压铸机自动浇铸机械手设计说明书【带CAD装配一张 双击可提取出】

I 压铸机自动浇铸机械手设计 摘 要 机械手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。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。 压铸机自动浇铸机械手，主要由手臂、回转支架、倾倒机构、浇包 (即勺式手部 )、倾倒油缸、回转油缸、底座及升降油缸等组成。 手臂为一平行四边形机构，它具有俯仰和回转运动。手臂俯仰运动是通过铰链支承的升降油缸来达到，使得平行四边形机构的连杆 (它带动 浇包 )作平面平行运动，即浇包有升降和横移运动。手臂的回转运动是由回转油缸来实现的。 手臂上安装有弹簧，通过绳索和滑轮与倾倒机构连接，用来使倾倒机构复位，同时也起缓冲作用。压铸机浇铸机械手备有 4、 6、 8 公斤三种容量的浇包，它们的结构相同，只是尺寸有异。该浇包的特点是底部进料，并有隔板以挡住氧化皮，其容积是定量的。 关键词： 机械手 ；浇铸 ；压铸 II Design of manipulator and automatic casting die casting machine Abstract Manipulator arm to mimic the staff and some motor function, to crawl at a fixed procedure, handling objects or tools of the automatic operation devices. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation can be harmful to the environment in the operation to protect the personal safety and therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. die casting machine automatically casting manipulator, mainly by the arm, rotating frame, the dumping of bodies, pouring package (that is, spoon-hand), the dumping of the fuel tank, the fuel tank of Rotary, the base and movements composed of the fuel tank. Arm as a parallelogram, it is pitching and turning motion. Pitching arm movement through the hinge supporting the movements to achieve the fuel tank, making the parallelogram linkage (which led poured packet), a parallel campaign plane, a package pouring movements and shifting movement. Arm of the Rotary movement is achieved by rotating the fuel tank. Spring is installed on the arm by a rope and pulley connection with the dumping of bodies, used to dump bodies reduction, but also a buffer role. die casting machine casting manipulator with a capacity of three kilograms of 4,6,8 pouring package, the same as their structure, but there are different sizes. The package is characterized by pouring at the bottom of the feed, and a partition wall to block the oxidation skin, its volume is quantitative. KeyWords： Manipulator；Cast； Srike III 目录 1 绪论 . IV 1.1 选题背景 . IV 1.2 机械手概述 . IV 1.3 机械手的组成 . V 1.4 国内外发展状况 .VII 1.5 课题的提出及主要任务 . VIII 1.5.1 课题的提出 . VIII 1.5.2 课题的主要任务 . IX 2 总体技术方案及系统组成 . X 2.1 原始数据 . X 2.2 机械手的配置及工作原理： . X 2.3 机械手的组成与结构 . XI 2.4 总体技术方案 .XII 2.4.1 坐标形式的选择 .XII 2.4.2 驱动机构的选择 . XIII 3 手部机构设计 . XIV 3.1 手部机构设计要求 . XIV 3.2 手部结构分类 . XIV 3.3 自动浇铸机械手结构设计 . XV 4 手腕的结构设计 . XVI 4.1 腕部总体设计 . XVI 4.2 腕部的设计要求 . XVI 4.3 腕部的结构尺寸 . XVII 4.4 手臂倾倒液压缸的设计 . XX 4.4.1 倾倒运动驱动力的计算 . XX 4.4.2 倾倒液压缸工作压力和结构的确定： . XX 5 手臂和机身的尺寸设计及校核 . XXII 5.1 臂部和机身的简介 . XXII 5.4 手臂升降液压缸的设计 . XXIV 5.5 液压缸壁厚和外径的计算 . XXVI 6 腰部与底座及回转液压缸的设计 . XXVII 6.1 底座的设计 . XXVII 6.2 回转液压缸的设计 . XXVII 6.3 回转液压缸的尺寸校核 . XXVIII 6.4 回转轴的设计 . XXIX 6.5 上轴的设计 . XXIX 结 论 . XXXII 致 谢 . XXXIII 参考文献 .XXXIV IV 1 绪论 1.1 选题背景 浇铸 ，在不加压或稍加压的情况下，将液态单体、 树脂 或其混合物注入模内并使其成为固态制品的方法。 塑料 的铸 塑成型类似于金属的浇铸，它是将配制好的液态原料浇入 模具 ，固化后得到与模腔形状和尺寸相近的塑料制件，这种方法称为塑料的铸塑成型。 浇铸法分为静态浇铸、嵌铸、离心浇铸、搪塑、旋转铸塑、滚塑和流延铸塑等。 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。在冲床上采用送料机械手取代人工送料已成为最有效防止工伤事件的安全生产措施。机械手不但可以实现安全操作，也提高了产品品质和生产效率，降低了废品率。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能 的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造 单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 1.2 机 械手概述 工业机器人由操作机 (机械本体 )、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、 V 提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义 上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 .机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率 :可以减轻劳动强度、保证产品 质量、实现安全生产 ；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用 . 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它 在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 1.3 机械手的组成 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多 ，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 2 3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或 dsp 等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 工业机械 VI 于的结构有简单的也有复杂的。但从结构形式分析，主要有执行机构驱动系统、位置检测装置和控制系统等组成。图 l.1 是其示意图。 图 1.1 机械手组成示意图 1执行机构 它包括手部、腕部、臂部 、立柱等基本结构组成： 1)手部 是夹持工件的构件。它由于爪和夹紧装置两部分组成。手爪有夹紧和松开动作。夹持式手爪的形式与人凶手指相仿。另外还有真空和电磁吸盘 (相当于手爪 )，用来吸取表面光滑的零 41：或薄板。有的手爪还可夹持一些专用工具，如喷枪、扳手、焊接工具等。 2)腕部 是联接于部和臂部的构件，起文撑手部的作用。它可以有俯仰、左右摆劝和回转三个运动。特殊情况可以增加一个横向移动。有的机械于没有手腕动作。 3)臂部 是文撑手部、腕部的构件。机械于的臀部是为取代人的手臂而研究设计的，但它却达不到象人密 的灵巧和适应功能。因此，只有把结构简化，把运动轨迹分为沿三坐标轴线方向往复移动和绕三坐标轴线进行回转。一般手何又有前后伸缩、左右回转、上下升降或上下摆动等几个运动。根据需要可选其中一个、二个或三个运动。 4)立柱 是支撑手臂等构件的。一般机械于的立往为固定不动的，也有的因工作需要立往作横向移孔此种称可移动式立柱。 5)行走机构 在机械手要求完成较远距离的操作时，可增加滚轮、轨道等行走机构。 6) 机座 是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 2 驱动系 统 VII 驱动系统是驱动臂部、腕部、手部的动力沉。它有气动、种形式由直线缸、回转缸、各种阀、管及管接头等组成。驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。 3 控制系统 控制系统是机械手的重要组成部分，它是支配机械手按规定程序、行程和速度进行运动的装置。它必须保存或记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序，到达位置和时间信息 )。机械手工作时根据这些信息对机械手的执行机构按程序发出控制指令，必要时还可 对机械手的动作进行监机当动作错误或发生故障时可发出管报信号。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电器（或机械挡块定位）系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定程序运动。 4 行程位置检测装置 行程位置检测装置的作用是控制机械手每个动作的运动位置，或将运动系统的位置反馈约控制系统，再由控制系统进行调节，使机械手实现位置精度的要求。控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使机构以一定的精度达到设 定位置。 1.3.5 辅助装置 1)基体 是机械手的基础部分基体上，它起支承作用。 2)油箱 用来存独和供油的装置，并使油散热和杂质沉淀 3)气瞒 贮存压缩空气 。 1.4 国内外发展状况 它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于 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以来，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 .机械手首先是从美国开始研制的。 1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器 VIII 人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是 1962 年美国 AMF 公司推出的 “V ERSTRAN” 和 UNIMATION 公司推出的 “UNIMATE” 。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成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。 我国的工业机器人从 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，目前己基本掌握了机器人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、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人 ；其 中有 130 多台套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，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如 :可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距 ；在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供 货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程 .我国的智能机器人和特种机器人在“ 863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人， 6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种 :在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系 统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 1.5 课题的提出及主要任务 1.5.1 课题的提出 浇铸是高温、高危的，人类无法直接接触高温钢铁溶液，只能通过机械来代替人类的活动。这样就必须开始设计一种机器能够在高温环境下仍能正常工作，还有就是浇铸本身出在一个污染严重的、躁声大的环境当中，一般的机器可能在此 IX 环境下不能正常工作或寿命难以保证， 总之要浇铸用机械要耐高温，寿命和安全系数要高。压铸机自动浇铸机械手，就是本着这一目的设计的。 1.5.2 课题的主要任务 本课题将要完成的主要任务如下： 1）运动功能设计：即自由度设计，应尽可能的灵活运动和大的工作空间，分析各关节运动的性质以及排列顺序等。 2）传动功能设计：机械手操作机是由若干个构件和关节组成的多自由度空间机构，传动功能中驱动器安排和机构要合理。 3）机械结构设计：满足强度和刚度情况下，要充分考虑机器人的结构紧凑、重量轻、体积小等特点。同时满足装卸方便，便于维修、调整。 X 2 总体技术方案及系统组成 2.1 原始数据 用途：用于冷室压铸机浇铸铝合金溶液。 规格参数： 浇包最大容量： 8 公斤 自由度数： 3 个 坐标形式： 类似球坐标 手臂运动参数： 回转（ &）： 110 俯仰（）： 54 浇包最大倾斜角（ 1）： 70 驱动方式： 液压 控制方式： 继电器固定程序控制 2.2 机械手的配置及工作原理： 压铸机自动浇铸机械手和保温炉等的配置如图 2-2-1所示。浇铸机械手 (即浇包 1)的初始位置，停在保温炉坩埚 2 内熔融金属液面的上方，在此进行保温，等待浇铸。当压铸机慢速合模时，压铸机的电控装置发信，使机械手升降油缸 6动作，浇包 (即勺式手部 )开始下降并浸入液态金属内，直到电极 B接触金属液面，电压继电器 2XT 发信，浇包停止下降，并用时间继电器控制浇包，以装满液态金属，尔后浇包上升，在提升过程中将多余的金属熔液从浇包的后挡板上溢出，直到浇包底面超过保温炉坩埚的最高点，碰限位开关 1 XWK，提升结束。同时，浇铸机械手手臂 3 慢速回转 (由回转油缸 5 驱动 )，当碰到限位开关 5XWK 后，手臂变为快速回转。当碰到限位开关 6 XW K 后，又转变为慢速回转，直到碰限位开关 3XW K 后停止回转。此时，压铸机模具合严，机械手的倾倒油缸 4动作，经过绳索拉动倾倒机构，带动浇包翻转倒料，经延时后，控制倾倒油缸复位，并使手臂反向回转，当碰限位开关 4XW K 后手臂反转结束，同时升降油缸活塞上升，浇包下降，直至电极 A 接触金属液面，电压继电器 1XJ 发信，使升降油缸动作停止 ，浇包就停在熔融金属液而上一定距离处保温，准备第二次动作循环。 XI 图 2.2 浇铸机工作原理 2.3 机械手的组成与结构 机械手的结构主要由手部、手臂回转支架、倾倒机构、浇包 (即勺式手部 )、倾倒油缸、回转油缸、底座及升降油缸等组成。 手臂为一平行四边形机构，它具有俯仰和回转运动。手臂俯仰运动是通过铰链支承的升降油缸来达到，使得平行四边形机构的连杆 (它带动浇包 )作平面平行运动，即浇包有升降和横移运动。手臂的回转运动是由回转油缸来实现的。手臂上安装有弹簧，通过绳索和滑轮与倾倒机构联接，用来使倾倒机构复位 ，同时也起缓冲作用。为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可以调节。对于大容量调节采用凋换浇包的办法，松开螺钉 (共四只 )，便能更换浇包。对于小容量调节，可调节电极 B 与金属液面的间距。另外，也可以调节螺钉，使浇包呈不同的倾斜角度达到微量调节。压铸机浇铸机 XII 械手备有 4、 6、 8公斤三种容量的浇包，它们的结构相同，只是尺寸有异。它的特点是底部进料，并有隔板以挡住氧化皮，其容积是定量的。 2.4 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只是综合起来，并进行灵活运用。现 在的发展趋势是机电一体化，因此，我们毕业设计就是要将“机”、“电”“液”三者结合起来。“机”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、机械手的上升、倾倒、回转都要靠机械方面来完成。 2.4.1 坐标形式的选择 坐标形式是指执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。 1) 直角坐标式 直角坐标机械手的末端执行器在空间位置的改变是通过三个互相垂直的轴线移动来实现的，即沿 X 轴的纵向移动、沿 Y 轴的横向移动及沿 Z 轴的升降。这种机械手位置精度最高，控制无耦合，比较简单，避障性好 ，但结构较庞大，动作范围小，灵活性差。 2) 圆柱坐标式 圆柱坐标机械手通过两个移动和一个转动来实现末端执行器空间位置的改变，其手臂的运动由在垂直立柱的平面伸缩和沿立柱升降两个直线运动及手臂绕立柱转动复合而成。这种机械手位置精度较高，控制简单，避障性好，但结构也较庞大。 3) 极坐标式 (球坐标式 ) 极坐标机械手的运动由一个直线运动和两个转动组成，即沿手臂方向 X轴的伸缩，绕 Y 轴的俯仰和绕 Z 轴的回转。这种机械手占地面积小，结构紧凑，位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题。 4) 关节坐标式 关节坐标机械手主要是由立柱、大臂和小臂组成，立柱绕 Z轴旋转，形成腰关节，立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节，大臂和小臂作俯仰运动。这种机械手工作范围大，动作灵活，避障性好，但位置精度低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多。 由于本设计中精度要求较高，首先排除了直角坐标式和关节坐标式，而且它们还存在平衡问题，直角坐 标式灵活性差，不利于提高工作效率。因此为了使其工作方式更加简单直观，机械手坐标类型选择为 类似球 坐标式机械手。 XIII 2.4.2 驱动机构的选择 驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压 ,气压用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较少。 1) 液压驱动 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液 伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 2)气压 驱动 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 3)机械 驱动 即由机械传动机构 (如凸轮、连杆、齿轮和齿 条、间歇机构等 )驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。 4)电 气驱动 即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 综上所述，由于本次设计机械手负载较小，对体积有一定要求，又考虑到机械手的特点和各驱动 方式的优缺点 ,综合考虑自己所学的知识和实际要求，本机械手选用液压驱动 XIV 3 手部机构设计 3.1 手部机构设计要求 1)手部应有足够的夹紧力。除工件的重力外，还要能不使工件在传送过程中松动或脱落； 2)夹持范围要与工件相适应。手爪的开闭角度 (于爪张开或闭合时两个极限位置所摆动的角度 )应能适应夹紧较大的直径范围； 3)夹持精度要高。既要求工件在于爪内定位准确，又不夹坏工件表面。一般斋根据工件的形状选扦相应的手爪结构：如元住形工件应采用带 v 形格的手爪来定位；对于工件炭面光洁度较高的，应在手爪上镶铜、央布胶木 或其他软质垫片等； 4)夹持动作要迅速、灵活； 5)手部结构耍简单紧凑、刚性好、自重轻、易磨损处应便于更换，在腕部或臀部上安装要方便，更换要迅速。手腕是连接手部和手臂的部件它的作用是调整工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等诸多因素有关。由于本机械手水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设以绕 X 轴的回转运动才可以满足工作的要求，目前实现回转运动的机构，使用最多的是回转液压缸，因此我们选用回转液压缸。它结构紧凑 ，但回转角度小于 360，并且要求严格的密封。 3.2 手部结构分类 手爪的类型大致分为下列三种： 1)夹持式手爪：根据手爪的功作可分为回转型和平移型；根据手指的数量可分为双指和多指式；根据夹持工件的方法又可分为外卡式和内胀式两种。 2)吸附式手爪；分为真空吸盘式和电磁吸盘式两种。真空吸盘式义分为真空泵式和气流焚压式。真空吸盘是用橡胶或塑料制成杯状，在吸盘内部边缘处，加上 2 3 个同心元皱折，以保证吸附的可靠性。电磁式手爪用予夹持式手爪与真空泵式手爪难以抓取的工件或细小的工件。它可采用电磁铁，其结构形式类同于真空吸盘式；也有如同夹持式的结构，手爪内装磁铁。采用永久磁铁吸附工件，需要用外力释放工件，因此，一般不用它为好。 3)带触觉或视觉的手爪 :除了几种带传感器的手爪外，还有根据工件所在位置，控制手臂移动，逐步使两手爪同时夹紧工件的带传感器机械手。 XV 3.3 自动浇铸机械手结构设计 根据设计的工作需要，要浇铸液体，所以采取勺式结构，以便盛取液体，由于要倾倒、复位，所以需设计拉杆倾倒机构。本课题液压机械手的手部结构如图3-2 所示： A A 图 3.2 浇包 根据经验设计浇包各部位尺寸如下： 浇包半径： 55 浇包横长： 265 浇包高度： 245 进液体挡板高度： 200 进液体口： 边长为 40的正方形 隔板高度： 215 壁厚： 7 支撑耳朵直径： 160 XVI 4 手腕的结构设计 4.1 腕部总体设计 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其在空间的方位，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 ,腕部是连接手部和臂部的构件，它具有独立的自由度，使机械手适应复杂动作的要求。腕部的动作有绕 x 轴转动称为回转；绕丫抽转动称为俯仰；绕 Z 轴转动称为左右摆动；还可有沿 Y 轴方向移动的自由度，图 4.1 为其运动示意图。 图 4.1 腕部运动示意图 4.2 腕部的设计要求 1)腕部自由度的选取 在臂部运动的范围内，当可以满足抓取工件和传送工件等要求时，应尽可能不设计腕部的运动。这样，则可使机械手结构简单、制造方便和成本降低。根据抓取对象和机械手的坐标形式的需要，可增加腕部的自出度。如腕部的回转运动，这 是在手爪夹持工件后，需要翻转角度，或者机械手从一个工位转到另一个工位时，需要工件翻转。若是采用臀部购则使机械于的稳定性降低，因为，臂部长度大，回转时稍有偏心 (特别是高速回转时 )，使机械手的离心力增加，臂部振动加大，影响定垃精度。因此，应设计腕部的回转 ,若机械手是球坐标形式，腕部应设计具有梢仰运动，以保持手爪处于水平位置，不影响手爪的工作。还要根据加 XVII 工工艺的要求，设计肮部在丫轴方向的移动运动。如机械手将工件送到某 工位后，需要把工件定位夹紧，为使机床运动简化，而要求腕部沿丫袖方向做少量的移位的运动。如用项尖支 承的轴类零件，在用机械手取下土件时，为脱离主轴顶尖而需要有肮部的横移运动。总之，腕部自由度的选取应在臂部自由度确定以后，再根据工件的料道位置、工艺要求、应用范围及制造成本等方面综合分析，以确定最佳的方案，确定出腕部合适的自由度数。 2)腕部的动作要灵活、自重要轻 在设计腕部结构时，应力求结构简单紧凑，减轻结构的重量。机械手配合机器运转，腕部的动作时间往往在几秒钟以内，甚至不超过一秒，所以腕部一定要灵活，在保证构件的强度和刚度的条件下，回转件尽量采用滚动轴承或滚校，减少阻力，降低摩擦。 3)腕部运动位要淮确 手腕的回转、俯仰与左右摆动等运动位置都要求准确，除对零部件配合精度严格要求以外，要采取措施消除传动部件之间的间隙。根据需要可设置位置检测元件，来控制手腕的准确位置。 4.3 腕部的结构尺寸 1 腕部回转运动结构 用回转证实现小于 360。的回转运动 2 腕部左右摆动结构 根据工件的工艺要求，需要手腕做左右摆动运动。对于抓取非中心对称的工件，当手臂回转时，工件方位变化，往往需要用于腕左右摆动予以补偿。 3 腕部俯仰运动结构 它是通过安装在手臂上的液压缸，拉动于腕上的钢丝，使之向下佣仰一定角度，放置工件，然后 活塞秆向左移动，使手爪恢复平直状态，再去抓取工件。 4 腕部的回转与俯仰复合运动结构 为了扩大机械手的应用范围，同时要减少结构中的零件数量，使结构简单、自重轻，设计腕部具有两个自由度的结构。 根据浇包的尺寸大小，与腕部的工作需要，暂定腕部支撑结构尺寸为如下： XVIII XIX 图 4.2 支架 支撑件宽： 285 支撑件高： 375 支撑件厚： 180 吊环高度： 375 XX 4.4 手臂倾倒液压缸的设计 4.4.1 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mF和惯性力gF之外，还要克服浇包和液态金属的重力 G ，故其驱动力 GFFF gm （ 4-1） 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： FF 3.0惯 （ 4-2） 倾倒液压缸惯性力的计算：本设计要求 活塞运动速度 smmv /200 ，在计算惯性力时，设置启动时间 smmVV 83 Ntg vGF 05.4 总惯 （ 4-3） NG 7.2331 NF 75.23357.233105.4 4.4.2 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 NF 85.2335 ，选择液压缸的工作压力aMPP 8.0， mmd 16 确定液压缸结构尺寸： 当油进入无杆腔 , 21 4DF F p （ 4-4） 当油进入有杆腔中， 222 4DdF F p (4-5) 液压缸的有效面积： 1FS p (4-6) 故有 114 1 . 1 3FFDpp （无杆腔） (4-7) 214 FDdp （有杆腔） (4-8) XXI NF 85.2335 pap 61 108.0 ， 选择机械效率 0.95 将有关数据代入： mmD 63 4.4.3 倾倒机构的壁厚 设计 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。 液压缸的内径 D 与其壁厚的比值 D 10 的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。 由 2DPy (4-9) 式中 液压缸壁厚 （ m） D 液压缸内径 （ m）； yP 试验压力，一般取最大工作压力的 （ 1 25 1 5） 倍（ M Pa ) 缸筒材料的许用应力。其值为：铸钢： aMP100 66 101002063.01058.025.1 (4-10) mm228.0 在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往不够，如在切削加工过 程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。 所以按有关标准圆整为壁厚 6，液压缸外径为 D1 75 。 XXII 5 手臂和机身的尺寸设计及校核 5.1 臂部和机身的简介 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 )，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，从钨部的受力情况分析，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。团此，臀部的洋动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以足固定的，也可以是行定的，既可以沿地 而或架空轨道远动。臀部 般有下列几部分组成： 1)动作元件：如直线缸、回转缸、齿条齿轮、连杆凸轮等，它是驱动手部运动的元件。动作元件与驱动元相配合，就能实现手臂的各种运动。 2)导向装置手臂在静止状态，要承受由央持工件重量所产生的弯曲力 F 弯，以及由于载荷不平衡而产生的扭转力矩 M。在运动时又有一个惯性力。为保证手爪的正确位置和动作元件不受较大的弯曲力，手贸必须设置导向装置。 3)臂：手臂上的动作元件、导向装置和其他装置都要安装在臂上，起支承、 连接和承受外力的作用。所以要求臂具有足够的刚性，以 免承重后发生变形产生颤动。 4)其他装置：如管路、冷却装置、位置检测机构等。 5.2 臂部设计的基本要求 1)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。以臀部为例， 般结构上较多采用悬伸梁形式 (水平或垂直悬伸 )。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。为提高刚度，除尽可能缩短臂扦的悬伸长度外，尚应注意以下几方面。 a根据受力情况，合理选持截面形状和轮廓尺寸 b提高支承刚度和合理选择支 承间的距离 XXIII c合理布置作用力的位置和方向 c注意简化结构 d提高配合精度 2)臂部运动应该速度要高，惯性要小 机栈手手臂的远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。明定了生产节拍和行程范围，就确定了手密的运行速度 (或角速度 )。在一般情况下，手臂的移功和回转、俯仰均要求匀速运动 (V和 W 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，要求起动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。 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、导向件和记位件布置应合理，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 )。 4)位置精度更高 一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高，关节式机械手的位置最难控制，故精度差：在手臂土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。 5.3 手臂的尺寸设计 依此次设计的需要，根据经验，先设定手臂的基本尺寸如图 5.1 下： 1).长杆的 示意图： 图 5.1 长臂杆 XXIV 2).短杆示意图： 图 5.2 短臂杆 3)组装后的形式： 长臂杆长度： 1950 短臂杆长度： 1600 长、短臂杆宽度： 53 长、短臂杆高度： 105 弯头角度： 120 支点位置： 1500 5.4 手臂升降液压缸的设计 手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力 Fm和惯性力 Fg之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力 Pq可按下式计算： NWFFP gmq (5-1) 式中 mF 各支承处的摩擦力（ N）； gF 启动时惯性力（ N）可按臂伸缩运动时的情况计算； W 臂部运动部件的总重量（ N）； 上升时为正， 下降时为负。 当 Fm=40N， Fg=100N， W =1098N 时 1238109810040qP XXV 21 4DF F p (5-2) 当油进入有杆腔中， 222 4DdF F p (5-3) 液压缸的有效面积： 1FS p (5-4) 故有 114 1 . 1 3FFDpp （无杆腔） (5-5) 214 FDdp （有杆腔） (5-6) 3580F aPP 61 102 ，选择机械效率 95.0 将有关数据代入： mmmdFD 1001.002.095.0108.014.3 3580495.0108.014.3 4 2526 选择标准液压缸内径系列，选择 D=100mm.按活塞杆直径系列选取活塞杆直径d 32 。 XXVI 5.5 液压缸壁厚和外径的计算 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径 D 与其壁厚的比值 D 10 的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。 由 2DPy (5-7) 式中 液压缸壁厚 （ m） D 液压缸内径 （ m）； yP 试验压力，一般取最大工作压力的 （ 1 25 1 5） 倍（ M Pa）； 缸筒材料的许用应力。其值为：铸钢： 100MPa 66 1010021.01034.125.1 mm84.0 在中低压液压系统中，按上式计算所 得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。 所以按有关标准圆整为壁厚 7，液压缸外径为 D1 114 。 XXVII 6 腰部与底座及回转液压缸的设计 6.1 底座的设计 根据经验，初步暂定底座的尺寸为如下图 6.1： 图 6.1 底座 底座园板直径： 620 底座圆筒直径： 375 圆筒壁厚： 10 底座高度： 450 底座板厚度 1： 30 底座板厚度 2: 40 6.2 回转液压缸的设计 液压机械手一般采用单泵或双泵供油，手臂伸缩、手臂俯仰和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。整个液压系统只用单泵或双泵工作，各液体汛所需 的流量相差较大，各液压缸部用液压泵的全流量工作是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但也需要进行节施调速，用以保证液压缸运行的平稳运行。各级可选择进泊路或问油路节流凋速，因为系统液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁 XXVIII 厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径 D 与其壁厚的比值 D 10 的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆 筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。 2DPy .(6-1) 根据经验，暂设液压缸长度设计为 150 ，液压缸内径 D1 220 ， R1110 ,轴的套筒径为 d 130 ，液压缸内径 r1 65 ， 设加速度时间为 t 1s，压强 P 0.4MPa 则驱动力矩： 222 rRbPM (6-2) 0.4 106 0.15 0.112 0.0352 236.25 N m 6.3 回转液压缸的尺寸校核 测定参与腰身回转部件的质量 M1 80 ， M2 15 ， M3 106 ， M4 453 ， L1 1.5 ， L2 0.45 磨惯驱 MMM .(6-3) 设机床等加速运动 s 6.0 ， st 1 ,转动惯量 224213222211 21311 LMLMLMLMJ (6-4) 2222 45.04535.11062145.0155.18031 2226 mg tJM 1惯 .(6-5) 16.0226 6.135 密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下 驱阻 MM 3.0，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。 XXIX 磨惯驱 MMM .(6-6) 23671.193 设计尺寸符合使用要求，安全 6.4 回转轴的设计 6.4.1. 初选轴颈 按回转缸所需提供的力的大小，根据经验，从下端 1 开始确定轴颈，该轴段安装轴承 6214，故该段直径为 70mm， 2 段装键，为了便于安装，取该段为 75mm，上端轴颈为了适合安装 6214 轴承，选用轴颈 70mm，为适应需要，轴的总长为404mm。 图 6.3 回转轴 6.4.2 .轴的校核 ttt TWTT .(6-7) 式中 Tt轴的扭切应力（ MPa） T周传递的转矩 N.mm Wt轴的抗扭截面系数 mm3 TT 周材料的许用扭切应力（ MPa） 161 03 dddWt .(6-8) 1607.003.0107.0 3 0.000029034 tt WTT (6-9) 137 0.000029034 4.7 106 40 106 轴的尺寸符合应用需要，安全。 6.5 上轴的设计 根据经验设计如下图所示的上轴： XXX 图 6.4 上轴 基本尺寸： 轴的直径： 75 轴的高度： 222 圆盘直径： 420 圆盘厚度： 30 盘内道直径 D： 285 盘内道直径 d： 225 螺栓孔直径： 8 6.6 上轴座的设计 XXXI 图 6.5 上轴座 基本尺寸： 轴筒直径： 94 轴座高度： 302 圆盘直径： 420 圆盘厚度 1： 30 圆盘厚度 2： :35.75 盘内道直径 D： 285 盘内道直径 d： 225 螺栓孔直径： 8 至此，所有的设计部分均已完成，只需组装即可。 XXXII 结 论 为期十五周的毕业设计即将结束，此次 设计 是 我们学完了大学的全部 课程 之后进行的 一次检验， 是毕业之前我们对所学 各门功课 的一次深入的综合性的总复习 ， 也是 在校期间最后 一次理论联系实际的训练 ，同时为我们适应以后的工作打好基础， 因此 ， 它在我们四年的大学生活中占有重要