机械手设计毕业论文

摘要本设计为冲床上料机械手设计。基本参数为：升降行程135mm，手臂回转角度为105。此机械手能以34次 /分的频率，传送重0.5公斤重的硒钢片。该机械手采用气压传动方式驱动，气缸最大压力为0.7MPa，为提高气缸活塞密封的可靠性，活塞采用2个O型环密封。机械手的的抓取部分为吸附式，采用2个型号为ZP16UN的真空吸盘，吸盘提升力由真空泵提供。机械手工作时，气缸推动活塞杆作升降运动。活塞杆的中部装有一个深沟球轴承，当活塞杆上下运动时，轴承沿导向筒上的螺旋槽移动。活塞轴与手臂相连，当活塞轴作上升运动时，带动装有真空吸盘的吸附式手臂作边上升边回转的复合运动，将被冲压件送到冲床上；当活塞轴作下降运动时，带动装有真空吸盘的吸附式手臂作边下降边回转的复合运动，使机械手回到初始状态，完成一个上料循环。关键词：冲床 机械手 气压传动AbstractKeyWords：冲床 机械手 气压传动目录摘要IAbstractII1 工业机械手的发展概况11.1 工业机械手定义11.2 工业机械手发展概况12 工业机械手整体介绍42.1 工业机械手的分类42.2 机械手的特点52.3 工业机械手在工业生产中的应用53 工业机械手设计方案73.1 工业机械手的组成73.2 规格参数83.3 坐标选择与分析83.4 驱动系统选择与分析93.4.1驱动系统的分类93.4.2 驱动系统的选择原则93.4.3 驱动系统的选择103.5 设计路线与方案113.5.1 设计步骤113.3.2 研究方法和措施114 真空吸盘和真空泵的选用134.1 真空吸盘134.1.1 吸盘的材料134.1.2 真空吸盘的作用134.1.3 吸盘的型号表示方法134.1.4 理论吸吊力134.1.5 吸盘的外形尺寸154.1.6 真空吸盘的选用184.2 真空泵194.2.1 真空泵的定义194.2.2 真空泵的分类194.2.3 真空泵的用途204.2.4 真空泵选取的注意事项204.2.5 真空泵的选取215 强度校核235.1 机械悬臂的校核235.2 活塞轴的校核295.3 轴承校核315.4 轴承用螺钉校核356 密封与润滑366.1 气缸的上下端盖的密封366.2 活塞的密封376.3 活塞轴的密封386.4 润滑396.4.1 气缸活塞润滑396.4.2 轴承润滑40结 论41参考文献42致 谢441 工业机械手的发展概况1.1 工业机械手定义机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。1.2 工业机械手发展概况工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.我国的工业机械手是从80年代七五科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过七五,八五科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。如：可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件，硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业，其中汽车工业占第一位（占28.9%），电器制造业第二位（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。发达国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为23.4%53%，年产每万辆汽车所拥有的机械手数为（包括整车和零部件）：日本88.0台，德国64.0台，法国32.2台，英国26.9台，美国33.8台，意大利48.0台。世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达180mm，最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm。根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用OMRON可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。国内外实际使用的多是定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能够对所抓取的工件进行分辨，能选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确地在机器上定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物件的滑动位移，来修正握力。因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能：(1）能准确地抓住方位变化的物体；(2）能判断对象的重量；(3)能自动避开障碍物；(4)抓空或抓力不足时能检测出来。这种具有感知能力并对感知的信息做出反映的工业机械手称之为“智能机械手”，它是有发展前途的。现在，工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是代替从事繁重的工作，危险的工作，单调重复的工作，恶劣环境下的工作方面尤其明显。至于像汽车工业和电子工业之类的费工的工业部分，机械手的应用情况决不能说是好的。虽然这些工业部门工时不足的问题尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序，其原因是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小，这是主要原因。经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看，不一定总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题得到解决，机械手的应用必将会飞跃发展。上料机械手和卸料机械手相对，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型机铝棒料的搬运及高温棒料的自动上料作业，最大抓取棒料直径可达180mm，最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm。根据作用要求和载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用OMRON可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。随着机电一体化技术和计算机技术的应用，其研究和开发水平获得了迅猛的发展并涉及到人类社会生产及生活的各个领域，特别是工业机械手在生产加工中的广泛应用。轿车半轴加工上料机械手设计在综合多种机械手的设计原理和设计思想，根据轿车半轴加工的特点提出的，有一定的理论基础，设计水平和应用价值。 随着工业技术的发展，工业机器人与机械手的应用范围不断扩大，其技术性能也在不断提高。在国内，应用于生产实际的工业机器人特别是示教再现性机器人不断增多，而且计算机控制的也有所应用。在国外应用于生产实际的工业机器人多为示教再现型机器人，而且计算机控制的工业机器人占有相当比例。带有“触觉”，“视觉”等感觉的“智能机器人”正处于研制开发阶段。带有一定智能的工业机器人是工业机器人技术的发展方向。2 工业机械手整体介绍2.1 工业机械手的分类现在对工业机械手的分类尚无明确标准，一般都从规格和性能两方面来分类。按规格（所搬运工件的重量）分类：1.微型的搬运重量在1公斤以下：2.小型的搬运重量在10公斤以下：3.中型的搬运重量在50公斤以下：4.大型的搬运重量在50公斤以上。目前大多数工业机械手能搬运的重量为130公斤。最小的为0.5公斤，最大的已达到800公斤。按功能分类：1 简易型工业机械手有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓和挡块转鼓控制：可变程序可插销板或顺序转动控制来给定程序。这种机械手多为气动或液动，结构简单，改变程序比较容易。只使用在程序较简单的点位控制，但作为一般单机服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。2 记忆再现型工业机械手这种工业机械手由人工通过实验装置传动一遍，由磁带（或磁鼓）把程序记录下来，此机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这也是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者比较有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较广。3 计算机数字控制的工业机械手可通过更换穿孔带或其他记忆介质来改变工业机械手的动作，还可以进行多种控制（DNC）。技术还可以是可编程序控制或普通的微机计算机。4 智能工业机械手（机器人）由电子计算机控制，通过各种传感元件等具有视觉、热感、触觉、行走机构等。按用途分：1 专用机械手附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，这种工业机械工作对象不变，手动比较简单，结构简单，使用可靠，施用于大批量生产自动线或专机作为自动上、下料用。2 通用机械手具有独立控制系统，程序可变、动作灵敏、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。2.2 机械手的特点（1） 对环境的适应性强 能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。（2） 机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。（3） 由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。（4） 机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。（5） 采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。2.3 工业机械手在工业生产中的应用工业机械手在生产中的应用非常广泛，还可以归纳为以下的一些方面：1. 建造旋转零件体自动线方面建造旋转零件体（轴类、盘类、环类零件）自动线，一般都采用机械手在机床之间传送工件。2. 在实现单机自动化方面(1)各类半自动车床，有自行夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料，装上机械手，可实现全自动化生产。(2)注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动取料，可实现全自动生产。(3)冲床有自动上下冲压循环，机械手上下料可实现冲压上产自动化。3. 铸、锻、焊、热处理等方面 总的来说，由于工业机械手的特点满足了社会生产的需要，进而带来了经济效益。因为采用机械手最明显的特点是提高劳动生产率和降低成本。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。例如：在机床加工，装配作业，劳动条件差，单调重复易于疲劳的工作环境以及在危险场合下工作等。 3 工业机械手设计方案3.1 工业机械手的组成工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图： 图1 工业机械手各部分关系图执行机构：执行机构包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。1. 手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。传动机构形式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。吸附类最常见的主要有吸盘式，本设计主要考虑吸盘式手部设计。吸盘式手部是由吸盘，传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取盘类零件。2.腕部：是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。3.臂部：手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定位置。4.行走机构：有的工业机械手带有行走机构。驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。机身：它是整个工业机械手的基础。3.2 规格参数工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：1.抓重（又称臂力）：额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤；2.自由度数目和坐标形式：整机，手臂和手腕等运动共有几个自由度，并说明坐标形式；3.定位方式：固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其他各种位置设定和检测装置；4.驱动方式：气动，液动，电动和机械式四种形式；5.手臂运动参数；6.手腕运动参数；7.吸盘夹持范围和握力；8.定位精度：位置设定精度和重复定位精度；9.轮廓尺寸：长宽高（毫米）；10.重量：整机重量。3.3 坐标选择与分析 为实现机械手的末端执行器在空间的位置，可以有不同的运动组合，通常可以将其设计成如下五种形式。 1.圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相同的空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。 2.直角坐标型 直角坐标型机器人，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。 3.球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩，其工作空间图形唯一球体，它可以做上下俯仰动作并能够抓取地面上的东西或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作范围大的特点，但是结构比较复杂。 4.关节型 关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个自由度都是回转关节，这种机器人一般由和大小臂组成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的工件。5.平面关节型 采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节控制上下运动，其工作空间的轨迹图形如图所示，它的纵截面为一矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长两回转关节的转角的大小决定了回转体截面的大小、形状。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大的刚度，它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件的插接装配，如在电子工业的接插、装配中应用广泛。根据本次设计的要求，考虑其复杂程度选择圆柱坐标型。 3.4 驱动系统选择与分析3.4.1驱动系统的分类驱动系统按照动力源分为液压、气压和电动三大类，根据需要，也可以将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。1）液压驱动 液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机械手。2）气压驱动 具有速度快、系统结构简单、维修方便价格低等特点，适用于中小负载的系统中。难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，在上下料和冲压机械手中应用较多。3）电动驱动 随着低惯量、直流伺服电机及配套的伺服驱动器的广泛采用，这种驱动系统被大量选用。3.4.2 驱动系统的选择原则一般情况下机器人驱动系统的选择大致按照如下原则进行选择：1）物料搬运用有限点位控制的程序控制机器人，重负载用液压驱动，中等载荷可选用电动驱动系统，轻载荷可选用气动驱动系统。冲压机器人多用气动驱动系统。2）用于点焊和弧焊及喷涂作业的机械手，要求具有任意点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统，需采用液压驱动或电动驱动系统方能满足要求。3.4.3 驱动系统的选择根据本次设计的要求，加工工件为0.5Kg的矽钢片，属于轻载荷，故选用气动驱动系统。气压传动的特点是:工作压力低,一般为0.30.8兆帕，气体粘度小，管道阻力损失小，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力；但气压传动速度低，需要气源。气动元件的优点：1、 气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。介质为空气，较之液压介质来说不易燃烧，故使用安全。 2、 工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。3、 输出力以及工作速度的调节非常容易。气缸的动作速度一般小于1M/S，比液压和电气方式的动作速度快。 4、 可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为百万次，而一般电磁阀的寿命大于3000万次，某些质量好的阀超过2亿次。 5、 利用空气的压缩性，可贮存能量，实现集中供气。可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲。对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。 6、 全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。 7、由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。气动元件的缺点：1、 由于空气有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化而变化。采用气液联动方式可以克服这一缺陷。 2、 气缸在低速运动时候，由于摩擦力占推力的比例较大，气缸的低速稳定性不如液压缸。 3、虽然在许多应用场合，气缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比液压缸小。 3.5 设计路线与方案3.5.1 设计步骤1.查阅相关资料；2.确定研究技术路线与方案构思；3.结构和运动学分析；4.根据所给技术参数进行计算；5.按所给规格，范围，性能进行分析，强度和运动学校核；6.绘制工作装配图草图；7.绘制总图及零件图等；8.总结问题进行分析和解决。3.3.2 研究方法和措施 使用现代机械设计方法和气压传动技术进行设计，采用滑槽杠杆式。4 真空吸盘和真空泵的选用4.1 真空吸盘4.1.1 吸盘的材料吸盘材料：丁腈橡胶（黑色）(N) ，硅橡胶（白色）(S)，聚氨脂橡胶（褐色）(U)，氟化橡胶（带绿色标记的黑色)(F)。4.1.2 真空吸盘的作用真空吸盘是真空系统中的执行元件，用于将表面光滑而且平整的工件吸起并保持住，柔软又有弹性的吸盘确保不会损坏工件。4.1.3 吸盘的型号表示方法图2 吸盘的型号表示方法4.1.4 理论吸吊力真空吸盘的外径称为公称直径，其吸持工件被抽空的直径称为有效直径D。真空吸盘的理论吸吊力（水平提升升力）F为：其中，-真空度， -真空吸盘的有效直径（吸盘的内径）， -吸盘的有效吸着面积，真空度：“真空度”顾名思义就是真空的程度。是真空泵、微型真空泵、微型气泵、微型抽气泵、微型抽气打气泵等抽真空设备的一个主要参数。 所谓“真空“，是指在给定的空间内，压强低于101325帕斯卡(也即一个标准大气压强约101KPa)的气体状态。 在真空状态下，气体的稀薄程度通常用气体的压力值来表示，显然，该压力值越小则表示气体越稀薄。若所测设备内的压强低于大气压强，其压力测量需要真空表。从真空表所读得的数值称真空度。真空度数值是表示出系统压强实际数值低于大气压强的数值，即： 真空度=(大气压强绝对压强）。这样，若已有一个真空吸盘，只需要设定真空度，就可以计算吸盘的理论吸吊力（水平提升升力）。图3 吸盘的理论吸吊力表1 吸盘水平提升升力表 4.1.5 吸盘的外形尺寸吸盘按照外形来分，可以分为三种：平形吸盘、平形带肋吸盘、深形吸盘。具体结构及尺寸见下图：图4 平形吸盘具体结构表2 平形吸盘尺寸参数表图5 平形带肋吸盘具体结构表3 平形带肋吸盘尺寸参数表图6 深形吸盘具体结构表4 深形吸盘尺寸参数表4.1.6 真空吸盘的选用根据设计要求，被吸持工件为0.5Kg的硒钢片，故实际所需水平吸吊力为（安全系数取4）： 本设计选用2个平形吸盘，材料选用丁腈橡胶（N），则每个吸盘所需提供的吸吊力为9.8N。根据上述实际所需吸吊力，查吸盘水平提升升力表，真空度为500mmHg，选取吸盘直径为16mm。综上，吸盘型号确定为：ZP16UN4.2 真空泵4.2.1 真空泵的定义真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分为两种类型，即气体传输泵和气体捕集泵。随着真空应用技术在生产和科学研究领域中对其应用压强范围的要求越来越宽，大多需要由几种真空泵组成真空抽气系统共同抽气后才能满足生产和科学研究过程的要求，由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式应用。4.2.2 真空泵的分类真空泵分类广泛，按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分为两种类型，即气体传输泵和气体捕集泵。气体传输泵是一种能使气体不断的吸入和排出，借以达到抽气目的的真空泵。气体捕集泵是一种使气体分子被吸附或凝结在泵的内表面上，从而减小了容器内的气体分子数目而达到抽气目的的真空泵。气体输送泵包括：1、液环真空泵（水环式真空泵）2、往复式真空泵3、旋片式真空泵4、定片式真空泵5、滑阀式真空泵6、余摆线真空泵7、干式真空泵8、罗茨真空泵9、分子真空泵10、牵引分子泵11、复合式真空泵12、水喷射真空泵13、气体喷射泵14、蒸汽喷射泵15、扩散泵等。气体捕集泵包括：吸附泵和低温泵等。工业中应用最多的是水环式真空泵和旋片式真空泵等。 按其真空度可以分为：粗真空、高真空、超高真空三大类。4.2.3 真空泵的用途真空泵是一种旋转式变容器，真空泵须有前级泵配合方可使用，在较宽的压力范围内有较大的抽速，对被抽除气体中含有灰尘和水蒸汽不敏感，广泛用于塑料机械、农药化工、染料化工、砖瓦机械、低温设备、造纸机械、医药化工、食品机械、工业电炉、电子行业、真空设备、化肥、冶金、石油、矿山、地基处理等领域。4.2.4 真空泵选取的注意事项真空泵的作用就是从真空室中抽除气体分子，降低真空室内的气体压力，使之达到要求的真空度。概括地讲从大气到极高真空有一个很大的范围，至今为止还没有一种真空系统能覆盖这个范围。因此，为达到不同产品的工艺指标、工作效率和设备工作寿命要求、不同的真空区段需要选择不同的真空系统配置。为达到最佳配置，选择真空系统时，应考虑下述各点：1.确定工作真空范围首先必须检查确定每一种工艺要求的真空度。因为每一种工艺都有其适应的真空度范围，必须认真研究确定之。2.确定极限真空度在确定了工艺要求的真空度的基础上检查真空泵系统的极限真空度，因为系统的极限真空度决定了系统的最佳工作真空度。一般来讲，系统的极限真空度比系统的工作真空度低20%，比前级泵的极限真空度低50%。3.被抽气体种类与抽气量检查确定工艺要求的抽气种类与抽气量。因为如果被抽气体种类与泵内液体发生反应，泵系统将被污染。同时必须考虑确定合适的排气时间与抽气过程中产生的气体量。4.真空容积检查确定达到要求的真空度所需要的时间、真空管道的流阻与泄漏。 考虑达到要求真空度后在一定工艺要求条件下维持真空需要的抽气速率。5.主真空泵的选择计算s=2.303v/tlog(p1/p2) 其中： s为真空泵抽气速率(l/s) 、v为真空室容积(l)、t为达到要求真空度所需时间(s)、p1为初始真空度 、p2为要求真空度。4.2.5 真空泵的选取本次设计采用扬子江泵业生产的2XZ-0.25型真空泵，具体信息及参数如下：2XZ系列真空泵为双级直联结构，它的工作性能由高压级与低压级二部分组成，它的吸入口与真空设备连接，在运转时容器内的气体将大量吸入与排出，当设备获得真空时，高压级排气阀封闭，高压级吸入的气体将转送到第二级，并经第二级吸入与排出，这样真空设备可获得一定的真空，该泵的技术参数为610-2,泵与电机连轴，高转速，外型小，结构紧凑，流动性工作方便。图7 2XZ-0.25型真空泵2XZ型旋片式真空泵性能参数（本设计选取2XZ-0.25型）型号2XZ-0.252XZ-0.52XZ-12XZ-22XZ-42XZ-8形式直联双级串联旋片式抽气速率 升/秒0.250.51248极限真空 Pa610-1610-2转速 转/分 1400进气口直经 mm10 1313191932用油量 MI0.30.420.40.480.550.7泵油温升 404040454560电机功率 kW0.120.180.250.370.550.75外型尺寸毫米长400445445478518510宽125125125148148165高224256256227227282重量 Kg151819273035噪音 分贝 646466687074 表5 2XZ型旋片式真空泵性能参数5 强度校核5.1 机械悬臂的校核 计算与说明主要结果1. 将机械悬臂简化为一简支梁，画出简图。2. 画垂直面受力图，求出垂直面支反力 a.悬臂自重(均载荷) b.吸盘及其附件以及工件 吸盘底座（粗算） 吸盘和吸盘连杆 工件 故，综上 3. 求出水平面支反力 该悬臂在水平面上不受力，故不予考虑。4. 求悬臂端点处挠度 由受力分析可知，悬臂端点处的挠度由悬臂自重和端点处所受的合力（吸盘底座、吸盘连杆、吸盘和工件）叠加而成，可分开计算。 a.只考虑悬臂自重 1）悬臂梁的固定端约束了端截面的移动和转动， 故有垂直反力和反作用力偶。由平衡方程和，求得 2）选取坐标系如图所示。在距原点为x的横截面的左侧，有支反力、和集度为q的均布载荷，但在截面右侧只有均布载荷。所以，宜用截面右侧的外力来计算剪力和弯矩。 3）汇出剪力图和弯矩图。 4）求挠曲线方程 由公式（6.5）（材料力学），得挠曲线的微分方程为 积分得 在固定端A，转角和挠度均应等于零，即 当时， 把以上边界条件带入上述积分方程，得 再将所得积分常数带回积分式，得转角方程和挠曲线方 程分别为 查表2.2（材料力学）， 45钢的弹性模量取200GPa 以截面B的横坐标代入以上两式，得截面B的转角和挠度分别为 为负，表示截面B的转角是顺时针的。也为负，表示B点的挠度向下。 令， ，得 a.只考虑端点合力 1）悬臂梁的固定端约束了端截面的移动和转动，故有垂 直反力和反作用力偶。由平衡方程和，求得 2）选取坐标系如图所示。计算剪力和弯矩。 3）汇出剪力图和弯矩图。 4）求挠曲线方程 由公式（6.5）（材料力学），得挠曲线的微分方程为 积分得 在固定端A，转角和挠度均应等于零，即 当时， 把以上边界条件带入上述积分方程，得 再将所得积分常数带回积分式，得转角方程和挠曲线方程分别为 以截面B的横坐标代入以上两式，得截面B的转角和挠度分别为 为负，表示截面B的转角是顺时针的。也为负，表示B点的挠度向下。 令 ， ，得 综上，悬臂在端点处的挠度为 查表11-6（机械设计），轴的许用挠度y 悬臂的实际挠度小于许用挠度，故该悬臂的弯曲强度能满足要求。悬臂的强度足够图8 悬臂受力简图、受力图、剪力图、弯矩图5.2 活塞轴的校核 计算与说明主要结果抗压强度校核（活塞处于上升极限位置）1. 画活塞轴受力简图（6-2-a）2. 求活塞所受压力（不计活塞轴自重）活塞轴受到的压力为空气压缩机产生的压缩空气所提供，其大小为 其中，P为空气压缩机出口压力 为标准大气压， D为活塞外径3. 求活塞轴的压缩应力 其中，D为活塞轴直径4. 查表2.1（材料力学），45钢的屈服极限为 5. 结论综上，活塞轴的压缩应力小于其屈服极限，既 故，抗压强度满足要求。 抗压强度校核（活塞处于上升极限位置）1. 画活塞轴受力简图（6-2-b）2. 求活塞所受拉力（不计活塞轴自重）活塞轴受到的压力为空气压缩机产生的压缩空气所提供，其大小为 其中，P为空气压缩机出口压力 为标准大气压， D为活塞外径3. 求活塞轴的拉升应力 其中，D为活塞轴直径4. 查表2.1（材料力学），45钢的强度极限为 5. 结论综上，活塞轴的拉升应力小于其屈服极限，既 故，抗拉强度满足要求。 抗压强度满足要求抗拉强度满足要求图活塞轴受力图5.3 轴承校核图0 轴承 计算与说明主要结果一轴承寿命计算1. 计算轴承转速轴承在一个循环中走过的路程为：由零件图上测量得 轴承一个循环中的平均时间为：根据工作要求，该机械手运送频率为32次/秒，则一个循环时间 轴承外圆平均线速度 轴承一个循环周期平均转速 2. 求轴承承受的载荷轴承所受的径向载荷为空压机产生的空气压力，不受轴向载荷。即 （具体计算见活塞轴校核部分）3. 计算轴承的当量动载荷因轴承只承受径向载荷，故其当量动载荷为： 4. 查表13-11（机械设计，下同），深沟球轴承的基本额定静载荷为 深沟球轴承的基本额定静载荷为 5. 轴承寿命计算根据公式12-4 式中，为温度系数 为载荷性质系数 为寿命系数，球轴承等于3查表12-7，轴承工作温度120时，温度系数查表12-8，轴承受中等冲击载荷时，载荷性质系数为 ，本计算取1.5将以上各系数代入公式得： 轴承寿命为 轴承寿命4573h，约为半年，故本机械手每隔半年应进行一次大修。二轴承静强度计算1. 轴承基本额定静载荷 2. 当量静载荷 由公式 12-16 式中，分别为轴承所受的径向载荷和轴向载荷 分别为轴承静径向载荷系数和静轴向载荷 系数 查表12-13，对于深沟球轴承 则 若计算结果 ，取 所以，3. 静强度条件由公式12-17，静强度条件为 式中，基本额定静载荷，查轴承手册或设计手册 安全系数 查表12-14，在一般情况下 则， 经比较 所以，轴承的静强度满足要求。静强度满足要求5.4 轴承用螺钉校核图11 轴承用螺钉螺钉材料选用20钢，查阅材料力学得，20钢的许用切应力为剪切面面积剪力 则螺钉受力横截面的切应力为 结论：因 ，所以螺钉的强度足够。6 密封与润滑6.1 气缸的上下端盖的密封气缸上下端盖的密封均采用O型真空用橡胶密封圈。O型真空用橡胶密封圈有良好的密封性，寿命长，结构紧凑，拆装方便。它是一种压缩性密封圈，同时又具有自封能力，所以使用范围很宽，密封压力可达100MPa的高压。如果材料设当，温度范围为-100260 。O型环装入密封沟槽后，其截面一般受到15%30%的压缩变形。在介质压力作用下，移至沟槽的一边，封闭需封闭的间隙，达到密封目的。图12 气缸的端盖的密封6.2 活塞的密封活塞采用O型环密封。O型环结构简单，重量轻，密封可靠。O型环材料一般为橡胶，最高使用温度为200，工作压力为0.4MPa。本设计中，空气压缩机的出口最大压力为0.7MPa，压力较高，为了使密封更加可靠，使用2个O型环密封。图13 活塞的密封6.3 活塞轴的密封活塞轴采用软填料密封方式密封。填料密封是用填料堵塞泄露通道，阻止泄露的一种古老的密封形式。填料密封主要用于动密封，也可用于静密封，广泛用于各种阀门、泵类，如水泵、真空泵等，泄露率约101000mL/h。软填料密封在材料上可分为金属材料、纤维织物填料、橡胶与塑料填料、复合材料四大类型。填料的选择方式主要有两种：根据填料与被密封流体的适应性来选择填料；根据填料的使用工况（工作压力、工作温度、转速等）来选择填料。本设计中，密封的流体介质为空气，工作条件为活塞式气缸，根据表10.1-35（机械设计手册单行本密封件、密封与润滑，下同），可选填料材料有：皮革、金属盘根、PTFE。本次设计选择填料材料为金属盘根。根据密封类型与介质压力，查表10.1-38，填料根数为5根。图14 活塞的密封6.4 润滑润滑的目的是在机械设备相对运动的表面间加入润滑剂以降低摩擦阻力，减少表面磨损和能源消耗，延长使用寿命，保证设备正常运转。润滑方法有很多，如何根据各种设备的实际情况，合理地选择和设计润滑的方法、润滑系统和装置，对保证设备具有良好的润滑状况和工作性能，具有十分重要的意义。6.4.1 气缸活塞润滑气缸活塞的润滑采用稀油润滑类中的间歇无压润滑的润滑方法，使用分散润滑。润滑装置：油壶。润滑原理：利用簧底油壶或其它油壶将油注入孔中，油沿着摩擦表面流散形成暂时性油膜。润滑剂选用的一般原则：载荷：载荷大或冲击负荷较大，适于选用粘度较高，或极压性能好的润滑油，锥入度较小或极压性能好的润滑脂或固体润滑剂；载荷小，适于选用粘度较小的润滑油或锥入度较大的润滑脂。速度：速度高，适于选用粘度较小的润滑油，或锥入度较大的润滑脂，或固体润滑剂；速度低，适于选用粘度较大的润滑油，或锥入度较小的润滑脂。温度：高温条件下，适于选用粘度较大、闪电较高、油性好以及氧化安定性好的润滑油，或选用氧化安定性好，滴点较高的润滑脂，或固体润滑剂；低温条件下，适于选用粘度较小，凝点低的润滑油，或低温性能好的润滑脂。环境：在潮湿或与水接触较多的工作条件下，适于选用抗乳化能力强和油性、防渗性较好的润滑油、脂；在强辐射照和放射性条件下，在人不便于接近的场合、有腐蚀的环境中，或超高真空条件下，适于选用固体润滑剂。工作位置：在润滑油容易流失的工作表面上，适于选用粘度较大的润滑油，或稠度大的润滑脂，或固体润滑剂。表面精度：工作表面粗糙，适于选用粘度较大的润滑油，或锥入度较小的润滑脂。反之，适于选用粘度较小，或锥入度较大的润滑油或润滑脂。润滑方式：在循环润滑系统中，要求换油期长，易散热，适于选用粘度小，氧化安定性好、抗泡沫性能好的润滑油；在集中干油润滑系统中，适于选用锥入度大的润滑脂。根据活塞工况条件，查表10.3-3（机械设计手册单行本密封件、密封与润滑），润滑油选用涡轮蜗杆油（SH0094-1991）。牌号：L-CKE轻载荷涡轮蜗杆油，一等品。粘度等级：320（按GB/T 3491-1994）运动粘度为（40）：2883526.4.2 轴承润滑轴承润滑采用干油润滑类中的连续无压润滑的润滑方式，使用分散润滑。这种润滑方法没有润滑装置，靠人工将润滑脂填充在机壳中而实现。根据表10.3-6 润滑脂选择的一般原则（机械设计手册单行本密封件、密封与润滑，下同）以及表10.3-7 常用润滑脂的主要重量指标及用途，润滑脂的选择具体参数如下：名称与牌号：钙基润滑脂（GB 491-1987）稠度等级（NLGI）：1号外观：淡黄色至暗褐色均匀油膏滴点：不低于80工作锥入度：310340水分：不大于1.5%结 论本次设计的机械手综合和运用了机械设计、理论力学、材料力学、机械原理、金属工艺学、热处理、技术测量、机械制图等知识，它主要是应用在那些单调、频繁以及具有一定危险性的操作中用以代替人的劳动进行工作。它的主要优点是：1. 结构简单，可靠性高，易于维修和拆装。2. 工作时间持久，不会出现人的疲劳，可以重复不断的劳动，维持流水线的正常工作。3. 对环境适应性强，可以在多粉尘、易燃、易爆、放射性强 等恶劣环境中工作。5. 工作效率高，提高劳动生产率的同时也提高经济效益。它的主要缺点是：1. 通用性差，除了本设计任务的特定用途外，基本无法完成其他机床的类似加工任务。2. 因为其手臂运动采用的是滑槽连杆式，故运动精确度不够高。3. 吸盘式手部只能吸取盘类及法兰类冲压件，无法吸取轴类零件和套筒类零件。参考文献1 机械设计手册编委会编著.机械设计手册:单行本.连接与紧固.北京：机械工业出版社，20072 机械设计手册编委会编著.机械设计手册:单行本.密封件、密封于润滑.北京：机械工业出版社，20073 机械设计手册编委会编著.机械设计手册:单行本.滚动轴承.北京：机械工业出版社，20074 杨振宽 主编机械产品设计常用标准手册北京：中国标准出版社,20105 李建功 等主编机械设计北京:机械工业出版社,19986 陆玉等 主编机械设计课程设计北京:机械工业出版社,19987 马海荣，几何量精度设计与检测，机械工业出版社，2004.18 柳洪义等.机器人技术基础.北京:冶金工业出版社,20029 周伯英.工业机器人设计.北京:机械工业出版社，199510 刘文波等.工业机器人.沈阳:东北大学出版社,200711 殷际英等.关节型机器人.北京:化学工业出版社,200312 王天然.机器人.北京:化学工业出版社,200213 东北工学院机械零件设计手册编写组.机械零件设计手册.北京:冶金工业出版社,199014 成大先.机械设计手册.北京:化学工业出版社,200415 杨黎明,杨志勤.机械设计简明手册.北京:国防工业出版社,200816 Yoram koren. Robots for engineers. New York:McGraw-Hill,198517 Harry Waldman. Dictionary of robots.New York:Macmillan, 198518 Daniel.Bowman. Industrial robots-a practical handbook. Monroeville:international meterial management society, 197619 Chris Morgan. Robots. Berlin:Springer-Verlag,198420 John Hartley. Robot at work. Kempston:IFS,1983 致 谢毕业设计是对大学四年所学知识及个人能力的一次综合检验，既巩固了原有知识，又拓宽了知识面，加深了对机械设计的认识，也了解了当今世界工业的发展趋势，更进一步学习了有关工业机器人的相关知识，学到了许多未曾接触过的知识，增强了自己的学习能力和逻辑思维能力。我在设计过程中，不仅应用了以前所学过的相关专业知识，同时还查阅了大量的相关资料和文献，使我对这一领域有了初步的了解和认识。在整个设计过程中，我在现有产品设计的基础之上又充分地发挥了自己的创造和思维能力，使此产品更加的完善。能将自己学习的理论知识真正运用到实际中，让理论真正的得到检验，这对我们每个人来说都是一个十分宝贵而难得的机会。对实际中出现的问题用理论解决的能力，也是我们在今后走向工作岗位所十分需要的。通过设计培养了