壓鑄機(jī)自動(dòng)澆鑄機(jī)械手設(shè)計(jì)說(shuō)明書【帶CAD裝配一張 雙擊可提取出】

I 壓鑄機(jī)自動(dòng)澆鑄機(jī)械手設(shè)計(jì) 摘 要 機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 壓鑄機(jī)自動(dòng)澆鑄機(jī)械手，主要由手臂、回轉(zhuǎn)支架、傾倒機(jī)構(gòu)、澆包 (即勺式手部 )、傾倒油缸、回轉(zhuǎn)油缸、底座及升降油缸等組成。 手臂為一平行四邊形機(jī)構(gòu)，它具有俯仰和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)是通過(guò)鉸鏈支承的升降油缸來(lái)達(dá)到，使得平行四邊形機(jī)構(gòu)的連桿 (它帶動(dòng) 澆包 )作平面平行運(yùn)動(dòng)，即澆包有升降和橫移運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由回轉(zhuǎn)油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 手臂上安裝有彈簧，通過(guò)繩索和滑輪與傾倒機(jī)構(gòu)連接，用來(lái)使傾倒機(jī)構(gòu)復(fù)位，同時(shí)也起緩沖作用。壓鑄機(jī)澆鑄機(jī)械手備有 4、 6、 8 公斤三種容量的澆包，它們的結(jié)構(gòu)相同，只是尺寸有異。該澆包的特點(diǎn)是底部進(jìn)料，并有隔板以擋住氧化皮，其容積是定量的。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械手 ；澆鑄 ；壓鑄 II Design of manipulator and automatic casting die casting machine Abstract Manipulator arm to mimic the staff and some motor function, to crawl at a fixed procedure, handling objects or tools of the automatic operation devices. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation can be harmful to the environment in the operation to protect the personal safety and therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. die casting machine automatically casting manipulator, mainly by the arm, rotating frame, the dumping of bodies, pouring package (that is, spoon-hand), the dumping of the fuel tank, the fuel tank of Rotary, the base and movements composed of the fuel tank. Arm as a parallelogram, it is pitching and turning motion. Pitching arm movement through the hinge supporting the movements to achieve the fuel tank, making the parallelogram linkage (which led poured packet), a parallel campaign plane, a package pouring movements and shifting movement. Arm of the Rotary movement is achieved by rotating the fuel tank. Spring is installed on the arm by a rope and pulley connection with the dumping of bodies, used to dump bodies reduction, but also a buffer role. die casting machine casting manipulator with a capacity of three kilograms of 4,6,8 pouring package, the same as their structure, but there are different sizes. The package is characterized by pouring at the bottom of the feed, and a partition wall to block the oxidation skin, its volume is quantitative. KeyWords： Manipulator；Cast； Srike III 目錄 1 緒論 . IV 1.1 選題背景 . IV 1.2 機(jī)械手概述 . IV 1.3 機(jī)械手的組成 . V 1.4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r .VII 1.5 課題的提出及主要任務(wù) . VIII 1.5.1 課題的提出 . VIII 1.5.2 課題的主要任務(wù) . IX 2 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 . X 2.1 原始數(shù)據(jù) . X 2.2 機(jī)械手的配置及工作原理： . X 2.3 機(jī)械手的組成與結(jié)構(gòu) . XI 2.4 總體技術(shù)方案 .XII 2.4.1 坐標(biāo)形式的選擇 .XII 2.4.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 . XIII 3 手部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) . XIV 3.1 手部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 . XIV 3.2 手部結(jié)構(gòu)分類 . XIV 3.3 自動(dòng)澆鑄機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . XV 4 手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . XVI 4.1 腕部總體設(shè)計(jì) . XVI 4.2 腕部的設(shè)計(jì)要求 . XVI 4.3 腕部的結(jié)構(gòu)尺寸 . XVII 4.4 手臂傾倒液壓缸的設(shè)計(jì) . XX 4.4.1 傾倒運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 . XX 4.4.2 傾倒液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定： . XX 5 手臂和機(jī)身的尺寸設(shè)計(jì)及校核 . XXII 5.1 臂部和機(jī)身的簡(jiǎn)介 . XXII 5.4 手臂升降液壓缸的設(shè)計(jì) . XXIV 5.5 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算 . XXVI 6 腰部與底座及回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì) . XXVII 6.1 底座的設(shè)計(jì) . XXVII 6.2 回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì) . XXVII 6.3 回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸校核 . XXVIII 6.4 回轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì) . XXIX 6.5 上軸的設(shè)計(jì) . XXIX 結(jié) 論 . XXXII 致 謝 . XXXIII 參考文獻(xiàn) .XXXIV IV 1 緒論 1.1 選題背景 澆鑄 ，在不加壓或稍加壓的情況下，將液態(tài)單體、 樹(shù)脂 或其混合物注入模內(nèi)并使其成為固態(tài)制品的方法。 塑料 的鑄 塑成型類似于金屬的澆鑄，它是將配制好的液態(tài)原料澆入 模具 ，固化后得到與模腔形狀和尺寸相近的塑料制件，這種方法稱為塑料的鑄塑成型。 澆鑄法分為靜態(tài)澆鑄、嵌鑄、離心澆鑄、搪塑、旋轉(zhuǎn)鑄塑、滾塑和流延鑄塑等。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手。在沖床上采用送料機(jī)械手取代人工送料已成為最有效防止工傷事件的安全生產(chǎn)措施。機(jī)械手不但可以實(shí)現(xiàn)安全操作，也提高了產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率，降低了廢品率。機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能 的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造 單元 FMC 中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。 1.2 機(jī) 械手概述 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī) (機(jī)械本體 )、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、 V 提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義 上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備 .機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率 :可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品 質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn) ；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用 . 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它 在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1.3 機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多 ，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有 2 3個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來(lái)完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或 dsp 等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。 工業(yè)機(jī)械 VI 于的結(jié)構(gòu)有簡(jiǎn)單的也有復(fù)雜的。但從結(jié)構(gòu)形式分析，主要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、位置檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)等組成。圖 l.1 是其示意圖。 圖 1.1 機(jī)械手組成示意圖 1執(zhí)行機(jī)構(gòu) 它包括手部、腕部、臂部 、立柱等基本結(jié)構(gòu)組成： 1)手部 是夾持工件的構(gòu)件。它由于爪和夾緊裝置兩部分組成。手爪有夾緊和松開(kāi)動(dòng)作。夾持式手爪的形式與人兇手指相仿。另外還有真空和電磁吸盤 (相當(dāng)于手爪 )，用來(lái)吸取表面光滑的零 41：或薄板。有的手爪還可夾持一些專用工具，如噴槍、扳手、焊接工具等。 2)腕部 是聯(lián)接于部和臂部的構(gòu)件，起文撐手部的作用。它可以有俯仰、左右擺勸和回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)。特殊情況可以增加一個(gè)橫向移動(dòng)。有的機(jī)械于沒(méi)有手腕動(dòng)作。 3)臂部 是文撐手部、腕部的構(gòu)件。機(jī)械于的臀部是為取代人的手臂而研究設(shè)計(jì)的，但它卻達(dá)不到象人密 的靈巧和適應(yīng)功能。因此，只有把結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，把運(yùn)動(dòng)軌跡分為沿三坐標(biāo)軸線方向往復(fù)移動(dòng)和繞三坐標(biāo)軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)。一般手何又有前后伸縮、左右回轉(zhuǎn)、上下升降或上下擺動(dòng)等幾個(gè)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)需要可選其中一個(gè)、二個(gè)或三個(gè)運(yùn)動(dòng)。 4)立柱 是支撐手臂等構(gòu)件的。一般機(jī)械于的立往為固定不動(dòng)的，也有的因工作需要立往作橫向移孔此種稱可移動(dòng)式立柱。 5)行走機(jī)構(gòu) 在機(jī)械手要求完成較遠(yuǎn)距離的操作時(shí)，可增加滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)。 6) 機(jī)座 是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 2 驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng) VII 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)臂部、腕部、手部的動(dòng)力沉。它有氣動(dòng)、種形式由直線缸、回轉(zhuǎn)缸、各種閥、管及管接頭等組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式。 3 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分，它是支配機(jī)械手按規(guī)定程序、行程和速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的裝置。它必須保存或記憶人們給予機(jī)械手的指令信息 (如動(dòng)作順序，到達(dá)位置和時(shí)間信息 )。機(jī)械手工作時(shí)根據(jù)這些信息對(duì)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按程序發(fā)出控制指令，必要時(shí)還可 對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)機(jī)當(dāng)動(dòng)作錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)可發(fā)出管報(bào)信號(hào)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電器（或機(jī)械擋塊定位）系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定程序運(yùn)動(dòng)。 4 行程位置檢測(cè)裝置 行程位置檢測(cè)裝置的作用是控制機(jī)械手每個(gè)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)位置，或?qū)⑦\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的位置反饋約控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)位置精度的要求?？刂茩C(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè) 定位置。 1.3.5 輔助裝置 1)基體 是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分基體上，它起支承作用。 2)油箱 用來(lái)存獨(dú)和供油的裝置，并使油散熱和雜質(zhì)沉淀 3)氣瞞 貯存壓縮空氣 。 1.4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 它是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，機(jī)械手研究始于 20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是 1946 年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操 作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國(guó)于 1947 年開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械手， 1948 年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手 .機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。 1954 年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器 VIII 人?，F(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。 1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手鉚接機(jī)器人。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是 1962 年美國(guó) AMF 公司推出的 “V ERSTRAN” 和 UNIMATION 公司推出的 “UNIMATE” 。這些工業(yè)機(jī)器人主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部 門。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從 80 年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)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(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人 ；其 中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線 (站 )上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如 :可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距 ；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供 貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 .我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“ 863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人， 6000m 水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種 :在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系 統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.5 課題的提出及主要任務(wù) 1.5.1 課題的提出 澆鑄是高溫、高危的，人類無(wú)法直接接觸高溫鋼鐵溶液，只能通過(guò)機(jī)械來(lái)代替人類的活動(dòng)。這樣就必須開(kāi)始設(shè)計(jì)一種機(jī)器能夠在高溫環(huán)境下仍能正常工作，還有就是澆鑄本身出在一個(gè)污染嚴(yán)重的、躁聲大的環(huán)境當(dāng)中，一般的機(jī)器可能在此 IX 環(huán)境下不能正常工作或壽命難以保證， 總之要澆鑄用機(jī)械要耐高溫，壽命和安全系數(shù)要高。壓鑄機(jī)自動(dòng)澆鑄機(jī)械手，就是本著這一目的設(shè)計(jì)的。 1.5.2 課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下： 1）運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)：即自由度設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能的靈活運(yùn)動(dòng)和大的工作空間，分析各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)以及排列順序等。 2）傳動(dòng)功能設(shè)計(jì)：機(jī)械手操作機(jī)是由若干個(gè)構(gòu)件和關(guān)節(jié)組成的多自由度空間機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)功能中驅(qū)動(dòng)器安排和機(jī)構(gòu)要合理。 3）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：滿足強(qiáng)度和剛度情況下，要充分考慮機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小等特點(diǎn)。同時(shí)滿足裝卸方便，便于維修、調(diào)整。 X 2 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 2.1 原始數(shù)據(jù) 用途：用于冷室壓鑄機(jī)澆鑄鋁合金溶液。 規(guī)格參數(shù)： 澆包最大容量： 8 公斤 自由度數(shù)： 3 個(gè) 坐標(biāo)形式： 類似球坐標(biāo) 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 回轉(zhuǎn)（ &）： 110 俯仰（）： 54 澆包最大傾斜角（ 1）： 70 驅(qū)動(dòng)方式： 液壓 控制方式： 繼電器固定程序控制 2.2 機(jī)械手的配置及工作原理： 壓鑄機(jī)自動(dòng)澆鑄機(jī)械手和保溫爐等的配置如圖 2-2-1所示。澆鑄機(jī)械手 (即澆包 1)的初始位置，停在保溫爐坩堝 2 內(nèi)熔融金屬液面的上方，在此進(jìn)行保溫，等待澆鑄。當(dāng)壓鑄機(jī)慢速合模時(shí)，壓鑄機(jī)的電控裝置發(fā)信，使機(jī)械手升降油缸 6動(dòng)作，澆包 (即勺式手部 )開(kāi)始下降并浸入液態(tài)金屬內(nèi)，直到電極 B接觸金屬液面，電壓繼電器 2XT 發(fā)信，澆包停止下降，并用時(shí)間繼電器控制澆包，以裝滿液態(tài)金屬，爾后澆包上升，在提升過(guò)程中將多余的金屬熔液從澆包的后擋板上溢出，直到澆包底面超過(guò)保溫爐坩堝的最高點(diǎn)，碰限位開(kāi)關(guān) 1 XWK，提升結(jié)束。同時(shí)，澆鑄機(jī)械手手臂 3 慢速回轉(zhuǎn) (由回轉(zhuǎn)油缸 5 驅(qū)動(dòng) )，當(dāng)碰到限位開(kāi)關(guān) 5XWK 后，手臂變?yōu)榭焖倩剞D(zhuǎn)。當(dāng)碰到限位開(kāi)關(guān) 6 XW K 后，又轉(zhuǎn)變?yōu)槁倩剞D(zhuǎn)，直到碰限位開(kāi)關(guān) 3XW K 后停止回轉(zhuǎn)。此時(shí)，壓鑄機(jī)模具合嚴(yán)，機(jī)械手的傾倒油缸 4動(dòng)作，經(jīng)過(guò)繩索拉動(dòng)傾倒機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)澆包翻轉(zhuǎn)倒料，經(jīng)延時(shí)后，控制傾倒油缸復(fù)位，并使手臂反向回轉(zhuǎn)，當(dāng)碰限位開(kāi)關(guān) 4XW K 后手臂反轉(zhuǎn)結(jié)束，同時(shí)升降油缸活塞上升，澆包下降，直至電極 A 接觸金屬液面，電壓繼電器 1XJ 發(fā)信，使升降油缸動(dòng)作停止 ，澆包就停在熔融金屬液而上一定距離處保溫，準(zhǔn)備第二次動(dòng)作循環(huán)。 XI 圖 2.2 澆鑄機(jī)工作原理 2.3 機(jī)械手的組成與結(jié)構(gòu) 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由手部、手臂回轉(zhuǎn)支架、傾倒機(jī)構(gòu)、澆包 (即勺式手部 )、傾倒油缸、回轉(zhuǎn)油缸、底座及升降油缸等組成。 手臂為一平行四邊形機(jī)構(gòu)，它具有俯仰和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)是通過(guò)鉸鏈支承的升降油缸來(lái)達(dá)到，使得平行四邊形機(jī)構(gòu)的連桿 (它帶動(dòng)澆包 )作平面平行運(yùn)動(dòng)，即澆包有升降和橫移運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由回轉(zhuǎn)油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。手臂上安裝有彈簧，通過(guò)繩索和滑輪與傾倒機(jī)構(gòu)聯(lián)接，用來(lái)使傾倒機(jī)構(gòu)復(fù)位 ，同時(shí)也起緩沖作用。為適應(yīng)壓鑄機(jī)壓鑄不同零件或控制零件最佳加工余量的需要，澆鑄機(jī)械手的澆包容量可以調(diào)節(jié)。對(duì)于大容量調(diào)節(jié)采用凋換澆包的辦法，松開(kāi)螺釘 (共四只 )，便能更換澆包。對(duì)于小容量調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)電極 B 與金屬液面的間距。另外，也可以調(diào)節(jié)螺釘，使?jié)舶什煌膬A斜角度達(dá)到微量調(diào)節(jié)。壓鑄機(jī)澆鑄機(jī) XII 械手備有 4、 6、 8公斤三種容量的澆包，它們的結(jié)構(gòu)相同，只是尺寸有異。它的特點(diǎn)是底部進(jìn)料，并有隔板以擋住氧化皮，其容積是定量的。 2.4 總體技術(shù)方案 畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的就是要把我們所學(xué)的比較分散的只是綜合起來(lái)，并進(jìn)行靈活運(yùn)用?，F(xiàn) 在的發(fā)展趨勢(shì)是機(jī)電一體化，因此，我們畢業(yè)設(shè)計(jì)就是要將“機(jī)”、“電”“液”三者結(jié)合起來(lái)?！皺C(jī)”是指機(jī)械，機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程可以分五部分，即機(jī)械手的上升下降、機(jī)械手的上升、傾倒、回轉(zhuǎn)都要靠機(jī)械方面來(lái)完成。 2.4.1 坐標(biāo)形式的選擇 坐標(biāo)形式是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式。 1) 直角坐標(biāo)式 直角坐標(biāo)機(jī)械手的末端執(zhí)行器在空間位置的改變是通過(guò)三個(gè)互相垂直的軸線移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即沿 X 軸的縱向移動(dòng)、沿 Y 軸的橫向移動(dòng)及沿 Z 軸的升降。這種機(jī)械手位置精度最高，控制無(wú)耦合，比較簡(jiǎn)單，避障性好 ，但結(jié)構(gòu)較龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差。 2) 圓柱坐標(biāo)式 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變，其手臂的運(yùn)動(dòng)由在垂直立柱的平面伸縮和沿立柱升降兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及手臂繞立柱轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成。這種機(jī)械手位置精度較高，控制簡(jiǎn)單，避障性好，但結(jié)構(gòu)也較龐大。 3) 極坐標(biāo)式 (球坐標(biāo)式 ) 極坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)組成，即沿手臂方向 X軸的伸縮，繞 Y 軸的俯仰和繞 Z 軸的回轉(zhuǎn)。這種機(jī)械手占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，但避障性差，有平衡問(wèn)題。 4) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)式 關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)械手主要是由立柱、大臂和小臂組成，立柱繞 Z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，立柱和大臂形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂形成肘關(guān)節(jié)，大臂和小臂作俯仰運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)械手工作范圍大，動(dòng)作靈活，避障性好，但位置精度低，有平衡問(wèn)題，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來(lái)越多。 由于本設(shè)計(jì)中精度要求較高，首先排除了直角坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式，而且它們還存在平衡問(wèn)題，直角坐 標(biāo)式靈活性差，不利于提高工作效率。因此為了使其工作方式更加簡(jiǎn)單直觀，機(jī)械手坐標(biāo)類型選擇為 類似球 坐標(biāo)式機(jī)械手。 XIII 2.4.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓 ,氣壓用的最多，占 90%以上，電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。 1) 液壓驅(qū)動(dòng) 是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是 :抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高。 2)氣壓 驅(qū)動(dòng) 是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是 :介質(zhì)源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30 公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 3)機(jī)械 驅(qū)動(dòng) 即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) (如凸輪、連桿、齒輪和齒 條、間歇機(jī)構(gòu)等 )驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。 4)電 氣驅(qū)動(dòng) 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 綜上所述，由于本次設(shè)計(jì)機(jī)械手負(fù)載較小，對(duì)體積有一定要求，又考慮到機(jī)械手的特點(diǎn)和各驅(qū)動(dòng) 方式的優(yōu)缺點(diǎn) ,綜合考慮自己所學(xué)的知識(shí)和實(shí)際要求，本機(jī)械手選用液壓驅(qū)動(dòng) XIV 3 手部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 手部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 1)手部應(yīng)有足夠的夾緊力。除工件的重力外，還要能不使工件在傳送過(guò)程中松動(dòng)或脫落； 2)夾持范圍要與工件相適應(yīng)。手爪的開(kāi)閉角度 (于爪張開(kāi)或閉合時(shí)兩個(gè)極限位置所擺動(dòng)的角度 )應(yīng)能適應(yīng)夾緊較大的直徑范圍； 3)夾持精度要高。既要求工件在于爪內(nèi)定位準(zhǔn)確，又不夾壞工件表面。一般齋根據(jù)工件的形狀選扦相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu)：如元住形工件應(yīng)采用帶 v 形格的手爪來(lái)定位；對(duì)于工件炭面光潔度較高的，應(yīng)在手爪上鑲銅、央布膠木 或其他軟質(zhì)墊片等； 4)夾持動(dòng)作要迅速、靈活； 5)手部結(jié)構(gòu)耍簡(jiǎn)單緊湊、剛性好、自重輕、易磨損處應(yīng)便于更換，在腕部或臀部上安裝要方便，更換要迅速。手腕是連接手部和手臂的部件它的作用是調(diào)整工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等諸多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)以繞 X 軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可以滿足工作的要求，目前實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，使用最多的是回轉(zhuǎn)液壓缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)液壓缸。它結(jié)構(gòu)緊湊 ，但回轉(zhuǎn)角度小于 360，并且要求嚴(yán)格的密封。 3.2 手部結(jié)構(gòu)分類 手爪的類型大致分為下列三種： 1)夾持式手爪：根據(jù)手爪的功作可分為回轉(zhuǎn)型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指和多指式；根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內(nèi)脹式兩種。 2)吸附式手爪；分為真空吸盤式和電磁吸盤式兩種。真空吸盤式義分為真空泵式和氣流焚壓式。真空吸盤是用橡膠或塑料制成杯狀，在吸盤內(nèi)部邊緣處，加上 2 3 個(gè)同心元皺折，以保證吸附的可靠性。電磁式手爪用予夾持式手爪與真空泵式手爪難以抓取的工件或細(xì)小的工件。它可采用電磁鐵，其結(jié)構(gòu)形式類同于真空吸盤式；也有如同夾持式的結(jié)構(gòu)，手爪內(nèi)裝磁鐵。采用永久磁鐵吸附工件，需要用外力釋放工件，因此，一般不用它為好。 3)帶觸覺(jué)或視覺(jué)的手爪 :除了幾種帶傳感器的手爪外，還有根據(jù)工件所在位置，控制手臂移動(dòng)，逐步使兩手爪同時(shí)夾緊工件的帶傳感器機(jī)械手。 XV 3.3 自動(dòng)澆鑄機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)的工作需要，要澆鑄液體，所以采取勺式結(jié)構(gòu)，以便盛取液體，由于要傾倒、復(fù)位，所以需設(shè)計(jì)拉桿傾倒機(jī)構(gòu)。本課題液壓機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2 所示： A A 圖 3.2 澆包 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)澆包各部位尺寸如下： 澆包半徑： 55 澆包橫長(zhǎng)： 265 澆包高度： 245 進(jìn)液體擋板高度： 200 進(jìn)液體口： 邊長(zhǎng)為 40的正方形 隔板高度： 215 壁厚： 7 支撐耳朵直徑： 160 XVI 4 手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 腕部總體設(shè)計(jì) 手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整其在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變得更 靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng) ,腕部是連接手部和臂部的構(gòu)件，它具有獨(dú)立的自由度，使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜動(dòng)作的要求。腕部的動(dòng)作有繞 x 軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為回轉(zhuǎn)；繞丫抽轉(zhuǎn)動(dòng)稱為俯仰；繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng)；還可有沿 Y 軸方向移動(dòng)的自由度，圖 4.1 為其運(yùn)動(dòng)示意圖。 圖 4.1 腕部運(yùn)動(dòng)示意圖 4.2 腕部的設(shè)計(jì)要求 1)腕部自由度的選取 在臂部運(yùn)動(dòng)的范圍內(nèi)，當(dāng)可以滿足抓取工件和傳送工件等要求時(shí)，應(yīng)盡可能不設(shè)計(jì)腕部的運(yùn)動(dòng)。這樣，則可使機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便和成本降低。根據(jù)抓取對(duì)象和機(jī)械手的坐標(biāo)形式的需要，可增加腕部的自出度。如腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這 是在手爪夾持工件后，需要翻轉(zhuǎn)角度，或者機(jī)械手從一個(gè)工位轉(zhuǎn)到另一個(gè)工位時(shí)，需要工件翻轉(zhuǎn)。若是采用臀部購(gòu)則使機(jī)械于的穩(wěn)定性降低，因?yàn)?，臂部長(zhǎng)度大，回轉(zhuǎn)時(shí)稍有偏心 (特別是高速回轉(zhuǎn)時(shí) )，使機(jī)械手的離心力增加，臂部振動(dòng)加大，影響定垃精度。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)腕部的回轉(zhuǎn) ,若機(jī)械手是球坐標(biāo)形式，腕部應(yīng)設(shè)計(jì)具有梢仰運(yùn)動(dòng)，以保持手爪處于水平位置，不影響手爪的工作。還要根據(jù)加 XVII 工工藝的要求，設(shè)計(jì)骯部在丫軸方向的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)。如機(jī)械手將工件送到某 工位后，需要把工件定位夾緊，為使機(jī)床運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化，而要求腕部沿丫袖方向做少量的移位的運(yùn)動(dòng)。如用項(xiàng)尖支 承的軸類零件，在用機(jī)械手取下土件時(shí)，為脫離主軸頂尖而需要有骯部的橫移運(yùn)動(dòng)?？傊?，腕部自由度的選取應(yīng)在臂部自由度確定以后，再根據(jù)工件的料道位置、工藝要求、應(yīng)用范圍及制造成本等方面綜合分析，以確定最佳的方案，確定出腕部合適的自由度數(shù)。 2)腕部的動(dòng)作要靈活、自重要輕 在設(shè)計(jì)腕部結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，減輕結(jié)構(gòu)的重量。機(jī)械手配合機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，腕部的動(dòng)作時(shí)間往往在幾秒鐘以內(nèi)，甚至不超過(guò)一秒，所以腕部一定要靈活，在保證構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度的條件下，回轉(zhuǎn)件盡量采用滾動(dòng)軸承或滾校，減少阻力，降低摩擦。 3)腕部運(yùn)動(dòng)位要淮確 手腕的回轉(zhuǎn)、俯仰與左右擺動(dòng)等運(yùn)動(dòng)位置都要求準(zhǔn)確，除對(duì)零部件配合精度嚴(yán)格要求以外，要采取措施消除傳動(dòng)部件之間的間隙。根據(jù)需要可設(shè)置位置檢測(cè)元件，來(lái)控制手腕的準(zhǔn)確位置。 4.3 腕部的結(jié)構(gòu)尺寸 1 腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu) 用回轉(zhuǎn)證實(shí)現(xiàn)小于 360。的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 2 腕部左右擺動(dòng)結(jié)構(gòu) 根據(jù)工件的工藝要求，需要手腕做左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于抓取非中心對(duì)稱的工件，當(dāng)手臂回轉(zhuǎn)時(shí)，工件方位變化，往往需要用于腕左右擺動(dòng)予以補(bǔ)償。 3 腕部俯仰運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu) 它是通過(guò)安裝在手臂上的液壓缸，拉動(dòng)于腕上的鋼絲，使之向下傭仰一定角度，放置工件，然后 活塞稈向左移動(dòng)，使手爪恢復(fù)平直狀態(tài)，再去抓取工件。 4 腕部的回轉(zhuǎn)與俯仰復(fù)合運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu) 為了擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，同時(shí)要減少結(jié)構(gòu)中的零件數(shù)量，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重輕，設(shè)計(jì)腕部具有兩個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)。 根據(jù)澆包的尺寸大小，與腕部的工作需要，暫定腕部支撐結(jié)構(gòu)尺寸為如下： XVIII XIX 圖 4.2 支架 支撐件寬： 285 支撐件高： 375 支撐件厚： 180 吊環(huán)高度： 375 XX 4.4 手臂傾倒液壓缸的設(shè)計(jì) 4.4.1 傾倒運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手臂作伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，除克服摩擦阻力mF和慣性力gF之外，還要克服澆包和液態(tài)金屬的重力 G ，故其驅(qū)動(dòng)力 GFFF gm （ 4-1） 密封裝置處的摩擦阻力：不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用 O 型密封，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： FF 3.0慣 （ 4-2） 傾倒液壓缸慣性力的計(jì)算：本設(shè)計(jì)要求 活塞運(yùn)動(dòng)速度 smmv /200 ，在計(jì)算慣性力時(shí)，設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間 smmVV 83 Ntg vGF 05.4 總慣 （ 4-3） NG 7.2331 NF 75.23357.233105.4 4.4.2 傾倒液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定： 經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了液壓缸驅(qū)動(dòng)力 NF 85.2335 ，選擇液壓缸的工作壓力aMPP 8.0， mmd 16 確定液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸： 當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔 , 21 4DF F p （ 4-4） 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中， 222 4DdF F p (4-5) 液壓缸的有效面積： 1FS p (4-6) 故有 114 1 . 1 3FFDpp （無(wú)桿腔） (4-7) 214 FDdp （有桿腔） (4-8) XXI NF 85.2335 pap 61 108.0 ， 選擇機(jī)械效率 0.95 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： mmD 63 4.4.3 傾倒機(jī)構(gòu)的壁厚 設(shè)計(jì) 液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。液壓缸的壁厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異。計(jì)算時(shí)可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。 液壓缸的內(nèi)徑 D 與其壁厚的比值 D 10 的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運(yùn)輸機(jī)械和工程機(jī)械的液壓缸，一般用無(wú)縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算。 由 2DPy (4-9) 式中 液壓缸壁厚 （ m） D 液壓缸內(nèi)徑 （ m）； yP 試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的 （ 1 25 1 5） 倍（ M Pa ) 缸筒材料的許用應(yīng)力。其值為：鑄鋼： aMP100 66 101002063.01058.025.1 (4-10) mm228.0 在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計(jì)算所得液壓缸的壁厚往往很小，使缸體的剛度往往不夠，如在切削加工過(guò) 程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過(guò)程卡死或漏油。因一般不作計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)選取，必要時(shí)按上式進(jìn)行校核。 所以按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圓整為壁厚 6，液壓缸外徑為 D1 75 。 XXII 5 手臂和機(jī)身的尺寸設(shè)計(jì)及校核 5.1 臂部和機(jī)身的簡(jiǎn)介 手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具 )并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的；把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài) (方位 )，則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左 右回轉(zhuǎn)和升降 (或俯仰 )運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) (如液壓缸或氣缸： )和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從鎢部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。因而，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機(jī)械手的工作性能。機(jī)身是直接支承和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。團(tuán)此，臀部的洋動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。機(jī)身既可以足固定的，也可以是行定的，既可以沿地 而或架空軌道遠(yuǎn)動(dòng)。臀部 般有下列幾部分組成： 1)動(dòng)作元件：如直線缸、回轉(zhuǎn)缸、齒條齒輪、連桿凸輪等，它是驅(qū)動(dòng)手部運(yùn)動(dòng)的元件。動(dòng)作元件與驅(qū)動(dòng)元相配合，就能實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 2)導(dǎo)向裝置手臂在靜止?fàn)顟B(tài)，要承受由央持工件重量所產(chǎn)生的彎曲力 F 彎，以及由于載荷不平衡而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩 M。在運(yùn)動(dòng)時(shí)又有一個(gè)慣性力。為保證手爪的正確位置和動(dòng)作元件不受較大的彎曲力，手貿(mào)必須設(shè)置導(dǎo)向裝置。 3)臂：手臂上的動(dòng)作元件、導(dǎo)向裝置和其他裝置都要安裝在臂上，起支承、 連接和承受外力的作用。所以要求臂具有足夠的剛性，以 免承重后發(fā)生變形產(chǎn)生顫動(dòng)。 4)其他裝置：如管路、冷卻裝置、位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)等。 5.2 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 1)能力大、剛度好、自重輕 對(duì)于機(jī)械手臂部或機(jī)身的承載能力，通常取決于其剛度。以臀部為例， 般結(jié)構(gòu)上較多采用懸伸梁形式 (水平或垂直懸伸 )。顯然伸縮臂桿的懸伸長(zhǎng)度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能、位置精度和負(fù)荷能力等影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂扦的懸伸長(zhǎng)度外，尚應(yīng)注意以下幾方面。 a根據(jù)受力情況，合理選持截面形狀和輪廓尺寸 b提高支承剛度和合理選擇支 承間的距離 XXIII c合理布置作用力的位置和方向 c注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) d提高配合精度 2)臂部運(yùn)動(dòng)應(yīng)該速度要高，慣性要小 機(jī)棧手手臂的遠(yuǎn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平，一般根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來(lái)決定。明定了生產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手密的運(yùn)行速度 (或角速度 )。在一般情況下，手臂的移功和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運(yùn)動(dòng) (V和 W 為常數(shù) )，但在手臂的起動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求起動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。 3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻 力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和記位件布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程盡可能平衡，以減少對(duì)升降支承軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死“的現(xiàn)象 (自鎖現(xiàn)象 )。 4)位置精度更高 一般來(lái)說(shuō)，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高，關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，故精度差：在手臂土加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)、嚙合件的間隙。 5.3 手臂的尺寸設(shè)計(jì) 依此次設(shè)計(jì)的需要，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先設(shè)定手臂的基本尺寸如圖 5.1 下： 1).長(zhǎng)桿的 示意圖： 圖 5.1 長(zhǎng)臂桿 XXIV 2).短桿示意圖： 圖 5.2 短臂桿 3)組裝后的形式： 長(zhǎng)臂桿長(zhǎng)度： 1950 短臂桿長(zhǎng)度： 1600 長(zhǎng)、短臂桿寬度： 53 長(zhǎng)、短臂桿高度： 105 彎頭角度： 120 支點(diǎn)位置： 1500 5.4 手臂升降液壓缸的設(shè)計(jì) 手臂作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除克服摩擦阻力 Fm和慣性力 Fg之外，還要克服臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故其驅(qū)動(dòng)力 Pq可按下式計(jì)算： NWFFP gmq (5-1) 式中 mF 各支承處的摩擦力（ N）； gF 啟動(dòng)時(shí)慣性力（ N）可按臂伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況計(jì)算； W 臂部運(yùn)動(dòng)部件的總重量（ N）； 上升時(shí)為正， 下降時(shí)為負(fù)。 當(dāng) Fm=40N， Fg=100N， W =1098N 時(shí) 1238109810040qP XXV 21 4DF F p (5-2) 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中， 222 4DdF F p (5-3) 液壓缸的有效面積： 1FS p (5-4) 故有 114 1 . 1 3FFDpp （無(wú)桿腔） (5-5) 214 FDdp （有桿腔） (5-6) 3580F aPP 61 102 ，選擇機(jī)械效率 95.0 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： mmmdFD 1001.002.095.0108.014.3 3580495.0108.014.3 4 2526 選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇 D=100mm.按活塞桿直徑系列選取活塞桿直徑d 32 。 XXVI 5.5 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。液壓缸的壁厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異。計(jì)算時(shí)可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。液壓缸的內(nèi)徑 D 與其壁厚的比值 D 10 的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運(yùn)輸機(jī)械和工程機(jī)械的液壓缸，一般用無(wú)縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算。 由 2DPy (5-7) 式中 液壓缸壁厚 （ m） D 液壓缸內(nèi)徑 （ m）； yP 試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的 （ 1 25 1 5） 倍（ M Pa）； 缸筒材料的許用應(yīng)力。其值為：鑄鋼： 100MPa 66 1010021.01034.125.1 mm84.0 在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計(jì)算所 得液壓缸的壁厚往往很小，使缸體的剛度往往不夠，如在切削加工過(guò)程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過(guò)程卡死或漏油。因一般不作計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)選取，必要時(shí)按上式進(jìn)行校核。 所以按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圓整為壁厚 7，液壓缸外徑為 D1 114 。 XXVII 6 腰部與底座及回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì) 6.1 底座的設(shè)計(jì) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步暫定底座的尺寸為如下圖 6.1： 圖 6.1 底座 底座園板直徑： 620 底座圓筒直徑： 375 圓筒壁厚： 10 底座高度： 450 底座板厚度 1： 30 底座板厚度 2: 40 6.2 回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì) 液壓機(jī)械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮、手臂俯仰和手臂旋轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時(shí)為了保證多缸運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)互不干擾，實(shí)現(xiàn)同步或非同步運(yùn)動(dòng)，換向閥需采用中位“ o”型換向閥。整個(gè)液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液體汛所需 的流量相差較大，各液壓缸部用液壓泵的全流量工作是無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求的。盡管有的液壓缸是單一速度工作，但也需要進(jìn)行節(jié)施調(diào)速，用以保證液壓缸運(yùn)行的平穩(wěn)運(yùn)行。各級(jí)可選擇進(jìn)泊路或問(wèn)油路節(jié)流凋速，因?yàn)橄到y(tǒng)液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。液壓缸的壁 XXVIII 厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異。計(jì)算時(shí)可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。液壓缸的內(nèi)徑 D 與其壁厚的比值 D 10 的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運(yùn)輸機(jī)械和工程機(jī)械的液壓缸，一般用無(wú)縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓 筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算。 2DPy .(6-1) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，暫設(shè)液壓缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 150 ，液壓缸內(nèi)徑 D1 220 ， R1110 ,軸的套筒徑為 d 130 ，液壓缸內(nèi)徑 r1 65 ， 設(shè)加速度時(shí)間為 t 1s，壓強(qiáng) P 0.4MPa 則驅(qū)動(dòng)力矩： 222 rRbPM (6-2) 0.4 106 0.15 0.112 0.0352 236.25 N m 6.3 回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸校核 測(cè)定參與腰身回轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量 M1 80 ， M2 15 ， M3 106 ， M4 453 ， L1 1.5 ， L2 0.45 磨慣驅(qū) MMM .(6-3) 設(shè)機(jī)床等加速運(yùn)動(dòng) s 6.0 ， st 1 ,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 224213222211 21311 LMLMLMLMJ (6-4) 2222 45.04535.11062145.0155.18031 2226 mg tJM 1慣 .(6-5) 16.0226 6.135 密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下 驅(qū)阻 MM 3.0，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計(jì)。 XXIX 磨慣驅(qū) MMM .(6-6) 23671.193 設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全 6.4 回轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì) 6.4.1. 初選軸頸 按回轉(zhuǎn)缸所需提供的力的大小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，從下端 1 開(kāi)始確定軸頸，該軸段安裝軸承 6214，故該段直徑為 70mm， 2 段裝鍵，為了便于安裝，取該段為 75mm，上端軸頸為了適合安裝 6214 軸承，選用軸頸 70mm，為適應(yīng)需要，軸的總長(zhǎng)為404mm。 圖 6.3 回轉(zhuǎn)軸 6.4.2 .軸的校核 ttt TWTT .(6-7) 式中 Tt軸的扭切應(yīng)力（ MPa） T周傳遞的轉(zhuǎn)矩 N.mm Wt軸的抗扭截面系數(shù) mm3 TT 周材料的許用扭切應(yīng)力（ MPa） 161 03 dddWt .(6-8) 1607.003.0107.0 3 0.000029034 tt WTT (6-9) 137 0.000029034 4.7 106 40 106 軸的尺寸符合應(yīng)用需要，安全。 6.5 上軸的設(shè)計(jì) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下圖所示的上軸： XXX 圖 6.4 上軸 基本尺寸： 軸的直徑： 75 軸的高度： 222 圓盤直徑： 420 圓盤厚度： 30 盤內(nèi)道直徑 D： 285 盤內(nèi)道直徑 d： 225 螺栓孔直徑： 8 6.6 上軸座的設(shè)計(jì) XXXI 圖 6.5 上軸座 基本尺寸： 軸筒直徑： 94 軸座高度： 302 圓盤直徑： 420 圓盤厚度 1： 30 圓盤厚度 2： :35.75 盤內(nèi)道直徑 D： 285 盤內(nèi)道直徑 d： 225 螺栓孔直徑： 8 至此，所有的設(shè)計(jì)部分均已完成，只需組裝即可。 XXXII 結(jié) 論 為期十五周的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，此次 設(shè)計(jì) 是 我們學(xué)完了大學(xué)的全部 課程 之后進(jìn)行的 一次檢驗(yàn)， 是畢業(yè)之前我們對(duì)所學(xué) 各門功課 的一次深入的綜合性的總復(fù)習(xí) ， 也是 在校期間最后 一次理論聯(lián)系實(shí)際的訓(xùn)練 ，同時(shí)為我們適應(yīng)以后的工作打好基礎(chǔ)， 因此 ， 它在我們四年的大學(xué)生活中占有重要