资源描述
需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑XXXXX毕 业 设 计 (论 文)轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析系 名： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 年 月需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763I摘 要轮胎定型硫化机主要用于空心轮胎的外胎硫化，本次设计的机械手主要适用于普通外胎及子午线结构外胎等充气轮胎定型硫化机装胎。本次设计首先，调查了轮胎定型硫化机装卸胎装置的研究及发展现况；接着，对现有机械手原理进行分析并结合设计要求提出了总体结构方案；其次，对各主要零部件进行设计与选择；然后，采用 Pro/E 三维设计软件进行了虚拟设计。最后，设计了本机械手的液压系统及电控系统。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图、液压与控制技术等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用 AutoCAD、Pro/E 软件，对今后的工作与生活具有极大意义。关键词：装胎，机械手，结构，液压需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763IIAbstractTyre vulcanizing machine is mainly used for the hollow tire of the tire, the design of the manipulator is mainly used in ordinary tire and radial structure of tire and pneumatic tire shaping vulcanizer tyre mounting.The design of the first, the investigation of the tire curing machine loading and unloading device of the research and development of the status quo; then, to analyze the existing mechanism and the design requirements of the overall structure scheme;Secondly, the design and selection of the main parts of the main parts, and then, using Pro/E 3D design software for virtual design. In the end, the hydraulic system and the electronic control system of the manipulator are designed.Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University, such as: mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, hydraulic and control technology;Master the design method of common mechanical products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro/E software, for the future work and life of great significance.Key words: Loading, Mechanical hand, Structure, Hydraulic需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763III目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 绪论 .11.1 选题背景及意义 .11.2 轮胎定型硫化机概述 .11.3 机械手概述 .11.4 国内外研究现状和趋势 .2第二章 总体方案设计 .32.1 设计要求 .32.2 总体方案选择 .32.2.1 机械手总体结构类型 .32.1.2 总体方案确定 .42.3 手爪结构方案选择 .42.3.1 机械手爪的典型结构 .42.3.2 手爪结构方案确定 .52.4 驱动方式的选择 .5第三章 主要零部件的设计与校核 .63.1 手爪的设计与校核 .63.1.1 设计要求 .63.1.2 设计计算 .63.2 手臂的设计与校核 .73.2.1 设计要求 .73.2.2 设计计算 .73.3 销轴设计与校核 .83.4 卡盘的结构设计 .93.5 转盘的结构设计 .93.6 转盘轴承的选择与校核 .10第四章 基于 Pro/E 的三维设计 .124.1 软件概述 .124.2 三维设计与装配 .124.2.1 零件三维设计 .124.2.2 虚拟装配 .14需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763IV第五章 液压与电控系统设计 .165.1 液压系统设计 .165.1.1 液压源系统的设计 .165.1.2 确定液压系统的主要参数 .175.1.3 计算和选择液压元件 .195.1.4 液压系统性能的验算 .205.2 电控系统设计 .205.2.1 控制器的选型 .205.2.2 PLC 外部接线设计 .215.2.3 I/O 地址分配 .215.2.4 机械手控制系统软件设计 .22总 结 .29参考文献 .30致 谢 .31需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763V需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763VI需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763VII需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763VIII需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763IX轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析1第一章 绪论1.1 选题背景及意义机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。而目前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的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。1.2 轮胎定型硫化机概述轮胎定型硫化机主要用于空心轮胎（汽车胎、工程胎、飞机胎、摩托车胎、力车胎等）的外胎硫化。轮胎定型硫化机是在普通个体硫化机的基础上发展起来的。本次设计的机械手主要适用于普通外胎及子午线结构外胎等充气轮胎定型硫化机装胎。能自动进行装胎、定型、硫化、卸胎及后充气冷却等一系列工艺操作。采用蒸锅式（或热板式）加热，可使用两半膜，也可以使用活络膜，并配备有充气装置，供用户硫化尼龙帘布线轮胎时配套使用。我国轮胎定型硫化机的发展十分迅速，自 1963 年开始设计制造 B 型硫化机至今已有四十年的历史，定型硫化机从无到有取得很大的成绩。国产定型硫化机已基本形成系列。近年来，对于定型硫化机组开展了研制工作，已取得了可喜的发展。轮胎定型硫化机按不同角度分类：按胶囊特点可分为：A 型定型硫化机的（胶囊向下收藏） ；B 型定型硫化机（胶囊向上收藏） ；AB 型定型硫化机（胶囊成“U”型收藏） 。按加热方式可分为：罐式定型硫化机；夹套式定型硫化机；板式定型硫化机。按传动方式可分为：连杆式定型硫化机；液压式定型硫化机，液压锁环式定型硫化机。按是否用胶囊可分为：有胶囊定型硫化机；无胶囊定型硫化机。1.3 机械手概述轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析2工业机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率：可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.4 国内外研究现状和趋势目前，在国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：（1）机械结构向模块化、可重构化发展。（2）工业机械手控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化。（3）机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器。（4）关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。（5）焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机械手，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析3第二章 总体方案设计2.1 设计要求本次课题为：硫化机装胎装置（机械手）的结构设计，应使其具有以下优点： （1）抓胎轻便、运行稳定（2）解决生胎抓取过程中由于胎胚自重而导致胎胚变形（3）生胎放入硫化机时：中心定位精度高，确保生胎在模具中间（4）完成生胎放置后，进行下压生胎以确保生胎放置准确并进入模具硫化机参数：（1）轮胎的规格为：185/60R14 82H 轿车子午胎（2）硫化机采用的是活络模具。2.2 总体方案选择2.2.1 机械手总体结构类型工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：（1）直角坐标机械手结构 直角坐标机械手的空间运动是用三个相互升降的直线运动来实现的，如图 2-1. a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（m 级） 。（2）圆柱坐标机械手结构圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。这种机械手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。（3）球坐标机械手结构球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图 2-1.c。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。（4）关节型机械手结构关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2-1.d。关节型机械手动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析4图 2-1 四种机械手坐标形式2.1.2 总体方案确定具体到本设计，因为设计要求搬运的轮胎生胎的质量达 20KG，直径达577.6mm(185/60R14 82H 轿车子午胎)，同时考虑到轮胎硫化机布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要 2 种运动，即：立柱升降、手臂的回转运动，综合考虑机械手自由度数目取为 2，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度已个移动自由度。其特点是：结构比较简单，手臂运动范围大，且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图 2-2 所示。图 2-1 胎装置结构示意图2.3 手爪结构方案选择2.3.1 机械手爪的典型结构（1）楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。（2）滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析5活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。（3）连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。（4）齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。（5）平行杠杆式手爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手爪保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。2.3.2 手爪结构方案确定考虑的轮胎生胎较软，在抓取时容易因为重力变形，为了防止变形应该采用多个手爪的形式；又由于设计要求装胎时对心精度高，因此各手抓应该同步进行抓取动作。综合这些因素本次采用六滑槽式结构，其滑槽盘与驱动盘结构如下图。2.4 驱动方式的选择机械手的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下：（1）液压驱动由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能） ，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。（2）气动驱动具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。（3）电动驱动由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析6通过比较本次设计的机械手采用液压驱动。第三章 主要零部件的设计与校核3.1 手爪的设计与校核3.1.1 设计要求硫化机机械手的手部是用来抓持工件的部件，将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。设计时要注意的问题：（1）结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计（2）手爪应有一定的开闭范围。它的大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。（3）手爪应有足够的夹紧力，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷（4）应能保证工件在手爪内准确定位。3.1.2 设计计算（1）尺寸计算轮胎型号为：185/60R14 82H 轿车子午胎，故轮胎尺寸为： 内径： md6.3514.2外径： D6.5708宽度： B8故，选定手爪外圆直径为 360mm，卡板宽度为 200mm（2）强度计算V=(R2-r2)h=3.14(402-302)*150=329931(mm3)m=vG=mg=vg=7800*329931/109=25.7164(N)其中 g 取 10N/kg，取 G=26（N）紧力的计算： Gf6f 为手爪与工件的静摩擦系数，工件材料为 40 号钢，手爪为钢材，查表 2-5 f=0.15所以 ，取 N=43（N）4015.264fN轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析7驱动力的计算： 14NtgP为斜面倾角，o5为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，查表 这里取 0.85 92.085所以 ， 取 p=55(N) )(23.548.01354NtgP手爪详细结构如下：图 3-1 手爪3.2 手臂的设计与校核3.2.1 设计要求臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，主要用来改变工件的位置。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。设计时注意的问题（1）刚度要好，要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸，空心杆比实心杆刚度大的多，常用钢管做臂部和导向杆，用工字钢和槽钢左支撑板，以保证有足够的刚度。（2）偏重力矩要小，偏重力矩时指臂部的总重量对其支撑或回转轴所产生的力矩。（3）重量要轻，惯量要小，为了减轻运动时的冲击，除采取缓冲外，力求结构紧凑，重量轻，以减少惯性力。3.2.2 设计计算轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析8把小臂的截面设计成工字钢形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻小臂重量，使其经济、轻巧。选 10 号工字钢。理论重 ，小臂长mdhcmWy 5,120,7.9,1.26kg/3为 800mm。较核： （N） ，取 100N5.08.小mgG其受力如下图：F=100+105=205（N） ).(1243.06.1052小1 mNLGFMMPaPaWy 7.)(7.963hbQ其中 h 为工字钢的高度，b 为工字钢的腰宽，Q 为所受的力。所以Paa6034.0150123 所以选 10 号工字钢合适。图 3-2 手臂3.3 销轴设计与校核轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析9手臂转动部位销轴的直径取 50mm，材料为 45 号钢。受力如下图：验算：F=205N )(1240021 NlMF MPaar 608.3)(4.322 所以合适3.4 卡盘的结构设计轮胎型号为：185/60R14 82H 轿车子午胎，故轮胎尺寸为： 内径： md6.3514.2外径： D6.5708宽度： B8根据轮胎尺寸选定卡盘滑槽行程为 75mm，卡盘上均匀分布六个滑槽，并且卡盘上应设置能与手臂连接的法兰，其详细结构如下：轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析10图 3-3 卡盘3.5 转盘的结构设计根据卡盘结构，转盘滑槽最远端与最近段轴心距只差为 75mm，槽宽与卡盘相同，并且其上应设置与转盘推动油缸连接的销轴，详细如下图示：图 3-4 转盘轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析113.6 转盘轴承的选择与校核（1）轴承的选择因为转盘轴承所受轴向力很小因此采用深沟球轴承，根据转盘和卡盘的结构尺寸选定深沟球轴承型号为 61820。按机械零件手册表 9-61（GB 297-84）选7304E， d=20mm e=0.3kN2.17c 3.5c0（2）轴承的校核因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑（即材料发生了不允许的永久变形） ，按轴承静载能力选择的公式为：0PSC其中 为当量静载荷， 为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。0S此处 1.5.5.10上轴承受纯径向载荷, )(210NFP所以 ，因此轴承合适。).75.3.200 KCPS（3）轴承摩擦力矩的计算如果 （C 为基本额定动载荷，P 为所受当量动载荷） ，可按如下公式估1算： FdT5.0其中： 为滚动轴承摩擦因数，F 为轴承载荷，d 为轴承内径。查表得 1.，所以也可以用此公式估算059.420PC所以 ).(021.21.1 MNFdT查表得 3.，所以也可以用此公式估算10.84270PC所以 ).(0416.2.3.5NFdT轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析12取 0.1).02671.4.021.1 MNT（总 第四章 基于 Pro/E 的三维设计4.1 软件概述Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer 作为当今世界机械CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/Engineer 功能如下：（1）特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等） ；（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等） ；（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计；（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析13Pro/PROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等） 。（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动） 。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER 的基本功能。4.2 三维设计与装配4.2.1 零件三维设计在 Pro/E 零件设计模块对各零件进行三维建模，主要零件的建模结果如下：（1）卡盘图 4-1 卡盘（2）转盘图 4-2 转盘（3）手爪轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析14图 4-3 手爪（4）手臂图 4-4 手臂（5）连接块图 4-5 连接块（6）升降杆图 4-6 升降杆4.2.2 虚拟装配虚拟装配时采用模块化装配模式，即先对手指、手腕进行装配，再把手指与手腕进行装配得到最终的总成。（1）手爪装配轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析15图 4-7 手爪虚拟装配（2）回转臂装配轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析16图 4-8 回转臂虚拟装配（3）总成装配图 4-9 总成虚拟装配第五章 液压与电控系统设计5.1 液压系统设计5.1.1 液压源系统的设计液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。本机械手的液压系统图如图 5-1 所示，它拥有升降手臂的上升、下降，回转缸/的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。其中，泵由三相交流异步电动机 M 拖动；系统压力由溢流阀 V1 调定；1DT 的得失电决定了动力源的投入与摘除。考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当 5DT 得电时，工作液体经由节流阀 V5 进入液压缸，实现手爪的轻缓抓紧；当 6DT 失电时，工作液体进入液压缸中，实现手爪迅速松开。轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析17另外，由于机械手升降升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用 V2 构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。 传 传传传传图 5-1 机械手的液压系统原理图5.1.2 确定液压系统的主要参数液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。（1）手爪执行液压缸工作压力计算手爪要能抓起工件必须满足： GkN321式中， -为所需夹持力；-安全系数，通常取 1.22；1-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按 估算， 为机械手在2k gak12搬运工件过程的加速度 ， ， 为重力加速度；2/sm2/8.9sag-方位系数，查表选取 ；3k 13k-被抓持工件的重量 30 ；G带入数据，计算得： ；N20轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析18理论驱动力的计算： 12NRbp式中， -为液压缸所需理论驱动力；p-为夹紧力至回转支点的升降距离；b-为扇形齿轮分度圆半径；R-为手指夹紧力；N-齿轮传动机构的效率，此处选为 0.92；其他同上。带入数据，计算得 P37计算驱动力计算公式为： Fkc41式中， -为计算驱动力；c-安全系数，此处选 1.2；1k-工作条件系数，此处选 1.1；4其他同上。带入数据，计算得： NFc920而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有 APc式中， -为液压缸工作油压；-为柱塞截面积；经计算，所需的油压约为： MPa3（3）液压缸主要参数的确定液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各液压缸的基本参数如下；表 3-2 手爪执行液压缸参数缸内径 m壁厚 直径 m行程 工作压力 MPa36 4.5 25 100 1注：手爪液压缸工作压力由系统压力阀调定。轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析19表 3-3 手臂回转液压缸参数缸内径 m壁厚 杆直径 m行程 工作压力 MPa42 4 25 150 1表 3-4 升降液压缸参数缸内径 壁厚 杆直径 行程 工作压力63 8.5 36 800 1在回转缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。为了达到这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。（4）液压缸强度的较核（a）缸筒壁厚的较核当 D/ 时，液压缸壁厚的较核公式如下：10)13.40(2yPD式中， -为缸筒内径；-为缸筒试验压力，当缸的额定压力 时，取为 ；yP Mapn6nypP5.1-为缸筒材料的许用应力， ， 为材料抗拉强度，经查相关资b/b料取为 650 ， 为安全系数，此处取 ；Man5带入数据计算，上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。（b）活塞杆直径的较核活塞杆直径的较核公式为 4Fd式中， -为活塞杆上作用力；-为活塞杆材料的许用应力，此处 ； 4.1/b带入数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。5.1.3 计算和选择液压元件（1）液压泵的计算（a）确定液压泵的实际工作压力 p11pp轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析20式中， -计算工作压力，前以定为 ；1pMPa4-对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.51.5） ，这里 MPa取为 1 。MPa因此，可以确定液压泵的实际工作压力为 p54（b）确定液压泵的流量 maxqKp式中， -为泄露因数，取 1.1；-为机械手工作时最大流量。axvAqm经计算得 =3.140maxqin/L带入上式得 min/45.310.Lp（c）确定液压泵电机的功率 602maxqPp工式中， -为最大运动速度下所需的流量，同前，取为 3.140 ；ax min/L-液压泵实际工作压力，5 ；p MPa-为液压泵总效率，取为 0.8；带入数据计算得： = 。工 0.654kw（2）控制元件的选择根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细，这里暂从略。（3）油管及其他辅助装置的选择（a）查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数液压泵出口流量以 3.140L/MIN 计，选取 ；液压泵吸油管稍微粗些，选择 ；68其余都选为 ；5轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析21（b）确定油箱的容量一般取泵流量的 35 倍，这里取为 5 倍，有效容积为LqVp162.355.1.4 液压系统性能的验算绘制液压系统图后，进行压力损失验算。因为该液压系统比较简单，该项验算从略。本系统采用液压回路简单，效率比较高，功率小，发热少，油箱容量取得较大，因此，不再进行温升验算。5.2 电控系统设计5.2.1 控制器的选型机械手控制系统的硬件设计上考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元件连接的灵活性和方便性，控制器选择有极高可靠性、专门面向恶劣的工业环境设计开发的工业控制器-PLC，选择在国内应用较多的西门子 S7-200 型 PLC。具体型号为 SIMATIC S7-200 CPU224。图 5-1 SIEMENS SIMATIC S-700 PLC该机集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。16K 字节程序和数据存储空间。6个独立的 30kHz 高速计数器，2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。1 个 RS485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。5.2.2 PLC 外部接线设计为适应水平手臂液压缸的伺服定位的控制要求，利用西门子 SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC ，考虑到位移传感器和伺服放大器工作采用的都为模拟量，故增加一个模拟量输出模块 EM232，鉴于伺服放大器和位移传感器的输入要求，PLC 的模拟量采用-10V +10V 输入输出，各输入输出点及其接线如图 4-5 所示。轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析22图 5-2 PLC 硬件接线图5.2.3 I/O 地址分配表 5-1 PLC 输入元件地址分配明细表控 制 元 件 符 号 编程地址 备注总停开关 SB0 I0.0 按下停止工作启动开关 SB1 I0.1 按下开始工作垂直缸上限行程开关 SM1 I0.2垂直缸下限行程开关 SM2 I0.3机床上下料命令开关 SB2 I0.4检测料架有无工件光电开关 SP0 I0.5 常闭开关，闭合表示 有工件控制面板上/下选择开关 SQ1 I0.6 用于手动调整时控制面板夹紧/松开选择开关 SQ2 I0.7 用于手动调整时控制面板顺/逆选择开关 SQ3 I1.0 用于手动调整时控制面板手动工作选择开关 SQ4 I1.1 用于手动调整时控制面板自动工作选择开关 SQ5 I1.2表 5-2 PLC 输出元件地址分配明细表控 制 元 件 符 号 编程地址 备注步进电机高速驱动脉冲输出 / Q0.0轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析23步进电机方向控制 / Q0.2 Q0.2 为 1 顺时针，反之为逆时针；垂直缸上升动作电磁阀 2DT Q0.1垂直缸下降动作电磁阀 3DT Q0.3手爪张开动作电磁阀 5DT Q0.4机械手原点状态指示灯 L1 Q0.5 显示原点位置中断强制关机开关 KM Q0.6 用于中断控制5.2.4 机械手控制系统软件设计（1）机械手控制主程序流程图机械手控制主程序流程图如图 5-3 所示：图 5-3 机械手控制主程序流程图（2）机械手控制程序设计机械手控制系统的软件设计采用西门子 S7-200 PLC 的编程软件 STEP7-轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析24Micro/WIN32 进行，程序清单如下：机械手动作行程开关状态模型十六进制数输出控制 十六进制数输入控制 十六进制数P1机械手动作 11110110 F6H 00000001 01H 00000011 03HP2机械手下降 11011111 DFH 00000010 02H 00001100 09HP3机械手上升 11011101 DDH 00000100 04H 00110000 30HP4机械手转入 11111001 F9H 00000100 08H 11001101 CDHP5下降模位 11101101 EDH 00001000 10H 11111000 F8HP6 放胎 11111111 FFH 00000000 00H 11100111 E7HP7 上升 11011101 DDH 00100000 20H 0110000 30HP8 转出 11110111 F7H 01000000 40H 01111101 7DH机械手程序清单：主程序：ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP INTT0ORG 000BLJMP INT0ORG 001BHLJMP INT1主程序：ORG 01OOHMAIN：MOV SP， #69HMOV A， #80H： 设置 8155（输出）工作方式MOV DPTR，#PCTL8155（输出）MOVX DPTR, AMOV A, #9BH 设置 8155（输出）工作方式INC DPTRMOV DPTR， #PCTL8155（输入）MOV DPTR, A清给定值单元MOV R0 DATA2MOV R1 #20HMOV A #00HCLEAR1：轮胎定型硫化机装卸胎装置的设计与分析25MOVX R0, AINC R0 DJNZ R1 CLEAR1清数据采集单元：MOV 0， #00HMOV R1， #50HMOV A， #00HCLEAR2：MOVX R0， AINC R0DJNZ R1 CLEZAR2清中间结果单元:MOV R0， # 45HMOV R1， # 1EHMOV A， # 00HCLEAR2：MOV R0， AINC R0DJNZ R1， CLEAR2清显示缓冲区：MOV 00H， AMOV 0D1H， AMOV TMOD， # 61HMOV TH1，#？ 0E7H 装入 T0，T1 时间常数MOV TH1，#？ 0E7H SETB TR1MOV TH0， #？ 3CH MOV TL0， #？
展开阅读全文