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1、毕业设计济南大学泉城学院毕 业 设 计题 目 轮辐磨边机送料装置设计 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级学 生学 号指导教师二一一 年 五 月 二十 日131 前言1.1 轮辐磨边机轮辐磨边机是一种新型专业机械，专门用于辐板式钢制车轮辐表面毛刺的打磨工艺。该机能够实现自动送料、自动磨削、自动卸料等工序，对轮辐磨削实现全程自动打磨，提高了轮辐打磨的效率节约生产成本。通过工件的进给实现磨轮对辐板异性面的打磨。使用数控技术实现对工件进给运动的控制和实时监测。轮辐生产流程包括开卷矫直机构、剪板机、输送辊道、冲床、剪切机、轮辐运输装置，包装机。具体来说，整个轮辐生产工艺分为：圆筒形坯料备制；将圆筒形
2、坯料在滚形机上滚形成形为轴向对称的、两端直径大、中间凹槽直径小的杯形在制品；将杯形在制品从中间切断成为两只相同的碗形在制品；在旋压机上将碗形在制品的底部旋压成形为平面，使整个工件成为碗形中间制品；冲中心工艺孔；旋压过渡曲线段和直线段；冲中心孔/螺栓孔、冲风孔；校平安装平面；车削加工中心孔/安装平面/外圆/端面和压字。图1.1 轮辐实物图 轮辐加工流程中的磨边剪切工序，对轮辐产品的质量至关重要。由于轮辐粗加工完之后，表面会留有分布不均的毛刺，毛刺的存在对轮胎产品的密封性和使用性能造成了潜在隐患。因此有必要对轮辐进行磨边工序。1.2 送料装置送料机构是实现坯料、工件或产品传送到相应的加工、装配或测
3、试、分类等操作工位上的自动执行机构18。送料装置按其自动化程度可分为人工送料和自动送料两种。自动送料指的是送料装置接到送料指令后，自动松开、运走已加工工件，将待加工工件送入加工位置，并自动进行定位和夹紧。轮辐磨边流程中的送料装置设计，直接关系到磨边工序的批量化和自动化。采用自动化程度较高的送料系统能大大降低工人的劳动强度、节约原材料、提高产量、提高安全性等优点。适合企业机械化生产的要求。1.3 搬运机械手1.3.1 机械手简介机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，
4、代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门8。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。1.3.2发展前景及方向（1）重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同
5、样位置的精确程度。重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。（2）模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置, 使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由
6、于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是机械手的一个重要的发展方向。（3）机电一体化由“可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件, 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。 随着科学与技术的发展, 机械手的应用领域也不断扩大.目前, 机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学
7、,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中.如,水下机器人,抛光机器人,打毛刺机器人,擦玻璃机器人,高压线作业机器人,服装裁剪机器人,制衣机器人,管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人,作战机器人,侦察机器人,哨兵机器人,排雷机器人,布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业.而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。2 送料机械手机械设计2.1 机械手的坐标与自由度选择工业机械手常用坐标形式大致可以分为以下4种：（
8、1）直角坐标系：占用空间大，工作范围小，惯性大，自由度较少时使用；（2）圆柱坐标系：占用空间小，工作范围大，惯性大，但不能抓取底面物体；（3）球坐标系（极坐标系）：占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体；（4）多关节式坐标系：结构复杂，但可以绕障碍物选择路径1。其中根据圆柱系所设计结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，加之该机构运动中既有直线运动，又有回转运动，故采用圆柱坐标系。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具) 的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,使机械手完成各种转动(摆动)、移动
9、或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有23 个自由度7。经功能分析，送料机构所实现的运动大体如图所示5：图2.1 送料机构运动简图为完成如上动作，本设计关于机械手具有6个自由度：手爪张合；手部回转；手臂伸缩；手臂升降；手臂回转；手腕回转等6个主要运动。2.2 机械手的手部结构方案设计夹持式是最常见的一种，回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。由
10、于轮辐整体形状接近于圆柱型，机械手的设计采用夹持式。2.3 机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。2.4 机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。2.5 机械手的驱动方案设计采用液压传动，液压出力大，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，实现连续控制，使机械手用途更广，定位精
11、度一般非常高，在1mm内。因此本机械手的驱动采用液压驱动方式。2.6 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.7 机械手的技术参数2.7.1 用途用于轮辐磨边机自动输送线的送料。2.7.2 设计技术参数1（1）抓重：额定抓取重量活成额定负载，单位为N。（2）自由度数目和坐标形式：整机有几个自由度，并说明坐标形式。（3）定位方式：固体机械挡块、可调机械挡块、行程开个，电位器及其各种位置设定和检测装置；各自由度所设定的位置数目或位置信息容量；电位控制或连
12、续轨道控制。（4）驱动方式：气动、液动、电动和机械传动。（5）手臂运动参数：手臂伸缩、升降、回转、俯仰、摆动、横移的行程范围和速度，单位分别为mm、()和mm/s、()/s。（6）手指夹持范围(mm)和握力(N)。（7）定位精度：位置设定精度及重复定位精度(mm)。（8）控制系统动力：电、气。（9）驱动源：气动的气压大小，液压的使用压力，液压泵规格，电动机功率，电动机类型、规格。（10）轮廓尺寸：长宽高(mm)。（11）重量：整机重量(kg)。（12）控制方式:点位程序控制（采用PLC）2.7.3 机械手设计给定参数表2.1 机械手给定技术参数参数名称数量单位抓重220N夹持半径150-350
13、mm升降行程300mm伸缩行程800mm回转角度200定位精度1mm升降伸缩速度50mm/s3 手部结构设计3.1 夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 3.1.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理
14、，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.2 设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度
15、的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是两支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。3.2 夹紧结构的相关计算3.2.1 夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状
