冲床上料机械手设计【全套CAD图纸+答辩毕业论文】

买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 本科毕业设计（论文） 设计题目：冲床上料机械手设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013 年 4 月 30 日 冲床上料机械手设计 摘 要 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹实现自动抓取、搬运和操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为 “工业机械手 ”。 本次设计的 60 吨冲床上料机械手根据规定的动作顺序，完成对机械手的设计，对机械手的工作原理，结构使用范围，特点参数选择等方面进行了阐述。此60 吨冲床上料机械手主要是给冲床进行上料和从储料框中取料；机械手的抓重 11 个自由度三个具体动作，自由度为腰座的转动 ,采用圆柱坐标；其余两个动作为机械手的升 降和伸缩，采用螺母和螺栓调节，可根据生产的需要改变机械手手臂的高度和长度以及更换吸盘。回转角度： 60 度；送料频率： 50 /分；驱动方式为气压传动；机械手的腰座回转采用气缸带动齿条齿轮驱动；本设计主要对手部进行了设计和计算，腰座回转采用回转气缸。 关键词： 上料机械手；冲床上料；气压传动 is of to to of in is 60 of to of of of 0 is to 1 of of of to to 60 50 is to a of of 目 录 1 绪论 . 1 械手简介 . 1 械手发展现状及应用 . 1 内外发展现状 . 1 械手的应用 . 4 2 机械手的总体设计 . 7 械手的总体结构 . 7 械手组成 . 7 械手坐标形式的确定 . 9 料机械手的组成及工作原理 . 9 械手腰座结构的设计 . 11 械手的驱动系统的确定 . 12 械手的机械传动机构的确定 . 15 械手手臂的结构设计 . 17 械手手部的结构设计 . 19 3 机械手理论分析和设计计算 . 21 统设计计算 . 21 定气压系统基本方案 . 21 压缸的总机械载荷的计算 . 22 缸强度的计算及 校核 . 23 算和选择气缸元件 . 25 盘的选择和计算 . 25 总 结 . 29 参考文献 . 30 致 谢 . 31 业设计（论文）知识产权声明 . 错误 !未定义书签。 毕业设计（论文）独创性声明 . 33 V 1 绪论 1 1 绪论 械手简介 工机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置 。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率 :可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序 控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 械手发展现状及应用 内外发展现状 机械手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械手。 1954 年 1959 年 1962 年 1967 年 1970 年在 毕业设计（论文） 2 197345 1980 年在 就是后来到台湾再到大陆。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统具有视觉、使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。 第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统 柔性制造单元 (重要一环。 随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。 a. 目前国内外的发展趋势是 (1) 研制有更多自由度的液压机械 手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。 (2) 研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。 (3) 研制维修维护方便的通用机械手。 (4) 研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。 (5) 研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自 动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊 语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。 (6) 机械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。 (7) 研制具有柔性系统的通用机械手 目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机 毕业设计（论文） 3 械手正在朝着一种可以存 储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。 随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。在机械工业中，大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。在其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： (1) 可以提高生产过程的自动化程度。 应 用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。 (2) 可以改善劳动条件，避免人身事故。 在高温、高压、低温、低压、噪声、臭味、有放射性物质的环境场合，用人手直接操作是很危险的甚至是不可能的。而应用机械手即可部分或者全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。 (3) 可以减少人力，并便于有节奏的生产。 应用机械手代替人手进行作业，这是直接减少人力的一个侧面，同时应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一方面。因此，在自动化 机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的生产。 (4) 用液压系统来控制机械手，比一般的机械控制具有更好的稳定性，并且控制的精确度更高。 (5) 运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。 工业机械手在经历了长期发展后，已经成为制造业中不可缺少的核心设备。同时随着社会的发展和人们生活水平的提高，各种各样的机械手也被开发出来去适应制造领域意外的各个行业。各种用途的特种机器手纷纷面世，而且正以 飞快的速度向实用化迈进。 机械手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义 毕业设计（论文） 4 上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 械手的应用 机械手一般分为三类 : 第一类：是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序以完成各项规 定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二：是需要人工才做的称为操作机。它起源于原子、军事工业。先是通过操作机来完成特定的作业后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类：是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“ 它是为主机服务的，由主机驱动；除少数外，工作程序 是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手。 机械手首先是 从美国开始研制的。 1985 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：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。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓作存贮装置。不少球坐标式通用机械手都是在这个基础上发展起来的。 日本式工业机械手发展最快、应用最多的国家。 目前工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为 开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。下面就国内机械工业、铁路部门应用机械手的简况，以及国外机械工业发展和应用机械手的简况，分别介绍如下。 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了实现高效率和工作安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。 机械手在锻造工业中的应用能进一步发挥锻造设备的生产能力，改善热、累的劳动条件。因此，国内首先是采用锻造操作机，装取料机械手来代替人工操作，减轻劳动强度。后来在精锻机上采用 机械手，使精短过程自动化，代替人工喂料。 毕业设计（论文） 5 国外对锻造机械手的研制工作十分重视，如美国采用圆柱坐标式机械手在1300 吨锻压机上锻造齿轮毛坯；瑞典采用 机械手在压力机上锻造曲轴；采用 机械手生产大型轴承环，机械手在两台液压机间传送轴承环的坯料。 锻压机械手的手指部位必须采用耐热钢锻造，相当于 40材料。同时用空气、水喷雾冷却。机械手外部装有防热护罩，内部通水冷却。 机械手在锻造、熔炼方面的应用，国内已研制成功压铸机上下料机械手，上下箱、合箱、浇注机械手，以及铸件表面 清理机械手等。有些工厂还将机械手和造型机配合组成铸造生产自动线，彻底改变了铸造生产的面貌。 国外对电炉炼钢过程中采用机械手进行了大量的研究。由于强大电流的干扰，影响了机械手的采用，并由于熔渣和钢水难以区别，往往在浇注过程中容易液、渣不分，需研究带有特殊传感装置的机械手，才能实现浇注的机械化和自动化。 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，称为 机床、设备上下工序联接的重要手段。 国内机械工业、铁路工业中首先在单机、专业上采用机械手上下料、减轻工人劳动强度。如在轴类、螺栓、气阀和螺撑帽坐等零件的加工机床上配置了机械手，代替人工上下料。在三通阀体、轴瓦、平斜铁、柴油机摇臂加工生产自动线上采用单臂、双臂圆柱式机械手，成为联接工序、运送工件的重要装备。并在连杆粗加工自动线上采用数控机械手，这样它不仅担负自动线上机床工件的装卸、运输，并能发出指令指挥全线工作。 国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮对等大、中批量零部件。并和机床设备共同组成一个综合的数 控加工系统。 拆修装是铁路工业系统房中体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门。已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清楚石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄像机和力的传感装置和微型计算机联接在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。 毕业设计（论文） 6 综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势 60 吨冲床自动上料装置是在一般冲床上改装冲床曲轴，添加上料机械手 ,升料台和滑道等装 置，是冲床自动连续工作。该装置的特点是由上料机械手来控制冲床动作，能保证冲床有节奏的，安全的生产。 2 机械手的总体设计 7 2 机械手的总体设计 械手的总体结构 械手组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图 示。 图 械手的组成方框图 a执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。 (1) 手部 即与物件接触的部件。 (2) 手腕 是连接手部和臂部的部件，并可 用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、 上下摆动、左右摆动 些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。 (3) 手臂 控制系统 驱动系统统 被抓取工件 执行机构 位置检测装置 毕业设计（论文） 8 手臂是支承被抓物件、手部、手 腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。 (4) 立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 (5) 行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 (6) 机座 机 座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 b 驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。 c 控制 系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 d 位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 毕业设计（论文） 9 械手坐标形式的确定 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下 : a直角坐标 机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 b圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 c球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是 由两个回转运动和一个直线运动来实现的。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。 d关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 料机械手的组成及工作原理 本气压传动上料机械手主要是从一个地方拿 到工件后，横移一定的距离后把工件给立式冲压机进行加工。它的动作顺序是：待料（即原始位置，吸盘在升料台的上方）升料台上升吸盘抓取工件手臂正转推料爪推料吸盘放料手臂反转冲头下降（手臂反转 30碰触行程开关）制动器接通，曲轴制动手臂复位。 毕业设计（论文） 10 图 动上料装置与冲床配置图 本题目规格参数 : 1. 抓重： 约 1 公斤 毕业设计（论文） 11 2. 自由度数： 1 个 手臂回转角度： 600 手臂送料频率： 50 60 次 /分 气压 具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量约 1考虑到冲压机床布局的具体形式及对机械手的具体要求和在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要 1 种运动 ,其中手臂的伸缩和立柱升降为手动调节 ,另一个为手臂的回转运动为气动控制 ,综合考虑，机械手自由度数目取为 1，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度， 其特点是 :结构比较简单 ,手臂运动范围大 ,且有较高的定位准确度。 械手腰座结构的设计 进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。 工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则： 1) 腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。 2) 腰座要承受机器人全部的重量和载荷， 因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要 有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。 3) 机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。 4) 腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。 毕业设计（论文） 12 5) 腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙 。 6) 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。 械手的驱动系统的确定 a. 驱动系 统的类型 工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。 根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。 (1) 液压驱动系统 由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力 大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。 (2) 气动驱动系统 具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中。 (3) 电动驱动系统 由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大 量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。 b. 工业机器人驱动系统的选择原则 设计机器人时，驱动系统的选择，要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的毕业设计（论文） 13 条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性 、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下： (1) 物料搬运（包括上下料）使用的有限点位控制的程序控制机器人，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。 (2) 用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人，要求具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。 气动机器人采用压缩空气为动力源，一般从工厂的压缩空气站 引到机器人作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机器人具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中、小型零件的输送和自动装配等作业，食品包装及运 输，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。 气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机器人中的。这类机器人多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构；3自由度；负荷在 200N 以下；速度 300s；重复定位精度为 +/制装置目前多数选用可编程控制器（ 在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成 : (1) 气源 由总压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站的条件，可以按机器人及配套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。 (2) 气动三联件 由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离式，也可以是三联组装式的，多 数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是毕业设计（论文） 14 一般情况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增加使用寿命。 (3) 气动阀 气动阀的种 类很多，在工业机器人的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。 (4) 气动执行机构 多数情况下使用气缸（直线气缸或摆动气缸）。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外（如手爪机构上用的），多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点位置缓冲 的气缸。气缸的结构形式以及与机器人机构的连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等）由设计机器人时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机器人的运动分析和动力分析进行计算。 为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降低摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机器人中用得比较多还有有限角摆动气 缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。 (5) 制动器 气动机器人的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气缸活塞的运动速度容许达 s，如果气缸以 1m/s 的速度计算，电磁气阀以较大关闭时间 70，那么气缸活塞两个停点的距离约为 70个停点的步长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀，吸合关闭时间较小，停点的步长也要相应缩短。因此对机器人一个单自由度而言，停点数目最多 6。为增加定位点数，除采用多位置气缸外可采用制动的方法还有：反压制动，制动装置制动。 (6) 限位器 气动机器 人各运动轴的制动和定位点到位发讯，可由编程器发指令，或由限位开关发讯。根据要求和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限位开关是无接触接近开关，这种开关的反映时间小于 20机器人中应用比较理想。当气缸活塞运动到定位点时，为保证定位精度，需要将运动轴锁紧。常用的限位机构是由电磁阀控制的气缸带动锁紧机构（插锁，滑块等）将机器人运动机构锁定。再启动时，事先打开锁紧机构。 毕业设计（论文） 15 腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或气压缸来实现，目前的趋势是用前者。因为气动方式控制的精度能够很高，而且结 构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。电机驱动耗电量大，且动力不如气动和液压。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用气压驱动来实现腰部的回转运动。 械手的机械传动机构的确定 a齿轮传动机构 在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。 机器人系统中齿轮传动设计的一些问题： (1) 齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。齿轮传动部件是转矩、转速和转向 的变换器用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器 。齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩。故齿轮传动系统要有足够的刚度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需的转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。齿轮的啮合间隙会造成传动死区（失动量），若该死区是闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常使系统产生低频振荡，因此要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮；为尽量降低制造成本，要采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性。 (2) 各级传动 比的最佳分配原则。当计算出传动比后，为使减速系统结构紧凑，满足动态性能和提高传动精度的要求，要对各级传动比进行合理的分配，原则如下： 1) 输出轴转角误差最小原则。 2) 等效转动惯量最小原则。利用该原则设计的齿轮系统要使换算到电动机轴上的等效转动惯量最小，各级传动比也是按照 “先小后大 ”的次序分配，以使其结构紧凑。 具体而言：对要求运动平稳，起停频繁和动态性能好的伺服系统，按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪音和 振动。对于毕业设计（论文） 16 提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系统，按总转角误差最小原则；对于增速传动，由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大于 1:3，以有利于增加轮系的刚度，减小传动误差。对以比较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系结合为混合轮系。对于相当大大传动比、并且要求传动精度与传动效率高，传动平稳以及体积小重量轻时。可选用新型的谐波齿轮传动。 b谐波齿轮传动 谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、 噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。 c螺旋传动 螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。 丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简 单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（ 30%40%）。后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（ 92%98%），其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。在选用滚珠丝杠要考虑以下几项指标： (1) 滚珠丝杠的精度等级 (2) 滚珠丝杠的 传动间隙允许值和预加载荷的期望值 (3) 载荷条件（静、动载荷）以及载荷允许值 (4) 滚珠丝杠的工作寿命 (5) 滚珠丝杠的临界转速 (6) 滚珠丝杠的刚度 减小滚珠丝杠空回行程的方法，多是采用双螺母结构，使螺母与丝杠之间有一定的预加载荷。这样可以消除传动间隙，提高传动精度与刚度。但是预加载荷会使滚珠丝杠寿命下降，所以，预加载荷不应超过工作载荷的 1/3。 毕业设计（论文） 17 d同步带传动 同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带 和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达 98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达 40m/s）、传动比可达 10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。 d钢带传动 钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低， 驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。 e链传动 在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。 f钢丝绳轮传动 钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。 具体到本设计，因为选用了螺栓调节来调节机械手的水平手臂和垂直手臂，故不需要中间传动机构，这既简化了结构，同时又提高了精度。而机械手腰部的回转运动采用气动驱 动，必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较，选择圆柱齿轮传动，为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，同时较大的降低电机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于 10），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。 械手手臂的结构设计 机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则； 毕业设计（论文） 18 1) 应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应 尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。 2) 机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。 3) 为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质 材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的 1/4，相当于铝合金的 2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。 4) 机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的 轴承间隙调整机构。 5) 机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小气缸负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。 6) 机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。 工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 (如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等 )与驱动源 (如液压、气压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。 手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。 导向装置结构形式，常用的有 :单圆柱、双圆柱、四圆柱和 V 形槽、燕尾槽等导向型式。 毕业设计