注塑机上下料机械手机构及自动控制系统PLC的设计_毕业设计论文.doc

毕业设计 摘 要本文简要地介绍了注塑机械手的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，气动技术的特点，以及国内外的发展状况。本文针对ykm型注塑机的具体参数对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的吸附式手部结构;设计了机械手的手腕旋转结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩;设计了机械手的手臂结构。本课题通过应用autocad 技术对机械手进行结构设计和气压传动原理设计，它能实行自动上料运动。上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。关键词：机械手；气动；autocadabstractthis paper briefly introduces the concept of the injection molding machine manipulator, composition and classification of the manipulator, the manipulator degrees of freedom and coordinate type, the characteristics of pneumatic technology, and the development of the situation at home and abroad.in this paper, the specific parameters for the ykm type injection molding machine, the overall design of the manipulator, the manipulator to determine the coordinate type and degree of freedom, determine the technical parameters of the manipulator. at the same time, the design of adsorption type manipulator hand structure; design the wrist rotation structure of the manipulator, calculates the torque and the driving torque of the rotary cylinder wrist rotation required; design of manipulator arm structure.this topic through the application of autocad technology to design the structure and principle of pneumatic system design of mechanical hand, it can carry out the automatic feeding movement. on the manipulator movement speed is to meet productivity requirement set.key words: manipulator; pneumatic; autocad 目 录摘 要1目 录3前言4第一章 绪论51.1机械手概述51.2机械手的组成和分类61.2.1 机械手的系统工作原理及组成61.2.2机械手的分类81.3课题的提出及主要任务9第二章 机械手的设计方案112.1机械手的座标型式与自由度和工作范围112.2 机械手的手部结构方案设计132.3 机械手的手臂结构方案设计132.4机械手的驱动方案设计132.5机械手的技术参数13第三章 手部结构设计143.1手部吸附结构设计143.2真空吸附回路设计153.3真空元器件设计163.4设计时考虑的几个问题18第四章 手腕旋转1800结构设计194.1 手腕的自由度194.2 手腕的驱动力矩的计算19第五章 手臂伸缩结构设计235.1同步带传动概述245.2同步带传动设计计算265.3同步带传动轴部件设计306手臂升降结构设计326.1手臂升降齿轮齿条的设计327导轨设计337.1导轨的选择337.2主轨道导轨设计349结 论38参考文献40前言本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控车床（玻璃注塑机）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。第一章 绪论1.1机械手概述工业机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，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。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统fms和柔性制造单元fmc中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。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吸附、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。1.2机械手的组成和分类1.2.1 机械手的系统工作原理及组成机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。控制系统（plc）位置检测装置驱动系统（液压传动）执行机构手部手腕手臂立柱 图1-1系统工作原理图机械手的工作原理：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。在plc程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。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。位置检测装置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。(一)执行机构包括手部、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为吸附式和吸附式。在本课题中我们采用吸附式手部结构。吸附式手部由吸盘和传力机构所构成。吸盘是与物件直接接触的构件，常用的吸盘运动形式有回转型和平移型。回转型吸盘结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型吸盘夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。吸盘结构取决于被吸附物件的表面形状、被吸部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过吸盘产生吸紧力来完成吸放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被吸附物件的方位(即姿势)3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动吸盘去吸附物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、液压缸、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、液压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。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。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、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。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有气压传动、 液压传动、机械传动。(三)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。该机械手采用的是plc程序控制系统，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。(四)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.1.2.2机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种。(二)按驱动方式分机械手可分为气压传动机械手、气压传动机械手、机械传动机械手、电力传动机械手。本设计是气压传动机械手的设计。气压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.3课题的提出及主要任务1、课题的提出进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现在大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，将机械手，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点:(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。(3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点:(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.（2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，注塑及的生产过程中，往往工件、材料的上下要人工完成，既费时费力，又影响效率。为此，我课题的提出们把上下料机械手作为我们研究的课题。2、课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下:机械手为注塑机机械手，因此它是专用机械手.选取机械手的座标型式和自由度设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手臂等部件的设计。手部设计成吸附式吸盘来吸附工件第二章 机械手的设计方案 对气动机械手的基本要求是能快速、准确地搬运工件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，吸附、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，增强专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是注塑机专用液动上下料机械手，专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点。2.1机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。1、 直角坐标型机器人 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、 圆柱坐标型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。3、极坐标型机器人 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。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。 图2-1 工业机械手基本结构形式由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用直角座标型式。相应的机械手共具有5个自由度。其中手腕部分2个自由度，手臂部分1个自由度，主导轨1个自由度，横导轨1个自由度。2.2 机械手的手部结构方案设计为了适应注塑机，把机械手的手部结构设计成吸附式手部，可以准确的吸取工件。2.3 机械手的手臂结构方案设计按照吸附工件的要求，本机械手共有5个自由度，即手臂的伸缩，手腕水平面旋转、垂直面旋转，机械手水平面两个方向的运动。因此机械手的手臂是双轨道的设计，即带轮传动实现机械臂的伸缩，齿轮齿条传动实现机械臂的升降。2.4机械手的驱动方案设计 由于气压传动系统的工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向，因此选用气压传动系统。2.5机械手的技术参数1、 用途:用于ykm型注塑机上下料。2、 设计技术参数:（1）抓重 6公斤 (吸附式手部)（2）自由度数 5个自由度（3）座标型式 直角座标（4）手臂最大中心高 1100mm（5）手臂运动参数 伸缩行程 400mm 伸缩速度 300mm/s 升降行程 200mm 升降速度 300mm/s（6）吸盘吸附范围 工件: 70mm*70mm（7）定位方式 行程开关或可调机械挡块等（8）定位精度 士0.5mm（9）缓冲方式 气压缓冲器（10）驱动方式 气压传动第三章 手部结构设计3.1手部吸附结构设计机械手抓取机构主要由架体、真空吸盘和真空发生器组件组成， 架体采用刚性连接， 末端可以与机械手腕部通过机械接口相连接， 其中真空吸盘是工件抓取的重要元器件， 吸附机构由4 个吸盘组成， 呈矩形布局， 对板件工件形成均衡的吸附力（如图3-1）， 其中机械手设计的大致构型（如图3-2）， 机械的结构形式为四自由度机械手， 分别有腕部、小臂、大臂、腰部回转组成， 利用真空泵技术制成的真空吸附式机械手是一种高效率， 无污染、定位精度高和经济可靠的装配工具， 尤其是在生产成品的装配、包装和装箱工序中更是如此。由于玻璃表面较光滑，板厚较薄，为了实现对玻璃的抓取、放置、重复定位精度、提高搬运玻璃工件的安全性和可靠性， 我们设计一种新型真空吸附式机械手，来实现对玻璃的精确搬运和定位。图3-1真空吸附抓取机构1-架体 2-真空吸盘 3-工件 4-真空发生器组件3.2真空吸附回路设计真空吸附回路由真空供给阀2、真空破坏阀3、节流阀4、真空开关5、真空过滤器6 和真空发生器1 构成真空吸盘控制回路， 当需要产生真空时， 电磁阀2 通电， 当需要破坏真空时，电磁阀2 断电， 电磁阀3 通电， 上述真空控制元件可组成合为一体， 组成为一个真空发生器组件3。所示图3-3为采用这个发生器组件的回路，当电磁阀2 通电后， 压缩空气通过真空发生器1， 由于气流的高速运动产生真空， 吸盘7 将工件吸起， 真空开关5 检测真空度发出信号， 当电磁阀2 断电， 电磁阀3 通电时， 真空发生器1停止工作， 真空消失， 压缩空气进入真空吸盘7， 将工件与吸盘吹开。图3-2真空发生器回路1-真空发生器 2-真空共给阀 3-真空破坏阀 4-节流阀 5-真空开关 6-真空过滤器 7-真空吸盘3.3真空元器件设计1、真空吸盘设计真空吸盘是真空系统的执行元件， 它可以举升、输送和夹持十几克至几十克重的物料， 由于周围压力高于真空吸盘和物料表面间的压力， 故真空吸盘吸附于物料表面， 真空吸盘与真空泵相连， 压力愈低， 真空吸盘的吸附力愈大。确定真空吸盘的规格尺寸时，所需吸附力是先决条件， 采用简单的力学公式： f=pa 可因通常被吸附物体的重量已知， 故吸盘直径可通过如下公式计算： d： 吸盘直径（mm） p： 真空度（kpa）w： 吸附力（n）n： 吸盘数量 t： 安全系数吸盘个数：n=42、真空发生器设计真空发生器是用来产生真空， 结构简单，体积小， 无可动机械部件， 安装和使用很方便，因此应用很广泛， 真空发生器产生的真空度可达88kpa， 真空发生器的工作原理（ 如图3-4） 所示。它是由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管1、负压腔2 和接收管3 等组成， 有供气口、排气口和真空口， 当供气口的供气压力高于一定值后，喷管射出的超声速射流。由于气体的粘性， 高速射流卷吸走负压腔内的气体， 使该腔形成很低的真空度， 在真空口a 处接上真空吸盘， 靠真空压力和吸盘吸取物体。图3-3真空发生器工作原理1拉瓦尔喷管 2负压腔 3接收管 4真空腔吸着相应时间t 是指从供给阀动作后到吸盘内的真空度达到吸着所必须的真空度的时间称为吸着相应时间。设pv 表示最终真空度， 吸盘内的压力从大气压降至真空度达63%pv 的到达时间为t1， 降至真空度达95%pv 的到达时间为t2。吸着响应时间t1和t2可由下式计算求得。 吸着响应时间吸着响应时间t23t1 式中： v从真空发生器到吸盘的容积（l）d配管内径（mm）l从真空发生器到吸盘的配管长度（m）q是通过真空发生器的平均吸入流量q1和通过配管的平均吸入流量q2中的较小者， 单位为lmin，ql工件吸着时的漏气量lmin。因为p pv=0.7， 由图3-5 查得到达时间t=1.2t1， 根据抓取工件的运动速度要求吸盘的相应时间t 小于1s 可得t1=0.833s， 漏气量ql根据经验确定ql=5l min。则有 最大吸入流量qmax=（23）q29.32=18.64（l/min），应该选择最大吸入流量比qmax还大的真空发生器。图3-4真空影响时间曲线 查smc 真空发生器样本， 选择zh10ds-06-06-08 其接管方式是快换接头， 喷嘴口径是1mm， 供气口和真空口均是6mm， 最大吸入流量是24l/min， 所以平均吸入流量是q=0.524=12（l/min）该真空发生器实际响应时间t为： 所以可以满足运动节拍要求。3.4设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定吸盘的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)保证工件准确定位为使吸盘和被吸附工件保持准确的相对位置，必须根据被吸取工件的形状，选择相应的吸盘形状。(三)具有足够的强度和刚度吸盘除受到被吸附工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(四)考虑被吸附对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型。第四章 手腕旋转1800结构设计4.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手吸附的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴和z轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转气缸，因此我们选用回转气压缸。它的结构紧凑，回转角度小于，并且要求严格的密封。4.2 手腕的驱动力矩的计算1、手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。 1.工件2.手部3.手腕 图4-1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: 式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩();- 惯性力矩();- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩().- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩();下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩m悦若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: 式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:- 工件的重量(n);- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s); 起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩m偏 + ()式中: - 手腕转动件的重量(n);- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 ()式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm);- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,- 处的支承反力(n)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据,得:同理，根据(f),得:式中:- 的重量(n), 如图4-1所示的长度尺寸(cm).转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩m封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。2、回转气压缸的驱动力矩计算气压缸的压力p驱动力矩m的关系为: 或 3、手腕回转缸的尺寸及其校核（1）尺寸设计气压缸长度设计为,气压缸内径为=96mm,半径,轴径=26mm,半径,气压缸运行角速度=，加速度时间=0.1s, 压强, 则力矩： （2）尺寸校核 1.测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：（）工件的质量为6,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量： 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为: 2.手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为m偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则： +3.手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计,4.回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩m封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计为的3倍，3 设计尺寸符合使用要求，安全。第五章 手臂伸缩结构设计 按照吸附工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的移动、伸缩、升降(或俯仰)运动。手臂升降运动是通过齿轮齿条传动来实现的，伸缩是通过手臂内部的同步带传输实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动的动力由电机来实现。5.1同步带传动概述1、同步带传动简介同步带传动（见图5-1）时，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用温度-2080，v50m/s，p300kw,i10,对于要求同步的传动也可用于低速传动。图5-1同步带传动 同步带是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的新塑传动带。它由带齿形的一工作面与齿形带轮的齿槽啮合进行传动，其强力层是由拉伸强度高、伸长小的纤维材料或金属材料组成，以使同步带在传动过程中节线长度基本保持不变，带与带轮之间在传动过程中投有滑动，从而保证主、从动轮间呈无滑差的间步传动。同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。 同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达1:10。允许线速度可达50m/s，传递功率从几瓦到百千瓦。传动效率高，一般可达98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。 本产品广泛用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中。同步带的使用，改变了带传动单纯为摩擦传动的概念，扩展了带传动的范围，从而成为带传动中具有相对独立性的研究对象，给带传动的发展开辟了新的途径。2、同步带的特点：(1)、传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比；(2)、传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；(3)、传动效率高，可达0.98，节能效果明显；(4)、维护保养方便，不需润滑，维护费用低；(5)、速比范围大，一般可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦； (6)、可用于长距离传动，中心距可达10m以上。3、 同步带传动的设计准则据对同步带传动失效形式的分析，可知如同步带与带轮材料有较高的机械性能，制造工艺合理，带、轮的尺寸控制严格，安装调试也正确，那么许多失效形式均可避免。因此，在正常工作条件下，同步带传动的主要失效形式为如下三种；(1)同步带的承载绳疲劳拉断；(2)同步带的打滑和跳齿；(3)同步带带齿的磨损。 因此，同步带传动的设计淮则是同步带在不打滑情况下，具有较高的抗拉强度，保证承线绳不被拉断。此外，在灰尘、杂质较多的工作条件下应对带齿进行耐磨性计算。4、同步带分类同步带齿有梯形齿和弧齿两类，弧齿又有三种系列：圆弧齿(h系列又称htd带)、平顶圆弧齿(s系列又称为stpd带)和凹顶抛物线齿（r系列)。梯形齿同步带：梯形齿同步带分单面有齿和双面有齿两种，简称为单面带和双面带。双面带又按齿的排列方式分为对称齿型（代号da)和交错齿型(代号db。梯形齿同步带有两种尺寸制：节距制和模数制。我国采用节距制，并根据iso 5296制订了同步带传动相应标准gb/t 1136111362-1989和gb/t 11616-1989。弧齿同步带：弧齿同步带除了齿形为曲线形外，其结构与梯形齿同步带基本相同，带的节距相当，其齿高、齿根厚和齿根圆角半径等均比梯形齿大。带齿受载后，应力分布状态较好，平缓了齿根的应力集中，提高了齿的承载能力。故弧齿同步带比梯形齿同步带传递功率大，且能防止啮合过程中齿的干涉。弧齿同步带耐磨性能好，工作时噪声小，不需润滑，可用于有粉尘的恶劣环境。已在食品、汽车、纺织、制药、印刷、造纸等行业得到广泛应用。 5.2同步带传动设计计算选择电机：1、工作机所需功率 其中为工作机的效率，取；为工作机轴的线速度，取=；为工作机的阻力，=15kn所以， = =0.5(kw）2、电动机至工作机的总效率取=0.983、所需电动机的功率所需电动机的功率由工作机所需和传动装置的总效率计算，即 = =0.51（kw）由机械设计课程设计查表12-1得：电动机选择型号y90s-6。表5-1y90s-6电机数据图型号额定功率kw满载时堵转电流堵转转矩最大转矩电流a转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩y90s-60.752.71000790.781.52.02.0同步带轮的设计的基本要求：1、保证带齿能顺利地啮入与啮出由于轮齿与带齿的啮合同非共规齿廓啮合传动，因此在少带齿顶部与轮齿顶部拐角处的干涉，并便于带齿滑入或滑出轮齿槽。2、轮齿的齿廊曲线应能减少啮合变形，能获得大的接触面积，提高带齿的承载能力即在选探轮齿齿廓曲线时，应使带齿啮入或啮出时变形小，磨擦损耗小，并保证与带齿均匀接触，有较大的接触面积，使带齿能承受更大的载荷。3、有良好的加了工艺性加工工艺性好的带轮齿形可以减少刀具数量与切齿了作员，从而可提高生产率，降低制造成本。4、具有合理的齿形角齿形角是决定带轮齿形的重要的力学和几何参数，大的齿形角有利于带齿的顺利啮入和啮出，但易使带齿产生爬齿和跳齿现象；而齿形角过小，则会造成带齿与轮齿的啮合干涉，因此轮齿必须选用合理的齿形角。同步带设计：1.电机额定输出功率p=0.75kw2、确定计算功率电动机每天使用24小时左右，查表5-1得到工作情况系数=1.7。则计算功率为:表5-2 工作情况系数表 3、小带轮转速初步估计 4、选定同步带带型和节距由同步带选型图5-2可以看出，由于在这次设计中功率转速都比较小，所以带的型号可以任意选取，现在选取h型带，节距图5- 2 同步带选型图5、选取主动轮齿数查表5-2知道小带轮最小齿数为14，现在选取小带轮齿数为18。表5-3 小带轮最小齿数表6小带轮节圆直径确定 7、大带轮相关数据确定由于系统传动比为，所以大带轮相关参数数据与小带轮完全相同。齿数，节距8、带速v的确定9、初定周间间距根据公式得：现在选取轴间间距为200mm。10、同步带带长及其齿数确定=() 11、带轮啮合齿数计算有在本次设计中传动比为一，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即=20。12、基本额定功率的计算查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表5-3可以知道=2100.85n，m=0.448kg/m。所以同步带的基准额定功率为=表5-4 基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量13、计算作用在轴上力=71.6n根据上述计算结果，在这里，我们选用梯形带。带的尺寸如表5-4。带的图形如图5-3。表5-5同步带尺寸型号节距齿形角齿根厚齿高齿根圆角半径齿顶圆半径h12.740。6.124.31.021.02图5-3同步带5.3同步带传动轴部件设计（1）选择轴材料因传递功率不大，并对质量及结构尺寸无特殊要求，故选用常用材料45钢，调质处理。（2）初算轴径对于转轴，按转扭强度初算轴径，查（哈尔滨工业大学大版）机械设计表10.2得c=106118，考虑轴端弯矩比转矩小，故取c=106，则取（3）结构设计轴承部件的结构形式：因传递功率小，轴的长度又比较小，故轴承部件的固定方式可采用两端固定方式。密封圈与轴段1：在确定轴段2的直径时，应考虑密封圈的尺寸方面的问题，查机械设计手册，可选用毛毡油封jb/zq 4606-1986的轴径为41mm，故轴段2的直径d=41mm。轴承与轴段2及轴段6：考虑齿轮有轴向力，轴承类型选角接触球轴承。轴段2安装轴承，其直径应既便于轴承安装，又应符合轴承内径系列。现取轴承轴承型号为7209c,查轴承手册，内径d=45mm，外径d=85mm，宽度b=19mm，故轴段2的直径d=45mm。通常同一根轴上的两个轴承取相同型号，故轴段6的直径d=45mm，长度取19mm。带轮与轴段3：轴段3上安装带轮，为便于带轮的安装，轴段3的直径应略大于轴段2的直径，可取轴段3的直径d=48mm。带轮左端用套筒固定，为使套筒端面顶在带轮左端面上，即紧靠，轴段3的长度应比带轮毂长略短，若毂长与带轮宽相等，已知b=20mm，故取轴段3的长度l=18mm。轴段4：带轮右端采用轴肩固定，由此可确定轴段4的直径。按图10.9中公式计算得轴肩高度h=3.364.8，取d=55mm。按图10.9中公式计算轴环宽度为，可取轴段4的长度l=10mm。轴段5：轴段5安装齿轮，已知轮毂长26mm，取轴段5的长度l=24mm。轴段1、2、5的长度：轴段1、2、5的长度除与轴上零件有关外，还与机体和轴承盖等零件有关。通常从带轮端面向两端展开来确定这些尺寸。为避免带轮与不动机体相碰，应在带轮端面与机体内壁间留有足够间距h,有表10.3，可取h=15mm。取轴段1的长度为41mm，轴段2的长度为56mm，轴段5的长度为10mm。键连接：带轮与齿轮与轴的周向连接均采用a型普通平键连接。6手臂升降结构设计 手臂升降装置主要有直齿圆柱齿轮、齿条、挡块以及导轨副（承导件和运动件）组成。手臂的升降通过齿轮齿条传动来实现，其原理是：齿轮齿条机构就是完成直线运动和转动相互转化的机构，电机输出轴带动齿轮旋转，通过运动的传递与转化实现齿条的直线移动，从而实现机械臂的升降运动。传动方式的选择：齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，其应用范围十分广泛，型式多样，传递功率从很小到很大（可高达数万千瓦）。齿轮传动的主要特点：传动效率高可达99。在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高；结构紧凑与带传动、链传动相比，在同样的使用条件下，齿轮传动所需 的空间一般较小；与各类传动相比，齿轮传动工作可靠，寿命长；传动比稳定无论是平均值还是瞬时值。这也是齿轮传动获得广泛应用的 原因之一；与带传动、链传动相比，齿轮的制造及安装精度要求高，价格较贵。齿轮传动的分类：按齿轮类型分：直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动锥齿轮传动人字齿轮传动按装置形式分：开式传动、半开式传动、闭式传动。按使用情况分：动力齿轮以动力传输为主，常为高速重载或低速重载传动。传动齿轮以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。按齿面硬度分：软齿面齿轮（齿面硬度350hbs） 硬齿面齿轮（齿面硬度350hbs）齿轮的设计准则：对一般工况下的齿轮传动，其设计准则是：保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。6.1手臂升降齿轮齿条的设计图6-1齿轮齿条啮合示意图1、啮合齿轮的数据确定设模数m=3，z=17，=20，其宽选择20，计算如下：d=mz=317=51da=d+2ha=51+213=57df=d-2hf=51-21.253=43.5齿轮选用45号钢或41cr4制造并经调质，表面硬度均应在56hrc以上。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。由于齿轮转速低，是一般的机械，故选择7级精度。经校核，齿轮满足强度及刚度的要求。2、齿条的设计设模数m=3，z=40，=20，其宽选择20+10，即有齿部分为20，没有齿