6135柴油机油泵凸轮轴自动生产线送料机械手设计_毕业设计.doc

辽宁科技大学毕业设计(论文)任务书 课题名称6135 柴油机油泵凸轮轴自动生产线送料机械手设计 设计类论文类生产实际 科研实际社会实际其它来源 课题类别 课题来源 毕业设计(论文)要求、设计参数、各阶段实践安排、应完成的主要工作等 1设计要求 (1) 机械手装配图一张 (2) 机械手零件图三张五张 (3) 设计计算说明书一份 (4) 全部设计图纸用 cad 完成 2设计参数 (1) 抓重 3kg (2) 自由度数 3 个 (3) 手臂前后移动 1800mm;上下升降 350mm;横移 50mm 3各阶段安排、应完成的主要工作 第 1 周 查阅资料，设计方案确定 第 2 周 电机计算与选择 第 3 周 手部等执行部件计算 第 4 5 周 装配图绘制 第 6 7 周 典型零件图绘制 第 8 9 周 整理说明书并准备答辩 第 10 周 答辩 指导教师(签字)： 于克强 2012 年 3 月 30 日 院长(系主任)(签字)： 年 月 日 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 i 页 6135 柴油机油泵凸轮轴自动生产线送料机械手设计 摘 要 随着工业自动化的发展，工业机械手的应用越来越普遍，已被广泛地应用于各行 各业中。本文主要针对用于油泵凸轮轴自动线上，在相邻工位间搬运工件的机械手即 油泵凸轮轴加工自动线送料机械手进行设计。首先，简要介绍了机械手的基本概念、 机械手的组成和分类，以及工业机械手的简史和发展趋势。其次，本文通过油泵凸轮 轴加工自动线送料机械手的动作分析，确定了机械手的坐标形式、自由度和驱动机构， 确定了机械手的主要技术参数；完成了油泵凸轮轴自动线送料机械手的总体方案设计。 再次，完成了机械手的手部、臂部和机身的结构设计。最后，通过对机械手的 动作行程分析，设计了可满足机械手循环动作要求的液压系统原理图。根据机械手的 工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图， 并编制了可编程序控制器的控制程序。 关键词：机械手；凸轮轴；液压系统 ； plc 设计 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 ii 页 the design of 6135 diesel engine oil pump cam shaft automatic production line feeding manipulator abstract with the development of industrial automation, the industrial manipulators are used widely. they are applied in kinds of industry. the main idea of this article is the design of manipulator to moving workpieces between adjacent working position, that is the design of automatic production line for camshaft pump feeding manipulator. firstly, the basic concept of the robot is introduced briefly, the composition and classification of robot, the development history of industrial robots and development trends of industrial robots. secondly, to analyzing the process of automatic production line for camshaft pump feeding robot, the coordinates form，the number of freedom and drive mechanism of manipulator are determined, the main technical parameters of mechanical hand is identified, and the overall design of automatic line feed pump camshaft mechanical hand is completed. thirdly, the structure design of hand, arm and body are completed. finally, through analyzing the movement of mechanical hand, the schematic diagram of hydraulic system to meet the requirements of manipulators loop movement is designed. the work of the manipulator timing diagram and ladder diagram are draw according to work for the process of plc control scheme, and working out plc control procedures. key word: manipulator ，camshaft ，hydraulic system， programmable logic controller (plc) 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 i 页 目 录 1 绪论1 1.1 工业机械手在生产中的应用.1 1.2 工业机械手的组成.1 1.3 工业机械手的分类.2 1.3.1 按驱动方式分类.2 1.3.2 按手臂坐标分类.3 1.3.3 按用途分类.3 1.4 工业机械手的发展现状.3 1.5 研究意义.4 2 总体设计方案的论证5 2.1 机械手的总体设计.5 2.1.1 机械手的结构形式.5 2.1.2 本次设计采用的方案.6 2.2 主要技术参数的确定.6 2.3 机械手的配置和工作原理.7 3 送料机械手的结构设计及校核9 3.1 送料机械手的总体机构.9 3.2 手部结构的设计.9 3.2.1 手部结构的分类.9 3.2.2 手部设计应注意的问题.9 3.2.3 本次设计采用的手部结构.10 3.2.4 手部设计的计算.11 3.3 手臂结构设计.12 3.3.1 手臂的配置形式.12 3.3.2 手臂的组成和作用.13 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 ii 页 3.3.3 手臂设计应注意的问题.13 3.3.4 手臂升降油缸设计的计算.14 3.3.5 手臂横移油缸的设计计算.19 4 液压驱动系统设计22 4.1 液压系统的组成.22 4.2 液压系统的主要特点.22 4.3 液压系统传动方案的确定.23 4.3.1 各液压缸的换向回路.23 4.3.2 调速方案.24 4.3.3 减速缓冲回路.25 4.3.4 控制元件方向阀、压力阀.25 4.4 液压系统的合成和完善.26 4.5 液压系统的计算.28 5 控制系统的设计29 5.1 plc 的组成29 5.2 plc 的特点29 5.3 系统的整体设计分析.30 5.3.1 输入/输出点地址分配 .31 5.3.2 plc 接线图.31 5.3.3 控制面板.32 5.4 plc 编程梯形图33 5.5 系统调试.34 结束语.36 致 谢.37 参考文献.38 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页 1绪论绪论 近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的 发展。机械手广泛地用于锻压、冲压、铸造、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。 特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由 于其显著地优点而得到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件， 减轻工人劳动强度和实现工业上产自动化的一个重要手段，国内外都很重视它的应用 和发展。 1.1工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工 作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平 越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的 或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上是不连续的。据资 料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有 四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这 里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的 自动化而生产的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速 抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸 行业中用于提取高温溶液等等。 1.2工业机械手的组成 现代工业机械手一般由控制系统、驱动系统、位置检测系统及执行机构等组成。 控制系统，是机械手系统的核心部分，其主要作用是使得工业机械手能够按照预 定的动作正确地完成每一个动作。目前工业机械手的控制系一般都包括主控系统与定 位系统。 驱动系统，是工业机械手的动力装置，主要作用是作为执行机构的驱动源，由动 力源和辅助装置组成。当前市场上的绝大部分工业机械手，采用的驱动方式为液压驱 动、电力驱动、气压驱动和机械方式驱动。 执行机构，是工业机械手的最终执行机构，作用是完成工件的取送工作，当前市 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页 场上大多数工业机械手的执行机构为手抓、夹钳和吸盘。 位置检测系统，是实现工业机械手精确定位的装置，主要作用是实时检测机械手 执行机构的具体位置，并将机械手的位置信息实时反馈给控制系统，而控制系统根据 反馈回来的机械手位置与给定机械手位置进行比较，及时地修正机械手的位置，实现 精确定位。 1.3工业机械手的分类 关于工业机械手的分类，在国际上尚无统一的分类，本文在此暂时按驱动方式、 手臂坐标、使用范围对工业机械手进行分类。 1.3.1按驱动方式分类 1) 液压传动机械手 液压传动机械手是以液压的压力作为动力源来驱动执行机构运动的一类机械手。 这类机械手的特点是：运行平稳、抓取力大、结构紧凑、动作灵敏。但是这类机械手 也存在一定的缺点，它对密封装置要求非常高，要求密封装置不能有一点的泄露，否 则机械手的工作性能将大大的降低，同时该类型的机械手不宜在温度过高和温度过低 的环境下作业。如果该类型机械手采用电气和液压伺服驱动系统相结合的控制策略， 则可以大大的提高机械手的整体性能，还可以实现连续轨迹控制，从而加大该类型机 械手的通用性，但是电液伺服阀制造精度相对较高，而且油液过滤要求极其严格，成 本也非常高，这就大大的限制了液压传动型机械手的应用。 2) 气压传动机械手 气压传动机械手是以空气的压力作为动力源来驱动执行机构运动的一种机械手。 这类机械手的主要特点是:动作迅速、成本较低、抓取力较小、结构简单、介质来源非 常方便且无污染。但是，由于空气具有可压缩性，导致该类型机械手的工作速度稳定 性比较差，冲击较大，如果气源压力比较低，抓取力一般小于 300n，相比之下，该类 型的机械手比液压传动机械手的结构大，因此该类型机械手适用于高速度、小负载、 高温度和高粉尘的工作环境中进行作业。 3) 电力传动机械手 电力传动机械手是以电力作为驱动源来驱动执行机构的一类机械手，一般来说以 直流电机、交流电机等各种电机作为驱动源，该类型的机械手的特点是：运行速度快、 易于控制、控制精度高、结构简单、维护与使用方便。当前这类机械手使用还不是很 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页 广泛，但非常有发展前途。 4) 机械传动机械手 机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、齿轮和齿条、连杆、间歇机构等） 驱动执行机构的一类机械手。它是一种专用机械手，它的主要特点是运动精确可靠， 主要用于工作主机的上下料。 1.3.2按手臂坐标分类 机械手的手臂一般来说具有 3 个自由度，可采用直角坐标式（前后运动、上下运 动、左右运动都是直线） 、圆柱坐标式（前后运动、上下运动都是直线运动，左右运动 为旋转运动） 、球坐标式（前后运动为伸缩运动、上下运动为摆动运动和左右运动为旋 转运动）和关节式（手臂能作任意的屈伸运动）四种方式。 1.3.3按用途分类 1) 专用机械手 专用机械手是附属于主机的且具有一定的程序同时没有独立的控制系统的一类机 械手。专用机械手的特点是：动作较少、工作对象比较单一、结构相对比较简单、造 价低、使用可靠。专用机械手适用于大批量的自动化生产线，如自动线上的上下料机 械手、各种自动机床、自动换刀械手等。 2) 通用机械手 通用机械手是一种具有可变程序的、具有独立的控制系统且动作灵活多样的一类 机械手。这类机械手的动作程序在给定的性能范围内是可变的，通过调整可使得该类 型的机械手在不同的场合使用，同时它的驱动系统和控制系统是相互独立的。通用机 械手具有定位精度高、工作范围大、通用性强等优点，因而该类型的机械手可以适用 于要求不断变换生产品种且要求高精度和高效率的中小型批量生产线。 1.4工业机械手的发展现状 驱动方式发展现状：现在的工业机械手驱动方式大多采用电机驱动。电机驱动的 机械手，具有精度高、驱动力大、响应快等优点。同时采用电机驱动，必须使用减速 机构，因此，采用电机驱动方式的机械手的成本会大大高于其他方式驱动的，因而限 制了电机驱动机械手的应用。随着气动技术的高速发展，又由于气压驱动具有其他驱 动凡是所没有的一些优点，如成本低、高性价比、无污染、结构简单、抗干扰能力强 等，使得越来越多的工业机械手采用气动控制。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页 定位精度发展现状：在气动技术发展初期，由于技术的不成熟，利用气压驱动的 工业机械手的定位精度很低，更无法实现在任意位置的起停，只能靠气缸两个终点位 置来实现定位，或者采用多位气缸，而多位气缸的定位长度，也已经由气缸的行程确 定，同样无法实现机械手在任意位置的起停。如果要多加一个定位位置，或者是要改 变预先确定的两个定位位置之间的距离，则需要另外再设计一个多位气缸，这样就会 导致气缸的滑块导向机构更加复杂。所以，早期的气动工业机械手不能实现任意位置 的定位，因此限制气动工业机械手的发展。 1.5研究意义 自动送、取料技术几乎渗透到国民经济的各行各业，在许多发达国家，从作为支 柱产业之一的汽车制造业到注塑业，化工业，铸件业等等，直到航空航天、军事兵器 各个门类，都占据着相当重要的地位。随着我国工业的发展，在各种恶劣环境下、由 于工艺的复杂化以及人性化生产要求，生产过程中的手工送、取原料和加工成型料， 在生产中由于存在着效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题，已逐步由自动送 料、取料机构所取代，从而进一步满足了生产自动化的要求，大幅度提高生产了效率、 生产质量也达到保证。 本文是为 6135 柴油机油泵凸轮轴加工自动线而设计的送料机械手。它综合了普通 机械手的技术又针对凸轮轴的性状特点，在充分发挥液压控制的特点和基础上，对送 料机械手整体机械结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计，提出了 一套经济型设计方案。采用球坐标机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和 操作灵活性。传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给机器人机械手相应的执行机 构，以实现各种必要的运动，在传动方式上采用结构紧凑的活塞杆传动。机械手驱动 系统的设计往往受到作业环境条件的限制，同时也要考虑价格因素的影响以及能够达 到的技术水平。在完成机械结构和驱动系统设计的基础上，对物料抓取机械手运动学 和动力学进行了分析。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页 2总体设计方案的论证总体设计方案的论证 2.1机械手的总体设计 2.1.1机械手的结构形式 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构， 、球坐标结构、关节 型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。 1）直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 2-1-a。 由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的 位置精度（级） 。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来m 讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比 其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业 及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 2）圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图 2- 1-b。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆 柱状的空间。 3）球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图 2-1- c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空 间是一个类球形的空间。 4）关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2-1-d。关节型机器人动 作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机 器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类 型的机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页 图 2.1 四种机器人坐标形式 2.1.2本次设计采用的方案 具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件为凸轮轴其形状特殊，同时考虑到 数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下， 尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要 3 种运动,包括机械 手的前后、升降、横向移动，所以自由度数目取为 3，坐标形式选择直角坐标、悬挂式。 其优点为： 1）多臂悬挂式的机械手对刚性联结的自动生产线非常实用，可以在各工位间传递 工件，各臂均悬挂在生产线上方的横梁上，臂间距离和工位距离相等，手臂可同步地 沿横梁平移一个工位间距，把工件从一个工位移动到下一个工位，可以减少随行夹具 和其他装置，提高自动化程度。 2）悬挂式机械手占地面积小，能有效的利用空间。 3）悬挂式机械手结构简单，成本底。 该凸轮轴加工自动线上的送料机械手采用液压驱动，plc 控制，其中采取液压 驱动有以下优点： 1）压力高，可实现较大的驱动力，且机构可以做的轻小，紧凑。 2）可实现无级变速，定位精度高，系统固有频率小，压力、容量调节容易。 3）重量小，惯性小，可以做到快速的变速和换向，控制容易，动作平稳，滞后小。 2.2主要技术参数的确定 机械手的主要技术参数包括抓重、自由度、定位精度、重复定位精度、工作范围、 最大速度及承载能力。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页 主要参数如下： 抓重： 3kg 自由度： 3 个 工作范围： 前后移动：1800mm 上下升降：350mm 横移：最大 50mm 驱动方式：液压驱动 控制方式： plc 控制 定位方式： 机械挡块 2.3机械手的配置和工作原理 图 2.3.1 送料机械手简图 该凸轮轴加工自动线上有五只送料机械手，它们的结构完全相同，均能作前后移 动、上下升降和横移运动，送料机械手简图如 图 2.3.1 所示。前后移动、升降和横移 运动，其前后运动是同步动作的，由一个伸缩缸带动，升降和横移是由各自的油缸带 动。自动线的各工序按照加工顺序（右向左）依次排列的。如图 2.3.2 所示。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页 图 2.3.2 油泵凸轮轴自动线机械手配置 该送料机械手的动作顺序为： 原位向后移动下降左移（放料）上升向前移动右移 下降（抓料）上升原位。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页 3送料机械手的结构设计及校核送料机械手的结构设计及校核 3.1送料机械手的总体结构 送料机械手由几个主要组成部分：（1）前后行走机构（带滚轮的三角形支架） ； （2）横移油缸及其滚轮机构；（3）升降油缸；（4）手部支承板；（5）两个夹持式 手部；（6）定位手部；（7）定向块 等组成。 送料机机械手的升降油缸和横移油缸用螺栓联接，横移油缸带着滚轮（四个）被 支撑在滚道上，滚道通过一个联接板固定安装在前后行走机构上，从而使两部分结合 起来。前后行走机构安装在横梁上，它由 6 个滚轮和三角形支架组成，其滚轮安装在 悬挂支架横梁的滚道上，使机械手成悬挂式。前后行走机构三角形支架与拉杆用螺纹 联接成一体，当机械手工作时，由前后移动油缸的活塞杆，通过支架和拉杆（两杆固 定联接）带动六只送料机械手的前后行走机构，同步地实现各工序间的前后移动，其 行程为 1800mm。 送料机械手的升降和横移运动是由其升降油缸和横移油缸来实现的，以便将工件 送到机床的顶尖处，在升降油缸活塞杆的端部固定安装着手部支撑板，其上装有两对 弹簧夹持式手部及弹簧式定位手部，以便加紧工件，并保证手部和凸轮外表面的相对 位置。当机械手往机床主轴处安装凸轮轴时，用定位块保证定位用凸轮轮廓对称面与 机床主轴铅垂线在同一平面内。 3.2手部结构的设计 3.2.1手部结构的分类 手部机构是机械手直接用于抓取和握紧（或吸附）或夹持专用工具进行操作的部 件，它具有模仿人手动作的功能，并安装于机械手前端。根据手部所抓持的工件的性 状、尺寸、重量、材料和表面状况等的不同，手部具有多种结构形式。一般按按其握 持工件的原理可分为夹持和吸附两大类。夹持类常见的主要有夹钳式、钩托式、弹簧 式。 手部按手指的运动形式可分为回转型和平移型。回转型有分为单支点和双支点两 种。回转型手部多用于抓持圆柱形工件，平移型用于抓持方形工件。 3.2.2手部设计应注意的问题 1）应具有足够的的夹紧力 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10 页 机械手的手部机构靠手指夹紧工件后便把工件从一个位置移动到另一个位置，由 于工件本身的重量以及移动过程中产生的惯性和振动等，手指必须有足够大的夹紧力 才能防止工件在移动过程中脱落，一般要求夹紧力 n 为工件重量的 2-3 倍。 2）应具有足够的张开角 手指为了抓取和松开工件，必须具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围， 而且夹持工件的中心位置变化要小（即定位误差要小） ，对于移动式手指要有足够大的 移动范围。 3）应能保证工件的可靠定位 为了使手指和被夹持的工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取的工件的形状， 选用相应的手指形状来定位。 4）应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受到的惯性 力和振动的影响，要有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但尽量使结构尽量紧 凑、重量轻，并使手部的重心在手腕的回转轴上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 5）应适应被抓取对象的要求 适应工作的形状：工件的形状为方形，可采用带“v”型口的手爪；工件为圆柱状， 可选用圆弧形二指或三指爪，对于特殊形状的工件应设计与工件相适应的手爪。 适应工件被抓取部位的尺寸：工件被抓取部位的尺寸可能是不变的，若加工尺寸 略有变化，那么手指应能适应尺寸变化的要求。工件表面质量要求高的，对手指应采 取相应的措施，如加软垫等。 要适应工作位置的状况：如工作位置较窄小可用薄片形手指。 6）尽可能具有一定的通用性 手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状尺寸的要求，可 制成组合式的手指。对于这种手指要求结构简单，安装维修方便，更换迅速和准确， 以便扩大机械手的应用范围。 3.2.3本次设计采用的手部结构 根据所要夹持的工件，本次设计选用弹簧式手部，其最大的特点就是结构简单。 因工件较长，故选用双手双指式来夹持工件的两端，其工作原理为：当机械手向 下运动时，手指内侧的斜面碰触工件表面而使手指张开，工件进入手指上的圆弧面处， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 11 页 靠弹簧力控制手指的张开和闭和。 手指和工件相接触的部分，我们将之设计为圆弧状，这是由于该机械夹紧手部所 要夹持的工件为圆柱形，可使工件与手指接触更为紧密，减小运送过程中的振动，提 高可靠性。为了保证凸轮轴的可靠定位，在手部支撑板的中间装有一个定位手部。如 图 3.2.4手部设计的计算 1）手部夹紧力的计算 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。 夹紧力的计算公式： fn k1k2k3g （3-1） 式中 k1 安全系数，通常取 1.22.0； k2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。k2 可近视按下式估算 k2 1 g a 其中 a运载工件时重力方向的最大上升加速度； g 重力加速度，g9.8m/s2 ； a 响t vmax vmax运载工件时重力方向的最大上升速度； t响系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取，一般取 0.03-0.5s k3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） 计算步骤： 取 k1=1.8 ，a=2 m/s2 则 k2=1=1.2 8 . 9 2 查表 2-2（出自参考文献4，以下查表相同）知 k3=5 已知 g=mg=39.8=29.4n fn=1.81.2529.6=317.52n 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 12 页 弹簧力 f弹的计算： 受力分析 图 3.2.4 手部结构受力示意图 fn35=f弹28 f弹= 396.9n 2）手部弹簧的选用 为了使弹簧能够可靠的工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时 具有足够的韧性和塑形，以及良好的可热处理性。综合本方案的设计，选用强度高、 加工性能好，适用于小尺寸的碳素钢弹簧。 几何参数的计算 选用弹簧钢丝的直径 d 为 2mm 中径 d=c d 其中 c 为旋绕比，查表 16-6 取 c=5 内径 d1=dd 外径 d2=dd 计算得 d=10mm d1= 8mm d2=12mm （3-2） d p arctan 式中 弹簧的螺旋升角，对于圆柱压缩弹簧一般在 59 范围内取 p弹簧的节距 p=（0.280.5）d 令 p=3 则= 5.45 取=6 3.3手臂结构设计 由于所设计的送料机械手的手部没有回转、俯仰和摆动等运动，所以没有手腕的 设计。 3.3.1手臂的配置形式 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 13 页 机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局，运动要求、操作系统、工作 对象的不同，手臂的配置形式也不完全相同。根据工作要求，选择悬挂式配置。其种 类和优点分别为： 1）机座式：多为工业机器人所采用，机器上可以装上独立的驱动与控制系统，便 于搬运和安放，机座底部也可以安装行走机构，以扩大其活动范围。 2）立柱式：立柱式机械手的机身为固定立柱，其臂部一般可绕立柱回转，其特点 是占地面积小，而工作范围较大，立柱可安装固定在主机之前或其间，有时也可以固 定在主机机身上，其结构简单、实用，主要用来为主机上、下料或传送工件。 3）悬挂式：手臂悬挂在横梁上，这是一种常见的配置形式，其最大的特点是占地 面积小，能有效地利用空间，横梁可以是固定的，也可以是行走的，机器或机械手的 臂部可安装在厂房原有建筑的柱梁上，也可以从地面上架设，可安装在有关设备上方， 也可以安装在悬升梁上。 3.3.2手臂的组成和作用 臂部是工业机械手的重要组成部分，其作用是支撑手部和腕部，改变手部在空间 的位置，臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身上，机身可以是固定式的， 也可以是行走式的，即可沿地面或导轨运动。 手臂的组成部分如管路、冷却装置、行程定位装置、油缸、反馈装置等直接影响 机械手的工作性能。 3.3.3手臂设计应注意的问题 1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 手臂的的截面形状要选择合理 合理布置作用力的位置和方向，在结构设计时应该结合具体受力情况，使个 作用力引起的变形相互抵消。 注意简化结构，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽量使结构简单。 提高配合精度 2）臂部速度要高，惯性要小 应尽量减少手臂的重量，减少手臂运动的轮廓尺寸，减少回转半径。 3）手臂动作应灵活 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 14 页 为减少手臂运动件之间的云工阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦，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，以防卡死 3.3.4手臂升降油缸设计的计算 1）升降油缸的驱动力计算 根据手臂升降油缸驱动时所需克服负载、摩擦、密封装置及惯性等几个方面的阻 力，确定油缸工作受力分析如图 3.3.4.a 图 3.3.4.a 升降油缸工作受力图 上升时： pq=f摩f惯f回g 下降时： pq=f摩f惯f回g 式中 g 臂部运动部件的重量(n) 升降油缸手臂重量： 工件：3；手部：4；导向杆：1； 活塞杆：1/4d2h=1/42024287.810-6 =1.1 缸体：壁厚取 =8， 2rh=22036087.810-6 =2.8 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 15 页 油：d2h=4023500.810-6=1.4 活塞：1/4d2h=1/4402107.810-6=0.1 总重量：3+4+1+1.1+1.4+0.1=10.6 考虑到安全系数，取总重量 m 为 20，则 g=209.8=196n f 惯 起动的惯性力(n)；可按如下近似计算： f惯= （3-3） tg v 总 g 式中， v速度变化量（m/s）,又 v 最大为 200/s； t启动过程的时间（s）,一般为 0.010.15； t 对于轻载低速部件取小值，对于重载高速部件取大值，由于该机械手臂运动时 速度不高，且工作载荷不大，取 t=0.08s. f惯=nn50 08 . 0 2 . 0 8 . 9 196 f回 油缸回腔低压油液所造成的阻力，一般背压力较小，可按 f回=0.05g 计算， f回 =0.05196=9.8n f摩 各支承处的摩擦力(n)； 当量摩擦系数 =(1.271.57) 对于静摩擦且无润滑时，钢对铸铁：=0.180.3，取 =0.2 则 =(1.271.57)0.2=0.250.31 如图 3.3.4.b 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 16 页 图 3.3.4.b 活塞杆受力分析 升降导向立柱不自锁，必须 gf1+f2=2 f1=2 fr1f 由平衡条件：fr1 =fr2 ，gr= fr2h 解得：h0.6r 取 h=10，满足不自锁条件，则摩擦力为： f摩=nn h grf ffr 2 . 235 10 3 . 02019622 2 1 上升时： pq=f摩f惯f回g=235.2+50+9.8+196=491n 下降时： pq=f摩f惯f回g=235.2+50+9.8196=295n 2）升降油缸结构尺寸计算 双作用液压缸示意图如图 3.3.4.c 图 3.3.4.c 双作用液压缸示意图 当油进入无杆腔时： ff1= p 2 d 4 当油进入有杆腔时： 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 17 页 ff2=pd )d( 4 22 液压缸的有效面积： s= 1 p f 故有： d1.13（无杆腔） （3-4） 1 p 4f 1 p f d（有杆腔） （3-5） 2 1 d p 4 f 式中 f驱动力（n）; p1液压缸的工作压力（pa）; d活塞杆直径（m）； d液压缸内径（m）； 液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取=0.9； 由总体设计可知液压缸口朝下，所以当活塞上升时液压油进入的是有杆腔。 取 d=0.5d p1=2.5 mp dm19.25 mm 2 1 d p 4 f 4 d 95. 0102.5 4914 2 6 查表 6-2 油缸内径系列圆整，为了使该机械手具有更好的通用性， 这里取 d=40mm 则 d=20mm 3）油缸壁厚的选择 由于升降油缸的工作压力较小，结构尺寸不大，所以可根据： 油缸外径 d1=d2 求出 其中 d=40mm ， p1=2.5mp 查表 2-3-7 常用油缸外径尺寸知 d1=55mm =mmmm dd 5 . 7 2 4055 2 1 4）活塞杆的计算与校核 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求。对与杆长大于 直径的 15 倍（即 l15d）的活塞杆还必须具有足够的稳定性。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 18 页 按强度条件确定活塞杆的直径 d，因活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此可看 作直杆拉压强度计算问题 （3-6） 4 2 d f 或 d （3-7） 4 f 式中 f 总机械载荷（n）； 材料的许用应力（mp）； = n b 碳钢取=100120mpa； n安全系数，一般不小于1.4； d m2.5mm 4 f 6 10100 4914 计算出来的直径 d 再按标准圆整。所以 d20mm 是满足要求的。 又升降油缸的活塞杆工作时，主要承受拉力，不会出现 “失稳”现象，故无需进 行稳定性校核。 5）油缸端盖的连接方式及强度计算 油缸体与缸盖的连接方式和油缸的工作压力、选用材料以及工作条件有关。本次 设计的升降油缸工作压力低，选用铸铁材料油缸，它的连接方式多用法兰连接，优点 是容易加工和装卸，缺点是外径和重量较大。 缸盖螺钉的计算： 螺钉数目 （3-8） 1 t d z o 式中 do 螺钉中心所在圆的直径 t1螺钉间距，查表 6-7 知 间距应小于 100mm；取 40mm 取 z=57 . 4 40 60 z 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 19 页 螺钉强度校核 （3-9） 2 1 2 1 4 4 3 . 1 d q d q j o 合 或 （3-10） j q d 4 1 式中 qo =q+qs q 工作载荷 q=n z p d z f 3 .628 5 105 . 204 . 0 4 62 2 qs剩余锁紧力 qs=k q ；k=1.51.8 qj 计算载荷 qj=1.3qo 许用拉应力= ，n=1.22.5； n s 设材料为 45 号钢，查得 s=360mp 经计算得 d13.87mm 综合考虑选用 m6 的内六角圆柱头螺钉。 3.3.5手臂横移油缸的设计计算 1）横移油缸驱动力的计算 根据手臂横移油缸驱动时所需克服负载、摩擦、密封装置及惯性等几个方面的阻 力，确定油缸工作受力分析如图 3.3.5 图 3.3.5 横移油缸工作受力图 工作时： pq=f摩f封f回f惯 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 20 页 式中 f摩 各支承处的摩擦力(n)； 横移油缸手臂重量计算，由前面计算可得 总重量：3+4+1.1+1.4+0.1+5=14.6 考虑到安全系数，g 取 30，又 n=g=309.8=294n f摩=fn=0.2294=58.8n f封 密封处的摩擦力(n) 这里 f封= f封 1+f封 2 式中 f封 1、f封 2分别为活塞杆和缸盖处，活塞与缸壁处密封装置的摩擦阻力，其 值随密封结构的不同而异。 由于该机械手升降油缸采用 o 形密封圈，活塞杆直径为液压缸直径的一半，当油 缸工作压力小于 10mpa 时，液压缸密封处的总的摩擦力为： f封 1+f封 2=0.03pq （3-11） f回 油缸回腔低压油液所造成的阻力，一般背压力较小，可按 f回=0.05g 计算， f回 =0.05294=14.7n f惯 起动的惯性力(n)；可按如下近似计算： f惯= tg v 总 g 式中， v速度变化量（m/s）,又 v 最大为 200/s； t启动过程的时间（s）,一般为 0.010.15； t 对于轻载低速部件取小值，对于重载高速部件取大值，由于该机械手臂运动时 速度不高，且工作载荷不大，取 t=0.08s. f惯=nn75 08 . 0 2 . 0 8 . 9 294 驱动力为： pq=f摩f封f回f惯=58.8+0.03pq+14.7+75 解得 pq=149n 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 21 页 2）横移油缸结构尺寸计算 d（有杆腔） （3-12） 2 1 d p 4 f 式中 f驱动力（n）; p1液压缸的工作压力（pa）; d活塞杆直径（m）； d液压缸内径（m）； 液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取=0.9； 取 d=0.5d p1=2.5 mp dm10.6 mm 2 1 d p 4 f 4 d 95. 0102.5 1494 2 6 查表 6-2 油缸内径系列圆整，为了使该机械手受更好的通用性， 这里取 d=32mm 则 d=16mm 对于手臂部件的设计，只对关键液压缸等主要部件进行了校核，并且预留了较大 的余量，其他结构尺寸较小、承受工作压力不大的部件不再一一进行校核，只根据以 往的经验进行设计。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 22 页 4液压驱动系统设计液压驱动系统设计 液压系统自 60 年代初至今，已在机械手中获得广泛应用。目前，虽然在中等负载 以下的机械手中有采用电机驱动系统，但在简易经济型，重型的工业机械手和喷涂机 械手中采用液压系统的仍然占有较大比例。它的优点是：动力大、力（或力矩）惯性 比大、快速响应高、易于实现直接驱动等。 液压系统在机械手中所起的作用是通过电液转换元件把控制信号进行功率放大， 对液压动力机构进行方向、位置和速度的控制，进而控制机械手的手臂按给定的运动 规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动液压缸。用于实现手臂的 伸缩升降以及手腕、手臂的回转。 4.1液压系统的组成 1）能源装置，它是将电机输入的机械能转换为油液的压力能（压力和流量）输出 的能量转换装置，一般最常见的是液压泵。 2）执行元件，它是将油液的压力能转换成直线式或回转式机械能输出的能量转换 装置。 3）调节控制元件，它是控制液压系统中油液的能量，压力和流动方向的装置，是 流量阀，压力阀，方向阀等的总称。这些元件系统是保证系统正常工作不可缺少的组 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 23 页 成部分。 4）辅助元件，它是除上述三项以外的其他装置，如油箱，滤油器，油管，管接头 等。这些元件对保证液压系统的可靠，稳定，持久的工作，有重大作用。 5）工作介质，即各种液压油或乳化液。 4.2液压系统的主要特点 液压传动是用液体作为介质来传递能量的，液压传动与机械，电气和气压等传动 相比，有以下优点： 1）易于获得较大的力或力矩； 2）功率重量比大； 3）易于实现往复运动； 4）易于实现较大范围的无级变速； 5）传递运动平稳； 6）可实现快速而且无冲击的变速和换向； 7）与机械传动相比易于布局和操控； 8）易于防止过载事故； 9）自动润滑、元件寿命长； 10）易于实现标准化、系列化。 各种液压系统都是由液压元件构成，因此对液压元件实现标准化、系列化，可大 大提高生产效率，降低成本，提高产品质量。与其他传动形式比较，液压传动有以下 缺点： 1）易出现泄漏； 2）有的粘度随温度变化，引起工作机构运作不稳定； 3）空气渗入液压油后会引起爬行、振动和噪声； 4）用矿物油作液压介质，有燃烧危险应注意防火； 5）矿物油与空气接触会发生氧化，使油变质必须定期换油； 6）液压件的零件加工质量要求较高。 为了减少泄漏，减少摩擦，所以必须使零件配合间隙要小，因此零件的加工质量 要求就较高，成本也就提高了。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 24 页 4.3液压系统传动方案的确定 4.3.1各液压缸的换向回路 为便于机械手的自动控制，如采用可编程序控制器或微机进行控制，从总体方案 设计中可知系统系统的压力和流量都不高，因此一般都选用电磁换向阀回路，以获得 较好的自动化程度和经济效益。 液压机械手一般采用单泵或双泵供油，手臂伸缩、手臂俯仰、手臂旋转等机构采 用并联供油，这样可有效降低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干 扰，实现同步或非同步运动，换向阀需采用中位“o”型换向阀。 综上所述并结合本设计方案，升降和横移油缸换向选用二位二通电磁阀，其它缸 全部选用 o 型三位四通电磁换向阀。选电磁阀便于自动化控制，选中位为 o 型使定位 准确，如图 4.3.1。 图 4.3.1 换向回路设计 4.3.2调速方案 整个液压系统只用单泵或双泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都 用液压泵的全流量工作是无法满足设计要求的。尽管有