轮胎装配机械手设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 轮胎装配机械手 设计  摘要 机械手是 能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。  本文讲述 了 轮胎装配机械手 即圆柱坐标 液压 机械手 设计， 主要 用于 完成 轮胎 的搬运 夹持及装配 工作 。 首先，通过对机械手 的 结构及原理进行分析，在此分析基础上提出了设计方案；然后，对主要各主 结构部件 及液压系统进行了设计与验算；最后，通过 械手 装配图及主要零部件图。  通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握 了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用 今后的工作于生活具有极大意义。  关键字 轮胎， 机械手， 圆柱坐标， 液压 系统  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 is to of a to or of  of is of by s in on is of  of of of of be to in is of  要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 目  录  第一章  绪论  . 1 究背景及意义  . 1 内外发展状况  . 1 第二章  总体方案设计  . 3 计要求  . 3 作要求  . 3 数要求  . 3 案拟定  . 3 案 分析  . 3 定方案  . 5 第三章  手臂部分设计  . 6 部整体设计  . 6 臂伸缩驱动力计算  . 6 臂摩擦力的计算  . 6 臂密封处的摩擦阻力的计算  . 7 臂惯性力的计算  . 7 臂伸缩油缸的设计  . 8 定液压缸的结构尺寸  . 8 压缸外径的设计  . 9 塞杆的设计校核  . 9 缸端盖的设计  . 10 第四章  机身部分设计  . 12 身的整体设 计  . 12 转机构的设计  . 12 转缸驱动力矩的计算  . 12 转缸尺寸参数的确定  . 13 身升降机构的设计  . 15 臂重力矩的计算  . 15 降油缸驱动力的计算  . 15 降缸尺寸参数的确定  . 16 第五章  搬运手爪及装配机构设计  . 18 运手爪的设计  . 18 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 配机构的设计  . 19 第六章  液压系统设计  . 20 案拟定  . 20 定调速方案  . 20 定压力控制方案  . 20 择液压动力源  . 20 制 液压系统图  . 20 压元件的计算和选择  . 21 压泵  . 21 定油箱容量  . 22 压元件的选择  . 22 压系统性能验算  . 22 力损失验算  . 22 热温升验算  . 23 总  结  . 25 参考文献  . 26 致  谢  . 27 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第一章  绪论  究 背景及意义  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。我国的工业机械手是从 80年代 "七五 "科技攻关开始起步 ， 在国家的支持下 ， 通过 "七五 "， "八五 "科技攻关 ， 目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术 ， 控制系统硬件和软件设计技术 ， 运动学和轨迹规划技术 ， 生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有 130 多台喷漆机器人在二十 余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。  本文讲述 了 轮胎装配机械手 即 液压 机械手 设计， 主要作用是完成 轮胎 的搬运 夹持及装配 工作 。 随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。  内外发展状况  机械手首先是 从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。  1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司 ， 专门生产工业机械手。  1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。  1978 年美国 司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于 1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。  联邦德国 司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业 机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。  目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔 性制造系统 柔性制造单元 的重要一环。  一般概况国内机械行业应用的机械手绝大部分为专用机械手 ， 附属于某一设备 ， 其工作程序是固定的。通用机械手也有发展 ， 目前应用的都是开关式点位控制型 ， 伺服型已试制出数台在调试中 ， 连续轨迹控制型还没有。  控制方式 有触点固定程序控制占绝大多数 ， 专用机械手多采用这种控制 。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第二章  总体方案设计  计要求  作要求  装配机器人分为搬运和装配两个动作，实现夹住轮胎 然后搬运过来，然后定位，定位之后由装配 的机构拧螺丝实现装配动作。  （ 1） 可以设计成一体式，即搬运的机构和装配的机构在一个圆柱坐标机器人完成 ，也可以设计成双臂式，即搬运和装配部分在两个圆柱坐标机器人上分别完成动作 ；  （ 2） 装配机器人拧螺丝过程为  对角依次固定，一般汽车轮胎上有五个固定螺丝，成对角状态拧螺丝才能保证轮胎的紧固。  数要求  （ 1） 轮胎直径：           300450 2） 主臂回转角度：       0280  （ 3） 主臂回转转速：       016 r/ 4） 机器人直线移动速度： 0s （ 5） 机器人自由度：       5 案拟定  案 分析  装配机器人分为搬运和装配两个动作，实现夹住轮胎 然后搬运过来，然后定位，定位之后由装配的机构拧螺丝实现装配动作。 机械手主要有以下类型：  （ 1）直角坐标型  直角坐标型机器人的结构是最简单的。如图 2部由三个相互正交的移动副组成，沿 X、 Y、 Z 三个坐标轴的方向作直线移动。它具有操作简便的优点 ， 被用于零部件的移送、简单的插入、旋拧等作业。但所占空间较大，工作范围相对较小。  图 2角坐标型  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 （ 2）圆柱坐标型  圆柱坐标型机器人的结构也 比较简单，如图 2部由一个转动副和两个移动副组成，工作范围为圆柱形状的，其特点是位置精度高、运动直观、控制简单；结构简单、占地面积小、廉价，因此应用广泛。  图 2柱坐标型  （ 3）垂直多关节型  垂直多关节型机器人是根据人的上肢而设计的，如图 2前三个转动关节、腰关节绕 Z 轴转动，臂的两个关节绕平行于 Y 轴的两轴线转动，它利用顺序的三个圆弧运动来改变手的空间位置。关节型机器人以臂部各相邻部件的相对角位移为运动坐标，结构紧凑，操作灵活性最好，所占空间小，运动速度较高，操作范围大，能在狭窄空间内饶 过各种障碍物。但其精度受手臂姿势的影响，实现高精度运动有一定的困难。  图 2柱坐标型  （ 4）平面关节型  平面关节型装配机器人目前在装配生产线上应用的数量最多 ， 它是一种精密型装配机器人 ， 具有速度快、精度高、柔性好等特点 ， 如图 2 图 2面关节型  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 （ 5）极坐标型  极坐标型机器人利用两个转动和一个移动来改变手的空间位置，如图 1生沿手臂轴 X 的直线移动，绕基座轴 Y 的转动和绕关节轴 Z 的摆动。其手臂可作绕 Z 轴的俯仰运动能抓取地面上的物体。这种机器人的特点是结构紧凑，所占空间小，运动灵活，并 能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量，精度难以保证。  图 2坐标型  拟定方案  根据上面几种机器人结构特点比较，由于圆柱坐标型机械臂动作灵活，所占空间小，工作范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物的特性，综合以上决定采用（ 2）圆柱坐标型装配机器人， 其结构简图如图 2示 ：  图 2胎装配机械手 结构简图  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第 三 章  手 臂部 分 设计   部整体设计  手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并带动它们作空间转 动。  考虑到本次设计的机械手夹持 轮胎 ，抓取重量较小，因此 本设计选择 油缸杆 伸缩机构，其手臂的伸缩油缸 活塞杆 安装在 导向套内 ， 减小油缸杆的弯曲应力。 活塞杆受拉压 和弯曲载荷共同 作用，受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。使用液压驱动 ， 液压缸选取双作用液压缸。 其详细结构如下图示：  图 3部结构  臂伸缩驱动力计算  做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算为 ：  F F F F F 回摩 密 惯 臂摩擦力的计算  由于 油缸采用 导向 套导向故：  0     得                         b a 总  0Y  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763  F总  得                          a a 总  ''a b a  F F F 摩 摩摩  ' 2 a 总摩式中     参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（ N）；  L 手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（ m） ，参考上一节的计算 ; a 导向支撑的长度（ m） ; ' 当量摩擦系 数，其值与导向支撑的截面有关。  对于圆柱面：   摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：  钢对青铜：取   钢对铸铁：取   计算： 油缸 杆的材料选择钢，导向 套 支撑选择 钢 ，  预估 G ，已知 L=800导向支撑 a 设计为 200将有关数据代入 进行计算   a 总摩 600 2 00 2 006 1260N 臂密封处的摩擦阻力的计算  不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密封圈，当液压缸工作压力小于 10压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：  封F = 臂惯性力的计算  惯F=总式中   总G 参与运动的零件的总重力（包括工件） (N)；  v 从静止加速到工作速度的变化量 (m/s)；  t 启动时间 (s)，一般取  设启动时间为 v 最大为 s。  则：  惯F=要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 由于背压阻力较小，可取 回F =所以     F = 摩F + 惯F + 封F + 回F =1260+得     F =1446N 所以手臂伸缩驱动力为 F =1446N。  臂伸缩油缸的 设计  表 3压缸的工作压力  作用在活塞上外力 F（ N）  液压缸工作压力 用在活塞上外力 F（ N）  液压缸工作压力 于 5000  2000030000 00010000 000050000 000020000 0000 以上  过上面的计算，确定了液压缸的驱动力 F=4378N，根据表 3择液压缸的工作压力 P=1 定 液压缸的结构尺寸  液压缸内径的计算，如图 3示  图 3作用液压缸示意图  当油进入无杆腔：  4211  当油进入有杆腔：  4 )(2212  液压缸的有效面积：  1( 所以         11  （无杆腔）  214 （有杆腔）  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 式中 P 活塞驱动力 (P)；  1p 油缸的工作压力 (  d 活塞杆直径；   油缸机械效率，工程机械中用耐油橡胶可取 = 由上节求得驱动力 F=1446N， 1p =1械效率 =数据 代入得：   11 =据表 4选择标准液压缸内径系列，选择 D=50压缸外径的设计  外径按中等壁厚设计，根据 （  油缸外径 外径选择 76塞杆的 设计 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：   (设计中取活塞杆材 料为碳钢，碳钢许用应力的 =100120次取 =110 则：             d =虑到手部夹紧油缸需内置于该活塞杆，而前述已算得手部夹紧油缸 外径为 36以活塞直径按下表取 d=36足强度 和装配 要求。  表 3塞杆直径系列（ 2348 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 现在进行稳定性校核，其稳定性条件为  中   临界力 (N)；   安全系数， 24。  按中长杆进行稳定性校核，其临界力 F( ) 式 中  F 活塞杆截面面积 (；  a， b 常数，与材料性质有关，碳钢 a=461， b= 柔度系数，经计算为 70。  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 代入数据，临界力     F( )=（ 110 2 =             4378=以活塞杆满足稳定性要求。  缸端盖的 设计  为保证连接的紧密性，螺钉间距 适当（如图 4在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 0Q 为工作载荷 Q 和剩余预紧力 之和  0Q =Q +  式中    Q 工作载荷， Q =2 ；  0D 螺钉中心所在圆的直径；  P 驱动力。  Z 螺钉数目， Z=10；   剩余预紧力， =K= 计算：           D=760 D=90P=1距与工作压强有关，见表 距应小于 150选螺钉数为 6 个：  表 3钉间距 t 与压力 P 之间的关系  工作压力 P（  螺钉的间距 t (于 150 于 120 于 100 于 80 则   Z=10代入数据 1t =46<150，满足要求；  Q = 2 =838N；  选择 K=1255N; 0Q =Q + =837+1257=2095N 螺钉直径 按强度条件计算  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 1d 4  式中     计算载荷， Q ；  l 许用抗拉应力， l =  s 螺钉材料的屈服点，材料选择 45 钢，则屈服强度为 352 n 安全系数， n=处取 n=2；  1d 螺纹内径， 1d =d 为螺钉公称直径， S 为螺距。  计算：  095=入数据：   1d 4= =要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第 四 章  机身 部分 设计  身的整体设计  按照设计要求，机械手要实现手臂 280 的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。 同时 机身承载着 升降运动 。  综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如图 4示，回转机构置于升降缸之上的机身结构 。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。 活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向 ， 具体结构见下图。  图 4身结构示意图  转机构的设计  转缸驱动力矩的计算  手臂回转缸驱动力矩 驱M 的计算公式为：  驱M=惯M+回M+封M(Nm) 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 惯性力矩           惯M=0J t式中   0J 臂部回转部件 (包括工件 )对回转轴线的转动惯量（ ；   回转缸动片角速度变化量，在启动过程 = (s)；  t 启动过程的时间 (s)；  若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为 (前面计算得 =800则  2式中     回转零件的重心的转动惯量。   )3(121 22 回转部件可以等效为一个长 600径为 1000圆柱体，质量为  度 =70 /s，则起动角速度 =起动时间设计为  )3(121 22 = )2100 22 = 28 kg2=28+ =惯M=0J t=227.6                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 为了简便计算，密封处 的摩擦阻力矩 驱封 ，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计， 回M =0 所以           驱M =+M  驱M =234.6  转缸尺寸 参数 的确定  （ 1） 回转缸油腔内径 D 计算公式为：  23 810 驱 式中   P 回转油缸的工作压力；  d 输出轴与动片连接处的直径，初步设计按 D/d= b 动片宽度，可按 2b/( 2 选取。  选定 回转缸的动片宽 b=50作压力为 5d=503 50550  4810 D =标准油缸内径选取内径为 100 （ 2） 油缸缸盖螺钉的计算  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 回转缸的工作压力为 5所以螺钉间距 t 应小于 80钉数目  Z=t D=8010以缸盖螺钉的数目选择 6 个。  危险截面           ）（ 22 =4 =m  所以                K=所以               钉材料选择   2401  200（ n= 螺钉的直径          d =10钉的直径选择 d=10 的 内六角圆头 螺钉。  经过以上的计算 ，最终确定的液压缸的尺寸，内径为 100径按中等壁厚设计，根据表 4外径选择 168出轴径为 50 图 4转缸的截面图  （ 3） 动片联接螺钉的计算  根据动片所受力矩的平衡条件有 ：  驱M = 摩M  即       224Q  dZ  式中   每个螺钉预紧力；  D 动片的外径；  f 被连接件配合面 间的摩擦系数，钢对钢取 f=要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 螺钉的强度条件为   211 合或                       14  带入有关数据，得  )(4 22 = )26 =钉材料选择   2401  200（ n= 螺钉的直径 d =钉的直径选择 d=10 的 内六角圆 头螺钉。  身升降机构的设计  臂重力矩的计算  (1) 估算重量： 工件G =150N， 爪G =150N， 臂G =500N (2) 计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离 : 工件 =800爪 =760 臂 =400 由于           总G= i 以   总臂臂爪爪工件工件 G =3) 计算偏重力矩   总偏   总偏 =434  降油缸驱动力的计算  F F F F F G 回惯 摩 密 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 式中    摩擦阻力，12F F f摩，取 f= G 零件及工件所受的总重。  (1) 计算  总惯  设定 速度为 V=s； 起动或制动的时间差 t=总G 为 800N。  将数据带入上面公式有：    2) 摩F 的计算  摩  总1= 以     摩 =2 2500 00N (3) 液压缸在这里选择 O 型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算   密  (4) 由于背压阻力较小，为简便计算，可将其忽略， 回F =0 所以     F=00+00  当液压缸向上驱动时， F=2105N 当液压缸向下驱动时， F=505N 降 缸尺寸参数 的 确定  (1) 液压缸内径的计算   液压缸驱动力按上升时计算， F=2105N，由表 (5择油缸工作压力为 算如 公式，代入数据：   11 =据表 (4选取液压缸内径 D=125 (2) 液压缸外径的计算   按厚壁计算 (D   1  式中   缸体材料的许用应力，无缝钢管时 =100110据表 4外径选择 180需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 (3) 活塞杆的计算  设计中取活塞杆材料为碳钢，碳钢许用应力的 =100120次取 =110 则：             10544 塞杆直径应大于  (4) 缸盖螺钉的计算  D=120 0D =180P=距与工作压强有关，见表 4距应小于120选螺钉数为 6 个：  则           Z=10代入数据 1t =84<120，满足要求；  Q =2 = 选择 K=0Q =Q + =907N 螺钉直径按强度条件计算 ： 1d 4式中     计算载荷， Q ；  l 许用抗拉应力， l =  s 螺钉材料的屈服点，材料选择 45 钢，则屈服强度为 352 n 安全系数， n=处取 n=2；  1d 螺纹内径， 1d =d 为螺钉公称直径， S 为螺距。  计算：  Q =4907=入数据：   1d 4= =要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 第五章  搬运手爪及装配机构设计  运手爪 的 设计  装配机器人分为搬运和装配两个动作，实现夹住轮胎然后搬运过来，然后定位， 这些动作均需要 搬运手爪 实现 。 另外 参数要求 搬运的 轮胎直径： 300450下图通过  图 5运手爪结构分析  通过上述分析得到 搬运手爪 的详细结构尺寸如下图示：  图 5运手爪结构 尺寸  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 配机构 的 设计  设计要求轮带放到位后 由装配机构拧螺丝实现装配动作 ， 装配机器人拧螺丝过程为对角依次固定，一般汽车轮胎上有五个固定螺丝，成对角状态拧螺丝才能保证轮