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安全帶卷加速敏感器組件自動(dòng)裝配機(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 生： 張 翔
指導(dǎo)老師： 張 帆
完成日期： 2014年6月2日
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院
VI
摘 要
隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，裝配自動(dòng)化正在逐步發(fā)展成為當(dāng)今世界裝配的發(fā)展主流，逐步取代人工的手工裝配。它已成為衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。自動(dòng)裝配技術(shù)的重要性還在于促進(jìn)產(chǎn)品制造系統(tǒng)的整體優(yōu)化，生產(chǎn)率得以全面提高，用少量調(diào)整工人服務(wù)于一定數(shù)量的自動(dòng)裝配設(shè)備，在一定程度上提高均衡生產(chǎn)水平。自動(dòng)裝配不會(huì)因?yàn)楣と似?，疏忽，情緒，技術(shù)不熟練等因素影響而造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷或不穩(wěn)定。時(shí)間表明，當(dāng)達(dá)到一定批量的與手工裝配保持同一水平的自動(dòng)化裝配將會(huì)使成本下降。同時(shí)，在許多情況下，裝配自動(dòng)化所占用的生產(chǎn)面積比手工裝配完成同樣生產(chǎn)任務(wù)的工作面積要小的多。
本課題設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)裝配線中的專(zhuān)用自動(dòng)裝配機(jī)械手，能通過(guò)自動(dòng)控制操作工業(yè)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)多自由度的抓持與運(yùn)動(dòng)，代替人完成安全帶卷加速敏感器組件的裝配。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)裝配，機(jī)械手，氣動(dòng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
ABSTRACT
With the rapid development of modern science and technology, assembly automation is gradually developed into the mainstream of development in the world and gradually replace the manual assembly .It has become one of the main signs to measure the level of development of a national machinery. The importance of Automatic assembly technology is to promote products manufacturing system overall optimization .productivity can be overall improved. Minor adjustment workers are used for a certain number of automatic assembly equipment, in certain extent, It improves the balance in the level of production. Automatic assembly can not affect product quality resulting from errors or instability because of the factors of worker’s fatigue, neglect, emotional, unskilled. It has shown that when a certain amount of automated assembly will decline costs than manual assembly. At the same time, in many cases, the production assembly automation occupies a smaller area than manual assembly in completing the same task.
This?subject?is?about?a?manipulator?used?in?production?assembly?line?to?complete?assembly?work.?It?is?automatic?controlled?with?mufti-function,?mufti-degree?of?freedom?.Its?entire?structure?consists?of?the?implementing?agencies,?drive?system,?control?system?and?other?components.
Key words: Automatic assembly ，Manipulator ，Air pressure drive ，Structural design
目 錄
摘 要 II
ABSTRACT III
第一章 緒論 1
1.1 自動(dòng)裝配機(jī)的概況 1
1.1.1 自動(dòng)裝配機(jī)的定義 1
1.1.2 自動(dòng)裝配機(jī)的組成 1
1.1.3 自動(dòng)裝配機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 1
1.1.4 自動(dòng)裝配機(jī)的控制系統(tǒng) 2
1.1.5 自動(dòng)裝配機(jī)的適用性 2
1.2. 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 課題研究的目的及要求 4
1.4 課題背景 4
第二章 總體方案設(shè)計(jì)與論證 6
2.1 機(jī)械手的概況 6
2.1.1 機(jī)械手的概述及分類(lèi) 6
2.1.2 機(jī)械手的組成結(jié)構(gòu) 7
2.2設(shè)計(jì)背景 9
2.3機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 10
2.4機(jī)械手的主要參數(shù) 10
2.5驅(qū)動(dòng)方式和傳動(dòng)方式的選擇 11
2.5.1驅(qū)動(dòng)方式的選擇 11
2.5.2傳動(dòng)方式的選擇 11
2.6各個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn) 12
2.6.1腕部縱向運(yùn)動(dòng) 12
2.6.2手臂伸縮運(yùn)動(dòng) 12
2.6.3底座升降運(yùn)動(dòng) 12
第三章 裝配夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3.1 定位原理 13
3.2 確定定位方式 14
3.3 夾緊機(jī)構(gòu) 14
3.4 確定總體結(jié)構(gòu)和尺寸 15
第四章 1#機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
4.1 路徑規(guī)劃 18
4.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
4.2.1 手指的形狀和分類(lèi) 18
4.2.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 19
4.2.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 20
4.3 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
4.3.1 手臂伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
4.3.2 手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 23
4.3.3 手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì) 25
4.4 升降缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
4.4.1 升降缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
4.4.2 升降缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 27
4.4.3 升降氣缸的設(shè)計(jì) 28
第5章 2#機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30
5.1 路徑規(guī)劃 30
5.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 31
5.2.1 手指的形狀 31
5.2.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 31
5.3各氣缸的設(shè)計(jì) 32
第六章 總結(jié) 33
致 謝 34
參 考 文 獻(xiàn) 35
張翔 安全帶卷加速敏感器組件自動(dòng)裝配機(jī)設(shè)計(jì)
第一章 緒論
1.1 自動(dòng)裝配機(jī)的概況
1.1.1 自動(dòng)裝配機(jī)的定義
裝配是指將產(chǎn)品的若干個(gè)零部件通過(guò)緊配、卡扣、螺紋連接、粘合、鉚合、焊接等方式組合到一起得到符合預(yù)定的尺寸精度及功能的成品（半成品）。由人工處理（接觸、整理、抓取、移動(dòng)、放置、施力等）每一個(gè)零部件而實(shí)現(xiàn)的裝配，嚴(yán)格的講，只能稱(chēng)為人工裝配。不需要由人工處理（接觸、整理、抓取、移動(dòng)、放置等）零部件而完成的裝配，可稱(chēng)為自動(dòng)裝配。介于兩者之間的為半自動(dòng)裝配。
1.1.2 自動(dòng)裝配機(jī)的組成
1. 零部件定向排列、輸送、擒縱系統(tǒng)
將雜亂無(wú)章的零部件按便于機(jī)器自動(dòng)處理的空間方位自動(dòng)定向排列，隨后順利輸送到后續(xù)的擒縱機(jī)構(gòu)，為后續(xù)的機(jī)械手的抓取做準(zhǔn)備。
2. 抓取-移位-放置機(jī)構(gòu)
將由擒縱機(jī)構(gòu)定點(diǎn)定位好的零（部件）抓住或用真空吸住，隨后移動(dòng)至另一位置（通常為裝配工作位置）。
3. 裝配工作機(jī)構(gòu)
指用來(lái)完成裝配工作主動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，如將工件壓入、夾合、螺聯(lián)、卡人、粘合、焊接、鉚合、粘合、焊接于上一零部件。
4.檢測(cè)機(jī)構(gòu)
用來(lái)對(duì)上一步裝配好的部件或機(jī)器上一步工作成果進(jìn)行檢測(cè)，如缺零件檢測(cè)、尺寸檢測(cè)、缺損檢測(cè)、功能檢測(cè)、清料檢測(cè)。
5. 工件的取出機(jī)構(gòu)
用來(lái)將裝配好的合格部件、不合格部件從機(jī)器上分類(lèi)取出的機(jī)構(gòu)。
1.1.3 自動(dòng)裝配機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
1) 按被裝配工件在機(jī)器中的流動(dòng)時(shí)間連貫性來(lái)分，有間隙運(yùn)動(dòng)式裝配機(jī)和連續(xù)運(yùn)動(dòng)式裝配機(jī)。
2）按裝配機(jī)中工作位置數(shù)量來(lái)分，有單工位裝配機(jī)和多工位裝配機(jī)。
3）按裝配機(jī)中工件的傳動(dòng)軌跡來(lái)分，有圓形工作臺(tái)式裝配機(jī)和環(huán)形工作臺(tái)式裝配機(jī)。
1.1.4 自動(dòng)裝配機(jī)的控制系統(tǒng)
通常采用PLC控制，PLC要接收各種信號(hào)的輸入，向各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令。機(jī)器中配備多種傳感器等信號(hào)采集器來(lái)監(jiān)視機(jī)器中每一執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況，經(jīng)判斷后發(fā)出下一步的執(zhí)行指令。人機(jī)界面用來(lái)顯示機(jī)器的運(yùn)行情況、運(yùn)行記錄，以及用來(lái)由操作者向機(jī)器發(fā)指令。
1.1.5 自動(dòng)裝配機(jī)的適用性
近年來(lái),隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,更多的企業(yè)出現(xiàn)勞資糾紛及一線員工不好管理的問(wèn)題頻頻發(fā)生,更多的企業(yè)都在選擇自動(dòng)化機(jī)械裝配,如同富士康在近來(lái)三年內(nèi)要增加100萬(wàn)臺(tái)機(jī)器人來(lái)解決員工問(wèn)題。當(dāng)然根據(jù)行業(yè)的不同,自動(dòng)裝配機(jī)的應(yīng)用也自然不同。自動(dòng)裝配機(jī)根據(jù)行業(yè)的不同可分為以下幾種：
1 電子電氣類(lèi) 輕觸開(kāi)關(guān)裝配機(jī),繼電器自動(dòng)裝配機(jī),復(fù)位健裝自動(dòng)裝配機(jī),變壓器自動(dòng)裝配機(jī)等
2 五金類(lèi) 腳輪自動(dòng)裝配機(jī),軸承自動(dòng)裝配機(jī),玩具自動(dòng)裝配機(jī),齒輪自動(dòng)裝配機(jī),牙箱自動(dòng)裝配機(jī)等
自動(dòng)裝配機(jī)還應(yīng)用到家電,汽車(chē)行業(yè),總而言之,自動(dòng)裝配機(jī)將是工廠工業(yè)化的一種趨勢(shì)。
1.2. 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)外機(jī)械手領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì):
(1)工業(yè)機(jī)械手性能不斷提高(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65萬(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)械手整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)械手產(chǎn)品問(wèn)市。
(3)工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)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(jiàn)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(jī)械手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)械手還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)械手則采用視覺(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)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)械手操作者產(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)械手。
(6)當(dāng)代遙控機(jī)械手系統(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)械手的人機(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)械手走出實(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)械手就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。
(7)機(jī)械手化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)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(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。
我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)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)械手操作機(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)械手關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)械手;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)械手在二十余家企業(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)械手己應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手技術(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)械手應(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)械手約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)械手產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)械手生產(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)械手和特種機(jī)械手在“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)械手，6000m水下無(wú)纜機(jī)械手的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)械手、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)械手、爬壁機(jī)械手、管道機(jī)械手等機(jī)種:在機(jī)械手視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)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)械手、智能裝配機(jī)械手、機(jī)械手化機(jī)械等的開(kāi)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。
1.3 課題研究的目的及要求
自動(dòng)裝配是當(dāng)前應(yīng)廣泛的一種制造工藝，在生產(chǎn)生活中日益受到重視。本課題針對(duì)企業(yè)實(shí)際零件的制造需求和自動(dòng)裝配技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)滿足企業(yè)專(zhuān)門(mén)零件加工需要的自動(dòng)裝配機(jī)。主要針對(duì)專(zhuān)門(mén)零件，結(jié)合其裝配工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)滿足企業(yè)實(shí)際工藝要求的專(zhuān)用自動(dòng)裝配機(jī)器人，為企業(yè)生產(chǎn)提供有效的手段和方法。
通過(guò)課題研究，使學(xué)生掌握機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)、分析的方法，并且熟悉使用一種CAD軟件，著重培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)和自動(dòng)裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)知識(shí)的能力，以及獨(dú)立解決和分析實(shí)際問(wèn)題的能力。
主要任務(wù)：
1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料15篇以上，并完成指定的不少于五千印刷符的英文資料翻譯，掌握自動(dòng)裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，學(xué)會(huì)使用相關(guān)手冊(cè)完成設(shè)計(jì)任務(wù)；
2）明確本題目的設(shè)計(jì)參數(shù)，技術(shù)條件，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)完成自動(dòng)裝配系統(tǒng)方案的擬定，繪制全套自動(dòng)裝配夾具和機(jī)器人的機(jī)械零件圖、裝配圖；
3）完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
1.4 課題背景
裝配過(guò)程是機(jī)械制造過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。人工操作的裝配是一個(gè)勞動(dòng)密集型的過(guò)程，生產(chǎn)率是工人執(zhí)行某一具體操作所花費(fèi)時(shí)間的函數(shù)，其勞動(dòng)量在產(chǎn)品制造總勞動(dòng)量中占有相當(dāng)高的比例。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用，制造零件勞動(dòng)量的下降速度比裝配勞動(dòng)量下降速度快得多，如果仍舊采用人工裝配的方式，該比值還會(huì)提高。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)分析，一些典型產(chǎn)品的裝配時(shí)間占總生產(chǎn)時(shí)間的53%左右，是花費(fèi)最多的生產(chǎn)過(guò)程，因此提高裝配效率是制造工業(yè)中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
自動(dòng)化裝配具備如下優(yōu)點(diǎn)。
1. 裝配效率高，產(chǎn)品生產(chǎn)成本下降。尤其是在當(dāng)前機(jī)械加工自動(dòng)化程度不斷得到提高的情況下，裝配效率的提高對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)效率的提高具有更加重要的意義。
2 .自動(dòng)裝配過(guò)程一般在流水線上進(jìn)行，采用各種機(jī)械化裝置來(lái)完成勞動(dòng)量最大和最繁重的工作，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
3. 不會(huì)因工人疲勞、疏忽、情緒、技術(shù)不熟練等因素的影響而造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷或不穩(wěn)定。
4 .自動(dòng)化裝配所占用的生產(chǎn)面積比手工裝配完成同樣生產(chǎn)任務(wù)的工作面積要小得多。
5 .在電子、化學(xué)、宇航、國(guó)防等行業(yè)中，許多裝配操作需要特殊環(huán)境，人類(lèi)難以進(jìn)人或非常危險(xiǎn)，只有自動(dòng)化裝配才能保障生產(chǎn)安全。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，在機(jī)械制造業(yè)，CNC、FMC,FMS的出現(xiàn)逐步取代了傳統(tǒng)的制造技術(shù)，它們不僅具備高度自動(dòng)化的加工能力，而且具有對(duì)加工對(duì)象的靈活性。如果只有加工技術(shù)的現(xiàn)代化，沒(méi)有裝配技術(shù)的自動(dòng)化，F(xiàn)MS就成了自動(dòng)化孤島。裝配自動(dòng)化的意義還在于它是CIMS的重要組成部分。
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第二章 總體方案設(shè)計(jì)與論證
在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，裝配線機(jī)械手的設(shè)計(jì)思想主要是通過(guò)對(duì)以前及現(xiàn)有的最具有代表性的裝配線機(jī)械手進(jìn)行分析研究，吸收它們的優(yōu)點(diǎn)，將各個(gè)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，將不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合變化，使之達(dá)到較理想的方案。從而達(dá)到較好的運(yùn)動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性，進(jìn)而使之在市場(chǎng)上更具有競(jìng)爭(zhēng)力。本次設(shè)計(jì)就是在分析、研究以往優(yōu)秀的裝配線機(jī)械手的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而成的。
2.1 機(jī)械手的概況
2.1.1 機(jī)械手的概述及分類(lèi)
機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用.
機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專(zhuān)用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱(chēng)通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，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。機(jī)械手一般分為三類(lèi)。第一類(lèi)是不需要人工操作的通用機(jī)械手，它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定工作。它的特點(diǎn)是除具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工操作的，稱(chēng)為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電信號(hào)操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球、火星等。第三類(lèi)是專(zhuān)用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱(chēng)為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。本項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型可歸為第一類(lèi)，即通用機(jī)械手。
2.1.2 機(jī)械手的組成結(jié)構(gòu)
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示。
圖1-1機(jī)械手的組成方框圖
(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)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部。
夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)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(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，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。
吸附式手部主要由吸盤(pán)等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤(pán)內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤(pán)和電磁盤(pán)兩類(lèi)。
對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤(pán)吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。
對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類(lèi)和帶孔的盤(pán)類(lèi)零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤(pán)吸料。電磁吸盤(pán)的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負(fù)壓吸盤(pán)和電磁吸盤(pán)吸料，其吸盤(pán)的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式.
2、手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))。
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(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.
工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。
手臂可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)如下:
直線運(yùn)動(dòng)：如伸縮、升降、橫移運(yùn)動(dòng)。
基本運(yùn)動(dòng)
手臂運(yùn)動(dòng)
回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：如水平回轉(zhuǎn)、上下擺動(dòng)（即俯仰運(yùn)動(dòng)）。
直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合（即螺旋運(yùn)動(dòng)）。
復(fù)合運(yùn)動(dòng) 兩直線運(yùn)動(dòng)的組合（即平面運(yùn)動(dòng)）。
兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合（即空間曲面運(yùn)動(dòng)）。
手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。
導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。
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(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱(chēng)為可移式立柱。
5、行走機(jī)構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾滾輪輪式式布行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無(wú)軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。
6、機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。
2.2?設(shè)計(jì)背景?
在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本課題設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)裝配線中的機(jī)械手，能代替人完成裝配的﹑能自動(dòng)控制的﹑多功能的﹑多自由度的工業(yè)機(jī)器人。氣動(dòng)機(jī)械手是能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén)。
圖2-1 安全帶卷
2.3機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度
按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在裝配過(guò)程中手臂具有升降、收縮運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度。
圖2-2所示為機(jī)械手的手指、手腕、手臂的運(yùn)動(dòng)示意圖。
圖 2-2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖
2.4機(jī)械手的主要參數(shù)
1、機(jī)械手的主要參數(shù)為最大抓重，目前機(jī)械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。本次所要裝配的兩個(gè)零件具有質(zhì)量輕體積小的特點(diǎn)，所以最大抓重定為100g。
2、機(jī)械手主要的基本參數(shù)為運(yùn)動(dòng)速度。影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。操作節(jié)奏對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低則限制了它的使用范圍。
本設(shè)計(jì)機(jī)械手選取最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為1.2m/s，平均移動(dòng)速度為lm/s。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。
除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(應(yīng)大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。
定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土0.5～±1mm。
2.5?驅(qū)動(dòng)方式和傳動(dòng)方式的選擇?
2.5.1?驅(qū)動(dòng)方式的選擇?
在整個(gè)設(shè)計(jì)中，各自由度均采用氣壓驅(qū)動(dòng)，之所以用氣壓驅(qū)動(dòng)，是因?yàn)闅鈮候?qū)動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.調(diào)速范圍較大，而且還可以無(wú)級(jí)調(diào)速，易于適應(yīng)不同工作要求；?
2.氣壓技術(shù)容易達(dá)到較高的單位面積壓力，即驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩大；?
3.由于氣壓機(jī)構(gòu)一般重量比較輕，因而具有慣性小的特點(diǎn)，故而它的速度反應(yīng)性比較好；?
4.傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸收沖擊力可以較平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)頻繁轉(zhuǎn)向；
5.定位精度高；?
正因?yàn)闅鈮簜鲃?dòng)有以上優(yōu)點(diǎn)，故本裝配線機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動(dòng)。
2.5.2?傳動(dòng)方式的選擇?
傳動(dòng)方式是將動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)力傳遞到實(shí)現(xiàn)自由度的運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，在本設(shè)計(jì)中，就是將直線氣缸的直線運(yùn)動(dòng)傳遞出去。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)需要和運(yùn)動(dòng)方式，小臂伸縮、小臂俯仰、大臂升降、縱向移動(dòng)采用直線氣缸驅(qū)動(dòng)。
2.6?各個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)?
2.6.1?腕部縱向運(yùn)動(dòng)?
腕部位于手爪和小臂之間，它的作用是在小臂的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改變和調(diào)整手爪的空間姿態(tài)和方位，夾緊工件，擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作空間和應(yīng)用范圍。在本設(shè)計(jì)中用氣缸實(shí)現(xiàn)腕部運(yùn)動(dòng)。?
2.6.2?手臂伸縮運(yùn)動(dòng)
手臂的主要作用是連接腕部和大臂承受抓取工件的彎矩，因此應(yīng)加強(qiáng)手臂的剛度和強(qiáng)度，所以采用單作用活塞氣缸驅(qū)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是受力均衡，可用于抓取重量較大，行程較長(zhǎng)的情況。?
2.6.3底座升降運(yùn)動(dòng)?
此處設(shè)計(jì)采用單作用活塞缸來(lái)驅(qū)動(dòng)，這樣的結(jié)構(gòu)能提高底座的強(qiáng)度，并且裝卸維修方便。?
第三章 裝配夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 定位原理
六點(diǎn)定位原理是指工件在空間具有六個(gè)自由度，即沿x、y、z三個(gè)直角坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)自由度和繞這三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 。因此，要完全確定工件的位置，就必須消除這六個(gè)自由度，通常用六個(gè)支承點(diǎn)（即定位元件）來(lái)限制工件的六個(gè)自由度，其中每一個(gè)支承點(diǎn)限制相應(yīng)的一個(gè)自由度。
六點(diǎn)定位原理對(duì)于任何形狀工件的定位都是適用的，如果違背這個(gè)原理，工件在夾具中的位置就不能完全確定。然而，用工件六點(diǎn)定位原理進(jìn)行定位時(shí)，必須根據(jù)具體加工要求靈活運(yùn)用，工件形狀不同，定位表面不同，定位點(diǎn)的布置情況會(huì)各不相同，宗旨是使用最簡(jiǎn)單的定位方法，使工件在夾具中迅速獲得正確的位置。
工件定位的實(shí)質(zhì)就是使工件在夾具中占據(jù)確定的位置，因此工件的定位問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為在空間直角坐標(biāo)系中決定剛體坐標(biāo)位置的問(wèn)題來(lái)討論。在空間直角坐標(biāo)系中，剛體具有六個(gè)自由度，即沿X、Y、Z軸移動(dòng)的三個(gè)自由度和繞此三軸旋轉(zhuǎn)的三個(gè)自由度。用六個(gè)合理分布的支承點(diǎn)限制工件的六個(gè)自由度，使工件在夾具中占據(jù)正確的位置，稱(chēng)為六點(diǎn)定位法則。人們?cè)陉U述六點(diǎn)定位法則時(shí)常以圖3-1所示銑不通槽的例子來(lái)加以說(shuō)明：a1、a2、a3三個(gè)點(diǎn)體現(xiàn)主定位面A，限制X、Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度和Z方向的移動(dòng)自由度；a4、a5兩個(gè)點(diǎn)體現(xiàn)側(cè)面B，限制X方向的移動(dòng)自由度和Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度；a6點(diǎn)體現(xiàn)止推面C，限制Y方向的移動(dòng)自由度。這樣，工件的六個(gè)自由度全部被限制，稱(chēng)為完全定位。當(dāng)然，定位只是保證工件在夾具中的位置確定，并不能保證在加工中工件不移動(dòng)，故還需夾緊。定位和夾緊是兩個(gè)不同的概念。
圖3-1 典型完全定位
圖3-2 安全帶卷底盤(pán)
3.2 確定定位方式
安全帶卷的底盤(pán)如圖3-2所示，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征采用一面兩孔的定位方式。
3.3 夾緊機(jī)構(gòu)
在確定夾緊力的方向、作用點(diǎn)的同時(shí)，要確定相應(yīng)的夾緊機(jī)構(gòu)。確定夾緊機(jī)構(gòu)要注意以下幾方面的問(wèn)題：?
1.安全性?夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和夾緊力，以防止意外傷及夾具操作人員。?
2.手動(dòng)夾具夾緊機(jī)構(gòu)的操作力不應(yīng)過(guò)大，以減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。?
3.夾緊機(jī)構(gòu)的行程不宜過(guò)長(zhǎng)，以提高夾具的工作效率。?
4.手動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)操作靈活、方便。?
確定夾緊力的方向、作用點(diǎn)，以及夾緊元件或夾緊機(jī)構(gòu)，要選擇和設(shè)計(jì)動(dòng)力源。夾緊方案也需反復(fù)分析比較，確定后，正式設(shè)計(jì)時(shí)也可能在具體結(jié)構(gòu)上作一些修改。
利用一面兩孔的方式對(duì)安全帶卷的底盤(pán)進(jìn)行定位后，底盤(pán)還能夠上下移動(dòng)，若不將其夾緊必然會(huì)影響裝配的精度。鑒于該零件的特殊性，準(zhǔn)備用一階形螺釘將底盤(pán)固定住，從而可以保證裝配精度。
當(dāng)1#機(jī)械手將1#零件（如圖3-3所示）裝配好之后，在裝配2#零件（如圖3-4所示）前必須把1#零件先固定住，否則必將影響2#零件的裝配精度，因此該夾具還應(yīng)設(shè)計(jì)第二次裝夾。于是，特地在夾具體上設(shè)計(jì)了一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)此零件的二次裝夾工件（如圖3-5所示），可以通過(guò)特定的機(jī)械手撥動(dòng)此零件夾緊1#零件，從而實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)裝配的過(guò)程。
圖3-3 1#零件
圖3-4 2#零件
圖3-5 二次裝夾
3.4 確定總體結(jié)構(gòu)和尺寸
在自動(dòng)裝配的過(guò)程中，工作臺(tái)的尺寸如圖3-6所示，圖3-7為T(mén)形槽的尺寸要求。
圖3-6 工作臺(tái)
圖3-7 T形槽
其中B=200，B1=135，l=45，m=10，L=870，L1=715，E=70，m1=25，m2=40，a=14，b=25，h=11，c=12。
根據(jù)工作臺(tái)的尺寸要求，將夾具體的底座設(shè)計(jì)成長(zhǎng)100，寬135，夾具底座的具體形狀如圖3-8所示，整個(gè)裝配夾具的總體模型如圖3-9所示，查閱有關(guān)夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)，該夾具的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，并對(duì)夾緊力進(jìn)行估算，均可滿足夾具的強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)要求。
圖3-8 夾具底座
圖3-9 裝配夾具
有關(guān)夾具體的具體尺寸，工程圖詳見(jiàn)附錄一。
第四章 1#機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
氣動(dòng)機(jī)械手必須具有高精度、快速反應(yīng)、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(dòng)定位等特性，這樣就能能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(yùn)物件。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象(工件)的作業(yè)技術(shù)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(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專(zhuān)用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。
4.1 路徑規(guī)劃
1#機(jī)械手（圖4-1）是用來(lái)裝配1#零件（如圖3-3所示），該零件通過(guò)機(jī)械手抓取放下后，還要旋轉(zhuǎn)45°才能與安全帶卷的底盤(pán)完成裝配。為了減少機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，我們先將 1#零件在工作臺(tái)上以45°放置，再將1#機(jī)械手的手部以相同的角度安裝在手臂上。1#機(jī)械手完成抓取→抓緊→上升→定位→放下→松開(kāi)等一系列動(dòng)作。
圖4-1 1#機(jī)械手
4.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.2.1 手指的形狀和分類(lèi)
夾持式是最常見(jiàn)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(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱(chēng)直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。回轉(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。
4.2.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題
1.具有足夠的夾緊力
足夠的夾緊力除了考慮工件重量外，還應(yīng)避免在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)導(dǎo)致零件松動(dòng)或脫落。
2.手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角
兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)角應(yīng)保證工件能順利脫開(kāi)，閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。
3.保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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(dòng)定心。
4.具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)象的要求
根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)
兩指回轉(zhuǎn)型，由于1#零件外觀為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成類(lèi)似“V”型的仿圓弧型，其結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。
圖4-2 1#機(jī)械手手爪
4.2.3 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)
1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
1#機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖（如圖4-3所示），其工件重量G=1N，仿“V”形手指的角度2=120°，b=50mm， R=20mm,摩擦系數(shù)為f=0.10 。
圖4-3 手部結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖
(1) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為:
(2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式:
所以：
(3) 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:
因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為連桿機(jī)構(gòu)，故取=0.94 ，并取=1.5.
若被抓取工件的最大加速度取a=g 時(shí)，則:
所以：
所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為12N。
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(shí)的總阻力，其公式為:
式中: ——活塞桿上的推力，N
——彈簧反作用力，N
——?dú)飧坠ぷ鲿r(shí)的總阻力，N
P——?dú)飧坠ぷ鲏毫?，Pa
彈簧反作用按下式計(jì)算:
式中: —— 彈簧剛度，N/m
L—— 彈簧預(yù)壓縮量，m
S—— 活塞行程，m
d——彈簧鋼絲直徑，m
D——彈簧平均直徑，m
D——彈簧外徑，m
n —— 彈簧有效圈數(shù)
G—— 彈簧材料剪切模量，一般取G=79.4X109Pa
在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得：
所以：
查有關(guān)手冊(cè)圓整，得D=20 mm
由d/D=O.2～0.5， 可得活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=4～10 mm
圓整后，取活塞桿直徑d=10 mm
校核，按公式
有:
其中=120MPa, F=73.3N
則:d (43.5/120)=0.2 10，故滿足設(shè)計(jì)要求。
3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
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(jì)算:
式中: δ—— 缸筒壁厚 ，mm
D—— 氣缸內(nèi)徑 ，mm
P——實(shí)驗(yàn)壓力，取P=1.5PPa
材料為 : ZL3,[] =3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
=
=4 mm
取=5 mm，則缸筒外徑為:D=20+52 =30 mm。
4.3 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.3.1 手臂伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)形式為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)查閱資料，我們最終選擇了氣壓驅(qū)動(dòng)的活塞氣缸。因?yàn)榛钊麣飧拙哂畜w積小、重量輕的特點(diǎn)，并且廣泛應(yīng)用與機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。但是，機(jī)械手手臂在作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，手臂可能會(huì)繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，為了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(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。導(dǎo)向裝置的選擇因素有手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等等加以確定，同時(shí)應(yīng)減少運(yùn)動(dòng)部件的重量，這樣就可以減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在本機(jī)械手中，采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。
4.3.2 手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
圖4-3 所示為活塞氣缸驅(qū)動(dòng)手臂前伸時(shí)的示意圖。
圖4-3 手臂伸出時(shí)的受力狀態(tài)
在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅(qū)動(dòng)力和壓力之間的關(guān)系式不一樣。當(dāng)壓縮空氣輸入工作腔時(shí)，驅(qū)使手臂前伸(或縮回)，其驅(qū)動(dòng)力應(yīng)克服手臂在前伸(或縮回)起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力，手臂運(yùn)動(dòng)件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力，因此，驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為:
P驅(qū) = P慣 + P摩 + P密 + P背
式中:P慣——手臂在起動(dòng)過(guò)程中的慣性力(N)；
P摩——摩擦阻力(包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N)；
P密——密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻
力不同 ；
P背——?dú)飧追枪ぷ髑粔毫?即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與
大氣相連時(shí)，則 P背 =0 。
根據(jù)手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力公式:F=Ff +
其中，由于手臂運(yùn)動(dòng)從靜止開(kāi)始，所以△v=v,
摩擦系數(shù):設(shè)計(jì)氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查有關(guān)手冊(cè)可知f=0.17。
質(zhì)量計(jì)算:手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、夾緊氣缸、手臂伸縮用液壓緩沖器、手爪及相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國(guó)煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時(shí)測(cè)量設(shè)計(jì)的有關(guān)尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時(shí)其質(zhì)量為700g，放松物件后其質(zhì)量為600g.接觸面積:S≈5×10-4m2
則夾緊時(shí)：
F=F +
=
放松時(shí)：
F=F +
=
考慮安全因素，應(yīng)乘以安全系數(shù)K=1.2
則夾緊時(shí): F=441.2=53(N)
放松時(shí): F=381.2=45(N)
4.3.3 手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì)
1、氣缸的直徑
根據(jù)雙作用氣缸的計(jì)算公式:
其中: F——活塞桿伸出時(shí)的推力，N
F——活塞桿縮入時(shí)的拉力
d——活塞直徑，mm
P——?dú)飧坠ぷ鲏毫?，Pa
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:
當(dāng)推力做功時(shí):
=
當(dāng)拉力做功時(shí):
D=(1.01～1.09)(4F/
=(1.01～1.09)
故圓整后，取D=20mm
2、活塞桿直徑的計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,此活塞桿為實(shí)心活塞桿，假設(shè)取d=10mm。
校核如下:(按縱向彎曲極限力計(jì)算)
氣缸承受縱向推力達(dá)到極限力F以后，活塞桿會(huì)產(chǎn)生軸向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，必須使推力負(fù)載(氣缸工作負(fù)載F與工作總阻力F之和)小于極限力F。
該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。有關(guān)公式為:
式中: L——活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度，m
K——活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，m
A——活塞桿橫截面面積，m
f——材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取f=2.110Pa
a——系數(shù)，對(duì)鋼a=1/5000
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:
=
推力負(fù)載為:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: =<<
所以，安全。設(shè)計(jì)符合要求。
3、缸筒壁厚計(jì)算
根據(jù)公式：
式中P為實(shí)驗(yàn)壓力，取P=1.5P=0.610Pa
材料為ZL3，則[]=3MPa，則：
=
取=5 mm，則缸筒外徑為:D=20+52 =30 mm。
4.4 升降缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.4.1 升降缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
升降缸的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與手臂伸縮缸基本相同，可以通過(guò)所承受的壓力設(shè)計(jì)升降缸的尺寸。升降缸應(yīng)滿足：
1.有足夠的剛度和穩(wěn)定性
2.運(yùn)動(dòng)要靈活，一般要有導(dǎo)向長(zhǎng)度，且導(dǎo)向長(zhǎng)度不宜過(guò)短，以免產(chǎn)生卡死現(xiàn)象
3.結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝修
4.4.2 升降缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
根據(jù)氣缸驅(qū)動(dòng)時(shí)需要克服的運(yùn)動(dòng)部件的總重量、摩擦力和啟動(dòng)慣性力等幾個(gè)方面的阻力，所以油缸的驅(qū)動(dòng)力為?
P驅(qū) = P慣 + P摩 + P密 + P背
式中:P慣——升降缸在起動(dòng)過(guò)程中的慣性力(N)；
P摩——摩擦阻力(包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N)；
P密——密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻
力不同 ；
P背——?dú)飧追枪ぷ髑粔毫?即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與
大氣相連時(shí)，則 P背 =0 。
根據(jù)升降缸升降運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力公式:F=Ff +
其中，由于手臂運(yùn)動(dòng)從靜止開(kāi)始，所以△v=v,
摩擦系數(shù):設(shè)計(jì)氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查有關(guān)手冊(cè)可知f=0.17。
質(zhì)量計(jì)算:氣缸為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國(guó)煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時(shí)測(cè)量設(shè)計(jì)的有關(guān)尺寸，得知夾緊物體時(shí)其質(zhì)量為1.5Kg，放松物件后其質(zhì)量為1.4Kg，接觸面積:S≈5×10-4m2
則夾緊時(shí)：
F=F +
=
放松時(shí)：
F=F +
=
考慮安全因素，應(yīng)乘以安全系數(shù)K=1.2
則夾緊時(shí): F=931.2=112(N)
放松時(shí): F=86.81.2=104(N)
4.4.3 升降氣缸的設(shè)計(jì)
1、氣缸的直徑
根據(jù)雙作用氣缸的計(jì)算公式:
其中: F——活塞桿伸出時(shí)的推力，N
F——活塞桿縮入時(shí)的拉力
d——活塞直徑，mm
P——?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ琍a
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:
當(dāng)推力做功時(shí):
=
當(dāng)拉力做功時(shí):
D=(1.01～1.09)(4F/
=(1.01～1.09)
查氣缸標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)后，取D=32mm
2、活塞桿直徑的計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,此活塞桿為實(shí)心活塞桿，假設(shè)取d=10mm。
校核如下:(按縱向彎曲極限力計(jì)算)
氣缸承受縱向推力達(dá)到極限力F以后，活塞桿會(huì)產(chǎn)生軸向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，必須使推力負(fù)載(氣缸工作負(fù)載F與工作總阻力F之和)小于極限力F。
該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。有關(guān)公式為:
式中: L——活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度，m
K——活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，m
A——活塞桿橫截面面積，m
f——材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取f=2.110Pa
a——系數(shù)，對(duì)鋼a=1/5000
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:
=
推力負(fù)載為:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: =<<
所以，安全。設(shè)計(jì)符合要求。
3、缸筒壁厚計(jì)算
根據(jù)公式：
式中P為實(shí)驗(yàn)壓力，取P=1.5P=0.610Pa
材料為ZL3，則[]=3MPa，則：
=
取=9 mm，則缸筒外徑為:D=32+92 =50 mm。
第5章 2#機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 路徑規(guī)劃
2#機(jī)械手（圖5-1）是用來(lái)裝配2#零件（如圖3-4所示），該零件通過(guò)機(jī)械手抓取放下后，還要施加一壓力后才能完成裝配。2#機(jī)械手需要完成抓取→抓緊→上升→定位→放下→壓緊→松開(kāi)等一系列動(dòng)作。
圖5-1 2#機(jī)械手
5.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.2.1 手指的形狀
2#機(jī)械手和1#機(jī)械手的夾持方式都為夾持式，由于 2#零件為塑料件，體積小質(zhì)量輕，所以2#機(jī)械手的手爪通過(guò)仿形來(lái)設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，如圖5-2、5-3所示。
圖5-2 2#機(jī)械手手爪（左）
圖5-3 2#機(jī)械手手爪（右）
5.2.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)
1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
2#機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖參照?qǐng)D4-3，可以簡(jiǎn)化為一內(nèi)切圓R=1.8mm,其工件重量G=0.5N，仿“V”形手指的角度2=120°，b=5mm， 摩擦系數(shù)為f=0.10 。
（1）根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為:
（2）根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式:
所以：
（3）實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:
因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為連桿機(jī)構(gòu)，故取=0.94 ，并取=1.5.
若被抓取工件的最大加速度取a=g 時(shí)，則:
所以：
所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為6.2N。
由于2#機(jī)械手所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力小于1#機(jī)械手所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力，2#零件的質(zhì)量遠(yuǎn)小于1#零件的質(zhì)量，故1#機(jī)械手的所有氣缸結(jié)構(gòu)及尺寸均可滿足2#機(jī)械手。
5.3各氣缸的設(shè)計(jì)
由于2#機(jī)械手所選擇的氣缸與1#機(jī)械手一致且滿足要求，所以?shī)A緊缸、伸縮缸、升降缸的具體計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)上一章。
第六章 總結(jié)
隨著畢業(yè)日子的到來(lái)，畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。經(jīng)過(guò)幾周的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在沒(méi)有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺(jué)得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來(lái)所學(xué)知識(shí)的單純總結(jié)，但是通過(guò)這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)知識(shí)還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺(jué)得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。
在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量