輪胎裝配機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計-機(jī)械手設(shè)計【9張CAD圖紙及說明書全套】【YC系列】

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This paper describes the design of the cylinder coordinate hydraulic manipulator, which is mainly used for the carrying and assembling of the tire. First, by the manipulator's structure and principle were analyzed in this study. Based on the design scheme is presented; then, mainly the main structure parts and hydraulic system were design and checking calculation. Finally, through the AutoCAD drawing software drawn the manipulator assembly drawing and the main parts of the map. Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance. [Keywords] Tire, Manipulator, Cylindrical coordinates, Hydraulic system 目 錄 第一章 緒論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1 第二章 總體方案設(shè)計 3 2.1 設(shè)計要求 3 2.1.1 動作要求 3 2.1.2參數(shù)要求 3 2.2方案擬定 3 2.2.1方案分析 3 2.2.2 擬定方案 5 第三章 手臂部分設(shè)計 6 3.1臂部整體設(shè)計 6 3.2手臂伸縮驅(qū)動力計算 6 3.2.1 手臂摩擦力的計算 6 3.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計算 7 3.2.3手臂慣性力的計算 7 3.3手臂伸縮油缸的設(shè)計 8 3.3.1確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 8 3.3.2液壓缸外徑的設(shè)計 9 3.3.3活塞桿的設(shè)計校核 9 3.3.4 油缸端蓋的設(shè)計 10 第四章 機(jī)身部分設(shè)計 12 4.1 機(jī)身的整體設(shè)計 12 4.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計 12 4.2.1回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算 12 4.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 13 4.3機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計 15 4.3.1手臂重力矩的計算 15 4.3.2升降油缸驅(qū)動力的計算 15 4.3.3升降缸尺寸參數(shù)的確定 16 第五章 搬運手爪及裝配機(jī)構(gòu)設(shè)計 18 5.1搬運手爪的設(shè)計 18 5.2裝配機(jī)構(gòu)的設(shè)計 19 第六章 液壓系統(tǒng)設(shè)計 20 6.1方案擬定 20 6.1.1制定調(diào)速方案 20 6.1.2制定壓力控制方案 20 6.1.3選擇液壓動力源 20 6.1.4繪制液壓系統(tǒng)圖 20 6.3液壓元件的計算和選擇 21 6.3.1液壓泵 21 6.3.2確定油箱容量 22 6.3.3液壓元件的選擇 22 6.2液壓系統(tǒng)性能驗算 22 6.2.1壓力損失驗算 22 6.2.2發(fā)熱溫升驗算 23 總 結(jié) 25 參考文獻(xiàn) 26 致 謝 27 27 第一章 緒論 1.1研究背景及意義 機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。我國的工業(yè)機(jī)械手是從80年代"七五"科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過"七五"，"八五"科技攻關(guān)，目前已經(jīng)基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)，控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)，運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機(jī)器人，其中有130多臺噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，孤焊機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定距離。 本文講述了輪胎裝配機(jī)械手即液壓機(jī)械手設(shè)計，主要作用是完成輪胎的搬運夾持及裝配工作。隨著工業(yè)自動化程度的提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。機(jī)械手能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具。機(jī)械手可以代替很多重復(fù)性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年美國機(jī)械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進(jìn)口。 目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 一般概況國內(nèi)機(jī)械行業(yè)應(yīng)用的機(jī)械手絕大部分為專用機(jī)械手，附屬于某一設(shè)備，其工作程序是固定的。通用機(jī)械手也有發(fā)展，目前應(yīng)用的都是開關(guān)式點位控制型，伺服型已試制出數(shù)臺在調(diào)試中，連續(xù)軌跡控制型還沒有。 控制方式—有觸點固定程序控制占絕大多數(shù)，專用機(jī)械手多采用這種控制。 第二章 總體方案設(shè)計 2.1 設(shè)計要求 2.1.1 動作要求 裝配機(jī)器人分為搬運和裝配兩個動作，實現(xiàn)夾住輪胎然后搬運過來，然后定位，定位之后由裝配的機(jī)構(gòu)擰螺絲實現(xiàn)裝配動作。 （1）可以設(shè)計成一體式，即搬運的機(jī)構(gòu)和裝配的機(jī)構(gòu)在一個圓柱坐標(biāo)機(jī)器人完成，也可以設(shè)計成雙臂式，即搬運和裝配部分在兩個圓柱坐標(biāo)機(jī)器人上分別完成動作； （2）裝配機(jī)器人擰螺絲過程為 對角依次固定，一般汽車輪胎上有五個固定螺絲，成對角狀態(tài)擰螺絲才能保證輪胎的緊固。 2.1.2參數(shù)要求 （1）輪胎直徑： 300~450mm （2）主臂回轉(zhuǎn)角度： 0~280° （3）主臂回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速： 0~16 r/min （4）機(jī)器人直線移動速度：0~0.5m/s （5）機(jī)器人自由度： 5 2.2方案擬定 2.2.1方案分析 裝配機(jī)器人分為搬運和裝配兩個動作，實現(xiàn)夾住輪胎然后搬運過來，然后定位，定位之后由裝配的機(jī)構(gòu)擰螺絲實現(xiàn)裝配動作。機(jī)械手主要有以下類型： （1）直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是最簡單的。如圖2-1，臂部由三個相互正交的移動副組成，沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的方向作直線移動。它具有操作簡便的優(yōu)點，被用于零部件的移送、簡單的插入、旋擰等作業(yè)。但所占空間較大，工作范圍相對較小。 圖2-1 直角坐標(biāo)型 （2）圓柱坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)也比較簡單，如圖2-2，臂部由一個轉(zhuǎn)動副和兩個移動副組成，工作范圍為圓柱形狀的，其特點是位置精度高、運動直觀、控制簡單；結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、廉價，因此應(yīng)用廣泛。 圖2-2 圓柱坐標(biāo)型 （3）垂直多關(guān)節(jié)型 垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人是根據(jù)人的上肢而設(shè)計的，如圖2-3，它前三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)繞Z軸轉(zhuǎn)動，臂的兩個關(guān)節(jié)繞平行于Y軸的兩軸線轉(zhuǎn)動，它利用順序的三個圓弧運動來改變手的空間位置。關(guān)節(jié)型機(jī)器人以臂部各相鄰部件的相對角位移為運動坐標(biāo)，結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活性最好，所占空間小，運動速度較高，操作范圍大，能在狹窄空間內(nèi)饒過各種障礙物。但其精度受手臂姿勢的影響，實現(xiàn)高精度運動有一定的困難。 圖2-3 圓柱坐標(biāo)型 （4）平面關(guān)節(jié)型 平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人目前在裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用的數(shù)量最多，它是一種精密型裝配機(jī)器人，具有速度快、精度高、柔性好等特點，如圖2-4： 圖2-4 平面關(guān)節(jié)型 （5）極坐標(biāo)型 極坐標(biāo)型機(jī)器人利用兩個轉(zhuǎn)動和一個移動來改變手的空間位置，如圖1-4，產(chǎn)生沿手臂軸X的直線移動，繞基座軸Y的轉(zhuǎn)動和繞關(guān)節(jié)軸Z的擺動。其手臂可作繞Z軸的俯仰運動能抓取地面上的物體。這種機(jī)器人的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間小，運動靈活，并能擴(kuò)大機(jī)器人的工作空間，但旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)反映在末端執(zhí)行器上的線位移分辨率是一個變量，精度難以保證。 圖2-5 極坐標(biāo)型 2.2.2 擬定方案 根據(jù)上面幾種機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點比較，由于圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂動作靈活，所占空間小，工作范圍大，能在狹窄空間內(nèi)饒過各種障礙物的特性，綜合以上決定采用（2）圓柱坐標(biāo)型裝配機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-6所示： 圖2-6 輪胎裝配機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖 第三章 手臂部分設(shè)計 3.1臂部整體設(shè)計 手臂部件是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶動它們作空間轉(zhuǎn)動。 考慮到本次設(shè)計的機(jī)械手夾持輪胎，抓取重量較小，因此本設(shè)計選擇油缸桿伸縮機(jī)構(gòu)，其手臂的伸縮油缸活塞桿安裝在導(dǎo)向套內(nèi)，減小油缸桿的彎曲應(yīng)力?；钊麠U受拉壓和彎曲載荷共同作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。使用液壓驅(qū)動，液壓缸選取雙作用液壓缸。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下圖示： 圖3-1 臂部結(jié)構(gòu) 3.2手臂伸縮驅(qū)動力計算 做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算為： 3.2.1 手臂摩擦力的計算 由于油缸采用導(dǎo)向套導(dǎo)向故： 得 得 式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L——手臂與運動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m），參考上一節(jié)的計算; a——導(dǎo)向支撐的長度（m）; ——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。 對于圓柱面： ——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 鋼對鑄鐵：取 計算：油缸桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向套支撐選擇鋼， 預(yù)估，已知L=800mm，導(dǎo)向支撐a設(shè)計為200mm 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計算 600=1260N 3.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用O型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： =0.03F。 3.2.3手臂慣性力的計算 =0.1 式中 ——參與運動的零件的總重力（包括工件）(N)； ——從靜止加速到工作速度的變化量(m/s)； ——啟動時間(s)，一般取0.01~0.5； 設(shè)啟動時間為0.2s，最大為0.233m/s。 則： =0.1=69.9N 由于背壓阻力較小，可取=0.05 所以 =+++=1260+69.9+0.03F+0.05F 求得 =1446N 所以手臂伸縮驅(qū)動力為=1446N。 3.3手臂伸縮油缸的設(shè)計 表3-1 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 小于5000 0.8~1 20000~30000 2.0~4.0 5000~10000 1.5~2.0 30000~50000 4.0~5.0 10000~20000 2.5~3.0 50000以上 5.0~8.0 經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=4378N，根據(jù)表3-1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa； 3.3.1確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖3-2所示 圖3-2 雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)油進(jìn)入無桿腔： 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔： 液壓缸的有效面積： (mm) 所以 （無桿腔） （有桿腔） 式中——活塞驅(qū)動力(P)； ——油缸的工作壓力(MPa)； ——活塞桿直徑； ——油缸機(jī)械效率，工程機(jī)械中用耐油橡膠可取=0.96； 由上節(jié)求得驅(qū)動力F=1446N，=1MPa，機(jī)械效率=0.96 將數(shù)據(jù)代入得： ==43.8mm 根據(jù)表4-1（JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=50mm. 3.3.2液壓缸外徑的設(shè)計 外徑按中等壁厚設(shè)計，根據(jù)（JB1068-67）取油缸外徑外徑選擇76mm. 3.3.3活塞桿的設(shè)計校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強(qiáng)度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計算： (mm) 設(shè)計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.1mm 考慮到手部夾緊油缸需內(nèi)置于該活塞桿，而前述已算得手部夾緊油缸外徑為36mm，所以活塞直徑按下表取d=36mm，滿足強(qiáng)度和裝配要求。 表3-2 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 現(xiàn)在進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定性條件為 式中 ——臨界力(N)； ——安全系數(shù)，=2~4。 按中長桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其臨界力=F() 式中 F——活塞桿截面面積(mm)； a，b——常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，碳鋼a=461，b=2.47； ——柔度系數(shù)，經(jīng)計算為70。 代入數(shù)據(jù)，臨界力 =F()=3.14=90463.4MPa 取=3 =30154.47 MPa 所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。 3.3.4 油缸端蓋的設(shè)計 為保證連接的緊密性，螺釘間距t應(yīng)適當(dāng)（如圖4-2），在這種聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預(yù)緊力之和 =+ 式中 ——工作載荷，=； ——螺釘中心所在圓的直徑； P——驅(qū)動力。 Z——螺釘數(shù)目，Z=； ——剩余預(yù)緊力，=KQ，K=1.5~1.8； 計算： D=76mm，取=90mm，P=1MPa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4.3，間距應(yīng)小于150mm，試選螺釘數(shù)為6個： 表3-3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系 工作壓力P（Mpa） 螺釘?shù)拈g距t (mm) 0.5~1.5 小于150 1.5~2.5 小于120 2.5~5.0 小于100 5.0~10.0 小于80 則 Z=，代入數(shù)據(jù)=46<150，滿足要求； ==838N； 選擇K=1.5，=1.5=1255N; =+=837+1257=2095N 螺釘直徑按強(qiáng)度條件計算 式中 ——計算載荷，=1.3； ——許用抗拉應(yīng)力，=； ——螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352MPa； n——安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內(nèi)徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計算： =1.3=1.3×2095=2723.5N 代入數(shù)據(jù)： ===0.0045m 第四章 機(jī)身部分設(shè)計 4.1 機(jī)身的整體設(shè)計 按照設(shè)計要求，機(jī)械手要實現(xiàn)手臂280°的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在機(jī)身處。同時機(jī)身承載著升降運動。 綜合考慮，本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計機(jī)身包括兩個運動，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降。如圖4-1所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉(zhuǎn)運動。回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的。活塞桿采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向，具體結(jié)構(gòu)見下圖。 圖4-1 機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖 4.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計 4.2.1回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算 手臂回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算公式為： =++ (N·m) 慣性力矩 = 式中 ——臂部回轉(zhuǎn)部件(包括工件)對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）； ——回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量，在啟動過程=(rad/s)； ——啟動過程的時間(s)； 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為(前面計算得=800mm)，則 式中 ——回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量。 = 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長600mm，直徑為1000mm的圓柱體，質(zhì)量為100Kg.設(shè)置起動角速度=70°/s，則起動角速度=1.22，起動時間設(shè)計為0.5s。 === 28 kg·m =28+=93.3kg·m ==93.3=227.6 為了簡便計算，密封處的摩擦阻力矩，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計，=0 所以 =227.6+0+0.03 =234.6 4.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 （1）回轉(zhuǎn)缸油腔內(nèi)徑D計算公式為： 式中 P——回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力； d——輸出軸與動片連接處的直徑，初步設(shè)計按D/d=1.5~2.5； b——動片寬度，可按2b/(D-d)≥2選取。 選定回轉(zhuǎn)缸的動片寬b=50mm，工作壓力為5MPa，d=50mm =94.9mm 按標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑選取內(nèi)徑為100mm。 （2）油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為5Mpa，所以螺釘間距t應(yīng)小于80mm。螺釘數(shù)目 Z==×3.14=3.93 所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇6個。 危險截面 ==0.00589 所以 =4906.3N =4906.3×1.5=7359.4N (K=1.5) 所以 7359.4+4906.3=12265.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘?shù)闹睆? d=10mm 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。 經(jīng)過以上的計算，最終確定的液壓缸的尺寸，內(nèi)徑為100mm，外徑按中等壁厚設(shè)計，根據(jù)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇168mm，輸出軸徑為50mm。 圖4-2 回轉(zhuǎn)缸的截面圖 （3）動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎? 根據(jù)動片所受力矩的平衡條件有： = 即 式中 ——每個螺釘預(yù)緊力； D——動片的外徑； f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 或 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得 ===10416.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘?shù)闹睆絛=9.3mm 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。 4.3機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計 4.3.1手臂重力矩的計算 (1) 估算重量：=150N，=150N，=500N (2) 計算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離: =800mm，=760mm， =400mm。 由于 = 所以 =0.5425m (3) 計算偏重力矩 =434 4.3.2升降油缸驅(qū)動力的計算 式中 摩擦阻力，，取f=0.16。 G——零件及工件所受的總重。 (1) 的計算 設(shè)定速度為V=0.6m/s；起動或制動的時間差t=0.1s、為800N。 將數(shù)據(jù)帶入上面公式有： 489.8N (2) 的計算 =2500N 所以 =2×2500×0.16=800N (3) 液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算 (4) 由于背壓阻力較小，為簡便計算，可將其忽略，=0 所以 F=489.8+800+0.03F 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動時，F(xiàn)=2105N 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動時，F(xiàn)=505N 4.3.3升降缸尺寸參數(shù)的確定 (1) 液壓缸內(nèi)徑的計算 液壓缸驅(qū)動力按上升時計算，F(xiàn)=2105N，由表(5-1)選擇油缸工作壓力為1.0MPa，計算如5.4節(jié)公式，代入數(shù)據(jù)： ==0.1029 根據(jù)表(4-1)可選取液壓缸內(nèi)徑D=125mm。 (2) 液壓缸外徑的計算 按厚壁計算(3.2)： 式中 ——缸體材料的許用應(yīng)力，無縫鋼管時=100~110MPa 根據(jù)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇180mm. (3) 活塞桿的計算 設(shè)計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.94mm 活塞桿直徑應(yīng)大于8.5mm。 (4) 缸蓋螺釘?shù)挠嬎? D=120mm，取=180mm，P=1.0MPa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4-3，間距應(yīng)小于120mm，試選螺釘數(shù)為6個： 則 Z=，代入數(shù)據(jù)=84<120，滿足要求； ==1962.5N； 選擇K=1.5，=1.5=2943.75N;=+=1962.5+2943.75=4907N 螺釘直徑按強(qiáng)度條件計算： 式中 ——計算載荷，=1.3； ——許用抗拉應(yīng)力，=； ——螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352MPa； n——安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內(nèi)徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計算： =1.3=1.3×4907=6379.1N 代入數(shù)據(jù)： ===0.0068m 第五章 搬運手爪及裝配機(jī)構(gòu)設(shè)計 5.1搬運手爪的設(shè)計 裝配機(jī)器人分為搬運和裝配兩個動作，實現(xiàn)夾住輪胎然后搬運過來，然后定位，這些動作均需要搬運手爪實現(xiàn)。另外參數(shù)要求搬運的輪胎直徑：300~450mm，如下圖通過CAD法匹配分析最小直徑輪胎與最大直徑輪胎時所需手爪的結(jié)構(gòu)。 圖5-1 搬運手爪結(jié)構(gòu)分析 通過上述分析得到搬運手爪的詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示： 圖5-2 搬運手爪結(jié)構(gòu)尺寸 5.2裝配機(jī)構(gòu)的設(shè)計 設(shè)計要求輪帶放到位后由裝配機(jī)構(gòu)擰螺絲實現(xiàn)裝配動作，裝配機(jī)器人擰螺絲過程為對角依次固定，一般汽車輪胎上有五個固定螺絲，成對角狀態(tài)擰螺絲才能保證輪胎的緊固。 在機(jī)械手設(shè)計中通常擰螺絲的裝配機(jī)構(gòu)有現(xiàn)成的電動扳手，只需選型后搭配到機(jī)械手上即可，由于本處要求成對角狀態(tài)擰螺絲故選用如下帶成對角套筒的電動扳手。 同時為了保證機(jī)械手在搬運爪把輪胎搬運到車輪軸上是精確定位在電動扳手上設(shè)置一傳感器1，該傳感器為位置傳感器，可以感應(yīng)車輪軸的中心位置。 而為了保證電動扳手套筒能精確套入待擰緊的螺帽，在電動扳手上設(shè)置一傳感器2，該傳感器也是位置傳感器，可以感應(yīng)螺桿的中心位置，在擰完一顆螺帽后套筒移除，電動扳手旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，兩個套筒在傳感器2作用下找到下一對對角螺栓進(jìn)行擰緊，如此循環(huán)3次及可完成輪胎螺栓的擰緊工作。 圖5-3 裝配機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu) 第六章 液壓系統(tǒng)設(shè)計 6.1方案擬定 6.1.1制定調(diào)速方案 節(jié)流調(diào)速一般采用定量泵供油，用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量來調(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單，但效率低，發(fā)熱量大，多用于功率不大的場合。 容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達(dá)的排量來達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點是沒有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但需要有輔助泵，此種調(diào)速方式適用于功率大、運動速度高的液壓系統(tǒng)。 容積節(jié)流調(diào)速一般是用變量泵供油，用流量控制閥調(diào)節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量，并使其供油量與需油量相適應(yīng)。此種調(diào)速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。綜合考慮本次采用節(jié)流調(diào)速。 6.1.2制定壓力控制方案 液壓執(zhí)行元件工作時，要求系統(tǒng)保持一定的工作壓力或在一定壓力范圍內(nèi)工作，也有的需要多級或無級連續(xù)地調(diào)節(jié)壓力，一般在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，通常由定量泵供油，用溢流閥調(diào)節(jié)所需壓力，并保持恒定。在容積調(diào)速系統(tǒng)中，用變量泵供油，用安全閥起安全保護(hù)作用。 在有些液壓系統(tǒng)中，有時需要流量不大的高壓油，這時可考慮用增壓回路得到高壓，而不用單設(shè)高壓泵。液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中，某段時間不需要供油，而又不便停泵的情況下，需考慮選擇卸荷回路。 在系統(tǒng)的某個局部，工作壓力需低于主油源壓力時，要考慮采用減壓回路來獲得所需的工作壓力。 6.1.3選擇液壓動力源 ?液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油，用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力。 6.1.4繪制液壓系統(tǒng)圖 液壓系統(tǒng)圖由擬定好的控制回路及液壓源組合而成。各回路相互組合時要去掉重復(fù)多余的元件，力求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。注意各元件間的聯(lián)鎖關(guān)系，避免誤動作發(fā)生。要盡量減少能量損失環(huán)節(jié)。提高系統(tǒng)的工作效率。 為便于液壓系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)測，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設(shè)必要的檢測元件（如壓力表、溫度計等）。 圖6-1 液壓系統(tǒng)原理圖 6.2液壓元件的計算和選擇 6.2.1液壓泵 工作壓力： P=P=5 MPa，估算=0.5MPa 所以 P5 +0.5=5.5MPa 流量： =29.44L/min，取K=1.1 所以QK20.24=32.4L/min 規(guī)格： 根據(jù)《液壓設(shè)計手冊單行本》P152，表20-5-6，選擇齒輪泵CB40，n=1460r/min，Q=40L/min，P=6MPa 電機(jī)選用： 取泵的總效率=0.85，則N==4.7kw 選電機(jī)：Y132M-4，N=5.5kw，n=1460r/min。 6.2.2確定油箱容量 V=100L 6.2.3液壓元件的選擇 表6-1 液壓元件一覽表 序號 元件名稱 規(guī)格 數(shù)量 1 線隙式過濾器 2.5MPa，100L/min 1 2 電動機(jī) 5.5kw，1460r/min 1 3 齒輪泵 5MPa，1450r/min 1 4 溢流閥 2.5MPa，12 1 5 電磁換向閥 6.3MPa，12 1 6 單向閥 6.3MPa，12 1 7 壓力表 (0~8)MPa 1 8，14 節(jié)流閥 6.3MPa，12 2 9，15，20，21 25，26，30 節(jié)流閥 6.3MPa，8 7 10，16 電磁換向閥 6.3MPa，12 2 11，17 電磁換向閥 6.3MPa，12 2 12，18 單向順序閥 2.5MPa，12 2 22，27 電磁換向閥 6.3MPa，8 2 23，28 電磁換向閥 6.3MPa，8 2 31 電磁換向閥 6.3MPa，8 1 33 壓力繼電器 (1~6.3)MPa 1 34 減壓閥 6.3MPa，8 1 35 壓力表開關(guān) 6.3MPa，4 1 注：表中元件的序號與液壓系統(tǒng)原理圖中的序號相對應(yīng)。 6.3液壓系統(tǒng)性能驗算 6.3.1壓力損失驗算 （1）沿程壓力損失 沿程壓力損失，主要是注射缸快速注射時進(jìn)油管路的壓力損失。此管路長 5m，管內(nèi)徑0.032m，快速時通過流量2.7L/s；選用20號機(jī)械系統(tǒng)損耗油，正常運轉(zhuǎn)后油的運動粘度ν＝27mm2/s，油的密度ρ＝918kg/m3。 油在管路中的實際流速為 油在管路中呈紊流流動狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為： 求得沿程壓力損失為： （2）局部壓力損失 單向順序伺17的額定流量為50L/min，額定壓力損失為0.4MPa。電液換向閥2的額定流量為190L/min，額定壓力損失0.3 MPa。單向順序閥18的額定流量為150L/min，額定壓力損失0.2 MPa。 通過各閥的局部壓力損失之和為 從大泵出油口到注射缸進(jìn)油口要經(jīng)過單向閥13，電液換向閥2和單向順序閥18。單向閥13的額定流量為250L/min，額定壓力損失為0.2 MPa。 通過各閥的局部壓力損失之和為： 由以上計算結(jié)果可求得快速注射時，小泵到注射缸之間總的壓力損失為 ∑p1＝(0.03＋0.88)MPa＝0.91MPa 大泵到注射缸之間總的壓力損失為 ∑p 2＝(0.03＋0.65)MPa＝0.68MPa 由計算結(jié)果看，大小泵的實際出口壓力距泵的額定壓力還有一定的壓力裕度，所選泵是適合的。 綜合考慮各工況的需要，確定系統(tǒng)的最高工作壓力為6.3MPa，也就是溢流閥7的調(diào)定壓力。 6.3.2發(fā)熱溫升驗算 （1）計算發(fā)熱功率 液壓系統(tǒng)的功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量，發(fā)熱功率計算如下： Phr＝Pr－Pc 對本系統(tǒng)來說，Pr是整個工作循環(huán)中雙泵的平均輸入功率。 系統(tǒng)總輸出功率，求系統(tǒng)的輸出有效功率： 由前面給定參數(shù)及計算結(jié)果可知：合模缸的外載荷為90kN，行程0.35m；注射缸的外載荷為192kN，行程0.2m；預(yù)塑螺桿有效功率5kW，工作時間15s；開模時外載荷近同合模，行程也相同。注射機(jī)輸出有效功率主要是以上這些。 總的發(fā)熱功率為： Phr＝(5.3－3)kW＝2.3kW （2）計算散熱功率 前面初步求得油箱的有效容積為1m3，按V＝0.8abh求得油箱各邊之積： a·b·h＝1/0.8m3＝1.25m3 取a為1.25m，b、h分別為1m。求得油箱散熱面積為： At＝1.8h(a＋b)＋1.5ab＝(1.8×l×(1.25＋1) ＋1.5×1.25)m2 ＝5.9m2 油箱的散熱功率為： Phc＝K1AtΔT 式中 K1——油箱散熱系數(shù)，查表5—1，K1取16W/(m2·℃)； ΔT——油溫與環(huán)境溫度之差，取ΔT＝35℃。 Phc＝16×5.9×35kW＝3.3kW＞Phr＝2.3kW 由此可見，油箱的散熱能滿足系統(tǒng)散熱的要求。 總 結(jié) 畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的學(xué)習(xí)機(jī)會，通過這次對圓柱齒輪減速器理論知識和實際設(shè)計的相結(jié)合，鍛煉了我的綜合運用所學(xué)專業(yè)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。 這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的目的所在，提高是有限的但卻是全面的，正是這一次畢業(yè)設(shè)計讓我積累了許多實際經(jīng)驗，使我的頭腦更好的被知識武裝起來，也必然讓我在未來的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變能力，更強(qiáng)的溝通力和理解力。 順利如期的完成本此畢業(yè)設(shè)計給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，但同時也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺，留下了些許遺憾，不過不足與遺憾不會給我打擊只會更好的鞭策我前行，今后我更會關(guān)注新科技新設(shè)備新工藝的出現(xiàn)，并爭取盡快的掌握這些先進(jìn)知識，更好的為祖國的四化服務(wù)。 參考文獻(xiàn) [1] 郭洪紅 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)（第二版）西安電子科技大學(xué)出版社2013 [2] 孫志禮，冷興聚，魏延剛等. 機(jī)械設(shè)計[M]. 東北大學(xué)出版社， 2003 [3] 徐灝. 機(jī)械設(shè)計手冊[M]第5卷. 機(jī)械工業(yè)出版社， 1992 [4] 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計師手冊[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2002 [5] 成大先. 機(jī)械設(shè)計圖冊[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社， 2002 [6] 羅洪量. 機(jī)械原理課程設(shè)計指導(dǎo)書[M]（第二版）. 高等教育出版社，1986 [7] JJ.杰克（美）. 機(jī)械與機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理[M]（第一版）. 機(jī)械工業(yè)出版社，1985 [8] 王玉新. 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法學(xué)[M]（第一版）. 天津大學(xué)出版社， 1996 [9] 張建民. 工業(yè)機(jī)器人[B][M]. 北京理工大學(xué)出版社，1992 [10] 馬香峰. 機(jī)器人結(jié)構(gòu)學(xué)[B] [M] . 機(jī)械工業(yè)出版社，1991 [11] [俄]IO.M.索羅門采夫. 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另外，也向給予我?guī)椭乃型瑢W(xué)表示感謝。 總之，本次的設(shè)計是老師和同學(xué)共同完成的結(jié)果，在設(shè)計的一個月里，我們合作的非常愉快，教會了大我許多道理，是我人生的一筆財富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示感謝！