课程设计说明书文档格式.docx
- 文档编号:3595089
- 上传时间:2023-05-02
- 格式:DOCX
- 页数:57
- 大小:1.16MB
课程设计说明书文档格式.docx
《课程设计说明书文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《课程设计说明书文档格式.docx(57页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
60kg;
自由度数:
4个;
坐标形式:
圆柱坐标;
手臂运动参数:
手臂水平伸缩范围:
500毫米
手臂升降范围:
0~600毫米;
手腕运动参数:
手腕回转范围:
0~180度
缓冲方式及定位方式:
手臂伸缩:
伸出时由行程开关适时切断油路,手臂缓冲,缩回时由行程开关控制返回终了位置。
手臂升降:
上升时是靠行程开关发信,下降时靠油缸端部节流缓冲,由行程开关控制终了位置。
手臂回转:
采用节流阀减速缓冲,用齿轮齿条驱动旋转并靠行程开关定位。
手腕回转:
采用行程开关发信和定位或点控。
驱动方式:
液压
控制方式:
点位程序控制
2.2机械手的工艺流程
机械手原位→机械手前伸及上升→机械手抓取并夹紧→手腕回转并水平缩回→向右回转→机械手前伸→机械手松开→机械手下降→向左回转→退至原位
2.3机械手的总体结构
本机械手系统由执行系统、驱动系统和控制系统组成。
执行系统包括手部、手臂、手腕。
驱动系统包括动力源、控制调节装置和辅助装置组成。
控制系统由程序控制系统和电气系统组成。
1)上料机械手的组成
它是由手臂升降机构(油缸),手臂回转机构(由油缸、齿轮齿条、回转盘组成),手臂伸缩机构,手腕和V形手指等部分组成。
2)上料机械手手臂升降机构
该机构采用双作用式油缸实现垂直升降运动,其行程最大为600mm。
升降机构的结构如图所示,
升降缸体与回转盘用螺钉联接;
活塞杆的上端与工字钢形双导向杆焊接在一起,组成升降机构的运动部分。
当压力油分别进入升降缸上下两腔后,推动活塞杆做升降运动。
在缸体和活塞之间安装有导向杆,防止导向套升降时可能出现的转动,也有利于与会转盘一起回转。
其导向性能好,刚度大,工作平稳。
手臂下降运动的缓冲由油缸底部的缓冲调节阀来实现。
手臂升降行程是通过行程开关来控制。
3)上料机械手左右回转部分
左右回转部分固定在底座上,并与齿轮相啮合,齿轮与回转盘通过键进行运动传递,回转盘下方用推力球轴承实现回转。
齿条与活塞焊接在一起,当油缸推动活塞使齿条运动从而带动齿轮自转时,带动会转盘一起转到,与回转盘相连的升降缸也跟着转动,从而带动工字钢,致使手臂伸缩机构为一整体而回转,即是手臂的回转运动。
4)手臂回转油缸的结构
回转缸壳体和上端盖,下端盖,定片间均用螺钉联接,并将它们作为一体通过上端盖与手臂伸缩机构联接形成一个运动部件。
转轴支撑在上,下端盖上,与动片固定联接,其伸出端通过花键轴部分与中间座的齿轮联接,向手臂传递运动。
5)手臂伸缩机构
该机构主要由活塞杆,油缸体,中间架体,双导向杆,滑块等组成。
双导向杆与升降缸活塞连接;
滑块与伸缩缸活塞和摆动缸体连接,并能随活塞一起沿导向杆滑动;
油缸体固定在导向杆上。
当压力油分别进到油缸两腔时,油活塞带动滑块在工字钢双导向杆上实现手臂的往复运动,其行程大小靠活塞行程和行程开关来调整。
手臂伸缩的导向装置采用工字钢双导向杆,导向性能好,手臂刚度大,工作时运动平稳。
油缸的输油管路采用伸缩油管型式,保护了油管,但工艺性能差,如图:
6)手腕和夹紧油缸
手腕由夹紧油缸,摆动缸,活塞杆等组成。
夹紧油缸装在支撑座上,支撑座与手臂伸缩机构的中间夹体用螺钉联接,当压力油进入夹紧油缸两腔时,就推动活塞杆往复移动输出动力,作为夹持手部的动力源。
手腕回转油缸的两油孔分别进压力油时,推动活塞转动,活塞的端部通过螺栓把旋转运动传递到转手腕上。
转轴端部的法兰盘与手部用螺钉联接,故手部和转套的转动即实现手腕的回转运动。
如图:
8)手部结构
手部结构如图所示,
它主要由夹紧缸,连杆和手指等组成。
按照V形手指设计。
手指的开闭角度是靠活塞带动连杆作往复运动实现的。
夹紧油缸活塞与铰链联接,由活塞驱动力,通过手部去夹持锻坯。
9)上料机械手液压系统
液压系统采用双联叶片泵驱动,其系统压力为30公斤,油箱容积为250升,机械手臂伸缩,升降时为得到较高速度,两泵同时供油,其余动作仅小泵供油,大泵自动卸荷.手臂伸缩,升降,回转及手腕回转,采用单向调速阀,回程节流调速.手臂升降液压支路设置有单向顺序阀,用来防止手臂升起后工作时因自重而下滑故起支承作用。
手指夹紧油路装置有液控单向阀,用来防止因油路压力波动引起夹持力的降低,确保夹持工件牢靠,减压阀在系统中既可供给定位油缸所要求的低压油,又可作为电液换向阀的控制支路.油路中两个二位二通换向阀的作用为使油泵自动卸荷,以防止油温过高。
2.4机械手的工作过程
立式精锻机和自动上料机械手等的配置如图2-4-1所示。
被加热的坯料由运输车2送到上料位置后,自动上料机械手3将热坯料搬运到立式精锻机1上锻打。
自动上料机械手3在此精锻生产线上可以完成取料、喂料和变换工位等动作。
图4自动上料机械手配置示意图
2.5机械手的座标型式与自由度选择
按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况,其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。
由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动,因此,采用圆柱座标型式。
相应的机械手具有三个自由度,为了弥补升降运动行程较小的缺点,增加手臂摆动机构,从而增加一个手臂上下摆动的自由度。
2.6机械手的手部结构方案设计
为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构,当工件是棒料时,使用夹持式手部。
2.7机械手的手腕结构方案设计
考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。
因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。
2.8机械手的手臂结构方案设计
按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。
手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的,立柱的横向移动即为手臂的横移。
手臂的各种运动由液压缸来实现。
2.9机械手的驱动方案设计
由于液压压传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失和泄漏较小,成本低廉因此本机械手采用液压压传动方式。
2.10机械手的控制方案设计
考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。
当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。
3机械手结构设计
3.1机械手材料
3.1.1机械材料选用原则
机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题,不同材料制造的零件不但机械性能不同,而且加工工艺和结构形状也有很大差别。
机械零件常用材料有黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复合材料等。
选择材料主要应考虑三个方面的问题。
1)使用要求
使用要求一般包括:
零件的受载情况和工作状况;
对零件尺寸和质量的限制;
零件的重要程度等。
若零件尺寸取决于强度,且尺寸和重量又受到某些限制时,应选用强度较高的材料。
静应力下工作的零件,应力分布均匀的(拉伸、压缩、剪切),应选用组织均匀,屈服极限较高的材料;
应力分布不均匀的(弯曲、扭转)宜采用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。
在变应力下工作的零件,应选用疲劳强度较高的材料。
零件尺寸取决于接触强度的,应选用可以进行表面强化处理的材料,如调质钢,碳钢、氮化钢。
若零件尺寸取决于刚度,则应选用弹性模量较大的材料。
碳素钢与合金钢的弹性模量相差很小,故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。
截面积相同、改变零件的形状与结构可使刚度有较大的提高。
滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料;
在高温下工作的零件应选用耐热材料;
在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。
2)工艺要求
材料的工艺要求有三个方面内容
(1)毛坯制造大型零件且大批量生产时应用铸造毛坯。
形状复杂的零件只有用铸造毛坯才易制造,但铸造应选用铸造性能好的材料,如铸钢、灰铸铁或球铸铁等等。
大型零件只少量生产,可用焊接件毛坯,但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等,选用焊接性能好的材料。
只有中小零件采用锻造毛坯,大规模生产的锻件可用模锻,少量生产时可用自由锻。
锻造毛坯主要应考虑材料的延展性、热膨胀性和变形能力等,应选用锻造性能好的材料。
(2)机械加工大批量生产的零件可用自动机床加工,以提高产量和产品质量,应考虑零件材料的易切削性能、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等,应选用切削性能好的(如:
易断削、加工表面光洁、刀具磨损小等)材料。
(3)热处理热处理是提高材料性能的有效措施,主要应考虑材料的可淬性、淬透性及热处理后的变形开裂倾向和脆性等,应选用与热处理工艺相适应的材料。
3)经济性要求
(1)经济性首先表现为材料的相对价格。
当用价格低廉的材料能满足使用要求时,就不应选择价格高的材料。
这对于大批制造的零件尤为重要。
(2)当零件的质量不大而加工量很大,加工费用在零件总成本中要占很大的比例,这时,选择材料时所考虑的因素将不是相对价格而是其加工性能和加工费用。
(3)要充分考虑材料的利用率。
例如采用无切削或少切削毛坯,可以提高材料的利用率。
此外,在结构设计时也应设法提高材料利用率。
(4)采用局部品质原则。
在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热处理工艺,使各局部的要求分别得到满足。
(5)尽量用性能相近的廉价材料代替价格相对昂贵的稀有材料。
另外选择材料时应尽量考虑当时当地的材料供应情况,应尽可能的减少同一部机器上使用的材料品种和规格。
3.1.2零件材料
从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要求出发,选择机械手的零件材料。
在机械手中各传动件是关键性零件,有各关节传动轴和齿轮系,它们的强度、刚度等机械性能直接影响机械手的工作质量。
1)传动轴
传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。
碳素钢对应力集中的敏感性较低,还可通过热处理改善其综合性能,价格也比合金钢低廉,因此应用较为广泛,常用45号钢。
合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。
因此,在传递大动力,并要求减小尺寸与质量,提高轴颈的耐磨性,以及处于高温或低温条件下工作的轴,常采用合金钢。
在一般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。
因此,用章金钢代替碳素钢并不能提高轴的刚度。
鉴于此,机械手各传动关节的传动轴选用45号钢,应能满足设计的需要。
2)齿轮系
齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形}。
因此设计齿轮传动,要使齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力,齿根则要有较高的抗折断能力。
为此,对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬,齿芯要韧。
钢材韧性好,耐冲击,容易通过热处理和化学处理来改善其机械性能和提高硬度,是制造
齿轮最常用的材料。
锻钢可制成软齿面和硬齿面两种齿轮。
(1)软齿面齿轮对于强度、速度和精度要求不高的齿轮传动,可采用软齿面齿轮。
软齿面齿轮的齿面硬度低于350HBS,热处理方法为调制或正火,常用材料为45和40Cr等。
加工方法一般为热处理后切齿,切制后即为成品,精度等级一般为8级。
(2)硬齿面齿轮硬齿面齿轮硬度大于350HBS。
高速、重载及精密机械(如精密机床、航空发动机等)采用硬齿面齿轮传动。
材料通常选用20Cr,20CrMnTi,40Cr,38CrMoAlA等,经过表面硬化处理,齿面可得到很高的硬度。
加工方法一般为先切齿,然后表面硬化处理,最后进行磨齿等精加工,齿轮精度可达5级或6级,常用的表面硬化处理方法有表面淬火、渗碳淬火、氮化和氰化等。
机械手的齿轮传动对速度、精度、强度要求都不高,可以使用软齿面齿轮,材料则选择40Cr。
3机械手手部设计
3.1手部结构
机械手的手部结构采用夹钳式手部,其手部是由手指,传动结构和驱动结构三部分组成的。
采用两个手指,驱动装置为传动机构提供动力,驱动源为液压驱动装置。
3.2夹紧力计算
手指加在工件上的加紧力,是设计手部的重要依据。
在设计时,必须考虑到夹紧力克服重力所产生的静荷载(惯性力或惯性力矩),以使工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按下式计算:
Fn≥K1*K2*K3*G(3.1)
式中K1—安全系数,通常取1.2—2.0;
取K1=1.5;
K2—工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。
K2可近似按下式估算:
K2=1+a/g(3.2)
其中a—运载工件时重力方向上的最大上升加速度;
g—重力加速度g=9.8m/s²
a=Vmax/t响
Vmax—运载工件时重力方向上的最大上升速度;
t响—系统达到最高速度的时间,根据设计参数,一般取0.03—0.5s;
取t响=0.5s
K3—方位系数,根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选
定,按工业机械手设计表2-2读取;
K3=0.5
G—被抓取工件所受重力(N),G=10kg/N
Vmax=πr/t=3.14*0.155/1.25=0.39/s²
-1
K2=1+a/g=1+0.39/0.5/9.8=1.08m/s²
∴Fn=1.5*1.08*0.5*10*9.8=79.38N
3.3夹持误差
机械手能否准确夹持工件,把工件送到指定位置,不仅取决于机械手定位精度(由臂部和腕部等运动部件确定),而且也与手指的夹持误差大小有关。
若工件的半径Rmax变化到Rmin时,X值的变化量即为夹持误差。
用“∆”。
由于刀具刀柄直径相同,并且机械手只夹持刀具,半径不发生变化,因此夹持误差为0,满足1mm定位精度要求。
3.4机械手腕部设计
已知刀具直径56.25mm,长度200mm,重10kg,当手爪夹持在重心位置回转180°
时:
(1)把手爪驱动机构看成一个等效长方体,宽为108mm,长为310mm,高为180mm,
其所受重力为G=200N;
(2)摩檫力矩M摩=0.1m;
(3)启动过程所转过的角度Ф启=18º
=0.314rad,w=2.51s
M惯=(J+J工件)w²
/2Ф启
J=mR²
/2=1/2*200/9.8*(0.018²
+0.31²
)=0.984Nms²
(3.3)
J工件=m(I²
+3R²
)/12=10*(0.2²
+3*0.028²
)/12=0.0353Nm
带入M惯=(0.984+0.353)*2.51²
/2*3.14=10.2Nm
M摩=0.1NmM偏=0
∴M=M摩+M惯=0.1+10.2=10.3Nm
3.5手臂的设计计算
(1)左到右的液压缸的设计计算:
液压缸活塞的驱动力计算:
F=F摩+F密+F惯+F回(3.4)
F摩—摩擦阻力
F密—密封装置处的摩擦阻力;
F惯—启动或制动时,活塞杆所受平均惯性力
F回—液压缸回油腔低压处造成阻力
机械手总重800N,手臂不参与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑前端的距离
为75mm,导向支撑为15mm。
∵F摩uG总u—当量摩擦系数
U=(4/π〜π/2)u=(1.27〜1.57)u(3.5)
钢对铸铁取u=0.18〜0.3,取u=0.2
∴F摩=0.26*800=208N
F密计算:
液压缸工作压力小于10Mpa,活塞杆直径为液压缸直径的一半,活塞与活塞杆外都用‘O’型密封圈。
∴F封1=pπdI(3.6)
p—工作压力,p=4Mpa
d—活塞直径为32mm,I—密封有效长度.
∴F封2=0.03F
∴I=d0*2k-k²
∵k=0.08〜0.14取k=0.08,d0=0.018
I=0.18*2*0.08-0.08*0.08=0.007m
∴F封1=4*106π*0.032*0.007=2813.44N
F封2=0.03F=0.03*P*π*R²
=0.03*4*106*π*0.016²
=96.46N
∴F回=F封1+F封2=2813.44+99.46=2909.9N
F回计算,∵背压为0,∴F回=0
F惯的计算F惯=G总∆V/8∆t(3.7)
G总:
参与运动的零件的总动力,∆V由静止加速到常速的变化量∆V=0.094m/s
△t起动过程中时间取0.01~0.5s取t=0.5s
∴F惯=ma=80×
0.094/0.5=15.04N
∴F总=F惯+F摩+F回=15.04+208+2909.9=3132.94N
3.6液压缸系统设计
液压系统相对于机械传动来说,是一门新兴的技术。
人类使用水力机械及液压技术虽然已有很长的历史,但是液压技术在机械领域中得以应用并取得迅速发展则是本世纪,特别是第二次世界大战以来的事。
由于液压传动具有许多突出的优点,因而目前已广泛的应用在工、农业机械、机床、交通运输、路地行走设备、船舶控制、火炮控制、飞机、导弹等各方面。
3.6.1液压系统的工作原理
液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能:
油液被输送到液压缸(或液压马达)后,又由液压缸(或液压马达)把油液的压力能变为直线式(或回转式)的机械能输出。
液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。
液压系统必须满足其执行元件在力和速度方面的要求。
3.6.2液压传动的工作特性
液压系统工作是外界负载越大(在有效承压面积一定的前提下)所需要的压力也越大,反之亦然。
因此液压系统的由压力(简称系统的压力,下同)大小取决于外界负载。
负载大,系统压力大;
负载小,系统压力小;
负载为零,系统压力为零。
另外,活塞或工作台的运动速度(简称系统的速度,下同)取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中油液的体积即流量。
流量越大(在有效承压面积一定的前提下)系统的速度越快,反之亦然。
流量为零,系统的速度亦为零。
液压系统的压力和外在负载,,速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性。
3.6.3自动上料机械手液压系统
如图5.2-1所示,该系统采用双联叶片泵(YB-35/18)驱动,其系统压力为30公斤力/厘米²
,邮箱容积为250升。
机械手手臂伸缩、升降时为得到较高速度,两泵同时供油,其余动作仅小泵供油,大泵自动卸荷。
手臂伸缩、升降、回转及手腕回转,采用单向调速阀(QI-63B、QI-25B、QI-10B)回程节流调速。
手臂升降液压支路设置有单向顺序阀(XI-63B),用来防止手臂升起后工作时因自重而下滑,故起支撑作用。
手指夹紧油路装置有液控单向阀(IY-25B),用来防止因油路压力波动(特别是油压下降时)引起夹持力的降低,确保加持共建牢固。
减压阀(J-10B)在系统中既可供给定位油缸所要求的低压油(15~18公斤力/厘米²
),又可作为电液换向阀(34DY-63B)的控制支路。
图5液压系统及电路
3.4.7液压缸计算
液压缸内径计算:
油进入无杆腔F=F1η=P*Пd2/4η(3.8)
油进入有杆腔F=F2η=P*π(D2–d2)/4η(3.9)
P—工作压力P=4Mpa
η—液压缸机械效率,一般取η=0.95
D—液压缸内径F—理论推力
D—活塞杆直径
1/2
∴D=(4F/πPη)=0.032m
按<
机械设计手册>
表19-6-3液压缸内径系列取
D=32mm
由于公称压力为P=4MPa<
10MPa,∴取ψ=1.33(3.10)
ψ=v2/v1=A1/A2=π/4D2/[π/4(D2–d2)]=D2/D2-d2
ψ—液压缸活塞往复运动时的速比
则d=(D2–D2/1.33)1/2=0.0159m
按表19-6-3活塞肛直径系列,取d=16mm
由于液压缸的工作时间t=πD2s/4q
S—行程Q=流量m3/s
Q=πD2s/4=π*0.0322*0.13/4=76*10-6m3/s
3.4.8液压缸壁厚计算
1.一般按壁厚缸筒公式计算t≥PD/2p[σ](3.11)
t=(45-32)/2=6.5mm
P—液压缸内工作压力Pa
D—液压缸内径m
δP—刚体材料许用拉应力
δP=[δs]/ss为安全系数,推荐在3.5~5范围内
d选用,一般取S=5
由于缸体材料为锻钢δP=(110~120)MPa取δP=110MPa
∴t≥4*106*0.032/2*110*106=0.00058m<
6.5mm
∴满足要求
∵t/D=6.5/32=0.203>
1/10∴按壁厚公式校核
2.按壁厚公式计算:
t≥d/2[(δP+0.4P/δP-1.3p)1/2-1]=0.0005m=0.5mm<
∴满足要求(3.12)
3.按强度条件验算活塞杆直径d(L≤10d)时
d≥(4F1/πδp)l/2(3.13)
F1—活塞杆推力,
L—活塞杆长度
δp—活塞杆材料的许用应力
δp=δs/sδs—材料屈服极限s为安全系数,取s=2
δs=300N/mm∴δp=150N/mm
d≥(4*3132.94/150π)=5.16<
∵l=150mm<
10d=160mm
∴受压柱塞式活塞杆无须做压杆稳定性计算
4.液压缸零件的连接计算:
缸体与缸盖用法兰连接的螺栓计算
合成应力:
δn=δ=KF1/ASZ1PA(3.14)
Z:
螺栓数量,X=4
AS—螺栓螺纹部分危险剖面
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 课程设计 说明书