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

Design of pipe materials automatically feeding mechanism

学 生 姓 名 专 业 学 号 指 导 教 师 学 院

潘璁 机械电子工程 070321224 李彦清 机电学院

2011年6月

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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

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Abstract

Industrial robot is a machine created by human beings, it is a great miracle of human creation, its research, development and design from the mid-twentieth century began. China's industrial robot from the 80's \started in state support, through the \has been basically mastered the robot manipulator design manufacturing technology, control systems hardware and software design.

.The paper is the design illustration about programmed controlling

manipulator ,which drived by hydraulic pressure .The industrial manipulator is used to supply the workpiece ,which are usually made up of operating system ,driving system and controlling system . This manipulator is a tool to supply workpieces .As to the types of manipulator, its composement realizing automatization with computer ,its development in the future ,which are all detailed in the paper .

On the main part of the text ,this paper narrated the standard parameters at first ,and enhanced the best design idea of the machine arm and machine body ,and then it detailed the design parameters and the calculating way .

Key words : industry mechanical hand transfer workpiece machine tool

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目 录

摘 要 ........................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................. II 第一章 绪论 ................................................................................................................. 1 1.1旋压成型技术的概述 .......................................................................................... 1 1.2 旋压成型技术的开发背景 ................................................................................. 1 1.3国内外相关技术现状与发展趋势 ...................................................................... 2 1.4 机械手的组成与分类 ......................................................................................... 4 1.4.1机械手的组成................................................................................................ 4 1.4.2机械手的分类................................................................................................ 4 第二章 管料自动输推料机构（上料）总体设计方案 ............................................. 6 2.1 几种不同的管料上料机构 ................................................................................. 6 2.2论文题目的应用背景 .......................................................................................... 7 2.3主要技术规格参数 .............................................................................................. 7 第三章 研究路线 ......................................................................................................... 9 3.1管料自动输推料机构（上料）总体结构概略 ................................................ 10 3.2上料装置运行的说明 ........................................................................................ 10 3.3对于管料自动输推料机构驱动系统的选择 .................................................... 10 第四章 上料装置的具体设计和计算 ....................................................................... 12 4.1总体设计示意图 ................................................................................................ 12 4.2V型料架的设计 ................................................................................................. 13 4.3上料装置设计的基本要求 ................................................................................ 14 4.4上料机构的导轨与推料装置 ............................................................................ 16 4.5推料装置的电动机选择 .................................................................................... 18 4.6液压缸的选择 .................................................................................................... 21 4.7上料装置的受力计算及推料器的强度校核 .................................................... 24 第五章 工业上料机构的安装与安全要求 ............................................................... 26 5.1上料机构的安装 ................................................................................................ 26 5.2上料机构运转安全措施 .................................................................................... 27 第六章 结 论 ................................................................................................... 29 致 谢 ..................................................................................................................... 30 参考文献 ..................................................................................................................... 31

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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。

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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。

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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

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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

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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。

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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.

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“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℃

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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：max 2500mm 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

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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

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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。

上料装置退回 进料至送料小车上 小车将料送到夹爪前边 推料装置将工件推到夹爪内定位 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

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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。

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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

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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

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对V型料架和管料进行受力分析：

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

F1 α G F2 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。

对于机械手臂部和机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，一般采用悬伸梁形式(水平后垂直悬伸)显然伸缩臂的悬伸长度越大，则刚度愈差，而且其刚度随伸缩长度的变化不断变化，对于机械手的运动性能运动精度和负载能 力等影响较大。为提高刚度除尽可能缩短伸缩杆的长度外，尚应注意以下几个方面：

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（1）根据受力情况，合理选择界面形状和轮廓尺寸

小车通常既受弯曲（而且不止一个方向的弯曲），也受扭转，应选用抗弯和 抗扭强度较高的界面形状，所以机械手常用无缝钢管作为导管，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的自重,而且空心的内部还可以布置驱动装置，传动机械以及管道，这样就使结构紧凑，外形整齐。

（2）合理布置作用力的位置和方向

在结构设计时应结合具体的受力情况，设法使各作用力引起的变形相互抵消。

（3）注意简化结构

在设计小车时，元件越多，间隙越大，刚性越低，因此，尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理确定调整补偿环节，以减少重要部件的间隙，从而提高刚度。

（4）提高配合精度

要增加导向杆的刚度，配合精度和相对位置精度，使导向杆承受大部分自重和所受阻力。

⑸小车运动速度要高

小车的运动速度是上料机构的主要参数之一，它反映了上料机构的生产水平，一般根据生产节拍的要求决定。确定了生产节拍和行程范围，就确定了手臂的运动速度，在一般情况下，机械手的往复运行速度要求匀速运动，但在机械手启动和停止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击要求启动时间和停止前减速度不能太大，否则引起冲击和震动。

小车开动时时，产生的惯性力为：

F惯=ma=G⊿V/g⊿t （1） 式中：

m——质量（kg）； a——加速度（m/s*s）;

G——手臂运动件所受重力（N）; g——重力加速度（g=9.8m/s*s）; ⊿t——启动或制动的时间差（s） ⊿V——启动或制动的时间差（m/s）

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4.4上料机构的导轨与推料装置

1．整体图如下图所示:

图4.4.1上料机构导轨

滑动导轨的特点与滑动导轨的基本结构形式：

滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，在数控机床上应用广泛。但对于金属对金属型式，静摩擦系数大，动摩擦系数随速度变化而变化，在低速时易产生爬行现象。为了提高导轨的耐磨性，改善摩擦特性，可通过选用合适的导轨材料、热处理方法等。例如，导轨材料可采用优质铸铁、耐磨铸铁或镶淬火钢导轨，热处理方法采用导轨表面滚压强化、表面淬硬、镀铬、镀钼等方法提高机床导轨的耐磨性能。目前多数使用金属对塑料型式，称为贴塑导轨。贴塑滑动导轨的塑料化学成分稳定、摩擦系数小、耐磨性好、耐腐蚀性强、吸振性好、比重小、加工成形简单，能在任何液体或无润滑条件下工件。其缺点是耐热性差、导热率低、热膨胀系数比金属大、在外力作用下易产生变形、刚性差、吸湿性大、影响尺寸稳定性。

基本形式：

三角形导轨：该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90°。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，采用较大的顶角（110°～120°）；为提高导向性，采用较小的顶角（60°）。如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。

矩形导轨：优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较宽，承载力较大，刚度高，故应用广泛。但它的导向精度没有三角形导轨高；导轨间隙需用压板或镶条调整，且磨损后需重新调整。

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FW??4处最大注射压力，已知p＝153MPa。由此求得Fw＝192kN。

d2p：式中，d——螺杆直径，由给定参数知：d＝0.04m；p——喷嘴

各液压缸的外载荷力计算结果列于表l。取液压缸的机械效率为0.9，求得相应的作用于活塞上的载荷力，并列于表1中。

2.进料液压马达载荷转矩计算

Pc5?103 TW???796N?m

2?n2?3.14?60/60取液压马达的机械效率为0.95，则其载荷转矩

T?

TW?m?796?838N?m 0.953.液压系统主要参数计算 3.1初选系统工作压力

250克塑料注射机属小型液压机，载荷最大时为锁模工况，此时，高压油用

增压缸提供；其他工况时，载荷都不太高，参考设计手册，初步确定系统工作压力为6.5MPa。

3.2计算液压缸的主要结构尺寸 ⑴确定合模缸的活塞及活塞杆直径

合模缸最大载荷时，为锁模工况，其载荷力为1000kN，工作在活塞杆受压状态。活塞直径 D?4F 2?p1?p2(1??)??此时p1是由增压缸提供的增压后的进油压力，初定增压比为5，则p1＝5×6.5MPa＝32.5MPa，锁模工况时，回油流量极小，故p2≈0，求得合模缸的活塞直径为

Dh?4?100?104m?0.198m，取Dh＝0.2m。 63.14?32.5?10按表2—5取d/D＝0.7，则活塞杆直径dh＝0.7×0.2m＝0.14m，取dh＝0.15m。 为设计简单加工方便，将增压缸的缸体与合模缸体做成一体(见图1)，增压缸的活塞直径也为0.2m。其活塞杆直径按增压比为5，求得

dz?2Dh?50.22?0.089m，取dz＝0.09m。 5⑵)注射座移动缸的活塞和活塞杆直径

座移动缸最大载荷为其顶紧之时，此时缸的回油流量虽经节流阀，但流量极小，故背压视为零，则其活塞直径为

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4F4?3?104Dy??m?0.076m，取Dy＝0.1m

?p1??6.5?106 由给定的设计参数知，注射座往复速比为0.08／0.06＝1.33，查表2—6得

d/D＝0.5，则活塞杆直径为：

dy＝0.5×0.1m＝0.05m

⑶确定注射缸的活塞及活塞杆直径

当液态塑料充满模具型腔时，注射缸的载荷达到最大值213kN，此时注射缸活塞移动速度也近似等于零，回油量极小；故背压力可以忽略不计，这样

4FDs???p14?21.3?104m?0.204m，取Ds＝0.22m； 6??6.5?10活塞杆的直径一般与螺杆外径相同，取ds＝0.04m。 3.3计算液压马达的排量

液压马达是单向旋转的，其回油直接回油箱，视其出口压力为零，机械效率为0.95，这样

VM?2?TW2?3.14?7963?33?m/r?0.8?10m/r 5p1?m65?10?0.953.4计算液压执行元件实际工作压力

按最后确定的液压缸的结构尺寸和液压马达排量，计算出各工况时液压执行元件实际工作压力，见表2。

4.制定系统方案 4.1制定系统方案

⑴执行机构的确定

本机动作机构除螺杆是单向旋转外，其他机构均为直线往复运动。各直线运动机构均采用单活塞杆双作用液压缸直接驱动，螺杆则用液压马达驱动。从给定

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的设计参数可知，锁模时所需的力最大，为900kN。为此设置增压液压缸，得到锁模时的局部高压来保证锁模力。

⑵合模缸动作回路

合模缸要求其实现快速、慢速、锁模，开模动作。其运动方向由电液换向阀直接控制。快速运动时，需要有较大流量供给。慢速合模只要有小流量供给即可。锁模时，由增压缸供油。

⑶液压马达动作回路

螺杆不要求反转，所以液压马达单向旋转即可，由于其转速要求较高，而对速度平稳性无过高要求，故采用旁路节流调速方式。

⑷注射缸动作回路

注射缸运动速度也较快，平稳性要求不高，故也采用旁路节流调速方式。由于预塑时有背压要求，在无杆腔出口处串联背压阀。

⑸注射座移动缸动作回路

注射座移动缸，采用回油节流调速回路。工艺要求其不工作时，处于浮动状态，故采用Y型中位机能的电磁换向阀。

⑹安全联锁措施

本系统为保证安全生产，设置了安全门，在安全门下端装一个行程阀，用来 控制合模缸的动作。将行程阀串在控制合模缸换向的液动阀控制油路上，安全门没有关闭时，行程阀没被压下，液动换向阀不能进控制油，电液换向阀不能换向，合模缸也不能合模。只有操作者离开，将安全门关闭，压下行程阀，合模缸才能合模，从而保障了人身安全。

⑺液压源的选择

该液压系统在整个工作循环中需油量变化较大，另外，闭模和注射后又要求 有较长时间的保压，所以选用双泵供油系统。液压缸快速动作时，双泵同时供油，慢速动作或保压时由小泵单独供油，这样可减少功率损失，提高系统效率。

4.7上料装置的受力计算及推料器的强度校核

（1）受力情况如下图所示：

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5

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Fc B=100mm A=100mm Fax

Fay

图4.7.1受力示意图

受力图如上图所示： A=30?5?10?6=0.00015 力平衡：

FC= Fay （1）

力矩平衡

Fcb=Fax×a

?剪= Fax/A= Fca/Ab （2）

=1.5N/0.00015=1O4Pa

?剪??max

所以45号钢满足要求。其横截面积尺寸为：5×30mm

⑴ 推料器的强度校核

为了防止推料板的损坏，现对推料板进行必要的强度校核： 现对推料板进行受力分析，推料板的受力分析如下图：

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图4.7.2受力分析图

先求出最大正应力：σmax=Mmax/W................................................⑴ Mmax=Fl............................................................⑵ 由于截面是矩形，所以抗弯截面系数为：

W=bh2/6.............................................................⑶ h和b都能通过管料的直径求得

由以上条件求得σmax=31.5Mpa 且σmax≤[σ]

从结果可以看出，无论是最大拉应力和最大压应力都未超过许用应力，强度条件是满足的。

l F 第五章 工业上料机构的安装与安全要求

5.1上料机构的安装

（1）上料系统的安装尽量与建筑物、公用设施、其他机器设备的干扰，并考虑到特殊环境要求，如易燃物、腐蚀、潮湿、灰尘、电磁场、温度的干扰，要求保证正常工作条件。

（2）上料装置在自动操作的状态下，人不得进入危险区域。当人误入危险区域时，系统应当具有停机警告和报警功能。

（3）上料装置的安装应有足够的空间，场地要平整，地基要结实，无油污，防止工作人员跌倒。

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（4）系统应当可靠接地，接地电阻小于1Ω。 应当明确上料机构所用液压的变动许可范围。

在机构接通电源，工作人员进入工作范围执行维修工作前，

应当首先完成下列工作：检察机械手系统是否存在导致动作误差的因素。控制装置应进行功能实验，以保证其正常工作。当接通电源工作时，在限定范围内执行维修任务的人员，应规定专人控制。

（7）在上料机构周围划定危险区域，危险区域有限定工作范围以及隔离带构成，带宽一般规定为1米到1.5米左右。

5.2上料机构运转安全措施

1. （1）在控制装置的硬件系统或软件系统更改，且机构关键部件维修之后，通电前应当检查硬件系统和功能是否正常。

（2）在试运转时候，如果没有防护装置和措施，工作人员不得进入限定的工作范围。

（3）如果安全防护系统不在规定的位置，但是又要进行试运转时，应当采取一些临时的防护措施。

（4）启动过程应当包括：通电前应当检查机械部件的安装极其稳定性；电路连接是否正确；检查通信连接；周边装置和系统；限定工作范围和限定位置。通电以后确保：每个轴都能运动，且符合设计要求；紧急停机装置功能正常；电源切断单元正常；互锁功能正常；在慢速时装置能正常进行，并且有工作能力；在自动状态下，能按工作进度正常运行系统。

2．采取安全措施的原则

（1）安全优先于经济。这是指当安全卫生技术措施与经济效益发生矛盾时，宜优先考虑 安全的要求。

（2）设计优先于使用。这是指设计阶段的安全措施应优先于由用户采取的措施，因为设计是机械安全的源头。避免风险的决策应在机械的概念设计或初步设计阶段确定，以避免将危险遗留在使用中，还可以减少因安全整改造成的浪费或中途改变设计方案的不便。

（3）设计缺陷不能以信息警告弥补。这是指不能以使用信息代替应由使用技术手段来解决的安全问题，使用信息只起提醒和警告的作用，不能在实质上避免风险。

（4）设计应采取的措施不能留给用户。这是指设计采用的措施无效或不完

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全有效的那些风险，可通过使用信息通知和警告使用者在使用阶段采用补救安全措施，但应该由设计阶段采用的安全措施，绝不能留给使用阶段去解决。

3．选择安全技术措施的顺序

（1）实现本质安全性。这是指采用直接安全技术措施，选择最佳设计方案，并严格按照标准制造、检验；合理地采用机械化、自动化和计算机技术，最大限度地消除危险或限制风险，实现机械本身应具有的本质安全性能。

（2）采用安全防护装置。若不能或不完全能由直接安全技术措施实现安全时，可采用间接安全技术措施即为机械设备设计出一种或多种安全防护装置，最大限度地预防、控制事故发生。要注意，当选用安全防护措施来避免某种风险时，要警惕可能产生另一种风险。

（3）使用信息。若直接安全技术措施和间接安全技术措施都不能完全控制风险，就需要采用指示性安全技术措施，通知和警告使用者有关某些遗留风险。 （4）附加预防措施。它包括紧急状态的应急措施，如急停措施、陷入危险时的躲避和援救措施，安装、运输、贮存和维修的安全措施等。

（5）安全管理措施。这是指建立健全安全管理组织，制定有针对性的安全规章制度，对机械设备实施有计划的监管，特别是对安全有重要影响的关键机械设备和零部件的检查和报废等，选择、配备个人防护用品。

（6）人员的培训和教育。绝大多数意外事故与人的行为过失有直接或间接的联系，所以，应加强对员工的安全教育，包括安全法规教育、风险知识教育、安全技能教育、特种工种人员的岗位培训和持证上岗，并要掌握必要的施救技能。

机械系统的复杂性决定了实现消除某一危险和减小某一风险往往需要采用

多种措施，每一种措施都有各自的适用范围和局限性，要把所有可供选用的对策仔细分析，权衡比较，在全面周到地考虑各种约束条件的基础上寻找最好的对策，提供给设计者决策，最终达到保障机械系统安全的目的。

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第六章 结 论

本次设计中，设计的上料装置应该能达到以下技术要求：

1.小车的送料距离达到：3950mm ； 2.小车的运行速度最大能达到1500mm/s；

3.推料器的定位精度不超过0.5mm，并且动作平稳，能基本保证切底的精度； 4.上料机构的整体设备牢固可靠，抗震动，干扰能力强，适应生产环境； 但是这次设计也有一些不足：

1.推料器的定位不一定能始终按照假定过程运行，在小车送料时，小车或工件由于惯性作用，可能不能准确停在工位上，可能引起加工误差。

2.推料器送料时，其送料节奏与热旋压的加工节奏协调精度不足，有可能加工出废品，造成资源的浪费。

上述不足之处可以通过添加光电器件加以解决。

另外，我还了解到，应用上料机构，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

目前，国内外使用的工业机械手实际上多数是通过定位控制来实现的，没有“视觉”和“触角”反馈。世界各国正积极研制带有“视角”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确地夹持工件，进而精确地在机器中定位，定向。为了使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所抓取的工件。这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手智能机械手，它是非常具有发展前景的。

机械手的使用范围大多只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是代替人从事繁重的工作和危险的工作，在恶劣环境下尤其明显。在汽车工业和电子工业之类的工业部门，机械手的应用情况不容乐观，虽然这些工业部门工时不足的问题很严重，但是采用机械手只限制在一小部分工序上。部分原因是工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围狭小。部分原因是由于经济问题，采用机械手来节约人力，从经济上来看，并不一定就是节约划算的。

无论如何，机械手以及类似机械手设备的利用，对于节省人力和实现生产合理化来说是会有持续增长趋势的。如果在技术方面和价格增长方面存在的问题得到解决的话，我们相信机械手的应用在今后必将会展示它独特的魅力。

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致 谢

四年的学习、生活转眼间就要告一段落，在此，我要向曾经给予我指导和帮助的各位老师、同学以及所有关心我的人们表示衷心的感谢！

首先要感谢我的导师李燕清。从论文的选题、撰写直到修订等整个过程，都是在李老师的关怀和悉心指导下完成的。导师渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的洞察力和锐意进取的开拓精神都是非常值得我学习的。从导师那里我不仅学到了丰富的专业知识、更学到了为人处事的道理。在此，谨对老师多年辛勤的培养和关心表示由衷的感谢！

感谢在大学学习期间与我一起欢笑过、奋斗过的师兄师弟师妹们，与你们一起度过的快乐时光是我一生中美好的回忆。

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参考文献

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