某生產(chǎn)線機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析報(bào)告

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1、. . . . 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 課題背景與意義 1 1.2 機(jī)械手的發(fā)展和趨勢 1 1.3 某生產(chǎn)線機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求和基本容 2 第二章 某生產(chǎn)線機(jī)械手模塊的設(shè)計(jì) 4 2.1機(jī)械手驅(qū)動方式的選擇 4 2.2氣動驅(qū)動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景 5 2.3機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 6 2.4機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 2.5機(jī)械手的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 2.6機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 9 2.7機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12 2.8機(jī)械手腰部和機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與

2、計(jì)算 13 2.9機(jī)座傳動裝置的總體設(shè)計(jì) 15 第三章 旋轉(zhuǎn)模塊的設(shè)計(jì) 23 3.1旋轉(zhuǎn)模塊總體設(shè)計(jì) 23 3.2擺動氣缸的選用 23 第四章 裝釘模塊的設(shè)計(jì) 25 4.1 裝釘模塊的總體布置設(shè)計(jì) 25 4.2釘盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 4.3壓釘軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 4.4裝釘氣缸的選用 26 4.5導(dǎo)軸和導(dǎo)套的設(shè)計(jì) 27 第五章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 28 5.1 三維建模 28 5.2 CAXA的運(yùn)用 33 結(jié)束語 35 致 36 參考文獻(xiàn) 37 38 / 39 第一章 緒論 1.1 課題背景與意義 某生產(chǎn)線機(jī)械手是一種具有開放式特征的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺。

3、是多種高科技的融合，可以完成電工、電子、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器、機(jī)電控制、數(shù)字信號處理等許多課程的幾百個(gè)實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)。某生產(chǎn)線機(jī)械手的作用主要以展示機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動特征和功能關(guān)系為主。相對于工業(yè)機(jī)器人具有它的特殊性：首先，一臺機(jī)械手相當(dāng)于一個(gè)試驗(yàn)平臺，要能顯示多種運(yùn)動性能。因此，應(yīng)用環(huán)境廣泛，功能多樣。其次，其制造加上精度略低于工業(yè)機(jī)器人，且性價(jià)比高。另外，它的體積小，重量輕。因此，專用性強(qiáng)的生產(chǎn)線機(jī)械手的研制方法不能滿足這樣的要求。所以我用solidworks軟件來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對其進(jìn)行的原理分析設(shè)計(jì)了一種的可擴(kuò)展式機(jī)械手，具有造價(jià)低、調(diào)控容易、重復(fù)性好的特點(diǎn)。 1.2 機(jī)械手的發(fā)展和

4、趨勢 機(jī)械手在現(xiàn)實(shí)生活中的種類可以說是非常的多，然而最初的機(jī)械手是工業(yè)機(jī)械手，它最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造與金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運(yùn)小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。 工業(yè)機(jī)械手是在第二次世界大

5、戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。 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)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的； 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。運(yùn)動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲存裝置。不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年美國機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原

6、意是靈活搬運(yùn)，可做點(diǎn)位和軌跡控制：該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這2種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種Unimation—Vic.arm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)。聯(lián)邦德國機(jī)器制造業(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Kuka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)器人發(fā)展最快，應(yīng)用國家最多的

7、國家，自1969年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，開始大力從事機(jī)械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多的國家之一。前聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，主要用于機(jī)械化、自動化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。 我國工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國第一臺機(jī)械手開發(fā)于，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由機(jī)械自動化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，機(jī)床研究所和機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧

8、焊機(jī)器人，工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國科學(xué)院自動化研究所和科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器，DC——PWM等等。 我國的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用圍。在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。可以將機(jī)械手各運(yùn)動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于跟換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用圍。 1.3 某生產(chǎn)線

9、機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求和基本容 所謂機(jī)械手的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是指具有特定功能的、相互間具有許多聯(lián)系要素構(gòu)成的一個(gè)整體。首先，從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，本設(shè)計(jì)是采用部系統(tǒng)設(shè)計(jì)與外部系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，既重視部系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也重視、外系統(tǒng)的聯(lián)系。在確定系統(tǒng)功能時(shí)，每個(gè)模塊都遵循保證基本功能、滿足使用功能、剔除多余功能，恰到好處地利用外觀功能和原則。 因此，本著該設(shè)計(jì)意圖，根據(jù)動作要求對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，本次的設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)基本容： 1.掌握機(jī)械手整條生產(chǎn)線的工作原理，并分析各工作模塊的功能。 2.對機(jī)械手工作模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。 3.根據(jù)功能需要，進(jìn)行機(jī)構(gòu)原理圖設(shè)計(jì)和運(yùn)動分析。 4.測繪

10、零件，設(shè)計(jì)零件，用SolidWorks 2011繪制三維零件圖，并進(jìn)行三維裝配圖設(shè)計(jì)。 5.對三維圖進(jìn)行分析和修改，然后轉(zhuǎn)化為工程圖以便畫二維圖。 6.對部分典型或非標(biāo)零件用CAXA 2011或SolidWorks 2011進(jìn)行設(shè)計(jì)。 7.完成設(shè)計(jì)圖紙，包括零件圖、裝配圖。 最終本人用SolidWorks 2011設(shè)計(jì)完成的三維裝配圖如圖1.3所示： 圖1.3 三模塊總裝配圖 第二章 某生產(chǎn)線機(jī)械手模塊的設(shè)計(jì) 2.1機(jī)械手驅(qū)動方式的選擇 機(jī)械手的驅(qū)動方式一般有三種方式：氣動驅(qū)動方式、液壓驅(qū)

11、動方式、電驅(qū)動驅(qū)動方式 1.氣動驅(qū)動方式 氣動驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)：　結(jié)構(gòu)簡單、氣源簡便獲得、能得到較高的開關(guān)速度、可安裝調(diào)速器，使開關(guān)速度按需要進(jìn)行調(diào)整、氣體削減性大，關(guān)閉時(shí)有彈性、成本低。 　氣動驅(qū)動的缺點(diǎn)：　因氣體有削減性所以速度不易勻稱 ，噪聲大，難以準(zhǔn)確控制位置與速度。 2.液壓驅(qū)動方式 液動驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)：　　結(jié)構(gòu)簡單，體種小、輸出力大、簡便獲得低速或高速，能無級變速、功率重量比大，低速平穩(wěn)、由于液壓油的黏性而效率較高，有自潤滑功能和防銹功能?！? 液動驅(qū)動的缺點(diǎn)：　 油溫變化引起油粘度的變化、液壓元件和管道易滲漏、配管，維修不方便、易漏油，成本較高。 3.電驅(qū)動驅(qū)動方式

12、 電動驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)：　　適用性較強(qiáng)，不受環(huán)境溫度影響、輸出轉(zhuǎn)矩圍廣、控制方便，能自由地采用直流、交流、短波、脈沖等各種信號，適于放大、記憶、邏輯判斷和計(jì)算等工作、可落實(shí)超小型化、擁有機(jī)械自鎖性、安裝、維護(hù)檢修方便、可分為步進(jìn)驅(qū)動、直流驅(qū)動和交流驅(qū)動。其中直流驅(qū)動調(diào)速性能好，功率較大，效率高。 電動驅(qū)動的缺點(diǎn)：　　結(jié)構(gòu)龐雜、機(jī)械效率低一般只有25%-60%、輸出轉(zhuǎn)速不能太低或太高、易受電源電壓、頻率變化的影響 根據(jù)機(jī)械手的功能的動作要求，確定利用電機(jī)驅(qū)動的直流驅(qū)動和錐齒輪傳動來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；利用氣動驅(qū)動實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下運(yùn)動；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手工作圍較小，利用氣動驅(qū)動實(shí)現(xiàn)手臂

13、的伸縮運(yùn)動；考慮到機(jī)械手的手部需結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易維修，而且重量要輕，機(jī)械手的手部也采用氣缸驅(qū)動。 鑒于上面三種驅(qū)動方式，選擇氣動驅(qū)動方式為本設(shè)計(jì)的驅(qū)動。 2.2氣動驅(qū)動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景 2.2.1氣動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀 近20年來，氣動技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛的應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動化的程度變得更高，控制方式更靈活，性能更可靠。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看，近30年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。我國的氣動行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快，從20世紀(jì)80年化中期開始，氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá)20%以上，高于中國機(jī)械工

14、業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。 由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動作等優(yōu)點(diǎn)。所以，氣動機(jī)械手被廣泛用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體與家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上。 現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機(jī)械手。車身在每個(gè)工

15、序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的氣動機(jī)械手。 在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運(yùn)送到指定目標(biāo)位置。對加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運(yùn)系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。氣動機(jī)械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計(jì)量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機(jī)械手；自動加蓋、安

16、裝和擰緊氣動機(jī)械手等。 此外，氣動系統(tǒng)、氣動機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動自動 調(diào)節(jié)病床機(jī)械手，外科手術(shù)機(jī)械手等。 2.2.2氣動機(jī)械手的發(fā)展前景 目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術(shù)、氣動機(jī)械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術(shù)和氣動機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。由于氣動機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可能預(yù)見，在不久的將來，氣動機(jī)械手將越來越廣泛地進(jìn)入工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。 2.3機(jī)械

17、手的設(shè)計(jì)方案 2.3.1機(jī)械手系統(tǒng)工作原理和組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和位置檢測裝置所組成。各系統(tǒng) 之間的相互關(guān)系如圖2.3.1所示： 圖2.3.1 系統(tǒng)之間相互關(guān)系 機(jī)械手的工作原理：采用氣壓傳動方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定要求，有順序，有運(yùn)動軌跡的動作；同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出命令，必要時(shí)可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)可發(fā)出報(bào)警信號；位置檢測裝置可隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的要求達(dá)到設(shè)定位置。 2.4機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、

18、手腕、手臂、立柱和機(jī)座等部件。 （1）手部： 即與工件接觸的部件。由于與工件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式。手部結(jié)構(gòu)取決于被抓取工件的表面形狀、被抓部位和物件的重量以與尺寸。本設(shè)計(jì)考慮到以上因素，工件屬于輕、狀零件，所以采用吸附式手部，吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力吸附物件的。 （2）手腕： 手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位。 （3）手臂： 手臂的作用是帶動手部去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。 （4）立柱： 立柱是支承手臂的部件，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。 （5）機(jī)座： 機(jī)械

19、手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均裝在機(jī)座上，故它起支撐和連接的作用。 2.驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的。常用驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動和機(jī)械傳動。 3.控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著機(jī)械手按規(guī)定的動作要求進(jìn)行運(yùn)動的系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動，必要時(shí)可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號。 4.位置檢測裝置 它可將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置相比較，通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。本課題采用氣動位置傳感器，它可以將位移的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ淖兓?，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡?/p>

20、量的變化。 2.4.1機(jī)械手坐標(biāo)形式的選擇 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動形式，其坐標(biāo)形式可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型與關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。如圖2.4.1所示： （a） （b） 直角坐標(biāo)系 圓柱坐標(biāo)系 （c） （d） 球型坐標(biāo)系 關(guān)節(jié)式坐標(biāo)系 圖2.4.1 坐標(biāo)形式 由于本次設(shè)

21、計(jì)的機(jī)械手是通過兩個(gè)移動和一個(gè)轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變，因此，采用圓柱坐標(biāo)形式。 2.4.2機(jī)械手的技術(shù)參數(shù) 1.機(jī)械手最大抓重： 1kg 2.工件尺寸：長*寬*高=50*50*25（mm） 3.坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) 4.支座旋轉(zhuǎn)角度：180° 5.手臂運(yùn)動參數(shù)：伸縮行程：100mm 伸縮速度：100mm/s 升降行程：60mm 升降速度：100mm/s 6.機(jī)械手定位精度：±0.5mm 2.5機(jī)械手的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.機(jī)械手的運(yùn)動自由度 自由度是指機(jī)械手所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有轉(zhuǎn)動副和移動副兩

22、種運(yùn)動副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)和前后伸縮三個(gè)自由度。 2.機(jī)械手的工作圍 工作圍是指手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合。 該機(jī)械手的工作圍如圖2.5所示： 圖2.5 機(jī)械手工作圍 3.機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)類型 本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)形式的方案，運(yùn)動形式為一個(gè)轉(zhuǎn)動，兩個(gè)移動，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動系統(tǒng)。 2.6機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 2.6.1氣缸的選用 1.預(yù)選氣缸的缸徑 一般用作實(shí)驗(yàn)的工件不會太重，塑料制品工件和鋁制工件即可。 根據(jù)氣缸的負(fù)載狀態(tài)，鋁制工件的質(zhì)量：m1=0.15kg/m2 塑料工件的質(zhì)

23、量：m2=0.1kg/m2 鋁制工件的重力為：G=m1g=0.15×9.8=1.47N 可確定氣缸的軸向負(fù)載力F1.47N。 根據(jù)負(fù)載的運(yùn)動狀態(tài)，參考表2.6.1-1，預(yù)選氣缸的負(fù)載率η=0.7。 表2.6.1-1負(fù)載率與負(fù)載的運(yùn)動狀態(tài) 負(fù)載的運(yùn)動狀態(tài) 負(fù)載率η 靜載荷（如夾緊） ≤70% 動 載 荷 氣缸速度50mm-500mm/s ≤50% 氣缸速度>500mm/s ≤30% 根據(jù)氣源供氣條件，確定氣缸的使用壓力p。p應(yīng)小于減壓閥進(jìn)口壓力的85%。本課題設(shè)計(jì)的氣缸為單作用氣缸，工作壓力p=0.3MPa。

24、 由以上分析得單作用氣缸的直徑： D===2.98（mm） 查SMC現(xiàn)代實(shí)用氣動技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，得D=4mm 2.預(yù)選氣缸的行程 根據(jù)氣缸的操作距離與傳動機(jī)構(gòu)的行程比來預(yù)選氣缸的行程，應(yīng)盡量選為標(biāo)準(zhǔn)行程，可保證供貨迅速，成本降低。本設(shè)計(jì)氣缸行程選為L=30mm。 3.選擇氣缸的品種 查SMC手冊表，為了滿足安裝空間小，氣缸小巧，選驅(qū)動方式為彈簧壓回型的CJ1系列，如表2.6.1-2。本設(shè)計(jì)選用氣缸的型號為：CJ1B4-30型單作用彈簧壓回型氣缸。 4.校核氣缸所能提供的拉力 氣缸徑為4mm,使用壓力為0.6MPa，可知?dú)飧姿芴峁┑睦椋? Fq

25、=P×A=P××∏=0.6×106×106××∏=1.884N 可知1.884N>1.47N,所以可以認(rèn)為氣缸的選用是合適的。 表2.6.1-2系列微型氣缸的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 缸徑 2.5 4 使用介質(zhì) 空氣 最高使用壓力 0.7MPa 最低使用壓力 0.3MPa 活塞速度 50-500mm/s 行程公差 0-0.5 2.6.2真空吸盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.真空吸盤連接結(jié)構(gòu) 為了抓取工件，采用真空吸盤結(jié)構(gòu)，如圖2.5.1所示，首先真空吸盤組建在氣缸的推動下下移，當(dāng)吸盤4碰到工件時(shí)彈簧3壓縮，整個(gè)導(dǎo)向桿1在防轉(zhuǎn)螺釘2 的作用下直線移動保證工件不會

26、壓壞，然后吸盤吸住工件。 圖2.5.1真空吸盤結(jié)構(gòu) 2.6.3真空吸盤的選取 吸盤是直接吸附物體的元件。吸盤通常是由橡膠材料與金屬骨架壓制成型的。吸盤的橡膠出現(xiàn)脆裂，是橡膠老化的表現(xiàn)。通過查找相關(guān)真空吸盤的資料，本設(shè)計(jì)的工件質(zhì)量輕，因此，選取吸盤的形式為風(fēng)琴型吸盤，吸盤直徑為φ10，材料為硅橡膠。 2.6.4手部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量 與設(shè)計(jì)的手部結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境方面選LLDPE樹脂（線型低密度聚乙烯），它 具有優(yōu)異的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能和電絕緣性，較高的耐熱性能，抗

27、沖和耐穿刺性能等。 LLDPE樹脂的密度：0.91-0.94g/cm3; 鋁合金ZL101的密度：2.6-2.8g/cm3； 45鋼的密度：7.85g/cm3。 通過SolidWorks 2011的質(zhì)量屬性工具計(jì)算得到手部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為： M手=M樹+M鋁+M鋼=52.11+9.45+9.48=71.04g 2.7機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.7.1手臂設(shè)計(jì)的要求 1.需根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕型材料。 2.盡量減少運(yùn)動的動載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度。 3.手臂部分的結(jié)構(gòu)必需滿足完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求

28、。 4.要盡量減輕手臂運(yùn)動部分的重量，以減少整個(gè)手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣性。 5.除了手臂部份設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。 6.手臂部分的設(shè)計(jì)需動作迅速、靈活、平穩(wěn)，定位精度高。 本設(shè)計(jì)中，手臂的上下運(yùn)動由氣缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)緊湊，裝拆方便，導(dǎo)向裝置由一根立柱導(dǎo)向，防止手臂在直線運(yùn)動過程中沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動。手臂的結(jié)構(gòu)圖如圖2.7.1所示： 1.橫梁 2.導(dǎo)軸上固定件3.導(dǎo)向柱4.直角連接零件5.伸縮氣缸6.支撐架 圖2.7.1 手臂結(jié)構(gòu)圖 2.7.2伸縮氣缸的選用 1.考慮到以上設(shè)計(jì)要求，且要滿足行程要求

29、，經(jīng)過查找篩選預(yù)選SMC氣缸的CQM系列薄型單桿雙作用氣缸，型號為：CQMB20RC-100-M9B（缸徑為20mm，行程100mm）。 本設(shè)計(jì)所選伸縮氣缸符合體積小、重量輕、薄、安裝空間小、安裝方便等特點(diǎn)。 2.選擇安裝方式 本薄型單桿雙作用伸縮氣缸只需基本型安裝即可滿足要求。 2.7.3導(dǎo)向裝置 氣動機(jī)械手的手臂在進(jìn)行伸縮（或升降）時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動或產(chǎn)生變形，以保證手部的正確方向，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。它根據(jù)手臂的結(jié)構(gòu)、抓重等因素選取。 目前常采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿等，在本

30、機(jī)械手設(shè)計(jì)中采用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 2.7.4手臂和手部的總質(zhì)量 35鋼的密度：7.85g/cm3;青銅的密度：8.43g/cm3 通過SolidWorks 2011的質(zhì)量屬性工具計(jì)算得到手部結(jié)構(gòu)和臂部結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為： M=M手+M鋁+M缸+M閥+M薄片+M其他=71.04+271.94+451.6+84.29+30.57+175.83=1085.27（g） 2.8機(jī)械手腰部和機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 2.8.1機(jī)械手腰部和機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.8.1所示。手臂升降裝置主要由立柱、導(dǎo)軸上零件1、導(dǎo)軸下零件2、升降氣缸5、塊零

31、件6、定位套3和轉(zhuǎn)柱7等組成，塊零件和轉(zhuǎn)柱通過螺母連接，即轉(zhuǎn)柱定制為螺紋柱，安裝方便，節(jié)約成本。手臂機(jī)座結(jié)構(gòu)主要由三塊鋁型材8通過螺栓連接而成。 實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式多種多樣，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動機(jī)械、連桿機(jī)構(gòu)等。在本設(shè)計(jì)中，手臂回轉(zhuǎn)裝置用齒輪傳動機(jī)構(gòu)形式。通過PLC控制伺服電機(jī)帶動齒輪外罩4的齒輪，達(dá)到手臂回轉(zhuǎn)的功能。 圖2.8.1 機(jī)械手腰部和機(jī)座的結(jié)構(gòu)圖 2.8.2機(jī)械手升降氣缸的選用 1.已知：升降氣缸預(yù)選SMC氣缸的薄型氣缸。手臂結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為M=1085.27，考慮到在臂部安裝時(shí)還要添加控制部分，故預(yù)選負(fù)載力為F=30N；查相關(guān)手冊

32、取氣缸工作壓力為p=0.4MPa;由SMC手冊查得負(fù)載率η=0.5。 因此，氣缸缸徑為：D===13.8mm 經(jīng)圓整并查手冊標(biāo)準(zhǔn)?。篋=20（mm） 為便于安裝調(diào)試，對行程要留有適當(dāng)余量，所示預(yù)選氣缸標(biāo)準(zhǔn)行程為H=60mm,預(yù)選SMC薄型單桿雙作用氣缸的型號為：CQMB20RC-60。 2.驗(yàn)證氣缸的緩沖能力 根據(jù)氣缸的運(yùn)動狀態(tài)是輸出推力還是拉力、負(fù)載率η=0.5、氣缸的行程L=60mm和氣缸的動作時(shí)間t=0.6s,由SMC手冊相應(yīng)圖可查得氣缸的理論基準(zhǔn)速度=220mm/s。 根據(jù)氣缸的運(yùn)動狀態(tài)是輸出力還是拉力以與負(fù)載率，可查得氣缸的最大速度vmax與理論基準(zhǔn)速

33、度之比值，從而求得氣缸的最大速度vmax。 查得：α =0.9 vmax=v0×α=220×0.9=198mm/s 最后根據(jù)各系列緩沖氣缸的緩沖特性曲線和氣緩沖氣缸的緩沖特性曲線，若氣缸的負(fù)載質(zhì)量M和最大速度的交點(diǎn)在預(yù)選氣缸缸徑的緩沖特性曲線之下，則表示負(fù)載運(yùn)動的動能MV2max小于氣缸的允許吸收的最大能量，即該預(yù)選缸徑的緩沖能力滿足要求。本設(shè)計(jì)所選的伸縮氣缸負(fù)載質(zhì)量較小，從手冊圖中查可知所選擇的缸徑的緩沖能力能滿足要求。 2.8.3機(jī)械手的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法 1.機(jī)械手的平穩(wěn)性分析 在設(shè)計(jì)中，臂部的運(yùn)動較多，如果運(yùn)動速度和負(fù)載較大，當(dāng)運(yùn)動狀態(tài)變化時(shí)，將產(chǎn)

34、生沖擊和振動。這不僅會影響機(jī)械手的精確定位，甚至?xí)蛊洳荒苷＿\(yùn)轉(zhuǎn)。為了提高平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效的緩沖裝置吸收能量。因此從減少能量產(chǎn)生的角度來看，要注意以下兩點(diǎn)： （1）機(jī)身和臂部運(yùn)動部件要緊湊，質(zhì)量輕，以減少慣性力。本設(shè)計(jì)中臂部采用鋁合金制作。 （2）應(yīng)考慮重心的位置，即運(yùn)動部件各部分的質(zhì)量對轉(zhuǎn)軸或支承的分布情況。在設(shè)計(jì)中如果重心和轉(zhuǎn)軸不重合，將增大轉(zhuǎn)動慣量，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高，將會有較大的沖擊和振動。 2.臂桿平衡方法 常見機(jī)械手臂桿的平衡技術(shù)有四種：質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動或液壓平衡法和采用平衡電動機(jī)。本設(shè)計(jì)采用質(zhì)量平衡法來達(dá)到要求，臂桿質(zhì)量平衡的原理是合理地分布臂

35、桿質(zhì)量，使臂桿重心盡可能落在支點(diǎn)上，必要時(shí)甚至采用在適當(dāng)位置配置平衡質(zhì)量的方法，使臂桿的重心落在支點(diǎn)上。 2.9機(jī)座傳動裝置的總體設(shè)計(jì) 2.9.1確定傳動方案 考慮到氣動機(jī)械手的性能要求，本設(shè)計(jì)初步確定以下兩個(gè)傳動方案：錐齒輪傳動和蝸桿傳動，下面將對兩種方案進(jìn)行比較以便確定個(gè)合理的傳動方案。 1.如圖2.9.1-1所示的蝸桿傳動方案 它的主要優(yōu)點(diǎn)有： （1）因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)比交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)緊湊，所以可實(shí)現(xiàn)空間交錯(cuò)軸間的很大傳動比。 （2）蝸桿傳動接觸方式不同于其它類型傳動，為線接觸，噪音小，傳動平穩(wěn)； （3）當(dāng)蝸桿導(dǎo)程角g 很小時(shí)，傳動具有自鎖性，即只能由蝸桿帶

36、動蝸輪，而蝸輪不能帶動蝸桿，故它常用于起重或其它需要自鎖的場合。 它的缺點(diǎn)： （1）蝸桿傳動的一般效率η=0.7～0.9，機(jī)械效率較低，具有自鎖性的蝸桿傳動的效率η≤0.5。 （2） 蝸桿傳動齒面的螺旋線方向滑動速度很大，因此容易引起磨損和發(fā)熱，故摩擦損失大，效率低，而且為減輕齒面的磨損與防止膠合，蝸輪一般使用貴重的減摩材料制造，成本高。 （3）對制造和安裝誤差很敏感，安裝時(shí)對中心距的尺寸精度要求較高。 2.如圖2.9.1-2所示的齒輪傳動方案 它的主要優(yōu)點(diǎn)有： （1）瞬時(shí)傳動比恒定，工作平穩(wěn)，傳動準(zhǔn)確可靠，可傳遞空間任意兩軸之間的運(yùn)動和動力。 （2

37、）適用的功率和速度圍廣。 （3）傳動效率高，η=0.92～0.98。在機(jī)械傳動中，齒輪傳動的效率較高。 （4）工作可靠，使用壽命長。 （5）外廓尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊。 它的主要缺點(diǎn)是：制造和安裝精度要求較高，需專門設(shè)備制造，成本較高，不 宜用于較遠(yuǎn)距離兩軸之間的傳動。 圖2.9.1-1蝸桿傳動 圖2.9.1-2 錐齒輪傳動 傳動方案除滿足氣動機(jī)械手功能、動作上要求外，還需滿足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、工藝性好和使用維護(hù)便利等要求。分析以上兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)后，確定采用錐齒輪傳動方案會更加的合理，所以本設(shè)計(jì)采用錐齒輪傳動。 2.9.2電動機(jī)的選用

38、 電動機(jī)的選擇有兩種類型：步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。下面將通過分析比較確定選用哪種類型的電機(jī)： 1.頻率特性的比較。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，而伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。 2.矩頻特性的比較。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高速時(shí)會急劇下降，而伺服電機(jī)為恒力矩輸出。 3.過載能力的比較。步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力，伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。 4.運(yùn)行性能的比較。步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信

39、號進(jìn)行采樣，部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，控制性能更可靠。 綜合以上四點(diǎn)所述，而且采用的是PLC控制系統(tǒng)，所以確定采用伺服電機(jī)。 使用直流電源的電動機(jī)稱為直流電動機(jī)，它與交流電動機(jī)相比，具有調(diào)速性能好、調(diào)速圍寬、起動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)。所以考慮到以上因素和本系統(tǒng)的運(yùn)動要求，預(yù)選本設(shè)計(jì)的電動機(jī)為直流有刷伺服電機(jī)，型號：2224A024SR。 2.9.3錐齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 已知工作條件：輸入功率P=Pmaxηmax=3.88×81%=3.14W 小錐齒輪轉(zhuǎn)速n1=11r/min 大錐齒輪實(shí)際轉(zhuǎn)速n2=7.5r/min 所以，傳動比i===1.47，初定傳動比i=1.5

40、 驗(yàn)證傳動比： 由以上數(shù)據(jù)得：傳動比誤差ε==2% 傳動比誤差ε=2%控制在±（3%-5%），因此傳動比i=1.5 1.選擇錐齒輪材料、熱處理方法、精度等級 考慮到該傳動的功率較小，故大、小錐齒輪都選用45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度分別為220HBS、260HBS，屬軟齒面閉式傳動；錐齒輪的載荷平穩(wěn)，而且轉(zhuǎn)速較低，根據(jù)工作條件，定為7級精度。 2.因?yàn)辇X面為軟齒面，故應(yīng)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，并按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行較核。 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：計(jì)算公式均摘自《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第三卷第14篇》 項(xiàng)目 設(shè)計(jì)容 結(jié)果 1.齒數(shù)Z1、Z2與齒寬、系數(shù)φR 取小錐齒輪齒數(shù)Z1=

41、15，大錐齒輪齒數(shù)Z2=iZ1=1.5×15=22.5，取大錐齒輪齒數(shù)Z2=23，齒寬系數(shù)不宜取得過大，否則將引起小端齒項(xiàng)過薄，齒根圓角半徑過小，故取齒寬系數(shù) φR= Z1=15 Z2=23 φR= 2.載荷系數(shù)KT d1t≥2.92 試選KT=1.4 KT=1.4 3.小錐齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩Td 4.材料系數(shù)ZE Td=19N.mm 查表得：ZE=189.8 Td=19N.mm ZE=189.8 5.大小齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限 σHLim1、σHLim2 按齒面硬度查圖得： σHLim1=600MPa σHLim2=560MPa σHLim1=600

42、MPa σHLim2=560MPa 6.應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=60×11×1×10×300×8=1.58×107 N2==1.05×107 N1=1.58×107 N2=1.05×107 7.接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1、KHN2 查圖得:KHN1=1.11，KHN2=1.13 KHN1=1.11 KHN2=1.13 8.確定許用接觸應(yīng)力 取安全系數(shù)SH=1 [σH1]==1.11×600KPa [σH2]==1.13×560MPa SH=1 [σH1]==666MPa [σH2]=623MPa 9.試算小齒輪分度圓直徑 取[σH

43、1]=[σH2] d1t≥2.92 為了保證齒輪平穩(wěn)傳動，確定過載時(shí)能自我保護(hù)，且方便制造維修，將分度圓直徑擴(kuò)大兩倍，得到d1t≥13.54 d1t≥13.54 10.計(jì)算圓周速度v V== V=7.79mm/s 11.計(jì)算載荷系數(shù) 查表6.2得使用系數(shù)KA=1；查圖6.10得動載系數(shù)KV=1.1；查圖6.13得KΒ=1.15 則K=KAKVKΒ=1×1.1×1.15=1.265 KA=1 KV=1.1 KΒ=1.15 K=1.265 12.校正分度圓直徑d1 d1=d1t=13.54× d1=13.09mm 13.計(jì)算模數(shù)m M===0.8

44、7按標(biāo)準(zhǔn)取m=1 取d1=15 m=1 14.兩輪分度圓直徑d1、d2 、錐距R、齒寬b、齒高h(yuǎn) d1=mz1=1×15=15mm d2=mz2=1×23=23mm R= b=φR×R=×17.73 h=（2h*a+c*）m=（2×1×0.2）×1 d1=15mm d2=23mm R=13.73mm b=4.43mm h=2.2mm 15.大小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 查圖6.9?。害褾Lim1=240MPa、σFLim2=220MPa σFLim1=240MPa σFLim2=220MPa 16. 彎曲疲勞壽命系數(shù) 查

45、圖6.7?。篕FN1=0.96、KFN2=0.98 KFN1=0.96 KFN2=0.98 錐齒輪主要傳動尺寸列表： 模數(shù)m 1 壓力角α 20° 齒數(shù)z Z1=15 Z2=23 Z1=15 Z2=23 齒頂高h(yuǎn)a ha=h*am=1×1=1 ha=1mm 齒根高h(yuǎn)f hf=（h*a+c*）m=（1+0.2）×1=1.2 hf=1.2mm 分度圓直徑d d1=mz1=1×15=15 d2=mz2=1×23=23 d1=15mm d2=23mm 分度圓錐角δ δ1=tan-1=tan-1=33.11°

46、 δ2=90°-δ1=56.89° δ1=33.11° δ2=56.89° 錐距R R= R=13.73mm 齒頂角Θa Θa1=Θa2=tan-1=tan-1 Θa1=Θa2=7.14° 齒寬b b≤==4.57（取整數(shù)） b=4 2.9.4?傳動軸的設(shè)計(jì)與校核 根據(jù)軸線形狀的不同，軸可分為直軸、曲軸和撓性鋼絲軟軸。其中，直軸的應(yīng)用最為廣泛，根據(jù)外形又可分為直徑無變化的光軸（圖2.9.4-1）和直徑有變化的階梯軸（圖2.9.4-2），本設(shè)計(jì)中的傳動軸本著結(jié)構(gòu)簡單、裝配緊湊的原則，選用光軸即能滿足傳動運(yùn)動和動力的功能。 圖2.9.4-1光軸

47、 圖2.9.4-2 階梯軸 傳動軸的承載情況，主要承受轉(zhuǎn)矩，不承受彎矩或承受很小的彎矩，僅起到傳遞動力的作用。 傳動軸材料的選擇: 軸常用的材料是碳素鋼、合金鋼和球墨鑄鐵。碳素鋼比合金鋼低廉，對應(yīng)力集中的敏感性低，經(jīng)熱處理或化學(xué)處理可得到較高的綜合力學(xué)性能，尤其在耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度兩個(gè)方面，而且優(yōu)質(zhì)中碳鋼中的45鋼經(jīng)過正火或調(diào)質(zhì)處理后可用于比較重要或承載較大的軸，因此，本設(shè)計(jì)的傳動軸的材料選用45鋼調(diào)質(zhì)。 擬定的傳動軸裝配如圖2.9.4所示： 圖2.9.4傳動軸裝配圖 圖中，A、B處均為平端緊定螺釘連接，緊定螺釘既起固定又起定位作用。A處通過螺釘連接聯(lián)軸器，B處通過緊定螺釘

48、連接錐齒輪，平端緊定螺釘均選用M2.5，長度為6mm，B處的齒輪安裝公差尺寸為φ6H8/m7。 2.9.5聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用套筒聯(lián)軸器，套筒聯(lián)軸器擁有的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，徑向尺寸小，成本較低。套筒的材料采用45鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)。套筒聯(lián)軸器通過一個(gè)公用套筒并采用平端緊定螺釘作軸向固定，為了保證連接具有一定的對中精度和便于套筒的裝拆，套筒與軸采用的配合。 因此，所設(shè)計(jì)的套筒聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)圖如圖2.9.5所示： 圖2.9.5聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖 2.9.6消聲器的選取 消聲器是一種允許氣流通過而能使聲能衰減的裝置，能夠降低氣流通道上的空氣動力性噪聲。 本設(shè)計(jì)中，對消聲器的要，

49、在噪聲頻率圍消聲效果好，排氣的阻力要小，以免影響換向閥的換向性能，而且要求結(jié)構(gòu)耐用、便于清洗。通常根據(jù)換向閥的連接口徑來選擇消聲器的規(guī)格。根據(jù)以上要求，選取SMC公司的AN系列消聲器，型號為AN110-01，最高使用壓力為1.0MPa，該消聲器的消聲原理為膨脹干涉型。 第三章 旋轉(zhuǎn)模塊的設(shè)計(jì) 3.1旋轉(zhuǎn)模塊總體設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)模塊的設(shè)計(jì)須與氣動機(jī)械手緊密聯(lián)系，總體布置時(shí)，需具體確定各零部件之間的相對位置保證模塊在整個(gè)工序中的連續(xù)和流暢。從整個(gè)模塊來說，需做到結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝。本設(shè)計(jì)中主要是擺動氣缸和旋體的設(shè)計(jì)和裝配，保證功能滿足要求。 旋轉(zhuǎn)模塊總體布置的軸測圖如圖3.1所示：

50、 圖3.1 旋轉(zhuǎn)模塊總體布置軸測圖 3.2擺動氣缸的選用 根據(jù)擺動氣缸反受負(fù)載的性質(zhì)，確定氣缸的有效輸出力矩M0。 有效輸出力矩：M0= 式中：M——擺動氣缸承受的實(shí)際力矩； η——負(fù)載率，按SMC手冊查表，本設(shè)計(jì)可取η=0.1。 已知：擺動角θ=90°，擺動時(shí)間t=1s，塑料的密度ρ塑=0.92g/cm3,鋁合金的密度ρ鋁=2.55g/cm3，旋體和連接方塊的質(zhì)量通過SolidWorks 2011的質(zhì)量屬 性工具計(jì)算得到： m=m工件+m方塊+m載體=150+22.76+59.36=232g 使用壓力為0.5MPa，等效半徑r=15cm 所以，等效轉(zhuǎn)動慣量：J=mr

51、2=0.232×0.152=0.00522kg·m2 擺動角加速度：α=πθ/(90t2)=π×90/（90×12）=3.14rad/s2 則理論輸出力矩：M0===0.00164N·m 根據(jù)手冊可選CRBU2自由安裝型規(guī)格的氣缸。 負(fù)載的轉(zhuǎn)動動能:Ed=J(αt)2=×0.00164×（3.14×1）2=0.0081N·m 故其允許能量能滿足轉(zhuǎn)動動能的要求，擺動氣缸的型號為：CRBU2WU30-90SL。 第四章 裝釘模塊的設(shè)計(jì) 4.1 裝釘模塊的總體布置設(shè)計(jì) 裝釘模塊的總體布置是指結(jié)構(gòu)布局的細(xì)化，需確定模塊各零件之間的相對位置與聯(lián)

52、系尺寸、運(yùn)動和動力的傳遞方式等。 1、鋁型材 2、主壓釘氣缸 3、支架 4、壓釘軸 5、導(dǎo)軸 6、定位彈性螺栓 7、釘盒 8、工件載體 9、輔助壓釘氣缸 圖4.1 裝釘模塊總體布置圖 經(jīng)過認(rèn)真功能原理分析，裝釘模塊的總體結(jié)構(gòu)布置如圖4.1示，從圖中可知道主壓釘氣缸在釘盒的左側(cè)，而輔助壓釘氣缸與工件載體連接，這主要是考慮到工件裝釘?shù)氖芰侠硇?，保證工藝過程的連續(xù)和流暢。首先，需考慮工件載體和釘盒的相對位置，使工件能安全快速的裝釘；其次，需考慮釘盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證供釘合理準(zhǔn)確，此釘盒所裝的釘子是靠其自身的重力有序地下移方便裝配；然后，需考慮到主氣缸和輔助氣缸的選取，達(dá)到模塊預(yù)定的功能。

53、 4.2釘盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 作為培訓(xùn)系統(tǒng)的一個(gè)模塊，主要是仿真工廠自動生產(chǎn)線的功能，所以在釘盒的設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)定本釘盒可裝40個(gè)彈簧釘（即左右各20個(gè)釘子），為了提高設(shè)計(jì)和制造的經(jīng)濟(jì)性，降低生產(chǎn)成本，本釘盒采用各個(gè)零件裝配而成，均通過國產(chǎn)六角螺栓裝配。因此經(jīng)過功能分析，為了讓釘子能有序迅速的往下掉方便安裝，在釘子的上方左右各加了T型抵塊，T型抵塊在設(shè)計(jì)時(shí)，需與壁保持合理的間隙，材料采用鋁合金，因此T型抵塊長、寬分別設(shè)計(jì)為107mm、10mm。因?yàn)獒斪硬捎脴?biāo)準(zhǔn)的，因此考慮到釘子的放置空間，預(yù)定釘盒的總長和總寬分別為262mm、67mm。 此外，為了保證釘盒能合理的定位，在釘盒的底板添加 一個(gè)定位彈

54、性螺栓M12，保證了功能的合理性。 圖4.2釘盒部結(jié)構(gòu)示意圖 4.3壓釘軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 此壓釘軸僅傳遞橫向的運(yùn)動和動力，根據(jù)軸上零件的安裝、定位與軸的制造工藝，可以合理的確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，此軸材料亦采用45鋼調(diào)質(zhì)，基于釘子的尺寸，預(yù)定軸長為90mm，直徑φ4.5，為保證壓釘過程的安全和可靠，安裝此軸用兩個(gè)平端緊定螺釘進(jìn)行固定和定位。開槽平端緊定螺釘為M2.5×5。 4.4裝釘氣缸的選用 在氣動機(jī)械手模塊的設(shè)計(jì)中有選到升降氣缸為SMC薄型單桿雙作用氣缸，它的型號為：CQMB20RC-60-M9B?？紤]到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化以與其經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過比較并分析，主打釘氣缸預(yù)選和升降氣

55、缸同類型并且同型號的氣缸，經(jīng)過驗(yàn)算，該氣缸可滿足此主壓釘氣缸的要求，這樣可提高氣缸使用和維修的經(jīng)濟(jì)性。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)該壓釘預(yù)計(jì)用10N的力就夠?qū)⑨斪哟蛉牍ぜ?，而此氣缸所能提供的?fù)載力為F： F===62.8N 因此，F(xiàn)>10N，滿足功能要求。此氣缸的安裝亦采用基本型的通孔安裝。 對于輔助壓釘氣缸的選取，它主要起到輔助壓釘?shù)淖饔?，因此薦于主壓釘氣缸的選取分析和CQM系列帶導(dǎo)桿氣缸的導(dǎo)向精度高，為使裝置簡單緊湊、增強(qiáng)互換性和經(jīng)濟(jì)性，選取同類型的氣缸，只是行程無需那么大，行程選取L=20mm即可滿足要求，因此輔助壓釘氣缸的選取型號為：CQMB20RC-20-M9B。該氣缸的安裝尺寸與CQ2、C

56、QS系列有互換性，而橫向負(fù)載是CQ2系列的2-4倍。 4.5導(dǎo)軸和導(dǎo)套的設(shè)計(jì) （1）導(dǎo)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 導(dǎo)軸為一光軸，主要起到引導(dǎo)的作用，只需滿足氣缸的行程要求以與精度要求即可。因此可設(shè)計(jì)軸的長度為90mm,直徑為φ12，材料為45鋼，通過緊定螺釘固定和定位。 （2）導(dǎo)套的設(shè)計(jì) 1、材料的選擇 銅合金是銅與錫、鉛、鋅或鋁的合金，是傳統(tǒng)使用的材料，因?yàn)榍嚆~具有減磨性、耐磨性好，且具有較高的抗疲勞強(qiáng)度，廣泛用于重載的場合，因此導(dǎo)套的材料選擇青銅。 2、潤滑方式 考慮到保養(yǎng)的效果和干凈性，選擇脂潤滑。 3、尺寸的設(shè)計(jì) 導(dǎo)套的外徑：d1=（1.2～1.6）d=（1.2～1.6）×1

57、2=14.4～19.2 故取d1=16mm 環(huán)的寬度：b=（0.12～0.15）d=（0.12～0.15）×16=1.92～0.288 故取b=2.5mm 第五章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 5.1 三維建模 5.1.1 SolidWorks概述 SolidWorks是功能強(qiáng)大的三維CAD設(shè)計(jì)軟件，是美國SolidWorks公司開發(fā)的基于Windows操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件。SolidWorks相對于其他CAD設(shè)計(jì)軟件來說，簡單易學(xué)，具有高效的、簡單的實(shí)體建模功能，并可以利用SolidWorks集成的輔助功能對設(shè)計(jì)的實(shí)體模型進(jìn)行一系列計(jì)算機(jī)輔助分析，以便更好地滿足設(shè)計(jì)需要，節(jié)

58、省設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率。 SolidWorks通常應(yīng)用于產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)中，它將產(chǎn)品置于三維空間環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師按照設(shè)計(jì)思想繪制出草圖，然后生成模型實(shí)體與裝配體，運(yùn)用SolidWorks自帶的輔助功能對設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行模擬功能分析，根據(jù)分析結(jié)果修改設(shè)計(jì)的模型，最后輸出詳細(xì)的工程圖，進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)。 由于SolidWorks簡單易用并且有強(qiáng)大的輔助分析功能，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中，如機(jī)械設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、電裝設(shè)計(jì)、消費(fèi)品產(chǎn)品與通信器材設(shè)計(jì)、汽車制造設(shè)計(jì)、航空航天的飛行器設(shè)計(jì)等行業(yè)中。 SolidWorks集成了強(qiáng)大的輔助功能，使我們在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中可以方便地進(jìn)行三維瀏覽、運(yùn)動模擬、碰撞

59、和運(yùn)動分析、受力分析與運(yùn)動算例，在模擬運(yùn)動中為動畫添加馬達(dá)等。 5.1.2 SolidWorks 2011三維建模舉例 下面將以裝釘模塊的工件載體零件作為例子，說明SolidWorks 2011三維建模的過程。 1.雙擊桌面上的SolidWorks 2011的快捷方式圖標(biāo)，啟動軟件。 2.選擇[文件]-[新建]命令，在彈出的對話框中有3個(gè)圖標(biāo)，單擊[零件]圖標(biāo)，然后單擊[確定]按鈕，進(jìn)入默認(rèn)的工作環(huán)境。 3.單擊工具欄的保存按鈕，彈出[另存為]對話框，文件名取名為：工作載體，單擊保存。 4.單擊[草圖]工具欄上的[草圖繪制]按鈕，并選擇前視為草繪平面，進(jìn)入草繪工作面

60、。 5.單擊[草圖]工具欄上的矩形按鈕，采用中心矩形繪一矩形，點(diǎn)擊智能尺寸按鈕，對矩形的長和寬進(jìn)行標(biāo)注，得到如下圖： 6.單擊[退出草圖]按鈕，單擊[特征]工具欄上的凸臺/基體按鈕，設(shè)置給定深度為47mm，得到方體。 7.選擇方體的上表面為草圖基準(zhǔn)面，右擊選擇[草圖繪制]進(jìn)入草繪工作面，繪制如圖所示的矩形。 8.單擊[退出草圖]按鈕，單擊[特征]工具欄上的拉伸切除按鈕，設(shè)置切除深度為40mm。 9.同第7、8步進(jìn)行拉伸切除，選擇右側(cè)面進(jìn)行草圖繪制，草圖如下圖所示，設(shè)置切除為完全貫穿。 10.選擇底面進(jìn)行草繪，用工具欄中的[圓][中心線

61、][鏡像實(shí)體]等命令草繪，所畫草圖如下圖所示，畫好退出草圖繪制，點(diǎn)擊拉伸切除命令，設(shè)置給定深度為10mm，得到4個(gè)孔。 11.同上使用拉伸切除命令，在后背切除長40mm、寬40mm、厚12mm的實(shí)體，草圖如下圖所示。 12.同步驟10，在后背打4個(gè)通孔孔，先打4個(gè)φ4的孔，和中間一個(gè)φ8的孔，拉伸切除，貫穿。 13. 同步驟10，如圖，在表面創(chuàng)建草圖，繪制兩個(gè)φ8的沉頭孔，拉伸切除深度為2.5mm 14.單擊[特征]工具欄上的倒角按鈕，對工件載體必要倒角的地方進(jìn)行倒角。 15.最終得到工件載體的三維建模如下圖所示。 5.1.3 SolidWo

62、rks 2011裝配體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用的是自下而上設(shè)計(jì)裝配體。自下而上設(shè)計(jì)法是比較傳統(tǒng)的方法。它一般是先設(shè)計(jì)并造型零件，然后將之插入裝配體，接著使用配合來定位零件。若想更改零件，必須單獨(dú)編輯零件，更改完成后可在裝配體中可見。 5.1.4裝配體爆炸視圖 在實(shí)際生產(chǎn)中，出于便于制造的目的，經(jīng)常需要分離裝配體中的零部件以便直觀地分析它們之間的相互關(guān)系。在裝配體的爆炸視圖中可以分離其中的零部件以便查看這個(gè)裝配體。 本設(shè)計(jì)中本人完成了機(jī)械手主體部分的爆炸視圖。 5.2 CAXA的運(yùn)用 CAXA（數(shù)碼大方科技股份）是中國領(lǐng)先的工業(yè)軟件和服務(wù)公司，主要提供二維、三維CAD軟件以與

63、產(chǎn)品全生命周期管理PLM解決方案和服務(wù)。 CAXA擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品線完整。提供數(shù)字化設(shè)計(jì)解決方案，產(chǎn)品包括二維、三維CAD，工藝CAPP和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM等軟件；提供數(shù)字化制造解決方案，產(chǎn)品包括CAM、網(wǎng)絡(luò)DNC、MES和MPM等軟件。支持企業(yè)貫通并優(yōu)化營銷、設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)的業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的協(xié)同管理。 CAXA在、和美國設(shè)有三個(gè)研發(fā)中心，擁有超過180項(xiàng)著作權(quán)、專利和專利申請。 CAXA擁有8個(gè)營銷和服務(wù)中心、300多家代理商、600多家教育培訓(xùn)中心。公司客戶覆蓋航空航天、機(jī)械裝備、汽車、電子電器、建筑、教育等行業(yè)， 包括中國制造業(yè)500強(qiáng)在的25000家企業(yè)，以

64、與2000所知名大中專院校。 CAXA自2008后可以讀取CAD格式（.dwg）的文件，本次設(shè)計(jì)采用的是CAXA 2011。 本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)二維圖時(shí)，先將SolidWorks 2011的各零件和裝配圖導(dǎo)成工程圖，另存為CAD的dwg格式，再用CAXA 2011進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，這樣不但掌握了快速設(shè)計(jì)的技藝，而且提高了效率。 最終本人通過運(yùn)用CAXA 2011繪制了2裝配圖和19零件圖。 結(jié)束語 機(jī)械手在現(xiàn)實(shí)生活中的種類可以說是非常的多，然而最初的機(jī)械手是工業(yè)機(jī)械手，它最早

65、應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造與金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運(yùn)小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。 從一開始知道確定畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的時(shí)候不知道該什么下手，之后在仙法老師的幫助下，讓我了解了論文形成的格式等，

66、兩個(gè)星期下來，通過上網(wǎng)找資料，翻閱機(jī)械手冊，一篇論文初成，雖然不怎么完美，但還是感到很欣慰，自己的成果沒有白費(fèi)。萬事開頭難。不懂就問仙法老師，通過一次次的論文修改必定會對我受益匪淺，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對于機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識更加認(rèn)識了，畢業(yè)設(shè)計(jì)是理論與實(shí)際的結(jié)合，必須考慮到各方面存在的隱性問題，理論可行往往實(shí)際操作就不行，設(shè)計(jì)是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹? 致 本設(shè)計(jì)是在仙法老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的選擇、到選到課題的研究和論證，再到本畢業(yè)設(shè)計(jì)的編寫、修改，每一步都有仙法老師的細(xì)心指導(dǎo)和認(rèn)真的解析。在仙法老師的指導(dǎo)下，我在各方面都有所提高，老師以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和勤勉的工作態(tài)度深深感染了我，給我巨大的啟迪，鼓舞和鞭策，使我的知識層次又有所提高。同時(shí)感所有教育過我的專業(yè)老師，你們傳授的專業(yè)知識是我不斷成長的源泉也是完成本論文的基礎(chǔ)。也感我同一組的組員和班里的同學(xué)是你們在我遇到難題是幫我找到大量資料，解決難題。再次真誠感所有幫助過我的老師同學(xué)。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅提高了我獨(dú)立思考問題解決問題的能力而且培養(yǎng)了認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，一絲不茍的學(xué)習(xí)態(tài)度。由于經(jīng)驗(yàn)匱乏，能力有