鑄件搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u24596鑄件搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1176351.1鑄件搬運(yùn)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 1223961.2鑄件搬運(yùn)機(jī)械手的工作原理 4278541.3手爪設(shè)計(jì) 5217451.4手碗設(shè)計(jì) 8138071.5上動(dòng)臂設(shè)計(jì) 11209161.6回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì) 13249221.7前動(dòng)臂設(shè)計(jì) 14移位是鑄造生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要工作，特別是缸體鑄造，由于缸體較重，容易發(fā)生磕碰損壞，使得缸體的鑄件形狀各異，位置隨意，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，適應(yīng)了移位部位的多樣化，以往單純依靠人力移位缸體鑄件，已不能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)的實(shí)際需要。為實(shí)現(xiàn)鑄件取放功能，滿足靈活、準(zhǔn)確、穩(wěn)定取放鑄件的要求，鑄造行業(yè)急需一種操作靈活、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、工作環(huán)境良好的設(shè)備。1.1鑄件搬運(yùn)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)、柴油機(jī)工業(yè)中應(yīng)用鑄件搬運(yùn)機(jī)械手取得了很大的成功，滿足了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。本裝置適用于靜壓型線下砂作業(yè)，能滿足惡劣作業(yè)環(huán)境的要求，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本機(jī)采用人工操作，完成了落砂機(jī)的取、放、運(yùn)、熱等工序，鏟澆冒口已清理干凈，效果良好。隨著科技的發(fā)展和應(yīng)用的深入，技術(shù)不斷完善，質(zhì)量不斷提高，在控制技術(shù)、可靠性等方面均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。機(jī)械臂提升了綜合水平。下面是測(cè)試原型。圖1.1鑄件搬運(yùn)機(jī)械手試驗(yàn)樣機(jī)因其動(dòng)作靈活，工作沖擊穩(wěn)定，維護(hù)方便，并能提供較大的動(dòng)力和提升力，已成為鑄造搬運(yùn)機(jī)械手的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，應(yīng)用十分廣泛。鑄造加工機(jī)械臂主要包括以下幾個(gè)部分：工作部分、操作部分、轉(zhuǎn)動(dòng)部分、液壓部分、電氣控制部分等。操作裝置包括：手爪、腕部、前臂、前臂、頂桿、上動(dòng)臂、上動(dòng)臂、下動(dòng)臂、液壓缸；作業(yè)設(shè)備有活動(dòng)臂、控制平臺(tái)等。轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)包括底座、支架、轉(zhuǎn)盤(pán)、電機(jī)等。水力機(jī)械包括：泵站、管子、接頭等；電控設(shè)備包括：電控柜、電路、設(shè)備、控制室等。1.手爪1.手腕3.前動(dòng)臂4.前動(dòng)臂拉桿5.頂桿6.上連臂7.上動(dòng)臂拉桿8.上動(dòng)臂9.下連臂10.回轉(zhuǎn)裝置圖1.2鑄件搬運(yùn)機(jī)械手整體構(gòu)成圖液壓澆注搬運(yùn)機(jī)械手的工作裝置類(lèi)型單一，主要結(jié)構(gòu)形式是鉸接式連接。鑄造機(jī)械臂的前、上動(dòng)臂均為規(guī)則截面箱梁式結(jié)構(gòu)，其每一液壓缸、每一拉桿、每一頂桿均可視為桿，僅需受拉壓荷載。根據(jù)上述原理，將其工作裝置簡(jiǎn)化為前動(dòng)臂、上動(dòng)臂、手爪、腕部、連臂、頂桿、拉桿和液壓油缸四自由度連桿機(jī)構(gòu)。圖1.3工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖1.2鑄件搬運(yùn)機(jī)械手的工作原理這種機(jī)械臂是典型的機(jī)電液一體化設(shè)備，它可以實(shí)現(xiàn)主從隨動(dòng)控制，由電液控制系統(tǒng)控制工作，再根據(jù)操作者的要求操作機(jī)械，完成相應(yīng)的工作，其基本性能見(jiàn)下表。操作者通過(guò)操縱主動(dòng)臂，完成機(jī)械手的手爪、腕部、工作裝置和旋轉(zhuǎn)裝置的全部動(dòng)作。操作人員在移動(dòng)主動(dòng)臂時(shí)，由于工作裝置受系統(tǒng)監(jiān)控，將自動(dòng)使其與主動(dòng)臂平行，即工作裝置的運(yùn)動(dòng)隨主動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)而變化，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)臂的隨動(dòng)功能，從而達(dá)到同步效果。監(jiān)測(cè)工作裝置和活動(dòng)臂分別驅(qū)動(dòng)各自的電位器運(yùn)動(dòng)，使其產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)角度成正比的直流電壓。在液壓系統(tǒng)中，通過(guò)比較兩種電位器產(chǎn)生的電位信號(hào)，放大兩種電位器產(chǎn)生的誤差信號(hào)，控制伺服閥在液壓系統(tǒng)中的工作，使機(jī)械裝置和活動(dòng)臂連續(xù)改變運(yùn)動(dòng)速度和方向。該機(jī)械手通過(guò)控制主動(dòng)臂實(shí)現(xiàn)左右旋轉(zhuǎn)。電位計(jì)與主動(dòng)臂相連，產(chǎn)生直流電壓信號(hào)。通過(guò)多個(gè)信號(hào)變換來(lái)控制伺服閥。再根據(jù)電流大小和正反轉(zhuǎn)方向確定旋轉(zhuǎn)裝置的液壓油。使機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向。主手臂上設(shè)有控制爪子所有動(dòng)作的按鈕，可以實(shí)現(xiàn)各種爪子的開(kāi)合、傾斜和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。表1.1機(jī)械手的基本參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)最大抓取負(fù)荷/kg1000自由度數(shù)/個(gè)6工作半徑/mm2000-5000立柱轉(zhuǎn)角范圍/°±165手爪張開(kāi)尺寸/mm0-1000（a）工作半徑示意圖（b）立柱轉(zhuǎn)角范圍示意圖圖1.4鑄件搬運(yùn)機(jī)械手工作范圍1.3手爪設(shè)計(jì)采用液壓缸驅(qū)動(dòng)夾爪，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)合、抓鑄件功能，完成鑄件取放，主要包括連接架、油缸、爪體等三維結(jié)構(gòu)。圖1.5顯示了該模型，圖1.6顯示了它的結(jié)構(gòu)組成，圖1.7顯示了抓鑄件的工作狀態(tài)。圖1.6手爪三維模型1.連接架1.液壓缸1.爪體圖1.7手爪結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖圖1.9手爪受力分析簡(jiǎn)圖手持式零件需要液壓缸的推力來(lái)提供手持式零件。就爪體與鑄坯的接觸形式而言，為保證手抓鑄件不滑脫，必須克服爪體與鑄坯之間的摩擦，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，爪體與鑄坯之間的靜摩擦系數(shù)為μ=0.4。對(duì)鑄造手爪握持時(shí)的受力情況進(jìn)行分析，計(jì)算所需握持壓力，簡(jiǎn)化手爪握持后的分析見(jiàn)圖1.9。根據(jù)摩擦力計(jì)算公式F在這些參數(shù)下，F(xiàn)摩是夾持器與鑄件之間的靜摩擦力，而μ=0.4則是夾具和鑄坯之間的靜摩擦系數(shù)，F(xiàn)夾是夾具對(duì)鑄坯的拉力。要保證手爪抓取鑄件不掉落，則2式中，Go=9800N為鑄件的重力。根據(jù)該公式，可計(jì)算出夾持器在鑄件處的最小抗拉強(qiáng)度F計(jì)算得F對(duì)液壓油缸伸出力量分析，根據(jù)力的平衡方程∑得F式中，為液壓缸的推力;=0.279m為力到B點(diǎn)的力臂;為爪體對(duì)鑄件的夾持力;為力到B點(diǎn)的力臂。計(jì)算得，=47946.2N.手爪開(kāi)合油缸最大速度51mm/s根據(jù)最大負(fù)載參考下表選取液壓缸工作壓力為4MPa,負(fù)載F/N<50005000~1000010000~2000020000~3000030000~50000>50000液壓缸工作壓力/MPa<0.8~11.5~21.5~33~44~5≥5~7A式中，A2/A1一般由快速進(jìn)、退速度比與回路結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如當(dāng)快進(jìn)時(shí)是液壓缸的無(wú)桿腔進(jìn)油、有桿腔回油，而快退時(shí)是有桿腔進(jìn)油、無(wú)桿腔回油，快進(jìn)、快退時(shí)的流量Q均相同（一般為泵的最大供油流量），這時(shí)快速進(jìn)、退的速度比v1/v2為v即這時(shí)的液壓缸兩腔的面積比由快速進(jìn)、退的速度比λv確定。當(dāng)快進(jìn)時(shí)采用差動(dòng)連接液壓回路，快退時(shí)采用有桿腔進(jìn)油、無(wú)桿腔回油，并且要求快速進(jìn)、退速度相等時(shí)，則應(yīng)A2/A1=1/2。按活塞桿受力情況選取活塞桿直徑活塞桿受力情況工作壓力p/MPa活塞桿直徑d受拉-d=(0.3~0.5)D受壓及拉P≤5d=(0.5~0.55)D受壓及拉5<p≤7d=(0.6~0.7)D受壓及拉p>7d=0.7D得d=0.5D根據(jù)上述結(jié)果和壓力公式，確定d為80mm。D=160mm,p液得，液壓缸的液壓壓力為p液=9.54MPa系統(tǒng)的液壓必須大于9.54MPa，夾具才能牢牢抓住鑄件。1.4手碗設(shè)計(jì)手腕連接手部和前出口。通過(guò)液壓油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手部的聲波運(yùn)動(dòng)，通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)手部，使其旋轉(zhuǎn)并踩踏。如下圖所示，包括機(jī)架，連接架，油缸，馬達(dá)等。圖1.10手腕三維模型圖機(jī)架1.液壓馬達(dá)1.連接架4.液壓缸圖1.11手腕結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖根據(jù)公式得(3-7)式中，為液壓缸的推力;=0.18m為力到B點(diǎn)的力臂:=9800N為鑄件的重力;1.825m為力到B點(diǎn)的力臂;力=5129.3N為手爪的重力；=1.067m為力到B點(diǎn)的力臂。計(jì)算得，=129766.6N。手腕俯仰油缸最大速度67mm/s根據(jù)最大負(fù)載參考下表選取液壓缸工作壓力為6MPa,負(fù)載F/N<50005000~1000010000~2000020000~3000030000~50000>50000液壓缸工作壓力/MPa<0.8~11.5~21.5~33~44~5≥5~7A式中，A2/A1一般由快速進(jìn)、退速度比與回路結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如當(dāng)快進(jìn)時(shí)是液壓缸的無(wú)桿腔進(jìn)油、有桿腔回油，而快退時(shí)是有桿腔進(jìn)油、無(wú)桿腔回油，快進(jìn)、快退時(shí)的流量Q均相同（一般為泵的最大供油流量），這時(shí)快速進(jìn)、退的速度比v1/v2為v即這時(shí)的液壓缸兩腔的面積比由快速進(jìn)、退的速度比λv確定。當(dāng)快進(jìn)時(shí)采用差動(dòng)連接液壓回路，快退時(shí)采用有桿腔進(jìn)油、無(wú)桿腔回油，并且要求快速進(jìn)、退速度相等時(shí)，則應(yīng)A2/A1=1/2。按活塞桿受力情況選取活塞桿直徑活塞桿受力情況工作壓力p/MPa活塞桿直徑d受拉-d=(0.3~0.5)D受壓及拉P≤5d=(0.5~0.55)D受壓及拉5<p≤7d=(0.6~0.7)D受壓及拉p>7d=0.7D得d=0.5D根據(jù)上述結(jié)果和壓力公式,得d為125mm的活塞，D=250mm,發(fā)動(dòng)機(jī)的最大流量為4.075L/min。當(dāng)液缸完全伸出且定位爪完全升起時(shí)，液缸具有最大推力。根據(jù)公式得F液在這些力臂中F液是液壓缸推力的液體；L液為0.18m，力臂F液到B：G0=9800n，力臂L0=1.825m，力臂G0到B；G爪=5129，N為手爪的重力；L爪=1.067m為G爪到B點(diǎn)的力臂。由計(jì)算式

p液=總之，為了保證液壓系統(tǒng)的自由運(yùn)動(dòng)，夾具和手腕的壓力大于10.56MPa。1.5上動(dòng)臂設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸推動(dòng)爪、手腕和前臂來(lái)回?cái)[動(dòng)，達(dá)到預(yù)定的工作半徑。它由以下部分組成：1.2和圖1.3所示結(jié)構(gòu)。上出口、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、下出口、彈射機(jī)構(gòu)和前出口組成四個(gè)階段，手、腕、前臂等機(jī)構(gòu)的力量主要集中在上滅火器的上桿和拉桿上，而上擠出機(jī)上的力集中在波長(zhǎng)上。因此，液壓缸和上缸的強(qiáng)度分析大致可以基于：只有上艙口受液壓缸本身的力，上模型的三維模型如圖1.12所示，力學(xué)分析如圖1.13所示。圖1.12上動(dòng)臂三維模型圖1.13上動(dòng)臂力學(xué)分析簡(jiǎn)圖根據(jù)公式得（3-8）式中，為液壓缸的推力;=0.271m為力到B點(diǎn)的力臂;5468.4N為上動(dòng)臂的重力;0.516m為上到B點(diǎn)的力臂。計(jì)算得，=10373.9N.上動(dòng)臂油缸最大速度:83mm/s根據(jù)最大負(fù)載參考下表選取液壓缸工作壓力為1.5MPa,負(fù)載F/N<50005000~1000010000~2000020000~3000030000~50000>50000液壓缸工作壓力/MPa<0.8~11.5~21.5~33~44~5≥5~7A式中，A2/A1一般由快速進(jìn)、退速度比與回路結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如當(dāng)快進(jìn)時(shí)是液壓缸的無(wú)桿腔進(jìn)油、有桿腔回油，而快退時(shí)是有桿腔進(jìn)油、無(wú)桿腔回油，快進(jìn)、快退時(shí)的流量Q均相同（一般為泵的最大供油流量），這時(shí)快速進(jìn)、退的速度比v1/v2為v即這時(shí)的液壓缸兩腔的面積比由快速進(jìn)、退的速度比λv確定。當(dāng)快進(jìn)時(shí)采用差動(dòng)連接液壓回路，快退時(shí)采用有桿腔進(jìn)油、無(wú)桿腔回油，并且要求快速進(jìn)、退速度相等時(shí)，則應(yīng)A2/A1=1/2。按活塞桿受力情況選取活塞桿直徑活塞桿受力情況工作壓力p/MPa活塞桿直徑d受拉-d=(0.3~0.5)D受壓及拉P≤5d=(0.5~0.55)D受壓及拉5<p≤7d=(0.6~0.7)D受壓及拉p>7d=0.7D得d=0.5D根據(jù)上述結(jié)果和壓力公式,得為d上=160mm，D=320mm.最大速度v上=83mm/s根據(jù)公式p液=F液S綜上，為了保證液壓缸能夠驅(qū)動(dòng)上動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)手爪、手腕及前動(dòng)臂等前后擺動(dòng)，系統(tǒng)液壓壓力需要大于1.06MPa.1.6回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)其主要功能是完成整個(gè)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并與上出口、左下臂、頂出器和控制室組成一個(gè)整體，三維模型如圖1.14所示，結(jié)構(gòu)如圖1.15所示。圖1.14回轉(zhuǎn)裝置三維模型圖1.15回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖在旋轉(zhuǎn)裝置中，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和支架通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。齒數(shù)Z1=94，模數(shù)

ml=10，壓力角α1=20°；出口軸回轉(zhuǎn)齒輪，Z2=13,m2=10模數(shù)，α2=20°壓力角。因?yàn)榛剞D(zhuǎn)機(jī)的最快轉(zhuǎn)速是V支=50

r/min，所以可以根據(jù)下面的公式來(lái)計(jì)算支承齒輪的最快轉(zhuǎn)速是V支。根據(jù)齒輪傳動(dòng)比公式(3-9)得回轉(zhuǎn)馬達(dá)與支座之間的傳動(dòng)比為7.23因此，可以根據(jù)馬達(dá)的最快轉(zhuǎn)速計(jì)算出支座的最快轉(zhuǎn)速。即(3-10)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出支座的最快轉(zhuǎn)速為6.9r/min.根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，該轉(zhuǎn)速能夠滿足要求。此時(shí)回轉(zhuǎn)阻力矩T=Jω=m鑄件R2（2πV支）=1000*1.52(2π*6.9)=270961.4Nm回轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速最快為50r/min1.7前動(dòng)臂設(shè)計(jì)前臂是一個(gè)典型的核心組成部分的鑄造處理機(jī)械手，它假設(shè)了一個(gè)完整的盒子結(jié)構(gòu)。三維模型如圖1.16所示，與固定部分相比，空心體結(jié)構(gòu)更適合下臂的彎扭變形，具有更高的彎扭剛度和更輕的重量，可以有效地提高夾持載荷。圖1.16前動(dòng)臂三維模型（1）前動(dòng)份的受力分析鑄造機(jī)械手用于鑄造零件時(shí)，其運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力非常復(fù)雜，機(jī)械手的工作環(huán)境惡劣，操作條件復(fù)雜，所用鑄件的形狀、尺寸和重量不同，對(duì)前臂的動(dòng)力有很大的影響。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理通常是兩個(gè)或兩個(gè)以上，這是對(duì)機(jī)械手進(jìn)行精確的力學(xué)分析，在記錄和放置鑄件的過(guò)程中，機(jī)械手的下臂會(huì)受到許多應(yīng)力如拉壓、扭轉(zhuǎn)、擺動(dòng)、沖擊和振動(dòng)的影響。此外，由于鑄體尺寸和姿態(tài)的不同以及機(jī)械手整個(gè)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中慣性力的影響，實(shí)際受力難以確定，是導(dǎo)致后臂下臂失效的主要原因。機(jī)械爪子抓著下面的鑄件。在最大工作半徑范圍內(nèi)，機(jī)械手的前臂受力以爪、腕、澆注重物的作用產(chǎn)生的彎矩為主；二是機(jī)械手抓持鑄件，當(dāng)上動(dòng)臂和前動(dòng)臂收縮到最小工作半徑時(shí)，由手爪、手腕和鑄件重量引起的力矩是影響機(jī)械手抓持鑄件性能的主要因素。對(duì)于機(jī)械手的前動(dòng)臂，在第一工況下的強(qiáng)度計(jì)算中，可以考慮到兩種工況，其中前動(dòng)臂受力較大，具體情況見(jiàn)下圖。目前，動(dòng)臂式起重機(jī)初次工作時(shí)，前動(dòng)臂式液壓缸全部處于開(kāi)啟狀態(tài)，機(jī)械手的最大負(fù)荷取決于鑄件的最大重量。圖1.17機(jī)械手第一種工作狀態(tài)圖圖1.18機(jī)械手第一種工作狀態(tài)簡(jiǎn)圖首先把手爪、腕部簡(jiǎn)化為假設(shè)為等截面的連桿l20，然后對(duì)連桿進(jìn)行力學(xué)分析；根據(jù)力學(xué)分析原理和機(jī)械平衡原理，推導(dǎo)出零件平衡方程。ΣFFNx通過(guò)上述公式，可以計(jì)算出前動(dòng)臂鉸接點(diǎn)H、M處的受力中心、氣度及方向。具體數(shù)值見(jiàn)下表。表1.2前動(dòng)臂鉸接旋轉(zhuǎn)處承受載荷力單位數(shù)值FHN254726.8FMN262394.1（2）前動(dòng)份的設(shè)計(jì)前臂架一般采用各種規(guī)格和形狀的定制焊板。依據(jù)機(jī)械手臂能達(dá)到的最高位置、最低位置、最大角度和工作半徑等最大工作范圍，來(lái)確定機(jī)械手臂前臂各關(guān)節(jié)的總長(zhǎng)度。點(diǎn)位。前臂采用橫截面均勻的梁式結(jié)構(gòu)，保證其工作的可靠性。較大外力作用于前臂兩端時(shí)，會(huì)引起較大載荷。為承受較大的外力，將前臂兩端的方管焊接在鋼板上。前動(dòng)臂的支座也是一個(gè)較大的受力部位，屬于前動(dòng)臂的危險(xiǎn)截面處，因此在前動(dòng)臂的各個(gè)鉸點(diǎn)上都增加了穿管結(jié)構(gòu)，增加了支座的承載面積，使其能夠承受較大的載荷。為提高零件的力學(xué)性能，在前動(dòng)臂中間還設(shè)計(jì)了通孔，并設(shè)計(jì)了貫通式筒體結(jié)構(gòu)?；谝陨显O(shè)計(jì)思想，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，確定了前動(dòng)臂的尺寸如下。圖1.19機(jī)械手前動(dòng)臂尺寸圖（3）前動(dòng)臂的校核采用鑄造重量與前臂自重相結(jié)合的方法，結(jié)合工作裝置的位置狀態(tài)及力學(xué)理論原理，對(duì)機(jī)械手前臂的力學(xué)性能進(jìn)行了校核，簡(jiǎn)化了機(jī)械手前臂的結(jié)構(gòu)，提供了理論計(jì)算。便于快速計(jì)算通過(guò)連接點(diǎn)與端點(diǎn)的部分載荷。在此基礎(chǔ)上，分別抽取前動(dòng)臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，根據(jù)計(jì)算出的受力情況，繪制結(jié)構(gòu)力矩圖，選取截面，按力學(xué)原理計(jì)算出截面上的彎矩、軸向力和剪切力等，最后進(jìn)行高應(yīng)力集中強(qiáng)度校核。本論文的研究對(duì)象是機(jī)械手工作裝置在最大伸展?fàn)顟B(tài)下的位置，機(jī)械手爪在最大載荷下的位置，機(jī)械手在無(wú)外力下的位置。在工藝受力分析的基礎(chǔ)上，選取前臂