夾片自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),自動(dòng),上下,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目：夾片自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 夾片自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 摘 要 針對(duì)夾片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其車削時(shí)的特性進(jìn)行了研究,利用氣缸驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了夾片車削自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)。并給出了該自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)主要部件的結(jié)構(gòu)及其計(jì)算、校核過(guò)程。該機(jī)構(gòu)解決了夾片車削時(shí)手工上料存在的安全隱患,同時(shí)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。本文的設(shè)計(jì)有效地解決了夾片車削時(shí)的上下料的問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：夾片；上下料機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì) The Mechanism of The Clip Automatic Up-down Material Abstract There search on clip structure and character of it sturning has been made. Using the cylinder driving and the advantages of stepping motor drive screw, the clamping piece turning automatic feeding mechanism is designed. It has been given its calculating and checking procedure of the structure of the feeding device’s main parts. The automatically feeding device deals with the potential safety hazard which occurs in the manual feeding of clipturning. In the meantime it reduces the workers’labor, and increases the laborpro ductivity. The design can effectively solve the clamping piece when turning the up-down material problem. Keywords: Clip；Up and down the institution；Design 目 錄 1 緒論 1 1.1課題背景及研究意義 1 1.2國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況 1 1.2.1國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì): 1 1.2.2機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 2 1.3本文研究主要內(nèi)容 4 2 總體設(shè)計(jì)方案的擬定 5 2.1 夾片的選擇 5 2.2驅(qū)動(dòng)方式 5 2.3手部抓取部分的選擇和設(shè)計(jì) 6 2.3.1機(jī)械手手部的類型 6 2.3.2 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)的基本要求 7 2.4主體移動(dòng)部分的選擇和設(shè)計(jì) 8 2.4.1 主體方案一 8 2.4.2主體方案二 9 2.4.3最終方案 9 2.5豎直位移電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇 10 2.6減速器的選擇 11 2.7水平位移氣缸驅(qū)動(dòng)的選型 11 2.7.1氣缸選用的基本原則是： 11 2.7.2氣缸的最終選型 13 3 整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算 15 3.1夾緊力的計(jì)算 15 3.2步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 15 3.2.1確定運(yùn)行時(shí)間 15 3.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速 16 3.2.3負(fù)載轉(zhuǎn)矩 16 3.2.4負(fù)載慣量 16 3.2.5電機(jī)轉(zhuǎn)矩 17 3.3氣缸的計(jì)算 17 結(jié)論 19 致謝 20 參考文獻(xiàn) 21 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 22 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 23 17 1 緒 論 1.1課題背景及研究意義 進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)人口老齡化的提前到來(lái)，近來(lái)在東南沿海還出現(xiàn)了大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平勢(shì)在必行，將機(jī)械手，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)公認(rèn)的大量重復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 夾片是預(yù)應(yīng)力工程中不可缺少的一個(gè)重要零件。在各類橋梁、超重超大構(gòu)件提升、橋梁轉(zhuǎn)體等領(lǐng)域的工程施工中，都會(huì)用到大量的錨具和夾片。在夾片加工過(guò)程中，如車削小端面、外錐、內(nèi)錐、倒角等加工工序時(shí)，要把夾片送上數(shù)控車床高速旋轉(zhuǎn)的主軸上的脹緊套上。由于車床主軸高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)手工上料的操作工人存在極大的安全隱患。尤其是隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，工人每天勞動(dòng)8個(gè)小時(shí)，在這8個(gè)小時(shí)內(nèi)，都是在不停的做上料、下料、檢測(cè)工作，這些工作簡(jiǎn)單而且不用多大的力氣，但都是無(wú)休止的重復(fù)勞動(dòng)，要耗費(fèi)大量的精力，一旦工人疲勞了就可能走神而發(fā)生意外事故，安全隱患時(shí)刻威脅著操作工人。為此設(shè)計(jì)了夾片車削時(shí)的自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)，以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)保障工人的人身安全。 1.2國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況 1.2.1國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì): (1) 工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。 (2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 (3) 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)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 系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4) 機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 (6) 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)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(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 (7) 機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.2.2機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步的得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的工人操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要胭脂示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，手藝便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。即便于設(shè)計(jì)制造，有利于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。 此外還應(yīng)大力研究伺服型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 在國(guó)外機(jī)械設(shè)計(jì)制造中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用很多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及電焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。 此外，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研究具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外加條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生少許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定的成績(jī)。 視覺(jué)功能即在機(jī)械手上面安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 觸覺(jué)功能即是在機(jī)械手上面安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過(guò)安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺(jué)作用，然后伸向前方，抓住工件。收的抓力大小通過(guò)安裝在手指內(nèi)部的敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。 更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本上改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： (1) 提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，較少重量和占地空間。加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、檢測(cè)模塊、控制模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； (2) 開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用于保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合。 (3) 研制各類傳感器及檢測(cè)元件器，如，觸覺(jué)、嗅覺(jué)、視覺(jué)、聽覺(jué)、味覺(jué)和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。 1.3本文研究主要內(nèi)容 對(duì)于夾片上下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，擬定了一下幾點(diǎn)主要內(nèi)容： （1） 整體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成裝置手部抓取部分，主體移動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，選擇驅(qū)動(dòng)方式，選擇好整體設(shè)計(jì)方案，計(jì)算好參數(shù)。 （2） 選擇Auto CAD為設(shè)計(jì)開發(fā)工具，完成夾片自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)。 （3） 完成整體結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)。 2 總體設(shè)計(jì)方案的擬定 2.1 夾片的選擇 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的夾片自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的搬運(yùn)對(duì)象是機(jī)械零件—夾片，為薄壁錐套類零件，內(nèi)表面是一鋸齒形牙型，外錐表面有環(huán)槽和縱槽，材料為錳鋼，夾片的零件圖，如圖2.1所示。 圖2.1 夾片零件圖 其加工流程主要經(jīng)過(guò)以下１１道工序：下料－＞擠壓外錐面－＞鉆內(nèi)孔、鉸孔－＞打鋼字－＞車小端面、外錐（含槽）、內(nèi)錐、倒角－＞車內(nèi)錐－＞攻牙－＞鋸開－＞熱處理－＞滾砂－＞包裝。在完成車削小端面、外錐（含槽）、內(nèi)錐、倒角等加工工序時(shí)，只要把夾片送到數(shù)控車床高速旋轉(zhuǎn)的主軸上的脹緊套上即可，操作十分簡(jiǎn)單。但車床主軸高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)手工上料的操作工人存在極大的安全隱患。為此我設(shè)計(jì)了夾片車削時(shí)的自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)，來(lái)改善工人的制造環(huán)境。整個(gè)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)主要分兩部分，手部抓取部分與主體驅(qū)動(dòng)部分。 2.2驅(qū)動(dòng)方式 整個(gè)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)部分需要三個(gè)動(dòng)力源。手部抓取、水平方向的移動(dòng)和豎直方向的升降。工業(yè)機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。這三種類型各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)如下： 液壓驅(qū)動(dòng)：利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)極調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。其相應(yīng)速度很高，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封較好。安全性比較高，防爆性能較好。但液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境容易造成污染。適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)。 氣壓驅(qū)動(dòng)：氣體壓縮性較大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高進(jìn)度的連續(xù)軌跡控制。響應(yīng)速度較高，結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化，模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小。其安全性能好，高于1000kPa（10個(gè)大氣壓）是應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性。對(duì)環(huán)境有影響，排氣時(shí)有噪音。適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人。其生產(chǎn)成本低，較為方便。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。響應(yīng)速度很高。伺服電驅(qū)動(dòng)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需要配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題。安全性能好，設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流電有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差。電機(jī)驅(qū)動(dòng)適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制進(jìn)度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，成本較高，較復(fù)雜。 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有： （1） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能較輕，單位質(zhì)量的輸出功率較高，效率也要搞； （2） 反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，能夠進(jìn)行頻繁的起、制動(dòng)，正反切換； （3） 驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差較??； （4） 安全可靠； （5） 操作和維護(hù)方便； （6） 對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要小； （7） 經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要經(jīng)量減少占地面積。 2.3手部抓取部分的選擇和設(shè)計(jì) 2.3.1機(jī)械手手部的類型 工業(yè)機(jī)器人得手又被成為末端執(zhí)行器，它使機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專業(yè)工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人的手動(dòng)作的功能，并安裝機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾種類型： （1） 夾鉗式取料手 （2） 吸附式取料手 （3） 專用操作器及轉(zhuǎn)換器 （4） 仿生多指靈巧手 2.3.2 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)的基本要求 （1） 有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不會(huì)損壞工件的以加工表面。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)的可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)該考慮采用自鎖安全裝置。 （2） 有足夠的開閉范圍 夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時(shí)，一個(gè)手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對(duì)于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。手指開閉范圍的要求與很多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，一般來(lái)說(shuō)，如工作環(huán)境許可，開閉范圍較大一些好。 （3） 力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小 手部處于腕部的最前端，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)、重量和體積直接影響整個(gè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。 （4） 手指應(yīng)該有一定的剛度和強(qiáng)度。 （5） 其他要求 本文設(shè)計(jì)對(duì)象為夾片自動(dòng)上下料機(jī)器人，并不需要多復(fù)雜的人工指，之需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取和放下夾片的鉗形指。 手指是直接與夾片接觸的部件。手指的松開和夾緊夾片，是通過(guò)手指的張開與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文設(shè)計(jì)手部結(jié)構(gòu)采用最常用的外卡式兩指鉗爪。夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，松開時(shí)，選擇用單作用式氣缸，單作用氣缸只有一腔可輸入壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向動(dòng)動(dòng)。其活塞桿只能借助外力將其推回；通常借助于彈簧力，膜片張力，重力等。 彈簧復(fù)位式單作用氣缸，這種氣缸在夾緊裝置中應(yīng)用較多。這種氣缸一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)由氣壓驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)有其他機(jī)械力驅(qū)動(dòng)。下圖2.2所示為彈簧復(fù)位式單作用氣缸： 1 后缸蓋 2 活塞 3 彈簧 4 活塞桿 5 密封件 6 前缸蓋 圖2.2 彈簧復(fù)位式單作用氣缸 由于以上特點(diǎn)，單作用活塞氣缸多用于短行程、其推力及運(yùn)動(dòng)速度均要求不高場(chǎng)合，如氣吊、定位和夾緊等裝置上，單作用柱塞缸則不然，可用在長(zhǎng)行程、高載荷的場(chǎng)合。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低，制造方便。結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2.3所示： 圖2.3 手部結(jié)構(gòu)圖 2.4主體移動(dòng)部分的選擇和設(shè)計(jì) 根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)主體驅(qū)動(dòng)有倆個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，所以擬用了倆套設(shè)計(jì)方案。 2.4.1 主體方案一 氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、易于獲得穩(wěn)定的速度、元器件價(jià)格低廉且易于維護(hù)等特點(diǎn)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與電動(dòng)機(jī)相比，氣缸更擅長(zhǎng)作往返直線運(yùn)動(dòng)。易于安裝維護(hù)，對(duì)于使用者的要求不高。氣缸的動(dòng)閥就可完成氣路的切換，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，氣缸發(fā)生故障的概率也比較小，維護(hù)簡(jiǎn)作迅速、反應(yīng)快，控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單，每個(gè)氣缸只需配置一個(gè)電磁單方便，成本也低。此方案的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖2.4所示： 圖2.4 方案一主體移動(dòng)部分機(jī)構(gòu)圖 2.4.2主體方案二 步進(jìn)電機(jī)相對(duì)普通電機(jī)來(lái)說(shuō)，它可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，即通過(guò)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度和速度控制，無(wú)需反饋信號(hào)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，但是動(dòng)作緩慢，影響效率，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖2.5所示： 圖2.5 方案二主要體移動(dòng)部分機(jī)構(gòu)圖 2.4.3最終方案 由于本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)自由度為水平行程480㎜，豎直行程100㎜。分析發(fā)現(xiàn)，水平的行程較大，如若采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)則耗費(fèi)時(shí)間很長(zhǎng)，嚴(yán)重影響工件加工的效率。而豎直行程較短，為了使工件定位精度更高，可采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。綜合以上兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇的方案為水平方向采用氣缸驅(qū)動(dòng)，而豎直方向則采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)上升動(dòng)作。最終方案簡(jiǎn)圖如下圖2.6所示： 圖2.6 最終方案主體移動(dòng)部分結(jié)構(gòu)圖 2.5豎直位移電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇 根據(jù)本次設(shè)計(jì)由于為了方便使用，并且要求定位精確可靠，這里我們選擇步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的特性曲線圖2.7所示： 圖2.7 電機(jī)的特性曲線圖 根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，我們選用步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為80型，此步進(jìn)電機(jī)電機(jī)廠家為南京森宇機(jī)電的產(chǎn)品。根據(jù)和特性曲線以及電機(jī)基本參數(shù)表，我們選用步進(jìn)電機(jī)電機(jī)型號(hào)為92BL-4030H1-LK-B，電機(jī)額定功率為0.4kw，額定轉(zhuǎn)矩為1.3N.m，最大轉(zhuǎn)矩為2.6N.m，額定轉(zhuǎn)速為 3000r∕min。 電機(jī)大致圖2.8如下： 圖2.8 電機(jī)簡(jiǎn)圖 外形尺寸92x92x86，電機(jī)輸出軸徑為14㎜。 2.6減速器的選擇 電機(jī)轉(zhuǎn)速3000r/min，絲桿運(yùn)動(dòng)速度2m/min，由公式 得出總傳動(dòng)比為： 已知需要減速比為1:60左右的減速器，在這里我們選用上海泰一傳動(dòng)設(shè)備的蝸輪蝸桿減速器，此種減速器為兩端輸出的，一頭為減速器輸入與電機(jī)輸出連接，另一頭為減速器輸出與絲桿的伸長(zhǎng)端連接。 2.7水平位移氣缸驅(qū)動(dòng)的選型 2.7.1氣缸選用的基本原則是： (1) 根據(jù)工作任務(wù)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求，選擇氣缸的結(jié)構(gòu)形式及安裝方法。 (2) 根據(jù)工作機(jī)構(gòu)所需力的大小來(lái)確定活塞的推理和拉力。 (3) 根據(jù)工作機(jī)構(gòu)任務(wù)的要求，來(lái)確定行程。一般不使用滿行程。 (4) 推薦氣缸工作速度在0.5~1ｍ／ｓ左右，并按此原則選擇管路及控制元件。 氣缸的類型及其原理和功能如下表2.7所示： 表2.7 氣缸類型節(jié)氣原理和功能表 2.7.2氣缸的最終選型 （1）通常情況下，驅(qū)動(dòng)氣缸動(dòng)作的氣壓值一般在0.5~0.7MPa之間，在這里，我們以P=0.5MPa的數(shù)值來(lái)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)而對(duì)氣缸來(lái)進(jìn)行選型。 （2）假設(shè)滑塊、導(dǎo)軌，以及步進(jìn)電機(jī)、安裝版，氣動(dòng)手指等等的總重為50KG,那么根據(jù)公式可以知道：要想推動(dòng)重量50㎏的物體動(dòng)作，那么氣缸的推力必須大于總重GX與導(dǎo)軌的摩擦力。那么有8mm,這里我們選擇63缸勁的氣缸。 3 整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算 3.1夾緊力的計(jì)算 手指夾在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)手部的重要依據(jù)，必須對(duì)其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，夾緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的夾緊力可按下列公式計(jì)算： FN≥K1K2K3G (3.1) 式中： —安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定，通常選取1.2—2.0，我們?nèi)?.5； —工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，計(jì)算最大加速度，得出工作情況系數(shù)K3，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過(guò)程中的加速度或減速度的絕對(duì)值； —方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定， 手指與工件位置：手指水平放置，工件垂直放置； 手指與工件形狀：V型指端夾持片狀工件。 —被抓取工件的重量； 求得夾緊力: FN≥K1K2K3MG=1.5×1.002×4×3×9.8=176.75N (3.2) 取整為177N。 3.2步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 3.2.1確定運(yùn)行時(shí)間 已知整個(gè)機(jī)構(gòu)上面的零件的重量，我們?nèi)】傊亓繛?0㎏，升降床高度范圍為100㎜，升降速度為1~2r/min。即： G=mg=200×10=2000N (3.3) V=1~2mmin=16.6~33.3mms (3.4) 本次設(shè)計(jì)加速時(shí)間 l=vl60(t0-t1) (3.5) vl ---負(fù)載速度（m/min） ---到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)間（） ---到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)間（） 有速度可知每秒上升50mm， l=1.2-0.0333÷60=1.2s (3.6) 3.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速 n電機(jī)=VLPB (3.7) PB為絲桿導(dǎo)程，本次設(shè)計(jì)的絲桿導(dǎo)程我們?nèi)?mm，PB=5.00mm n電機(jī)=VLPB=20.005=400rmin (3.8) 3.2.3負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL=μgMPB2πn=0.3×10×200×0.0052π×0.9=1.73N.m (3.9) 式中： :摩擦系數(shù)，取0.3 ：負(fù)載重量，200Kg ：絲桿導(dǎo)程，0.005m ：傳動(dòng)效率，取0.9 3.2.4負(fù)載慣量 上下垂直運(yùn)動(dòng) JLM=MPB22π=200(0.0052π)2=0.000127779(kg.m2) (3.10) 絲桿螺母慣 JB=π32ρLBDB4=3.72×10-5(kg.m2) (3.11) 式中 密度，取7.87 絲桿長(zhǎng)度，取0.4 絲桿直徑，取0.02 總慣量 JL=JLM+JB=0.00032(kg.m2) (3.12) 3.2.5電機(jī)轉(zhuǎn)矩 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TS=2πNM(JM+JL)60t1=2π×636.9(JM+-0.00032)60×1.2=1.25N.m (3.13) 必須轉(zhuǎn)矩TM=TL+TSS=2.36N.m S為安全系數(shù)，這里取1.0 3.3氣缸的計(jì)算 由設(shè)計(jì)任務(wù)得知：氣缸的水平行程為480㎜，我們給定驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為100kg，取值V=50mm/s。在研究氣缸性能和氣缸缸徑時(shí)，常用到負(fù)載率為：β 由液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)圖知： 圖3.1 氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù)載率 運(yùn)動(dòng)速度V=50mm/s，取0.6，所以氣缸的實(shí)際負(fù)載大小為： F=F0β=1633.3N (3.14) （1）氣缸內(nèi)徑的確定 缸徑的計(jì)算公式 D=1.27FP=1633.30.6×106=66.26mm (3.15) F→氣缸的輸出拉力N； P→氣缸的工作壓力 按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，D=80mm （2）活塞桿的直徑的確定 由d=0.3D估取活塞桿直徑為d=25㎜ （3）缸筒的長(zhǎng)度確定 缸筒的長(zhǎng)度S=L+B+30 L為活塞行程；B為活塞厚度； 活塞厚度B=0.7D=0.7×80=56㎜； S=L+B+30=480+56+30=566㎜。 （4）氣缸推力的計(jì)算 無(wú)桿截腔面積*工作氣壓=活塞推力； π(D2)2×P=F (3.16) ，其中大氣壓P我們?nèi)?.4兆帕。 （5）氣缸拉力的計(jì)算 有桿截腔面積*工作氣壓=活塞拉力； π(D2-d2)2×P=F0 (3.17) =1813.35N 結(jié) 論 本次設(shè)計(jì)的是夾片自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高了我分析和解決問(wèn)題的能力，擴(kuò)寬和深化了學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我有很多的收獲，首先把我?guī)啄陙?lái)所學(xué)的知識(shí)做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，更深化一步了結(jié)了所學(xué)的知識(shí)，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，也使我學(xué)會(huì)了怎樣更好的利用圖書資源，網(wǎng)絡(luò)查詢資料和運(yùn)用材料，還使我學(xué)會(huì)了如何與同學(xué)共同討論問(wèn)題。這對(duì)我以后的工作有很大的幫助，今后我會(huì)在工作中不斷學(xué)習(xí)，努力的提高自己的知識(shí)水平。在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問(wèn)題，不過(guò)在指導(dǎo)老師的幫助和自己的努力下，終于使我順利的完成了設(shè)計(jì)。 通過(guò)此次設(shè)計(jì)，也使我一次提升了運(yùn)用三維軟件的水平，并吸收了不少經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)為一下幾點(diǎn)。 （1）有零件圖紙作圖與空想設(shè)計(jì)作圖不同，零件尺寸已經(jīng)給出，作圖時(shí)先不考慮尺寸是否真的合適，根據(jù)尺寸作出零件的三維圖，但到裝配時(shí)必須要考慮尺寸是否合適，由于Auto CAD圖紙效果不好，導(dǎo)致尺寸會(huì)有出錯(cuò)，甚至有出現(xiàn)欠定義尺寸，所以，此時(shí)必須通過(guò)配合后在衡量尺寸，再進(jìn)行修改，直到滿足配合要求。 （2）工具集的確方便了作圖，通過(guò)選擇零件類型，輸入數(shù)據(jù)，就能生成出標(biāo)準(zhǔn)零件，但有時(shí)需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此時(shí)要隨機(jī)應(yīng)變，運(yùn)用其他零件代替并通過(guò)修改或添加零件使其滿足要求。體上會(huì)將子裝配體視為完全定義的模型，這樣會(huì)對(duì)子裝配體之間的配合產(chǎn)生矛盾，將不能完成裝配。 （3）看懂圖是作圖的首要任務(wù)，看圖就是了解零件的工具，沒(méi)有工具則無(wú)法制出零件，所以畫圖不能急于下筆，想透了零件的結(jié)構(gòu)，想透圖中的虛實(shí)線，這才是高效作圖的重中之重。 （4）作三維圖時(shí)要靈活變通，解決問(wèn)題的方法總比問(wèn)題多，當(dāng)一種方法不能正常作圖時(shí)，試試另一種方法，這不但能完成零件制作，同時(shí)也可以培養(yǎng)出更好的作圖思路，和打破規(guī)矩的新想法。 （5）規(guī)則的零件，要學(xué)會(huì)使用一些能夠節(jié)省時(shí)間的命令，“能省則省”。 23 致 謝 時(shí)光飛逝，歲月如梭，轉(zhuǎn)眼之間大學(xué)生活已經(jīng)接近尾聲，回首大一剛?cè)雽W(xué)的場(chǎng)景依然歷歷在目，仿佛還是昨天的事情。再?gòu)念^到尾看一看這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開姚慧老師的幫助，從題目的擬定，到結(jié)構(gòu)框架，資料搜集，整理提煉，以及最后的反復(fù)斟酌。在具體的寫作過(guò)程中，我遇到了許多這樣或那樣的預(yù)料之外的困難，讓我感到困惑和焦慮，但最終在姚慧老師的指導(dǎo)和幫助下，還是獨(dú)立完成了夾片自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。論文的最終完成，是一波三折的過(guò)程，在不斷完善和修改的過(guò)程中讓我更加懂得“一分耕耘一分收獲”的道理。 除了要衷心的感謝我的指導(dǎo)老師以外，我還要感謝在校期間所有傳授過(guò)我知識(shí)的老師們，他們孜孜不倦的教誨是我完成這篇論文的基礎(chǔ)。作為一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，在一些其他課程上遇到過(guò)許多問(wèn)題，多虧老師們?cè)诎倜χ谐槌鰰r(shí)間為我答疑解難，給予我耐心的指點(diǎn)，讓我少走了許多彎路。在此我對(duì)他們無(wú)私的愛(ài)心表示由衷的感謝。同時(shí)也感謝大學(xué)生活中與我朝夕相處的同學(xué)們，他們給我留下了最難忘的回憶。在一起走過(guò)的日子里，我們一同歡笑，一起悲傷，相互鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。我要感謝在這漫長(zhǎng)而短暫的四年里陪我一同走過(guò)的同學(xué)們，因?yàn)橛辛四銈儯业纳卸嗔撕芏鄽g樂(lè)的瞬間和美好的回憶，愿我們的情義地久天長(zhǎng)。 最后感謝我的家人，是他們一直站在我身后，做我堅(jiān)強(qiáng)的后盾，無(wú)論我成功與否，他們都默默地給予我支持與鼓勵(lì)，讓我感到我不是一個(gè)人在戰(zhàn)斗。謝謝你們，我一定會(huì)更加努力，不辜負(fù)你們對(duì)我的期望。 四年時(shí)光，說(shuō)長(zhǎng)不長(zhǎng)說(shuō)短不短，不知不覺(jué)中我們已經(jīng)共同經(jīng)歷了許多，我們手拉著手一同走過(guò)了快樂(lè)與悲傷，收貨了屬于我們的成長(zhǎng)與堅(jiān)強(qiáng)。也許在今后的日子里還有更多的困難等待著我們，但是我不會(huì)害怕，我會(huì)勇敢的迎接挑戰(zhàn)，我要用自己的努力搏一個(gè)美好的未來(lái)。最后我想說(shuō)：畢業(yè)，是終點(diǎn)，亦是起點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) [1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004. 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