轴套类零件自动上下料机构设计
目 录
摘 要 ·················································Ⅰ ABSTRACT ·············································Ⅱ
第一章 绪论 ············································1
1.1课题背景及目的·········································1
1.2本课题研究的意义······································1
1.3自动上下料机构的组成分类及特点························2
第二章 总体设计方案 ····································3
2.1机械手设计要求········································3
2.2动作要求分析··········································4
2.3机械手的基本形式······································4
2.4机械手材料的选择······································5
2.5自动上下料机构布局拟定································5
2.6驱动方式的选择········································7
2.7 CK6140型数控车床的主要参数····························8
第三章 机械手结构设计 ··································9
3.1手部的设计·············································9
3.1.1手部的概述··········································9
3.1.2机械手部的典型结构··································9
3.1.3手爪设计原则········································12
3.1.4机械式手爪设计······································12
3.1.5手部驱动力计算······································13
3.2臂部的设计············································16
3.2.1手臂的常用机构······································17
3.2.2手臂设计原则········································17
3.2.3臂部驱动力计算······································18
3.3机身的设计············································21
3.3.1机身的整体设计······································21
3.3.2机身回转机构的设计计算······························24
3.3.3机身升降液压缸的设计计算····························26
第四章 机械手的运动分析 ·······························33
4.1液压缸的设计选择······································33
4.2
4.3
4.4 机机机械械械手手手的的的整手臂体爪部运的的动运运分动····································34 动····································34 析··································34
总结 ···················································36 致谢 ···················································37 参考文献 ···············································38
摘 要
本课题主要进行生产线轴套类零件自动上下料机构设计,该设计属于机械手的一部分,生产线轴套类零件自动上下料机构是在机械化、自动化生产过程中发展的一种新型装置,实现了胚料的抓取、自动定位、夹紧以及工件的回放。机械手能代替人类重复完成枯燥危险的工作,提高劳动生产力,减轻人的劳动强度。该机构涵盖了位置控制技术、可编程序控制技术、检测技术等。本课题设计的液压机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样。根据工件的变化及生产技术的要求随时更改相关参数,可代替人工在高温危险区进行作业。
关键词:机械手 轴套类零件自动上下料机构 提升 旋转
ABSTRACT
This topic mainly production spool and sleeve type parts automatic feeding mechanism design. The design is part of the manipulator, the production spool and sleeve type parts automatic feeding mechanism is the development of mechanization and automation of the production process of a new type of device to achieve the blank to grab, automatic positioning, clamping and workpiece playback. Mechanical hand can replace the human to complete the boring work, improve labor productivity, reduce labor intensity. The organization covers the position control technology, programmable control technology, detection technology, etc.. This topic design of the hydraulic manipulator can grasp the object in space, flexible and diverse movements. According to the change of workpiece and production technology requirements at any time to change the relevant parameters, can be used to replace manual work in the high temperature danger zone.
Key words:mechanical hand, automatic loading and unloading mechanism, lifting, rotation
全套图纸,加QQ:2252213899
第一章 绪论
1.1课题背景及目的
纵观目前我国的发展情况, 如果把万能车床改成自动或半自动机床,那么就能充分发挥万能机床的潜力, 这对制造业的生产无疑是有重大意义的。机床的自动上下料机构, 是制造车间里重要的组成部分。于是,该机构应该与自动机床和自动线一起设计。
在自动化加工的装配生产线中, 能自动完成将工件向加工或装配机械供给并上下料的机构,称为自动上下料机构。自动上下料机构就是为完成让毛坯自动地选择加工位置,准确的定位、夹紧以及取下加工完的零件所必须的许多功能的总和。
有关数据显示,在工件的加工装配过程中,工件的供给、上料、下料及搬1运等工序所需要的费用很多,约占全部费用的,所费的工时也约占全部工时3
2的以上,并且绝大多数的事故都发生在这些工序中。而对一些工业相比较发3
达的国家来说,自动上下料机构大量存在于各类制造业中,自动化的生产过程不但提高了生产率,解放了劳动力,而且对提高产品质量,降低成本,促进产业结构优化起到了一定的积极作用。
伴随着工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高,人们对生产工件的效率也有了新的期盼。人力工作显然已经满足不了工业自动化的要求了,所以,我们必须开发新的设备自动生产以取代人的劳动,满足工业自动化的需求。其中,机械手是自动化发展过程中的重要产物之一。
在机械工业中,自动上下料机构的意义可以概括如下:
1、提高生产过程中的自动化程度
它有利于完成材料的传送、工件的调整、刀具的替换以及零件的装配等的自动化程度,从而大大地提高了生产率,降低了工业成本。
2、改善劳动条件,避免人身事故
在高温、高压、低压、有灰尘、噪声、有放射性或者其他毒性污染的场合中,工人无法正常工作,而应用自动上下料机构就可以排除环境的不利影响,轻松的完成需要的工作,从而避免了不必要的人身事故的发生。
3、减轻人力,并便于有节奏的生产
总体来说,合理的利用自动化上下料机构,是工业发展的必经之路。
1.2本课题研究的意义
(1)通过对轴套类零件自动上下料机构的设计,使我们对大学期间学过的
知识进行了复习和回顾;
(2)使我更深入的学习了液压缸和PLC 的有关知识;
(3)增强了自我学习,自我解决问题的能力。
1.3自动上下料机构的组成分类及特点
⑴自动上下料机构的类型
自动上下料机构可用于各种机床,它可分为料斗式自动上下料机构、料仓式半自动上下料机构。
料斗式自动上下料机构用于形状简单、尺寸较小、重量较轻的工件,如小型轴、套、销、环类零件,工件在装料容器中不需要固定位置,由抓取机构来自动排列和送出。
而料仓式半自动上下料机构则用于尺寸和重量较大或形状较复杂而自动排列困难的工件,或需要工序时间较长的工件,如连杆、齿轮、曲轴等,工件由工人在料仓中排列好,然后就可以自动送出了。
⑵自动上下料机构的组成
自动上下料机构的组成如表1-1所示:
表1-1 自动上下料装置组成表
第二章 总体设计方案
2.1机械手设计要求
轴套类零件的加工是生产过程中的重要组成部分,机械手要实现的就是降低非切削处理的时间,提高生产率,从而提高机器乃至整个生产线的效率。自动上下料机构相对来说比较复杂,多个零件之间的协调行动,因此需要自动上下料机构灵活、准确、精度高。
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统等三部分组成,它们之间的关系如图2-1所示:
图2-1 机械手的组成方框图
2.2动作要求分析
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2-2 机械手动作简易图
2.3机械手的基本形式
机械手的机械组成部分可以当作是由一些连杆依靠关节组合起来的。机械手有两种关节,即转动关节和移动关节。连杆和关节的组装可以有不同的坐标形式,共有四种:直角坐标形式,圆柱坐标形式,球坐标形式,关节坐标形式。各坐标形式如图2-3所示:
图2-3 机械手的基本形式
由于本课程设计主要针对数控车床的上下料机构,需要实现的功能是胚料的抓取、自动定位、夹紧和工件的回放,机械手的运动方式有:伸缩、升降、旋转。因此,本次设计选择圆柱坐标式机械手更为合理,相应的机械手具有三个自由度。
圆柱坐标形式的机械手除了简单的“抓--放”作业外,还可以用在很多其它的地方。圆柱坐标形式的机械手的结构比较紧凑,在垂直方向和径向有两个
往返运动,定位精度很高。在本次课程设计中,当料台上放置一个轴套类零件时,机械手的手臂在伸缩液压缸的驱动下伸长,手爪在液压缸活塞的驱动下张开,夹紧工件。然后升降液压缸启动,手臂上升一定高度后,机械手在旋转液压缸的驱动下,逆时针旋转180°。这样,机械手臂就指向了数控机床的主轴方向,然后将工件放在车床的相应位置,接着,液压缸的活塞回拉,手爪松开,机械手臂缩回,并且降到一个核实的位置。数控机床加工完成之后,机械手臂上升、伸长,夹取工件,然后车床上的三爪卡盘松开,机械手臂再次旋转180°之后,将已经加工好的工件放在料台上,接着,手爪松开、缩回、下降,回到原始位置。至此,一个完整的自动上下料过程完成了。
2.4机械手材料的选择
机械手的材料应该根据自动上下料机构的工作条件来决定,以此来满足机械手的设计和制造要求。从设计的角度分析,机械手需要移动,完成各种动作,首先它要满足重量轻以便于移动。另外,在工作过程中,手臂会产生振动,这就是的运动精度下降。因此,它的材料、硬度、刚度、弹性模量的选择都要认真考虑。本课程设计的机械手,没有承受高的负载,也不需要高的弹性模量和强度,结合材料成本、加工及其他因素来分析,初步选定此机械手的材料为45钢。
2.5自动上下料机构布局拟定
根据生产机构的布局,自动上下料机构的位置分布图有以下三种:
(1)机械手放在车床与料台中间
图2-4 机械手放在车床与料台中间的布局
(2)桁架形式
图2-5 桁架形式的布局
(3)输送线与机床有一定夹角的布局
图2-6 输送线与机床有一定夹角的布局
对于桁架形式的布局来说,每一台机床前的立柱必不可少,以用来支撑机械手,并且机械手沿着水平方向移动时,驱动的要求复杂,而且成本高,因此不提倡采用。对于有夹角的布局,虽可以实现对工件的抓取和回放,却仅适用于普通车床,适合对象范围小,占地还大,手臂的运动多且复杂,不提倡采用。机械手放在车床与料台中间的布局,针对数控车床自动上下料,车床与料台平行布置,机械手在中间位置,相比较而言,这个方案在可以完成任务的情况下,成本相对较低,所占用的空间也比较小,简单易行,且执行速度起来效率更高,所以本次设计采用此方案。
2.6驱动方式的选择
机械手常用的驱动方式有气压驱动、液压驱动和电机驱动三种类型。这三种驱动方式的特点如表2-1所示:
表2-1 自动上下料机构驱动方式对比表
以上驱动方式各有千秋,一般对机械手驱动系统的要求如下:
⑴反应灵敏,即要求力矩转动惯量比和力矩质量比要大,反复地启动、制动、正反转可以顺利进行;
⑵质量尽可能要轻,所占空间小,单位质量可输出高的功率和效率; ⑶驱动尽可能灵活,位移偏差和速度偏差要小; ⑷安全可靠,操作和维护方便; ⑸成本低,对环境无污染,噪声小。
由表2-1和本次设计对于机械手驱动系统的要求,初步决定采用液压驱动的方式。
2.7 CK6140型数控车床的主要参数
机床轮廓尺寸(长×宽×高) 2265mm×1050mm ×1466mm 主轴线距地面高度 1100 mm 床身最大工件回转直径 400 mm 最大车削长度 1000 mm 主轴头形成 6#C型 床头箱长度 610 mm
主轴转速范围 100~2500r/min 中心高 205 mm 主轴孔径 52 mm 主轴锥孔 莫式6号
主轴线与床身边缘的间距 300 mm
第三章 机械手结构设计
3.1手部的设计 3.1.1手部的概述
后部的操作器也可以理解为机械手所在的手的位置,可以用来完成作业和抓住工件,其被装在机器人的手爪位置。其中手爪有所谓的通用性,其主要作用是抓握、持握及释放被抓的工件。
按照夹持原理的不同可以将手爪分成三大类,它们分别是真空类,机械类和磁力类。其中真空类是真空式的呈吸盘样式,真空类有可以根据不同形成真空的原理分为三种,它们分别是挤气负压式, 气流负压式以及真空吸盘。机械类又可以根据关节的数量分为单关节与多关节类手爪,按手指的数目可以被分为二指与多指的手爪。而磁力类就是所谓的的真空式手爪,也叫做无指类手爪。
3.1.2机械手部的典型结构
(1)连杆杠杆式手爪
这种手爪在活塞的推力下,连杆和杠杆使手爪产生夹紧或放松运动,由于杠杆的力放大作用,这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。
图3-1 连杆杠杆式手爪
(2)楔块杠杆式手爪
利用楔块与杠杆来实现手爪的松开和夹紧,来实现抓取工件的动作。
1-杠杆 2-弹簧 3-滚轮 4-楔块 5-驱动器
图3-2 楔块杠杆式手爪
(3)齿轮齿条式手爪
这种手爪通过活塞推动齿条,齿条带动齿轮旋转,产生手爪的夹紧与松开动作。
图3-3 齿轮齿条式手爪
(4)平行连杆式手爪
采用平行四边形结构,不需要导轨就可以保证手爪的两指保持平行运动,且比带有导轨的平移手爪的摩擦力要小很多。
图3-4 平行连杆式手爪
(5)滑槽杠杆式手爪
当活塞向前运动时,滑槽通过销子推动手爪合并,产生夹紧动作和夹紧力,当活塞向右运动时,手爪松开。这种手爪开合行程较大,适应抓取大小不同的物体。
图3-5 滑槽杠杆式手爪
3.1.3手爪设计原则
⑴具有足够的夹紧力
应该考虑到手抓在工作过程中产生的惯性力和振动的原因,以及工件质量也是一个很重要的因素,由此学确定手抓的夹紧力,这样才会保证工件不脱落或松动。
⑵具有足够的强度和刚度
在工作的过程中,手抓会受到惯性力与振动的作用,还会受到工件被夹持而产生的反作用力作用,因此为了有效预防手爪发生断裂或变形,需要手抓本身有很好的刚度和强度。
⑶手指间应具有一定的张开范围
所谓手指间的开闭角就是两只手指在闭合与张开的过程中形成的极限角度。然而开闭角需要满足能使得工件顺畅被松开或夹取,需要考虑到被夹取工件的最大尺寸问题当夹持的工件直径不同时。
⑷保证工件准确定位
需要依照被抓前取得工件的外形的不同而选择不同的手指的形状,目的是为了使得被夹持工件跟手指之间保持相对精准的位置。
⑸为了减小手臂的负担载荷,尽力使重量变轻,结构变得相对紧凑。
3.1.4机械式手爪设计
⑴在机械手中,驱动机构是非常重要的部分,其中驱动装置及其方案在比较的程度上决定了某种机械手所具有的性能价格等。手指张合一般采用气动,机械驱动,电动和液压的方式来控制。当利用液压的方式时有很多的优点,比如说驱动力足够大,控制相对方便,重量相对较轻,尺寸非常紧凑以及结构相对简单。因此,本次设计选择液压驱动。
⑵在驱动源中,传动机构可以通过使得机械手上的爪钳打开与合上而实现夹紧力的产生。通常传动机构可以分为齿轮齿条形式,滑槽式以及杠杆式等好多种形式。在本文的设计中,采用的是双支点,杠杆连杆式,其中连杆跟驱动杆的尾端是由销轴联系起来的,为了实现手指的闭合与松开运动,需要通过驱动杆件在做往复直线的运动过程中,利用连杆推得两指各自绕着支点进行回转的动作。
⑶手爪是指其材料和形状对夹紧力有重大影响的并与工件直接接触的部分。一般来说,夹紧工件的接触点与所要求的夹紧力呈反比,越低的夹紧力对夹紧工件越安全。为了满足功能上的需求,考虑到本设计中的套类零件尺寸大小,其自身的重量,因此我们采用二指机械式手爪夹持工件的外圆柱表面。
3.1.5手部驱动力计算
⒈手指夹紧力的计算
图3-6 手爪受力分析简图
(1)设工件重量m=4kg,α=80°,b=5mm,c=80mm,f=0.2 (2)当工件被夹持时,夹紧力可由下式计算:
N
≥K 1K 2K 3G 0 (3-1)
式中 K 1—安全系数,取K 1=1.5 K 2—工况系数,取K 2=2 K 3—方位系数,取K 3=1 由公式3-1计算得 N
≥K 1K 2K 3G 0
=1.5×2×1×4×9.8 =117.6N
(3)如上图所示所示,Q 为活塞杆推力,N 为手指夹紧工件的夹紧力,则由力矩平衡条件,知
1
Qb ∙tan α=Nc (3-2)
2
其中,α=80°,b=5mm,c=80mm
2Nc 2⨯117. 6⨯80
==663. 55N 代入数值得 Q =
b ∙tan α5⨯tan 80︒
⒉液压缸内径的计算
由机械设计手册,液压缸的内径可有下式计算:
D =
4Q
(3-3) πp η
式中 η—机械效率,考虑密封件的摩擦阻力损失,橡胶密封常取η=0.95
6
p =0.8⨯10P a p —液压缸工作腔的工作压力,由表3-1,取
表3-1 按负载选择工作压力
代入数值得
D =
4Q 4⨯663. 55
==33. 34mm 6
πp ηπ⨯0. 8⨯10⨯0. 95
表3-2 液压缸内径系列(JB826-66)
根据标准化液压缸内径进行圆整,取D=40mm ⒊活塞杆直径的设计与校核
液压缸传递力主要靠活塞杆,它的主要作用有承受压力、弯曲力、拉力、冲击振动等,但必须有充足的强度和刚度。所以,在此我们取材料Q235,抗拉强度σb =375~460MPa ,取400MPa 。
根据《液压传动与控制手册》,可得活塞杆直径的选取原则:当活塞杆受拉时,一般选取d/D=0.3~0.5;当活塞杆受压时,一般选取d/D=0.5~0.7
根据表3-3,取d=20mm
表3-3 活塞杆直径系列
活塞杆的直径d 按式(3-4)进行校核
d ≥
式中 F—活塞杆上的作用力
4F
πσ (3-4)
[σ]—活塞杆的许用应力,[σ]= σb —材料的抗拉强度 S—安全系数,S=1.4 代入数值得
σb
S
,
d ≥
4⨯663. 55
=3. 25mm 成立 6
π⨯80⨯10
故活塞杆直径满足强度要求。 ⒋缸筒壁厚的计算与校核
缸体是液压缸中最重要的零件,当液压缸的工作压力较高或缸体内径较大时,需要进行强度校核。本设计选用45号钢作为缸体的材料,抗拉强度
σb =600MPa。取壁厚δ=5mm
当D/δ
⎫σ+0. 4p D ⎛t
δ≥ -1⎪ (3-5) ⎪2⎝σ-1. 3p t
⎭
式中 δ—液压缸筒壁厚 D—液压缸内径
Pt—液压缸试验压力,取Pt=1.5P P—液压缸工作压力
[σ]—缸筒材料许用应力,[σ]=σb/s σb —材料的抗拉强度 S—安全系数,一般取S=5 代入数据得
40⎛120+0. 4⨯1. 5⨯0. 8⎫δ≥⨯ -1⎪=0. 17m m 成立
⎪2⎝120-1. 3⨯1. 5⨯0. 8⎭
故缸筒壁厚满足强度要求。 ⒌液压缸外径的确定
D 1=D +2d =40+5×2=50mm
表3-4 标准液压缸外径(JB1068-67)
⒍连接螺栓直径的确定与校核
根据载荷的大小,初定螺栓直径d=6mm,螺栓材料为Q235,性能等级为4.6,查表得材料屈服极限σs=240Mpa,安全系数S=1.5,[σ]=σs/S=160Mpa
液压缸盖固定螺栓直径可按下式计算:
5. 2kF
d ≥ (3-6)
πZ σ式中 k—螺纹拧紧系数,k=1.12~1.5 F—液压缸负载 Z—固定螺钉个数
[σ]—螺杆材料的许用应力 σs —材料的屈服极限 S—安全系数,S=1.2~2.5 代入数据得
d ≥
5. 2⨯1. 3⨯0. 8
=0. 5mm 成立
π⨯4⨯160
故螺钉符合强度要求。 ⒎密封与防尘
通常我们常见的活塞杆的密封形式不仅有O 形、Y 形、V 形、U 形密封圈。考虑到设计与维护等多方面因素,本设计选用O 形密封圈。
3.2臂部的设计
支承被夹取工件、手部、手腕我们主要通过手臂来完成。它的主要作用是用手指去抓取物件,然后按预定的要求将其放在指定的地方。
为了实现手臂的各种运动,工业机械手的手臂通常由驱动源(如液压、气压或电机等)和驱动手臂运动的部件(如齿轮齿条机构、油缸、气缸、螺旋机构、凸轮机构和连杆机构)相配合组成。
图3-7 手臂的运动形式
3.2.1手臂的常用机构
(1)手臂直线运动机构
我们知道机器人手臂的直线运动主要有伸缩、横向移动。为了实现手臂往复直线运动,通常我们采取的机构形式主要有活塞油缸、丝杠螺母机构以及连杆机构、齿轮齿条机构等。因为活塞油缸的具有体积小、重量轻的优点,所以在机器人的手臂结构中多被采用。
(2)手臂回转运动机构
了实现机器人手臂回转运动我们通常采用的机构形式有很多种,大体可以分为活塞缸、链轮传动机构、齿轮传动机构、连杆机构、叶片式回转缸等。
机械手手臂需完成的是伸缩运动,故采用活塞式液压缸。
3.2.2手臂设计原则
确定臂部的结构形式必须依据机器人的动作自由度、运动形式、抓取重量、等因素来度量。与此同时,在设计时还要要考虑手臂的受力情况,手腕的连接形式、油缸及导向装置的布置、内部管路等因素。因此手臂设计时要考虑以下要求:
(1)刚度要求高
合理选择手臂的截面形状有利于减小臂部在运动过程中产生过大的变形程度。圆截面一般比工字形截面弯曲刚度大;实心轴比空心管的弯曲刚度和扭转刚度都小的多,所以我们常用钢管作臂杆及导向杆,用工字钢和槽钢作支撑板。
(2)导向性要好
或设置导向装置,花键等形式、或设计方形的臂杆,能有效防止手臂沿运动轴线直线运动中发生相对转动。
(3)重量要轻
尽量减小臂部运动部分的重量,能有效提高机器人的运动速度从而以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。
(4)运动要平稳,定位精度要高
一般臂部运动速度越高与惯性力引起的定位前的冲击呈正比,所以运动不平稳,定位精度不高。所以,在设计过程中除了采用一定形式的缓冲措施,臂部设计上要力求重量轻外,结构紧凑。
3.2.3臂部驱动力计算
考虑臂部所受的全部负荷能使臂部运动驱动力和力矩的计算更精确。通常臂部所受的负荷主要有惯性力、重力、摩擦力等。
⒈工作负载的计算
臂部做水平伸缩运动时,第一要考虑克服摩擦阻力,其中包括液压缸与活塞之间的摩擦阻力,支承套与导向杆之间的摩擦阻力等因素,第二还要克服启动过程中的惯性力因素。
在当作机构在满负载的情况下,以一定的加速度启动时对液压缸产生的总阻力我们称液压缸的工作负载。
F R =F m +F g (3-7)
F R —工作负载
F m —工作机构在满载启动时的静摩擦力
F g —工作机构在满载启动时的惯性力,可按牛顿第二定律求出
F g =ma =m
式中 m—运动部件的总质量,kg
∆v
(3-8) ∆t
a—运动部件的平均加速度,m /s ∆v —∆t 时间内速度的变化量,m/s
∆t —升降速过程所用时间,s ,一般为0.01~0.5s 工件质量m=4kg,f=0.2
33
标准手爪材料为铝合金ZL3,密度ρ1=2. 75⨯10kg /m ,则气爪的质量为:
2
m 爪=ρ1V 爪=2. 75⨯103⨯0. 048⨯0. 087⨯0. 066=0. 76kg
33
连接板材料为45钢,ρ2=7. 85⨯10kg /m
m 板=ρ2V 板=7. 85⨯103⨯0. 086⨯0. 08⨯0. 05=2. 7004kg
另外,伸缩手臂导杆伸出件质量约为0.5kg
根据本机械手的设计技术参数,伸缩手臂的行程为250mm 手爪抓重为4kg ,加上手爪和连接板的重量,总质量约为8kg
F m =μF N =0. 2⨯8⨯9. 8=15. 68N
F g =ma =m
∆v
∆t
(3-9)
设要求手臂平动时,v=250mm/s,在计算惯性力时,设置启动时间△t=0.1s,则启动速度∆v =v=250mm/s
0. 25
=20N 则F g =ma =8⨯0. 1
F R =F m +F g =15.68+20=35.68N
⒉液压缸内径的计算
由机械设计手册,液压缸的内径可有下式计算:
D =
4Q
πp η (3-3)
式中 η--机械效率,考虑密封件的摩擦阻力损失,橡胶密封常取η=0.95 p --液压缸工作腔的工作压力,由表3-1,取p =0.8⨯10代入数值得
6
P a
D =
4Q 4⨯35. 68
==7. 73mm 6
πp ηπ⨯0. 8⨯10⨯0. 95
根据标准化液压缸内径进行圆整,取D=25mm ⒊活塞杆的设计与校核 液压缸的直径可由下式计算
d =D
ϕ-1
(3-10) ϕ
缸的速度比ϕ过大时,无杆腔中会有大的背压产生,速度比过小就会造成活塞杆太细,稳定性不好。推荐液压缸的速度比如表3-5所示:
表3-5 液压缸往复速度比推荐值
代入数据得
d =D
-1. 33-1
=25⨯=12. 45mm ϕ1. 33
根据标准化活塞杆直径进行圆整,取d=14mm 活塞杆的直径d 按下式进行校核
d ≥
式中 F--活塞杆上的作用力
4F
πσ (3-4)
[σ]--活塞杆材料的许用应力,[σ]= σb --材料的抗拉强度 S--安全系数,S=5 代入数值得
σb
S
,
4⨯35. 68
d ≥=2. 42mm 成立 6
π⨯80⨯10
故活塞杆直径满足强度要求 ⒋缸筒壁厚的计算与校核 液压缸大多数十薄壁筒,即
D
δ
≥10,其最薄处的壁厚可由下式计算即:
pD δ≥
2σ (3-11)
式中 δ—液压缸筒壁厚 D—液压缸内径
Pt—液压缸试验压力,取Pt=1.5P
P—液压缸工作压力
[σ]—缸筒材料许用应力,[σ]=σb/s σb —材料的抗拉强度 S—安全系数,一般取S=5 代入数据得
δ=
1. 5⨯0. 8⨯25
=0. 125mm
2⨯120
经过圆整之后,取δ=3mm
则液压缸外径D 1=D +2d =25+3×2=31mm ⒌缸底和缸盖的设计
缸盖和缸底的材料均设计为35号钢,由表3-6缸底与缸筒的连接为外螺纹连接。
表3-6 工程机械液压缸基本参数及连接形式
3.3机身的设计
工业机器人是由三部分机械结构组成的:手部、手臂、机身。机身,又叫做立柱。机器人要有一个物件是他便于安装,即机座,机座大多数是与机身做成一体的。机身是通过支撑臂部来实现作用的,一般包括升降、回转和俯仰等动作,含有1~3个自由度。
机身设计时需要考虑如下问题: (1)要有足够的稳定性和刚度;
(2)运动灵便,升降缸的导套长度不能太短了,不然会发生卡死现象,而且要有导向装置;
(3)机身布置要合理。
3.3.1机身的整体设计
按照设计要求,手臂要完成旋转运动,实现手臂回转运动的机构一般都设
计在机身处。为了设计出靠谱的运动结构,这就要求我们全部地考虑分析。机身承载手臂,做升降、回转运动,是机械手不可或缺的部分。常用的机身结构有以下几种:
(1)回转缸放在升降缸下面的机构。这种结构的长处是可以承载较大的偏重力矩,缺点是旋转运动的路径长。
(2)回转缸放在升降缸上面机构。这种结构使用的是单杆活塞缸,结构较小。不过回转缸也要做升降运动,这样运动的部件就比较大了。
(3)活塞缸和齿轮齿条机构。手臂的回转运动是通过齿轮齿条机构来实现的,齿条的来回运动使得与手臂连接的齿轮作往复旋转,那么手臂就会左右摆动。
图3-8 回转缸置于升降缸之下的机身结构示意图
图3-9 回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图
图3-10 活塞缸和齿轮齿条机构
经过系统全面的考虑与分析,本次设计决定采用回转缸放在升降缸上面的机构。
在本此设计中,机身含有两个运动,即机身的回转和升降。如图3-9所示,回转机构放在升降缸上面。手臂部分与回转缸的上端盖连接,回转缸的动片与缸体连接,手臂随着回转缸做旋转运动。驱动机构仍然采用液压驱动,回转缸也有两个油孔,一个是进油孔,一个是出油孔,分别导向回转叶片的两侧来辅助叶片的转动。回转度数则是由机械挡块来决定的,对于本设计来说,两个叶片之间可以转动的角度是个值得考虑的问题,为了适合设计,缸中动片和静片之间可以回转180°
3.3.2机身回转机构的设计计算
⒈回转缸驱动力的计算
回转缸的回转驱动力矩M 驱,应该与手臂运动时所产生的惯性力矩M 惯及各密封装置处的摩擦阻力矩M 阻相平衡。
M 驱=M 惯+M 阻+M 回 (3-12)
惯性力矩的计算
M 惯=J 0ε=J 0
式中
∆ω
(3-13) ∆t
∆ω—回转缸转动片角速度变化量,rad /s ,在启动过程中∆ω=ω ∆t —启动过程的时间,s
J 0—手臂回转部件对回转轴线的转动惯量,kg ⋅m 2
J 0=J c +
式中 J c —回转零件的重心的转动惯量
G 2
ρ (3-14) g
ρ—手臂回转零件的重心与回转轴的距离
J c =
m 2
l +3R 2 (3-15) 12
()
回转部件可以等效为一个长400mm ,直径为280mm ,质量为145.9kg 的圆柱 设启动角ω=18°,则启动角速度∆ω=0. 314rad /s ,启动时间为0.1s
J c =
m 2145. 9l +3R 2=⨯0. 42+3⨯0. 282=4. 8kg /m 2 1212
()()
J 0=J c +
G 2
ρ=1317. 9kg /m 2 g
∆ω0. 314
=1317. 9⨯=4138. 2kg /m 2 ∆t 0. 1
M 惯=J 0ε=J 0
密封处的摩擦阻力矩可大致计算下,M 阻=0. 03M 驱,因为回油背差很小,可忽略不计。
M 驱=M 惯+M 阻+M 回=4138. 2+0. 03⨯4138. 2=4262. 3kg /m 2
⒉回转缸内径的计算
设静片和动片宽为b=65mm,查表得工作压强为p=0.8Mpa。d 为输出轴与动片连接处的直径,设d=60mm,则回转缸的内径通过下列计算:
D =
8M
+d 2=181.9mm (3-16) bp
取D=190mm
⒊连接螺栓直径的确定与校核
根据载荷的大小,初定螺栓直径d=24mm,螺栓材料为Q235,性能等级为4.6,查表得材料屈服极限σs=240Mpa,安全系数S=1.5,[σ]=σs/S=160Mpa
回转缸盖固定螺栓直径可按下式计算:
d ≥
代入数据得d ≥0.148 故螺钉符合强度要求
4⨯1. 3F
πσ (3-17)
经过以上的计算,需要螺钉来连接,最终确定的液压缸的截面尺寸如图3-11
所示,内径为190mm ,外径为300mm ,输出轴径为60mm
图3-11 回转缸的截面图
3.3.3机身升降液压缸的设计计算
⒈驱动力的计算
液压缸作垂直运动时,除了要克服自身的重力外,还要承受手部、手臂、工件等的总重力,以及做升降运动的全部部件的惯性力,故其驱动力F 驱可按下式计算:
F 驱=F m +F g ±W (3-18)
F m —各支撑处的摩擦力,N
F g —启动时总惯性力,N
W —运动部件的总重力,N ±—上升时为正,下降时为负
运动部件包括夹持重物、手爪、水平伸缩液压缸、回转液压缸以及连接各个液压缸的连接板。第三章已算过夹持重物、手爪、以及连接液压缸的连接板的重量,总质量约为8kg 。
连接板、水平伸缩液压缸、旋转缸的制造材料是一样的,为45钢,其密度
ρ45=7. 85⨯103kg /m 3
水平伸缩液压缸质量m =ρ45V 1=7. 85⨯10⨯π/4⨯0. 05⨯0. 36=5. 55kg 连接板质量为m =ρ45V 1液压缸举重的总质量
3
2
=7. 85⨯103⨯0. 17⨯0. 17⨯0. 03⨯2=13. 6kg
M 举=8+5.55+145.9+13.6+0.5=173.55kg
W=M 举g =173.55×9.8=1700.79N
F m =μF N =0. 2⨯1700. 79=340. 16N
其中惯性力可以忽略不计。 驱动力F 驱
=F m +F g +W =340. 16+1700. 79=2040. 9N
⒉液压缸内径的计算
由机械设计手册,液压缸的内径可有下式计算:
D =
4Q
πp η (3-3)
式中 η--机械效率,考虑密封件的摩擦阻力损失,橡胶密封常取η=0.95 p --液压缸工作腔的工作压力,由表3-1,取p =0.8⨯10代入数值得
6
P a
D =
4Q 4⨯2040. 9
==58. 47mm 6
πp ηπ⨯0. 8⨯10⨯0. 95
根据标准化液压缸内径进行圆整,取D=70mm ⒊活塞杆直径的设计与校核
活塞杆的材料取Q235,抗拉强度σb =375~460MPa ,取400MPa 。 根据表3-3,取d=28mm 活塞杆的直径d 按下式进行校核
d ≥
式中 F--活塞杆上的作用力
4F
πσ (3-4)
[σ]--活塞杆材料的许用应力,[σ]= σb --材料的抗拉强度 S--安全系数,S=5 代入数值得
σb
S
,
4⨯1700. 79d ≥=5. 20mm 成立 6
π⨯80⨯10
故活塞杆直径满足强度要求。 取L=500mm
当活塞杆受到轴向力压力作用时,有可能产生弯曲,当此轴向力达到临界值F k 时,会出现压杆不稳定的现象,临界值F k 的大小与活塞杆长度和直径,以及缸的安装方式等因素有关。只有当活塞杆计算长度l ≥10d 时,才进行活塞杆的纵向稳定性计算。
使缸保持稳定的条件为:
F cr
F ≤
n cr
式中 F—缸承受的轴向压力
(3-19)
F cr —活塞杆不产生弯曲变形的稳定临界力 n cr —稳定性安全系数,n cr =2~6,取n cr =2
F cr 可根据细长比
l
的范围按下述有关公式计算: k
i π2EJ l
①当细长比≥m i 时,F cr = (3-20)
l 2k
fA l
②当细长比≤m i ,且m i =20~120时,F cr = (3-21) a l k 1+
i k
③当细长比
l
l k =
πi EA
2F n cr
(3-22)
式中 l—安装长度,其值与安装形式有关,见表3-7 k—活塞杆最小截面的惯性半径,k = m—柔性系数,对钢取m=85
i—由缸支承方式决定的末端系数,其值见表3-7 E—活塞杆材料弹性模量,钢材取E =2. 06⨯1011Pa J—活塞杆横截面惯性矩,m ,J =
4
d
=7 4
πd 4
64
8
f—材料试验强度值,pa ,钢材取f =4. 91⨯10Pa
A—活塞杆横截面面积,A =
πd 2
4
a—实验常数,钢材取a=1/5000 l k —活塞杆的计算长度
表3-7 缸的安装长度
代入数据得
l k =
πiEA
2F n cr
π⨯4⨯2. 06⨯10⨯
=
11
π⨯282
2⨯2040. 6⨯2
⨯10-6
=441. 9mm
l ≤l k 成立,故活塞杆长度符合要求
F cr =
i πEJ
=2
l
2
4π⨯2.06⨯10⨯
211
π⨯284
-32
450⨯10⨯10-12
=9. 8⨯105N
F ≤
F cr n cr
成立,故活塞杆稳定性符合要求
⒋缸筒壁厚的计算与校核 液压缸大多数为薄壁筒,即公式计算,即:
D
δ
≥10,其最薄处的壁厚用材料力学薄壁圆筒
pD δ≥
2σ (3-11)
式中 δ—液压缸筒壁厚 D—液压缸内径
Pt—液压缸试验压力,取Pt=1.5P P—液压缸工作压力
[σ]—缸筒材料许用应力,[σ]=σb/s σb —材料的抗拉强度 S—安全系数,一般取S=5 代入数据得
1. 5⨯0. 8⨯70δ==0. 35mm
2⨯120
经过圆整之后,取δ=7mm
则液压缸外径D 1=D +2d =70+7×2=84mm ⒌缸筒长度的确定 ⑴液压缸工作行程
表3-8(a ) 液压缸行程系列(GB 2349-80)
表3-8(b ) 液压缸行程系列(GB 2349-80)
表3-8(c ) 液压缸行程系列(GB 2349-80)
根据设计需要,由上表,可取液压缸的工作行程为L=240mm。 ⑵最小导向长度计算
当活塞杆完全伸出来时,从活塞宽度的中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度,如图3-12所示:
图3-12 液压缸的导向长度
对于一般的液压缸,其最小导向长度应满足下式:
L D H ≥+ (3-23)
202
式中 L—液压缸的最大工作行程 D—液压缸内径
代入数据得H ≥55mm ,取H=60mm
一般导向套滑动的长度A ,在D80mm时,取A=(0.6~1.0)d 。则取A=0.7D=49mm。
活塞的宽度B=(0.6~1.0)D ,则取B=0.7D=49mm。
为确保最小的导向长度,A 和B 的值都不可以太大,最好在导向套与活塞之间放置一个隔套K ,隔套宽度C 由H 决定,即
C =H -
代入数据得隔套长度C=11mm ⑶液压缸缸筒长度计算 液压缸缸筒长度可由下式确定:
A +B
(3-24) 2
l =L +B +A +M +C (3-25)
式中 L—液压缸的最大工作行程 B—活塞宽度 A—活塞杆导向长度
M—活塞杆密封长度,由密封方式决定 C—其他长度 代入数据得l=354mm
⒍连接螺栓直径的确定与校核
根据载荷的大小,初定螺栓直径d=6mm,螺栓材料为Q235,性能等级为4.6,查表得材料屈服极限σs=240Mpa,安全系数S=1.5,[σ]=σs/S=160Mpa
液压缸盖固定螺栓直径可按下式计算:
5. 2kF
d ≥ (3-6)
πZ σ式中 k—螺纹拧紧系数,k=1.12~1.5 F—液压缸负载 Z—固定螺钉个数
[σ]—螺杆材料的许用应力 σs —材料的屈服极限 S—安全系数,S=1.2~2.5 代入数据得
d ≥
5. 2⨯1. 3⨯0. 8
=0. 5mm 成立
π⨯4⨯160
故螺钉符合强度要求。 ⒎密封与防尘
活塞杆的密封形式有O 形密封圈、Y 形密封圈、V 形密封圈、U 形密封圈,为了方便设计与维护,本设计选用O 形密封圈。
⒏排气装置的设计
液压传动系统经常会进入空气,使系统产生不稳定的现象,例如振动、爬行、前冲等,严重时会破坏系统的正常工作,因此设计液压缸时必须考虑空气的排出。
排气装置有两种,一种是开排气孔,把它安放在液压缸的最高处,并用管道连接排气阀进行排气;另一种是在液压缸的最高处安放排气塞,如图3-13所示。两种排气装置都是在液压缸排气时打开,排气完后关闭。
图3-13 液压缸的排气塞
第四章 机械手的运动分析
在本设计中,自动上下料装置已经确定为圆柱坐标形式的机械手,还有为了满足设计要求,机械手应该具有3个自由度:手臂伸缩,机身回转,机身升降。本设计的机械手主要由3个大部件和4个气缸组成:
⑴手部 采用一连杆式液动手爪,通过机构运动实现手爪的张开和闭合。
⑵臂部 采用伸缩液压缸来实现手臂的伸缩。
⑶机身 采用一个回转液压缸和一个升降液压缸缸来实现手臂的升降和旋转。
4.1液压缸的设计选择
设计缸需要注意的问题: ⑴要尽量使结构紧凑,占地小;
⑵设计活塞杆最好受拉,不受压,以免产生纵向弯曲; ⑶选择合适的密封方式,防止泄漏;
⑷根据具体情况适当考虑缓冲装置和排气装置。
4.2 机械手的手爪的运动
本次设计的机械手手爪采用的是液压驱动方式,由于被抓取的工件是圆柱形的,所以手爪采用V 字形结构,即保证了稳定性定又不损伤零件的表面。机械手部采用连杆式结构,它的结构简单、传动可靠。当无杆腔进油时,推动活塞杆前进,使活塞杆伸出,手爪闭合;当有杆腔进油时,活塞杆退回到初始位置张开。
4.3 机械手的臂部的运动
机械手手臂的运动主要是随着液压缸的伸缩,把手部放在任意位置,因此,臂部的运动有三个自由度。通过分析臂部的受力状况,它在运动中受到手部和工件的动、静载荷,且自身运动也比较多。因此,它的结构、尺寸、灵敏度等都会影响到工作进程。
在本设计中,利用活塞式液压缸来实现手臂的伸缩,机身则采用回转缸放在升降手臂上面的机构。竖直升降手臂是实现整个机构做竖直运动的动力元件,位于最底端,它担负着机械手的全部重量,因此对活塞杆的稳定性要进行校核计算。
4.4 机械手的整体运动分析
在本此设计中,由于要加工的零件尺寸和质量都比较小,为了减少机械手的数量,仅采用一台单臂机械手。
如下图所示,本此设计所采取的结构,当料台上放置一个轴套类零件时,机械手的手臂在伸缩液压缸的驱动下伸长,手爪在液压缸的驱动下夹紧料台上的工件,然后升降液压缸启动。手臂上升一定高度后,机械手在旋转液压缸的驱动下,逆时针旋转180°。这样,机械手臂就伸向了数控机床的主轴方向,然后将工件放在车床的相应位置,接着,手爪在液压缸的驱动下松开工件,机
械手臂缩回,并且下降到一个安全的位置。数控机床加工完成之后,机械手臂上升、伸长、夹取工件,然后车床上的三爪卡盘松开,机械手臂再次旋转180°之后,将已经加工好的工件放在料台上,接着,手爪松开、缩回、下降,回到原始位置。至此,一个完整的自动上下料过程完成了。
图4-1 自动上下料机构的装配图
从上述运动的过程中可以知道,机械手的三个自由度为:手臂伸缩、机身旋转、手臂升降。具体的数据分析从数控机床的有关参数,以及机械手和机床之间的位置关系可以得出:料台高850mm ,而机床主轴中心线高为1100mm ,因
此机械手手爪的升降高度应为300mm ;该机构处在数控机床和工作台的中间,而机床主轴与料台相距1700mm ,所以机械手应伸长850mm ,如此才能在旋转180°后将工件放在准确位置。
总 结
轴套类零件自动上下料机构的主要结构是单臂机械手。单臂机械手由伸缩
液压缸、旋转液压缸、升降液压缸等通过法兰、螺栓、外螺纹连接而成,能够
自动地完成机床的上下料工作。
本自动上下料机构采用液压驱动机械手,实现了直径φ30~50mm 、长度
100~150mm 的轴套类零件、坯料的拾取、回放等功能,对相关自动输送料系统
的设计有一定的参考价值。
本自动上下料机构基本满足了所有功能要求,实现了自动化的过程,但在
其细节处仍存在一些问题:
(1)上料过程中,机械手将工件送入三爪卡盘时,夹具对工件进行精确定
位夹紧;
(2)在不损伤工件的前提下,手爪夹紧工件时,夹紧力的精确控制。
上述问题在设计过程中没有进行优化,日后仍需进一步学习液压方面知识。
全套图纸,加QQ:2252213899
致 谢
大学四年马上就要结束了,这四年的生活使我获益匪浅,不管对学习还是
生活都有了全新的认识。在这段历程中有太多的人值得我衷心感谢。首先,要
感谢我的指导老师李智老师,感谢它在这段时期对我的指导。李老师广博的知
识、严谨的治学姿态、诚挚教导的师长风范,都使我受益终生,在此我由衷地
感谢我的指导老师。
同时我还要感谢母校给我提供了宝贵的学习机会和舒适的学习环境;感谢
大学四年中对我的学习和生活给予无私帮助的机械学院的各位老师,谢谢您们
的教导和关怀;感谢我的同学们在我平时的日常生活中给予关怀和帮助。
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