资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共55页)
编号：23169455
类型：共享资源
大小：2.10MB
格式：RAR
上传时间：2019-11-06
上传人：qq77****057
认证信息
个人认证
李**（实名认证）
江苏
IP属地：江苏
36
积分
- 关 键 词：
-
焊接
机械手
传动
机构
控制系统
设计
- 资源描述：
-
焊接机械手的传动机构与控制系统设计,焊接,机械手,传动,机构,控制系统,设计
- 内容简介：
-
焊接机械手传动机构与控制系统设计,指导老师：,设计意义,如今机械手越来越广泛地被应用于工业生产中，焊接是工业生产中一个重要的环节，但焊接又是一种容易对工人身体健康造成影响的工作，因此设计和推广焊接机械手成为必然的趋势。,总体方案,传动机构设计,液压系统设计,手腕液压缸设计,手臂液压缸设计,机身液压缸设计,底座液压缸设计,液压系统图,电气控制图,手腕的设计,手腕转动运动采用一个单叶片式摆动液压缸实现，回转轴前端通过一个连接法兰与焊枪连接。,手臂的设计,手臂伸缩运动通过一个单出杆双作用伸缩液压缸实现，缸体外部设置一根导杆防止活塞杆因惯性转动，导杆套装在缸体外部，导杆套底部是平面，方便与机身连接。手臂前端通过一个连接法兰与手腕连接。,机身的设计,机身升降运动也是通过一个单出杆双作用伸缩液压缸实现，缸体外部同样设置一根导杆防止活塞杆因惯性转动，导杆套与液压缸前端盖一起与缸体固定。手臂前端通过一个连接板与手臂的导杆套底板连接。,底座的设计,底座的传动机构与手腕相似，都是通过一个单叶片式摆动液压缸实现，回转轴前端采用花键与连接板连接，连接板与机身缸体后盖一起固定在缸体上。,液压系统图,电气控制图,谢谢！,CAD图,毕 业 设 计（论 文）题 目：焊接机械手的传动机构与控制系统设计（英文）：Design of Welding Manipulator Transmission Mechanism and Control System院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 焊接机械手的传动机构与控制系统设计摘要在工业生产中，有不少工作会对工人身体产生不良影响，例如焊接工作。而焊接却是生产中必不可少的环节。随着科技的发展和工业需求的增加，焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大，而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或产品的质量。国内焊接机器人应用虽已具有一定规模，但与我国焊接生产总体需求相差甚远。因此，大力研究并推广焊接机器人技术势在必行。 为了设计出可以投入生产应用的焊接机械手，通过查阅了相关参考资料，了解了国内外焊接机械手的发展现状，掌握了机械手的基本工作原理，进而对机械手传动机构进行设计计算和强度校核，利用CAD绘图软件绘制出结构图，并对液压驱动系统进行了仿真，最终设计出基本可投入生产应用的焊接机械手。关键字：焊接机械手；机械机构设计；控制系统设计Design of Welding Manipulator Transmission Mechanism and Control System ABSTRACTIn industrial production, there are a lot of work have the harmful effect on the workers health such as welding. But welding is necessary in production. With the development of technology and the increase in industrial demand, welding in industrial production occupied more and more weight, and excellent welding technology directly affects the degree of the quality of parts or products. Although the domestic application of welding robot with a certain scale, but falls far short of the overall demand for welding. Therefore, vigorously research and the promotion of welding robot technology are imperative. In order to design a welding manipulator that can put into production application, through consulting the related reference material, understand the current situation of the welding manipulators development on the domestic and foreign, and master the basic working principle of the manipulator. Then design calculation and intensity of manipulator transmission mechanism, use CAD drawing software rendering the structure, and simulate the hydraulic drive system, and finally designed a welding manipulator that can be worked in production application.Key words: welding manipulator; Mechanism design; Control system design目录1绪论11.1技术概述11.2机械手的发展历程11.3机械手在生产中的应用21.4主要研究内容22总体方案设计42.1设计要求42.2机械手的基本形式42.3机械手的组成52.4机械手设计方案的选择52.5技术参数63腕部结构的设计计算73.1腕部设计的基本要求73.2腕部的结构及选择73.3腕部液压缸的设计计算83.3.1腕部驱动力计算83.3.2液压缸缸盖螺钉计算103.3.3动片及定片的连接螺钉计算113.4腕部液压缸轴承的计算123.5其他零部件的选择134手臂结构的设计计算144.1手臂设计的基本要求144.2手臂的结构及选择144.3手臂液压缸的设计计算154.3.1手臂工作负载154.3.2液压缸内径的计算164.3.3活塞杆的计算164.3.4液压缸缸筒壁厚计算174.3.5液压缸稳定性校核184.3.6连接部件的强度计算204.4手臂导杆的设计计算204.5其他零部件的选择215机身结构的设计计算235.1机身设计的基本要求235.2机身的结构及选择235.3机身升降液压缸的设计计算245.3.1升降液压缸工作负载245.3.2升降液压缸内径的计算255.3.3升降液压缸不自锁的条件分析255.3.4升降液压缸活塞杆的计算275.3.5升降液压缸缸筒壁厚计算285.3.6升降液压缸稳定性校核285.3.7连接部件的强度计算305.4机身摆动液压缸的设计计算325.4.1摆动液压缸驱动力计算325.4.2摆动液压缸缸盖螺钉计算345.4.3动片及定片的连接螺钉计算365.5机身摆动液压缸轴承的计算375.6机身导杆的设计计算375.7其他零部件的选择386液压系统设计396.1设计的基本要求396.2系统总体设计方案396.3液压系统的设计计算406.3.1流量的计算406.3.2液压泵的设计416.3.3液压泵型号的选择416.3.4液压泵电机的确定426.3.5油箱的容量计算426.4液压系统图436.5液压系统工作原理436.6电气控制图44总结45参考文献46致谢47附录A48焊接机械手的传动机构与控制系统设计1绪论1.1技术概述能模仿人手和臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。焊接机械手是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机械手就是在工业机器人的连接法兰装接焊枪或焊钳的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。焊接机械手主要包机械手机身和焊接设备两部分。1.2机械手的发展历程机械手是在早期就有的古代机器人基础上发展起来的，我国古代的人型机关制造者是最早研究有关机械手、关节活动等问题的.现代机械手的研究始20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。1.3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，如搬运、装配、切割、焊接等等，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不是连续的。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域。 焊接机械手具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。我国自上个世纪70年代末开始进行工业机械手的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。从目前国内外研究现状来看，焊接机械手技术的研究十分活跃，焊接机械手技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机械手系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。总的来说，由于工业机械手的特点满足了社会生产的需要，进而带来了经济效益。其特点：（1）对环境的适应性强，能代替人从事危险，有害的操作，在长时间对人体有害的场所，机械手不受影响；（2）机械手能持久、耐劳、可以把人从单调的繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能；（3）动作准确，可保证稳定和提高产品的质量，同时可避免人为操作的错误；（4）通用性灵活性好，特别是通用机械手，能适应产品品种迅速变化的要求，满足柔性生产的需要；（5）采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。1.4主要研究内容工业机械手在国民生产中有广泛的应用，许多机械设备都用到工业机械手，它是近代自动控制领域内出现的一种新型的技术装备。本次设计的工业机械手设备简单，动作灵活，经济实用，稳定性好，适于使用。在研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了机械手的运动机理。在此基础上，确定了焊接机械手的基本系统结构，对焊接机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手传动机构和简单的控制系统方面的设计工作。2总体方案设计2.1设计要求进行生产线焊接机械手机构与控制电路设计。包括主要机构和传动系统设计：机械手支撑焊具的最大重量：10kg，焊具移动范围为半径为400mm的扇形区域，高度变化范围为：500mm。动力装置自定。如选用液压系统，要设计出液压系统图和相应电气控制系统。要求设计寿命10年。完成机体和传动机构的总体设计，并完成指定零件的零件图设计。进行必要零部件的受力分析与强度验算；绘制总装图和相关零件图。必要时进行优化设计和应力分析。在以上给定参数条件下，设计出应用标准元件最多，体积最小、机构最为合理、强度足够，基本能交付工程实际的设计资料。2.2机械手的基本形式机器人的结构形式主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式四种：（1）直角坐标式机器人：这类机器人的空间运动是由三个互相垂直的直线运动组成，工作空间为长方体状空间。直角坐标式机器人一般能达到很高的定位精度，但相对而言，直角坐标式机器人的结构尺寸一般比另外几类机器人大，主要运用于装配和搬运工作。（2）圆柱坐标式机器人：这类机器人的空间运动是由两个垂直运动和一个旋转运动组成，工作空间是一个圆柱状空间。圆柱坐标式机器人结构相对简单，定位精度一般，一般运用在搬运和部分焊接工作。（3）球坐标式机器人：这类机器人的空间运动是由两个旋转运动和一个垂直运动组成，工作空间为类球状空间。球坐标式机器人结构简单且成本较低，但是定位精度较差，主要运用于搬运工作。（4）关节坐标式机器人：这类机器人的空间运动是由三个旋转运动组成，工作空间比较大，可看作类似人的手臂的运动范围。关节坐标式机器人的结构紧凑，动作灵活，定位精度高，在工业生产中运用广泛，可运用于焊接，搬运，装配，喷涂等运动比较复杂的工作。关节坐标式机器人还分为垂直关节型和水平关节型两种。2.3机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。执行机构是用来执行机械手的工作如：抓取、焊接、搬运等，根据工作形式，执行器可能是手爪、焊具、吸盘等。驱动机构是驱动机械手完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变执行机构的位置和姿势。控制机构主要利用可编程序控制器、微型计算机等控制驱动机构动作，进而控制执行机构运动。一般机械手可分为：手部（执行器）、手腕、手臂、机身、机座（腰部）。2.4机械手设计方案的选择因为设计要求为一个半径为400mm，高度为500mm的半圆柱，所以选择圆柱坐标式机器人，具有四个自由度：机身升降，机座回转，手部伸缩，手腕回转。运动简图如下：图2.1 机械手运动简图驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。本设计机械手回转运动采用单叶片摆动液压缸，平移运动采用伸缩液压缸实现。2.5技术参数用途：用于焊接工作；自由度数：四个（手腕回转，手臂伸缩，机身升降，底座回转）；坐标形式：圆柱坐标系；机身升降行程：；手臂伸缩行程：；手腕回转速度：；手臂伸缩速度：；机身升降速度：；底座回转速度：；手腕回转范围：；底座回转范围： 。3腕部结构的设计计算3.1腕部设计的基本要求手腕部件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方位，以扩大机械手的动作范围，适应性更强。手腕回转运动机构为回转油缸，的结构紧凑，灵活，自由度符合设计要求，它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。腕部处于臂部的前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。腕部的结构、重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。因此在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。腕部作为焊接机器人的执行机构，又承担连接和支撑焊枪的作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接腕部自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀，压力油的粘度和燃点，有关材料及电控电测元件的耐热性等问题）。3.2腕部的结构及选择具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛使用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270）。在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构，但这种结构外形尺寸较大。也有不少机械手采用机-液结合的腕部结构。焊接工作转动范围一般都不大，而且考虑到结构大小，采用一个回转自由度的腕部，驱动采用单叶片式摆动液压缸。3.3腕部液压缸的设计计算3.3.1腕部驱动力计算注：图中为手部即焊具重量，为腕部总重量。图3.1 腕部支撑反力示意图腕部回转时需要克服的总阻力矩为： （3.1）摩擦力矩： （3.2）式中：为轴承摩擦系数，取。为简化计算，令。本设计手部没有偏心力矩，因此惯性力矩： （3.3）式中：为回转角速度，取；为启动时间，取。整个腕部可以看是作一个半径为60mm的圆柱体，重量估算为40kg，材料为45号钢。= （3.4） （3.5）则 （3.6）驱动力矩： （3.7）式中：为手腕回转时的总的阻力矩； 为摆动液压缸的工作压力；为缸体内半径；为回转轴半径；为动片宽度。表3.1液压缸内径系列 2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250查液压缸内径表，根据，取，。工作压力为： （3.8）因此取足够。 （3.9）3.3.2液压缸缸盖螺钉计算 图3.2 缸盖螺钉间距示意图液压缸缸盖螺钉间距和压力的关系如表3.2：表3.2 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（MPa）螺钉间距t（mm）0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80在这种联接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力: （3.10）式中：为螺钉预紧力，取1.7。根据工作压力，得，选用4个螺钉，则 （3.11）受力面积： （3.12） （3.13）式中：为工作压力； 为受力面积； 为螺钉数目。 （3.14） （3.15）螺钉材料选用Q235，则 （3.16）螺钉最小直径： （3.17）根据安装需要长度，选用。3.3.3动片及定片的连接螺钉计算动片、定片各自的连接结构见图3.3，连接螺钉一般为偶数，这里采用2个，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。图3.3 摆动缸连接示意图螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： （3.18）式中：为预紧力； 为接合面摩擦系数，取0.15； 为接合面数，取； 为螺钉数目，取。 （3.19）螺钉材料选用Q235，则 （3.20）螺钉最小直径： （3.21）取。定片与缸体连接螺钉选用；定位销 。动片与活塞杆连接螺钉选用；定位销 。3.4腕部液压缸轴承的计算轴承材料选择，估计轴承所受径向载荷为，轴向载荷较小，可忽略。选用深沟球轴承6004，轴承参数如下：，当量动载荷，载荷系数取1，由公式： （3.22）（为转速，球轴承）代入得： （3.23）符合轴承额定寿命，因此选用2对深沟球轴承6004。3.5其他零部件的选择轴承连接螺钉选用。密封采用O型密封，回转轴选用，缸体选用。手腕前端连接法兰的键选用。4手臂结构的设计计算4.1手臂设计的基本要求手臂是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们做空间运动。手臂运动的目的是把手部送到空间运动范围内任意一点，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。手臂设计首先要实现所要求的运动，为此，需要满足下列各项基本要求：（1）手臂应承载能力大、刚度好、自重轻，对于机械手臂或机身的承载能力，通常取决于其刚度。一般结构上较多采用悬臂梁形式（水平或垂直悬伸），显然伸缩臂杆的伸长度愈大，则刚度愈差，而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。（2）手臂运动速度要高，惯性要小，机械手手部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。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂要尽可能的轻。（3）手臂动作应该灵活，为减少手臂运动之间的摩擦阻力，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合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。（4）位置精度要求高，一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高；关节式机械手的位置精度最难控制，故精度差。除此之外，要求机械手的通用性要好，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。4.2手臂的结构及选择常见的手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；复合运动，如直线运动和回转运动组合。 本次设计液压驱动方案采用单出杆双作用液压油缸，外部采用一根导向杆导向防止转动。 图4.1 手臂结构示意图4.3手臂液压缸的设计计算4.3.1手臂工作负载工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力，焊具重10kg，手腕约重40kg，手臂自重约100kg，其他零部件约重20kg，即 （4.1）工作机构在满载启动时的静摩擦力 （4.2）（为静摩擦系数，取）工作机构满载启动时的惯性力 （4.3）式中：为启动时间，取0.1s；取0.2m/s。总工作负载 （4.4）根据负载，选择液压缸工作压力为1.5MPa。4.3.2液压缸内径的计算液压缸内径 （4.5）（为效率，取0.95）表4.1液压缸内径系列 2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250手臂液压缸直接支撑手腕和焊具及自身全部载荷，因此内径选择偏大一些，查表4.1选取内径。4.3.3活塞杆的计算活塞杆材料采用45号钢，其抗拉强度。表4.2不同工作压力时的速比工作压力/1012.52020速比1.331.4622查表4.2取速比为1.33，活塞杆直径 （4.6）表4.3活塞杆直径系列 4568101214161820222532364045505663708090100110125140160180200220250280320360查表4.3取。最小导向长度 （4.7）（为最大行程，本设计） 活塞杆强度校核，因为活塞杆长，活塞杆直径，为细长杆，判别最大挠度点位置可由下公式得： （4.8）式中：为活塞杆弹性模量，钢材；为活塞杆截面惯性矩，。 （4.9） （4.10）式中：为活塞杆材料的许用应力，为屈服极限，为安全系数，计算得。因此活塞杆强度符合要求。4.3.4液压缸缸筒壁厚计算缸筒材料选用45号钢，抗拉强度。 （4.11）式中：为1.5倍工作压力；，为安全系数，取5.5，。壁厚较小，为方便安装，取10mm，缸筒外径。4.3.5液压缸稳定性校核图4.2 活塞杆弯曲示意图根据材料力学概念，一根受压的直杆，在其负载力超过稳定临界力时，即已不能维持原有轴线状态下的平衡而丧失稳定。所以液压缸的稳定条件为 （4.12）式中：为最大负载力；为液压缸稳定临界力； 为稳定性安全系数，一般取。按下式得到： （4.13）可根据和的值确定，其中为活塞杆头部销轴孔至导向中心的距离（见图4.2），为缸筒尾部销轴孔至导向中心店的距离（见图4.2），为活塞刚横截面惯性矩，为缸筒横截面惯性矩。， （4.14）式中：为活塞杆直径； 为缸筒内径；为缸筒外径。因此，取， 而且，的值可由图4.3得：图4.3 临界力的计算图因此 （4.15） （4.16）液压缸稳定性符合要求。4.3.6连接部件的强度计算液压缸前盖后盖均使用螺栓连接，连接螺栓材料选用Q235，其屈服极限为，这里采用螺栓，个数为4个，其强度校核如下：拉应力： （4.17）剪应力： （4.18）式中：为液压缸最大推力，即工作负载； 为螺纹预紧力系数，取； 为螺纹内摩擦系数，取；为螺纹外径，； 为螺纹内径，可近似看做；为螺栓个数，这里。其合成应力和强度条件为 （4.19）螺栓连接强度符合要求，前盖连接螺栓选用，后盖连接螺栓选用。4.4手臂导杆的设计计算导杆机构的作用是保证液压缸活塞杆伸出时不会因惯性导致转动，提供机构刚度。导杆选择圆柱导杆，材料选用45号钢。此杆只是防止手臂活塞杆转动，载荷主要在活塞杆处，根据简单载荷作用下梁的挠度和转角公式： ， （4.20）式中：是截面抗弯刚度，为弹性模量，钢材。 （4.21） （4.22） （4.23）计算式完全把载荷加在导轨上，实际是载荷主要由活塞杆支撑，所以导向杆的挠度会更小，符合设计要求。4.5其他零部件的选择活塞杆前端法兰与手腕的连接螺栓，选用材料为Q235，其屈服极限为，采用螺栓，个数为4个，强度校核如下：拉应力： （4.24）剪应力： （4.25）其合成应力和强度条件为 （4.26）强度符合要求，选用。密封采用O型密封，活塞杆选用，缸体选用，后盖选用。活塞杆与活塞采用螺纹螺母连接，螺纹采用，螺母采用。液压缸外部加一个导杆支撑套，材料用，支撑套底部与机身活塞杆连接，顶部作为导杆的支撑套，形状大致如下，图4.4 手臂导杆支撑套形状示意图5机身结构的设计计算5.1机身设计的基本要求机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。按照设计要求，机械手要实现手臂270的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑分析。5.2机身的结构及选择机身承载着手臂做回转、升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：（1）摆动液压缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。但回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度有影响。（2）摆动液压缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。缺点是回转缸与臂部一起升降，运动部件较大，升降负载过大。（3） 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。经过综合考虑，本设计选用摆动液压缸置于升降液压缸之下的结构。本设计机身包括两个运动，带动手臂的升降和回转。手臂部件与升降液压缸的活塞杆上端的连接板连接，摆动液压缸的回转杆和升降液压缸的底盖连接，直接带动整个升降液压缸和手臂整体转动，摆动液压缸转动角度可达270。其结构示意图如图5.1所示。图5.1 机身液压缸布置示意图5.3机身升降液压缸的设计计算5.3.1升降液压缸工作负载工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力，焊具重10kg，手腕约重40kg，手臂自重约100kg，其他零部件约重20kg，机身自重约120kg，即 （5.1）工作机构在满载启动时的静摩擦力 （5.2）（为静摩擦系数，取）工作机构满载启动时的惯性力 （5.3）式中：为启动时间，取0.1s；取0.2m/s。总工作负载 （5.4）根据负载，选择液压缸工作压力为1.5MPa。5.3.2升降液压缸内径的计算液压缸内径 （5.5）（为效率，取0.95）表5.1液压缸内径系列 2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250考虑到机身液压缸单独支撑整个手臂，其活塞杆承受大部分的载荷，外部导杆主要防止其转动，只承担较小负载，因此内径选择偏大一些，查表5.1选取内径。5.3.3升降液压缸不自锁的条件分析升降液压缸的活塞杆在升至最高处时，由于手臂的偏心力，有可能使活塞杆偏移轴线以致无法下降的情况，即自锁，为了避免这种情况的发生，升降液压缸的前盖必须有较长的导向长度，其长度由不自锁的条件确定，手臂等部件偏心力矩的计算，如下图：图5.2 手臂偏心力矩示意图手臂等部件总重，根据设计的安装位置偏心距约为，所以偏心力矩为 （5.6）由力的平衡条件得： （5.7） （5.8）即 （5.9）不自锁的条件为 （5.10）（取）即 （5.11）即 （5.12） 取。5.3.4升降液压缸活塞杆的计算活塞杆材料采用45号钢，其抗拉强度。表5.2不同工作压力时的速比工作压力/1012.52020速比1.331.4622查表5.2取速比为1.33，活塞杆直径 （5.13）表5.3活塞杆直径系列 4568101214161820222532364045505663708090100110125140160180200220250280320360活塞杆承受大部分载荷，因此取比计算结果更大的值，查表5.3取。最小导向长度 （5.14）（为最大行程，本设计） 活塞杆强度校核，因为活塞杆长，活塞杆直径，为细长杆，判别最大挠度点位置可由下公式得： （5.15）式中：为活塞杆弹性模量，钢材；为活塞杆截面惯性矩，。 （5.16） （5.17）式中：为活塞杆材料的许用应力，为屈服极限，为安全系数，计算得。因此活塞杆强度符合要求。5.3.5升降液压缸缸筒壁厚计算缸筒材料选用45号钢，抗拉强度。 （5.18）式中：为1.5倍工作压力；，为安全系数，取5.5，。壁厚较小，为方便安装，取15mm，缸筒外径。5.3.6升降液压缸稳定性校核 升降液压缸的稳定校核与手臂液压缸的基本相似，只是一个是横向放置的液压缸，一个是纵向放置的。图5.2 活塞杆弯曲示意图根据材料力学概念，一根受压的直杆，在其负载力超过稳定临界力时，即已不能维持原有轴线状态下的平衡而丧失稳定。所以液压缸的稳定条件为 （5.19）式中：为最大负载力；为液压缸稳定临界力； 为稳定性安全系数，一般取。按下式得到： （5.20）可根据和的值确定，其中为活塞杆头部销轴孔至导向中心的距离（见图5.2），为缸筒尾部销轴孔至导向中心店的距离（见图5.2），为活塞刚横截面惯性矩，为缸筒横截面惯性矩。， （5.21）式中：为活塞杆直径； 为缸筒内径；为缸筒外径。因此，取， 而且，的值可由图5.3得：图5.3 临界力的计算图因此 （5.22） （5.23）液压缸稳定性符合要求。5.3.7连接部件的强度计算液压缸前盖后盖均使用螺栓连接，连接螺栓材料选用Q235，其屈服极限为，前盖采用螺栓，个数为4个，后盖采用采用，个数为8个，螺栓其强度校核如下：前盖螺栓：拉应力： （5.24）剪应力： （5.25）式中：为液压缸最大推力，即工作负载； 为螺纹预紧力系数，取； 为螺纹内摩擦系数，取；为螺纹外径，； 为螺纹内径，可近似看做；为螺栓个数，这里。其合成应力和强度条件为 （5.26）螺栓连接强度符合要求，前盖连接螺栓选用，螺母选用。后盖螺栓：拉应力： （5.24）剪应力： （5.25）式中：为液压缸最大推力，即工作负载； 为螺纹预紧力系数，取； 为螺纹内摩擦系数，取；为螺纹外径，； 为螺纹内径，可近似看做；为螺栓个数，这里。其合成应力和强度条件为 （5.26）螺栓连接强度符合要求，前盖连接螺栓选用，螺母选用。5.4机身摆动液压缸的设计计算5.4.1摆动液压缸驱动力计算注：图中为机身以上的重量，为机身摆动液压缸总重。图5.4 腕部支撑反力示意图摆动液压缸回转时需要克服的总阻力矩为： （5.27）摩擦力矩： （5.28）式中：为轴承摩擦系数，取。为简化计算，令。偏心力矩根据之前升降液压缸的计算，因此。惯性力矩： （5.29）式中：为回转角速度，取；为启动时间，取。整个腕部可以看是作一个半径为200mm的圆柱体，重量估算为490kg，材料为45号钢。= （5.30） （5.31）则 （5.32）驱动力矩： （5.33）式中：为摆动液压缸回转时的总的阻力矩； 为摆动液压缸的工作压力；为缸体内半径；为回转轴半径；为动片宽度。表5.4液压缸内径系列 2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250查液压缸内径表，根据，取，。工作压力为： （5.34）工作压力取。 （5.35）5.4.2摆动液压缸缸盖螺钉计算 图5.5 缸盖螺钉间距示意图液压缸缸盖螺钉间距和压力的关系如表5.5：表5.5 螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（MPa）螺钉间距t（mm）0.51.5小于1501.52.5小于1202.55.0小于1005.010.0小于80在这种联接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力: （5.36）式中：为螺钉预紧力，取1.7。根据工作压力，得，选用8个螺钉，则 （5.37）受力面积： （5.38） （5.39）式中：为工作压力； 为受力面积； 为螺钉数目。 （5.40） （5.41）螺钉材料选用Q235，则 （5.42）螺钉最小直径： （5.43）根据安装需要长度，选用。5.4.3动片及定片的连接螺钉计算动片、定片各自的连接结构见图5.6，连接螺钉一般为偶数，这里采用2个，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。图5.6 摆动缸连接示意图螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： （5.44）式中：为预紧力； 为接合面摩擦系数，取0.15； 为接合面数，取； 为螺钉数目，取。 （5.45）螺钉材料选用Q235，则 （5.46）螺钉最小直径： （5.47）因为回转轴和缸体内径都比较大，所以取。定片与缸体连接螺钉选用；定位销 。动片与活塞杆连接螺钉选用；定位销 。5.5机身摆动液压缸轴承的计算轴承材料选择，估计轴承所受径向载荷为，轴向载荷较小，可忽略。选用深沟球轴承6218，轴承参数如下：，当量动载荷，载荷系数取1，由公式： （5.48）（为转速，球轴承）代入得： （5.49）符合轴承额定寿命，因此选用2对深沟球轴承6218。5.6机身导杆的设计计算导杆机构的作用是保证液压缸活塞杆伸出时不会因惯性导致转动，提供机构刚度。导杆选择圆柱导杆，材料选用45号钢。此杆只是防止机身活塞杆因惯性而转动，载荷主要在活塞杆处，根据简单载荷作用下梁的挠度和转角公式： ， （5.50）式中：是截面抗弯刚度，为弹性模量，钢材。 （5.51） （5.52） （5.53）计算式完全把载荷加在导轨上，实际是载荷主要由活塞杆支撑，所以导向杆的挠度会更小，符合设计要求。5.7其他零部件的选择密封采用O型密封，升降液压缸活塞杆选用，缸体选用。摆动液压缸回转轴选用，缸体选用。升降液压缸活塞杆与活塞采用螺纹螺母连接，螺纹采用，螺母采用。液压缸外部加一个导杆支撑套，材料用，形状大致如下，图5.7 机身导杆支撑套形状示意图6液压系统设计6.1设计的基本要求本次设计的机械手具有四个自由度，包括：手腕的回转，手臂的伸缩，机身的升降和底座的回转，其坐标形式是圆柱坐标系，驱动系统选用液压驱动系统，液压系统的设计要求包括：（1）满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁，按程序依次步进动作而实现。（2）机械手伸缩液压缸安装在升降液压缸上，前端是手腕以及焊具，按控制系统的指令，完成不同位置不同方向的焊接工作，运动要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（3）液压控制系统设计要满足机械手动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足设计的驱动力要求和运动时间要求。此次设计选用了四个液压缸，分别是两个单叶片式摆动缸和两个单杆双作用伸缩缸。6.2系统总体设计方案本次设计的系统压力和流量都不高，选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化成都和经济效益。液压机械手采用单泵供油，所有动作采用并联供油，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，整个液压系统只用单泵工作，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是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证液压缸的平稳运行。单泵供油系统以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量。系统较为简单，所需元件较少，经济性好，考虑到系统功率较小，其溢流损失也较小。基本思路为：（1）单泵供油，采用先导型溢流阀卸荷，设置二位二通换向阀。（2）底座摆动液压缸正反方向均采用单向调速阀调速。由于回转部分的重量大，回转长度长，因此手臂回转时具有很大的动能。为此，除采用调速阀的回油节流阀调速阀外，还在回油路上安装双溢流阀，进行减速缓冲。（3）手臂单出杆双作用伸缩液压缸在手臂伸出时，由单向阀和节流阀组成的调速回路进行回油节流调速。手臂缩回时，回油路设置调速阀以完成缓冲作用。（4）手臂单出杆双作用升降液压缸在上升和下降均由单向调速阀回油节流。因为升降缸为立式，在其液压缸下腔油路中安装单向顺序阀，避免因整个手臂运动部分的自重而下降，起支撑平衡作用。6.3液压系统的设计计算6.3.1流量的计算手腕回转液压缸的流量计算： （6.1） （6.2）手臂伸缩液压缸的流量计算：伸出时的流量： （6.3）收缩时的流量： （6.4）机身升降液压缸的流量计算：伸出时的流量： （6.5）收缩时的流量： （6.6）底座回转液压缸的流量计算： （6.7）（6.8）6.3.2液压泵的设计液压泵的额定流量 （6.9）式中：为泵的输出流量； 为系统的泄露系数，取；为执行元件实际需要的最大流量。代入数据得 （6.10）液压泵的额定工作压力. （6.11）式中：为泵的工作压力； 为压力的损失系数，取；为执行元件的最高压力。代入数据得 （6.12）6.3.3液压泵型号的选择经过上述计算，通过根据流量和压力，选择YB型叶片泵，型号为YB-B48B，其参数如下表6.1：表6.1 YB-B48B型液压泵参数表型号理论流量（）额定压力（）输出流量（）YB-B48B48.3742.7驱动功率（）转速（）重量（kg）油口尺寸6.9额定最低最高脚架安装法兰安装进口出口1000600150025256.3.4液压泵电机的确定 先计算出电机的功率： （6.13）式中：为液压泵的工作压力；为液压泵的流量；为液压泵的总效率，叶片泵这里取。代入数据得： （6.14）根据结果，选择Y型三相异步电机，型号为Y160L-6，参数如下表6.2：表6.1 Y160L-6型电动机参数表电动机型号额定功率（）满载转速（）Y160L-6119702.02.06.3.5油箱的容量计算油箱容量的计算： （6.15）式中：为油箱有效容积；为容积系数，这里取；为液压泵的流量。代入数据后，得： （6.16）6.4液压系统图经过上面的计算，通过液压软件进行绘制液压系统图，并仿真，系统图如下：图6.1 液压系统图6.5液压系统工作原理此次设计的液压系统工作原理如下：（1）底座回转：得电时将电信号送给，使底座回转液压缸工作，底座快速回转，到位后碰到行程开关和挡板停下来。（2）机身上升：得电同时，发出信号传给使升降液压缸上升到指定位置后压下行程开关并碰到挡板停下来。（4）手臂伸出：得电时将电信号传送给使伸缩液压缸工作并伸出，当到位时压下行程开关并碰到挡板停止运动。（3）手腕回转：得电时将电信号送给，使底座回转液压缸工作，底座快速回转，到位后碰到行程开关和挡板停下来。（5）手臂缩回：焊具到达位置后，进行焊接并延时10s，直到延时继电器动作将电信号传送给使手臂缩回，到位后压下行程开关并碰到挡板停下，得电的同时将电信号传送给使液压泵在先导式顺序阀的作用下使液压泵处于卸荷状态。（6）手臂伸出：若还需要继续焊接，按下得电将电信号传送给使伸缩液压缸工作并伸出，当到位时压下行程开关并碰到挡板停止运动,然后跳至第（4）步。（7）机身下降：若已经不需要继续焊接，按下得电将电信号传送给使机身下降到指定位置后压下行程开关并碰到挡板停下。（8）底座快退：得电将电信号传送给，使回转液压缸工作，到位后碰到行程开关和挡板停下，得电的同时将电信号传送给使液压泵在先导式顺序阀的作用下使液压泵处于卸荷状态。6.6电气控制图液压系统的电气控制图如下：图6.2电气控制图总结经过三个多月的奋战，终于把毕业设计做完了，从最初的拿到题目时的迷茫，到慢慢的进入状态，再到设计思路渐渐地清晰，这既辛苦而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我获得了许多平时难以学
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号