压铸成型设备的取料机械手设计毕业论文

毕业设计(论文)说明书题目：压铸成型设备的取料机械手设计摘要本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成、分类、意义和历史，浇注机械手硬件和软件的组成，浇注机械手各个部件的整体尺寸设计。本文着重对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，设计了了机械手的传动并计算出传动比，设计了机械手的手部结构，设计了机械手的手臂结构,确定了压铸成型设备的取料相关机构的各种参数计算和分析，确定了压铸成型设备的取料相关零件材料的选用及其工艺分析，确定了驱动手臂与手部所需的电机功率，确定了机械手的基本技术参数。同时，设计出了机械手的PLC控制系统，绘制了取料机械手的工作原理图，展示了取料机械手的基本性能，校核了部分零部件的强度和使用寿命。关键词：工业机器人；机械手；浇注机械手

Abstract

Thispaperbrieflyintroducestheconceptofindustrialrobots,robotcomposition,classification,thesignificanceandhistoryofpouringmanipulatorofthehardwareandsoftwarecomposition,pouringmanipulatoroveralldimensionsofthepartsdesign.Manipulatoroverallschemedesign,thispaperdeterminedformsanddegreesoffreedom,thecoordinatesofthemanipulatordesignabletodriveofthemanipulatorandcomputethetransmissionratio,thedesignofthemanipulatorhandstructure,designofthemanipulatorarmstructure,determinethereclaimer,die-castingmoldingequipmentparametercalculationandanalysisofrelatedinstitutions,determinethereclaimer,die-castingmoldingequipmentrelatedandtechnologyanalysis,materialselectionofpartstodeterminethedrivingarmandhandtherequiredmotorpower,todeterminethebasictechnicalparametersofmanipulator.Atthesametime,designthePLCcontrolsystemofthemanipulator,mappedthepickingmanipulator,theworkingprinciplediagram,showsthebasicpropertiesofthepickingmanipulator,checkthepartofthestrengthofthepartsandservicelife.KeyWords:

industrialrobot；manipulatorpump；airpressuredrive

目录引言31115 。4手部的设计汤勺式手部结构是一个整体式的结构，它不像一般的机械手手部具有手指结构，手部的运动是一支点回转型，需要考虑的是手部的结构设计和材料的选用。手部结构如图4-1所示：图4-1汤勺由于是接触铝液，所以要选择耐高温材料，选择铸造特种钢。5手臂及底座的设计5.1手臂的设计设计时主要考虑以下几个问题：保证工件的准确定位，手臂的伸缩，升降都是为了使手部到达指定位置，如果手腕出关节不动，那么手部与水平面的角度将跟随手臂改变，由于工作需求在手臂运动的过程中，手部与水平面的角度一定不能改变，否则铝汤将倾倒出来。提供两种解决方法再择优选择。①手部的倾倒动作是由手部驱动电机经过两次链传动带动手部关节轴的回转来带动的，所以考虑控制电机旋转一定的度数来使手部保持水平。②把手臂做成双平行四边的结构，如图5-1所示：图5-1手臂的双平行四边形结构第一个平行四边形手臂的一端固定于手臂保持架架上，也就是这个平行的一边的角度是固定的，无论平行四边形的两边手臂怎么转动，另一边的角度也是固定的，两个平行四边形手臂之间用三角形连杆连接，三角形的一边角度也是不变的，那么整个三角形的角度也是不变的，所以另个平行四边的一边角度也是不变的，同理得这个平行四边形的另一边角度也是不变的，这个平行四边形手臂与手部也用三角形连杆连接，所以手部的角度也是不变的。这两种方法一种是机械保持，一种是电气保持，第一种是一次性投入成本，第二种每次都要投入，综合机械手的寿命，选用机械保持的方法。（2）综合考虑手臂的成本，强度，重量，选择腹板式结构的手臂，为了使手臂足够轻，使用铝合金作为加工材料。两个三角形连杆一个用铝合金制造，另一个由于接近铝液，铝的融点为660，选用铸造低合金钢。5.2手臂保持架及底座的设计手臂保持架及底座的结构如图5-2所示：图5-2手臂保持架及底座它们的材料需要选择不锈钢，选304铸钢。6链传动的设计与链轮尺寸结构的设计齿形链与滚子链相比，齿形链传动平稳，噪声小，承受冲击性能好，效率高，工作可靠，故常用于高速、大传动比和小中心距等工作条件较为严酷的场合，在本次设计中我们采用结构简单，价格较低的滚子链。6.1驱动电机到轴的第一级链传动6.1.1初始条件（1）传递功率：（6-1）（2）小带轮转速=48r／min，因为传动比i=2，所以大带轮转数／min。6.1.2设计过程（1）选择链轮齿数。一般链轮齿数在17114之间，因为给汤机的运行不是高速传动，也没有承受较大冲击，我们选主动轮的齿数为17，这样减少传动的总体尺寸。传动比为2，大链轮的齿数都34。（2）设计功率。，其中;P—传递功率，kw；。根据设计条件，查机械设计可得，,由实际情况中心距大、传动比小，选取大节距的单排链，所以,由此可得。（3）链条型号的选择如图6-1所示：图6-1链条型号的选择滚子链规格和主要参数如图6-2所示：图6-2滚子链规格和主要参数确定链条型号和节距p。链条型号根据当量的单排链的计算功率和主动链轮转速由图6-1可得为08A，然后由图6-2确定链条节距p为12.7mm。计算链节数和中心距。初选中心距一般可取，最大取=80p，由于实际空间作业尺寸需求，取相应的链长节数为：（6-2）为了避免使用过度链节，将计算出的链节数圆整为偶数，为168节。链传动的最大中心距为：，式中，查机械设计得中心距计算系数如表6-1所示：表6-1中心距计算系数87654.84.64.44.24.03.80.249780.249700.249580.249370.249310.249250.249170.249070.248960.24883可得0.2498，则链传动的最大中心距为a904mm。计算链速v，确定润滑方式。平均链速（6-3）链传动润滑范围选择如图6-3所示:图6-3链传动润滑范围选择由链速和链号，可知应采用定期人工润滑。计算压轴力。压轴力可近似取为，式中为有效圆周力，N；为压轴力系数，对于水平传动=1.15；对于垂直传动=1.05。有效圆周力为：，链轮是布置在手臂上的，手臂是会变动位置的，所以我们选取链轮水平布置时的压轴力系数=1.15，则压轴力为=1.159.5=11N（6-4）6.1.3链轮的尺寸结构设计链轮齿形查机械设计得滚子链链轮的齿槽形状如表6-2所示：表6-2滚子链链轮的齿槽形状名称符号计算公式（最小齿槽形状）齿侧圆弧半径滚子定位圆弧半径，滚子半径，见表6-1滚子定位角=-按最小齿槽形状计算，主动轮，，，从动轮，，。（2）链轮的基本参数和主要尺寸由机械设计得滚子链链轮的主要尺寸如表6-3所示：表6-3滚子链链轮的主要尺寸名称符号计算公式分度圆直径d齿顶圆直径齿根圆直径齿高齿高确定的最大凸缘直径得主动轮的，，，，，跟所连轴段的直径一样，设计轴的结构时候时再取。查机械设计得滚子连链轮轴向轮廓尺寸如表6-4所示：表6-4滚子连链轮轴向轮廓尺寸名称符号计算公式p≤12.7备注齿宽单排双排、三排为内节宽，见表6-1齿侧倒角齿侧半径齿全宽n为排数，为排距，见表6-1所设计的链传动为单排链传动，得，，。从动轮的d=138mm，，，，，，，。（3）链轮的结构由于是小直径的链轮，主动和从动轮都选择整体式结构的。（4）链轮的材料链轮轮齿要具有足够的耐磨性和强度，由于小链轮轮齿的啮合次数比大链轮多，所受的冲击也较大，故小链轮应采用较好的材料制造。链轮的材料如表6-5所示：表6-5链轮常用的材料及齿面硬度材料热处理热处理后的硬度应用范围15,20渗碳、淬火、回火5060HRCZ≤2535正火160200HBSZ＞2540、50、ZG310570淬火、回火4050HRC无剧烈振动及冲击的链轮15Cr、20Cr渗碳、淬火、回火5060HRC有动载荷及传动大功率的链轮，z＜25选主动轮的材料为40钢，经过淬火，回火的热处理，热处理后的硬度为4050HRC，从动轮的材料同主动轮。6.2轴驱动电机到轴的第二级链传动同理计算从到的第二级链传动：由于关节处的特殊结构设计，第二级链传动的主动轮和第一级链传动的从动轮它们一起用键连接固定于套筒上，套筒里面装轴承再和轴连接，两个链轮和套筒之间无明显相对运动。6.2.1初始条件传递功率：。（2）小带轮转速r／min，因为传动比i=2，所以大带轮转数／min。6.2.2设计过程选择链轮齿数。小链轮齿数为17，传动比为2，大链轮齿数为34。（2）设计功率确定链条型号和节距p同理查表得链条型号为08A，链条节距p为12.7mm。计算链节数和中心距由于实际空间作业尺寸需求，取相应的链长节数为：圆整为152节。链传动的最大中心距为：，式中，查表6-1可得0.24978，则链传动的最大中心距为a803mm。（5）计算链速v，确定润滑方式平均链速，由链速和链号，查图6-3可知应采用定期人工润滑。（6）计算压轴力压轴力可近似取为，有效圆周力为：，链轮是布置在手臂上的，手臂是会变动位置的，所以我们选取链轮水平布置时的压轴力系数=1.15，则压轴力为=1.1516.7=19.21N。6.2.3链轮的尺寸结构设计（1）链轮齿形按最小齿槽形状计算，主动轮，，，，从动轮，，。（2）链轮的基本参数和主要尺寸，，，，，跟所连轴段的直径一样，设计轴的结构时候时再取，所设计的链传动为单排链传动，，，。从动轮的d=138mm，，，，，，，。（3）链轮的结构由于是小直径的链轮，主动和从动轮都选择整体式结构的。（4)链轮的材料选主动轮的材料为40钢，经过淬火，回火的热处理，热处理后的硬度为40~50HRC，从动轮的材料同主动轮。6.3驱动电机到轴的链传动同理计算：6.3.1初始条件（1）传递功率：。（2）小带轮转速r／min，因为传动比i=3.5，所以大带轮转数／min。6.3.2设计过程（1）选择链轮齿数。小链轮齿数为17，传动比为3.5，大链轮齿数为59.5，取60。（2）设计功率（3）确定链条型号和节距p同理查表得链条型号为08A，链条节距p为12.7mm。（4）计算链节数和中心距由于实际空间作业尺寸需求，取相应的链长节数为：圆整为180节。链传动的最大中心距为：，式中，查机械设计表9-7可得0.2497，则链传动的最大中心距为a897.45mm。（5）计算链速v，确定润滑方式平均链速，由链速和链号，查机械设计图9-14可知应采用定期人工润滑。（6）计算压轴力压轴力可近似取为，有效圆周力为：，链轮是布置在手臂上的，手臂是会变动位置的，所以我们选取链轮水平布置时的压轴力系数=1.15，则压轴力为=1.1516.7=128.46N。6.3.3链轮的尺寸结构设计(1)链轮齿形按最小齿槽形状计算，主动轮，，，，从动轮，，。(2)链轮的基本参数和主要尺寸，，，，，跟所连轴段的直径一样，设计轴的结构时候时再取，所设计的链传动为单排链传动，，，。从动轮的d=241.5mm，，，，，，，。(3)链轮的结构由于是小直径的链轮，主动和从动轮都选择整体式结构的。(4)链轮的材料选主动轮的材料为40钢，经过淬火，回火的热处理，热处理后的硬度为40~50HRC，从动轮的材料同主动轮。7轴的设计与校核及零件的选择与校核轴的结构形式主要取决于轴载机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴连接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随具体情况的不同而不同，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。由于轴结构设计与校核的原理都是类似的，只选取轴驱动电机所连轴做具体的分析，其余轴及轴上零件的材料或型号用表格表示；同样，只对轴驱动电机所连轴上零件进行校核。由上面计算得，轴驱动电机所连轴的输入功率P=1.61w，转矩为0.32N·m，转速n=48r/min。7.1初步确定轴的最小直径选择轴的材料为45号钢，正火处理，根据机械设计查得轴的材料及其主要力学性能如表7-1所示：表7-1轴的材料及其主要力学性能材料牌号热处理毛胚直径／mm硬度／HBS抗力强度极限屈服强度极限弯曲疲劳极限剪切疲劳极限许用弯曲应力备注MPa45正火≤100170~21759029525514055应用最广泛再由机械设计查得轴的常用材料的[]及如表7-2所示：表7-2轴的常用材料的[]及轴的材料Q235-A、20Q275、35（1Cr18Ni9T）4540Cr、35SiMn、38SiMnMo、3Cr13[]/MPa152520352545355514912613511212610311297因为轴的材料选45钢，所以取=112。于是。当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱，对于直径d﹥100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大3%；有两个键槽时，应增大7%。对于直径d≤100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%~7%；有两个键槽时，应增大10%~15%，有三个键槽时，应增大15%~20%。已知轴驱动电机所连轴上开有2个键槽，。显然，轴的最小直径是安装联轴器处的直径，为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号。首先需要确定工作情况系数，由机械设计查得联轴器的工作情况系数如表7-3所示：表7-3联轴器工作情况系数工作机原动机分类工作情况及举例电动机汽轮机四缸和四缸以上内燃机双缸内燃机单缸内燃机I转矩变化很小，如发电机、小型通风机、小型离心泵1.31.51.82.2II转矩变化小，如透平压缩机、木工机床、运输机1.51.72.02.4因为联轴器的转矩变化很小，所以取工作情况系数=1.3，联轴器的计算转矩==1.3×0.32=0.416N·M。按照计算转矩应小于联轴器的公称转矩的条件，查机械设计手册，因为滑块联轴器适用于低转速的情况，故选用KL1型号的滑块联轴器。其许用转矩为16N·m。半联轴器的孔径d=10mm。故取换向器输入轴的最小直径为=10mm。联轴器的长度L=67mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度=25mm。该联轴器的其他参数如表7-4所示：表7-4联轴器的参数型号许用扭矩许用转速dLDD1KL116N·m10000r/min10mm25mm40mm30mmB1B2转动惯量质量52mm67mm0.0007Kg/0.6kg滑块联轴器如图7-1所示：图7-1滑块联轴器其余联轴器的位置及型号如表表7-5所示：表7-5其余联轴器的位置及型号位置J3轴驱动电机所连联轴器J2轴驱动电机所连联轴器型号KL1KL27.2轴的结构设计根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：以与电机相连的轴段为第1段，依此类推，如图7-2所示：图7-2轴驱动电机所连轴（1）第1段：第1轴段与电机用联轴器相连，电机固定于机座上面，第一段的直径就是联轴器的孔径，。因为轴端挡圈适用于固定轴端零件，故左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径D=16；因为半联轴器与轴配合的毂长度25mm，为了保证轴挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故第1段的长度应比L略短一些，现取L1=24mm。（2）第2段：为了满足半联轴器的轴向定位要求，第1轴段右端需要制出一轴肩。初步选择滚动轴承，因轴承需同时承受径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。查GB297—64，圆锥滚子轴承的参数如表7-6所示：表7-6圆锥滚子轴承轴承型号7204尺寸，mmd20D47b14C12T15r1.5r10.5a12安装尺寸，mmD126D226D341D442a13a25rg1额定动负载Cr，daN1580额定静负载C0，daN1580e0.36Y1.7Y00.9极限转速r/min脂润滑8000油润滑10000质量kg0.12因为第一段轴的直径为10mm，所以我们只能取内径最小的圆锥滚子轴承，选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30204，其尺寸为d×D×T=20mm×47mm×15mm。两滚动轴承之间采用套筒定位，左边滚动轴承左端采用阶梯孔定位，右边滚动轴承的右端采用轴承端盖定位。由表7-5可得，30204型轴承的内圈定位轴肩高度=3mm，外圈定位轴肩高度为=11mm，所以定位套筒的外径为26mm，取长度为10mm，定位左边轴承的左端的阶梯孔轴肩高为2.5mm。在轴驱动电机所连的轴上轴承采取正装的方式。轴承端盖的总宽度为12mm（由轴承端盖的结构设计而定）。为了链传动的两个链轮在同一水平面，取端盖的外端面与链轮轮毂左端面间的距离=0mm。所以第2段的长度L2=52mm。（3）第3段：第三段安放链轮，由前面计算取链轮轮毂长度为12mm，链轮左端用轴肩定位，链轮右端用轴端挡圈定位，轴肩高度h＞0.07d，所以取链轮左端定位轴肩高度h=2，所以=16mm，为了保证轴挡圈只压在链轮轮毂上而不压在轴的端面上，故第3段的长度应比链轮轮毂略短一些，现取=10mm。7.3轴上零件的周向定位链轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。对链轮进行周向定位的平键，因为=16mm，查机械设计得平键的主要尺寸由表7-7所示：表7-7平键的主要尺寸轴的直径d＞810＞1012＞1217键宽b键高h33455键的长度系列L6，8,10,12,14,16,18,20,22,25，…单位mm取其平键截面b×h=5mm×5mm，因为链轮段长度为10mm，键槽由键槽铣刀加工，取其长度为8mm。同时为了保证链轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样，因为半联轴器段的直径=10mm，取其平键截面为b×h=3mmm×3mm，因为=24mm，取其键长度为20mm，半联轴器与轴的配合为；滚动轴承的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。7.4确定轴上圆角和倒角尺寸由机械设计得零件的倒角C与圆角半径R的推荐值如表7-8所示：表7-8零件的倒角与圆角半径推荐值直径d＞610＞1018＞1830＞3050＞5080C或R0.50.60.81.01.21.62.0取轴左端倒角为0.6×45，右端倒角为0.8×45。第一段轴右端圆角半径R0.6，第二段轴左端圆角半径R0.8。7.5对轴驱动电机所连轴进行校核（1）因为轴上的功率为功率P=1.61w，转矩T=0.32N·M，转速n=48r/min。（2）求作用在链轮上的力，圆周力==，径向力=*tan=N，轴上的轴向力不由链传动产生，由于负载很轻，转数很低，不考虑轴向力对轴的强度的影响。（3）求轴上的载荷从手册中查取30204型轴承的a值为12mm。因此作为简支梁的轴的支承跨距=29mm+16mm=45mm。轴的计算简图如图7-3所示：图7-3轴的计算简图水平面：设与同方向的力为正，由，得=26.12N，=16.85N，弯矩26.1229=757.48。竖直面：设与同方向为正，由，得=9.5N，=6.13N。弯矩9.529=275.5，轴的载荷分析如图7-4所示：图7-4轴的载荷分布图从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出链轮所在截面是轴的危险截面。现将计算出的截面处的、及的值如表7-9所示：表7-9危险截面的、、、值载荷水平面H垂直面V支反力F=-26.12N，=16.85N=-9.5N，=6.13N弯矩M757.48275.5总弯矩扭矩T（4）按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度。轴双向旋转，扭转切应力脉动循环变应力亦为对称循环变应力，取。轴上开有键槽，(7-1)轴的计算应力(7-2)前面已选定轴的材料为45钢，正火处理，由表7-1得[]=55MPa。因此，，所以安全。7.6对轴驱动电机所连轴上的轴承进行校核由轴的设计计算可知，选择圆锥滚子轴承的型号30204。查表7-6可知，该轴承的判断系数e=0.36，轴向动载系数Y=1.7，额定动载荷=15.8kN，额定静载荷=15.8KN。由于作用在轴上的支反力为=26.12N，=9.5N，=16.58N，=6.13N。所以轴承的径向力==27.79N；==17.68N。所以派生轴向力==8.17N；==5.2N。由于这对圆锥滚子轴承采用的是正装，由于轴向力很小，可以忽略，所以+＜。所以左侧轴承被“放松”，右端轴承被“压紧”。则轴承的计算轴向力==8.17N，=8.17N。圆锥滚子轴承的轴向载荷分析如图7-5所示，把派生轴向力的方向与外加轴向载荷一致的轴承标为2，另一端标为1。图7-5圆锥滚子轴承轴向载荷的分析计算当量载荷：0＜e，则X=1，Y=0；0＜e。则X=1，Y=0。查机械设计得载荷系数的选取如7-10所示：表7-10载荷系数载荷性质举例无冲击或轻微冲击1.01.2电动机、汽轮机中等冲击或中等惯性冲击1.21.8车辆、造纸机强大冲击1.83.0破碎机、钻探机由于为一般载荷，仅有轻微的冲击，故取载荷系数=1.1。当量载荷为：=1.1×27.79N=30.57N；=1.1×17.69N=19.46N。显然，﹥，相同工作条件下左侧轴承1寿命低。轴承寿命校核：由于选用的是滚子轴承，则ε=10/3；轴承工作温度系数如表7-11所示：表7-11温度系数轴承工作温度/摄氏度≤120125150175200225250300350温度系数ft1.000.950.900.850.800.750.700.600.50取温度系数=1.0。则以小时数表示的轴承基本额定寿命==384713383696h(7-3)推荐的轴承预期计算寿命如表7-12所示：表7-12推荐的轴承预期计算寿命机器类型预期计算寿命/h不经常使用的仪器或设备，如阀门开闭装置等3003000手动机械30008000间断使用的机械，如自动传送装置，升降机800012000显然轴承的基本额定寿命远远大于预期工作寿命，故合格。其余轴承的选择与校核不做详细介绍，他们的参数如表7-13所示：表7-13其余轴承的参数轴承的位置J4轴J2轴J3轴驱动电机所连轴J3轴J3轴套筒段J1轴J2轴所连手臂的另一端轴型号30204302043020430204NK26/1630206302047.7对轴驱动电机所连轴上的键连接进行校核为了满足链轮的定心精度要求，应选用平键连接。由于链轮、半联轴器在轴端，故选用单圆头普通平键（C型）。链轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。且键、轴、轮毂的材料都是钢，材料的许用挤压应力如表7-14所示：表7-14键连接的许用挤压应力、许用压力MPa许用挤压应力、许用压力连接工作方式键或毂、轴的材料载荷性质静载荷轻微冲击冲击[]静连接钢1201501001206090铸钢708050603045[p]动连接钢504030得[]=100～120MPa。（1）选择连接的类型和尺寸因为链轮段轴的直径为=16mm，查表7-7可知，其平键截面b×h=5mm×5mm，因为链轮段长度为10mm，键槽由键槽铣刀加工，取其长度为8mm。根据普通平键连接的强度条件为:=MPa﹤[]，其中k=0.5h，mm；=L-，mm(7-4)（2）同理，半联轴器与轴的连接也采用平键连接，因为半联轴器轴段直径=10