立式精鍛機自動上料機械手設計任務書.doc
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蚆羀艿蝕薂聿莁蒂袁聿 四川理工學院畢業(yè)設計（論文） 立式精鍛機自動上料機械手設計 學 生： 學 號： 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 班 級：機電一體化2006級4班 指導教師： 四川理工學院機械工程學院 二〇一〇年六月 四 川 理 工 學 院 畢業(yè)設計（論文）任務書 設計（論文）題目：立式精鍛機自動上料機械手設計 系： 機械工程學院 專業(yè)：機械設計制造及自動化 班級： 學號：學生： 指導教師： 接受任務時間 教研室主任 （簽名） 系主任 （簽名） 1．畢業(yè)設計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 1）、規(guī)格參數(shù)： 抓重:60公斤；自由度數(shù):4個；座標型式:圓柱座標；最大工作半徑:1700毫米；手臂最大中心高:2300毫米 手臂運動參數(shù):手臂伸縮范圍:0～500毫米；手臂伸縮速度: 伸出176毫米/秒，縮回233毫米/秒；手臂升降范圍:0～600毫米；手劈升降速度:上升102豪米/秒，下降152毫米/秒；手臂回轉(zhuǎn)范圍:0～200(實際使用為95)；手臂回轉(zhuǎn)速度:63/秒 手腕運動參數(shù)：手腕回轉(zhuǎn)范圍:0～180；手腕回轉(zhuǎn)速度：201/秒 手指夾持范圍：Φ30～Φ120毫米 驅(qū)動方式: 液壓 2）、設計要求： （1）、全部設計圖紙用AutoCAD繪制； （2）、設計說明書1份（40頁以上）。 2．指定查閱的主要參考文獻及說明 （1）機械零件設計手冊 （2）工業(yè)機械手圖冊 （3）機械設計手冊 （4）其他相關參考資料 3．進度安排 設計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱相關參考資料，完成開題報告 2010.3.1—2010.3.21 2 結(jié)構(gòu)設計 2010.3.22—2010.4.18 3 完成AutoCAD零件圖、裝配圖 2010.4.19—2010.5.16 4 編寫設計說明書 2010.5.17—2010.5.23 5 畢業(yè)設計（論文）的修改、答辯的準備 2010.5.24—2010.6.13 注：本表在學生接受任務時下達 摘 要 本文介紹了立式精鍛機自動上料機械手與其它設備的配置關系及工作過程，并對機械手的動作進行了分析，詳細論述了機械手總體方案的設計，特別是對實現(xiàn)預期要求動作的各種方案進行了比較分析，進而得出最終方案。根據(jù)手臂的動作要求，采用圓柱坐標型機械手；機械手的自由度數(shù)為四個，它們是大臂的升降和回轉(zhuǎn)運動，小臂的伸縮運動，手腕的回轉(zhuǎn)運動；機械手手部結(jié)構(gòu)采用兩支點回轉(zhuǎn)型；機械手驅(qū)動方式采用液壓驅(qū)動。控制方式為點位程序控制。本次設計主要進行大臂升降及回轉(zhuǎn)機構(gòu)設計、手臂及伸縮結(jié)構(gòu)設計、手部結(jié)構(gòu)設計，并且對液壓系統(tǒng)進行理論分析和比較。 關鍵詞：雙作用式油缸；點位控制；液壓系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設計 Abstract Industrial manipulator is a kind of automatic devices, which substitutes people to carry out dangerous or duplicate work. It complies crawler tracks、handling work or manage or operate a tool according to set procedures and requirements. It is constituted with executive body、drive system and control system. In this paper, it has shortly introduced the position connection and work process between manipulator and other equipments. It has also given a relatively minute discussion of the manipulator overall plan, especially have compared the different projects to realize the require action and then given out the final scheme. According to the motion requirements of the manipulator’s arm, it has adopted cylindrical coordinate manipulator. The number of the manipulator’s freedom is four: up-down and rotating of the big arm, the straight reciprocating motion of the small arm, revolving movement of the wrist. The fingers of the manipulator have adopted the two-points sustain round structure. The power drive of manipulator is to be used is hydraulic system and control program for points for control type. This design is mainly consist of the design of large arm take-off and landing and rotating, the structural design of arm and telescopic arm, structural design of hand. What I mainly design is the structural design of large arm take-off and landing and rotation, and I carry out the theoretical analysis and comparison of hydraulic system. Key words：Double-acting oil cylinder； Point-to-point control； Hydraulic system ； Structural design 目 錄 第一章 緒論………………………………………………………………………………5 1.1 機械手的基本概念……………………………………………………………………5 1.2 機械手的分類及簡史………………………………………………………………… 5 1.3 機械手的應用簡況 ……………………………………………………………………8 1.4 機械手的發(fā)展趨勢 …………………………………………………………………8 1.5 機械手的組成 ………………………………………………………………………9 1.6應用機械手的意義 ……………………………………………………………………11 第二章 系統(tǒng)設計方案……………………………………………………………… 13 2.1 機械手的設計參數(shù) …………………………………………………………………13 2.2 機械手的工藝流程 …………………………………………………………………14 2.3 機械手的工作過程……………………………………………………………………14 2.4 機械手的總體結(jié)構(gòu)……………………………………………………………………14 2.5 機械手的座標型式與自由度 …………………………………………………………16 2.6 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計 …………………………………………………………16 2.7 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計 …………………………………………………………16 2.8 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計 …………………………………………………………16 2.9 機械手的驅(qū)動方案設計 ………………………………………………………………16 2.10 機械手的控制方案設計………………………………………………………………16 第三章 機械手各機構(gòu)設計………………………………………………………17 3.1手部設計計算…………………………………………………………………………17 3.2腕部設計計算 ………………………………………………………………………19 3.3手臂伸縮機構(gòu)設計 ……………………………………………………………………21 3.4機身和機座的設計計算 ………………………………………………………………23 第四章 機械手的液壓部分 ………………………………………………………27 4.1 液壓系統(tǒng)簡介…………………………………………………………………………27 4.2自動上料機械手液壓系統(tǒng) ……………………………………………………………29 4.3大臂升降油缸…………………………………………………………………………31 4.4 液壓缸主要部件的設計和材料選擇 ………………………………………………32 4.5 液壓缸的緩沖、排氣與密封……………………………………………………………33 總結(jié)…………………………………………………………………………………………34 致謝…………………………………………………………………………………………35 參考文獻 …………………………………………………………………………………36 附錄A 開題報告 附錄B 總裝配圖 附錄C 各零件圖 第一章 緒論 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(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械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領域有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手是在機械化，自動化生產(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，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。 機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 1.1 機械手的基本概念 機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置。我國國家標準(GB/T 12643-90)對機械手的定義:“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體，或進行其它操作的機械裝置。 1.2 機械手的分類及簡史 工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 1.2.1機械手的分類 （一）按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種： 1、專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和“加工中心”。 2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅(qū)動方式分 1、液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2、氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 4、電力傳動機械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 1.2.2機械手的簡史 機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械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(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上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。 1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。 目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(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，是機械手具有感覺機能。 第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(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)。 1.3 機械手的應用簡況 現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。 有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術的發(fā)展，應用的對象還會有所改變。 機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。 國內(nèi)機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。 國外鐵路工業(yè)中應用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。 采用機械手進行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。 1.4 機械手的發(fā)展趨勢 目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、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)主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機構(gòu)，設計成典型的通用機構(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構(gòu)，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。 此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、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，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。 視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。 觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機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，達到自動調(diào)整握力的大小?？傊S著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。 更重要的是將機械手、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械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 1.5 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關系如下圖： 1.5.1.執(zhí)行機構(gòu)(如圖1.5.1所示) 圖1.5.1 （1）手部 手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動軸，可把動作傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸屈手腕，開閉手指。 本課所指的機械手僅需開閉手指。 機械手手部的機構(gòu)系模仿人的手指，分為無關節(jié)，固定關節(jié)和自由關節(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?？梢愿鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作需要。 本課所做的機械手采用二指形狀。 （2）手臂 手臂有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分 本課所做的機械手的手臂采用無關節(jié)臂 手臂的作用是引導手指準確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。 本課題所做的機械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個方向的定位均采用行程開關控制，以保證定位的精度。 總括機械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此，它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達、伺服油馬達、直流伺服馬達和步進馬達等。 軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機構(gòu)的支架。 1.5.2.驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖機構(gòu)。 電氣驅(qū)動采用的不多。現(xiàn)在都用三相感應電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。 電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應速度比較慢。 機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。 1.5.3.控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。 1.6 應用機械手的意義 隨著科學技術的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實理。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用。 在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下： 1.以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 2.以改善勞動條件，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或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，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) 應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 第二章 系統(tǒng)設計方案 2.1 機械手的設計參數(shù) 抓重：60kg； 自由度數(shù)：4個； 坐標形式：圓柱坐標； 最大工作半徑：1700毫米； 手臂最大中心高：2300毫米； 手臂運動參數(shù)； 手臂伸縮范圍：0~500毫米 手臂伸縮速度：伸出176毫米每秒； 縮回233毫米每秒； 手臂升降范圍：0~600毫米； 手臂升降速度：上升102毫米每秒； 下降152毫米每秒； 手臂回轉(zhuǎn)范圍：00 ~2000 (實際使用為950)； 手臂回轉(zhuǎn)速度：630每秒； 手腕運動參數(shù)： 手腕回轉(zhuǎn)范圍:00~1800； 手腕回轉(zhuǎn)速度：2010每秒； 手指夾持范圍： Φ30-Φ120毫米； 緩沖方式及定位方式： 手臂伸縮：伸出時由行程開關適時切斷油路，手臂緩沖，縮回時由行程開關控制返回終了位置。 手臂升降：上升時是靠可調(diào)碰鐵觸動行程開關而發(fā)信，使電液換向閥變?yōu)椤皁”型滑閥機能，切斷油路而實現(xiàn)緩沖定位，下降時靠油缸端部節(jié)流緩沖，由行程開關控制終了位置。 手臂回轉(zhuǎn)：采用行程節(jié)流閥（雙向使用）減速緩沖，用定位油缸驅(qū)動定位銷而定位。 手腕回轉(zhuǎn)：采用行程開關發(fā)信，切斷油路滑行緩沖，死擋塊定位。 驅(qū)動方式：液壓 控制方式：點位程序控制 2.2 機械手的工藝流程 機械手原位→機械手前伸→機械手上升→機械手抓取并夾緊→機械手后退 機械手左轉(zhuǎn)→機械手前伸→機械手松開→機械手下降→機械手右轉(zhuǎn)→退至原位 2.3 機械手的總體結(jié)構(gòu) 本機械手系統(tǒng)由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)包括手部、手臂、手腕。驅(qū)動系統(tǒng)包括動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成?？刂葡到y(tǒng)由程序控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。 2.4 機械手的工作過程 立式精鍛機和自動上料機械手等的配置如圖2-4-1所示。被加熱的坯料由運輸車2送到上料位置后，自動上料機械手3將熱坯料搬運到立式精鍛機1上鍛打，其成品鍛件由下料機械手4送立式精鍛機上取下并送到轉(zhuǎn)換機械手5上，轉(zhuǎn)換機械手先把鍛件翻轉(zhuǎn)90成水平位置，由丙烷切割裝置6將兩端切齊，切割完畢，轉(zhuǎn)換機械手5的手臂再水平回轉(zhuǎn)87，將鍛件水平放置到下料運輸裝置7上，運送到車間外面的料倉處進行冷卻。自動上料機械手3在此精鍛生產(chǎn)線上可以完成取料、喂料和變換工位等動作。 2.5 機械手的座標型式與自由度選擇 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。 2.6 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部。 2.7 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸。 2.8 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由液壓缸來實現(xiàn)。 2.9 機械手的驅(qū)動方案設計 由于液壓壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用液壓壓傳動方式。 2.10 機械手的控制方案設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 第三章 機械手結(jié)構(gòu)設計 3.1機械手手部設計計算 3.1.1手部設計要求 1、有適當?shù)膴A緊力 手部在工作時，應具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應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，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好。 圖3-1 機械手開閉示例簡圖 3、力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小 手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個機械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。 4、手指應有一定的強度和剛度 5、其它要求 因此送料，夾緊機械手，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。 3.1.2拉緊裝置設計 如圖4.1.2-1所示：油缸右腔停止進油時，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進油時松開工件。 圖3-2油缸示意圖 1、右腔推力為 FP=（π／4）DP （3.1） =（π／4）0.52510 =4908.7N 2、根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為： F1=（2b／a）（cosα′）N′ （3.2） 其中 N′=498N=392N，帶入公式3.2得： F1=（2b／a）（cosα′）N′ =(2150/50)（cos30）392 =1764N 則實際加緊力為 F1實際=PK1K2/η （3.3） =17641.51.1/0.85=3424N 經(jīng)圓整F1=3500N 3、計算手部活塞桿行程長L,即 L=（D/2）tgφ （3.4） =25tg30 =23.1mm 經(jīng)圓整取l=25mm 4、確定“V”型鉗爪的L、β。 取L/Rcp=3 （3.5） 式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3.6） 由公式（2.5）（2.6）得：L=3Rcp=150 取“V”型鉗口的夾角2α=120，則偏轉(zhuǎn)角β按最佳偏轉(zhuǎn)角來確定， 查表得： β=2239′ 5、機械運動范圍（速度） （1）伸縮運動 Vmax=500mm/s Vmin=50mm/s （2）上升運動 Vmax=500mm/s Vmin=40mm/s （3）下降Vmax =800mm/s Vmin =80mm/s （4）回轉(zhuǎn)Wmax=90/s Wmin=30/s 所以取手部驅(qū)動活塞速度V=60mm/s 6、手部右腔流量 Q=sv （3.7） =60πr =603.1425 =1177.5mm/s 7、手部工作壓強 P= F1/S=3500/1962.5=1.78Mpa （3.8） 3.2腕部設計計算 腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉(zhuǎn)動慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。 要求：回轉(zhuǎn)90 角速度W=45/s 以最大負荷計算： 當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長度l=650mm。 3.2.1計算扭矩M1 設重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩M1為： M1=FS （3.9） =109.80.2=19.6（NM） 工件 F S F S F 圖3-3 腕部受力簡圖 3.2.2油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M2 F=5kg S=10cm 帶入公式3.9得 M2=FS=59.80.1 =4.9（NM） 3.2.3擺動缸的摩擦力矩M摩 F摩=300（N）（估算值） S=20mm （估算值） M摩= F摩S=6（NM） 4、擺動缸的總摩擦力矩M M=M1+M2+ M摩=30.5（NM） （3.10） 5.由公式（4.2） T=Pb（ΦA1-Φmm）106/8 （3.11） 其中： b—葉片密度，這里取b=3cm； ΦA1———擺動缸內(nèi)徑, 這里取ΦA1=10cm； Φmm———轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取Φmm=3cm。 所以代入（3.11）公式 P=8T/b（ΦA1-Φmm ）106 =830.5/0.03（0.1-0.03）106 =0.89Mpa 又因為 W=8Q/（ΦA1-Φmm ）b 所以 Q=W（ΦA1-Φmm）b/8φA1 =（π/4）（0.1-0.03）0.03/8 =0.2710-4m/s =27ml/s 3.3手臂伸縮機構(gòu)設計 手臂是機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。 臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內(nèi)的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復雜。 機械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。 手臂的伸縮速度為200m/s 行程L=500mm 1、手臂右腔流量，公式（3.7）得： Q=sv=200π40=1004800mm/s=0.1/10m/s=1000ml/s 2、手臂右腔工作壓力，公式（3.8） 得： P=F/S （3.12） 式中：F——取工件重和手臂活動部件總重，估算 F=10+20=30kg， F摩=1000N。 所以代入公式（3.12）得： P=（F+F摩）/S =（309.8+1000）/π40 =0.26Mpa 3、繪制機構(gòu)工作參數(shù)表如圖3.3-1所示： 圖3-4機構(gòu)工作參數(shù)表 4、由初步計算選液壓泵 所需液壓最高壓力 P=1.78Mpa 所需液壓最大流量 Q=1000ml/s 選取CB-D型液壓泵（齒輪泵） 此泵工作壓力為10Mpa，轉(zhuǎn)速為1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之間，可以滿足需要。 5、驗算腕部擺動缸： T=PD（ΦA1-Φmm）ηm106/8 （3.13） W=8θηv/（ΦA1-Φmm）b （3.14） 式中：η m—機械效率?。? 0.85～0.9 ηv—容積效率?。? 0.7～0.95 所以代入公式（3.13）得： T=0.890.03（0.1-0.03）0.85106/8 =25.8（NM） T
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