砂箱搬运机械手本科论文doc

  1 前言 1.1机械手的组成及分类 1.1.1 机械手的组成 机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分所组成。 (1) 手部 与工件非间接接触，一般为回转型或平动型。根据自身的需求分为外抓式和内抓式两种；也可以用空气吸盘(一般适用于吸冷的光滑表面)和电磁吸盘。 (2) 腕部 连接手部和臂部，能调节被抓物体的方位，扩大机械手的作用范围，使机械手更加灵巧，适应更多需要。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。腕部采用回转运动及上下摆动的设计就可以基本满足工作要去。当采用回转液压(气)缸作为回转运动机构时可以使腕部在270°范围内回转。 (3) 臂部 此部件是机械手的握持部件。作用是支撑腕部和臂部使之运动。可以将手部抬升至空间运动范围内任意一点。臂部一般具有手臂的伸缩、左右旋转、升降运动三个自由度。 手臂的运动通常通过液压缸或者气缸和各种传动机构实现。 (4) 行路机构 此机构尚未应用于本次设计。 1.1.2 机械手的分类 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适合使用的范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。点位控制机械手连续轨迹控制机械手。 1.2物料搬运 1.2.1 物料搬运的原则 (1) 规划原则：规划物料搬运的全部来达到高效率。 (2) 系统原则：使各种搬运活动整合到包括供货商、进货、储运、生产、包装、仓储管理和顾客等的整体操作系统。 (3) 物料流程原则：物料搬运流程的作业顺序与设备布置的最佳化。 (4) 重力原则：尽量利用重力搬运物料来节省能源。 (5) 空间利用原则：使建筑物的空间最充分的利用。 (6) 单位尺次原则：使单位载重的重量最大化。 (7) 机械化原则：使搬运过程尽量机械化。 (8) 自动化原则：从生产到搬运到储存的自动化。 (9) 适应性原则：采用能适应各种工作环境的方法及设备，除非是为达到特殊目的一定要使用的。 (10) 标准化原则：搬运方法及搬运设备的类型和尺次的标准化。 (11) 简化原则：使用减少、消除或整合不必要的搬运和移送设备来简化搬运。 (12) 过时作废原则：当发现效率更加高的搬运方法和搬运设备时，应及时淘汰过时的方法和设备。 1.2.2 选择物料搬运设备的考虑因素 (1) 设备的技术性能。 (2) 设备的可靠性。 (3) 工作环境的适应性。 (4) 经济因素。 (5) 可操作性与使用性。 (6) 能耗因素。 (7) 与物料的适配程度。 (8) 物料的运动方式。 1.3 机械手的应用及发展的新趋势 1.3.1机械手的应用 机械手虽然现在还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲倦、不怕危险、抓举重物的力量比人手大很多等特点。因此，机械手已经受到许多部门的重视，并越来月广泛的应用到工业生产中。比如：机床加工工件的装卸，尤其是在自动化机床、组合机床中的实用较为普遍；在装配作业中大范围的应用，在电子行业中能应用到电路板的装配，在机械行业中能应用的零部件的组装；它可以在艰苦的、单调重复的环境中工作，替代人的劳动；它可以在危险的环境中工作；还可以在军事工程及生物医药工程方面辅助进行研究和实验。 1.3.2 机械手的发展的新趋势 (1) 重复高精度 精度是指机械手能达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指若动作的重复次数比较多，机械手能达到同样位置的精确程度。重复精度的重要性大于精度，如果一个机械手的定位不够精准，通常会显示一个固定的误差值，并且该误差可以预测，因此就能够最终靠编程来校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它的大小能够最终靠重复机械手的运动来测定。 (2) 模块化 有的企业把带有系列导向驱动装置的机械手称作简单的传送技术，而把可以模块化拼装的机械手称作现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合式的导向驱动装置能更灵活的安装。模块化机械手能应用到不同的模块。执行不同的任务，进而扩大了机械手的应用场景范围，是机械手发展的一个重要方向。 (3) 节能化 为了达到能适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密机械等行业的无污染要求而采用不加润滑脂的不供油润滑元件已然浮现。随着材料技术的发展、新型材料的出现，结构较为复杂、自润滑材料制造的无润滑元件不仅节约润滑材料、不污染自然环境，而且控制管理系统简单、摩擦系数稳定、成本低、寿命长。 (4) 机电一体化 由“可编程控制器—传感器—液压元件”组成的典型的控制管理系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，能够使液压技术从“开关控制”向高精度的“反馈控制”发展，不仅节省材料，而且大幅度的提升了系统的稳定性。现在，电磁阀的线圈功率变小了，而PLC的输出功率在不断增大，由PLC直接控制线圈的构想慢慢的变可能实现。 国外机械手的发展的新趋势是全力发展具有智能化的机械手。它能够有一定的传感能力，可以对外界的变化做出反馈，来做出相应的变更。比如当位置发生些许偏差时，就能马上检测出来并迅速的更正，它的重点在于研究视觉功能和触觉功能。现在为止已经取得了一定的研究突破。视觉功能既是在机械手上安装有照相功能的电视照相机和光学测距仪或者微型照相机。当工作时照相机将物体形象转换成视频信号，传输给计算机，从而分析物体的类型、大小、颜色和位置，从而发出指令，控制机械手的工作。触觉功能既是在机械手上安装有触觉功能的触觉反馈控制装置。当工作时机械手首先伸出手指寻找工件，同时通过安装在手指上的压力传感元件产生触觉的作用，从而使手指伸向前方，寻找并抓住工件。手指的抓力大小能够最终靠安装在受之内的压力敏感元件来控制，进而达到自动调整压力的大小。总而言之，随着传感技术的持续不断的发展通过机械手来装配作业的能力也在逐步的提升。而且更重要的是将机械手、柔性制造系统还有柔性制造单元相结合在一起，从而从根本上给变了现在机械制造系统的人工操作状态。随着现代科学与技术的发展，机械手的应用面也在不断的扩大。目前来说，机械手不仅仅应用在传统制造业，比如，在采矿、冶金、石油、化学、造船业等领域，现在也应经扩展到核能、航空、航天、制药、生化等高科技领域还有家庭清洁、医疗康复保健等服务业领域中。 2总体方案的设计 2.1 设计课题 砂箱搬运机械手 设计的具体方案要求： 1 采取了液压气压传动，工作所承受的压力分别为16MPa与0.6MPa； 2 设计的机械可完成砂箱夹紧，定位；砂箱尺寸1200 x 920 x 320 mm； 3 完成液压缸，气缸的选型； 4 结构模块化，便于装配。 2.2驱动系统的设计 图2.1 设计原理简图 1.砂箱定位装置 2.砂箱抓放装置 3.升降装置 4.水平推进装置 机械手的驱动系统是为执行系统各部分提供动力的装置，随驱动源不同其组成也不同，驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和物理运动等多种形式。 该砂箱搬运机械手的砂箱定位装置1因为行程较短、不需很大的推力而采用气压缸作为动力元件，同时因为气体本身就具有可压缩的特性，亦可以在砂箱定位过程中有一定的缓冲作用，对定位销及砂箱有保护作用。 为机械手抓持砂箱提供动力的装置2须满足较长的作用时间和稳定能力，因此采用液压缸作为机械手抓持砂箱的动力元件。 机械手平台的升降装置3需要较大的推力，同时需要较长的作用时间和稳定能力，因此采用液压缸作为机械手平台升降的动力元件。 为辊轮架在导轨上水平运动提供动力的装置4须满足较长的行程及可靠性要求，而因为气体本身就具有的可压缩的特性，便不适合在此处使用，液压缸可满足此类要求，因此采用液压缸作为辊轮架水平运动的动力元件。 工序流程图如下： 图2.2 工序流程图 3 气压缸的设计与计算 (1) 根据工作机构运动要求和结构要求选择气缸的类型及安装方法: 该气缸只需一端有活塞杆进行砂箱的定位，故采用单活塞杆气缸，该气缸须有推进及回缩两个动作，故采用单活塞杆双作用气缸。根据自身的需求气缸宜在中部固定，故选择单铰轴座气缸。 (2) 根据工作机构载荷及速度要求，计算气缸直径D。计算缸径一般应圆整为标准缸径： 气压缸的工作所承受的压力为0.6MPa 该定位气缸在定位时所需推力为300N 当推力做功时 D = (3.1) 式中 ——活塞杆的推力(N); P ——气缸工作所承受的压力(Pa); ——载荷率，可取=0.7~0.85; 取载荷率η=0.8 则缸径D = = = 0.02823 (m) 即为28 mm 由表 24.2-4查得D宜取D=32 mm (3) 由气缸直径及工作所承受的压力，计算、选择缸筒壁厚： 缸筒直接承受压力，需有一定厚度。由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比，所以通常可按薄壁筒公式计算 (3.2) 式中 ——气缸筒的壁厚(m); D——气缸筒内径(缸径) (m); ——气缸试验压力，一般取=1.5p； ——材料抗拉强度(Pa); S——安全系数，一般取S=6~8 该气缸缸筒材料选Q235A钢管，其=60Mpa 则壁厚 = =0.0004 (m) 由表24.2-7中查得壁厚宜取 (mm) (4) 计算活塞缸直径d，并圆整为标准值： 该定位气缸在回程时所需拉力为100N 当拉力做功时 (3.3) 式中 ——活塞杆的拉力(N) 则 = = 0.0231 (m) 由表 24.2-5查得d宜取d=20 mm (5) 气缸行程的确定： 根据理论计算，该气缸需有至少40 mm的行程，查阅标准行程表确定实际行程为50 mm 。 (6) 选取合适气缸产品： 由济南广源公司的产品资料中最终选取QGBQ系列轻型气缸，缸径为32 mm，另有安装附件：MT4用铰轴座。 该气缸结构图如下： 图3.1 QGBQ系列轻型气缸，缸径D=32(mm) 4 液压缸的设计与计算 4.1 抓放液压缸2的设计与计算 (1) 根据主机的运动要求，按表23.6-39选择液压缸的类型。根据机构的结构要求，按表23.6-40选择液压缸的安装方法： 该液压缸只需一端有活塞杆进行砂箱的抓放，一端固定，故按表23.6-39采用单活塞杆液压缸，该液压缸须有抓紧及放开两个动作，故按表23.6-39采用单活塞杆双作用液压缸。根据自身的需求该液压缸宜在尾部固定，故按表23.6-40选择单耳尾座液压缸。 (2) 液压缸内径D 的计算： 根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸内径D ： 液压缸的工作所承受的压力为16MPa 砂箱抓手的总质量为200 kg，砂箱质量为150 kg 受力分析： 图4.1 受力分析图 2174.2 (N) 因抓放液压缸亦需承受砂箱在向上加速过程中的反作用力 所需拉力为 ，为保险系数， 此处宜取=2 则拉力 (N) 此液压缸推力不是主要承载力，取推力 (kN) 液压缸内径D计算公式为： (4.1) 式中 D——液压缸内径 (m) ； F——活塞杆推力 (kN) ； P——选定的工作所承受的压力 (Mpa) 。 则 0.026 (m) 由表23.6-33查得液压缸内径宜取 D=32 (mm) (3) 活塞杆直径d 的计算： 根据速度比的要求来计算活塞杆直径 d ： (4.2) 式中 d——活塞杆直径 (m) ——速度比 因工作所承受的压力为16 Mpa 由表23.6-58得 =2 则 (m) 由表23.6-34查得 d宜取 d=20 (mm) (4) 缸筒壁厚的计算： 对于该低压系统，液压缸缸筒厚度按薄壁筒计算，选材料为钢管。 (4.3) 式中 ——液压缸缸筒厚度 (m) ——试验压力 (Mpa) ，工作所承受的压力p≤ 16MPa 时，=1.5p ； 工作所承受的压力p≥16MPa 时，=1.25p D——液压缸内径 (m) ——缸体材料的许用应力 (Mpa) 对于：钢管 = 100~110 MPa 则 0.002 (m) 缸筒壁厚宜取4 (mm) (5) 液压缸行程的计算： 两侧机械手各旋转就能保证机械手将砂箱放开 下面两图为通过机械手旋转的结构计算求得液压缸行程的过程： 图4.2 机械手分解动作图 图4.3机械手分解动作结构分析图 可知液压缸行程最小值为 (mm) 在从液压缸标准行程中查阅时不能取过于大的行程，以免机械手与其他部件发生冲突。 液压缸行程由表23.6-36选为 40 mm (6) 选取合适液压缸产品： 由济南广源公司的产品资料中最终选取YGQ系列轻型尾部单耳悬挂式液压缸，缸径为40 mm 。 该液压缸结构图如下： 图4.4 YGQ系列轻型尾部单耳悬挂式液压缸，缸径D=40(mm) 4.2 升降液压缸3的设计与计算 (1) 根据主机的运动要求，按表23.6-39选择液压缸的类型。根据机构的结构要求，按表23.6-40选择液压缸的安装方法： 该液压缸只需一端有活塞杆进行机械手工作平台的升降，一端固定，故按表23.6-39采用单活塞杆液压缸，该液压缸须有提升及下降两个动作，故按23.6-39采用单活塞杆双作用液压缸。根据自身的需求该液压缸宜在头部固定，故按表23.6-40选择头部法兰型液压缸。 (2) 液压缸内径D 的计算： 根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸内径D ： 液压缸的工作所承受的压力为16MPa 砂箱抓手的总质量为200 kg，砂箱质量为150 kg，砂箱抓手固定平台质量为100kg,两根导向杆各为50kg 。 则升降液压缸所需承受重力 (kN) 所需拉力为 ，为保险系数， 此处宜取=2 则拉力 =5.39×2=10.78 (kN) 此液压缸推力不是主要承载力，取推力=5.39×4=21.56 (kN) 液压缸内径D由公式(4.1)得： 0.041 (m) 由表23.6-33查得液压缸内径宜取 D=50 (mm) (3) 活塞杆直径d 由公式(4.2)得： (m) 由表23.6-34查得 d宜取 d=32 (mm) 活塞杆材料选为碳钢 (4) 缸筒壁厚的计算： 液压缸缸筒厚度由公式(4.3)得： 0.002 (m) 缸筒壁厚宜取5 (mm) (5) 液压缸行程的计算： 依照结构计算得及查阅表23.6-35液压缸行程选为 1250 mm (6) 选取合适液压缸产品： 由济南广源公司的产品资料中最终选取YGQ系列轻型头部法兰固定式液压缸，缸径为50 mm 。 该液压缸结构图如下： 图4.5 YGQ系列轻型头部法兰固定式液压缸，缸径D=50(mm) 4.3 推进液压缸4的设计与计算 (1) 根据主机的运动要求，按表23.6-39选择液压缸的类型。根据机构的结构要求，按表23.6-40选择液压缸的安装方法： 该液压缸只需一端有活塞杆进行辊轮架的推收，一端固定，故按表23.6-39采用单活塞杆液压缸，该液压缸须有推进及收回两个动作，故按表23.6-39采用单活塞杆双作用液压缸。根据自身的需求该液压缸宜在头部固定，故按表23.6-40选择头部法兰型液压缸。 (2) 液压缸内径D 及活塞杆直径d的计算： 根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸内径D ： 液压缸的工作所承受的压力为16MPa 砂箱抓手的总质量为200kg，砂箱质量为150kg，砂箱抓手固定平台质量为100kg， 两根导向杆各为50kg，升降液压缸质量为50kg，辊轮架质量为200kg，则除框架外总质量为800kg，框架质量为700kg，则本砂箱搬运机械手质量为1500kg。 推进液压缸所要克服该装置与框架导轨间的滚动摩擦力为 (4.4) 式中 ——滚动摩擦系数； ——正压力。 滚动摩擦系数宜取=0.005 则 (N) 所需推力为 ，为保险系数， 此处宜取=2 则推力 (N) 液压缸内径D由公式(4.1)得： 0.0025 (m) 可知此处推进液压缸所需液压缸内径很小，一般液压缸均能满足规定的要求。 活塞杆材料选为碳钢 由表23.6-34选取活塞杆直径 d=10 (mm) 由表23.6-33选取液压缸内径D=20 (mm) (3) 缸筒壁厚的计算： 液压缸缸筒厚度由公式(4.3)得： 0.002 (m) 缸筒壁厚宜取5 (mm) (4) 液压缸行程的计算： 依照结构计算得及查阅表23.6-35液压缸行程选为 2500 mm (5) 选取合适液压缸产品： 由济南广源公司的产品资料中最终选取YGQ系列轻型头部法兰固定式液压缸，缸径为40 mm 。 该液压缸结构图如下： 图4.6 YGQ系列轻型头部法兰固定式液压缸，缸径D=40(mm) 5 其他零部件的设计与计算 5.1 导向杆的设计与计算 5.1.1 升降液压缸导向杆的设计与计算 导向杆在液压缸的运动过程中同时起着导向和支撑的作用，这不仅有助于提高运动部件的灵活性，而且还增加了液压缸活塞杆的刚度。因此，导向杆的设计和计算很重要。 该升降液压缸导向杆除须为机械手平台升降导向来保护液压缸活塞杆外，还须承受辊轮架平台水平运动时机械手平台的晃动所产生的径向力。 故此处的两根导向杆直径设计为80 mm。根据砂箱搬运机械手的设计的基本要求，经尺寸计算得此处导向杆长为1277 mm。导向杆外套套筒，采用间隙配合安装定位，下部用自制的方形螺栓与机械手平台固定 材料为45号钢 该活塞杆的质量由以下公式计算： (5.1) 式中 ——材料的密度。该材料为45号钢，故 。 ——材料的体积。 则 49.75 (kg) 50 (kg) 5.1.2 推进液压缸导向杆的设计与计算 该推进液压缸导向杆须为液压缸长活塞杆在推进过程中的径向弯曲变化作出修正，因此两根活塞杆设计为通过方刚连接，再通过螺钉与辊轮架平台连接。 故此处的两根导向杆直径设计为30 mm。根据砂箱搬运机械手的设计的基本要求，经尺寸计算得此处导向杆长为2500 mm。导向杆外套套筒，采用间隙配合安装定位，下部用自制的方形螺栓与机械手平台固定 材料为45号钢。 该活塞杆的质量由公式(5.1)得： 19.3 (kg) 20 (kg) 5.2 辊轮架水平运动轨道的选择 该水平运动轨道采用螺栓连接与四根支撑柱固定，其本身要承受辊轮架平台的重量，保证其正常进行水平运动的可靠性。具体材料可从下面的型钢中选择。 按照钢的冶炼质量不同，型钢可大致分为普通型钢和优质型钢。普通型钢按照现行金属产品目录又可大致分为大型型钢、中型型钢、小型型钢。普通型钢按照它的断面形状又可大致分为工字钢、槽钢、角钢、圆钢等。 大型型钢：大型型钢中工字钢、角钢、槽钢、扁钢皆为热轧，圆钢、方钢、六角钢除了热轧外，还有锻制、冷轧等。 工字钢、槽钢、角钢广泛的应用在工业建筑和金属结构上，比如厂房、桥梁、船舶、农机车辆制造、输电铁塔、运输机械等，往往配合使用。扁钢在建筑施工工地上用作桥梁、房架、栅栏、输电船舶、车辆等。圆钢、方钢等用作各种机械零件、农机配件、工具等。 中型型钢：中型型钢中的工字钢、角钢、槽钢、扁钢用途与大型型钢相似。 小型型钢：小型型钢中的角钢、方钢、圆钢、扁钢加工和用途与大型型钢相似，小直径圆钢常用作建筑物钢筋。 通过查询资料及结合本毕业设计所需的规格，选择50kg/m 重轨GB181-63作为水平运动轨道的钢材。 6 结 论 本次毕业设计课题砂箱搬运机械手最终可以在一定程度上完成砂箱在水平及竖直方向的搬运，具体实施过程如下： 定位气缸可产生大于300N的推力，推动定位销完成砂箱的定位； 抓放液压缸可产生大于4500N的拉力，完成机械手对砂箱的抓紧； 升降液压缸可产生大于10000N的拉力，完成机械手平台的提升； 推拉液压缸可产生大于200N的推力，完成辊轮架平台的水平运动。 本次毕业设计最终完成的砂箱搬运机械手整机质量为1500kg，能实现水平方向2.5m、竖直方向1.25m范围内的搬运。本砂箱搬运机械手结构可靠、效率较高、方便运输，适合现代工业生产的需要。 本次毕业设计由于时间比较短，未能对液压气动控制系统作出设计。在结构设计上也奔着可靠优先的原则进行，在节省本金方面尚有欠缺。因为该砂箱搬运机械手是专制专用，其结构上忽略了在适用性方面的设计。 6 参 考 文 献 [1] 王玉南. 一种砂箱的辅助分箱装置 苏州苏铸成套装备制造有限公司2009-11-30 [2] 王玉南. 一种砂箱运送装置 苏州苏铸成套装备制造有限公司 2009-11-30 [3] 《机械设计手册》编委会.《机械设计手册?气压传动与控制》[M]. 北京:机械工业出版社,2007.2 [4] 《机械设计手册》编委会.《机械设计手册?液压传动与控制》[M]. 北京:机械工业出版社,2007.2 [5] 徐灏主编.《机械设计手册》第五卷 [M].北京:机械工业出版社,1922 [6] 叶玉驹、焦永和、张彤.机械制图手册:机械工业出版社,1997 [7] 雷天觉主编.

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