潜水泵试压机械手设计2.pdf
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1、课程设计报告 (2014-2015年度第一学期 ) 名称:专业课程设计 题目:潜水泵试压机械手设计 院系:机械工程及自动化 班级:机械 1103 班 学生姓名:任璐 指导教师:杨晓红、花广如 设计周数:两周 成绩: 日期: 2015 年 1 月 21 日 目录 一、 主要内容1 二、机械手总体方案设计1 1、序言1 2、形态学矩阵及终方案2 3、主要技术参数2 4、机械手动作过程3 5、机械手原理设计简图3 6、机械手各部方案设计4 三、机械手结构设计5 1、手部结构设计5 2、腕部结构设计7 3、臂部结构设计10 4、立柱结构设计17 5、底部底盘设计21 四、 机械手整体装配21 五、 液
2、压回路原理图22 六、 电气控制原理图26 七、 心得体会27 八、 参考文献27 1 一、主要内容 潜水泵试压机械手设计。本机械手是为潜水泵试压服务的。潜水泵生产过程 中,需要进行试压测漏检验,其具体过程是:(参看图1) 二、机械手总体方案设计 2.1 序言 工业机械手是一种模仿人手部分动作,按照预先设定的程序, 轨迹或其他要 求,实现抓取、 搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就已 用于生产,是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置,开始主要用 来实现自动上下料和搬运工件, 完成单机自动化和生产线自动化,随着应用范围 的不段扩大, 现在用来夹持工具和完成一定的作业。
3、实践证明它可以代替人手的 繁重劳动,减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高劳动生产率。 本次专业课程设计的任务是设计潜水泵试压机械手。本机械手是为潜水泵试压服 务的,潜水泵生产过程中, 需要进行试压测漏检验, 使用该机械手可以实现自动 潜水泵 水槽 1500 368 5 2 0 2 1 0 0 1 0 0 0 160 210 3 5 0 运 输 线 图 2 潜水泵外形图图 1 2 化检验,可大大减少工人的劳动强度,并且大大提高检验的效率。 2.2 潜水泵机械手的形态学矩阵 组合总数: 1*4*2*5*5*3*3*2*2*1*1=7200 通过分析,确定三个可行方案: 方案一: A1+B2+C1
4、+D2+E1+F2+G1+H1+I2+J1+J2 方案二: A1+B2+C2+D1+E2+F2+G1+H1+I1+J1+J2 方案三: A3+B2+C1+D2+E1+F2+G2+H1+I1+J1+J2 方案四: A1+B2+C2+D1+E1+F2+G2+H1+I2+J1+J2 比较可知,方案三为最佳方案。 2.3 主要技术参数 分功能可能的解法 1 2 3 4 5 6 A(动力源 ) 液压泵 B(移位传动 ) 齿轮传动液压传动链传动连杆传动 C( 手 腕 回 转 机构 ) 摆动缸四槽外槽轮机 构 D( 手 臂 传 动 机构 ) 活塞油(气) 缸 活塞缸齿轮齿条叶片式回转 缸 连杆传动 E 手部
5、夹钳式取料手滑槽式杠杆回 转型手 多指灵巧手弹性力手抓摆动式手抓 F 腕部单自由度二自由度三自由度 G 臂部直线往复运动手臂回转运动手臂俯仰运动 H 机身直线升降运动水平往复运动 I 底座固定式机座滑动式机座 J(控制 ) PCL 控制电气控制 3 抓取重量70kgf 手腕运动参数回转运动,回转角90,液压驱动 PLC控制 手臂运动参数 水平移动,最大可移动0.5 米,液压驱动 PLC 控制 机身运动参数上下移动,最大可移动0.5 米,液压驱动 PLC 控制 自由度4 个(2 个移动, 2 个回转) 定位精度10mm 控制方式电器控制( PLC ) 驱动方式液压 kgf/cm2 2.4 机械手
6、的动作过程 机械手将潜水泵拿起,在空中沿运输线方向旋转90o,由人工将高压空气管 接头与潜水泵连接好, 并通入高压空气, 然后机械手将潜水泵按图1 所示方向放 入水槽中,观察两分钟,确认有无漏气现象后,在将潜水泵拿出水槽,拆去高压 空气管接头, 并按原位置将潜水泵放回到运输线上。管接头的装拆应在运输线上 方进行,装拆过程各需 20 秒之内完成, 运输线每隔 5 分钟向前运送一个潜水泵。 设计动作过程:启动水平左移夹紧水平旋转90臂收缩 竖直旋转 90下降上升竖直逆转90臂伸出水平逆转90 下降松开水平右移 2.5 、机械手原理设计简图 由动作要求和实际生产检验的综合考虑,初步拟定机械手结构示意
7、图如下: 4 系统工作原理图 2.6 机械手各部方案设计 由结构简图可看出,该机械手有4 个自由度:腕部的回转运动,实现两旋 转;臂部的水平移动;机身的上下移动。 (1)、手部 主要功能:夹紧、放松 驱动方式:液压驱动 为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构, 使用夹持式手部。 (2)、腕部 主要功能:水平、竖直两个方向各旋转(90) 驱动方式:液压 考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须 设有回转运动才可满足工作的要求。另外,为使立柱减少高度,竖直方向也旋 转。因此,手腕设计成两回转结构,实现手腕回转运动的机构为摆动液压缸。 控制系统 (PLC
8、 ) 驱动系统 (液压传动) 执行机构 位置检测装置 手 部 手 腕 手 臂 立 柱 底 座 5 (3)、臂部 主要功能:水平移动(伸长、缩短)、旋转 驱动方式:液压 (4)、机身 主要功能:上下移动 驱动方式:液压 (5)、机械手的驱动方案设计 由于液压传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失和泄漏较小,成本低 廉因此本机械手采用液压传动方式。 (6)、机械手的控制方案设计 考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制 器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC 程序即 可实现,非常方便快捷。 三、机械手结构设计 1、手部结构设计 因为夹取的潜水
9、泵较重,选用齿轮齿条方式传力;手指处考虑到损坏因素, 选用 V形块夹紧; 2、尺寸设计及校核 因为钢与铸铁之间的摩擦系数范围是: f=0.050.12 ; 且根据课程设计指导书: V形手指的角度1202,mmRmmb70200, 这里取摩擦系数为10.0f (1)根据手部结构的传动采用齿条传动, 其驱动力为 : R b p 2 N (2) 根据手指夹持工件的方位,可得握力计算公式 : N=K1*K2*K3*G (V型)取 K3=0.5 得:N=1.2*3*0.5*700=840N 所以 6 R b p 2 N =4800N (3) 实际驱动力 : 21K K pp实际 因为传力机构为齿轮齿条传
10、动,故取94.0,并取1.2。若被抓取工件的 最大加速度取 a=g时,则:2 所以 p(实际) =4800*1.2*2/0.94=5106N 所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为5106N。 根据液压原件产品样本选择型号为HSG*01-40/d*Ed的液压缸 (4)尺寸校核 液压缸内径 1 D=40mm, 半径d=20mm 的液压缸的尺寸满足使用要求即可, 压强 P=5106/(3.14*D1*D1-3.14*d1*d1)=5.42MPa, 设计使用压强 P=6MPa, 则驱动力: 2 dPF = 26 02.014.3106 =7536N P实际L/2+D/2=100/2+40/2=70m
11、m 取 H=70mm 缸盖滑动支承面的长度l1=0.8D=0.8*40=32mm 采用端盖直接导向方式 2、腕部结构设计 (1)腕部旋转采用单叶片式摆动液压缸来实现 (2)设计计算及校核 要求:回转 90o 角速度 W=45 o/s 以最大负荷计算: 当工件处于水平位置时, 摆动缸的工件扭矩最大, 采用估算法,工件重 70kg, 长度 l=350mm 。 8 计算扭矩 M1 设重力集中于离手指中心100mm 处,即扭矩 M1为: M1=F3S ( 3.9 ) =703 9.8 3 0.1=68.6 (N2 m ) 油缸(伸缩)及其配件的估算扭矩M2 F=4kg S=10cm 带入公式 3.9
12、得 M2=F 3 S=43 9.8 3 0.1 =4 (N2 m ) 摆动缸的摩擦力矩M摩 F摩=350(N)(估算值) S=20mm (估算值) M摩= F摩3 S=7(N2 m ) 摆动缸的总摩擦力矩M M=M1+M2+ M 摩=81(N 2 m )(3.10 ) 由公式 T=P3b ( A12-mm2)3 10 6/8 (3.11 ) 其中: b 叶片密度,这里取b=3cm ; A1摆动缸内径 , 这里取 A1=10cm ; mm转轴直径 , 这里取 mm=3cm 。 所以代入( 3.11)公式 P=8T/b(A12-mm2)3 10 6 =83 34.7/0.03 3( 0.1 2-0
13、.03 2)3 10 6 =1.02Mpa 又因为 W=8Q/(A12- mm2)b 所以 Q=W(A12- mm2)b/8 A1 =(/4 )(0.1 2-0.03 2)3 0.03/8 =0.273 10 -4m 3/s =27ml/s 根据 M和 Q查表 21-5-108 选择 YMD60 液压马达 9 尺寸设计 查表可得对应尺寸: A D D1 D2 D3 D4 L1 L2 L3 90度 125* 125 12520 20100100 36 46 15 L4=11 6 L5=13 2 尺寸校核 (1)测定参与手腕转 动的部件的质量 kgm10 1 , 分析部件的质量分布情况, 质量密度
14、等效分布在一个半径mmr40的圆盘上,那么转动惯量: 2 2 1r m J 2 04.010 2 =0.008( 2 .mkg) 工件的质量为 70kg, 质量分布于长mml350的棒料上,那么转动惯量: ).(714.0 12 35.070 12 2 2 2 mkg m l J c 假如工件中心与转动轴线不重合,对于长mml350的棒料来说,最大偏心距 mme175 1 ,其转动惯量为 : ).(86.2 175.070714.0 2 2 2 11 mkg emJJ c 惯 M t JJ)( 1 ).(07.28 1.0 4/ )86.208.0( mN (2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴
15、线所产生的偏重力矩为M 偏,考虑手 腕转动件重心与转动轴线重合,0 1 e,夹持工件一端时工件重心偏离转动轴 线mme80 3 , 则: 10 偏 M 11e G + 33e G ).(4 08.010501010 mN (3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 摩 M,对于滚动轴承01.0f,对于 滑动轴承f=0.1, 1 d, 2 d为手腕转动轴的轴颈直径,mmd30 1 , mmd20 2 , A R, B R为轴颈处的支承反力,粗略估计360N,180N, 摩 M)( 2 12 dRdR f BA0.054(Nm) (4)回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M 封,与选
16、 用的密衬装置的类型有关, 应根据具体情况加以分析。 在此处估计 封 M为 摩 M的 3倍, 封 M3 摩 M 3*0.054 0.162 (Nm) 封摩偏惯 驱MMMMM 28.07+4+0.054+0.162 32.286(Nm) MM 驱 设计尺寸符合使用要求,安全。 同理选用 YMD120 液压马达做另一旋转腕 3、手臂结构设计 (1)材料的选择 1)要求有足够的强度和冲击韧性,对焊接的缸筒还要求有良好的抗热性 能,取铸钢为材料。 2)缸筒毛坯,普通采用退火的冷拔或热处理。 (2)对缸筒的要求 1)有足够的的刚度,能长期承受最高工作压力及短期动态,试验压力不 至于导致永久的变形。 11
17、 2)有足够的的刚度,能承受活塞的侧向力和安装的的反作用力而不致产 生弯曲。 3)内表面的一活塞的密封件的摩擦力的作用下,能长期工作而磨损少于 公差等级及形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。 4)需焊接的缸筒还要求有良好的可焊性,以便在焊接上法兰盘接头后, 不致于产生裂纹或过大的变形。 (3) 液压缸的设计计算 1)驱动力作的确定 根据公式WFFP gmq Kgf 式中 m F各支承处的摩擦力, 摩擦阻力包括导轨支承间的摩擦阻力, 活塞与缸壁以及密封处的摩擦阻力,360N g F启动时惯性力 gt Gv Fg 且 G-手臂移动不见的总重量 g- 重力加速度, 10m/ 2 s V- 手臂运
18、动速度 t- 启动所需的时间,一般为0.010.5s, 这里取 t=0.02s W 运动部件的总重量, 840N 上升为正,下降为负 所以NP q 1620 2)液压缸内径 D和活塞杆直径 d 的确定 因为是单活塞杆,所以由公式 fc FpdDFPD 2 22 1 2 )( 44 (21) 试中 1 p液压缸工作压力,初算时可取系统的工作压力,2.7MPa 2 p液压缸回油腔的背压力,初算时无法准确酸楚算出,可根据 表 22 估计 12 D d 活塞 表 2-2 执行元件背压的估计 系统类型背压(MPa) 中、低压系统08MPa 简单的系统和一般的轻载截流调速系 统 0.2 0.5 回油路带调
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- 潜水泵 机械手 设计
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