管料自动输推料机构设计.docx

管料自动输推料机构设计.docx

《管料自动输推料机构设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《管料自动输推料机构设计.docx（36页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

管料自动输推料机构设计

编号

本科生毕业设计

管料自动输推料机构设计

Designofpipematerialsautomaticallyfeedingmechanism

学生姓名

潘璁

专业

机械电子工程

学号

070321224

指导教师

李彦清

学院

机电学院

2011年6月

摘要

工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.我国的工业机械手是从80年代"七五"科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过"七五","八五"科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术。

本文设计的机械手由执行系统，驱动系统和控制系统组成，用于机床上工件的传递。

对于机械手的类型，组成部分，配合单机实现自动化的应用，以及国内外的发展状况和将来机械手的改广阔的应用前景，本文都有论述。

在正文部分，本文首先说明了机械手整体的规格参数，并论述了手臂和机身的最优化设计方案，然后详细阐述了各单元的设计参数和计算。

关键词：

机械手送料机床

Abstract

Industrialrobotisamachinecreatedbyhumanbeings,itisagreatmiracleofhumancreation,itsresearch,developmentanddesignfromthemid-twentiethcenturybegan.China'sindustrialrobotfromthe80's"Plan"scientificandtechnologicalstartstartedinstatesupport,throughthe"Plan","EighthFive"technologicalbreakthroughs,hasbeenbasicallymasteredtherobotmanipulatordesignmanufacturingtechnology,controlsystemshardwareandsoftwaredesign.

.Thepaperisthedesignillustrationaboutprogrammedcontrollingmanipulator,whichdrivedbyhydraulicpressure.Theindustrialmanipulatorisusedtosupplytheworkpiece,whichareusuallymadeupofoperatingsystem,drivingsystemandcontrollingsystem.Thismanipulatorisatooltosupplyworkpieces.Astothetypesofmanipulator,itscomposementrealizingautomatizationwithcomputer,itsdevelopmentinthefuture,whicharealldetailedinthepaper.

Onthemainpartofthetext,thispapernarratedthestandardparametersatfirst,andenhancedthebestdesignideaofthemachinearmandmachinebody,andthenitdetailedthedesignparametersandthecalculatingway.

Keywords:

industrymechanicalhandtransferworkpiecemachinetool

第一章绪论

1.1旋压成型技术的概述

旋压技术是一项具有悠久历史的传统技术，据文献记载最早起源于我国唐代，由制陶工艺发展出了金属的旋压工艺。

到20世纪中叶以后，随着工业的发展和宇航事业的开拓，普旋工艺大规模应用于金属板料成形领域，从而促进了该工艺的研究与发展。

在二十世纪中叶以后，普通旋压有了以下三个方面的重大进展：

一是，普通旋压设备逐渐机械化与自动化，在20世纪50年代出现了模拟手工旋压的设备，即采用液压助力器等驱动旋轮往复移动，以实现进给和回程，因而减轻了劳动强度。

二是，在20世纪60~70年代出现了能单向多道次进给的、电器液压程序控制的半自动旋压机。

三是，由于电子技术的发展，于20世纪60年代后期，国外在半自动旋压机的基础上，发展了数控和录返式旋压机。

这些设备的快速发展将旋压工艺带进了中、大批量化的生产中。

近20年来，旋压成形技术突飞猛进，高精度数控和录返旋压机不断出现并迅速推广应用，目前正向着系列化和标准化方向发展。

在许多国家，如美国、俄罗斯、德国、日本和加拿大等国己生产出先进的标准化程度很高的旋压设备，这些旋压设备己基本定型，旋压工艺稳定，产品多种多样，应用范围日益广泛。

我国旋压技术的发展状况与国外先进水平相比有较大差距。

但近年来取得了较大发展，许多产品精度和性能都接近或达到了国外较先进水平。

国内许多研究所（如北航现代技术研究所、黑龙江省旋压技术研究所、长春55所等）已经研制出了性能较好的旋压机。

1.2旋压成型技术的开发背景

随着现代战略的发展，海洋将成为重视的焦点，潜艇凭借其水下作战的特性，着实起着杀手锏的作用，在海洋中的战略地位愈加明显。

如何增加下潜深度，加大航程是潜艇设计的要求。

增加下潜深度就必须提高压缩空气瓶的承压能力。

压缩气瓶是潜艇的一个关键部件，其承压能力的高低及容积的大小是影响下潜深度和时间的重要技术指标。

目前国际上先进潜艇的压缩气瓶普遍采用高强度无缝钢管经热旋压收口制造而成，其直径最大为600毫米，长度为15米，钢管壁厚度为35毫米，承压能力为40Mpa，下潜深度已达400米左右。

我国目前还没有研制出旋制大口径压缩气瓶的数控旋轮式热旋压收口机，目前主要使用落后的刮板机生产大口径压缩气瓶，工艺落后，产品承压能力低，质

量不稳定。

同时，由于我国长期遭到欧、美等西方国家的技术封锁，生产压缩气

瓶大口径、大吨位的旋压设备进口一直受到限制，潜艇压缩气瓶的制造受到了旋压工艺装备能力的严重制约，有的甚至还没有采用旋压这种先进的口部成型办法，使得压缩气瓶的承压能力有着相当的局限性，已成为潜艇制造技术发展的瓶颈。

此外，研制大口径气瓶热旋压收口机在解决了潜艇压缩气瓶制造难题的同时，还解决了大口径、大弧形部的弹体加工的技术难点，提高了材料利用率。

在民用技术方面，还可以打破天然气运输车车载气瓶长期依赖进口的局面，具有无法衡量的社会效益和经济效益。

随着世界经济的发展，全世界的汽车产量和汽车保有量都在不断增加；目前全世界的汽车年产量已超过5000万辆，汽车保有量已达7亿辆，汽车运行消耗石油量占全世界石油产量的一半以上；依据国外1994年的研究报告及世界上石油的蕴藏资源和消耗量的预测，全世界的石油资源仅能够供人类使用约50年；即到21世纪中叶，汽车以石油作燃料的时代将会结束。

　　随着我国经济的快速发展，我国的汽车产量和保有量也在迅速增加；1995年我国汽车保有量为1100万辆，1998年达到1300万辆，到2000年我国汽车保有量将达2000万辆；届时我国的石油消耗量的1／4—1／3需国外进口；到2010年，当我国的汽车保有量达到4400—5000万辆时，我国的石油资源短缺会更加严重。

我国现已探明的石油资源仅能够开采30年，因此石油资源的短缺会制约我国汽车工业和经济的发展。

　　可以看出：

寻找替代能源，开发和发展替代石油的气体燃料汽车对全世界尤其是对我国都是关系到社会经济，尤其是支柱产业—汽车工业发展的重大战略问题。

1.3国内外相关技术现状与发展趋势

在国外，美国、德国等发达国家一直把旋压成形技术作为军工生产的关键支撑技术，实现优质、高效、低耗和低成本生产。

旋压成形工艺技术日趋成熟，旋压成套设备已经系列化、模块化、专业化，因此，旋压成形技术得到了广泛应用，其中包括潜艇用压缩气瓶的生产。

我国也较早开展了旋压理论技术研究、旋压成形工艺研究、旋压设备研究与制造。

旋压成形技术在武器装备导弹、火箭弹关键零部件制造中得到应用，用于导弹和火箭弹药型罩、发动机壳体、舱段、整流罩、蒙皮等制造。

旋压设备逐渐向系列化、标准化、模块化、专业化发展，目前还没有潜艇用压缩气瓶生产的高端旋压设备。

世界各国都十分重视压缩天然气（CNG）作为汽车新能源的研究、开发和应用。

由此带动了在CNG气瓶设备制造领域的迅速发展。

美国UPS于1987年开始研制CNG作代用燃料的汽车，同时研制出了气瓶热旋压收口机。

初步实验结果表明：

天然气作为汽车燃料是一种燃烧干净、价格便宜而又使用安全的气体。

同时UPS公司认为，CNG用作汽车燃料可产生重大经济效益，目前该公司已用CNG气瓶改装CNG汽车将近1万辆。

美国现已有500多个加气站，有近500万辆汽车使用CNG作燃料，1994年在美国的运输系统中，CNG的消耗量占总能源的消耗量的0．2％，但预期到2000年其CNG的使用量将比现在增加71倍；1994年，其CNG气瓶的市场销售额为：

钢质气瓶为5千万美元，复合材料气瓶为7千万美元；1997年复合材料气瓶销售额已上升到2亿美元。

美国为了鼓励天然气汽车的发展，从1990年开始各州相继制定了一系列政策法规，并出台一些优惠政策，促进燃气汽车的发展，目前美国已有加气站近600座，正在运行的CNG汽车超过15万辆。

城市环境污染和石油替代能源问题，日本正大力发展天然气汽车；从60年代初，日本丰田等公司就开始研究燃气汽车。

90年代初，其技术日渐成熟，迄今己生产CNG和LPG汽车近万辆。

近5年来，以日本燃气协会为中心全力推进天然气汽车的研究和开发；1992年日本通产省资源能源厅又制定了作为环境对策的普通天然气汽车的基础建设计划（生态站2000计划），计划到2000年，建立加气站2000个，用CNG气瓶改装天然气汽车2万辆。

俄罗斯是研究和应用天然气汽车的较早的国家之一，不论是供气装置的研究成果，还是钢内衬环向复合材料增强的气瓶开发，都有独到之处。

基础部件的研究成果和丰富的天然气资源极大地促进了俄罗斯燃气汽车的发展，目前在俄罗斯有800多个加气站，用CNG气瓶改装的燃气汽车己近40万辆

　　中国同样是贫油富气，因此我国政府十分重视燃气汽车的发展，国家科技部已召开过两次清洁燃料汽车研讨会和展览会；1999年4月又召开了清洁燃料汽车行动会，会上进一步强调：

无论是从改善空气质量的需要，还是从能源的合理利用上，大力推广燃气汽车都具有十分重要的意义。

并强调首先在占城市汽车保有量约10％，却占城市汽车总运行里程40％一50％的公共汽车和出租汽车行业，大力推广燃气汽车，以期取得一定的环保效果。

并进一步开发新标准的燃气汽车产品，充实公交和出租汽车行业，充分发挥其环保效益。

目前已确定全国12个燃气汽车的试点城市，现已有近500个加气站，北京的全部公交车已用CNG气瓶进行改装，20000多辆燃气汽车在运行。

1.4机械手的组成与分类

1.4.1机械手的组成

机械手大致可分为手部、传送机构、驱动部分、控制部分以及其它部分。

1.手部（或称抓取机构）包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用；2.传送机构（或称臂部）包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用；3.驱动部分它是驱动前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式；4.控制部分它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等；5.其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。

1.4.2机械手的分类

机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：

1.按机械手的使用范围分类：

（1）专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。

它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。

这种机械手结构较简单，

成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。

（2）通用机械手（也称工业机器人）指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工具的机械装置。

通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。

简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。

这种机械手由于手指可更换（或可调节），程序可变，故适用于中、小批生产。

但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。

2.按机械手臂部的运动坐标型式分类：

（1）直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩（定为沿X方向的移动）、左右移动（定为沿Y方向的移动）和上下升降（定为沿Z方向的移动）；

（2）圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动（定为绕Z轴转动），亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；

（3）球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z

轴转动，亦即手臂可以前后伸缩（沿X方向移动）、上下摆动（定为绕Y轴摆动）和左右转动（仍定为绕Z轴转动）；

（4）多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。

其小臂和大臂的连接（肘部）以及大臂和机体的连接（肩部）均为关节（铰链）式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。

3.按机械手的驱动方式分类：

（1）液压驱动机械手以压力油进行驱动；

（2）气压驱动机械手以压缩空气进行驱动；

（3）电力驱动机械手直接用电动机进行驱动；

（4）机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。

4.按机械手的臂力大小分类：

（1）微型机械手臂力小于1kg；

（2）小型机械手臂力为1—10kg；

（3）中型机械手臂力为10—30kg；

（4）大型机械手臂力大于30kg。

第二章管料自动输推料机构（上料）总体设计方案

2.1几种不同的管料上料机构

1.

在工程中，输送管料的方式有很多种，譬如重力送料，摩擦送料等方式。

本设计的切管机床送料机构采用摩擦送料。

送料电动机告诉旋转，带动齿轮旋转，齿轮轴开始旋转从而带动滚轮旋转。

同时，液压缸的油压驱动活塞杆做往复直线运动。

因活塞杆和滚轮通过定位销相连接，活塞杆直线往复运动改变两滚轮之间的角度，从而可加紧调整不同直径的管料。

管料通过滚轮的转动输送到主轴箱前进行切管工作。

当送料送到位后，滚轮角度随着活塞杆的回程而加大，松开管料，夹具夹紧管料，完成一次送料过程。

2.

“掌式”上料机构主要由“掌式”拨叉、转轴、摇臂、气缸等零部件组成（见图2）。

坯料铺在台架上时由拨叉的“拇指”起挡料作用；上料时由气缸3带动摇臂2使转轴4及拨叉1转动，单根坯料随拨叉的转动沿台架较平稳地滚动至运输辊道上，同时拨叉的圆弧面组织台架上其它坯料的滚动，从而实现了单根上料。

2.2论文题目的应用背景

为热旋压收口机提供自动上料装置，工件从上料到下料可自动连续进行。

由于我国的热旋压收口机上下料工序都是采用人工操作，不仅工作量繁重，而且容易发生危险，造成事故，对社会和受伤工人的家庭造成很大的经济和精神负担。

机械手的作为一种高效安全的生产工具，在解决这类问题上发挥了巨大的作用。

机械手可以有效地减少人力，便于有节奏地生产，应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

所以，在一些工序上用自动化的机械手代替人工作业，也是技术发展的一个趋势。

2.3主要技术规格参数

中心高：

1300mm

纵向行程：

450mm

纵向推力：

206KN

纵向最大进给力：

210KN

纵向最大进给速度：

200mm/s

纵向最小进给量：

0.1mm

旋轮架转角：

0℃～100℃

旋轮架转矩：

46KNM

旋轮架转速：

0.72rad/s

夹紧行程（直径差）：

17mm

径向夹紧力：

800KN

推料最大行程：

2400mm

送料车移动速度：

1500mm/s

推料器移动速度：

700mm/s

工件直径范围：

φ270～φ400mm

工件长度范围：

max2500mm

毛坯壁厚范围：

3～18mm

卸料器摆动角度：

70°

冷却水消耗量：

8m3/h

主电机功率：

160KW

主轴转数：

10～750r/min

液压站电机总功率：

110KW

使用加热气体：

乙炔、液化气、氧气

机床重量：

40000kg

第三章研究路线

本课题拟采用的研究路线如图3-1所示：

图3.1研究路线图

3.1管料自动输推料机构（上料）总体结构概略

1.工件送料小车由液压马达驱动齿轮、齿条机构沿机床纵向在一条自行设计的滚动导轨上移动。

2.推料装置是由液压马达驱动一套链轮链条机构而传送动力的。

3.V型料架的中心高可以根据工件直径的大小而手动调整。

3.2上料装置运行的说明

机械手运行如下图所示：

图3.2机械手运行示意图

首先，放待加工工件通过进料装置到小车上，由小车将工件送到夹爪前边，再通过小车上的推料装置将工件推到夹爪内直到顶到主轴内的定位块之后再退回，然后再进行后续加工。

3.3对于管料自动输推料机构驱动系统的选择

工业机械手的驱动系统，按动力源分为液压，气动和电动三大类。

液压技术是一种较成熟的技术，它具有动力大，力或力矩惯量比大，快速响应高，易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大，惯量大以及在防爆环境中工作的机械手。

设计机械手时，选择哪一类驱动系统，要根据机械手的用途，作业要求，机械手的性能规范，控制功能，维护的复杂程度，运动的功耗，性能与价格比以及现有条件等综合因素加以考虑。

在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。

本机械手的设计采用步进电机驱动系统，步进电机驱动系统在其中所起的作用是，通过电—机械能转换元件把控制信号进行功率放大，对动力机构进行方向、位置和速度的控制，进而控制机械手的手指按给定的运动规律动作。

电机在只有简单搬运作业功能的机械手中，常常采用简易的逻辑控制装置或编程控制，对机械手实现有限位的控制。

步进电机的特点是：

（1）步距角和静态步距误差步进电机的步距角是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数，数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为0.5°~3°；一般情况下，步距角越小，加工精度越高。

静态步距误差指理论的步距角和实际的步距角之差，以分表示，一般在10’之内。

步距误差主要由步进电机齿距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成的。

步距误差直接影响工作的加工精度以及步进电机的动态特性。

（2）启动频率：

空载时，步进电机由静止突然启动，并能不丢步地进入正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。

若启动时步进电机定子绕组通电状态变化频率大于启动频率，步进电机就不能正常启动。

启动频率与负载惯量有关，一般说随着负载惯量的增长而下降。

（3）连续运行的最高工作频率步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率称为最高工作频率。

最高工作频率是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。

其值远大于启动频率。

最高工作频率随负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。

（4）加减速特性。

步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。

当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样当要求步进电机从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。

逐渐上升或下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或

超步。

一般用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性。

（5）矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩Md与连续运行频率f之间的关系。

矩频特性曲线上每一个频率所对应的转矩称为动态转矩。

动态转矩随连续运行频率的上升而下降下。

说简单一点，就是里面有两组线圈,由电脑控制,一组正转,一组反转,通过丝杠的原理,正传时驱动螺母的前进，即推动机械手前进，由机械手推动工件前进，回来时，步进电机反转，如此往复运行。

第四章上料装置的具体设计和计算

4.1总体设计示意图

总体设计示意图如图4-1所示：

（1）

（2）

图4.1总体设计示意图

如图4-1中

（1）图所示，工件不停地送小车处，由小车1推动工件到夹爪前边，同时推料装置2也通过导轨前行，将工件推送到夹爪内直到顶到主轴内的定位块后，（如图4-1-

（2））小车退回，进行下一轮送料工作。

4.2V型料架的设计

V型料架根据被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，其具体情况也是多种多样的。

V型料架是用来直接承载工件的部件，他的具体设计是由工件要求而设计的。

V型料架的设计必须根据毛坯料的形状质量以及毛坯料的半径等的综合因素设计的，由已知给定的参数范围分别选取工件长度和直径的最大值以及壁厚的最小值，这样求出的管料会使V型料架承载最大的力。

选取工件最大直径φ400mm，由此可推出V型料架的夹角：

图4.2.1V型料架示意图

由此算出V型料架夹角为114°。

再对V型料架与毛坯料进行受力分析：

先求出毛坯料的质量，由于毛坯料选的是45#钢，经查表可知密度ρ，再求管料的体积，由已知参数工件直径φ400mm，毛坯壁厚18mm，工件长度2500mm，可求出管料的体积

v=17190πcm³.......................................⑴

m=ρv................................................⑵

由⑴⑵式子求得管料的质量约为423.7kg

对V型料架和管料进行受力分析：

F1

αGF2

G板G板

图4.2.2V型料架的受力分析

G=mg................................................⑴

G=F1+F2..........................................⑵

F1=F2................................................⑶

已知夹角α.......................................⑷

G板=F1×cos（90-α）.................⑸

由以上5式可求出G板约为180gN

由此可以求出V型料架的每个板的质量为180kg

根据体积等公式可求出V型料架的每个板面厚度为4cm

4.3上料装置设计的基本要求

小车运动首先要实现运动要求，应满足下列要求：

a．小车承受能力大，刚性好，自重轻。

对于