0-弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的设计说明书

1弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的设计学生：曾涛指导老师：陈文凯(湖南农业大学东方科技学院，长沙410128)摘要：首先明确弹簧钢板淬火机械手及其液压系统的要求，然后通过给定的技术参数表里的设计参数，确定液压执行元件的载荷力、系统工作压力和液压缸的主要结构尺寸以及机械手的结构设计，制定系统方案，拟定液压系统图，然后进行液压元件的选择，最后对系统性能进行验算。在具体的结构设计中，主要是针对系统中涉及到机械手，液压系统的设计等。关键词：机械手的设计；液压元件；弹簧钢板淬火DesignofSpringSteelQuenchingManipulatorandItsHydraulicPressureSystemStudent:ZengTaoTutor:ChenWen-kai（OrientalScience＆TechnologyCollegeofHunanAgriculturalUniversity,Changsha410128）Abstract:Firstly,istomakeclearabouttherequestofSpringSteelQuenchingManipulatoranditshydraulicpressuresystem,todefinethefluidgoodpart'sDutchstrength,thedepartmentworkingstrengthaswellasthefluidcylinder'smainconstructionsize,theformulationisaplan,decidesthefluiddepartmentthroughthetechniqueoutsideandinsidefluiddepartmentwhichdecidesthen,tochoosetheHydraulicelement,finallyistocalculatetheperformanceline.Intheconcreteconstruction,ismainlyaimtoresearchthedesignaboutManipulator,HydraulicPressureSystemandsoonKeywords:designofManipulator;hydraulicelement;steelboardsprings’quenching1前言机器人技术集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。在传统的制造领域，工业机器人经过诞生、成长、成熟期后，已成为不可缺少的核心自动化设备，目前世界上约有近百万台工业机器人正在各种生产现场工作。在非2制造领域，上至太空舱、宇宙飞船、月球探险，下至极限环境作业、医疗手术、日常生活服务，机器人技术的应用已拓展到社会经济发展的诸多领域。科学技术的不断进步，推动着机器人技术不断发展和完善；机器人技术的发展和广泛应用，又促进了人民生活的改善，推动着生产力的提高和整个社会的进步。机器人技术作为当今科学技术发展的前沿学科，将成为未来社会生产和生活不可缺少的一门技术。然本课程设计主要考虑在淬火上的应用。在钢板弹簧热处理过程中，当钢板在淬火机中完成弯曲和淬火后，钢板弹簧被推入到油槽中，然后油机械手抓取并放入贯通式回火炉中进行回火处理。由于工作环境恶劣，劳动强度大，无法由人工进行此项操作，必须由机械手完成此项工作，并保持所需的速度。原机械手控制系统由步进选线器构成，硬件故障多，又不易根据工艺参数的变化改变控制逻辑，从而造成对生产的影响。应用PLC技术对原系统进行改造，使新的控制系统的外围电路简单，易于维修，可靠性和逻辑变更柔性获得很大的提高。机械手主要安装在带燕尾导轨的拖尾上，机械手由以下部分组成：1）前后移动机构。机械手主体安装在带燕尾导轨的拖尾上，通过油缸作前后移动。2）水平回转机构。用双活塞齿条油缸带动回转轴作水平180度回转，在缸头有缓冲装置。3）转腕机构。通过两个安装在机械手座架两侧的直线油缸推动齿条，带动转腕轴上的齿条使手腕仰俯转动，两个油缸靠回转轴达到机械同步。4）夹紧机构。夹紧油缸推动滑块在钳柄斜槽内滑动，使钳手夹紧。为防止温度很高的工件被夹伤，夹紧机构装有减压阀以降低压力。5）伸缩机构。伸缩油缸活塞左右运动，带动夹紧油缸和钳手水平移动，机械手即伸出或收回。6）行走机构。用一台轴向柱塞油马达经齿轮减速后带动主动轮在轨道上移动，同时轴上齿轮还与安装在地面的齿条相吻合，以防工作时轮子打滑而影响定位。在不需要工作时可利用轮子行走至非工作区。油马达通过快慢速度变换和自动阀制动来控制其定位。2技术特点与介绍1）钢板淬火机械手采用液压传动和PLC控制，使得高温恶劣环境下人工无3法操作的工件抓取和放置作业由机械手自动完成。2）机械手的液压系统采用定量泵供油的调速阀回油节流调速方式；需二次调速的执行器采用两个调速阀并联并由电磁换向阀进行速度换接；行走液压马达、转台行走缸和水平回转缸除采用调速阀外，其进出油口均设置有行程节流阀，以减小换向冲击，提高定位精度。3）机械手采用可编程序控制器组成电控系统，外围电路简单，易于维修，可靠性和逻辑变更柔性高；可以克服由电子逻辑器件和继电器组成的电控系统易受环境干扰、故障率高和维修困难等缺陷，可以提高产品质量和生产效率。通过修改软件，容易满足工艺要求的变更。4）该系统可推广至工况相近的机械手中[14]。2.1钢板弹簧淬火机械手主要技术参数表1钢板弹簧淬火机械手主要技术参数[14]Table1Themaintechnicalparametersofleafspringquenchingmanipulator项目参数单位结构形式圆柱坐标行走式自由度5个钳口形式双钳口前后移动最大距离600mm手臂最大伸缩距离200mm水平回转角度180（°）手腕仰俯角度90（°）工作行走距离5000mm最大行走速度1000mm/min最大夹持重量1000N3夹钳式手部设计的基本要求1）应具有适当的夹紧力和驱动力手指握力(夹紧力)大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工仍：力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件夹持安全可靠。而对手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。由于机构传力比不同，在一定炉火持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是4不同的。2）手指应具有一定的开闭范围手指应具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合绕支占冈；转过的角度)或开闭距离(对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离)，以便于竹单成退出工件。3）应保证工件在手指内的夹持精度应保证每个被夹持的工件，在手指内部有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持；目对的位置精度。4）要求结构紧凑，重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。5）应考虑通用性和特殊要求一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持；同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法。如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温，耐腐蚀。能承受锻锤冲击力等。3.1机械手的选择及其分析计算各种夹紧装置驱动力计算手爪的结构很多，在设计和确定手爪的结构方案时，一方面应根据实际要求选取具体的结构，另一方面必须进行力的分析，以便在设计选取时进行比较，才能正确选择手爪结构方案，确定各构件的尺寸，以满足夹持工件钓具体要求。设计者可根据[1]表2-1所列的机构进行选取。3.1.1手指夹紧缸已知该机械手要求的最大夹持力NN1000,根据该机械手的实际工况，要求该机械手能够夹取扁型钢板，所以采用平行连杆式钳爪进行夹取。平行连杆式钳爪的主要结构示意图如图1所示[14]。图1平行连杆式钳爪示意图Figure1Sketchofstructureaboutparallellinkagegripperarm5根据该传力机构理论驱动力计算公式[1]，已知如图;;,ABlBDACCDAB（1）加持手手部在工作过程中，其实际驱动力的大小，除按照理论驱动力'P计算外，还应考虑传力机构的效率及工作运送过程中所产生的惯性力等因素的影响。实际驱动力计算公式为[10]：（2）式中'P-理论驱动力；1K-安全系数，取1.5-2；2K-工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按下式估算：（3）其中a为手部抓取工件后手臂运动的最大加速度（2/sm），g为重力加速度（2/8.9smg）---传力机构的机械效率，一般9.085.0。因为机械手在夹持过程中，属于缓慢移动，可以是a为零，所以实际驱动力（4）初选系统的工作压力：根据参考文献[10]表23.4-2，按载荷选择工作压力，初步选择工作压力为MPa10。计算液压缸的主要结构尺寸a)图2液压缸主要设计参数Figure2ThemaindesignparametersofhydrauliccylinderNNRlP5.1151710sin10002cos2'21'KKPPgaK12NKKPP8.191959.05.115.1151721'6液压缸有关设计参数见图2。上图为液压缸活塞杆工作在受压状态，下图为活塞杆工作在受拉状态。活塞杆受压时（5）活塞杆受拉时（6）式中214DA---无杆腔活塞有效作用面积（2mm）；---有杆腔活塞有效作用面积（2mm）;1p---液压缸工作腔压力（MPa）2p---液压缸回油腔压力（MPa），即背压力。D---活塞直径（mm）；d---活塞杆直径（mm）。根据参考文献[10]表23.4-5选取55.0/Dd，表23.4-4选取回油路带调速阀的系统被压力MPap4.02，由参考文献[10]式23.4-18得出：（7）由参考文献[10]表23.4-7常用液压缸内径，圆整为mm80由杆径比55.0/Dd，求出活塞杆直径mmd4455.080，由参考文献[10]表23.4-8可查的活塞杆直径mmd45。夹紧缸有杆腔和无杆腔实际作用面积：无杆腔232211002.508.0414.34mDAz有杆腔23222221043.3)045.008.0(4)(4mdDAzz根据液压行业技术标准，查参考文献[10]选取HSG型液压缸。3.1.2伸缩液压缸伸缩液压缸的负载只要考虑所夹持工件的重量和夹紧液压缸的重量所产生的摩擦负载，所以NNfF40020001.02（8）2211ApApFFmW1221ApApFFmW)(4222dDAmmppFD4.80)]55.01(4.010[8.191954)]1([422217（9）根据液压行业技术标准，圆整10mm,同样查参考文献[10]选取HSG型液压缸。3.1.3转腕液压缸，回转液压缸，转台行走液压缸，行走车液压马达因为转腕液压缸要带动机械手的转动，实现手腕的的仰俯，所以在设计过程中，需要采用直线液压缸两个，推动齿条，带动转腕轴上的齿条使机械手的手腕俯仰转动。该液压缸的活塞杆未带活塞部分带有齿条，以带动转腕轴上的齿条使机械手的手腕仰俯转动，两个液压缸考回转轴实现刚性同步。而对于转台行走液压缸以及行走车液压马达需根据系统的油压进行计算。手臂回转液压缸，当手指夹着工件，手臂旋转时，液压缸需克服的摩擦力矩最大。MNGrrfMf5.2205.045001.0（10）所选液压马达的型号及参数如表2所示。表2液压马达型号及参数Table2Themodelandparametersofhydraulicmotor型号额定转速（r/min)额定转矩（NM)额定压力(Mpa)排量（Ml/r)流量