轮辐磨边机送料装置设计说明书

济 南 大 学 泉 城 学 院毕 业 设 计题 目 轮辐磨边机送料装置设计 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级学 生学 号指导教师二一一 年 五 月 二十 日毕业设计11 前言1.1 轮辐磨边机轮辐磨边机是一种新型专业机械，专门用于辐板式钢制车轮辐表面毛刺的打磨工艺。该机能够实现自动送料、自动磨削、自动卸料等工序，对轮辐磨削实现全程自动打磨，提高了轮辐打磨的效率节约生产成本。通过工件的进给实现磨轮对辐板异性面的打磨。使用数控技术实现对工件进给运动的控制和实时监测。轮辐生产流程包括开卷矫直机构、剪板机、输送辊道、冲床、剪切机、轮辐运输装置，包装机。具体来说，整个轮辐生产工艺分为：圆筒形坯料备制；将圆筒形坯料在滚形机上滚形成形为轴向对称的、两端直径大、中间凹槽直径小的杯形在制品；将杯形在制品从中间切断成为两只相同的碗形在制品；在旋压机上将碗形在制品的底部旋压成形为平面，使整个工件成为碗形中间制品；冲中心工艺孔；旋压过渡曲线段和直线段；冲中心孔/螺栓孔、冲风孔；校平安装平面；车削加工中心孔 /安装平面/外圆/端面和压字。图 1.1 轮辐实物图轮辐加工流程中的磨边剪切工序，对轮辐产品的质量至关重要。由于轮辐粗加工完之后，表面会留有分布不均的毛刺，毛刺的存在对轮胎产品的密封性和使用性能造成了潜在隐患。因此有必要对轮辐进行磨边工序。1.2 送料装置送料机构是实现坯料、工件或产品传送到相应的加工、装配或测试、分类等操作工位上的自动执行机构 18。送料装置按其自动化程度可分为人工送料和自动送料两种。自动送料指的是送料装置接到送料指令后，自动松开、运走已加工工件，将待加工工件送入加工位置，并自动进行定位和夹紧。轮辐磨边流程中的送料装置设计，直接关系到磨边工序的批量化和自动化。采用自动化程度较高的送料系统能大大降低工人的劳动强度、节约原材料、提高产量、提毕业设计2高安全性等优点。适合企业机械化生产的要求。1.3 搬运机械手1.3.1 机械手简介机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门 8。20 世纪 40 年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50 年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。1.3.2 发展前景及方向 1（1）重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。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。重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。（2）模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的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油管的导向系统装置, 使机械手运动自如。模块化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。（3）机电一体化由“可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件 , 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”; 省配线的复合集成系统 , 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC 的输出功率在增大 , 由 PLC 直接控制线圈变得越来越可能。随着科学与技术的发展, 机械手的应用领域也不断扩大.目前, 机械手不仅应用于传毕业设计3统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中.如,水下机器人,抛光机器人,打毛刺机器人,擦玻璃机器人,高压线作业机器人,服装裁剪机器人,制衣机器人,管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人,作战机器人,侦察机器人,哨兵机器人,排雷机器人,布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业.而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。毕业设计42 送料机械手机械设计2.1 机械手的坐标与自由度选择工业机械手常用坐标形式大致可以分为以下 4 种 2：（1）直角坐标系：占用空间大，工作范围小，惯性大，自由度较少时使用；（2）圆柱坐标系：占用空间小，工作范围大，惯性大，但不能抓取底面物体；（3）球坐标系（极坐标系）：占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体；（4）多关节式坐标系：结构复杂，但可以绕障碍物选择路径 1。其中根据圆柱系所设计结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，加之该机构运动中既有直线运动，又有回转运动，故采用圆柱坐标系。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具) 的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,使机械手完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有 23 个自由度 7。经功能分析，送料机构所实现的运动大体如图所示 5：图 2.1 送料机构运动简图为完成如上动作，本设计关于机械手具有 6 个自由度：手爪张合；手部回转；手臂伸缩；手臂升降；手臂回转；手腕回转等 6 个主要运动。2.2 机械手的手部结构方案设计夹持式是最常见的一种，回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广毕业设计5泛。由于轮辐整体形状接近于圆柱型，机械手的设计采用夹持式。2.3 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。2.4 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。2.5 机械手的驱动方案设计采用液压传动，液压出力大，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，实现连续控制，使机械手用途更广，定位精度一般非常高，在1mm内。因此本机械手的驱动采用液压驱动方式。2.6 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。2.7 机械手的技术参数2.7.1 用途用于轮辐磨边机自动输送线的送料。2.7.2 设计技术参数 1（1）抓重：额定抓取重量活成额定负载，单位为 N。（2）自由度数目和坐标形式：整机有几个自由度，并说明坐标形式。（3）定位方式：固体机械挡块、可调机械挡块、行程开个，电位器及其各种位置设定和检测装置；各自由度所设定的位置数目或位置信息容量；电位控制或连续轨道控制。（4）驱动方式：气动、液动、电动和机械传动。（5）手臂运动参数：手臂伸缩、升降、回转、俯仰、摆动、横移的行程范围和速度，单位分别为 mm、()和 mm/s、()/s。（6）手指夹持范围(mm)和握力(N) 。（7）定位精度：位置设定精度及重复定位精度(mm)。毕业设计6（8）控制系统动力：电、气。（9）驱动源：气动的气压大小，液压的使用压力，液压泵规格，电动机功率，电动机类型、规格。（10）轮廓尺寸：长宽高(mm)。（11）重量：整机重量(kg)。（12）控制方式:点位程序控制（采用PLC）2.7.3 机械手设计给定参数表 2.1 机械手给定技术参数参数名称 数量 单位抓重 220 N夹持半径 150-350 mm升降行程 300 mm伸缩行程 800 mm回转角度 200 定位精度 1 mm升降伸缩速度 50 mm/s毕业设计73 手部结构设计3.1 夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 3.1.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种: 按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.2 设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力 (即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是两支点两指毕业设计8回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V 型。3.2 夹紧结构的相关计算3.2.1 夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算 12：（3.1）123NFKG式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取 1.22.0，取 1.5；1K工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情2况系数 , ，a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度0.2/1.98ag的绝对值（m/s） ；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，3K手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指与工件形状： V型指端夹持圆柱型工件，图 3.1， 为摩擦系数， 为 型手指半角，此处粗略计算 ,如图 3.1。30.5sinKffV34K被抓取工件的重量G求得夹紧力 ， ，取整为 1296N。NF123.510249.8126.KMgN3.2.2 驱动力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式 12：毕业设计9（3.2）2sinNFcba式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角a可得 ，得出 F为理2sin12968sin16428.934NFba Nc论计算值，实际采取的液压缸驱动力 F要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率 ，一般取 0.80.9，此处取 0.88，则：，取 。416245.83.Dmp1624F3.2.3 液压缸驱动力计算设计方案中楔块杠杆使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力 10：（3.3）2=4FDp推式中 D活塞直径d活塞杆直径p驱动压力，,已知液压缸驱动力 F，且F推 16240NK由于 10KN，故选工作压力 P=1MPa 据公式计算可得液压缸内径： 46245.83.Dmp根据液压设计手册,见表 3.1，圆整后取 D=50mm。表 3.1 液压缸的内径系列（JB826-66 ） （mm ）20 25 32 40 50 55 63 6570 75 80 85 90 95 100 105110 125 130 140 160 180 200 250毕业设计10活塞杆直径 d=0.5D=0.550mm=25mm活塞厚 B=(0.61.0)D 取 B=0.8D=0.850mm=40mm.缸筒长度 L(20 30)D 取 L 为 200mm活塞行程，当抓取 500mm 工件时，即手爪从张开 720mm 减小到 500mm，楔快向前移动大约 220mm。取液压缸行程 S=220mm。液压缸流量计算：放松时流量 SdDQ)(426125001.78/minqVAL夹紧时流量 epRm3.3 选用夹持器液压缸温州中冶液压气动有限公司所生产的轻型拉杆液压缸 型号为：MOB-B-50-83-FB，结构简图，外形尺寸及技术参数如下：表 3.2 夹持器液压缸技术参数受压面积( 2cm)工作压力使用温度范围允许最大速度效率传动介质缸径无杆腔 有杆腔速度比1MPa 10+8300 m/s 90%常规矿物液压油50mm12.5 8.6 1.45毕业设计11图 3.2 结构简图及外形尺寸3.4 手爪的夹持误差及分析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。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的毕业设计12定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，从而使夹持误差控制在较小的范围内，见图 3.3。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过 1m，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。图 3.3 夹持误差分析工件直径为 500mm，尺寸偏差 5m，则 ， ，ax25.Rmin247.5Rm。250epRm本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图 3.4。图 3.4 两支点回转型手指3.5 楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的力分析如下：毕业设计13图 3.6 楔块受力分析上图 3.6 中斜楔角， 时有增力作用；30滚子与斜楔面间当量摩擦角， ， 为滚子与转轴间的摩擦角，2 22tan()tandD为转轴直径， 为滚子外径， ， 为滚子与转轴间摩擦系数; dDf支点 至斜面垂线与杠杆的夹角；O杠杆驱动端杆长；l杠杆夹紧端杆长；杠杆传动机械效率3.5.1 斜楔的传动效率斜楔的传动效率 可由下式表示：（3.5）2sin=()22tantdD杠杆传动机械效率 取 0.834， 取 0.1， 取 0.5，则可得 = , 16.03，取整得 = 。290163.5.2 动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即 ，见图 3.7。290毕业设计14图 3.7 杠杆动作范围示意图如果 ，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所2以 必须大于 。此外，当 时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点 90在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。3.5.3 斜楔驱动行程与手指开闭范围当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为 L，此时对应的杠杆手指由 位置转到 位置，其驱动行程可用下式表示：12（3.6）212cos(cos)inilll杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：（3.7）12s()()l通常状态下， 在 左右范围内， 则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条290 1件可知最大 为 425-450mm,最小设定为 225mm.即 。已知 ，s 5(4250)s16可得 。274可知：楔块下边为 380mm，支点 O 距中心线 190mm，且有 ，解得：19()tgl60l3.5.4 与 的确定l斜楔传动比 可由下式表示：i（3.8）sinliL毕业设计15可知 一定时， 愈大， 愈大，且杠杆手指的转角 在 范围内增大时，li 90传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由 分配距离为：76l， 。30l46l3.5.5 确定1由前式得： (4502)5s， ，取 。17cos(6)cos(7416)150.6231503.5.6 确定L为沿斜面对称中心线方向的驱动行程。，取 。120.64MGeNm:偏 704L3.6 材料及连接件选择V 型指与夹持器连接选用圆柱销 /19.GBT，d=8mm, 需使用 2 个杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销 ，d=8mm, 需使用 2 个滚子与手指连接选用圆柱销 /.，d=6mm, 需使用 2 个以上材料均为钢，无淬火和表面处理楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径 12mm，螺距 p=1，旋合长度为10mm。毕业设计164 腕部4.1 腕部设计的基本要求手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的回转运动。（1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的轮辐，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。4.2 具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构如图 4.1 所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从 AA 剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）用螺钉，销钉和转轴 10 连接在一起，定片 8 则和缸体9 连接。压力油分别由油孔 5、7 进出油腔，实现手部 12 的旋转。旋转角的极限值由动、静片之间允许回转的角度来决定（一般小于 ） ，图中缸可回转 。腕部旋转位置270 90控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件（如本例为电位器，其轴安装在件 1 左端面的小孔）对所需位置进行检测并加以反馈控制。毕业设计17图 4.1 用一个回转液压缸实现腕部旋转结构图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂部连接，三根油管（一根供手部油管，两根供腕部回转液压缸）由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。本设计要求手腕回转 018，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动，参考上图 4.1 典型结构。4.3 腕部结构计算4.3.1 腕部回转力矩的计算 12腕部回转时，需要克服的阻力有：（1）腕部回转支承处的摩擦力矩 M摩12=()RfFD摩（4.1）式中 1RF， 2轴承处支反力（N） ，可由静力平衡方程求得 ;D, 轴承的直径（m） ；f轴承的摩擦系数，对于滚动轴承 f=0.01-0.02；对于滑动轴承 f=0.1。毕业设计18图 4.2 腕部回转力矩分析示意图为简化计算，取 ，如图 4.2 所示，其中， 为工件重量， 为手部重0.1M摩 总 阻 力 矩 G12量， 为手腕转动件重量。G3（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 M偏1=Ge偏（4.2）式中 e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离(m)，已知 e=1200mm.则 120.64MNm:偏（3）克服启动惯性所需的力矩 惯启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度 及启动过程转过的角度 启 按下式计算 3： =t惯 工 件 启（ J+）（4.3）式中 工 件J工件对手腕回转轴线的转动惯量 ；2ms:(N)手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量 ；手腕回转过程的角速度 ；1()st启 启动过程所需的时间 ，一般取 0.05-0.3s,此处取 0.1s.。手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为 500mm，直径500mm，其重力估算：,取 3001N.230.578/9.8/301.85GKgmNg等效圆柱体的转动惯量：22211.9.63GJMR工件的转动惯量，已知圆柱体工件 50,lm毕业设计1922(3)(30.5.)0.458311mJRl工 作要求工件在 0.5s 内旋转 90 度, 取平均角速度，即 =，代入得： 3.4()(9.560.8).731wMJ Nmt:惯 工 作 启360.7Nm:总 阻 力 矩解可得： .7总 阻 力 矩4.3.2 回转液压缸所驱动力矩计算回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩 M总如图 4.3，定片 1 与缸体 2 固连，动片 3 与转轴 5 固连，当 a, b 口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。图 4.3 回转缸简图图 4.4 回转液压缸计算图毕业设计20图 4.4 为回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩 M。2()RrpbrMdM总或 2()pbRr总（4.4）式中 总 手腕回转时的总的阻力矩 ()Nmp回转液压缸的工作压力（Pa）缸体内孔半径（m）r输出轴半径（m） ，设计时按 选取1.52Ddb动片宽度（m）上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。4.3.3 回转缸内径 D 计算由 M总 阻 力 矩 ，得： 2()pbRr总， 2Mrpb（4.5）为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用： 2bRr综合考虑，取值计算如下：r=16mm，R=40mm，b=50mm， P取值为 1Mpa，如图 4.5 所示。图 4.5 动定片尺寸图4.3.4 液压缸盖螺钉的计算 12毕业设计21图 4.6 缸盖螺钉间距示意表 4.1 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系工作压力 P（Mpa） 螺钉的间距 t(mm)0.51:小于 1502小于 120小于 100.小于 80上图中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：F总 预，即工作拉力与残余预紧力之和计算如下：液压缸工作压强为 P=1Mpa,所以螺钉间距 t小于 150mm,试选择 2 个螺钉，0.8.1256.1504Dmm，所以选择螺钉数目合适 Z=2 个 受力截面22283.34614SRr610.167.8PFNZ所 以 ，K预，此处连接要求有密封性，故 k 取（1.5-1.8） ，取 K=1.6。 .27.8432.5预所以 684=96.38总 预螺钉材料选择 Q235，2401.5sMPan则，安全系数 n 取 1.5（1.5-2.2）毕业设计22螺钉的直径由下式得出 41.3Fd，F 为总拉力即 F总 6.589.37.1410m螺钉的直径选择 d=8mm.4.3.5 静片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图 4.4。连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： 20()4PbDdMfFZi摩（4.6）0F为预紧力, f为接合面摩擦系数，取（0.10-0.16）范围的 0.15，即钢和铸铁零件，i为接合面数，取 i=2，Z 为螺钉数目，取 Z=2，D 为静片的外径，d 为输出轴直径，则可得： 204bpFZfi螺钉的强度条件为： 01d带入有关数据，得： 62 2200.40.8.396.5415bpFDd NZfi螺钉材料选择 Q235，则1.sMpan（安全系数 1.25n:）螺钉的直径 04.398Fdm，d 值极小，取 6dm。螺钉选择 M6 的开槽盘头螺钉， /67GBT 54,如图 4.7：图 4.7 螺钉尺寸毕业设计234.3.6 腕部轴承选择腕部材料选择 HT200， 37.9gcm，估计轴承所受径向载荷为 50N,轴向载荷较小，忽略。两处均选用深沟球轴承。现校核较小轴径处轴承。6005 轴承基本数据如下：10rcKN，当量动载荷 prfF，载荷系数 pf取 1， 50rFN，则 50p，由公式：6()hLnpN 为转速，由 0.5s 完成 90回转，计算得： 60minr， rc，球轴承 3代入得： 63910()2.415hLh，远大于轴承额定寿命 61h。选用轴承为深沟球轴承 6005，6008。4.3.7 材料及连接件，密封件选择右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹， /5783GBT， 16M,需用4 个。右缸盖与缸体连接选用六角头螺栓，全螺纹， /5783T， 16,需用 4 个。左缸盖与缸体及法兰盘连接选用六角头螺栓，全螺纹， /， ,需用 4 个。选用垫圈防松， /84GBT，公称尺寸为 5。右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹， /5783GBT， 16M,需用4 个。为定位作用，轴左侧增加一个套筒，材料为 HT200，尺寸如下：图 4.8 套筒尺寸动片与输出轴连接选用六角头螺栓 全螺纹， /5783GBT ， 16M 需用 2 个。密封件选择：全部选用毡圈油环密封，材料为半粗羊毛毡；右端盖 d=40mm, 左右缸盖 d=25mm。济南大学泉城学院毕业设计245 伸缩臂设计5.1 伸缩臂设计基本要求设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作。（1）功能性的要求机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。（2）适应性的要求为便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设置可调式定位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进电机通过程序设计改变运动速度，力矩电机通过调整工作电压，改变堵力矩的大小，达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。（3）可靠性的要求可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。（4）寿命的要求产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。（5）经济的要求机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。（6）人机工程学的要求人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。（7）安全保护和自动报警的要求按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。设计参数如下：济南大学泉城学院毕业设计25（1）伸缩长度：800mm；（2）单方向伸缩时间：1.52.5S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于 2mm；（4）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；5.2 方案设计液压驱动方案（1）伸缩原理采用单出杆双作用液压油缸，手臂伸出时采用单向调速阀进行回油节流调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲（也可采用缓冲油缸） ，靠油缸行程极限定位，采用导向杆导向防止转动，采用电液换向阀，控制伸缩方向。图 5.1 伸缩臂运动简图（2）液压系统的设计计算液压控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参考液压传动与控制等相关教材。由于伸缩臂做间歇式往复运动，有较大的冲击，设计时要考虑缓冲措施，可从液压回路设计上考虑，也可从液压件结构上考虑。设计计算参数及要求： 电磁阀流量：要满足伸缩速度的要求。 油缸直径：推力大小要能克服机构起动惯性并有一定的起动加速度，要满足运动时间要求。 导向杆刚度：按最长伸出时机械手端部的挠度不超过规定要求。 定位方式和元件：自选。（3）结构方案设计及强度和刚度计算伸缩臂运动简图见图 5.1。 结构方案说明济南大学泉城学院毕业设计26a：支座 1 安装在机器人床身上，用于安装伸缩臂油缸和导向杆等零部件。b：法兰 4 用于安装机械手，其形式和尺寸要与机械手相协调。c：液压缸伸出杆带动导向杆同时伸出 800mm，伸出长度较大，设计、制造和安装时要考虑液压缸与导向杆的平行度要求。d：导向杆可采用直线导轨或直线导轴。直线导轨可选用外购件，直接从生产厂家的有关资料中获得所需参数（网上查询直线导轨、直线导轴） 。采用直线导轴时可自行设计，并且要考虑导向杆的润滑，润滑方式参考有关手册设计。 强度及刚度计算本机械手夹持工件重量约 22Kg 左右，夹持器重量约 110Kg，夹持器长度最大约1200mm。从受力角度分析，载荷不大，可参考其它机器作类比设计即可。伸缩臂的机构力学模型如图 5.2 所示。夹持器夹着工件，伸缩臂全部伸出，是导杆受力最大的状态,也是变形最大的位置。在此情况下，用材料力学的知识计算它的强度和刚度。图 5.2 伸缩臂机构力学模型5.3 伸缩臂液压缸参数计算5.3.1 工作负载 R液压缸的工作负载 R 是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对液压缸产生的总阻力，即： img（5.1）式中： i工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力；m工作机构在满载启动时的静摩擦力；gR工作机构满载启动时的惯性力。(1) i的确定 工件的质量 m 2vrh=22 (kg) （5.2）夹持器的质量 110kg(已知)伸缩臂的质量 400kg(估计)济南大学泉城学院毕业设计27其他部件的质量 220kg(估计)工作机构荷重： Ri=(22+110+400+110)*10=6420(N) 故 Ri=6420N(2) 的确定 mR= （5.3） 6420.184()iuN:(3) 的确定 g（5.4）.()GVt式中： t为启动时间，其加速时间约为 0.10.5st=0.1s , =0.2s总负载 R=Ri+Rg+Rm=6420+1284+1284=8988(N) 取实际负载为 R =9000N 5.3.2 液压缸缸筒内径 D 的确定490173.RDmpMpa式中：R=9000 N10000 N, p 可取 0.81 , p=1Mpa取液压缸缸筒内径为 108mm。5.3.3 活塞杆设计参数及校核(1)活塞杆材料：选择 45 号调质钢，其抗拉强度 b=570 pa(2)活塞杆的直径：查液压传动设计手册得，当压力小于 10Mpa 时，速比 =1.33。则可选取活塞杆直径为 50mm 系列，且缸筒的厚度为 5mm。 最小导向长度： 801652lDHm(3)活塞杆强度及压杆稳定性的计算 采用非等截面计算法 油缸稳定性的计算因为油缸的工作行程较大，则在油缸活塞杆全部伸出时，计算油缸受最大作用力压缩时油缸的稳定性。假设油缸的活塞杆的推理为 P，油缸稳定的极限应力为 Pk，则油缸稳定性的条件为PPk。 Pk 按下式得到：)()(12kgfJpkk（5.5）式中： 1Jpk可按液压传动设计手册得到济南大学泉城学院毕业设计28641dJ； 64)(12DJ 式中： 为活塞杆直径1D为缸体外径。D 为缸体内径。所以， 2150.654J22(18)3.41所以 15.6.0J2 、 为长度 2l、 1上的断面惯性矩。查 时极限力的计算图，可由 且 查得901Jpk1J21l80lm（其中， l：活塞杆头部至油缸 A 点处的距离（cm）2l:缸体尾部至油缸 A 点处的距离（cm） ） 。所以： Nkgfpk6210.65.190。所油缸的稳定性是满足条件的。 活塞杆强度的计算（E：材料的弹性模量）刚的弹性模量为 E200Mpa。液压传动与控制查得： 4905.17063.4sRd所以活塞杆强度是满足条件的。 5.3.4 缸筒设计参数及校核(1)缸筒材料：选择 ZG310-570 铸钢,其抗拉强度 b=570 aMp （5.6）(2)缸筒壁厚 及校核：取壁厚 =5mm 因此属于普通壁厚50.80.46.31D缸筒壁厚的校核 max2.spD式中： maxp-缸筒内最高工作压力； ax=7 paMs-材料的许用应力 57014bs-材料的安全系数 =5济南大学泉城学院毕业设计29max7401.62.32.3sPDmp校核 符合要求(3)缸筒外径： 1081m5.3.5 缸底设计参数及校核(1)缸底材料：选择 Q235 碳素结构钢，其抗拉强度 b375460 aMp(2)缸底厚度 max70.50.544.28603sPDmm 取缸底厚度为 5mm5.3.6 油缸零件的连接计算首先确定油缸缸筒与缸盖采用螺纹连接;缸筒与缸底的连接此处选用焊接方式，此种方式能够使液压缸紧凑牢固。（1）缸筒螺纹处的强度计算：螺纹处的拉应力：/)(4/221cmkgfDdp（5.7）螺纹处的剪应力：/)(.02140fk（5.8） 合成应力： /322cmkgfn（5.9）许用应力：/ckfs式中：P:油缸的最大推力kgf;D:油缸内径cm;0d：螺纹直径cm ；1：螺纹内径，当采用普通螺纹时（GB196-63）时，可近似按下式t24.0（t 螺距cm ）;K:螺纹预紧力系数，去 K1.251.5；1k：螺纹那摩擦系数（0.070.2） ，一般取 1k0.12；s：缸筒材料的屈服极限。n: 安全系数，取 n=1.2-2.5,一般取 n=1.75.由前面计算可得：D=40mm=4cm ，则查机械设计课程设计手册 ，采用普通螺纹基本尺寸（GB/T196-2003）公称直径第二系列 4.8，可得螺距 t=0.4cm; 0d=4.8cm .济南大学泉城学院毕业设计30所以， cmd31.402.1841。 K 取 1.5，.01k， /3522ckgfMpasn:取 1.75。所以： /138.74)31.4(/0)(4/ 2221 cmkgfDdk /5.0.5.)(.0 24140 fp /32.76.103.73 2222 ckgfn /94/5. mfcmkgfMpan,满足强度条件。（2）缸筒与缸底的焊接强度计算 /3.1207.)5.4(10)(4 2221 ckgfdDpP:油缸推力kgf:焊缝效率，可取 0.7b：焊条材料得抗拉强度 2/cmkgfn:安全系数，取 n3.34并查到焊条材料的抗拉强度为 900Mpa1200Mpa(手工焊条)，因此缸体与缸底得焊缝强度是满足要求得。5.3.7 液压油缸其他零件结构尺寸得确定由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压力为 2.0 。Mpa液压缸的基本形式如下图 5.3 所示：济南大学泉城学院毕业设计31图 5.3 液压缸基本形式整个油缸安装在下部伸缩臂基座上。（1）活塞与活塞杆得连接结构：油缸在一般工作条件下，活塞与活塞杆采用螺纹连接。其形式如图 5.4 所示图 5.4 活塞和活塞杆连接结构（2）活塞杆导向套：做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定，材料选用铸铁材料。基本结构如图 5.5 所示：图 5.5 活塞杆导向套图 5.5 中：1 为缸盖，2 为橡胶防尘圈，3 为活塞杆，4 为活塞杆导向套。（3）活塞与缸体得密封。济南大学泉城学院毕业设计32采用 O 型密封圈密封。选用 36.5 内径，截面直径为 3.55 10.mm.其基本形式如图 5.6 所示。图 5.6 活塞与缸体密封结构图 5.6 中：1 即为 O 型密封圈，2 则为活塞。活塞与缸体之间靠 O 型密封圈密封。（4）活塞杆端部结构形式及尺寸端部结构形式有：外螺纹的，内螺纹的，光滑的，球形，耳环等等。此处因活塞杆固定，选用外螺纹连接形式。其基本结构如图 5.7 所示：图 5.7 活塞杆端部结构图 5.7 中各尺寸可查液压传动设计手册得，当 d20mm 时， 1d取 5.6M.L=(1.21.5) , 1d1(.25).624Ldm5.4 导向杆机构设计5.4.1 导向机构的作用导向机构的作用是保证液压缸活塞杆伸出时的方向性，提供机构刚度，保证伸缩量的准确性。5.4.2 导向机构的外形尺寸及材料导向选择矩形导轨导向，导轨为伸缩臂基座上得一部分，经加工而成；滑台则在其上滑动且滑台得端部靠法兰安装夹持器部分。材料选择为 45 号钢.，如图 5.8 所示：济南大学泉城学院毕业设计33图 5.8 导向机构图 5.8 中：1 为滑台，2 为伸缩臂基座，3 为矩形导轨的压板。此处矩形导轨是直接在基座上加工出来的，滑台在导轨面上滑动，靠压板来固定调节。基座臂厚为 10mm.。5.4.3 矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核(1)导轨的弯曲应力 maxzMW（5.10） Npl1503.0 622 17.46.bhZpaZ9.107.4max 符合要求。因为只计算了一边得矩形导轨，由结构可知还有另外一边得导轨支撑，故满足条件。(2)杆的挠度 此杆为一悬臂梁，根据简单载荷作用下梁的挠度和转角公式： 2plEI，3lfI（5.11）式中：EI 是截面抗弯刚度 62108.bh03.108.23563Bf本式计算是完全把载荷加在导轨上，实际是载荷由导轨和活塞杆共同承受，所以导向杆的挠度会更小，符合设计要求。转角 radEIpl 06.108.2532= 4.3 符合要求。济南大学泉城学院毕业设计34(3)导轨的表面处理及润滑导轨表面淬火，可以提高表面硬度增加导向杆的耐磨性，也可以保证导向杆的韧性，同时需要精加工以提高导轨的精度要求；导轨的润滑可采用润滑脂润滑，或是采用润滑油润滑。此处采用润滑脂润滑。伸缩臂基座与升降臂相连靠伸缩臂基座底部的法兰。其上有 4 个 M12 的内六角圆柱头螺钉。5.4.4 伸缩臂范围控制与调整伸缩臂伸缩范围控制靠行程开关与活动挡块，这里特别解释如下：设备附件活动挡块，它用在当设备安装好后，可以靠它在小范围内调节臂的伸长量。此活动挡块可套装在导向杆上，a 处可以压住行程开关压柱，从而压动行程开关使行程开关实现动作。此外除上述调节外，还可以调节连接件的旋入导向杆和液压活塞杆的长度，实现对伸长度的微调。保证把工件精确地放在加工机床作业台上。行程开关使用 LXW4-11型微型开关。济南大学泉城学院毕业设计356 驱动系统6.1 驱动系统设计要求本次设计的工业机械手属坐标式液压驱动机械手。具有手臂伸缩，回转，升降，手腕回转，手部回转和手爪松合 6 个自由度。因此，相应地有手腕回转机构、手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构等构成。各部分均用液压缸或液压马达驱动与控制。设计要求：（1）满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个动作均由电控系统发讯号控