自動壓鑄機機械手設計,自動壓鑄機機械手設計,自動,壓鑄機,機械手,設計 摘 要 本設計中的自動壓鑄機主要是用于鋁制胚件的壓鑄，主要是把兩個配料放入模具，對毛胚件用感應爐進行加熱熔化連接成為一體。 主要組成部件：一個帶有二獨立的單獨驅動的機械手，帶有平臺或抓爪的自動卸件裝置，沖模凈化用人工操作的清除設備，石墨粉浴浸浴室由不銹鋼用分開的浴槽與攪拌器組成熔爐，雙波道感應電爐用３感應器。自動壓鑄機的頂部回轉部分主要是采用蝸輪蝸桿減速和電磁離合器實現(xiàn)雙機械手的獨立控制。設備控制用自由可編程松下FP1系列的可編程控制器控制，用可控硅整流器進行無級的控制窯爐。 關鍵詞 自動壓鑄機 機械手 可編程控制器 自動卸件裝置 Low Pressure Die Casting Machine Abstract Specifications：Linear portal with two independent manipulators with separate drives .Max. die dimensions: 500 400 mm,Quick die change flanges. Automatic piece removal units with removal tables or grippers.Die cleaning unit with manually operated cleaning device. Graphite bath made of stainless steel with separated basins and agitators. Furnace: Two channel induction furnaces with 3 inductors, each with Content: 1800 kg, Melting capacity: 300 kg/h. Option: Melting capacity: 500 kg/h Control: Machine control with bus system and freely programmable PC control Beckhoff .Furnace control stepless with thyristors. Keywords Low Pressure Die Casting Machine manipulators programmable PC control Automatic piece removal unit 51 目 錄 摘 要 1 目 錄 3 1 引言 4 1.1 設計任務介紹及意義 4 1.2 自動壓鑄機的選題和國內外的生產使用狀況 5 1.3 自動壓鑄機研究與開發(fā) 7 1.4 自動壓鑄機的關鍵技術和主要特點 7 2 自動壓鑄機的總體布置的設計 9 2.1 自動壓鑄機的總體布置的確定 9 2.2 自動壓鑄機頂部回轉機構的方案設計 12 2.3 頂部回轉機構蝸輪蝸桿減速機構的設計 12 2.4 空軸的設計和電磁離合器的選擇 18 3 機械手部件的設計 19 3.1 上部移動導軌部件的設計 19 3.2 上部移動回轉部件的計算 20 3.3 直線導軌的選擇 22 3.4 回轉的大臂的設計 23 3.5 機械手夾緊部分的設計 24 3.6 機械手小回轉臂的設計 24 3.7 機械手卸件機構的設計 24 4 氣動控制系統(tǒng)部分的設計 26 4.1 氣壓傳動的特點 26 4.2 氣壓傳動系統(tǒng)的設計 27 4.3 氣壓傳動元件的選擇 26 4.4 氣源的處理和設計 31 5.電氣控制系統(tǒng)部分的設計 32 5.1 電氣控制系統(tǒng)的總體設計 32 5.2 電氣控制系統(tǒng)程序設計 34 6 畢業(yè)設計總結 44 致 謝 45 參考文獻 46 附錄A 可編程控制器控制程序 47 附錄B 電算程序 50 1 引言 這一章主要介紹設計任務介紹及意義，自動壓鑄機的選題和國內外的生產使用狀況，我國壓鑄工業(yè)概況，自動壓鑄機研究與開發(fā)，自動壓鑄機的關鍵技術和主要特點。 1.1 設計任務介紹及意義 1.1.1 設計任務的介紹 設計自動壓鑄機總布置圖，金屬模開合機械手部件圖，關鍵零件圖，單片機控制原理圖。鋁鑄件，最大工件重5kg，節(jié)拍30S。 工作量： 設計圖量A0四張，A1一張，其中 總布置圖 A0一張 機械手部件圖 A0兩張 關鍵零件圖折合 A1一張 電氣控制原理圖 A0一張 設計說明書2.5萬字 英文翻譯5000漢字 編程語句100句以上 1.1.2 設計的意義 此設計中設計的自動壓鑄機主要用于鋁制零件的壓鑄， 自動壓鑄機的工作原理和機械手的工作原理相似，壓力鑄造是先進的熱加工工藝之一。用壓鑄法可以制造很復雜的薄壁零件。壓鑄件具有表面光滑，尺寸精確，強度高的特點，一般不加工即可使用，因而可以節(jié)省大量的金屬和機械加工設備。壓鑄生產周期短，生產率高，易于實現(xiàn)機械化或自動化，從而可以減輕勞動強度，改善勞動條件。 壓鑄工藝已經(jīng)有九十年左右的歷史，但僅在三十年代冷室壓鑄機普及以后，才在各工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展起來。近年來，由于生產的需要和借助其他科學技術的新成就，使他得到了更快的發(fā)展?，F(xiàn)在壓鑄件不再局限于汽車工業(yè)和儀表工業(yè)中使用，而已擴大到各工業(yè)部門，如農業(yè)機械，機床，電工與電子儀器，航空，火箭，紡織機械，計算機，無線電，照相機等。壓鑄生產不僅在有色合金鑄造中占主導地位，而且已成為現(xiàn)代工業(yè)的一個重要組成部分。 1.2 自動壓鑄機的選題和國內外的生產使用狀況 1.2.1 自動壓鑄機國內外概況和發(fā)展趨勢 目前世界上具備一定實力的壓鑄機制造工廠有60家左右，其中有影響的工廠約16家，這些國家的機器在壓射性能、設備精度、機床剛性以及電子計算機控制和自動化程度上各具特色?；钴S在中國市場上的廠家有瑞士的布勒．斯洛伐克的維霍拉特，日本的東芝、宇部、東洋，德國的富來，意大利的意特、意德拉，美國的王子、HPM 等另外，近幾年從不同國家進口的壓鑄機，就價格來講，并不是統(tǒng)一按質論價的；主要與各國貨幣和人民幣的比價有關，所以并不是價格愈高，壓鑄機的技術水平和質量愈高，購買時須加以分析。 制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎，是創(chuàng)造社會財富的重要手段，是一個國家經(jīng)濟發(fā)展的主要支撐。壓鑄由于它是一種少切削甚至無切屑，精度較高的鑄造技術，節(jié)約能源，環(huán)境污染較少，機械化程度高，易于實現(xiàn)自動化，因而半個世紀以來，在我國發(fā)展很快，年增長率達8％～l2％。 1.2.2 我國壓鑄工業(yè)概況 目前，國內有專業(yè)壓鑄廠約800家，非專業(yè)廠內壓鑄生產點約1 600家，合計2400家。擁有壓鑄機近8 000余臺，職工逾5萬名，年產壓鑄件已達31.2萬t，產值近100億元。另外，壓鑄機及輔助設備生產企業(yè)約180余家，其中壓鑄機生產廠超過16家，壓鑄機年生產能力超過1200臺?？缮a 28000kN以下的所有臥式冷室壓鑄機和4 000kN以下的普通熱室壓鑄機，可提供3150kN以下全立式壓鑄機系列產品?？偟闹v，國產壓鑄機已形成較完整的系列，產量已太于國內需求，除鎂合金熱室壓鑄機正在開發(fā)、擠壓鑄造機尚未開發(fā)外，可為用戶提供成套設備生產熔煉設備比較上規(guī)模的廠已超過6O家，我們江蘇省的生產能力就很強，特別是南京和無錫二地，就有很多生產廠點國內壓鑄模具制造廠在100家以上，產值約1億元。與世界先進水平的差距： 中國壓鑄業(yè)的發(fā)展必須以世界先進水平為目標，才能更好地參與國際競爭。因此，必需看到我國不少企業(yè)的素質還不高，技術發(fā)展滯后于生產的發(fā)展，管理水平滯后于行業(yè)的發(fā)展，經(jīng)營方式滯后于市場競爭的需要。 1）結構不盡合理，設備利用率偏低 我國壓鑄設備不算太少，除國產壓鑄機外，幾乎世界各國生產的壓鑄機，在中國都有。除一些與主機廠有固定配套關系和有較穩(wěn)定的壓鑄件出口業(yè)務的企業(yè)外，普遍存在設備利用率不高或閑置的問題。不少企業(yè)上壓鑄項目時就缺少了解，有的是低水平重復，購進了設備沒有生產對象；或是沒有預期的生產量；或是技術不過關，產品出不來；也有因模具跟不上或設備故障缺少維修力量，影響生產；還有的是缺少評估論證，借貸購進設備，導致任務不足、負債沉重，使企業(yè)陷入困境。 2） 壓鑄機質量與國外有較大差距，具體體現(xiàn)在： 總體結構落后。目前國產壓鑄機結構基本上是20世紀70年代末、80年代初的定型設計。2O余年來除電控用PLC取代繼電器系統(tǒng)外，改進不大。 可靠性差。這是國產壓鑄機的致命傷。國產壓鑄機平均無故障運行的時間不到3000h，甚至達不到國外2O世紀五六十年代水平。目前，國外一般超過20000h。 漏油嚴重。增加了用戶生產費用，污染了環(huán)境。主要原因是密封件質量差，加工粗糙。 品種規(guī)格不全，配套能力差。如臥式冷室壓鑄機從16 000kN到28 000kN問就無產品，熱室壓鑄機缺少4 O00kN以上的產品，鎂合金熱室壓鑄機和擠壓鑄造方面都是空白 高新技術的應用落后。如數(shù)控壓鑄機、壓鑄柔性加工單元(FMC)和集成加工系統(tǒng)在國外已開始普及推廣，而我國只是試制出一個4000kN的壓鑄柔性加工單元，至今尚無更多的產品。 3） 模具制造跟不上壓鑄業(yè)的發(fā)展 壓鑄模的質量直接影響到壓鑄件的質量和成本。目前，國內將CAD／CAM用于模具設計與制造的專業(yè)模具加工企業(yè)還不多，采用數(shù)控機床和電火花加工機床加工模具型腔，是我國模具加工的主力。鄉(xiāng)鎮(zhèn)和個體經(jīng)營的模具制造企業(yè)，在我國某些地區(qū)已成為一支重要的力量，他們的特點是制造周期短、成本低，但在質量上差距很大，有的較好，有的因選用的材料較差，熱處理不規(guī)范等，模具的壽命很短。因此，不少大型和復雜鑄件的模具或產量大的鑄件用的模具，依靠進口。 4 ）技術管理水平不平衡 我國一些上規(guī)模的專業(yè)化廠，壓鑄分廠和車間，有較強的技術力量和較高的管理水平，能很快吸收國內外先進技術與管理經(jīng)驗。但也有不少企業(yè)管理較差，基礎工藝薄弱。 具體反映在：生產場地不文明，合金不符合標準，熔煉工藝不嚴，壓鑄工藝不穩(wěn)定，重復壓射時工藝參數(shù)變化大，檢測手段和質量保證體系不完善等，因此直接影響到產品質量的提高。 1.2.3 壓鑄市場情況 根據(jù)北美壓鑄協(xié)會96年初公開發(fā)表的報告。壓鑄產品在北美壓鑄市場中分配的比例大致地分別為:汽車工業(yè)48%,建筑工程20%、機械裝各和儀器11%、電子工業(yè)11%。汽車工業(yè)需求增長很快，建筑工程需求量在近幾年增長很快，出現(xiàn)了與電子工業(yè)和機械裝備爭搶壓鑄產品供應商的局面，但96年比95年則略有下降。 機械裝備除了各種機械、設備和儀器以外還包括家用機械，如洗碗機致冷機、洗衣機、干燥機等等。96年比95年增長1.3%,97年則有大幅度增加。 電子工業(yè)，包括電子計算機、各類電子設備零件、測量儀器，還包括辦公設備、通訊裝備等，市場需求量很大，95年比94年增長7.6%,96年增10.2%,97年還繼續(xù)增加。 1.3 自動壓鑄機研究與開發(fā) 1.3.1 系統(tǒng)的研究項目 建立壓鑄件和壓鑄模設計的計算機模塊，建立在鋁合金壓鑄的工藝過程中微觀組織與性能的關系，在熱處理時做到改進機械性能和控制變形，從而延長H13鋼的模具壽命。關于對溫度，壓力和氣體含量的監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和評估鋅合金壓鑄時對模具的焊附，等離子體表面處理技術在鋁和鋅壓鑄模上的應用。 國際范圍的研究組織NADCA 在95年列出了世界范圍的第一批19家研究機構的名單，按國家來分:瑞士2家、德國2家、澳大利亞3家、法國1家、美國4家、新加坡1家、加拿人3家、丹麥1家、日本1家和瑞典1家。 1.4 自動壓鑄機的關鍵技術和主要特點 1.4.1 自動壓鑄機的關鍵技術 在這個設計中的機械部分的關鍵技術主要是： 1. 機械手的設計 2. 頂部回轉機構的設計 3. 氣動部分的設計 4. 控制系統(tǒng)的設計 1.4.2 壓鑄機的主要特點 這種壓鑄機和我們平時所見到壓鑄機最大的區(qū)別是：這種壓鑄機用的不是融化的金屬，而是把兩個已經(jīng)略具形狀的毛坯料放入壓鑄機內經(jīng)過加熱熔化而成為一體的零件，壓鑄后的零件表面光亮，精度高，不需要再進行加工。 壓鑄機主要包括兩個獨立的機械手，冷卻池，熔爐，沖模凈化用人工操作的清除設備，帶有平臺或抓爪的自動卸件裝置。 此設計主要是設計低壓模鑄設備的機械手部分，壓鑄機要實現(xiàn)的功能是：把已經(jīng)是成形的兩個毛胚料放入模具內用感應加熱爐進行加熱融化后連成一體，成為可用的工件。 主要參數(shù)規(guī)格： 1) 一個帶有二獨立的單獨驅動的機械手的入口 2) 最大模具尺寸：400- 500毫米快速沖模轉換法蘭 3) 帶有平臺或抓爪的自動卸件裝置 4) 沖模凈化用人工操作的清除設備 5) 石墨粉浴浸浴室由不銹鋼用分開的浴槽與攪拌器組成熔爐 6) 雙波道感應電爐用３感應器、其中每個重量1800公斤 7) 熔化能力：300公斤／Ｈ 8) 可選項：熔化能力：500公斤／Ｈ 9) 設備控制用總線系統(tǒng)與自由地可編程松下FP1系列的可編程控制器控制 10) 用可控硅整流器進行無級的控制窯爐 2 自動壓鑄機的總體布置的設計 這種壓鑄機和我們平時所見到壓鑄機最大的區(qū)別是：這種壓鑄機用的不是融化的金屬，而是把兩個已經(jīng)略具形狀的毛坯料放入壓鑄機內經(jīng)過加熱熔化而成為一體的零件，壓鑄后的零件表面光亮，精度高，不需要再進行加工。壓鑄機主要包括兩個獨立的機械手，冷卻槽，熔爐，沖模凈化用人工操作的清除設備，帶有平臺或抓爪的自動卸件裝置。 此設計主要是設計低壓模鑄設備的機械手部分，壓鑄機要實現(xiàn)的功能是：把已經(jīng)是成形的兩個毛胚料放入模具內用感應加熱爐進行加熱融化后連成一體，成為可用的工件。 2.1 自動壓鑄機的總體布置的確定 壓鑄機主要有鑄機主要包括機架，兩個獨立的機械手，冷卻槽，熔爐，沖模凈化用人工操作的清除設備，帶有平臺或抓爪的自動卸件裝置。 圖2-1 KWC工業(yè)工程公司設計生產的自動壓鑄機 圖2-2 兩個獨立的機械手，冷卻槽，感應爐 機架主要是為了支撐兩個獨立的機械手，并且兩個獨立的機械手可以作360°回轉，機架主要是用矩形形鋼焊接而成，用四個支柱支撐，如圖 圖2-3 機架 在機架的旁邊還有一些輔助設備，包括控制設備，清模設備，由于本設計采用氣動控制，所以必須有氣源發(fā)生裝置，還有胚料架和成品存架，氣體管路和電氣線路。這些都要周到考慮和布置。 支撐重量的計算： 估計蝸輪蝸桿的重量為8kg，空心吊軸的重量為4kg，實心軸的重量為3kg 電磁離合器的重量為1.5kg X 2=3kg，支撐筒架和兩個推力球軸承總重量為6kg，機械手的上橫梁和吊架的重量6.25kg，機械手的下縱向移動臂的重量為2.65kg， 回轉架的重量為1.5kg，機械手的下橫梁的重量為5.5kg，機械手左右臂的總重量為15.5kg 。 所以總的重量為 ：8kg+4kg+3kg+3kg+6kg+（6.35kg+2.65kg+1.5kg+5.5kg+15.5kg）X 2 =87kg。 每個機械手的重量31.5kg，所以總體上屬于輕型機械。 圖2-4總體布置 圖2-5 總體布置圖 2.2 自動壓鑄機頂部回轉機構的方案設計 這個機構主要是用來分別帶動兩個機械手的周向轉動，由一個單相電機帶動經(jīng)過蝸輪蝸桿的減速達到要求的回轉動角速度，用空軸傳動，下面用兩個電磁離合器分別機械手相連，當機械手需要轉動的時候電磁離合器得電，機械手轉到指定位置，位置主要由行程開關來控制，行程開關采用接近開關，主要有五個停止位置。 為降低成本和在空間進行合理布置，兩個機械手共用一個電機，一套蝸輪蝸桿減速機構，在用兩個電磁離合器分別和它們嚙合，只要控制電機的正反轉和電磁離合器的開合就可以完全控制兩個機械手的回轉運動，在用行程開關控制五個位置就可以達到設計要求。 圖2-6 頂部回轉機構 2.3 頂部回轉機構蝸輪蝸桿減速機構的設計 1．蝸輪輪齒齒面接觸強度計算 （1）選材料，確定許用接觸應力[sH]，蝸桿用45鋼，表面淬火45~50HRC；蝸輪用ZCuSn10P1（10-1錫青銅）砂型鑄造。由表8-3查得[sH]=200。 （2）選蝸桿頭數(shù)z1，確定蝸輪齒數(shù)z2，傳動比i=n1/n2=960/30=32，因傳動比不算大，為了提高傳動效率，可選z1=1，則z2=iz1=32×1=32，取z2=32。 （3）確定作用在蝸輪上的轉矩T2，因z1=1，故初步選取h=0. 80，則 T2=9.55×106×=9.55×106× =9.55×106×=32.48 N.m （4）確定載荷系數(shù)K，因載荷平穩(wěn)，速度較低，取K=1.1，由式（8-7）得 ≥≥=3087.6 mm3 由表8-1，取m=8，d1=64mm。 （5）計算主要幾何尺寸 蝸桿分度圓直徑 d1=64 mm 蝸輪分度圓直徑 d2=mz2=8×27=256 mm 中心距 a=（d1+d2）=0.5×（36+256）=160 mm 按齒面接觸強度計算蝸輪模數(shù)m及蝸桿特性系數(shù)q 蝸桿傳動的設計公式為 （mm） 蝸桿傳動總效率可根據(jù)蝸桿頭數(shù)估取近似值。當時，，估取傳動效率。 計算蝸輪工作轉矩： 工作情況系數(shù)，由表6－6查取 蝸桿傳動的材料彈性系數(shù)和齒面接觸疲勞基本許用應力，可由表6－7根據(jù)蝸桿材料查取。 ， 將以上數(shù)值代入蝸桿傳動設計公式得： 當時，由表6－1相應的，，則 按強度條件確定蝸桿軸經(jīng)和分度圓直徑 蝸桿軸的直徑可按扭矩強度計算： 取。蝸桿分度圓直徑可按經(jīng)驗公式確定。 根據(jù)按強度條件估算的蝸桿分度圓直徑，表明：當時不能滿足蝸桿扭矩強度的要求。修正值，按照表6－1取，與相近，合用。 計算蝸桿傳動的主要幾何尺寸（表6－4）中心距 蝸桿分度圓升角由表6－2根據(jù)蝸桿頭數(shù)和蝸桿特性系數(shù)值查?。? 分度圓直徑： 頂圓直徑： 根圓直徑： 蝸輪齒寬： 蝸桿螺旋部分長度： ，取。 求滑動速度及傳動效率。 根據(jù)，由表6－5插值取，可由式6－11計算出蝸桿傳動的嚙合摩擦損耗的效率： 在設計蝸桿傳動前，估取了蝸桿傳動總效率，當蝸桿傳動主要尺寸及參數(shù)確定之后，近似取軸承效率攪油效率則總效率 顯然，蝸桿傳動總效率略大于估取值適用。 驗算蝸輪齒面接觸應力 蝸輪齒面接觸應力： （MPa） 式中： －蝸桿傳動材料的彈性系數(shù)： －蝸桿直徑校正值： －蝸桿齒的形狀系數(shù)：由圖6－10，根據(jù)查?。? －蝸輪中徑上的圓周力： －蝸輪齒寬： －蝸輪分度圓直徑： －工作情況系數(shù)： 將以上系數(shù)分別代入求得蝸輪齒面接觸應力為 蝸輪齒面接觸疲勞的安全系數(shù)為 式中： －齒面接觸疲勞基本許用應力： －滑動速度系數(shù)，根據(jù)滑動速度由表6－8查?。? －壽命系數(shù)，計算可求得： －齒面接觸應力： －齒面接觸疲勞最小安全系數(shù)：一般取 因而有 安全。 驗算蝸輪齒根最大彎曲應力 蝸輪齒根最大彎曲應力為 式中： －蝸輪中徑上的最大圓周力為： －蝸輪法面模數(shù)： －蝸輪齒根弧長： 因而有 蝸輪最大的彎曲許用應力由表6－9查取： （錫青銅） 因而有 ，安全。 熱平衡計算 粗估蝸桿傳動箱體尺寸：長，寬，高。考慮箱體與空氣接觸面為前、后、左、右、上五個表面。箱體安裝基面與地基面接觸忽略不計。箱體散熱面積： 蝸桿傳動在工作條件下的油溫為 式中： －空氣溫度， －蝸桿輸入功率， －蝸桿傳動總效率， －散熱系數(shù)， 因而有 顯然，蝸桿傳動可維持熱平衡，合用。 2．熱平衡計算 由式 （8-10）得 （1）取as=15 W/（m2·℃）； （2）取散熱面積A≈1.1m2； （3）效率h=0.8。 =t-t0==36.36℃＜=60~70℃ 故滿足熱平衡要求。 2.4 空軸的設計和電磁離合器的選擇 2.4.1 空軸的設計 在壓鑄機的設計中，因為有很氣路的布置和電器線路的布置，而這些線路都不能從外面進入，只能從中間通向兩個機械手，所以中間的軸必須是空的，所以在這個設計中空軸主要考慮的是管路問題而不是通常的節(jié)省材料的問題，在這個設計中因為工作的載荷比較小，一般的設計就可以滿足強度和剛度的要求。在這個設計我在軸為f100的空軸。 2.4.2 電磁離合器的選擇 在這里選擇DLD系列電磁離合器，為無滑環(huán)、干式單片，它具有結構緊湊、響應迅速、壽命長久、使用可靠等優(yōu)點。 電磁離合器的基本參數(shù) 名稱 額定動力矩(N、m) 80 結合時間 (ms) 200 斷開時間 (ms) 60 額定直流電壓(V) 24 額定功率(W) 35 最高轉速(rpm) 3000 單片電磁離合器屬于干式工作，安裝位置應勿靠近帶有油污和潤滑油飛濺的地方，離合器可安裝在同軸或對接軸上，當安裝在對接軸上時，必須保證兩軸的同軸度，離合器安裝后，磁軛與動盤間不得發(fā)生摩擦，但間隙不要超過0.3～1.5。動盤與銜鐵的間隙δ應保證規(guī)定尺寸。 在這里采用單片電磁離合器，主要是對動力和負載的綜合考慮，但是單片電磁離合器的控制電路也有比較復雜的電路，特別是要實現(xiàn)比較快的響應時一，一定要接成比較保險的特殊電路，下面就把電磁離合器的各種接法進行簡單的介紹，在本設計中因為響應速度要比較高，所以要采用特殊電路。而特殊電路要在基本的電路中在進行擴展。所以下面就把電磁離合器的電路都列表說明。 3 機械手部件的設計 機械手主要用導軌，氣缸，模具，各種支撐板構成。在這個設計中采用成品的導軌，這樣可以縮短試制的過程，也加快了研發(fā)的速度。 本機械手主要用氣動實現(xiàn)，分為大的縱向移動臂，回轉手臂，橫向移動加緊機構，小臂回轉機構和卸件機構。 圖3-1 機械手臂 3.1 上部移動導軌部件的設計 縱向的移動主要用氣缸和導軌來實現(xiàn)，由于縱向有重量，在氣缸縮回的時候有重力，所以必須用三位五通的換向閥，并且中位是鎖住，不能夠移動。這樣才能保證機械手不下滑。如下圖所示： 圖3-2 上部移動導軌部件 3.2 上部移動回轉部件的計算 下面是對中間的梁的計算。主要是校核以下此梁能否承受機械手的重量。 表3-1 1. 截面面積：S=BH+bh 2. 慣性矩：= 3. 抗彎截面模數(shù)： 4. 重心S到相應邊的距離：= 5. 慣性半徑：i= 已知條件： 筋板尺寸 B = 1.5 cm 筋板尺寸 H = 5 cm 筋板尺寸 b = 1 cm 筋板尺寸 h = 1.5 cm 計算結果： 筋板截面I的面積 A = 9 cm^2 筋板截面I的慣性矩 Ix = 15.91 cm^4 抗彎截面模數(shù) Wx = 6.36 cm^3 筋板截面I的慣性半徑 ix = 1.33 cm 表3-2 力矩圖 ==P, ==-Pa(1-a)， =-， =（3-4a） 已知條件： 簡支梁總長 l = 0.7 m 集中載荷 P = 200 N 彈性模量 E = 200 GPa 截面的軸慣性矩 I = 0.008 m^4 局部尺寸 a = 0.2 m 計算結果： 簡支梁的危險截面B處的: 支座反力 Ra = 200 N 支座反力 Rb = 200 N 固定端反力矩 Ma = -3.57 N·m 固定端反力矩 Mb = -3.57 N·m 最大反力矩 Mmax = 11.43 N·m 最大剪力 Qc = 200 N 最大撓度 fmax = 2.708E-10 m 表3-3 強度校核 已知條件： 計算截面的扭矩Mw = 11.43 N·m 抗彎截面模數(shù) Wx1 = 0.000063 m^3 抗彎截面模數(shù) Wx2 = 0.000063 m^3 計算結果： 受拉一邊最大拉應力 σl =0 .18 MPa < σs\Mpa=235 受壓一邊最大壓應力 σy = 0.18 MPa < σs\Mpa=235 都能滿足強度要求。 3.3 直線導軌的選擇 圖3-4 直線導軌 滾動直線導軌副滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成（見下 圖）。當導軌與滑塊 ... 優(yōu)點·滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當?shù)匿撉?，使?塊與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力。 直線導軌由于采用了獨特的偏移哥特式溝槽，所以能根據(jù)使用目的和用途對槽進行設計。 　　 由于能夠精確測試軌道，所以能夠穩(wěn)定的生產高精度直線導軌和具有互換性的直線導軌。 利用這些技術生產的直線導軌具有以下特點： （1）品種齊全，可以滿足各種用途的要求。 （2）高精度、高質量 （3）高可靠性和長壽命 （4）通過開發(fā)可互換的產品，實現(xiàn)了短周期交貨 通過采用哥特式溝槽，即使在超高負載的情況下，也能將負載轉移到非接觸表面。為此，大幅度地提高了產品本身的耐沖擊性。 直線導軌的選用方法： >>機械結構 >>導軌部安裝空間 >>安裝方式 >>行程長度 >>負載大小 >>速度 >>要求壽命、剛性、精度 >>使用頻度（負載循環(huán)） >>使用環(huán)境（在特殊環(huán)境下，首先要考慮材料、潤滑及表面處理等條件） 由于在此設計中導軌只有導向作用，沒有負重.所以不用較核承載能力。 3.4 回轉的大臂的設計 大的回轉手臂是用普通的氣缸通過鉸軸來實現(xiàn)的。如下圖所示： 圖3-5 回轉大臂 3.5 機械手夾緊部分的設計 夾緊的主要事用雙導軌和氣缸來實現(xiàn)。 圖3-7 導軌氣缸的正面 圖3-8 雙導軌 3.6 機械手小回轉臂的設計 機械手小臂回轉主要是用擺動氣缸來實現(xiàn)的。 圖3-9 回轉小臂 3.7 機械手卸件機構的設計 在這個這設計中因為模具的空間有限，所以采用了體積很小的螺紋氣缸來作為頂件氣缸，圖如下所示： 圖3-10 卸件機構 4 氣動控制系統(tǒng)部分的設計 4.1 氣壓傳動的特點 本設計中采用各關節(jié)均采用氣動驅動，采用氣動的原因主要有下面幾點： 4.1.1 氣壓傳動的優(yōu)點 (1)工作介質是空氣,與液壓油相比可節(jié)約能源,而且取之不盡,用之不竭.氣體不易堵塞流動通道,用之后可將其隨時排人大氣中,不污染環(huán)境; (2)空氣的特性受溫度影響小.在高溫下能可靠地工作,不會發(fā)生燃燒或爆炸.且溫度變化時,對空氣的粘度影響極小,故不會影響傳動性 (3)空氣的粘度很小(約為液壓油的萬分之一),所以流動阻力小,在管道中流動的壓力損失較小,所以便于集中供應和遠距離輸送; (4)相對液壓傳動而言,氣動動作迅速,反應快,一般只需0.02～0.3s就可達到工作壓力和速度.液壓油在管路中流動速度一般為1～5m/s,而氣體的流速最小也大于10m/s,有時甚至達到音速,排氣時還達到超音速; (5)氣體壓力具有較強的自保持能力,即使壓縮機停機,關閉氣閥,但裝置中仍然可以維持一個穩(wěn)定的壓力.液壓系統(tǒng)要保持壓力,一般需要能源泵繼續(xù)工作或另加蓄能器,而氣體通過自身的膨脹性來維持承載缸的壓力不變; (6)氣動元件可靠性高,壽命長.電氣元件可運行百萬次,而氣動元件可運行2000～4000萬次; (7)工作環(huán)境適應性好,特別是在易燃,易爆,多塵埃,強磁,輻射,振動等惡劣環(huán)境中,比液壓,電子,電氣傳動和控制優(yōu)越; (8)氣動裝置結構簡單,成本低,維護方便,過載能自動保護. 4.1.2 氣壓傳動的缺點 (1)由于空氣的可壓縮性較大,氣動裝置的動作穩(wěn)定性較差,外載變化時,對工作速度的影響較大; (2)由于工作壓力低,氣動裝置的輸出力或力矩受到限制.在結構尺寸相同的情況下,氣壓傳動裝置比液壓傳動裝置輸出的力要小得多.氣壓傳動裝置的輸出力不宜大于10—40kN; (3)氣動裝置中的信號傳動速度比光,電控制速度慢,所以不宜用于信號傳遞速度要求十分高的復雜線路中. 4.2 氣壓傳動系統(tǒng)的設計 在這個設計中有兩各機械手，要獨立進行控制。下面是氣壓傳動系統(tǒng)圖： 圖4-1 氣壓傳動系統(tǒng) 4.3 氣壓傳動元件的選擇 設計中主要用的執(zhí)行和控制元件為：QGBQ系列系列輕型氣缸；兩位五通雙電控滑柱式換向閥，MB型葉片式擺動氣缸，卸件螺紋氣缸，氣源處理系統(tǒng)。 4.3.1 QGBQ系列系列輕型氣缸 特點： 1、ＱＧＢＱ系列氣缸，有標準型、帶開關型、帶閥型、帶閥帶開關型，均為單桿雙作用，兩側緩沖無給油的氣缸，還有三種形式的變型氣缸。 2、ＱＧＢＱ－Ｆ為帶閥型氣缸，由于缸閥一體化，節(jié)省接管時間和連接管道，所以安裝快速，維護操作方便，體積小，占用系統(tǒng)空間小。 雙電控帶閥氣缸為自己保持式，電磁換向閥有記憶作用，當切斷電信號后，閥位不變，氣缸活塞位置保持不變，系統(tǒng)不受突然斷電的干擾。帶閥氣缸采用了小型低功率的電磁先導閥，線圈全塑包覆，安全可靠，密封良好。 3、ＱＧＢＱ－ＦＫ為帶閥帶開關型氣缸，它是帶閥型和帶開關型氣缸的組合。已構成氣動自動控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了機電一體化和復合集成化。 圖4-2 氣缸 基本技術參數(shù) 氣缸型號 QGBQ-FK（帶閥帶開關型） 氣缸內徑D(?mm) 40 50 最大行程S(mm) 800 500 使用壓力范圍 0.05～0.8MPa 0.15～0.8MPa 使用溫度范圍 5～60°C 5耐壓性 1.2MPa 使用速度范圍 50～70mm/sec 50～500mm/sec ～50°C 使用介質 空氣、干燥空氣 給油 不需要（也可給油） 螺紋等級 GB197-81 6g.6H 緩沖 兩側可調緩沖 行程長度允差（mm) S≤500mm ?40；?50： 緩沖行程(mm) 20 理論傳遞力(N)壓力為0.5MPa 推力 960 1519 拉力 774 1333 表4-1 開關的主要技術參數(shù) 型號 CK－J1A.CK-J1B 使用電壓范圍 AC.DC：24～220V 使用電流范圍 10～300mA 最在觸點容量 16W 漏電流 0 耐壓 1500V 指示燈 發(fā)光二級管（ON時亮） 動作時間 1msec以下 回復時間 1msec以下 耐沖擊 30G 絕緣電阻 ≥1.5MΩ 適用氣缸品種 CK－J1：QGBQ32－50 CK－J1B：QGBQ63－100 使用溫度范圍 -10～+70°C（在不凍結條件下） 環(huán)境相對濕度 ≤90% 適用負載 超小型繼電器、定序器、一般繼電器、電磁線圈、指示燈 4.3.2 QGAL系列螺紋氣缸的選擇 這個設計中采用螺紋氣缸主要是因為機械手卸件時的行程比較短，而且模具中的空間非常有限，所以就采用體積小的螺紋氣缸，并且容易安裝和使用，下面是螺紋氣缸的各個參數(shù)： QGAL系列螺紋氣缸，有雙和單用式兩種。規(guī)格有Φ6、Φ10、Φ16。這是一種超小型氣缸，適合于機械裝置的小形化。 表4-2 基本技術參數(shù) 缸徑Φ（mm） 16 動作方式 雙作用 工作介質 潔凈壓縮空氣 給油 不要（給油也可） 使用壓力范圍（MPa） Φ16：0.1-0.7 Φ16：0.15-0.7 1.0 耐壓（MPa） 5-60 使用溫度范圍（℃） 無緩沖 緩沖 15 行程（mm） 理論作用力 單位：N 缸徑Φ（mm） 使用壓力（MPa） 0.8 16 推力 N 140.7 拉力 N 120.9 4.3.3 MB型葉片式擺動馬達 ? 圖4-3 MB型葉片式擺動氣缸 MB型葉片式擺動馬達具有結構簡單，工作可靠，效率高，體積小，重量輕等特點。 主要性能參數(shù) 型號 MB-90-X80-T1 內部容積(立方厘米) 133 內徑(mm) 80 葉片數(shù) 2 擺動角度 90°±3° 擺動起點 45°(以過二氣口之間中點的中心線為0°線) 工作壓力1.0MPa時理論輸出扭矩(N·m) 85 最高使用頻率(次/分) 50(120) 最低工作壓力(MPa) 0.1 公稱壓力(MPa) 1.0 環(huán)境和介質溫度(℃) 5～60 本設計中才采用 K35D2系列三位五通雙電控滑柱式換向閥，該系列閥是由兩個串通電磁先導閥和一個主閥組合而成。當某一先導閥接受信號后，主閥相應端的控制閥即換向、信號消除后閥芯自動復位導中間位置。該系列閥主要用做氣缸等執(zhí)行機構有中間停頓狀態(tài)等場合的控制元件。按閥芯在中間位置時，各腔互不相通，A，B腔保壓。 技術參數(shù)表： 性能參數(shù)\型號規(guī)格 K35D2－10 工作介質 壓縮空氣 工作壓力范圍(MPa) 0.2-0.8 環(huán)境介質溫度(℃) 5-50 換向時間≤(S) 0.06 換向頻率≥(HZ) 8 泄漏量≤(cm3/min) 10 有效截面積≥(mm2) 10 20 電磁先導閥通徑(mm) 1.2 工作電壓(V) AC:220、36、50HZ； DC:24、12 電壓波動(%) +10－-15 耗電功率(W) AC:12; DC:6 AC:28 DC:10 耐久性≥(萬次） 200 4.4 氣源的處理和設計 氣源裝置及氣動輔助元件 1．氣源裝置 2．氣源凈化裝置：空氣過濾器、除油器、空氣干燥器、后冷卻器、儲氣罐 3．其它輔助元件：油霧器、消聲器、轉換器 氣源裝置是獲得壓縮空氣的裝置.其主體部分是空氣壓縮機,它將原動機供給的機械能轉變?yōu)闅怏w的壓力能; 5 電氣控制系統(tǒng)部分的設計 自動壓鑄機早期的控制電器采用繼電器。如今都采用PLC控制，可根據(jù)意向進行編程，許多繼電器難已實現(xiàn)的程序，它都能解決。另外其穩(wěn)定性也好，一般程序不會出問題。但壓鑄機工作環(huán)境較差，有時外界原因引起一些故障，通常是按鈕、行程開關、按線板等引起。故只要了解壓鑄機的程序與PLC的接口就能解決一般問題。機床的每一動作，就給PLC一個接口信號，每一個接口也就有一個號碼，每—號碼就是一個程序點，所以只要外部的元件正常，設備就基本正常。如果要快速檢查電器故障，則需要一個編程器，它就象一臺故障顯示器，能根據(jù)程序圖隨機檢查每一步信號。同時，根據(jù)梯型圖及信號很快了解故障原因。 5.1 電氣控制系統(tǒng)的總體設計 本機械手是典型的邏輯順序控制機械，有較多的檢測元件，邏輯關系復雜，實現(xiàn)動作難度較大。采用松下FP1 －C72構成的遠程I/O系統(tǒng)來完成控制方案，其控制系統(tǒng)結構如圖所示： 上位機位機 PLC位機 輸入 輸出位機 圖5-1 電氣控制系統(tǒng)圖 本設計的控制系統(tǒng)有如下功能： (1)自動運行； (2)兩個機械手獨立自動運行； (3)兩個機械手均設有特殊急停按鈕。 　　控制系統(tǒng)由四個工位工作的完成情況來控制的。在本系統(tǒng)上電初始時，機械手先回原點，由于此時三個工位上都沒有工件，因此必須由上料口開始，機械手一個工位一個工位的前進。當上料完成后機械手就執(zhí)行程序，上完毛胚后轉到加熱爐進行加熱，加熱完成之后卸件，卸件后冷卻模具，冷卻完成后進入第二次的循環(huán)。如果模具有損壞或者有積屑可以到第五號位置進行清理。 圖5-2 操作工序圖 本控制系統(tǒng)程序設計，使用軟件用梯形圖直接編程，并進行現(xiàn)場調試和程序監(jiān)控。經(jīng)過現(xiàn)場調試使本系統(tǒng)能夠符合現(xiàn)場的各種工作條件而且操作極為簡單，能夠對故障和人為的干擾進行判斷，分析，實現(xiàn)簡單智能化功能。本程序采用模塊化設計思想，分工段可獨立操作完成本工段的工作，模塊之間井用連鎖和互鎖條件建立關系，全線自動或分段自動時信號可互相調用。 由五個工位工作的完成情況來控制的。在本系統(tǒng)上電初始時，機械手先回原點，由于此時三個工位上都沒有工件，因此必須由上料口開始，機械手一個工位一個工位的前進。上完毛胚后轉到加熱爐進行加熱，加熱完成之后卸件，卸件后冷卻模具，冷卻完成后進入第二次的循環(huán)。每一步只有在上一步完成之后才能繼續(xù)往下進行，并且兩個機械手不能相互碰撞干涉。機械手便不斷工作下去。 在這一段的程序設計中關鍵考慮這樣幾個問題： 1) PLC的電源只有當工廠大修，或長時間不生產時才斷開，而在每班次結束或休息時只須在面板上實現(xiàn)軟關機，此時PLC仍為RUN狀態(tài)。機械手也同樣只須軟關機。因此機械手必須能夠區(qū)別是PLC斷電再開還是軟關機后再開。 2) 由于兩個機械手是由兩個獨立的子控系統(tǒng)控制的。只有當機械兩個機械手不處于同一位置時才不會發(fā)生碰撞干涉，所以必須進行檢測以防碰撞干涉產生破壞。必須兩個機械手進行實時監(jiān)測。 3) 由機械手連接起來的四個工位，每個工位執(zhí)行元件都是由電磁換向閥控制的氣缸完成的，所以在氣缸氣壓不足，機械限位松動以及其含意外故障都會影響本工位工作完成情況，拖延動作時間，它將導致時間延遲，產生預想不到的情況。因此在設計中可以節(jié)拍為依據(jù)，對每一個必須到位的氣缸均設時間監(jiān)測及故障報警，進行編程控制。 5.2 電氣控制系統(tǒng)程序設計 ????該機電氣控制系統(tǒng)選用日本松下公司FP1—C-72型PLC作為控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對兩個機械手各種控制元件的邏輯與時序控制，使設備整體運轉實現(xiàn)了硬件線路少、故障率低的程序化控制。FX2N-128MR型PLC有64個輸入點和64個輸出點，體積小，只需占用較小的空間，維護方便，具有較高的可靠性和較強的適應性，且能參照PLC上的輸入／輸出點指示，為在較短時間內迅速查找、判斷故障提供了可能。可以通過便攜式手編程器(FX-20P-E)或裝有FXES軟件包的便攜式計算機對PLC控制程序進行讀、寫、查詢、修改、監(jiān)控等操作，而且該軟件包還有加密功能，可有效防止非法閱讀和修改軟件。 5.2.1 PLC控制系統(tǒng)的改進 ? 由于電氣控制系統(tǒng)采用可視人機界面，為了便于維護，在PLC梯形圖程序中采用邏輯控制方式，根據(jù)生產實際需要，設置了生產多種不同規(guī)格模具的參數(shù)。采取這一方法，不需要用編程設備對PLC控制程序和參數(shù)進行修改了。 5.2.2 PLC軟件編程 ??PLC的控制程序和PLC梯形圖程序分別見圖3和圖4，軟件編程按此原則進行。 ??? 表5-1 輸入輸出表 輸入表 總開 X0 總關 X1 一號機械手 二號機械手 旋轉1位（上料） X2 旋轉1位（上料） X12 旋轉2位（加熱） X3 旋轉2位（加熱） X13 旋轉3位（卸件） X4 旋轉3位（卸件） X14 旋轉4位（冷模） X5 旋轉4位（冷模） X15 旋轉5位（清模） X6 旋轉5位（清模） X16 移動氣缸1位（縮） X7 移動氣缸1位（縮） X17 移動氣缸2位（中） X8 移動氣缸2位（中） X18 移動氣缸3位（伸） X9 移動氣缸3位（伸） X19 回轉氣缸1位（縮) XA 回轉氣缸1位（縮) X1A 回轉氣缸2位（伸） XB 回轉氣缸2位（伸） X1B 夾緊氣缸1位（縮) XC 夾緊氣缸1位（縮) X1C 夾緊氣缸2位（伸） XD 夾緊氣缸2位（伸） X1D 左臂擺動氣缸1位（水平） XE 左臂擺動氣缸1位（水平） X1E 左臂擺動氣缸2位（垂直） XF 左臂擺動氣缸2位（垂直） X1F 右臂擺動氣缸1位（水平） X10 右臂擺動氣缸1位（水平） X20 右臂擺動氣缸2位（垂直） X11 右臂擺動氣缸2位（垂直） X21 輸出表 電機正轉 Y0 裝件平臺伸 Y16 電機反轉 Y1 裝件平臺縮 Y17 一號機械手 二號機械手 移動氣缸閥伸 Y2 移動氣缸閥伸 YC 移動氣缸閥縮 Y3 移動氣缸閥縮 YD 回轉氣缸閥伸 Y4 回轉氣缸閥伸 YE 回轉氣缸閥縮 Y5 回轉氣缸閥縮 YF 夾緊氣缸閥伸 Y6 夾緊氣缸閥伸 Y10 夾緊氣缸閥縮 Y7 夾緊氣缸閥縮 Y11 左臂擺動氣缸1位（水平） Y8 左臂擺動氣缸1位（水平） Y12 左臂擺動氣缸2位（垂直） Y9 左臂擺動氣缸2位（垂直） Y13 右臂擺動氣缸1位（水平） YA 右臂擺動氣缸1位（水平） Y14 右臂擺動氣缸2位（垂直） YB 右臂擺動氣缸2位（垂直） Y15 卸件氣缸 （伸） Y19 卸件氣缸 （伸） Y1B 卸件氣缸 （縮） Y1A 卸件氣缸 （縮） Y1C 感應加熱爐 Y18 5.2.3 PLC的接線圖 圖5-4 電氣控制圖 5.2.3 梯形圖 圖5-5 1號機械手梯形圖 圖5-6 2號機械手梯形圖 5.2.5 梯形圖語句表 梯形圖語句表如下： 表5-2 0 ST X0 1 OR R0 2 AN X1 3 OT R0 4 ST R0 5 AN X2 6 AN/ X12 7 AN/ X9 8 AN/ XB 9 AN/ XD 10 AN/ Y2 11 AN/ Y4 12 AN/ Y6 13 AN/ Y8 14 AN/ YA 15 TMX 0 16 K 2 17 ST R0 18 AN T1 19 AN X2 20 AN/ X12 21 AN/ X16 22 AN/ X13 23 OT Y7 24 ST R0 25 AN T1 26 AN X2 27 AN X12 28 AN/ X16 29 AN/ Y7 30 AN XC 31 AN/ X3 32 OT Y3 33 OT Y5 34 OT Y0 35 ST R0 36 AN X3 37 OT Y18 38 TMX 1 39 K 8 40 ST R0 41 AN T1 42 AN/ X4 43 AN/ X14 44 OT Y0 45 ST R0 46 AN/ Y0 47 AN X4 48 AN/ X8 49 OT Y2 50 ST R0 51 AN/ Y2 52 AN X8 53 AN/ XD 54 OT Y6 55 ST R0 56 AN/ Y6 57 AN X8 58 AN/ T2 59 OT Y19 60 TMX 2 61 K 1 62 ST R0 63 AN T2 64 AN/ Y19 65 OT Y1A 66 AN/ T3 67 OT Y16 68 TMX 3 69 K 1 70 ST R0 71 AN T3 72 AN/ T4 73 OT Y17 74 TMX 4 75 K 1 76 ST R0 77 AN/ Y1A 78 OT Y0 79 OT Y2 80 OT Y9 81 OT YB 82 ST R0 83 AN X5 84 AN/ Y0 85 AN/ Y2 86 AN/ Y9 87 AN/ YB 88 AN X9 89 AN XB 90 AN XD 91 AN XF 92 AN X11 93 TMX 5 94 K 1 95 ST R0 96 AN T5 97 OT Y0 98 OT Y3 99 OT Y4 100 OT Y8 101 OT YA 102 103 ST X0 104 OR R0 105 AN X1 106 OT R0 107 ST R0 108 AN X12 109 AN/ X2 110 AN/ X19 111 AN/ X1B 112 AN/ X1D 113 AN/ YC 114 AN/ YE 115 AN/ Y10 116 AN/ Y12 117 AN/ Y14 118 TMX 5 119 K 2 120 ST R0 121 AN T5 122 AN X12 123 AN/ X2 124 AN/ X6 125 AN/ X3 126 OT Y11 127 ST R0 128 AN T5 129 AN X12 130 AN X2 131 AN/ X6 132 AN/ Y11 133 AN X1C 134 AN/ X13 135 OT YD 136 OT YF 137 OT Y0 138 ST R0 139 AN X13 140 OT Y18 141 TMX 6 142 K 8 143 ST R0 144 AN T6 145 AN/ X14 146 AN/ X4 147 OT Y0 148 ST R0 149 AN/ Y0 150 AN X14 151 AN/ X18 152 OT YC 153 ST R0 154