毕业设计（论文）-630吨压铸机自动浇注机械手的设计

630吨压铸机自动浇注机械手的三维设计630吨压铸机自动浇注机械手的三维设计PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANI摘 要630SolidWorks关键字：机械手；浇注；压铸全套图纸加V信153893706或扣3346389411ABSTRACTThethree-dimensionalautomaticcastingmanipulatorof630-tondie-castingmachinewasdesignedinthispaper.Themaindesignpartsinclude:themainpartsoftherobot,rotarymechanism,liftingagencies,dumpingagenciesandtransmissionsystems.Thetransmissionsystemwasrealizedviathehydraulicdriveandalsocompletedaseriesofschematicsandotherdesign;rotarymechanismwasrealizedviarotarycylinderandcarriedoutadetaileddesignandcheck;liftmechanismwasrealizedvialiftcylinder.Eachpartofthethree-dimensionalmodelingandassemblyofthiscastingmanipulatorwasrealizedviaSolidWorkssoftware.Andthetwo-dimensionaldrawingswereexported.Theautomaticpouringmanipulatorcanmimicmostofthemovementsandfunctionsofthehumanhandandarmtoachievethehandlinganddumpingofthepouringmaterial,whichcanreplacetheheavylaborandrealizethemechanizationandautomationoftheproduction.Keywords:manipulator;pouring;Diecasting630吨压铸机自动浇注机械手的三维设计630吨压铸机自动浇注机械手的三维设计目 录摘 要 IABSTRACT II绪论 1机械手概述 1机械手的分类 1机械手的组成 1应用机械手的意义 3压铸机的分类 3国内外发展状况 4总体方案设计 6相关参数与属性 6630吨压铸机相关参数与属性 6机械手参数确定 7机械手的结构 7升降结构设计 7升降运动驱动力的计算 7液压缸的尺寸设计 8尺寸校核 9活塞杆强度校核 9回转机构的结构设计 9回转缸驱动力矩的计算 10确定回转缸的尺寸 10传动系统方案选择 11驱动方案选择原则 11传动系统方案比较 11液压系统的优点 12液压系统设计 14原理图 14液压缸的设计 15液压元件的选择 15液压泵的选择 15液压元件的选择 15重要零件设计计算与校核 174.1 概述 17轴的常用的材料 17轴的加工和装配工艺性 17轴的计算 18三维建模 20建模软件介绍 20solidworks简介 20solidworks优势 20solidworks功能 20主要零件建模 21底部支座的三维建模过程 21手臂支座的三维建模过程 24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 43PAGEPAGE1绪论机械手的分类[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。45%4-6KG/CM3。45%以上，15-150KG/CM2例如磁鼓或磁带机械手的组成[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[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8-10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。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。控制系统应用机械手的意义（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综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。压铸机的分类[7](1)(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(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)(7)辅助装置根据自动化程度配备浇料、喷涂、取件等装置。2050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。20602070～80209019581962Unimate(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Versatran1978UnimateUnimate-Vic-armUnimate8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19795690050%～60%1990552080“8632010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。许多大专院总体方案设计6306302.1，更加详尽的参2.1。图2.1 630吨压铸机的相关属性表2.1630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内距哥林柱直径调模厚度工作油压射料力参数63006501200*1200750*750160350-850140200单位kNmmmmmmmmmmkgf/cm2Kn项目增压力射料行程长度射料位置锥头直径射料重量铸造压力铸造面积参数6156002500-25070,80,904.25,5.8,7.31587,1215,960395,515,655单位kNmmmmmmmmkgskgf/cm2cm2项目最大铸造面积顶出力顶出行程油泵电机邮箱容量机器尺寸机器重量参数158031015050/3712008450*2050*280027600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机械手参数确定33座标型式：球坐标自由度数：3个手臂回转范围：0°—180°手臂回转速度：90°／S手臂的俯仰范围：-45°—45°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[11]升降结构设计升降运动驱动力的计算、臂部运动零件可以用下列等式进行计算：PqFmFgW式中 —各支承处的摩擦力（N）

（2-1）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，下降的时候为负当Fm40N，Fg100N，W1098N时：Pq4010010981238(N)图2.2升降液压缸缸筒FF1p当油进入有杆腔的时候：

D24

（2-2）液压缸的有效面积：

FF2p

(D2d2)4

（2-3）所以有：

SF4F4F

1.13

（2-4）F1（无杆腔） F14F4Fd21F3580N，p2*106pa0.951将所有所关系的数据代入公式中：4F3.14*0.8*105*0.95d24*35803.14*0.8*105*0.950.022D4F3.14*0.8*105*0.95d24*35803.14*0.8*105*0.950.022由以上所计算的数据，液压缸选择标准的内径系列，确定D=100mm液压缸的尺寸设计液压缸运行长度设计为l=117mm=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=0.1s，所以驱动力为：尺寸校核

Gp.R2``0.41063.140.050203140(N)01．经过测量，手部抓取部分重80kg，则重力：Gmg80*10800N2．设计加速度a5(m/s)，则惯性力：G1ma80*5400N3.设定缸体内活塞等外因摩擦系数k0.1，Gmk.G10.1*40040总受力GqGG1Gm800400401240GqG0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。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： Fd24

（2-6）在此次设计中，45碳钢是活塞杆材料的最好选择，所以有100*106Mp，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：F*4d4由式可知，活塞杆强度足够。

3580*43.14*0.022

11.4*106100*106由上基本确定了升降油缸的尺寸设计。回转机构的结构设计（进油口和出油口以及一个销PAGEPAGE11回转缸驱动力矩的计算M驱，应该和各个部分密封装置处的摩擦阻力矩M和手臂运动时所产生的惯性力矩M惯相平衡。惯性力矩的计算

M驱MMM回

(2-7)-起动过程的时间(s)；

M惯J0J0t

(2-8）J0-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，那么：J0式中 JC-工件的回转的转动惯量.

Jc

G2g

(2-9)CJ m(l23R2)/12CZ810mm，1700mm70KG。设置起动角度180，则起动角速度0.314rad/s0.1s[13]。cJm(l23R2)/1217.34nms2c0 cJJm217.3470*0.86253.25Nm0 cM惯J0J053.25*3.14221.6Nm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221.6Nm。确定回转缸的尺寸b=78mmdd=78mm，8Mpa。回转缸的内径尺寸计算公式为：8M驱8M驱d2bp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：LD14168525m，tL18.5tZ 6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(R2r2)3.14*(0.08520.042)0.0044m2PS

0.8*106*0.00446

586.7Ns，K1.51.8ssQ1.5*586.7880NF 880586.71466.7sQ0选择螺钉的材料为Q235，则sn

240200Mpa1.2

(n=1.2-2.5)44sd

4*1.3*1466.73.144*1.3*1466.73.14*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。170mm，220mm，80mm。基本确定了回转液压缸的相关设计计算。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]。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，目前广泛采用的驱动系统的比较如下表：表2.2不同传动系统的比较与特点特性输出功率和使用范围控制性能和安全性结构性能安装和维护要求效率和制造成本气压驱动发出的噪声结构体积较大，结构易于标准化。易实现直接驱动，密封问题不突出中使用使用的效率十分低，但是气源方便，结构简单，成本低液压驱动输出功率十分大能够实现无结构比较小，所以容易实现结构的标准化维护成本安装困难成本比较高，效率中等交直流普通电动机输出功率大，适合重型系统控制性能不稳定不易精确定位对环境无影响电动机驱动以实现标准化，需减速装置，传动体积较大安装维修方便成本低，但是值效率为0.5左右步进、伺服电动机步进电动机输出力较小、伺服电机可大一些易于控制并且整体的体积小体积小，需减速装置维修使用较复杂0.5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(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。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。液压系统设计图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+3.13-13DT4DT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。(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O(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)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)对较小，所以综上所述，选择齿轮泵。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，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。重要零件设计计算与校核概述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。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。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；（3）配合直径一般按GB/T2822-1981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。此实心轴承的转矩T为：T9.55106Pn

(4-1)9.55106

831.153410370M

113393.737NmmMF20045541.02282004277051.14NmmM2(T)2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M2(T)2按脉动转矩计算：b0b由《机械设计》(轴的许用应力）取4070，计算当量弯矩：计算应满足：

M

277051.142(40113393.737)2277051.142(40113393.737)270MeMeb333 284527.52130.14041.4338mm圆整后取d145mm轴中段轴径上有键槽，在此基础上，轴径增大3%。d45(13%)46.35mm圆整后取d50mm由于Me1Me2计算应满足：Me20Me20.b333 277051.140.140取整d242mm

41.0677mm因为d2d，所以可以得出结论，轴的弯矩强度符合要求。PAGEPAGE20三维建模solidworkssolidworkssolidworkssolidworks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)能够快速生成符合GB的工程图样。(4)拥有十分强大的零件分析能力。solidworks零件建模solidworks通过扫描，填充这些方法能够产生复杂曲面，并且可以对曲面进行一系列的操作。钣金设计solidworks提供了顶尖的全相关的钣金设计能力可以直接使用各种类型的法兰、薄片等特征正交切除角处理以及边线切口等钣金操作变得非常容易。 solidworks的API为用户提供了自由的、开放的、功能完整的开发工具。开发工具包括MicrosoftVisualBasicforApplications(VBA)、VisualC++，以及其他支持OLE的开发程序。帮助文件能够通过帮助中的搜索功能对绘制的草图或者生成的零件进行特这分析，并且可以通过帮助界面了解更多solidworks的相关功能。数据转换solidworksCAD/输出格式转换器,有些格式，还提供了不同版本的转换，从而能够实现数据的转换。图形输出可以将图形输入到solidworks当中，也可以将其中的文件输出。底部支座的三维建模过程solidworks5.1；拉伸凸台/50mm，5.2。图5.1草图建立 图5.2拉伸凸台基体凸台的上表面作为基准面，然后草图绘制，如图5.3；拉伸凸台/基体-给定深度500mm，如图5.4。图5.3拉伸草图 图5.4拉伸实体/基体-给20mm，5.6。图5.5拉伸草图 图5.6拉伸实体选择前视基准面，进行草图绘制，如图5.7；选择特筋，如图5.8，单击确定之后所得的实体模型如图5.9。图5.7拉伸草图 图5.8筋特征图5.9拉伸实体5.11；458，5.12。图5.10圆周阵列 图5.11圆周阵列特征图5.12阵列实体850mm，5.14；5.15。图5.13草图绘制 图5.14拉伸切除实体图5.15通孔的圆周阵列在此实体的上表面同样有四个通孔，其建模过程与下表面相同，这里不再进一步介绍。手臂支座的三维建模过程/25mm，5.17。图5.16手臂支座草图 图5.17手臂支座底面拉伸实体/基体-150mm，5.19。图5.18拉伸草图 图5.19拉伸后实体/5.21。图5.20拉伸草图 图5.21拉伸后实体选择上视基准面-选择特征-线性阵列-镜像实体，如图5.22；根据以上的操作即可得到手臂支座的三维模型，如图5.23。图5.22镜像拉伸实体

图5.23手部支座三维模型图5.24回转机构与提升机构的总体装配图结论630（1）机械手的回转机构：由回转油缸实现，油缸转动由主轴带动手臂回转。（2）机械手手臂的升降机构：由升降油缸实现，升降缸伸缩带动手臂升降。（3）进行各个零件的尺寸设计以及重要零部件的尺寸校核。SolidWorksCAD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]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,1997,530-31.[4]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.[5]薛定宇.反馈控制系统设计与分析CT[M].清华大学出版社,2000:40-47.[6]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.[7]陈金诚.压铸机的发展[J].铸造,2005,54(1):6-15.[8]PLC[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.[10PLCJ[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.[12PLC[J].机械工程师,2011,11:55.[13]Harvill.Atotallynewconceptinhotchamberdiecasting(J).DiecastingEngineer,1982,26(4):1-2.CarlosA.AcostaCalderon,JohnQ.Gan.AnAnalysisoftheInverseKinematicsfora5-DOFManipulator[J].InternationalJournalofAutomation&Computing,2005,2:114-116.ThomasBill.Thegoldenageofdiecasting[J].D.C.E.1976.20(4):24.附录1：外文翻译火车驾驶室前清洗机器人的系统和概念设计TetsuoTomiyama，LuisRubioGarcía，AndražKršlin，GerardTaykaldiranianMK460AL，英国摘要关键词：清洁机器人，系统设计，概念设计，产品开发。简介25kV1）图1：执行火车驾驶室前方清洁程序的车厂工作人员。在英国的每个车站，驾驶室前部清洁都以非常相似的方式进行。可是，它缺乏任何标准程序，效率和后处理检查。有时这个过程提供的时间很短，每次进程也略有不同。PAGEPAGE32（内容目标和目的目标该项目的目的是开发一种用于火车头鼻部以及车身端面板的半自动机器人清洁器除了通过本文后面将要解释的方法检测具体要求外，系统还应具有成本效益，可靠性，可改写性和易于操作的要求。在科学方法方面，本文提出的程序必须回答两个不同的问题。首先是系统需要多少设备或臂部。其次，为最终效应器设计提供基础的最佳手臂机制是什么？目的整个项目的主要目的是：考虑到车站目前的基础设施来设计整个系统。考虑到机器人手臂的控制方面，设计要包括运动学分析，动力学分析和臂设计优化。设计包括化学品和供水的清洁装置（末端执行器），刷子移动机构和接触检测机构。设计用于表面检测和表面覆盖的机器人手臂控制系统，用于列车驾驶室前鼻和车厢之间的清洁。建立一个1/10的规模示范，证明这一概念的可行性。虽然本文提出的程序的主要目标是：介绍驾驶室前台清洁程序的实际情况的详细报告，指出差距和可能的改进领域。使用基于集合的并行工程方法建立需求和设计参数列表介绍符合规格要求的清洁装置的概念设计，并将其作为基础工程或前端工程设计（FEED）阶段的出发点。方法Goffin（尽可能多的图2：整体项目方法。当