液压工业抓持机械手设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 绪论 器人的定义 工业机器人及其应用技术是现代工业自动化发展的一个重要分支，作为多学科融合的边沿科学，机器人技术是当今高技术发展最快的领域之一。随着机 械结构 学、微电子技术、液压技术、 控制理论、计算机技术、人工智能的研究取得突破性进展，必将对机器人技术的研究及应用产生深远的影响，特别是生物技术、医学在感觉及大脑神经研究所取得的重大成果 ， 为未来高度智能化机器人的诞生打下了坚实的基础。由于机器人科学的发展十分迅速，世界上对机器人还没有一个明晰、统一的定义。国际标准化组织 (定义 :机器 人是一种可以反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作机或为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统 (A of or of 。 随着我国在工业机器人技术上研究的不断进展，很多专家也建议建立自己的机器人定义，我国国家标准 12643工业机器人定义为 “一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用于完成各种任务作业 ”。 业机器人的发展简史及趋势 50 年代，机器人技术开始萌芽，并随计算机技术及数控技术的研究进展而迅速发展起来。 1949 年，美国空军研制新型军用飞机，它把成熟的伺服技术与当时新近发展起来的数字计算机技术结合起来，麻省理工学院 (射实验室于 1953 年研制出这样的机器。 1954年美国人 (请了第一个机器人技术方面的专利 “程序控制物料传送装置 ”，根据这一专利， 1959 年第一次成功地研制出采用数字控制程序自动化装置的原型机。世界上第一台实用的工业机器人是美国 司研制成功的 器人，人们普遍把 器人看成是现代工业机器人的鼻祖。 到了 90 年代后期，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之 外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。 我国的机器人研究相对开始较晚。先后经历了上世纪 70 年代的萌芽期， 80 年代的开发期和 90 年代的适用化期。 1972 年 我国 开始研制工业机器人。进入 80 年代，我国机器人技术的发展得到了国家和政府的重视与支持。 “七五 ”期间，国家着重进行了工业机器人基础技术、基础元件、几类工业机器人整机与应用工程的开发研究。经过五年的攻关，完成了示教再现式工业机器人的成套技术开发，研制出喷漆、弧焊、点焊和搬运等作业机器人，开发了几类通用与专用控制器及几类关键 的 元部件，并在生产中经 受了实际应用的考验。90 年代是我国机器人技术发展的关键年代。 我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。国家 863 高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。而在 “十一五 ”期间，我国更强调了机器人技术的重要性， 把 重点 放在 解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在 “十五 ”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。 21 世纪的头十年应是我国工业机器人实现商品化、为产业化铺平道路的时期，在扩大国内应用领域的同时，进一步开拓国际市场，促 进国际合作，为以后我国工业机器人的普及和腾飞打下坚实的基础。 现在国内外 机器人 领域的发展近几年有如下几个趋势 : 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 （ 1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。 （ 2）机械结构向模块化、可重构化发展。 （ 3）工业机器人控制系统向基于 的开放型控制器方向发展，便于 实现 标准化、网络化。 （ 4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合 技术来进行环境建模及决策控制 。 （ 5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 目的国内外 研究 现状 机械手也 是 工业机器人 的一种 ，它 能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。 机械手 可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件的部件， 根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式 ； 运动机构 是 使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。 作者 所研究的项目是 “轴类零件二维运输机械手 ”，项目来源于云南铜业股份有线公司的电镀生产线改进 。根据设计要求，机械手手部采用夹持式结构 ，在空中能实现升降移动和前后移动两个自由度， 并 能搬运重 30轴类零件。 机械手最多有六个自由度，二维机械手是其中最简单的一种，技术相对成熟。 国内外很多专家和学者都对这类机械手进行了研究， 国外发展最成熟的是日本的公司，把可 重构化 的思想与机械手 机构 相结合 ，生产的机械手不仅价格低，还具有相当广泛的适用性，易于维护和改进。我国的机械手研究起步较晚，发展相对落后，虽然也有 很多公司已经开始生产这种机械产品， 并初具规模， 例如上海瓦科自动化设备有限公司、扬州市恒阳冶金科技有限公司 、 广州市 海同机电设备有限公司、大连四达高技术发展有限公司和 上海优乐博特自动化工程有限公司等都是专业提供各种机械手的 公司， 但 多采用电动机来驱动和控制 ，使 这类机械手运行不平稳、 体积大、 调速不方便、 造价昂贵，且只能控制单个机体的运动，不利于组装在自动生产线上。 而应用在电 镀行业的机械手更是少， 由于电镀行业的特殊性 ，项目的复杂性，市场上不可能买到现成的机械手装备，重新设计电镀行业二维轴类零件运输机械手生产线有相当大的必要性。 目前，在电镀行业，机器设备还比较差，多为人工操作或是半自动机操作， 生产线装备更是比较落后，致使 生产效率低，而且在 恶劣的 环境下，对工人身体不利还易出现危险。正是在这种条件下，以电镀行业轴类运输通用机械手为 切入点 ，设计能够在电镀槽与电镀槽之间 、电镀槽与上料装置之间、电镀槽与下料装置之间 搬运轴类零件的通用机械手，为改善此行业的生产效率低，工人环境危险的问题。 虽然目前也有很多 同类 运输机械手正在应用中，可是最大的问题是，这些机械手为专用化设备，不仅价格高，而且适应性不强，有的只能适用于一种零件 或只适用于一条生产线 ，且有些老式的机械手体积庞大，浪费了不少资源，这也就成了制约电镀行业发展的瓶颈。 综上所述，机械手生产线作为新一代生产工具，能够 代替人完成人力所不及或人所不适宜的工作。随着机械手在各个领域的应用，对机械手的综合性能提出了更高的要求，专业化更强，实用性更高，经济性要求也己经摆到了人们的面前。因此，结构简单、操作方便、能满足功能要求又具有一定的可靠性的工业机器 人或者说功能专一的机械手需求量越来越大。 目的可行性与安全性分析 目的可行性分析 可行性研究的目的是用最小的代价在尽可能短的时间内确定问题是否能够解决。以下分别从经济上、技术上、运行上、法律上对该系统可行性进行研究。 （ 1）从经济上来说，随着技术的逐步成熟 与工作效率的提高，液压缸、行架、导轨、螺钉等零件和加工成本等费用都有所降低，原来十几万的系统成本现在几万元就能实现，而该系统投入运行后能节约更多的财力， 现在主要表现有以下 几 个方面 : 第一，本系统的运行可以代替人工进行许多繁杂的劳 动； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 第二，本系统的运行可以节省 更 多 的 资源； 第三，本系统的运行可以大大的提高 工作人员 的工作效率； 第四，本系统的运行可以满足 大量轴类零件的电镀，很好的适应零件的变化。 所以，本系统在经济上是可行的。 （ 2）从技术上来说， 本系统的开发 应用机械原理、机械设计、精度配合的知识对其结构进行设计，在二维绘图软件 液压系统设计的基本步骤和计算方法对其液压油缸、液压站、集成油路进行设计；从工艺学的角度出发对机械手中的复杂零件进行结构设计。 综上所述，本系统的设计与开发在技术上和 软 硬件设备 上的条件都是满足的，因此，它在技术上是可行的。 （ 3）从运行上来说， 本系统为一个 轴类零件二维运输机械手生产线 系统， 采用液压驱动的方式，使三个机械手同步运动完成整个电镀的过程。机械工厂的电压 380V，能提供此系统所需的能量。 因此，本系统在运行上也是可行的。 （ 4）从法律上来说， 本系统纯为私人设计，在开发过程中没有涉及合同、责任等与法律相抵触的方面。因此，本系统在法律上是可行的。 系统安全性研究的目的是该系统的运行不影响工人的工作生活，工厂的设备， 零件的质量以及尽量避免事故的发生。主 要表现在以下几个方面： （ 1）油缸的设计及密封方式做了很好的保护，尽量避免露油、泄油事故的发生。 （ 2）定期对油缸、油管、油口进行检查与清洗，避免油口或油管堵塞事故的发生。 （ 3）整个生产线放置指定的区域里，外围用黄色警戒线标出，以免工人无意靠近造成事故的发生。 （ 4） 对机械手生产线进行维修，检查时，事先切断电源开关，防止事故的发生，提高系统的安全性。 综上所述，该机械手生产线是安全的。 论文的主要研究内容 本论文选题于 电镀行业的 “轴类零件二维运输机械手设计 ”，并把机械手运用到自动生产线上。该生产线 针对现在电镀行业工作效率低、电镀成本高、工人工作环境危险的情况而设计。 主要完成机械手夹紧和松开、前后移动、上下移动的功能，实现把将要电镀的轴类零件从上料机构取下，到完成电镀从下料机构取出的全自动化操作，整个过程需要三个机械手同步运动，它们是生产线的重要组成部分，其组成环节较多，结构复杂，较难协调工作。整个运动采用液压驱动的方法 ，分别用三对油缸实现三对运动，这是本文论述的重点。而行架、上料机构、下料机构、电镀槽的结构相对简单，在整个系统中只取到辅助作用，所以只对其进行简单的描述。 本论文研究的主要内容有： （ 1）轴类零件二维运输机械手的总体方案的确定 。机械手采用悬挂式结构，在空间行架上运动，用液压进行驱动，构建液压站对其进行控制。 （ 2）机械手手部结构的设计 。手部采用连杆杠杆式结构，夹持部用镶块的结构。由于是 搬运轴类零件，采用两支机械手并排设计。 （ 3） 机械手行走机构的设计。 机械手要能前后运动，只有在机械手上安上滚轮和导轨实现机械手的高效的运动。 （ 4） 液压缸的设计 。机械手有三对运动，故采用三个液压缸来满足系统的需要，对每个液压缸都需要详细的设计。 （ 5） 液压站的设计 。包括油箱、 电动机、液压泵、油管等的设计过程。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 （ 6）功能检验 。检验机械手的各功能，并效验使用年限和工作效率。 2 机械手关键技术分析 言 机械行业拥有悠久的历史，是一个自古就有的行业。从古代生产简单的小型工具开始，到英国工业革命时期瓦特发明蒸汽机，到现在新型数控机床、大型机的发明，整个机械行业都在向前发展着。而工业机器人和专用机械手这个才起源于上实际 70 年代的应用科学，伴随着传动技术、液压技术、计算机技术、传感技术、控制工程等各种科学的 交叉发展，技术逐步趋近成熟，在国民生活中发挥到越来越来的作用。这是在这些关键技术的基础上，机械手生产线才能做出正确的设计。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 镀技术 随着工业化生产的不断细分，新工艺新材料的不断涌现，在实际产品中得到应用的设计效果也日新月异，电镀是在设计中经常要涉及到的一种工艺，对于这种工艺的应用已经非常广泛，通过这种工艺的处理我们通常可以得到一些金属色泽的效果，如高光，亚光等，通过这样的处理为产品的设计增加一个亮点。电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。简单的 理解，是物理和化学的变化和结合。我们一般应用电镀工艺来提高工件的抗腐蚀、抗磨损的性能，或提供导电或绝缘性能的镀层改变工件的电性能等。 电镀工艺要求镀层金属做阳极，待镀件做阴极，镀层金属的盐溶液做电解质溶液 ,通直流电进行电镀。利用这个原理 ,可以镀金、银、铜、锌、镉、镍等。也可以说，电镀是指借助外界直流电的作用，在溶液中进行电解反应，使导电体例如金属的表面沉积上一层金属或合金层的过程。 该机械手系统就是应用在电镀铜生产线上，用 电解质溶液，要镀的金属轴类工件接电源负极，电源正极接纯铜。通电后，阳极的 子失去电子变成 离子溶入电解液中，而在阴极：金属铜以离子状态进入镀液，并不断向阴极迁移，最后在阴极上得到电子还原为金属铜，逐渐形成金属铜镀层。其反应式为： 阳极： 2e 阴极： + 2e 压技术 压传动概述及其优点 一部完整的机器就是一个复杂的系统，由动力子系统、传动子系统、控制子系统和工作机构等组成。传动部分是一个中间环节，而液压传动是传动方式的一种主要类型。液压传动（ 用液体的压力能进行能量转换与传递。液压系统主要由：动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。近 30 年来，由于控制技术、微电子技术、计算机技术、传感检测技术及材料科学的发展，极大的推动了液压传动与控制技术的发展，使其成为集传动、控制、计算机、传感检测、机电液为一体化的全新的自动控制技术。 液压传动与控制技术应用在工程机械、矿山机械、建筑机械、农业机械、汽车机械、机床机械、军事机械、海洋工程等各种行业，在国民经济生活中得到了广泛的应用。表现出液压传动的优点： （ 1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击。因此，液压传动易于实现快速启动、制动及频繁换向，每分钟的换向次数可达 500 次（左右摆动）、 1000 次（往复移动）。 （ 2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现大范围的无极调速。这使得液压传动装置可在极低的速度下输出很大的力 （ 3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换。 （ 4）液压装置易于实现过载保护。当液压系统超过负荷（或系统承受液压冲击） 时，液压油可以经溢流阀排回油箱，系统特到过载保护。 （ 5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长。 （ 6）操纵控制简便，自动化程度高。 （ 7）易于设计和制造。因为液压元件都已经实现标准化、系列化、通用化，使液压买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 系统的设计、制造都比较方便。 压传动的基本原理 液压传动是以有压力的油液作为传递运动的介质，通过液压泵把电动机（或其他动力）供给的机械能转换成油液的液压能，油液输入液压缸后，又通过液压缸把油液的液压能转变成驱动工作部件运动的机械能。液压系统中的 能量转换与传递过程可以简单的用图 2 1来表示。 图 2 1 液压系统中的能量转换与传递过程 在液压系统中，无论电动机的旋转运动或其他直线运动的机械能都依靠密封容积的变化转化为液体的压力能，即液压泵输出的液压油具有一定的压力。而工作部件运动的速度决定于在单位时间内通过节流阀流入液压缸中油液的多少，因为工作部件运动时所能克服的阻力大小于液压油的压力和活塞的有效工作面积有关。对液压系统的控制则是通过控制和调节液压油的压力、流量及液压方向来实现的，因此， 液压传动和液压控制是不可分割的。 压系统的设计步骤和内容 液压系统的设计是整个机器设计的一部分，它的任务是根据机器的用途、特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。液压系统的设计步骤大体如下： （ 1）液压系统的工况分析。即在开始设计液压系统时，首先要对机器的工作情况进行详细的分析，一般要考虑下面几个方面的问题。 第一：确定该机器中哪些运动需要液压传动来完成。 第二：确定各运动的工作顺 序和各执行元件的工作循环。 第三：确定液压系统的主要工作性能，包括执行元件的运动速度、调速范围、最大行程以及运动的平稳性要求。 第四：确定各执行元件所承受的负载及其变化范围。 （ 2）拟定液压系统原理图。即根据任务要求，确定采用执行机构的型式、调速方案和速度换接方法，满足系统的调压、卸荷及执行机构的换向和安全互锁等要求，选择基本回路，然后将各基本回路组合成液压系统原理图。 （ 3）液压系统的计算并选择液压元件。液压计算的目的是确定液压系统的主要参数，以便按照这些参数合理的选择标准元件和设计非标准元件。具体设计计 算步骤如下 : 第一步：计算液压缸的主要尺寸以及所需的压力和流量。 第二步：计算液压泵的工作压力、流量和传动功率。 第三步：选择液压泵和电动机的类型和规格。 第四步：选择阀类元件和辅助元件的规格。 动力元件 执行元件 机械能 液压能 机械能 控 制 元 件 控制与调节作用 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 （ 4）对液压系统进行验算。为了确保系统的稳定运行，满足设计任务的要求，对液压系统的压力损失和发热升温要进行验算。 （ 5）绘制正式工作图和编制技术文件。正式工作图一般包括：液压系统原理图；非标准的液压缸、液压油箱图；液压泵、液压阀及管路的安装总图。技术文件一般包括：基本件、标准件、通用件及外购件汇总表，液压系统安装和 调试要求，设计说明书等。 械设计技术 械原理 “机械 ”是 “机器 ”和 “机构 ”的总称，机械原理正式一门以以机器和机构为研究对象的科学。在机械原理中，我们把机器的各种问题看成是归纳成机构的结构和运动学以及机器的动力学两个方面来考虑。现代机器人的研究，正是建立在此基础上，在机构学中形成了研究专题，其中以普通、特殊串联、多环并联机器人机构，步行和蛇行机器人机构等为研究对象，包括结构分析、运动学、动力学建模，最优控制，参数识别等多个应用领域。 用机械原理的方法，能使所分析的问题简单化 ，以最快的速度，最优的方法满足系统的要求。我所设计的电镀机械手手部结构运用连杆杠杆式机构的原理，绘出正确的机构简图，并对机械手进行运动分析和动力分析。 械设计 机械设计是为了满足机器的某些特定的功能而进行的创造性的过程，即用新的原理或新的概念，开发创新出新的产品。我已经掌握了通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有选用通用机械传动装置和初步具有设计简单机械的能力，具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力，在此机械设计能力的基础上，我的项目题目为 “轴类运输二维机械手的 设计 ”，包括了机械手手部结构、传动系统、空间行架、行走机构和液压站的设计。整个产品的设计步骤如下： （ 1）明确设计的任务要求，把任务分解为具体的功能模块。 （ 2）针对具体的要求，提供可供选择的方案，并进行比较得出最优的方案。 （ 3）按照选定的方案进行总体设计、运动学、动力学分析、零部件的工作能力和结构分析，绘制装配总图。 （ 4）根据装配图，结合具体的生产条件和零件的结构工艺性等因素，绘制零件工作图。 （ 5）整理图纸，编写计算说明书和使用说明书。 我所设计的机械手正是根据这个设计步骤进行设计和分析的，从解读任 务要求到完成设计说明书，都以机械设计的思想和方法贯穿于始终，以机械设计手册为重要的参考资料，完成整个机械手的设计过程。 度设计 任何机械产品，都是由零部件组成的。因此，机械零部件几何参数的精度（尺寸精度、形状及相互位置精度、表面粗燥度等）会直接影响现代机械产品的质量，包括工作精度、耐用性、可靠性、效率等。这就是说，在合理设计结构和正确选用材料的前提下，机械零部件几何参数的精度设计是保证产品质量的重要因素，是机械设计的基础。机械零部件几何精度的任务，就是根据使用要求对于经过参数设计阶段确定 的机械零件的几何参数合理的给出尺寸、形状位置和表面粗糙度公差值，用以控制加工误差，从而保证产品的各项性能要求。机械产品中的孔、轴结合主要有三种形式：孔、轴有相对运动，孔轴固定连接和孔、轴之间定位可拆连接。为满足这三种配合要求，极限于配合国家标准规定了配合制、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 标准公差系列和基本偏差系列，其基本结构图如图 2 2 所示。 图 2 2 极限与配合的结构 在机械制造过程中，从工艺上和宏观经济效益考虑，一般优先选用基孔制。这是因为加工孔用的刀具多是定值 的，选用基孔制便于减少孔用定值刀具和量具的数目。而加工轴的刀具大都不是定值的，因此，改变轴的尺寸不会增加刀具和量具的数目。轴类零件二维机械手经过设计计算，应用到的配合尺寸如图 2 3 所示。 序号 配合零件 配合代号 配合制 配合类别 配合特征 1 活塞与油缸 H7/孔制 间隙配合 较小的间隙，应用于精密的润滑处。 2 活塞杆和法兰盖 H7/孔制 间隙配合 较小的间隙，应用于精密的润滑处。 3 内缸套和外端盖 H7/孔制 间隙配合 较小的间隙，应用于精密的润滑处。 4 法兰盖和 油缸 H8/孔制 间隙配合 较小的间隙，应用于精密的润滑处。 5 开口销的连接 H8/孔制 间隙配合 一般的间隙，用于一般转速的动配合。 6 机械手部铰链连接处 H9/孔制 间隙配合 较大间隙多应用于铰接处。 7 弹性联轴器的配合 H7/孔制 过渡配合 大部分有微小的间隙，用于稍有震动的配合。 图 2 3 机械手设计中用到的配合 程材料 材料用来做器件、机构或其他产品，材料是生产生活的物质基础。对机械手进行设计，首先就是要对材料进行选择。选用材料的 好坏，直接影响到整个机器的性能好坏，如果选择的材料不适当，整个机器无法正确的制造出来，这个设计就是白费。在机械行业中，应用得最广的仍然是金属材料。根据初步的估计，整个机械手生产线自重的 70左右为铸铁，碳钢占 20，其余为合金钢及少量的有色金属塑料等。了解钢的热处理及各金属材料的组织、性能关系，从工艺学的角度认识机械产品是进行设计的基本前提。再好的设计，如果在实际生产中无法制造出来，那么这个设计就是失败的，正式这点，使我的整个机械手的设计立足于实际生产。从毛坯的材料选择到材料的制造工艺，都为本设计提供了基本 的保证。 算机绘图技术 计算机绘图是相对于手工绘图而言的一种高效率、高质量的绘图技术。手工绘图使用三角板、丁字尺、圆规等简单工具，是一项细致、复杂和冗长的劳动。不但效率低、质量标准公差系列 基孔制配合 配合制 基本偏差系列 基轴制配合 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 差，而且周期长，不易于修改。随着计算机技术的发展，用计算机绘图能很好的解决手工绘图所带来的不便。 现在市场上，计算机绘图软件主要分三维绘图和二维绘图两大类，由于现在三维绘图软件还发展的不太成熟，国内公司主要应用三维绘图在外观设计和产品造型方面。而我所设计的机械手处于结构的设计，用二维绘图软件才能更好的表示出整个系统的结 构和尺寸。国内市场比较活跃的二维绘图软件有：美国 司 工开目公司的 航华正的 软公司的 为 仅具有绘图方便、操作简单、运行消耗的资源小等优点，更因为它的种类齐全的国际标准件图库，灵活的剖面线设置使得越来越多的企业应用此软件。正是因为此原因，我说设计的机械手采用试版）的开发环境进行计算机绘图。 章小结 本章对机械手所采用的关键技术及设计思想进行了介绍。首先详细说明液压的基本原理和方法，接着分别 介绍了机械设计技术和计算机绘图技术的方法原理，并初步介绍了机械原理、机械设计、精度设计、工程材料等方面的基础知识，同时分析了 图的优点及整个设计的开发环境。为下面几章的机械手详细设计做好了铺垫。 4 机械手系统总体方案设计 言 机器手是典型的机电一体化产品，根据机械手所要完成的要求，合理的分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、成本降低起着举足轻重的作用。因此，对轴类零件二维运输机械手采用系统的观点进行整体功能分 析，可以实现结构优化，是实现经济性、灵活性和高可靠性系统设计的重要环节和关键步骤。 械手任务要求 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 该机械手运用在电镀生产线上，为了提高劳动生产率，加快产品的生产速度与工人工作的安全性，要求三支机械手同步运动，当第一支机械手把轴类零件从上料机构搬运到电镀槽内时，第二支机械手负责把轴内零件从电镀槽搬运到清洗槽内，而第三支机械手则把零件从清洗槽搬运到下料机构中，最后整个工序完成。三支机械手在生产线上要求同步运动，即机械手每次运动都要完成如下动作： 下降 夹紧 上升 平移 下降 松开 返回 机械 手的设计参数与要求如下： （ 1）机械手能夹持轴类零件的直径为 3060 （ 2）机械手能进行上下运输运动，其最大行程为 300 （ 3）机械手能进行左右运输运动，其行程为 1001500 （ 4）工件重量 30件长度为 400 （ 5）完成一次运输时间小于 20秒钟。 （ 6）机械手使用年限为 20年。（按每年 250天，每天 16小时计算） 械手手部结构设计 机械手手部结构是轴类零件二维运输机械手最终的执行机构，是工业机器人、机械手生产线赖以实现各种运动的实体，机械结构的布局、 类型、传动方式以及驱动系统的设计直接关系着其工作性能。专业机械手属于工业机器人的一种，其机械结构按坐标形式主要有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型、 （ 1）直角坐标型机器人操作臂的优点是结构简单、刚度高，三个关节的运动相互独立，其间没有祸合，不影响末端手爪的姿态，不产生奇异状态，运动和控制都比较简单；缺点是占地面积大，动作范围小，操作灵活性差。 （ 2）球坐标机器人和圆柱坐标机器人占地面积小，工作空间较大，在空间中的定位也比较直观，但是它们的移动关节不容易防护，极坐标型机器人也存在移动关 节不易防护的问题，它们多用于一些特殊的作业环境。 （ 3） 应快，最适用于在垂直方向完成零件的装配作业。 （ 4）关节型机器人操作臂的优点是结构紧凑，占地面积小，动作灵活，在作业空间内手臂的干涉最小，工作空间大；缺点是进行控制时计算量比较大，确定末端执行部件的位姿不直观。 综上所述，关节型机器人虽然运动学分析比较复杂，控制难度大，但与其它型式机器人相比操作灵活性强，因而它的应用日益广泛。 针对该轴类零件二维运输机械手，为了使它具有一定的操作灵活性和较好的使用性能，在结构设 计上采用圆柱坐标型。整个机器人系统设计为 3个自由度，将运动分解为两部分 :移动部分和操作部分。移动部分占 2个自由度，包括上下移动机构和前后移动机构，这两个自由度相互垂直，其间无祸合，可以有效的进行控制。操作部分有 1个自由度，即为机械手夹紧和放松机构。机械手手部结构采用连杆杠杆式结构，如图 3 1所示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 图 3 1 机械手手部结构设计 动系统性能分析及方案设计 机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平。目前机器人的驱动方式主要有液压驱动、气动驱 动和电气驱动三种形式。气动系统具有结构简单、动作迅速，可在恶劣的环境中工作，但气动装置也存在噪声问题，只适用于精度要求不高的点位系统中。电气驱动系统具有精度高、控制准确、响应迅速快等优点，但控制较复杂、结构复杂、成本较高。而压驱动系统能够提供较大的驱动压力和功率，具有结构简单、性能稳定、无级变速等特点，液压伺服驱动系统响应速度快，可达到较高的定位精度和刚度，常用于要求提供较大驱动力矩、对移动性能要求差的大功率机器人系统中。综合考虑各种因素，这里设计的电镀生产线运输机械手系统运用液压驱动，建立一个液压站为整个 生产线提供动力支持。 液压驱动系统装配图见设计图纸部分第 2张：电镀自动线液压站装配图。 动系统设计 动方式概述 传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机器人相应的执行部件，以实现各种预定的运动。目前常用的传动方式有 :皮带轮传动、链条传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动、行星齿轮传动、谐波减速传动、螺旋传动等机械传动方式以及液体传动、电气传动等。谐波齿轮传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的缺点。行星齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点 是用于中等减速比传动，但存在齿轮间隙，难以实现正反转过程中精确位置要求，因此限制了它的广泛应用。蜗轮蜗杆机构常用于要求有大的传动比且传动过程中要求机构自锁的场合，这种方式安全性能高，但同样存在齿侧间隙，而且效率较低。皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑动，和链传动一样使用一段时间后易松弛，传动运转过程中还产生动载荷，因此，二者常用于传动精度要求不高的场合。滚珠丝杠传动具有传动效率高、摩擦阻力小、运转平稳且能够有效消除传动间隙，无传动 “爬行 ”现象和不自锁等优点，但是价格较高。相对机械传动，液压传动能进行 无级调速、可在极低的速度下传递出很大的力、体积小、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 质量轻、易于实现自动化等优点，应用较为广泛。 由于在电镀生产线上，机械手移动精度要求不是很高，但需要三支机械手同步运动，要传递的力很大，在满足性能的基础上考虑到经济性要求，所以，移动机构选用液压传动，由活塞液压缸来承担将油液压力转换为机械手的直线移动。 由于升降移动行程较短，故采用单杆移动液压缸就能满足要求；而机械手的前后移动由于行程为 1500离较长，故需采用液压缸套筒的结构，液压油先推动油缸内缸套筒移动，当内缸套顶住一 个凸台后，内缸套不动，液压油继续推动活塞杆移动，实现二级移动，即节约了液压缸的制造成本，又节省了液压缸的空间占位面积。 机械手移动部分传动设计，见设计图纸第 4张：机械手前后移动液压缸；第 5张：机械手升降移动液压缸。 考虑到机械手的零件为轴类零件，工件重量 30件长度为 400要两支机械手手爪均部于轴的两侧，实现同步运动，且机械手抓起零件后，在空中运输需要保持机械手的夹紧状态。用液压传动系统，可以直接用阀类元件控制两支机械手手爪的同步运动并进行夹紧，夹紧油缸要求体积小 ，但活塞运动速度快，保证夹紧时间小于 1s。 机械手夹持部分传动设计见设计图纸第 6 张：机械手手部结构设计。 械手总装配置 根据以上的设计方案，绘制出电镀生产线运输机械手总体配置方案如下图所示： 图 3 2 机械手总体配置图 整个机械手电镀生产线包括上料机构、下料机构、液压站、电镀槽、清洗槽、机体支座、支撑柜空中行架、机械手、液压缸等部件组成。在此 机械手电镀生产线上，三支机械手同步运动，当第一支机械手把轴类零件从上料机构搬运到电镀槽内时，第二支机械手负买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 责把轴内零件从电镀槽搬运到清洗槽内，而第 三支机械手则把零件从清洗槽搬运到下料机构中，实现三个零件同时工作，节省了人力，大大提高了工作的效率。 章小结 本章主要针对电镀生产线上，轴类零件二维运输机械手的性能要求和工作特点，对机械手的机械结构、传动方式、液压驱动以及总装配置等问题进行了整体分析和方案设计，确定连杆杠杆式的机械结构形式，采用液压驱动和传动技术，用液压缸和液压站来构建整个电镀自动生产线，并简单介绍了整个生产线的工作步骤。系统方案的确定为后文液压系统的设计、液压缸的设计和液压站的设计提供了根本条件。 4 机械手结构分析 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 言 机械手的结构是整个电镀生产线的重点，它是与零件直接接触的重要部件，机械手的结构设计好坏，直接影响到整个系统的功能要求能否满足。机械手的结构设计包括夹持部分、行走部分、缸体部分等组成，下文将分别从这几个方面进行介绍。 械手夹持部的力学分析 机械手采用连杆杠杆式的结构设计，手爪内部用镶块进行连接，装入不同大小的镶块，就能实现对不同直径轴的夹紧，其结构简图如下图 4 1 所示： 图 4 1 机械手手部结构简图 在此机 械手中，手爪的夹紧力靠 a、 b、 c、 四个参数来设定，其力 N、 P 的计算公式如下： P= 2 s i n s i ns i n ( ) （ P机械手外作用力； N机械手对零件的夹紧力； 因为轴类零件重量为 30力 G mg 3010 300N，根据公式： G N （ 查表得，将其 G 300N；代入公式（ ，得： N 300/1071N，根据我所设计得机械手夹持结构 得尺寸，有 b 40c 22a 15； 60，将其代入公式（ ，得 P 2 s i n s i ns i n ( ) 2 4 0 s i n 1 5 s i n 6 010712 2 s i n (1 5 6 0 ) 940N 械手外作用力 P 为机械手夹紧油缸的外作用力。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 械手行走机构的设计 机械手要能实现在空中的前后移动，首先需要在空中固定一个导轨，通过导轨，利用滚轮在导轨的移动来实现机械手的前后移动。空间行架用两根槽型钢焊接固定在圆柱立柱上，滚轮采用三角的型式，中间 夹住导轨，使其运动平稳。导轨和行架用螺钉连接，中间螺钉起连接固定的作用，两边的螺钉起调整导轨相对位置及保证导轨平行的作用。由于前后移动油缸固定在空中行架上，液压缸的动作通过带动拉杆的前后移动，而拉杆与机械手的行走机构套在一起，实现机械手的前后移动，故在机械手的行走机构上两端要装上拉杆套。如图 4 2 所示，为机械手的行走机构。 图 4 2 机械手行走机构 械手总体结构 通过以上的分析，该机械手的总体结构包括空中行走机构、机械手升降移动油缸、机械手夹紧油缸和机械手的夹持部四个大的部件，将其组装 成一体后就形成了一部完整的机械手。 机械手的行走机构与升降移动液压缸的法兰盖采用四个螺栓均匀布置进行连接，使其升降移动液压缸稳定的放置在机械手行走机构的下方；而升降油缸与夹紧油缸中间用一块连接板，用内六角圆柱头螺钉使活塞杆和连接板固定，用六角头螺栓使连接板和夹紧油缸的法兰盖固定，这样使夹紧油缸与升降油缸连接成为了一个整体。夹紧油箱的另一端法兰盖用长板的结构，直接与机械手的手爪部结构连接在一起。如图 4 3 所示，为机械手总体结构示意图。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 图 4 3 机械手总体结构示意图 章小结 本章 通过对机械手的行走机构、手部结构、升降油缸和夹紧油缸进行分析，并对这四部分进行连接，形成机械手的总体结构，并用简单的示意图进行表示，清楚的描述了机械手的总体结构。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 5 液压系统设计 言 液压系统是整个机械手设计的核心，液压系统设计的好坏，直接影响到整个机械手系统的工作性能，本章将重点介绍机械手液压系统的设计。对液压系统进行设计，要按照一定的方法和步骤，首先了解系统的功能结构、工作循环及对液压系统的主要要求，其次对液压系统进行分析、计算及效验，最后分析液压站的结构特点，并作出 总结。 压系统工况分析 压系统的组成 机械手生产线系统，采用液压传动系统，液压系统若能正常工作必须由以下五部分组成： (1)动力装置。它是把原动机输入的机械能转换为液体压力能的能量转换装置，一般由电动机和液压系组成，其作用是为液压系统提供压力油。 (2)执行元件。它是将液体的压力能转换为机械能的能量转换装置，其作用是在压力油的推动下输出力和速度 (直线运动 )，或力矩和转速 (回转运动 )。这类元件包括各类液压缸和液压马达。 (3)控制调节元件。它是能控制或调节液压系统中 油的压力、流量或方向，以保证执行装置完成预期工作的元件。这类元件主要包括各种液压阀，如溢流阀、节流阀以及换向阀等。 (4)辅助元件。辅助元件是指油箱、蓄能器、油管、管接头、滤油器以及流量计等。这些元件分别起散热、贮油、蓄能、输油、连接、过滤、测量压力和测量流量等作用，以保证系统正常工作，是液压系统不可缺少的组成部分。 (5)工作介质。它在液压传功及控制中起传递运动、动力的作用。工作介质为液压油或其它合成液体。 统达到的功能要求和技术指标 运输机械手是对零件进行搬运以及正确放置为目的的设备 ，在自动生产线上具有重要的用途。该机械手的各动作是由液压系统来实现的，完成机械手的上升运动、前后移动、夹紧和放松三对运动的六个动作。工人在操作台前，使用不同的按钮实现本机械手的各个动作。 机械手运用在电镀生产线上，要求三支机械手同步运动，当第一支机械手把轴类零件从上料机构搬运到电镀槽内时，第二支机械手负责把轴内零件从电镀槽搬运到清洗槽内，而第三支机械手则把零件从清洗槽搬运到下料机构中，最后整个工序完成。 机械手由液压和电气配合实现的动作循环要求如图 5 1所示： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 图 5 1 机械手动作循环图 通过机械手 的以上动作分析，分别用三个液压油缸来实现机械手的三对动作。分别称作：前后移动油缸、升降油缸和夹紧油缸。根据设计要求，机械手的设计参数如图 5 2所示。 序号 设计参数 1 机械手能夹持轴类