630噸壓鑄機自動澆注機械手的設計【含CAD圖紙、說明書、三維模型】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 壓縮包內含CAD圖紙和三維建模及說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985 摘 要 本文針對 630 噸壓鑄機自動澆注機械手進行三維設計。主要設計部分有：機械手的主要零部件、回轉機構、升降機構、以及傳動系統(tǒng)。其中，傳動系統(tǒng)選擇液壓傳動，并進行了原理圖等一系列設計；回轉機構選定回轉油缸，并進行了詳細設計和校核；升降機構選定升降油缸。 利用 Solid Works 軟件進行各個零件的三維建模，并進行裝配，導出二維圖紙。本文設計的自動澆注機械手可以模仿人手和臂的大部分動作與功能，實現對澆料的搬運和傾倒，它能夠代替人的繁重勞動并且實現生產的機械化、自動化。 關鍵字：機械手；澆注；壓鑄 II ABSTRACT The three-dimensional automatic casting manipulator of 630-ton die-casting machine was designed in this paper. The main design parts include: the main parts of the robot, rotary mechanism, lifting agencies, dumping agencies and transmission systems. The transmission system was realized via the hydraulic drive and also completed a series of schematics and other design; rotary mechanism was realized via rotary cylinder and carried out a detailed design and check; lift mechanism was realized via lift cylinder. Each part of the three-dimensional modeling and assembly of this casting manipulator was realized via SolidWorks software. And the two-dimensional drawings were exported. The automatic pouring manipulator can mimic most of the movements and functions of the human hand and arm to achieve the handling and dumping of the pouring material, which can replace the heavy labor and realize the mechanization and automation of the production. Key words: manipulator; pouring; Die casting 630 噸壓鑄機自動澆注機械手的三維設計 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 機械手概述 1 1.1.1 機械手的分類 1 1.1.2 機械手的組成 1 1.1.3 應用機械手的意義 3 1.1.4 壓鑄機的分類 3 1.2 國內外發(fā)展狀況 4 2 總體方案設計 6 2.1 相關參數與屬性 6 2.1.1 630 噸壓鑄機相關參數與屬性 6 2.1.2 機械手參數確定 7 2.2 機械手的結構 7 2.2.1 升降結構設計 7 2.2.2 升降運動驅動力的計算 7 2.2.3 液壓缸的尺寸設計 8 2.2.4 尺寸校核 9 2.2.5 活塞桿強度校核 9 2.2.6 回轉機構的結構設計 9 2.2.7 回轉缸驅動力矩的計算 10 2.2.8 確定回轉缸的尺寸 10 2.3 傳動系統(tǒng)方案選擇 11 2.3.1 驅動方案選擇原則 11 2.3.2 傳動系統(tǒng)方案比較 11 2.3.3 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點 12 3 液壓系統(tǒng)設計 14 3.1 原理圖 14 3.2 液壓缸的設計 15 3.3 液壓元件的選擇 15 3.3.1 液壓泵的選擇 15 3.3.2 液壓元件的選擇 15 4 重要零件設計計算與校核 17 4.1 概述 17 4.2 軸的常用的材料 17 4.3 軸的加工和裝配工藝性 17 4.4 軸的計算 18 5 三維建模 20 5.1 建模軟件介紹 20 5.1.1 solidworks 簡介 20 5.1.2 solidworks 優(yōu)勢 20 5.1.3 solidworks 功能 20 5.2 主要零件建模 21 5.2.1 底部支座的三維建模過程 21 5.2.2 手臂支座的三維建模過程 24 5.3 總裝配圖 26 6 結論 27 參考文獻 28 附錄 1：外文翻譯 29 附錄 2：外文原文 37 致 謝 43 1 緒論 1.1 機械手概述 1.1.1 機械手的分類[1] 機械手通常按照它的驅動的方法、使用的范圍或者控制系統(tǒng)分為下邊幾個類別： （1） 按照驅動的方法可以分為氣壓驅動、液壓驅動、機械式和電動這四種機械手。氣壓驅動機械手是利用壓縮空氣驅動。這種類型的機械手有45%左右，氣壓為4-6KG/CM3。液壓機械手是利用油泵供給的油來進行驅動的，這種類型的機械手占總和的 45%以上， 油壓在 15-150KG/CM2 之間。機械式的機械手都附屬在一個機器之上，由主機通過凸輪、連桿進行驅動，這個類型的機械手在沖壓以及鍛造的時候是用的最多的。電動式機械手利用格式各樣的或普通或稀有的電機進行驅動，這個類型的機械手數量稀少。 （2） 按照使用的范圍可以分為通用機械手和專用機械手兩大類。專用機械手是為某一特定作業(yè)而設計和制造的機械裝備，它的程序是固定不變的，只能完成某幾個特定的動作。例如自動機床的上下料機械手，加熱爐的進出料機械手等都只能給特定的主機上下料。通用機械手是一宗獨立的自動化機械裝備，它的結構比專用機械手復雜，動作程序可以改變，工作范圍可以調整，可用于多種場合，能適應多種產品以及工藝方案， 通用性較強。 （3） 按控制系統(tǒng)分為固定程序、可變程序、示教再現及數字控制等四種機械手。固定程序機械手的動作程序和時間等都固定不變。如點位式專用機械手就是固定程序機械手。可變程序機械手的動作程序和時間，可根據工作需要，通過更換插銷位置或插件板而改變。示教再現機械手的動作程序和時間及運動軌跡由人手示教(或編程示教），并依靠存儲裝備（例如磁鼓或磁帶）將這些參數記錄下來，然后，機械手按此循環(huán)動作。當需要改變程序、定位點及運動速度時，人再示教一次，即可達到目的。這種方法控制的機械手通用性強，能適應復雜多變的工作要求，但成本高昂。按數字形式輸入電子計算機，以控制機械手的動作程序、運動軌跡和速度等這就是數控機械手。它可以很方便地改變機械手的各種參數，通用性很強，但成本很高。 1.1.2 機械手的組成[2] 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。 1.1.2.1 執(zhí)行機構 11 圖 1.1 執(zhí)行機構總圖 （1） 手部 手部安裝在手臂的前端。手臂的內孔裝有轉動軸，可把動作傳給手腕。 （2） 手臂 手臂有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分本課所做的機械手的手臂采用無關節(jié)臂，手臂的作用是引導手部準確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位.軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機構的支架[3]。 1.1.2.2 驅動機構 驅動機構主要有四種：液壓驅動、液壓驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓用的最多，占 90%以上，電動、機械驅動用的較少。 液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現回轉運動。液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。 液壓驅動所采用的元件為液壓缸、液壓馬達、氣閥等。一般采用 4-6 個大液壓，個 別的達到 8-10 個大液壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小， 體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，液壓系統(tǒng)容易生銹。 為了減少停機時產生的沖擊，液壓系統(tǒng)裝有速度控制機構或緩沖機構。 電氣驅動采用的不多?，F在都用三相感應電動機作為動力，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。 電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅動機構和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應速度比較慢。 機械驅動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調整[4]。 本課題所做的機械手采用液壓系統(tǒng)實現手臂的上升、下降、左轉、右轉、手臂的夾緊、放松等動作。 1.1.2.3 控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等?？刂葡到y(tǒng)可根據動作的要求，設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規(guī)定的程序，控制機械手進行工作[5]。 1.1.3 應用機械手的意義 隨著科學技術的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應用。在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下： （1） 以提高生產過程中的自動化程度 應用機械手有利于實現材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。 （2） 以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （3） 可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產 應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產[6]。 綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.1.4 壓鑄機的分類[7] (1) 合模機構 驅動壓鑄模進行合攏和開啟的動作。當模具合攏后，具有足夠的能力將模具鎖緊，確保在壓射填充的過程中模具分型面不會脹開。鎖緊模具的力即稱為鎖模力(又稱合型力)，單位為千牛(KN)，是表征壓鑄機大小的首要參數。 (2) 壓射機構 按規(guī)定的速度推送壓室內的金屬液，并有足夠的能量使之流經模具內 的澆道和內澆口，進而填充入模具型腔，隨后保持一定的壓力傳遞給正在凝固的金屬液， 直至形成壓鑄件為止。在壓射動作全部完成后，壓射沖頭返回復位。 (3) 液壓系統(tǒng) 為壓鑄機的運行提供足夠的動力和能量。 (4) 電氣控制系統(tǒng) 控制壓鑄機各機構的執(zhí)行動作按預定程序運行。 (5) 零部件及機座所有零部件經過組合和裝配，構成壓鑄機整體，并固定在機座上。(6)其他裝置 先進的壓鑄機還帶有參數檢測、故障報警、壓鑄過程監(jiān)控、計算機輔 助的生產信息的存儲、調用、打印及其管理系統(tǒng)等。 (7)輔助裝置 根據自動化程度配備澆料、噴涂、取件等裝置。 1.2 國內外發(fā)展狀況 現代工業(yè)機械手起源于 20 世紀 50 年代初，是基于示教再現和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品[8]。 機械手是機電一體化的典型代表，機電一體化的發(fā)展大體可以分為 3 個階段。20 世紀 60 年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，人們利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產品與電子技術的結合，這些機電結合的軍用技術，戰(zhàn)后轉為民用，對戰(zhàn)后經濟的恢復起了積極的作用。那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當時電子技術的發(fā)展尚未達到一定水平，機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發(fā)展[9]。 20 世紀 70 年代～80 年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期，計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質基礎。 20 世紀 90 年代后期，開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段，機電一 體化進入深入發(fā)展時期。一方面，光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術也在機電一體化中展露頭腳，出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法、機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。同時，由于人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，更為機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系。 美國是世界上最早研制機械手的國家，1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962 年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為 Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動； 控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。同年，美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran 機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升 降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現型。1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種 Unimate-Vic-arm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1 毫米。 美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。它給出在第一次故障前的平均運行時間）， 由 400 小時提高到 1500 小時，精度可提高到±0.1 毫米。 德國機器制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國 KnKa 公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控瑞士RETAB 公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是機械手發(fā)展最快也是應用最多的國家自 1969 年從美國引進二種典型機械手 后，大力研究機械手的研究。截止 1979 年，機械手累計產量達 56900 臺。在數量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)， 其次是電機、電器。到 1990 年已有 55 萬機器人在工作。 我國是從 20 世紀 80 年代初才開始在這方面研究和應用。國務院成立了機電一體化領導小組并將該技術列為“863 計劃”中。在制定“九五”規(guī)劃和 2010 年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術的發(fā)展及應用也做了大量的工作，雖然取得了一定成果，但與美國、日本等先進國家相比仍有相當差距[10]。 2 總體方案設計 2.1 相關參數與屬性 2.1.1 630 噸壓鑄機相關參數與屬性 隨著新時代的到來，經熱壓鑄機到冷室壓鑄機的變遷，壓鑄機以及壓鑄技術迎來迅捷的發(fā)展期，本次設計中 630 噸壓鑄機屬于冷室，其相關屬性如圖 2.1，更加詳盡的參數如表 2.1。 圖 2.1 630 噸壓鑄機的相關屬性 表 2.1 630 噸壓鑄機詳盡參數 630 冷室壓鑄機參數 項目 鎖模力 鎖模行程 模版尺寸 哥 林 柱 內距 哥 林 柱 直徑 調 模 厚 度 工 作 油 壓 射料力 參數 6300 650 1200*1200 750*750 160 350-850 140 200 單位 kN mm mm mm mm mm kgf / cm2 Kn 項目 增壓力 射料行程 錐頭推出 長度 射 料 位 置 錐 頭 直 徑 射 料 重 量 鑄 造 壓 力 鑄 造 面 積 參數 615 600 250 0-250 70,80,9 0 4.25,5. 8,7.3 1587,12 15,960 395,515 ,655 單位 kN mm mm mm mm kgs kgf / cm 2 cm2 項目 最 大 鑄 造面積 頂出力 頂出行程 油 泵 電 機 郵 箱 容 量 機 器 尺 寸 機 器 重 量 參數 1580 310 150 50/37 1200 8450*20 50*2800 27600 單位 cm2 kN mm HP/KW L mm kgs 標準配置 可用配置 三板四柱式鎖開模機構 液壓調模機構 自動噴涂機 鋼結構焊組件長方體平行機架 低壓鎖模保證 自動取件機 企板與鎖?？蚣芙Y構打抖裝置 液壓頂出,液壓抽芯 自動給湯機 集成油路鎖模與射料塊 可調控集中潤滑系統(tǒng) 電熔爐與柴油溶解爐 2.1.2 機械手參數確定 本次設計的機械手具有回轉以及升降的功能，因此需要擁有 3 個自由度，能實現的坐標系有以下多種：直角坐標、圓球坐標還有球坐標類型。其中，最符合本次設計要求的是球坐標系，原因是球坐標擁有 3 個自由度，可回轉、伸縮，同時工作的位置較低， 可以更好的工作。所以選擇球坐標系，其他參數如下： 座標型式：球坐標自由度數：3 個 手臂回轉范圍：0°—180° 手臂回轉速度：90°／S 手臂的俯仰范圍：-45°—45° 定位方式：手臂回轉的兩端位置用死擋板定位手臂俯仰兩端點：用活塞與端蓋觸點相碰定位手臂回轉兩端點：用活塞與端蓋觸點相碰定位 2.2 機械手的結構 本課題澆注機械手主要由底座、回轉機構、升降機構、手臂等機構組成[11]。本次設計主要著眼于回轉機構和升降機構的設計，回轉機構由回轉油缸組成，升降機構由升降油缸組成，它們加在一起能夠實現手臂的伸縮以及回轉。接下來具體介紹幾個重要機構的原理以及計算校核。 2.2.1 升降結構設計 升降機構的主要結構為一個升降油缸，由它來實現升降的動作。其中重要的零部件有活塞桿、缸筒和活塞。當工作進行的時候，缸體里邊全是油液存在，進油口進油的時候，上油腔壓力不及下油腔的壓力，這是油壓推動活塞往上進行運動，活塞與活塞桿中部屬于過盈配合，活塞桿被活塞的運動所帶動，實現上升的功能?；钊透咨w都必須加密封，否則油液將會發(fā)生泄漏的情況，致使整個升降油缸的效率降低[12]。 2.2.2 升降運動驅動力的計算 手臂作升降運動的時候，要克服的力有：摩擦阻力 Fm 、慣性力 Fg 、臂部運動零件的重力，所以驅動力 Pq 可以用下列等式進行計算： Pq = Fm + Fg ± W 式中 Fm —各支承處的摩擦力（N） （2-1） Fg —啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運動時的情況進行計算 W —臂部運動部件的總重量（N） ± —上升的時候為正，下降的時候為負 當 Fm = 40N ， Fg = 100N ，W = 1098N 時： Pq = 40 +100 +1098 = 1238(N ) 圖 2.2 升降液壓缸缸筒 F = F1h= p 當油進入有桿腔的時候： pD2 h 4  （2-2） 液壓缸的有效面積： F = F2h= p p(D2 - d 2 )h 4  （2-3） 所以有： S = F p1 4F pp1h D =  = 1.13  （2-4） F hp1 （無桿腔） （2-5） pp1h 4F + d 2 D = （有桿腔） 1 F = 3580N ， p = 2 *106 pa ，所以選擇機械效率h= 0.95 將所有所關系的數據代入公式中： 4F 3.14*0.8*105 *0.95 + d 2 4*3580 3.14*0.8*105 *0.95 + 0.022 D = = = 0.1m = 100mm 由以上所計算的數據，液壓缸選擇標準的內徑系列，確定 D=100mm 2.2.3 液壓缸的尺寸設計 液壓缸運行長度設計為l =117mm，液壓缸內徑為 D1 =100mm，半徑R=50mm，液壓缸運行速度，液壓缸壓強p=0.4MPa，它的加速度的時間Dt =0.1s，所以驅動力為： 2.2.4 尺寸校核 G = p.pR 2`` = 0.4 ′106 ′ 3.14 ′ 0.0502 0 = 3140(N ) 1. 經過測量，手部抓取部分重80kg，則重力： G = mg = 80 *10 = 800 N 2. 設計加速度a = 5(m / s) ，則慣性力： G1 = ma = 80*5 = 400N 3. 設定缸體內活塞等外因摩擦系數k = 0.1 ， Gm = k.G1 = 0.1* 400 = 40 \ 總受力Gq = G + G1 + Gm = 800 + 400 + 40 = 1240 Gq < G0 所以本次設計尺寸能夠通過校核。 因為內徑尺寸為 D=100mm，且考慮裝配的因素，設置缸體的厚度為 6mm，所以缸體外徑尺寸為 106mm。 2.2.5 活塞桿強度校核 活塞桿尺寸滿足活塞強度的要求以及運動的要求，由活塞桿相關計算方法可列出公式： s= F pd 2 4 ￡ [s] （2-6） 在此次設計中，45 碳鋼是活塞桿材料的最好選擇，所以有[s] = 100 *106 Mp ，取桿 的直徑長度為 d=20mm，將已知的相關數據代入公式（2-6），對活塞桿的強度進行校核： s= F * 4 = pd 4 由式可知，活塞桿強度足夠。 3580 * 4 3.14 * 0.022 = 11.4 *106 ￡ 100 *106 由上基本確定了升降油缸的尺寸設計。 2.2.6 回轉機構的結構設計 本次設計的機械手回轉機構有一個液壓回轉缸來實現其作用，油缸由缸筒和若干其他零件組成，在缸筒的外表面上有兩個沉頭孔兩個油口（進油口和出油口）以及一個銷釘孔。其中，銷釘孔和沉頭孔的作用是與定片進行配合的。兩個油口的作用是利用進油出油使左右油腔的壓力發(fā)生變化，帶動動片的旋轉。在回轉缸筒的上下表面同樣需要有密封槽，嵌入密封圈之后可以防止油液的泄露，提高油缸的工作效率。在缸筒的上下表面分別有四個螺紋孔，它們的作用是使缸筒與上下缸蓋固定，防止其發(fā)生旋轉。 2.2.7 回轉缸驅動力矩的計算 手臂回轉缸的回轉驅動力矩 M 驅，應該和各個部分密封裝置處的摩擦阻力矩M阻 和手臂運動時所產生的慣性力矩M 慣 相平衡。 19 慣性力矩的計算 M 驅 = M 慣 + M阻 + M回 (2-7) Dt -起動過程的時間(s)； Dw M 慣 = J0e= J0 Dt (2-8） J 0 -回轉軸線周圍工件的轉動慣量。如果回轉軸和工件相距距離r，那么： J0 式中 JC -工件的回轉的轉動慣量. = Jc + G r2 g (2-9) C J = m(l 2 + 3R2 ) /12 Z 回轉部件可以等效為一個長為 810mm，直徑是 1700mm 的圓柱體，質量為 70KG。設置起動角度w= 180 ，則起動角速度Dw= 0.314rad / s ，設置起動時間設計為 0.1s[13]。 c J = m(l 2 + 3R2 ) /12 = 17.34n · m · s2 0 c J = J + mr2 = 17.34 + 70 * 0.862 = 53.25N · m · s2 M 慣 = J0e= J0a= 53.25*3.14 = 221.6N · m 密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下M阻 = 0.3M 驅 ，由于回油背差一般非常地小， 所以在這個地方可以忽略不計算。 通過上述的相關計算，可以得到M 驅 = 221.6N · m 。 2.2.8 確定回轉缸的尺寸 設計動靜片之間的寬度為 b=78mm，設置動片連接處與輸出軸的直徑為 d，且 d=78mm，選擇缸體的工作壓強為 8Mpa?；剞D缸的內徑尺寸計算公式為： 8M 驅 + d 2 bp D = (2-10) 計算得出：D=168mm 因此可得液壓缸內徑長度是 168mm。 液壓缸蓋螺釘的計算： 由上一步可以得到缸體的工作壓力為 8Mpa，所以螺釘間距 t 應該小于 78mm，可以 進行初步的估算：L =pD = 3.14*168 = 527.52mm ，t = L = 471 = 78.5 ￡ t ，因此可以知道 Z 6 缸蓋一個面擁有 6 個螺釘，所以 2 個面就有 12 個螺釘[14]。 所以可知危險截面S = p(R2 - r 2 ) = 3.14 *(0.0852 - 0.042 ) = 0.0044m2 = PS FQ z = 0.8*106 * 0.0044 6  = 586.7N s FQ = KFQ ， K = 1.5 -1.8 s Q FQ = KFQ = 1.5*586.7 = 880N F = 880 = 586.7 = 1466.7 0 選擇螺釘的材料為 Q235，則[s] = ss n = 240 = 200Mpa 1.2  (n=1.2-2.5) 4 *1.3FQ s p[s] 螺釘的直徑為: d 3 =  4 *1.3*1466.7 3.14 * 200 *106 = 10mm 所以選擇螺釘的直徑為 d=10mm，所以可以選擇 M10 的開槽盤頭螺釘。 所以可以確定回轉液壓缸的內徑為 170mm，外徑為 220mm，輸出軸徑為 80mm。基本確定了回轉液壓缸的相關設計計算。 2.3 傳動系統(tǒng)方案選擇 2.3.1 驅動方案選擇原則 機械手的驅動系統(tǒng)的選擇遵循下面幾點規(guī)律和原則： (1) 液壓系統(tǒng)適用與大的載荷系統(tǒng)，而氣壓系統(tǒng)則比較適用于小載荷系統(tǒng)的場合， 而點動控制的系統(tǒng)適用于需要精密操作的系統(tǒng)。 (2) 要求擁有點動控制功能的驅動應該使用伺服驅動的系統(tǒng)，這種類型的系統(tǒng)只能使用電動或者液壓的系統(tǒng)才能夠滿足要求[15]。 2.3.2 傳動系統(tǒng)方案比較 現在主流的傳動方式主要有三種，一種傳動方式是液壓傳動，它具有傳動壓力大， 響應速度快，噪聲干擾小的特點；一種是氣壓傳動的方式，它的特點是系統(tǒng)的組成結構簡單，運行速度快，維修成本低的優(yōu)點，但卻又難以實現伺服驅動的缺點。最后一種是電動驅動，隨著伺服電機的發(fā)展，人們開始大規(guī)模的適用這種驅動。 目前廣泛采用的驅動系統(tǒng)的比較如下表： 表 2.2 不同傳動系統(tǒng)的比較與特點 特性 輸出功率和使 用范圍 控制性能和 安全性 結構性能 安裝和維 護要求 效率和制造成 本 氣壓驅動 氣壓較低，輸出功率小，當輸出功率增大時，結構尺寸將過大 發(fā)出的噪聲十分大，高速運行穩(wěn)定性尚好，低速運動不穩(wěn)定 結構體積較大，結構易于標準化。易實現直接驅動，密封 問題不突出 維 修 成 本十分低廉， 而 且 可 以在 十 分 惡劣 的 環(huán) 境 中使用 使用的效率十分低，但是氣源方便，結構簡單，成本低 液壓驅動 輸出功率十分大 能夠實現無級調速，但是不能夠進行壓縮 結構比較 小，所以容易實現結構的標準化 維護成本 十分高，需要進行防 止液壓泄 漏的報復， 安裝困難 成本比較高， 效率中等 交直流普通電動機 輸出功率大，適合重型系統(tǒng) 控制性能不穩(wěn)定不易精確定位 對環(huán)境無影響 電動機驅動以實現標準化，需減速裝置，傳動體積較大 安裝維修方便 成本低，但是值效率為 0.5 左右 步進、伺服電動機 步進電動機輸出力較小、伺服電機可大一些 易于控制并且整體的體積小 體積小，需減速裝置 維修使用較復雜 效率為 0.5 左右，成本高 2.3.3 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點 如表 2.2 所比較，相比于其他的傳動系統(tǒng)，液壓驅動系統(tǒng)有這些優(yōu)點： (1) 液壓驅動系統(tǒng)跟其他系統(tǒng)相比具有更高的油壓，能夠獲得更大的輸出功率，并且液壓系統(tǒng)擁有比電氣驅動系統(tǒng)更加大的多的動力，等功率的液壓裝置擁有更輕的質量和更小的體積。據資料記載，液壓單位功率十分小，這更加明顯地體現出液壓系統(tǒng)的優(yōu)勢：相對體積雖小，但是輸出功率卻十分地大。 (2) 因為液體不能夠進行壓縮，所以液壓驅動系統(tǒng)十分穩(wěn)定，同時液壓具有彈性的特征，所以能夠有效吸收沖擊，使得液壓傳動過程更加平穩(wěn)。 (3) 液壓系統(tǒng)在設計中，由于相關原件已經實現標準化生產，所以維修成本低廉， 并且十分方便。 (4) 液壓系統(tǒng)元件布置方式十分靈活，同時液壓傳動易于實現直線運動。 綜上所述，由于這次實驗要設計的機械手適用于大功率，油液壓力大的傳動系統(tǒng)， 氣壓傳動不符合這方面的條件；同時要求流量要易于控制，電動機不符合條件；所以最后選擇液壓傳動系統(tǒng)作為機械手的傳動方案。 3 液壓系統(tǒng)設計 3.1 原理圖 圖 3.1 液壓系統(tǒng)原理圖 表 3.1 電磁鐵動作順序表 1DT 2DT 3DT 4DT 手臂上升X000 + + + 手臂下降X001 + 手臂回轉X002 + 手臂反向回轉X003 + 液壓系統(tǒng)的原理圖如圖 3.1 所示，從圖中我們可以看出，三位四通電磁閥控制升降油缸，升降油缸控制手臂的升降，當左邊電磁閥得電的時候，油液也進入油缸下腔，手臂下降，相反，油液進入上油腔則手臂上升，通電結束，油缸回歸原位導致手臂停止運動。同理，由圖 3-1 可知，回轉油缸也是由電磁閥進行控制，當 3DT 得電時，油液進入 回轉油缸左腔，油缸正向轉動帶動手臂正向轉動。相反，當 4DT 得電是，油液經由電磁閥進入回轉油缸右腔，油缸反向轉動帶動手臂反向轉動，如果通電情況停止，那么手臂停止運轉。 3.2 液壓缸的設計 液壓缸的設計過程十分復雜，裝置數量也非常多，結構的形式也完全不是相同的。不同的環(huán)境以及工作的條件導致液壓缸的結構也不盡相同，所以需要考慮各種情況，分析完全不同的設計。主要結構有如液壓缸缸體、缸蓋這樣的連接結構、以及密封、緩沖、排氣這樣的功能裝置等結構。具體的情況為： (1) 活塞桿與活塞聯(lián)接 活塞和活塞桿之間有十分多的聯(lián)接的方式，經過綜合考慮，本次設計使用螺紋聯(lián)接的方式。 (2) 活塞及活塞桿處密封圈的選用 密封圈的選擇應該考慮多種因素，例如活塞運動速度、范圍、溫度，以及密封的不同部位，壓力情況等，這些不同的情況應該使用不同的密封圈來達到密封目的，這次使用 O 型密封圈。 (3) 缸體與缸蓋的聯(lián)接形式 缸體與缸蓋的連接要考慮較多的因素，在本文中的設計選用了一種結構簡單易實現，拆裝、加工方便的接線方式——法蘭式連接，這種連接方式只需要在液壓缸缸體上開出一些均勻的法蘭孔，通過螺釘就可以緊密連接好端蓋。 3.3 液壓元件的選擇 3.3.1 液壓泵的選擇 幾種待選泵以及它們的特點: (1) 柱塞泵：輸出流量一般，能夠調節(jié)排量，噪聲大，價格高，壓力范圍為高壓， 對油液的污染敏感。 (2) 葉片泵：單片泵流量小，并且能夠進行調節(jié)，與之相反，雙片泵不能調節(jié)流量， 單片泵噪聲大，雙片泵噪聲小，價格十分低廉，壓力為中壓范圍，對油液的污染比較敏感。 (3) 齒輪泵：流量小，價格比較低，壓力范圍為低壓，對油液的污染不是特別敏感。在本次設計中，液壓泵為不需提供太大的動力，工作環(huán)境只需要低壓且需要噪音相 對較小，所以綜上所述，選擇齒輪泵。 3.3.2 液壓元件的選擇 (1) 換向閥：由液壓原理圖可知，本次使用的是三位四通電磁換向閥，一般來說， 中位機能有許多中，在這次設計中選擇的中位機能是 O 型。 (2) 溢流閥：溢流閥的特點為適用于小流量的場合，并且響應速度快，直動式溢流閥同時也可作為安全閥、制動閥使用。因此選用直動式溢流閥。 4 重要零件設計計算與校核 4.1 概述 軸可以與許多部件進行配合，所以它是一個重要的部件。軸與其上的零件組成一個組合體—軸系部件，軸在設計過程中，不單單要考慮軸自身的因素，還要考慮更多的零件是如何配合的。 軸的設計應該滿足的條件有： （1） 良好的耐腐蝕性。 （2） 耐高溫性。 （3） 較高的剛度。 （4） 具有良好的高速運轉穩(wěn)定性。所以軸的基本設計順序是： （1） 確定裝配方案和零件的布置方式。 （2） 確定軸的材料。 （3） 估算軸的直徑。 （4） 設計軸的基本結構。 （5） 軸的連軸和彎矩強度校核。 （6） 軸的剛度校核。 4.2 軸的常用的材料 軸有許多常見的材料，如 45 號鋼，但是在本次設計中軸沒有特殊的要求，因此使 用 45 號鋼作為材料。 普通的軸結構設計的原則為： （1） 方便于軸上零件的定位和調整。 （2） 方便于保持加工精度。 （3） 減少重量，節(jié)省材料。 （4） 方便于制造。 4.3 軸的加工和裝配工藝性 軸的加工是一個十分復雜的過程，不僅僅要考慮到軸的材料，加工精度，還要考慮裝配的適用性以及與其配合的零件的特性，以下因素需要著重考慮： （1） 考慮孔、鍵槽、螺紋等重要的結構的要素； （2） 確定軸的配合的方式，明確它所需要的加工精度； （3） 配合直徑一般按 GB/T 2822-1981 圓整為標準值； （4） 每一個軸段的長度都應該遵循結構合理與緊湊的特點，同時留下安裝與拆卸零件的空間； （5） 最好能夠實行無過盈而達到配合的部位； （6） 軸的兩端最好留下避免擦傷的倒角； （7)為保持配合的一致性，最好將所有倒角與圓角取相同的尺寸。 4.4 軸的計算 此實心軸承的轉矩 T 為： T = 9.55 ′106 P n  (4-1) = 9.55 ′106 ′ 831.1534 ′10-3 70 彎矩 M 為： = 113393.737N × mm M = F × 200 4 = 5541.0228 ′ 200 4 = 277051.14N × mm M 2 + (aT )2 對于碳素結構鋼和合金結構鋼彎曲應力與扭應力的合成，可按第三強度理論求出。因此，可以應用公式M e = 來計算當量彎矩。 按脈動轉矩計算： a= [s-1b ] [s0b ] 由《機械設計》(軸的許用應力）取s-1b = 40 ，s0b = 70 ， 計算當量彎矩： 計算應滿足： Me1 = 277051.142 + ( 40 ′113393.737)2 70 = 284527.5213N × mm Me 0.1[s-1b ] 3 d1 3 284527.5213 3 0.1′ 40 = = 41.4338mm 圓整后取d1 = 45 mm 軸中段軸徑上有鍵槽，在此基礎上，軸徑增大 3%。 d = 45(1 + 3%) = 46.35mm 圓整后取d = 50mm 由于Me1 = Me2 計算應滿足：  M e 2 0.1[s-1b ] 3 d 2 3 277051.14 3 0.1′ 40 = 取整d2 = 42mm = 41.0677mm 因為d2 < d ，所以可以得出結論，軸的彎矩強度符合要求。 5 三維建模 5.1 建模軟件介紹 5.1.1 solidworks 簡介 solidworks 是達索公司旗下的一款三維設計的軟件，它的功能十分強大，專門為了機械設計而誕生的一款軟件，它不僅僅能夠實現零件的三維設計，同時能夠對零件進行裝配，對設計好的零件進行運動仿真并且生成一個零件或者裝配體的二維圖紙，但是最重要的功能還是對零件的詳細建模，能夠讓機械工作人員清晰的看到零件的特性。 5.1.2 solidworks 優(yōu)勢 solidworks 軟件有許多組件和模塊，這導致其擁有非常多強大的功能與優(yōu)勢： (1)擁有非常靈活的草圖繪制的方法并且擁有簡便的檢查的功能。 (2)擁有強大的建立零件特征的能力和零件以及裝配的控制的能力。(3)能夠快速生成符合 GB 的工程圖樣。 (4)擁有十分強大的零件分析能力。 5.1.3 solidworks 功能 零件建模 solidworks 通過繪制草圖，定義特征可以對一個零件進行建模。曲面建模 通過掃描，填充這些方法能夠產生復雜曲面，并且可以對曲面進行一系列的操作。鈑金設計 solidworks 提供了頂尖的、全相關的鈑金設計能力?？梢灾苯邮褂酶鞣N類型的法蘭、薄片等特征，正交切除、角處理以及邊線切口等鈑金操作變得非常容易。 solidworks 的 API 為用戶提供了自由的、開放的、功能完整的開發(fā)工具。開發(fā)工具包括 Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C++，以及其他支持 OLE 的開發(fā)程序。 幫助文件 能夠通過幫助中的搜索功能對繪制的草圖或者生成的零件進行特這分析，并且可以通過幫助界面了解更多 solidworks 的相關功能。 數據轉換 在 solidworks 中，可以將已經生成的零件通過生成工程文件選項轉變?yōu)槎S的三視圖紙，同時，solidworks 提供了當今市場上幾乎所有CAD 軟件的輸入/輸出格式轉換器,有些格式，還提供了不同版本的轉換，從而能夠實現數據的轉換。 圖形輸出 29 可以將圖形輸入到 solidworks 當中，也可以將其中的文件輸出。 5.2 主要零件建模 5.2.1 底部支座的三維建模過程 啟動 solidworks 軟件-新建一個零件，轉到上視基準面，然后草圖繪制如圖 5.1； 拉伸凸臺/基體-給定深度 50mm，如圖 5.2。 圖 5.1 草圖建立 圖 5.2 拉伸凸臺基體 凸臺的上表面作為基準面，然后草圖繪制，如圖 5.3；拉伸凸臺/基體-給定深度500mm，如圖 5.4。 圖 5.3 拉伸草圖 圖 5.4 拉伸實體 選擇實體的最上表面當作為基準面，進行草圖繪制，如圖 5.5；拉伸凸臺/基體-給定深度 20mm，如圖 5.6。 圖 5.5 拉伸草圖 圖 5.6 拉伸實體 選擇前視基準面，進行草圖繪制，如圖 5.7；選擇特筋，如圖 5.8，單擊確定之后所得的實體模型如圖 5.9。 圖 5.7 拉伸草圖 圖 5.8 筋特征 圖 5.9 拉伸實體 選擇特征線性陣列中的圓周陣列，如圖 5.10；此時在設計樹當中會彈出對話框，如圖 5.11；選擇臨時軸，角度選為 45 度，陣列個數選為 8，如圖 5.12。 圖 5.10 圓周陣列 圖 5.11 圓周陣列特征 圖 5.12 陣列實體 實體的上表面同樣存在 8 個與下表面相同的筋,其建模過程與下表面相同，這里就不再次介紹。選擇基準面進入草圖繪制，如圖 5.13；選擇特征拉伸切除中給定深度 50mm， 如圖 5.14；選擇特征-線性陣列-圓周陣列，如圖 5.15。 圖 5.13 草圖繪制 圖 5.14 拉伸切除實體 圖 5.15 通孔的圓周陣列 在此實體的上表面同樣有四個通孔，其建模過程與下表面相同，這里不再進一步介紹。 5.2.2 手臂支座的三維建模過程 選擇前視基準面-草圖繪制，如圖 5.16；選擇特征-拉伸凸臺/基體-給定深度 25mm， 如圖 5.17。 圖 5.16 手臂支座草圖 圖 5.17 手臂支座底面拉伸實體 選擇拉伸實體的上表面為基準面-草圖繪制，如圖 5.18；選擇特征-拉伸凸臺/基體- 給定深度 150mm，如圖 5.19。 圖 5.18 拉伸草圖 圖 5.19 拉伸后實體 選擇基準面-草圖繪制，如圖 5.20；選擇特征-拉伸/基體-給定深度 35mm，如圖 5.21。 圖 5.20 拉伸草圖 圖 5.21 拉伸后實體 選擇上視基準面-選擇特征-線性陣列-鏡像實體，如圖 5.22；根據以上的操作即可得到手臂支座的三維模型，如圖 5.23。 圖 5.22 鏡像拉伸實體 5.3 總裝配圖 圖 5.23 手部支座三維模型 圖 5.24 回轉機構與提升機構的總體裝配圖 6 結論 本次課題是 630 噸壓鑄機自動澆注機械手的三維設計，本文通過翻閱和查找資料， 論述了壓鑄機的發(fā)展與類型，機械手的種類與作用，全面地認識了機械手。對機械手的設計，主要的選擇有三個：傳動系統(tǒng)的選擇，升降機構以及回轉機構。本文主要完成的工作包括： （1） 機械手的回轉機構：由回轉油缸實現，油缸轉動由主軸帶動手臂回轉。 （2） 機械手手臂的升降機構：由升降油缸實現，升降缸伸縮帶動手臂升降。 （3） 進行各個零件的尺寸設計以及重要零部件的尺寸校核。 （4） 利用 SolidWorks 軟件對零件進行三維建模，同時對各個零件進行裝配，組成裝配體，最后導出零部件以及裝配圖的二維 CAD 圖紙，并進行標注。 參考文獻 [1]戴龍泉.壓鑄機單臂回轉式自動澆注機械手[J].上海機械，1980,7:13-14. [2]https://club.1688.com/article/16379160.html [3]黃真,方躍法.并聯(lián)機器人機構學與控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997,5: 30-31. [4]郭洪武.淺析機械手的應用與發(fā)展趨勢[M].山西:中國西部科技,2012. [5]薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設計與分析 CT[M].清華大學出版社,2000:40-47. [6]康立新,馬建華.工業(yè)機械手的設計[J].中小企業(yè)管理與科技,2009,9:218. [7]陳金誠.壓鑄機的發(fā)展[J].鑄造,2005,54(1):6-15. [8] 張萍萍.基于 PLC 的氣動機械手控制系統(tǒng)設計[D].成都:電子科技大學,2013. [9] 劉明保,呂春紅,張春梅.機械手的組成機構及其技術指標的確定[J].河南機電高等?？茖W校學報,2004,12(1):18. [10] 曹環(huán)軍, 劉希璐. 壓鑄機澆鑄機械手的工作流程及 PLC 系統(tǒng)控制[J]. 湖南農機,2014,41(7):101. [11] 戴勤.自動換刀機械手結構設計及 PLC 控制研究[D].蘇州:蘇州大學.2010.1-4. [12] 趙獻丹,張良棟,趙虎.壓鑄機澆鑄機械手 PLC 控制系統(tǒng)設計[J].機械工程師,2011,11:55. [13]Harvill. A totally new concept in hot chamber die casting(J).Die casting Engineer,1982,26(4):1-2. [14] Carlos A.Acosta Calderon,John Q.Gan. An Analysis of the Inverse Kinematics for a 5-DOF Manipulator [J].International Journal of Automation & Computing,2005,2:114-116. [15] Thomas Bill. The golden age of die casting[J].D.C.E.1976.20(4):24. 附錄 1：外文翻譯 火車駕駛室前清洗機器人的系統(tǒng)和概念設計 Tetsuo Tomiyama，Luis Rubio García，Andra? Kr?lin，Gerard Taykaldiranian 克蘭菲爾德大學，50 樓，制造部，克蘭菲爾德 MK46 0AL，英國 摘要：本文介紹并簡要描述了用于獲取火車駕駛室前清潔機器人的系統(tǒng)和概念設計的方法。雖然列車的兩側用機械洗衣機清洗，但是駕駛室前部依舊是手動清洗，這會導致一些健康和安全問題。這個項目的目的首先是對目前的程序進行分析，以便檢測過程中可能存在的差距，同時生成一個要求清單，從而實現滿足這些要求的清潔系統(tǒng)的概念設計。同時提出的解決方案包括在各個子系統(tǒng)中劃分系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)的不同解決方案都將被考慮，分析和選擇作為開發(fā)原型的最終選擇。本文重點介紹了保持末端執(zhí)行器的機器人的主要結構;并且顯示出符合系統(tǒng)設計中要求的不同概念設計。 關鍵詞：清潔機器人，系統(tǒng)設計，概念設計，產品開發(fā)。 1 簡介 火車外部清潔通常由機械洗衣機進行。然而，這個洗衣機僅能清洗機身的兩側。它不會清潔駕駛室前鼻部分或車廂之間的車身端面板?；疖囻{駛室前鼻通常由復雜的形狀組成，而車廂之間的車身端板有時根本不被清理。這導致了大量的（工人）體力勞動， 用于外部機身的洗滌，并由此產生了一些健康和安全問題，包括（工人）在 25kV 電壓架空電線下工作，圍繞電氣化的第三條軌道工作，并在高處工作，特別是在夜間和惡劣天氣下條件下有較大的問題。（看圖 1） 圖 1：執(zhí)行火車駕駛室前方清潔程序的車廠工作人員。 在英國的每個車站，駕駛室前部清潔都以非常相似的方式進行?？墒?，它缺乏任何標準程序，效率和后處理檢查。有時這個過程提供的時間很短，每次進程也略有不同。 在擦洗火車表面時施加的壓力是不同的，用于清潔前駕駛室鼻部的不同區(qū)域的時間是相對隨機的，并且每次洗滌劑和水的施用量也不恒定。由于上述提到的原因，克蘭菲爾德大學與赫里瓦特大學合作，提出了駕駛室前清潔機器人的可行性研究。本文介紹了該系統(tǒng)和機械設計方面的研究（內容）。根據新產品開發(fā)流程，這個想法在篩選階段，通過訪問不同的車站，著重于數據收集，分析當前流程，以確定差距并開發(fā)基于并發(fā)工程實踐的系統(tǒng)設計。這導致要獲得設計要求和創(chuàng)建