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本科畢業(yè)設計(論文) 題目：封焊機的自動上料機構(gòu)設計 系 別： 機電信息系 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 班 級： 學 生： 學 號： 指導教師： 2013年04月 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 封焊機的自動上料機構(gòu)設計 摘要 本文通過對機械手的組成和分類，及國內(nèi)外的發(fā)展狀況的了解，進行了總體方案設計，確定了機械手用四自由度和圓柱坐標型式。 本機械手為上料機械手，為使其通用性加強，故同時設計了機械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)和吸附式手部結(jié)構(gòu)，可以更換使用。計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)汽缸的驅(qū)動力矩，確定了相關尺寸，設計了機械手的腕部結(jié)構(gòu)；設計了機械手的手臂結(jié)結(jié)構(gòu)；設計了手臂伸縮，升降用液壓緩沖器和手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器。 關鍵詞 上料；機械手；氣缸 I Seal Welding Machine Automatic Feeding Mechanism Design Abstract In this paper, the composition and classification of the robot, and the development of domestic and international understanding of the status, the overall design, the robot with four degrees of freedom and cylindrical coordinates type. The robot feeding robot, to its versatility strengthen, while the design of the robot holding hands structure and adsorption hand structure, you can replace the use of. Calculate the torque required to drive the rotation of the wrist and the drive torque of the rotary cylinder, with a hydraulic buffer identified by relative size, the design of the robotic wrist structure; design of the robotic arm junction structure; design of the telescopic arm lifting The rotary arm with hydraulic shock absorber. Keywords： feeding robot；cylinder.；manipulator 1 目 錄 1 緒論 1 1.1 工業(yè)機械手概述 1 1.1.1 工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢 2 1.2 機械手的組成和分類 3 1.2.1機械手的組成 3 1.2.2 機械手的分類 5 2 機械手的設計方案 7 2.1機械手的坐標型式與自由度 7 2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計 7 2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計 7 2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計 8 2.5 機械手的驅(qū)動方案設計 8 2.6 機械手的控制方案設計 8 2.7 機械手的主要參數(shù) 8 2.8.機械手的技術參數(shù)列表 9 3 手部結(jié)構(gòu)設計 11 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 11 3.1.1手指的形狀和分類 11 3.1.2設計時考慮的幾個問題 11 3.1.3手部夾緊氣缸的設計 12 4 手腕結(jié)構(gòu)設計 16 4.1 手腕的自由度 16 4. 2手腕的驅(qū)動力矩的計算 16 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 16 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 19 5 手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核 21 5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核 21 5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計 21 5.1.2 尺寸校核 21 5.1.3.導向裝置 22 5.1.4 平衡裝置 22 5.2手臂升降氣缸的尺寸設計與校核 22 5.2.1 尺寸設計 22 5.2.2 尺寸校核 23 5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核 24 5.3.1 尺寸設計 24 5.3.2 尺寸校核 24 6 結(jié)論 26 參考文獻 27 致 謝 28 畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明 29 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 30 1 緒論 1.1 工業(yè)機械手概述 本課題為封焊機的自動上料機構(gòu)設計，其實就是設計一個機械手代替人手進行晶體的上料。現(xiàn)代封焊機在把晶體底座和晶體帽封焊在一起時大多采用人工上料，人工上料不但速度慢、成本高、費工費時、而且存在一定的安全隱患。生產(chǎn)的需要是最大的更新動力，現(xiàn)設計一臺工業(yè)機器人機械手，不但可以提升產(chǎn)品的質(zhì)量還可以大大提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，改善工人的工作環(huán)境 機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 1 1 機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強， 畢業(yè)設計（論文） 所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1.1.1 工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品，機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距等。 1.2 機械手的組成和分類 1.2.1機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 (1)執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構(gòu)。 1) 手部: 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2)手腕: 腕部：是機械手中聯(lián)接手部與臂部主要用來確定手部工作時位置并擴大臂部動作范圍的部件?？捎脕碚{(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小（一般小于 ）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 3) 手臂: 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 4) 立柱: 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5) 行走機構(gòu): 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 6)機座: 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (2)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)機械手的重要組成部分，是為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力的裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。 1）液壓式：其驅(qū)動系統(tǒng)由油缸、電磁閥、油泵和油箱等組成。其特點是操作力大、體積小、動作平穩(wěn)、低速性好、耐沖擊耐振動。但漏油對系統(tǒng)的工作性能影響大。與氣壓式相比成本較高。 2）氣壓式：其驅(qū)動系統(tǒng)由氣缸、氣閥、空氣壓縮機（或由氣壓站直接供給）和儲氣罐等組成。其特點是氣源方便、維修簡單、易于獲得高速度、成本低、防火防爆、漏氣對環(huán)境無影響。但操作力小、體積大，又由于空氣的壓縮性大、速度不易控制、響應慢、動作不平穩(wěn)、有沖擊，臂力一般不超過300N。 3）電氣式：其驅(qū)動系統(tǒng)一般電電機驅(qū)動。優(yōu)點是電源方便，信號傳遞運算容易、響應快、驅(qū)動力較大，適用于中小型工業(yè)機械手。但是必須使用減速機構(gòu)（如齒減速器、諧波齒輪減速器等），所需的電機有步進電機、DC伺服電機和AC伺服機電等。 4）機械式：其驅(qū)動系統(tǒng)由電機、凸輪、齒輪齒條、連桿等機械裝置組成，傳動可靠，適用于專一簡單的機械手。這種方式結(jié)構(gòu)比較龐大。 號。 (2)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 1.2.2 機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (1)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1) 專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和加工中心。 2) 通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制，伺服型可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (2) 按驅(qū)動方式分 1) 液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2) 氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3) 機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 4) 電力傳動機械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (3)按控制方式分 1) 點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2) 連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 30 畢業(yè)設計（論文） 2 機械手的設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，勞動強度大和操作單調(diào) 頻繁的生產(chǎn)場合。也可用于操作環(huán)境惡劣的生產(chǎn)場合。 2.1機械手的坐標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 畢業(yè)設計（論文） 2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 2.5 機械手的驅(qū)動方案設計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。 2.6 機械手的控制方案設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 2.7 機械手的主要參數(shù) (1)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質(zhì)量為1公斤 (2)基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設計為。最大回轉(zhuǎn)速度設計為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。 2.8.機械手的技術參數(shù)列表 一 用途: 用于封焊機的自動上料 二 設計技術參數(shù): 1 抓重: 2 自由度數(shù):4個自由度 3 坐標型式:圓柱坐標 4 最大工作半徑: 5 手臂最大中心高: 6 手臂運動參數(shù): 伸縮行程 伸縮速度 升降行程 升降速度 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 7 手腕運動參數(shù): 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 8 定位方式:行程開關或可調(diào)機械擋塊等 9 定位精度: 10 驅(qū)動方式:氣壓傳動 11 控制方式:點位控制（采用PLC） 圖2.1 機械手臂剖視圖 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 3 手部結(jié)構(gòu)設計 3 手部結(jié)構(gòu)設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部:如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)， 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結(jié)構(gòu)比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 3.1.2設計時考慮的幾個問題 1.具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 2.手指間應具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 3.保證工件準確定位 畢業(yè)設計（論文） 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 4.具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 5.考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。 3.1.3手部夾緊氣缸的設計 1.手部驅(qū)動力計算 本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3.1所示， 圖3.1 齒輪齒條式手部 其工件重量G=1公斤， V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: (3.1) (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: (3.2) 所以 (3)實際驅(qū)動力: (3.3) I,因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加 速度取時，則: (3.4) 所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。 2.氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: (3.5) 式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N - 氣缸工作時的總阻力，N - 氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: (3.6) (3.7) = (3.8) 式中:- 彈簧剛度，N/m - 彈簧預壓縮量，m - 活塞行程，m - 彈簧鋼絲直徑，m - 彈簧平均直徑，. - 彈簧有效圈數(shù). - 彈簧材料剪切模量，一般取 在設計中，必須考慮負載率的影響，則: (3.9) 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: (3.10)代入有關數(shù)據(jù)，可得 (3.11) 所以: 查有關手冊圓整，得 由,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式 (3.12) 有: (3.13) 其中，[]， 則: 滿足實際設計要求。 3.缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: (3.14) 式中:6- 缸筒壁厚，mm - 氣缸內(nèi)徑，mm - 實驗壓力，取, Pa 材料為:ZL3,[]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: (3.15) 取，則缸筒外徑為: 4 手腕結(jié)構(gòu)設計 4 手腕結(jié)構(gòu)設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 4.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴格的密封。 4. 2手腕的驅(qū)動力矩的計算 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。 畢業(yè)設計（論文） 1.工件2.手部3.手腕 圖4.1手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算: (4.1) 式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(); - 慣性力矩(); - 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩()., - 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩(); 下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算: 1.手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M悅 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則: (4.2) 式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量; - 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量`。 若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為: (4.3) 式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量: - 工件的重量(N); - 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm), - 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s); - 起動過程所需的時間(s); — 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。 2.手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 + () (4.4) 式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N); - 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm) 當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則. 3.手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 () (4.5) 式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm); - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承; ,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解， 根據(jù),得: (4.6) (4.7) 同理，根據(jù)(F),得: (4.8) 式中:- 的重量(N) ,— 如圖4-1所示的長度尺寸(cm). 4.轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關，應根據(jù)具體情況加以分析。 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動力矩M的關系為: , 或 (4.9) 圖4.2 回轉(zhuǎn)氣缸簡圖 式中:M—回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩((N·㎝); P—回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力((N·㎝); R—缸體內(nèi)壁半徑(cm); r—輸出軸半徑(cm); b—動片寬度(cm). 上述驅(qū)動力矩和壓力的關系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應代以工作壓力P1與背壓P2之差。 5 手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核 5 手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核 5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核 5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計 手臂伸縮氣缸采用標準氣缸，參看各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63： 5.1.2 尺寸校核 1.在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強, 則驅(qū)動力： (5.1) 測定手腕質(zhì)量為50kg,設計加速度，則慣性力 (5.2) 2.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù), (5.3) 畢業(yè)設計（論文） 總受力 所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求要求。 5.1.3.導向裝置 氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結(jié)構(gòu)時， 應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。 導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。 5.1.4 平衡裝置 在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。 5.2手臂升降氣缸的尺寸設計與校核 5.2.1 尺寸設計 氣缸運行長度設計為=118mm,氣缸內(nèi)徑為=110mm,半徑R=55mm,氣缸運行速度，加速度時間=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅(qū)動力 (5.4) 5.2.2 尺寸校核 1.測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力 (5.5) 2.設計加速度，則慣性力 (5.6) 3.考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)， (5.7) 總受力 所以設計尺寸符合實際使用要求。 5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核 5.3.1 尺寸設計 氣缸長度設計為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強, 則力矩： (5.8) 5.3.2 尺寸校核 1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： (5.9) （） (5.10) 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數(shù), (5.11) 總驅(qū)動力矩 (5.12) 設計尺寸滿足使用要求。 6 結(jié)論 6 結(jié)論 1.采用氣壓傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 工作環(huán)境適應性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小， 不會污染環(huán)境。同時成本低廉。 2.機械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進 行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設定PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù) 機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強。 參考文獻 參考文獻 [1] 韓夢丹、鄒曉宇.淺談機械手及其應用于發(fā)展前景[J]。企業(yè)技術開發(fā)，2012(2):18-19 [2] 陳又堯、朱敬得、李磊.基于PLC的磁環(huán)下機械手的研制[J]。機械設計與制造，2008 (3):119 [3] 陸祥生 ，楊繡蓮.機械手.中國鐵道出版社,1985.1 [4] 常淑鳳.自動上料裝置的設計與研究[J].電腦知識與技術，2009(10):59-63 [5] 趙碧、巴鵬、徐英鳳。氣動上下料機械手手部機構(gòu)的設計與分析[J]，沈陽理工大學學報， 2006 (12)：58-60 [6] 邱懷軒主編.機械設計[M].第四版.北京：高等教育出版社 [7] 徐福玲主編.液壓與氣壓傳動[M].第三版.機械工業(yè)出版社 [8] 高微、楊中平、趙榮飛、段娟萍。機械手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].機械設計與制造，2006 (1):13-15 [9] 吳宗澤，機械設計適用手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，1999 [10] 唐立新馬建華，工業(yè)機械手的設計[J]，工程技術，2008 [11] 李允文. 工業(yè)機械手設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1996 [12] 濮良貴紀名剛，機械設計(第七版)[M]，北京：高等教育出版社，2000： [13] Lewis, F.L., Jagannathan, S., Yesildirek, A.: Control of Robot Manipulators and Nonlinear Systems. 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