凸轮轴自动线机械手设计【含CAD装配图、零件图、说明书】
凸轮轴自动生产线机械手设计一、设计用途用于凸轮轴自动生产线上,完成淬火前所有加工工序,用于完成零件的上下料及工序间的输送等工作。凸轮轴加工自动生产线上共需 7 个机械手:第 1 只为上料机械手 2,它能做前后移动和升降运动,是单独传动的。其余 6 只为送料机械手 3,其结构完全相同。这 6 只机械手能做前后、升降和横移运动。二、设计参数抓取重量 5 公斤自由度数 3 个座标型式 直角座标,悬挂式手臂运动参数:前后移动行程 1500 mm移动速度 200 mms上下升降行程 350mm横移行程 最大 50mm缓冲方式 用节流阀减速缓冲定位方式 机械挡块重复定位精度 2 mm驱动方式 液压控制方式 PLC 控制本科毕业设计(论文)题 目 凸轮轴自动生产线机械手设计姓 名 专 业 学 号 指导教师 郑州科技学院电气工程学院二一六年四月基于 PLC 控制四自由度液压动式机械手 II凸轮轴自动生产线机械手III摘 要随着科技的发展,机械手在工业领域得到越来越广泛的运用,它可以帮助人们完成危险、重复的体力劳动,大大提高生产效率。本课题对机械手的手爪部分进行了设计,确定机械手采龙门式。手爪的张合,手臂和腰部的伸缩,机座都采用液压缸驱动。此机械手可以运用于工业流水线上,完成把指定物件从一个地方运送至另一地方的任务。机械手的系统控制由可编程序控制器完成,按照机械手的动作流程,完成了相应的接线图和程序编制。关键词:机械手,工业领域,液压缸,可编程序控制器凸轮轴自动生产线机械手IVABSTRACTWith the development of science and technology in industries, manipulators are increasingly wide use, it can help people to finish dangerous, repeat manual labor, and greatly improve the production efficiency.In this topic, I design the hand, wrist, arm, waist and standby parts of the manipulator, determine the manipulator using cylindrical coordinates type. The action of hand, arm, waist, base and wrist are driven by the cylinder. This manipulator can be applied to industrial assembly line, complete the specified object from one place to another place. The control system by manipulator programmable controller, according to the movement process, completes robot programming.Key word:Manipulator, industrial field, cylinder, programmable controller凸轮轴自动生产线机械手V目 录1 绪论 11.1 机械手的概述 .11.2 机械手的发展史 .21.3 液压动技术及液压动机械手的发展过程 .21.4 机械手未来的发展趋势 .41.5 本课题研究内容 .51.6 课题研究的意义 .52 机械手的总体设计方案 72.1 机械手的工作原理及系统组成 .72.2 机械手基本形式的选择 .82.3 驱动机构的选择 .82.4 机械手详细设计参数 .92.5 本章小结 .103 机械手手部结构设计及计算 113.1 手爪夹持器结构设计与校核 .113.2 夹持装置液压缸设计计算 .134 机械手手臂机构的设计 204.1 手臂的设计要求 .204.2 伸缩液压压缸的设计 .204.3 导向装置 .244.4 本章小结 .245 机械手腰部和基座结构设计及计算 255.1 结构设计 .255.2 控制手臂上下移动的腰部液压缸的设计 .255.3 导向装置 .285.4 平衡装置 .285.5 机身回转机构的计算 .285.6 本章小结 .30凸轮轴自动生产线机械手VI6 机械手的 PLC 控制系统设计 .316.1 液压压传动系统工作原理图 .316.2 可编程序控制器的选择及工作过程 .326.3 可编程序控制器的使用步骤 .336.4 机械手可编程序控制器控制方案 .346.5 本章小结 .45结论 46参考文献 47致 谢 49凸轮轴自动生产线机械手11 绪论计算机技术的不断进步和发展使机器人技术的发展一次次达到一个新水平。上至太空船、宇宙飞船、下至微型机器人、深海开发,机器人技术已拓展到全球经济发展的诸多领域,成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展,科技的进步已和机器人的研究、应用产生了密不可分的关系。人类社会的发展已离不开机器人技术,而机器人技术的进步又对推动科技发展起着不可替代的作用 1。1.1 机械手的概述机械手也被称为自动手,能模仿人手和臂部的某些动作功能,可以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓取工件(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,使手部完成各种转动(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。机械手的种类,按驱动方式可分为液压式、液压动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件 2。凸轮轴自动生产线机械手21.2 机械手的发展史机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是:机体上安装一个回转长臂,顶部装有电磁块的工件抓放机构,控制系统是示教形的。1962 年,美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate(即万能自动) 。运动系统仿照坦克炮塔,臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动;控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学,麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差小于1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手,至1977 年底,其中一半是国产,一半是进口。目前,工业机械手大部分还属于第一代,主要依靠工人进行控制;改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。1.3 液压动技术及液压动机械手的发展过程液压动技术是以空液压压缩机为动力源,以压缩空液压为工作介质,进行能量传递或信号传递的工程技术,是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。凸轮轴自动生产线机械手3大约开始于 1776 年,Johnwilkimson 发明能产生 1 个大液压压左右压力的空液压压缩机。1880 年,人们第一次利用液压缸做成液压动刹车装置,将它成功地用到火车的制动上。20 世纪 30 年代初,液压动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至 50 年代初,大多数液压压元件从液压元件改造或演变过来,体积很大。60 年代,开始构成工业控制系统,自成体系,不再与风动技术相提并论。在 70 年代,由于液压动技术与电子技术的结合应用,在自动化控制领域得到广泛的推广。80 年代进入液压动集成化、微型化的时代。90 年代至今,液压动技术突破了传统的死区,经历着飞跃性的发展,人们克服了阀的物理尺寸局限,真空技术日趋完美,高精度模块化液压动机械手问世,智能液压动这一概念产生,液压动伺服定位技术使液压缸高速下实现任意点自动定位,智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。液压动机械手作为机械手的一种,它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。液压动机械手强调模块化的形式,现代传输技术的液压动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术(可重复编程等),液压动伺服系统(可实现任意位置上的精确定位),在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。90 年代初,由布鲁塞尔皇家军事学院 YBando 教授领导的综合技术部开发研制的电子液压动机器人“阿基里斯”六脚勘探员,是液压动技术、PLC 控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物”。6 个脚中的每一个脚都有 3 个自由度,一个直线液压缸把脚提起、放下,一个摆动马达控制脚伸展/退回运动,另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。由汉诺威大学材料科学研究院设计的液压动攀墙机器人,它集遥感技术和真空技术于一体,成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。Tron-X电子液压动机器人,能与人亲切地握手,它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动,并且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下(或通过自身的编程控制)能与人进行对话,或作自我介绍等。Tron-X 电子液压动机器人集电子技术、液压动技术和人工智能为一体,它告诉我们,液压动技术能够实现机器人中最难解决的灵活的自由度,具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力 3。凸轮轴自动生产线机械手41.4 机械手未来的发展趋势(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,以及液压动伺服技术走出实验室和液压动伺服定位系统的成套化。液压动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液压动机械手称为简单的传输技术,而把模块化拼装的液压动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的液压动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液压管的导向系统装置,使机械手运动自如。由于模块化液压动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承,使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代液压动机械手的一个重要特点。模块化液压动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,是液压动机械手的一个重要的发展方向。智能阀岛的出现对提高模块化液压动机械手和液压动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备,特别是紧凑型CP 阀岛,它对分散上的集中控制起了十分重要的作用,特别对机械手中的移动模块。(3) 无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求,不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步,新型材料(如烧结金属石墨材料)的出现,构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件,不仅节省润滑油、不污染环境,而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。凸轮轴自动生产线机械手5(4) 机电液压一体化由“可编程序控制器-传感器-液压动元件”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动元件,使液压动技术从“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。液压动机械手、液压动控制越来越离不开PLC,而阀岛技术的发展,又使 PLC 在液压动机械手、液压动控制中变得更加得心应手。总之,随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高,机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年,传感技术,激光技术,工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域,这些技术会使机械手的应用更为高效,高质,运行成本低。据猜测,今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用 3。1.5 本课题研究内容研究内容是设计一个由 PLC 控制的四自由度液压动式机械手,机械手能完成手爪夹紧、放松,手腕旋转,手臂伸缩,腰部的上升下降和机座的旋转功能。并且画出机械手的总装图和各部件的零件图。并且根据课题,设计出机械手的液压路系统,包括元器件的选取和回路的设计,画出液压路原理图。机械手控制部分由 PLC 完成,通过设计要完成 PLC 的选型、PLC 的外部接线图以及根据机械手的流程图编写出 PLC 梯形图。1.6 课题研究的意义伴随着机电一体化在各个领域的应用,机械设备的自动控制成分显得越来越重要,由于工作的需要,人们经常受到高温、腐蚀及有毒液压体等因素的危凸轮轴自动生产线机械手6害,增加了工人的劳动强度,甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是机械手系统中传统的任务执行机构,是机器人的关键部件之一。如蛇形机械手的出现,帮助人类完成了许多危险区域的任务 4。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识:它能部分地代替人工操作;能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;广泛的应用机械手,可以逐步改善劳动条件,更强与可控的生产能力,加快产品更新换代,提高生产效率和保证产品质量,消除枯燥无味的工作,节约劳动力,提供更安全的工作环境,降低工人的劳动强度,减少劳动风险,提高机床,减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存,显著地提高劳动生产率,提高企业竞争力,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐 5。巴雷特机械手就是其中的典型代表,一个在运行中能调整自己适应环境并安全的变成各种各样形状的一个智能化、高度灵活的八轴夹持器 6。凸轮轴自动生产线机械手72 机械手的总体设计方案2.1 机械手的工作原理及系统组成机械手的工作原理:机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在 PLC 程序控制的条件下,采用液压压传动方式,来实现执行机构的相应部位发生规定要求的,有顺序,有运动轨迹,有一定速度和时间的动作 7。(1)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构。a.手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件,常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单,制造容易,故应用较广泛。平移型应用较少,其原因是结构比较复杂,但平移型手指夹持圆形零件时,工件直径变化不影响其轴心的位置,因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。传力机构通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构的型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。b.手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、液压压或电机等)相配合,以实现手臂的各种运动。c.立柱立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要,有时也凸轮轴自动生产线机械手8可作横向移动,即称为可移式立柱。d.机座机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上,故起支撑和连接的作用。(2)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 液压压传动、机械传动。(3)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电液压定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是 PLC 程序控制系统,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间),同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(4)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置,并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而使执行机构以一定的精度达到设定位置 8。2.2 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下 4 种: a 直角坐标型机械手; b 龙门型机械手; c 球坐标(极坐标)型机械手;d 多关节型机机械手。采用龙门式结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,容易实现 7。2.3 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 机械手的驱动方式共有三种方式:液压动方式,液压方式,电驱动方式 9。(1)液压动方式:成本低,出力小,噪声大,控制简单。但难以准确控制位置凸轮轴自动生产线机械手9和速度。属于简单非伺服型。(2)液压方式: 功率重量比大,低速平稳,需液压动力源,漏油和油性变化会影响系统,各轴耦合较强,成本较高。可用于易爆的环境。(3)电驱动方式:a.步进驱动: 功率小,开环控制 ,控制简单,可能失步。b.直流驱动: 调速性能好,功率较大,效率较高,但换向器需维护,不易用于易爆,多粉尘的环境。c.交流驱动: 维护简单, 使用环境不受限制,成本较低,调速性差。根据课题要求确定龙门型机械手,利用双作用液压缸驱动实现手臂上下运动;双作用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动;末端夹持器则采用夹持式手部结构,用小型单作用液压压缸驱动夹紧;手腕和机座的旋转用旋转液压缸驱动实现。2.4 机械手详细设计参数用于凸轮轴自动生产线上,完成淬火前所有加工工序,用于完成零件的上下料及工序间的输送等工作。凸轮轴加工自动生产线上共需 7 个机械手:第 1只为上料机械手 2,它能做前后移动和升降运动,是单独传动的。其余 6 只为送料机械手 3,其结构完全相同。这 6 只机械手能做前后、升降和横移运动。二、设计参数抓取重量 5 公斤自由度数 3 个座标型式 直角座标,悬挂式手臂运动参数:前后移动行程 1500 mm移动速度 50工作压力/MPa 0.81 1.52 2.53 34 45 5表 3.3 各种机械常用的系统工作压力1机 床机械类型磨床 组合机床龙门刨床拉床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械工作压力 /MPa0.82 35 28 810 1018 2032由表 3.2 和表 3.3 可知,初选液压缸的设计压力 P1=1MPa凸轮轴自动生产线机械手143.2.2液压缸计算估算要驱动的负载大小为 300N,考虑到液压缸未加载时实际所能输出的力,受液压缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前液压缸之间的摩擦力的影响,并考虑到机械爪的质量。在研究液压缸的性能和确定液压缸的缸径时,常用到负载率 : %10F气 缸 的 理 论 负 载气 缸 的 实 际 负 载由液压与液压压传动技术表 3.4:表 3.4 液压缸的运动状态与负载率惯性负载的运动速度 v阻性负载(静负载) sm/10sm/501sm/508.065.3.运动的速度 v=50mm/s,取 =0.60,所以实际的液压缸缸负载的大小为:F=F0/=500N(2)液压缸内径的确定表 3.5 液压缸内径确定公式项目 计算公式推力 pmFPFDpm23.1 PFDpm)6.123(缸径双作用液压缸 拉力 po pa7. pa)5.(501.23.2.m1mFDP表 1 液压缸内径系列 GB/T2348-1980mm8 10 12 16 20 25 32 40 50 6380 100125160200250320400500按 GB/T2348-1980,取标准值 D=40mm;本来可以取 32 的,考虑不可凸轮轴自动生产线机械手15预测的超载等因素,故在这取的略微大一些。查液压传动与控制手册根据杆径比 d/D,一般的选取原则是: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。活塞杆直径 d=0.45D=18mm 取 d=18(标准直径)表 2 活塞杆直径系列4 5 6 8 10 12 14 16 18 2022 25 28 32 36 40 45 50 56 6370 80 90 100110125140160180200220250280320360400(1) 液压缸缸体厚度计算缸体是液压缸中最重要的零件,当液压缸的工作压力较高和缸体内经较大时,必须进行强度校核。缸体的常用材料为 20、25、35、45 号钢的无缝钢管。在这几种材料中 45 号钢的性能最为优良,所以这里选用 45 号钢作为缸体的材料。 2DPy式中, 实验压力,MPa。当液压缸额定压力 Pn 5.1 MPa 时,Py Py=1.5Pn,当 Pn 16MPa 时,Py=1.25Pn。 缸筒材料许用应力,N/mm 。 = , 为材料的抗拉强度。2nb注:1.额定压力 Pn额定压力又称公称压力即系统压力,Pn=1MPa2.最高允许压力 PmaxPmax 1.5Pn=1.25 1=1.25MPa液压缸缸筒材料采用 45 钢,则抗拉强度: b=600MPa安全系数 n 按液压传动与控制手册P243 表 210,取 n=5。则许用应力 = =120MPab凸轮轴自动生产线机械手162DPy=1.540=0.2083mm则液压缸缸体外径为 50mm。3.缸筒结构设计缸筒两端分别与缸盖和缸底链接,构成密封的压力腔,因而它的结构形式往往和缸盖及缸底密切相关 6。因此,在设计缸筒结构时,应根据实际情况,选用结构便于装配、拆卸和维修的链接形式,缸筒内外径应根据标准进行圆整。3.2.3 活塞杆的计算校核2.活塞杆强度计算:90mm mF45.105.185.4d64(4-4)式中 许用应力; (Q235 钢的抗拉 MPa8054nb强度为 375-500MPa,取 400MPa,为位安全系数取 5,即活塞杆的强度适中)3活塞杆的结构设计活塞杆的外端头部与负载的拖动油马达机构相连接,为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力,适应液压缸的安装要求,提高其作用效率,应根据负载的具体情况,选择适当的活塞杆端部结构。4.活塞杆的密封与防尘活塞杆的密封形式有 Y 形密封圈、U 形夹织物密封圈、O 形密封圈、V 形密封圈等 6。采用薄钢片组合防尘圈时,防尘圈与活塞杆的配合可按 H9/f9 选取。薄钢片厚度为 0.5mm。为方便设计和维护,本方案选择 O 型密封圈。3.2.4 液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定,并参照表 4-4 选取标准值。液压缸活塞行程参数优先次序按表 4-4 中的 a、b、c凸轮轴自动生产线机械手17选用。表 4-4(a)液压缸行程系列(GB 2349-80) 625 50 80 100 125 160 200 250 320 400500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000表 4-4(b) 液压缸行程系列(GB 2349-80) 640 63 90 110 140 180220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 18002200 2800 3600表 4-4(c) 液压缸形成系列(GB 2349-80) 6240 260 300 340 380 420 480 530 600 650750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 21002400 2600 3000 3400 3800根据设计要求知快速接近工件,行程根据任务书要求,根据表 3-8,可选取液压缸的工作行程为 100mm 3.2.5 活塞的设计由于活塞在液压力的作用下沿缸筒往复滑动,因此,它与缸筒的配合应适当,既不能过紧,也不能间隙过大。配合过紧,不仅使最低启动压力增大,降低机械效率,而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面;间隙过大,会引起液压缸内部泄露,降低容积效率,使液压缸达不到要求的设计性能。考虑选用 O 型密封圈。3.2.6 导向套的设计与计算1.最小导向长度 H 的确定当活塞杆全部伸出时,从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度 1。影响液压缸工作性能和稳定性。因此,在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。根据经验,当液压缸最大行程为 L,缸筒直径为 D 时,最小导向长度为:20DLH凸轮轴自动生产线机械手18(4-5)一般导向套滑动面的长度 A,在缸径小于 80mm 时取 A=(0.61.0)D,当缸径大于 80mm 时取 A=(0.61.0)d.。活塞宽度 B 取 B=(0.61.0)D。若导向长度H 不够时,可在活塞杆上增加一个导向套 K(见图 4-1)来增加 H 值。隔套 K 的宽度 。)21BAC(图 3.5 液压缸最小导向长度 1因此:最小导向长度,取 H=9cm;导向套滑动面长度 A= cm2.798.0活塞宽度 B= 1.2.导向套的结构导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等,可按工作情况适当选择。3.2.7 端盖和缸底的计算校核在单活塞液压缸中,有活塞杆通过的端盖叫端盖,无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔,它不仅要有足够的强度以承受液压力,而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔(或装导向套的孔)及防尘圈、密封圈槽,还有连接螺钉孔,受力情况比较复杂,设计的不好容易损坏。1.端盖的设计计算端盖厚 h 为: )-3p(1cpdD式中 D1螺钉孔分布直径,cm;凸轮轴自动生产线机械手19P压力, ;2kgf/cm密封环形端面平均直径,cm;cpd材料的许用应力, 。2kgf/c2.缸底的设计缸底分平底缸,椭圆缸底,半球形缸底。3.2.8 缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度 1。一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的 2030 倍。取系数为 5,则液压缸缸体长度:L=5*10cm=50cm。3.2.9 缓冲装置的设计液压缸的活塞杆(或柱塞杆)具有一定的质量,在液压力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端,当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时,会引起机械碰撞,产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置,就是为了避免这种机械撞击,但冲击压力仍然存在,大约是额定工作压力的两倍,这就必然会严重影响液压缸和整个液压系统的强度及正常工作。缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击,在它们的行程终端能实现速度的递减,直至为零。凸轮轴自动生产线机械手204 机械手手臂机构的设计4.1 手臂的设计要求(1)臂部应承载能力大,自重轻。(2)臂部运动速度高,惯性小。(3)手臂动作灵活。(4)位置精度高。4.2 伸缩液压压缸的设计液压缸主要尺寸的确定(1)液压缸内径和活塞杆直径的确定根据设计要求,结合末端执行器的尺寸,采用单活塞杆双作用液压缸,初定内径为 。50由 ,可得活塞杆直径:d/D=.23(0.23)1025dDm圆整后,取活塞杆直径 18m查表取液压缸工作压力 .4pMa由公式:(5-1)214DpF(5-2)22d计入载荷率就能保证液压缸工作时的动态特性。若液压缸动态参数要求较高;且工作频率高,其载荷率一般取 ,速度高时取小值,速度低0.35时取大值。若液压缸动态参数要求一般,且工作频率低,基本是匀速运动,其载荷率可取 。得 。0.7851249.478.FN,(2)缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩空液压压力,必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10,其壁厚按薄壁筒公式( 3-5)计算:凸轮轴自动生产线机械手21/2pDP设计的伸缩液压缸缸筒材料为:铝合金 ZL1060, =3MPa代入己知数据,则壁厚为: /2p)(5)1032/(4.10653m取 ,则缸筒外径为: 。51()Dm(3)手部活塞杆行程长 确定l按设计要求,X 轴小臂伸缩距离为 10cm,即 100mm。为防止活塞与缸壁碰撞,活塞行程留有一定的余量。故行程查有关手册圆整为 。ml021(4)活塞杆稳定性的计算:当活塞杆的长度 时,一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。dL当液压缸承受的轴向负载 达到极限值 后,极微小的干扰力都会使活puFkF塞杆产生弯曲变形,出现不稳定现象,导致液压缸不能正常工作。活塞杆稳定性条件是: (5-3)kpunF式中:液压缸承受的轴向负载,即液压缸的理论输出推力, ;pu N液压缸的压杆稳定极限力, ;kFN液压缸的压杆稳定性安全系数,一般取 。n 62kn液压缸的压杆稳定极限力与缸的安装形式、活塞杆直径及行程有关 15。当长细比 时,mKL852/LmFk(5-4)凸轮轴自动生产线机械手22当长细比 时,mKL85(5-5)21)(nafFkA上式中:活塞杆计算长度 ;L)(m活塞杆横截面回转半径;K实心杆半径:(5-6)41dA空心杆半径:(5-7)4/20dK活塞杆断面惯性矩;实心杆惯性矩:(5-8) 64d空心杆惯性矩:(5-9) /)(40空心活塞杆内孔直径 ;d)(m活塞杆截面积;1A实心杆截面积:(5-10) 421d空心杆截面积:(5-11) )(201A系数,查手册 ;m材料弹性模量,对钢取 ;pa10.2材料强度实验值,对钢取 ;f f749凸轮轴自动生产线机械手23系数,对钢取 ;a501a查阅机械手册液压缸设计章由表得安装方式为固定-自由式 ,取 ,41m代入公式(5-6)至(5-11):实心杆半径: 5.4dK639178L.245m由于 ,用公式(5-5):KL8521)(KLnafFkA2756.390418)(39N)(75.936581Fpuk 所以该活塞杆满足稳定性条件。(5)驱动力校核测定手爪与手爪夹紧液压缸质量为 ,估算为 ,设计加速度2.314kg4kg,则惯性力:10/ams(5-12)aF惯原式: 。惯 30.1N考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数 ,2.0k惯Fm.306()N总受力为:mF惯0凸轮轴自动生产线机械手240.36()N因为 ,所以该液压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。10F(6)前后运动液压缸部分质量估算活塞杆及导向套材料采用 45 钢;缸体采用铝合金 ZL1060;连接件采用 HT250。查相关手册, 45 号钢密度为 7.85 ;3/10mkgZL106 的密度为 2.73 ;HT250 密度为 7.35 ;3/k经计算,可算出质量约为: 5.7841kg1.2.92.60m4.3 导向装置液压压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时,为了防止手臂绕轴线转动,以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定,同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。目前常采用的导向装置有单导向杆,双导向杆,四导向杆等,在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。4.4 本章小结本章主要对机械手的手臂结构进行了设计计算,确定了手臂液压缸的具体尺寸,对活塞杆进行了计算和稳定性的校核。导向装置选用单向导杆。郑州科技学院1附表 5:郑州科技学院毕业设计(论文)任务书题目 工业机械手设计 专业 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等:毕业设计主要内容:完成自动装卸料机械手设计(46 人)(注:根据具体装卸零件,1 人设计 1 种)设计要求:1.被加工零件的工艺分析(1)工件输送基准的选择。(2)机械手抓取基准的选择2.机械手设计(1)确定机械手结构方案。(2)计算机械手系统所需要的动力。(3)抓取误差分析。(4)机械手总图设计。3.撰写设计说明书(1)说明新设计装置的主要用途,论证本设计的必要性。(2)机械手设计方案论证。(3)主要技术参数的确定。(4)机械手电液联合自动控制方法。主要参考资料1.机械制造装备设计2.机床设计手册3.工业机器人4.机床设计图册5.工业机械手设计6.机械工艺师手册完 成 期 限: 指 导 教 师 签 名 : 专业负责人签名: 年 月 日凸轮轴自动生产线机械手设计一、设计用途用于凸轮轴自动生产线上,完成淬火前所有加工工序,用于完成零件的上下料及工序间的输送等工作。凸轮轴加工自动生产线上共需 7 个机械手:第 1 只为上料机械手 2,它能做前后移动和升降运动,是单独传动的。其余 6 只为送料机械手 3,其结构完全相同。这 6 只机械手能做前后、升降和横移运动。二、设计参数抓取重量 5 公斤自由度数 3 个座标型式 直角座标,悬挂式手臂运动参数:前后移动行程 1500 mm移动速度 200 mms上下升降行程 350mm横移行程 最大 50mm缓冲方式 用节流阀减速缓冲定位方式 机械挡块重复定位精度 2 mm驱动方式 液压控制方式 PLC 控制本科毕业设计(论文)题 目 凸轮轴自动生产线机械手设计姓 名 专 业 学 号 指导教师 郑州科技学院电气工程学院二一六年四月基于 PLC 控制四自由度液压动式机械手 II凸轮轴自动生产线机械手III摘 要随着科技的发展,机械手在工业领域得到越来越广泛的运用,它可以帮助人们完成危险、重复的体力劳动,大大提高生产效率。本课题对机械手的手爪部分进行了设计,确定机械手采龙门式。手爪的张合,手臂和腰部的伸缩,机座都采用液压缸驱动。此机械手可以运用于工业流水线上,完成把指定物件从一个地方运送至另一地方的任务。机械手的系统控制由可编程序控制器完成,按照机械手的动作流程,完成了相应的接线图和程序编制。关键词:机械手,工业领域,液压缸,可编程序控制器凸轮轴自动生产线机械手IVABSTRACTWith the development of science and technology in industries, manipulators are increasingly wide use, it can help people to finish dangerous, repeat manual labor, and greatly improve the production efficiency.In this topic, I design the hand, wrist, arm, waist and standby parts of the manipulator, determine the manipulator using cylindrical coordinates type. The action of hand, arm, waist, base and wrist are driven by the cylinder. This manipulator can be applied to industrial assembly line, complete the specified object from one place to another place. The control system by manipulator programmable controller, according to the movement process, completes robot programming.Key word:Manipulator, industrial field, cylinder, programmable controller凸轮轴自动生产线机械手V目 录1 绪论 11.1 机械手的概述 .11.2 机械手的发展史 .21.3 液压动技术及液压动机械手的发展过程 .21.4 机械手未来的发展趋势 .41.5 本课题研究内容 .51.6 课题研究的意义 .52 机械手的总体设计方案 72.1 机械手的工作原理及系统组成 .72.2 机械手基本形式的选择 .82.3 驱动机构的选择 .82.4 机械手详细设计参数 .92.5 本章小结 .103 机械手手部结构设计及计算 113.1 手爪夹持器结构设计与校核 .113.2 夹持装置液压缸设计计算 .134 机械手手臂机构的设计 204.1 手臂的设计要求 .204.2 伸缩液压压缸的设计 .204.3 导向装置 .244.4 本章小结 .245 机械手腰部和基座结构设计及计算 255.1 结构设计 .255.2 控制手臂上下移动的腰部液压缸的设计 .255.3 导向装置 .285.4 平衡装置 .285.5 机身回转机构的计算 .285.6 本章小结 .30凸轮轴自动生产线机械手VI6 机械手的 PLC 控制系统设计 .316.1 液压压传动系统工作原理图 .316.2 可编程序控制器的选择及工作过程 .326.3 可编程序控制器的使用步骤 .336.4 机械手可编程序控制器控制方案 .346.5 本章小结 .45结论 46参考文献 47致 谢 49凸轮轴自动生产线机械手11 绪论计算机技术的不断进步和发展使机器人技术的发展一次次达到一个新水平。上至太空船、宇宙飞船、下至微型机器人、深海开发,机器人技术已拓展到全球经济发展的诸多领域,成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展,科技的进步已和机器人的研究、应用产生了密不可分的关系。人类社会的发展已离不开机器人技术,而机器人技术的进步又对推动科技发展起着不可替代的作用 1。1.1 机械手的概述机械手也被称为自动手,能模仿人手和臂部的某些动作功能,可以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓取工件(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,使手部完成各种转动(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。机械手的种类,按驱动方式可分为液压式、液压动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件 2。凸轮轴自动生产线机械手21.2 机械手的发展史机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是:机体上安装一个回转长臂,顶部装有电磁块的工件抓放机构,控制系统是示教形的。1962 年,美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate(即万能自动) 。运动系统仿照坦克炮塔,臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动;控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学,麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差小于1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手,至1977 年底,其中一半是国产,一半是进口。目前,工业机械手大部分还属于第一代,主要依靠工人进行控制;改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。1.3 液压动技术及液压动机械手的发展过程液压动技术是以空液压压缩机为动力源,以压缩空液压为工作介质,进行能量传递或信号传递的工程技术,是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。凸轮轴自动生产线机械手3大约开始于 1776 年,Johnwilkimson 发明能产生 1 个大液压压左右压力的空液压压缩机。1880 年,人们第一次利用液压缸做成液压动刹车装置,将它成功地用到火车的制动上。20 世纪 30 年代初,液压动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至 50 年代初,大多数液压压元件从液压元件改造或演变过来,体积很大。60 年代,开始构成工业控制系统,自成体系,不再与风动技术相提并论。在 70 年代,由于液压动技术与电子技术的结合应用,在自动化控制领域得到广泛的推广。80 年代进入液压动集成化、微型化的时代。90 年代至今,液压动技术突破了传统的死区,经历着飞跃性的发展,人们克服了阀的物理尺寸局限,真空技术日趋完美,高精度模块化液压动机械手问世,智能液压动这一概念产生,液压动伺服定位技术使液压缸高速下实现任意点自动定位,智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。液压动机械手作为机械手的一种,它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。液压动机械手强调模块化的形式,现代传输技术的液压动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术(可重复编程等),液压动伺服系统(可实现任意位置上的精确定位),在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。90 年代初,由布鲁塞尔皇家军事学院 YBando 教授领导的综合技术部开发研制的电子液压动机器人“阿基里斯”六脚勘探员,是液压动技术、PLC 控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物”。6 个脚中的每一个脚都有 3 个自由度,一个直线液压缸把脚提起、放下,一个摆动马达控制脚伸展/退回运动,另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。由汉诺威大学材料科学研究院设计的液压动攀墙机器人,它集遥感技术和真空技术于一体,成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。Tron-X电子液压动机器人,能与人亲切地握手,它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动,并且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下(或通过自身的编程控制)能与人进行对话,或作自我介绍等。Tron-X 电子液压动机器人集电子技术、液压动技术和人工智能为一体,它告诉我们,液压动技术能够实现机器人中最难解决的灵活的自由度,具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力 3。凸轮轴自动生产线机械手41.4 机械手未来的发展趋势(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,以及液压动伺服技术走出实验室和液压动伺服定位系统的成套化。液压动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液压动机械手称为简单的传输技术,而把模块化拼装的液压动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的液压动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液压管的导向系统装置,使机械手运动自如。由于模块化液压动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承,使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代液压动机械手的一个重要特点。模块化液压动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,是液压动机械手的一个重要的发展方向。智能阀岛的出现对提高模块化液压动机械手和液压动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备,特别是紧凑型CP 阀岛,它对分散上的集中控制起了十分重要的作用,特别对机械手中的移动模块。(3) 无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求,不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步,新型材料(如烧结金属石墨材料)的出现,构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件,不仅节省润滑油、不污染环境,而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。凸轮轴自动生产线机械手5(4) 机电液压一体化由“可编程序控制器-传感器-液压动元件”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动元件,使液压动技术从“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。液压动机械手、液压动控制越来越离不开PLC,而阀岛技术的发展,又使 PLC 在液压动机械手、液压动控制中变得更加得心应手。总之,随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高,机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年,传感技术,激光技术,工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域,这些技术会使机械手的应用更为高效,高质,运行成本低。据猜测,今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用 3。1.5 本课题研究内容研究内容是设计一个由 PLC 控制的四自由度液压动式机械手,机械手能完成手爪夹紧、放松,手腕旋转,手臂伸缩,腰部的上升下降和机座的旋转功能。并且画出机械手的总装图和各部件的零件图。并且根据课题,设计出机械手的液压路系统,包括元器件的选取和回路的设计,画出液压路原理图。机械手控制部分由 PLC 完成,通过设计要完成 PLC 的选型、PLC 的外部接线图以及根据机械手的流程图编写出 PLC 梯形图。1.6 课题研究的意义伴随着机电一体化在各个领域的应用,机械设备的自动控制成分显得越来越重要,由于工作的需要,人们经常受到高温、腐蚀及有毒液压体等因素的危凸轮轴自动生产线机械手6害,增加了工人的劳动强度,甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是机械手系统中传统的任务执行机构,是机器人的关键部件之一。如蛇形机械手的出现,帮助人类完成了许多危险区域的任务 4。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识:它能部分地代替人工操作;能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;广泛的应用机械手,可以逐步改善劳动条件,更强与可控的生产能力,加快产品更新换代,提高生产效率和保证产品质量,消除枯燥无味的工作,节约劳动力,提供更安全的工作环境,降低工人的劳动强度,减少劳动风险,提高机床,减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存,显著地提高劳动生产率,提高企业竞争力,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐 5。巴雷特机械手就是其中的典型代表,一个在运行中能调整自己适应环境并安全的变成各种各样形状的一个智能化、高度灵活的八轴夹持器 6。凸轮轴自动生产线机械手72 机械手的总体设计方案2.1 机械手的工作原理及系统组成机械手的工作原理:机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在 PLC 程序控制的条件下,采用液压压传动方式,来实现执行机构的相应部位发生规定要求的,有顺序,有运动轨迹,有一定速度和时间的动作 7。(1)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构。a.手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件,常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单,制造容易,故应用较广泛。平移型应用较少,其原因是结构比较复杂,但平移型手指夹持圆形零件时,工件直径变化不影响其轴心的位置,因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。传力机构通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构的型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。b.手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、液压压或电机等)相配合,以实现手臂的各种运动。c.立柱立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要,有时也凸轮轴自动生产线机械手8可作横向移动,即称为可移式立柱。d.机座机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上,故起支撑和连接的作用。(2)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 液压压传动、机械传动。(3)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电液压定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是 PLC 程序控制系统,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间),同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(4)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置,并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而使执行机构以一定的精度达到设定位置 8。2.2 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下 4 种: a 直角坐标型机械手; b 龙门型机械手; c 球坐标(极坐标)型机械手;d 多关节型机机械手。采用龙门式结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,容易实现 7。2.3 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 机械手的驱动方式共有三种方式:液压动方式,液压方式,电驱动方式 9。(1)液压动方式:成本低,出力小,噪声大,控制简单。但难以准确控制位置凸轮轴自动生产线机械手9和速度。属于简单非伺服型。(2)液压方式: 功率重量比大,低速平稳,需液压动力源,漏油和油性变化会影响系统,各轴耦合较强,成本较高。可用于易爆的环境。(3)电驱动方式:a.步进驱动: 功率小,开环控制 ,控制简单,可能失步。b.直流驱动: 调速性能好,功率较大,效率较高,但换向器需维护,不易用于易爆,多粉尘的环境。c.交流驱动: 维护简单, 使用环境不受限制,成本较低,调速性差。根据课题要求确定龙门型机械手,利用双作用液压缸驱动实现手臂上下运动;双作用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动;末端夹持器则采用夹持式手部结构,用小型单作用液压压缸驱动夹紧;手腕和机座的旋转用旋转液压缸驱动实现。2.4 机械手详细设计参数用于凸轮轴自动生产线上,完成淬火前所有加工工序,用于完成零件的上下料及工序间的输送等工作。凸轮轴加工自动生产线上共需 7 个机械手:第 1只为上料机械手 2,它能做前后移动和升降运动,是单独传动的。其余 6 只为送料机械手 3,其结构完全相同。这 6 只机械手能做前后、升降和横移运动。二、设计参数抓取重量 5 公斤自由度数 3 个座标型式 直角座标,悬挂式手臂运动参数:前后移动行程 1500 mm移动速度 50工作压力/MPa 0.81 1.52 2.53 34 45 5表 3.3 各种机械常用的系统工作压力1机 床机械类型磨床 组合机床龙门刨床拉床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械工作压力 /MPa0.82 35 28 810 1018 2032由表 3.2 和表 3.3 可知,初选液压缸的设计压力 P1=1MPa凸轮轴自动生产线机械手143.2.2液压缸计算估算要驱动的负载大小为 300N,考虑到液压缸未加载时实际所能输出的力,受液压缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前液压缸之间的摩擦力的影响,并考虑到机械爪的质量。在研究液压缸的性能和确定液压缸的缸径时,常用到负载率 : %10F气 缸 的 理 论 负 载气 缸 的 实 际 负 载由液压与液压压传动技术表 3.4:表 3.4 液压缸的运动状态与负载率惯性负载的运动速度 v阻性负载(静负载) sm/10sm/501sm/508.065.3.运动的速度 v=50mm/s,取 =0.60,所以实际的液压缸缸负载的大小为:F=F0/=500N(2)液压缸内径的确定表 3.5 液压缸内径确定公式项目 计算公式推力 pmFPFDpm23.1 PFDpm)6.123(缸径双作用液压缸 拉力 po pa7. pa)5.(501.23.2.m1mFDP表 1 液压缸内径系列 GB/T2348-1980mm8 10 12 16 20 25 32 40 50 6380 100125160200250320400500按 GB/T2348-1980,取标准值 D=40mm;本来可以取 32 的,考虑不可凸轮轴自动生产线机械手15预测的超载等因素,故在这取的略微大一些。查液压传动与控制手册根据杆径比 d/D,一般的选取原则是: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。活塞杆直径 d=0.45D=18mm 取 d=18(标准直径)表 2 活塞杆直径系列4 5 6 8 10 12 14 16 18 2022 25 28 32 36 40 45 50 56 6370 80 90 100110125140160180200220250280320360400(1) 液压缸缸体厚度计算缸体是液压缸中最重要的零件,当液压缸的工作压力较高和缸体内经较大时,必须进行强度校核。缸体的常用材料为 20、25、35、45 号钢的无缝钢管。在这几种材料中 45 号钢的性能最为优良,所以这里选用 45 号钢作为缸体的材料。 2DPy式中, 实验压力,MPa。当液压缸额定压力 Pn 5.1 MPa 时,Py Py=1.5Pn,当 Pn 16MPa 时,Py=1.25Pn。 缸筒材料许用应力,N/mm 。 = , 为材料的抗拉强度。2nb注:1.额定压力 Pn额定压力又称公称压力即系统压力,Pn=1MPa2.最高允许压力 PmaxPmax 1.5Pn=1.25 1=1.25MPa液压缸缸筒材料采用 45 钢,则抗拉强度: b=600MPa安全系数 n 按液压传动与控制手册P243 表 210,取 n=5。则许用应力 = =120MPab凸轮轴自动生产线机械手162DPy=1.540=0.2083mm则液压缸缸体外径为 50mm。3.缸筒结构设计缸筒两端分别与缸盖和缸底链接,构成密封的压力腔,因而它的结构形式往往和缸盖及缸底密切相关 6。因此,在设计缸筒结构时,应根据实际情况,选用结构便于装配、拆卸和维修的链接形式,缸筒内外径应根据标准进行圆整。3.2.3 活塞杆的计算校核2.活塞杆强度计算:90mm mF45.105.185.4d64(4-4)式中 许用应力; (Q235 钢的抗拉 MPa8054nb强度为 375-500MPa,取 400MPa,为位安全系数取 5,即活塞杆的强度适中)3活塞杆的结构设计活塞杆的外端头部与负载的拖动油马达机构相连接,为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力,适应液压缸的安装要求,提高其作用效率,应根据负载的具体情况,选择适当的活塞杆端部结构。4.活塞杆的密封与防尘活塞杆的密封形式有 Y 形密封圈、U 形夹织物密封圈、O 形密封圈、V 形密封圈等 6。采用薄钢片组合防尘圈时,防尘圈与活塞杆的配合可按 H9/f9 选取。薄钢片厚度为 0.5mm。为方便设计和维护,本方案选择 O 型密封圈。3.2.4 液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定,并参照表 4-4 选取标准值。液压缸活塞行程参数优先次序按表 4-4 中的 a、b、c凸轮轴自动生产线机械手17选用。表 4-4(a)液压缸行程系列(GB 2349-80) 625 50 80 100 125 160 200 250 320 400500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000表 4-4(b) 液压缸行程系列(GB 2349-80) 640 63 90 110 140 180220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 18002200 2800 3600表 4-4(c) 液压缸形成系列(GB 2349-80) 6240 260 300 340 380 420 480 530 600 650750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 21002400 2600 3000 3400 3800根据设计要求知快速接近工件,行程根据任务书要求,根据表 3-8,可选取液压缸的工作行程为 100mm 3.2.5 活塞的设计由于活塞在液压力的作用下沿缸筒往复滑动,因此,它与缸筒的配合应适当,既不能过紧,也不能间隙过大。配合过紧,不仅使最低启动压力增大,降低机械效率,而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面;间隙过大,会引起液压缸内部泄露,降低容积效率,使液压缸达不到要求的设计性能。考虑选用 O 型密封圈。3.2.6 导向套的设计与计算1.最小导向长度 H 的确定当活塞杆全部伸出时,从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度 1。影响液压缸工作性能和稳定性。因此,在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。根据经验,当液压缸最大行程为 L,缸筒直径为 D 时,最小导向长度为:20DLH凸轮轴自动生产线机械手18(4-5)一般导向套滑动面的长度 A,在缸径小于 80mm 时取 A=(0.61.0)D,当缸径大于 80mm 时取 A=(0.61.0)d.。活塞宽度 B 取 B=(0.61.0)D。若导向长度H 不够时,可在活塞杆上增加一个导向套 K(见图 4-1)来增加 H 值。隔套 K 的宽度 。)21BAC(图 3.5 液压缸最小导向长度 1因此:最小导向长度,取 H=9cm;导向套滑动面长度 A= cm2.798.0活塞宽度 B= 1.2.导向套的结构导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等,可按工作情况适当选择。3.2.7 端盖和缸底的计算校核在单活塞液压缸中,有活塞杆通过的端盖叫端盖,无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔,它不仅要有足够的强度以承受液压力,而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔(或装导向套的孔)及防尘圈、密封圈槽,还有连接螺钉孔,受力情况比较复杂,设计的不好容易损坏。1.端盖的设计计算端盖厚 h 为: )-3p(1cpdD式中 D1螺钉孔分布直径,cm;凸轮轴自动生产线机械手19P压力, ;2kgf/cm密封环形端面平均直径,cm;cpd材料的许用应力, 。2kgf/c2.缸底的设计缸底分平底缸,椭圆缸底,半球形缸底。3.2.8 缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度 1。一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的 2030 倍。取系数为 5,则液压缸缸体长度:L=5*10cm=50cm。3.2.9 缓冲装置的设计液压缸的活塞杆(或柱塞杆)具有一定的质量,在液压力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端,当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时,会引起机械碰撞,产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置,就是为了避免这种机械撞击,但冲击压力仍然存在,大约是额定工作压力的两倍,这就必然会严重影响液压缸和整个液压系统的强度及正常工作。缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击,在它们的行程终端能实现速度的递减,直至为零。凸轮轴自动生产线机械手204 机械手手臂机构的设计4.1 手臂的设计要求(1)臂部应承载能力大,自重轻。(2)臂部运动速度高,惯性小。(3)手臂动作灵活。(4)位置精度高。4.2 伸缩液压压缸的设计液压缸主要尺寸的确定(1)液压缸内径和活塞杆直径的确定根据设计要求,结合末端执行器的尺寸,采用单活塞杆双作用液压缸,初定内径为 。50由 ,可得活塞杆直径:d/D=.23(0.23)1025dDm圆整后,取活塞杆直径 18m查表取液压缸工作压力 .4pMa由公式:(5-1)214DpF(5-2)22d计入载荷率就能保证液压缸工作时的动态特性。若液压缸动态参数要求较高;且工作频率高,其载荷率一般取 ,速度高时取小值,速度低0.35时取大值。若液压缸动态参数要求一般,且工作频率低,基本是匀速运动,其载荷率可取 。得 。0.7851249.478.FN,(2)缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩空液压压力,必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10,其壁厚按薄壁筒公式( 3-5)计算:凸轮轴自动生产线机械手21/2pDP设计的伸缩液压缸缸筒材料为:铝合金 ZL1060, =3MPa代入己知数据,则壁厚为: /2p)(5)1032/(4.10653m取 ,则缸筒外径为: 。51()Dm(3)手部活塞杆行程长 确定l按设计要求,X 轴小臂伸缩距离为 10cm,即 100mm。为防止活塞与缸壁碰撞,活塞行程留有一定的余量。故行程查有关手册圆整为 。ml021(4)活塞杆稳定性的计算:当活塞杆的长度 时,一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。dL当液压缸承受的轴向负载 达到极限值 后,极微小的干扰力都会使活puFkF塞杆产生弯曲变形,出现不稳定现象,导致液压缸不能正常工作。活塞杆稳定性条件是: (5-3)kpunF式中:液压缸承受的轴向负载,即液压缸的理论输出推力, ;pu N液压缸的压杆稳定极限力, ;kFN液压缸的压杆稳定性安全系数,一般取 。n 62kn液压缸的压杆稳定极限力与缸的安装形式、活塞杆直径及行程有关 15。当长细比 时,mKL852/LmFk(5-4)凸轮轴自动生产线机械手22当长细比 时,mKL85(5-5)21)(nafFkA上式中:活塞杆计算长度 ;L)(m活塞杆横截面回转半径;K实心杆半径:(5-6)41dA空心杆半径:(5-7)4/20dK活塞杆断面惯性矩;实心杆惯性矩:(5-8) 64d空心杆惯性矩:(5-9) /)(40空心活塞杆内孔直径 ;d)(m活塞杆截面积;1A实心杆截面积:(5-10) 421d空心杆截面积:(5-11) )(201A系数,查手册 ;m材料弹性模量,对钢取 ;pa10.2材料强度实验值,对钢取 ;f f749凸轮轴自动生产线机械手23系数,对钢取 ;a501a查阅机械手册液压缸设计章由表得安装方式为固定-自由式 ,取 ,41m代入公式(5-6)至(5-11):实心杆半径: 5.4dK639178L.245m由于 ,用公式(5-5):KL8521)(KLnafFkA2756.390418)(39N)(75.936581Fpuk 所以该活塞杆满足稳定性条件。(5)驱动力校核测定手爪与手爪夹紧液压缸质量为 ,估算为 ,设计加速度2.314kg4kg,则惯性力:10/ams(5-12)aF惯原式: 。惯 30.1N考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数 ,2.0k惯Fm.306()N总受力为:mF惯0凸轮轴自动生产线机械手240.36()N因为 ,所以该液压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。10F(6)前后运动液压缸部分质量估算活塞杆及导向套材料采用 45 钢;缸体采用铝合金 ZL1060;连接件采用 HT250。查相关手册, 45 号钢密度为 7.85 ;3/10mkgZL106 的密度为 2.73 ;HT250 密度为 7.35 ;3/k经计算,可算出质量约为: 5.7841kg1.2.92.60m4.3 导向装置液压压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时,为了防止手臂绕轴线转动,以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定,同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。目前常采用的导向装置有单导向杆,双导向杆,四导向杆等,在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。4.4 本章小结本章主要对机械手的手臂结构进行了设计计算,确定了手臂液压缸的具体尺寸,对活塞杆进行了计算和稳定性的校核。导向装置选用单向导杆。
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