机械制造的有关机械手手臂伸缩-课程设计

机械类综合课程设计题目名称 工业机械手设计 (手臂伸缩部分) 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 完成时间 目录一、机械手设计任务书21.1课程设计目的21.2设计内容和要求2二、手臂的设计42.1、手臂伸缩的设计计算42.1.1、的计算52.1.2、的计算62.1.3、的计算72.1.4、的计算72.2、确定液压缸的结构尺寸72.2.1、液压缸内径的计算72.3、活塞杆的计算102.3.1、活塞杆的尺寸102.3.2、活塞杆的稳定性校核102.3.3、大柔度杆的临界力112.3.4、缸筒材料的选择.122.3.5、油缸端盖的连接方式及强度计算122.4、底板的设计计算说明132.5、导向杆的结构设计152.5.1、导向机构的作用152.5.2、导向杆的外型尺寸及材料15三、液压控制系统设计153.1、系统要求163.2、油缸的选择163.2.1、确定流量163.2.2确定泵的动力163.2.3、选择泵的型号为YBX258P45-106173.2.4、油泵电机的选择173.2.5、液压元件的选择173.3、辅助元件选择183.4、系统液压图193.4.1、确定现场器件的动作顺序193.4.2现场器件与PLC的连线203.4.3、梯形图与程序指令表213.4.3、梯形图与程序指令表22四、设计主要内容25五、参考文献26一、机械手设计任务书1.1课程设计目的课程设计是一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程设计问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。其主要目的：（1）、培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。（2）、培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。(3)、培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。(4)、培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。1.2设计内容和要求 （一）原始数据及资料 （1）原始数据： a、运动简图 b、自由度 （四个自由度） 臂转动 0d-200d 臂上下运动Z 400mm 臂伸缩X 600mm 腕部转动 0d-180d （2）设计要求： a、上料机械手结构设计图、装配图、各主要零件图（一套） b、液压原理图（一张） c、设计计算说明书（一份）（3）技术要求主要参数的确定：坐标形式：圆柱坐标抓重：200N自由度：4个臂的运动行程：伸缩运动600mm，回转运动0d-200d， 升降运动400mme、 臂的运动速度：伸缩运动250mm/s，回转运动70d/s升降运动70mm/s f、 腕部的运动行程：回转运动0d-180d g、 腕部的运动速度：回转运动110d/s h、 定位方式：电位器（或接近开关等）设定，点位控制 i、 手指夹持范围：棒料直径5070mm，长度4501200mm驱动方式：液压（中、低系统）定位精度：3mm控制方式：PLC控制（二）料槽形式及分析动作要求（1）料槽形式 由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自用输送的输料槽，该装置结构简单，不需要其他动力源和特殊装置，所以本课程题采用此种输料槽。（2）动作要求分析如图1.1所示 动作一：送料 动作二：预夹紧 动作三：手臂上升 动作四：手臂旋转 动作五：小臂伸长 动作六：手腕旋转图1.1要求分析二、手臂的设计2.1、手臂伸缩的设计计算手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。多义性在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。伸缩液压缸的设计计算求水平伸缩直线运动液压缸的驱动力 根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的限力，来确定液压缸所需的驱动力。手臂的伸缩速度为250mm/s行程L=600mm 抓重200N 液压缸活塞的驱动力的计算 式中 一一摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。 一一密封装置处的康擦阻力; 一一液压缸回油腔低压油掖所造成的阻力; 一一起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。 、的计算如下。2.1.1、的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。图4-15为双导向杆导向，其导向杆截面形状为圆柱面，导向杆对称配置在伸缩缸的两侧，启动时，导向装置的摩擦阻力较大，计算如下: 由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。 得 式中参与运动的零部件所受的总重力(含工件重),估算=+=(200+200+400+350)N=1150N L手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离(m),L=100mm a导向支承的长度,a=150mm; 一一当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。 对子圆柱面: 取=1.5 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时: 钢对青铜: 取=0.10.15 钢对铸铁: 取=0.180.3 取=0.1 , =0.15代入已知数据得=N2.1.2、的计算同的密封圈其摩擦阻力不同，其计算公式如下:(1)“O”形密封圈当液服缸工作压力小于10Mpa. 活寒杆直径为液压缸直径的一半，活塞与活塞杆处都采用“O”形密封圈时，液压缸密封处的总的摩擦力为:式中 F为驱动力， P工作压力(Pa); P 15d时，一般应进行稳定性校核。稳定性条件可表示为式中临界力（N），可按材料力学有关公式计算。安全系数，=24取=42.3.3、大柔度杆的临界力当时，临界力为=式中为活塞杆的计算柔度（柔度系数）， L为活塞杆的计算长度（m），油缸支承情况和活塞杆端部支承情况不同，活塞杆计算长度不同，见表46； i为活塞杆横截面的惯性半径（m）,J为活塞杆截面对中性轴的惯性矩（）E为弹性横量，E=210GPa为长度折算系数，见表46；为特定的柔度值，=，为比例极限。=，故活塞杆的稳定性满足条件。2.3.4、缸筒材料的选择.(1)缸底材料：选择Q235碳素结构钢，其抗拉强度375460(2)缸底厚度 取缸底厚度为5mm。2.3.5、油缸端盖的连接方式及强度计算保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距，进而决定螺钉的数目。缸的一端为缸体与缸盖铸造成一体，另一端缸体与缸盖采用螺钉连接。(1)缸盖螺钉的计算为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距，进而决定螺钉的数目在这种连接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷Q和预进力之和。式中：P驱动力NP工作压力MpaZ螺钉数目，取4预紧力N=K，K=1.5-1.8螺钉的强度条件为：式中：=1.3,计算载荷（N），螺钉内径取=8mm。表3-1 螺钉间距与压力p的关系工作压力（）螺钉间距（mm）0.51.51501.52.51202.55.01005.01080 抗拉许用应力(Mpa)，螺纹内径（mm）表4-7常用螺钉材料的流动极限 （）钢号10A2A3354540cr210220240320360650-900(2)缸体螺纹计算 (3.23)式中， D油缸内径考虑螺纹拉应力和扭应力合成作用系数取=1.3。故螺纹内径d1=8mm 符合要求。2.4、底板的设计计算说明底板长度600mm，宽150mm图2-2 底板结构图底板用螺钉与升降臂滑台连接，对连接螺钉进行计算伸缩臂夹持器总质量为 (2-1)v滑台的运动速度0.2m/sg9.8m/st起动反映时间0.1-0.5s 取t=0.02s (2-2)所以使其改变运动状态的惯性力是750N。根据不滑动定理： Fa预紧力M结合面数目C可靠系数取1.5F摩擦系数取0.1所以预紧力 取螺钉数为4个，初选M10。8.8级的螺钉屈服极限， 得螺纹小径d 所以为保证机构受冲击时的安全性与伸缩臂连接螺栓取M16。2.5、导向杆的结构设计2.5.1、导向机构的作用保证液压缸活塞赶伸出时的方向性，提供机构刚度，保证伸出量的准确性2.5.2、导向杆的外型尺寸及材料导向杆采用圆柱行空心长杆，直径为D=20mm,d=10mm，长度为614mm导向杆的材料为45钢。导向杆与外界的连接导向柑外端加工有外螺纹用法兰盘与夹持器的支撑板连接。连接栓为M4图2-8 导向杆与外界的连接导向杆支座有两个。三、液压控制系统设计A 本次设计的工业机械手属于圆柱坐标式的液压驱动机械手，具有手臂，手腕回转、手臂升降、伸缩等四个自由度。因此，相应的有手臂，手腕回转机构、手臂升降机构、手臂伸缩机构等组成。每一部分均用液压缸驱动与控制。3.1、系统要求对系统要求如下：（a） 满足工业机械手动作顺序要求。其动作顺序的各步动作均由电控系统发出信号控制相应的电磁铁、（电磁换向阀），按程序依次步进动作而实现。（b） 手臂伸缩运动采用单出杆双作用缸。手臂伸出时采用单向调速阀度要求，由终点行程开关控制适当提前发出信号切断油路，由活塞与缸筒接触停止。（c） 手臂回转采用摆动液压缸，正反向采用单向调速进行调速，由于手臂回转时具有很大的动能，在回油路上安装行程节流阀，进行减速缓冲。（d） 手臂升降运动采用单出双作用液压缸，上升和下降均由单向调速阀回油进行节流，由三位四通阀换向。上升为工作行程时,由行程开关发出适时信号，提前切断油路滑行缓冲定位并在下腔油路上安装有单向顺序阀，用以避免因手臂自重下降，起支撑平衡作用。3.2、油缸的选择应实际要求需要，选用YBX型“限压式变量泵”3.2.1、确定流量1)夹紧缸：。(2)手腕回转缸：(3)手腕回转缸：(4)手臂升降缸：(5)手臂仰俯活塞缸：3.2.2确定泵的动力各缸分别为 夹持器液压缸 伸缩臂液压缸 升降臂液压缸 回转液压缸 所以泵的额定压力可取 (4-3)3.2.3、选择泵的型号为YBX258P45-106排量压力输入功率额定转速最低转速最高转速YBX-2525ml/r6.3Mpa2.6Kw1450r/min600r/min1500r/min3.2.4、油泵电机的选择p泵的实际最大工作压力 Mpa Q泵在p压力下的实际流量 l/min -泵的总效率 0.650.75 故选用电机Y-123M1，额定功率7.5kw。3.2.5、液压元件的选择液压元件的选择,如表5.2所示表5.2编号元件名称型号规格数量1线隙型过滤器XU-B32X1006.3Mpa,32L/min12电动机Y-123M17.5kw ,1450r/min14齿轮泵YBX-256.3Mpa，1450r/min13溢流阀Y-D6B6.3Mpa，615 电磁换向阀22D0-B6CTZ 14Mpa，616单向阀DIF-L10H121Mpa，10 17 压力表Y-60010Mpa110,16电磁换向阀22D0-B6CTZ14Mpa，6211,17电磁换向阀34D0-B10H21Mpa，1028,14节流阀L-D10B10Mpa，1029,15,20,21,25,26,30节流阀L-D6B10Mpa，6712,18单向顺序阀X2F-B10C14Mpa，10222,27电磁换向阀22D0-B6CTZ14Mpa，6223,28电磁换向阀34D0-B6CTZ14Mpa，6231电磁换向阀23D0-B6CTZ14Mpa，6132液控单向阀DFY-L10H121Mpa，10134压力继电器DP-100（0.610）Mpa135减压阀YF-L10C14Mpa，10136压力表开关YK2-6 10Mpa ，613.3、辅助元件选择供油管尺寸参考所接元件接口尺寸选择用塑料油管油箱的选择 U油箱有效容积 单位 LM系数，对中压系统取5min液压泵流量，单位 L/min 3.4、系统液压图3.4.1、确定现场器件的动作顺序依据机械手动作循环及电磁铁的动作顺序，确定现场器件的动作顺序。电磁铁动作顺序表 电磁铁序号动作循环1234567891011121314臂部伸缩伸出伸出缓冲缩回缩回缓冲+臂部升降上升上升缓冲下降下降缓冲+臂部回转正转正转缓冲反转反转缓冲停止+腕部回转正转正转缓冲反转反转缓冲停止+夹持夹紧松开+原位卸荷+3.4.2现场器件与PLC的连线图三2 现场器件与PLC的实际连线图3.4.3、梯形图与程序指令表依据机械手动作循环“原点-臂伸-臂伸缓-臂升-臂升缓-臂正转-臂转缓-腕正转-腕转缓-夹紧、延时-腕回转-腕转缓-臂反转-臂转缓-臂降-臂降缓-臂缩-臂缩缓-松开/延时-延时/卸荷” 。程序梯形图：语句表：四、设计主要内容本设计说明书主要对于伸缩臂，液压系统及PLC控制编程进行的设计思想和设计过程。内容主要包括：伸缩臂确定，采用了液压与电动驱动系统，相应的涉及到电机和液压缸的选择计算