毕业设计（论文）-立式精锻机自动上料机械手三维设计

.1，（5.6）可以得出则F=2147.12N5.4液压缸压力和结构的分析在已知驱动力之后，根据表3.1选择液压缸的工作压力P=1MPa。其结构示意图如图5.1。图5.1液压缸结构图此处液压缸的内径计算方式以及选定方式如同章节3.4，因此这里仅列出计算结果，过程不再详细叙述。解此方程可得出D2=61.8mm取D1，D2中的最大值，并根据液压缸推荐标准，取内外径标准值，则D=80mm，d=30mm。5.5手臂部分螺栓的设计根据回转机构进行分析，螺栓组是由6个承受横向载荷的螺栓连接，总受力为2147.12N，根据每个螺栓受力公式5.11可得每个螺栓受力为214.71N。（5.7）可得每个螺栓受力为214.71N。根据螺栓的预紧力公式5.12（5.8）为材料的摩擦系数，取值范围为，此处取值。f是接合面的摩擦系数，因为螺栓的材料为钢，同时查取参考文献11，得此处的摩擦系数为0.4，螺栓数量为6个，z=6，i为接合面数，结构中螺栓连接了两个面则有i=2，由此得出螺栓所需预紧力为322.07N。再由螺栓设计公式3.7，计算出出螺栓小径需要大于8.1mm，对计算结果根据GB/T70.1-2016进行取整，因此这里选取M10的内六角圆柱头螺钉进行紧固连接。5.6手臂部分的装配以及技术要求手臂回转部分依靠上端盖与手臂的伸缩机构相连接。对于本设计的手臂回转机构的主轴的轴承进行密封，根据GB/T3452.1-2005，利用O型橡胶密封圈155x5.3进行密封，各密封件装配之前需浸透油。手臂升降部分在螺纹紧固件紧固时，必须使用合适的旋具或扳手。在进行液压系统的装配时可以用密封填料，但需要防止泄露进系统内。5.7本章小结本章介绍了机械手手臂设计的基本要求，根据参数选择手臂设计的方案并通过摩擦阻力，惯性力，重力等的力学分析设定了手臂驱动液压缸的内径与外径。并对一定的零件进行设计与选取。同时也对手臂部分的技术要求作了一定的介绍。6机械手机身结构设计机械手机身的作用既能够直接支撑手臂，也能够驱动手臂。在一般情况下，它能完成手臂部分的运动，如回转和升降。安装在机械手部件上是它们的传动机构。机身的形式较多，在大多数情况下，为固定的机身，特别的机身也可以沿着轨道工作。6.1机身整体构思根据本设计的参数以及本设计的要求，机械手需要实现其手臂的回转运动，一般来说，在机身处设置机械手臂的回转机构。为了使得设计得合理安全可靠，因此就要进行综合的考虑及分析。机身是机械手的重要组成部分，它能够对机械手的运动产生极大的影响。比较普遍的机身结构有回转缸位于升降下的结构，其承受力矩大，但精度不能保证；回转缸位于升降上的结构，其结构紧凑，但质量较大。综上，并进行综合考虑，本设计采取第二种结构即回转缸置于升降缸之上的结构。本设计的机械手包括了机械手机身的回转运动和机械手升降运动这两种运动。回转系统液压缸的主转轴与升降系统液压缸共用一个活塞杆。选用空心的活塞杆，活塞杆内装一个花键套，轴与此花键采取基孔制过盈配合，活塞的升降运动通过花键轴来带动。花键轴和升降液压缸缸体的下端盖用普通平键进行连接固定，下端盖和连接地面的系统底座来进行固定。这样就定位了花键轴，同时也利用了花键轴完全定位了活塞杆[13]。此结构由于活塞杆在内部所以十分紧凑。由于前文已分析驱动结构，此处也使用液压驱动的方式进行驱动。为了能够使叶片回转，回转液压缸利用进油孔和排油孔分别通向回转叶片的两侧即可。回转的角度大小一般通过挡块确定。根据本设计的条件，就意味着回转叶片之间所转动的角度大小，为了达成设计的基本要求，本设计采用动静片之间回转的角度为。6.2机身回转机构的分析与计算6.2.1液压缸驱动力矩的计算回转液压缸的大致尺寸与结构如图6.1所示。且驱动力矩需要满足式6.1图6.1机身的力学分析与大致尺寸的结构简图（6.SEQ6.\*ARABIC1）一般，根据式6.2进行计算；（6.SEQ6.\*ARABIC2）式中；—启动时间；J0—手臂在其回转时产生的转动惯量（N·m·s2）。当其回转时，手臂零件重心与回转轴的距离为，则其转动惯量可通过公式进行计算（6.3）式中Jc—回转零件产生的转动惯量，可根据6.4计算；（6.4）—回转缸的背压力矩，此处可以近似为零。回转结构近似视为长，的圆柱体，，，取，N·m·s2N·m·s2由式6.2计算：N·m又根据式6.1计算，最终解出结果N·m6.2.2回转缸尺寸的选定（6.5）对上式进行变形得出式（6.6）拟取，，，代入式得132mm根据液压缸推荐标准系列，取标准值D=150mm。6.3机身升降机构的计算6.3.1手臂偏重力矩的计算由前文可知，N，偏重力臂mm。偏重力矩由公式（）将已知数据代入上式，得6.3.2手臂升降不自锁条件分析计算手臂在其重力的作用下会有向下的运动，而立柱的导套防止这种趋势，如图6.1所示。根据两力平衡的条件可知（6.8）即（6.9）而系统不自锁的条件为：（6.10）即一般取f=0.15，则（6.11）当mm时mm根据上述的分析，可得出结论：导套高度最小高度为，根据综合情况分析取。6.3.3手臂升降时驱动力的计算（）取。余下参数的的计算同上。（1）的计算（）由前文参数以及分析可得，速度,，约为，根据式N（2）N推出N（3）根据密封方式取得（4）最终得出总驱动力6.3.4液压缸尺寸的初步确定由上文分析可得取，则应得出，查阅液压缸内径推荐标准得：6.4回转液压缸结构确定定位油缸的作用为在手臂回转时进行定位。其进油方式是单口进油，出油方式为单口出油。6.4.1定位杆的受力分析图6.2杆的力学分析如上图，杆所受力为由图进行分析可得6.4.2定位缸的设计计算由前文介绍已知，液压缸的工作压力，则本节的定位缸内径为因此取，根据液压小径推荐标准选取小径为，定位缸的结构简图如图6.3所示图6.3回转定位油缸结构简图6.5齿轮的计算本设计中采用直尺圆柱齿轮进行传动，取输入功率为10kw，由于本设计仅考虑传动，所以选用两个相同齿轮进行传动。齿轮转速为960r/min，压力角取，精度取级，根据参考文献11，材料选用40Cr，热处理采用调质处理，齿面硬度为280HBS。选齿轮齿数为。根据齿面疲劳强度设计公式（6.16）其中，取，，u取3.2，选取，，查阅参考文献11的表10-5得出弹性影响系数。同时计算重合度系数。查参考文献11可知齿轮的接触疲劳极限为550MPa，根据安全性以及寿命的考虑，取其接触疲劳许用应力为520MPa。因此，将上列已知参数带入公式6.16中，得出再对分度圆直径进行一定的调整，其中齿轮的圆周速度，齿宽=60.9mm，根据参考文献11得：，根据修正分度圆公式=65.44，则模数。所以，齿轮的模数，齿数，分度圆直径。精度与压力角如上文所述。6.6连接件的设计6.6.1回转定位油缸键的选取由于轴受转矩影响，因此利用普通平键进行连接即可。查阅键的国家标准GB/T1096-2003，拟定选用普通平键，长度l取20，轴的直径为25且轴为基孔制配合。根据前文公式4.6（4.10）其中，力为F/2=5520N，转矩为55200.0875=483Nm，h为7mm。则可得出其应力为110MPa，可承受静载荷以及轻微冲击，满足要求。因此，普通平键87可以满足要求。6.6.2回转定位油缸销的选取由于圆锥销在受到横向力的时候会进行自锁现象。安装拆卸较方便，精度较高，可进行多次的拆卸与装配，且对精度没有影响。所以本设计根据GB/T117-2000选取圆锥销B845进行连接。6.7本章小结本章提出了机身的整体设计方案，并且在此基础上确定选取了回转液压缸以及回转定位缸的尺寸。在对于机构的设计方案完成后，对系统内的部分重要零件（如齿轮）以及连接件（键，销）进行了分析与设计计算，选取适合本方案的零件。7机械手零部件三维建模在本设计方案完全确定后，便开始对设计的立式精锻机自动上料机械手进行三维建模。本设计通过Solidworks软件进行三维建模的工作。7.1SolidWorks软件的背景及特点SolidWorks软件采用的是智能化的参变量式设计理念，以及MicrosoftWindows图形化界面，[14]操作灵活简便，运行响应快，设计方便，受到广大用户的青睐，在机械设计和工程制图的领域内已经成为三维模型设计的重要软件。利用本软件，可以更加有效的为产品建模，模拟整个系统的运行，使得产品设计与创新更迅速，亦可完成更有创意的产品制造。SolidWorks是一款参变量式CAD设计软件。它拥有以下5个主要的特点：SolidWorks软件由于其内部存在CAD模拟器，因此CAD用户可以保持原有的作图要求，同时可以由二维过渡到三维立体设计。SolidWorks可以通过动态动画（例如爆炸视图）来更清晰地了解零件的装配结构及顺序，并可以对零件进行动态的检查和间隙的检测。可从已经完成的三维模型中自动的生成零部件的工程图，也可以标注有详细的零件尺寸。数据转换，可以转换AutoCAD的DWG文件，可以转换PRO/ENGINEER数据；可以转换IGES数据；亦可以转换STEP，VRML，STL，JPG等格式的数据。拥有所有符合国家标准的零件，可以迅速查找。在利用SolidWorks的过程中，需要不断学习与完善其他相关联的知识，如CAD，CAE，CAM等软件的知识，并且多实践，通过不断的实践，来掌握其大部分功能（如爆炸视图，运行动画等）。7.2机械手的三维建模本节主要介绍了本机械手设计的主要构件的三维装配图。立式精锻机自动上料机械手总体装配图如图7.1所示。为了使三维建模结构更加清晰，所以此处用三个视图表达。图7.1立式精锻机自动上料机械手三维模型7.3本章小结本章主要介绍了对机械手进行三维设计的软件SolidWorks，并且对其进行了粗略的背景以及特点介绍。并介绍了三维模型装配体如机械手整体以及机械手部分零件（手部结构，驱动结构）的三维模型。8经济性与环保性分析随着人工智能的普及以及工业4.0时代的到来，便会有越来越多的机械产品被研发设计。在设计过程中，会产生大量的经济消耗，也会产生大量的污染，对生态环境会造成一定的影响。为了维护生态环境和宝贵的自然资源，达到人与自然和谐相处的目的，就非常需要根据机械行业的环保标准来研发设计所需要的产品。所以，在机械产品的设计过程中，需要着重考虑到环保方面的问题。8.1尽量使用环保无污染材料1.尽可能使用可再生的材料由于本文设计系统内存在着部分塑料零件（如密封圈）。因此，在系统和零部件的设计中，特别是结构零部件，尽可能的选用可再生的环保材料或是无毒无害无污染材料，在零件报废后可降解的材料也可以选取，实现可持续发展，最大的提高零件的再生率。2.按耗能低，重量轻的要求进行设计尽量减少产品的重量，如此便可以使得零部件加工的污染或是碳排放量最大幅度的降低。同时，也可以对零件的通用性以及互换性进行考虑，对零件进行再次利用，提高零部件的强度以及耐用度，也提高了零件的效率。实现系统或零件的轻量化和高效化。8.2系统高效节能设计机械系统的高效率和节能也是十分重要的一环。节约能源，减轻系统重量便可以减少碳排放量，对于大气环境的污染可以大幅的削弱。所以设计中可以优先选取电控高性能长寿命节能型发动机作为动力源。另外，在进行机械产品的设计时，双泵分合流技术、液压负荷传感技术、静液驱动技术等技术都是可取的[15]，它们都可以达成系统的高效率并且节约能源的目的。8.3本章小结本章介绍了当代情况下由于智能化时代的到来，需要对生态环境进行一定的保护。在机械产品的设计研发中，介绍了两种环保方法：高效节能设计、使用无污染可二次利用或多次利用的材料。达到可持续发展，人与自然和谐相处的目的。9液压系统在前文第三至第六章中已经对立式精锻机自动上料机械手的手臂升降油缸，手臂回转油缸，手臂伸缩油缸，手指夹紧油缸，手腕回转油缸以及定位油缸各油缸进行了详细的载荷分析和尺寸的选取。液压系统简图如图9-1所示。图9-1液压系统原理图在机械手工作时，首先，图中左侧的泵向手指夹紧油缸以及手臂伸缩油缸供油，由于它们驱动力较大，因此需要较大的泵对其进行供油；右侧较小的泵向剩余的各个油缸进行供油。在系统进行定位之后，定位油缸电磁阀通过PLC控制通电工作，活塞缸进行工作并带动手臂伸缩油缸，手臂伸缩油缸的电磁阀7DT得电，活塞缸中的活塞杆向内推动带动手臂伸出，并通过液压回路6DT将油供至手臂升降油缸与手臂回转油缸，通过3DT进油，利用调速阀和溢流阀的并联油路，使得手臂进行回转；手臂升降则是通过2DT得电，然后液压油经过调速阀与单向阀的并联油路带动活塞缸内活塞杆向下压缩，再通过一个结构相同的并联回路带动手臂升降运动（此处为下降，上升则进油出油顺序相反）。在手臂运动完之后，小泵同时将油供至手腕回转油缸。手腕回转油缸结构以及手腕回转过程与手臂回转油缸及过程相同。手腕回转之后，大泵也将液压油通过液压回路将其带至手指夹紧油缸，通过两位四通电磁阀以及液控单向阀将油带至手指夹紧油缸，夹紧油缸活塞向内推动，便带动了手指的运动，使得手指在定位的地方进行夹紧的动作。当手指需要放下工件时，便利用预知相反的液压回路进行手指的放开动作。在完成一系列上述动作后，系统再重新通过与上述相反的动作，将坯料送至立式精锻机上，同时通过12DT、13DT以及这两个电磁阀边的溢流阀进行卸荷。在系统回路中设有压力表和压力表开关，以此来检查液压系统的载荷。10结论与展望为了保证将加工完的坯料进行可靠的抓取，并将料能够运送到立式精锻机上。本文设计了立式精锻机自动上料机械手。在给定坐标形式以及相关参数之后，便对机械手的各部件进行设计。机械手手爪部分利用双支点回转结构来确保手指的夹紧力足够，在夹取圆形坯料时能够稳定可靠地将其运送至立式精锻机上；机械手的手腕部分则选取了双作用液压缸来作为其驱动部分；手臂部分也采取双作用液压缸来作为驱动部分。以此来保证机械手系统有足够的驱动力来驱动机械手进行上料。在上述系统基本确定之后，便对机身进行整体的建模构思，利用直齿圆柱齿轮作为传动，活塞缸及活塞杆作为驱动的基本原件。在选取结构时，设计了较为重要的传动零件（弹簧，齿轮）与固定零件（圆柱销，螺栓），其中大多根据国家标准选取了标准件，以此来确保机械手工作的稳定性。设计完上述的结构及零件后，便完成了一个机械手整体的三维装配。在进行设计与建模的过程中，由于各机构都需要液压系统来提供其动力，虽然成本较低，但是对于能耗的消耗过于巨大，且液压油会对环境产生一定的影响。所以推荐将液压系统进行一定的优化，最好能设计为气压驱动系统，同时也保证系统的稳定性与可靠性。但是由于成本较高控制较不便的原因，因此本文为采取此方案进行设计。参考文献[1]蔡明学.基于PLC的搬运机械手运动控制系统设计[J].智慧工厂,2016(12):61-63.[2]袁仁辉.基于机械手的双目视觉定位抓取研究[D].秦皇岛:燕山大学,2016.[3]马承志,MACheng-zhi,吴敏,WUMin.变电站双体智能巡检机器人研究综述[J].价值工程,2018(15):284-286.[4]张中景,田文君.浅析机电一体化技术发展趋势[J].现代职业教育,2017(05):83.[5]王晓天.智能仓储搬运机械手的设计与研究[D].唐山:华北理工大学,2017.[6]运文强,程达.机械手执行机构之探析[J].中国科教创新导刊,2012(19):184+186.[7]欧洋,高祯,李连强.工业机械手结构设计分析[J].工业控制计算机,2017,30(06):81-82.[8]白龙.六足机器人机构动力学与气动实验研究[D].北京:中国矿业大学,2017.[9]李红宇.翻引钢机械手的设计与研究[D].秦皇岛:燕山大学,2003.[10]曹海燕.上下料机械手柔性手腕的运动分析及优化设计[D].无锡:江南大学,2012.[11]濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计第九版[M].北京:高等教育出版社,2006.[12]王佞.液压驱动机械臂设计及其仿真研究[D].北京:华北电力大学,2011.[13]杨振.活塞杆竖直装挂上下料装置的设计[D].锦州:辽宁工业大学,2016.[14]赵罘,杨晓晋,刘玥.SolidWor