630噸壓鑄機(jī)自動(dòng)澆注機(jī)械手的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)、三維模型】

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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(jī)自動(dòng)澆注機(jī)械手的三維設(shè)計(jì) 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 機(jī)械手概述 1 1.1.1 機(jī)械手的分類(lèi) 1 1.1.2 機(jī)械手的組成 1 1.1.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義 3 1.1.4 壓鑄機(jī)的分類(lèi) 3 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 4 2 總體方案設(shè)計(jì) 6 2.1 相關(guān)參數(shù)與屬性 6 2.1.1 630 噸壓鑄機(jī)相關(guān)參數(shù)與屬性 6 2.1.2 機(jī)械手參數(shù)確定 7 2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 7 2.2.1 升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 2.2.2 升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 7 2.2.3 液壓缸的尺寸設(shè)計(jì) 8 2.2.4 尺寸校核 9 2.2.5 活塞桿強(qiáng)度校核 9 2.2.6 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2.2.7 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 10 2.2.8 確定回轉(zhuǎn)缸的尺寸 10 2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)方案選擇 11 2.3.1 驅(qū)動(dòng)方案選擇原則 11 2.3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案比較 11 2.3.3 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 12 3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 3.1 原理圖 14 3.2 液壓缸的設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算 18 5 三維建模 20 5.1 建模軟件介紹 20 5.1.1 solidworks 簡(jiǎn)介 20 5.1.2 solidworks 優(yōu)勢(shì) 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(guò)程 21 5.2.2 手臂支座的三維建模過(guò)程 24 5.3 總裝配圖 26 6 結(jié)論 27 參考文獻(xiàn) 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(jī)械手概述 1.1.1 機(jī)械手的分類(lèi)[1] 機(jī)械手通常按照它的驅(qū)動(dòng)的方法、使用的范圍或者控制系統(tǒng)分為下邊幾個(gè)類(lèi)別： （1） 按照驅(qū)動(dòng)的方法可以分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、機(jī)械式和電動(dòng)這四種機(jī)械手。氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。這種類(lèi)型的機(jī)械手有45%左右，氣壓為4-6KG/CM3。液壓機(jī)械手是利用油泵供給的油來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，這種類(lèi)型的機(jī)械手占總和的 45%以上， 油壓在 15-150KG/CM2 之間。機(jī)械式的機(jī)械手都附屬在一個(gè)機(jī)器之上，由主機(jī)通過(guò)凸輪、連桿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這個(gè)類(lèi)型的機(jī)械手在沖壓以及鍛造的時(shí)候是用的最多的。電動(dòng)式機(jī)械手利用格式各樣的或普通或稀有的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這個(gè)類(lèi)型的機(jī)械手?jǐn)?shù)量稀少。 （2） 按照使用的范圍可以分為通用機(jī)械手和專(zhuān)用機(jī)械手兩大類(lèi)。專(zhuān)用機(jī)械手是為某一特定作業(yè)而設(shè)計(jì)和制造的機(jī)械裝備，它的程序是固定不變的，只能完成某幾個(gè)特定的動(dòng)作。例如自動(dòng)機(jī)床的上下料機(jī)械手，加熱爐的進(jìn)出料機(jī)械手等都只能給特定的主機(jī)上下料。通用機(jī)械手是一宗獨(dú)立的自動(dòng)化機(jī)械裝備，它的結(jié)構(gòu)比專(zhuān)用機(jī)械手復(fù)雜，動(dòng)作程序可以改變，工作范圍可以調(diào)整，可用于多種場(chǎng)合，能適應(yīng)多種產(chǎn)品以及工藝方案， 通用性較強(qiáng)。 （3） 按控制系統(tǒng)分為固定程序、可變程序、示教再現(xiàn)及數(shù)字控制等四種機(jī)械手。固定程序機(jī)械手的動(dòng)作程序和時(shí)間等都固定不變。如點(diǎn)位式專(zhuān)用機(jī)械手就是固定程序機(jī)械手?？勺兂绦驒C(jī)械手的動(dòng)作程序和時(shí)間，可根據(jù)工作需要，通過(guò)更換插銷(xiāo)位置或插件板而改變。示教再現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作程序和時(shí)間及運(yùn)動(dòng)軌跡由人手示教(或編程示教），并依靠存儲(chǔ)裝備（例如磁鼓或磁帶）將這些參數(shù)記錄下來(lái)，然后，機(jī)械手按此循環(huán)動(dòng)作。當(dāng)需要改變程序、定位點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，人再示教一次，即可達(dá)到目的。這種方法控制的機(jī)械手通用性強(qiáng)，能適應(yīng)復(fù)雜多變的工作要求，但成本高昂。按數(shù)字形式輸入電子計(jì)算機(jī)，以控制機(jī)械手的動(dòng)作程序、運(yùn)動(dòng)軌跡和速度等這就是數(shù)控機(jī)械手。它可以很方便地改變機(jī)械手的各種參數(shù)，通用性很強(qiáng)，但成本很高。 1.1.2 機(jī)械手的組成[2] 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 1.1.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 11 圖 1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)總圖 （1） 手部 手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可把動(dòng)作傳給手腕。 （2） 手臂 手臂有無(wú)關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分本課所做的機(jī)械手的手臂采用無(wú)關(guān)節(jié)臂，手臂的作用是引導(dǎo)手部準(zhǔn)確的抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確的定位.軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架[3]。 1.1.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓用的最多，占 90%以上，電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動(dòng)平緩，可無(wú)級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 液壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為液壓缸、液壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用 4-6 個(gè)大液壓，個(gè) 別的達(dá)到 8-10 個(gè)大液壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是出力小， 體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，液壓系統(tǒng)容易生銹。 為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，液壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。 電氣驅(qū)動(dòng)采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)則用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。 電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動(dòng)力，出力比較大；缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。 機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整[4]。 本課題所做的機(jī)械手采用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手臂的上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、手臂的夾緊、放松等動(dòng)作。 1.1.2.3 控制系統(tǒng) 機(jī)械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間和加速度等?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作[5]。 1.1.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來(lái)越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門(mén)，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： （1） 以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 （2） 以改善勞動(dòng)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(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。 在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)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(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線(xiàn)上，目前幾乎都沒(méi)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)[6]。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。 1.1.4 壓鑄機(jī)的分類(lèi)[7] (1) 合模機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)壓鑄模進(jìn)行合攏和開(kāi)啟的動(dòng)作。當(dāng)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(guò)程中模具分型面不會(huì)脹開(kāi)。鎖緊模具的力即稱(chēng)為鎖模力(又稱(chēng)合型力)，單位為千牛(KN)，是表征壓鑄機(jī)大小的首要參數(shù)。 (2) 壓射機(jī)構(gòu) 按規(guī)定的速度推送壓室內(nèi)的金屬液，并有足夠的能量使之流經(jīng)模具內(nèi) 的澆道和內(nèi)澆口，進(jìn)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(dòng)作全部完成后，壓射沖頭返回復(fù)位。 (3) 液壓系統(tǒng) 為壓鑄機(jī)的運(yùn)行提供足夠的動(dòng)力和能量。 (4) 電氣控制系統(tǒng) 控制壓鑄機(jī)各機(jī)構(gòu)的執(zhí)行動(dòng)作按預(yù)定程序運(yùn)行。 (5) 零部件及機(jī)座所有零部件經(jīng)過(guò)組合和裝配，構(gòu)成壓鑄機(jī)整體，并固定在機(jī)座上。(6)其他裝置 先進(jìn)的壓鑄機(jī)還帶有參數(shù)檢測(cè)、故障報(bào)警、壓鑄過(guò)程監(jiān)控、計(jì)算機(jī)輔 助的生產(chǎn)信息的存儲(chǔ)、調(diào)用、打印及其管理系統(tǒng)等。 (7)輔助裝置 根據(jù)自動(dòng)化程度配備澆料、噴涂、取件等裝置。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于 20 世紀(jì) 50 年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類(lèi)變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品[8]。 機(jī)械手是機(jī)電一體化的典型代表，機(jī)電一體化的發(fā)展大體可以分為 3 個(gè)階段。20 世紀(jì) 60 年代以前為第一階段，這一階段稱(chēng)為初級(jí)階段。在這一時(shí)期，人們利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭(zhēng)刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機(jī)電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對(duì)戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)起了積極的作用。那時(shí)研制和開(kāi)發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平，機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展[9]。 20 世紀(jì) 70 年代～80 年代為第二階段，可稱(chēng)為蓬勃發(fā)展階段。這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。 20 世紀(jì) 90 年代后期，開(kāi)始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，機(jī)電一 體化進(jìn)入深入發(fā)展時(shí)期。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中展露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；另一方面對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法、機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢(shì)都進(jìn)行了深入研究。同時(shí)，由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，更為機(jī)電一體化技術(shù)開(kāi)辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。 美國(guó)是世界上最早研制機(jī)械手的國(guó)家，1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962 年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為 Unimate(即萬(wàn)能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)； 控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。同年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran 機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升 降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。1978 年美國(guó) 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-Vic-arm 型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1 毫米。 美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間）， 由 400 小時(shí)提高到 1500 小時(shí)，精度可提高到±0.1 毫米。 德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從 1970 年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國(guó) KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控瑞士RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是機(jī)械手發(fā)展最快也是應(yīng)用最多的國(guó)家自 1969 年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)械手 后，大力研究機(jī)械手的研究。截止 1979 年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá) 56900 臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～60%的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車(chē)工業(yè)， 其次是電機(jī)、電器。到 1990 年已有 55 萬(wàn)機(jī)器人在工作。 我國(guó)是從 20 世紀(jì) 80 年代初才開(kāi)始在這方面研究和應(yīng)用。國(guó)務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“863 計(jì)劃”中。在制定“九五”規(guī)劃和 2010 年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國(guó)際上關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和由此可能帶來(lái)的影響。許多大專(zhuān)院校、研究機(jī)構(gòu)及一些大中型企業(yè)對(duì)這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用也做了大量的工作，雖然取得了一定成果，但與美國(guó)、日本等先進(jìn)國(guó)家相比仍有相當(dāng)差距[10]。 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 相關(guān)參數(shù)與屬性 2.1.1 630 噸壓鑄機(jī)相關(guān)參數(shù)與屬性 隨著新時(shí)代的到來(lái)，經(jīng)熱壓鑄機(jī)到冷室壓鑄機(jī)的變遷，壓鑄機(jī)以及壓鑄技術(shù)迎來(lái)迅捷的發(fā)展期，本次設(shè)計(jì)中 630 噸壓鑄機(jī)屬于冷室，其相關(guān)屬性如圖 2.1，更加詳盡的參數(shù)如表 2.1。 圖 2.1 630 噸壓鑄機(jī)的相關(guān)屬性 表 2.1 630 噸壓鑄機(jī)詳盡參數(shù) 630 冷室壓鑄機(jī)參數(shù) 項(xiàng)目 鎖模力 鎖模行程 模版尺寸 哥 林 柱 內(nèi)距 哥 林 柱 直徑 調(diào) 模 厚 度 工 作 油 壓 射料力 參數(shù) 6300 650 1200*1200 750*750 160 350-850 140 200 單位 kN mm mm mm mm mm kgf / cm2 Kn 項(xiàng)目 增壓力 射料行程 錐頭推出 長(zhǎng)度 射 料 位 置 錐 頭 直 徑 射 料 重 量 鑄 造 壓 力 鑄 造 面 積 參數(shù) 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(xiàng)目 最 大 鑄 造面積 頂出力 頂出行程 油 泵 電 機(jī) 郵 箱 容 量 機(jī) 器 尺 寸 機(jī) 器 重 量 參數(shù) 1580 310 150 50/37 1200 8450*20 50*2800 27600 單位 cm2 kN mm HP/KW L mm kgs 標(biāo)準(zhǔn)配置 可用配置 三板四柱式鎖開(kāi)模機(jī)構(gòu) 液壓調(diào)模機(jī)構(gòu) 自動(dòng)噴涂機(jī) 鋼結(jié)構(gòu)焊組件長(zhǎng)方體平行機(jī)架 低壓鎖模保證 自動(dòng)取件機(jī) 企板與鎖模框架結(jié)構(gòu)打抖裝置 液壓頂出,液壓抽芯 自動(dòng)給湯機(jī) 集成油路鎖模與射料塊 可調(diào)控集中潤(rùn)滑系統(tǒng) 電熔爐與柴油溶解爐 2.1.2 機(jī)械手參數(shù)確定 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有回轉(zhuǎn)以及升降的功能，因此需要擁有 3 個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)的坐標(biāo)系有以下多種：直角坐標(biāo)、圓球坐標(biāo)還有球坐標(biāo)類(lèi)型。其中，最符合本次設(shè)計(jì)要求的是球坐標(biāo)系，原因是球坐標(biāo)擁有 3 個(gè)自由度，可回轉(zhuǎn)、伸縮，同時(shí)工作的位置較低， 可以更好的工作。所以選擇球坐標(biāo)系，其他參數(shù)如下： 座標(biāo)型式：球坐標(biāo)自由度數(shù)：3 個(gè) 手臂回轉(zhuǎn)范圍：0°—180° 手臂回轉(zhuǎn)速度：90°／S 手臂的俯仰范圍：-45°—45° 定位方式：手臂回轉(zhuǎn)的兩端位置用死擋板定位手臂俯仰兩端點(diǎn)：用活塞與端蓋觸點(diǎn)相碰定位手臂回轉(zhuǎn)兩端點(diǎn)：用活塞與端蓋觸點(diǎn)相碰定位 2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 本課題澆注機(jī)械手主要由底座、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、手臂等機(jī)構(gòu)組成[11]。本次設(shè)計(jì)主要著眼于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)油缸組成，升降機(jī)構(gòu)由升降油缸組成，它們加在一起能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的伸縮以及回轉(zhuǎn)。接下來(lái)具體介紹幾個(gè)重要機(jī)構(gòu)的原理以及計(jì)算校核。 2.2.1 升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 升降機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)升降油缸，由它來(lái)實(shí)現(xiàn)升降的動(dòng)作。其中重要的零部件有活塞桿、缸筒和活塞。當(dāng)工作進(jìn)行的時(shí)候，缸體里邊全是油液存在，進(jìn)油口進(jìn)油的時(shí)候，上油腔壓力不及下油腔的壓力，這是油壓推動(dòng)活塞往上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，活塞與活塞桿中部屬于過(guò)盈配合，活塞桿被活塞的運(yùn)動(dòng)所帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上升的功能。活塞和缸蓋都必須加密封，否則油液將會(huì)發(fā)生泄漏的情況，致使整個(gè)升降油缸的效率降低[12]。 2.2.2 升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手臂作升降運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，要克服的力有：摩擦阻力 Fm 、慣性力 Fg 、臂部運(yùn)動(dòng)零件的重力，所以驅(qū)動(dòng)力 Pq 可以用下列等式進(jìn)行計(jì)算： Pq = Fm + Fg ± W 式中 Fm —各支承處的摩擦力（N） （2-1） Fg —啟動(dòng)時(shí)慣性力（N）可按臂伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況進(jìn)行計(jì)算 W —臂部運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N） ± —上升的時(shí)候?yàn)檎陆档臅r(shí)候?yàn)樨?fù) 當(dāng) Fm = 40N ， Fg = 100N ，W = 1098N 時(shí)： Pq = 40 +100 +1098 = 1238(N ) 圖 2.2 升降液壓缸缸筒 F = F1h= p 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔的時(shí)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(wú)桿腔） （2-5） pp1h 4F + d 2 D = （有桿腔） 1 F = 3580N ， p = 2 *106 pa ，所以選擇機(jī)械效率h= 0.95 將所有所關(guān)系的數(shù)據(jù)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(jì)算的數(shù)據(jù)，液壓缸選擇標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)徑系列，確定 D=100mm 2.2.3 液壓缸的尺寸設(shè)計(jì) 液壓缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為l =117mm，液壓缸內(nèi)徑為 D1 =100mm，半徑R=50mm，液壓缸運(yùn)行速度，液壓缸壓強(qiáng)p=0.4MPa，它的加速度的時(shí)間Dt =0.1s，所以驅(qū)動(dòng)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(jīng)過(guò)測(cè)量，手部抓取部分重80kg，則重力： G = mg = 80 *10 = 800 N 2. 設(shè)計(jì)加速度a = 5(m / s) ，則慣性力： G1 = ma = 80*5 = 400N 3. 設(shè)定缸體內(nèi)活塞等外因摩擦系數(shù)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(shè)計(jì)尺寸能夠通過(guò)校核。 因?yàn)閮?nèi)徑尺寸為 D=100mm，且考慮裝配的因素，設(shè)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(qiáng)度校核 活塞桿尺寸滿(mǎn)足活塞強(qiáng)度的要求以及運(yùn)動(dòng)的要求，由活塞桿相關(guān)計(jì)算方法可列出公式： s= F pd 2 4 ￡ [s] （2-6） 在此次設(shè)計(jì)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(zhǎng)度為 d=20mm，將已知的相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（2-6），對(duì)活塞桿的強(qiáng)度進(jìn)行校核： s= F * 4 = pd 4 由式可知，活塞桿強(qiáng)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(shè)計(jì)。 2.2.6 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有一個(gè)液壓回轉(zhuǎn)缸來(lái)實(shí)現(xiàn)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(gè)沉頭孔兩個(gè)油口（進(jìn)油口和出油口）以及一個(gè)銷(xiāo)釘孔。其中，銷(xiāo)釘孔和沉頭孔的作用是與定片進(jìn)行配合的。兩個(gè)油口的作用是利用進(jìn)油出油使左右油腔的壓力發(fā)生變化，帶動(dòng)動(dòng)片的旋轉(zhuǎn)。在回轉(zhuǎn)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(gè)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(zhuǎn)。 2.2.7 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩 M 驅(qū)，應(yīng)該和各個(gè)部分密封裝置處的摩擦阻力矩M阻 和手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M 慣 相平衡。 19 慣性力矩的計(jì)算 M 驅(qū) = M 慣 + M阻 + M回 (2-7) Dt -起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間(s)； Dw M 慣 = J0e= J0 Dt (2-8） J 0 -回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)周?chē)ぜ霓D(zhuǎn)動(dòng)慣量。如果回轉(zhuǎn)軸和工件相距距離r，那么： J0 式中 JC -工件的回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量. = Jc + G r2 g (2-9) C J = m(l 2 + 3R2 ) /12 Z 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長(zhǎng)為 810mm，直徑是 1700mm 的圓柱體，質(zhì)量為 70KG。設(shè)置起動(dòng)角度w= 180 ，則起動(dòng)角速度Dw= 0.314rad / s ，設(shè)置起動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)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(qū) ，由于回油背差一般非常地小， 所以在這個(gè)地方可以忽略不計(jì)算。 通過(guò)上述的相關(guān)計(jì)算，可以得到M 驅(qū) = 221.6N · m 。 2.2.8 確定回轉(zhuǎn)缸的尺寸 設(shè)計(jì)動(dòng)靜片之間的寬度為 b=78mm，設(shè)置動(dòng)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(qiáng)為 8Mpa?；剞D(zhuǎn)缸的內(nèi)徑尺寸計(jì)算公式為： 8M 驅(qū) + d 2 bp D = (2-10) 計(jì)算得出：D=168mm 因此可得液壓缸內(nèi)徑長(zhǎng)度是 168mm。 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)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(yīng)該小于 78mm，可以 進(jìn)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(gè)面擁有 6 個(gè)螺釘，所以 2 個(gè)面就有 12 個(gè)螺釘[14]。 所以可知危險(xiǎn)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?shù)牟牧蠟?Q235，則[s] = ss n = 240 = 200Mpa 1.2  (n=1.2-2.5) 4 *1.3FQ s p[s] 螺釘?shù)闹睆綖? d 3 =  4 *1.3*1466.7 3.14 * 200 *106 = 10mm 所以選擇螺釘?shù)闹睆綖?d=10mm，所以可以選擇 M10 的開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘。 所以可以確定回轉(zhuǎn)液壓缸的內(nèi)徑為 170mm，外徑為 220mm，輸出軸徑為 80mm。基本確定了回轉(zhuǎn)液壓缸的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。 2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)方案選擇 2.3.1 驅(qū)動(dòng)方案選擇原則 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇遵循下面幾點(diǎn)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(chǎng)合， 而點(diǎn)動(dòng)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(diǎn)動(dòng)控制功能的驅(qū)動(dòng)應(yīng)該使用伺服驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，這種類(lèi)型的系統(tǒng)只能使用電動(dòng)或者液壓的系統(tǒng)才能夠滿(mǎn)足要求[15]。 2.3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案比較 現(xiàn)在主流的傳動(dòng)方式主要有三種，一種傳動(dòng)方式是液壓傳動(dòng)，它具有傳動(dòng)壓力大， 響應(yīng)速度快，噪聲干擾小的特點(diǎn)；一種是氣壓傳動(dòng)的方式，它的特點(diǎn)是系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快，維修成本低的優(yōu)點(diǎn)，但卻又難以實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)。最后一種是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，隨著伺服電機(jī)的發(fā)展，人們開(kāi)始大規(guī)模的適用這種驅(qū)動(dòng)。 目前廣泛采用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較如下表： 表 2.2 不同傳動(dòng)系統(tǒng)的比較與特點(diǎn) 特性 輸出功率和使 用范圍 控制性能和 安全性 結(jié)構(gòu)性能 安裝和維 護(hù)要求 效率和制造成 本 氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓較低，輸出功率小，當(dāng)輸出功率增大時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸將過(guò)大 發(fā)出的噪聲十分大，高速運(yùn)行穩(wěn)定性尚好，低速運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定 結(jié)構(gòu)體積較大，結(jié)構(gòu)易于標(biāo)準(zhǔn)化。易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，密封 問(wèn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低 液壓驅(qū)動(dòng) 輸出功率十分大 能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，但是不能夠進(jìn)行壓縮 結(jié)構(gòu)比較 小，所以容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化 維護(hù)成本 十分高，需要進(jìn)行防 止液壓泄 漏的報(bào)復(fù)， 安裝困難 成本比較高， 效率中等 交直流普通電動(dòng)機(jī) 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(duì)環(huán)境無(wú)影響 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，需減速裝置，傳動(dòng)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(jìn)、伺服電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力較小、伺服電機(jī)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(fù)雜 效率為 0.5 左右，成本高 2.3.3 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 如表 2.2 所比較，相比于其他的傳動(dòng)系統(tǒng)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有這些優(yōu)點(diǎn)： (1) 液壓驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)更加大的多的動(dòng)力，等功率的液壓裝置擁有更輕的質(zhì)量和更小的體積。據(jù)資料記載，液壓?jiǎn)挝还β适中。@更加明顯地體現(xiàn)出液壓系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：相對(duì)體積雖小，但是輸出功率卻十分地大。 (2) 因?yàn)橐后w不能夠進(jìn)行壓縮，所以液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)十分穩(wěn)定，同時(shí)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(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)。 (3) 液壓系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，由于相關(guān)原件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，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(shí)液壓傳動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 綜上所述，由于這次實(shí)驗(yàn)要設(shè)計(jì)的機(jī)械手適用于大功率，油液壓力大的傳動(dòng)系統(tǒng)， 氣壓傳動(dòng)不符合這方面的條件；同時(shí)要求流量要易于控制，電動(dòng)機(jī)不符合條件；所以最后選擇液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為機(jī)械手的傳動(dòng)方案。 3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 原理圖 圖 3.1 液壓系統(tǒng)原理圖 表 3.1 電磁鐵動(dòng)作順序表 1DT 2DT 3DT 4DT 手臂上升X000 + + + 手臂下降X001 + 手臂回轉(zhuǎn)X002 + 手臂反向回轉(zhuǎn)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(dāng)左邊電磁閥得電的時(shí)候，油液也進(jìn)入油缸下腔，手臂下降，相反，油液進(jìn)入上油腔則手臂上升，通電結(jié)束，油缸回歸原位導(dǎo)致手臂停止運(yùn)動(dòng)。同理，由圖 3-1 可知，回轉(zhuǎn)油缸也是由電磁閥進(jìn)行控制，當(dāng) 3DT 得電時(shí)，油液進(jìn)入 回轉(zhuǎn)油缸左腔，油缸正向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)手臂正向轉(zhuǎn)動(dòng)。相反，當(dāng) 4DT 得電是，油液經(jīng)由電磁閥進(jìn)入回轉(zhuǎn)油缸右腔，油缸反向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)手臂反向轉(zhuǎn)動(dòng)，如果通電情況停止，那么手臂停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.2 液壓缸的設(shè)計(jì) 液壓缸的設(shè)計(jì)過(guò)程十分復(fù)雜，裝置數(shù)量也非常多，結(jié)構(gòu)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(dǎo)致液壓缸的結(jié)構(gòu)也不盡相同，所以需要考慮各種情況，分析完全不同的設(shè)計(jì)。主要結(jié)構(gòu)有如液壓缸缸體、缸蓋這樣的連接結(jié)構(gòu)、以及密封、緩沖、排氣這樣的功能裝置等結(jié)構(gòu)。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(jīng)過(guò)綜合考慮，本次設(shè)計(jì)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(yīng)該考慮多種因素，例如活塞運(yùn)動(dòng)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(yīng)該使用不同的密封圈來(lái)達(dá)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(shè)計(jì)選用了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，拆裝、加工方便的接線(xiàn)方式——法蘭式連接，這種連接方式只需要在液壓缸缸體上開(kāi)出一些均勻的法蘭孔，通過(guò)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(diǎn): (1) 柱塞泵：輸出流量一般，能夠調(diào)節(jié)排量，噪聲大，價(jià)格高，壓力范圍為高壓， 對(duì)油液的污染敏感。 (2) 葉片泵：?jiǎn)纹昧髁啃?，并且能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)，與之相反，雙片泵不能調(diào)節(jié)流量， 單片泵噪聲大，雙片泵噪聲小，價(jià)格十分低廉，壓力為中壓范圍，對(duì)油液的污染比較敏感。 (3) 齒輪泵：流量小，價(jià)格比較低，壓力范圍為低壓，對(duì)油液的污染不是特別敏感。在本次設(shè)計(jì)中，液壓泵為不需提供太大的動(dòng)力，工作環(huán)境只需要低壓且需要噪音相 對(duì)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(lái)說(shuō)， 中位機(jī)能有許多中，在這次設(shè)計(jì)中選擇的中位機(jī)能是 O 型。 (2) 溢流閥：溢流閥的特點(diǎn)為適用于小流量的場(chǎng)合，并且響應(yīng)速度快，直動(dòng)式溢流閥同時(shí)也可作為安全閥、制動(dòng)閥使用。因此選用直動(dòng)式溢流閥。 4 重要零件設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 4.1 概述 軸可以與許多部件進(jìn)行配合，所以它是一個(gè)重要的部件。軸與其上的零件組成一個(gè)組合體—軸系部件，軸在設(shè)計(jì)過(guò)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(shè)計(jì)應(yīng)該滿(mǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。所以軸的基本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)軸的基本結(jié)構(gòu)。 （5） 軸的連軸和彎矩強(qiáng)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(jiàn)的材料，如 45 號(hào)鋼，但是在本次設(shè)計(jì)中軸沒(méi)有特殊的要求，因此使 用 45 號(hào)鋼作為材料。 普通的軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則為： （1） 方便于軸上零件的定位和調(diào)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(gè)十分復(fù)雜的過(guò)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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)值； （4） 每一個(gè)軸段的長(zhǎng)度都應(yīng)該遵循結(jié)構(gòu)合理與緊湊的特點(diǎn)，同時(shí)留下安裝與拆卸零件的空間； （5） 最好能夠?qū)嵭袩o(wú)過(guò)盈而達(dá)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(jì)算 此實(shí)心軸承的轉(zhuǎn)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(duì)于碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼彎曲應(yīng)力與扭應(yīng)力的合成，可按第三強(qiáng)度理論求出。因此，可以應(yīng)用公式M e = 來(lái)計(jì)算當(dāng)量彎矩。 按脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算： a= [s-1b ] [s0b ] 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》(軸的許用應(yīng)力）取s-1b = 40 ，s0b = 70 ， 計(jì)算當(dāng)量彎矩： 計(jì)算應(yīng)滿(mǎn)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(chǔ)上，軸徑增大 3%。 d = 45(1 + 3%) = 46.35mm 圓整后取d = 50mm 由于Me1 = Me2 計(jì)算應(yīng)滿(mǎn)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?yàn)閐2 < d ，所以可以得出結(jié)論，軸的彎矩強(qiáng)度符合要求。 5 三維建模 5.1 建模軟件介紹 5.1.1 solidworks 簡(jiǎn)介 solidworks 是達(dá)索公司旗下的一款三維設(shè)計(jì)的軟件，它的功能十分強(qiáng)大，專(zhuān)門(mén)為了機(jī)械設(shè)計(jì)而誕生的一款軟件，它不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)零件的三維設(shè)計(jì)，同時(shí)能夠?qū)α慵M(jìn)行裝配，對(duì)設(shè)計(jì)好的零件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真并且生成一個(gè)零件或者裝配體的二維圖紙，但是最重要的功能還是對(duì)零件的詳細(xì)建模，能夠讓機(jī)械工作人員清晰的看到零件的特性。 5.1.2 solidworks 優(yōu)勢(shì) solidworks 軟件有許多組件和模塊，這導(dǎo)致其擁有非常多強(qiáng)大的功能與優(yōu)勢(shì)： (1)擁有非常靈活的草圖繪制的方法并且擁有簡(jiǎn)便的檢查的功能。 (2)擁有強(qiáng)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(qiáng)大的零件分析能力。 5.1.3 solidworks 功能 零件建模 solidworks 通過(guò)繪制草圖，定義特征可以對(duì)一個(gè)零件進(jìn)行建模。曲面建模 通過(guò)掃描，填充這些方法能夠產(chǎn)生復(fù)雜曲面，并且可以對(duì)曲面進(jìn)行一系列的操作。鈑金設(shè)計(jì) solidworks 提供了頂尖的、全相關(guān)的鈑金設(shè)計(jì)能力?？梢灾苯邮褂酶鞣N類(lèi)型的法蘭、薄片等特征，正交切除、角處理以及邊線(xiàn)切口等鈑金操作變得非常容易。 solidworks 的 API 為用戶(hù)提供了自由的、開(kāi)放的、功能完整的開(kāi)發(fā)工具。開(kāi)發(fā)工具包括 Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C++，以及其他支持 OLE 的開(kāi)發(fā)程序。 幫助文件 能夠通過(guò)幫助中的搜索功能對(duì)繪制的草圖或者生成的零件進(jìn)行特這分析，并且可以通過(guò)幫助界面了解更多 solidworks 的相關(guān)功能。 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 在 solidworks 中，可以將已經(jīng)生成的零件通過(guò)生成工程文件選項(xiàng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S的三視圖紙，同時(shí)，solidworks 提供了當(dāng)今市場(chǎng)上幾乎所有CAD 軟件的輸入/輸出格式轉(zhuǎn)換器,有些格式，還提供了不同版本的轉(zhuǎn)換，從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。 圖形輸出 29 可以將圖形輸入到 solidworks 當(dāng)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(guò)程 啟動(dòng) solidworks 軟件-新建一個(gè)零件，轉(zhuǎn)到上視基準(zhǔn)面，然后草圖繪制如圖 5.1； 拉伸凸臺(tái)/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(tái)基體 凸臺(tái)的上表面作為基準(zhǔn)面，然后草圖繪制，如圖 5.3；拉伸凸臺(tái)/基體-給定深度500mm，如圖 5.4。 圖 5.3 拉伸草圖 圖 5.4 拉伸實(shí)體 選擇實(shí)體的最上表面當(dāng)作為基準(zhǔn)面，進(jìn)行草圖繪制，如圖 5.5；拉伸凸臺(tái)/基體-給定深度 20mm，如圖 5.6。 圖 5.5 拉伸草圖 圖 5.6 拉伸實(shí)體 選擇前視基準(zhǔn)面，進(jìn)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(shí)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(shí)體 選擇特征線(xiàn)性陣列中的圓周陣列，如圖 5.10；此時(shí)在設(shè)計(jì)樹(shù)當(dāng)中會(huì)彈出對(duì)話(huà)框，如圖 5.11；選擇臨時(shí)軸，角度選為 45 度，陣列個(gè)數(shù)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(shí)體 實(shí)體的上表面同樣存在 8 個(gè)與下表面相同的筋,其建模過(guò)程與下表面相同，這里就不再次介紹。選擇基準(zhǔn)面進(jìn)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(xiàn)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(shí)體 圖 5.15 通孔的圓周陣列 在此實(shí)體的上表面同樣有四個(gè)通孔，其建模過(guò)程與下表面相同，這里不再進(jìn)一步介紹。 5.2.2 手臂支座的三維建模過(guò)程 選擇前視基準(zhǔn)面-草圖繪制，如圖 5.16；選擇特征-拉伸凸臺(tái)/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(shí)體 選擇拉伸實(shí)體的上表面為基準(zhǔn)面-草圖繪制，如圖 5.18；選擇特征-拉伸凸臺(tái)/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(shí)體 選擇基準(zhǔn)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(shí)體 選擇上視基準(zhǔn)面-選擇特征-線(xiàn)性陣列-鏡像實(shí)體，如圖 5.22；根據(jù)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(shí)體 5.3 總裝配圖 圖 5.23 手部支座三維模型 圖 5.24 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與提升機(jī)構(gòu)的總體裝配圖 6 結(jié)論 本次課題是 630 噸壓鑄機(jī)自動(dòng)澆注機(jī)械手的三維設(shè)計(jì)，本文通過(guò)翻閱和查找資料， 論述了壓鑄機(jī)的發(fā)展與類(lèi)型，機(jī)械手的種類(lèi)與作用，全面地認(rèn)識(shí)了機(jī)械手。對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，主要的選擇有三個(gè)：傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇，升降機(jī)構(gòu)以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。本文主要完成的工作包括： （1） 機(jī)械手的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：由回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)，油缸轉(zhuǎn)動(dòng)由主軸帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)。 （2） 機(jī)械手手臂的升降機(jī)構(gòu)：由升降油缸實(shí)現(xiàn)，升降缸伸縮帶動(dòng)手臂升降。 （3） 進(jìn)行各個(gè)零件的尺寸設(shè)計(jì)以及重要零部件的尺寸校核。 （4） 利用 SolidWorks 軟件對(duì)零件進(jìn)行三維建模，同時(shí)對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行裝配，組成裝配體，最后導(dǎo)出零部件以及裝配圖的二維 CAD 圖紙，并進(jìn)行標(biāo)注。 參考文獻(xiàn) [1]戴龍泉.壓鑄機(jī)單臂回轉(zhuǎn)式自動(dòng)澆注機(jī)械手[J].上海機(jī)械，1980,7:13-14. 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Kr?lin，Gerard Taykaldiranian 克蘭菲爾德大學(xué)，50 樓，制造部，克蘭菲爾德 MK46 0AL，英國(guó) 摘要：本文介紹并簡(jiǎn)要描述了用于獲取火車(chē)駕駛室前清潔機(jī)器人的系統(tǒng)和概念設(shè)計(jì)的方法。雖然列車(chē)的兩側(cè)用機(jī)械洗衣機(jī)清洗，但是駕駛室前部依舊是手動(dòng)清洗，這會(huì)導(dǎo)致一些健康和安全問(wèn)題。這個(gè)項(xiàng)目的目的首先是對(duì)目前的程序進(jìn)行分析，以便檢測(cè)過(guò)程中可能存在的差距，同時(shí)生成一個(gè)要求清單，從而實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足這些要求的清潔系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。同時(shí)提出的解決方案包括在各個(gè)子系統(tǒng)中劃分系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的不同解決方案都將被考慮，分析和選擇作為開(kāi)發(fā)原型的最終選擇。本文重點(diǎn)介紹了保持末端執(zhí)行器的機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu);并且顯示出符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求的不同概念設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：清潔機(jī)器人，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，概念設(shè)計(jì)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 1 簡(jiǎn)介 火車(chē)外部清潔通常由機(jī)械洗衣機(jī)進(jìn)行。然而，這個(gè)洗衣機(jī)僅能清洗機(jī)身的兩側(cè)。它不會(huì)清潔駕駛室前鼻部分或車(chē)廂之間的車(chē)身端面板?；疖?chē)駕駛室前鼻通常由復(fù)雜的形狀組成，而車(chē)廂之間的車(chē)身端板有時(shí)根本不被清理。這導(dǎo)致了大量的（工人）體力勞動(dòng)， 用于外部機(jī)身的洗滌，并由此產(chǎn)生了一些健康和安全問(wèn)題，包括（工人）在 25kV 電壓架空電線(xiàn)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(wèn)題。（看圖 1） 圖 1：執(zhí)行火車(chē)駕駛室前方清潔程序的車(chē)廠工作人員。 在英國(guó)的每個(gè)車(chē)站，駕駛室前部清潔都以非常相似的方式進(jìn)行?？墒牵狈θ魏螛?biāo)準(zhǔn)程序，效率和后處理檢查。有時(shí)這個(gè)過(guò)程提供的時(shí)間很短，每次進(jìn)程也略有不同。 在擦洗火車(chē)表面時(shí)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(shí)間是相對(duì)隨機(jī)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(xué)與赫里瓦特大學(xué)合作，提出了駕駛室前清潔機(jī)器人的可行性研究。本文介紹了該系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究（內(nèi)容）。根據(jù)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，這個(gè)想法在篩選階段，通過(guò)訪問(wèn)不同的車(chē)站，著重于數(shù)據(jù)收集，分析當(dāng)前流程，以確定差距并開(kāi)發(fā)基于并發(fā)工程實(shí)踐的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這導(dǎo)致要獲得設(shè)計(jì)要求和創(chuàng)建