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一、选题依据1论文（设计）题目100 吨冲床自动上下料机械手三维设计2研究领域机械设计 三维设计3论文（设计）工作的理论意义和应用价值（1）理论意义通过对机械手气动控制的引用，提高了机械手环境适应性，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。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。并且气动机械手动作迅速，反应灵敏，气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。所以气动驱动的引入为上下料机械手的设计奠定了理论基础。（2）应用价值随着科学技术的发展，金属冲压在工业生产的比率也越来越高。高速化，自动化， 柔性化是现代科学制造的发展趋势，冲床的发展也需紧跟步伐。目前，为了满足产品高质量、高效率，通过提高劳动生产率和减少生产成本，以达到提高市场竞争力，于是机械自动化的生产成为必然趋势，因此很多不同用处的工业机器人应运而生。工业机器人由操作机(机械本体)、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。作为工业机器人主体的机械手是一种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。引入机械手来取代人工去完成操作任务是冲压成型技术发展的重要方向之一。现代工业生产过程中充斥着大量的人力手工生产形式，现代工业的生产环境是较为恶劣的，粉尘、油污、甚至于核工业中的福射污染。这些恶劣的生产环境不仅会对人体的健康造成影响，同时不可避免的导致生产效率的低下。机械手的投入使用适应了科技发展与工业发展的脚步，机器人可以工作于高温，高污染等一些对人类来说相当恶劣的环境，提高了生产效率，降低了劳动成本以及工人的危险性，满足以人为本的理念。传统三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异，甚至完全不同的情况。设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也无法保证，既慢且繁琐的制作设计过程大大拖延了产品的研发时间。因为三维设计是在电子计算机上进行，那么在制作初期，结合各种参数，便可以轻松计算出12实物重量、成本等。其精确度以及方便快捷是三维设计的优点之一，也是二维设计难以做到的。也因三维设计的独特性,在电子计算机上，可以利用数据共享实现多人同时制作，这是二维设计难以实现的。并且机械手前期的设计测试离不开三维设计，利用三维设计巧妙的将理论计算与实际模型结合，将抽象实物具体化。如何选择最佳工作位置，机械手如何准确平稳抓取以及稳当的落入工作位置，手部、手腕部以及机械臂的理论设计的具体化都可通过三维设计直观地观察达到追求简洁化摒弃过于笨重设计的目标。因此，100 吨冲床自动上下料机械手的三维设计尤为重要。4目前研究的概况和发展趋势（1）研究概况机器人诞生于上世纪五十年代，到现在经过约六十年的波浪式的发展过程，机器人技术已经得到极大的提高。机器人的出现对人们的生产和生活产生了深远的影响， 正在逐渐成为了人类社会不可或缺的一部分。在国外很多行业中都要使用到机械手， 例如在电子、轻工、医疗和食品等行业中，为了提高工业生产的自动化程度和保证产品的质量，通常需要机械手以较高的速度和适当的定位精度来完成诸如插装、包装、封装、检测、分拣等操作。目前，应用比较多的是工业机器人，具有高智能化、高精度。工业机器人的构成机构包括操作执行机（机械本体、运算控制器、伺服驱动系统和传感器感知系统，是一种机电一体化的自动化生产设备，具有自主控制、拟人操作、可重复编程的特点并且能完成在三维空间的各种作业，在品种繁多、批量变化的柔性生产场合尤其适用。它对产品的质量和生产效率有显著提高，明显改善了劳动条件， 并且对加快产品的更新换代速度起到了革命性的作用。不过事实上机器人并不只是单纯地代替人的作业，它能将人的特长与机器的特长综合起来，是一种更加高级的仿人的机电一体化装置。机器人不仅能像人一样对环境的变化进行分析判断并作出快速反应，而且具有加工精度高、持续工作时间长及在危险恶劣环境下作业的能力。因此也可以说工业机器手是机器人发展进化到一定阶段的产物，它在工业上是不可或缺的生产设备，同时也是先进制造技术领域无法替代的自动化设备。相比国外，国内机械手应用研究晚了很多。我国目前难以生产出高精度、高速度、大负载的机械手以及进口国外的机械手价格高等诸多原因，我国使用的上下料机械手的数量和质量与国外还是存在很大的差距的。目前，国内用于上下料的机械手采用直角座标机械手居多，少数加工中心、会采用关节型机械手。当然还有很多上下料的机械手是直角坐标机器人的拓展，这主要是由现场的加工工艺所决定。通常国内的很大部分机械手都是针对特定的机械装畳、特殊的加工王艺、特定的加工场合而设计，也就是说这类机械手使用范围不像常见的自由度机械手那么广。但是针对这些特定的使用场合，与其它类型的机械手相比，它具有不可替代的优势。从 20 世纪 70 年代来，国内工业机器人的应用还仅限于一些大型企业。对于一部分中小企业，特别是冲压行业在针对成批或中、小批生产出于减少投资的目的大部分还是使用人工操作，针对现在的快节奏生活，科技发展地突飞猛进带动了产品的更新换代的速度，让大部分企业认识到单一的模式很难生存，更何况高劳动力、低效率拉低了利润空间，必须针对高新技术有所投入。冲压产业已经进入结构调整向深度发展时期，依靠低劳动力成本的时代已经结束，由劳动密集型升级到技术密集型。（2）冲床机械手的发展趋势冲压是五金厨具生产的主要工艺。冲床公司在早期为完成上下料主要采用人工操作，为了提高效率减少厂房面积，企业主要把不同工序的冲床排列起来。但对于长距离由一道工序到下一工序的搬运，采用拖车或者传送带以及人力辅助。不仅增加了生产的不安全因素，还拖长了工时，导致经济效益不乐观。1958 年，世界上第一台工业机器人诞生，它是由世界上第一个机器人公司一Unimation 公司设计出来的，该公司是由被誉为工业机器人之父的 Joseph F. EngelBerger 建立。它是一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人，由一台专用计算机来控制手臂的动作，它能够记忆完成多达 180 个工作步骤。同时，AMF 公司也开始研制Versatran 工业机器人。其机械臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，同时它还可沿半径方向进行伸缩，它的主要用途是机器之间的物料运输。通常情况下，Unimation 和Versatran 被认为是世界上最早的工业机器人，这两种工业机器人的控制方式都与数控机床大致相同。同样国外对机械手上下料的研究起步也较早，机械手上下料最早应用于汽车生产线上，因为汽车生产线上常需要搬运体积大、重量大的毛坯材料，毫无疑问，这种工作让机械手来完成最适合。发展迄今，国外采用机械手上下料的领域是越来越多，而且其自动化、智能化程度、精度、加工效率等也是越来越高。比如，在许多高精度的数控加工中心，上下料过程需避免与机床发生碰撞、同时给多台机床上下料并且对工件放置在机床上的位置有很精确的要求，这势必要求上下料的机械手速度要快、精度要高、工作范围要广、抓取的负载能力要强、自由度要多（可以以多种姿势抓取工件） 等。因此，许多加工中心便采用自由度的机械手同时对多台数控机床进行上下料的操作，其上下料的速度快、精度高，这无疑大大的提高了生产效率。在产业化规模越来越大的同时，专家和学者对工业机器手的研究也不断朝着智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。我国机械手应用于冲压生产线是从 20 世纪 60 年代开始，随着劳动力成本的提高，企业的以人为本的思想以及工人的自我保护意识，越来越多工人放弃了工资高但工作环境恶劣、生产危险因素过多的职位，更多的企业开始专注于采用机械设备代替人力操作，通过机械设备在环境恶劣的加工环境里完成冲床的上下料、材料的简单的翻面。但冲床的主要参数由人力完成，机械手不能准确的完成抓取导致工作效率的提高不是十分显著。这是初步采用机械手段代替人力的尝试，技术不是很成熟、加工单元不够柔性，对产品合格率的提高不明显。20 世纪 90 年代至今，大型多工位压机出现，机械手在各个领域得到广泛的应用。并且随着计算机技术的不断向智能化发展，机械手应用领域的不断扩展和深化，机械手的发展也不断满足多样化、标准化的趋势。（1）模块化通常情况下模块化拼装的机械手是最具有灵活性的。模块化机械手在同一机械手上由于应用不同的模块而具有不同的功能，其自如的运动可以扩大机械手的使用范围。（2）重复高精度机械手对于要达到指定工作点的精确程度，如果动作重复多次会发现，机械手到达同样位置的精确程度就是重复精度。对于一个机械手其定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，但其可以预测，从而可以通过编程予以校正，然后通过一定次数地反复运行来测定与限定随机误差的范围。（3）无给油化要满足各行业无污染要求，已研究出不供油的各种润滑元件。当今新形势下，科学技术的快速发展、材料新技术也是突飞猛进，结构特殊的新型材料，便拥有节省润滑油、安全文明、稳定性高、使用耐久等种种优势。（4）机电一体化自动化技术的核心目前是由“PLC（可编程序控制器）- 传感器 -气压元件”组成典型的控制系统，发展与电子技术相结合的自适应控制元件，这样即可从“开关控制”进升到高精度的“反馈控制”，提高了系统的可靠性。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题(1)自动上下料机械手手部、手腕部、机械臂进行结构设计、计算、校核。(2)选取机械手合适的座标型式和自由度。(3)用 SolidWorks 对机械手各部件进行三维建模，并完成装配图。2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）(1)机械手的座标型选择与自由度设计。(2)夹持式机械手与气流负压时机械手的结构方案设计。(3)机械手手腕的可更换结构设计。(4)机械手手臂伸缩、回转、升降的结构设计。(5)机械手的驱动方案与气动控制方案设计。3.本论文（设计）预期取得的成果(1)一套完整的机械手手部、手腕部、机械臂各部件的零件图、装配图。(2)一份冲床自动上下料机械手三维设计说明书。(3)一篇冲床自动上下料机械手三维设计的外文文献翻译。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；查阅文献，学习掌握机械手在柔性制造单元的应用。综合比较气动、液压、电机驱动的优劣，根据作业技术要求、作业工序和工艺，选择满足系统功能要求和环境条件的气动驱动方案。设定机械手为四自由度，完成机械手手部、手腕、机械臂的结构设计及优化。对优化后的结构设计进行三维建模并组建装配图。机械手设计的参数：（1）抓重10 公斤（夹持式手部）5 公斤（气流负压时吸盘）（2）自由度数：4（3）座标型式：圆柱座标（4）最大工作半径：1500mm（5）手臂最大中心高：1380mm（6）手臂运动参数伸缩行程 600mm 伸缩速度 500mm/s 升降行程 200mm 升降速度 300mm/s 回转范围 0-240 回转速度 90/s（7）手腕运动参数回转范围 0-180 回转速度 180/s（8）手指夹持范围棒料：80-150mm片料：面积不大于 0.5 （9）定位精度：0.5mm2.论文（设计）进度计划第 1 周：选择毕设题目，了解 100 吨冲床自动上下料机械手的设计要求与工作性质。第 2 周：查阅机械手、工业机器人在柔性制造单元的应用等相关文献。第 3 周：查阅文献，整理开题报告写作思路。第 4 周：撰写开题报告，准备开题答辩。第 5 周：查阅文献进行上下料机械手方案设计。第 6 周：根据上下料机械手方案设计完成手部、手腕部、机械臂的结构设计。第 7-9 周：手部、手腕部、机械臂等零件的三维设计和建模。第 10 周：将三维零件进行装配，完成机械手装配图。第 11 周：完善零件图和装配图。第 12-13 周：完成设计说明书和英文翻译。第 14 周：上交毕业设计材料，答辩。四、需要阅读的参考文献1赵罘,杨晓晋,赵楠著. SolidWorks 2017 中文版机械设计从入门到精通M.北京: 人民邮电出版社,2017.4.2张宇飞,陆宝春.冲床物料流转机械手结构设计及运动仿真D.南京:南京理工大学,2016.3.3于衍伟,张祥林,韩松,冯科.适于中小型冲床的经济型自动送料机械手研制J.锻压技术,2011.12,36(6):67-68.4庄宇昀,徐辉.冲压线的发展J.一重技术,2005,(4):20-22.5孙珑,汤勇.冲压机上下料机械手的开发与研究作D.广州:华南理工大学,2015.1.6施燕.经济型数控车床机械手建模与仿真研究D.镇江:江苏大学 2009.3.7王建明,自动线与工业机械手技术M.天津:天津大学出版社,2009.8 Ashraf Elfasakhany,Eduardo Yanez,Karen Baylon.Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of FreedomJ.Modern Mechanical Engineering, 2011,1,47-55.9 Blaek G,Vyatkin V.Intelligent component-based automation of baggage handling systems with IEC 61499J.IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2010,7(2):337-351.10赵彤.气动技术在高端装备业中的展望J.液压与气动,2014,(6):76-81.11孟彩茹,张高青,李夏楠,李强.夹持机械手爪结构的设计与优化J.机械设计与制造, 2016,6(6):70-74.12 刘 邦 雄, 李 健 , 梁 鹏, 辛 艳 峰. 上 下 料机 械 手 的运 动 学 仿 真J. 机 械 研究 与 应 用,2016,29(06):87-89.13 郭斌, 王彦明, 陆艺, 赵静. 冲床上下料机械手臂及驱动系统设计J. 机械传动，2016,40(02):150-153+157.14魏静,蔡锁宁.智能机械手臂的设计研究J.自动化与仪器仪表,2017(01):67-69.15张朋辉,赵连玉,陈炜.机械手爪设计仿真J.天津:天津理工大学学报 2016,32(02):1-4.附：文献综述或报告文献综述从自动机到工业机器人是一个飞跃，从一般工业机器人到积极探索和开发具有智能和功能强大的工业机器人将又是一个飞跃。目前，冲床机械手的开发正处在一个蓬勃发展的阶段。在先进的工业发达国家里，冲床机械手作为高度柔性、高效率和能重组的制造和加工系统中的生产设备，它总是作为系统中的一员而存在。从组成敏捷制造生产系统的观点出发，冲床机械手的发展得益于冲压技术的发展与工业机器人功能部件的标准化和机械、伺服驱动、信息检测的模块化。虽然我国工业机器人的应用前景十分宽广，但是我国的工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富、廉价，给冲床机械手的发展和应用带来一定困难。所以应结合我国实际国情出发，发展经济型气动工业机器人。1.冲压技术概述冲压加工是一种塑性成型技术，它主要通过压力机加工放入模内的工件，使之获得生产所需尺寸规格产品的技术。冲压加工离不开板件、冲模和压力机的相互配合。冲压加工生产效率高，且易于建立自动化生产线，如钣金加工所涉及的板料冲裁、开卷和矫平精整，可以在压力机上设计复合加工冲模，一次性加工生产所需的多道工序。除此之外，传统冲压加工对工人技术要求不高，只要有充足的劳动力和安全意识，就可以完成一定的工作额度。总之，冲压加工不论是在技术上还是经济上，较传统的机械和塑性加工都有更多的独特优点。如：（1）冲压加工有更好的可操控性，且可加工产品数量多，利于企业搭建高效的自动化平台。（2）冲压加工能够保证产品的质量和互换性。（3）对于大尺寸和复杂的零件，冲压一样适用，而且材料在冲压加工中相当于做了冷作硬化处理，使被加工件的强度和刚度得到了提高。（4）在冲压加要工中，所选工件成本低，且不会产生碎屑，无需加热处理， 就可完成更节省材料的生产。生活中可以看到许多冲压成型产品，如汽车覆盖件、机柜机箱、不锈钢锅以及一些小型钣金件等等。在传统冲压加工之中，对于每一道工序，都需要人工长时间不间断的搬运、上料和下料等劳作，且不说能不能达到生产要求，工人还要时时刻刻警惕着操作事故的发生，而且还不能适应现今社会日益复杂多变的冲压生产工艺需求，所以必须采用其他方式间接或直接取代人工，既完成冲压基本任务，又要保证质量，增加生产率和安全性。2.伺服运动控制技术当今，运动控制作为控制领域中的一个重要部分，得到了愈来愈深远的发展，而运动控制的关键就是伺服控制技术。伺服控制系统可以是简单的单机控制系统，也可以是高端复杂的总线式控制系统。对于经济型或小型的简单运动控制，可以选择脉冲控制的伺服驱动，对于复杂高精度的系统往往会采用如 CAN 总线,PROFIBUS-DP, CC-LINK 等的总线来控制。伺服控制是一种随动控制系统，当输入的指令信号被追踪到，控制器可以将其与设定信号比较，以获得系统所需的更精确的位置及速度等信号从而输出。如在 CNC 加工中心的工件加工过程中，针对刀具的位置进给伺服控制， 当控制器获取追踪信号，会通过比较计算，进而控制刀具的进给和系统的工作状态； 而机械手系统往往是多轴驱动，基于多轴驱动基础上，加入控制器、伺服执行器和反馈元件，组装成具有高效稳定工作的伺服控制系统。 伺服控制主要包括液压伺服、气压伺服和电气伺服。当今，伺服驱动技术不断发展，特别是电气伺服控制系统中伺服电机、伺服驱动器和相关反馈元件的广泛应用。随着制造业技术的发展，伺服控制几乎普及到了绝大部分的机电一体化系统中，机电一体化系统根据工作要求，通过伺服控制可以完成系统所需的运动和动力环节。 根据执行电机的电流输入形式，伺服控制系统可以分为直流伺服控制和交流伺服控制。直流伺服电机结构中往往需要机械换向器和电刷，像工业机器人伺服控制系统中多以交流伺服电动机驱动为主，这样不但克服了直流伺服电机的缺点，还能够满足各种工业自动化产业对于高效高精度伺服驱动控制的技术要求。3.气动机械手的发展当今现代制造技术不断发展，冲压加工中的高速自动化技术已逐渐取代专机操作和人工上下料等传统生产方式。不论是专机操作还是人工上下料，都会存在生产效率和安全问题，为了节省不必要的成本，使冲压生产更加的保质保量，可以建立冲压自动化柔性生产线或组装通用搬运系统，如采用工业机械手代替人工上下料，但机械手并不是简单的取代，在冲压生产中，应用上下料机械手可以有如下优点：（1）冲压生产趋近自动化。（2）降低劳动成本，提高安全性。（3）减轻人力，便于有节奏的生产。广泛使用的气压技术以压缩空气为介质，具有动作迅速、平稳、可靠、结构简单、较轻、体积小、节能、工作寿命长的特点，特别是对易于控制、易维护、无环境污染场合，因此气动技术常作为机械手的驱动系统的首选。气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有无污染、抗干扰性强、价格低廉、结构简单、功率体积比高等特点。在机械行业越来越多的自动化设备中采用了机械手，主要是液压控制和气压控制两种方式。其中气动机械手以其取之不尽、用之不完的气源，及较低的生产成本受用户喜爱，各国对气动机械手的研究越来越重视，现已发展成为满足生产需要的一种重要的实用技术。在工业自动化中液压与气压均有较在应用，而气动技术被称为工业自动化的“肌肉”，其应用灵活，夹持工件的重量越来越重，在各种机械加工行业和制造行业中，尤其在有毒的环境下作业等其应用程序越来越受重视，并得到相应广泛使用。随着科技不断日新月异发展，自动化控制技术也不断更新，在微电子技术、计算机技术等技术的迅猛发展形势下，气动技术不断技术创新，以工程实际应用为目标，不断取得巨大的进步。另外气动技术作为一种相对来说比较廉价的自动化技术，由于其元器件的制造技术以及使用性能的不断提高，并且生产成本和流通成本不断的降低，气动技术现已被广泛的应用在现代工业、医疗业、生产以及输送领域。基于 PLC 控制的气动机械手自动化程度高，能有效防护操作者安全。夹持器部分可以选择夹持手指抓取一般工件，也可更换气流负压式吸盘，以吸附薄型或平板型工件，使机械手使用范围更广。采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制，阻力损失和泄漏较小，绿色环保。采用可编程控制器实现气动系统的控制，结构简单、成本低，当被加工零件发生变化时，不需要改变硬件，只需重新编程调试控制系统指令即可，调试维护方便，效率高，符合企业的需求。指导教师评阅意见（对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅）审核签字：年月日意见教研室主任意见签字：年月日学院教学指导委员会意见签字：年月日公章：10任务书论文(设计)题目：100吨冲床自动上下料机械手三维设计工作日期：2017年12月18日 2018年05月20日1.选题依据:本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，在充分分析工件技术要求前提下，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。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。2.论文要求(设计参数):1、抓重10公斤 (夹持式手部)5公斤 (气流负压式吸盘)2、自由度数：4个3、座标型式：圆柱座标4、最大工作半径：1500mm5、手臂最大中心高：1380mm6、手臂运动参数伸缩行程600mm 伸缩速度500mn/s 升降行程200mm 升降速度300mm/s 回转范围0-2400 回转速度900/s 7、手腕运动参数回转范围 0-1800 回转速度1800/s 8、手指夹持范围棒料:80-150mm 片料:面积不大于0.59、定位精度：士0.5mm3.个人工作重点:采用三维设计软件完成100吨冲床自动上下料机械手的设计，包括机械手总装结构设 计、机械手手部、手腕结构设计、手臂的结构设计，编写设计说明书，完成英文翻译工作。4.时间安排及应完成的工作:第1周：布置毕设任务第2周：根据题目查阅文献第3周：准备开题报告材料第4周：撰写开题报告，准备开题答辩第5周： 查阅文献进行方案设计第6周：根据方案完成结构设计第7周：零件三维设计和建模第8周：零件三维设计和建模第9周：零件三维设计和建模第10周：将三维零件进行装配，完成装配图第11周：完善装配图和零件图第12周：完成设计说明书和英文翻译第13周：完善设计说明书和英文翻译第14周：上交材料，答辩5.应阅读的基本文献:1徐元昌.工业机器人.北京:中国轻工业出版社，1996 2张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，1988 3蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，2001, 4 4周洪.气动技术的新发展.液压气动与密封，1999, 5 5金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用2001, 2 6王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密，1999，5 7周伯英.工业机器人设计.北京:机械工业出版社，1995 8龙立新.工业机械手的设计分析.焊工之友，1999, 3 9王承义.机械手及其应用.北京:机械工业出版社，1981 l0工业机械手设计基础.天津大学工业机械手设计基础编写组编.天津: 天津科学技术出版社，1979.1l李哲.冲压床自动上、下料机械手的研制，研究与设计，2001, 5指导教师签字：教研室主任意见：同意签字： 2017年12月14日教学指导分委会意见：同意签字：XX 2017年12月15日 学院公章进度检查表第-1周工作进展情况了解毕业设计题目的要求，熟悉冲床上下料机械手的任务要求，工作性质以及加工工艺。查阅机械手、工业机器人在柔性制造单元的应用等文献。完成100吨冲床自动上下料机械手的开题报告，完成毕业设计开题答辩。2018年01月10日指导教师意见按照毕业设计任务书要求，查阅机械手、工业机器人在柔性制造单元的应用等文献，了解了冲床上下料机械手国内外研究状况及发展趋势，掌握了冲床上下料机械手的有关内容，技术路线可行，时间进度安排合理，较好地完成了开题阶段的任务。指导教师(签字)： 2018年01月11日第 2周工作进展情况查阅机械手、冲床机械手文献，了解机械手结构。查阅气动部件结构，了解气动伸缩缸构造，回转气缸结构。设计横向伸缩气缸的工作行程为660mm，缸体采用气密性较好ZL106，活塞杆采用45号钢，气缸的上下端盖、气缸活塞采用HT200。根据方案进行冲床自动上下料机械结构设计，改进。2018年03月16日指导教师意见查阅相关资料和文献，了解了机械手结构、气动伸缩缸、回转气缸结构，确定了一个初步方案，接下来准备根据方案进行冲床自动上下料机械手结构设计工作。完成了毕业设计进度计划相关部分工作。指导教师(签字)： 2018年03月16日第 5周工作进展情况查阅资料，完成夹持机械手设计方案，采用气动驱动与弹簧反作用力完成机械手的闭合张开。采用齿轮齿条结构完成动力传输。吸盘式机械手采用气流负压式，用橡胶或者软塑料制成软碗。手臂的伸缩回转结构采用回转伸缩气缸，通过导向装置防止伸缩结构的旋转，并增加手臂的强度。2018年04月11日指导教师意见夹持机械手设计方案较为合理，采用气动驱动与弹簧反作用力能够实现机械手的闭合张开，采用齿轮齿条结构完成了动力传输。吸盘式机械手采用气流负压式，手臂的伸缩回转结构采用回转伸缩气缸，通过导向装置防止伸缩结构的旋转，并增加手臂的强度。完成了阶段性工作。指导教师(签字)： 2018年04月11日第 8周工作进展情况根据设计计算，验证，校核的结果，查阅气动机械手册，对于符合技术要求的零件优先采用标准件，完成伸缩气缸，旋转气缸的三维设计。完成机械手，伸缩手臂，升降手臂的零件图，各部分零件的三维建模并组建装配图。2018年05月01日指导教师意见完成机械手关键零件的计算、验证、校核；完成标准件的选择；完成伸缩气缸、旋转气缸的三维模型；完成机械手伸缩手臂、升降手臂的三维零件图和装配图。指导教师(签字)： 2018年05月02日第 11周工作进展情况完成机械手的爪部、横向伸缩旋转结构、竖直方向的旋转升降结构的三维建模，并组建100吨冲床自动上下料机械手的装配图。完成毕业论文外文文献的翻译并对毕业论文完成初步改版。2018年05月19日指导教师意见完成机械手所有零件的三维建模，并完成装配图；完成毕业论文外文文献的翻译、设计说明书，准备毕业答辩。指导教师(签字)： 2018年05月21日第周工作进展情况年月日指导教师意见指导教师(签字)：年月日过程管理评价表评价内容具体要求总分评分工作态度态度认真，刻苦努力，作风严谨32遵守纪律自觉遵守学校有关规定，主动联系指导教师,接受指导33开题报告内容详实，符合规范要求55任务完成按时、圆满完成各项工作任务44过程管理评分合计14 过程管 理评语 该生在毕业设计过程中态度认真，刻苦努力，积极主动地分析问题和解决问题，主动联系指导老师，遇到问题，积极主动地查阅资料，并能解决问题。通过查阅相关文献资料，很好地完成了开题报告，开题报告内容详实，论述清晰，格式规范，同时很好地完成了文献综述。从方案设计、结构设计、三维建模整个毕设过程，都能够独立思考，认真完成了中期检查，符合进度计划的要求。设计说明书论述清晰，分析、计算过程准确，结构合理，较好地完成了毕业设计任务。指导教师签字:日期:2018-05-22指导教师评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规109指导教师评分合计17 指导教 师评语 XX同学的毕业设计题目符合培养目标要求，有一定的研究价值和实践意义，具有开拓性，难度适宜，工作量饱满。该生有较强的综合运用知识能力、文献资料检索能力、计算机应用能力、科研方法运用能力和分析问题解决问题的能力。论文文题相符，概念准确，分析、论证、计算、设计、实验等正确合理，结论明确；论文结构层次清晰合理，撰写格式、图表等符合规范要求，该生具有中文表达与外语能力。在整个毕业设计过程中，该生态度端正，按时完成阶段性任务，同意该生参加毕业答辩。指导教师签字:日期:2018-05-22评阅人评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规108评阅人评分合计16 评阅人 评语 论文以冲床自动上下料机械手为设计内容，主要内容包括机械手的末端执行机构、气动控制系统的设计。论文选题具有较高的实际应用价值，题目具有一定的创新性，难度适中，工作量饱满。论文的设计思路较为清晰，表明该生具有较为扎实的专业知识基础，熟悉产品设计的方法，具备较好的解决实际问题的能力。论文文字顺畅，文献分析合理。设计的计算过程完备，结果合理，逻辑清晰，设计流程详细。论文结构完整，写作较为规范，图表明确，符合论文写作规范。该生已达到本科生培养目标要求，建议准予答辩。评阅人签字：XX评阅人工作单位：XX日期：2018-05-22答辩纪录 学生姓名：XX专业班级：XX 毕业论文(设计)题目： 100吨冲床自动上下料机械手三维设计答辩时间：2018年05月 日 时 分 时 分答辩委员会(答 主任委员(组长)： XXX委员(组员)： XXXX辩小组)成员答辩委员会(答辩小组)提出的问题和答辩情况问题1：结构组成是什么样的？回 答： 由摆动气缸与伸缩气缸完成横向伸缩、旋转。其中气体由油雾器进入气罐，再由气罐进入摆动气缸，气体再进入升降气缸与伸缩气缸完成动作。问题2：装配图上应该标什么类型的尺寸？回 答： 总高度、伸缩臂长度、工作高度、机械手的升降行程。夹紧气缸的长度、旋转气缸的长度、主要轴的直径等。问题3：设计的核心计算内容是什么？回 答： 机械手完成手指开闭时，齿条的伸缩行程。弹簧的反作用力大小。夹紧气缸的内径大小，气缸的壁厚，夹紧气缸的活塞杆的直径、强度校核。摆动气缸的内径、外径和轴大小。升降、伸缩气缸的内径大小、气缸壁厚、活塞轴的直径、强度校核。问题4：设计完成的参数是什么?回 答： 横向的工作参数600mm，设计完成660mm。升降行程200mm，设计完成220mm。问题5：怎么控制最大角度120度，怎么把运动传递到爪部？回 答： 齿条的往复运动，推动半圆齿轮转动，从而实现120度的要求。齿条与夹紧气缸相互影响，夹紧气缸在气压推动下推动活塞运动，活塞杆与齿条连接且往复运动，推动半圆齿轮转动，将运动一步步传递到爪部。记录人： 2018年05月24日答辩委员会评价表评价内容具体要求总分评分自述总结思路清晰,语言表达准确,概念清楚,论点正确,分析归纳合理108答辩过程能够正确回答所提出的问题,基本概念清楚,有理论根据108选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确；论文结构、撰写格式、图表等符合基本规108能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语应用能力、文献资料检索能力、计算机应用能力108答辩委员会评分合计36 答辩委员会评语 XX同学在毕业设计工作期间，工作努力，态度认真，能遵守各项纪律，表现良好。 能按时、全面、独立地完成与毕业设计有关的各环节工作，具有一定的综合分析问题和解决问题的能力。 论文立论正确，理论分析得当，解决问题方案实用，结论正确。 论文使用的概念正确，语言表达准确，结构严谨，条理清楚。 论文中使用的图表，设计中的图纸在书写和制作时，能够执行国家相关标准，规范化较好。 具有一定的独立查阅文献资料及外语应用能力，原始数据搜集得当，实验或计算结论准确。 答辩过程中，能够简明和正确地阐述论文的主要内容，思路清晰，论点基本正确；回答问题准确，有应变力；有较好的语言表达能力。答辩成绩： 36答辩委员会主任：XX2018年05月30日成绩评定 项目分类成绩评定过程管理评分14指导教师评分17评阅人评分16答辩委员会评分36总分83成绩等级B成绩等级按“A、B、C、D、F”记载成绩审核人签章： XX审核人签章： XX100 吨冲床自动上下料机械手三维设计摘要现代制造业技术的进步，进了冲压生产向高速化、自动化和智能化方向的发展。传统的冲压生产多采用专机操作和人工上下料,而这种生产方式已不能满足日益快速发展的工业要求。如今,在冲压生产中引进自动化生产单元和建立柔性自动化生产线, 不仅可以实现冲压设备的高效、高速化,还可以提高产品加工的质量和精度,同时也开辟了冲压生产技术的一个重要发展方向。冲床机械手是在自动化设备的基础上,专门为实现冲压自动化无人生产而研发的智能设备,它能够间接或直接地代替人工在相关冲压工位上进行物料的取放、搬运和冲压上下料等工作,从而极大地提高生产效率和质量。相比于电机驱动、液压驱动，气压传动与控制的机械手在响应速度以及自动化控制上具有很大的优势。气动技术使用气体为动力传输介质。首先，气源来源广泛， 可直接从空气中汲取，廉价便捷。其次，气动传动迅速，稳定可靠，结构简单，质量也较其他机构更轻。在末端执行效果来看，使用气动可使执行机构具有很好的柔性， 这样在使用过程中更加的安全，对所工作对象的损伤也较小。另外，由于气体无害， 清洁，其在维修、检查等方面都较为方便。机械技术与电子技术相结合已经成为当前装备制造业的主流和发展趋向，机电一体化是现代化机械和技术的重要特征之一，为适应机电一体化的应用，气压传动与控制技术更应顺应时代的发展。气动机械手的探索创新将是一个很好的拓展方向。根据 100 吨冲床自动上下料机械手设计要求,对总体方案设计和驱动方式进行对比选优。着重针对机械手末端执行机构，对轴类工件以及薄板工件的抓取方式进行对比选择。对于机械手对工件的搬运、翻面等工序有针对性的采用伸缩气缸以及摆动马达，并对其进行设计计算、校核对于满足设计要求的元件优先采用标准件。在机械手结构设计计算的基础上，用 SolidWorks 软件完成了机械手手腕回转结构、机械手臂伸缩升降结构以及导向机构的三维建模。关键词：机械手，气压传动，Solidworks 三维建模，冲压。ABSTRACTThe progress of modern manufacturing technology has promoted the development of stamping production in the direction of high speed, automation and intelligence. The traditional stamping production uses the special machine operation and the manual loading and unloading, but this kind of production method cannot meet the increasingly rapid development of the industrial requirements. Nowadays, the introduction of automated production units and the establishment of flexible automated production lines in stamping production can not only achieve high efficiency and high speed of stamping equipment, but also improve the quality and precision of product processing. And at the same time, it also opens up an important development direction of stamping production technology. The punch manipulator is a smart device developed specifically for automation of unpressurized stamping on the basis of automation equipment. It can directly or indirectly replace the manual picking and placing, handling and punching of materials on the relevant stamping stations, so the production efficiency and product quality have been greatly increased. Compared to the motor-driven, hydraulically-driven pneumatic transmission and control manipulators, it has great advantages in response speed and automation control. Pneumatic technology uses gas-powered transmission media. First of all, the source of gas is wide and it can be directly extracted from the air, which is cheap and convenient. Second, pneumatic transmission is rapid, stable, reliable, simple in structure, and lighter in quality than other mechanisms. In the end of the implementation of the effect of view, the use of pneumatic actuators can have a very good flexibility, so that in the use of more secure, less damage to the work of the object. In addition, because the gas is harmless and clean, it is convenient for maintenance, inspection.The combination of mechanical technology and electronic technology has become the current mainstream and development trend of the equipment industry. Mechanical and electrical integration is one of the important features of modern machinery and technology. In order to adapt to the application of mechatronics, the pneumatic transmission and control technology should adapt to the times. The exploration and innovation of pneumatic robots will be a good development direction.According to the design requirements, the robots overall program design and drive methods are compared and selected. Emphasis will be placed on the selection of thegripping method for the shaft-type workpiece and the thin-plate workpiece by the end effector of the robot. For telescopic cylinders and oscillating motors, the manipulators handling of workpieces, turning and other processes are targeted, and their design calculations and verifications are performed. Components that meet the design requirements are given preference for standard parts. On the basis of calculation and design of manipulator structure, the three-dimensional modeling of manipulator, wrist rotation structure, telescopic lifting structure of manipulator arm and guide mechanism using SolidWorks software was completed.Key words：Robot,Pneumatic transmission Solidworks, 3D modeling,Stamping100 吨冲床自动上下料机械手三维设计目 录1. 绪 论11.1 前言11.2 国内工业机械手现状11.3 国外工业机器人现状21.4 项目意义22. 机械手结构设计42.1 机械手基本形式的选择42.2 驱动机构的选择42.3 整体结构的设计43. 手部设计63.1 手部结构分类63.2 夹持式手部设计的基本要求63.3 手部驱动力计算63.4 气缸直径计算93.5 校核活塞杆强度113.6 活塞杆技术要求113.7 夹紧气缸缸筒壁的设计计算113.8 气缸技术要求123.9 活塞技术要求123.10 气缸缓冲计算134. 吸盘机械手154.1 吸盘机械手概况154.2 喷气式气流负压式吸盘原理164.3 计算吸盘的直径175. 手腕设计185.1 机械手手腕结构设计185.2 叶片式摆动马达结构原理185.3 手腕摆动气缸的驱动力矩计算195.4 手腕转动所需的实际驱动力196. 手臂设计226.1 机械手臂结构设计226.2 机械手臂伸缩设计226.3 机械臂的导向设计236.4 机械手臂驱动力计算236.5 伸缩气缸校核计算256.6 缸筒壁厚计算266.7 活塞杆直径的计算266.8 机械手臂的升降以及回转结构276.9 伸缩气缸驱动力计算286.10 升降气缸的直径计算286.11 缸筒壁厚计算307. 辅助结构设计317.1 机械手转动的缓冲结构示意图317.2 气压控制原理317.3 模拟机械手的工作流程32结 论34参考文献35附录 1. 外文翻译36附录 2. 外文原文44致谢551. 绪 论1.1 前言机械手的组成部件通常是动力驱动，执行机构和控制系统。机械爪是整个机构的末端执行器，它直接与工件接触。一般的它是根据被夹持工件的形状、材料、质量， 或者工作条件等特定条件设计的，都具有特定性。机械手臂部分是连接机械爪的部分其主要功能是为了使机械手能够自由的到达合适的空间坐标之内，并且能够控制机械手末端机构伸长、旋转。为了在任何位置和方向上抓取物体，必须有 6 个自由度。自由度是指机械手在空间内运动的自由程度，并将其以精确地数字表达出来，以显示其灵活成度。自由度越高，那么机械手的可用性及其灵活性也会大大的提高。最后机械手的控制系统是指通过各种各样的控制硬件并配合其相应的软件编程，合理的完成对相应的控制部件的控制。冲压设备由于其本身的高效性和实用性，在制造业中有着不可替代的作用1。针对冲床上下料气动机械手，主要是考虑到冲床的快速发展以及加工环境的恶劣以及人力搬运冲床下料的危险性，使得设计一种可以代替人工进行上下料的机械手成为大势所趋。这类机械手通过控制由压缩空气驱动的气动元件，实现全方位的物品夹持与放下。把空气作为它的主要驱动源，使得安全可靠，清洁无害成为了它的突出特点。并且多工位使得它可以一次完成多个工件的夹持与释放，体现出了它的高效节能。将这类机械手运用到冲床，必定可以实现更加自动化，安全化，绿色化的工业现代化。1.2 国内工业机械手现状冲压自动线在国外发展已经数十年，在国内环境中，自动化控制的冲压生产线中上下料过程也获得了快速的发展1。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人2。但就我国现在的技术水平自主设计制作出精密度高、响应速度、加工速度高、大负载的机械手难度还是很大。另外引进国外先进机械手价格高的原因，不仅在数量上，甚至在质量上都与国外先进的技术存在着很大差距。现在我国用的最多的是直角坐标系机械手且主要应用领域为上下料的搬运。工业上同样也会引用关节型机械手，但由于技术的不成熟其主要运用于加工中心。即使困难重重，但在不停地探索学习以及拓展下，我国家60的工业机器人在针对特殊机械装畳、不同的加工工艺、特定的加工场合下因地制宜， 设计出有针对性的机器人。虽然该类机械手使用范围不像自由度机械手那么广，但其专注性设计具有很大优势。1.3 国外工业机器人现状机器人最早出现于美国，在 1962 年世界上第一台工业机器人就已经被研制出2。美国大力经济的投入以及研发使得机器人工业在技术的更新换代和加工经验有着巨 大的优势。日本的工业机器人生产数量和生产密度优势明显，德国的工业机器人在很 多危险性岗位应用较多，且发挥着较大的功能和作用3。工业机械手应用于冲压生产线也是从 20 世纪 60 年代开始1。机械手的投入主要由于制造业的快速发展和国家政策的扶持，传统工业方在日趋激烈的市场竞争下处于劣势，同时也存在着劳动力等人工成本的增加。20 世纪 70 年代，由于现代控制技术和气动技术的进步，冲压上下料向高速化、自动化和精度化发展，传统的机械手冲压生产线不能适应工业的发展需求，因此逐渐发展成熟的工业机械手迅速渗透入冲压行业4。进入 21 世纪，美国等技术先进经验成熟等国家，逐步将视觉传感器、力传感器、触觉传感器、嗅觉传感器的技术引用，使工业机器人逐步向高智能发展，如美国的火星探测器，Gantry3000 模块机器人和梅林多联机器人，美国工业机器人正在朝着更先进、更可靠和更智能化的方向前进5。1.4 项目意义基于我国的工业基础以及不断的探索创新学习，作为一个发展中的工业强国，气 动行业在工业快速发展的带动下迅速发展。并且由于气动本身就具有节能、高效、无 污染、低成本、结构简单等各种优点，日渐成熟的气动技术运用在不同的领域上。现 在加工企业对气压传动与控制技术的引用，不仅提高了机械手针对不同环境的适应性， 同样相比于液压传动与电力传动在强磁、易燃易爆危险环境、粉尘空间等诸多恶劣环 境下具备很大的优势且机械手的工作效率不会因环境的改变而降低。由于压缩空气的 特殊性以及气压控制工作压力低，气动元件的加工精度、制作工艺、制作成本都相对 低。气压传动与自动化控制的优势和技术的日益成熟对冲压机械手在上下料方面具有 很大推动作用。由劳动密集型升级到技术密集型，实现冲压的自动化高效生产才是冲压行业未来发展的必然趋势6。在大势所趋下，针对不同的工业领域很多机器人针对特定的需求被设计。作为一种仿人机械，工业机器人主要由机械结构本体、自动控制部分、伺服驱动和位置检测反馈结构构成，能够针对不同的工作需求而编制程序提高机械手的通用性。工业机械爪模仿手部的结构动作，按照不同环境下设定的程序完成在设定运动轨迹下工件的抓取搬运。机械手的投入让现有的工业生产的工作效率降低，产品质量提高。同样现有的冲压公司也希望通过现有的机械设备的基础上，以升级改造后的设备替代和减少购置新设备，起到事半功倍的效果6。如果工业机械手技术能在工业生产中得到普及并进一步提高、完善性能，那么中国机械制造业一定会发展得更快7。2. 机械手结构设计2.1 机械手基本形式的选择机械手型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：1）直角坐标机械手直角坐标系机械手机器机关简略，可以很准确的定位。但该机械手体积庞大不易随意移动。2）圆柱坐标机械手该机械手所用机械机关结构庞大，体积小。由于圆柱坐标机械手三个轴方向的运动，不仅可以使机械手的工作范围扩大还可以让机械手准确定位到合适位置。该机械的结构复杂且 Z 轴的运动部件主要集中在整个机构的上方导致机械手在 Z 轴方向上下降高度收到限制。3）球坐标机械手机械构造体积小，工作范围大。由于机械手复杂的构造， 机械手臂摆角的误差会因为工作范围的扩大而定位不准确。4）关节式机械手该机械手动作灵敏，安全工作区域大且机械手体积小。但此类机械手关节多，很难将每个关节的位置都精确地检测到，位置精度相对来说较低。本设计采用圆柱坐标式机械手来实现相关功能。2.2 驱动机构的选择每一个机器人的正常运行都需要提供动力，而动力源源不断地提供需要驱动机构 的工作。并且机械设备的高昂的价格以及应用范围很大程度上是受到驱动机构的限制。在工业上，一般的驱动机构有电动、气动以及液动。对于这三种驱动方式，在选择驱 动机构的时候要考虑到实际的工作状况。综合考虑它们之间的利弊，寻找一种最经济、最安全的驱动机构。本机械手设计采取气压驱动的方式。2.3 整体结构的设计为了扩大机械手的工作范围和符合本设计的根本理念，本次设计结合齿轮传动， 并配以直线气缸和旋转气缸，模拟人体手指关节自由活动。同时完成机械手的旋转与夹持动作，末端执行器的两边采用完全对称的手指，以便于在抓取工件的过程中达到受力均匀。并且在末端执行机构与机械手臂间以一个伸缩气缸连接，这样就可以达到末端机构横向移动抓取工件的效果，并配合机械手臂的升高、降落、摆完成整搬运的过程。用升降气缸和旋转气缸承担机械臂的升高和降低，左右摆动和抓取工件并能够翻转的任务。并配备导向装置完成气缸的升降，增加了气缸的刚性，同时防止了气缸杆绕轴心的偏转。机械爪抓取工件时，应当保证手指快、准、稳。在使用过程中，由于所加持工件、工具等不同的形状、尺寸、材料、重量，工业机器手部的特征也大不相同。3. 手部设计3.1 手部结构分类按握持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类结构有夹持式、钩托式、弹簧式。吸附类结构有气吸式和磁吸式。本次设计对 100 吨冲床自动上下料机械手采用夹持式，机械爪由手指、动力传动部分和动力驱动三部分。该机械手可以抓取各种形状的工件，可以应对不同场合。动力驱动有气压、气动和电动等几种情势。常见的传动机构主要有滑槽、斜楔、齿轮齿条和连杆机构来实现夹紧和松开8。平移手指的打开和关闭取决于手指的平行运动，这样的设计适合夹持平板和规整的块状物。但是这种手指的结构较为复杂，并且由于其工作状态较为苛刻，加工精度也要求较高，加工成本较其他较高。3.2 夹持式手部设计的基本要求1）合适的力量大小，夹紧力太大夹坏工件，并且能量浪费，力度太小工件抓取不牢固。2）合理的手指伸开角度，机械手指在抓取工件时要有充足的空间去伸开手指并且逐渐靠近工件。3）精准的定位精度，机械手在不停地往复抓取工件、放下工件的过程中应保证每一次的抓取位置与松开位置不存在很大偏差，确保工作精度。4）保证机械手结构紧凑不复杂，追求简单有实效，机械手自身质量小，工作效率高。5）提高通用性，要求手指夹持规模可调节，手腕可更换。3.3 手部驱动力计算冲床上下料机械手采用夹紧气缸的活塞杆末端采用齿轮条结构，V 形块的最末端通过与两个半圆形的齿轮接触。气缸通过压缩空气带动活塞杆前后活动，杆末端由于齿轮啮合带动半圆形齿轮活动，完成齿轮的张开闭合。图 3.1 为机械手的结构图，机械手指夹紧的工件重量 G=10 ，机械手指末端的“V”形块两者之间的角度 2=1200，V 形块中心到手指旋转中心直线距离 b=120mm，齿轮齿条结构中齿轮节度圆半径R=25mm，摩擦系数为 f=0.1。图 3.1 机械手三维结构图根据夹持式齿轮齿条机械手的结构图，如图 3.1 所示，所需要的驱动力：P=2 （3.1）式中：N-机械手握力大小（N）； R-齿轮半径大小（mm）；b-齿轮回转轴到工件距离（mm）。根据二指夹持式机械手夹持工件的方位，其握力大小公式：所以理论驱动力：p = 2 = 2 120 50 = 496夹持式机械手实际的驱动力满足实际25 12（3.2）该机械手根据齿轮齿条进行动力的传输与 V 形块的驱动，所以取 n=0.94，1=1.5。假设当机械手抓紧工件后搬运到下一位置的整个过程中加速完成。取最大的加速度a=9.8m/2，则：所以机械手的实际驱动力： 12 = 496 1.52 1600（N）实际0.94所以齿轮齿条机械手夹持时需要夹紧气缸提供的驱动力为 1600N 1)手指转角计算机械手停止时两手指保持平行时，两指间夹持距离在 94mm，在机械手加持 =150mm棒料时，两手指升高 40mm，则两手指旋转过的角度：arcos1 = 70533则齿轮转过 1947，为满足工作需求，取齿轮转过的角度为 25，根据弧长公式：式中：n-圆弧对应的圆心角（）； r-圆弧半径（mm）。L=180（3.3）L=25253.14 11180为满足工作需求，夹紧气缸的活塞杆上齿条长度 15mm 即可满足手指齿轮的旋转要求。根据生产要求夹紧气缸的活塞进程为 50mm，因此为满足活塞进程可适当加长齿条长度至 30mm。2）弹簧选择根据实际工作环境限制，将作用在气缸的载荷相比实际载荷取大化，设定最大工作载荷 =500N,同样将作用在气缸的载荷相比于实际最小载荷扩大化，设最小工作载荷1 =200N。载荷类型为冲击载荷，拟采用弹簧直径为 4.5mm，并且经过油淬火、回火加工工艺来提高弹簧强度的碳素弹簧钢丝，弹簧的始末两端并紧，并磨平为一个圆整的面，弹簧的支承圈数为 1 圈。查阅机械设计手册8可得 = 1422， = 0.4， 弹簧的许用应力值为 568.8。考虑到实际工作状况，单作用气缸弹簧收到的工作载荷为循环载荷，变化次数较少，对其进行疲劳强度计算：安全系数 S=0+0.75 （3.4）式中：0-弹簧在脉动循环载荷下的剪切疲劳强度8。通过查表0=0.3=0.3 1422 426；3-弹簧在最大载荷下的切应力8。=81 ；3-弹簧在最小载荷下的切应力8。=81 1；C-弹簧旋绕比，C=32 =7.1；4.5K-曲度系数，K=41 + 0.615=1.21。4+4所以弹簧安全系数 S=0+0.75 = 420+0.75216 =1.29 = 1.31.7所以该弹簧满足要求。3.4 气缸直径计算541夹持式齿轮齿条机械手的夹紧气缸采用弹簧复位式单作用气缸8。由力平衡原理可以知道，气缸的输出力主要由活塞杆克服弹簧的反弹力与活塞与缸体的摩擦力之和之外的力。机械手指输出力过大对于脆性工件容易夹坏，对于硬度大的工件虽然不存在夹坏工件的现象,但提供的能量多造成能量浪费。机械手输出力度过小导致机械手不能夹紧工件进行工件的搬运，甚至夹紧力过小让工件在搬运过程中，由于震动使工件掉落损坏拖慢工作进程。其输出力为： = 2 （3.5）式中：141-单作用气缸的输出力（N）；-弹簧弹力大小（N）；P-驱动气缸工作的压力(pa)。弹簧作用力大小计算：=C(L+S)（3.6）41C=1（3.7）式中：C-弹簧刚度（N/mm）； L-弹簧预压缩量（mm）； S-气缸运动行程（mm）；831 = 2 1（3.8）1-弹簧丝直径尺寸（mm）；1-弹簧中径尺寸（mm）；2-弹簧大径尺寸（mm）； n-弹簧有效圈数；G-弹簧切变模量，G=79 109a。根据实际工作状况考虑夹紧气缸的实际载荷影响，取=0.4，依据公式（3.5）推出气缸直径：由上推理，弹簧刚度大小：4D=4（1+ ）79109（4.5103 4(3.9)C=1 = ） =3681.53N/m1838（30103）3=C(L+S)=3681.53=3681.53 60 103=220.8N推出气缸直径：D=4（1+ ）=4（220.8+500）=67.75mm106表 3.1 气缸内径系列（mm）25324050637080200（220）250320400450500括号内的直径优先采用查表 3.1 取 D=70mm根据 = 0.20.3，可以推理出活塞杆直径：d=（0.20.3）D=16-24mm。表 3.2 活塞杆直径系列（mm）101214161820222528505663708090100110125查表 3.2 得活塞杆直径 d=20mm。为增加活塞杆的强度，活塞杆采用 45 钢，= = 600=300Mpa。2式中：-45 号钢抗拉强度；-材料的安全系数。材料安全系数可分为两种，一种是脆性材料，一种是塑性材料8。45 号钢为塑性材料，所以n=1.52.0。所以，活塞杆的拉压强度：= 实际= 1600=6.3Mpa（3.10） 2 3.1492（2）所以直径 18 mm 的 45 号钢的活塞杆，强度满足需要。3.5 校核活塞杆强度活塞杆往复伸缩活动，受到了机械手以及重物和旋转气缸自身重力的原因，活塞杆上竖直方向上容易发生弯曲。活塞杆的能否正常使用必须对其考强度校核。机械手和工件的质量之和为 20Kg。机械手夹持部件以最大的加速度完成升降， 取 。F = ma = 2mg = 2 20 10 = 400（N）=400=1.27MPa=355=177.5MPa 3.141022式中：F-部件以及机械手最大的重力（N）。所以 45 号钢的活塞杆的许用应力满足机械手以及重物的加持。3.6 活塞杆技术要求活塞杆与活塞孔的尺寸相差过小将导致由于孔直径偏小活塞杆插不进去安装困难，尺寸相差过大增加了他们两个之间的缝隙，气缸会漏气。为了防止活塞漏气以及活塞插不进去，所以两者配合公差采用 f8，同样特制活塞杆的表面粗糙度 Ra=0.8m。活塞上安置活塞杆的装配孔与活塞杆的同轴度偏差不能超过 0.02mm，活塞杆的端面与装配孔的垂直度误差同样不能超过 0.02。考虑到工作环境等外界因素对活塞杆的腐蚀以及机械手以及配件的使用寿命，活塞杆表面镀铬、抛光，铬层厚度0.01mm0.02mm8。3.7 夹紧气缸缸筒壁的设计计算由于压缩气体的压力直接作用于气缸壁，所以气缸必须有一定的厚度满足工作需求，防止气压过高造成爆缸的安全隐患，同样气缸壁不能过厚增加设备成本。按气缸筒内径和外径之间的差值与内径之比： 1气缸壁厚计算：10 = 2(3.11)式中：-夹紧气缸壁的厚度（m）；D-夹紧气缸的内径尺寸（m）；-试验压力，通常取=1.5p； P-气缸的实际工作压力 Pa；-气缸材料的许用应力 =；-气缸材料的抗拉强度（Pa）； S-安全系数，通常取 6-8。考虑到气缸的材料不漏气的特性，缸体的材料选用 ZL106，=235MPa。该铝合金成分增加的 Mn，以及工晶体的原因抵消了材料中混入的铁的有害作用，该铝合金材料有很好的气密性以及很适合铸造。该铝合金材料的切削性能满足了气缸胚料在车床加工的工艺要求。所以气缸壁厚：2235 = 701.50.5=1.2mm8表 3.3 气缸筒壁厚表(mm)材料气缸直径5080100125壁厚铸铁 HT150781010钢 Q235A、45、20 无缝管5677铝合金8121214经过查表 3.3，取气缸壁厚 5mm，所以D = 70 + 5 2 = 80mm。3.8 气缸技术要求对于夹紧式气缸与活塞的密封采用 O 形橡胶密封圈，所以针对气缸的技术要求采用三级精度，表面粗糙度 Ra=0.4m。缸体两端采用 15的倒角的设计可以使气缸盖与缸体更好的配合。同样缸体的内径的圆度、圆柱度不能超过尺寸公差的 1/2。高温潮湿等恶劣环境会对机械手的部件腐蚀，导致机械手部件不耐用，为保证机械手部件坚固耐用，缸内表面可镀铬，在抛光或研磨，铬层厚度 0.010.03mm8。3.9 活塞技术要求活塞的四周采用 45角的倒角的设计可以使活塞更便捷的装配到气缸内，避免活塞直径过大导致活塞安装不进去。活塞上安装活塞杆的装配孔的同轴度与气缸外径的同轴度误差不能超过 0.02mm。活塞与内筒直接组装二者间的缝隙使得气缸漏气， 并且两者之间摩擦系数大会加重活塞与内筒的摩擦损耗，使得活塞与内筒间隙越来越大、越来越漏气气缸噪音也越来越大。为避免活塞漏气也较少两者间的摩擦，活塞与内腔的密封采用 O 形橡胶密封圈，活塞与内径的配合公差与活塞杆与孔的配合都采用f8。3.10 气缸缓冲计算气缸的快速运动不停的碰撞气缸的两端，为制止活塞杆快速活动对气缸端盖碰撞的破坏，增添一个吸取震动能量装置，平衡活塞运动产生的能量，经由吸震装置吸收多余冲击能量减小对气缸的损坏。缓冲能量计算：1 = + （3.12）式中：-工作气压作用在活塞的能量（J）；-活塞由于惯性产生的能量（J）；-垂直气缸的重力产生的能量（J）； 相反作用力的摩擦能（J）。2 1 = 111 + 1 2 0 1（3.13）式中：1-气缸工作时的气体压力（pa）；1-缓冲装置的活塞面积(2)；取缓冲器缸径 0.02m；1-缓冲器缓冲头的行程(m)；取1 = 0.015。数据代入公式（3.13）得：1= 0.5 106 3.14 (4. 103)= 2512.35J 15 +1 200 0.05 0 10 0.015210缓冲装置吸收的能量：2 = 112 2 (3) 1（3.14）2式中：2-机械手气缸的绝对压力（pa）；2-缓冲气缸的缓冲杆堵住气缸孔的容积（3）；3-缓冲气缸所能容许的最大压力时（pa）； k-绝热指数，取 k=1.4。2数据代入公式（3.14）：3.14104= 3.5 0.2 106 3.14 104 40 103 ( 70000.21060.286) 1 = 3247.6因为1 2，所以缓冲气缸对能量的吸收足够支撑工作需求。查找机械手册8， 优先采用标准件，缓冲气缸采用 AD2450 型号，结构如图 3.2 所示，每小时吸收能量80000J。夹紧气缸耗气计算：图 3.2 缓冲气缸结构图= 2 （3.15）141= (22) （3.16）式中：2421-气缸活塞杆伸出时没有活塞杆腔的压缩空气消耗量（m/s）；2-气缸活塞杆收回时有活塞杆腔的压缩空气消耗量（m/s）；s-气缸行程（m）；1，2-气缸伸出，收回所需要的时间（s）。3.14 5102(80103)21= 4 1=2.51m /s4. 吸盘机械手4.1 吸盘机械手概况真空吸盘式机械手在工业上最多用于搬运个头大、重量轻的壳体工件比如用于汽车加工厂中的汽车外壳搬运，洗衣机、电视机等壳体的运输搬运。甚至在电子加工产业也广泛的应用到，比如液晶显像板、钢化屏等所有的平板玻璃的搬运。通过吸盘式的机械手的工作用途，可以推断出，吸盘式机械手的工作条件限制，要求工件与吸盘接触的地方平整，表面光滑。同样还要考虑到，工件表面存在的工件加工残留的碎屑， 空气粉尘颗粒物会影响到吸碗的工作。因为工件表面不清洁导致工件夹持不稳定引起工件搬运损坏，拖慢加工进程。吸盘式机械手的划分主要通过真空环境产生的手段， 主要有以下几种：（1）真空吸盘：真空吸盘吸附力的大小主要取决于吸盘橡胶碗与工件的接触表面的大小，以及工件与橡胶碗接触的内外的气压压强差。影响真空吸盘最主要的因素就是工件表面的质量状况，工件表面残留的工件加工碎屑，或者工件表面过于粗糙、过于脏都将影响真空吸盘的吸力大小。同样工件表面存在的油渍或者其他氧化物长时间的与吸盘皮碗接触会导致橡胶碗的快速老化。当然真空吸盘相比其他机械手最大的优势就是吸盘机械手配备真空泵，它的加入尽管增加了成本但它的吸附力相比去他的大。（2）挤气式吸盘：当吸盘向工件表面接近时，吸盘机械手臂持续下降导致吸盘 皮碗容积减小，皮碗内的空气被排挤出。当机械手臂撤去外力，吸盘皮碗由于受到挤 压需要恢复弹性形变形成负压空间将工件吸紧。工件通过机械手臂搬运到指定位置后， 通过额外的碰撞使皮碗的负压空间破坏，让重物落下。另外也可以通过电磁气压开关 控制吸盘皮碗与外界大气压的气压差。挤气式吸盘机械手相对于其他两种相比，该机 械手不需要专门配备真空泵以及空压机提供额外的气源，装置简单便捷。因为没有特 意增加额外的气源装置提供充足的能量挤气式吸盘机械手对工件的吸附稳定性差，存 在抓取工件不牢固的现象。（3）气流负压式吸盘：外源空气经过压缩流入喷嘴，由伯努利效应知道，橡胶皮碗内产生一块区域的气压低于大气压。配备气流负压式吸盘机械手的设施都配备空压机提供，不需要提供专门的真空泵并且压缩的空气比较容易得到。真空吸盘的直径大小从2-200mm，吸盘的形状结构主要分为规整圆形、加深圆形、铃形、1.5 褶波纹形、3.5 褶波纹形、椭圆形。对于工件表面滑腻而且不透气的工件适合采用标准圆形吸盘；对于夹持物表面不平、弧形或者倾斜的表面适宜采用波形吸盘。所以应根据不同工件表面与吸盘接触的实际情况以及不同的工作环境，选择不同材质不同形状结构的真空吸盘。主要材质有适用于常规领域但不适合带油高压、高温环境低成本的丁腈橡胶；适用于粗糙表面耐撕扯、耐磨损聚氨酯、用于食品行业的硅橡胶；用于玻璃制品搬运的耐化学腐蚀和经受得住高温考研的氟橡胶；用于汽车行业带油工件的耐磨损、耐油污的淮邦聚氨酯 Vullkollan。对于平板工件，采用喷气式气流负压式吸盘。气流负压式与夹持式机械手相比， 气流负压式机械手结构简单轻巧，并采用喷气式橡胶碗，吸附力在工件表面均匀分散， 同样要求工件表面不能过于粗糙、不存在油渍。4.2 喷气式气流负压式吸盘原理根据流体力学，气体在稳定流动状态下，单位时间内的气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量相等8。所以针对不同的情况，喷嘴的横截面积有所不同。在高气压的喷嘴应具备较大面积，相反低气压的喷嘴截面应占较小的面积。空气经过压缩后，由输气管进入 A 喷嘴，由于输气管接口处到喷嘴末端由大到小的特殊设计，使输气管道逐渐减小导致气流的速度逐渐增大，当气流沿喷嘴流动方向到达喷嘴面积最小时，气体流动速度达到最大。此时的输出空气压力近似为由 A 处气管接口处进入喷嘴的压力一半，即=0.51。为了使气流负压式机械手喷嘴最末尾的出口压力2低于 ，在气流负压式喷嘴最后的一部分增加一段逐渐扩大的橡胶碗。通过吸盘橡胶碗增加在负压式吸盘喷嘴出口处，就可以得到比音速还要大许多的超音速。超音速区域的建立可以在此形成低于大气压的低压区域，使 C 处的气体以高速度的形式被冲走，以高速度带走的气体使 C 处形成密封空腔，这样就可以使吸盘橡胶碗内腔压力下降直至低于大气压而形成负压。当在 C 处吸盘触碰到工件即可吸住工件。图 4.1 所展示的构造为可调式喷气式气流负压式吸盘机械手结构图。该结构设计为了增加喷嘴的工作面积与效率，特意将喷嘴口与喷嘴套之间的结构设计成存有适当的间隙，目的是将气体快速抽走，增加工作效率。当喷嘴与喷嘴套之间间隙过小时， 经过 A 口喷出的高速气流和需要被抽出的气体经过时，气体与外壁摩擦变大让气流的运动速度下降，影响了工作效率，延缓抽气速度;相反间隙过大时，靠近 A 口喷射气体的气体被快速的向前带走，离得远的气体由于损耗一部分能量以低速度带走。并且两者之间的缝隙过大，将导致喷嘴套出口处有一部分气体反流，二者的影响让抽气速率降低。图 4.1 喷嘴机械手结构简图4.3 计算吸盘的直径1）计算吸盘吸力大小:式中：P =2 4123(4.1)P按工件质量设定 P=50N；D橡胶碗直径（mm）；n橡胶碗个数；1安全系数，取1=1.5;2工作情况系数的选择应根据吸盘橡胶碗实际工作状况，取2=2。3橡胶吸盘吸附金属平板，取 f=0.5-0.8。代入数据得: 4 1 2 34 50 1.5 2 1.5D = = 1 3.14= 169.2所以吸盘直径 D=170mm。5. 手腕设计5.1 机械手手腕结构设计冲床自动上下料机械手需要满足夹持式和气流负压式机械手，同样也为了提高机械手的通用性，机械手的手腕部分设计成便于拆卸更换的结构。为了满足工件搬运过程中完成工件的翻面，所以机械手的手腕设计需要满足翻转运动。针对翻转运动手腕采用摆动马达。摆动马达摆动是因为两个气阀开关同时打开，一个负责进气，一个负责排气，进气处的压力大于排气处，所以空气推动叶片转动。摆动马达轴承受转矩，对冲击的耐力小，因此当收到驱动机构停止时由于惯性的冲击力容易损坏，所以对于摆动气缸需要配备缓冲装置。5.2 叶片式摆动马达结构原理图 5.1 摆动马达结构原理图（剖视图）图 5.2 摆动马达三维结构图图 5.1、5.2 展示摆动马达的结构原理以及三维结构图。摆动马达中间的挡块和缸体是固定在一起的且他们之间用密封圈密封防止漏气，叶片的左右偏摆是因为与转动轴固定在一起。为了使叶片轴的密封性能增加，将密封圈硫化在叶片轴上，将止动挡块上的密封件镶嵌在缸体上，叶片滑动部分采用低阻尼 IDE 特殊唇形密封件。前后端盖有滚动轴承。在气缸缸体上有两条气路，当左侧输气管路进气时，右输气管排出气体，从而摆动马达针转动。5.3 手腕摆动气缸的驱动力矩计算叶片式摆动马达产生的理论力矩计算公式：M = 22 106（5.1）8式中;M-摆动马达的转矩（Nm）； D-摆动马达内径（m）；d-转子直径（m）；b-转子轴的长度（m）； n-叶片数；p-工作压力（MPa）。采用摆动马达标准件，选用型号 CRBU2WU80-270S。(80103)2(24103)2M=8 126.5 103 1 0.5 106=27.5Nm5.4 手腕转动所需的实际驱动力图 5.3 展示手臂夹紧回转示意图。手腕驱动时必须克服所有的阻力力矩，包括手腕由静止开始启动的惯性力矩，转动轴与轴承之间以及转动轴和端盖上孔的摩擦力矩， 叶片底部在端盖表面上的的摩擦力矩以及回转中心不重合产生的偏重力矩。图 5.3 手臂夹紧回转示意图腕部回转时，需要克服以下几种阻力： 1）腕部回转支承处的摩擦力矩磨 磨 = 0.1总（5.2）2）克服由于工件重心偏置所需的力矩偏偏 = 1（5.3）式中：e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。 3）克服启动惯性所需的力矩惯式中：惯= ( 工件) 启（5.4）工件 工件对手腕回转轴线的转动惯量(Nms2)；J 手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量(Nms2)； 手腕回转过程的角速度(1/s)；启 启动过程所需要的时间。一般取 0.05-0.3s。4）总驱动力矩总总 = 磨 + 偏 + 惯（5.5）手爪、工件、手夹紧气缸等效为一个高 100mm、外径为 80mm、重量为 30Kg 的圆柱体。1）摩擦阻力矩由公式（5.2）知：磨 = 0.1总2）启动过程时间，取： 启 = 0.2s等速转动角速度3）克服惯性力矩12201 = 180 = 5.58/ 0.222J = 2 腕腕 = 0.5 132.01 0.074= 0.323件= 1 12件 = 0.083 100 0.01 = 0.0832代入公式（5.4）有：100 吨冲床自动上下料机械手三维设计惯= ( 工件) 启= (0.323 + 0.083) 5.58=11.88N m0.24）克服工件偏心所需要的力矩由于夹持工件的部位为工件的中心，所以： 偏 = 05）总驱动力矩总 = 磨 + 偏 + 惯 = 0.1总 + 11.88 + 0Nm所以总= 11.88=13.21Nm 0.9摆动气缸缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩总，即：M = (22) （5.6）又因为2总2总P (2 2)式中：总手腕回转时的总阻力矩(Nm); P摆动气缸的工作压力(pa);R缸体内孔半径(m)； r输出轴半径(m)； b动片宽度(m)。将R = 55mm，r = 25mm，b = 125mm，代入公式（4.5）得：P 2总(22)213.21=0.125(0.05520.0252)= 0.0415100 吨冲床自动上下料机械手三维设计6. 手臂设计6.1 机械手臂结构设计由工作状况限定，该机械手的自由度为 4 自由度。两个伸缩气缸和摆动气缸完成机械爪的翻转，手臂水平方向的伸出、缩回以及旋转，以及竖直方向上的升高降低、回转。6.2 机械手臂伸缩设计机械手臂的往复伸缩动作的实现需要采用直线气缸，压缩空气由气缸的前后两个输气孔进入，压缩空气驱动活塞下完成直线往复运动。考虑到活塞气缸结构简单、质量轻、压缩空气干净实惠来源广泛，所以机械手臂采用直线气缸完成特定动作。机械手臂采用气缸的往复运动实现工件的横向移动以及手臂的升降过程中，适当增加一定的导向装置。导向装置的增加不仅防止了气缸活塞在压缩空气的驱动下发生的绕轴线扭转，活塞的扭转将导致机械手抓的位置不准确。同样横向活塞杆导向装置的增加， 避免了工件以及机械手对活塞杆的弯曲力矩的影响，增加了装置的刚性。机械手臂的设计采用双作用气缸完成伸出、缩回，由导向活塞杆完成气缸杆的导向，气缸行程的大小的手动调节是用到了定位杆与定位块。将横向机械手臂气缸固定在升降气缸上，空气经压缩由输气管进入、进气孔进入气缸内腔，压缩空气推动活塞运动。活塞杆内部中空的设计，满足了回转气缸的两个进气孔的连接管道以及机械手夹紧气缸的输气管。将三根输气管设计成伸缩管，可以满足气缸的往复运动。伸缩气缸缸体得始端与末端有两个通过一根杆连接的导向底座，安装在两个底座间连杆上的导向杆随伸缩气缸的始端往复运动防止伸缩气缸绕轴心回转，以及防止摆动气缸带动机械手和工件摆动的同时由于惯性力导致活塞杆转动，影响机械手的准确定位。同时导向装置的导向杆增添定位块，经由调节定位块的位置节制横向伸缩气缸的行程。同样在伸缩气缸的末端增加缓冲装置，避免伸缩气缸快速的往复运动的冲击对气缸的损坏以及减少噪音。在进气孔进气推动活塞运动时，由于出气腔存留空气行程一定阻力限制气缸运动。为使气缸的快速响应，在伸缩气缸的进气孔两端增加快速排气阀，通过快速排气以减少背气压导致的阻力。6.3 机械臂的导向设计上下料气动机械手臂的横向移动以及整个机械手臂竖直方向的升高降低都需要直线气缸的往复运动。导向装置对于直线运动的气缸的活塞杆绕轴心的回转有很大帮助，确保了机械爪的定位准确。增加导向装置可以减少机械手臂在竖直方向上由于受力过大，超过自己所能承的最大值使活塞杆弯曲。此次上下料机械臂的设计采用单导向杆。图 6.1 为横向手臂的导向结构三维图。图 6.1 导向结构三维图6.4 机械手臂驱动力计算图 6.2 为机械手臂在驱动力下的伸缩运动示意图。图 6.2 横向手臂结构图手臂伸缩气缸采用双作用往复气缸，由于气缸内一段为无杆腔，一段为有杆腔， 两边的有效工作面积不相等，所以同样压强下活塞两侧的驱动力不同。当压缩空气由进气孔进入时驱动活塞杆运动，驱动力克服活塞与缸体间的摩擦以及带动机械手运动的惯性力。因此，驱动力计算公式应根据机构的工作情况来判断气压缸所受的总机械载荷。公式为：F = + + + + （6.1）式中：-额外载荷，横向伸缩气缸水平方向无外载荷，故为 0；-气缸活塞上的惯性力阻力；-气缸密封圈的摩擦阻力；-伸缩气缸导向机构的摩擦阻力；-气缸背气被压的阻力。1) 的计算 = （6.2）式中： G-气缸承受的总重量，取为 30KG；g-重力加速度（10m/2）；-气缸运动的速度变化量（m/s）；-气缸运动时间，一般为 0.01-0.5s，取 0.2s。将各数据带入公式（6.2），得：2) 的计算=31.02N = 1（6.3）式中：-气缸密封圈摩擦阻力所平衡的压力，取=0.2Mpa；1-内腔有效面积（2）。夹持时： =547N松开时： =276N3)的计算伸缩气缸横向上有两个导杆，导向机构的摩擦力为 = G f（6.4）式中：G-机械爪和工件的总重量，取为 30KG；f-摩擦系数，取 f=0.1； 数据代入公式（6.4）计算得：4)的计算背气压形成的阻力：式中：=3N = 2（6.5）-气缸缩回的背气压，一般为 0.3Mpa-0.5Mpa，取=0.3Mpa。2-有活塞杆的有效面积，选取差动比为 2。将数据带入公式（6.5）得：=372N。所以机械手臂的驱动力为夹持时： F=980.02N。放开时： F=682.02N。6.5 伸缩气缸校核计算1）气缸直径根据双作用气缸的计算公式:1 = 4（6.6）式中：2= (22) （6.7）41活塞杆伸出时的推力 N）；2活塞杆缩入时的拉力(N)； d活塞直径（mm）；P气缸工作压力（pa）。有关数据代入公式（6.6）、（6.7）得：当推力做功时当拉力做功时D=4980.023.140.51060.4= 79.2D = (1.011.09) 4682.02=66.1mm3.140.51060.4查表 3.1 取标准气缸内径 D=80mm。6.6 缸筒壁厚计算由公式:式中： 为实验压力（pa）。 =2（6.8）取 Pa 气缸材料选择 ZL106，则=235MPa2235则： = 801030.75106=0.0102m8查表 3.3，可得=10mm。6.7 活塞杆直径的计算将 100 吨冲床自动上下料机械手横向活塞杆制作成空心杆件，将摆动气缸的两根输气管和机械手摆动气缸的一根气管都放置于空心杆。所以活塞杆的设计将杆内径要尽量设计大，取 d=60mm, d0=46mm。活塞杆校核：气缸会因为竖直方向的受力过大并且超过了气缸杆所能承受力的最大值，活塞杆会因为外力使其弯曲，活塞杆弯曲将会导致气缸无法收回。该极限力有关公式为:1+ 2 = 1 ()（6.9）式中：L活塞杆计算长度（m）；K活塞杆横截面回转半径,空心杆k =0空心活塞杆内孔直径（m）；(22)2+20（m）8；411 活塞杆横截面积, = 0 （）；64f材料强度实验值，对钢取 f=2.15107Pa；a系数，对钢 a=1/5000。有关数据代入公式（6.9）得:3.14(60103 23 2 =2.15107) (461064 1 ) =483KN1+50002(1.4101 2(2) 162)(60103) (46103)实际情况下气缸推力的大小与所受阻力相等，所以负载为:4 + = 3.14 (80 103)2 0.5 106=2512N + 所以该活塞杆安全，满足设计符合要求。6.8 机械手臂的升降以及回转结构机械手升降回转结构如图 6.3 所示。图 6.3 机械手臂升降摆动结构手臂的升降机构由升降气缸缸体、连接立柱的活塞杆，连接横向气缸的立柱、定位挡块、导向机构。立柱内设有气孔完成横向气缸、摆动马达、夹紧气缸的压缩空气运输。升降气缸运行时，由两个导向机构完成整个装置的导向防止升降气缸发生绕轴心回转的现象。在导向杆机上安装两个定位挡块便于手动调节气缸升降行程。整个机械手的转动是由摆动马达的转动轴和按有导向座的圆盘连接，气缸体的上下部分有一根杆连接的两个底座，转轴的转动带动导向杆，导向杆带动气缸体从而带动横向手臂转动。6.9 伸缩气缸驱动力计算根据机械手升降运动的驱动力公式:F= + （6.10）升降气缸的运动由静止开始，所以v=v。气缸缸体材料选用 ZL106，气缸活塞为 45 号钢，查找机械手册取 f=0.17。手爪、机械臂、手腕以及工件的所有重量都作用在升降气缸上。气缸的上升需要克服他们的重量。取机械手夹紧物体时总重 700N，松开物件总重 600N，接触面积：S=0.5 夹紧工件时：Ff =7000.17=119NF= + + =119+7050103+700=889N0.05放下工件时：Ff =6000.17=102N6050103F= + + =102+0.05+600=762N实际生产中，应考虑安全系数取 K=1.2 夹紧工件时：F=889 1.2=1066.8N 放下工件时：F=762 1.2=914.4N6.10 升降气缸的直径计算双作用气缸推力的计算公式：1 = 4（6.11）2= (22)4（6.12）式中：F1活塞杆伸出时的推力（N）；F2活塞杆缩入时的拉力（N）；d活塞直径（mm）；P气缸工作压力（pa）。将数据代入公式（6.11）、（6.12）得：当气缸伸出时：D = 41 =41066.8=108.5mm3.140.51060.4气缸缩回时：D=(1.011.09) 42 =(1.011.09) 4914.4=92.12mm3.140.51060.4表6.1 气缸筒内径系列（mm）810.6380（90）100（110）125.400500630查 6.1 表后，取 D=110mm。活塞杆直径的设计计算：活塞杆直径，可根据往复速度比计算，有：d = 1表 6.2 气压缸的工作压力与速比（5.7）气压缸工作压力P1(MPa)10102020速比1.331.4622根据表 6.2 取 = 1.33，代入上式，得：d=0.498D=54.78mm表 6.3 活塞杆直径系列（mm）8101214.22252845505663.100110125140160180200.250查表 6.3 可知，取活塞杆直径 d=56mm6.11 缸筒壁厚计算p根据公式（6.8），取 P =1.5P=0.75106 Pa 选定 ZL106 作气缸筒，则2235 = 1101030.75106=0.0148对壁厚查表 3.3，取=14mm。所以升降气缸外径1=138mm。7. 辅助结构设计7.1 机械手转动的缓冲结构示意图图 7.1 竖直摆动缓冲示意图1-定位触碰气缸 2-左移触碰气缸 3-油气压缩气缸 4-节流阀图 7.1 竖直摆动缓冲示意图。当手臂回转到指定的位置时，定位块触碰气缸 1， 在碰撞力的作用下气缸 1 向左移动触碰到气缸 2 的活塞杆。气缸 2 右侧压力变大将左侧的液压油经过节流阀回到气缸 3，节流阀的控制减缓了手臂旋转的碰撞。机械手臂此时遏制动弹，由横向手臂和机械爪完成工件的抓取或松开。当完成工件的搬运，电磁铁滑阀 A 通电控制气缸 1 的活塞杆下降，此时定位挡块失去作用。电磁滑阀 B 通电让压缩后的空气进入气缸 3，右侧压力的变大使得左侧液压油回到液压缸 2 的左侧， 左侧压力变大导致活塞杆 2 推动气缸 1 回到开始位置迎接下一次的工作。7.2 气压控制原理图 7.2 为机械手的气动控制原理。通过油空气压缩机提供压缩空气储存到储气罐中，在经过分水过滤器,调压阀,油雾器8进入各个元件的电磁阀,来控制机械手活动。图 7.2 气动控制原理图7.3 模拟机械手的工作流程机械手的工作流程：1）按下机械手运行开关，竖直方向的摆动气缸的电磁阀得电，手腕带动机械手转动，触碰到限位开关后遏制。2）控制竖直方向上的升降气缸的电磁阀得电，整个机械手升高，触碰到限位开关后遏制。3）控制横向气缸的电磁阀得电，活塞杆伸出手臂伸长，触碰到限位开关后停止。4）控制手腕气缸的电磁阀得电输入气体，手腕动弹，触碰到限位开关后遏制。5）控制升降气缸的电磁阀得电排出气体，气缸下降，触碰到限位开关后遏制。6）控制夹紧气缸的电磁阀得电输入气体，手爪扣紧，触碰到限位开关后遏制。7）控制升降气缸的电磁阀得电输入气体，气缸举高，触碰到限位开关后遏制。8）控制手腕的摆动气缸电磁阀得电，手腕摆动气缸反转，触碰到限位开关后停止。9）控制横向气缸的电磁阀得电，杆缩回手腕收缩，触碰到限位开关后停止。10）控制竖直方向的摆动气缸的电磁阀通电，手臂反转，触碰到限位开关后停止。11）控制横向气缸的电磁阀得电，活塞杆伸出手臂伸长，触碰到限位开关后停止。12）控制手腕的摆动气缸电磁阀得电，手腕回转，触碰到限位开关后停止。13）控制升降气缸的电磁阀得电排出气体，升降气缸着落，触碰到限位开关后遏制。14）控制夹紧气缸的电磁阀得电排出气体，手爪松动工件落下，触碰到限位开关后遏制。15）控制横向气缸的电磁阀得电，手臂收回，触碰到限位开关后停止。到此完成一次循环。结 论本次毕业设计完成了对 100 吨冲床自动上下料机械手的设计。从对机械手手指夹持工件转过角度的计算到机械手的传动方式和驱动的设计以及对于横向机械手臂的设计以及校核。对于横向机械手臂的活塞杆容易发生绕气缸轴心发生旋转，设计了单杆导向机构。并在单杆导向机构上增加定位块完成横向气缸的行程控制。对于机械手机构的升降和回转运动有针对性的设计了竖直方向的气缸和摆动气缸，并对气缸内径的大小进行计算，对于设计计算的结果综合比对机械设计手册，对气缸的直径以及气缸壁厚进行择优选择。并对于气缸材质从经济型以及可靠性上选取铝合金作为气缸主体材料，并对于活塞杆进行直径以及强度校核，对于气缸杆的高强度工作采用 45 号钢来保证其工作性能。通过单作用夹紧气缸的往复运动实现机械手指的开合运动。此运动的实现是由夹 紧气缸活塞杆上的齿条，驱动与之啮合的手指齿轮运动。气缸的缩回运动是凭借着弹 簧的弹力作用。机械手夹持工件以后需要完成工件的翻面以及搬运动作。摆动气缸的 增加正好完成了机械手夹持工件后的翻面工作。由于机械手夹持工件以及自重的原因， 会使伸缩气缸的活塞杆在竖直方向上发生弯曲，活塞杆的弯曲会影响气缸的正常运动。导向机构的增加不仅防止了活塞杆的回转也增加了横向气缸的刚性。对于横向气缸和 升降气缸的高频率冲击载荷，通过缓冲装置吸收了多余的冲击能量，减少机械手各部 件的损耗。升降气缸在竖直方向上的运动配合横向气缸的运动，以及手腕处摆动气缸 的运动完成 100 吨冲床自动上下料机械手对工件的搬运。参考文献1孙珑,汤勇.冲压机上下料机械手的开发与研究作D.广州:华南理工大学,2015,(1):3-8.2余德泉.国内外工业机器人发展现状与趋势J.大众用电,2017.09.(32):20-21.3刘玉丛.工业机器人的研究现状与发展趋势J.电子技术,2018.01.(01).4Feather stone,D.E.Orin.Robot dynamics:equations and algorithmsC.Proceedings ofthe 2000 IEEE International Conference on Robotics.San Francisco,2000,(4):826-834.5张萍萍.基于 PLC 的气动机械手控制系统设计D.成都:电子科技大学,2013.6于衍伟,张祥林,韩松,冯科.适于中小型冲床的经济型自动送料机械手研制J.锻压技术, 2011,36(6):66-68.7吴峰易军.送料机械手与伺服压力机协调控制的研究D.湖北:湖北工业大学,2017. 8闻邦椿.机械设计手册第五版 单行本M,机械工业出版社,2014,(12):23-217.9谢海龙,谢海勇,徐华丰,陈章伟.阀用储气复位式单作用气缸J.阀门,2017,(02):38-39.10赵罘,杨晓晋,赵楠著.SolidWorks 2017 中文版机械设计从入门到精通M.北京:人民邮电出版社,2017,120-160.11魏静,蔡锁宁.智能机械手臂的设计研究J.自动化与仪器仪表,2017,(01):67-69.12 刘 邦雄 , 李健 , 梁鹏 , 辛 艳峰 . 上 下料机械 手的 运动学 仿真 J. 机 械研 究与应 用 , 2016,29(06):87-89.13 Ashraf Elfasakhany,Eduardo Yanez,Karen Baylon.Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of FreedomJ.Modern Mechanical Engineering,2011,1:47-55.14 Blaek G,Vyatkin V.Intelligent component-based automation of baggage handling systems with IEC 61499J.IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2010,7(2):337-351.15王建军.搬运机械手仿真设计和制作J.机械设计与制造,2012,(09):146-148.16黄文俊.浅谈工业机器人的技术发展和应用J.科学资讯,2017.10(15):110-111.17 彭 国 庆 , 陈 柏 金 . 基 于 气 动 机 械 手 的 自 动 化 冲 压 生 产 线 的 设 计 J. 锻 压 技术,2012,37(03):85-88.18田乐帅.冲床上下料机械手的设计与研究D.青岛:青岛科技大学,2016.附录 1. 外文翻译康复机器人 RRH1本文介绍了一种用于下肢康复机器人的原型。它是在圆柱运动模型的基础上创建的，配备了两个刚性臂、特殊的手柄和固定装置。它有五个活跃的自由度并且被设计成重复物理治疗的轨迹。提出的康复机器人的原型有不同类型的能力训练运动，如： 髋关节和膝关节屈曲/伸展，腿外展/内收。机器人执行的保护系统（包括过载检测） 可以确保安全地与病人合作。1. 开发下肢康复机器人装置电机辅助下肢修复设备的开发是在二十世纪七十年代。这种的设计概念已经被测试过。这种机械结构由在整形外科工作的罗伯特 B. Salter 评估。他指出患者关节的周期性屈曲延长可减少恢复时间并在骨科手术后增加其运动范围。这些设备有对上肢和下肢康复的两种类型，如图 1 所示。电子和控制系统领域的技术革命迅猛发展，更因为其新的治疗特性7安装半自 动和自动设备的康复诊所数量增加。应用电子控制系统允许用户调整一些基本参数如： 运动的范围和速度。它还提供了一个防护控制，防止过度的力量作用于修复联合。而 且，随着治疗的进展，该设备执行一次自动增加运动范围。各种设计都可以让康复过程在站立时、坐着、或躺在病床上得以实现。但实际上他们只能在一个平面上工作限制了这些设备。因此，改变康复程序往往需要移动患者到不同的位置或更换机械工作的方向。另一方面，腿部康复 CPM 的主要优势铁轨的重量轻，成本相对较低。图 2.用于步态再教育的拟人机器人矫形器：a - LOKOMAT - Hocoma 公司，转载自2，b - 来自特拉华大学的ALEX，转载自1现代神经修复与机器人辅助设备是一个相对较新的康复领域。首先尝试开发出这种设备在二十世纪 90 年代后期。康复领域的经验和工程知识允许来自 ETH 大学的研究人员在苏黎世于 2000 年创建机械矫形器系统 Lokomat2,5。Lokomat（如图 2 所示）的设计专为神经障碍和脊髓损伤患者进行步态再教育。机器人矫形器 Lokomat 提供步态再教育的持续进展。体重支持系统是机器人的一个组成部分，用于自动化跑步机训练和治疗协助。它也可以用于需要从轮椅上抬起的 患者。关于惯性力量传统配重系统可能会影响垂直运动导致患者在治疗期间不能使用。Lokomat 配有电脑在模拟步行周期中模拟病人的运动。卸载装置还提供了在跑步机上行走时对