清华大学机械工程学院自动化零件清洗线设计论文文本

清华大学机械工程学院自动化零件清洗线论文文本 清华大学机械工程学院 本科生毕业论文(设计) 题 目: 自动化零件清洗线设计 姓 名: Mr Li 系 别: 机械工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: 2012级1班 学 号: ********* 指导教师: **** 2016年 6 月 27日 1 毕业论文(设计)诚信声明 本人声明:所呈交的毕业论文(设计)是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得清华大学大学或其他教育机构的学位或证书使用过的。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 论文(设计)作者签名: 日期: 年 月 日 毕业论文(设计)版权使用授权书 本毕业论文(设计)作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文(设计)的复印件和电子版，允许论文(设计)被查阅和借——————————————————————————————————————————————— 阅。本人授权清华大学大学可以将本毕业论文(设计)全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本毕业论文(设计)。本人离校后发表或使用该毕业论文 (设计)或与该论文(设计)直接相关的学术论文或成果时，单位署 名为清华大学机械工程学院。 论文(设计)作者签名: 日期: 年 月 日 指 导 教 师 签 名: 日期: 年 月 日 2 目 录 摘 要 ............................................................................................................... ............................ ? Abstract ....................................................................................................... .................................. ? 1 绪 论 ............................................................................................................... .......................... 6 1.1 研究目的和意 义 .............................................................................................................. 6 1.2 选题背 ——————————————————————————————————————————————— 景 .......................................................................................................................... 6 1.3 本课题研究内 容 .............................................................................................................. 7 2 选择与论 证 ......................................................................................................................... 8 2.1 提出方 案 .......................................................................................................................... 8 2.2 工作原理比较分 析 .......................................................................................................... 8 2.3 方案选 择 .......................................................................................................................... 9 3 湍流清洗机理以及影响清洗效果因 素 ................................................................................... 10 3.1 湍流清洗机 理 ................................................................................................................ 10 3.2 影响清洗效果因素分 ——————————————————————————————————————————————— 析 ................................................................................................ 10 4 机械手的总体方案设 计 ............................................................................................................. 6 4.1 机械手传动方案设 计 ...................................................................................................... 6 4.2 主要技术参数的确 定 ...................................................................................................... 6 4.3 机械手的配置和工作原 理 .............................................................................................. 7 5 上下料机械手机械结构方案设 计 ............................................................................................. 8 5.1 上下料机械手总体结 构 .................................................................................................. 8 5.2 上下料机械手手部设 计 .................................................................................................. 8 5.3 手臂方案设 计 ................................................................................................................ 15 5.4 机械手横移系统设 计 .................................................................................................... 21 5.5 液压传动系统设 ——————————————————————————————————————————————— 计 ........................................................................................................ 22 6.清洗线工位设 计 ........................................................................................................................ 25 6.1 清洗系统设 计 ................................................................................................................ 30 6.2 干燥系统设 计 ................................................................................................................ 26 7 结 论 ....................................................................................................................................... 27 参考文 献 ....................................................................................................................................... 28 致 谢 ........................................................................................................................................... 29 3 零件清洗线设计 摘 要 ——————————————————————————————————————————————— 机械设备在装配前、维修过程中均需要将零件进行清洗，以保证 零件洁净，从而为设备的装配提供保证。但在目前，由于市场上超声 清洗较贵重，在一些小型生产厂家和维修企业，一般没有专用的清洗 设备。这些厂家大多采用人工清洗，其结果是生产质量得不到可靠保 证。本课题设计的是一种清洗设备，用于小型零部件的清洗。本文根 据零件清洗的一般流程，对零件清洗线的总体设计和机械结构及功能 作了设计。 清洗线主要由清洗槽体、悬挂机械手装置、清洗系统、过滤系统、 热风吹干系统、金属横梁和框架以及控制系统等构成。各个工位之间 的零件的换位操作是通过机械手装置完成的，机械手的移动是靠齿轮 和齿条的啮合运行的。清洗线能安全、可靠地完成零部件各部位的清 洗功能，同时操作方便且对环境的污染少。零件清洗线的应用使工厂 便于自动化，能降低劳动强度和生产成本，从而提高劳动效率和提高 经济效益。 关键词: 清洗线 零部件 自动化 4 ? Design of Cleaning Line for Spare Parts Abstract Before assembly and in the process of maintenance, mechanical equipment all need cleaning parts in order to ensure the clean spotless and providing assurance for the parts’ assembley performance. But at the moment, ultrasonic cleaning is expensive in the market which lead that there is no special cleaning equipment in some small manufacturers ——————————————————————————————————————————————— and maintenance enterprise. Mostly using artificial cleaning, the result is that their production quality can’t get reliable guarantee. This topic designs a simple cleaning equipment used to clean small parts. According to the general process of the parts’ cleaning, this thesis designs the overall design of the automatic cleaning line as well as its mechanical structure and functions. Cleaning line is consist of washing tub, the suspended mechanical arm, clean system, filtering system, dry system, the frame and control system. The parts’ conversion between each station is completed by the mechanical arm whose remove is completed by the cooperation between gear and rack. This cleaning line is used to clean each place of the parts safely and reliably, considering of operating easily and reducing pollution to the environment. For the factory, the cleaning line is used for automation, reducing the labor intensity and production cost and then increasing the work efficiency and economic benefits. Keywords: cleaning line; spare parts; automation 5 清华大学本科毕业设计(论文) 1 绪 论 1.1 研究目的和意义 机械设备装配前、维修过程中均需要将零件进行清洗，以保证零 件洁净，从而为设备的装配性能提供保证。在各个行业中有很多的零 器件均需要清洗，需要清洗的种类和环节也很多，例如:在机械工业 ——————————————————————————————————————————————— 中清洗轴承、齿轮、轴、过滤器、油泵、阀门及其他机械零件;在机械工业中，清洗轴承、齿轮、轴、过滤器、油泵、阀门及其他机械零件[1]。 研究目的:目前，在一些小型生产厂家和维修企业，一般没有专用的清洗设备，大多采用人工清洗，其结果是生产质量得不到可靠保证。面对这一问题这次便设计一种简易清洗设备，用于小型零部件的清洗。 研究意义:科技发展迅速的今天，在市场经济的影响下，对产品质量的要求也越来越高。在生产过程中工厂为了保证产品的生产质量，大多数工厂使用清洗工艺来提高产品生产质量，这样做出的产品能够很好的符合国家和人民需求。现代化的工厂为了提高生产效率，一般采用机械流水线的清洗模式进行清洗，这样可以大大节约空间，大大提高清洗效率。零件清洗线综合以上优点，对工厂便于用于自动化，提高劳动效率、降低工人的劳动强度以及降低生产成本、提高经济效益等。 1.2 选题背景 我国的清洗技术已经取得了较好的成果。“具体在以下方面:一是机械零部件在涂漆前的洗涤以及在电镀之前后的洗涤，机器零部件的洗涤，具体要求是要高级清洗度，比如齿轮、齿轮轴、制动器件、油泵的油嘴、阀门零部件、过滤器的洗涤。二是医疗方面，清洗各种针管和手术器具;以及医用、制药、食品、化学科学等所用的各种器具瓶罐的清洗。三是个人家庭日常使用工具、高精度元器件、高精密——————————————————————————————————————————————— 塑料器件、链接管线、收藏品以及首饰工艺品等的清洗”[2]。 目前国内外水清洗装置大多采用:1)蒸汽清洗2)喷淋式清洗3)振动清洗4)超声波清洗等。随着科技发展用的最多的是超声波清洗，我国现有各类超声波清洗设备制造企业数十家左右，大部分在珠江三加州等地区。根据现有资料显示，我国东部沿海的公司占全国总数的85,左右，由此可知我国相对经济主要地区的公司对超声波清洗这项先进技术 6 清华大学本科毕业设计(论文) 的广泛使用。而且从另一方面讲超声波清洗技术在我国欠发达的中西部身份有很大的拓展前景。 虽然中国在清洗方面已经有了一定的发展，但总体而言还远不如欧美等国家和地区，这些还远不能满足现代社会日益增长的工业及民用清洗的需求，我们现在需要认清现状，发展清洗事业，迎头赶上发达国家。 目前，由于市场上超声清洗较贵重，在一些小型生产厂家和维修企业，一般没有专用的清洗设备，大多采用人工清洗，其结果是生产质量得不到可靠保证。 综上面对这一问题这次便设计一种清洗设备，用于小型零部件的清洗。在本课题的设计—零件清洗线，将要解决这一问题。 1.3 本课题研究内容 本课题设计的是一种清洗设备，用于小型零部件的清洗。设计设备能安全、可靠地完成零部件各部位的清洗功能，操作方便、可靠，——————————————————————————————————————————————— 并考虑减小对环境的污染。 本课题的特色与创新点: (1)零件清洗线特色体现在“线”上，多工位自动。 (2)成本较比市场的低，体积也较小，适合小工厂使用。 7 清华大学本科毕业设计(论文) 2 方案选择与论证 2.1 提出方案 根据本课题的设计任务要求，现提出两种设计方案。方案布局简图如下，并根据实际需要以及可实现程度论证这两种方案，最后得出最优设计方案。 图2-1 方案之一 图2-2 方案之二 2.2 工作原理分析比较 2.2.1 方案一工作原理 如方案之一图所示，整体采用箱体式，被清洗的物件可从进料口可输送到不锈钢专用网带之后送入清洗槽漂洗，然后在经过清洗、烘干等工序后物件从出料口被送出。当中有另外的控制箱来操控整个过程的运转和进程。 2.2.2 方案二工作原理 8 清华大学本科毕业设计(论文) 如方案二图所示，清洗线主要由清洗槽体、悬挂机械手装置、清洗系统、过滤系统、热风吹干系统、——————————————————————————————————————————————— 金属横梁和框架以及控制系统等组成。各个工位之间的零件的换位操作是通过机械手装置完成的，以及最后送入滚筒输送链。机械手机构用摆线马达转动齿轮再加上一个齿条，两者啮合运行，整个机械手一边做一个导向滚轮，来做为导向工具，使机械手不发生偏移沿着即定路线运行从而达到间歇步进运动的目标; 2.3 方案选择 本设计采用第二种方案，第二种方案灵活性高，便于观察运转过程以及发现故障及时维修。清洗过程方便排水以及清理水槽，而且成本较第一方案低，符合小厂家使用要求且方案具有新颖性。 清洗过程使用湍流清洗，清洗分为清洗液清洗和清水漂洗两个过程，成本低而且清洗效果也很好。 干燥区使用感应式热吹风机，节约能源。 机械手使用的是马达驱动，上下提升和抓取动作的完成依赖于两个液压油缸的紧密配合动作完成，中心控制单元使用PLC可编程逻辑控制器来进行直接的操控。 9 清华大学本科毕业设计(论文) 3 湍流清洗机理以及影响清洗效果因素 3.1 湍流清洗原理 湍流被定义为流体的一种流动状态。当流速很大的时候，流线会混合不清，流场中会产生许多小漩涡，这时层流将被破坏，相邻层流动层之间不但有滑动现象发生，而却还混合现象的发生。如果流速稍——————————————————————————————————————————————— 大时，流体的流线会开始出现波浪状的旋转现象，旋转的频率和幅值随流速的增大而增大的现象。当流体的流速很小，流体将会分层流动，互不混合，称之为层流;当流速很大时，流体为不规则运动装态，将会有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动现象称为湍流或紊流。湍流清洗就是采用高压喷水与浸泡相结合形成湍流，在被清洗物品的表面上形成“刷洗作用”的原理来清洗设备零部件的。 3.2影响清洗效果因素分析 清洗效果包含清洗质量和清洗效率。湍流清洗的影响效果因素有湍流强度、清洗液性质、环境条件等。 另外湍流强度越高则就会在零件表面刷洗的更加频繁和细致，对细小部位能进行有效清洗，当湍流强度达到一定强度后，清洗效果会达到饱和。 清洗液的选择需要考虑待清洗零件的材料、油污种类、污染程度以及机械杂质等。“应选择低粘度的液体，从而利于形成湍流;考虑到对环境的污染程度要小，清洗时采用水基清洗剂，并有针对的添加稳定剂、助溶剂以及消泡剂等添加剂”[3]。 环境温度的影响主要是对清洗液的影响。 清洗物在清洗槽中的摆设安排对清洗效果也有很大影响作用。清洗物品的摆放规则是是有一定的间距排列悬挂在槽中或用金属网筐装好悬挂为最好[3]。 影响清洗效果的因素有清洗时间和被清洗物的污染状况。延长清洗时间帮助促进清洗质量，时间过长会导致零件表面的腐蚀，降低生——————————————————————————————————————————————— 产效率。在清洗时根据清洗状况分开清洗较好[3]。 10 4 机械手总体方案设计 4.1 机械手传动方案设计 机械手的四种运动方式分类: 1、球坐标式 2、直角坐标式 3、圆柱坐标式 4、关节坐标式 另外直角坐标式的优点为: (1)在刚性联结的自动生产线中使用悬挂式机械手是很有用的一种方式，机械手可以在各工位间输送工件，各臂均悬挂在生产线上方的横梁上，把工件从一个工位移动到下一个工位，可以减少随行夹具和其他装置，提高自动化程度[4]。 (2)悬挂式机械手结构紧凑，能够有效利用工厂的宝贵空间资源。 (3)悬挂式机械手结构简单，成本底。 其中零件清洗线上的送料机械手需要采用液压驱动的方式进行，PLC进行控制，使用液压驱动有如下两点好处: (1)使用液压驱动可以实现无级变速调节，定位精度高，系统固有频率小，压力、容量调节容易的优点。 (2)使用液压驱动有压力高，可以实现较大的驱动力量，而且——————————————————————————————————————————————— 机构可以设计的很轻小，紧凑致密等优点。 4.2 主要技术参数确定 机械手的主要技术参数包括抓重、自由度、定位精度、重复定位精度、工作范围、最大速度及承载能力[4]。 主要参数如下: 抓重: 20kg 自由度: 2个 工作范围: 上下升降:350mm----600mm 11 横移:2000mm 驱动方式: 液压驱动 控制方式: PLC控制 缓冲方式: 节流回路 4.3 机械手的配置和工作原理 图4-1 上下料机械手简图 本清洗线的送料机械手设备，可以实现上下升降、抓取零件和横移运动等精确地动作。(上下料机械手简图如图一)上下升降、抓取零件是各自的伸缩油缸带动的，横移运动是用摆线马达转动齿轮再加上一个齿条，两者啮合进行有效转动。在生产过程中产品的工序是按照加工顺序(一般是从左向右)依次排列加工进行的。如图二所示: 图4-2 零件清洗线机械手配置图 该送料机械手的动作顺序为:原位——下降(抓料)——上升———————————————————————————————————————————————— —向右横移——下 12 降(放料)——上升——向右横移——下降(放料)——上升——向右横移——下降(放料)——上升——向右横移——下降(放料)——上升——向左横移——原位 13 5 上下料机械手机械结构方案设计 5.1 机械手总体结构方案 主要组成部分如下: (1)横移系统及其滚轮机构; (2)动作油缸零部件; (3)手臂支撑件; (4)执行零部件(手臂部分); (5)辅助系统。 整个机械手共使用2个油缸,即:手臂的升降运动,用往复直线油缸来完成;手指的开合,是由一个单向直线油缸驱动,实现抓取动作。 整个机械手的横向移动用摆线马达转动齿轮再加上一个齿条，两者啮合运行。整个机械手一边做一个导向滚轮，来做为导向工具，使机械手不发生偏移沿着即定路线运行;一边加上一个支撑滚轮，与导轨大面积接触，这样起到很好的支撑作用。 5.2 上下料机械手手部设计 “手部机构是机械手直接用于抓取和握紧或夹持专用工具进行——————————————————————————————————————————————— 操作的部件，是主要的执行动作机构，它安装于机械手前端”[4]。 5.2.1 上下料机械手手部设计基本要求 由所夹持的对象，机械手采用钳爪式手部设计方案: (1)应具有足够的开闭范围 由于在工作环境中，钳爪说抓取的对象各式各样，为了满足设计使用需求，钳爪应该有足够大的闭合尺度范围，并且定位误差要小，夹紧力的影响因素包括方位和安全系数、工况系数等 计算时需要充分考虑这种影响因素。 (2)应具有足够的的夹紧力和驱动力 工件的移动依靠钳爪的抓取而移动，在移动过程中，钳爪应该有较大的加紧力才能避免在抓取和移动的过程中导致工件脱落等不必要的损失。 (3)应具有足够的刚度和强度 14 “钳爪在工作过程中受到被夹持工件的反作用”[8]。因此对于受力较大的钳爪应进行必要的强度和刚度计算。 (4)应能保证工件在手指的夹持精度 “钳爪的定位应该根据具体的抓取对象来选用与其相适应的爪型与之配套定位，这样才能满足较为精确地位置精度，达到使用要求”[8]。 要适应工作位置的状况:若工作位置较窄小可用薄片形钳爪，若工件的形状为圆柱形，机械手的形状可以采用“V”来与之配套抓取。 ——————————————————————————————————————————————— 5.2.2 设计参数 (1)手指式夹持器的执行动作过程由抓紧——放松这两个基本动作组成; (2)零件20kg。 5.2.3 上下料机械手手部结构设计 5.2.3.1 夹紧装置设计 (1)夹紧力计算 机械手的加紧力计算方法如下: FN?K1K2K3G[9] 公式 (5-1) 式中:K1—安全系数，一般范围是1.2~2.0，常采用1.5; K2—工件情况系数，计算公式如下:K2?1?a0.98?1??1.1，加速度a计算公式g9.8 如下:a?Vmax。 t K3—方位系数，根据手指与被夹持物位置不同以及手指与被夹持物的形状来进行选定; K3?0.5s?in，f为摩擦系数，?为V型手指半角，此处采用K3?4。 f G—被抓取工件所受的重力(N) 计算以上数据求得夹紧力FN如下: FN?K1K2K3G?1.5?1.1?4?20?9.8?1293.6N FN选用整数得:1294N。 15 ——————————————————————————————————————————————— (2)驱动力力计算 驱动力和夹紧力之计算公式[6]: FN?Fc 公式(5-2) 2bsina 式中:c—滚子至销轴之间的距离，根据设计要求初定64mm; b—爪至销轴之间的距离，根据设计要求初定102mm; a—楔块的倾斜角，根据设计要求初定16?。 则: F?2FNbshina1294?2?102?sin16???1136.549N 公式(5-3) c64 此处得出的F为理论计算值，但我们一般选用液压缸驱动力F?要大于这个理论计算值，机械效率?取0.88这个系数作为计算值， 计算如下: F??F ??1136.549 3 公式(5-4) ?1291.53N0.88 为满足安全性，取F??1500N。 (3) 液压缸驱动力计算 设计中液压缸为单作用缸设计方式，手抓设为常开式夹紧装置，推力计算公式12]: F推? 计算公式: D-----活塞直径; p----- 驱动压力; ?4D2p 公式(5-5) F推?F?，已知液压缸驱动力F?，且F??1500N?5KN， 由于F??5KN，工作压力P=0.8Mpa[10] ——————————————————————————————————————————————— 据公式计算可得液压缸内径: D?4F?4?1500??48.87mm， 公式(5-6) ?p??0.8 这里采用整数作为计算结果:D=50mm。 活塞杆直径d，计算公式为d?D/2，这里选用26mm作为计算结果; 16 活塞厚B，取厚度B=20mm，与活塞杆为螺纹连接; 活塞行程，当抓取100mm工件时，即手爪从张开140mm减小到100mm，楔块向前移动大约40mm。取液压缸行程S?40mm; 缸筒L的设计长度计算公式为 L>B+S=40+24=64mm; 其中L取整数70 mm; 壁厚，(0.2~0.3)D，取12mm。 (4) 选用夹持器液压缸 液压缸设计参数如下图: 5.2.3.2 手爪夹持误差及分析 手爪的夹持需有较高的精准度，通常情况使夹持误差不超过?1mm。 5.2.3.3 计算楔块尺寸数据 其力的分析如下图5-1所示: 17 图5-1 杠杆手指受力分析图 ——————————————————————————————————————————————— ?—滚子与斜楔面间当量摩擦角。d为转轴图中?—斜楔角，?,30?时有增力作用;?2 ??(d/D)tan?2。tan?2直径，D为滚子外径，滚子与转轴间的摩擦角是?2计算结果如下:?— 支点O至斜面垂线与杠杆的夹角;l—杠杆驱动端杆长;l?—杠杆夹紧端杆长;?—杠杆传动机械效率;滚子与转轴间摩擦系数f2，计算公式为tan?2?f2。 (1)传动效率计算公式如下 传动效率?[9]: ??sin? (5-7) ?)sin?(??2 dtan?2 (5-8) D??tan?2 在计算过程中?取0.85，tan?2取0.1，d/D取0.5; ????90?，选取?是15。 则可得?=14.646?，?2 (2) 动作范围分析 图中阴影部分范围角度: ????90?。 ?2 ?，则楔面对杠杆有沿着杆身方向的力，这个力将会导致不稳定状态产生，?应若???2 ?。此外，若??90?时，杠杆将会与斜面平行，杠杆同鞋面会保持水平交接状态，该大于?2 18 并且同回转支点在结构上产生干涉作用，即为手指动作的理论极——————————————————————————————————————————————— 限位置。 动作范围见图5-2: 图5-2 杠杆活动范围分析图 (3) 斜楔驱动行程和手指开闭范围 在斜楔工作过程中，其在最开始动作点到装夹工件的点，驱动行程为L是沿两斜面对称中心线方向的距离，相应的杠杆手指由?1转到?2，L计算公式如下[9]: L?lcos?1?lcos?21?(cos?1?cos?2) 公式(5-9) sin?sin? 杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为: ?s?l?[cos(?1??)?cos(?2??)] 公式(5-10) 通常状态下，?2选取0~90?，?1由实际张开的角度来确定。已知??15?，可得?2?90????75?。有如图 5-3的关系: 19 图5-3 斜楔驱动行程关系图 可知:楔块下边为45mm，支点O距中心线25mm，且有25l?l??100mm。得: ?tan?，l?l? (4) l与l'的确定 斜楔传动比i的公式: i??l?l?sin? ?Llsin? 由l?l??100分配距离为: ——————————————————————————————————————————————— l?42mm l??68mm。 (5)楔块确定 L为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有下图 5-4中关系: 图5-4 楔块尺寸分析图 取L?40mm，楔块上边长取44mm。 5.2.3.4 材料及连接件选择[10] 螺纹圆柱销GB/T878，d=8mm，数量是2个;使用材料是钢材。 20 使用螺纹连接的楔块、活塞杆，螺纹的公称直径是30mm，螺距p=2，旋合长度为20mm。 5.3手臂方案设计 5.3.1 手臂设计概况 手臂在设计过程中要注意以下几点[4]: (1)手臂的设计需要本身的重量小，刚度适中，其抓取时要经得住工件的重量 合理布置作用力的位置和方向，注意简化结构，尽量使结构简单的设计方案。 (2)臂部速度要高，惯性要小 方案设计时，臂部的质量要小，以及较小的动作尺寸。 (3)经济性和寿命的要求，以及人身保护要好。 ——————————————————————————————————————————————— 5.3.2 手臂方案设计 手臂的结构形式要全面分析手臂的受刀情况，并合理的分配给手臂的各部位，避免不 利的受力状态出现。 采用单出杆双作用液压缸，手臂竖直升起时采用单向调速阀进行回油节流调速，靠油 缸行程极限定位，采用导杆导向防止转动。由于垂直安置的手臂抓取重量为20公斤，还 要完成工件夹紧、提升等动作，安装的机构多，考虑到手臂是垂直放置的，主要承受拉伸 力，采用双导杆导向。采用电液换向阀，控制伸缩方向。 下图为双导杆机械手简图5-5: 图5-5 双导杆机械手简图 设计方案参数如下: (1)伸缩尺度:300mm-600mm; (2)前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。 (3)定位误差:要有定位措施，定位误差小于2mm; (4)单方向伸缩时间:1.5, 2.5s; 21 5.3.3 手臂结构设计 5.3.3.1 竖直伸缩臂液压缸参数计算 ——————————————————————————————————————————————— 1、液压缸驱动力计算:受力分析，如图5-6: 图5-6 升降油缸受力图 驱动力计算[12]: 上升阶段公式: 下降阶段公式: 摩+ G Pq= F +F 惯 +F 回 公式(5-12) Pq= F摩+F惯 +F回- G公式(5-13) 在计算公式中，G— 臂部运动部件的重量(N)。 大约估计数值——工件:20?;手部:15?;伸缩缸:20kg;剩余的均为15kg; 总重量大约:70kg 取总重量M为80?，则G=80×9.8=784N ?、F惯— 起动的惯性力(N)的计算: 可按如下近似计算: F惯=G??v g??t 公式(5-14) 式中，ΔV—速度变化量(m/s)，又ΔV最大为200?/s，Δt—启动过程的时间(s)， 22 一般为0.01,0.15s; Δt对于轻载低速部件取小值，当重载高速部件可以选用较大数值，本设计方案选用Δt=0.08s。 因此:F惯=3920.2?N?100N。 9.80.08 ?、F回—油缸回腔低压油液所造成的阻力计算: F回=0.05G计算如下， ——————————————————————————————————————————————— F回=0.05?392N?19.6N ?、F摩— 各支承处的摩擦力(N)计算:受力分析如图5-7: 公式(5-15) 图5-7升降油缸受力分析 当量摩擦系数?'?(1.27~1.57)?，对于静摩擦且无润滑时，铜对青铜:??0.1~0.25;钢对铸铁:??0.18~0.3，取??0.2; 则?'?(1.27~1.57)?0.2?0.25~0.31。 升降导向立柱不自锁，必须G?F1?F2?2F1?2FR1f, 由平衡条件:FR1 =FR2 ，G×R= FR2×h， 解得:h,0.32R。 H取10?，满足不自锁条件， F摩?2FR1f?2GRf2?392?40?0.16?N?250.88N 公式(5-16) h20 计算以上结果为: 油缸上升时的驱动力公式如下: Pq= F摩+F惯 +F回+ G=100+19.6+250.88+784=1154.48N 公式(5-17) 油缸下降时的驱动力公式如下: 23 Pq= 摩F惯+F回 -+F 2、液压缸的直径计算 [12] 5 2 公式(5-18) G=250.88-+718040=+-149.13.6。根——————————————————————————————————————————————— 据双作用油缸的计算公式: F1??D2p 4? 公式(5-19) F2??(D2?d2)p 4? d?D/2 公式(5-20) 其中: P—油缸工作压力，Pa;由于驱动力小于5KN，故可令p=1MPa; F1—活塞杆伸出时的推力; d—活塞直径; F2—活塞杆缩入时的拉力; ?—液压缸机械效率，取0.7; 计算数据得: 当推力做功时 D? 当拉力做功时 公式(5-21) ?58.35mm;D???31.68mm; 公式(5-22) 计算取整后，D?60mm。 3、活塞杆及缸筒参数设计 (1)活塞杆材料:选择45号碳素结构钢，其抗拉强度?b?600MPa[10]; 活塞杆直径:d?(0.3~0.5)D，取d?30mm; (2)缸筒材料:选取45号碳素钢，其抗拉强度?b?570MPa[10]; 24 ——————————————————————————————————————————————— (4)缸筒壁厚?及校核:取??8mm， 根据校核条件: ? D?8?0.13,0.8?0.13?0.3 ， 属于普通壁厚[12]。 60 校核公式[9]: ??pmaDx 公式(5-24) 2.3??3pmax 式中:pmax—缸筒内最高工作压力，取为7Mpa[10]; ???—材料的许用应力，?????b570??114MPa; ?5 ?为材料安全系数，??5。 则: ?? 所取?符合要求。 (5)缸筒外径D1:D1?D?2??60?2?8?76mm; (6)活塞厚度B:取B=12mm，与活塞杆为螺纹连接[12]。 5.3.2 导向机构设计 导向机构采用内外套筒式结构，对称布置，极限伸缩长度应与伸缩臂的极限长度基本相同或略长，取700mm;套筒内径即导杆直径选取35mm，套筒壁厚选取2.5mm，则套筒外径为40mm。套筒和导杆材料选择45号碳素结构钢，抗拉强度?b?600MPa。 导向机构通过螺纹旋合连接在竖直手臂支撑板上，螺纹直径M35，导杆轴线与竖直伸缩臂轴线保持平行，并以伸缩臂轴线为中心线保持左右对称，导杆轴线与竖直伸缩臂轴线间距150mm。 ——————————————————————————————————————————————— 5.3.3工业机械手的平稳性和定位精度 缓冲装置是为了保证机械手运动平稳和降低震动[11]。冲击有两种:一种是液压系统动作时产生的冲击(电磁换向阀的换向)，这种冲击作用于管路之中，仍会引起机械手振动，要靠改进液压系统设计解决。另外一种是机械冲击，它是在臂部运动中与定位装置相碰撞产生的，用可靠缓冲装置来消除[11]。 25 pmaxD7?60??1.74 公式(5-25) 2.3??3pmax2.3?114?3?7 以下是相关影响因素[4]: (1)惯性力影响:机械手速度突变，加速度不连续，会产生巨大惯性冲击力，致使工件滑移，部件松动，零件破裂。应当根据机械手的运动特性，选择适宜的控制系统，使加速度按照所需要的运动规律变化。同时，在保证刚度前提下降低机械手运动部件的质量。 (2)结构刚性影响:零件结构刚性底，配合间隙及整机固有频率低时，受较小惯性冲击就发生震动。 (3)定位方法影响:电气开关定位的精度最低?5~?3,机械挡块定位的精度最高?1~?0.02。 (4)驱动系统影响:液压、气压、电压及油温波动都会降低平稳性和定位精度，必要时，用蓄能器、稳压器等稳定压力和电压，用加热器及冷却器控制油温。 5.4 机械手横移系统设计 5.4.1横移系统方案设计 ——————————————————————————————————————————————— 机械手在导轨的横向移动是用摆线马达转动齿轮再加上一个齿条，两者啮合运。整个机械手一边做一个导向滚轮，来做为导向工具，使机械手不发生偏移沿着即定路线运行，一边加上一个支撑滚轮，与导轨大面积接触，这样起到很好的支撑作用。 5.4.2横移系统结构设计 5.4.2.1横梁和导轨的设计 由《机械设计》查得，横梁材料选用HT500，采用工字梁。如图 5-8所示: 图5-8 工字梁 横梁上安装导轨，采用螺纹连接。导轨结构一边采用三角形导轨，使导向滚轮沿其滚动;一边采用矩形导轨，使支撑滚轮沿其滚动。导轨截面如图5-9所示: 26 图5-9 导轨截面 5.4.2.2 横移机构结构设计 横向移动采用摆线马达转动齿轮再加上一个齿条，两者啮合运行。如图 5-10所示: 图5-10 横移机构 5.4.2.3 滚子结构设计 由于导轨结构一边采用三角形导轨，一边采用矩形导轨，滚子机构应与之配合设计。结构如图 ——————————————————————————————————————————————— 5-11所示: 1(V型导轨 2.导向滚子 3.支撑滚子 4.矩形导轨 图5-11 滚子结构图 27 5.5 液压传动系统设计 5.5.1 确定液压系统基本方案 本设计方案采用具有2个移动自由度直角坐标形式。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求。本设计横移动作采用液压马达驱动，升降和夹持动作采用单活塞液压缸控制。 设计要求: (1)满足工业机械手动作顺序要求。 (2)机械手伸缩臂连接升降大臂上，前段安装夹持器。按控制系统的指令，完成工件的自动环卫工作。 设计应重视的问题: (1)液压缸设计;在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件。 (2)定位点的缓冲与制动:因机械于手臂的运动惯显较大，在设计时应该加装缓冲与制动机构。 5.5.2 液压系统设计 油箱的作用是储油和散热。其容量不能过小，通常根据机械手液压系统的工作压力和油泵的流量来确定。 ——————————————————————————————————————————————— 油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。在油泵吸油管口处装置粗滤油器，以保护整个系统;在其油液人口处装置精滤油器，能使局部油液经过精滤，以保证高灵敏元件的正常工作，能保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物。 在工作环境中，由于液压设备有温度需求，所以应该采用一定措施进行保护如下: (1)夹持器采用单出杆双作用缸，保证滑动过程中不使零件下掉。 (2)机械手的横移运动采用液压马达带动齿轮沿齿条运动，马达采用BM4型。 液压原理图如图5-10所示: 28 1、三位四通电磁换向阀 2、单向节流阀 3液控单向阀5、压力阀 6、调速阀 4、二位四通电磁换向阀 7、摆线马达 8、比例换向阀9、溢流阀10、单向阀11、液压泵12、滤油器13、换向阀14、压力表 图5-10液压系统图 29 6 清洗线工位设计 清洗线包括上下料滚筒式输送带、清洗槽、漂洗槽、干燥槽等，还有水泵、过滤系统、鼓风机、加热器等。清洗线制作成桌子形状，清洗槽、漂洗槽和干燥槽在清洗台的上半部;水泵、过滤系统、鼓风机以及空气加热器均在里面的各自工位水槽下方安置。总体布局如图——————————————————————————————————————————————— 6-1: 图6-1 清洗工位布局 6.1清洗系统设计 清洗槽分为内槽和外壳，内槽槽内盛清洗液。内壁上制作一些孔，好让高压喷水的管道进入水槽中，高压喷水和槽内的水形成湍流来清洗零件。水槽底部安放支架使网筐悬在清洗液中。采用水基清洗液，控制好水的温度:50?5?，清洗时间在五分钟之内以防零件发生点蚀。 清洗槽设为矩形槽，考虑液面高度要满足被清洗件浸入液面下，设计其槽尺寸为440×400×380mm，壁厚四壁20mm，底部设计25mm。清洗槽采用强度高，能抗化学腐蚀的不锈钢材料制成。清洗槽四壁小洞尺寸直径20mm，布置如图 6-2所示: 图6-2 清洗槽小洞布置图 为了节约水资源清洗槽下部设置了过滤系统——过滤循环泵、球阀、不锈钢过滤器等。当工件出槽时，经过过滤的液体可以再次清洗零件表面粘附的油污。 30 6.2 干燥系统设计 对清洗后的零件进行烘干处理，包括鼓风机、干燥加热器、管道、干燥槽。其工作原理为:在通电后，鼓风机把空气吹送到加热器里，使空气以适宜的速度从喷吹管喷出到清洗后的零件上。 ——————————————————————————————————————————————— 出风口处安装送风温度监控回路，主要由温度检测器、温控仪、温控阀和执行装置组成。在出风口安装温度检测器，通风机可利用风量调节器调节吹送空气的风量大小。干燥系统结构如图 6-3所示: 图6-3 干燥系统图 31 7 总 结 本论文对零件清洗进线进行了总体的方案设计，也将其基本原理概述简介，具体#工作总结#起来有如下几点: (1)本次论文的写作，基本了解和掌握了零件清洗线的原理和结构形式。 (2)通过本次的零件清洗线设计，初步了解的国内企业的清洗线生产状况。 (3)零件清洗线大致清洗流程;上下料流程、清洗流程、干燥流程、零件转移流程。 (3)在部分机构的设计过程中，熟悉和掌握了一些机构的运动过程及其特点。 零件清洗线能够帮助企业提高效能，长期使用可以有效降低企业的生产成本，为企业赢得产品的竞争力，大大减轻企业的负担，零件清洗线设计合理，使用相当的可靠，是一个很好的产品设计，但金无足赤，本产品还有部分不足之处，有待进一步优化提高和改善，具体在以下几个方面有待改进: ——————————————————————————————————————————————— (1)本清洗线的部分机构设计比较复杂，还有待进行优化和完善，以减轻整个生产线的结构组成。 (2)本产品在运行过程中部分机构的动作会产生噪音，在后续的完善过程中需要进一步改进，比如加装消声瓦片等减震机构设备可有效降低机器产生的噪音。 (3)本产品的设计需要运用人机工程方面的设计，使机器和人相互配合的更加完善和友好。 由于本人才疏学浅，本次零件清洗线的设计难免会有不足之处，希望老师和同学批评指正。 32 参考文献 [1] 清洗技术在机械制造行业中的应用和展望.化学清洗，1997，(03):2-6 [2] 林仲茂.超声清洗发展概况.清洗世界,1998，(01):1-5 [3] 陈益民，雷建勋. 阀类零件的超声清洗及多工位自动清洗线的设计开发. 清洗世界，2007，23 (3):1-4 [4] 李晓旭，王玉林.自动供料机械手的设计及其运动分析.机电产品开发与创新，2010(1) [5] 李国超.轴承超声波清洗技术的研究与应用.大连理工大学，2006:10-20 [6] 濮良贵，纪名刚. 机械设计(第八版). 北京:高等教育出版社，2006:62-88,308-317 ——————————————————————————————————————————————— [7] 机械制图.大连理工大学工程画教研室编(第五版).北京:高等教育出版社，2003 [8] 朱光胜. 基于水下机器人典型操作任务的实验手抓的研制.合肥工业大学，2006 [9] 关慧贞，冯辛安.机械制造装备设计(第三版).北京:机械工业出版社，2010 [10] 王文斌.机械设计手册1、2、3、4、5. 北京:机械工业出版社，2004 [11] 龙立新.工业机械手的设计分析.焊接技术，1999(3):5-15 [12] 高连兴，石岩.液压与气压传动.中国农业出版 社,2007:101-112,176-204 [13] 孙恒，陈作模，葛文杰. 机械原理(第七版). 北京:高等教育出版社，2006 [14] 郭彤梅(中国工业清洗剂市场现状(清洗世界，2006，22(2):17-21 [15] 马振褔. 液压与气压传动. 北京:机械工业出版社，2004 33 致 谢 不知不觉中，三个多月的毕业设计结束了，从这次的设计中，我受益匪浅，对零件清洗工作原理有了比较全面的了解，对机械设计制造有了更深的认知。 整理好厚厚的设计资料，感慨颇多，由于经验的匮乏，难免有许——————————————————————————————————————————————— 多考虑不周全的地方，遇到了许多困难，如方案的反复推敲与更改，零部件的确定以及放弃，图纸的修改等等。这些方面充分暴露出了大学期间我在这方面知识的欠缺与不足。本论文能得以顺利的完成，这与吴教授不倦的教导和倾力的帮助是分不开的。 首先，我要真诚地感谢吴教授的指导。吴教授定期询问设计进程，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，他都倾注了大量精力和时间，对本论文的框架和内容安排提出了指导性建议。他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风以及科学的工作方法，不仅拓宽了我的知识面，也使我分析问题、解决问题的能力有了很大提高，使自己受益匪浅。在此，我向导师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意～ 感谢院领导老师为我们提供了一个良好的学习环境，让我在安静的环境下完成了毕业设计，谨向各位领导老师表示诚挚的敬意。 感谢我的同学和室友们，在这段时间里给我学习和生活上的帮助，感谢你们与我共同讨论，给了我关于论文的一些较好的意见。 感谢父母、家人，感谢所有关心我的朋友和老师，感谢清华大学的学习环境。 本论文参考了国内外许多学者的研究结果和相关研究论文，在此致以深深的敬意～ 34 ———————————————————————————————————————————————