电动汽车电芯自动封口机机械设计毕业论文.docx

电动汽车电芯自动封口机机械设计毕业论文目 录中文摘要1英文摘要21 前言31.1 电动汽车电芯产业发展概述31.1.1 世界电动汽车电芯产业发展趋势31.1.2 我国电动汽车电芯产业发展历程及趋势41.2 自动生产线技术概述41.2.1 自动生产线的发展历程41.2.2 自动化技术的发展趋势61.3 电动汽车电芯制造加工技术71.4 本课题的研究目的和主要研究内容71.4.1 本课题的电动汽车是研究目的71.4.2 本课题研究的主要内容81.4.3本课题有关封口机研究的国内外情况81.5 本章小结92 电动汽车电芯自动封口机的结构设计102.1 电动汽车电芯自动封口机的设想来由102.2 电动汽车电芯自动封口机的结构设计102.2.1 封口机的结构设计102.2.2 封口机各零件的参数设计102.2.3 确定封口机各部分组成102.3 本章小结113 封口机机械手设计方案123.1 机械手的设计参数123.2 机械手的工艺流程133.3 机械手的工作过程143.4 机械手的总体结构143.5 机械手的坐标型式与自由度143.6 机械手的结构方案设计144 机械手各机构设计154.1 手部设计计算154.1.1 手部设计要求154.1.2 拉紧装置设计164.1.3 气缸直径的选择174.1.4 缸筒壁厚的设计184.2 腕部设计计算194.3 手臂伸缩机构设计214.4 机身和机座的设计计算244.4.1 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计244.4.2 基座结构设计284.5 电动机的选取284.6 螺杆的设计与校核294.7 本章小结315 封口机自动化托盘设计325.1 封口机自动化托盘的结构设计及参数选择325.2 本章小结33结论34参考文献35致 谢36电动汽车电芯自动封口机机械设计摘 要：由于如今电动汽车的发展迅速，其生产技术也面临着各种挑战。本课题针对电动汽车电芯封口进行机械设计。将从自动上下料托盘，机械手这两大方面来实现电芯封口的自动化。上下料托盘的功能是放置未加工零件以及加工完成的零件，将通过步进电机实现间歇性转动，其结构简单方便，效率高。由于要实现全面性自动化，所以会采用两个机械手。一个将未加工零件从托盘中拿出放置到工作台上，另一个机械手将加工完毕的零件放到另一个托盘中。通过机械手的结构和类别，确定了机械手采用三自由度和圆柱坐标型式。即机械手伸缩，升降，回转三个自由度。机械手手指采用夹持式结构。驱动方式是通过气缸来实现的，也就是手臂的伸缩和升降，同时通过异步电机来实现机械手的旋转。关键词：电动汽车；电芯；自动化；封口机；机械手Automatic sealing machine battery electric vehicleAbstract:Due to the rapid development of electric vehicles today, the production technology is also facing challenges. So the topic of batteries for electric vehicles, mechanical seal design. From automatic loading and unloading pallets, these two aspects of the robot to achieve automation sealed batteries. Loading and unloading pallets full bloom function is not the finished machined parts and components, will turn indirectly through stepper motor, simple structure, low cost and high efficiency. Due to automation, it will use two robots. A machined parts will not be placed out from the tray to the table, another robot finished parts will be processed into another tray. By the robot structure and categories to determine the robot uses three types of freedom and cylindrical coordinates. That robot stretching, lifting, rotating three degrees of freedom. Robotic fingers using clamping structure. Drive mode is achieved by a cylinder, and is telescopic lifting arm, through the asynchronous motor to achieve rotation of the robot.Key words: Electric car；Batteries；Automation；Sealing Machine；Robot21 前言1.1 电动汽车电芯产业发展概述1.1.1 世界电动汽车电芯产业发展趋势 21世纪，在电动汽车发展的领域中，日本超越美国、欧洲和其他国家，走在电动汽车发展的最前沿。然而由于电动汽车的产业仍然处于快速增长的时期，因此很多关键的技术问题都还没有出现比较成熟的解决方案。美国和欧洲依托其强大的科研优势，最有可能作出关键技术的首次大的突破，重新获得与日本竞争的优势。加上韩国和中国等在汽车产业中冉冉升起的新星都在不断推广电动汽车产业的研制，可以预想到以后电动汽车发展的竞争布局会变得更加复杂。目前，日本电动汽车蓄电芯主要集中于对锂电芯的研究，其次是铅酸电芯、镍氢电芯和钠电芯等。从全球专利申请数上来看，日本拥有的纯电动汽车及其相关管理系统的专利申请数量是最多的。再从日本国内的专利申请量分析，百分之90以上的专利申请也都是来自日本申请者。这足以证明日本在电动汽车行业发展的实力和水平。这个水平一些后来发展电动汽车的国家很难超越。美国在纯电动汽车蓄电芯的研究核心专注于对锂电芯，锂电芯的研究，其相关申请的数量占电芯专利申请数量的百分之70以上，其次为铅酸电芯、镍氢电芯和钠电芯。从全球范围内来看，美国的在这方面的专利申请只能居日本之后，处于世界第二的水平。再从美国本国国内申请量的角度上来看，在电动汽车蓄电芯及相关系统管理的申请中，来自于日本申请者的申请量最多，大概是总数量的百分之60，而来自于美国申请者的申请数量却次于日本。德国纯电动汽车蓄电芯主要是对锂电芯的研究，其次为铅酸电芯、镍氢电芯和空气电芯等。从全球的专利申请总量来看（到2010年6月为止）。德国在电动汽车蓄电芯及相关系统管理申请数，处于世界第六位。并与居于第一位的日本专利数量存在巨大差异，仅占日本申请量的百分之11。再从德国国内的申请量角度来看，德国的申请者持有申请量大约占总申请数量的百分之43，又高于位于第二名的日本。再从全球范围来看，德国在电动汽车蓄电芯及相关管理系统的核心领域技术却远不及日本。但是在德国，德国拥有强大的技术优势，专利拥有量比日本高。在全世界范围内，电动汽车电芯产业群目前主要面临技术牵制和成本牵制这两大问题，只有当动力电芯性具备更高的性能和显著降低成本、经过大规模应用，更能带动其他更成熟的环节的发展。因此电动汽车电芯是电动汽车生产产业最有可能获得高收益的项目，其余的比如电机和电控系统环节有更成熟的技术和市场基础，许多竞争对手可能只会获得平均收益。1.1.2 我国电动汽车电芯产业发展历程及趋势中国的电动汽车电芯已经开始进入发展的产业化阶段，并且加快发展的势头。电动汽车的电芯核心产品的研究一直处于国际先进水平，但仍需要解决一些相对薄弱的环节。目前，国内的电动汽车电芯已经显示出相对明显的成本优势，部分能量型的电动汽车电芯成本仅仅是日本、美国的一半左右，这就表明，我国电动汽车的商业化，产业化在加速前进，并将以成本优势实现电动汽车电芯的大规模出口。自2009年起，中国将“发展新能源汽车”确立为战略性的产业。电动汽车是采用电芯，发电机，电控系统等作为重心的新兴动力系统。将会与用传统燃油做燃料的汽车在产品开发技术、运营模式、产业生产体系、基础设施建设等很多方面都有较大差异。鉴于我国电动汽车的发展才刚刚启动，许许多多的问题还处在一个比较迷茫的阶段。国家，政府和产业界对电动汽车产业中的的一些问题没有达成共识，很难提早应对将来可能出现的问题。目前我国已形成珠江三角洲、长江三角洲和京津地区的三大电动汽车电芯产业集群带，完全能满足当前电动汽车生产的需求。生产出的产品技术水平处在一个快速提升的阶段，并且生产成本在明显的下降。然而，在系统集成、规模化生产、产品商品化等方面还存在很多问题有待解决。1.2 自动生产线技术概述1.2.1 自动生产线的发展历程20世纪20年代，机械制造业的自动线开始出现，其中出现最早的是组合类机床的自动线。在此之前，汽车行业中最先出现了生产线，后来发展成为半自动式的生产线，之后就发展了成为全自动的生产线。机械自动化技术是社会发展的核心。机械化是紧紧围绕工业生产，航天工业的需要和军事设备控制的而形成并且发展起来的。在18世纪80年代末，J. Watt 为了解决机械工业生产过程中遇到的蒸汽式发动机的速度控制方面的的问题 , 把离心式的调试速度器和蒸气机阀相互连接起来，使得蒸汽式发动机成为了机械生产中即安全又可靠，并且实用的动力装置。从而形成了蒸气式发动机调节转速的系统，瓦特发明并且创造的蒸汽机形成了自动式调节设备的应用，为了可以解决半自动调试速度等方面设备运行的平稳性。数学家们又提到了判定生产系统的稳定性的依据。二十世纪四十年代是机械自动化理论完成与其机械自动化技术发展的最为重要的时期。一些理论学家为了研究军事上关于大炮控制，导弹导航，飞机导航，汽车导航等技术性上的问题。渐渐的形成了以设计，剖析和辨别单变数量控制调试系统为核心的控制理论与方法，机械，数控，导航，电子技术等方面的快速发展为产品机械化提供了先进的技术，在20世纪40年代，美国FORT公司的一名机械工程师DS.哈德森率先提出用自动化生产来形容机械生产过程的机械自动化操作（即由人工转变为机械化操作）。在20世纪40年代建立了全世界第一的主要研究生产自动化的这个部门。在20世纪50年代J. Diebold 第一本以自动化为名的自动化这本书在全世界发行出版。 J. Diebold认为：机械自动化是控制和生产过程中的一种必不可少的招数。自二十世纪五十年代之后，自动化控制以提高产品生产率做为首要目的，并且各国工程师也着力于自动化生产的研究，使之成为一种非常重要的生产方法，在美国开始被广泛使用。它在机械工业制造中形成的机械制造自动化，在石油、机械、炼煤、冶金等连续化机械生产过程中的应用，对大规模设备的生产进行管理和控制，实现了过程自动化，随着电子计算机的普及与应用，实现了业务管理的自动化。在五十年代末到六十年代初，很多工程类的项目，特别是航空航天方面的发展，很难用经典控制理论的方法来解决这方面的问题。于是就产生了用极大值的原理，状态空间法等等作为核心的现当代自动化理论。现代控制理论为发射第一颗人造卫星提供了有效的控制手段，保证以后几个空间计划安全可靠地实施完毕。比如在导弹的制导，卫星的发射，火箭的升空，航天器的控制等方面的应用和实施。在二十世纪六十年代中期之后，现代控制理论方法在生产机械化当中，特别是在航天航空等方面的应用，同时又产生了一些新的控制方法,如自适应控制，系统随机控制，系统智能识别， 分布级数计算系统等等方面。随之系统模式识别与人工智能运用也都发展起来，出现了智能机器人与专家系统。自动化又得到了很大的提高。从二十世纪七十年代中期开始，机械自动化的应用开始向规模变大的，产品优良化，生产自动化，系统复杂化等方面发展。从而也向交通，航空，水运，钢铁，经济等方面的运用。与此同时，还要求它对各种系统进行设计，但是之前的设计方法已经不能满足我们设计的需要，在这个时候就出现了大系统的理论。我们就能够对系统进行最好最快的控制与管理，极大的满足了我们的需求。在二十世纪八十年代初的时候，伴随着计算机技术的飞速发展，自动化的管理方面取得了非常大的进步。同时人类开始利用传感器技术，计算机网络，通讯技术系统控制等新技术来解决目前所面临的医疗设施机械化，办公软件机械化，生产产品机械化，农业生产机械化，机械自动化以及各种复杂，繁琐的实际问题。电子计算机和数字控制机床等方面技术的发展，以及计算机技术的大范围应用，将会使得机械自动线生产中的灵活性变得更大，可以让自动化伴随着产品的多样化，复杂化，数量规模化发展。多品种可调用机械化自动线，降低产品机械生产中的成本，提高了实际收益，因而被广泛应用于各种机械制造行业中，并制定了更加灵活的制造系统的自动化。应用机械化装配线进行生产的产品拥有了充足的产量，产品设计和工序先进性，稳定性，可靠性，并可以在长时间内保持其各性能基本不变。在大批量生产中利用机械自动化生产线可以大幅度的提高劳动生产率，成品的稳定性与提高产品的质量，提高劳动生产条件，降低生产中的占地面积，减少生产的成本，降低生产时间，确保其生产平均性，并带来显著的经济收益。机械自动生产线在无人操作下，机械自动化的按照规定的程序或者是按照指示进行各项操作的过程，它的目标是“稳，准，快”地进行自动化机械生产。机械自动化生产技术普遍应用于轻工业，农林业，科研，交通水运，商业，医疗设施，服务和家庭。1.2.2 自动化技术的发展趋势先进的机械自动化的关键取决于如何去应用，机械自动化的发展要将企业的机械自动化生产以及技术的迅速发展做为核心目标。对于机械化技术的快速发展,中国应该与机械生产的实际相结合，让其在国民经济的发展中取得良好的收益。机械自动化其实是一个动态概念,如今它的研究主要表现于制造系统技术及人机为一体的制作系统、集成技术、制作工艺、制造单元技术、调度以及适合用于现有机械模式的环境等大的方面。在控制理论的指导下，先进的机械生产自动化应用于机械制造,以及对人和生产的物流进行研究。自动化的发展关键在于计算机的辅助设计,以便它可以智能化地处理更多更复杂问题。与此同时,发展机械自动化技术，还要抓好机械化实际操作应该如何使用的工作,各生产工人也要从生产使用过程中出发进行全面的推广,不仅要使自动化生产有发展的动机,还必须配备发展机械化技术控制的系统和零件。相关人员还必须要对于计算机技术、机床装料、零件检测和电子学自动化有很好的了解,使用相对应的数控程序机床,研发高效便捷的计算机使用于生产信息管理系统、机械自动化的生产线与自动化控制系统等等方面。生产优良的机械产品是发展机械自动化技术的关键。伴随着机械生产行业在共同市场上的迅速发展,机械生产技术将会由半生产机械化向全面机械化方面发展,由此可知, 中国的机械制造自动化技术与拥有一个更美好的未来密切相关，其发展主要还是需要依靠科学知识。 低成本机械自动化技术的发展，市场前景比较广阔，立竿见影，收益快速，有利于提高机械自动化程度，还可以获得事半功倍的良好效果,可以满足中国现代化建设发展的需求。在一些发达国家工业的发展进程中可以看出,机械制造自动化的发展是由不好到更好、由低速向高速、由低到高。我国也可以从一些发达国家引进先进的机械自动化技术。中国机械的企业选用大批的生产装备,在发展机械生产自动化技术的时候要将以前的生产设备做为基础,合理的分配数控机床,并和计算机技术相结合,机械自动化的到来将为网络化生产管理创造很大的发展空间。特别是对高科技的机械化技术和计算机网络技术结合的推动。开辟了人机轮流控制机械生产管理的新型生产方式。充分地发挥了微处理机机械自动化的优点,在机械中建立了生产机械化的单元系统,促进了国内生产机械化技术的发展，提供了投资少，收益高的渠道。1.3 电动汽车电芯制造加工技术随着电动汽车行业在当今社会的快速发展，和它相匹配的电动汽车电芯的自动化的生产也得到了快速的发展。但是，电动汽车电芯的自动化的生产中却存在着很多问题，导致现在市场上的电芯质量良莠不齐。其中总含量、循环使用寿命和后期含量等多项指标都没有能够取得规划过程中的预想目标。总而言之，之所以会出现以上的问题，和电动汽车电芯生产中独特的生产工艺有关。很多生产厂家直接从生产汽车蓄电芯或者是摩托车蓄电芯过渡到电动汽车电芯的生产，再按照老的生产工艺，老的生产设备，习惯进行电动汽车电芯生产，而且生产工人对电动汽车电芯的生产也不了解，不熟系。这就导致了电芯的生产质量不好，效率不高。电动汽车电芯的生产工艺比较繁杂，各种指标要求的精密度也比较高，这些都是质量不容易控制的一个原因1。1.4 本课题的研究目的和主要研究内容1.4.1 本课题的电动汽车是研究目的眼下全球仅有的能达到尾气零排放的是全电动类汽车。对于当今社会环境保护的要求，再与新型材料相结合的快速发展，使得电动汽车的发展进入了又一个高潮。电动汽车作为绿色环保型的交通工具，将会在20世纪给人类生活交通带来巨大的改变，我国也将电动汽车的发展作为在未来二十世纪汽车工业的一个重要核心发展方向，这不仅仅实现中国汽车工业生产技术上的突飞猛进，同时也会实现中国汽车工业在未来世界的可持续发展。于是我国电动汽车从研究阶段发展到产业机械化大批量生产的阶段，电动汽车行业正呈现出发展的繁荣生机。 目前，在各种新能源汽车的生产技术路线中，新能源系统的汽车发展的主要方向是以电动汽车、燃料电芯汽车或者是复合电芯汽车为代表的纯电动汽车，这已经成为世界汽车强国与主要汽车制造商的重点发展。中国已经是世界汽车产业发展的大国，但是生产实力不强，还不能与世界 强固相比较，电动汽车在中国的发展，还有许许多多的问题没有解决。就拿电动汽车电芯自动封口机来说，通常都会采用手工、机械半自动封口方法，电芯产品封口质量难以保证。在手工、机械半自动封口电芯进程中，人工影响和外部影响元素较大，时常出现封口品质量批量的不合格的现象，商家也无法确保电芯质量与性能，使得次品电芯不可避免地流入市场，损害人民的利益。而采用自动化封口机可以避免以上生产中的不足。同时还具有以下优点：自动化封口机可以实现电动汽车电芯的封口自动化，具有自动封口的精度高，瞬间时间可以控制，电芯边高和总高可以控制，电芯生产效率提高，电信的质量稳定等。在保证了电芯的性能及质量上，还可以提高生产率，增加生产商的利益。1.4.2 本课题研究的主要内容研究的主要内容是电动汽车电芯的自动化封口机，现如今封口机适用最多的行业是饮料食品的封口，其次在农业，机械行业，医疗等方面也都有广泛的使用。但是其目前还没有应用到电动汽车电芯的生产中，所以需要我们来自主研发。在让封口机技术应用到电动汽车电芯的生产过程过程中，同时也会利用机械手和托盘实现电芯的自动上下料和自主加工。1.4.3本课题有关封口机研究的国内外情况封口机技术在发达国家（比如美国，德国，日本）一直处于全球顶尖水平，美国、德国、日本和英国等国家的封口制造生产水平相对较高。他们集中于对封口机的多功能，高质量，高效率和高技术含量等方面的发展。国外先进封口机的发展速度快，可以满足企业的正常机械生产，高品质、高效率的特点让他们的设备具有足够的竞争力。还有最重要的一点就是他们的设备高科技技术含量高、自动化程度高，非常适用于企业现代化的发展。中国的封口机产业自行发展也有很长时间了，在十年间封口机从单一化到多功能的发展途中也经历了很多考验与磨难，面对每一次新的挑战，所有的国内封口机生产厂家为了更好、更快的发展，都积极地寻求新的发展方向与新的发展思路，强化自主创新意识，以促进国内封口机产业的快速发展。从目前国内的现状来看，封口机在国内的发展趋势应该是；国外引进和先进技术之间的结合。生产封口机技术的发展，加快了封口机的封口效率，提高我国封口机的生产效率及机械化的程度。因为我国的中小型企业在市场上占的较大比重，所以要生产出一些适合中小企业使用的封口设备。我国还要从国外引进先进的封口机发展的技术，让我国的封口机自动化具有功能多样化，产品质量优良化等方面的发展。1.5 本章小结目前国内电动汽车的各方面发展还不完善，而国外的发达国家在这方面的发展技术相对比较发达。但是这几年电动汽车产业在世界范围都得到了快速发展，所以我们必须攻克其发展中的瓶颈问题。在对待电芯生产过程中封口的问题，我们将采取自动上下料封口机，运用机械手实现自动上下料。但是我国封口机技术不是很发达，所以必须与国外的一些先进技术相结合，研发出能适用于电动汽车电芯封口的封口机。2 电动汽车电芯自动封口机的结构设计2.1 电动汽车电芯自动封口机的设想来由近年来，随着电动汽车产业的不断发展，电动汽车电芯的市场也在不断扩大，生产需求不断增加。随着电芯产量及性能的提高，对电芯生产设备的生产率和自动化程度要求也越来越高。先进的设备是提高电芯产量、保证电芯的性能，提高电芯品质的关键。电动汽车电芯原来封口需要人将电芯放到工作台，然后进行自主的定位，再操作封口机进行封口操作，由人力拿下来。这样即费时间也费人力，也不能满足电芯生产的工艺要求，质量也达不到，同时也不能满足电动汽车的高速发展。因为想实现封口机的全自动，首先要采用机械手实现自动上下料，在此过程中还要两个托盘。托盘会采用步进电机进行自动间歇性的旋转，会实现自动定时定距的旋转。2.2 电动汽车电芯自动封口机的结构设计2.2.1 封口机的结构设计封口机的结构主要包括两个机械手，两套托盘。机械手选择气动机械手，机械手可以实现上升、下降、伸缩、旋转这几个动作。托盘采用步进电机进行带动，每个托盘上面可以放置10个被加工的工件，在步进电机的带动下，实现间歇性的旋转，每次定时定距，旋转到固定的位置，以便于机械手抓取被加工工件。2.2.2 封口机各零件的参数设计气缸杆长：30mm气缸压力：1520kg/cm2最大行程：15mm重量：3000g电源：220V , 10A2.2.3 确定封口机各部分组成电动汽车自动封口机由两个托盘，两个气动机械手。其中托盘采用步进电机带着其转动，其材料选择为金属材料，有利于被加工件的放置，机械手有三个方向的运动，X平面内的旋转，Y轴方向，Z轴方向。机械手会由底座，气缸，手部，腕部等组成。2.3 本章小结由于当前的电动汽车德发展推动了我们对于电动汽车电芯封口机自动化的研究，经过重重考虑，最终确定了以上方案，由机械手实现电芯的自动抓取，托盘实现了电芯的放置，同时也为机械手抓取电芯提供了良好的基础。3 封口机机械手设计方案3.1 机械手的设计参数常见的机械手根据它的手臂的运动方式,再按照它的坐标大概可以分4种， (1)直角坐标型机械手；(2) 圆柱坐标型机械手； ( 3) 极坐标型机械手；(4)多关节系型机械手。机械手运动方式如图3.1所示图3.1机械手运动方式图结合本课题，我们采用第二种圆柱坐标系机械手。它的结构简单紧凑，定位精准。1. 机械手最大抓重: 30kg2. 被加工工件尺寸： 直径约8cm3. 自由度数: 3个自由度4. 机械手坐标型式: 圆柱坐标5. 手指开合角度： 50（最大速度为50度每秒）6. 支座旋转角度: 90（最大速度为90度每秒）7. 手臂运动参数：伸缩行程：100mm；伸缩速度：100mm/s；升降行程：200mm；升降速度：100mm/s。8. 机械手定位精度： 9. 驱动方式： 气压传动10.控制方式： 点位程序控制(采用PLC)缓冲方式以及定位方式：手臂伸缩：伸出时由plc控制电路，当到达规定位置时将会切断气路，这时候手臂会有一定的缓冲，缩回时由plc控制回路使得手臂返回规定的位置。旋转是由电机带动螺杆，由螺杆在传递运动2。手臂升降：由气缸决定伸缩的长度，在横向的伸缩将采用二级气缸，也就是会有两个气缸，这样会增加手臂运行的范围。也会增加手臂的承重能力。气缸也会由plc控制，保证其运动的准确性。3.2 机械手的工艺流程 机械手的运动过程如图3.2.1表3.2.1机械手的运动过程中各动作机械手打开，位置在A部工步一旋转至B位工步二手臂下降工步三手臂伸出工步四夹紧工件工步五手臂收缩工步六手臂上升工步七旋转至A位工步八手臂下降工步九放松工件工步十手臂上升工步十一机械手运动位置示意图如图3.2.2所示图3.2.2机械手运动位置示意图3.3 机械手的工作过程机械手1，首先当放置着未封口的电芯的托盘运动到固定位置时，机械手运动实现对电芯的抓取。抓取完毕将电芯放到工作台上。当封口机对电芯封口完毕后，再由机械手2进行电芯的抓取，将其放置到另一个托盘上。3.4 机械手的总体结构本机械手系统由驱动系统、执行系统和控制系统组成，执行系统包括手指、手臂、腕部、臂部、机身等。驱动系统包括动力源、控制调节设备和辅助设备组成。控制系统由程序控制系统和电气系统组成。3.5 机械手的坐标型式与自由度根据机械手手臂运动方式的不同和不同的组成情况，其坐标型式可分成圆柱坐标式、球坐标式、直角坐标式和关节式这四种。再者机械手在上下料的过程中手臂应该具有升降、收缩及旋转的功能。所以，采用圆柱坐标型式3。3.6 机械手的结构方案设计手指部分将采取夹持式的手指，原因是夹持式的手部通用性强，而且其结构简单方便。夹持式手部至少要有两个夹钳，通过两个手指的开合来抓取零件。4 机械手各机构设计4.1 手部设计计算4.1.1 手部设计要求手指部分结构图如图4.1.1所示：图4.1.1手指部分结构简示图1、有适当的夹紧力手部在抓取工件时，必须保证具有一定的夹紧力，来确保夹持工件的时候具有足够的稳定性与可靠性，不让工件变形，而且也不能够损坏工件中已加工表面。对于刚性较差的工件，夹紧力大小应该是可以调节，同时还有夹持工件在传递过程中产生惯性和震动。2、结构简单，体积结构紧凑，重量轻手部处于机械手结构的最前面的一部分，工作时手部的运动形式是多元化的，而且手部的结构，体积，质量直接能够影响到整个机械手的结构，抓取，运动性能和定位精度等性能。所以，手部的设计一定要求它的结构简单紧凑，体积小，质量轻便4。3、有足够的开闭范围夹持类机械手手部的手指都具有闭合和张开的功能，在机械手工作过程中，机械手手指开闭到最大的位置称为开闭范围。机械手手指的开闭范畴要求和很多因素都有关系，比如被加工零件的大小和形状，手指夹持的大小和形状。总体老说，在工作环境允许的情况下，机械手手指的开闭范围还是设计的大一些会比较好。4、手指应该具备一定的强度、刚度和韧性手指在机械手运动过程中会受到工件的反作用力，同时在整个运动过程中还会产生一定强度的震动与惯性力。于是就要求机械手手指具有一定的强度和刚度，要不然在运动过程中很有可能会产生弯曲或是折断。与此同时，也应该尽量使手指的结构紧凑简单，自身重量轻，确保手指运动的中心在机械手手腕的回转轴上5。5、其它要求本机械手的功能是自动上下料，再加上考虑到工件的形状，大小和重量等方面，因此会用最常用的外卡式2指钳爪。 4.1.2 拉紧装置设计如图4.1.2所示：图4.1.2手指部分所受力分析图气缸有很多种类型，根据我们所需要的来进行自主选择其工件重量G=30kg，(1) 机械手手部结构的驱动力为: (4-1) (2)手指握力的计算公式: (4-2)=0.55tg(60-542)=150(N)所以(3)实际驱动力: (4-3)I,传力机构是齿轮齿条式的传动，所以=0.94、。 最大加速度取时，则: (4-4)所以 (4-5) 抓取工件时气缸需要的驱动力为9378N。4.1.3 气缸直径的选择从本课题出发，选择单向力式作用的气缸，单向力作用气缸的活塞杆输出的推力必须要克服两个阻力，弹簧产生的反作用力和活塞杆在工作过程中所受的阻力，所以其公式为: (4-6)式中: Ft- 弹簧反作用力，NF1- 活塞杆上的推力，NP- 气缸工作压力，PaFZ- 气缸工作时的总阻力，N弹簧反作用按下式计算: (4-7) (4-8) (4-9)式中:Gf -弹簧刚度，N/mS -活塞行程，mL -弹簧预压缩量，mD1- 弹簧的平均直径，md1 - 弹簧钢丝的直径，mG- 弹簧材料的剪切模量，一般取n- 弹簧有效圈数.n还要考虑到负载率 ,所以: (4-10)由上可知单向作用气缸的直径: (4-11) 代入各数值，得 (4-12) =3677.46(N/M) (4-13)=3677.466010-3=220.6N所以: (4-14) =65.23(mm)查有关手册，得D=65mm由d/D=0.2-0.3,得活塞杆直径:d=(0.2-0.3)D=13-19.5mm自上则取得活塞杆直径d=18mm，校核则按 =120Mpa F1 =750N 能够满足实际设计的要求6。4.1.4 缸筒壁厚的设计气缸的缸筒是直接接触压缩空气的。空气是具备一定的压力，所以缸筒必须具有一定的厚度。一般气缸的缸筒壁厚与内径之比1/10，缸筒的壁厚可以按照薄壁筒公式计算: (4-15)D-气缸的内径，mm- 缸筒的壁厚，mmPp- 实验时应该选取的压力，取Pp=1.5P,Pa选取气缸的材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为: (4-16) =656105/(23106) =6.5mm取，则缸筒外径为:D1=65+7.52=80(mm) 4.2 腕部设计计算 腕部是联接机械手臂部和腕部的重要部件，机械手腕部的主要运动是用来调节被夹工件的地方，它的动作灵活，转动惯性小7。要求：回转90角速度W=45/s以机械手承载的最大负荷计算：估算一下，工件重30kg，长度l=650mm。机械手腕部转动时所需要的驱动力矩，根据下面的公式计算: (4-17)公式当中:- 腕部转动的驱动力矩(); - 惯性力矩(); - 旋转的工件的重量(包括手部、手腕和工件)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();以下为机械手手腕部分析各阻力矩的计算:1、机械手手腕在等加速运动中所产生的惯性力矩如果手腕在运动过程按照等加速度运动的形式。手腕在转动时的角加速度为，起动中用的总时间为，则: (4-18)式中:J-机械手腕部转动对转动轴线所产生的转动惯量(N.cm.s2)； J1-被加工工件对机械手腕部转动轴线的转动惯量(N.cm.s2)；如果被加工零件中心和自身转动轴线不重合，则转动惯量为: (4-19)公式中:-转动惯量(N.cm.s2):G1-工件的重量(N)；e1-偏心距(cm)；- 角速度(弧度/s)；- 总的时间(s)；-转动过的角度(弧度)。2、偏重力矩M偏 (4-20)式中:G3-手腕转动件的重量(N);e3-偏心距(cm)若当被加工零件的手腕转动轴线和重心相重合一致的时候，.3、机械手腕部轴颈处与转动轴的摩擦阻力矩M封 (4-21)式中:f-摩擦系数，滑动轴承f=0.1,滚动轴承f=0.01； -转动轴承的轴颈直径(cm)；RA,RB支撑处的支承反力(N)根据 ,得: (4-22) 再根据(F),得: (4-23)式中:G2-轴的重量(N) -根据实际设计的长度尺寸(cm).4、转动缸的动片和缸径、端盖、定子等地方密封设备间的摩擦阻力矩，这个和选用的密封设备的类型相关，要根据具体的情况具体分析8。4.3 手臂伸缩机构设计如图4.3所示：1.横梁 2.导向柱 3.活塞杆 4.螺母 5.垫片 6.气压缸 7.支撑架图4.3 手臂结构图根据本课题的需要，所以选用轴向的脚架型气压缸。活塞杆尾部将采用外螺纹的结构，机械手手臂、末端执行器、活塞杆可以选择为一起旋转9。臂部是机械手的主要执行元件，它的作用是支撑起机械手腕部和手部，并使得腕部和手部伸缩，旋转。手臂可以把机械手手部送到空间运动范围内的任意位置。从机械手手部的承载情况来看，它在加工过程中即承接着手部，被加工零件和机械手腕部的载荷，自身所要达到的运动情况又有很多，所以承受力的情况比较复杂。 1.机械手手臂升降气缸的设计1）尺寸设计（1）尺寸设计本课题手臂伸缩气缸，根据气缸不同型号的结构性能特征和各尺寸的参数，再结合国际标准，最终确定气缸使用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为100/63。（2）尺寸校核校核手臂伸缩的标准气缸。要确定气缸内部的直径D1=63mm,内部的半径R=31.5的气缸尺寸，使得这些参数可以满足我们的设计和使用要求10。确定设计的使用压强P=0.4MPa, 则驱动力： (4-24) =0.41063.140.03152 =1246(N) 选择机械手手腕质量 50kg,加速度为 ，所以惯性力为 (4-25) =5010 =500(N)2）因为活塞等零件运动过程中会产生一定的摩擦力，所以确定摩擦系数 k=0.2, (4-26) =0.2500 =100(N) 总承受力为 (4-27) =500+100 =600(N) 所以CTA标准气缸的尺寸完全符合我们实际驱动力的要求。确定气缸的选择11。2.机械手手臂升降气缸的设计与校核1）尺寸设计CTA气缸运行长度设计=118mm。CTA气缸内径=110mm,半径R=55mm。CTA气缸运行速度，加速度时间为=0.1s,压强为p=0.4MPa。则驱动力 (4-28) =0.41063.140.0552 =3799(N)2） 尺寸校核（1）机械手腕部质量定为80kg,所以重力 G=mg (4-29) =8010 =800(N)（2）设计加速度 ，则惯性力G=ma (4-30) =805 =400(N)（3）由于活塞等零件具有一定的摩擦力，则摩擦系数K=0.1，G=kG1 (4-31)=0.1400=40(N) 总承受力Gq=G+G1+GM (4-32) =800+400+40 =1240(N)GqG0 所以CTA标准气缸的设计尺寸符合本课题研究内容的实际使用需求。3.机械手手臂回转气缸的尺寸与校核（1）尺寸设计气缸的长度设定b=120mm气缸的内径 D1=210mm,半径 R=105mm,半径 R=20mm轴径 D2=40mm 气缸运行角速度=90/S，加速度时间 ,压强。 因此力矩： (4-33) = =255(