【JX14-64】CR5注塑件取料机械手设计（直角坐标式）
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JX14-64
【JX14-64】CR5注塑件取料机械手设计直角坐标式
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【JX14-64】CR5注塑件取料机械手设计（直角坐标式）,JX14-64,【JX14-64】CR5注塑件取料机械手设计直角坐标式
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宁波大红鹰学院毕业设计(论文)任 务 书课题名称CR5注塑件取料机械手设计（直角坐标式）指导教师杨超珍学院机械与电气工程学院专业机械设计制造及其自动化班级10机自7(本)学生姓名徐夏维学号1021080742开题日期一、主要任务与目标：1.1主要任务认真学习机器人和液压与气压传动方面有关的书籍资料，尤其是有关机械人或机械手的结构图册，进一步熟悉机械人的基本理论和基本结构。机械手的运动速度快，要求质量轻、转动惯量小，配置合理，运动平稳，定位精度和重复定位精度高。通过调研和分析确定本设计要求的LR20通用液压机械手设计的工作原理和传动方案。完成机械手的结构设计，绘制装配图和全部零件图。总图量达到3张A0。按照毕业设计要求完成，认真阅读15篇以上有关机器人、液压与气压传动方面最新论文、经典教材和专著，为机器人设计作好充分准备，并结合设计实际完成开题报告、文献综述、外文翻译、设计计算书的撰写。1.2目标机械手能够代替工人长期连续高效地完成设定动作，在自动化装置中应用广泛，也是企业解决用工荒的重要方法，可见机械手的应用维护将越普遍。通过本课题的训练，初步掌握新产品设计的工作流程。本设计课题旨在提高机械产品的系统设计和结构设计能力，有利于在生产企业从事新产品开发设计和装备设计能力，同时为从事企业生产过程中的设备管理和技术管理工作奠定良好的基础。二、主要内容与基本要求： 2.1技术参数：工件：重量2公斤，最大尺寸300mm200100,工作区域：存取物高度不小于-400mm-600mm，纵向提取工作行程0-500mm；横向提取工作行程0-1000mm； 工作速度：移动速度1m/s，定位精度0.3mm； 2.2主要内容设计计算书（论文）10000字以上，按学校格式要求打印、装订。内容结合设计项目撰写。包括：前言、系统方案的分析与确定、结构参数的设计计算、运动分析与计算、结构强度设计计算及校核、精度分析、结束语等。根据设计参数确定结构，选择合适的执行机构、驱动方式及机械传动部件。气动元器件可选择合适的标准器件，必要时进行自行设计，重点是整体结构。装配图用A0绘制，总图为可画3张A0。开题报告、文献综述、外文翻译等，符合各项规定要求。2.3基本要求纵向提取工作行程0-500mm；图样全部用计算机绘制，符合最新制图标准；投影正确，表达完整，布局合理。设计要满足功能，注重性能、结构和装配工艺性，外观造型力求简洁明快；实用可靠。计算书理论分析完整清楚；设计推导简明扼要；计算正确可靠。避免冗长，杜绝抄袭。开题报告、文献综述、外文翻译等要紧扣设计主题，认真分析、归纳、加工、提炼，切不可照搬。三、计划进度：2013.09.162013.10.15 接受任务，熟悉设计内容，搜集相关资料；2013.10.152014.01.10 完成设计图样和说明书初稿；2014.01.112014.04.20修改图样、说明书，完成二稿；2013.10.152014.04.20完成开题报告，文献综述和翻译； 2014.04.212014.05.10修改、检查全部资料，打印、上交资料；2014.05.112011.05.20 准备论文答辩。四、主要参考文献：1张福学编机器人技术及其应用M.北京：电子工业出版社，20002朱世福，王宣银.机器人技术及其应用M.杭州：浙江大学出版社，20053工业机械手图册编写组.工业机械手图册M.北京：机械工业出版社，19784路甬祥.液压气动技术手册M.北京：机械工业出版社，2004.55徐灏.机械设计手册M. 北京：机械工业出版社，2003.1 指导教师 杨超珍 2013年10月11日系 主 任 左桂兰2013年10月11日分 类 号 密 级 宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文)毕业设计（论文）题目（二号黑体，居中）所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业设计（论文）XXXXXXXX均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘 要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，由于生产线的工业机器人自动化的重要成员，逐渐被认可和采用企业。技术水平和应用工业机器人的程度在一定程度上反映了一个国家的工业自动化水平，目前，主要负责工业机器人焊接，喷涂，搬运，堆垛，如皮卡和极其劳动密集型和重复性的工作，一般工作采取的教学再现的形式。本文将设计一台三自由度的工业机器人，用于给注塑机取出成品。关键词：机器人；气缸；注塑机；结构设计IIIAbstractIn order to enhance the efficiency of production and guarantee the quality of products,more attention has been paid to the automation in the process of production in the modern manufacturing industry with large scale.Therefore,industrial robots are gradually appproved and adopted by enterprises as an important part in the automation production line.To some extent,the technical level and application of industrial robots have reflected on the automation level in national industries.At present,they mainly undertake such jobs mostly in playback way as welding,spraying,transporting taking and stowing,which are usually done repeatedly with high work strength.In the thesis,an industrial robot with three DOFS will be designed to remove the finished molding machine.Key Words: android;cylinder;injection machine;structural design目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 机器人概述11.2 机器人的历史、现状21.3 机器人发展趋势3第2章 机械手总体设计方案42.1机械手基本形式的选择42.1.1直角坐标系机器人42.1.2圆柱坐标系机器人42.1.3极坐标系机器人52.1.4多关节机器人52.2驱动装置的选择62.2.1液压驱动62.2.2气压驱动72.2.3电动机驱动7第3章 引拔设计93.1设计参数93.2方案设计93.3引拔机构设计93.3.1 引拔气缸参数计算93.3.2 附加导向杆机构设计113.3.2.1 附加导向机构的作用：附加导向机构的作用是保证气缸缸活塞杆伸出时机械臂连接块的方向性，提供机构刚度，保证伸缩量的准确性。11第4章 机械臂设计124.1本节标题124.2方案设计124.3机械臂气缸的选用124.3.1 预选气缸的缸径124.3.2 预选气缸行程134.3.3 验算缓冲能力134.3.4 活塞杆长度验算134.3.5 计算气缸的空气消费量134.3.6 选择活塞杆端部接头13第5章 横行设计145.1设计参数145.2 方案设计145.3 横行气缸选用145.4 导轨设计16第6章 机械手结构设计176.1夹持器设计的基本要求176.2 夹紧装置设计176.2.1 夹紧力计算176.2.2 驱动力计算186.2.3 气缸驱动力计算186.2.4 选用夹持器气缸196.2.5 手爪的夹持误差及分析196.2.6 锲块等尺寸的确定226.2.7 材料及连接件选择25结论26参考文献27致 谢28第1章 绪论第1章 绪论1.1 机器人概述在现代工业中，机械化和自动化的生产过程中已成为一个突出的主题。生产过程的自动化化学连续性已基本得到解决。但在机械行业，加工，装配等生产是不连续的。专用机是一种有效的方式来大规模生产自动化，程控机床，数控机床，加工中心等自动化机械是有效地解决了多品种小批量的生产自动化的重要途径。但在凿除本身，也有很多装卸，搬运，装配作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。机器人是一种机体功能，程序自动固定装置的上部。机器人具有结构简单，成本低，易维护等优势，但功能较少，适应性差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。总之，机器人是用机器代替人手，将工件从所述位置指定的作业移到某个位置，或按照以操纵工件加工用的工作要求。 机器人拿起东西，最简单的是具有相似的基本条件，手段，抓住并移动手腕的机构，手臂，关节等部位 - 执行机构，如肌肉的驱动臂运动 - 传输;像指挥和控制大脑系统的手部动作。这些系统的性能将决定机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图1所示。图1 机器人的一般组成1.2 机器人的历史、现状机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠手动控制；相比，开环控制模式，没有承认；改善方向主要是降低成本，提高精度。 第二代机器人正在加紧制定。它有一个微电脑控制系统，具有视觉，触觉能力，甚至听，思考的能力。研究各种传感器的安装，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）能够独立工作，以完成该过程的任务。它保持与电脑和电视设备的接触，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC是一个重要的组成部分。随着工业机器人拓展国际学术交流活动的研究和应用都非常活跃，欧洲和美国等国家进行学术交流很多。国际机器人产业ISIR会议决定召开一次年会，讨论开发和应用问题和研究机器人。目前，主要的工业机器人装卸，搬运，焊接，铸造，锻造和热处理等，无论数量，品种和性能不能满足工业生产发展的需要。而是采用一种工业机器人，主要是在危险的操作（宽），多尘的手动操作的，隔热，隔音，并且工作环境不适合窄的空间，例如手动操作。在国外机械制造，工业机器人使用较多，发展较快。目前应用于机床，锻压机下料，以及点焊，喷漆等工作，也可以完成提前开发所需遵循的操作程序，但没有感觉反馈能力，无法应付外界世界的变化。如果出现某些偏差时，机器人会损坏部件，甚至本身。随着科学技术和社会，研究应用在这些领域的现代进步的机器人系统，以系统的快速发展本身也提出了更多的要求。制造要求机器人系统具有更大的灵活性和更强大的编程环境，以适应不同的应用和多品种，小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）的机器人系统需要能源等自动化设备在车间内进行整合。研究人员的水平，以提高性能和智能机器人系统，该机器人需要一个开放系统架构和各种外部传感器集成的能力。然而，多机器人系统的商业化，目前使用的专用控制器封闭结构，通常使用专用的计算机作为上主计算机，使用专用的离线机器人编程语言作为一种工具，使用一个专用的微处理器和控制算法固化在EPROM这种专用系统很难（或不可能）整合外部硬件和软件。封闭系统改装费用是非常昂贵的，如果不重新设计，在大多数情况下，它在技术上是不可能的。解决这些问题的根本途径是学习和使用机器人系统具有开放式体系结构。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.3 机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。27第2章 本章标题第2章 机械手总体设计方案2.1机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种，如图2所示：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械手；(4)多关节型机械手。2.1.1直角坐标系机器人直角坐标型机器人，它在x，y，z轴上的运动是独立的，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是： (1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。 (2)计算比较方便。 (3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。 (4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。 (5)要求有较大的平面安装区域。(6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。2.1.2圆柱坐标系机器人圆柱坐标型机器人，R、和x为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特点是：(1)容易想象和计算。(2)能够伸入形腔式机器内部。(3)空间定位比较直观。(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。(5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。2.1.3极坐标系机器人极坐标型机器人又称为球坐标机器人，R，和为坐标系的坐标。其中是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是： (1)在中心支架附近的工作范围较大。 (2)两个转动驱动装置容易密封。 (3)覆盖工作空间较大。 (4)坐标系较复杂，较难想象和控制。 (5)直线驱动装置仍存在密封问题。(6)存在工作死区。2.1.4多关节机器人多关节机器人，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、和为坐标系的坐标，其中是绕底座铅垂轴的转角，是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是：(1)动作较灵活，工作空间大。(2关节驱动处容易密封防尘。(3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。(4) 适合于电动机驱动。(5)运动难以想象和控制，计算量较大。(6)不适于液压驱动。 直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 多关节型 图2 工业机械手基本结构形式本课题要求机械手为直角坐标型。2.2驱动装置的选择机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方式进行分析比较。2.2.1液压驱动机器人的驱动系统采用液压驱动，有几个优点：（1）容易实现高水压（水压一般为2.56.3MPa的），体积小，可能会更好推力或扭矩；（2）介质的液压系统的压缩性小，平滑和可靠，并能获得更高的位置精度；（3）液压传动，功率，速度和方向是比较容易实现自动控制；（4）液压系统采用油作为介质，具有防锈性和自润滑性能，能提高机械效率，使用寿命长。不足的液压系统有：（1）油品粘度随温度变化，影响工作性能，高温燃烧爆炸可能造成的危险；（2）液体难以克服的，液压元件的泄漏，需要更高的精度和质量，成本较高；（3）需要相应的供应体系，特别是电液伺服系统需要严格过滤的设备，否则故障。液压驱动模式下的输出功率和更大的权力，可以构成一个伺服机构，大型机器人关节驱动器常用。2.2.2气压驱动与液压传动相比，气压传动的特点是：（1）压缩空气粘度小，容易实现高速；（2）利用压缩空气工厂集中的加油站没有加电设备；（3）空气介质对环境的污染，使用安全，可直接应用到高温作业；（4）气动元件的工作压力低，它也比液压元件的制造要求低。它的缺点是：（1）空气压力用0.40.6MPa的，以获得一个较大的力，就必须相对地增加的结构；（2）压缩空气大，表面光滑，可怜的速度控制很难实现精确的位置控制难度大；（3）压缩空气是一个非常重要的问题，处理不当级钢铁机件会生锈，造成机是人类的失败。此外，排气也能引起噪声污染。用于位置控制，采集，开关控制和顺序控制机器人气动驱动器。2.2.3电动机驱动电机驱动，可分为普通交流和直流马达驱动，交流和直流伺服电机驱动器和步进电机驱动器。 通用的交，直流马达驱动器需要减速装置，输出扭矩大，但控制性能较差，惯性，适合中型或重型机器人。伺服和步进电机的输出力矩比较小，良好的控制性能，可实现精确控制速度和位置，适合中小型机器人。交流伺服电机一般用于直接闭环控制系统中，步进电机是主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度并不重要。由于气压驱动气源容易获得，无污染，故本设计确定选用气压驱动。第3章 本章标题第3章 引拔设计3.1设计参数（1）伸缩长度：200mm；（2）单方向伸缩时间：12S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于0.3mm；（4）前端安装机械臂连接块，伸缩终点无刚性冲击；3.2方案设计气动驱动方案伸缩原理采用单出杆双作用气动油缸，手臂纵向移动时采用单向调速阀进行节流调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲，靠气缸行程极限定位，采用附加导向杆防止转动，采用电液换向阀，控制伸缩方向。1、引拔 2、小型导向气缸 3、机械臂连接块 4、附加导向杆图3 引拔示意图3.3引拔机构设计3.3.1 引拔气缸参数计算3.3.1.1 预选气缸的缸径及缸桶壁厚：根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力F。取 ） （3-1）【6】根据负载的运动状态，预选气缸的负载率。取=50%根据气源供气条件，确定气缸的使用压力p。p应小于减压阀进口压力的85%。已知，和，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比，由式（3-2）至式（3-4），便可选定缸径D，缸径D的尺寸应标准化. （3-2）【6】 （3-3）【6】 (3-4) 【6】解得D17.66 考虑到气缸的行程比较长缸径D取。缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算： (3-4) 【6】式中D为缸筒内径(cm)，p为缸筒承受的最大气压力(MPa)，为缸筒材料的需用应力（MPa）。缸筒壁厚的实际取值，对于一般用途气缸约取计算值的7倍，再圆整到标准管材尺寸，这里b取10mm。3.3.1.2 预选气缸行程：根据气缸的操作距离及传动机构的行程比预选气缸行程为200mm。3.3.1.3 验算缓冲能力：根据气缸的运动状态是输出拉力、负载率=50%、气缸的行程L=200mm和气缸的动作时间t=1.5s，由气动手册P293图9-7可查得气缸的理论基准速度。由表9-20，可查得气缸的最大速度与理论基准速度之比a值为0.9，从而求的气缸的最大速度。查得气缸的负载质量M和最大速度的交点在预选气缸缸径的缓冲曲线之下，表示负载运动的动能小于气缸允许吸收的最大能量，所以该预选缸径的缓冲能力满足要求。3.3.1.4 活塞杆长度的验算：查气动手册CG1系列气缸活塞杆受轴向压力而不失去稳定性的最大行程为290mm大于要求行程200mm，故满足要求。3.3.1.5 计算气缸的空气消费量该气缸的空气消费量为3.3.1.6 选择气缸的品种和安装形式：长沙华德液压气动有限公司生产的QGCXDH（Q）系列小型导向杆式气缸QGCXDH20-200能满足要求。3.3.1.7 选择磁性开关：根据表10-15可查的磁性开关的品种及安装方式为采用钢带固定的有触点舌簧型D-C73L，采用直接出线式的接线方式，导线长为3m。3.3.1.8 选择活塞杆端部联结形式：采用螺钉连接。3.3.2 附加导向杆机构设计3.3.2.1 附加导向机构的作用：附加导向机构的作用是保证气缸缸活塞杆伸出时机械臂连接块的方向性，提供机构刚度，保证伸缩量的准确性。3.3.2.2 导向机构的外形尺寸及材料：导向选择钢管导向，钢管为引拔上的一部分，经配合连接而成；机械臂连接块则在其上滑动且其的引拔端部靠近部分。材料选择为45号钢.，如图4所示：1、导向钢管 2、端部顶板 3、螺母图4 附加导向杆3.3.2.3 引拔范围控制与调整：引拔伸缩范围控制靠行程开关，保证把工件精确地取出。行程开关使用LXW4-11型微型开关。图5 LXW4-11型微型开关第4章 本章标题第4章 机械臂设计4.1本节标题（1）伸缩长度：500mm；（2）单方向伸缩时间：2.53.5s；（3）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；4.2方案设计气动驱动方案伸缩原理：采用单出杆双作用液压油缸，手臂伸出时采用单向调速阀进行调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲，靠气缸行程极限定位，采用电磁换向阀，控制伸缩方向。4.3机械臂气缸的选用4.3.1 预选气缸的缸径根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力F。 取 （4-1）【6】根据负载的运动状态，预选气缸的负载率。 取=50%根据气源供气条件，确定气缸的使用压力p。p应小于减压阀进口压力的85%。已知，和，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比，由式（4-2）至式（4-4），便可选定缸径D，缸径D的尺寸应标准化. (4-2) 【6】 （4-3）【6】 (4-4) 【6】解得D17.75，考虑到气缸的行程比较长缸径D取。缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算： (4-5) 【6】式中D为缸筒内径(cm)，p为缸筒承受的最大气压力(MPa)，为缸筒材料的需用应力（MPa）。缸筒壁厚的实际取值，对于一般用途气缸约取计算值的7倍，再圆整到标准管材尺寸，这里b取10mm。4.3.2 预选气缸行程根据气缸的操作距离及传动机构的行程比预选气缸行程为500mm。4.3.3 验算缓冲能力根据气缸的运动状态是输出拉力、负载率=50%、气缸的行程L=500mm和气缸的动作时间t=2s，由气动手册P293图9-7，可查得气缸的理论基准速度=500。由表9-20，可查得气缸的最大速度与理论基准速度之比a值为0.95，从而求的气缸的最大速度=475。查的气缸的负载质量M和最大速度的交点在预选气缸缸径的缓冲曲线之下，表示负载运动的动能小于气缸允许吸收的最大能量，所以该预选缸径的缓冲能力满足要求。4.3.4 活塞杆长度验算查气动手册关于CG1-气缸活塞杆受轴向压力而不是去稳定性的最大行程为600mm大于要求行程500mm，故满足要求。4.3.5 计算气缸的空气消费量该气缸的空气消费量为4.3.6 选择活塞杆端部接头选择活塞杆的端部接头，因需要避免工件与活塞杆的轴向偏心而得出采用法兰型。第5章 实验与调试 第5章 横行设计5.1设计参数（1）横行长度：1000mm；（2）单方向伸缩时间：3.54.5s；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm；（4）缸体与引拔连接推动引拔左右移动，伸缩终点无刚性冲击；5.2 方案设计气动驱动方案伸缩原理：因为横行长度达到了1000mm，故考虑采用采用无杆气缸驱动。无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接实现往复运动。这种气缸最大优点是节省安装空间，特别适用于小缸径长行程的场合。结构设计：基体部分做成肋板形式与基座相连，减少横行部分的总体质量，横行面上采用导轨形式，进行横向定位并承受机械手重量，采用三位五通电磁换向阀，控制横进方向。如图71、无杆气缸 2、导轨 3、基座图7 横行基座5.3 横行气缸选用本次横进气缸预选AMR系列的磁耦式无杆气缸根据导向精度、最大允许负载和最大允许力矩选用无杆气缸的系列和缸径。最大允许负载和最大允许力矩与导向型式、受力姿势、活塞运动和缸径有关。由于考虑气缸不能承受大的集中载荷，故在气缸两侧设立2个导轨代替气缸承受机械臂的质量，故气缸的承受载荷不予虑。因为横进系统的额定最大行程为1000mm，根据AMR系列的行程如表1由于气缸的推力F等于导轨与重物的摩擦力，已知重物的质量约为1600N，导轨的摩擦系数0.002-0.003，所以预选气缸缸径为，因为气缸的工作压力为0.49MPa由图9查的本气缸的理论输出力为220N，满足系统要求。表1 ANR系列行程图AMRBAMRG101050500mm50500mm161650500mm50700mm20201001500mm1001500mm25251001500mm1001500mm32321002000mm1001500mm40401002000mm1001500mm图8 理论输出力图确定该行程的气缸为AMR25-1000。5.4 导轨设计钢:一般用寻轨：45钢、40Cr、T8A、T10A、GCr15、GCr15SiMn等表面淬火或全淬；要求高的导轨，常采用20Ce、20CrMnTi、15钢等，渗碳淬硬到5662HRC，磨削加工后淬硬深度不低于1.5mm。两条导轨一条采用矩形截面一条采用三角形截面，在横向定位的同时也降低安装精度。第6章 机械手结构设计6.1夹持器设计的基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围；（3）应保证工件在手指内的夹持精度；（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；（5）应考虑通用性和特殊要求。设计参数及要求（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松；（2）所要抓紧的工件直径为300200100mm，放松时的两抓的最大距离为110-120mm/s，1s抓紧，夹持速度20mm/s；（3）工件的材质为2kg；（4）夹持器有足够的夹持力；（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由气缸提供动力。6.2 夹紧装置设计6.2.1 夹紧力计算手指夹在工件夹紧力主要是根据手的设计，必须为它的大小，方向，作用点的计算分析。一般情况下，夹紧力必须在工作负载所产生的引力（惯性力和惯性力矩）加以克服，以保持可靠的工件夹紧状态。 根据下面的公式手指工件的夹紧力计算： （6-1）【4】式中：安全系数，机器人工艺，并确定设计要求。通常取1.22.0，取1.5；系数工件的情况下，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度派生作品系数，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；取向系数，根据手指的形状和手指与工件和工件位置来选择不同的手指和工件的位置是：手指垂直工件水平；手指与工件形状： 型指端夹持圆柱型工件，为摩擦系数，为型手指半角，此处粗略计算, G被抓取工件的重量求得夹紧力，取整为120N。6.2.2 驱动力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式： （6-2）【4】 式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角可得，得出F为理论计算值，实际采取的气缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： ，取6.2.3 气缸驱动力计算设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，气缸为单作用缸，提供推力： （6-3）【4】式中 活塞直径 活塞杆直径 驱动压力，工作压力 据公式计算可得气缸内径：根据气动设计手册，圆整后取D=16mm。活塞行程，当抓取80mm工件时，即手爪从张开120mm减小到80mm，楔快向前移动大约40mm。取气缸行程S=40mm。6.2.4 选用夹持器气缸长沙华德液压气动有限公司所生产的QCG薄型气缸QGD16-40刚好满足条件，所以选取这个气缸。表2 QCG薄型气缸安装尺寸图缸径行程165mm1610mm1615mm1620mm1630mm1640mm6.2.5 手爪的夹持误差及分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图9，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。R1，R2-工件半径 C1C2=图9 夹持误差图工件直径为80mm，尺寸偏差，则，。本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图10图10 楔块杠杆式夹持器若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：简化为： 该方程为双曲线方程，如图11：图11 工件半径与夹持误差关系曲线由上图得，当工件半径为时，X取最小值，又从上式可以求出：，通常取，若工件的半径变化到时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，希望按给定的和来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径取为时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的和边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式：其中，型钳的夹角代入得出： 则 则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得：，所以，夹持误差满足设计要求。由以上各值可得：取值为。6.2.6 锲块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的力分析如下：图12 楔块进入手爪受力图上图12中斜楔角，时有增力作用；滚子与斜楔面间当量摩擦角，为滚子与转轴间的摩擦角，为转轴直径，为滚子外径，为滚子与转轴间摩擦系数; 支点至斜面垂线与杠杆的夹角；杠杆驱动端杆长；杠杆夹紧端杆长；杠杆传动机械效率6.2.6.1 斜楔的传动效率:斜楔的传动效率可由下式表示： 杠杆传动机械效率取0.834，取0.1，取0.5，则可得=, ，取整得=。6.2.6.2 动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即，见图 13图13 动作范围分析图如果，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以必须大于。此外，当时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。6.2.6.3 斜楔驱动行程与手指开闭范围:当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为L，此时对应的杠杆手指由位置转到位置，其驱动行程可用下式表示：杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： 通常状态下，在左右范围内，则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条件可知最大为55-60mm，最小设定为30mm。即。已知，可得，有图14关系：图14 楔块尺寸示意图可知：楔块下边为60mm，支点O距中心线30mm，且有，解得：6.2.6.4 与的确定:斜楔传动比可由下式表示：可知一定时，愈大，愈大，且杠杆手指的转角在范围内增大时，传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由分配距离为：，。6.2.6.5 确定:由前式得：，取。6.2.6.6 确定:为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有图15中关系图15 L对中心线的驱动方程的示意图，取，则楔块上边长为18.686，取19mm.6.2.7 材料及连接件选择V型指与夹持器连接选用圆柱销，d=6mm，需使用2个。杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销，d=6mm，需使用2个。滚子与手指连接选用圆柱销，d=4mm，需使用2个。以上材料均为钢，无淬火和表面处理销两端均打直径1.2mm的圆孔，用GB/T911.2x8的开口销连接。楔块与活塞杆铰链联结。结论结论本次机械手的设计主要对于夹持器，横行，气压系统进行的设计思想和设计过程。内容主要包括：夹持器与横行总体方案的确定，采用了气压驱动系统，相应的涉及到气压缸的选择计算，总体结构设计、主要部件的受力分析和强度校核。由于时间有限，本设计中的PLC控制未设计。题目的综合训练比较强，涉及知识面广，重点在于培养工程思想及意识，理论联系实际，提高初步设计能力。设计要求在保证其原有性能的前提下，尽可能地提高其特色即性能价格比。并且要求该机械手具有较小的体积，简单的结构和低廉的价格，和造型美观的外形，各调整环节的设计要方便人体接近方便工具的使用。其难点在于结合实际，进行结构设计. 在设计过程中，我综合运用了四年来所学到的专业知识，感觉到自己专业知识中某方面的欠缺，通过再次的复习，明显感觉到了知识的增长，我们从中学到了很多的知识，也体会到了毕业设计的综合性，结合辅导老师的指导与自己的专业知识和生产实践，才能较为完整地完成此次设计任务。参考文献参考文献1 郭洪江主编.工业机器人技术M.西安电子科技大学出版社，2006:3-352 朱世强,王宣银主编.机器人技术及其应用M.浙江大学出版社，2001:30-483 李允文主编.工业机械手设计M.北京:机械工业出版社,1996：56-744 王承义. 机械手及其应用M.北京:机械工业出版社,1981:10-46 5 成大先主编.机械设计手册.单行本.气压传动M.北京:化学工业出版社,2004:28-696 许炳辉主编.气动手册M.上海:上海科学技术出版社,2003：280-3007 刘杰等编著.机电一体化技术基础与产品设计M.北京:冶金工业出版社,2003:18-488 谢存禧,张铁主编.机器人技术及其应用M.北京:机械工业出版社,2005:135-1489 张铁,谢存禧编.机器人学J.广州:华南理工大学出版社，2002:58-6310 濮良贵,纪名刚主编.机械设计(第七版)M.北京:高等教育出版社，2001：3-1911 张海根主编.机电传动控制M. 北京:高等教育出版社，2001:103-11612 刘鸿文主编.材料力学M. 北京:高等教育出版社，2004：12-25 13 吴宗泽,罗圣国主编.机械设计手册M.北京:高等教育出版社，2006：35-5714 宗光华主编.机器人创意设计与实践M. 北京:北京航空航天出版社，2004:47-5215 宋德玉主编.可编程序控制器原理及应用系统设计技术M.冶金工业出版社，2005:64-8416 孙恒,陈作模主编.机械原理M. 北京:高等教育出版社,2000：263-27317 王卫卫主编.材料成型设备J.北京:机械工业出版社,2005:71-7618 朱孝录主编.中国机械设计大典M.江西科学技术出版社，2002:166-21519 范次猛主编.可编程控制器原理与应用M.北京理工大学出版社，2006:174-21320 张淑娟,全腊珍主编.画法几何与机械制图M.中国农业出版社,2007:2-306附 录致 谢在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了陈文凯老师的亲切关怀和精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中饱含了陈文凯老师的汗水和心血。老师敏锐的学术思想，严谨务实的治学态度，渊博的知识，精益求精的工作作风，育人不倦的精神，将永远铭记在学生的心灵，使学生终生。在此我向陈文凯老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。同时也感谢辅导员唐江兰老师在这三年来对我们的虚心的教导!感谢工学院的领导和老师对我的关心和帮助!再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们!1 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告论文相似性检测报告（详细版）论文相似性检测报告（详细版）报告编号：报告编号：87877054-d58e-4e51-b740-a2d601548a15原文字数：原文字数：15,450检测日期：检测日期：2014年02月18日检测范围：检测范围：中国学术期刊数据库（CSPD）、中国学位论文全文数据库（CDDB）、中国学术会议论文数据库（CCPD）、中国学术网页数据库（CSWD） 检测结果：检测结果：一、总体结论一、总体结论总相似比：14.96%14.96% (参考文献相似比：0.00%0.00%，排除参考文献相似比：14.96%14.96%)二、相似片段分布二、相似片段分布 注：绿色区域绿色区域为参考文献相似部分，红色区域红色区域为其它论文相似部分。三、相似论文作者（举例9个）三、相似论文作者（举例9个）点击查看全部举例相似论文作者四、典型相似论文（举例11篇）四、典型相似论文（举例11篇） 头部中前部中部中后部尾部序号序号相似比相似比相似论文标题相似论文标题参考文献参考文献论文类型论文类型作者作者来源来源发表时间发表时间13.94%基于气动机械手实现纸基摩擦材料自动抄片技术基础研究学位论文陈志彬西北工业大学200723.94%压力变送器法兰密封焊接系统的研究学位论文易绍祥厦门大学201233.94%全自动表针冲压成型机的设计与研究学位论文栾厚宝厦门大学200943.15%汽车变速箱装配测量技术的研究学位论文连传庆合肥工业大学20092 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告五、相似论文片段（共10个）五、相似论文片段（共10个） 序号序号相似比相似比相似论文标题相似论文标题参考文献参考文献论文类型论文类型作者作者来源来源发表时间发表时间52.36%基于气动技术的间隙测量及调整系统开发研究学位论文韩克镇哈尔滨理工大学200661.57%工业机器人机械手设计期刊论文黄贤新装备制造技术201271.57%轻型液压平动搬运机械手研制期刊论文谭益松 等液压与气动201381.57%番茄力学特性及其在采摘机器人执行器设计中的应用学位论文姜丽萍江苏大学200691.57%工业机械手的设计期刊论文康立新 等中小企业管理与科技2009101.57%四自由度工业装夹机械手液压系统的设计与分析期刊论文王敏杰机电信息2011111.57%一种工业四自由度机械手设计期刊论文孙贤花电源技术应用20131 1送检论文片段送检论文片段相似论文片段相似论文片段【2.36%】位置：头部中前部中部中后部尾部机械化和自动化的生产过程中已成为一个突出的主题。生产过程的自动化化学连续性已基本得到解决。但在机械行业，加工，装配等生产是不连续的。专用机是一种有效的方式来大规模生产自动化，程控机床，数控机床，加工中心等自动化机械是有效地解决了多品种小批量的生产自动化的重要途径。但在凿除本身，也有很多装卸，搬运，装配作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运2 2送检论文片段送检论文片段相似论文片段相似论文片段【1.57%】位置：头部中前部中部中后部尾部来源：一种工业四自由度机械手设计 期刊论文电源技术应用，2013年 孙贤花3 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。机器人是一种机体功能，程序自动固定装置的上部。机器人具有结构简单，成本低，易维护等优势，但功能较少，适应性差。目前我国常把具有上述特点的机器人作业，有待于进一步实现机械化。一些小型机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础【。“工业机器人”多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本3 3送检论文片段送检论文片段相似论文片段相似论文片段【1.57%】位置：头部中前部中部中后部尾部来源：四自由度工业装夹机械手液压系统的设计与分析 期刊论文机电信息，2011年 王敏杰常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种，如图2所示：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械手；(4)多关节型机械手。2.1.1直角坐标系机器人直角坐标型机器人，它在x，y，z轴上的运动是独立的，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式作业,在构造和性能上兼有人和机器各 自的优点,在实现柔性制造、提高产 品质量、代替人在恶劣环境条件下工作 ,发挥着重要的作用 。1 机械 手 的机 械 系统常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为 以下 4种 :(1)直角坐标型机械手；(2)圆柱坐标型机械手 ；(3)极坐标型机械手；(4)多关节型机械手 。1.1 机 构原理本处讨论的工业4 4送检论文片段送检论文片段相似论文片段相似论文片段【1.57%】位置：头部中前部中部中后部尾部来源：全自动表针冲压成型机的设计与研究 学位论文栾厚宝，2009年 厦门大学气缸参数计算3.3.1.1 预选气缸的缸径及缸桶壁厚：根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力F。取 ） （3-1）【6】根据负载的运动状态，预选气缸的负载率 。取 =50%根据气源供气条件，确定气缸的使用压力p。p应小于减压阀进口压力的85%。已知 ， 和 ，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比 ，由式（3-2）至式（3-4），便可选定选用1、预选气缸的缸径(1)根据气缸的负载状态,确定气缸的轴向负载力F,根据负载的运动状态,参考表3.3,预选气缸的负载率77。表3.3负载率的选择负载的运动状态 静载荷(如夹紧、低 动载荷速压铆) 气缸速度 气缸速度50.。500mmS 500 mms负载率77 70% 50%30%(2)根据气源供气条件,确定气缸的使用压力P。P应小于减压阀进口压力的85%。已知F、r和P,对单作用气缸,预设杆径与缸径之比dfD0.5,由公式(3.5)-(3.7)以及公式(3.12),便可选定4 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告缸径D，缸径D的尺寸应标准化. （3-2）【6】 （3-3）【6】 (3-4) 【6】解得D17.66 考虑到气缸的行程比较长缸径D取 。缸桶壁厚可根据5 5送检论文片段送检论文片段相似论文片段相似论文片段【1.57%】位置：头部中前部中部中后部尾部来源：汽车变速箱装配测量技术的研究 学位论文连传庆，2009年 合肥工业大学行程比预选气缸行程为200mm。3.3.1.3 验算缓冲能力：根据气缸的运动状态是输出拉力、负载率 =50%、气缸的行程L=200mm和气缸的动作时间t=1.5s，由气动手册P293图9-7可查得气缸的理论基准速度 。由表9-20，可查得气缸的最大速度 与理论基准速度 之比a值为0.9，从而求的气缸的最大速度 。查得气缸的负载质量M和最大速度 的交点在预选气缸缸径的缓冲曲线之下，表示负载运动缓冲能力是否符合要求。根据气缸的运动状态、负载率、气缸行程和气缸的动作时间,可以查得气缸的理论基准速度u。,Uo200mms。根据气缸的运动状态和负载率,可查得气缸的最大速度u和理论基准速度u。之比口值,口0.97.因此,气缸的最大速度:u。,口uoO.97200194mms.根据缓冲气缸的缓冲特性曲线T乜91,可查到气缸的负载质量M和最大速度u的交点在预选气缸缸径的缓冲6 6送检论文片段送检论文片段相似论文片段相似论文片段【1.57%】位置：头部中前部中部中后部尾部来源：压力变送器法兰密封焊接系统的研究 学位论文易绍祥，2012年 厦门大学气缸行程极限定位，采用电磁换向阀，控制伸缩方向。4.3机械臂气缸的选用4.3.1 预选气缸的缸径根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力F。 取 （4-1）【6】根据负载的运动状态，预选气缸的负载率 。压力，。下面研究气缸选用的具体步骤：预选气缸的缸径根据外部工作需要，确定活塞杆的推力或拉力。根据负载的运动状态，参考表，预选气缸的负载率刁。根据气源供气条件，确定气缸的使用压力，应小于减压阀进口压力的。已知、，和，对于双作用气缸，预选出，由式（）和（），便可选定缸径，缸径的尺寸应标准化。预选气缸行程行程是气缸5 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告 取 =50%根据气源供气条件，确定气缸的使用压力p。p应小于减压阀进口压力的85%。已知 ， 和 ，对双作用气缸7 7送检论文片段送检论文片段相似论文片段相似论文片段【1.57%】位置：头部中前部中部中后部尾部来源：全自动表针冲压成型机的设计与研究 学位论文栾厚宝，2009年 厦门大学状态，确定气缸的轴向负载力F。 取 （4-1）【6】根据负载的运动状态，预选气缸的负载率 。 取 =50%根据气源供气条件，确定气缸的使用压力p。p应小于减压阀进口压力的85%。已知 ， 和 ，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比 ，由式（4-2）至式（4-4），便可选定缸径D，缸径D的尺寸应标准化. (4-2) 【6】 （4-3）【6】 (4-4) 【6】解得D17.75，考虑到气缸的行程比较长缸径D取 。缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算： (4-5) 【6】式中D为缸筒内径(cm)，p为缸筒承受的最大气压
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