvGF05. 4总惯NG7 .2331。NF75.23357 .233105. 4=+=3.3.2 倾倒液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算,确定了液压缸驱动力 ,选择液压缸的工NF85.2335作压力,。MPa8 . 0P mmd16确定液压缸结构尺寸:, 。421DPFF4222dDPFF当油进入无杆腔中, 3.4421DPFF当油进入有杆腔中,.3.5422DPFF液压缸的有效面积:.3.61PFS 故有 (无杆腔) .3.71113. 14PFPFD (有杆腔).3.8214dPFD,。 85.2335Fpap61108 . 0选择机械效率 , 95. 0将有关数据代入:。mmD633.3.2 臀部和机身手臂部件是机械手的主要传动部件。它的作用是支承腕部和手部(包括工件或工具)并带动它们作空间运动。16臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位) ,则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求,即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或气缸)和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身运动又较多,故受力复杂。因而,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动件都安装在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此,臂部的运动愈多,机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定的,也可以是行走的,即可以沿地面或架空轨道运动。1臂部设计的基本要求臂部设计首先要实现所要求的运动,为此,需满足下列各项基本要求。1)臀部应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂部或机身的承载能力,通常取决于其刚度。以臂部为例,一般结构上较多采用悬伸梁形式(水平或垂直悬仰) 。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大,则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力等影响很大。为提高其刚度,除尽可能缩短臂杆的悬仰长度外,尚应注意以下几方面。(1)根据受力情况,合理选择截面形状和轮廓尺寸。臂部和机身通常既受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲) ,也受扭转,应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。在截面积和单位重量基本相同的情况下,钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以,机械手常用无缝钢管作为导向杆,用工宇钢或槽钢作为支撑板,这样既提高了手臂的刚度,又大大减轻了手臂的自重,而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动机构以及管道,这样就使结构紧凑,外形整齐。(2)提高支承刚度和合理选择支承间的距离。臂杆或机身的变形量不仅与本身刚度有关,而且与支承件的刚度和支承件间的距离有很大关系。(3)合理布置作用力的位置和方向。17在结构设计时应结合具体受力情况,设法使各作用力引起的变形相互抵消。(4)注意简化结构。在设计臂部时,元件越多,间隙越大,刚性就越低,因此应尽可能使结构简单,要全面分析各尺寸链,在要求高的部位合理确定调整补偿环节,以减少重要部件的间隙,从而提高刚度。 (5)提高配合精度。 水平放置的手臂,要增加导向杆的刚度,同时提高其配合精度和相对位置精度,使导向杆承受部分或大部分自重和抓取重量。提高活塞和缸体内径配合精度,以提高手臂前伸时的精度。2臂部运动速度要高,惯性要小。机械手手臂的运动速度是机械手的主要参数之一,它反映机械手的生产水平,一般根据生产节拍的要求来决定。确定了生产节拍和行程范围,就确定了手臂的运行速度(或角速度) 。在一般情况下,手臂的移动和回转、俯仰均要求匀速运动( 和 为常数) ,但在手臂的起动和终止瞬间,运动是变化的,为了减少冲击,要求起动瞬间的加速度和终止前减速度不能太大,否则引起冲击和震荡。为减少转动惯量,应采取以下措施:1)减少手臂运动件的重量,采用铝合金等轻质高强度材料。2)减少手臂运动件的轮廓尺寸。3)减少回转半径 ,在安排机械手动作顺序时,先缩后回转(或先回转后伸)尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。4)驱动系统中设有缓冲装置。3手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力,尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手,其传动件、导向件和定位件布置应合理,使手臂运动过程尽可能平衡,以减少对升降支承轴线的偏心力矩,特别要防止发生“卡死”的现象(自锁现象) 。为此,必须计算使之满足不自锁的条件。手臂在的作用下有向下的趋势,而立柱导套有防止这种趋势。总G由力的平衡条件有:1821RRFF 总GFRh1 .3.9h21总GFFRR所谓的不自锁条件为: f221121RFFFFG总即: fh2总总GG 所以: fh2取,则: 16. 0f32. 0h当时,。mm1650mm52832. 0因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于 528mm。4位置精度更高。一般来说,直角和圆柱座标式机械位置精度较高;关节式机械手的位置最难控制,故精度差;在手臂上加设定位装置和检测机构,能较好地控制位置精度,检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件的间隙。除此之外,要求机械手通用性好,能适合多种作业的要求;工艺性好,便于加工和安装,用于热加工的机械手,还要考虑隔热、冷却;用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。这些要求往往是相互制约,设计时应全面分析各方面要求,综合考虑。5升降运动驱动力的计算。手臂作垂直运动时,除克服摩擦阻力和惯性力之外,还要克服臂部mFgF运动部件的重力,故其驱动力可按下式计算:qF.3.10WFFFgmq式中 :各支承处的摩擦力(N) ;mF启动时惯性力(N)可按臂伸缩运动时的情况计算;gF臂部运动部件的总重量(N) ;W 上升时为正,下降时为负。当,Fm=40N,,时: 40mF100gF1098W19。 1238109810040qF图 4 液压缸 .3.11421DPFF当油进入有杆腔中, .3.124222dDPFF液压缸的有效面积: mmmdFD1001 . 002. 095. 0*10*8 . 0*14. 33580*495. 0*10*8 . 0*14. 342526.3.131PFS 故有 (无杆腔)3.141113. 14PFPFD (有杆腔)3.15214dPFD,选择机械效率 3580FPaP6110295. 0将有关数据代入:mmmdFD1001 . 002. 095. 0108 . 014. 33580495. 0108 . 014. 342626选择标准液压缸内径系列,选择。mm100D液压缸外径的设计根据装配等因素,考虑到液压缸的臂厚在 6mm,所以该液压缸的外径为106mm。活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞(或液压缸)运动的要求和强度要求。对于杆长L 大于直径 d 的 15 倍以上,按拉、压强度计算:20 3.16 24dF设计中活塞杆取材料为碳钢,故,活塞杆直径 MPa101006现在进行校核:mmd20。MPadF662210100104 .1102. 014. 3358044结论: 活塞杆的强度足够。6机身回转机构的设计计算1)回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩,应该与手臂运动时所产生的惯性力矩驱M及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡。惯M阻M.3.17回阻惯驱MMMM惯性力矩的计算:.3.18t00WJJM惯式中: 回转缸动片角速度变化量() ,在起动过程中=rad s;t起动过程的时间(s);手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量(0J) 。2N m s若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为,则.3.1920gGJJC式中:回转零件的重心的转动惯量。 cJ12332222RlmRlmJZC回转部件可以等效为一个长 820mm,直径为 1720mm 的圆柱体,质量为72Kg.设置起动角度,则起动角速度,起动时间设计为180srad341. 00.1s。;22234.17123smRlmJC21;222025.5386. 07234.17smmJJC。mJJM221614. 325.5300惯密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下,由于回油背差一般非驱阻MM3 . 0常的小,故在这里忽略不计。经过以上的计算。m6 .221驱M回转缸尺寸的初步确定: 设计回转缸的静片和动片宽,选择液压缸的工作压强为 8Mpa。dmmb80为输出轴与动片连接处的直径,设,则回转缸的内径通过下列计算:mmd80 .3.202dbp8驱MD;mm170D既设计液压缸的内径为 。mm170液压缸盖螺钉的计算:因为回转缸的工作压力为,所以螺钉间距 t 小于,根据初步估算,MPa8mm80 ,,所以缸盖螺钉的数目为mm8 .53317014. 3 DLt5 .786471tZL一个面 6 个,两个面是 12 个。危险截面222220044. 0)04. 0085. 0(14. 3mrRS所以 7 .58660044. 0108 . 06ZPSFQ8807 .5865 . 1QQSKFF7 .14667 .5868800QF螺钉材料选择 Q235,则().3.21 MPanS2002 . 12405 . 22 . 1n螺钉的直径:。 mmFdQ101020014. 37 .14663 . 143 . 1460螺钉的直径选择。选择 M10 的开槽盘头。mmd1019螺钉经过以上的计算,需要螺钉来连接,最终确定的液压缸的截面尺寸是内径为 170mm,外径为 220mm,输出轴径为 80mm。22动片和输出轴间的连接螺钉:动片和输出轴之间的连接结构如图 12。连接螺钉一般为偶数,对称安装,并用两个定位销定位。连接螺钉的作用:使动片和输出轴之间的配合紧密。 .3.222d822ZfFMdDbpQ摩于是得: 22d4bpDZfdFQ式中: 每个螺钉预紧力;QFD 动片的外径;F 被连接件配合面间的摩擦系数,刚对铜取 f=0.15。螺钉的强度条件为: 2d43 . 1QF 3.23 QF4d1带入有关数据,得。750008. 0-17. 008. 015. 044108 . 008. 0d4bp22622DzfdFQ螺钉材料选择 Q235,则() 。 Mpans2002 . 12405 . 22 . 1n螺钉的直径。mmd8 . 71020014. 375003 . 146螺钉的直径选择.选择 M8 的开槽盘头螺钉。8M3.3.4 轴设计与计算1概括:轴是组成机械的重要零件之一。它用来安装各种传动零件,使之绕其轴线转动,传递转矩或回转运动,并通过轴承与机架或机座相连接。轴与其上的零件组成一个组合体轴系部件,在轴的设计时,不能只考虑轴本身,必须和轴系零部件的整个结构密切联系起来。轴按受载情况分为:1)转轴:支承传动机件又传递转矩,即同时承受弯矩和扭矩的作用。232)心轴:只支承旋转机件而不传递转矩,即只承受弯矩作用。心轴又可分为固定心轴和转动心轴两种。3)传动轴:主要传递转矩,即主要承受扭矩,不承受或承受较小的弯矩。在本设计中为常用的圆形截面阶梯轴的设计。轴的设计应满足下列几方面的要求:在结构上要受力合理、尽量避免或减少应力集中,足够的强度(静强度和疲劳强度) ,必要的刚度,特殊情况下的耐腐蚀性和耐高温性,高速轴的振动稳定性及良好的加工工艺性,并应使零件在轴上定位可靠、装配适当和装拆方便等。通常设计程序为:(1)根据机械传动方案的整体布局,拟订轴上零件的布置和装配方案;(2)选择轴的材料;(3)初步估算轴的直径;(4)进行轴的结构设计,校核轴键联结强度及轴的弯矩强度;(5)对于重要的轴,应进行强度的精确校核计算;(6)必要时还要较核轴的刚度和临界转速;(7)根据上述计算结果修改设计;(8)绘制轴的工作图(零件图) 。2轴的常用材料应用于轴的材料种类很多,主要根据轴的使用条件,对轴的强度、刚度和其它机械性能的要求,采用热处理方式,同时考虑制造加工工艺,并力求经济合理,通过设计计算来选择轴的材料。轴的材料一般是经过轧制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢。对于较小的轴,可用圆钢制造;有条件的可直接用冷拔钢材;对于重要的,大直径或阶梯直径变化较大的轴,采用锻坯。为了节约金属和提高工艺性,直径大的轴还可以制成空心的,并且带有焊接的或锻造的凸缘。轴常用的材料是优质碳素结构钢,如 35、45 和 50,其中以 45 号钢最为常用。不太重要及受载较小的轴可用 Q235、Q275 等普通碳素结构钢;对于受力较大,轴的尺寸受限制,以及某些有特殊要求的轴可用合金结构钢。当采用合金结构钢时,应优先选用符合我国资源情况的硅锰钢、硼钢等。对于结构复杂的轴(例如:花键轴、空心轴等) ,为了保持尺寸稳定性和减少热处理变形可选用铬钢;对于大截面非常重要的轴可选用铬镍钢;对于高温或腐蚀条件下工作24的轴可选用耐热钢或不锈钢。3轴的结构设计原则轴的结构设计是确定轴的合理外径和全部结构尺寸,为轴设计的重要步骤。它与轴上安装的零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式,载荷的性质、方向、大小及分布情况,轴承的类型与尺寸,轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输,对轴的变形等原因有关。设计者可根据轴的具体要求进行设计,必要时可做几个方案进行比较,以便选出最佳方案。一般轴结构设计原则:1)节约材料,减轻重量,尽量采用等强度外径尺寸或大的截面系数的截面形状;2)易于轴上零件的精确定位、稳固、装配、拆卸和调整;3)采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施;4)便于加工制造和保证精度。4提高轴疲劳强度的结构措施轴有各种破坏形式,如疲劳、腐蚀、磨损、撞击、微动和蠕变等,但轴的破坏多数属于疲劳破坏,据统计,机器零件的破坏中有 80%的损坏是属于疲劳破坏,而轴类零件的破坏的比例则更高一些。疲劳破坏分高周(高循环)疲劳、低周(低循环)疲劳、微动疲劳和表面疲劳等。高周疲劳属于低应力(低于材料屈服极限,甚至弹性极限) 、长寿命(循环次数一般大于或)的情况下是疲劳破坏,是最常见的一种。通常称为疲410510劳。轴的疲劳破坏多属于此类。轴截面变化处(如轴肩、键槽和环槽等) ,会产生应力集中,疲劳破坏往往在此处发生,轴的工作表面应力最大,也会出现疲劳破坏,在轴的结构设计中,应力求降低应力集中的现象和提高轴的表面质量。降低应力集中的主要措施有:加大圆角、加内凹圆角、打横孔等多种。提高轴的表面质量包括降低轴的表面粗糙度,对轴表面进行处理,如热处理,机械处理和化学处理等。5轴的加工和装配工艺性进行轴的结构设计时,除考虑前面的各种因素外,同时还应考虑便于轴的加工、测量、装配和维修。通常要注意以下几个主要方面:251)考虑加工工艺所必须的结构要素(如中心孔、螺尾退刀槽、砂轮越程槽等) ;2)合理确定轴与零件的配合性质、加工精度和表面粗糙度;3)配合直径一般按 GB/T 2822-1981 圆整为标准值;4)确定各轴段长度时应尽可能使结构紧凑,同时还应保证零件所需的滑动距离、装拆或调整所需空间,并转动零件不得与其他零件相碰,与轮毂转陪的轴段长度一般应略小于轮毂,以保证轴向定位可靠;mm325)除特殊要求者外,一般轴上所有零件都应无过盈地达到配合部位;6)为便于导向和避免擦伤配合面,轴的两端及有过盈配合的台阶处应制成倒角;7)为了减少加工刀具的种类和提高劳动生产率,轴上的倒角、圆角、键槽等应尽可能取相同尺寸,或尽量减少不同尺寸的倒角、圆角、键槽的数量。6轴的计算此实心轴承的转矩 T 为: 3.24npT61055. 970101534.8311055. 936mm737.113393弯矩 M 为: 。mmFM14.27705120040228.55414200对于碳素结构钢和合金结构钢弯曲应力与扭应力的合成,可按第三强度理论求出。因此,可以应用公式来计算当量弯矩。22TMMe按脉动转矩计算:bb01由机械设计 (轴的许用应力)取,。401b700b计算当量弯矩 :26 21737.113393704014.277051eM。mm5213.284527计算应满足:3111 . 0bMd3401 . 05213.284527。mm4338.41圆整后取。mmd451轴中段轴径上有键槽,在此基础上,轴径增大 3%。 %3145 d%)31 (45+=d。mm35.46圆整后取。mmd50由于,21eeMM计算应满足: 31221 . 0beMd3401 . 014.277051。mm0667.41取整。mmd4223.3.5 轴承设计1轴承类型的选择:选择滚动轴承的类型与多种因素有关,通常根据下列几个主要因素,同时可参照机械设计手册第四版第二卷表 7-2-1、表 7-2-2 综合考虑。1)允许空间。2)载荷大小和方向。例如:既有径向又有轴向的联合载荷一般选用角接触27球轴承或圆锥滚子轴承,如径向载荷大,轴向载荷小,可选用深沟球轴承和内外圈都有挡边的圆柱滚子轴承,如同时还存在轴或壳体变形大以及安装对中性差的情况,可选用调心球轴承、调心滚子轴承;如轴向载荷大,径向载荷小,可选用推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承,若同时要求调心性能,可选用推力调心滚子轴承。3)轴承工作转速。4)旋转精度。一般机械均可用 G 级公差轴承。5)轴承的刚性。一般滚子轴承的刚性大于球轴承,提高轴承的刚性,可通过“预紧”,但必须适当。6)轴向游动。轴承配置通常是一端固定,一端游动,以适应轴的热胀冷缩,保证轴承游动公式,一是可选用内圈或外圈无挡边的轴承,另一种是在内圈与轴或者外圈与轴承孔之间采用间隙配合。7)摩擦力矩。需要低摩擦力矩的机械(如仪器) ,应尽量采用球轴承还应避免采用接触式密封轴承。8)安装与拆卸。装卸频繁时,可选用分离型轴承,或选用内圈圆锥孔的带紧定套或退卸套的调心滚子轴承,调心球轴承。2根据当量动载荷计算:有下面简图可知,算出车的回转半径:规定最大回转角为,前后轴矩为 0.7m。045轴承的轴向力: .3.25rvmFA2 27 . 020114002321DmmmmmmmFcdh27 . 02 . 014. 370901489 .1618471002.1659.312径向力: 。75.13844FFR按当量动载荷计算轴承型号:28在进行轴承计算时,必须把实际载荷转换为与确定额定动载荷条件相一致的当量动载荷,同时还必须考虑机械工作中的冲击、振动对轴承受载荷影响,应引入载荷性质系数。pf当量动载荷计算公式为: .3.26ARpPYFXFfF式中: X径向载荷系数; Y轴向载荷系数。由 注:i 为 1 列094. 033201659.31210CiFA由机械设计手册表 8.8-1(深沟球轴承尺寸与性能参数)查得;32. 30C由机械设计表 13-10 查得。28. 0e所以:。eFFRA225. 074.13841659.312即 X=1,Y=0。由机械设计表 13-11 查得: 。2 . 1pf计算得:。552.9307930.675075.138456. 02 . 1PF由机械设计手册表 8.8-1 查得:,KNCr65. 4所以:选型号 61809 的轴承合适。PrFC3.3.6 键的选择计算1键的选择类型和特点:类型:本设计中,选择普通 A 型平键,GB/T 1096-1979。特点:靠侧面传递转矩。对中性良好,装拆方便。不能实现轴上零件的轴向固定。A 型平键用于端面铣刀加工的轴槽,键在槽中轴向固定良好,但槽在轴上引起的应力集中较大。A 型平键应用范围最广,也适用于高精度、高速或承受变载、冲击的场合,如在轴上固定齿轮、链轮和凸轮等回转机构零件。292键联结的强度计算:键的剖面尺寸通常根据轴的直径已制定标准。对于薄壁空心轴、阶梯轴、传递转矩较小以及用于定位等特殊情况的,允许选用剖面尺寸较标准规定为小的键;有时,由于工艺需要也可以选用较标准规定为大的键。键的长度按轮毂长度从标准中选取,并按传递的转矩对长度进行验算。计算内容:根据轴的直径 d=50mm,由机械设计手册第四版第二卷,平键和键槽的剖面尺寸(GB/T 1095-1979)表 5-3-18 选择键的公称尺寸 bh 为 1610,键的长度根据推荐长度系列选择 L=36mm。键或键槽工作面的挤压或磨损: 公式:3.27)(2MPaDklTppp键的剪切力: 公式:3.28MPaDblTp2式中: T-转矩(Nm) ; D-轴的直径(mm) ; k-键于轮毂的接触高度(mm) ,平键取;2hk = -键的工作长度,对于 A 型键-b;lLl = b-键的宽度(mm) ; -键联结的许用挤压应力及许用挤压压强(MPa)pp查机械设计手册表 5-3-17, ;MPapp120100-键联结许用剪切力(MPa) ,p查机械设计手册表 5-3-17 取;MPap90计算得:;ppMPap3575.4520550737.113393230;pMPa1742.14201650737.1133932因此,选择此键符合要求。31第 4 章 液压系统设计4.1 液压系统的组成和型式为实现某种规定功能,由液压元件构成的组合,叫做液压回路。液压回路按给定的用途和要求组成的整体,叫做液压系统。液压系统通常由三个功能部分和辅助装置组成。液压系统按液流循环方式分,有开式和闭式两种。4.2 液压传动与控制的优缺点4.2.1 优点1同其他传动方式比较,传动功率相同,液压传动装置的重量轻,体积紧凑。2可实现无级变速,调速范围大。3运动件的惯性小,能够频繁迅速换向;传动工作平稳;系统容易实现缓冲吸震,并能自动防止过载。4与电气配合,容易实现动作和操作自动化;与微电子技术和计算机配合,能实现各种自动控制工作。5元件已基本上系列化、通用化和标准化,利于 CAD 技术的应用,提高工效,降低成本。4.2.2 缺点1容易产生泄漏,污染环境。2因有泄漏和弹性变形大,不易做到精确的定比传动。3系统内混人空气,会引起爬行、噪声和振动。4适用的环境温度比机械传动小。5故障诊断与排除要求较高技术。注:液压传动系统和液压控制系统在作用原理上通常是相同的,在具体结构上也多半是合在一起的,目前广泛使用的液压传动系统是属于传动与控制合在一起的开关控制系统。324.3 液压系统设计液压系统设计4.3.1 明确设计要求1明确主机用途、操作过程、周期时间、工作特点、性能指标和作业环境的要求。2明确液压系统必须完成的动作,运动形式甲执行元件的载荷特性、行程和对速度的要求。3动作的顺序、控制精度、自动化程度和连锁要求。4防尘、防寒、防爆、噪声控制要求。5效率、成本、经济性和可靠性要求等。设计要求是进行液压系统设计的原始依据,通常是在主机的设计任务书或协议书中一同列出。4.3.2 总体规划、确定液压执行元件液压执行元件的类型、数量、安装位置和与主机的连接关系,对主机的设计有很大影响,所以,在考虑液压设备的总体方案时,确定液压执行元件和确定主机整体结构布局是同时进行的。4.3.3 明确液压执行元件的载荷、速度及其变化规律在设计技术任务书阐明的主机规格中,通常能够直接知道作用于液压执行元件的载荷。但若主机的载荷是经过机械传动关系作用到液压执行元件上时,则需要经过计算才能明确。有时,例如进行新机型液压系统设计,其载荷往往需要由样机实测、同类设备参数类比或通过理论分析得出。当用理论分析确定液压执行元件的载荷时,必须仔细考虑其所有可能组成项目,如工作载荷、惯性载荷、弹性载荷、摩擦载荷、重力载荷和背压载荷等。根据设计一要求提供的情况,对液压系统作进一步的情况分析,查明每个液压执行元件在工作循环各阶段中的速度、载荷变化规律、绘制液压系统有关工况图。334.3.4 确定系统工作压力系统工作压力由设备类型、载荷大小、结构要求和技术水平而定。系统工作压力高,省材料,结构紧凑,重量轻,是液压的发展方向,但要注意治漏、嗓声控制和可靠性问题的妥善处理,具体选择参考表。4.3.5 草拟液压系统原理图液压系统原理图由液压系统图、工艺循环顺序动作图表和元件明细表三部分组成。1拟定液压系统图注意事项:1)不许有多余元件、使用的元件和电磁铁数越少越好。2)注意元件间的连锁关系,防止相互影响产生误动作。3)系统各主要部位的压力能够随时检侧;压力表数目要少。4)按国家标准规定,元件符号按常态工况绘出,非标准元件用简练的结构示意图表达。2拟定工艺循环顺序动作图表注意事项:1)液压执行元件的每个动作成分,如始动、每次换速、运动结束等,按一个工艺循环的工艺顺序列出。2)在每个动作成分的对应栏内,写出该动作成分开始执行的发信元件代号。同时,在表上标出发信元件所发出的信号是指令几号电磁铁或机控元件(如行程减速阀、机动滑阀)处于什么工作状态得电或失电、油路通或断。3)液压系统有多种工艺循环时,原则上是一种工艺循环一个表,但若能表达清楚又不会误解,也可适当合并。3编制元件明细表时,习惯上将电动机与液压元件一同编号,并填入元件明细表;而非标准液压缸不和液压元件一同编号,不填入元件明细表。4.3.6 液压缸的主要性能参数1压力1)公称压力,也称额定压力,是液压缸长期工作的压力,国家标准0p34GB7938-87 规定了液压缸公称压力系列。2)最高许用压力,也是动态试验压力,是液压缸在瞬间所能承受的极限压maxP力通常规定为1.5, (MPA)maxp0p3)耐压试验压力,是液压缸在检查质量时需承受的试验压力。在规定时间TP内,液压缸在此压力下,全部零件不得有破坏或永久性变形等异常现象。TP多数规范为:。05 . 1 PpT当额定压力16Mpa 时,05 . 1 PPT (MPa) ;0p当额定压力16Mpa 时,(MPa) 。0p025. 1PPT2活塞行程国家标准规定了液压缸活塞杆行程系列,见下表:表 1 液压缸活塞行程系列2550 8010012516020025032040050063080010001250160020002500320040003液压缸负载率 液压缸负载率 为实际使用推力与理论额定推力的比值 值是用以衡量液压缸在工作上的负载通常采用7 . 05 . 0。4.3.7 液压缸主要零件设计1缸筒1)缸筒的结构:缸筒的结构和端盖的连接形式,液压缸的用途,工作压力,使用环境以及安装要求因素有关。端盖分为前端盖和后端盖。前端盖将液压缸的活塞杆腔封闭,并起着活塞杆导向,防尘和密封的作用。后端盖将缸筒内腔一端封闭,并常常起着将液压缸与其它机件连接的作用。双活塞杆的液压缸则前后端盖其结构几乎是相同的,常用的缸筒与端盖的连接有拉杆,法兰,等其中焊接连接形式只使用与缸筒与后端盖的连接。352活塞活塞的结构形式:活塞根据压力,速度,温度等工作条件来选用密封件的形式,而选取的密封件的形式决定了活塞的结构形式 ,无导向环的活塞选用高强度铸铁,球墨铸铁等。1)缸筒计算单活塞杆液压缸缸筒内径的计算根据液压缸的供油压力和负载,缸筒的内径 D 可以按照下列公式计算。液压缸负载为推力时: .4.1611014. 34DFD式中: -液压缸实际使用推力或拉力;1DF -液压缸负载率 , 一般取;7 . 05 . 0 -液压缸总效率,一般取;9 . 07 . 0 P-液压缸的供油压力,一般为系统压力; d-活塞杆直径。2)活塞杆:活塞杆的结构:活塞杆的杆体分为实心杆和空心杆两种,实心杆加工简单,采用较多。空心杆多用于直径比值较大或杆体内有传感器的场合。 (1)活塞杆的直径计算初步确定活塞杆直径 d对于双作用单活塞杆的液压缸,其活塞直径 d,可根据往复运动速度比 的要求,初步按下列公式计算,(m) 。1 Dd 式中:D-缸盖内径; -速度比。若没有速度比的要求,可根据液压缸的工作压力和拉力要求,计算其直径,计算出结果后应圆整。(2)活塞杆的强度计算在活塞的强度计算中,通常以液压缸的活塞杆端部和缸筒后端盖均为耳环36铰接式的安装方式作为基本情况来考虑。并令活塞杆全部伸出时,活塞杆的端部与负载连接点与液压缸支承点间的距离设为。DL当10d 时,液压缸为短行程型,主要应验算活塞杆的压缩和拉伸强度。DL .4.251014. 3aFnd式中: F-液压缸的最大推力; -材料的屈服强度; -安全系数,一般取 2-4;snsn d-活塞杆直径。应尽量避免活塞杆承受力矩,如果在工作时,活塞杆所承受的弯曲力矩不可以忽略时,要对活塞杆弯曲稳定进行验算。(3)活塞杆弯曲稳定性验算当时,需考虑活塞杆的弯曲稳定性的验算活塞杆通常是细长dlD1510杆体,因此,活塞杆体的弯曲计算一般可按欧拉公式进行计算。活塞杆弯曲失稳临界负荷,可以按以下公式计算: KF (N).4.322120291810DrrKLKCEJMCF在超过弯曲失稳临界负载时,活塞杆将纵向弯曲。因此,活塞杆最大工作负KF荷可以安以下公式计算: .4.4KKnFF 式中: K-活塞杆材料弹性模数; J-活塞杆横截面惯性矩; K-安装及导向系数; -安全系数, 一般取 3.5;kn -安装距。DL37活塞杆材料:表 2 活塞杆常用材料及机械性能见下表材料牌号机械性能机械性能机械性能热处理表面处理3552031015调质镀铬4560034013调质镀铬350rC M100085012调质镀铬189irCN50020045淬火(4)活塞杆的加工要求活塞杆表面需镀硬铬,防腐要求特别高的
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本文标题:【JX18-79】浇铸机械手设计(二维+论文)
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