全自动上管机械手设计

上海理工大学高等学历教育毕业设计（论文）1第 1 章 绪 论1.1 工业机械手的定义工业机械手诞生于 20 世纪 60 年代,在 20 世纪 90 年代得到迅速发展,是最先产业化的机械手技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国,工业机械手的真正使用到现在已经接近 20 多年了,已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机械手技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机械手是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机械手既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机械手与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中，工业机械手广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送装备和其它操作。工业机械手和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机械手技术综合体柔性生产系统基本结构模块。机械手是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。一方面，机械手在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展；另一方面，机械手向着非制造业应用发展以及微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。在理论上，随着世界经济和技术发展，人类活动领域的不断扩大，机械手应有正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，全自动上管机械手的设计2各种各样的机械手产品随之出现。SA700 单轴伺服机械手的设计，不但在技术上可以追踪机械手的发展趋势，而且还可以填补工业机械手的应用的空白，促进我国工业机械手的技术水平的提高和产业化水平的发展。本次设计是根据对工业三自由度机械手的总体结构及传动系统的分析和探讨，进行三自由度工业机械手的结构设计。关键在于三轴（臂）的传动系统的设计以及整体的结构设计。工业机械手的定义为：一种能够自动定位控制，可重复编程的，多功能的，多自由度的操作机。工业机械手是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从 1962 年美国研制出世界上第一台工业机械手以来，机械手技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机械手所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机械手称做操作机械手。智能机械手是机械手的发展方向，它具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机械手，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机械手。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。1.2 工业机械手的组成工业机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成。如图 1-1 所示。目前，具有人工智能系统的工业机械手即智能机械手还处于研究实图 1-1 机械手的一般组成验阶段。而应用于生产实际的多数是那些具有执行系统、驱动系统和控制系统的工业机械手。要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动上海理工大学高等学历教育毕业设计（论文）3的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。对于现代智能机械手而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机械手“眼睛” ，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机械手的触觉装置。机械手的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机械手的。要实现机械手所期望实现的功能，机械手的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1-2 所示。图 1-2 机械手各组成部分之间的关系机械手的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机械手各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机械手各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机械手分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。全自动上管机械手的设计4第 2 章 工业机械手的理论设计2.1 机械手的特点分析机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机械手所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器手称做操作机械手。机械手的特点：（1） 对环境的适应性强 能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。（2） 机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。（3） 由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。（4） 机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。2.2 机械手的设计分析1.机械手概念：工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系、多用途的操作机。他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。关于机械手的定义随着科技的不断发展，在不断的完善.2.机械手的特点：自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角；自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行；一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。高可靠性、高速度、高精度。可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。3.机械手的应用：因末端操作工具的不同，机械手可以非常方便的用作各种自动化设备，完上海理工大学高等学历教育毕业设计（论文）5成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、 （软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用于多品种、便批量的柔性化作业，对于稳定提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。随着机械手的应用越来越广泛，机械手的设计工作日益显得重要。成功的设计一台机械手涉及到很多方面的工作，包括机械结构、动力驱动、伺服控制等等。4.机械手设计特点：机械手的设计是一个复杂的工作，工作量很大，涉及的知识面很多，往往需要多人完成。机械手设计是面向客户的设计，不是闭门造车。设计者需要经常和用户在一起，不停分析用户要求，寻求解决方案。机械手设计是面向加工的设计，再好的设计，如果工厂不能加工出产品，设计也是失败的，设计者需要掌握大量的加工工艺及加工手段。机械手设计是一个不断完善的过程。5.机械手设计流程：使用要求的分析：每一个机械手都是根据特定的要求的产生而设计的，设计的第一步就是要将使用要求分析清楚，确定设计时需要考虑的参数，包括： 机械手的定位精度，重复定位精度； 机械手的负载大小，负载特性；机械手运动的自由度数量，每自由度的运动行程；机械手的工作周期或运动速度，加减速特性；机械手的运动轨迹，动作的关联；机械手的工作环境、安装方式；机械手的运行工作制、运行寿命；6.设备寿命校核机械结构设计完成后，要对整台设备进行寿命计算，核心元件的寿命到要计算，如机械手轨道的寿命，减速机的寿命，伺服电机的寿命等。机械手的运行寿命与运行速度、负载大小、结构形式、工作环境、工作制等有关。如果发现机械手的运行寿命太短，需要重新调整设计。以上为一个机械手机械结构部分的设计方法，至于控制系统部分这里不加说明。全自动上管机械手的设计6第 3 章 全自动上管机械手的设计3.1 机械手的设计目的与作用通过不断学习和对工作经验的积累，对于机械手的结构和设计有了一定的认识，开始进行一种用于节能灯烤管涂膜机全自动上管的机械手的设计。设计的这个机械手臂的作用是将传送带上送达的工件规律的准确的逐个送到指定的位置，这个位置位于传送带的侧上方，是一个一定长度的插头，工件会套上插头并被带走进入下一道烘烤工序，所以工件在最后还要有一个套上的动作。3.2 机械手的运动轨迹分析与整体思路经过以上 3.1 的考虑，我们设计工件的轨迹分为两段，先是一个逆时针的角度旋转，到达插头的延伸线上后再进行一个直线运动，直到到达终点。如图3-2-1机械手的夹取动作可以直接用一个平行气缸配合零件来完成，最后的直线运动可以直接用一个直线气缸配合零件完成，中间的旋转运动考虑到其稳定性决定用电机变速后带动凸轮机构，凸轮机构传动带动齿条齿轮的方法来实现。于是得出的设计方案是电机传动凸轮，凸轮传动齿条，齿条传动齿轮，齿轮图 3-1 运动轨迹带动整个机械手臂旋转，直线气缸带动手臂上下直线移动，平行气缸带动夹板上海理工大学高等学历教育毕业设计（论文）7夹取工件。机械手臂材料的选取与一般机械设备相比，机械手结构的动力特性是十分重要的，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求是：强度高、弹性模量大、重量轻、阻尼大、材料价格低。这里只要采用普通的碳素结构钢就可以了。3.3 机械手臂部分设计与分析由于节能灯烤管涂膜需要在近 200高温的工作条件下进行，采用电机直接驱动不合适，所以这次改为气缸和机械驱动，利用凸轮机构来实现其传送过程，气缸推送达到其夹取和入位的目的。理论原理设计：1 如图 3-3-2 组合手臂主视图、图 3-3 组合手臂俯视图所示：凸轮的自转，产生固定循环的势力差变动，通过摇臂的传动将势力差转换为上下运动，摇臂的转动从而带动机械手臂的旋转，然后气缸的推动达到传送灯管的作用，而平行气缸则是达到夹取灯管的作用，通过以上动作的组合便可以完成需要的工作过程。2 其中还设计到旋转角度，传送距离，以及夹取的强度预算问题：（1）旋转角度：旋转角度则为凸轮来控制，通过计算旋转的角度给传动臂（图 3-3）带来的上下位移的距离，然后经过摇臂的缩放，调整到凸轮适合的势差范围，对凸轮进行合理的设计。（2）传送距离：则为对气缸的选取，首先对推动力进行计算，摩擦力加上负载重量乘以 120%为选取气缸基准力，挑选适合的气缸。（3）夹取的强度：在夹具上有调节空档大小的功能，若夹取过紧了，可以调整螺丝将其放松，夹取过松，可以调整螺丝使其内移变紧。全自动上管机械手的设计8图 3-2 组合手臂主视图图 3-3 组合手臂旋转图上海理工大学高等学历教育毕业设计（论文）9图 3-4 组合手臂俯视图3.4 机械手臂部分零件详解3.4.1 工件（灯管）本机械手需要移动的工件为直径 70MM 的节能灯灯管，俯视图为圆形，属于非常轻的工件，所以整体机械臂所需要产生的力也很小。3.4.2 夹板夹板分为左右两块，内壁黏贴一层塑胶以减小与工件接触时的冲击力且能增加移动工件时的摩擦力。夹板内壁为圆形，工件也是圆形，左右