模切机上下料机械手结构设计【四自由度】
36页 20000字数+说明书+任务书+14张CAD图纸【详情如下】
任务书.doc
吸盘.dwg
回 转 轴.dwg
回转.dwg
手臂联结座.dwg
手部连接板.dwg
摆 动 轴.dwg
摆动.dwg
模切机上下料机械手结构设计说明书.doc
气动驱动原理图.dwg
液压系统图.dwg
示意图.dwg
移动.dwg
移动缸下端盖.dwg
花键连接板.dwg
装配图.dwg
目录
摘要2
Abstract3
第1章 绪言4
1.1 研究的目的及意义4
1.3 机械手在国内外现状和发展趋势5
1.4 主要研究的内容5
1.5 解决的关键问题6
第2章 总体设计7
2.2执行机构的选择7
2.3 执行机构的组成9
2.4 各部分的分析与选择9
2.4.1 手部的选择9
2.4.2 手臂结构的选择11
2.4.3 机座结构的选择11
2.5工作原理12
2.6机构简图13
3.5 手部的设计18
3.6 气动元件选取及工作原理19
3.6.1 气源装置19
3.6.2 执行元件20
3.6.3 控制元件20
3.6.4 辅助元件21
3.6.5 真空发生器22
3.6.6 吸盘22
3.7 气动回路的工作原理22
总 结34
致 谢35
参考文献36
摘要
机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
本设计主要完成送纸机械手的机械部件的设计。主要包括执行系统、驱动系统的设计。执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成。机械手的结构主要由机座、立柱、水平手臂、垂直手臂、电磁阀和吸盘等组成。真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在管路的最小截面处，气流速度达到临界速度，此时的气体受压，密度加大。
关键字：送纸机械手、真空吸盘、气动控制、液压控制、执行系统、驱动系统
Abstract
Manipulator as a cutting-edge products should be the need of automation equipment update, can work a lot instead of the monotonous reciprocating or high precision demand, in the field of advanced manufacturing plays an extremely important role. Can realize mechanization and automation of production, can in the high temperature, corrosion, and toxic gases such as environment in order to protect the personal safety operation, and can be widely used in machinery, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy etc.
This design mainly completed paper the design of the mechanical components of the manipulator. Mainly includes execution system, the design of the drive system. Perform system consists of transmission parts and mechanical components, is the entity that are necessary for the robot all kinds of sports. Mainly includes the body, arms, end executor of 3 parts. The structure of the manipulator is mainly composed of frame, column, horizontal arm, vertical, solenoid valves and suction cups, etc. Vacuum adsorption model, it USES a pump head of the air to form a vacuum adsorption, therefore calls the vacuum type. Jet adsorption principle is when high-speed into the compressed air nozzle, because the beginning of a line section of sectional area is gradually shrinking, so air velocity increases gradually, at the minimum cross section line, airflow velocity reaches a critical velocity, at this time of gas pressure, increasing density.
Key words: feeding manipulator, vacuum suction cup, pneumatic control system, drive system, hydraulic control and execution
1.1 研究的目的及意义
机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
本设计主要完成送纸机械手的机械部件的设计。主要包括执行系统、驱动系统的设计。
1.2 机械手的发展概述
机械手是二十世纪五十年代发展起来的机电一体化产品，是新型独立的自动化装置。虽然机械手的发展较晚，但他在生产中的应用却很多。机械手可以单体人手的繁重的劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中出现的笨重工件的搬运和长期频繁单调的操作，采用机器人都是有效的。此外，他能在高温，低温，深水，宇宙放射线和其他有毒污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广泛的发展前途。
为什么机器人会产生这样大的功能呢？因为机器人的技术是集计算机科学，控制工程，人工智能，传染技术，机构学，机械工程学等为一体的高心技术产品。机器人在生产中的应用对提高劳动生产率，提高劳动产品质量，改善劳动条件，提高产品的竞争力及企业的应变能力，促进新产品的开发及发展，改变劳动结构及促进相关学科的技术进步均发挥重大的社会和经济效益。因此，世界各国都很重视机器人技术的发展和在生产中的应用。
现在机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。
自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度，大容量，低价格方向发展。大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制，机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一要求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年开发了机械式的主从机械手。
1954年美国戴沃尔提出了机械手的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。
1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。
1973年，辛辛提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的机械手。到了1980年，机械手才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。 随后，机械手在日本得到了巨大的发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。
1.3 机械手在国内外现状和发展趋势
机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。第2章 总体设计
2.1 总体初步设计
总体设计是把组成机器的各个部件进行合理布置，协调他们在结构上的性能及参数上的关系。他是在原理方案确定后，按照设计任务书的要求对原理方案设计确定的工作原理与组成部分进行总图规划。
1. 选择机型：
本机械手是真空吸盘送纸机械手。
2. 确定总体性能参数
a) 总体运动参数
外扩尺寸： 840×1090×870
b) 总体运动参数
臂部工作速度，移动均为1200—1400mm／min
腕部回转
c)总体动力参数
臂部液压油压强0.8Ｍpa
3. 总体布局及各部件的结构形式
总体布局及部件结构形式见装配图。这里我们强调的是结构设计中应注意的基本原理：
任务分配原理；自补偿原理；力传递原理；变形协调原理；力平衡原理；等
强度原理；稳定原理；降低噪音原理。
机械手的执行结构是机械手赖以实现各种运动的实体。执行机构的布局类型直接影响到机械手的工作性能。
2.2执行机构的选择
机械手的基本型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。下面就各型式机械手作简单的分析对比：
1、直角坐标式机械手
直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩、左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。
其工作范围可以是一个直线运动；两个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上个具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。
直角坐标式机械手的优点：
（1） 产量大，节拍短，能满足高速的要求；
（2） 容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合；
（3） 适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更；
（4） 定位精度高，载重发生变化是不回影响精度；
（5） 易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。
缺点：机械手的作业范围较小。
2、圆柱坐标式机械手
圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。
圆柱坐标式机械手的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在的平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。
圆柱坐标式机械手有五个基本动作：
（1） 手臂水平回转；
（2） 手臂伸缩；
（3） 手臂上下；
（4） 手臂回转动作；
（5） 手爪夹紧动作。
圆柱式机械手的特点是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可做上下直线运动和水平面内做圆弧状的左右摆动。
3、球坐标式机械手
球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。
球坐标式机械手可实现八个动作：
（1） 手臂上下动作，即俯仰动作；
（2） 手臂左右动作，即回转动作；
（3） 手臂前后动作，即伸缩动作；
（4） 手腕上下弯曲；
（5） 手腕左右摆动；
（6） 手腕旋转运动；
（7） 手爪夹紧动作；
（8） 机械手的整体移动。
球坐标式机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧状上下俯仰动作，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人的手类似。它的特点能能自动选择最合理的动作路线。所以工作效率高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。
4、关节式机械手
关节式机械手是一种适用于靠近机体操作传动型式。它像人手一样有肘关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄的空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。
关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。它还具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手的操作机能，需要研制最合适的结构。
机械手型式的选择首先是从满足它的运动要求方面进行考虑， 然后从机械手的复杂程度以及经济情况等方面来考虑。本设计中的机械手主要动作为机械手手臂的左右移动，升降移动和机械手的整体旋转。
直角坐标式机械手虽然具备手臂的伸缩上下、左右直线运动等动作，但是不具备机械手整体旋转动作，所以不考虑用直角坐标式机械手。
球坐标式机械手和关节式机械手对动作要求方面足够满足要求，但是它们的结构都比较复杂，有很多动作是不必要的，显得浪费和增加了制造的成本和难度。
圆柱坐标式机械手能满足手臂伸缩、手臂上下、手臂回转动等动作。可以将手臂回转动作改换成机械手的整体转动就可以满足本设计中机械手的动作要求。这样的修改并没有改变机械手的总体结构，只是进行了局部变动，使得整个系统经济、实惠，所以确定用圆柱坐标式机械手。
2.3 执行机构的组成
工业机械手的执行系统主要以下机械部分组成：
手部 是机械手直接握持工件或工具的部分。
臂部 是机械手用来支持腕部与手部实现较大的运动范围的部件。
立柱 支承手臂并带动它升降、摆动和移动的机构。
机座 是机械手用来支撑臂部，并安装驱动装置及其他装置的部分。
2.4 各部分的分析与选择
2.4.1 手部的选择
1 手部形式的确定
手部就是用来握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部机构也是多种多样。常用的手部结构按其握持原理可以分为如下两类:
1）夹持式
夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。
夹持式手部设计时应注意以下事项：
手指应有一定的开闭范围。
手指应具有适当的夹紧力。
要保证工件在手指内的定位精度。
结构紧凑，重量轻，效率高。
通用性和可换性。
2）气吸式
气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、纸巾制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。
气吸式又可分为：
负压吸盘：真空式、喷气式、自挤式空气吸盘。
磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。
真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在管路的最小截面处，气流速度达到临界速度，此时的气体受压，密度加大。在排气管路中因界面逐渐增大，气流膨胀减压而使密度大大下降，致使气流速度继续增高，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同，故形成真空，以吸住工件。自挤式空气吸盘的工作原理是将软质吸盘按压在工件的表面，挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。磁吸式手部不会破坏被吸附表面质量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑，影响正常工作。
通过以上对手部的分析真空式具有结构简单、质量轻、不损伤工件、使用方便、不影响机械手的正常工作等优点。而且满足所设计机械手的要求，所以选用真空式吸盘。
真空吸盘机构如图2.1所示。
参考文献
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