自動取工件沖壓機械手設計

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廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文1摘 要本論文主要分為兩大部分。第一部分對沖壓自動化生產(chǎn)技術的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀進行了比較詳細的介紹。而隨著我國沖壓技術水平的不斷提高，各種沖壓自動化裝置在實際生產(chǎn)中的應用越來越普遍。與傳統(tǒng)手工沖壓相比，自動化沖壓具有安全、高效、節(jié)材等優(yōu)點，是板材加工技術的發(fā)展方向?，F(xiàn)在，自動模的自動化裝置已向機械手方向發(fā)展。本論文設計了一個自動取工件沖壓機械手。本沖壓機械手主要根據(jù)四柱萬能液壓機的各技術參數(shù)進行設計，主要由升降和回轉(zhuǎn)兩大部分組成，擺桿最大回轉(zhuǎn)角度 θ=120°，并且擺桿長度可在 950～1250mm 之間進行調(diào)整，最大吸附能力達 50Kg，通用性較廣，可適用于 Y32—50 至 Y32—500 這一系列的液壓機，故實用性比較強，有一定的市場價值。第二部分則分析了國內(nèi)外汽車覆蓋件沖壓技術的研究現(xiàn)狀、關鍵技術及其發(fā)展趨勢，并以 LJ465Q—1 汽油發(fā)動機機油盤翻邊模具的設計為實例，介紹了汽車覆蓋件模具設計的方法和步驟，以及在模具設計中應注意的問題。關鍵詞：沖壓自動化，機械手，汽車覆蓋件，機油盤，翻邊AbstractThis thesis is mainly divided into two parts.In the first part, the development and the present of Press manufacturing automatic technique are introduced in detail. As the development of press manufacturing technique in our nation. Various Press automation equipment was applied in practice manufacture more and more universally. Comparing with tradition manual press, automatic press was provided with the merits of security, high efficiency, saving material, and so on. It is the development head of plates machining technique. Today, the automatic device of automatic dies has headed for the manipulator. A stamping manipulator of automatic getting workpiece has designed in this thesis. It is designed Mostly Basing on Various technical parameter of the four pole universal hydrostatic machine. The stamping manipulator is mainly made up of elevation and gyration. The maximum gyration angle of the swing stem is θ=120°,and the swing stem length can be adjusted from 950mm to 1250mm. the maximum adsorptive capacity is 50 Kg. A serial of hydrostatic machine from Y32—50 to Y32—500 are applied to for widely versatility. And it has a strong practicability and definite market value.In the second part, The present studies of the automobile panel stamping technique at home and abroad are analyzed .Key technique sand trend of development of the automobile panel stamping technique are summarized. And the design of LJ465Q—1 gasoline engine 機油盤 flanged die is taken as example, which the designing method and step of the automobile panel die are introduced. And some questions should be taken attention to in the dies designing.Keywords: press manufacturing automation, manipulator ,automobile panel, sump,flange廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文2目 錄摘 要 1第一章 緒論 4第一節(jié) 課題背景 .4第二節(jié) 課題現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .5一、沖壓生產(chǎn)自動化的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .5二、我國汽車覆蓋件模具產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .8第三節(jié) 課題研究內(nèi)容及意義 10第二章 沖壓機械手的設計 .11第一節(jié) 機械手概述 11一、機械手及其在沖壓生產(chǎn)中的應用 11二、機械手的組成與分類 11三、機械手的自由度 13四、機械手的坐標形式 13五、國內(nèi)外發(fā)展狀況 14第二節(jié) 自動取工件沖壓機械手設計思路 15第三節(jié) 沖壓機械手主要工作部分的設計與計算 17一、臂的設計 17二、螺栓直徑的確定 18三、齒輪齒條傳動設計 19四、齒輪軸的設計及軸承的選用 22五、氣缸的設計計算 23六、固定立柱的設計 25七、其它零部件的設計以及標準件的選用 26第三章 翻邊模設計 .26第一節(jié) 翻邊概述 26第二節(jié) 零件分析與工藝方案確定 27一、零件分析 27二、零件沖壓工藝確定 27第三節(jié) 沖模壓力中心與翻邊力的計算 28一、沖模壓力中心的確定 28二、翻邊力的計算 29三、沖壓設備的選取 30第四節(jié) 翻邊模工作部分設計 31一、模具工作部分尺寸計算 31二、凸、凹模圓角半徑 32三、凹模結構設計 32四、凸模結構設計 33五、橡膠的選用與計算 33第五節(jié) 翻邊模主要零部件的設計和選用 34一、模架的選擇 34二、導向裝置（導柱與導套）的選擇 36三、模柄的選擇 36廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文3四、卸料裝置的設計與選用 38五、推件裝置的設計與選用 38六、圓柱銷釘?shù)倪x擇 38七、緊固類零件的選用 38第六節(jié) 翻邊模的總體結構圖 39結 論 40致 謝 .41參考文獻 .42廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文4第一章 緒論第一節(jié) 課題背景汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟五大支柱產(chǎn)業(yè)之一，汽車工業(yè)重點是發(fā)展零部件、經(jīng)濟型轎車和重型汽車。隨著市場需求的改變，汽車的更新?lián)Q代速度日趨加快，轎車一般為3--4年，輕型車4--5年，其它車型約為6--8年。而作為汽車覆蓋件生產(chǎn)的關鍵工藝裝備——汽車覆蓋件模具是制約汽車換型的瓶頸環(huán)節(jié)，其設計、制造的速度將直接影響汽車工業(yè)的發(fā)展。調(diào)查顯示，在加入WTO之后，我國轎車越來越多地進入家庭，消費者對個性化轎車的需求越來越強烈。汽車基本車型2005年達到了170多種，另有更新車型和改裝車型430余種。2000--2005年，汽車車身模具平均每年需求量約為1500萬工時。其中大中型模具每年平均約15個當量車型(含新車型和更新改裝車型)，一個車型平均需大中型覆蓋件模具約260副，平均每副大中型覆蓋件模具約以需2400工時計算，每年就需936萬工時。與2000年只有約500萬工時的生產(chǎn)能力相比，尚缺436萬工時，滿足率只有53.4%。因此我國汽車模具市場潛力巨大。在國際上，以日本豐田、美國福特、德國大眾等為代表的先進水平汽車制造業(yè)，幾乎每年都要以更新車身車型為主要標志的高品質(zhì)汽車新產(chǎn)品投放市場。而我國汽車車身新產(chǎn)品開發(fā)技術仍相當落后，嚴重影響車身開發(fā)的品質(zhì)與周期。這其中的重要原因之一就是車身開發(fā)的核心技術——汽車覆蓋件模具的設計制造能力遠遠無法與國外先進技術相比擬，由于這種原因，目前轎車覆蓋件模具大部分都靠進口。在進口模具中，絕大部分是國內(nèi)供不應求的高檔模具(如汽車覆蓋件模具)。并且隨著市場需求的擴大，覆蓋件模具的進口比例還有增長的趨勢。雖然國內(nèi)有一汽、二汽、大眾等汽車模具制造廠，具有一定的設計和生產(chǎn)能力，但目前也只能生產(chǎn)部分轎車覆蓋件模具，且以低檔產(chǎn)品為主，對高檔模具主要依靠進口。盡管我國汽車工業(yè)的整體水平還不夠發(fā)達，但國內(nèi)不少汽車生產(chǎn)廠家對自主開發(fā)汽車新車型有了強烈的需求，這就使得高品質(zhì)沖壓件模具的需求大大增加。為此，我國政府和地方以及不少企業(yè)投入了大量的人力、物力和財力，從事此項技術的研究，希望我國的沖壓件模具開發(fā)水平能走上一個新臺階。因此，加快技術進步，調(diào)整產(chǎn)品結構，充分利用現(xiàn)代設計方法和先進制造技術，加大技術開發(fā)力度，增加高檔模具的比重，提高模具國產(chǎn)化程度，減少對進口的依賴，是我國汽車覆蓋件模具工業(yè)的當務之急。在汽車工業(yè)迅速崛起和發(fā)展的同時，為汽車工業(yè)提供裝備的企業(yè)隨著汽車工業(yè)的發(fā)展也相應地得到壯大。汽車廠要上規(guī)模離不開壓力機生產(chǎn)線，面對為轎車和輕型車生產(chǎn)配備的壓力機生產(chǎn)線其性能 質(zhì)量要求更高，在達到一定生產(chǎn)批量時，必須實現(xiàn)沖廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文5壓自動化，這是國內(nèi)外汽車生產(chǎn)發(fā)展的必經(jīng)之路。隨著我國沖壓技術水平的不斷提高，各種沖壓自動化裝置在實際生產(chǎn)中的應用越來越普遍。與傳統(tǒng)手工沖壓相比，自動化沖壓具有安全、高效、節(jié)材等優(yōu)點，是板材加工技術的發(fā)展方向。沖壓生產(chǎn)的自動化按照自動化范圍和自動化程度不同分為沖壓全過程自動化、自動壓力機與沖壓自動生產(chǎn)線、自動模等。從沖壓自動化技術發(fā)展的情況來看，目前沖壓加工自動化主要是把加工材料自動送到?jīng)_模的作業(yè)點上，并把沖壓件自動取出為主的自動化。這里包括三種情況：①采用自動壓力機；②在普通壓力機上安裝通用的自動送料裝置、自動卸件、自動出件裝置以及檢測裝置；③沖模本身帶有自動送料、卸件、出件、檢測等裝置的自動模。隨著近代工業(yè)的發(fā)展，以高質(zhì)量、高效率沖模為中心的電子計算機控制全自動沖壓加工系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。全自動沖壓加工生產(chǎn)線、沖壓加工中心、全自動落料沖床、CNC折彎機等均已用于生產(chǎn)。自動模是沖壓生產(chǎn)自動化的最基本也是最重要的單元。所謂自動模，通常是指具有獨立而完整的送料、定位、出件和動作控制機構，在一定時間不需要人工進行操作而自動完成沖壓工作的沖模。可見，自動模是由沖模本身和自動化裝置兩大部分組成的?，F(xiàn)在，自動模的自動化裝置已向機械手方向發(fā)展。隨著自動化技術的不斷創(chuàng)新和成熟，沖壓生產(chǎn)自動化也被越來越廣泛地得到應用，這對于保證產(chǎn)品質(zhì)量、保護人身安全、提高勞動生產(chǎn)率有著重要意義。第二節(jié) 課題現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢一、沖壓生產(chǎn)自動化的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢沖壓生產(chǎn)是制造業(yè)的一個重要組成部分，沖壓生產(chǎn)自動化的發(fā)展歷史最早可以追溯到本世紀 50 年代。由于大批量、低成本處產(chǎn)的要求以及沖壓生產(chǎn)過程中的惡劣作業(yè)環(huán)境、噪聲、工作單調(diào)乏味及生產(chǎn)過程中容易發(fā)生人身事故等健康、安全方面的原因，促使生產(chǎn)廠家采用各種機械化裝置來代替人工操作完成壓力機的上料、下料和沖壓工件在壓力機之間的傳送、翻轉(zhuǎn)等工作，實現(xiàn)了沖壓生產(chǎn)過程的機械化，并以此為基礎在人工生產(chǎn)流水線上構成機械化沖壓生產(chǎn)線。沖壓生產(chǎn)自動化技術的發(fā)展與壓力機制造技術與工藝水平的發(fā)展密切相關，同時也隨著各時期自動化技術、設備與裝置水平的發(fā)展而發(fā)展。在工業(yè)機器人出現(xiàn)以前的沖壓自動化系統(tǒng)，無論是單臺壓力機、由若干臺串聯(lián)排列的壓力機組成的沖壓生產(chǎn)線、還是由大型多工位壓力機組成的沖壓生產(chǎn)線，均采用專門設計的機械裝置來完成壓力機的上下料工作，直接以壓力機的動力軸輸出作為驅(qū)動，通過專門設計的凸輪、行星齒輪等傳動機構實現(xiàn)工件的傳送。這種類型的沖壓生產(chǎn)線，自動化裝置的機構比較復雜，需按傳送工件用運動規(guī)律設計、制造凸輪等機構，因此缺乏柔性，更換產(chǎn)品困難，適合少品種、大批量的生產(chǎn)方式。其優(yōu)點是動力直接取自壓力機的動力輸出，因而上、下料機構與壓力機滑塊之間的協(xié)調(diào)運動容易實現(xiàn)。廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文6工業(yè)機器人 1962 年在美國誕生后很快進入沖壓行業(yè)，取代以往自動化沖壓生產(chǎn)線中的專用機械裝置，實現(xiàn)了機器人化的沖壓自動化生產(chǎn)線。從 70 年代后期開始，沖壓機器人及自動化沖壓生產(chǎn)技術在日本迅速發(fā)展，各種商品化設備很快進入實用。機器人沖壓自動化系統(tǒng)具有靈活多變的適應功能，可以方便地通過離線編程或在線示教等方法改變機器人的運動軌跡或作業(yè)內(nèi)容等，因此具有較高的柔性，產(chǎn)品調(diào)整方便，特別適用于產(chǎn)品品種頻繁更新時所形成的多品種、中小批量的現(xiàn)代化生產(chǎn)方式，從本質(zhì)上更新了傳統(tǒng)的、機械凸輪式?jīng)_壓生產(chǎn)線。圖 1-1 直角坐標機器人沖壓自動化生產(chǎn)線圖 1-2 擺臂式機器人沖壓自動化生產(chǎn)線圖 1-3 小型開式壓力機機器人沖壓自動化生產(chǎn)線受自動化技術、設備與裝置發(fā)展水平的限制，早期的機器人工作速度慢、負載能力小，以及受機器人與壓力機滑塊運動聯(lián)鎖控制方式的限制，機器人自動化沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍較低，與人工操作的沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍基本處于同一水平，但是就改善工人的工作環(huán)境和提高生產(chǎn)的安全而言，其效果是非常顯著的。隨著機器人技術及自動化技術的發(fā)展，用于沖壓生產(chǎn)線的機器人也在不斷更新?lián)Q代，從早期的液壓、氣動驅(qū)動，聯(lián)鎖控制方式機械手發(fā)展到目前的全交流伺服驅(qū)動、同步運動協(xié)調(diào)控制機器人，所構成的自動化生產(chǎn)線的運行節(jié)拍、生產(chǎn)效率以及安全性都有很大程度的提高。圖 1-1 和圖 1-2 分別為由直角坐標沖壓機器人和擺臂式?jīng)_壓機器人構成的大型沖壓自動化生產(chǎn)線；圖 1-3 所示為采用直線送料機器人構成的小型開式壓力機沖壓自動化生廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文7產(chǎn)線。目前世界上生產(chǎn)沖壓機器人并有能力提供大型沖壓自動化生產(chǎn)線成套設備和技術的公司有美國的 ISI 公司，德國的 KUKA 公司，意大利的 Comau 公司，瑞典 ABB 公司、日本的安川公司等；生產(chǎn)中小型沖壓機器人和提供小型壓力機自動化沖壓生產(chǎn)線設備和技術的公司主要有日本 AIDA 公司、ORII 公司等以及我國臺灣地區(qū)的一些廠家。由大型多工位壓力機組成的沖壓自動化系統(tǒng)，因無法在各工位模具之間安裝機器人等設備，所以自動化系統(tǒng)一般采用壓力機內(nèi)縱向夾板送料機構或橫臂（Crossbar）傳輸方式實現(xiàn)工件的傳送，圖 1-4 所示為一機械式的大型多工位壓力機自動化沖壓生產(chǎn)線。目前，多工位壓力機沖壓自動化系統(tǒng)亦在其設計中采用了機器人技術及設計思想，如圖 1-5 所示為一種由傳送機器人和大型多工位壓力機構成的自動化沖壓生產(chǎn)線示意圖。機器人化的多工位壓力機沖壓自動化系統(tǒng)雖然就其機械部分而言并非是新奇的設備，但因其具有的新型系統(tǒng)結構并體現(xiàn)了新的設計思想，所以仍稱其為機器人自動化沖壓生產(chǎn)線。圖 1-4 機械凸輪式多工位壓力機沖壓生產(chǎn)線圖 1-5 機器人多工位壓力機自動生產(chǎn)線串聯(lián)式?jīng)_壓自動化生產(chǎn)線與大型多工位壓力機沖壓自動生產(chǎn)線相比較，前者需要的占地面積大，后者占地面積相對較??；前者生產(chǎn)過程中工件在壓力機之間的傳輸距離大，且每次只能沖壓成型一個工件（少數(shù)小件可以進行雙沖），后者工件在各模具廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文8之間的傳輸距離短，可進行雙沖或多沖，因而前者的生產(chǎn)效率要低于后者，但后者因技術復雜、工藝水平要求高等原因，造價要遠大于前者，一臺配有吸持傳送線的大型多工位自動沖壓設備投資高達四千萬歐元以上，目前僅美國、德國等少數(shù)國家擁有大型多工位壓力機及與其配套的自動化沖壓生產(chǎn)線技術和生產(chǎn)工藝，各生產(chǎn)企業(yè)大量使用的是在串聯(lián)式?jīng)_壓生產(chǎn)線基礎上進行自動化設計的自動化沖壓生產(chǎn)線。當代的壓力機設計、制造技術仍在飛速發(fā)展，壓力機系統(tǒng)和自動化裝備集成一體，如自動裝料、自動卸料、往復運輸線和自動送料裝置等，這是一個發(fā)展趨勢。國內(nèi)的沖壓生產(chǎn)狀況多年以來一直以手工操作方式進行，有一定數(shù)量的小型壓力機實現(xiàn)了單機自動化生產(chǎn)，單機自動化生產(chǎn)裝置一般機械式、氣動式等形式，如夾持送料裝置、滾輪送料裝置以及簡易型沖壓機械手等。以機器人等自動化成套設備組成的中小型壓力機自動化生產(chǎn)線則幾乎處于空白狀態(tài)；在汽車行業(yè)等廣泛使用的大型壓力機的沖壓生產(chǎn)中，無論是單機生產(chǎn)還是多臺壓力機組成的生產(chǎn)線，其機械化和自動化程度更低。在大型沖壓自動化系統(tǒng)成套設備上沒有自己的技術和產(chǎn)品，已經(jīng)嚴重制約了我國汽車工業(yè)的發(fā)展。隨著中國汽車工業(yè)發(fā)展規(guī)模的擴大及產(chǎn)量的提高，實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)過程的自動化已成為發(fā)展的必然趨勢，也是解決目前阻礙我國汽車工業(yè)快速發(fā)展瓶頸問題的方法之一。1995 年濟南第二機床廠與美國 ISI 公司合作的國內(nèi)第一條用于汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)的大型自動化沖壓生產(chǎn)線在重慶長安汽車有限公司投入使用，1996 年上?！蟊娖嚬I(yè)公司分別從德國舒勒公司和美國 ISI 公司引進了大型機器人沖壓自動化生產(chǎn)線并投入使用，這些自動化沖壓生產(chǎn)線的使用產(chǎn)生了良好的效果，但造價亦十分昂貴，售后服務也不盡如人意。中國科學院沈陽自動化研究所從 1995 年開始進行機器人柔性沖壓自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)技術的研究，同時開展工程應用工作，1997 年國內(nèi)第一條自行設計制造的、具有自主知識產(chǎn)權的柔性自動化生產(chǎn)線在長春一汽--大眾公司投入了生產(chǎn)使用，相應的工程應用研究工作也在深入進行。研究沖壓自動化生產(chǎn)技術，開發(fā)沖壓機器人等自動化成套設備和沖壓自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品，對于提高沖壓生產(chǎn)的安全性，增加產(chǎn)品的技術附加值，增強企業(yè)的競爭力乃至發(fā)展我國的先進制造技術具有重要的意義。在沖壓自動化成套設備和其他大型自動化系統(tǒng)成套設備上沒有自己的技術和知識產(chǎn)權，已經(jīng)嚴重制約了我國汽車工業(yè)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此大型沖壓自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)等高技術產(chǎn)品的研制和開發(fā)，對于提高我國汽車工業(yè)的發(fā)展水平，打破國外資本的技術封鎖和價格壟斷，具有重要的社會意義和經(jīng)濟意義。另一方面，從目前國內(nèi)市場需求情況看，越來越多的產(chǎn)品采用沖壓成型制造技術，各生產(chǎn)企業(yè)對沖壓自動化生產(chǎn)技術、產(chǎn)品和成套設備的需求也越來越大，國外同類產(chǎn)品在國內(nèi)市場的競爭情況亦十分激烈。因此，研究和開發(fā)先進的沖壓自動化生產(chǎn)技術并將其轉(zhuǎn)化為具有自主知識產(chǎn)權的高技術產(chǎn)品，對于占領國內(nèi)市場和打入國際市場，具有重要的意義。廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文9二、我國汽車覆蓋件模具產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內(nèi)汽車制造業(yè)近年來得到迅速發(fā)展，汽車產(chǎn)量已名列世界前茅。模具工業(yè)是汽車產(chǎn)品開發(fā)和大批量生產(chǎn)的重要組成部分，一輛客車或轎車上約有 80%的零部件是用模具加工制造的，而覆蓋件模具又以其大型、復雜、精密等特點而成為模具中舉足輕重的部分。汽車覆蓋件(簡稱覆蓋件)是指覆蓋發(fā)動機、底盤、構成駕駛室和車身的薄板異形體的表面零件和內(nèi)部零件。覆蓋件與一般沖壓件相比較，具有材料薄、形狀復雜、結構尺寸大和表面質(zhì)量高等特點。其零件大多是由復雜的空間自由曲面組成，成形時坯料上各部分的變形復雜、差別較大，各處應力也很不均勻。覆蓋件模具作為汽車車身生產(chǎn)的重要工藝裝備，直接制約著汽車的質(zhì)量和新車型的開發(fā)，它具有精度高、形狀復雜、結構尺寸大、配合協(xié)調(diào)性要求高等特點，同時要求使用壽命長且單件生產(chǎn)，設計和加工要考慮很多因素。因此，覆蓋件模具的設計往往要求有多年設計經(jīng)驗的人員來完成。如圖1-6所示為汽車覆蓋件模具的生產(chǎn)流程。圖 1-6 汽車覆蓋件模具生產(chǎn)流程目前，我國汽車模具工業(yè)還不能適應整車開發(fā)和換型要求，其中一個原因是汽車模具設計與制造水平較低，制造裝置落后。為使汽車模具工業(yè)能盡快滿足汽車發(fā)展的需要，使我國汽車工業(yè)以實力躋身于國際競爭大潮中，并取得鞏固和發(fā)展，除了依靠國家有關汽車和汽車模具產(chǎn)業(yè)的方針政策外，也需要汽車模具產(chǎn)業(yè)成員的共同努力，在汽車模具生產(chǎn)技術方面趕上世界先進水平。國內(nèi)設計水平較低，周期較長，對于一些復雜的零件甚至設計不出合理的模具。傳統(tǒng)的模具制造方法不僅存在工藝流程長、模具表面的形狀精度低等缺點。而且對模具制造工人的技術經(jīng)驗要求高、相比之下，模具CAD技術的優(yōu)越性就更為明顯。計算機軟、硬件技術的迅速發(fā)展，為模具CAD／CAM 的開發(fā)應用以及其向更高層次的發(fā)展創(chuàng)造廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文10了條件。從整體上看，我國計算機技術起步較晚。目前，國內(nèi)雖有許多企業(yè)采用模具CAD技術，并在計算機自動編程技術上取得了一些經(jīng)驗和技巧，但是能真正利用UGⅡ、CATIA、Pro／E、DYNAFORM 等大型CAD／CAM／CAE軟件在計算機中作模具的三維參數(shù)化制造成形，并進行沖壓仿真來指導設計的還是不多。鑒于傳統(tǒng)覆蓋件模具設計的種種問題，隨著近年來計算機技術的飛速發(fā)展，世界各主要發(fā)達國家都在大力發(fā)展計算機輔助技術在模具設計中的應用。采用CAD／CAM 技術是提高覆蓋件的制造質(zhì)量及設計效率，改變落后的模具設計制造方法的關鍵。根據(jù)我國汽車工業(yè)的發(fā)展規(guī)劃和市場需求，機械工業(yè)部將轎車大型覆蓋件沖壓自動化技術和成套裝備的研究開發(fā)列為一項國家重點科技攻關項目，以促進沖壓自動化的發(fā)展。由于濟南第二機床廠前幾年在這方面的技術儲備，掌握了自動化系統(tǒng)設計和制造的部分技術，在壓力機自動化生產(chǎn)線又率先走出了一步，為沖壓自動化的發(fā)展奠定了基礎。因此，濟南第二機床廠被列為這項國家重點科技攻關項目的研制單位之一。目前，濟南第二機床廠技術中心(國家級)正在積極組織力量，專題研究攻關，決心在消化吸收引進技術的基礎上加速臺作生產(chǎn)和自主開發(fā)的步伐， 解決技術關鍵，不斷提高國產(chǎn)化率，推動沖壓自動化的發(fā)展。實踐證明， 要趕上國外汽車廠家的沖壓工藝水平，要使壓力機自動化生產(chǎn)線在我國汽車廠家用好，一方面需要國外的合作伙伴提供性能可靠和質(zhì)量優(yōu)良的壓力機生產(chǎn)線和自動化系統(tǒng)；另一方面還需要汽車廠家的沖壓工藝人員積極參與，熟悉了解和掌握這方面的技術要求，在沖壓工藝編制、模具設計、制造和垛料質(zhì)量等方面要做好匹配和協(xié)調(diào)工作；也需要現(xiàn)場操作人員掌握操作編程等技術和實踐經(jīng)驗的積累。只有雙方共同努力，相互補充，不斷探索，才能使我國壓力機自動化生產(chǎn)線真正地在各汽車廠家用好，才能把我國沖壓工藝水平真正推上一個臺階。第三節(jié) 課題研究內(nèi)容及意義本課題主要分為兩大部分，第一部分設計了一個在沖壓作業(yè)中自動將工件從沖模中取出來的裝置——自動取工件沖壓機械手。沖壓作業(yè)具有較大危險性和事故多發(fā)性的特點，且事故所造成的傷害一般都較為嚴重，所以相當一部分沖壓作業(yè)人員在生產(chǎn)中心存畏懼，心理負擔較重，對作業(yè)安全有很大影響。一旦發(fā)生事故，無論是對工人還是對公司來說都是一種巨大的損失。在工人方面，不僅身體上受到傷害，而且有可能在心理上也受到傷害；在公司方面，則會影響到工作進度，甚至有可能會完不成工作任務，從而使公司受到巨大的經(jīng)濟損失。在此情況下，如果能把一些比較危險的工作交給特別設計出來的機械裝置來做，那么就可以將操作工人從繁重、單調(diào)、危險的工作環(huán)境中解放出來，大大降低沖壓作業(yè)中的事故發(fā)生。本課題設計的這種自動取工廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文11件機械手可以將沖壓件自動送離沖壓模具作業(yè)點，對提高工人作業(yè)的安全性具有一定的意義。第二部分進行了 LJ465Q—1 汽油發(fā)動機機油盤翻邊模具的設計。該部分課題來源于柳州五菱汽車有限責任公司柳州機械廠，與生產(chǎn)相結合，設計的模具直接用于生產(chǎn)，具有較大的實際意義，也是對我掌握專業(yè)知識的程度進行的一次考核。第二章 沖壓機械手的設計第一節(jié) 機械手概述一、機械手及其在沖壓生產(chǎn)中的應用利用板料進行沖壓加工，與機械切削加工方法相比，具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高等優(yōu)點。然而，在沖壓生產(chǎn)中，送料、涂油、取出工件、輸送制品等輔助勞動量相當大，用手工完成這些工序費時、費力，既降低了生產(chǎn)率，又很不安全，要減免上述繁重的勞動，其最佳方案無疑是實現(xiàn)沖壓裝置的機械化與自動化。機械手就是模仿著人手的部分動作，按預定的程序、軌跡和要求，實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的一部自動機械裝置。由于它是模仿人的手來設計的，故稱“機械手” 。在沖壓生產(chǎn)中采用機械手，可提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率；可減輕勞動強度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。它不僅能代替人工完成上下料而且能完成工件的取送和工序間的工件翻轉(zhuǎn)。機械手的應用，對于實現(xiàn)單機自動化，建立沖壓自動生產(chǎn)線提供了條件。二、機械手的組成與分類（一）組成機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及定位檢測裝置等部分組成。各系統(tǒng)之間的關系如圖 2-1 所示。圖 2-1 機械手的組成及關系1、執(zhí)行機構執(zhí)行機構是機械手直接進行工作的部分。它包括手部、手腕、手臂、立柱等部件，有的還設有行走機構。（1）手部：即直接與工件接觸的部分，用來抓取或放松工件。按拿取物件的形式廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文12不同，有夾持式手部和吸附式手部。夾持式手部由手指（或稱手爪）和傳力機構所組成，手指與物件直接接觸，而傳力機構則是通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的動作；還有一種吸附式手部，它是靠吸附力（如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電磁力）來吸取物件，用于取放光滑表面的薄板工作。（2）手腕：聯(lián)接手部和手臂的部件，起調(diào)整或改變工件方位的作用。（3）手臂：支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。（4）立柱：支承手臂的部件。通常機械手的立柱是固定不動的。為增大機械手的活動空間，把立柱做成可橫向移動的，稱為可移式立柱。（5）行走機構：機械手為了完成遠距離的操作和擴大活動范圍，可增設滾輪行走機構。行走機構可分為有軌和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動應另設機構傳動裝置。2、驅(qū)動系統(tǒng)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是指驅(qū)使執(zhí)行機構動作的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動四種。3、控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，常用的是電氣控制?？刂葡到y(tǒng)是機械手的重要組成部分。它控制機械手按預定的程序或給予的指令去動作，并能對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時能發(fā)出警報，令其停止工作。4、位置檢測裝置用來保證執(zhí)行機構的運動位置。當位置有偏差時，能通過一定的傳感器，發(fā)出信號，令其停止工作，或?qū)⑿盘柗答伣o控制系統(tǒng)，進行位置調(diào)整，保證執(zhí)行機構以一定精度達到設定的位置。（二）分類通?？砂词褂梅秶?、驅(qū)動方式或控制系統(tǒng)進行分類。1、按用途分（1）專用機械手：它附屬主機，具有固定程序，而無獨立的控制系統(tǒng)。它的動作較少，工作對象單一，結構簡單，適用于大批量的自動化生產(chǎn)。如沖壓自動機上的上下料和工序間傳動機械手，即屬此類。（2）通用機械手：它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。它工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于小批量多品種的自動化生產(chǎn)中。通用機械手又分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只能是點位控制；伺服型屬于數(shù)控類型，可以是點位控制，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。2、按驅(qū)動方式分（1）液壓傳動機械手：以油液的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構，其特點是傳動平穩(wěn)，結構緊湊，動作靈敏。（2）氣壓傳動機械手：以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構，動作迅速，結構簡單，廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文13成本低，但不及液壓的抓重量大。（3）機械傳動機械手：其執(zhí)行機構是由機械傳動機構（如凸輪、連桿、齒輪—齒條、間隙機構等）來驅(qū)動。運動準確可靠，動作頻率高，但是結構較大，動作程序不可變。（4）電力傳動機械手：是由特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構。它結構簡單，目前應用還不多。3、按控制方式分（1）點位式：其運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不控制其運動軌跡。若控制的點過多，必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前多數(shù)機械手都屬于點位控制。（2）連續(xù)式：其運動軌跡為空間任意曲線，設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動。三、機械手的自由度自由度是機械手設計的主要參數(shù)。每一個構件（運動件）相對固定坐標系所具有的獨立運動稱為自由度，每一構件相對固定坐標系最多可有六個自由度，兩個構件組成相對運動的聯(lián)接稱為運動副。對相對運動加以限制的條件稱為約束條件。因為組成運動副的各構件的運動受到約束，只能按照人們預定的規(guī)律運動，所以能構成一定自由度的機械手。機械手的手臂、手腕、手指等部件和它們之間的關系，實際就是由相互聯(lián)系著的構件和運動副組成。常用的運動副有一個自由度的回轉(zhuǎn)副和移動副，或有三個自由度的球面副。人手的自由度較多，有 27 個。用于實際生產(chǎn)的機械手不需要這么多自由度，大多數(shù)情況下都少于 6 個，例如專用機械手只有 2～4 個，而通用機械手是 3～6 個。自由度越多，可以完成的動作越復雜，通用性越強，因而應用范圍就越廣，但相應地帶來了技術難度大，控制系統(tǒng)和機械結構復雜，自身重量、體積、成本和維修都趨于不利；自由度數(shù)小，通用性差，但技術上易達到，結構也簡單。因此，一般情況下應盡量用專用機械手，以取最低的自由度數(shù)。四、機械手的坐標形式機械手的坐標形式主要由手臂決定。根據(jù)手臂運動形式的不同，機械手坐標可分四種：即直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。1、直角坐標式其手臂的運動是由三個直線運動組成，即沿直角坐標系的三個軸往復移動（沿 X軸伸縮，沿 Y 軸橫移，沿 Z 軸升降） 。這種機械手稱直角坐標式機械手。它結構簡單，定位精度高，適用于主機位置或排列的場合。2、圓柱坐標式廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文14其手臂運動系由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組成，即沿 X 軸伸縮，沿 Z 軸升降和繞 Z 軸的回轉(zhuǎn)。這種形式的機械手圓柱坐標式機械手。與前者相比，它占地面積小，而活動范圍大。3、球坐標式其手臂運動系由一個直線運動和兩個回轉(zhuǎn)運動組成，即沿 X 軸的伸縮，繞 Y 軸的俯仰和繞 Z 軸的回轉(zhuǎn)。這種形式的機械手稱為球坐標式機械手。這種機械手可以抓取地面上的物件。為使手部能適應被抓取物件方位的要求，常常設有手腕上下擺動，以使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種機械手動作靈活，占地面積小，工作范圍大。4、關節(jié)式其手臂運動類似人的手臂，可做幾個方向的轉(zhuǎn)動。其手臂為大小兩臂，之間的聯(lián)接為肘關節(jié)；大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關節(jié)。各關節(jié)均由鉸鏈構成，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動；手臂運動由三個回轉(zhuǎn)運動構成，即大臂的俯仰（θ） ，小臂俯仰（θ 2）和大臂的回轉(zhuǎn)（φ） 。這種機械手稱為關節(jié)式機械手。這種機械手工作范圍大，動作靈活，通用性強，并能抓取靠近機座的物件，還可繞過障礙物去抓取物件，但定位精度稍差。上述四種坐標形式是基本的，實際也可由兩種坐標形式進行組合，以組成更理想的機械手。但在沖壓生產(chǎn)中，目前所用的機械手都是比較簡單的，其自由度一般為1～2 個，最多也不超過 4 個，屬于專用機械手或?qū)Ｓ脵C構。五、國內(nèi)外發(fā)展狀況國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。(2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化：由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構：大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。(5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文15器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國 的 工 業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距。在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。第二節(jié) 自動取工件沖壓機械手設計思路本沖壓機械手主要根據(jù)四柱萬能液壓機的各技術參數(shù)進行設計，主要由升降和回轉(zhuǎn)兩大部分組成，擺桿最大回轉(zhuǎn)角度 θ=120°，并且擺桿長度可在 950～1250mm 之間進行調(diào)整，通用性較廣，可適用于 Y32—50 至 Y32—500 這一系列的液壓機，故實用性比較強，有一定的市場價值?？紤]到該機械手系統(tǒng)僅需要將沖壓件從沖模中取出至某一特定位置，位置精度要求不高，不要求控制軌跡，僅為點位控制，因此，可采用單片機控制的氣動系統(tǒng)作為液壓機自動取工件機械手的設計方案（由于水平有限，本論文未設計單片機控制原理） 。廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文16如圖 2-2 所示，液壓機自動取工件機械手主要由升降和回轉(zhuǎn)兩個運動部件組成，沖壓件的拾取采用電磁鐵吸附的方式，即用一個最大吸附能力為 50Kg 的電磁鐵將工件吸附起來。升降部分固定在液壓機機身的側面，帶動回轉(zhuǎn)部分整體升降，回轉(zhuǎn)部分負責將電磁鐵轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出沖模。機械手的一個工作過程是：擺桿正向旋轉(zhuǎn)（將電磁鐵轉(zhuǎn)入沖模）→回轉(zhuǎn)部分整體下降（同時電磁鐵通電吸附?jīng)_壓件）→回轉(zhuǎn)部分升起→擺桿反向旋轉(zhuǎn)（將電磁鐵轉(zhuǎn)出沖模）→電磁鐵斷電釋放沖壓件。圖 2-2 機械手總體結構圖圖 2-3 機械手升降部分示意圖機械手的升降部分如圖 2-3 所示，由旋轉(zhuǎn)支撐板、導套座、升降氣缸、導向柱和廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文17導套等部分組成。升降氣缸選用奉化威泰氣動有限公司生產(chǎn)的 QGA 前法蘭型普通氣缸，其缸桿的伸縮可以帶動旋轉(zhuǎn)支撐板的升降。為了克服傾覆力矩，采用雙導柱方式起輔助支撐作用，導柱隨旋轉(zhuǎn)支撐板一起升降。整個升降部分的基礎是導套座，將其固定在固定立柱上即可實現(xiàn)機械手的固定。機械手的回轉(zhuǎn)部分如圖 2-4 所示，在氣缸活塞桿的前端安裝有齒條，當給氣缸通氣時，活塞桿通過齒條齒輪嚙合，帶動回轉(zhuǎn)軸上的擺桿旋轉(zhuǎn)。電磁鐵吸盤安裝在擺桿的末端。擺桿的旋轉(zhuǎn)角度可由擋塊的位置來調(diào)節(jié)。圖 2-4 機械手回轉(zhuǎn)部分示意圖圖 2-5 機械手系統(tǒng)氣動原理圖機械手系統(tǒng)的氣動原理如圖 2-5 所示。來自氣源的壓縮空氣經(jīng)過濾器、減壓閥、油霧器，進入兩個三位四通電磁換向閥。這兩個換向閥分別控制升降氣缸和回轉(zhuǎn)氣缸的伸縮。為了調(diào)整速度，在兩個氣缸的進氣口加裝手動節(jié)流閥。第三節(jié) 沖壓機械手主要工作部分的設計與計算由于本沖壓機械手主要用于四柱萬能液壓機上自動取出在工作狀態(tài)時模具中的工件，故以 Y32—500 型四柱萬能液壓機的各技術參數(shù)為參考來進行設計計算。由于要充分保證機械手系統(tǒng)的安全強度，所以應按系統(tǒng)工作極限時的條件狀態(tài)來進行設計計算，并較核系統(tǒng)各部分的強度。廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文18一、臂的設計在機械手中，臂的設計與較核尤為重要，它主要承受彎曲力的作用，彎曲正應力是控制臂的主要因素。所以，彎曲正應力的強度條件maxax[]MWss=￡往往是設計臂的主要依據(jù)。從這個條件看出，要提高臂的承載能力應從兩方面考慮，一方面是合理安排臂的受力情況，以降低最大彎矩 Mmax 的數(shù)值；另一方面則是采用合理的截面形狀，以提高抗彎截面系數(shù) W 的數(shù)值，充分利用材料的性能。鑒于前述，決定采用由 45 鋼制成的標準熱軋扁鋼作為臂的材料，查有關資料可得45 鋼的彎曲許用應力[σ]=100Mpa。圖 2-6 顯示了臂的受力圖 2-6 臂受力示意圖情況。由于機械手的最大吸附重量為 50Kg，其重力 509.84GmgN=′=又考慮到臂的自重以及電磁鐵吸盤的重量，故取 F=800N，又取臂長 L=1.25m，臂寬b=80mm，則由此可計算得彎矩 。則由801.250MFLNm′=A即[]Ws￡6216bh￡′2.7407.4hm-T3′=查文獻[16]表 2-1-63（熱軋槽鋼 GB707—88） ，根據(jù)臂寬的值進行圓整，可取h=28mm。二、螺栓直徑的確定1、螺栓組結構設計采用如圖 2-7 所示結構，螺栓數(shù) n=2，對稱布置。廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文19圖 2-7 螺栓受力示意圖2、螺栓受力分析因為力 F 就是臂所受的力，故與臂的計算一樣，取 F=800N，則該兩螺栓受由力 F產(chǎn)生的傾覆力矩 M（順時針方向）的作用，其值為： 801.250LNm=′=A在 M 的作用下，左邊螺栓受到加載作用，而右邊螺栓受到減載作用，故左邊螺栓受力較大，所受載荷按文獻[21]式（5—31）確定4maxax221.1005zilF=′′?取螺栓相對剛度 ，則地基相對剛度 ，故各螺.bmC+ 0.8mbbmC=-+栓所需要的預緊力為0110.83202bmFFNn3=′A所以左邊螺栓所受的總拉力 420ax.18bmC=++′=3、確定螺栓直徑選擇螺栓材料為 Q235、性能等級為 4.6 的螺栓，由文獻 [21]表 5—8 查得材料屈服極限 ，由表 5—10 查得安全系數(shù) S=1.5，故螺栓材料的許用應力240sMpa240[]16.sMpaS=廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文20根據(jù)文獻[21] 式（5—20）求得螺栓危險截面的直徑（螺紋小徑 d1）為214.341.38209.[]6Fd mps′′3=?按粗牙普通螺紋（GB196—81） ，選用螺紋公稱直徑 d = 12 mm 的螺栓（螺紋小徑d1=9.835mm9.28mm） 。三、齒輪齒條傳動設計因為是為了把氣缸活塞的直線伸縮運動變?yōu)闄C械手臂的回轉(zhuǎn)運動，所以采用齒輪齒條傳動，并且選用標準直齒圓柱齒輪和齒條（嚙合角 α=20°） ，其傳動比 u =1。機械手為一般工作機器，速度不高，故選用 7 級精度（GB10095 —88） 。齒輪齒條的材料均采用 45 鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度為 240HBS。初取齒輪齒數(shù) Z1 = 21，模數(shù) m = 4mm，齒寬b=45mm，則其分度圓直徑1248dzm=′根據(jù)前面所分析的受力情況，取齒輪所受圓周力 Ft=1200N 來進行齒輪強度的校核。1、齒根彎曲疲勞強度校核齒輪在受載時，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強度最弱。當輪齒在齒頂處嚙合時，處于雙對齒嚙合區(qū)，此時彎矩的力臂雖然最大，但力并不是最大，因此彎矩并不是最大。根據(jù)分析，齒根所受的最大彎矩發(fā)生在輪齒嚙合點位于單對齒嚙合區(qū)最高點時。因此，齒根彎曲強度也應按載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高點來計算。由于這種算法比較復雜，通常只用于高精度的齒輪傳動（如 6 級精度以上的齒輪傳動） 。對于制造精度較低的齒輪傳動（如 7、8、9 級精度） ，由于制造誤差大，實際上多由在齒頂處嚙合的輪齒分擔較多的載荷，為便于計算，通常按全部載荷作用于齒頂來計算齒根的彎曲強度。當然，采用這樣的方法，輪齒的彎曲強度比較富裕。由文獻[21]查得齒根危險截面的彎曲強度條件式為[]tFaSFKYbmss=￡式中， ——計算所得彎曲應力，[Mpa]；F——彎曲疲勞許用應力，[Mpa]；[]K——載荷系數(shù)，一般 K=1.7～2.3；Ft——齒輪所受圓周力，[N]；——齒形系數(shù)；aY——應力校正系數(shù)；Sb——齒寬，[mm]；m——齒輪模數(shù)，[mm]。廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文21由于齒輪轉(zhuǎn)速較慢，故取彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN=1，彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由文獻[21]式（10— 12）得彎曲疲勞許用應力1380[]27.4.FNEKMpaSs′==查文獻[21]表 10—5 得 =2.76， =1.56，又取 K=2.0，則aYSa2615.4tFSbms′′[]Fs故得結論：合格。2、齒面接觸疲勞強度校核由“機械原理”得知，漸開線齒廓上各點的曲率（1/ ρ）并不相同，沿工作齒廓各點所受的載荷也不同。因此在計算齒面的接觸強度時，就應同時考慮嚙合點所受的載荷及綜合曲率（1/ρ ∑ ）的大小。對端面重合度 ε α ≤2 的直齒輪傳動，以小齒輪單對齒嚙合的最低點產(chǎn)生的接觸應力為最大，與小齒輪嚙合的大齒輪，對應的嚙合點是大齒輪單對嚙合的最高點，位于大齒輪的齒頂面上。同一齒面往往齒根面先發(fā)生點蝕，然后才擴展到齒頂面，亦即齒頂面比齒根面具有較高的接觸疲勞強度。因此，雖然此時接觸應力大，但對大齒輪不一定會構成威脅。大齒輪在節(jié)點處的接觸應力較大，同時，大齒輪單對齒嚙合的最低點處接觸應力也較大。按理應分別對小輪和大輪節(jié)點與單對齒嚙合的最低點處進行接觸強度計算。但對按單對齒嚙合的最低點計算接觸應力比較麻煩，并且當小齒輪齒數(shù) Z≥20 時，按單對齒嚙合的最低點所計算得的接觸應力與按節(jié)點嚙合計算得的接觸應力極為相近。為了計算方便，通常只以節(jié)點嚙合為代表進行齒面的接觸強度計算。由文獻[21]查得齒面接觸疲勞強度條件式為1[]tHHEKFuZbdss+=￡A式中， ——計算所得齒面接觸疲勞應力，[Mpa]；H——接觸疲勞許用應力，[Mpa]；[]K——載荷系數(shù)，一般 K=1.7～2.3；Ft——齒輪所受圓周力，[N]；b——齒寬，[mm]；d——分度圓直徑，[mm]；u——傳動比；ZH——區(qū)域系數(shù)；ZE——彈性影響系數(shù)，[Mpa 1/2]。由于齒輪轉(zhuǎn)速較慢，故取彎曲疲勞壽命系數(shù) KHN=1。又取失效概率為 1%，安全系數(shù)S=1。由文獻[21]式（10—12）得接觸疲勞許用應力lim150[]HNKMpaSs′==廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文22因為嚙合角 α=20°，所以區(qū)域系數(shù)22.5sincosin0coHZa===又由文獻[21] 表 10—6 查得 ZE=189.8Mpa1/2，在此取 K=2.0，則1.12.189.34.7458tHHKFu Mpabds+′+′A []Hs故得結論：合格。由齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度的校核可知，模數(shù) m=8，齒數(shù) Z=21 的標準圓柱直齒齒輪（淬火，齒面硬度為 40～45HRC）完全符合所設計的機械手的傳動要求。校核完齒輪強度后，便可計算得出齒輪齒條各幾何尺寸（見表 2-1） 。因為機械手臂的最大回轉(zhuǎn)角度 θ=12 0°，則最小齒條長min13.487.92Ldmp=′=考慮到實際情況，取齒條長 L=150mm。表 2-1：齒輪齒條各幾何尺寸項目名稱 計算公式及代號 數(shù)值原始數(shù)據(jù)齒輪齒數(shù) Z1 21模數(shù)（ GB/T1375—200） m 4mm螺旋角 β 0°基本齒廓（GB/T1356 —2001）壓力角齒頂高系數(shù)頂隙系數(shù)齒根圓角半徑系數(shù)α *ahc*fr20°10.250.38齒輪 b1 45mm齒寬齒條 b2 40mm齒條基準面至齒頂高的距離 J 36mm齒條長度 L 150 mm主要幾何參數(shù)計算序號 項目名稱 計算公式及代號 數(shù)值1 齒輪分度圓直徑 d=mz1/cosβ 84mm齒輪2 齒頂高齒條ha= m*4mm廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文23齒輪3 齒根高齒條hf=( + )m*ac5mm齒輪4 齒高齒條h= ha+ hf 9mm5 齒輪中心到齒條中線的距離 H=d/2 41mm6 齒距 pn= m12.56mm7 齒條齒數(shù) Z2= ，取整0.5nL+數(shù)13mm四、齒輪軸的設計及軸承的選用考慮到齒輪軸強度要求較高，故材料采用 45 鋼調(diào)質(zhì)處理，查有關資料可得 45 鋼的彎曲許用應力[σ]=100Mpa。對齒輪軸進行受力分析可知其受到力 F=1200N 的作用，受力點到固定點的距離L=85mm，故力矩 M = FL = 1200×0.085 = 102 N·m，則根據(jù)彎曲強度計算公式有maxax[]Wss￡即 63in10210Dp′，取 Dmin=25mm。3min62.02.4m′T3?=根據(jù)實際情況，齒輪軸設計成如圖 2-8 所示結構。圖 2-8 齒輪軸結構示意圖因為齒輪是以齒輪軸為回轉(zhuǎn)中心來轉(zhuǎn)動的，齒輪軸安裝在旋轉(zhuǎn)支撐板上，而旋轉(zhuǎn)支撐板是不能轉(zhuǎn)動的，所以在齒輪軸與旋轉(zhuǎn)支撐板的裝配處安裝滾動軸承。滾動軸承是依靠其主要元件間的滾動接觸來支承轉(zhuǎn)動零件的，它具有摩擦阻力小，功率消耗少，起動容易等優(yōu)點。在此，根據(jù)齒輪軸直徑及其受力情況，由文獻[20]表 3.1—8 選用7205AC 型角接觸球軸承（α=25°） 。廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文24五、氣缸的設計計算氣動系統(tǒng)中應用最廣的是普通雙作用單活塞桿式氣缸，其設計計算方法一般是在已知氣缸負載大小和氣缸行程的條件下按如下步驟計算。1、氣缸作用力氣缸活塞桿的推力 F1 和拉力 F2 分別為24Dph=2()d-式中，D——氣缸內(nèi)徑，[mm]；d——活塞桿直徑，[mm]；p——氣缸工作壓力，[Pa]；η——負載率。其中，負載率 η 與氣缸工作壓力 p 有關，且綜合反映活塞的快速作用和氣缸的效率。文獻[9]表 13—2 列出了傳輸氣缸 η 與 p 的關系。在該機械手系統(tǒng)中，設定p=0.5Mpa，根據(jù)文獻[9]表 13—2 取 η=0.50。2、氣缸內(nèi)徑 D 與活塞桿直徑 d 的計算（1）升降氣缸（行程 S1=200mm）由于系統(tǒng)有自重，下降時無需很大拉力，故只需根據(jù)上升時的推力計算即可。設上升時的推力 F1=2000N，則根據(jù)前述條件可計算得氣缸內(nèi)徑644200.13.51.mph′=?=一般取活塞桿直徑與氣缸內(nèi)徑的比值 d/D=0.2～0.3，在此取 d/D=0.25，則活塞桿直徑d1=0.25D1=0.25×100=25mm（2）回轉(zhuǎn)氣缸（行程 S2=88mm）由前述條件可知氣缸在工作時活塞桿的推力比拉力大，故應按活塞桿的推力來進行計算。取推力 F2=1000N，則氣缸內(nèi)徑，取 D2=80mm644100.713.5.Dmph′=?=活塞桿直徑d2=0.25D2=0.25×80=20mm3、氣缸的選用根據(jù)前面計算所得氣缸內(nèi)徑的值，查文獻[17]，決定選用奉化威泰氣動有限公司生產(chǎn)的 QGA 系列普通氣缸，升降氣缸采用前法蘭型，回轉(zhuǎn)氣缸采用腳架型，它們的尺寸參數(shù)分別如表 2-2、表 2-3 所示。廣西工學院 2006 屆畢業(yè)設計論文25圖 2-9 前法蘭型氣缸示意圖表 2-2：前