棒料抓装机械手的设计-毕业设计

毕业设计设计题目设计题目棒料抓装机械手的设计图5.1回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图5.2机身回转机构的设计计算（1）回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡。惯性力矩的计算式中——回转缸动片角速度变化量（），在起动过程中=；t——起动过程的时间(s);——手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（）。由于参与回转的零件形状、尺寸和重量各不相同，所以计算比较复杂，为了简化计算，可将形状复杂的形体简化成几个简单形体，分别计算，然后将各值相加，即是复杂零件对回转轴的转动惯量。本案中手臂回转零件的重心与回转轴不重合，其零件对转动轴的转动惯量为式中——回转零件对过重心轴线的转动惯量，由于回转零件的不同，计算公式不同，针对本案，回转部件可以等效为一个长l=0.8m，半径R=0.04m的圆柱体，重量为40kg的圆柱体。回转件的重心到回转轴线的距离。针对本案，估计=0.7m回转件的重量，针对本案，估计G=80kg。起动角速度=1.57，起动时间设计为0.1s。密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算=223.9回转缸尺寸的初步确定设计回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为1Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,根据4.3.3，则回转缸的内径通过下列计算：既设计液压缸的内径为128.7mm,根据表3-3选择液压缸的基本外径尺寸160mm。则回转轴径d=160/2.5=64mm动片宽b=D=160mm液压缸盖螺钉的计算根据表4-1所示，因为回转缸的工作压力为1Mpa,所以螺钉间距t小于150mm,根据初步估算，选取螺钉中心线D=200mm,，,所以缸盖螺钉的数目为（一个面6个，两个面是12个）。危险截面所以，工作载荷：剩余预紧力：螺钉在危险剖面上承受的拉力：螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径螺钉的直径选择d=10mm.选择M10的内六角螺钉。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5.2所示，内径为160mm，外径为180mm，输出轴径为64mm，图5.2回转缸的截面图动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构如图6.2。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。于是得式中——每个螺钉预紧力；D——动片的外径；f——被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15螺钉的强度条件为或带入有关数据，得螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径螺钉的直径选择d=8mm.选择M8的内六角螺钉。5.3机身升降机构的计算5.3.1手臂偏重力矩的计算零件重量、、、等。现在对机械手手臂做粗略估算：总共=30Kg+++=105Kg(2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离。=1000mm=1000mm=300mm(6.6)所以，回转半径767mm(3)计算偏重力矩5.3.2升降不自锁条件分析计算参考图5.1，手臂在的作用下有向下的趋势，而立柱导套有防止这种趋势。由力的平衡条件有，所谓的不自锁条件就是升降立柱能在导套内自由下滑，即：即：取摩擦系数则：当=767mm时，0.32=245.44mm因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于245.44mm5.3.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算式中摩擦阻力，参考图5.1取f=0.16G——零件及工件所受的总重。（1）的计算设定速度为V=0.07m/s;起动或制动的时间差t=0.02s;近似估算为140Kg;将数据带入上面公式有：（2）的计算（3）液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算最后通过以上计算当液压缸向上驱动时，P=(490+1372+140×9.8)/0.97=3334N当液压缸向下驱动时，F=(490+1372-140×9.8)/0.97=505N5.3.4油缸结构尺寸的确定参考图5.2当油进入无杆腔，当油进入有杆腔中，液压缸的有效面积：故有（无杆腔）（有杆腔）式中P活塞的驱动力(N)P1油缸的工作压力(MPa)d活塞杆直径(mm),本案初设d=D/3D油缸内径(mm)η油缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.96据上述计算，P=3334NP1=1MPa，按有杆腔进行计算，其结果必然满足无杆腔的力学要求。将有关数据代入：根据表3-2油缸内径系列（GB/T2348-93），选择标准液压缸内径，D=100mm.活塞杆直径d=50/3=33.33mm，圆整为d=40mm。液压缸外径的设计本案液压缸考虑铸造结构，考虑到铸造的最小壁厚要求，故最小不小于3mm，而驱动压力又较低，故厚度不超过10mm。按中等壁厚进行计算(16>D/δ>3.2)：式中强度系数(当为无缝钢管时取值为1，本案为铸造式，取值0.7)C计入管壁公差及侵蚀的附加厚度油缸材料的许用应力(MPa)；，其中为油缸材料的抗拉强度，n为安全系数，一般n=3～5一般常用缸体材料的许用应力为：锻钢=110～120MPa铸钢=60MPa无缝管=100～110MPa代入数据：圆整为5mm，即缸体外径110mm。第六章液压系统6.1液压系统的设计6.1.1机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。6.1.2液压传动系统主要由以下几个部分组成：=1\*GB3①油泵它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。=2\*GB3②液动机压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于360°的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。=3\*GB3③控制调节装置各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。6.2机械手液压系统的控制回路机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。6.2.1=1\*GB3①调压回路在采用定量泵的液压系统中，为控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余的油液溢流回油箱。=2\*GB3②卸荷回路在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，所以采用卸荷回路。此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。=3\*GB3③减压回路为了是机械手的液压系统局部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联一个减压阀，以获得比系统压力更低的压力。=4\*GB3④平衡与锁紧回路在机械液压系统中，为防止垂直机构因自重而任意下降，可采用平衡回路将垂直机构的自重给以平衡。为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。=5\*GB3⑤油泵出口处接单向阀在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压系统工作时，油泵向系统供应高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油泵的磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵时间的联系，从而起到保护油缸的作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，防止系统的油液通过油泵流回油箱，避免空气混入，以保证启动时的平稳性。6.2.2速度控制回路液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量Q。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用LI型单向节流阀、LCI型单向节流阀或QI型单向调速阀等进行调节。节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。6.2.3方向控制回路在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D型）和直流电磁阀（E型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为220V（也有380V或36V），直流电磁阀的使用电压一般为24V（或110V）。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。6.3机械手的液压传动系统液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械手动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。绘制液压系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布置中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装置，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图。6.3.1本液压传动上料机械手主要是从一个地方拿到工件后，横移一定的距离后把工件给立式精锻机进行加工。它的动作顺序是：待料（即起始位置。手指闭合，待夹料立放）→插定位销→手臂前伸→手指张开→手指夹料→手臂上升→手臂缩回→立柱横移→手腕回转115°→拔定位销→手臂回转115°→插定位销→手臂前伸→手臂中停（此时立式精锻机的卡头下降→卡头夹料，大泵卸荷）→手指松开（此时精锻机的卡头夹着料上升）→手指闭合→手臂缩回→手臂下降→手腕反转（手腕复位）→拔定位销→手臂反转（上料机械手复位）→立柱回移（回到起始位置）→待料（一个循环结束）卸荷。上述动作均由电控系统发信控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作而实现的。该电控系统的步进控制环节采用步进选线器，其步进动作是在每一步动作完成后，使行程开关的触点闭合或依据每一步动作的预设停留时间，使时间继电器动作而发信，使步进器顺序“跳步”控制电磁阀的电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作（见电磁铁动作程序表）实现液压系统的自动控制。6.3.图9机械手液压系统图液压系统原理如图8所示。该系统选用功率N=7.5千瓦的电动机，带动双联叶片泵YB-35/18，其公称压力为60*10帕，流量为35升/分+18升/分=53升/分，系统压力调节为30*10帕，油箱容积选为250升。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同时供油；手臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有小油泵供油，大泵自动卸荷。手臂伸缩、手臂升降、手臂回转、手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程节流，因而速度可调，工作平稳。手臂升降油缸支路设置有单向顺序阀（XI-63B），可以调整顺序阀的弹簧力使之在活塞、活塞杆及其所支承的手臂等自重所引起的油液压力作用下仍保持断路。工作时油泵输出的压力油进入升降油缸上腔，作用在顺序阀的压力增加使之接通，活塞便向下运动。当活塞要上升时，压力油液经单向阀进入升降油缸下腔而不会被顺序阀所阻，这样采用单向顺序阀克服手臂等自重，以防下滑，性能稳定可靠。手指夹紧油缸支路装有液控单向阀（IY-25B），使手指夹紧工件时不受系统压力波动的影响，保证保证手指夹持工件牢靠。当反向进油时，油箱通过控制油路将单向阀芯顶开，使回油路接通，油液流回油箱。在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支路前串有减压阀（J-10），使定位油缸获得适应压力为15—18*10帕，同时还给电液动滑阀（或称电液换向阀，34DY-63B）来实现，空载卸荷不致使油温升高。系统的压力由溢流阀来调节。此系统四个主压力油路的压力测量，是通过转换压力表开关（K-3B）的位置来实现的，被测量的四个主油路的压力值，分别从压力表（Y-60）上表示出来。下面以上料机械手的一个典型动作程序为例，结合图8来说明其动作循环。当电动机启动，带动双联叶片泵3和8回转，油液从油箱1中通过网式滤油器2和7，经过叶片泵被送到工作油路中去，如果机械手还未启动，则油液通过二位二通电磁阀5和10（电磁铁11DT和12DT通电）进行卸荷。当热棒料到达上料的位置后，由于1150℃6.4机械手液压系统的简单计算计算的主要内容是，根据执行机构所要求的输出力和运动速度，确定油缸的结构尺寸和所需流量、确定液压系统所需的油压与总的流量，以选择油泵的规格和选择油泵电动机的功率。确定各个控制阀的通流量和压力以及辅助装置的某些参数等。在本机械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式油缸（可以使输出轴得到小于360°的往复回转运动）及无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）。6.4.1双作用单杆活塞油缸图10双作用单杆活塞杆油缸计算简图=1\*GB3①流量、驱动力的计算当压力油输入无杆腔，使活塞以速度V1运动时所需输入油缸的流量Q1为Q1=DV1对于手臂伸缩油缸：Q1=0.98cm/s，对于手指夹紧油缸：Q1=1.02cm/s,对于手臂升降油缸：Q1=0.83cm/s油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P1即油缸的驱动力为：P1=Dp1对于手臂伸缩油缸：p1=196N，对于手指夹紧油缸：p1=126N，对于手臂升降油缸：p1=320N当压力油输入有杆腔，使活塞以速度V2运动时所需输入油缸的流量Q2为：Q2=（D-d）V2对于手臂伸缩油缸：Q1=0.87cm/s，对于手指夹紧油缸：Q1=0.96cm/s,对于手臂升降油缸：Q1=0.72cm/s油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P2即油缸的驱动力为：P2=（D-d）p1对于手臂伸缩油缸：p1=172N，对于手指夹紧油缸：p1=108N，对于手臂升降油缸：p1=305N=2\*GB3②计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P为P=P工+P导+P封+P惯+P回其中P工为工作阻力P导导向装置处的摩擦阻力P封密封装置处的摩擦阻力P惯惯性阻力P回背压阻力P=83+125+66+80+208=562(N)=3\*GB3③确定油缸的结构尺寸=1\*GB4㈠油缸内径的计算油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即P=P1（无杆腔）=P2（有杆腔）油缸（即活塞）的直径可由下式计算D==1.13厘米（无杆腔）对于手臂伸缩油缸：D=50mm，对于手指夹紧油缸：D=30mm，对于手臂升降油缸：D=80mm，对于立柱横移油缸：D=40mm或D=厘米（有杆腔）=2\*GB4㈡油缸壁厚的计算：依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算：=厘米P计为计算压力油缸材料的许用应力。对于手臂伸缩油缸：=6mm，对于手指夹紧油缸：=17mm，对于手臂升降油缸：=16mm,对于立柱横移油缸:=17mm=3\*GB4㈢活塞杆的计算可按强度条件决定活塞直径d。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即=≦即d≧厘米对于手臂伸缩油缸：d=30mm，对于手指夹紧油缸：d=15mm，对于手臂升降油缸：d=50mm,对于立柱横移油缸:d=16mm6.4.在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，其计算简图如下：图12回转油缸计算简图=1\*GB3①流量、驱动力矩的计算当压力油输入回转油缸，使动片以角速度运动时，需要输入回转油缸的流量Q为：Q=当D=100mm,d=35mm,b=35mm,=0.95rad/s时Q=0.02m/s回转油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：M=得M=0.8(N·m)=2\*GB3②作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩MM=M工+M封+M惯+M回其中M工为工作阻力矩M封密封装置处的摩擦阻力矩M惯参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩M回回转油缸回油腔的背反力矩M=2.3+0.85+1.22+1.08=5.45(N·m)=3\*GB3③回转油缸内径的计算回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得：D=（厘米）D=30mm6.4.2油泵的选择一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力p泵和最大流量Q泵来确定。=1\*GB2⑴确定油泵的工作压力p泵p泵≧p+△p式中p——油缸的最大工作油压△p——压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失。p泵=60*10帕=2\*GB2⑵确定油泵的Q泵油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q最大，并考虑系统的总泄漏来确定Q泵=KQ最大其中K一般取1.10—1.25Q泵=53升/分6.4.3确定油泵电动机功率NN=（千瓦）式中p——油泵的最大工作压力Q——所选油泵的额定流量——油泵总效率N=7.5（千瓦）第七章PLC控制回路的设计7.1电磁铁动作顺序表1电磁铁的动作顺序表电磁铁电磁铁动作序号动作1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT11DT12DT13DT14DT1插定位销+2手臂前伸++3手指张开++4手指闭合+5手臂上升++6手臂回缩++7立柱横移++8手腕回转++9拔定位销10手臂回转+11插定位销+12手臂前伸+13手臂中停、大泵卸荷++14手指张开++15手指闭合+16手臂缩回++17手臂下降++18手腕反转++19拔定位销20手臂反转+21立柱回移+22待料卸荷++注：+表示电磁铁线圈通电7.2根据机械手的动作顺序表选定电磁阀、开关等现场器件相对应的PLC内部等效继电器的地址编号，其对照表如下：表2现场器件与PLC内部等效继电器对照表现场器件内部继电器地址说明输入1SB2SB3SB1ST2ST3ST4ST5ST6ST7ST8ST9ST10STX000X001X002X003X004X005X006X007X010X011X012X013X014启动按扭连续启动按扭连续停止按扭手腕回转限位开关手腕反转限位开关手臂回转限位开关手臂反转限位开关手臂上升限位开关手臂下降限位开关手臂前伸限位开关手臂缩回限位开关立柱横移限位开关立柱移回输出1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT11DT12DT13DT14DTHLY000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y010Y011Y012Y013Y014Y015Y016手臂前伸电磁阀手臂缩回电磁阀手指张开电磁阀手臂上升电磁阀手臂下降电磁阀手腕回转电磁阀手腕反转电磁阀定位油缸电磁阀手臂回转电磁阀手臂反转电磁阀卸荷电磁阀卸荷电磁阀立柱横移电磁阀立柱移回电磁阀工作指示灯7.3PLC与现场器件的实际连接图根据表2画出PLC与现场器件的实际连接图，如下所示图13PLC与现场器件的实际连接7.4梯形图满足机械手工艺流程的梯形图如下图所示：图14上料机械手梯形图7.5指令程序根据梯形图编写的指令程序如下：0LDX0011ORM02OUTM03OUTY0164LDX0015ORM16ANIM27ANIM38OUTM19LDX00210ORM211ANIM112OUTM813LDM114ORT715ANDM016ANIM217OUTM318LDM319ORY00720ANIM421ANIM522OUTT0K225OUTY00726LDT027ORY00128ANIX01129OUTY00130LDX01131ORY00232ANIT133OUTY00234OUTT1K237NOP38NOP39NOP40NOP41NOP42LDT143ORY00344AINX00745OUTY00346LDX00747ORY00148ANIX01249OUTY00150LDX01251ORY01452ANIX01353OUTY01454LDX01355ORY00556ANIX00357OUTY00558LDX00359MPS60ANIT261OUTT2K264MPP65ANIX00566OUTM467LDT268ORY01069ANIX00570OUTY01071LDX00572ANIT373OUTT376LDT377ORY00078ANIX01179OUTY00080LDX01181OUTT484ANIT485OUTY01286LDT487OUTT590ANIT591OUTY00292LDT593ORY00194ANIX01295OUTY00196LDX01297ORY00498ANIX01099OUTY004100LDX010101ORY006102ANIX004103OUTY006104LDX004105MPS106ANIT7107OUTM5108MPP109OUTT6K2112LDT6113ORY011114ANIX006115OUTY011116LDX006117ORY015118ANIX014119OUTY015120LDX014121OUTY011122OUTY012123OUTT7K5结论1、本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。2、采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。3、通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。4、机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。

致谢紧张而忙碌的设计即将结束，通过这次设计，我深深体会到做任何事情都要以仔细认真，踏实的态度去对待工作或生活之中的每件事情。要用科学而严谨的态度去完成自己的任务。在此，