637 机车轴承座自动上下料机构及其控制系统设计
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机车轴承座自动上下料机构及其控制系统设计
第一章 自动上下料机构的总体构想
该装置是机车轴承座自动生产线上的辅助装置之一,主要完成抓取工件,提升一定
高度,旋转,移位,松开工件等几个基本功能。
其主要技术指标如下:
1. 工件重量约为70Kg;
2. 工件最大尺寸(长,宽,高):440×92×290(具体见零件图);
3. 最大操作范围:提升高度为70mm,转动角度为90°,水平移动为400mm;
4. 机械手的自由度数为3(上升,转动,平移);
5.定位精度:属于上下料机构,本身精度要求不高;
6.装料高度:1050mm;
7.性能要求:抓取可靠、灵活,松放平稳,定位可靠。
在满足上述各项功能的前提下,我们尽量采用结构简单,制造方便的零部件来组成
该机车轴承座的自动上下料专用机构即机械手。根据机械手所要实现的基本功能,我们
采用圆柱坐标式机械手。其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转运动所组成,即沿
X 轴的平移、沿 Z 轴的升降和绕 Z 轴的回转,而手部的夹放动作不能改变工件的位置和
方位,故它不计为自由度数,因此该机械手具有三个自由度数即可满足使用要求。
根据实际需要我们选用液压传动机械手:以油液的压力来驱动执行机构运动。其主
要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。安排夹紧液压缸,
升降液压缸,回转液压缸和移动液压缸来分别实现夹紧松开、升降、转动和平移各项功
能。为了实现对机械手的各个动作的顺序控制,我们采用PLC控制各动作的执行元件。
该机械手的具体结构为:使用两个立柱作为支撑架,在支架上钻两个孔,把装有滑
板及连接板和平移液压缸的导轨装于支架的孔里,采用螺钉进行紧固。滑板上装有由升
降缸和回转缸组成的臂部及手指式手部和驱动手部夹紧、松开的夹紧液压缸。滑板带动
工件一起移动实现平移,移动液压缸与滑板的运动可以由齿轮与齿条的传动来实现。
第二章 机械手的具体设计
2.1 手部的设计
2.1.1 类型选择
根据工件形状、尺寸、重量、材料和表面等状况,选用回转型两指式手部。
2.1.2 手指夹紧力的计算
对于手指垂直位置夹水平位置放置的工件的夹紧力可按下式计算:
N= f G 5 . 0 ………………………………2.1
式中 N——夹紧力(N); G——工件的重量(N);
f——摩擦系数,钢对钢f=0.1。
则 N= 1 . 0 8 . 9 70 5 . 0 ´ ´ =3430 N
2.1.3 手部驱动力的计算
由于采用夹紧缸来驱动手指夹紧与松开,因此选用连杆传动的手部比较合理。
(1)理论驱动力的计算:
理 P = N c b ) sin( sin sin 2 j a f a + ……………………………2.2
式中 理 P ——理论驱动力(N);
b——夹紧力到回转支点的垂直距离b=116mm;
c——连杆铰销到回转支点的垂直距离c=78mm;
α——连杆的倾斜角α=43°;
φ——杠杆的倾斜角φ=85.5°。
则 理 P = N 10290 3430 ) 5 . 85 43 sin( 78 5 . 85 sin 43 sin 116 2 » ´ ° + ° × ° ° × ´
(2)实际驱动力的计算:
实 P ≥ 理 P h 2 1 K K ……………………………2.3
式中 K1——安全系数,一般取1.2~2,取K1=1.5;
K2——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响,K2=1+a/g,相当于匀速运动,
取K2=1;
η——手部的机械效率,取η=0.9。
则 实 P ≥10290 17150 9 . 0 5 . 1 1 » ´ N
取 实 P =17200N
2.1.4 校核手部结构的强度
(1)校核夹爪的剪切强度和挤压强度
夹爪的材料为45钢,其伸长率δ>5%,属于塑性材料。 则许用应力[σ]= n s s ………………………………2.4
式中 σs——材料的屈服点,45钢的屈服点σs=360 a MP ;
n——安全系数,对于塑性材料n=1.32~3.5,取n=1.5。
则45钢的许用应力为[σ]=360/1.5=270 a MP
其许用剪切应力为[τ]=(0.6~0.8)[σ]=162~216 a MP ,取[τ]=200 a MP 。
许用挤压应力为[ jy s ]=(1.7~2.0)[σ]=459~540 a MP ,取[ jy s ]=500 a MP 。 夹爪的剪切应力条件为τ= A F Q ≤[τ] …………………………2.5
式中 FQ——剪切面上的剪力(N);
A——剪切面面积。 则τ= 20 20 2 17200 ´ ´ ≈21.5 a MP <[τ]=200 a MP ,故夹爪的抗剪强度满足要求。
夹爪的挤压应力条件为 jy s = jy jy A F ≤[ jy s ] …………………………2.6
式中 Fjy——挤压面上的挤压力(N);
Ajy——挤压面的计算面积(mm)。
则 jy s = a MP 3 . 14 30 20 2 17200 » ´ ´ <[ jy s ]=500 a MP ,故夹爪的挤压强度满足要求。
(2)校核绞链的剪切强度
绞链材料为45钢,其许用应力[τ] =200 a MP绞链的剪切应力条件为τ= A F Q ≤[τ] 则τ= 5 . 107 10 ) 20 36 ( 17200 » ´ - a MP <[τ]=200 a MP ,故绞链的抗剪强度满足要求。
(3)校核夹爪外套的剪切强度和挤压强度
夹爪外套材料为45钢,其许用切应力[τ] =200 a MP ,许用挤压应力[ jy s ]=500 a MP 夹爪外套的剪切应力条件为τ= A F Q ≤[τ] 则τ= 1 . 35
2 ) 10 16 ( 2 17200
2 2 » - p a MP <[τ]=200 a MP ,故夹爪外套的抗剪强度满足要求。
夹爪外套的挤压应力条件为 jy s = jy jy A F ≤[ jy s ]
则 jy s = a MP 6 . 27 26 ) 20 32 ( 2 17200 » ´ - ´ <[ jy s ]=500 a MP ,故夹爪外套的挤压强度满足
要求。 (4)选用销轴 销轴材料为35钢,其许用应力[σ]= n s s
式中 σs——材料的屈服点,35钢的屈服点σs=315 a MP ; 则35钢的许用应力为[σ]= 5 . 1 310 =210 a MP
其许用剪切应力为[τ]=(0.6~0.8)[σ]=126~168 a MP ,取[τ]=150 a MP 。
许用挤压应力为[ jy s ]=(1.7~2.0)[σ]=357~420 a MP ,取[ jy s ]=400 a MP 。
对于连接夹爪外套与夹爪处销轴的剪切应力条件为τ= A F Q ≤[τ]
则τ=
4 2 17200 2 d p ´ ≤[τ] =150 a MP 即d≥16mm
为了提高强度取d=20mm,以下校核其挤压强度。
其挤压应力条件为 jy s = jy jy A F ≤[ jy s ]
jy s = 1 . 17 26 20 2 17200 » ´ ´ a MP 故该销轴的挤压强度满足要求。
按照同样方法可求得连接夹爪与铰链处销轴的直径 d=20mm 和连接连杆与铰链处销
轴的直径d=20mm。
机械手手部的具体形状和尺寸见零件图。
根据机械手的使用要求和自由度数的限制,以及为了结构简单,手部与臂部直接通
过拉杆连接而不需要设计腕部。
2.2 臂部的设计
通过对各种条件的综合考虑(整体结构、强度等),臂部的大体结构是把夹紧缸、升
降缸和回转缸从上到下依次布置在滑板上,其内部结构是拉杆通过连杆和夹紧缸的活塞
杆相联接,拉杆与连杆以及拉杆与活塞杆之间都是螺纹连接.为了提高拉杆的强度和装
拆的方便,在其外边加一空心轴.各部分的具体结构设计和一些细节问题分析如下:
2.2.1 夹紧缸的设计
1. 液压缸主要尺寸的确定
(1)液压缸工作压力的确定
液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定,对不同用途的液压设备,由于工作
条件不同,通常采用的压力范围也不同.设计时,可用类比法来确定。
夹紧缸的工作压力初步确定为 1 p =5 a MP 。
(2)液压缸内径D和活塞杆直径 d的确定
F=P cm h × ………………………………………2.7
式中 F——作用在活塞上的总机械载荷,F=19646N;
P——作用在活塞上的实际工作载荷;
cm h ——液压缸的机械效率,一般 cm h =0.9~0.97,取 cm h =0.95
则P= cm Fh = 95 . 0 19646 =20680N
又P= 1 2 2 ) ( 4 p d D - p ……………………………………2.8
按液压缸工作压力 1 p =5 a MP ,选取 D d =0.45
则20680= 4 p [ 2 2 ) 45 . 0 ( D D - ]×5 得D=78mm
经圆整取液压缸内径D=80mm
则活塞杆直径d=0.45D=0.45×80=36mm
(3)液压缸壁厚和外径的计算
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。
液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。 从材料力学可知,承受内压力的圆
筒,其内压力分布规律因壁厚的不同而各异.一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。
液压缸的内径D与其壁厚δ的比值D/δ≤10的圆筒称为厚壁圆筒,一般所用液压缸 均为厚壁圆筒,其壁厚按下面的公式计算: [ ] [ ] ) 1 4 . 0 4 . 0 ( 2 - - + ³ y y p p D s s d ………………………………2.9
式中 δ——液压缸壁厚(mm);
D——液压缸内径(mm);
Py——试验压力,一般取最大工作压力的(1.25~1.5)倍,
取Py=1.3P=1.3×5=6.5 a MP ; [ ] s ——缸筒材料的许用应力,其值为:锻钢[ ] s =110~120 a MP ;铸钢 [ ] s =100~110 a MP ;无缝钢管[ ] s =100~110 a MP ;高强度铸铁[ ] s =60 a MP ;灰铸铁 [ ] s =25 a MP 。 夹紧缸缸体材料为45钢,采用模锻进行锻造,其许用应力[ ] s =115 a MP 。
则 5 . 17 ) 1 5 . 6 4 . 0 115 5 . 6 4 . 0 115 ( 2 80 » - ´ - ´ + ³ d mm
取壁厚δ=20mm
则缸筒外径 = + = d 2 1 D D 80+20×2=120mm
为了增强液压缸缸体的强度,在缸体外壁加上一材料为45钢的隔套,取隔套的壁厚
为 1 d =20mm,则隔套外径为 160 20 2 120 2 1 1 2 = ´ + = + = d D D mm。
(4)夹紧缸工作行程的确定
液压缸工作行程长度,可根据执行机构实际工作的最大行程来确定。
夹紧缸的工作行程等于夹紧工件到松开工件,活塞移动的距离,它的工作行程较小,
确定为30mm即可。