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抓料机小臂及抓爪部分设计

发布时间:2020-09-30 03:47

  抓料机小臂设计摘要 抓料机小臂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,而移动关节则实现上下运动,其工作空间如工作空间图,它的纵截面 为矩形的回转体,纵截面高为移动关节的行程长,两回转关节转角的大小决定 回转体截面的大小、形状。 关键词: 轴承汽缸 Abstract Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints onemove joints twoslew joints control backleft movejoints control workroom workroom drawing verticalsection rectangleslew verticalsection movejoints’ journey moveangle twoslew joints decide verticalsection Keywords: manipulator axletree cylinder 受整个国民经济增长的影响,原材料工业、能源、石油、化工、汽车等各个行业都会有非常大的发展。在这些行业发展的同时直接会带动散料机械装备 工业的发展。 就钢铁工业而言,受建筑、汽车工业的影响,钢铁工业飞速发展,我国已经 连续六年局世界第一产钢大国,同时又是第一钢铁消费大国。到2002年钢的产量 已经达到1.8亿吨,并以每年300万吨的速度增长。近几年在股市上钢铁板块普 遍看好,建筑业的发展和技术的提高加大了对钢铁的需求,中国建筑业在钢铁的 应用数量方面和世界发达国家相比还有很大的差距,随着建筑业的不断发展这一 行业对钢铁的需求会更会加大。汽车进入百姓耐用消费品市场已经开始,汽车 产业的发展也拉动钢材的需求量。机械制造业、家用电器、造船业、石油天然 气、集装箱等各行业的发展都会拉动中国钢铁企业的发展,使钢铁企业加大投 入,并且现在已有部分民营资本进入钢铁行业。钢铁事业的发展离不开矿石和 煤炭,而煤炭和矿石的运输和储存必须使用散料机械,这些设备包括皮带运输 机,装船机、卸船机,抓料机等散料机械。在钢铁企业的发展过程中加大了钢 的产量,也加大了对煤炭和矿石的需求,国产矿石和目前进口的矿石数量已经 满足不了钢铁企业发展的要求,会有更多的矿石进口到中国,其中会有来自澳 大利亚、巴西的铁矿石通过港口转运到各个钢铁企业。南部沿海的广西、广东 各个口岸,华东地区、山东、渤海湾等各大港口会进口更多的来自国外的铁矿 石,所以在钢铁企业的发展过程中最先发展的是沿海各个口岸的交通。在新建 的矿石港口的泊位中也将以大吨位船只的泊位为主。在钢铁企业矿石需求发展 港口的同时还会同时发展钢铁企业内的原料长场的建设,这里会包括在钢铁企 业内部的一次料场和二次料场,同时钢铁企业也会加大对煤炭的需求,将有大 量的煤炭经过北方港口装船运往南方,所以,在钢铁行业快速发展的推动下, 在港口和钢铁企业,散料机械会有一个十分巨大的市场发展空间。散料机械在 港口行业的高速发展已经开始并会持续一定的时间。 在电力方面,前几年部分电力部门出现了供大于求的矛盾,部分电厂限制 发电或只是部分机组开机,受国民经济持续增长的影响,各行各业用电量也在 不断的增长。现在在南方的部分地区出现了电力紧缺的情况,为缓解和解决电 力紧缺的矛盾,在电力方面必然会加大其投入。电厂的增加使煤炭的需求量增加,各个煤矿会加大煤炭产量,以满足电力市场对煤炭的需求,在电力方面也 存在着大量的煤炭北煤南运,同钢铁行业一样,也会大幅度增加散料机械的需 求量。电厂和港口都会因为电力企业的发展增加对散料机械的需求。 在沙石、水泥等建材行业也随着国民经济的发展和固定资产投入的加大而 得到迅猛的发展。散料机械虽然在建材行业的应用设备形式较小,但其在全国 的数量是巨大的,混匀堆取料机、刮板取料机、皮带运输机的数量同样会有一 个大的发展。 全套设计请加197216396 或401339828 国内堆取料机的设计已有近四十年年的历史,最早制造的一两台设备投入使用也有三十四年的历史。最早的抓料机设计可以追溯到1966 年,当时参加设 计和研制的单位有:北京钢铁设计院、大连工矿车辆厂、北京起重机械研究 所、鞍山钢铁设计院、哈尔滨重机厂、华北电力设计院、东北电力设计院、西 北电力设计院等单位。 当时国内部分钢厂、码头急需使用此类设备,国外当时已使用了十余年, 为满足当时的社会需要开发了我国早期的抓料机。这些单位为中国抓料机事业 的早期发展做出了贡献,奠定了这一行业的基础。虽然当时的产品和现代产品 在质量上和控制水平上存在着很大的差别,但这些早期的产品对当时的电力企 业和钢铁企业的发展起到了十分重要。 八十年代,随着电力工业和钢铁工业的发展,抓料机的事业也得到了十分迅 猛的发展,在电力部门的使用数量有很大的提高,并且在港口上的使用量剧 增。宝钢的原料码头,秦皇岛港、连云港、北仑港、西基港、烟台港、天津 港、大连港等相继一大批港口增设了散料码头用于煤炭或矿石的转运。九十年 代国内抓料机的事业发展更是向数量更多,应用更广的方向发展。在钢铁企 业、电力企业、各大港口几乎都可以看到抓料机的应用。在港口人们也已经把 抓料机当作一种港口机械。 在抓料机的出口方面国内的产品还比较少,大多数出口的产品是和某些成 套项目共同出口到其他国家。其次是和国外的某些公司联合制造,为其制造焊 接件和机械加工件出口。 在进口方面,最早的抓料机的进口是: 1980-1981 年上海宝钢进口日本的十九台抓料机; 1981 年北仑港进口两台 1988年福州华能电厂,大连华能电厂等。 在国内项目和国外合作制造的有: 1982 年石臼港项目;1984 广州西基码头;1988年宝钢二 期项目;1995-1996 年宝钢三期项目;2000 宝钢马迹山港项目;2001 厂、北仑电厂、江由电厂、硌磺电厂等基本上采用了引进技术合作制造的模式生产的抓料机。 进口和引进的主要国家来自日本、美国、德国、法国、奥地利、意大利等 产品的进口和技术的引进大大缩短了国产设备和国外设备的差距,使国内本行业的产品在质量上有了很大的提高。目前国内的产品质量基本可以满足国 内用户的要求,现在可设计制造抓料机的厂家达五六家。 经过几十年的发展,我国的抓料机研制水平取得了较大提高,但同发达国 家相比,仍存在明显差距,其控制技术仅限于基于可编程控制器(PLC)为核心 的单机控制,作业水平也仅限于单机手动方式。现在国内的抓料机已经从最初 的研究转向发展,向更高的产品质量和设计水平迈进。国内已经开展了抓料机 自动控制方面的引进和开发工作,已能生产带有半自动微机程控系统的机型, 控制水平已达到了20 世纪70 年代末国际水平。 抓料机总体设计抓料机是一种模仿人手部分动作,按照预先设定的程序,轨迹或其他要 求,实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就 已用于生产,是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置,开始主 要用来实现自动上下料和搬运工件,完成单机自动化和生产线自动化,随着应 用范围的不段扩大,现在用来夹持工具和完成一定的作业。实践证明它可以代 替人手的繁重劳动,减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高劳动生产率。 平面关节型机器人又称SCARA 型装配机器人,是Selective Compliance Assembly Robot Arm 的缩写,意思是具有选择柔顺性的装配机器人手臂。在水 平方向有柔顺性,在垂直方向有较大的刚性。它结构简单,动作灵活,多用于装配作业中,特别适合小规格零件的插接装配,如在电子工业零件的插接、装 配中应用广泛。 总体设计的任务:包括进行抓料机的运动设计,确定主要工作参数,选择 驱动系统和电控系统,整体结构设计,最后绘出方案草图。 1.1 主要技术参数见表1-1 表1-1 抓料机类型 平面关节型 抓取重量 2.2Kg 自由度 个回转1个移动) 长700mm,回转运动,回转角240,步进电机驱动单片机控制 小臂 长600mm,回转运动,回转角240,步进电机驱动 单片机控制 移动关节 气缸驱动 行程开关控制 手指 气缸驱动 行程开关控制 1.2 结构特点如下图: 手指设计抓料机的手部是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准 确和牢靠程度都将直接影响到抓料机的工作性能,它是抓料机的关键部件之 2.1设计时要注意的问题: 手指应有足够的夹紧力,为使手指牢靠的夹紧工件,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。 手指应有一定的开闭范围。其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。 根据应用条件考虑通用性。2.2 零件的计算 2210 10 282600 7800 282600150 2535 kgvg mg 其中g取10 取G=23(N) 2.3 紧力的计算: 2.3.1 为手指与工件的静摩擦系数,工件材料为40号钢,手指为钢材,查 《机械零件手册》 表2-5 f=0.15 所以 33 3815 取N=40(N)驱动力的计算 传动,查《机械零件手册》表2-2 这里取 0.85 92 5085 4015 取p=55(N)2.3.2 活塞手抓重量的估算 2310 7800 150 25 14 为长度,g取10 2.3.3 汽缸的设计 因为气压工作压力较低,对气动组件的材质和精度要求较液压底,无污 染,动作迅速反映快,维护简单,使用安全。而且此处作用力不大,所以选气 压传动。 汽缸内型选择,由于行程短,选单作用活塞汽缸,借弹簧复位。 汽缸的计算 气压缸内径D 的计算 按《液压传动与气压传动》公式 13-1 为汽缸的内径(m),P为工作压力(Pa), 为负载率,负载率与汽缸工作压 力有关,取,查《液压传动与气压传动》表13-2 由于 40 按《液压传动与气压传动》表13-3圆整取32mm. 活塞杆直径d 的计算 一般 ,此选0.2 按《液压传动与气压传动》表13-4圆整取8mm 汽缸壁厚 的计算 按《液压传动与气压传动》表13-5查得 弹簧力的F的计算 移动关节的设计计算3.1 驱动方式的比较 抓料机的驱动系统有液压驱动,气压驱动,电机驱动,和机械传动四种。 一台抓料机可以只用一种驱动,也可以用几种方式联合驱动,各种驱动的特点 见表3-1。 3.2 汽缸的设计 因为气压工作压力较低,对气动组件的材质和精度要求较液压底,无污 染,动作迅速反映快,维护简单,使用安全。而且此处作用力不大,所以选气 压传动。 汽缸内型选择:因为活塞行程较长,往复运动,所以选双作用单活塞汽 缸,利用压缩空气使活塞向两个方向运动。 初选活塞杆直径d=12mm,估算其重量 107800 55 取5N51 2323 取80N表3-1 驱动方式 电机 驱动 比较 机械传动异步电 机,直流 电机 步进或伺服 电机 气压传动 液压传动 输出 力矩 输出力矩较大 输出力可 较大 输出力矩较 气体压力小,输出力 矩小,如需 输出力矩较 大,结构尺 液体压力高,可 以获得较大的输 出力 寸过大控制 性能 速度可高,速 度和加速度均 由机构控制, 定位精度高, 可与主机严格 同步 控制性能 较差,惯 控制性能好,可精确 定位,但控 制系统复杂 可高速,气 体压缩性 大,阻力效 果差,冲击 较严重,精 确定位较困 难,低速步 易控制 油液压缩性小, 压力流量均容易 控制,可无级调 速,反应灵敏, 可实现连续轨迹 控制 体积 当自由度多 时,机构复 杂,体积液较 要油减速装置,体 积较大 体积较小 体积较大 在输出力相同的 条件下体积小 维修 使用 维修使用方便 维修使用 方便 维修使用较 复杂 维修简单, 能在高温, 粉尘等恶劣 环境种使 用,泄漏影 维修方便,液体对温度变化敏 感,油液泄漏易 着火 应用 范围 适用于自由度 少的专用抓料 机,高速低速 均能适用 适用于抓 取重量大 和速度低 的专用抓 可用于程序复杂和运动 轨迹要求严 格的小型通 中小型专用通用抓料机 都有 中小型专用通用 抓料机都有,特 多用成本 结构简单,成 本低,一般工 厂可以自己制 成本低成本较高 结构简单, 能源方便, 成本低 液压元件成本较 高,油路也较复 气压缸内径D的计算 按《液压传动与气压传动》公式 13-1 为汽缸的内径(m),P为工作压力(Pa), 为负载率,负载率与汽缸工作压 力有关,取,查《液压传动与气压传动》表13-2 由于 40 汽缸垂直安装,所以取P=0.3。一般,此选0.3 1091 1091 按《液压传动与气压传动》表13-3圆整取40mm. 一般 ,此选0.3 mm12 40 汽缸壁厚的计算 按《液压传动与气压传动》表13-5查得 2310 7800 55 其中:R为汽缸外径,r 为汽缸内径,h 为汽缸长度,g 取10, 为汽缸材料密 小臂的设计臂部是抓料机的主要执行部件,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。 4.1 设计时注意的问题 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。 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。 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。 导向性要好。4.2 小臂结构的设计 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 mm 7310 取75N其受力如下图: F=75+105=180(N) MPaMPa 按《材料力学》公式5.11hb 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 MPa MPa hb 10100 180 所以选10号工字钢合适。 轴的设计计算大轴的直径取20mm,材料为45 验算:F=180N 92610 10 625 MPaMPa 1010 所以合适4.4 轴承的选择 因为上轴承只受径向,下轴承受轴向力和径向力,所以选用圆锥滚子轴承,按 《机械零件手册》表9-6-1(GB 297-84)选7304E,d=20mm e=0.3 kN 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 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。按《机械设计》表3-8作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷, 处1.5.上轴承受纯径向载荷, 因此轴承合适.下轴承受径向和轴向载荷, 962180 因此轴承合适小轴承受力很小,所以不用教核 4.5 轴承摩擦力矩的计算: 如果 为基本额定动载荷,P为所受当量动载荷),可按《机械 10 设计手册》第二版(16.1-13)公式: 估算 Fd 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《机械设计手册》第二版表16.1-29 ,所以也可以用此公式估算10 56 1825 92617200 9620011 查表《机械设计手册》第二版表16.1-29 ,所以也可以用此公式估算10 150 180 27000 1800013 取0.14.6 驱动选择 因为所需驱动力小,精度要求不很高,所以选择控制方便,输出转角无长 期积累误差的步进电机。 步进电机的选择:步距角要小,要满足最大静转矩,因为转速低不考虑矩频 特性,按《机电综合设计指导》表2-11 BF 反应式步进电动机技术参数表查 选45BF005,其主要参数如下: 步矩角1.5度,电压27 伏,最大静转矩0.196N.M,质量0.4kg,外径45mm, 长度58mm,轴径4mm。 精度验证:能够满足精度要求, sin(600 mmmm 的齿数为20,的齿数为70。 按《机械原理》表8-2标准模数系列表(GB1357-87)取m=1,取 齿轮宽度计算:按《机械设计》表10-7 圆柱齿轮的齿宽度系数 为了防止两齿轮因装配后轴向稍有错位而导致啮合齿宽减少,要适当加宽,所以取24mm 大臂的设计计算5.1 结构的设计 把大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14 号工字钢。理论重 ,小臂 mm 12610 其受力如图:F=75+105+140=320(N) MPaMPa 16125 按《材料力学》公式5.11hb 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 MPa MPa hb 10140 320 所以选10号工字钢合适。 5.2 轴的设计计算 轴的直径取20mm,材料为45 其受力如下图:验算: F=320N 200110 14 125 MPaMPa 1010 5.3轴承的选择 大轴轴承的选择:因为上轴承只受径向,下轴承受轴向力和径向力,所以 选用圆锥滚子轴承,按《机械零件手册》表9-6-1(GB 297-84)选7304E, d=20mm e=0.3 kN 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: 《机械设计》13-17 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。按《机械设计》表3-8作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷, 处1.5.上轴承受纯径向载荷, 因此轴承合适.下轴承受径向和轴向载荷, 2001320 因此轴承合适小轴承受力很小,所以不用教核 5.4 轴承摩擦力矩的计算 为基本额定动载荷,P为所受当量动载荷),可按《机械设计 10 手册》第二版(16.1-13)公式: 估算 Fd 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《机械设计手册》第二版表16.1-29 ,所以也可以用此公式估算10 59 142001 29200 20010011 查表《机械设计手册》第二版表16.1-29 ,所以也可以用此公式估算10 84320 27000 3200013 取0.15.5 伺服系统的选择 因为所需驱动力小,精度要求不很高,所以选择控制方便,输出转角无长期 积累误差的步进电机。 步进电机的选择:步距角要小,要满足最大静转矩,因为转速低不考虑矩频 特性,按《机电综合设计指导》表2-11 BF 反应式步进电动机技术参数表查 选45BF005,其主要参数如下: 步矩角1.5度,电压27 伏,最大静转矩0.196N.M,质量0.4kg,外径45mm, 长度58mm,轴径4mm。 精度验证: sin(1400 mmmm 所以不能满足精度要求,不能直接传动,要变速机构在此选用直齿圆柱齿轮 的齿数为20,的齿数为70。 按《机械原理》表8-2标准模数系列表(GB1357-87)取m=1,取 齿轮宽度计算:按《机械设计》表10-7 圆柱齿轮的齿宽度系数 为了防止两齿轮因装配后轴向稍有错位而导致啮合齿宽减少,要适当加宽,所以取24mm 机身的设计机身是支承臂部的部件,升降,回转和俯仰运动机构等都可以装在机身 6.1设计时注意的问题 运动要灵活,升降运动的导套长度不宜过短,否则可能产生卡死现象;一般要有导向装置。 (3)结构布置要合理,便于装修。 6.2 由于此设计要求为三个自由度,所以此处无运动要求,只用来支承。只要 刚度能满足就行了,高度可根据自动线的高低确定。 翻译Current driveline concepts Enginedevelopments Gasoline Dieselengines dominantdrive units today.Hybrid concepts fuelcells have so far only conquered market niches yetdeveloped beyond designstage. New injection technologies, pumpnozzle commonrail, nowcommon Dieselengines. significantfuel savings improveddriving dynamics due raisedtorque performance.Presently, multi-point injection dominantmethod gasengine concepts. Increasingly stringent emission laws, EuropeanParliament voluntarycommitment Europeanautomobile industry averageCO2 emission newlyregistered passenger cars year2008 compared year1995, requiresignificant reductions fleetconsumption emissionswithin nextfew years. driveconcepts gasengines .DI versions displacementreduced,supercharged engines mechanicalvalve-gear systems future-oriented concepts completede-throttling gasengine chargestratification volumetricefficiency control loadcycle efficiency-optimalrange enginegraph decisivelycontribute gasengine comingdecades significantlyraise specific maximum engine torque levels nextfew years. Transmissiontypes ManualTransmission/MT AutomaticTransmission/AT transmissionspresently firmly established someyears markethas seen AutomatedManual Transmission/AMT ContinuouslyVariable Transmission/CVT, whose shares stillvery small. Manual transmissions relativelysmall size spurgears provide good efficiency Consumptionlargely depends driver’sshifting style vehicleconcept. automatictransmission approachedthrough automated shifting Moregears snd concomitantenhanced spacing also increase comfort Highefficiency ,favorable weight lowcost ateretained. Traction interruption automatedshifting impairingcomfort futureAMTs optimizedgearshift process powershiftingdouble-clutch transmission twoseparate transmission input shafts load-freesection transmission,gear steps ate changed under full load through controlled trolled torque transfer from secondclutch. Ats have undergone continuousdevelopment process recentyears havebecome even more comfortable ,lighter Newgear set comfortable economical.New gear set concepts moregear steps veryhigh level comfort,how ever complexdesign relativelyhigh weight limitedefficiency Comfortableshifting Accelerationideally follows tractionhyperbola initialengine speed increase fllowed comtinuostransmission ratio variation however

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