钢瓶喷丸机械手设计

毕毕 业业 设设 计计 题题 目目 钢瓶喷丸机械手 学学 院院 机械工程学院 专专 业业 机械工程及自动化 班班 级级 机自 1014 学学 生生 欧博杰 学学 号号 20100421279 指导教师指导教师 时圣勇 二 一 四 年 五 月 二十一 日 济南大学毕业设计 I 摘 要 本次毕业设计题目是 钢瓶喷丸机械手 主要目的是为钢瓶生产线设计一种喷 丸机械手 实现对钢瓶内壁的喷丸处理 以达到除锈及表面强化的目的 要求该机 械手应具有 3 个以上的自由度 采用气压或液压传动 手指开度能适应所给钢瓶的 尺寸 手指形状可自由更换以适应不同形状 使得该机器可以在生产线上起到一定 的作用 同时还要考虑到工作环境以及工作场地的问题 做到安全工作 尽最大的 努力降低能耗 节约成本 1 在导师的带领下 通过参观相关的机械工厂 生产车间 实地去观察机器设备 的生产过程 以及在学校图书馆和网上查阅相关的文章 进而对该机器的内部零件 和工作原理有了一个全方位 更深入的了解 这样就对该产品的设计有了可靠地依 据 摒弃了原先不成熟的设计方案 重新制定最佳方案 有了设计的理论知识后 根据毕业设计的步骤 按照模块化设计的理念 一步一步将设备完成 在完成机械 结构设计的基础上完成关键零件尺寸的强度计算 主要零件的结构及强度设计 尺 寸确定 通过一个多月的努力 终于完成了任务的设计 设计出的产品满足本次设计的 任务要求 尽最大努力做到了高效率 低能耗 经过本次设计 在导师的帮助指导下 使我的自我设计能力得到了很好地提高 也让自己知识得到了巩固加强 此外 我们在学习理论知识的同时 要结合实际 最好能去工厂车间实习 关键词 机械手 气压液压 模块化 济南大学毕业设计 II ABSTRACT The graduation design topic is Steel shot cleaning machine hand The main purpose is to design a kind of shot cleaning manipulator for cylinder production line implementation of shot cleaning on the cylinder wall in order to achieve the purpose of rust removal and surface strengthening The manipulator should be more than 3 degrees of freedom and should have pneumatic or hydraulic transmission The finger opening can adapt to the cylinder size finger shape could be changed freely to the different The machine can have effect on the production line while also taking into account the work environment and work site Working securely and making the greatest efforts to reduce energy consumption and cost savings Under the guidance of the professor by visiting machinery factory production workshop the production process of the field to observe machinery and equipment as well as in the school library and web search related articles With a full range more in depth understanding of the internal parts of the machine and the principle of work so as to design the product with reliable basis abandoned the original not mature design to develop the best solution With the theoretical knowledge of the design according to the graduation design steps in accordance with the modular design concept step by step to make equipment to complete the Calculations are done in key parts of size based on the strength of mechanical structure design structure and strength design the main parts of the size determination By the efforts of more than a month I completed the design of the task finally The design of products designed to meet the mission requirements make the greatest efforts to achieve high efficiency low energy consumption Through this design to assist in the guidance of the instructor the self design capability of mine has been well improved also let oneself knowledge obtained reinforce In addition we also study theoretical knowledge more attention should be paid to the field of study Key words manipulator pneumatic and hydraulic modular 济南大学毕业设计 III 目 录 摘要 I ABSTRACT II 1 前言 1 1 1 选题的背景 1 1 2 课题的意义 1 2 设计内容与步骤 3 2 1 确定机械手的总体方案 3 2 2 设计机械手的各执行构件 3 2 3 气动液压系统的设计 4 3 设计方案的制动与选择 5 3 1 机械手搬运规格及参数 5 3 2 方案的制定 5 3 3 方案的总结分析 8 3 4 方案的优化设计 9 4 机械手主要零部件的设 计 13 4 1 机械手抓部件主要参数的确定 13 4 1 1 推力液压缸选型的确定 13 4 1 2 推力液压缸行程的确定 16 4 1 3 机械手指的设计 18 4 1 4 机械手骨架设计 19 4 1 5 轴承的计算与选择 19 4 1 6 立轴的设计 20 4 2 移动架部件主要参数的确定 21 4 2 1 中间升降液压缸型号的确定 21 4 3 滑动板部件主要参数的确定 23 4 3 1 滑动板的外形设计 23 4 3 2 支撑轴的设计 24 4 3 3 滑轮的设计 25 4 4 支撑架部件主要参数的确定 26 济南大学毕业设计 IV 4 4 1 推动液压缸的选型确定 26 4 4 2 支撑架的设计 27 5 重要的零部件的校 核 29 5 1 键的校核 29 6 结论 31 参考文献 32 致谢 33 济南大学毕业设计 1 1 前言 1 1 选题背景 工业机械手最早应用在汽车制造领域行业中 常用于焊接 喷漆 上下料和搬 运 工业机械手具有了人的手 足和大脑的功能 它可以代替人从事危险 有害 有毒 低高温等恶劣环境中的工作 替代人实现单一反复 繁重的体力劳动 而且 提高劳动生产率 保证所生产的产品的质量 目前大多用于制造业中 比如 电器 制造业 汽车制造业 塑料加工业 通用机械制造及金属加工等领域 工业机械手 与控制加工中心 自动检测系统可组成柔性制造系统 FMS 和计算机集成制造系 统 CIMS 实现生产自动化 随着社会的发展以及科技的进步 机械手的功能和 性能的不断改善和提高 机械手的应用领域日益扩大 当代气动机械手的基本结构是由感知部分 以及控制部分 主机部分和执行部 分四个模块构成的 采集的传感信号和控制信号是由智能阀门控制的 伺服电机步 进马达或液压伺服系统由气动伺服定位系统取代了 气缸 摆动马达完成了原来由 液压缸或机械件所做的执行动作 采用模块化的标准剖面组件的主机部分 使气动 机械手可以拓展到规范化 系统化的产品 人们按照实际情况 挑选相应功能的参 数的模块 这是一种先进的设计思想 理念 代表着气动液压技术今后的发展方向 也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性 在现代工业生产中 简化生产环节 提高自动化程度 降低能耗 减少成本 提高生产质量已经成为了企业的基本要求 而作为国民经济重要环节的机械加工业 显得尤为重要 目前 我国社会中存在着大量的中小型制造加工生产企业 但是由 于生产制造过程中的低效率 高成本使得这些企业盈利微薄 针对中小型制造加工 企业的资金薄弱环节 以及一系列的问题 所以 选定钢瓶喷丸机械手作为我本次 毕业设计的课题 1 2 课题的意义 本课题的研究和钢瓶喷丸机械手产品的开发将具有重大的意义 在现代工业生 产中 简化生产环节 提高自动化程度 降低能耗 减少浪费 提高产品质量成了 工业企业的基本要求 加大生产过程中的自动化程度 利用流水线机械手进行作业 有利于实现钢瓶的抓取 搬运等自动化过程 从而可以提高劳动生产率和降低生产 成本 可以减少人力的使用 并且便于有节奏的大批量生产 将机械手进行编程处 理 这样就可以连续有规律的工作生产 通过设计的新型钢瓶喷丸机械手能够很好 的解决中小企业资金不足引起的一系列问题 为了设计这种针对中小企业的产品 我们查阅了大量相关资料 了解国内搬运机械手的使用现况 在时老师的指导下提 济南大学毕业设计 2 出了多种设计方案 通过对比 去掉不理想方案 从而选出最佳的设计方案 提交 了技术性能 本机用于搬运钢瓶 减少人力的使用 提高生产效率 并且降低了中 小企业的生产成本 这种机械手节约了能源 降低了成本 同时也将促进我国机械 加工业的发展 济南大学毕业设计 3 2 设计内容与步骤 通过实验阶段的所见所闻 为钢瓶生产线设计一种喷丸机械手 实现对钢瓶内 壁的喷丸处理 以达到除锈及表面强化的目的 要求该机械手应具有3个以上的自由 度 采用气压或液压传动 手指开度能适应所给钢瓶的尺寸 手指形状可自由更换 以适应不同形状 在完成机械结构设计的基础上完成关键零件尺寸的强度计算 主 要零件的结构及强度设计 尺寸确定 采用模块化的设计方式 将机械手分为若干个模块 对各个模块进行设计 然 后把这些模块拼装起来组成机械手 根据功能和尺寸要求匹配合适的气缸液压缸 设计机械手基座 各气缸之间连接关节 导向装置 进行典型连接件的结构参数化 设计 设计机械手的原则就是 全面分析设备的的工作技术要求 制定最合理的作业 工序和工艺 并满足系统功能的要求和环境条件 明确工件的结构形状和材料特性 定位精度要求 受力特性和尺寸要求等参数 尽量选用标准组件 简化设计制造过 程 兼顾通用性和专用性 1 模块化设计的主要目标就是确定相互独立的 并且标准化的或者可以改变的各 个单元来满足各种功能 要将产品设备划分为若干个模块 划分一般原则为 尽量 减少产品包含的模块总数 简化模块自身的复杂程度 以免模块组合时产生混乱 模块要得到最有限的实际相结合 为了满足用户的需求 模块的分解中要使各个模 块具有一定的完整性和独立性 为了方便和分离 要充分注意模块之间的结合 要 考虑模块的分解对设备的精度 刚度带来的变化 模块单元的分解必须要考虑经济 要素等 2 首先 通过对设计内容的分析 要求是为钢瓶生产线设计一种喷丸机械手 实 现对钢瓶内壁的喷丸处理 以达到除锈及表面强化的目的 其次 采用模块化设计 的思想 将整体划分为几个模块 然后逐个设计 再讲各模块组装起来 最后 对 所设计的产品进行优化设计 以达到预期的要求和性能 2 1 确定机械手的总体方案 根据流水线的总体布局以及钢瓶的特点 确定机械手的总体方案 分析并解决 存在的技术难题 机械手需要满足至少3个以上的自由度的要求 并且机械手的手指 形状可以自由更换 以适应不同形状的钢瓶 2 2 设计机械手的各执行构件 济南大学毕业设计 4 采用模块化的设计理念 将钢瓶喷丸机械手分解若干个模块 依次对各个模块 进行设计 依次设计每个模块中的执行构件 接着组装为一个模块 再把这些独立 的模块拼装起来组成整机 这样就形成了一台完整的设备产品 2 3 气动 液压驱动系统的设计 驱动方式可以分为间接驱动和直接驱动 驱动源常用的方式有 液压驱动 气 动驱动 直流电机驱动和交流电机驱动四种基本类型 其中 交流电机驱动是最新 发展起来的一种驱动方法 根据功能和尺寸要求匹配合适的气缸液压缸 3 济南大学毕业设计 5 3 设计方案的制定与选择 3 1 机械手搬运规格及参数 经过去中小型生产企业的实地考察 以及向老师的询问 上网查阅资料 得到 以下结论 中小型加工业中对于体积中型的钢瓶加工的最多 所以 从中选择具有 代表性的企业生产的钢瓶为例进行设计 例如九江三钻机械有限公司所生产的 三 钻 钢瓶 其中 40L 医用氧气瓶规格如下 公称外径 220mm 公称容积 40L 公 称重量 57KG 工作压力 15MPa 材料 34Mn2V 高度 1 45m 3 2 方案的制定 喷丸机械手它的本质上其实是搬运机械手 搬运机械手的作用通常是将物料从 一个点搬运到另一个点 根据实际生产的需要 这个搬运过程可能会涉及到水平以 及垂直的位移 某些时候还需要机械手可以进行转动 因此 在不同的生产过程中 对机械手灵活性的要求并不相同 除了都会涉及到的夹持或者吸附操作之外 其他 的操作也可能会有变化 一般来说 搬运机械手是通过螺旋机构和机械手夹持器来 工作的 1 方案一 采用圆柱坐标式结构 各组合形式不少于三个自由度 采用气动 动力进行驱动 机械手的结构示意图如图 3 1 所示 图 3 1 气动机械手结构示意图 A 手臂摆动气缸 B 升降气缸 C 伸缩气缸 D 手腕摆动气缸 E 气抓 济南大学毕业设计 6 1 基座 2 手臂关节 3 手腕关节 4 导向装置 5 定位挡块 这种结构的机械手 其工作原理是气抓 E 抓取工件 经由手腕摆动气缸 D 的作 用旋转一定的角度 然后伸缩气缸 C 将整体在横向移动 手臂摆动气缸 A 在摆动一 定的角度 最后由升降气缸 B 将工件进行上升或下降 这样就完成了它的一个工作 过程 优点 这种结构的机械手体积小 占地面积小 结构相对简单 结构紧凑 便 于组合 定位精度也比较高 同时还兼顾了低成本和高通用性 缺点 活动范围比较小 在工作线较长的流水作业线上就显得不太突出了 综上所述 该方案不适用于较长流水线工位上的工作情况 2 方案二 为了适应较长距离的工作情况 这里 采用门式起重机的结构形 式 即可满足较长距离的工作要求 如图 3 2 所示 济南大学毕业设计 7 图 3 2 喷丸机械手结构示意图 在此方案中 动力源采用电机来进行驱动 所传递的转矩比较大 工作效率高 速度快 如图 3 3 所示 图 3 3 电机结构示意图 工作过程为利用钩子勾住钢瓶头部 利用手部键盘操作 从而电机驱动使钢瓶 仔竖直方向和水平方向进行移动 钢瓶的翻转需要人工来实现 优点 满足了可以远距离工作的工作条件 速度快 效率高 结构简单 缺点 钢瓶运动中不平稳 翻转需要人工来辅助完成 安全系数不够高 综上所述 此方案不可行 济南大学毕业设计 8 3 方案三 为了提高安全性的条件 在本方案中 继续保持机构的主体结构 不变 改变中间驱动部分 采用更加安全可靠的液压缸来进行驱动 即可满足安全 性能的要求 其结构简图如图 3 4 所示 图 3 4 钢瓶喷丸机械手总体结构简图 1 机械手抓部件 2 支撑架部件 3 滑动板部件 4 移动架部件 采用模块化设计的理念 将钢瓶喷丸机械手从结构功能上分为四大模块 即四 大部件 其中机械手抓部件 1 实现的主要功能是将钢瓶抓放 并可以旋转 90 度 移 动架部件 4 实现的主要功能是将移动架和机械手抓部件连接起来 并带动机械手抓 部件在竖直方向运动 满足了竖直方向的自由度要求 滑动板部件 3 起到的是一个 中间过渡的作用 它将移动架部件与整个支撑架部件连接起来 支撑架部件 4 实现 的主要功能就是承重作用 即支撑整个设备的重量 以及让其他三个部件的组合体 通过中间连接体 从而在横向移动 满足了横向的自由度要求 整个钢瓶喷丸机械手的工作过程就是机械手抓部件 1 抓取钢瓶 移动架部件 4 使其在竖直方向上升 然后通过滑动板 3 的连接作用 在支撑架 2 上面横向移动 将钢瓶送到下一个工位 在回到最初的位置 从而完成了一次完整的工作过程 综上所述 此方案基本可以满足远距离工作的条件以及满足安全性能的要求 所以 选择此方案进行接下来的设计工作 3 3 方案的总结分析 济南大学毕业设计 9 综合各方面因素 选择方案三进行接下来的设计工作 这里 具体再对方案三 完善一下 可以将设备从功能上划分为四个部件 即四大模块 针对每一个部件来 进行模块化的设计 这样整个设计过程将会井井有序 有条有理 在传动上可采用直接传动和滑轮与轨道传动 在结构上可以采用两个步进电机 带动 两种转速转动 也可采用由液压缸 气缸驱动 通过对这几种方案的组合可 以得出多种不同的优秀可行的方案 但是 对于设计的产品要满足多种要求 首先 必须满足使用功能的要求 满足经济上的要求 力求节省 要满足可靠性的要求 同时机器外部的生产环境要好 不要造成污染 还要保证操作者的方便和安全 做 到人性化的设计 其次 机器的各个零部件要考虑到其强度 刚度 寿命等符合要 求 尽力降低成本 节省资源 4 5 通过对以上的考虑 制定出了最佳设计方案 机械手部件通过液压缸采用四个 机械手指将钢瓶夹紧 在机械手部见的一边再安装一个 90 度的齿轮齿条摆动缸 这 样就实现了钢瓶 90 度的旋转自由度 移动架部件和滑动板之间通过导轨与滑块的组 合使得钢瓶可以再竖直方向上下运动 在这里的驱动装置就是一个液压缸 计算一 下液压缸的载荷 缸径 活塞杆直径 从而选择一种型号合适的液压缸来驱动 所 有的机体部分与支撑架之间通过滑轮和导轨的组合来连接 这样就可以实现在横向 上的远距离传送 它的驱动方式选择液压缸来推进 不选择步进电机的原因是 出 于经济的角度考虑的 这样 组装设计起来的钢瓶搬运机械手就是一种不错的方案 3 4 方案的优化设计 考虑到钢瓶喷丸机械手的工作特点 将整机从功能特点上分为四个模块 即四 大部件 机械手抓部件 移动架部件 滑动板部件和支撑架部件 四个部件分别具 有各自的功能 四大部件之间通过轴 导轨与滑块连接起来 从而完成预先设想的 工作 其中 机械手部件如图 3 5 所示 济南大学毕业设计 10 图 3 5 机械手部件 1 连接臂 2 液压缸 3 机械手指 工作原理 液压缸 1 推动和它首尾相连的两根立轴 轴上连接着四个机械手指 3 手指 3 就会绕着立轴做圆弧运动 从而将钢瓶夹紧 结构特点 部件的主体采用钢板焊接而成 在部件的两侧位置安装两根立轴 支撑着四个手指 轴的两端安装角接触球轴承和推力球轴承 便于轴的转动 在部 件的后端安装一个液压缸 液压缸的推拉使得机械手指一张一合 即就是抓取夹紧 工件 移动架部件如图 3 6 所示 济南大学毕业设计 11 图 3 6 移动架部件 1 导轨 2 升降液压缸 3 移动架 工作原理 移动架 3 和机械手抓部件当中的连接臂 1 相连接 在升降液压缸的 作用下 经由导轨 1 完成在竖直方向的移动 结构特点 移动架 3 的主体是钢板焊接在一起 液压缸 2 通过后法兰是的安装 方法固定在移动架 3 上 从而和移动架连接在一起 导轨 1 是利用内六角螺钉连接 在移动架 3 的背部的 滑动板部件如图 3 7 所示 济南大学毕业设计 12 图 3 7 滑动板部件 1 滑轮 2 支撑轴 3 滑动板 工作原理 滑动板 3 通过滑轮 1 安装在支撑架部件中的横向导轨上 再利用短轴 和移动架部件连接在一起 这样 三大部件已经全部组装在一起了 结构特点 滑动板 3 主体焊接在一起 在滑动板 3 上面安装上滑块和滑轮 它的 作用就是中间连接体 支撑架部件如图 3 8 所示 图 3 8 支撑架部件 1 支撑架 2 横向导轨 3 推力液压缸 工作原理 将其他三个部件通过滑动板部件上的滑轮与横向导轨 2 相连 再将 推力液压缸 3 与滑动板连接 这样整个机械手机体就可以在支撑架 1 上进行横向移 济南大学毕业设计 13 动 结构特点 支撑架主体是用钢板焊接而成 具有比较稳定的刚性 济南大学毕业设计 14 4 机械手主要零部件的结构设计 4 1 机械手抓部件主要参数的确定 4 1 1 推力液压缸选型的确定 由于所要设计的喷丸机械手夹持的钢瓶直径为 220mm 高度为 1450mm 重量 为 57KG 对于机械手抓部件处 采用四个机械手指的作用来夹持钢瓶 图 4 1 手抓部分 如图 4 1 四个机械手指将钢瓶压紧在机体内壁上 通过摩擦力将钢瓶夹紧 所 以 钢瓶一共有 8 个接触面 则有 6 8f 又 摩擦力等于钢瓶的重力 fmg 8mgN 每个接触面上的正压力 N 为 57 10 475 88 0 15 mg N 济南大学毕业设计 15 液压缸产生的推力为 1 F 图 4 2 液压缸产生的推力受力分析图 1 22 22 24751344FFN 液压缸作用于活塞杆上的液压力 1344N 对于单作用单活塞杆液压缸来讲 1 F 受力如下 图 4 3 液压缸受力图 其中 活塞杆无杆腔侧有效面积 1 A 22 1 4 ADm 活塞杆有杆腔侧有效面积 2 A 222 2 4 ADdm D 活塞直径 液压缸内径 m d 活塞杆直径 m 济南大学毕业设计 16 活塞杆伸出时的理论推力为 1 F 3 4 1 626 11 1010 4 FAPDP 所以 由公式 4 1 得活塞杆的直径即液压缸的内径为 1 66 4F4 1344 10 34mm P 103 14 16 10 D 查阅 机械设计手册 选取 D 20mm 的液压缸 将 D 20mm 代入公式 4 1 中 验证选取的 D 是否满足要求 2626 1 FDP 100 0216 105026 5 44 求得的该数值为理论推力 需要考虑液压缸的包括机械效率 容积效率 作用 力效率在内的总效率 在此选定液压缸总效率 7 则液压缸实际推力为 0 9 11 F F 实 经过比较 1 F 实1 F 所以 满足要求 根据查询液压缸内径系列 GB2348 80 选取活塞杆直径即液压缸内径为 D 20mm 液压缸活塞杆往复运动时的速度之比 6 4 2 2 2 21 22 22 12 4 Dd Dd 4 D vAD vA 计算速比主要是为了确定活塞杆直径是否需要设置缓冲装置 速比不宜过大或 者过小 以免产生过大的背压或造成因活塞杆太细导致的稳定性不好 8 根据下面表格选定速比 表 4 1 速比查询表 公称压力 MPa 1012 520 20 1 331 46 22 济南大学毕业设计 17 根据表 4 1 及活塞杆直径系列 GB2348 80 工作压力 16Mpa 9 选取速比 1 46 由公式 4 2 得活塞杆直径为 1 46 1 mm mm 1 46 dD 取 d 12mm 活塞杆缩回时理论拉力为 2 F 4 3 6226 22 F10 Dd 10 4 APP 由公式 4 3 得20Dmm d 12mm 226226 2 F Dd 10 0 020 012 10 3217 44 P 上述计算值为理论拉力 还需要计算实际拉力 得 22 3217 0 9 2895 FF 实 为了确保液压缸能够正常缩回 需要计算液压缸伸出时的损耗量 1 F损 11 F 1 5026 50 9 502 65 F 损 能够正常缩回的条件是缩回力大于伸出时的损耗力 12 FF 损实 经过比较 满足要求 12 F 502 65F 损实 故 选定液压缸直径 活塞杆直径 20Dmm d 12mm 4 1 2 推力液压缸行程的确定 对于液压缸的行程确定 采用作图法来计算 如图 4 4 所示 机械手指将钢瓶 夹紧状态下时 A 点为一个极限位置 手指逐渐张开 当达到位置处 为第二个 1 A 极限位置 此时钢瓶恰好能从机械手掌中移动出来 此时 机械手指移动的弧长 近似的认为是线段 与之对应的立轴由 B 点移动到点 取线段为液压 1 AA 2 AA 1 B 1 BB 缸的行程 济南大学毕业设计 18 图 4 4 手指运动示意图 由于机械手指和立轴上的液压缸连接杆同在立轴上 所以 同一时间内 它们 转过的角度相同 利用三角形相似进行求解 图 4 5 行程计算简图 济南大学毕业设计 19 所以 由三角形相似公式得 液压缸行程为 1 12 2 52 60 15 6mm 200 R SSmm R 查阅 GB T 2379 1980 选取行程S 25mm 当 S 25mm 时 机械手指移动的直线距离为 2 1 200 25 mm 52 R SS R 实际 83 m m 4 1 3 机械手指的设计 机械手指设计的外形如图 4 6 所示 设计成这种形式 有利于将钢瓶夹的更紧 手指头部为的块状 尾部是厚度为 60mm 内径 25mm 外径 60mm 的空 60m m 70m m 80m m 心圆柱 图 4 6 机械手指外形 估算手指的体积 3 140 8060 70 80840 cm mm V 45 查阅 机械设计手册 得铸铁的密度 10 3 7 0g cm 得到 每个机械手指的质量7 0 840 5880 mvgg 取整 每个手指质量为m6kg 济南大学毕业设计 20 4 1 4 机械手骨架设计 通过对机械手性能的分析 将机械手骨架设计为图 4 7 的形式 图 4 7 机械手骨架 机械手骨架高 400mm 长 300mm 钢板厚度 10mm 体积 33 1 30 40 1 cm 1200 cm V 质量 11 7 0 1200 8400 mVgg 取整 1 m10000g 机械手部总重6000 4 1000034Mkg 4 1 5 轴承的计算与选择 经过分析 机械手抓部分上端轴承主要承受径向力 故选择角接触球轴承 11 图 4 8 轴承受力图 济南大学毕业设计 21 轴向力340 ae F 1 11 4523 85 2260 22 F 实 1 1 2 2260 cos152183 2260 sin15585 2260 cos152183 r d r F F F 因为 12daed FFF 所以 轴承 1 被 放松 轴向力 11 585 ad FF 21 585340245 adae FFF 选取0 38e 1 1 585 0 268 2183 a r F F 2 2 245 0 112 2183 a r F F 所以 1X 0Y 当量动载荷为 12 1 5 1 21830 3274 5 pra PPfXFYF 查阅 机械设计手册 选取角接触轴承 7004C 轴承内径 外径20dmm 10 42Dmm 机械手抓部分下端主要承受径向力 故选择推力球轴承 51204 4 1 6 立轴的设计 立轴的上下两端各安装一个角接触球轴承和推力球轴承 两个机械手指 立轴 主要作用是支撑作用 图 4 9 立轴结构图 济南大学毕业设计 22 4 2 移动架部件主要参数的确定 移动架部分的主要功能是和机械手抓部件连接在一起 然后带动机械手抓部件 上升或者下降 移动架和机械手抓之间通过短轴连接在一起 在一边安装有齿轮齿 条摆动缸 可以实现机械手抓的 90 度旋转自由度 移动架主体如图 4 10 所示 图 4 10 移动架简图 估计总重 钢瓶的重量 支架重量 机械手重量 左侧摆动缸重量 后端液压 缸重量和中间液压缸的估重总和为 57503424 1040215Mkg 4 2 1 中间升降液压缸型号的确定 活塞杆收缩时的理论拉力 1 2150F 液压缸作用于活塞杆上的液压力 1344N 对于单作用单活塞杆液压缸来讲 1 F 受力如下 图 4 11 液压缸受力图 济南大学毕业设计 23 其中 活塞杆无杆腔侧有效面积 1 A 22 1 4 ADm 活塞杆有杆腔侧有效面积 2 A 222 2 4 ADdm D 活塞直径 液压缸内径 m d 活塞杆直径 m 所以 由公式 4 1 得活塞杆的直径即液压缸的内径为 1 66 4F4 13 07mm P 103 14 16 10 D 查阅 机械设计手册 选取 D 80mm 的液压缸 10 将 D 80mm 代入公式 4 1 中 验证选取的 D 是否满足要求 2626 1 FDP 100 0816 1080422 4 44 求得的该数值为理论推力 需要考虑液压缸的包括机械效率 容积效率 作用 选定液力效率在内的总效率 9 在此压缸总效率 则液压缸实际推力为 0 9 11 F F 实 经过比较 1 F 实1 F 所以 满足要求 根据查询液压缸内径系列 GB2348 80 选取活塞杆直径即液压缸内径为 D 80mm 液压缸活塞杆往复运动时的速度之比 4 2 2 2 21 22 22 12 4 Dd Dd 4 D vAD vA 计算速比主要是为了确定活塞杆直径是否需要设置缓冲装置 速比不宜过大或 者过小 9 以免产生过大的背压或造成因活塞杆太细导致的稳定性不好 根据表 4 1 及活塞杆直径系列 GB2348 80 工作压力 16Mpa 选取速比 1 46 由公式 4 2 得活塞杆直径为 济南大学毕业设计 24 1 46 1 mm mm 1 46 dD 取 d 28mm 活塞杆缩回时理论拉力为 2 F 由公式 4 3 得80Dmm d 28mm 226226 2 F Dd 10 0 080 028 10 70570 44 P 上述计算值为理论拉力 还需要计算实际拉力 得 22 70570 0 9 63514 FF 实 为了确保液压缸能够正常缩回 需要计算液压缸伸出时的损耗量 1 F损 11 F 1 80422 40 9 8042 24 F 损 能够正常缩回的条件是缩回力大于伸出时的损耗力 12 FF 损实 经过比较 满足要求 12 63514F 8042 24F 损实 故 选定液压缸直径 活塞杆直径 活塞杆的行程取80Dmm d 28mm 1000mm 4 3 滑动板部件主要参数的确定 4 3 1 滑动板的外形设计 滑动板在整个机构中起到中间连接体的作用 它将机械手部分和整个支撑架连 接在一起 关于滑动板的设计 考虑到中间液压缸的行程为 1 米 在滑动板上安装 的滑块配合移动架上的轨道一起竖直运动 所以 移动架的长至少要大于轨道的长 度 济南大学毕业设计 25 图 4 12 滑动板结构图 考虑轨道的长度 最终 通过简单的计算 将滑动板设计为图 4 12 所示 4 3 2 支撑轴的设计 在滑动板上需要安装滑轮 带动机械手框架整体在支撑架上横向移动 所以 关于支撑轴的设计就显得比较重要了 将轴设计成阶梯轴 中间直径最大 两端直 径小 一端安装滑轮 一段在滑动板的另一侧固定 其结构如图 4 13 所示 济南大学毕业设计 26 图 4 13 上支撑轴 在轴的上端安装滑轮 再用弹性挡圈进行轴向定位 轴的下端加工成螺纹状 利用螺母将其锁紧定位 这是上支撑轴的结构形式 对于下支撑轴的设计 需要考虑安装方便的因素 滑轮在支撑架的导轨上安装的时候 为了便于安装 先将上滑轮装上 然后将下滑 轮进行调试安装 所以 将下滑轮所在的下支撑轴设计成偏心装置 即就是偏心轮 这样当上滑轮安装好以后 将下滑轮用扳手调试其松紧程度 便可安装好下滑轮 12 具体结构如图 4 14 所示 济南大学毕业设计 27 图 4 14 下支撑轴 如图 偏心轮的设计有效的解决了轮子安装不方便的问题 7 4 3 3 滑轮的设计 滑轮和支撑架上的轨道是配合使用的 主要目的是减小摩擦 13 考虑摩擦力和 稳定性的因素考虑 故将滑轮设计成图 4 15 所示 图 4 15 滑轮结构 4 4 支撑架部件主要参数的确定 济南大学毕业设计 28 4 4 1 推动液压缸的选型确定 通过前面的计算 估计机械手部件 移动架部件和滑动板部件的总重为 250KG 又摩擦力为0 15 250 10375fmg 所以 液压缸的推力Ff 液压缸作用于活塞杆上的液压力 1000N 对于单作用单活塞杆液压缸来讲 1 F 受力如下 图 4 16 液压缸受力图 其中 活塞杆无杆腔侧有效面积 1 A 22 1 4 ADm 活塞杆有杆腔侧有效面积 2 A 222 2 4 ADdm D 活塞直径 液压缸内径 m d 活塞杆直径 m 所以 由公式 4 1 得活塞杆的直径即液压缸的内径为 1 66 4F4 8 92mm P 103 14 16 10 D 查阅 机械设计手册 选取 D 40mm 的液压缸 将 D 40mm 代入公式 4 1 中 验证选取的 D 是否满足要求 2626 1 FDP 100 0416 1020106 44 求得的该数值为理论推力 需要考虑液压缸的包括机械效率 容积效率 作用 力效率在内的总效率 3 9 在此选定液压缸总效率 则液压缸实际推力为 0 9 11 F F 实 济南大学毕业设计 29 经过比较 1 F 实1 F 所以 满足要求 根据查询液压缸内径系列 GB2348 80 选取活塞杆直径即液压缸内径为 D 40mm 液压缸活塞杆往复运动时的速度之比 4 2 2 2 21 22 22 12 4 Dd Dd 4 D vAD vA 计算速比主要是为了确定活塞杆直径是否需要设置缓冲装置 速比不宜过大或 者过小 以免产生过大的背压或造成因活塞杆太细导致的稳定性不好 根据表 4 1 及活塞杆直径系列 GB2348 80 工作压力 16Mpa 选取速比 1 46 由公式 4 2 得活塞杆直径为 1 46 1 mm mm 1 46 dD 取 d 25mm 活塞杆缩回时理论拉力为 2 F 由公式 4 3 得40Dmm d 25mm 226226 2 F Dd 10 0 040 025 10 12252 44 P 上述计算值为理论拉力 还需要计算实际拉力 得 22 12252 0 9 11027 FF 实 为了确保液压缸能够正常缩回 需要计算液压缸伸出时的损耗量 1 F损 11 F 1 201060 9 2010 6 F 损 能够正常缩回的条件是缩回力大于伸出时的损耗力 12 FF 损实 经过比较 满足要求 12 11207F 20106F 损实 故 选定液压缸直径 活塞杆直径 活塞杆的行程取40Dmm d 25mm 1600mm 济南大学毕业设计 30 4 4 2 支撑架的设计 支撑架设计 采用 45 钢焊接 支撑架的长度要满足横向推动液压缸的行程要求 高度要满足纵向液压缸的行程要求 宽度方向要满足稳定性的要求 综合三方面的 因素 将总长设计 4200mm 总高 2900mm 总宽 2000mm 济南大学毕业设计 31 5 重要零部件的校核计算 5 1 键的校核 整个设备中 选取机械手部件与移动架部件和摆动缸连接处的两个键进行校核 两个键分别是 A 型普通平键 14 9 80 和键 10 8 28 分别进行校核 键 14 9 80 此处轴径 d 45mm 宽度 b 14mm 高度 h 9mm 键长 L 80mm 校核键的强度 键 轴和机体的材料都是钢 查阅 机械设计 课本得许用挤压应力 取其平均值 键的工作长度a p a p 键与轮毂键槽的接触高度801466lLbmmmmmm 1 0 50 5 94 5khmmmm 普通平键连接的强度条件为 5 1 3 210 pp T kld 传递的转矩估计为m 2 d 由公式 5 1 可得 33 2102 30 10 4 49110 4 5 66 45 p T aaa kld 所以 强度满足条件 键 10 8 28 此处轴径 d 30mm 宽度 b 10mm 高度 h 8mm 键长 L 28mm 校核键的强度 键 轴和机体的材料都是钢 查阅 机械设计 课本得许用挤压应力 取其平均值 键的工作长度a p a p 键与轮毂键槽的接触高度281018lLbmmmmmm 1 0 50 5 84khmmmm 普通平键连接的强度条件为 济南大学毕业设计 32 5 1 3 210 pp T kld 传递的转矩估计为m 2 d 由公式 5 1 可得 33 2102 30 10 27 78110 4 18 30 p T aaa kld 所以 强度满足条件 济南大学毕业设计 33 6 结 论 通过本次的设计 针对钢瓶机械手的研究设计 掌握了很多在之前学习生活中 没有遇到的知识 本次设计任务书中要求必须进行模块化设计 所以 在之后的设 计过程中 始终贯穿着 模块化 设计的这个理念与设计方法 14 经过整个设计