双臂式自动送料机器人结构设计.doc

双臂式自动送料机器人结构设计第一章 绪论制造业是社会可持续发展的基石，是创造社会财富的直接源泉，作为制造业的一部分，钣金件在制造业中非常重要起着的作用。当今市场，钣金零件占全部金属制品90%以上1，钣金加工业在国民经济和军事诸方面占有的位置极其重要，钣金类零件的应用涉及到汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空航天、兵器等生活中的各行各业。钣金类零件已成为金属制品的灵魂，没有钣金类零件，制造业就无法正常的运行。钣金类零件的种类繁多2，按厚度分类，可分为薄板、中板、厚板和特厚板；按生产方法分类，可分为热轧钢板和冷轧钢板；按表面特征分类，可分为（热镀锌板、电镀锌板）、镀锡板、复合钢板和彩色涂层钢板；按用途分类，可分为桥梁钢板、锅炉钢板、造船钢板、装甲钢板、汽车刚板、屋面钢板、结构钢板、电工钢板（硅钢片）、弹簧钢板和其他使用的一些钢板。真可谓种类齐全，涉及到机械领域的各个行业。机械领域总是在不断的发展着的，随着现代工业化和大众化生产的不断需求，新型的、特种的、专用的板金类零件正在不断地开发生产出来，从而使钣金件的应用更加的广泛，也使制造业的机械化生产更加满足人们的要求。1.1 选题的目的意义铆接技术作为金属结构零件相互连接的方法，适用于铆钉连接、零件翻边、永久连接等，在五金工具、飞机制造维修、精密机械、汽车制造等行中应用广泛。优点是：连接强度高，密封性好，节约能源无污染。随着铆接技术的不断发展，在现代化应用中大大提高了劳动效率。但送铆方式上目前主要是人工送铆为主，而手工送铆常常导致工业事故发生，造成悲剧。为了避免事故发生同时提高劳动效率，自动送铆装置应时代发展而产生。现在自动送料机构中多为简单的送料机构，生产效率虽然可以满足部分需要。但是随着现在工业生产的日益集中化、高效化、国际竞争日益激烈，这些简单的自动送料机构逐渐显示了它的弊端。所以设计一种灵活性高、使用安全的送铆设备是非常有现实意义的。本课题研究双臂送料机构，将克服普通送料机构的弊端，大大提高自动送料机构的生产效率，减少劳动成本，提高人身安全，保障生产质量。1.2 本课题在国内外的研究状况及发展趋势铆接是一种古老的连接方法，早在千年前就有应用，主要是手工操作，工艺粗糙，效率低。但是在当时已经是一种较先进的连接方法。在铆接技术的发展中，除了手工铆接，近代发展到了冲压铆接。其工艺方法为：铆头在垂直方向作上下运动，利用其产生的巨大压力将被铆件铆合在一起。在汽车车身的制造中需要轻金属与非金属联结处应用较多。20世纪7O年代出现了摆碾铆接技术3。与此同时自动化送料由简单的人工配合机械操作开始转向复杂的电气自动化系统控制及高级全自动智能控制发展，并广泛的应用到各个领域，带来了全自动送铆机的大规模革新自动化。20世纪90年代出现了TOX圆点连接铆接技术4，自动铆接设备得到了更多的认同及迅速发展,在自动铆接技术的基础上，对应在我国和国外的生产和研究中，自动送料方式有很多种。其中有一：采用双作用缸实现物料的分离功能和定位夹紧功能的自动送料；二：利用机械手进行送料；三：采用伺服电机控制工作台进行送料。但是在这些产品中，存在着一些问题。如日本的RF20SD-OR11机械手送料装置与冲床做成一体，从横向(侧面)送料，结构复杂，装配、制造、维修困难，价格昂贵，又不适合于我国冲床的纵向送料的要求5。为使自动送料技术更有利于生产，现阶段及将来自动送料设备主要朝着以下几个方向发展：提高劳动安全性，提高成产效率，消除积累误差，减少生产成本等。为了解决这些问题，结合国内外送料机构的特点，开发双臂自动送料机器人装置，设计具有推广意义的自动送料机符合生产自动化的要求。1.3 常用自动送料方式1.3.1采用双作用缸实现物料的分离功能和定位夹紧功能的自动送料气动送料机由两个基本应用模块组成：物料分离模块及传送模块。物料分离模块由两个双作用气缸组成，分别实现物料的分离功能和定位夹紧功能6。为保证真空系统的气流通畅，以提高真空发生器的真空度，回路中的真空控制回路不安装节流阀。同时，回路中的所有连接气管应尽可能的短，以减小空气流通阻力，提高真空度。采用气缸的优点：减少了物料的运送步骤，缩短了加工时间，操作简单。缺点：对物料的放置有很高的精度要求，造价高昂，一般的小型企业不采用。1.3.2利用机械手进行送料机械手是以小车形式通过钢绳同滑块联接起来， 由冲床滑块上升运动牵引小车作前进的水平运动完成送料，由通过钢绳连接的重物使小车作复位运动。由小车机械手将工件送至冲床下进行冲孔，提高了生产效率，保证了质量，改善了劳动强度，确保了人生安全。采用机械手送料的优点：送料与冲床节拍相同，可以连续生产。缺点：首先由于整个过程均由机械手实现，所以对机械手的要求度很高，其次，如果工件大小不一要经常更换。1.3.3采用伺服电机控制工作台进行送料由单片机产生驱动脉冲信号，步进电机的驱动器收到驱动脉冲信号后，步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度，将电脉冲转化成交位移。电机的转速由脉冲信号频率来控制决定，再由电机控制工作台进行送料冲压7。优点：1）可以连续生产，并且能实现一人控制几台机器2）可靠性高，由于送料机构外部由步进电机控制，所以每次的行程都是固定值。3）低功耗，低电压。在许多没有电力供应的应用场合，较低的功耗和工作电压是生产便捷化的必要条件。4）维护方便，经济实用。1.4 本课题主要研究内容及设计任务本课题通过了解压铆机的工作原理及主要功能，分析目前常用送铆方式，提出双臂自动送铆机器人的自动送铆方案。中一臂主要为物料的抓取功能；另一臂主要完成送料功能。根据系统功能，设计各机构的结构形式；根据设计要求，确定设计参数。并且用三维软件进行三维实体建模，实现了运动仿真。这种双臂送料机构将克服普通送料机构的弊端，大大提高自动送料机构的生产效率。主要研究设计内容：1） 液压缸的主要尺寸包括缸筒内径D、活塞杆直径d和缸筒长度L；2） 电磁吸附手各个参数计算；3） 立柱尺寸设计，包括截面形状选择、长度设计、内外径设计；4） 驱动电机选择；第二章 对课题的分析2.1 现在企业的要求制造业生产加工的产品总是趋向于批量化和大量化的，生产效率总是加工能力的标志。要提高生产效率，减小加工的辅助时间是最有效的手段。在过去的生产加工中，劳动者总是生产加工的主角，他们基本上要人工来完成生产加工的全部任务,存在着很多的安全隐患，浙江的丛化机械厂就是一个很好的例子，根据生产计划，该厂每年都要生产大量的板金类零件，而在加工中仍然使用人工送料，这就使得操作员经常进行长时间工作，毕竟人的体力和耐力都有限，再加上生理和安全的需求，这就使得企业中加工事故连连发生，这样不仅使得操作人员受到身体伤害，而且使企业的生产能力得不到提高，也使得经济效益降低。要改变加工中存在的问题，最直接的方法是改进送料方式。当今世界机械领域发展的趋势是自动化、高效化和安全化，在这个时代中，机械化生产进一步促进了世界经济的发展，针对板金螺母的加工，压铆机的出现是提高机械化生产的一重大标志，它减轻了人的劳动程度和劳动，也大大降低了辅助时间，从而提高生产效率，有利于机械化的生产。随着压铆机的发展，压铆机自动送铆机构的出现更进一步的促进了生产效率的发展，它基本上使人得到解放，大大的缩短了加工时间，使得送铆加工和压铆加工基本全部趋于自动化，与压铆机的人工送铆压铆机相比，自动送铆压铆机首先可以提高送铆的质量，使送入铆钉的位置更加的精确；其次可以连续送铆多个，从而减少了送铆次数和辅助时间，提高了加工的效率；再次，它的加工基本完全趋于自动化，从而保证了操作员的安全，减轻了劳动量，更趋向人性化；最后，它能把加工生产与质量控制有机的结合起来，不仅安全，也提高了经济效益。2.2 两种典型的送料机构2.2.1 气动送料机1）冲床自动送料机的技术状态 本文介绍的冲床自动送料机是一种用于冷挤压套圈类零件的送料机器，是冲床进行技术改造的理想附机。该送料机克服了国内外有关冲床送料机的不足。如日本的RF20SD0R11机械手送料装置与冲床做成一体，从横向(侧面)送料，结构复杂，装配、制造、维修困难，价格昂贵，又不适合于我国冲床纵向送料要求8。RF20SD0R11结构由冲床上曲轴输出轴，通过花键轴伸缩，球头节部件联接机械手齿轮，由伞齿轮、圆柱齿轮、齿条、凸轮、拨叉、丝杆等一系列传动件使机械手的夹爪作伸缩、升降、夹紧、松开等与冲床节拍相同的动作来完成送料，另设一套独立驱动可移式输送机，通过隔料机构将工件输送至预定位置，这样一套机构的配置仅局限于日本设备，不能应用于国产冲床9。国内有的送料机构由冲床工作台通过连杆弹簧驱动滑块在滑道上水平滑动，将斜道上下来的料，通过隔料机构推到模具中心，并联动打板将冲好的料拨掉，往复运动的一整套机构比较简单，无输送机构，联动可靠，制造容易。但机械手不能将料提升、夹紧，料道倾斜放置靠料自重滑下，如规格重量变动，则料道上工件下滑速度不一致，易产生叠料，推料机构没有将料夹紧，定位不正，废品率较高，使用也不安全。结合国产冲床工作特点，采用机械手与输送机构配合为主要装置，再配合采用自动卸料安全保护，设计了具有较大应用价值和推广意义的自动送料机。2）气动送料机的原理 自动送料机主要适用于物料的自动分配和传送，其基本功能可以完成准确的送料时间，达到精确的送料位置。研制的自动送料机由两个基本应用模块组成：物料分离模块及传送模块。物料分离模块由两个双作用气缸组成，分别实现物料的分离功能和定位夹紧功能。物料分离模块将物料从料仓中分离出来，通过分离气缸将位于料仓底部的物料从料仓中推出，料仓中的物料由于白重下落至料仓底部。定位夹紧气缸在物料推出后伸出将物料定位并夹紧。两气缸的行程位置通过磁电式接近开关检测。传送模块由一个旋转气缸和真空吸盘组成。它实现了气动搬运装置功能，实质上是一个个小型的机械手。真空吸盘将物料吸取，旋转气缸实现0180。的旋转，将物料传送至下一个工位。真空吸盘通过真空压力开关检测物料是否吸住，旋转气缸通过两个微动开关实现位置检测。2.2.2 利用机械手自动送料 1）该送料机的工作原理和结构特点 机械手是以小车形式通过钢绳同滑块联接起来，由冲床滑块上升运动牵引小车作前进的水平运动完成送料，由通过钢绳连接的重物使小车作复位运动。机械手的提升、下降是靠安装在小车顶架板上的提升缸推动滑板作往复上下运动来完成；机械手的夹紧、放松是靠安装在滑板上的夹紧缸带动连杆铰链机构来完成机械手的运动程序如下：夹紧一提升一前进至中心一下降一放松一返回节拍是恒定的，且每一循环均需在3秒钟内完成。供油装置主要给夹紧缸、提升缸提供高压油，由齿轮泵产生高压油 或者用气压驱动卸料机构是通过安装在模具边的鸭嘴管口瞬间高压气吹卸，使冲好的工件离开模具，通过料道进人料斗。安全保护机构由两部分组成：1 滑块上安装一玻璃罩，防止工件飞出，伤害工人。2安装两只行程开关，一只在小车前，一只装在滑块边，当小车没有及时退回时，两只开关断开，使滑块不再下滑，小车免受损坏。支承脚主要用来调整整机高度，使输送带的水平高度与模具高度相适应；同时也加宽了支承面，提高了稳定性。罩壳主要是防止灰尘侵人，保护安全，防止重物与电机、减速器相碰及美化外观而设计。液压原理如图2.1所示。图2.1 液压原理图电气原理如图2.2所示。图中XK ，XK2为非自动复位式行程开关，安装在工字钢旁边，由小车运动来拨动。XK3 XK4为按钮式行程开关，分别安装在夹紧缸夹紧点和松开点E。XK5、XK6为按钮式行程开关，分别安装在提升缸的上顶点和下底点上。1DT,2D3DT4DT为电磁阀。Dl为输送电机，D2为液压泵电机。图2.2 电气原理图动作程序如下：闸刀HK闭合，三相动力线接通。按QA按钮，接触器C通电闭合，辅助触点自锁，、电机起动运转。用、防止过载，熔断丝1RD，2RD、3RD防止大电流通过。机械手动作控制过程：当小车后退时，接触、1DT得电，机械手夹紧，触到；得电，1DT失电，夹紧停止；同时3DT得电，机械手提升到位触及，3DT失电，提升停止，液压自动锁紧。此时小车已前进到处， 触，复位。小车继续前进，触，4DT得电，机械手下降到位触及，4DT失电，下降停止，同时2DT得电，机械手放松（把工件放在模具中心)触，2DT失电，放松停止，小车后退触XK2，复位，小车继续后退，再次触XK1 如此循环来完成送料。2.3 本课题采用送料方式及其创新此次设计在送料方式上不同于上述送料机构，本机构是用步进电机带动间歇式花盘机构，再通过四杆机构来实现自动送料加工的目的。设计中采用一种间歇式自动送料机构，以步进电机带动间歇式花盘，花盘做匀速旋转构，铆钉在花盘槽中做间歇运动，再通过曲柄滑块机构把铆钉送到准确的加工位置。 此次设计创新出在于采用双臂式自动送料机构。其中一臂主要为物料的抓取功能；另一臂主要完成送料功能。该机构比较简单，运行可调好控制，实用性强，同时提高了工作效率，减少了危险，是一种具有实用价值的自动送料机构。第三章 双臂式自动送料机器人原理分析及计算3.1 液压缸的原理和计算液压缸的工作原理几乎都是相似的，拿一个手动千斤顶图3.1来说，千斤顶其实也就是个最简单的油缸了。通过手动增压秆(液压手动泵)使液压油经过一个单项阀进入油缸，这时进入油缸的液压油因为单项阀的原因不能再倒退回来，逼迫缸杆向上，然后在做工继续使液压油不断进入液压缸，就这样不断上上升，要降的时候就打开液压阀，使液压油回到油箱，这个是最简单的工作原理10。图3.1 手动千斤顶1杠杆 2泵体 3小活塞 4、7单向阀 5吸油管6、10管道8大活塞 9缸体 11放油阀 12油箱由于液压执行元件与主机结构有着直接关系，因此所需要的液压缸和气缸在结构上千变万化。尽管有一些标准件可供选用，但有时还必须根据实际需要自行设计。选取缸筒材料为铸钢，活塞材料为耐磨铸铁，缸盖采用45号钢，活塞杆材料45号钢。下面介绍液压缸和气缸的设计计算。3.1.1 主要尺寸的计算液压缸的主要尺寸包括缸筒内径D、活塞杆直径d和缸筒长度L11。根据负载大小和液压缸的工作压力确定活塞的有效工作面积，再根据液压缸的不同结构形式计算出缸筒的内径。活塞杆直径是按受力情况决定的，可按表3.1初步选取。缸筒长度的确定要考虑活塞最大行程、活塞厚度、导向和密封所需长度等因素。通常情况L(2030)d。计算结果要圆整成国家标准中的推荐值。主要尺寸初步确定后，还要按速度要求进行验证。同时满足力和速度的要求后才可以确定下来。表3.1 液压缸工作压力与活塞杆直径液压缸工作压力p/MPa7推荐活塞杆直径d(0.50.55)D(0.60.7)D0.7D3.1.2 强度校核强度校核的项目包括缸筒壁厚、活塞杆直径d和缸盖固定螺栓的直径ds。在中、低压系统中，缸筒壁厚由结构工艺决定，一般不做校核。在高压系统中需按下列情况进行校核12。（1）当D/10时为薄壁，按下式校核 （式3.1）式中，D-缸筒内径；缸筒材料的许用应力，=b/n，b是材料的抗拉强度，一般取安全系数n=5；py试验压力，当缸的额定压力pn16MPa时，py=1.5pn；pn16MPa时，py=1.25pn。（2）当D/10时为厚壁，按下式校核 （）（）（）（） （式3.2）式中，F活塞杆上的作用力； （式3.3）活塞杆材料的许用应力，= b/1.4。3.缸盖固定螺栓直径ds （式3.4）式中，F活塞杆上的作用力；k螺纹拧紧系数，k=1.121.5；z固定螺栓个数；螺栓材料的许用应力，= s/（1.222.5），s为材料的屈服点。3.1.3 活塞杆稳定性校核当活塞杆受轴向压缩负载时有压杆稳定性问题，即压缩力F超过某一临界Fk值时活塞杆就会失去稳定性。活塞杆稳定性按下式进行校核 （式3.5）式中，nk安全系数，一般取nk=24。 （式3.6）当活塞杆的细长比时， 当活塞杆的细长比，且时， （式3.7）式中， l安装长度， rk活塞杆截面最小回转半径，；1柔性系数， 2由液压缸支承方式决定的末端系数，；E活塞杆材料的弹性模量，钢材：；J活塞杆横截面惯性矩；A活塞杆横截面积；f由材料强度决定的试验值， 系数， 3.2 电磁吸附手原理及计算取料手设计成电磁吸附手，解决了M6螺母体积小难用机械装置夹持问题。下面介绍电磁铁原理及设计计算。电磁铁是一种执行元件，它输入的是电能，输出的是机械能。电能和机械能的变换是通过具体的电磁铁结构来实现的。合理的电磁铁结构是能量变换效率提高的保证。电磁铁设计的任务是合理的确定电磁铁的各种结构参数。确定电磁铁的各种结构参数是一个相当复杂的任务，下面我们探讨确定电磁铁结构参数的一般方法。电磁铁吸合过程是一个动态过程,设计是以静态进行计算13.3.2.1 基本公式和一般概念（1）均匀磁场B=（T）（2）磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A）（3）磁场强度H=（A/m），建立了电流和磁场的关系。 该公式适用于粗细均匀的磁路（4）磁导率=建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。 0=410-7享/米 相对磁导率r=（5）磁通=磁阻RM=这称为磁路的欧姆定律，由于铁磁材料的磁导率不是常数，使用磁阻计算磁路并不方便，磁阻计算一般只用于定性。（6）磁感应强度的定义式B=，磁感应强度与力的关系。（7）真空中无限长螺线管B=0nI。对于长螺线管，端面处的B=0nI。（8）磁效率图3.2 电磁铁工作循环图当电磁铁接上电源，磁力还不足克服反力，按02的直线进行磁化，达到期初始工作点2。当磁力克服反力使气隙减小直至为零时，工作点由23。断电后工作点由30。面积为断电后剩留的能量，面积为作功前电磁铁储存的能量，面积为电磁铁作的功。我们的目的是使 和的面积最小，的面积最大。面积表示电磁铁作完功后的剩磁，（1）减小面积可用矫顽力小的电铁。（2）提高制造精度，使吸合后气隙最小，但要防止衔铁粘住。面积表示作功前所储存的能量，在衔铁位置一定时，取决于漏磁通，漏磁通大，面积就大。（9）机械效率K1= A：输出的有效功A0：电磁铁可能完成的最大功。（10）重量经济性系数K2= G=电磁铁重量。 A0：电磁铁可能完成的最大功。 K2不仅取决于磁效率和机械效率，而且还取决于磁性材料的正确利用，电磁铁的类型和主要外形尺寸之间保持合理的比例关系。（11）结构系数K每一类型的电磁铁，都有一定的吸力和行程。按最优设计方法设计的电磁铁重量最轻。一般来说，长行程的电磁铁比短行积的电磁铁长，吸力大的电磁铁比吸力小的电磁铁外径大。为了按最小材料消耗率比较电磁铁，引入结构系数KJ这个判据。K=Q-初始吸力（kg）-气隙长度（cm）Q正比于电磁铁的横截面；正比于电磁铁的轴向长度。结构系数可以从设计的原始数据求得。（12）电磁铁工作的过渡过程图3.3 电磁铁吸合动态曲线接通电源后，电磁铁从网络吸收能量，这个能量部分变成线圈的发热消耗，另一部分用来建立磁场，当电流达到稳定值后，磁场的能量不再增加，电磁铁从电源吸收的能量全部消耗于线圈子的发热上，磁场的能量用来产生吸力和作功。（13）工作制1）热平衡公式图3.4 均匀体发热曲线热平衡公式：Pdt=CGd+sdt 式中：Pdt供给以热体的功率和时间 CGd-提高电磁铁本身温度的热量。C-发热体比热G-发热体质量 d-在dt时间内电磁铁较以前升高的温度。sdt-发散到周围介质中的热量。-散热系数。S-散热面积。 -电磁铁超过周围介质的温度。当输入功率=发散的功率时Pdt=0+sdt=sdt，即本身温度为再升高，电磁铁本身温度不再升高。这时就可计算产品的温升值w。当w小于容许温升，产品运行是可靠的。当w大于容许温升，产品是不可靠的。2）发热时间常数发热时间常y=发热体从=0 发热到温升0.632y时所需时间。4达到稳定温升。冷却时间常数和发热时间常数基本相同。 3）工作制分为：长期工作制、短期工作制和重复短期工作制。长期工作制:电器工作时间很长,一般不小于发热时间常数,工作期间，产品的温度达到或接近温升y（产品温度不再升高）。工作停止后,产品的温度又降到周围介质温度。长期工作制散热是主要的。长期工作制电流密度可按24A/mm2。短期工作制：电器工作时间很短,一般小于发热时间常数,工作期间，产品的温度达不到温升y。工作停止后,产品的温度又降到周围介质温度。短期工作制CGd（产品本身热容）是主要的方面。短期工作制电流密度按1330A/mm2。重复短期工作制：产品工作和停止交替进行，工作时产品温度达不到温升y，停止时产品降不到周围介质温度。重复短量工作制电流密度按512A/mm2（14）漆包线等的耐温等级Y：90 A；105 QE：120 QQ QA QHB：130 QZ 云母 石棉F：155 QZYH：180C：180 QY QXY辅助材料的耐热等级B级 聚酯薄膜C级 聚四氟乙烯薄膜3.2.2 参数计算过程（1）原始数据 QH=0.003公斤 H=0.5厘米 Y=70 =0.1 UH=24VY=20（2）初算有效功： A= QHH=0.0030.5=0.0015kgcm （式3.8）结构系数值： K=0.11kg/cm （式3.9）按所求的值,确定电磁铁的类型为45度锥台座吸入式。按所求的值,得：B=10600高，=5把吸力和衔铁行程折合为等效值： Q=0.006kg （式3.10） =Hcos2=0.5cos245=0.25cm （式3.11）确定铁心半径： R1=1.82cm （式3.12）确定总动势： F=kct=1.28=2700安匝 （式3.13）取磁导体中的磁势降为气隙磁势的18%,非工作气隙中的磁势降为气隙中磁势的10%,则式中KCT=1.28 0.78=1-(10%+18%)确定线圈的长度和高度： LK=5.04cm （式3.14） =2.410-2cm2/m 漆包线90时电阻率K=1.1610-3W/cm2 散热系数Fk=0.43 填充系数R2=+R1=+1.82=2.83 cmH=R2-R1=2.83-1.82=1.01cm确定外部半径： R3=3.35(cm) （式3.15）确定漆包线的直径： d=0.696(mm) （式3.16）3.3 立柱的尺寸计算立柱可以简化成悬臂梁近似计算尺寸。因为电机旋转过程产生的扭矩小，可以不用考虑扭转时截面上的剪应力。立柱材料为灰铸铁HT250，可以承受较大压应力，立柱上装的零部件不是很重，因此压应力也不用考虑。经计算画出立柱剪力图弯矩图。分别见图3.5，3.6所示：图3.5 剪力图图3.6弯矩图从弯曲时应力的计算公式中可以分析出最大应力的位置，当同一截面上、都相同时，最大应力发生在y最大的地方14。故最大应力的计算公式为： （式3.17）上式中，如果令,Wz称为抗弯截面系数，则： （式3.18）抗弯截面系数是衡量截面抗弯能力的一个几何量，越大，越小，梁的承载能力越强，与力的大小无关，其单位为m或mm。一些常用截面的抗弯截面系数需要记住，下面给出矩形、圆形和圆环截面的计算方法和结果15。而对工字钢角钢槽钢等的抗弯截面系数，可以查有关的手册。矩形截面：(宽度b平行于中性轴z轴,高度h) （式3.19）圆形截面： （式3.20）圆环截面： （式3. 21）所选材料为灰铸铁HT250，其力学性能表16见表3.2，3.3所示：表3.2 灰铸铁铸件预计力学性能表3.3 灰铸铁铸件附铸试块力学性能由以上计算公式及力学性能表，经计算最好将立柱设计为高1500mm，外径200mm，内径160mm,等截面圆环形结构。3.4 驱动电机的选择3.4.1 直流电机与步进电机比较输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能17。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。因此在本次设计中采用步进电机控制支撑臂的旋转。3.4.2 步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了18。 （1）步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。 目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。 （2）静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载 和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力 矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）. （3）电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：图3.7 电机选择步骤 （4）力矩与功率换算19 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=M （式3. 22）=2n/60 （式3. 23）P=2nM/60 （式3. 24）其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米P=2fM/400(半步工作） （式3. 25）其中f为每秒脉冲数（简称PPS)本次设计选择电机型号为：110BYG260B-0602。3.5 螺钉的选择螺栓联接通常以螺栓组形式出现。故在进行强度计算之前，先要进行螺栓组的受力分析，找出其中受力最大的螺栓及其所受的力，作为进行单个螺栓强度计算的依据。对于承受轴向力（包括预紧力）作用的受拉螺栓和承受横向力作用的受剪螺栓（主要是铰制孔用螺栓），根据其破坏形式，相应的设计准则分别是保证螺栓的拉伸强度和保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度。按上述相应的强度条件计算螺栓危险截面直径或校核其强度。螺栓其它部分和其它螺纹联接件的结构尺寸，均按螺栓螺纹的公称直径由标准选定。下面介绍液压缸螺钉的选择：若近似地把螺栓小径所对应的剖面视为危险剖面，则受拉螺栓的约束强度条件为： （式3. 26）或 （式3. 27） 式中：Fv为螺栓所受的当量拉力；s为螺栓联接的许用应力。常用材料：Q215、Q235、25和45号钢，对于重要的或特殊用途的螺纹联接件，可选用15Cr ，20Cr，40Cr，15MnVB，30CrMrSi等机械性能较高的合金钢。螺纹联接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷) 、联接是否拧紧，预紧力是否需要控制以及螺纹联接件的材料、结构尺寸等因素有关。精确选定许用应力必须考虑上述各因素，设计时可参照表选择。表3.4 螺栓、螺钉、螺柱、螺母的性能等级性 能 级 别3.64.64.85.65.86.88.8(M16)8.8(M16)9.810.912.9螺栓、螺钉、螺柱抗拉强度极限sb /MPa公称30040050060080080090010001200min33040042050052060080083090010401220屈服强度极限ss /MPa公称1802403203004004806406407209001080min1902403403004204806406607209401100布氏硬度HBmin90109113134140181232248269312365推荐材料10Q21515Q23510Q215253515Q2354535353545 40Cr15MnVB30CrMnSi15MnVB相配合螺母性能级别4或54或54或55568或98或991012推荐材料10Q21510Q21510Q21510Q21510Q21515Q21535353540Cr15MnVB 30CrMnSi15MnVB注：9.8级仅适用于螺纹公称直径16mm 的螺栓、螺钉和螺柱。表3.5 紧螺栓联接的许用应力及安全系数许用应力不控制预紧力时的安全系数控制预紧力时的安全系数Ss=ss /S直径材料M6M16M16M30M3060不分直径碳钢合金钢43543242.521.32.51.21.5注：松螺栓联接时，取：s=ss/S，S=1.21.7。由上表和公式，选择液压缸螺钉为材料20Cr，型号为M8.其他螺栓连接也可以类似选用。第四章 实体设计根据第三章的设计参数来设计各个机构的结构，参考按照尺寸绘图工具绘制出各个零件的实体图。4.1 设计软件介绍本次设计绘图所用软件是ProE，下面介绍一下软件及其优点。ProE是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。ProE是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一20。经过20多年不断的创新和完善，ProE现在已经是三维建模软件领域的领头羊之一，它具有如下特点和优势： 参数化设计和特征功能 ProE是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 单一数据库 ProE是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 全相关性：ProE的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用21。 基于特征的参数化造型：ProE使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了ProE独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 装配管理：ProE的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用22。4.2 液压缸结构的设计为配合取料手及其手臂实现一定摆角，完成不同位置的螺母取料，同时要有足够强度支撑取料手臂重量，此方案选择液压支撑长度200mm，可以最大伸长约400mm。实现取料手与手臂间最大角度约150度，取料范围大概为500mm。其实体图如图4.1所示：图4.1 液压支撑4.3 取料手结构的设计取料手臂要从高大约一米的料箱内取得M6螺母，完成送料。因此将其设计成液压控制可以伸出，缩回以适应不同距离的取料。同时，当期送料时要回到初始状态，完成转动，将拿到的M6螺母送到储存螺母的装置。此设计将取料手长度设计为500mm，初始状态成与水平大概60度角。其实体图如图4.2所示：图4.2 电磁吸附取料手4.4 立柱的设计立柱是整个机构的身体，取料手臂送料装置都要以安装在立柱上。因此，立柱承受的力及力矩最多也最复杂，要有足够强度刚度才能满足要求。为了适应取料和送料工作台，立柱的高度也要设计的尽量适合。本设计将立柱高度设计为1500mm,中空外径200mm，同时为使电机散热以保障最佳工作状态。在安装电机的周围还设计了散热栅格。其三维实体图如图4.3所示：图4.3 立柱4.5 M6螺母接收装置设计螺母由取料手送至滑道，因为取料手设计为电磁吸附手，其到达预定送料位置时，放下螺母。根据螺母尺寸，设计一螺母接收装置，类似一个漏洞。斜面角度45度，螺母与斜面摩擦不会影响螺母下滑。其三维实体图如图4.4所示：图4.4 接收装置4.6 螺母摆正槽设计螺母经过接收装置后是没有规则的向下沿滑道运动的，但是在工作台上螺母要水平放置才能是想要的位置。因此要实现螺母水平方式送到工作台，必须在未进入工作台时就实现摆正。考虑到螺母水平放置尺寸比竖直放置尺寸大。滑道设计一段槽，当螺母水平滑下时可以顺利通过，但是当螺母竖直时由于尺寸比开的漏槽尺寸小，则会落下，下面有螺母回收装置。槽长度100mm,宽度为5mm。其三维实体图如图4.5所示： 图4.5 送料槽4.7 送料机构设计此部分采用07级同学设计的花盘送料机构，利用步进电机驱动轴转动，带动花盘。花盘设计有六个槽，在转动过程中使螺母以一定时间间隔送出。其实体装配图如图4.6所示：图4.6 送料机构4.8 整体装配图图4.7 整体装配图第五章 设计总结走的最快的总是时间，来不及感叹，美好的大学生活匆匆过去，经过几个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师的督促指导，以及周围同学们的支持，想要完成这次设计是非常困难的。本次毕业设计的设计题目是双臂式自动送料机器人结构设计，随着现在工业生产的日益集中化、高效化、国际竞争日益激烈，简单的自动送料机构逐渐显示了它的弊端。所以设计一种灵活性高、使用安全的送铆设备是非常有现实意义的。本课题研究双臂送料机构，将克服普通送料机构的弊端，大大提高自动送料机构的生产效率，减少劳动成本，提高人身安全，保障生产质量。起初对双臂式自动送料机器人问题和方案比较问题不知道如何下手，经过指导老师的点播，教我们如何解决问题，如何查阅资料，从哪些方面进行比较，这不仅使我们走出了设计初期的迷茫，而且对以后的设计起到了很好的指导作用。本次设计改变了以往设计的作图模式，全为计算机作图，这不仅要求我有熟练的ProE技能，而且也是对我的一次考验。在几个月的时间内，在老师和同学的帮助和鼓励下，我的设计进行的有条不紊，虽然有时也会遇到困难，但总能及时的解决，在规定的时间内的完成了各项任务。此次毕业设计可以说在某种程度上是一种尝试，通过大量查阅有关自动送料设计的相关资料，不仅对我的设计起到了十分重要的作用，而且拓展的我的知识，也为以后的工作打下了很好的基础。同时，毕业设计也是对我大学四年学习情况的一次检验。在做这个课题中，难免的遇到了困难，但好在有老师的帮忙，以及同学的帮助下，终于把毕业设计最终敲定。在几个多月的设计中，心得体会如下：首先，不管是学习、工作还是做这个毕业设计，我们都得用心，学习要有学习思路，工作要有条理性，毕业设计也得用心去想，去理清自己的思路，该如何去写，该如何让章节合理顺畅，这些都是要用心去想。其次，要有耐心与细心。毕业设计不是一天两天就可以完成的，而是耗时耗力的任务，如果没有耐心，那么什么都完成不了，每个细节我们都该去注意，每个图我们都该去看，这些无不要有足够的耐心与细心。第三，责任心。不管是做什么事情，必不可少的就是责任心，一个人没有责任心，那么肯定做不成什么事，在毕业设计期间，我也退缩过，我也懒惰过，但我知道，做好一件事，不仅是对自己负责，更是对别人负责。第四，要善于沟通。毕业设计遇到的细节问题其实我们也可以同学间的交流和询问老师来解决，而这一切，都在于，沟通二字