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630吨压铸机自动浇注机械手的设计 630 压铸机 自动 浇注 机械手 设计

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中中期期检检查查表表题目630吨压铸机自动浇注机械手的设计指导教师职称学生姓名阅读文献数0初稿完成时间2017-04-26工 作 量较少 适中较多 出勤情况较好 一般较差 工作进度快 按进度进行 慢任 务 书有开题报告有中期工作结论中调整情况无教研室主任意见同意教研室主任(签名)：日期：2017-05-05学院意见同意教学院长(签名)：贾卫平日期：2017-05-05开题报告论文题目：630 吨压铸机自动浇注机械手的设计学院：专 业 、班级：学生姓名：指导教师（职称）2016 年 12 月 25 日 填一、选题依据1.论文（设计）题目：630 吨压铸机自动浇注机械手的设计2.研究领域：机械手3.论文（设计）工作的理论意义和应用价值：压力铸造是精密铸造中一种高效率的生产方法。但是，我国的压铸技术和世界先进水平相比，差距巨大，国内现有压铸机及工艺等还处在落后状态，如加料、取件、喷敷涂料等工序仍是手工操作，这样不但劳动强度大，而且铸件质量不稳定，同时又在高温下操作不利于安全生产1，因此设计自动浇料机械手的意义可以概括如下：(1)机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。(2)改善劳动条件，避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。(3)可以减轻人力，并便于有节奏的生产。应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产2。同时，工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。4.目前研究的概况和发展趋势：压铸技术的发展至今有 150 余年，19 世纪初，由于印刷业的兴起用于铅字铸造的1铸字机应运而生不久，在铸字机的基础上演变成为热室压铸机。到 19 世纪中叶，典型的热室压铸机诞生。进入 20 世纪以后,热室压铸机日渐成熟，冷室压铸机问世。20世纪后半叶，压铸机经历了更大的改革、演进与创新，压铸机进入新的发展时期。近二三十年来压铸机在大型化、自动化、单元化和柔性化等方面的发展非常迅速。最近的几年，压铸的高新技术又不断地对压铸机提出新的要求3。20 世纪 50 年代，我国自行设计制造出全液压的 50 型卧式冷室压铸机，锁模力有500 kN 和 1000 kN 两种规格。及至 20 世纪 80 年代，有关单位继续完成了锁模力 16000 kN 以下的卧式冷室压铸机系列产品的开发；立式冷室压铸机也形成了锁模力 2500 kN以下的系列产品；1986 年试制出国内第一台 J 1163 A 型自动压铸机组；1990 年开发出国内第一台柔性压铸单元，锁模力为 4000 kN；其后的几年里，又将辅助装置和参数检测装置加以定型并形成产品。在压铸机的设计工作方面，20 世纪 80 年代，设计的压铸机压射性能已接近当时的国外水平；合模机构全部采用液压驱动、曲肘机械扩力结构取代了全液压。而热室压铸机在当时也形成了锁模力 1500 kN 以下的系列化产品，全立式压铸机也有了锁模力 3150 kN 以下的系列化产品。在大型压铸机方面，阜新压铸机厂还曾生产了锁模力为 28000 kN 的大型压铸机，为当时填补了国内的空白3。机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。在国内，应用于生产实际的工业机械手特别是示教再现性机械手不断增多，而且计算机控制的也有所应用,国内近年来在移动机械手控制方面也开展了许多研究工作。目前，第一代工业机械手主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保2持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环4。随着机械手的发展，人们也对机械手的应用提出了更高的要求，一是重复高精度，精度是指机械手到达指定点的精确程度，它对驱动器的分辨率以及反馈装置密切相关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。显然，重复精度比精度更加重要。二是模块化，有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术，模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性，高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点，模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向5。3二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题：（1）630 吨压铸机自动浇注机械手的的结构设计；（2）630 吨压铸机自动浇注机械手的液压系统设计以及 PLC 控制系统设计；（3）630 吨压铸机自动浇注机械手的三维建模。2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）：（1）查阅相关压铸机自动浇注机械手产品的资料，了解产品的发展现状及基本原理；（2）630 吨压铸机自动浇注机械手的总体方案设计；（3）630 吨压铸机自动浇注机械手的结构设计和计算；（4）630 吨压铸机自动浇注机械手的三维实体建模；（5）630 吨压铸机自动浇注机械手的液压系统及 PLC 控制系统设计；（6）动态演示；（7）翻译资料；（8）撰写毕业论文。3.本论文（设计）预期取得的成果：（1）630 吨压铸机自动浇注机械手三维设计的总体方案，包括机械手的液压控制部分和 PLC 控制系统部分；（2）自动浇注机械手的三维实体模型，包括零件图、装配体；（3）自动浇注机械手运动的动态演示。4三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）：设计参数：座标型式：球坐标自由度数：3 个手臂回转范围：0180手臂回转速度：90S手臂的俯仰范围：-4545在查阅大量的相关文献和资料之后使用类比法，首先分析自动浇注机械手的设计方法和数据计算，再用 SOLID WORKS 软件对机械手部件进行三位实体模型绘制并且实行动态演示。2.论文（设计）进度计划：第 1-2 周：查阅资料第 3-4 周：方案设计，完成开题报告与开题答辩第 5-6 周：查阅文献，初步进行方案设计第 7-8 周：完善设计方案并完成结构设计第 9-10 周：完成零件三位建模第 11-12 周：完善装配图和零件图第 13-14 周：完成并修改设计说明书第 15-16 周：完成论文，准备答辩5四、需要阅读的参考文献1戴龙泉.压铸机单臂回转式自动浇注机械手J.上海机械,1980,7:13-14. 2/article/16379160.html 3陈金诚.压铸机的发展J.铸造,2005,54(1):6-15. 4黄真,方跃法.并联机器人机构学与控制M.北京:机械工业出版社,1997,5:30-31.5郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势M.山西:中国西部科技,2012.6薛定宇.反馈控制系统设计与分析 CTM.清华大学出版社,2000:40-47.7康立新,马建华.工业机械手的设计J.中小企业管理与科技,2009,9:218. 8张萍萍.基于 PLC 的气动机械手控制系统设计D.成都:电子科技大学,2013. 9刘明保,吕春红,张春梅.机械手的组成机构及其技术指标的确定J.河南机电高等专科学校学报,2004,12(1):18.10曹环军,刘希璐.压铸机浇铸机械手的工作流程及 PLC 系统控制J.湖南农机,2014,41(7):101.11 戴勤 . 自动换刀机械手结构设计及 PLC 控制研究 D. 苏州 : 苏州大学.2010.1-4.12赵献丹,张良栋,赵虎.压铸机浇铸机械手 PLC 控制系统设计J.机械工程师,2011,11:55.13Harvill. A totally new concept in hot chamber die casting(J).Die casting Engineer,1982,26(4):1-2.14Carlos A.Acosta Calderon,John Q.Gan. An Analysis of the Inverse Kinematics for a 5-DOF Manipulator J.International Journal of Automation & Computing,2005,2:114-116.15Thomas Bill. The golden age of die castingJ.D.C.E.1976.20(4):24.附：文献综述6文献综述压铸技术的发展至今有 150 余年，19 世纪初，由于印刷业的兴起用于铅字铸造的铸字机应运而生不久,在铸字机的基础上演变成为热室压铸机。到 19 世纪中叶, 典型的热室压铸机诞生。进入 20 世纪以后,随着热室压铸机日渐成熟，冷室压铸机问世。 20 世纪后半叶，压铸机经历了更大的改革、演进与创新，压铸机进入新的发展时期。随着压铸机的快速发展，压力铸造在工业生产中变为一个非常重要的环节。如果采用人工浇注的方式有着较大的危害，会有大量的粉尘和有害气体产生，会对工人的身体健康造成严重的威胁。针对这种情况就需要将手工浇注发展为自动机械手浇注，这样工人的劳动强度可以得到降低。陈金城、彭余恭在压铸机的发展3中写道压铸技术发展至今 150 余年的历史，与传统的、古老的铸造技术相比，只能说是一种年轻的工艺技术。然而，由于压铸技术所具有的许多特点，使压铸件的应用领域日益扩大，遍及各个工业门类，因而发展速度十分惊人，受到了普遍的关注。压铸机是压铸生产中重要的基础技术装备，与压铸工艺的互存、互动关系非常突出，压铸工艺的改进或采用新的技术，都要有与之相应的或新型的压铸机作为技术支撑。所以，在压铸技术的发展进程中，压铸机始终担负着重要的角色，起着积极的、直接的推动作用。康立新、马建华在工业机械手的设计7中说道工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。根据张萍萍在基于 PLC 的气动机械手控制系统设计8中设计的机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程以变动的多功能机器，在工业自动化生产中占据着重要位置。驱动方式可以液压传动，也可以气压传动，也可以是电气控制等方法并且机械手具有动作快速、灵活、能适应危险和恶劣的环境、重复定位精度髙及可长时间连续作业等优点，采用机械手上进行浇注可减轻工人的劳动量，降低生产成本，提高生产效率。在同一份论文中，她设计的气动机械手模型基于专用计算机 PLC（Programmable logic Controller，简称 PLC）的控制系统设计，首先对搬运机械手的基本应用和基本结构进行介绍，然后提出了实现“原点位置开始启动，完成向左摆动、臂水平伸出、臂垂直下降、夹紧工件、臂垂直缩回、臂水平缩回、向右摆回、臂水平伸出、臂垂直下降、放开工件、臂垂直上升、臂水平缩回至原位”的位置控制。搬运物料气动技术驱动，用气爪气缸实现最大总重量为 10kg 搬运。气动技术控制采用工业专用计算机-可编程控制技术（PLC）控制的设计方案。对搬运机械手驱动系统中采用气压传动，控制系统中基于三菱公司的 FX2N 系列 PLC 为控制单元完成升降、抓物、水平与左右移动等动作的控制。之后介绍了各组成部件的作用、传感器的选型和 PLC 控制系统的硬件连接等，通过对机械手的各功能实现形式和控制方式研究，给出各部分的实现方案。刘明保、吕春红、张春梅等在机械手的组成机构及其技术指标的确定9中论述了工业机器人和机械手的机构组成, 并讨论了工业机器人和机械手的工作空间、看管区域、位置函数、运动速度等技术指标的确定方法。为机械手的结构组成合技术指标的确定打下了坚实的理论基础。在同一篇论文中，刘明保,吕春红 ,张春梅等指出机械手和工业机器人的工作性能是由一系列的技术指标来表示的, 其主要技术指标是:工作空间的形状和尺寸;机械手的灵活性;摆动的角度和系数;基本机构的自由度数目等。根据他的研究我们能够确定这些参数，从而完成机械手的结构方面的设计。7同样在曹环军、刘希璐于压铸机浇铸机械手的工作流程及 PLC 系统控制10中研究了浇铸机械手包括诸多方面的组成部分，如手臂、倾倒机构、浇包、倾倒油缸以及回转油缸和升降油缸等，这些结构在设计中都能表现出来。戴勤的自动换刀机械手结构设计及 PLC 控制研究11一文中,为了增强机械手的通用性和互换性，使同一机械手由于应用不同的模块而具有不同的功能，而采用模块化气动机械手，对基座、立柱、手臂、手部等模块进行结构设计，通过模块选择与组合，以构成一定范围内的不同功能或同功能不同性能、不同规格的系列产品，并且在产品变化或临时对机械手进行新任务分配时，可以允许方便地改动或重新设计其新部件，能很快地投产，降低安装和转换工作的费用，便于机械手的标准化生产和使用。胡海洪在四自由度液压机械手液压系统设计11中以能够实现自动抓取及搬运操作的自由度液压机械手为研究对象。根据用途分析了机械手的动作循环及工作原理，设计了机械手的液压系统、油箱及液压元件集成块。首先，本文介绍机械手的作用，液压驱动系统的发展现状和趋势，介绍了液压方案和液压系统图的确定过程和依据。同时，给出了这台机械手的主要性能规格参数。其次，文章中介绍了液压驱动的设计理论与方法步骤。全面详尽的讨论了四自由度液压机械手的液压系统，油箱以及液压元件集成块的设计。最后使用软件对油箱和液压元件集成块装配图及零件图进行绘制。全面而又具体地对机械手的液压系统进行了设计。赵献丹，张良栋，赵虎在压铸机浇铸机械手 PLC 控制系统设计12中介绍了压铸机浇铸机械手的工作流程及其液压系统，根据机械手的控制要求，设计了 PLC 控制系统，对 PLC 的输入输出端口进行了分配，编制了 PLC 控制梯形图。并且得出 PLC 体积小、可靠性高、抗干扰能力强，能适用浇铸机械手所处的高温多尘的恶劣环境的结论，在机械手的控制中，采用 PLC 代替传统的继电器接触器控制，不但可以提高机械手工作的可靠性，而且 PLC 具有强大的编程能力，可以通过改变程序来改变机械手的动作，从而大大提高了机械手的灵活性和适应性。综上所述，压铸机自动浇注系统与机械手都拥有着巨大发展，本文将结合之前所提及的文献对压铸机自动浇注机械手进行设计。8指导教师评阅意见(对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅)同意开题签字：何利日期：2017-03-14审教研室主任意见核意见同意开题签字：贾卫平日期：2017-03-08学院教学指导委员会意见同意开题签字：贾卫平 日期：2017-03-08公章：机械工程学院大 连 大 学本科毕业论文(设计)开题报告论文题目：630 吨压铸机自动浇注机械手的设计学院：机械工程学院专 业 、班级：机制英语 132学生姓名：罗傲指导教师（职称）何利2016 年 12 月 25 日 填1一、选题依据一、选题依据1.论文（设计）题目：论文（设计）题目：630 吨压铸机自动浇注机械手的设计2.2.研究领域：研究领域：机械手3.3.论文（设计）工作的理论意义和应用价值：论文（设计）工作的理论意义和应用价值：压力铸造是精密铸造中一种高效率的生产方法。但是，我国的压铸技术和世界先进水平相比，差距巨大，国内现有压铸机及工艺等还处在落后状态，如加料、取件、喷敷涂料等工序仍是手工操作，这样不但劳动强度大，而且铸件质量不稳定，同时又在高温下操作不利于安全生产1，因此设计自动浇料机械手的意义可以概括如下：(1)机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。(2)改善劳动条件，避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。(3)可以减轻人力，并便于有节奏的生产。应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产2。同时，工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物， 并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。4.4.目前研究的概况和发展趋势：目前研究的概况和发展趋势：压铸技术的发展至今有 150 余年， 19 世纪初， 由于印刷业的兴起用于铅字铸造的2铸字机应运而生不久，在铸字机的基础上演变成为热室压铸机。到 19 世纪中叶，典型的热室压铸机诞生。进入 20 世纪以后,热室压铸机日渐成熟，冷室压铸机问世。20世纪后半叶，压铸机经历了更大的改革、演进与创新，压铸机进入新的发展时期。近二三十年来压铸机在大型化、自动化、单元化和柔性化等方面的发展非常迅速。最近的几年，压铸的高新技术又不断地对压铸机提出新的要求3。20 世纪 50 年代， 我国自行设计制造出全液压的 50 型卧式冷室压铸机， 锁模力有500 kN 和 1000 kN 两种规格。 及至 20 世纪 80 年代， 有关单位继续完成了锁模力 16000kN 以下的卧式冷室压铸机系列产品的开发；立式冷室压铸机也形成了锁模力 2500 kN以下的系列产品；1986 年试制出国内第一台 J 1163 A 型自动压铸机组；1990 年开发出国内第一台柔性压铸单元，锁模力为 4000 kN；其后的几年里，又将辅助装置和参数检测装置加以定型并形成产品。在压铸机的设计工作方面，20 世纪 80 年代，设计的压铸机压射性能已接近当时的国外水平；合模机构全部采用液压驱动、曲肘机械扩力结构取代了全液压。而热室压铸机在当时也形成了锁模力 1500 kN 以下的系列化产品，全立式压铸机也有了锁模力 3150 kN 以下的系列化产品。在大型压铸机方面，阜新压铸机厂还曾生产了锁模力为28000 kN的大型压铸机， 为当时填补了国内的空白3。机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。在国内，应用于生产实际的工业机械手特别是示教再现性机械手不断增多，而且计算机控制的也有所应用,国内近年来在移动机械手控制方面也开展了许多研究工作。目前，第一代工业机械手主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。 它与电子计算机和电视设备保3持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环4。随着机械手的发展， 人们也对机械手的应用提出了更高的要求， 一是重复高精度，精度是指机械手到达指定点的精确程度，它对驱动器的分辨率以及反馈装置密切相关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。显然，重复精度比精度更加重要。二是模块化，有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术，模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。 它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性，高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点， 模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向5。4二、论文（设计）研究的内容二、论文（设计）研究的内容1.1.重点解决的问题：重点解决的问题：（1）630 吨压铸机自动浇注机械手的的结构设计；（2）630 吨压铸机自动浇注机械手的液压系统设计以及 PLC 控制系统设计；（3）630 吨压铸机自动浇注机械手的三维建模。2.2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）：拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）：（1）查阅相关压铸机自动浇注机械手产品的资料，了解产品的发展现状及基本原理；（2）630 吨压铸机自动浇注机械手的总体方案设计；（3）630 吨压铸机自动浇注机械手的结构设计和计算；（4）630 吨压铸机自动浇注机械手的三维实体建模；（5）630 吨压铸机自动浇注机械手的液压系统及 PLC 控制系统设计；（6）动态演示；（7）翻译资料；（8）撰写毕业论文。3.3.本论文（设计）预期取得的成果：本论文（设计）预期取得的成果：（1） 630 吨压铸机自动浇注机械手三维设计的总体方案， 包括机械手的液压控制部分和 PLC 控制系统部分；（2）自动浇注机械手的三维实体模型，包括零件图、装配体；（3）自动浇注机械手运动的动态演示。5三、论文（设计）工作安排三、论文（设计）工作安排1.1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）：拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）：设计参数设计参数：座标型式：球坐标自由度数：3 个手臂回转范围：0180手臂回转速度：90S手臂的俯仰范围：-4545在查阅大量的相关文献和资料之后使用类比法，首先分析自动浇注机械手的设计方法和数据计算，再用 SOLID WORKS 软件对机械手部件进行三位实体模型绘制并且实行动态演示。2.2.论文（设计）进度计划：论文（设计）进度计划：第 1-2 周：查阅资料第 3-4 周：方案设计，完成开题报告与开题答辩第 5-6 周：查阅文献，初步进行方案设计第 7-8 周：完善设计方案并完成结构设计第 9-10 周：完成零件三位建模第 11-12 周：完善装配图和零件图第 13-14 周：完成并修改设计说明书第 15-16 周：完成论文，准备答辩6四、需要阅读的参考文献四、需要阅读的参考文献1戴龙泉.压铸机单臂回转式自动浇注机械手J.上海机械,1980,7:13-14.2/article/16379160.html3陈金诚.压铸机的发展J.铸造,2005,54(1):6-15.4黄真,方跃法.并联机器人机构学与控制M.北京:机械工业出版社,1997,5:30-31.5郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势M.山西:中国西部科技,2012.6薛定宇.反馈控制系统设计与分析 CTM.清华大学出版社,2000:40-47.7康立新,马建华.工业机械手的设计J.中小企业管理与科技,2009,9:218.8张萍萍.基于PLC的气动机械手控制系统设计D.成都:电子科技大学,2013.9刘明保,吕春红,张春梅.机械手的组成机构及其技术指标的确定J.河南机电高等专科学校学报,2004,12(1):18.10曹环军,刘希璐.压铸机浇铸机械手的工作流程及 PLC 系统控制J.湖南农机,2014,41(7):101.11戴勤.自动换刀机械手结构设计及 PLC 控制研究D.苏州:苏州大学.2010.1-4.12赵献丹,张良栋,赵虎.压铸机浇铸机械手 PLC 控制系统设计J.机械工程师,2011,11:55.13Harvill. A totally new concept in hot chamber die casting(J).Diecasting Engineer,1982,26(4):1-2.14Carlos A.Acosta Calderon,John Q.Gan. An Analysis of the InverseKinematics for a 5-DOF Manipulator J.International Journal of Automation& Computing,2005,2:114-116.15Thomas Bill. The golden age of die castingJ.D.C.E.1976.20(4):24.附：文献综述7文献综述压铸技术的发展至今有 150 余年， 19 世纪初， 由于印刷业的兴起用于铅字铸造的铸字机应运而生不久,在铸字机的基础上演变成为热室压铸机。 到 19 世纪中叶, 典型的热室压铸机诞生。进入 20 世纪以后,随着热室压铸机日渐成熟，冷室压铸机问世。20 世纪后半叶，压铸机经历了更大的改革、演进与创新，压铸机进入新的发展时期。随着压铸机的快速发展，压力铸造在工业生产中变为一个非常重要的环节。如果采用人工浇注的方式有着较大的危害，会有大量的粉尘和有害气体产生，会对工人的身体健康造成严重的威胁。针对这种情况就需要将手工浇注发展为自动机械手浇注，这样工人的劳动强度可以得到降低。陈金城、彭余恭在压铸机的发展3中写道压铸技术发展至今 150 余年的历史，与传统的、古老的铸造技术相比，只能说是一种年轻的工艺技术。然而，由于压铸技术所具有的许多特点，使压铸件的应用领域日益扩大，遍及各个工业门类，因而发展速度十分惊人，受到了普遍的关注。压铸机是压铸生产中重要的基础技术装备，与压铸工艺的互存、互动关系非常突出，压铸工艺的改进或采用新的技术，都要有与之相应的或新型的压铸机作为技术支撑。所以，在压铸技术的发展进程中，压铸机始终担负着重要的角色，起着积极的、直接的推动作用。康立新、马建华在工业机械手的设计7中说道工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。根据张萍萍在基于 PLC 的气动机械手控制系统设计8中设计的机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程以变动的多功能机器， 在工业自动化生产中占据着重要位置。驱动方式可以液压传动，也可以气压传动，也可以是电气控制等方法并且机械手具有动作快速、灵活、能适应危险和恶劣的环境、重复定位精度髙及可长时间连续作业等优点，采用机械手上进行浇注可减轻工人的劳动量，降低生产成本，提高生产效率。在同一份论文中，她设计的气动机械手模型基于专用计算机PLC（Programmable logic Controller，简称 PLC）的控制系统设计，首先对搬运机械手的基本应用和基本结构进行介绍，然后提出了实现“原点位置开始启动，完成向左摆动、臂水平伸出、臂垂直下降、夹紧工件、臂垂直缩回、臂水平缩回、向右摆回、臂水平伸出、臂垂直下降、放开工件、臂垂直上升、臂水平缩回至原位”的位置控制。搬运物料气动技术驱动，用气爪气缸实现最大总重量为 10kg 搬运。气动技术控制采用工业专用计算机-可编程控制技术（PLC）控制的设计方案。对搬运机械手驱动系统中采用气压传动， 控制系统中基于三菱公司的 FX2N 系列 PLC 为控制单元完成升降、抓物、水平与左右移动等动作的控制。之后介绍了各组成部件的作用、传感器的选型和 PLC 控制系统的硬件连接等，通过对机械手的各功能实现形式和控制方式研究，给出各部分的实现方案。刘明保、吕春红、张春梅等在机械手的组成机构及其技术指标的确定9中论述了工业机器人和机械手的机构组成, 并讨论了工业机器人和机械手的工作空间、 看管区域、位置函数、运动速度等技术指标的确定方法。为机械手的结构组成合技术指标的确定打下了坚实的理论基础。在同一篇论文中，刘明保,吕春红 ,张春梅等指出机械手和工业机器人的工作性能是由一系列的技术指标来表示的, 其主要技术指标是:工作空间的形状和尺寸;机械手的灵活性;摆动的角度和系数;基本机构的自由度数目等。根据他的研究我们能够确定这些参数，从而完成机械手的结构方面的设计。8同样在曹环军、刘希璐于压铸机浇铸机械手的工作流程及 PLC 系统控制10中研究了浇铸机械手包括诸多方面的组成部分，如手臂、倾倒机构、浇包、倾倒油缸以及回转油缸和升降油缸等，这些结构在设计中都能表现出来。戴勤的自动换刀机械手结构设计及 PLC 控制研究11一文中,为了增强机械手的通用性和互换性，使同一机械手由于应用不同的模块而具有不同的功能，而采用模块化气动机械手，对基座、立柱、手臂、手部等模块进行结构设计，通过模块选择与组合，以构成一定范围内的不同功能或同功能不同性能、不同规格的系列产品，并且在产品变化或临时对机械手进行新任务分配时， 可以允许方便地改动或重新设计其新部件， 能很快地投产， 降低安装和转换工作的费用， 便于机械手的标准化生产和使用。胡海洪在四自由度液压机械手液压系统设计11中以能够实现自动抓取及搬运操作的自由度液压机械手为研究对象。根据用途分析了机械手的动作循环及工作原理，设计了机械手的液压系统、油箱及液压元件集成块。首先，本文介绍机械手的作用，液压驱动系统的发展现状和趋势，介绍了液压方案和液压系统图的确定过程和依据。同时，给出了这台机械手的主要性能规格参数。其次，文章中介绍了液压驱动的设计理论与方法步骤。全面详尽的讨论了四自由度液压机械手的液压系统，油箱以及液压元件集成块的设计。 最后使用软件对油箱和液压元件集成块装配图及零件图进行绘制。全面而又具体地对机械手的液压系统进行了设计。赵献丹，张良栋，赵虎在压铸机浇铸机械手 PLC 控制系统设计12中介绍了压铸机浇铸机械手的工作流程及其液压系统， 根据机械手的控制要求， 设计了 PLC 控制系统， 对 PLC 的输入输出端口进行了分配， 编制了 PLC 控制梯形图。 并且得出 PLC体积小、可靠性高、抗干扰能力强，能适用浇铸机械手所处的高温多尘的恶劣环境的结论，在机械手的控制中，采用 PLC 代替传统的继电器接触器控制，不但可以提高机械手工作的可靠性，而且 PLC 具有强大的编程能力，可以通过改变程序来改变机械手的动作，从而大大提高了机械手的灵活性和适应性。综上所述，压铸机自动浇注系统与机械手都拥有着巨大发展，本文将结合之前所提及的文献对压铸机自动浇注机械手进行设计。审审核核意意见见指导教师评阅意见( 对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅)同意开题签字：何利日期：2 0 1 7 - 0 3 - 1 4教研室主任意见同意开题同意开题签字：贾卫平日期：2 0 1 7 - 0 3 - 0 8学院教学指导委员会意见同意开题同意开题签字：贾卫平日期：2 0 1 7 - 0 3 - 0 8 公章：机械工程学院（设计）题目名称： 630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计所 在 学 院 ：专业（班级）： 学 生 姓 名 ：指 导 教 师 ：评 阅 人 ：院长 ：630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计指导教师: 阅 人： 完成时间：2017 年 6 月 19 日630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计摘 要本文针对 630 吨压铸机自动浇注机械手进行三维设计。主要设计部分有：机械手的主要零部件、回转机构、升降机构、以及传动系统。其中，传动系统选择液压传动，并进行了原理图等一系列设计；回转机构选定回转油缸，并进行了详细设计和校核；升降机构选定升降油缸。利用 Solid Works 软件进行各个零件的三维建模，并进行装配，导出二维图纸。本文设计的自动浇注机械手可以模仿人手和臂的大部分动作与功能，实现对浇料的搬运和倾倒，它能够代替人的繁重劳动并且实现生产的机械化、自动化。关键字：机械手；浇注；压铸I630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计ABSTRACTThe three-dimensional automatic casting manipulator of 630-ton die-casting machine was designed in this paper. The main design parts include: the main parts of the robot, rotary mechanism, lifting agencies, dumping agencies and transmission systems. The transmission system was realized via the hydraulic drive and also completed a series of schematics and other design; rotary mechanism was realized via rotary cylinder and carried out a detailed design and check; lift mechanism was realized via lift cylinder.Each part of the three-dimensional modeling and assembly of this casting manipulator was realized via SolidWorks software. And the two-dimensional drawings were exported. The automatic pouring manipulator can mimic most of the movements and functions of the human hand and arm to achieve the handling and dumping of the pouring material, which can replace the heavy labor and realize the mechanization and automation of the production.Key words: manipulator; pouring; Die castingII目录摘要.IABSTRACT.II1绪论.11.1机械手概述.11.1.1机械手的分类.11.1.2机械手的组成.11.1.3应用机械手的意义.31.1.4压铸机的分类.31.2国内外发展状况.42总体方案设计.62.1相关参数与属性.62.1.1630 吨压铸机相关参数与属性.62.1.2机械手参数确定.72.2机械手的结构.72.2.1升降结构设计.72.2.2升降运动驱动力的计算.72.2.3液压缸的尺寸设计.82.2.4尺寸校核.92.2.5活塞杆强度校核.92.2.6回转机构的结构设计.92.2.7回转缸驱动力矩的计算.102.2.8确定回转缸的尺寸.102.3传动系统方案选择.112.3.1驱动方案选择原则.112.3.2传动系统方案比较.112.3.3液压系统的优点.123液压系统设计.143.1原理图.143.2液压缸的设计.153.3液压元件的选择.153.3.1液压泵的选择.153.3.2液压元件的选择.154重要零件设计计算与校核.174.1概述.17630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计4.2轴的常用的材料.174.3轴的加工和装配工艺性.174.4轴的计算.185三维建模.205.1建模软件介绍.205.1.1solidworks 简介.205.1.2solidworks 优势.205.1.3solidworks 功能.205.2主要零件建模.215.2.1底部支座的三维建模过程.215.2.2手臂支座的三维建模过程.245.3总装配图.266结论.27参考文献.28附录 1：外文翻译.29附录 2：外文原文.37致谢.43630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计1绪论1.1机械手概述1.1.1 机械手的分类1机械手通常按照它的驱动的方法、使用的范围或者控制系统分为下边几个类别：（1）按照驱动的方法可以分为气压驱动、液压驱动、机械式和电动这四种机械手。气压驱动机械手是利用压缩空气驱动。这种类型的机械手有 45%左右，气压为 4-6KG/CM3。液压机械手是利用油泵供给的油来进行驱动的，这种类型的机械手占总和的 45%以上，油压在 15-150KG/CM2 之间。机械式的机械手都附属在一个机器之上，由主机通过凸轮、连杆进行驱动，这个类型的机械手在冲压以及锻造的时候是用的最多的。电动式机械手利用格式各样的或普通或稀有的电机进行驱动，这个类型的机械手数量稀少。（2）按照使用的范围可以分为通用机械手和专用机械手两大类。专用机械手是为某一特定作业而设计和制造的机械装备，它的程序是固定不变的，只能完成某几个特定的动作。例如自动机床的上下料机械手，加热炉的进出料机械手等都只能给特定的主机上下料。通用机械手是一宗独立的自动化机械装备，它的结构比专用机械手复杂，动作程序可以改变，工作范围可以调整，可用于多种场合，能适应多种产品以及工艺方案，通用性较强。（3）按控制系统分为固定程序、可变程序、示教再现及数字控制等四种机械手。固定程序机械手的动作程序和时间等都固定不变。如点位式专用机械手就是固定程序机械手。可变程序机械手的动作程序和时间，可根据工作需要，通过更换插销位置或插件板而改变。示教再现机械手的动作程序和时间及运动轨迹由人手示教(或编程示教），并依靠存储装备（例如磁鼓或磁带）将这些参数记录下来，然后，机械手按此循环动作。当需要改变程序、定位点及运动速度时，人再示教一次，即可达到目的。这种方法控制的机械手通用性强，能适应复杂多变的工作要求，但成本高昂。按数字形式输入电子计算机，以控制机械手的动作程序、运动轨迹和速度等这就是数控机械手。它可以很方便地改变机械手的各种参数，通用性很强，但成本很高。1.1.2 机械手的组成2机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。 执行机构1630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计图 1.1 执行机构总图（1）手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕。（2）手臂手臂有无关节和有关节手臂之分本课所做的机械手的手臂采用无关节臂，手臂的作用是引导手部准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位.躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架3。 驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。液压驱动所采用的元件为液压缸、液压马达、气阀等。一般采用 4-6 个大液压，个别的达到 8-10 个大液压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，液压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，液压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。2630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整4。本课题所做的机械手采用液压系统实现手臂的上升、下降、左转、右转、手臂的夹紧、放松等动作。 控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作5。1.1.3 应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：（1）以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（2）以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产6。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.1.4 压铸机的分类7(1)合模机构 驱动压铸模进行合拢和开启的动作。当模具合拢后，具有足够的能力将模具锁紧，确保在压射填充的过程中模具分型面不会胀开。锁紧模具的力即称为锁模力(又称合型力)，单位为千牛(KN)，是表征压铸机大小的首要参数。(2)压射机构 按规定的速度推送压室内的金属液，并有足够的能量使之流经模具内3630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计的浇道和内浇口，进而填充入模具型腔，随后保持一定的压力传递给正在凝固的金属液，直至形成压铸件为止。在压射动作全部完成后，压射冲头返回复位。(3)液压系统 为压铸机的运行提供足够的动力和能量。(4)电气控制系统 控制压铸机各机构的执行动作按预定程序运行。(5)零部件及机座所有零部件经过组合和装配，构成压铸机整体，并固定在机座上。(6)其他装置 先进的压铸机还带有参数检测、故障报警、压铸过程监控、计算机辅助的生产信息的存储、调用、打印及其管理系统等。(7)辅助装置 根据自动化程度配备浇料、喷涂、取件等装置。1.2国内外发展状况现代工业机械手起源于 20 世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品8。机械手是机电一体化的典型代表，机电一体化的发展大体可以分为 3 个阶段。20世纪 60 年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展9。20 世纪 70 年代80 年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。20 世纪 90 年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中展露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法、机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，更为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。美国是世界上最早研制机械手的国家，1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962 年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。同年，美国机械铸造公司也试验成功一种叫 Versatran 机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升4630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vic-arm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1 毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年机械手试验台，进行各种性能的试验。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由 400 小时提高到 1500 小时，精度可提高到0.1 毫米。德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控瑞士 RETAB 公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是机械手发展最快也是应用最多的国家自 1969 年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。截止 1979 年，机械手累计产量达 56900 台。在数量上已占世界首位，约占 70%，并以每年 50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。到 1990 年已有 55 万机器人在工作。我国是从 20 世纪 80 年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863 计划”中。在制定“九五”规划和 2010 年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用也做了大量的工作，虽然取得了一定成果，但与美国、日本等先进国家相比仍有相当差距10。52总体方案设计2.1相关参数与属性2.1.1 630 吨压铸机相关参数与属性随着新时代的到来，经热压铸机到冷室压铸机的变迁，压铸机以及压铸技术迎来迅捷的发展期，本次设计中 630 吨压铸机属于冷室，其相关属性如图 2.1，更加详尽的参数如表 2.1。图 2.1 630 吨压铸机的相关属性表 2.1 630 吨压铸机详尽参数630 冷室压铸机参数项目锁模力锁模行程模版尺寸哥 林 柱哥 林 柱调 模 厚工 作 油射料力内距直径度压参数63006501200*1200750*750160350-850140200单位kNmmmmmmmmmmkgf / cm2Kn项目增压力射料行程锥头推出射 料 位锥 头 直射 料 重铸 造 压铸 造 面长度置径量力积参数6156002500-25070,80,94.25,5.1587,12395,51508,7.315,960,655单位kNmmmmmmmmkgskgf / cm 2cm2项目最 大 铸顶出力顶出行程油 泵 电邮 箱 容机 器 尺机 器 重造面积机量寸量参数158031015050/3712008450*202760050*2800单位cm2kNmmHP/KWLmmkgs标准配置可用配置三板四柱式锁开模机构液压调模机构自动喷涂机钢结构焊组件长方体平行机架低压锁模保证自动取件机企板与锁模框架结构打抖装置液压顶出,液压抽芯自动给汤机集成油路锁模与射料块可调控集中润滑系统电熔炉与柴油溶解炉62.1.2 机械手参数确定本次设计的机械手具有回转以及升降的功能，因此需要拥有 3 个自由度，能实现的坐标系有以下多种：直角坐标、圆球坐标还有球坐标类型。其中，最符合本次设计要求的是球坐标系，原因是球坐标拥有 3 个自由度，可回转、伸缩，同时工作的位置较低，可以更好的工作。所以选择球坐标系，其他参数如下：座标型式：球坐标自由度数：3 个手臂回转范围：0180手臂回转速度：90S手臂的俯仰范围：-4545定位方式：手臂回转的两端位置用死挡板定位手臂俯仰两端点：用活塞与端盖触点相碰定位手臂回转两端点：用活塞与端盖触点相碰定位2.2机械手的结构本课题浇注机械手主要由底座、回转机构、升降机构、手臂等机构组成11。本次设计主要着眼于回转机构和升降机构的设计，回转机构由回转油缸组成，升降机构由升降油缸组成，它们加在一起能够实现手臂的伸缩以及回转。接下来具体介绍几个重要机构的原理以及计算校核。2.2.1 升降结构设计升降机构的主要结构为一个升降油缸，由它来实现升降的动作。其中重要的零部件有活塞杆、缸筒和活塞。当工作进行的时候，缸体里边全是油液存在，进油口进油的时候，上油腔压力不及下油腔的压力，这是油压推动活塞往上进行运动，活塞与活塞杆中部属于过盈配合，活塞杆被活塞的运动所带动，实现上升的功能。活塞和缸盖都必须加密封，否则油液将会发生泄漏的情况，致使整个升降油缸的效率降低12。2.2.2 升降运动驱动力的计算手臂作升降运动的时候，要克服的力有：摩擦阻力 Fm 、惯性力 Fg 、臂部运动零件的重力，所以驱动力 Pq 可以用下列等式进行计算：Pq = Fm + Fg W（2-1）式中Fm 各支承处的摩擦力（N）Fg 启动时惯性力（N）可按臂伸缩运动时的情况进行计算W 臂部运动部件的总重量（N） 上升的时候为正，下降的时候为负7630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计当 Fm = 40N ， Fg = 100N ，W =1098N 时：Pq = 40 +100 +1098 = 1238(N )图 2.2 升降液压缸缸筒F= Fh = ppD2h（2-2）14当油进入有杆腔的时候：F = F h = pp (D2 - d 2 )h（2-3）24液压缸的有效面积：S =F（2-4）p1所以有：D =4F=1.13F（无杆腔）（2-5）pp hhp11D =4F+ d 2（有杆腔）pp h1F = 3580N ， p = 2 *106pa ，所以选择机械效率h = 0.951将所有所关系的数据代入公式中：D =4F+ d 2=4*3580+ 0.022= 0.1m =100mm3.14*0.8*105 *0.953.14*0.8*105*0.95由以上所计算的数据，液压缸选择标准的内径系列，确定 D=100mm2.2.3 液压缸的尺寸设计液压缸运行长度设计为 l =117mm，液压缸内径为 D1 =100mm，半径R=50mm，液压缸运行速度，液压缸压强p=0.4MPa，它的加速度的时间 Dt =0.1s，所以驱动力为：8G0 = p.pR 2 = 0.4 106 3.14 0.0502= 3140(N )2.2.4 尺寸校核1经过测量，手部抓取部分重80kg，则重力：G = mg = 80 *10 = 800 N2设计加速度 a = 5(m / s) ，则惯性力：G1 = ma = 80*5 = 400N3.设定缸体内活塞等外因摩擦系数 k = 0.1 ，Gm = k.G1 = 0.1* 400 = 40 总受力 Gq = G + G1 + Gm = 800 + 400 + 40 = 1240Gq G0所以本次设计尺寸能够通过校核。因为内径尺寸为 D=100mm，且考虑装配的因素，设置缸体的厚度为 6mm，所以缸体外径尺寸为 106mm。2.2.5 活塞杆强度校核活塞杆尺寸满足活塞强度的要求以及运动的要求，由活塞杆相关计算方法可列出公式：s =F s （2-6）p4 d 2在此次设计中，45 碳钢是活塞杆材料的最好选择，所以有 s = 100 *106 Mp ，取杆的直径长度为 d=20mm，将已知的相关数据代入公式（2-6），对活塞杆的强度进行校核：s =F * 4=3580 * 4= 11.4 *106 100 *106pd 43.14 * 0.022由式可知，活塞杆强度足够。由上基本确定了升降油缸的尺寸设计。2.2.6 回转机构的结构设计本次设计的机械手回转机构有一个液压回转缸来实现其作用，油缸由缸筒和若干其他零件组成，在缸筒的外表面上有两个沉头孔两个油口（进油口和出油口）以及一个销钉孔。其中，销钉孔和沉头孔的作用是与定片进行配合的。两个油口的作用是利用进油出油使左右油腔的压力发生变化，带动动片的旋转。在回转缸筒的上下表面同样需要有密封槽，嵌入密封圈之后可以防止油液的泄露，提高油缸的工作效率。在缸筒的上下表面分别有四个螺纹孔，它们的作用是使缸筒与上下缸盖固定，防止其发生旋转。92.2.7 回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩 M 驱 ，应该和各个部分密封装置处的摩擦阻力矩 M阻 和手臂运动时所产生的惯性力矩 M 惯 相平衡。M 驱 = M 惯 + M阻 + M回(2-7)惯性力矩的计算DwM 惯 = J 0e = J 0 Dt(2-8）Dt -起动过程的时间(s)；J 0 -回转轴线周围工件的转动惯量。如果回转轴和工件相距距离 r ，那么：J0 = Jc+ Gr2(2-9)g式中JC -工件的回转的转动惯量.JCZ = m(l 2 + 3R2 ) /12回转部件可以等效为一个长为 810mm，直径是 1700mm 的圆柱体，质量为 70KG。设置起动角度w =180 ，则起动角速度 Dw = 0.314rad / s ，设置起动时间设计为 0.1s13。J c = m(l 2 + 3R2 ) /12 = 17.34n m s2J 0 = J c + mr 2 = 17.34 + 70 * 0.862 = 53.25N m s2 M 惯 = J 0e = J 0a = 53.25 * 3.14 = 221.6N m密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下 M阻 = 0.3M 驱 ，由于回油背差一般非常地小，所以在这个地方可以忽略不计算。通过上述的相关计算，可以得到 M 驱 = 221.6N m 。2.2.8 确定回转缸的尺寸设计动静片之间的宽度为 b=78mm，设置动片连接处与输出轴的直径为 d，且 d=78mm，选择缸体的工作压强为 8Mpa。回转缸的内径尺寸计算公式为：D =8M 驱+ d 2(2-10)bp计算得出：D=168mm因此可得液压缸内径长度是 168mm。液压缸盖螺钉的计算：由上一步可以得到缸体的工作压力为 8Mpa，所以螺钉间距 t 应该小于 78mm，可以进行初步的估算：L = pD = 3.14*168 = 527.52mm ，t = ZL = 4716 = 78.5 t ，因此可以知道10630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计缸盖一个面拥有 6 个螺钉，所以 2 个面就有 12 个螺钉14。所以可知危险截面 S = p (R2 - r 2 ) = 3.14 * (0.0852 - 0.042 ) = 0.0044m2F =PS=0.8 *106 * 0.0044= 586.7 NQz6FQs = KFQ ， K =1.5 -1.8FQs = KFQ = 1.5 * 586.7 = 880NFQ = 880 = 586.7 = 1466.70选择螺钉的材料为 Q235，则 s =s s=240 = 200Mpa(n=1.2-2.5)n1.2螺钉的直径为:4 *1.3FQd s=4 *1.3*1466.7= 10mmp s 3.14 * 200 *106所以选择螺钉的直径为 d=10mm，所以可以选择 M10 的开槽盘头螺钉。所以可以确定回转液压缸的内径为 170mm，外径为 220mm，输出轴径为 80mm。基本确定了回转液压缸的相关设计计算。2.3传动系统方案选择2.3.1 驱动方案选择原则机械手的驱动系统的选择遵循下面几点规律和原则：(1)液压系统适用与大的载荷系统，而气压系统则比较适用于小载荷系统的场合，而点动控制的系统适用于需要精密操作的系统。(2)要求拥有点动控制功能的驱动应该使用伺服驱动的系统，这种类型的系统只能使用电动或者液压的系统才能够满足要求15。2.3.2 传动系统方案比较现在主流的传动方式主要有三种，一种传动方式是液压传动，它具有传动压力大，响应速度快，噪声干扰小的特点；一种是气压传动的方式，它的特点是系统的组成结构简单，运行速度快，维修成本低的优点，但却又难以实现伺服驱动的缺点。最后一种是电动驱动，随着伺服电机的发展，人们开始大规模的适用这种驱动。目前广泛采用的驱动系统的比较如下表：11表 2.2 不同传动系统的比较与特点特性输出功率和使控制性能和结构性能安装和维效率和制造成用范围安全性护要求本气压驱动气压较低，输出发出的噪声结构体积较维 修 成 本使用的效率十功率小，当输出十分大，高速大，结构易十分低廉，分低，但是气功率增大时，结运行稳定性于标准化。而 且 可 以源方便，结构构尺寸将过大尚好，低速运易实现直接在 十 分 恶简单，成本低动不稳定驱动，密封劣 的 环 境问题不突出中使用液压驱动输出功率十分能够实现无结构比较维护成本成本比较高，大级调速，但是小，所以容十分高，需效率中等不能够进行易实现结构要进行防压缩的标准化止液压泄漏的报复，安装困难交直流普输出功率大，适控制性能不电动机驱动安装维修成本低，但是通电动机合重型系统稳定不易精以实现标准方便值效率为 0.5确定位化，需减速左右装置，传动对环境无影体积较大响步进、伺步进电动机输易于控制并体积小，需维修使用效率为 0.5 左服电动机出力较小、伺服且整体的体减速装置较复杂右，成本高电机可大一些积小2.3.3 液压系统的优点如表 2.2 所比较，相比于其他的传动系统，液压驱动系统有这些优点：(1)液压驱动系统跟其他系统相比具有更高的油压，能够获得更大的输出功率，并且液压系统拥有比电气驱动系统更加大的多的动力，等功率的液压装置拥有更轻的质量和更小的体积。据资料记载，液压单位功率十分小，这更加明显地体现出液压系统的优势：相对体积虽小，但是输出功率却十分地大。(2)因为液体不能够进行压缩，所以液压驱动系统十分稳定，同时液压具有弹性的特征，所以能够有效吸收冲击，使得液压传动过程更加平稳。(3)液压系统在设计中，由于相关原件已经实现标准化生产，所以维修成本低廉，并且十分方便。(4)液压系统元件布置方式十分灵活，同时液压传动易于实现直线运动。12630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计综上所述，由于这次实验要设计的机械手适用于大功率，油液压力大的传动系统，气压传动不符合这方面的条件；同时要求流量要易于控制，电动机不符合条件；所以最后选择液压传动系统作为机械手的传动方案。13630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计3液压系统设计3.1原理图图 3.1液压系统原理图表 3.1电磁铁动作顺序表1DT2DT3DT4DT手臂上升+X000手臂下降+X001手臂回转+X002手臂反向+回转 X003液压系统的原理图如图 3.1 所示，从图中我们可以看出，三位四通电磁阀控制升降油缸，升降油缸控制手臂的升降，当左边电磁阀得电的时候，油液也进入油缸下腔，手臂下降，相反，油液进入上油腔则手臂上升，通电结束，油缸回归原位导致手臂停止运动。同理，由图 3-1 可知，回转油缸也是由电磁阀进行控制，当 3DT 得电时，油液进入14回转油缸左腔，油缸正向转动带动手臂正向转动。相反，当 4DT 得电是，油液经由电磁阀进入回转油缸右腔，油缸反向转动带动手臂反向转动，如果通电情况停止，那么手臂停止运转。3.2液压缸的设计液压缸的设计过程十分复杂，装置数量也非常多，结构的形式也完全不是相同的。不同的环境以及工作的条件导致液压缸的结构也不尽相同，所以需要考虑各种情况，分析完全不同的设计。主要结构有如液压缸缸体、缸盖这样的连接结构、以及密封、缓冲、排气这样的功能装置等结构。具体的情况为：(1)活塞杆与活塞联接活塞和活塞杆之间有十分多的联接的方式，经过综合考虑，本次设计使用螺纹联接的方式。(2)活塞及活塞杆处密封圈的选用密封圈的选择应该考虑多种因素，例如活塞运动速度、范围、温度，以及密封的不同部位，压力情况等，这些不同的情况应该使用不同的密封圈来达到密封目的，这次使用 O 型密封圈。(3)缸体与缸盖的联接形式缸体与缸盖的连接要考虑较多的因素，在本文中的设计选用了一种结构简单易实现，拆装、加工方便的接线方式法兰式连接，这种连接方式只需要在液压缸缸体上开出一些均匀的法兰孔，通过螺钉就可以紧密连接好端盖。3.3液压元件的选择3.3.1 液压泵的选择几种待选泵以及它们的特点:(1)柱塞泵：输出流量一般，能够调节排量，噪声大，价格高，压力范围为高压，对油液的污染敏感。(2)叶片泵：单片泵流量小，并且能够进行调节，与之相反，双片泵不能调节流量，单片泵噪声大，双片泵噪声小，价格十分低廉，压力为中压范围，对油液的污染比较敏感。(3)齿轮泵：流量小，价格比较低，压力范围为低压，对油液的污染不是特别敏感。在本次设计中，液压泵为不需提供太大的动力，工作环境只需要低压且需要噪音相对较小，所以综上所述，选择齿轮泵。3.3.2 液压元件的选择(1)换向阀：由液压原理图可知，本次使用的是三位四通电磁换向阀，一般来说，15630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计中位机能有许多中，在这次设计中选择的中位机能是 O 型。(2)溢流阀：溢流阀的特点为适用于小流量的场合，并且响应速度快，直动式溢流阀同时也可作为安全阀、制动阀使用。因此选用直动式溢流阀。16630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计4重要零件设计计算与校核4.1概述轴可以与许多部件进行配合，所以它是一个重要的部件。轴与其上的零件组成一个组合体轴系部件，轴在设计过程中，不单单要考虑轴自身的因素，还要考虑更多的零件是如何配合的。轴的设计应该满足的条件有：（1）良好的耐腐蚀性。（2）耐高温性。（3）较高的刚度。（4）具有良好的高速运转稳定性。所以轴的基本设计顺序是：（1）确定装配方案和零件的布置方式。（2）确定轴的材料。（3）估算轴的直径。（4）设计轴的基本结构。（5）轴的连轴和弯矩强度校核。（6）轴的刚度校核。4.2轴的常用的材料轴有许多常见的材料，如 45 号钢，但是在本次设计中轴没有特殊的要求，因此使用 45 号钢作为材料。普通的轴结构设计的原则为：（1）方便于轴上零件的定位和调整。（2）方便于保持加工精度。（3）减少重量，节省材料。（4）方便于制造。4.3轴的加工和装配工艺性轴的加工是一个十分复杂的过程，不仅仅要考虑到轴的材料，加工精度，还要考虑装配的适用性以及与其配合的零件的特性，以下因素需要着重考虑：（1）考虑孔、键槽、螺纹等重要的结构的要素；（2）确定轴的配合的方式，明确它所需要的加工精度；17630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计（3）配合直径一般按 GB/T 2822-1981 圆整为标准值；（4）每一个轴段的长度都应该遵循结构合理与紧凑的特点，同时留下安装与拆卸零件的空间；（5）最好能够实行无过盈而达到配合的部位；（6）轴的两端最好留下避免擦伤的倒角；（7)为保持配合的一致性，最好将所有倒角与圆角取相同的尺寸。4.4轴的计算此实心轴承的转矩 T 为：T = 9.55 106P(4-1)n= 9.55 106 831.1534 10-370= 113393.737N mm弯矩 M 为：M = F4 200= 5541.0228 2004= 277051.14N mm对于碳素结构钢和合金结构钢弯曲应力与扭应力的合成，可按第三强度理论求出。因此，可以应用公式 M e = M 2 + (aT ) 2 来计算当量弯矩。按脉动转矩计算：sa = s-01bb由机械设计(轴的许用应力）取s -1b= 40 ，s 0b = 70 ，计算当量弯矩：M e1 = 277051.142 + (40 113393.737)270= 284527.5213N mm计算应满足：d1 3M e0.1s -1b 18630 吨压铸机自动浇注机械手的三维设计= 3 284527.5213 0.1 40= 41.4338mm圆整后取 d1 = 45 mm轴中段轴径上有键槽，在此基础上，轴径增大 3%。d = 45(1 + 3%)= 46.35mm圆整后取 d = 50mm 由于 M e1 = M e 2计算应满足：Md 2 3 0.1se 2 b -1= 3 277051.14 0.1 40= 41.0677mm取整 d2 = 42mm因为 d2 d ，所以可以得出结论，轴的弯矩强度符合要求。195三维建模5.1建模软件介绍5.1.1 solidworks 简介solidworks 是达索公司旗下的一款三维设计的软件，它的功能十分强大，专门为了机械设计而诞生的一款软件，它不仅仅能够实现零件的三维设计，同时能够对零件进行装配，对设计好的零件进行运动仿真并且生成一个零件或者装配体的二维图纸，但是最重要的功能还是对零件的详细建模，能够让机械工作人员清晰的看到零件的特性。5.1.2 solidworks 优势solidworks 软件有许多组件和模块，这导致其拥有非常多强大的功能与优势：(1)拥有非常灵活的草图绘制的方法并且拥有简便的检查的功能。(2)拥有强大的建立零件特征的能力和零件以及装配的控制的能力。(3)能够快速生