机械毕业设计（论文）-安全带卷加速敏感器组件自动装配机设计【全套图纸三维】.doc

安全带卷加速敏感器组件自动装配机设计说明书 专 业：机械设计制造及其自动化学 生： 指导老师： 完成日期： 2014年6月2日 扬州大学广陵学院 VI摘 要随着现代科技的迅速发展，装配自动化正在逐步发展成为当今世界装配的发展主流，逐步取代人工的手工装配。它已成为衡量一个国家机械发展水平的主要标志之一。自动装配技术的重要性还在于促进产品制造系统的整体优化，生产率得以全面提高，用少量调整工人服务于一定数量的自动装配设备，在一定程度上提高均衡生产水平。自动装配不会因为工人疲劳，疏忽，情绪，技术不熟练等因素影响而造成产品质量缺陷或不稳定。时间表明，当达到一定批量的与手工装配保持同一水平的自动化装配将会使成本下降。同时，在许多情况下，装配自动化所占用的生产面积比手工装配完成同样生产任务的工作面积要小的多。本课题设计一种应用于工业生产装配线中的专用自动装配机械手，能通过自动控制操作工业机械手，实现多自由度的抓持与运动，代替人完成安全带卷加速敏感器组件的装配。关键词：自动装配，机械手，气动，结构设计全套图纸，加153893706ABSTRACT With the rapid development of modern science and technology, assembly automation is gradually developed into the mainstream of development in the world and gradually replace the manual assembly .It has become one of the main signs to measure the level of development of a national machinery. The importance of Automatic assembly technology is to promote products manufacturing system overall optimization .productivity can be overall improved. Minor adjustment workers are used for a certain number of automatic assembly equipment, in certain extent, It improves the balance in the level of production. Automatic assembly can not affect product quality resulting from errors or instability because of the factors of workers fatigue, neglect, emotional, unskilled. It has shown that when a certain amount of automated assembly will decline costs than manual assembly. At the same time, in many cases, the production assembly automation occupies a smaller area than manual assembly in completing the same task.Thissubjectisaboutamanipulatorusedinproductionassemblylinetocompleteassemblywork.Itisautomaticcontrolledwithmufti-function,mufti-degreeoffreedom.Itsentirestructureconsistsoftheimplementingagencies,drivesystem,controlsystemandothercomponents.Key words: Automatic assembly ，Manipulator ，Air pressure drive ，Structural design目 录摘 要IIABSTRACTIII第一章 绪论11.1 自动装配机的概况11.1.1 自动装配机的定义11.1.2 自动装配机的组成11.1.3 自动装配机的传动结构11.1.4 自动装配机的控制系统21.1.5 自动装配机的适用性21.2. 机械手的发展趋势21.3 课题研究的目的及要求41.4 课题背景4第二章 总体方案设计与论证62.1 机械手的概况62.1.1 机械手的概述及分类62.1.2 机械手的组成结构72.2设计背景92.3机械手的坐标型式与自由度102.4机械手的主要参数102.5驱动方式和传动方式的选择112.5.1驱动方式的选择112.5.2传动方式的选择112.6各个自由度的实现122.6.1腕部纵向运动122.6.2手臂伸缩运动122.6.3底座升降运动12第三章 装配夹具的结构设计133.1 定位原理133.2 确定定位方式143.3 夹紧机构143.4 确定总体结构和尺寸15第四章 1#机械手的结构设计184.1 路径规划184.2 手部结构设计184.2.1 手指的形状和分类184.2.2设计时考虑的几个问题194.2.3 手部夹紧气缸的设计204.3 手臂结构设计234.3.1 手臂伸缩结构设计234.3.2 手臂伸缩驱动力的计算234.3.3 手臂伸缩气缸的设计254.4 升降缸结构设计274.4.1 升降缸结构设计274.4.2 升降缸驱动力的计算274.4.3 升降气缸的设计28第5章 2#机械手的结构设计305.1 路径规划305.2 手部结构设计315.2.1 手指的形状315.2.2 手部夹紧气缸的设计315.3各气缸的设计32第六章 总结33致 谢34参 考 文 献35安全带卷加速敏感器组件自动装配机设计第一章 绪论1.1 自动装配机的概况1.1.1 自动装配机的定义装配是指将产品的若干个零部件通过紧配、卡扣、螺纹连接、粘合、铆合、焊接等方式组合到一起得到符合预定的尺寸精度及功能的成品（半成品）。由人工处理（接触、整理、抓取、移动、放置、施力等）每一个零部件而实现的装配，严格的讲，只能称为人工装配。不需要由人工处理（接触、整理、抓取、移动、放置等）零部件而完成的装配，可称为自动装配。介于两者之间的为半自动装配。1.1.2 自动装配机的组成1. 零部件定向排列、输送、擒纵系统将杂乱无章的零部件按便于机器自动处理的空间方位自动定向排列，随后顺利输送到后续的擒纵机构，为后续的机械手的抓取做准备。2. 抓取-移位-放置机构将由擒纵机构定点定位好的零（部件）抓住或用真空吸住，随后移动至另一位置（通常为装配工作位置）。3. 装配工作机构指用来完成装配工作主动作的机构，如将工件压入、夹合、螺联、卡人、粘合、焊接、铆合、粘合、焊接于上一零部件。4.检测机构用来对上一步装配好的部件或机器上一步工作成果进行检测，如缺零件检测、尺寸检测、缺损检测、功能检测、清料检测。5. 工件的取出机构用来将装配好的合格部件、不合格部件从机器上分类取出的机构。1.1.3 自动装配机的传动结构1) 按被装配工件在机器中的流动时间连贯性来分，有间隙运动式装配机和连续运动式装配机。2）按装配机中工作位置数量来分，有单工位装配机和多工位装配机。3）按装配机中工件的传动轨迹来分，有圆形工作台式装配机和环形工作台式装配机。1.1.4 自动装配机的控制系统通常采用PLC控制，PLC要接收各种信号的输入，向各执行机构发出指令。机器中配备多种传感器等信号采集器来监视机器中每一执行机构的运行情况，经判断后发出下一步的执行指令。人机界面用来显示机器的运行情况、运行记录，以及用来由操作者向机器发指令。1.1.5 自动装配机的适用性近年来,随着中国经济的发展,更多的企业出现劳资纠纷及一线员工不好管理的问题频频发生,更多的企业都在选择自动化机械装配,如同富士康在近来三年内要增加100万台机器人来解决员工问题。当然根据行业的不同,自动装配机的应用也自然不同。自动装配机根据行业的不同可分为以下几种：1 电子电气类 轻触开关装配机,继电器自动装配机,复位健装自动装配机,变压器自动装配机等2 五金类 脚轮自动装配机,轴承自动装配机,玩具自动装配机,齿轮自动装配机,牙箱自动装配机等自动装配机还应用到家电,汽车行业,总而言之,自动装配机将是工厂工业化的一种趋势。1.2. 机械手的发展趋势国外机械手领域发展近几年有如下几个趋势:(1)工业机械手性能不断提高(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，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机械手产品问市。(3)工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机械手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、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、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;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。(6)当代遥控机械手系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机械手的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机械手走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机械手就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机械手化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机械手从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机械手操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机械手;其中有130多台套喷漆机械手在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机械手己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品；机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机械手约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机械手产业，当前我国的机械手生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机械手和特种机械手在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机械手，6000m水下无缆机械手的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机械手、双臂协调控制机械手、爬壁机械手、管道机械手等机种:在机械手视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机械手、智能装配机械手、机械手化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.3 课题研究的目的及要求自动装配是当前应广泛的一种制造工艺，在生产生活中日益受到重视。本课题针对企业实际零件的制造需求和自动装配技术的应用现状，设计满足企业专门零件加工需要的自动装配机。主要针对专门零件，结合其装配工艺特点，设计满足企业实际工艺要求的专用自动装配机器人，为企业生产提供有效的手段和方法。 通过课题研究，使学生掌握机械制造装备设计、分析的方法，并且熟悉使用一种CAD软件，着重培养学生综合应用专业知识和自动装配机器人设计技术知识的能力，以及独立解决和分析实际问题的能力。主要任务：1）查阅相关文献资料15篇以上，并完成指定的不少于五千印刷符的英文资料翻译，掌握自动装配系统设计的一般方法，学会使用相关手册完成设计任务；2）明确本题目的设计参数，技术条件，根据设计任务完成自动装配系统方案的拟定，绘制全套自动装配夹具和机器人的机械零件图、装配图；3）完成毕业设计说明书。1.4 课题背景装配过程是机械制造过程中必不可少的环节。人工操作的装配是一个劳动密集型的过程，生产率是工人执行某一具体操作所花费时间的函数，其劳动量在产品制造总劳动量中占有相当高的比例。随着先进制造技术的应用，制造零件劳动量的下降速度比装配劳动量下降速度快得多，如果仍旧采用人工装配的方式，该比值还会提高。据有关资料统计分析，一些典型产品的装配时间占总生产时间的53%左右，是花费最多的生产过程，因此提高装配效率是制造工业中急需解决的关键问题之一。自动化装配具备如下优点。1. 装配效率高，产品生产成本下降。尤其是在当前机械加工自动化程度不断得到提高的情况下，装配效率的提高对产品生产效率的提高具有更加重要的意义。2 .自动装配过程一般在流水线上进行，采用各种机械化装置来完成劳动量最大和最繁重的工作，大大降低了工人的劳动强度。3. 不会因工人疲劳、疏忽、情绪、技术不熟练等因素的影响而造成产品质量缺陷或不稳定。4 .自动化装配所占用的生产面积比手工装配完成同样生产任务的工作面积要小得多。5 .在电子、化学、宇航、国防等行业中，许多装配操作需要特殊环境，人类难以进人或非常危险，只有自动化装配才能保障生产安全。随着科学技术的发展和进步，在机械制造业，CNC、FMC,FMS的出现逐步取代了传统的制造技术，它们不仅具备高度自动化的加工能力，而且具有对加工对象的灵活性。如果只有加工技术的现代化，没有装配技术的自动化，FMS就成了自动化孤岛。装配自动化的意义还在于它是CIMS的重要组成部分。34第二章 总体方案设计与论证在科学技术突飞猛进的今天，装配线机械手的设计思想主要是通过对以前及现有的最具有代表性的装配线机械手进行分析研究，吸收它们的优点，将各个优点结合起来，将不同结构进行组合变化，使之达到较理想的方案。从而达到较好的运动精度和工作稳定性，进而使之在市场上更具有竞争力。本次设计就是在分析、研究以往优秀的装配线机械手的基础上加以改进而成的。2.1 机械手的概况2.1.1 机械手的概述及分类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。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，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，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信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。2.1.2 机械手的组成结构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2-1所示。图1-1机械手的组成方框图(一)执行机构包括手部 、手腕、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，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，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，但平移型手指夹持圆形零件时，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。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，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。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式.2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，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、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。手臂可能实现的运动如下:直线运动：如伸缩、升降、横移运动。基本运动手臂运动 回转运动：如水平回转、上下摆动（即俯仰运动）。 直线运动与回转运动的组合（即螺旋运动）。 复合运动 两直线运动的组合（即平面运动）。 两回转运动的组合（即空间曲面运动）。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。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。机械手的立往通常为固定不动的，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。滚滚轮轮式式布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。2.2设计背景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，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本课题设计一种应用于工业生产装配线中的机械手，能代替人完成装配的能自动控制的多功能的多自由度的工业机器人。气动机械手是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。它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。图2-1 安全带卷2.3机械手的坐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，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在装配过程中手臂具有升降、收缩运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。图2-2所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。图 2-2 机械手的运动示意图2.4机械手的主要参数 1、机械手的主要参数为最大抓重，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。本次所要装配的两个零件具有质量轻体积小的特点，所以最大抓重定为100g。2、机械手主要的基本参数为运动速度。影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。操作节奏对机械手速度提出了要求，设计速度过低则限制了它的使用范围。本设计机械手选取最大移动速度设计为1.2m/s，平均移动速度为lm/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1500mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.51mm。2.5驱动方式和传动方式的选择2.5.1驱动方式的选择在整个设计中，各自由度均采用气压驱动，之所以用气压驱动，是因为气压驱动具有以下优点：1.调速范围较大，而且还可以无级调速，易于适应不同工作要求；2.气压技术容易达到较高的单位面积压力，即驱动力或驱动力矩大；3.由于气压机构一般重量比较轻，因而具有惯性小的特点，故而它的速度反应性比较好；4.传动平稳，能吸收冲击力可以较平稳地实现频繁转向；5.定位精度高；正因为气压传动有以上优点，故本装配线机械手采用气压驱动。2.5.2传动方式的选择传动方式是将动力源的驱动力传递到实现自由度的运动的过程，在本设计中，就是将直线气缸的直线运动传递出去。针对不同结构需要和运动方式，小臂伸缩、小臂俯仰、大臂升降、纵向移动采用直线气缸驱动。2.6各个自由度的实现2.6.1腕部纵向运动腕部位于手爪和小臂之间，它的作用是在小臂的基础上，进一步改变和调整手爪的空间姿态和方位，夹紧工件，扩大机械手的动作空间和应用范围。在本设计中用气缸实现腕部运动。2.6.2手臂伸缩运动手臂的主要作用是连接腕部和大臂承受抓取工件的弯矩，因此应加强手臂的刚度和强度，所以采用单作用活塞气缸驱动，这种结构的特点是受力均衡，可用于抓取重量较大，行程较长的情况。2.6.3底座升降运动此处设计采用单作用活塞缸来驱动，这样的结构能提高底座的强度，并且装卸维修方便。第三章 装配夹具的结构设计3.1 定位原理六点定位原理是指工件在空间具有六个自由度，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度 。因此，要完全确定工件的位置，就必须消除这六个自由度，通常用六个支承点（即定位元件）来限制工件的六个自由度，其中每一个支承点限制相应的一个自由度。六点定位原理对于任何形状工件的定位都是适用的，如果违背这个原理，工件在夹具中的位置就不能完全确定。然而，用工件六点定位原理进行定位时，必须根据具体加工要求灵活运用，工件形状不同，定位表面不同，定位点的布置情况会各不相同，宗旨是使用最简单的定位方法，使工件在夹具中迅速获得正确的位置。工件定位的实质就是使工件在夹具中占据确定的位置，因此工件的定位问题可转化为在空间直角坐标系中决定刚体坐标位置的问题来讨论。在空间直角坐标系中，刚体具有六个自由度，即沿X、Y、Z轴移动的三个自由度和绕此三轴旋转的三个自由度。用六个合理分布的支承点限制工件的六个自由度，使工件在夹具中占据正确的位置，称为六点定位法则。人们在阐述六点定位法则时常以图3-1所示铣不通槽的例子来加以说明：a1、a2、a3三个点体现主定位面A，限制X、Y方向的旋转自由度和Z方向的移动自由度；a4、a5两个点体现侧面B，限制X方向的移动自由度和Z方向的旋转自由度；a6点体现止推面C，限制Y方向的移动自由度。这样，工件的六个自由度全部被限制，称为完全定位。当然，定位只是保证工件在夹具中的位置确定，并不能保证在加工中工件不移动，故还需夹紧。定位和夹紧是两个不同的概念。图3-1 典型完全定位图3-2 安全带卷底盘3.2 确定定位方式安全带卷的底盘如图3-2所示，根据其结构特征采用一面两孔的定位方式。3.3 夹紧机构在确定夹紧力的方向、作用点的同时，要确定相应的夹紧机构。确定夹紧机构要注意以下几方面的问题：1.安全性夹紧机构应具备足够的强度和夹紧力，以防止意外伤及夹具操作人员。2.手动夹具夹紧机构的操作力不应过大，以减轻操作人员的劳动强度。3.夹紧机构的行程不宜过长，以提高夹具的工作效率。4.手动夹紧机构应操作灵活、方便。确定夹紧力的方向、作用点，以及夹紧元件或夹紧机构，要选择和设计动力源。夹紧方案也需反复分析比较，确定后，正式设计时也可能在具体结构上作一些修改。利用一面两孔的方式对安全带卷的底盘进行定位后，底盘还能够上下移动，若不将其夹紧必然会影响装配的精度。鉴于该零件的特殊性，准备用一阶形螺钉将底盘固定住，从而可以保证装配精度。当1#机械手将1#零件（如图3-3所示）装配好之后，在装配2#零件（如图3-4所示）前必须把1#零件先固定住，否则必将影响2#零件的装配精度，因此该夹具还应设计第二次装夹。于是，特地在夹具体上设计了一个专门针对此零件的二次装夹工件（如图3-5所示），可以通过特定的机械手拨动此零件夹紧1#零件，从而实现其自动装配的过程。图3-3 1#零件图3-4 2#零件图3-5 二次装夹3.4 确定总体结构和尺寸在自动装配的过程中，工作台的尺寸如图3-6所示，图3-7为T形槽的尺寸要求。图3-6 工作台图3-7 T形槽其中B=200，B1=135，l=45，m=10，L=870，L1=715，E=70，m1=25，m2=40，a=14，b=25，h=11，c=12。根据工作台的尺寸要求，将夹具体的底座设计成长100，宽135，夹具底座的具体形状如图3-8所示，整个装配夹具的总体模型如图3-9所示，查阅有关夹具设计手册，该夹具的结构满足设计要求，并对夹紧力进行估算，均可满足夹具的强度和刚度的设计要求。图3-8 夹具底座图3-9 装配夹具 有关夹具体的具体尺寸，工程图详见附录一。第四章 1#机械手的结构设计 气动机械手必须具有高精度、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，这样就能能快速、准确地拾一放和搬运物件。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，抓取、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，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。4.1 路径规划1#机械手（图4-1）是用来装配1#零件（如图3-3所示），该零件通过机械手抓取放下后，还要旋转45才能与安全带卷的底盘完成装配。为了减少机械手的旋转动作，我们先将 1#零件在工作台上以45放置，再将1#机械手的手部以相同的角度安装在手臂上。1#机械手完成抓取抓紧上升定位放下松开等一系列动作。图4-1 1#机械手4.2 手部结构设计4.2.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式；按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。4.2.2设计时考虑的几个问题1.具有足够的夹紧力足够的夹紧力除了考虑工件重量外，还应避免在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动导致零件松动或脱落。2.手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开角应保证工件能顺利脱开，闭角应保证工件能顺利进入。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。3.保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。 4.具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，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。5.考虑被抓取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，由于1#零件外观为圆柱形，故手指形状设计成类似“V”型的仿圆弧型，其结构如图4-2所示。图4-2 1#机械手手爪4.2.3 手部夹紧气缸的设计1、手部驱动力计算1#机械手的手部结构受力简图（如图4-3所示），其工件重量G=1N，仿“V”形手指的角度2=120，b=50mm， R=20mm,摩擦系数为f=0.10 。图4-3 手部结构受力简图(1) 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: (2) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: 所以： (3) 实际驱动力: 因为传力机构为连杆机构，故取=0.94 ，并取=1.5.若被抓取工件的最大加速度取a=g 时，则: 所以： 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为12N。2、气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: 式中: 活塞杆上的推力，N 弹簧反作用力，N 气缸工作时的总阻力，N P气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算: 式中: 弹簧刚度，N/m L 弹簧预压缩量，m S 活塞行程，m d弹簧钢丝直径，m D弹簧平均直径，m D弹簧外径，m n 弹簧有效圈数 G 弹簧材料剪切模量，一般取G=79.4X109Pa在设计中，必须考虑负载率的影响，则: 由以上分析得单向作用气缸的直径: 代入有关数据，可得： 所以： 查有关手册圆整，得D=20 mm由d/D=O.20.5， 可得活塞杆直径:d=(0.20.3)D=410 mm圆整后，取活塞杆直径d=10 mm校核，按公式有: 其中=120MPa, F=73.3N则:d (43.5/120)=0.2 10，故满足设计要求。3、缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: 式中: 缸筒壁厚 ，mm D 气缸内径 ，mm P实验压力，取P=1.5PPa 材料为 : ZL3, =3MPa代入己知数据，则壁厚为: = =4 mm取=5 mm，则缸筒外径为:D=20+52 =30 mm。4.3 手臂结构设计4.3.1 手臂伸缩结构设计手臂的伸缩运动形式为直线往复运动。通过查阅资料，我们最终选择了气压驱动的活塞气缸。因为活塞气缸具有体积小、重量轻的特点，并且广泛应用与机械手的结构设计中。但是，机械手手臂在作直线往复运动时，手臂可能会绕轴线发生转动，为了保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。导向装置的选择因素有手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等等加以确定，同时应减少运动部件的重量，这样就可以减少手臂对回转中心的转动惯量。在本机械手中，采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。4.3.2 手臂伸缩驱动力的计算图4-3 所示为活塞气缸驱动手臂前伸时的示意图。图4-3 手臂伸出时的受力状态在单杆活塞气缸中，由于气缸的两腔有效工作面积不相等，所以左右两边的驱动力和压力之间的关系式不一样。当压缩空气输入工作腔时，驱使手臂前伸(或缩回)，其驱动力应克服手臂在前伸(或缩回)起动时所产生的惯性力，手臂运动件表面之间的密封装置处的摩擦阻力，以及回油腔压力(即背压)所造成的阻力，因此，驱动力计算公式为:P驱 = P惯 + P摩 + P密 + P背 式中:P惯手臂在起动过程中的惯性力(N)；P摩摩擦阻力(包括导向装置和活塞与缸壁之间的摩擦阻力)(N)；P密密封装置处的摩擦阻力(N)，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同 ；P背气缸非工作腔压力(即背压)所造成的阻力(N)，若非工作腔与 大气相连时，则 P背 =0 。根据手臂伸缩运动的驱动力公式:F=Ff + 其中，由于手臂运动从静止开始，所以v=v, 摩擦系数:设计气缸材料为ZL3，活塞材料为45钢，查有关手册可知f=0.17。质量计算:手臂伸缩部分主要由手臂伸缩气缸、夹紧气缸、手臂伸缩用液压缓冲器、手爪及相关的固定元件组成。气缸为标准气缸，根据中国烟台气动元件厂的产品样本可估其质量，同时测量设计的有关尺寸，得知伸缩部分夹紧物体时其质量为700g，放松物件后其质量为600g.接触面积:S510-4m2 则夹紧时： F=F + = 放松时： F=F + = 考虑安全因素，应乘以安全系数K=1.2则夹紧时: F=441.2=53(N) 放松时: F=381.2=45(N)4.3.3 手臂伸缩气缸的设计1、气缸的直径根据双作用气缸的计算公式: 其中: F活塞杆伸出时的推力，N F活塞杆缩入时的拉力 d活塞直径，mm P气缸工作压力，Pa代入有关数据，得:当推力做功时: =当拉力做功时: D=(1.011.09)(4F/ =(1.011.09) 故圆整后，取D=20mm 2、活塞杆直径的计算根据设计要求,此活塞杆为实心活塞杆，假设取d=10mm。校核如下:(按纵向弯曲极限力计算)气缸承受纵向推力达到极限力F以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使推力负载(气缸工作负载F与工作总阻力F之和)小于极限力F。该极限力与气缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。有关公式为: 式中: L活塞杆计算长度，m K活塞杆横截面回转半径，m A活塞杆横截面面积，m f材料强度实验值，对钢取f=2.110Pa a系数，对钢a=1/5000代入有关数据，得: = 推力负载为: 代入有关数据，得: =所以，安全。设计符合要求。3、缸筒壁厚计算根据公式：式中P为实验压力，取P=1.5P=0.610Pa材料为ZL3，则=3MPa，则： =取=5 mm，则缸筒外径为:D=20+52 =30 mm。4.4 升降缸结构设计4.4.1 升降缸结构设计 升降缸的工作原理和结构设计与手臂伸缩缸基本相同，可以通过所承受的压力设计升降缸的尺寸。升降缸应满足：1.有足够的刚度和稳定性2.运动要灵活，一般要有导向长度，且导向长度不宜过短，以免产生卡死现象3.结构布置要合理，便于装修4.4.2 升降缸驱动力的计算根据气缸驱动时需要克服的运动部件的总重量、摩擦力和启动惯性力等几个方面的阻力，所以油缸的驱动力为P驱 = P惯 + P摩 + P密 + P背 式中:P惯升降缸在起动过程中的惯性力(N)；P摩摩擦阻力(包括导向装置和活塞与缸壁之间的摩擦阻力)(N)；P密密封装置处的摩擦阻力(N)，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同 ；P背气缸非工作腔压力(即背压)所造成的阻力(N)，若非工作腔与 大气相连时，则 P背 =0 。根据升降