冲床上料机械手结构设计说明书

毕业（论文、设计） 冲床上料机械手结构设计 2 前 言 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展 , 出现了数控加工中心 ,它在减轻工人的劳动强度 的同时 , 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序 , 通常仍采用人 工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低 ; 后者因设计复杂 , 需较多继电器 ,接线繁杂 , 易受车体振动干扰 ,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器PLC 控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力 , 保证了系统运行的可靠性 ,降低了维修率 , 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及 为工人 交 工伤费 带来的挑战。 随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开发以后，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加 工、装配等作业自化，已愈来愈引起我们重视。 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。 在现实生活中，你是否会发现这样一个问题。在机械工厂里，加工零件装料的时候是不是很烦的，劳动生产率不高，生产成本大，有时候还会发生一些人为事故，导致加工者受伤。想想看用什么可以来代替呢，加工的时候只要有几个人巡视一下，且可以二十四个小时饱和运作，人行吗？回答是肯定的，但是机械手可以来代替它。 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；尤其是在高温、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能够代替人进行正常的工作。想到这里我就很想设计一个机械手，来用于生 产实际中。 为什么选着设计机械手用气动来提供动力：气动机械手是指以压缩空气为动力源驱动的机械手。用气压驱动与其他能源驱动比较有以下优点： 1.空气取之不竭，用过之后排入大气，不需要回收和处理，不污染环境。（环保的概念） 2.空气的沾性很小，管路中压力损失也很小（一般气路阻力损失不到油路的千分之一），便于远距离输送。 3.压缩空气的工作压力较低 (一般为 48公斤 /每平方厘米 )，因此对动元件的材质和制造精度要求可以降低。 4.与液压传动相比，它的动作和反应都快，这是气动突出的优点之一。 5.空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。但是也有它美中不足的地方： 1.由于空气的可压缩性，致使气动工作的稳定性差，因而造成执行机构运动速度和定为精度不易控制。 2.由于使用气压较低，输出力不可能太大，为了增加输出力，必然使整个气动系统的结构尺寸加大。 气动机械手是指一压缩空气为动力源驱动的机械手。 用气压驱动与用其他能源驱动比较有以下优点： 空气取之不竭，用过之后排入大气，不需回 收和处理，不污染环境。偶然的或少量的泄漏不致对生产发生严重的影响。 空气的粘性很小，管路中压力损失也就很小，便于远距离输送。 压缩空气的工作压力较低，因此对气动元件的材质和制造精度要求可以降低。一般说来，往复运动推力在 12吨以下采用气动经济性较好。 与液压传动相比，它的动作和反应都快，这是气动的突出优点之一。 空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。 它可安全地应用在易燃、易爆和粉尘大的场合。又便于实现过载自动保护。 4 目 录 前言 .2-3 摘要 .3 1 明确设计要求 . .6 1.1 机械手要求 .6 1.1.1 被抓取对象的情况 .6 1.1.2 工作现场的情况 .6 1.1.3 上料装置与工作主机的配置情况 .6 1.1.4 工作环境及其他特殊要求 .6 1.1.5 生产工艺和工作机械对机械手的要求 .6 2.传动方案的确定 .6 2.1 方案确定 .7-8 3.基本参数的确定 .8 3.1 参数确定 .8 3.1.1 抓重（即臂力） .8 3.1.2 自由度、工作行程及转角 .8 3.1.3 工作速度 .9 3.1.4 定位精度 .9 4.机械手机械结构的设计 .10 4.1 结构设计 .10 4.1.1 自由度和座标型式的确定 .11 4.1.2 手部的选择 .12 4.1.3 运动速度 .13 4.1.4 气流负压式吸盘部分 .13-16 4.1.5 吸盘结构 .16-17 4.1.6 气吸式吸盘选用要素 .17 4.1.7 手臂 伸缩部分 .17 4.1.8 手臂伸缩情况 .17-18 4.1.9 手臂驱动力计算 .18-19 4.1.10 手臂的偏重力距及升降导向柱不自锁的条件 .19-21 4.1.11 手臂回转时所需的驱动力矩 . 21-25 5. 致谢 .26 6. 参考文献 .27 冲床上料机械手结构设计 摘要 : 本文首先进行了机械手的分析，通过对参考文献进行的分析与研究，阐述了制造技术等相关内容：在技术路线中，论述机械手设计过程，设计注意点，机械手的工作原理。为毕业设计写作建立了进度 表，为以后的设计工作提供了一个指导。最后，给出了一些参考文献，可以用来查阅相关的资料，给自己的设计带来方便。 关键词 : 结构 力矩 作用力 手臂 1 明确设计要求 1.1 机械手要求 1.1.1 被抓取对象的情况 ： 矽钢片 重量 0.5公斤 圆形 直径 60毫米 高 2毫米 表面光滑 不易碎 单件 1.1.2 工作现场的情况： 因场地面积窄小不宜把机械手在固定在地面，则采用固定在工作主机机身适当位置。 1.1.3 上料装置与工作主机的配置情况： 上料装置与工作主机的相对位置，决定了工件在上料前在空间所处的位置和姿势，这直接影响手臂的坐标形式。 1.1.4 生产工艺和工作机械对机械手的要求： 由于产品生产工艺过程的不同和工作机械的不同生产特点，影响机械手的自由度、运动轨迹、运动速度和定位精度的确定，因此必需对生产工艺要进行分析，比较工艺的先进性和稳定性，最后按先进的工艺，设计必要的机械手，以完成辅助工作。 1.1.5 工作环境及其他特殊要求： 所加工零件在普通环境下加工，无需采取冷却、隔热措施、防护罩及密封装置。 2 传动方案的确定 2.1 方案确定 机械手要搬运的工件（即矽钢片），重量为 0.5公斤。 机械手的驱动方式根据生产工艺过程、生产节拍和工作环境定为气压传动。 运动轨迹：工作时，气缸 1推动杆 2（它的中部装有连接装置 3，顶端装有手臂和吸附式手部），杆 2 作升降动作时， 3 沿导向筒 4 上的螺旋槽移动，使手臂边上升边回转（复合运动），将电机转子片送到冲床上。 此机械手能以 34次 /分的频率，传送 0.5公斤的矽钢片。 机械手手臂运动路线 三维装配图 1.上升 50厘米 2.回转 105 C为工件 重心 3 基本参数的确定 3.1 参数确定 机械手的基本参数有抓重（即臂力）、自由度、工作行程（或转角），工作速度和定位精度。 升降行程： 135 毫米 手臂回转角度： 0105 手臂伸缩行程： 100 毫米 定位方式：可调螺栓 驱动方式：气压 控制方式 :点为程序控制 3.1.1 抓重（即臂力）： 抓重系指机械手所能搬运物件的重量。抓重可根据被抓取物件的重量并考虑适当的安全系数来作决定。考虑带手臂结构强度等因素，安全系数 K 为 2.5。 3.1.2 自由度、工作行程及转角： 根据实际生产需求自由度定为： 上、下移动为 55 厘米 手臂回转 105手臂伸缩最大为 100mm。 3.1.3 工作速度： 在各个分解运动的最大行程确定后，根据动作节拍确定各动作时间的分配，从而确实各动作的工作速度。 机械手的动作节拍是指机械手完成一个动作循环所需的时间。它可以直接等于机械设备生产节拍。冲床上料机械手与冲床联动，冲动上、下运动时，机械手退出和送 料。 机械手完成整个过程的时间由吸盘吸住工件的时间、手臂上升、手臂回转、下降、松开工件、手臂回缩等一系列动 作。 令节拍为 T，各个动作时间分别设为 t1、 t2、 t3、 t4、 t5、 t6、 t7 按动作节拍要求进行各种动作时间分配时，要考虑下列问题： 由于执行机构有一定的怪性，从动作指令发出到开始动作需要一段时间，因此单个动作时间不宜少于 0.2 秒。 加紧或放松动作时间一般可为 0.20.3 秒 手臂伸缩、回转、升降运动的时间，是机械手动节拍的主要部门，考虑的问题有被吸的重量和行程大小、驱动方式等等。 确定了动作时间和行程之后，工作速度就可以求出来了 :V=S/T 3.1.4 定位精度： 机械手的定位精度是由加工工艺要求、机 械手本身的结构特点（如制造精度、结构刚性）、抓重、工作行工作速度以及驱动、控制方式和缓冲定位方式诸因素所决定。但是，加工工艺要求是主要的因素。设计机械手时，应力求保证各种不同的加工工艺对定位精度的要求。 冲床上下料 1 毫米 4 机械手机械结构设计 4.1 结构设计 机械手的机械结构是由手部、手臂以及支承全部执行机构的机座所组成。 冲床上料机械手的主要部分 如图 ： 1.机座 2.手臂升降气缸 3.轴承 4.导轨筒 5.手臂伸缩部分 6.气流负压式 吸盘 1.橡胶吸盘 2.吸盘芯子 3.通气螺钉 4.吸盘体 5.喷嘴 6.喷嘴套 机械手的底下一部份去市场上买，气缸。利用现有的资源，比较成熟的技术，减少成本，提高经济性 4.1.1 自由度和座标型式的确定： 因为我设计的是专用机械手，自由度少就意味着机械手就越简单、工作可靠和控制 容易实现。 对于上料机械手来説，它能和上料架布置在冲床的一端，并和工位在一条直线，则大大简化机械手的结构。 机械手的工作过程是：手臂伸到零件的上方机体气缸 向下运动吸盘把 矽钢片吸住 气缸向上运动手臂气缸作用，把 矽钢片放到要放的地方 手臂前伸手臂下降吸盘吸住手臂上升手臂横移手臂下降吸盘松开手臂上升手臂后缩手臂复位。 因为手臂的运动是机械手的主运动，根据上述方案，手臂主运动的自由度应为三个，即手臂的伸缩、升降和横向移动。这三个主运动主要由一个气缸分别驱动。 如图为冲床上料机械手气动回路图 当按下阀 1 的手动按钮后，压缩空气使阀 4 换向，活塞向前运动，这时由于阀 3复位将气封闭，使 4不能复位，活塞继续前进，轴承沿着导向管 上的螺旋槽移动，使手臂边上升边回转，将电机转子片送到冲床上。到行程终点压下行程阀 2，使 4控制气路排气，在弹簧作用下阀 4复位，气缸返回，在终点压下阀 3，阀 4还向，活塞再次向前，形成一个连续往返的动作，在提起阀 1的按钮后， 4复位，活塞返回而停止运动。 4.1.2 手部的选择： 手部是机械手的重要部件，它具有类似人手的功能，吸取工件。 手部应该根据被吸工件来设计。因为吸取的是 0.5公斤的矽钢片，因此采用气流负压吸盘式手部比较简单，且结构简单又容易制造。冲床上料机械手采用连杆式手部为宜。如图： 为了安全生 产，只有吸盘吸住工件，靠连锁装置发出信号，机械手才和冲床才继续工作。如果相反，怎冲床立即自动停车。 4.1.3 运动速度： 机械手的运动速度要和塔服务对象要求相适应，也就是説机械手的运动要和工作机械的生产节拍要相匹配。 目前气动机械手的最大移动速度 11.2米 /秒，最大回转 90 180度 /秒。冲床上冲头每分钟工作 12次，其每个工作循环的时间为 T=60/12=5秒，在 5秒内机械手要完成10 个动作，则平均时间为 0.5 秒左右，我设计的手臂最大行程为 100 毫米， 则这段时间里的速度为 V=S/T=100/0.5=200毫米 /秒。对气动机械手来説，满足要求。 4.1.4 气流负压式吸盘部分： 工作原理 图 如下： 电磁回路图 如图， 常断二位三通电磁阀控制回路。通电时活塞杆上升，断电时靠弹簧力返回 。 根据流体力学，气体在稳定流动状态下，单位时间内气体经过喷嘴的每个截面的气 体质量均相等。因此在最简单的情况下，低流速（高压强）截面的喷嘴应当具有大面积，而高流速（低压强）截面的喷嘴应有小面积。所以压缩空气由喷嘴进口处 A进入后，喷嘴开始一段由大到小逐渐收缩，而气流速度逐渐增大，当沿气流流动方向截面收缩到最小处 K时（ 即临界面积），流速达到临界速度即音速，即时压力近似为喷嘴进口处的压力之半，即 Pk 0.5P1.。为了使喷嘴出口处的压力 P2低于 Pk，必须在喷嘴临界面以后再加一段渐扩段，这样可以在喷嘴出口处获得比音速还要大的流速即超音速，并在该处建立低压区域，使 C处的气体不断地被高速流体卷带走，如 C处形成密封空腔，就可以是腔内压力下降而形成负压。当在 C处连接橡胶皮碗吸盘，即可以吸住工件。 如图 ： 1.橡胶吸盘 2.吸盘芯子 3.通气螺钉 4.吸盘体 5.喷嘴 6.喷嘴套 三维吸盘图 为了使喷嘴更有效地工 作，喷嘴口与喷嘴之间应有适合的间隙，以便将被抽气体带走，如图， 当间隙太小时，喷射气流和被抽气体将由于与套壁的磨擦而使速度降低，因而降低 了抽气速率；当间隙太大时，离喷射气体越远的气体被带这向前运动的速度就余愈 低，同时间隙过大，从喷嘴套出口处反流回来的气体愈多，这就使抽气速率大大的降低。因此间隙要适宜，最好使喷嘴与喷嘴之间的间隙可以调节，以便喷嘴有效地工作。 如图 为可调的喷射式负压吸盘结构图，喷嘴 5与 6的相对位置是可以调节的，以便改变间隙的大小。 1.橡胶吸盘 2.吸盘芯子 3.通气螺钉 4.吸盘 体 5.喷嘴 6.喷嘴套 4.1.5 吸盘结构： 吸盘是直接吸附工作的，它由油橡胶构成。我设计的吸盘是内带皱纹的，并在边缘处 有 35个同凸台，以保证吸盘吸附的可靠性而且吸力也大， 如图 ： 4.1.6 气吸式吸盘选用要素： 1.应具油足够的吸力 由于吸力的大小与吸盘直径大小，气压强弱和气体流量有关系，并与工件形状和表面不平度油关，为了保证吸力一定，可在气路中增设减压阀以便调节吸力大小。 2.应根据被吸取对象的要求确定吸盘和数量 3.选用多个吸盘时，应合理布局，确保工件在传送过程中的平衡及平稳 。 4.1.7 手臂伸缩部分： 手臂是机械手执行机构的重要部件，它的作用是将被吸取的工件传送到给定位置和方为上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降是通过立柱的作用来实现的。手臂的各种运动通用驱动机构（气缸）和各种传动机构来实现，因此它不仅仅承受被吸取工件的重量，而且承受着手部、手臂自身的重量。因此手臂工作范围、灵活性以及吸重大小等性能都可能影响工作性能。 4.1.8 手臂伸缩情况： 手臂最大伸缩限度为 100mm。它的伸缩是通过两颗螺栓来调节的。因为我设计的 是专用冲床上料机械手，服务的对象是特定的。用螺栓来调节手臂伸出情况，可以简化设计装置，减少生产成本，可以灵活的调节。结构如图： 为了防止轴的转动，我把轴的两边加工成这样 4.1.9 手臂驱动力计算 手臂受力状态（ 1-1） 上图所示为气缸驱动手臂上升时的示意图。 手臂作升降运动时所需的驱动力 手臂上升是靠气压作用在活塞上的推力而实现的，它除克服如上阻力外，还需克服手臂本身以及手部和被抓物件的重量。 其驱动力计算公式为： P驱 =P惯 +P摩 +P封 +P背 G 公 斤 式中 P惯 手臂在运动过程中的惯性力； 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）； P封 密封装置处的摩擦阻力（公斤），用不同形状的密封圈封密，其摩擦阻力不同。 P背 气缸非工作腔压力所造成的阻力（公斤）。 G 参与升降的手臂、手部和被抓物件的总重量（公斤），式中负号用于手臂下降的情况。其它各符号同上。考虑到手臂升降动作灵活轻快而不致出现“卡死”的现象。因此手臂的偏重力矩不能过大，不然对手臂的升降运动极为不利 ，也易引起手臂的跳动和传动的不稳定，因此，设计时应尽可能的减少手臂偏重例句，以使手臂部分和固定部分保持平衡。 4.1.10 手臂的偏重力距及升降导向柱不自锁的条件 1.偏重力矩 偏重力矩即手臂及其上支承的全部零件的重量（作用在各自重心上）对手臂回转轴的静力矩，用 M偏表示，手臂前伸时候则手臂重力距最大。图 （ 1-1）所示 G1、 G2、 G3、G4和 X1、 X2、 X3、 X4分别为工件、手部、手臂之重量和重心位置至手臂回转轴的距离。因此总重量 G为： n G= G1+G2+G3+G4+ = G1 i=1 式中 i 表示工 件、手部、手臂等零件部件的顺序号。 各零部件的总重心位置距手臂回转轴线的距离为 ,其值为 = G1 X1 +G2 X2+ G3 X3+ G4 X4+ / G1+G2+G3+G4+ = GiXi / Gi (厘米 ) 其偏重力矩 M偏为 M偏 =G = GiXi 公斤厘米 2.升降导向柱不自锁的条件 因手臂在总重量 G的作用下有一顺时针倾向的趋势，而导套却阻止手臂这种趋势，导套对升降立柱的作用力 R1 和 R2，如 图 （ 1-1）所示。 根据升降立柱的力平衡条件 得 Fx=0 R1=R2 mA(F)=0 R1h=G 所以 R1=G /h 所谓不自锁的条件就是升降立柱能在导套内自由下滑。从力的观点分析必须 使 GF1+F2=2F1=2R1f=2 Gf/h 所以 h2f 式中 f 摩擦系数，一般钢对铸铁的滑动摩擦系数为 0.1，但考虑带还有其他的摩擦副作用（如升降的导向装置摩擦面、升降缸壁和活塞杆与缸盖等）， f 值可按较大的数值考虑，故取 f=0.16； 偏重力臂即手臂等部件总重量的重心到立柱轴线间的距离（厘米）。 4.1.11 手臂回转时 所需的驱动力矩： 采用回转气缸实现手臂回转运动时，其受力情况如下所示： （ a）图 （ b）图 驱动手臂回转的力矩 M 驱，应该与手臂起动时所产生的惯性力矩 M 惯及各密封装置处的摩擦阻力距 M封相平衡。若轴承处摩擦力矩忽略不计，则可按下式计算： M驱 =M惯 +M封 公斤厘米 式中 M封 密封装置处的摩擦阻力距（公斤厘米），回转缸密封装置处的摩擦阻力距应包括回转缸动片圆柱面与缸径和动片端面与缸盖之间的摩擦阻力距，因此，摩擦阻力距可按下式计算： M封 =M封 +M封 其中 M封 =F R= bb1pR M封 =2F Rcp=2 b1pRcp(R-r) Rcp=R+r/2 式中各尺寸符号如图所示，单位为厘米，其 b1为密封圈与缸径装配后接触面的有效宽度（里面）。 M惯 =J0 = J0 / t 公斤厘米 式中 回转缸动片的角速度变化量，在起动过程，其 =（弧度 /秒）。 t 起动过程的时间（秒）： J0 手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（公斤厘米秒）。 由于参与回转的零件形状、尺寸和重量各不相同，所以计算 J0 比较复杂，为了简化计算，可将形状复杂的零件简化成几个简单形体，分别计算，然后将各值相加，即是复杂零件对轴的转动惯量。 若手臂回转的零件重心与回转轴线不重合，其零件对回转轴的转动惯量为 J0= Jc+G / 式中 Jc 回转零件对过重心轴线的转动惯量，由于回转零件形状不同， Jc计 算公式不同。 回转件的重心到回转轴线的距离（厘米）。 致谢 毕业设计是对我们这