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摘 要
本文簡要介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成、分類、意義和歷史，澆注機(jī)械手硬件和軟件的組成，澆注機(jī)械手各個(gè)部件的整體尺寸設(shè)計(jì)。本文著重對機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度，設(shè)計(jì)了了機(jī)械手的傳動(dòng)并計(jì)算出傳動(dòng)比，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu),確定了壓鑄成型設(shè)備的取料相關(guān)機(jī)構(gòu)的各種參數(shù)計(jì)算和分析，確定了壓鑄成型設(shè)備的取料相關(guān)零件材料的選用及其工藝分析，確定了驅(qū)動(dòng)手臂與手部所需的電機(jī)功率，確定了機(jī)械手的基本技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)出了機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)，繪制了取料機(jī)械手的工作原理圖，展示了取料機(jī)械手的基本性能，校核了部分零部件的強(qiáng)度和使用壽命。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手；澆注機(jī)械手
Abstract?
This paper briefly introduces the concept of industrial robots, robot composition, classification, the significance and history of pouring manipulator of the hardware and software composition, pouring manipulator overall dimensions of the parts design. Manipulator overall scheme design, this paper determined forms and degrees of freedom, the coordinates of the manipulator design able to drive of the manipulator and compute the transmission ratio, the design of the manipulator hand structure, design of the manipulator arm structure, determine the reclaimer, die-casting molding equipment parameter calculation and analysis of related institutions, determine the reclaimer, die-casting molding equipment related and technology analysis, material selection of parts to determine the driving arm and hand the required motor power, to determine the basic technical parameters of manipulator. At the same time, design the PLC control system of the manipulator, mapped the picking manipulator, the working principle diagram, shows the basic properties of the picking manipulator, check the part of the strength of the parts and service life.
Key Words:?industrial robot；manipulator pump；air pressure drive
目 錄
引言 1
1 緒論 2
1.1 機(jī)械手的分類 2
1.1.1簡史 2
1.1.2應(yīng)用簡況 3
1.1.3發(fā)展趨勢 3
1.2 機(jī)械手的組成 4
1.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu) 5
1.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 6
1.2.3控制系統(tǒng) 6
1.2.4行程位置檢測裝置 6
1.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義 6
1.4 課題的提出及主要任務(wù) 7
1.4.1課題的提出 7
1.4.2課題的主要任務(wù) 7
2 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 8
2.1 原始數(shù)據(jù) 8
2.2 工作需要 8
2.3 工作結(jié)構(gòu) 9
2.4 系統(tǒng)組成 9
2.5 動(dòng)作分析 9
2.6 總體技術(shù)方案 9
2.6.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定 9
2.6.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 10
2.6.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 12
2.6.4控制系統(tǒng)的確定 13
2.6.5行程位置檢測裝置的設(shè)置 13
3 電機(jī)的選擇 15
3.1 選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu) 15
3.2 選擇電機(jī)的型號和參數(shù) 16
3.3 設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比及分配各級傳動(dòng)比 19
3.4 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 19
3.4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸 19
3.4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸 20
3.4.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸 20
3.4.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸 20
4 手部的設(shè)計(jì)....................................................................................................20
5 手臂及底座的設(shè)計(jì) 21
5.1 手臂的設(shè)計(jì) 21
5.2 手臂保持架及底座的設(shè)計(jì) 22
6 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與鏈輪尺寸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23
6.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸的第一級鏈傳動(dòng) 23
6.1.1初始條件 23
6.1.2設(shè)計(jì)過程 23
6.1.3鏈輪的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
6.2 軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸的第二級鏈傳動(dòng) 28
6.2.1初始條件 29
6.2.2設(shè)計(jì)過程 29
6.2.3鏈輪的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29
6.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸的鏈傳動(dòng) 30
6.3.1初始條件 30
6.3.2設(shè)計(jì)過程 30
6.3.3鏈輪的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 31
7 軸的設(shè)計(jì)與校核及零件的選擇與校核 32
7.1初步確定軸的最小直徑 32
7.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
7.3 軸上零件的周向定位 37
7.4 確定軸上圓角和倒角尺寸 37
7.5 對軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)所連軸進(jìn)行校核 38
7.6 對軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)所連軸上的軸承進(jìn)行校核 40
7.7 對軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)所連軸上的鍵連接進(jìn)行校核 42
8 結(jié)論 44
謝 辭 45
參考文獻(xiàn) 46
引言
機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部,是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。
1 緒論
機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。
1.1 機(jī)械手的分類
機(jī)械手一般分為三類：第一類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)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機(jī)械手，國外稱為機(jī)器人。本課題所做的機(jī)械手是屬于第三類機(jī)械手。
1.1.1簡史
機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。
1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962年美國機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進(jìn)口。
目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。
第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
1.1.2應(yīng)用簡況
現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化，自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。有資料統(tǒng)計(jì)：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機(jī)械加工。隨著機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還會(huì)有所改變。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。國內(nèi)機(jī)械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專機(jī)上采用機(jī)械手上下料，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機(jī)床共同組成一個(gè)綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更始目前研究的重點(diǎn)，國外已研究采用攝象機(jī)和力傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)連在一起，能確定零件的方位達(dá)到鑲裝的目的。
1.1.3發(fā)展趨勢
目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內(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，有條件的還要研制示教式機(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)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，有便于更換工件，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、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(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。
在國外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。
此外，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀（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，然后送給計(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。觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊S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，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。
1?.2 機(jī)械手的組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。?
工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)有簡單的也有復(fù)雜的。但從結(jié)構(gòu)形式分析，主要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、位置檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。其組成及相互關(guān)系如圖1-1所示：
圖1-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式的組成及關(guān)系
1.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)
(1)手部:手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可把動(dòng)作傳給手部。機(jī)械手手部的機(jī)構(gòu)系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作需要。另外還有真空和電磁吸盤(相當(dāng)于手爪)，用來吸取表面光滑的零件，比如薄板。有的手爪還可夾持一些專用工具，如噴槍、扳手、焊接工具等。
(2)腕部:腕部是聯(lián)接于部和臂部的構(gòu)件，起支撐手部的作用。它可以有俯仰、左右擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)。特殊情況可以增加一個(gè)橫向移動(dòng)。有的機(jī)械于沒有手腕動(dòng)作。
(3)手臂:臂部是支撐手部、腕部的構(gòu)件。手臂有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分，手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的自由度需要精確的定位。機(jī)械手的臀部是為取代人的手臂而研究設(shè)計(jì)的，但它卻達(dá)不到象人密的靈巧和適應(yīng)功能。因此，只有把結(jié)構(gòu)簡化，把運(yùn)動(dòng)軌跡分為沿三坐標(biāo)軸線方向往復(fù)移動(dòng)和繞三坐標(biāo)軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)。一般手臂又有前后伸縮、左右回轉(zhuǎn)、上下升降或上下擺動(dòng)等幾個(gè)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)需要可選其中一個(gè)、二個(gè)或三個(gè)運(yùn)動(dòng)。
(4)立柱:立柱是支撐手臂等構(gòu)件的。一般機(jī)械于的立往為固定不動(dòng)的，也有的因工作需要立柱作橫向移孔，此種稱可移動(dòng)式立柱。
(5)行走機(jī)構(gòu):行走機(jī)構(gòu)在機(jī)械手要求完成較遠(yuǎn)距離的操作時(shí)，可增加滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)。
(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。
1.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓用的最多，占90%以上，電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。
液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動(dòng)平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6個(gè)大氣壓，個(gè)別的達(dá)到8-10個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤滑性較差，液壓系統(tǒng)容易生銹。
為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，液壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。?
電氣驅(qū)動(dòng)采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動(dòng)則用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動(dòng)機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。
電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動(dòng)力，出力比較大；缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。
機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。
1.2.3控制系統(tǒng)?
控制系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分，它是支配機(jī)械手按規(guī)定程序、行程和速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的裝置。它必須保存或記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序，到達(dá)位置和時(shí)間信息)。機(jī)械手工作時(shí)根據(jù)這些信息對機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按程序發(fā)出控制指令，必要時(shí)還可對機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)機(jī)當(dāng)動(dòng)作錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)可發(fā)出管報(bào)信號。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電器定位（或機(jī)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(jī)械手按規(guī)定程序運(yùn)動(dòng)。
1.2.4行程位置檢測裝置?
行程位置檢測裝置的作用是控制機(jī)械手每個(gè)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)位置，或?qū)⑦\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的位置反饋于控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)位置精度的要求。控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。
1.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。?
在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：
(1)以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
(2)以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
(3)可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。
1.4 課題的提出及主要任務(wù)
1.4.1課題的提出
隨著現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展水平不斷提高,對產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率要求不斷提高,生產(chǎn)過程中的機(jī)械化程度不斷提高,機(jī)械手也逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。特別適合于沖壓等重復(fù)性、危險(xiǎn)性的加工行業(yè),它能取代人工在各個(gè)沖壓工位上進(jìn)行物料沖壓、搬運(yùn)、上下料等。能夠提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本及勞動(dòng)成本，能夠很大限度地降低工傷事件，確保員工安全。機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機(jī)械手可以完成許多工作,如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。本設(shè)計(jì)以壓鑄成型設(shè)備的取料為載體，完成壓鑄成型設(shè)備的取料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程。進(jìn)一步提升專業(yè)技能，為踏上工作崗位做好準(zhǔn)備。
1.4.2課題的主要任務(wù)
(1)收集關(guān)于壓鑄成型設(shè)備的取料產(chǎn)品的相關(guān)知識，了解現(xiàn)有壓鑄成型設(shè)備的取料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)；
(2)熟悉壓鑄成型設(shè)備的取料的工作原理及過程；
(3)查閱相關(guān)資料，熟悉機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)械零件的加工工藝、工程力學(xué)、工程制圖等與本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題相關(guān)的知識；
(4)熟練掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件；
(5)對壓鑄成型設(shè)備的取料設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃及分析，反復(fù)對方案進(jìn)行論證，逐步進(jìn)行修改及優(yōu)化；
(6)完成壓鑄成型設(shè)備的取料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
(7)完成壓鑄成型設(shè)備的取料相關(guān)機(jī)構(gòu)的各種參數(shù)計(jì)算和分析；
(8)完成壓鑄成型設(shè)備的取料相關(guān)零件材料的選用及其工藝分析；
(9)完成壓鑄成型設(shè)備的取料產(chǎn)品零件及裝配部件的3D和2D工程圖的繪制；
(10)完成零件拆、裝過程及運(yùn)動(dòng)仿真視頻動(dòng)畫的制作。
2 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成
2.1 原始數(shù)據(jù)
原始數(shù)據(jù)如表2-1所示：
表2-1 取料機(jī)械手原始數(shù)據(jù)
用途
用于630噸冷室壓鑄機(jī)澆鑄鋁合金溶液
規(guī)格參數(shù)
澆杯最大給湯容量
四公斤
自由度數(shù)
2個(gè)
坐標(biāo)形式
兩個(gè)同心且相互垂直的圓面坐標(biāo)
手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)
水平面回轉(zhuǎn)
180°
手臂伸縮范圍
1500mm
澆杯最大傾轉(zhuǎn)角
90°
驅(qū)動(dòng)方式
電機(jī)
控制方式
PLC控制
2.2 工作需要
澆鑄機(jī)械手（即澆杯）的初始位置，停在保溫爐坩堝的金屬液面的上方，在此進(jìn)行保溫，等待澆鑄。當(dāng)630噸壓鑄機(jī)慢速合模時(shí)，壓鑄機(jī)的電控裝置發(fā)信，使手臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)控制手臂的下降，澆杯下降并浸入液態(tài)金屬內(nèi)，直到湯面檢出用檢出棒會(huì)與保溫爐內(nèi)的熔湯接觸，形成回路，電壓繼電器發(fā)出信號，手臂停止后退，停止時(shí)湯勺處于計(jì)量取湯狀態(tài)，熔湯由汲入口充分流入湯勺內(nèi)，鋁湯沒有接觸湯勺小手臂的底部，并用時(shí)間繼電器控制澆杯，已裝滿液態(tài)金屬，而后手臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)使手臂上升來帶動(dòng)澆包上升，在提升過程中多余的金屬溶液會(huì)溢出，直到澆杯底面超過保溫爐坩堝的最高點(diǎn)，到達(dá)后退低速限，提升結(jié)束，手部驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制關(guān)節(jié)軸回轉(zhuǎn)，使?jié)脖謴?fù)水平狀態(tài)，爐上待機(jī)，直到壓鑄機(jī)給出給湯信號，手臂通過關(guān)節(jié)處的回轉(zhuǎn)來進(jìn)行伸長，同時(shí)腰部驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制腰部回轉(zhuǎn)，當(dāng)碰到前進(jìn)低速限位開關(guān)后，又轉(zhuǎn)變?yōu)槁倩剞D(zhuǎn)，直到碰到前進(jìn)限位開關(guān)后停止回轉(zhuǎn)。此時(shí)，630噸壓鑄機(jī)模具合嚴(yán)，機(jī)械手腕連接手部的軸由手部驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過兩次鏈傳動(dòng)，帶動(dòng)澆杯翻轉(zhuǎn)倒料，經(jīng)延時(shí)后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)使手臂收縮，同時(shí)腰部回轉(zhuǎn)，當(dāng)碰到后退低速限位開關(guān)后，湯勺處于計(jì)量傾斜狀態(tài)至湯面檢出位置即會(huì)停止，取湯計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，由前面循環(huán)進(jìn)行動(dòng)作。
2.3 工作結(jié)構(gòu)
本機(jī)械手主要有手臂、手臂回轉(zhuǎn)支架、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，傾倒機(jī)構(gòu)、澆杯、手部驅(qū)動(dòng)電機(jī)、手臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、湯面檢出棒、底座等部分組成。
2.4 系統(tǒng)組成
本基械手系統(tǒng)由機(jī)體，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，動(dòng)力源和控制裝置四部分組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是鏈輪傳動(dòng)；動(dòng)力源由電機(jī)提供，控制裝置主要由自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩部分組成。
2.5 動(dòng)作分析
工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械機(jī)構(gòu)是指它的執(zhí)行系統(tǒng)，是機(jī)械手抓持工件、進(jìn)行操作及各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件。機(jī)械部件主要包括手部，手臂前后伸縮部分，手臂上下升降部分，腰轉(zhuǎn)部分以及機(jī)座和行走機(jī)構(gòu)。
2.6 總體技術(shù)方案
畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的就是要把我們所學(xué)的比較分散的知識綜合起來，并進(jìn)行靈活運(yùn)用。現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是機(jī)電一體化，因此，我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)是要我們將“機(jī)”、“電”合并起來。
2.6.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定
（1)手部：本機(jī)械手設(shè)計(jì)出來是用于壓鑄成型中提取熔融狀態(tài)的鋁液的，所以手部就做成湯勺的形式，如果采用夾持提取澆杯的這種形式，難以實(shí)現(xiàn)澆杯的傾倒動(dòng)作。澆杯上開個(gè)小嘴可以使注湯時(shí)金屬液體從這里流入注料口，產(chǎn)生類似引流的效果，鋁液不會(huì)因?yàn)橐幌伦映鰜砗芏喽鵀⒊鰜碓斐衫速M(fèi)，而取湯時(shí)，鋁液是從沒有嘴的另一端流入的。
為適應(yīng)壓鑄機(jī)壓鑄不同零件或控制零件最佳加工余量的需要，澆鑄機(jī)械手的澆杯容量可以調(diào)節(jié)。對于大容量調(diào)節(jié)采用調(diào)換澆杯的辦法，松開螺栓（共一只），便能更換澆杯。對于小容量調(diào)節(jié)，以操作盒之湯增減來調(diào)整給湯量，要增大給湯量時(shí)，將搖頭開關(guān)押到湯增位置，湯量調(diào)整電機(jī)將帶動(dòng)湯量調(diào)整組件動(dòng)作，使湯勺的傾斜角度增大，從而使給湯量增大;要減小給湯量時(shí)，將搖頭開關(guān)押到湯減位置，湯量調(diào)整電機(jī)將帶動(dòng)湯量調(diào)整組件動(dòng)作，使湯勺的傾斜角度減小。但若故障時(shí)則以手動(dòng)方式調(diào)整，進(jìn)行回轉(zhuǎn)，往減量方向回轉(zhuǎn)，微動(dòng)開關(guān)會(huì)往(減)的方向移動(dòng)，湯勺的傾斜度變大，湯量即減少，往增量的方向回轉(zhuǎn)時(shí)，微動(dòng)開關(guān)會(huì)往(增)的方向移動(dòng)，湯勺的傾斜度變小，湯量即增。630噸壓鑄機(jī)澆注機(jī)械手設(shè)備有4,7,9公斤三種規(guī)格的湯勺，他們的結(jié)構(gòu)相同，只是尺寸有異。?
(2) 手臂:本課題采用的是有關(guān)節(jié)手臂，所設(shè)計(jì)的是單臂式的給湯機(jī)，整個(gè)機(jī)械手是完全模仿人類手臂設(shè)計(jì)出來的，分為大臂和小臂兩部分，只不過不像人類手臂有那么多的自由度，整個(gè)機(jī)械手設(shè)定為在一個(gè)兩個(gè)同心且相互垂直的圓面坐標(biāo)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，所以只有兩個(gè)自由度，電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)處軸的回轉(zhuǎn)來完成手臂的前后伸縮和上下升降。其中腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)是固定于機(jī)座上面的，帶動(dòng)整個(gè)手臂的水平面回轉(zhuǎn)，手臂固定于手臂支架上，然后手臂支架再固定于底座上面，也就是說大臂的關(guān)節(jié)固定于手臂支架上，小臂的關(guān)節(jié)固定于大臂上，這兩個(gè)關(guān)節(jié)分別帶動(dòng)大臂和小臂的垂直面回轉(zhuǎn)。
2.6.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
1）常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、螺紋（絲杠）傳動(dòng)、平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、間隙運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。首先介紹一下常用幾種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)再結(jié)合工作需求選取本機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，特點(diǎn)如下：
(1) 皮帶傳動(dòng)：
①平皮帶傳動(dòng)：
（a）結(jié)構(gòu)簡單，可以傳動(dòng)的中心距較大，傳動(dòng)過程中不產(chǎn)生震動(dòng)
（b）滑動(dòng)系數(shù)大，傳遞功率小
②三角皮帶傳動(dòng)：
（a） 滑動(dòng)系數(shù)比平皮帶傳動(dòng)小，傳遞功率大（多根皮帶組合使用），傳動(dòng)中不產(chǎn)生震動(dòng)
（b）摩擦較大，皮帶輪加工比平帶輪困難
（c)三角皮帶傳動(dòng)時(shí)，由于皮帶截面上各點(diǎn)的直徑不同（D,d1，d2），因此各點(diǎn)的回轉(zhuǎn)速度不同，而皮帶本身是一個(gè)整體，由此皮帶上不和下部相對皮帶輪的槽作相反方向的滑移，產(chǎn)生較大摩擦，也是因摩擦產(chǎn)生熱。
（d)由于三角皮帶的周長是標(biāo)準(zhǔn)固定的，對于非標(biāo)中心距的皮帶傳動(dòng)不能采用標(biāo)準(zhǔn)的三角皮帶，這時(shí)可以選用“活絡(luò)三角皮帶”，該類皮帶與標(biāo)準(zhǔn)皮帶具有相同的截面，但它是由小塊連接件用螺釘緊固的，因此在使用中可以按所需的長度任意增加或減少連接件。這類皮帶傳動(dòng)的功率要比同類規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)三角皮帶小。
(2)鏈傳動(dòng)：
①能保證準(zhǔn)確的平均速比，傳動(dòng)效率較高
②作于軸上的徑向壓力小
③整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊
④能在高溫和潮濕的環(huán)境小工作
⑤制造與安裝精度要求較低，成本也低
⑥可以作中心距較大的兩輪軸間傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)
⑦鏈條容易磨損，磨損后的鏈條節(jié)距加大，鏈條容易脫落或者跳齒，影響傳動(dòng)精度
⑧鏈條傳動(dòng)的速度較低，運(yùn)動(dòng)時(shí)候有噪聲，不宜用在載荷變化很大、高速和急速反轉(zhuǎn)的傳動(dòng)中
（3）齒輪傳動(dòng)：
①效率高
②結(jié)構(gòu)緊湊
③工作可靠、壽命長
④傳動(dòng)比穩(wěn)定
⑤制造安裝精度高，價(jià)格較貴、且不宜用于傳動(dòng)距離過大的場合。
（4）蝸輪蝸桿傳動(dòng)：
①當(dāng)使用彈頭蝸桿時(shí)，蝸桿每旋轉(zhuǎn)一周，蝸輪只轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，因而能實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比，由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目少，所以結(jié)構(gòu)緊湊
②沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低
③具有自鎖性，此時(shí)效率僅為0.4左右
④嚙合處有相對滑動(dòng)，當(dāng)滑動(dòng)速度很大，工作條件不夠良好時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦與磨損，從而引發(fā)發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化，因此摩擦損失較大，效率低
（5）螺紋（絲杠）傳動(dòng)：
①能將較小的回轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)矩變?yōu)檩^大的軸向力
②能達(dá)到較高的傳動(dòng)精度，通過回轉(zhuǎn)的角度能轉(zhuǎn)化為較為精確的直線運(yùn)動(dòng)距離
③螺紋傳動(dòng)的工作平穩(wěn)，易于自鎖
④結(jié)構(gòu)簡單，制造方便
⑤摩擦損失較大，傳動(dòng)效率較低
（6）平面連桿機(jī)構(gòu)
①連桿機(jī)構(gòu)為低副機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)副為面接觸，壓強(qiáng)小，承載能力大，耐沖擊
②運(yùn)動(dòng)副元素的幾何形狀多為平面或圓柱面，便于加工制造
③在原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變情況下，通過改變各構(gòu)件的相對長度可以使從動(dòng)件得到不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
④連桿曲線可以滿足不同運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)要求
⑤構(gòu)件多呈現(xiàn)桿的形狀，可以擴(kuò)大行程和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳
⑥由于運(yùn)動(dòng)積累誤差較大，因而影響傳動(dòng)精度
⑦由于慣性力不好平衡而不適于高速轉(zhuǎn)動(dòng)
⑧設(shè)計(jì)方法比較復(fù)雜
（7）凸輪機(jī)構(gòu)
①組成凸輪機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)較少，結(jié)構(gòu)比較簡單
②只要合理地設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線就可以使從動(dòng)件獲得各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且設(shè)計(jì)比較容易
③凸輪與從動(dòng)件之間組成了點(diǎn)或線接觸的高副，在接觸處由于相互作用力和相對運(yùn)動(dòng)的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦和磨損
2）手臂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
參考已有工業(yè)產(chǎn)品，我選擇鏈傳動(dòng)和電機(jī)直接連接花鍵軸通過花鍵連接的方式來帶動(dòng)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。鏈傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)緊湊，相比帶傳動(dòng)有較高的傳動(dòng)效率，制造成本低，能在中心距較大的兩輪軸間傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，實(shí)際工作是低速輕載的工作情況，所以可以使用鏈傳動(dòng)，但是鏈條容易磨損，磨損后的鏈條節(jié)距加大，鏈條容易脫落或者跳齒，影響傳動(dòng)精度，而且運(yùn)動(dòng)時(shí)候有噪聲，所以需要定期添加潤滑劑。電機(jī)直接通過花鍵連接帶動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式相比其他傳動(dòng)減少很多成本。
3）手部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
綜合上面幾種傳動(dòng)的特點(diǎn)，再結(jié)合工作需求，采用鏈傳動(dòng)比較適合。本機(jī)械手連接手部的手臂兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的距離相對較遠(yuǎn)，用鏈傳動(dòng)要比齒輪傳動(dòng)輕便，手部的動(dòng)作必須精確定位，鏈傳動(dòng)相比摩擦型的帶傳動(dòng)，沒有彈性滑動(dòng)和整體打滑現(xiàn)象，同時(shí)工作環(huán)境的溫度比較高，鏈傳動(dòng)能在高溫環(huán)境下工作，工作中不需要出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，所以不采用螺紋（絲杠）傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)的制造與安裝精度比齒輪傳動(dòng)要求較低，成本也低，而且手臂的長度挺長，用蝸輪蝸桿或者齒輪傳動(dòng)都需要長度比較長的軸或者蝸桿，增加工藝成本。給湯機(jī)的工作速度不快，因?yàn)樗c壓鑄機(jī)相配合，行程中需要待機(jī)，而鏈傳動(dòng)比較適合低速傳動(dòng)，給湯機(jī)的載荷比較恒定，也不會(huì)出現(xiàn)高速或者急速反向的傳動(dòng)，所以鏈傳動(dòng)都可以符合，比較缺陷的是鏈傳動(dòng)沒有齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)或者螺紋（絲杠）傳動(dòng)那么平穩(wěn)，而且工作中噪音比較大，磨損后會(huì)發(fā)生跳齒現(xiàn)象，影響傳動(dòng)精度，需要定期檢查與維護(hù)。手部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用到兩次鏈傳動(dòng)以達(dá)到控制手部的運(yùn)動(dòng)。
2.6.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。 其中以液壓液壓用的最多，占90%以上，電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。但是本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手不采用液壓驅(qū)動(dòng)。
（1）液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動(dòng)平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。由于液壓驅(qū)動(dòng)成本較高，系統(tǒng)較復(fù)雜，所以不采用。
（2）氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤滑性較差，液壓系統(tǒng)容易生銹。由于氣壓驅(qū)動(dòng)占用空間大，不能實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，所以也不采用。
（3）機(jī)械驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。由于機(jī)械手的動(dòng)作是要配合壓鑄機(jī)的，而且手部的動(dòng)作也是可以調(diào)整的來控制取湯量的變化，而不是一經(jīng)設(shè)定就固定不變，要具有良好的調(diào)整性，機(jī)械手的動(dòng)作隨時(shí)反應(yīng)給控制系統(tǒng)來決定手臂的運(yùn)動(dòng)情況，所以也不采用。
（4）電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動(dòng)力，出力比較大。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。適合本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手，所以就采用電氣驅(qū)動(dòng)。
2.6.4控制系統(tǒng)的確定
目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電器定位（或機(jī)械擋塊定位）系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定程序運(yùn)動(dòng)。這里我們采用電氣控制，常用的有單片機(jī)與PLC。這里我們進(jìn)行比較與選擇。
（1）單片機(jī)控制：優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，成本相對較低；缺點(diǎn)：用單片機(jī)制造的主控板收制版工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導(dǎo)致抗干擾能力差，故障率高，不易擴(kuò)展，對環(huán)境依賴性強(qiáng)，開發(fā)周期長。一個(gè)采用單片機(jī)制作的主控板不經(jīng)過很長時(shí)間的實(shí)際驗(yàn)證很難形成一個(gè)真正的產(chǎn)品。
（2）PLC控制：優(yōu)點(diǎn)：PLC是經(jīng)過幾十年實(shí)際應(yīng)用中檢驗(yàn)過的控制器，其抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，易于設(shè)備的擴(kuò)展，便于維護(hù)，開發(fā)周期短。缺點(diǎn)：相對單片機(jī)成本要高。由于壓鑄成型過程中對動(dòng)作的精度要高，而且本身過程也是一個(gè)比較危險(xiǎn)的過程，所以要求控制系統(tǒng)的故障率要低。本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手可以與其他機(jī)器聯(lián)機(jī)工作的，是比較通用的機(jī)械手，所以要求控制系統(tǒng)可以擴(kuò)展。綜上所述，我們選擇PLC作為控制系統(tǒng)。
2.6.5行程位置檢測裝置的設(shè)置
為了滿足工作的需求以及防止意外的發(fā)生，我們在機(jī)座上設(shè)置行程開關(guān)，如圖2-1所示：
圖2-1 行程開關(guān)在機(jī)械手上面的布置
為了確定每次湯勺所取金屬液體一樣多，在手臂上布置金屬湯面檢出棒，手臂后退，知道湯面檢出棒與液面接觸，形成回路，傳遞信號給電機(jī)，后退停止。此外，為了防止熔爐內(nèi)金屬液面過低導(dǎo)致手臂2撞到熔融液體里面造成損壞，考慮設(shè)置一個(gè)手臂后退限。后退限的設(shè)置：手臂后退于湯勺取湯狀態(tài)時(shí)，用最大的湯勺，最小的取湯量，湯勺底部離坩鍋2cm位置(逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)凸輪)，微動(dòng)開關(guān)ON時(shí)設(shè)定完成。湯面檢出棒的布置如圖2-2所示：
圖2-2湯面檢出棒的布置
3 電機(jī)的選擇
3.1 選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)
通用機(jī)械手可以考慮伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，就拿這兩種電機(jī)進(jìn)行分析比較和選取。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖個(gè)數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)安設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到高速的目的。
伺服電機(jī)又稱執(zhí)行電機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）也就是說伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，它每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)編碼器的脈沖形成了呼應(yīng)，所以它是閉環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)控制。
步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的區(qū)別有7點(diǎn)。
（1）控制精度不同:步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機(jī)取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高。
（2）控制方式不同:一個(gè)是開環(huán)控制，一個(gè)是閉環(huán)控制。
（3）低頻特性不同:步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)它工作在低速時(shí)一般采用阻尼技術(shù)或細(xì)分技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)便于系統(tǒng)調(diào)整。
（4）矩頻特性不同:步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速升高而下降，交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出。
（5）過載能力不同:步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力，而交流電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。
(6)運(yùn)行性能不同:步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
（7）速度響應(yīng)性能不同:步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，但是價(jià)格比就不一樣了。本機(jī)械手工作在電機(jī)轉(zhuǎn)速不高的情況下，而且要求控制精度較高，來實(shí)現(xiàn)每個(gè)動(dòng)作的準(zhǔn)確定位，交流伺服電機(jī)可以不用減速器而輸出很小的轉(zhuǎn)速，所以選擇交流伺服電機(jī)。為了減輕手臂重量，使手臂的運(yùn)動(dòng)輕巧，機(jī)械慣量小，便于快速加減速，快速運(yùn)動(dòng)，全部電機(jī)下置，其中腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇立式結(jié)構(gòu)的電機(jī)，其他三個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)全部為臥式結(jié)構(gòu)，電機(jī)的安裝如圖3-1所示：
圖3-1 電機(jī)的安裝
3.2 選擇電機(jī)的型號和參數(shù)
各個(gè)手臂的驅(qū)動(dòng)軸如圖3-2所示：
圖3-2 手臂的驅(qū)動(dòng)軸
根據(jù)負(fù)載，及手臂長度，初設(shè)軸的輸出轉(zhuǎn)矩T為1N·M，轉(zhuǎn)數(shù)=12r／min。
=0.00126kw。電動(dòng)機(jī)所需的輸出功率=。式中：——為工作機(jī)所需功率，單位kw；η——由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)總效率。。其中：—聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率；—鏈的傳動(dòng)效率；—軸承的傳動(dòng)效率。查機(jī)械手冊可知，機(jī)械傳動(dòng)效率的概略值表如表3-1所示：
表3-1 機(jī)械傳動(dòng)效率的概略值
類型
傳動(dòng)型式
效率
聯(lián)軸器
浮動(dòng)聯(lián)軸器
齒輪聯(lián)軸器
彈性聯(lián)軸器
萬向聯(lián)軸器
0.97～0.99
0.99
0.99～0.995
0.95～0.98
鏈傳動(dòng)
滾子鏈傳動(dòng)
齒形鏈傳動(dòng)
0.9
0.93
軸承
滾動(dòng)軸承
滑動(dòng)軸承
0.99～0.995
0.97～0.99
在此取在此取聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率=0.98，鏈的傳動(dòng)效率=0.90，軸承的傳動(dòng)效率=0.99。則電機(jī)所需的輸出功率kw。 (3-1)
按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中推薦的傳動(dòng)比合理范圍可知，一般鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比，常取，所以總的傳動(dòng)比范圍=4～12.5。由此可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍=n=48～150r/min。根據(jù)機(jī)械手冊，選得得森創(chuàng)的40CB(5)系列交流伺服電機(jī)，參數(shù)如表3-2所示：
表3-2 J4軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)
產(chǎn)品系列
額定功率（kw）
額定轉(zhuǎn)速（rpm）
規(guī)格型號
額定轉(zhuǎn)矩（）
額定電壓
適配驅(qū)動(dòng)器
40CB（5）系列
0.1kw
3000r/min
40CB010C
0.32
220VAC
MS0010A
初設(shè)T為12N·M，轉(zhuǎn)數(shù)=7.5r／min，=0.0094kw，，根據(jù)機(jī)械手冊，選得森創(chuàng)的110MB（2）系列的交流伺服電機(jī)，參數(shù)如表3-3所示：
表3-3 J3軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)
產(chǎn)品系列
額定功率（kw）
額定轉(zhuǎn)速（rpm）
規(guī)格型號
額定轉(zhuǎn)矩（）
額定電壓
適配驅(qū)動(dòng)器
110MB（2）系列
0.4kw
1000r/min
110MB040A
3.82
220VAC
MS0040C
一般鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比，常取，所以總的傳動(dòng)比范圍=2～3.5,由此可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍=*n=15～26.25r/min。
初設(shè)T為35N·M，轉(zhuǎn)數(shù)=7.5r／min，=0.027kw，，根據(jù)機(jī)械手冊，選得交流伺服電機(jī)的參數(shù)如表3-4所示：
表3-4 J2軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)
產(chǎn)品系列
額定功率（kw）
額定轉(zhuǎn)速（rpm）
規(guī)格型號
額定轉(zhuǎn)矩（）
額定電壓
峰值力矩（）
180系列
3.7kw
1000r/min
180ST-M35010
35
220VAC
70
初設(shè)T為9N·M，轉(zhuǎn)數(shù)=5r／min，=4.7w，，根據(jù)機(jī)械手冊，選得森創(chuàng)的130MB（7）系列的交流伺服電機(jī)，參數(shù)如表3-5所示：
表3-5 J1軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)
產(chǎn)品系列
額定功率（kw）
額定轉(zhuǎn)速（rpm）
規(guī)格型號
額定轉(zhuǎn)矩（）
額定電壓
適配驅(qū)動(dòng)器
130MB（7）系列
1kw
1000r/min
130MB200B
9.55
220VAC
GS0210A
由于，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速=n=5r/min。
3.3 設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比及分配各級傳動(dòng)比
到：設(shè)兩級鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比都為2，那么總的傳動(dòng)比為4，這樣電機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過兩級鏈傳動(dòng)之后的轉(zhuǎn)矩為1.02N·M，大于設(shè)定的，符合要求。：設(shè)鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比為3.5，因?yàn)橹挥?級傳動(dòng)，總傳動(dòng)比也就為3.5，這樣電機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過鏈傳動(dòng)之后的轉(zhuǎn)矩為12N·M，等于設(shè)定的，符合要求。：電機(jī)直接通過平鍵與，這樣電機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下輸出的轉(zhuǎn)矩為35N·M，等于設(shè)定的，符合要求。，電機(jī)直接通過平鍵與連接，輸出的額定轉(zhuǎn)矩為9.55N·M，大于設(shè)定的軸轉(zhuǎn)矩，符合要求。
3.4 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
3.4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸
(1)各軸轉(zhuǎn)數(shù)：／min，／min，／min。
(2)各軸輸入功率：
,,。
(3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩：，，。
3.4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸
(1)各軸轉(zhuǎn)數(shù)：r／min，r／min。
(2)各軸輸入功率：，。
(3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩：，。
3.4.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸
(1)各軸轉(zhuǎn)數(shù)：r／min。
(2)各軸輸入功率：。
(3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩：。
3.4.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)到軸
(1)各軸轉(zhuǎn)數(shù)：r／min。
（2）各軸輸入功率：
（3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩：。