凸轮轴磨床上下料机械手设计 【图纸丢失、只有论文】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘  要  在对工业机械手总体构思和结构分析的基础上，结合 上下料 机械手的给定要求和功能，对机械手结构进行了系统的分析、设计和计算，并拟定了整体驱动系统和控制系统。   采用机电一体化设计思想，充分考虑机、电、软、硬件各自特点进行互补优化， 对机械手整体结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计。  在结构设计的过程中结合以往机械设计的经验确定了机械手的详细尺寸。在标准件的应用中，充分考虑实际情况和标准件的应用准则进行了选用。由于该机械手采用液压驱动，在油路的布置和规划中结合机械制造的基础，不但使油路符合制造的 可行性，而且将油路布置成空间结构，是机械手的结构更加简洁和紧凑。   在传动系统和驱动装置的设计中，结合各个液压缸的动作，对液压油的流量和压力进行了分析，结合液压原理中各种常用回路的功能和各液压元件的选用原则，制定出了一套完整的液压系统。   在控制系统的设计过程中，采用 程开关的开合作为中间动作信号，在加上 出了一份有不同功能模块的梯形图。   通过以上各部分的工作，得出了实用化、高可靠性通用机械手的设计方案，对其他类型的数控系统的 设计也有一定的借鉴价值。   关键词：机械手；结构设计；驱动系统；   买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 to he in s in on s to up of on to on in s to s In on s in to to is s is is In in s s on to in of s a of n s LC to on LC s to on to 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of s to s s  文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 目  录  摘要  . I .  绪论  . 1 械手简介及其应用  . 1 2 凸轮轴磨床上下料机械手的总体设计  . 4 械手 的组成及各部分关系概述  . 4 行机构  . 4 动机构  . 5 制系统  . 6 体方案拟定  . 6 轮轴上下料机械手的主要技术参数  . 7 3 凸轮轴磨床上下料机械手机械系统设计  . 9 部  . 9 部结构设计  . 9 部  . 12 部  . 13 臂伸缩缸的结构设计  . 14 臂伸缩缸的设计计算  . 14 臂回转缸结构设计  . 19 臂回转力矩的计算  . 21 臂回转缸的设计计算  . 22 4 凸轮轴磨床上下料机械手 的液压驱动系统设计  . 25 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 序控制机械手的液压系统  . 25 压系统传动方案的确定  . 26 液压缸的换向回路  . 26 速方案  . 26 速缓冲回路  . 27 压系统的合 成和完善  . 28 5 凸轮轴磨床上下料机械手的 制设计  . 30 入输出接口端子分配图  . 30 态流程图  . 31 图 5. 32 制面板图  . 32 制梯形图  . 32 结束语  . 36 致谢  . 36 参考文献  . 37 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 绪论  机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是工业机器人的一个重要 分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 工业机械手的发展离不开工业自动化的需要和发展。工业机械手作业与周围环境有很强的交互作用，这与数控机床之类的设备有明显的不同。机电一体化是以电子技术特别是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一中综合性的高技术。机械手就是通过这种技术产生出来的机电一体化产品，它在工业、农业、国防、医疗卫生、办公 自动化以及生活服务等许多领域获得越来越多的应用。   究背景  类、盘类、环类）自动线   一般都采用机械手在机床之间传送工件。国内已建成的这类自动线很多，如沈阳手泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的 4号和 5号电动机轴加工自动线（轴类），上海拖拉机齿轮厂的齿坯加工自动线（盘类）等。   加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的汽缸盖加工自动线转位机械手。    1）各类半自动车床，有自动夹紧、进刀 、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用最多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二机床厂的自动循环液压仿形车床机械手，沈阳第三机床厂的 海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面使用已有成熟的经验，国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械手，或为用户自行安装机械手提供条件。   买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 2）注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。   3）冲床有自 动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是 160沈阳低压开关厂 20000一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进，如上海第二汽车配件厂的灯壳冲 压生产线机械手（生产线中有两台多工位冲床）和天津二轻局技术研究所制作的 120  、焊、热处理等热加工方面   在模锻方面，国内大批量生产的 3t、 5t、 10所配的转底炉，用 两只机械手成一定角度布置在炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。   总的来说，工业机械手满足了社会生产的需要，其主要特点是：   1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。   为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、锻造 、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，推广工业机械手或机器人。   2）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。人在连续工作几小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，即能胜任长时间的单调重复劳动。   3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。   4）机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好地适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置（或轨迹）能够十分灵活快速地 予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能，在中、小批量的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 自动化生产中，最能发挥其作用。   5)采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。   机器人学是一门迅速发展的前沿学科。 机械手是机器人的一个部分。 其特点之一是综合、交叉，涉及的领域广泛 ;另一特点是发展迅速、日新月异，尚待研究的问题层出不穷。机器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传 感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果。世界经济的发展与各行业对自动 化程度要求的提高，推动着机器人技术迅速发展，出现了各种各样的机器 手 产品。随着机器人功能和性能的不断改善和提高，机器 手 的应用领域日益在扩大，现已广泛应用于制造业、农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。机器人技术的研究与应用水平，反映着一个国家的经济实力和科技发展水平。   不管当今科技是多么的发达，在中国目前机械制造业的大前提下很多企业对高新技术也只是 “量力而行 ”。而更有一些企业迫于生计和目前的状况，自动化的实现和工业机器人的引进也只是在计划书中说说罢了，更别谈整套自动化生 产线了。所以一些企业逼不得已求其次，即在传统生产线上实现个别工序的自动化，在机床之间装上几台机械手，而在一段时间的实践中也确实得到了实惠，为他们改革自身的生产线增添了信心。所以目前对通用机械手的研究是很有价值的，各种规格和形状的机械手一旦做出来就马上可以投入到生产线。而在制产品基于以往的加工工艺，它们的精度依赖于加工过程中的定位，所以对机械手的定位要求并不高，没有太大的技术难题，拥有液压系统本身的刚度就行了。所以通用机械手的应用在一定程度上填补了目前机械制造业自动化的不足。   该机械手结构合理，性能完善，必 将加速产品化的进程 ;改善工人的劳动环境，降   低了工人的劳动强度 ;大大提高了劳动生产率    为一 凸轮轴磨床上下料 自动线设计一机械手，该机械手用于把 凸轮轴 从一台机床传递到下一台机床，并能实现左右、上下、小臂旋转、爪加紧与放松 4个动作。已知零件的直径为 40 60量为 7  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 2 凸轮轴磨床上下料机械手 的总体设计  组成及各部分关系概述   工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的，各部关系如图 2 2    图 2 2 执行机构  1. 手部  即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型 (为回转型，因其结构简单）。手爪多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可用负压式或真空式的空买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 气 吸盘（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘 传力机构型式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。   2. 腕部  是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位（即姿态）。它可以有上下摆动，左右摆动 和绕自身轴线的回转三个运动。如有特殊要求（将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等），手腕还可以有一个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部自由度。   3. 臂部  手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是带动手指去抓取物体，并按预定要求将其搬到预定的位置。   手臂有三个自由度，可采用直角坐标（前后、上下、左右都是直线） ,圆柱坐标（前后、上下直线往复运动和左右旋转），球坐标（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸屈）四种方式。   直角坐标占空间大，工作范围小，惯性大，其优点 是结构简单、刚度高，在自由度较少时使用。   圆柱坐标占空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取底面物体。   球坐标式和多关节式占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体，多关节还可以绕障碍物选择途径，但多关节式结构复杂，所以也不常用。   动机构   有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在 300N 以下。液动式的出力大，臂力可达 1000可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业 机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在 1前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 制系统   有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁带磁盘、穿孔卡等记录程   序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特征。   工业机械手的主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。根据设计要求，总体设计方案示意图如图 2用直角坐标式，可 实现 左右、上下、小臂旋转、爪加紧与放松 4个动作。   直角坐标式机械手主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业，大约占工业机器人总数的 14%。一般直角坐标式机械手的手臂能垂直上下移动（ 并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动（ 方向运动）。直角坐标式机械手主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定。   直角坐标式机械手的优点是：   （ 1）结构简单。   （ 2）容易编程。   （ 3）采用直线滚动导轨后，速度高，定位精度高 。   （ 4）在 X、 三个坐标轴方向上的运动 没有耦合作用 。   买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 图 2主要技术参数  工业机械手的规格参数，是说明机械手规格的具体指标，一般包括以下几个方面：   1）抓重（又称臂力）： 7  2）自由度数目和坐标形式：自由度 2个，坐标形式为直角坐标式。   3）定位方式：行程开关。   4）驱动方式：液动。   5）手臂运动参数：见表 2 表 2运动名称  符     号  行程范围 （ 0） 速度 mm/s 或（ 0/s） 升降  Z 16400mm/s 小臂旋转  1  900 900/s 6)手指夹持范围和握力（即夹紧力）： 40 60紧力 7）定位精度： 1  8）程序编制方法：   9）控制系统动力：电。   买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 10）驱动源：液压，压力为 压泵 动机是 率为   11）重量： 200  运动简图如图 2图 2买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 3 凸轮轴磨床上下料机械手 机械系统设计  部   部结构设计   手部（亦 称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构多种多样，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而定的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。   根据设计要求，这里只讨论夹钳式的手部结构。   夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下，多采用两个手指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种 形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或放松。   平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。但这种手指结构比较复杂、体积大，要求加工精度高。根据设计要求，工件是圆盘，所以采用回转型手指，其张开和闭合靠手指根部（以枢轴支点为中心）的回转运动来完成。枢轴支点为一个的，称为单支点回转型；为两个支点的，称为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位误差。   为了手指根部的结构紧凑，这里采用单支点滑 槽杠杆式，如图 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 图 3 手部的分析与计算  1 夹紧力的计算 公式  夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。  （ 1）夹紧力的计算公式：    2    式中     安全系数，通常取   工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。 近视按下式估算    1   a 运载工件时重力方向的最大上升加速度；  g 重力加速度， g   a响运载工件时重力方向的最大上升速度；   系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。一般取   方位系数，根据手指与工件位置不同进行选定。   G被抓取工件所受重力（ N）。  推力）的计算公式  夹紧装置是使手爪开，闭的动力装置。其动力源可以是液压或气动。为了更好的选择手买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 爪结构方案，确定各构件的尺寸满足夹持工件的具体要求，首先要根据实际要求选取具体的结构，然后就必须进行力的分析。   D(4 22 24Dp 式中    D活塞直径（ m）；   d活塞杆直径（ m）；   p驱动压力（   骤   1）首先根据对机械手的工艺及设计要求确定安全系数 算出最大加速度，确定工件情况系数 据手爪夹持方位从表 2查出方位系数 出夹紧力   取 件移动速度为 s,响应时间为  +1gs/v 13查表得     ）根据手爪的结构方案，由表 2出液压（气）缸应具有的驱动力  查表 2  2o 02 02 =）实际所采用的液压（气）缸驱动力要大于 F。考虑手爪的机械效率，一般取   取  = 实际 =计算F  ）确定液压缸的直径  D 注：出自参考文献 1,以下查表相同。   D(4 22 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 取活塞杆直径 d 力油工作压力 p  D=）（ 0 10取液压缸内径为： D=20，活塞杆直径为： d 10、手爪的夹持误差分析与计算  机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定 位置，不仅取决于机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，必须注意选用合理的手部结构参数，从而使夹持误差控制在小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过 1  根据图 2查表 2 工件半径为： 5  =120 工件的轴心位置 见的距离 X，以下式求出  X= c o 2 co ss s l 22化简可得 1s s 2222 ）（）（  当 工件半径为： 530  B  为使夹持误差减小，选取合适的偏转角 ，假设 600为使得夹持误差最小的最佳偏转角。  取 50可 算出 B= 可以使 =持误差满足设计要求。  部   买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 腕部结构设计   手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。   手腕部件具有独立的自由度。一般手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动即可满足工作要求。目前，应用最广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度较小（一般小于 270o），并且要求严格密封，否则就 很难保证稳定的输出扭矩。因此，在要求较大或转角的情况下，采用齿条齿轮传动或链轮以及轮系结构。   腕部设计的基本要求为：   一、力求结构紧凑、重量轻   腕部处于臂部的最前端，它连同手部的精、动载荷均由臂部承受。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。   二、综合考虑，合理布局   腕部作为机械手的执行机构，有承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求以及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局。如应解决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。  三、必须考虑工条件   对于高温作业和腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计是应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀、压力油的粘度恶化燃点，有关材料及电控元件的耐热性等）。   由于本设计不需要腕部的回转和摆动，故只用一个钢管作为腕部，起到连接与支撑手部和臂部的作用。又考虑到经济性和实用性，最终选用 45号钢管，其力学性能和价格都比较适中，中间的管道作为油管导通。  部   手臂部件是机械手的主要握持部件。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。   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），买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 则用腕部的自由度加以实现。   臂部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。因此，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。   由本机械手的总体设计可知该臂部分两部分：回转缸和伸缩缸。回转缸实现的是手臂旋转，伸缩缸实现的是手臂升降。  臂伸缩缸的结构设计   该大臂的运动是手臂典型运动形式中的一种：直线运动。采用花键套导向的手臂升降结构，当升降液压缸上下两腔通压力油的时候，活塞杆作上下升降运动，其导向作用由花键套合花键轴来实现。  其结构特点：内部导向，活塞杆直径大，刚度大，传动平稳。   综合考虑将大臂设计成如装配图所示 。   臂伸缩缸的设计计算   由于该伸缩缸作的是升降运动，所以要克服的力有摩擦力、惯性及其载荷，这些是用来确定所需驱动力的依据。   液压缸活塞的驱动力的计算为：   F=   G  式中    摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力；   密封装置处的摩擦阻力；   液压缸回油腔低压油液所造成的阻力；  起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力 ；  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 G零部件及工件所受总重力。   1. 计算   不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。   图 3受力可以简化为图 3 启动时，导向装置的摩擦阻力较大，计算如下：   0 0= G150  3 设 G=200N 当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。  对于圆柱面：   （42） （ 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时；   钢对青铜：取  =对铸铁：取  =在此取 = 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16  G（a L） 200 （50 501502 ） 420N 计算   对于此液压缸，选 “O”形密封圈，则：   当液压缸工作压力小于 10塞杆直径为液压缸直径的一半，活塞与活塞处都采用 “O”形密封圈时，液压缸密封处的总的摩擦力为：   中     F 为驱动力；   p dl p密封处的工作压 力（  p 10  d伸缩油管 的直径（ m） ；  l 密封的有效长度（ m）。         估算约 300N。  3 计算    一般背压阻力较小，可按  约为 50N  4. 计算   总G  式中   总G 参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）（ N） ; g重力加速度，取   v由静止加速到常速的变化量（ m/s） ;  t起动过程时间（ s） ,一般取 轻载低速运动部件取较小值，对重载高速运动部件取较大值 。  由设计参数可知 v =s,并取 t =F=    G 970N 手臂起动上升过程中所需驱动力最大。   由公式 =15048活塞杆还必须具有足够的稳定性。  有总体设计可知， 2006所以这里只对杆进行强度的校核。   d 4F   =钢取 =100 120算出来的直径   d 4F 6101009704m 以 d 48   为了保证联接的紧密性，必须规定螺钉的间距，查表 4到间距应小于 100径为 80以这个条件是能满足的，设螺钉数为 8。  在这种联接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 和：   中   F=ZD 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 F驱动力（ N）   Z螺钉数目   p工作压力（   预紧力  K           K=D危险剖面直径（ m）。   螺钉的强度条件为  合21d4 j  4 j 式中    计算载荷（ N）；  拉许用应力（单位为 nsn 2.5