【正文】 油： πD2hρ=π402350106= ㎏ 活塞： 1/4πD2hρ=1/4π40210106= ㎏ 總重量： 3+4+1+++= ㎏ 考慮到安全系數(shù)，取總重量 M 為 20 ㎏，則 G=20=196N 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 ② F 慣 — 起動(dòng)的慣性力 (N)；可按如下近似計(jì)算： F 慣 =tg V??總G （ 33） 式中， ΔV—速度變化量（ m/s） ,又 ΔV最大為 200 ㎜ /s； Δt—啟動(dòng)過程的時(shí)間（ s） ,一般為 ～ ； Δt對(duì)于輕載低速部件取小值，對(duì)于重載高速部件取大值，由于該機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)速度不高，且工作載荷不大，取 Δt=. F 慣 = NN ?? ③ F 回 — 油缸回腔低壓油液所造成的阻力，一般背壓力較小，可按 F 回 = 計(jì)算， F 回 = 196= ④ F 摩 — 各支承處的摩擦力 (N)； 當(dāng)量摩擦系數(shù) μ′=(～ )μ 對(duì)于靜摩擦且無潤滑時(shí)，鋼對(duì)鑄鐵： μ=～ ，取 μ= 則 μ′=(～ )=～ 如圖 圖 活塞桿受力分析 升降導(dǎo)向立柱不自鎖，必須 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁 G＞ F1+F2=2 F1=2 FR1f 由平衡條件： FR1 =FR2 ， GR= FR2h 解得： h＞ 取 h=10 ㎜，滿足不自鎖條件，則摩擦力為： F 摩 = NNhG R ffF R 1 ?????? ∴ 上升時(shí)： Pq=F 摩 ＋ F 慣 ＋ F 回 ＋ G=+50++196=491N 下降時(shí)： Pq=F 摩 ＋ F 慣 ＋ F 回 － G=+50+－ 196=295N 2） 升降 油缸 結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算 雙作用液壓缸示意圖如圖 圖 雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)油進(jìn)入無桿腔時(shí)： F＝ F1η= p2D4? η 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔時(shí)： F＝ F2η= pd )D(4 22 ?? η 液壓缸的有效面積： S=1pF 故有： D＝??1p4F＝ ??1pF（無桿腔） （ 34） D＝ 21dp4 ＋??F （有桿腔） （ 35） 式中 F——驅(qū)動(dòng)力（ N） 。 5）油缸端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算 油缸體與缸蓋的連接方式和油缸的工作壓力、選用材料以及工作條件有關(guān)。 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁 4 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 液壓系統(tǒng)自 60 年代初至今，已在機(jī)械手中獲得廣泛應(yīng)用。 3）調(diào)節(jié)控制元件，它是控制液壓系統(tǒng)中 油液的能量，壓力和流動(dòng)方向的裝置，是流量閥，壓力閥，方向閥等的總稱。 為了減少泄漏，減少摩擦，所以必須使零件配合間隙要小，因此零件的加工質(zhì)量要求就較高，成本也就提高了。 在一般情況下，機(jī)械手的各個(gè)部位是分別動(dòng)作的，手臂橫移油缸所需的流量較小，手臂伸縮缸的流量較大，這兩組缸所需的流量相差較大，這樣可以選擇如圖 所示的單泵供油系統(tǒng)。也可以在油路中設(shè)置單向行程節(jié)流閥進(jìn)行緩沖，它有可靠性好，定位 精度高的特點(diǎn)，但在自動(dòng)化程度和通用性方面不如上述方案。此閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，但沒有壓力和溫度補(bǔ)償裝置，閥前后的壓力差隨負(fù)載和油溫的變化而變化，因此只適用于油溫變化較小的系統(tǒng)。 本機(jī)械手選取 Y63B 型溢流閥。 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁 5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手的電器控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)械手的動(dòng)作，并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。 PLC 的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示 圖 PLC 的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)選用的海為 PLC 的 特點(diǎn) Haiwell 系列 PLC 是一款按 IEC61131 國際標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的通用型高性價(jià)比的小型編程控制器，它具有以下特點(diǎn)： 1） 內(nèi)置 PLC 仿真器：國內(nèi)第一個(gè)帶內(nèi)置仿真器的 PLC 編程軟件，全面實(shí)現(xiàn)了 PLC程序的仿真運(yùn)行 。 1） 確定油泵的工作壓力 P 泵 P 泵 ≥ P+ ∑ △ p 式中 P——油缸的最大工作油壓 （ MP）； ∑ △ p ——壓力油路（進(jìn)油路）各部分壓力損失之和，其中包括各種元件的局部損失和管道的沿程損失。只有負(fù)載超過規(guī)定的極限（系統(tǒng)壓力超過調(diào)定壓力）時(shí)開啟溢流，進(jìn)行過載保護(hù)，使系統(tǒng)壓力不再增加（通常使 溢流閥的調(diào)定壓力比系統(tǒng)最高工作壓力高 10％～ 20％）。 L 型節(jié)流閥是筒式流量控制閥門。如圖 所示采用一個(gè)二位二通電磁換向閥和一個(gè)節(jié)流閥形成緩沖回路。盡管有的液壓缸是單一速度工 作，但也需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，用以保證液壓缸的平穩(wěn)運(yùn)行。 各種液壓系統(tǒng)都是由液壓元件構(gòu)成，因此對(duì)液壓元件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，可大大提高生產(chǎn)效率，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 液壓系統(tǒng)的組成 1）能源裝置，它是將電機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能（壓力和流量）輸出的能量轉(zhuǎn)換裝置，一般最常見的是液壓泵。 p1——液壓缸的工作壓力（ Pa） 。 所以 d＝ 20mm 是滿足要求的。 ③ 注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 手臂的配置形式 機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局，運(yùn)動(dòng)要求、操作系統(tǒng)、工作對(duì)象的不同，手臂的配置形式也不完全相同。 如圖 手部設(shè)計(jì)的計(jì)算 1）手部 夾緊力的計(jì)算 夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。工件表面質(zhì)量要求高的，對(duì) 手指 應(yīng)采取相應(yīng)的措施，如加軟墊等?；剞D(zhuǎn)型有分為單支點(diǎn)和雙支點(diǎn)兩種。前后行走機(jī)構(gòu)三角形支架與拉桿用螺紋聯(lián)接成一體，當(dāng)機(jī)械手工作時(shí) ， 由前后移動(dòng)油缸的活塞桿，通過支架和拉桿（兩桿固定聯(lián)接）帶動(dòng) 六只送料機(jī)械手的前后行走機(jī)構(gòu)，同步 地 實(shí)現(xiàn)各工序間的前后移動(dòng)，其行程為 1800mm。 主要參數(shù)如下： 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 抓重： 3kg 自由度： 3 個(gè) 工作范圍： 前后移動(dòng)： 1800mm 上下升降： 350mm 橫移：最大 50mm 驅(qū)動(dòng)方式： 液壓驅(qū)動(dòng) 控制方式： PLC 控制 定位方式： 機(jī)械擋塊 機(jī)械手的配置和工作原理 圖 送料機(jī)械手簡(jiǎn)圖 該 凸輪軸 加工自動(dòng)線上有五只送料 機(jī)械手，它們的結(jié)構(gòu)完全相同，均能作前后移動(dòng)、上下升降和橫移運(yùn)動(dòng)，送料機(jī)械手簡(jiǎn)圖如 圖 所示。該機(jī)械手在工作中需要 3 種運(yùn)動(dòng) ,包括機(jī)械手的前后、升降、橫向移動(dòng)，所以自由度數(shù)目取為 3，坐標(biāo)形式選擇直角坐標(biāo)、懸掛式。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。傳動(dòng)裝置的作用是將驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)力傳遞給機(jī)器人機(jī)械手相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)各種必要的運(yùn)動(dòng)，在傳動(dòng)方式上采用結(jié)構(gòu)緊湊的活塞桿傳動(dòng)。 定位精度發(fā)展現(xiàn)狀 ： 在氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展初期，由于技術(shù)的不成熟，利用氣壓驅(qū)動(dòng)的工 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 業(yè)機(jī)械手的定位精度很低，更無法實(shí)現(xiàn)在任意位置的起停，只能靠氣缸兩個(gè)終點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)定位，或者采用多位 氣缸，而多位氣缸的定位長度，也已經(jīng)由氣缸的行程確定，同樣無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在任意位置的起停。專用機(jī)械手適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)線，如自動(dòng)線上 的上下料機(jī)械手、各種自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)換刀械手等。但是，由于空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致該類型機(jī)械手的工作速度穩(wěn)定性比較差，沖擊較大，如果氣源壓力比較低，抓取力一般小于 300N，相比之下，該類型的機(jī)械手比液壓傳動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，因此該類型機(jī)械手適用于高速度、小負(fù)載、高溫度和高 粉塵的工作環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 位置檢測(cè)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手精確定位的裝置，主要作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體位置，并將機(jī)械手的位置信息實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)根據(jù)反饋回來的機(jī)械手位置與給定機(jī)械手位置進(jìn)行比較，及時(shí)地修正機(jī)械手的位置，實(shí)現(xiàn)精確定位。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而生產(chǎn)的。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著地 優(yōu) 點(diǎn)而得到特別重視。首先，簡(jiǎn)要介紹了機(jī)械手的基本概念、機(jī)械手的組成和分類，以及工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史和發(fā)展趨勢(shì)。本文主要針對(duì)用于油泵凸輪軸自動(dòng)線上，在相鄰工位間搬運(yùn)工件的機(jī)械手即油泵凸輪軸加工自動(dòng)線送料機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)械手廣泛地用于鍛壓、沖壓、鑄造、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有 75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50 件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的 5%。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是工業(yè)機(jī)械手的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作用是完成工件的取送工作，當(dāng)前市場(chǎng)上大多數(shù)工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為手抓、夾鉗和吸盤。這類機(jī)械手的主要特點(diǎn)是 :動(dòng)作迅速、成本較低、抓取力較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、介質(zhì)來源非常方便且無污染。專用機(jī)械手的特點(diǎn)是：動(dòng)作較少、工作對(duì)象比較單一、結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單、造價(jià)低、使用可靠。隨著氣動(dòng)技術(shù)的高速發(fā)展，又由于氣壓驅(qū)動(dòng)具有其他驅(qū)動(dòng)凡是所沒有的一些優(yōu)點(diǎn)，如成本低、高性價(jià)比、無污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、抗干擾能力強(qiáng)等，使得越來越多的工業(yè)機(jī)械手采用氣動(dòng)控制。采用球坐標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，這種方式能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操作靈活性。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 圖 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式 本次設(shè)計(jì)采用的方案 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件為凸輪軸其形狀特殊，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) ，以減小成本、提高可靠度。 主要技術(shù)參數(shù)的確定 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)包括抓重、自由度、定位精度、重復(fù)定位精度、工作范圍、最大速度及承載能力。前后行走機(jī)構(gòu)安裝在橫梁上，它由 6 個(gè)滾輪和三角形支架 組成 ，其滾輪安裝在懸掛支架橫梁的滾道上，使機(jī)械手成懸掛式。 手部按手指的運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。 適應(yīng)工件被抓取部位的尺寸：工件被抓取部位的尺寸可能是不變的，若加工尺寸略有變化，那么 手指 應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求。為了保證凸輪軸的可靠定 位，在手部支撐板的中間裝有一個(gè)定位手部。 手臂 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 由于所設(shè)計(jì)的送料機(jī)械手的手部沒有回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，所以沒有手腕的設(shè)計(jì)。 手臂設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 ① 手臂的的截面形狀要選擇合理 ② 合理布置作用力的位置和方向，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該結(jié)合具體受力情況，使 個(gè)作用力引起的變形相互抵消。 按強(qiáng)度條件確定活塞桿的直徑 d，因活塞桿工作時(shí)主要承受拉力或壓力，因此可看作直桿拉壓強(qiáng)度計(jì)算問題 ? ???? ??42dF （ 36） 或 d≥ ][4??F （ 37） 式中 F― 總機(jī)械載荷（ N）； [? ]― 材料的許用應(yīng)力（ MP）； [? ]=nb? 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 碳鋼取 [? ]=100～ 120MPa； n安全系數(shù)， 一般不小于 ； ∴ d≥ ][4??F＝6101004914 ?? ??m＝ 計(jì)算出來的直徑 d 再按標(biāo)準(zhǔn)圓整。 由于該機(jī)械手升降油缸采用 O 形密封圈，活塞桿直徑為液壓缸直徑的一半，當(dāng)油缸 遼寧科技大學(xué)本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)