JX04-195@液晶面板模组移栽机结构设计
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机械毕业设计全套
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JX04-195@液晶面板模组移栽机结构设计,机械毕业设计全套
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1 1 绪论 1.1 工业机械手简介 机械手是模仿着人手的部分动作，按 照 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。工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。工业机械手 由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种 模 仿人 的 操作， 可实现 自动控制、重复编程、能在三维空间 内 完成各种作业的机电一体化 的 自动化生产设备。适 用 于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定 性 、 产品质量和 生产效率 的提高 ，劳动条件改善和产品的更新换代起着 非常 重要的作用。 机械手结构形式开始比较简单， 通用性不高 ，是 主机 附属 的专用机械手。随着技术的发展， 研 制成 功 了能够独立按程序控制实现重复操作，适用范围 比 广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。通用 工业 机械手能 比较 快的改变工作程序，适应性 比 较强，它在不 停 变换生产品种的批量生产中广泛引用。 1.2 机械手的组成和分类 1.2.1 机械手的组成 机械手主要由驱动系统、执行机构、位置检测装置以及控制系统等所组成。各系统之间关系如方框图 1.1 所示。 图 1.1 机械手的组成方框图 1.执行机构 包括手 腕、 手 部 、手臂和立柱等部件， 还 有的还增设行走机构。 2.驱动系统 驱动系统是 提供 工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、辅助装置和控制调节装置组成。常用驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动 等 。 3.控制系统 nts 2 控制系统是支配着工业机械手按规定要求运动的系统。目前工业机械手控制系统一般 是 由程序控制系统 及 电气定位 或者是 机械挡块定位系统组成。 4.位置检测装置 控制机械手执行 的 机构的运动位置，并随时将执行 的 机构的实际位置反馈 到控制系统，并与设定位置进行比较，然后通过控制系统进行 位置 调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定 的 位置。 1.2.2 机械手的分类 机械手 的 种类 比较 多 ，关于分类 的 问题，目前国内 没有 统一 的 分类标准， 因此暂按使用范围、驱动方式 及 控制系统等进行分类。 (一 )按用途分 机械手 按用途分类 可分为专用机械手和通用机械手两 类 : 1、专用机械手 专用机械手 是附属于主机的、具有固定程序 的 而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有 的 动作 比较 少、工作对象 比较 单一、结构简单、使用可靠等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手 等 。 2、通用机械手 通用机械手 是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。规格性能 的 范围内，其动作 的 程 序是可变的，通过调整可在不同 的 场合 下 使用，驱动系统和控制系统 都 是独立的。工作范围大、定位精度 较 高、通用性 较 强，适用于不断变换生产品种的批量自动化的生产。 (二 )按驱动方式分 1、液压传动机械手 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。主要特点 ：抓重 的重量 可达 到 几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑 等 。但密封装置 的 要求严格， 液压 油的泄漏对机械手工作性能有很大影响， 并 且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可 以 实现连续轨迹控制，使机械手通用性扩大，但电液伺服阀的制造精度 要求比较 高， 油液过滤 的 要求严格， 价格昂贵 。 2、气压传动机械手 气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 ： 介质 来 源方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但由于空气具有可压缩特性，工作速度稳定性较差，冲击大，且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，同样抓重条件下比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中工作。 3、机械传动机械手 nts 3 机械传动机械手 由机械传动机构驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械 提供 的。它的主要特点 ： 运动 准确可靠，动作频率 较 大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。 4、电力传动机械手 电力传动机械手是有 特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因不需要中间转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多用 ，但 是 有发展前途。 (三 )按控制方式分 1、点位控制 它的运动为点到点之间的移动，只能控制运动过程中点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统复杂性。目前使用的专用 机械手 和通用工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制 它的运动轨迹为任意连续曲线，其特点是设定 的 点 是 无限的，整个移动 的 过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围 较 广，但 是 电气控制系统复杂。这类机械手一般采用小型计算机进行控制。 1.3 工业机械手主要参数 工业机械手的主要参数可分为基本参数、规格参数、其他参数。 1.3.1 基本参数 A.抓重（或称臂力） 工业机械手的抓重是指机械手的手臂所能抓取物件的最大重量，它是机械手主要参数之一。 B.自由度 机械机械手的自由度标志着工业机械 手所具有的功能大小，自由度越大，机械手的动作越灵活，适应度越强，但是结构越复杂。一般通用机械手有 5-6 个自由度即可以满足使用的要求，专用机械手有 1-2个自由度即可以满足使用的要求。机械手自由度及坐标形式，应该根据现场生产实际和工艺的要求而定。 C.运动速度 工业机械手的运动速度是指工业机械手在全程范围的平均运行速度，它反映了机械手使用效率与生产水平。机械手的运动速度越高，则使用效率越高，生产水平越高；但是速度越高，机械手在运动过程中启动和制动的冲击和振动也比较大，对机械手定位精度的影响也越大。一般情况 下，机械手的运动速度应根据生产的节拍，生产过程中的平稳性要求和定位精度的要求而定。 nts 4 D.形成范围 机械手手臂运动形成范围与机械手的抓重、驱动方式、运动速度等多方面因素有关。通用机械手手臂回转的行程尽可能大些，使机械手具有较大的通用性。因此，通用的机械手手臂回转范围均大于 180 度。机械手手臂伸缩行程范围和工作半径应适应，若过大，则手臂偏重力矩和转动惯量都将增大，刚度降低，振动增加，定位精度难以保证。目前应用的工业机械手的行程范围大多数相当于人坐着或站着操作的范围。 E.位置精度 位置精度是 衡量机械手工作质量的一项重要的指标，包括位置的设定精度和重复的定位精度。一般所说的位置精度是指重复定位精度。 位置精度的高低取决于位置控制方式和机械手运动部件本身的精度及刚度，此外还与机械手的抓重和运动速度等因素有关。 F.程序编制方式及存储容量 这两项技术指标是用来说明机械手的控制性能，它们包括控制方式、程序编制方法及存储方法。存储容量的大小表明机械手作业能力的复杂程度和改变程序时的适应能力和通用程度。存储容量大，则表明机械手的适应性强，通用性高，从事复杂作业的能力强。 1.3.2 规格参数 机械手的 标牌上标出来或列表说明的主要参数有以下几项： 抓重（必要时注明限定运动速度下的抓重） 自由度和坐标形式 手指夹持范围和握力 定位方式、定位精度 程序编制方式及存储容量 重量等 1.3.3 其他参数 机械手有关的其他配套装置参数，如驱动源参数、控制柜参数等。 nts 5 2 方案设计 2.1 设计任务和要求 2.1.1 设计任务 在液晶显示器组装生产线体上，液晶显示面板的移送是一个关键问题。在一条组装生产线体上，液晶面板需经过以下生产工序： ACF Bonding PCB Bonding背光板投入 B/A 贴 附 T/C 组装 Cable 连接 Aging 老化画异检查外观检查内 /外包装。在 T/C 组装与 Cable 连接之间，液晶显示面板需要从一段生产线体跨越至令一段生产线体，以满足下一步的生产工序要求。此工序要求生产工人长时间停留在生产线中，并保证搬运显示器面板速度适宜，节拍正确。 对于以上生产工序，使用普通人工劳动无疑会增加企业的人力成本，并且无法在任何时候保证生产节拍的吻合，而且，对于人工作业而言，这样高强度高要求的工序不适合由人工完成。为此，本次设计将完成一套移栽机的结构设计，要求该移栽机能完成液晶显示面板的 搬运工作。移栽机要求结构简单，能稳定夹取面板，且夹紧力适当。 2.1.2 设计要求 在液晶面板生产流水线上，根据面板的翻转要求，会将生产分割成几个不同的小段，以此完成各阶段的组装、测试工作。这些小段生产线之间具有高度差，一般为 30cm 到 50cm。因此，需要完成将液晶面板从一段生产线移送到另一段生产线的工作。移栽机工作时，旋转轴旋转角度为 180，夹具旋转角度为 120。 在移送过程中，移栽机夹取面板的压力要适中，移送翻转的角度不能超过一定限度。一般情况下，对于小型面板（ 1523 寸）而言，其重量较轻，面板厚度较小，因此，采用伺服电机前进与气缸夹紧相结合的夹紧方式，可以有效提高夹紧行程及保证夹紧压力。同时，为了保证液晶面板移送过程中动作平稳，夹臂在移送过程中保证平动，在移栽机的机械臂内，将采用轮径相等的同步皮带轮进行传动。 2.2 运动方案设计 如图 2.1所示，外壳固定在轴 1上，可以随着轴 1的转动而转动，皮带轮 1 （同步轮）另外固定在基座上，固定不转动；轴 2固定在外壳上，与外壳没有相对转动；同步轮 2 安装在轴 2 上，可以与轴 2 相对转动。同步轮 1 与同步轮 2nts 6 通过梯形同步皮带传动。根据带轮的运动以及几何关系，可证明，在转动的 过程中，同步轮 2 与地球是没有相对转动的，即：如果在轮 2 上标记两点 A、 B，则在转动后， A B方向是不变的。轮 2相当于平动。所以，轮 2相对轴 2（也就是相对于外壳）转过的角度与相等。 图 2.1 同步带 轮的平动 由于同步带轮绕轴转过角度与旋转轴转过的角度相等，为了保证平动关系以及考虑同步带传动的平稳行，机械臂内带轮传动选择了两级传动。 图 2.2 采用两级同步轮传动 如图 2.2 所示，皮带轮 1 固定在轴 1 上，轮 1 与基座固定不动，轴 1 带动整nts 7 个外壳转动时，轴 2、轴 3 固定在外壳上，带动轮 1-2，轮 2-1，轮 2-2 转动，由以上论述可知，三个轮均为平动。 2.3 移栽 机械手 旋转臂的整体运动方案 机械旋转臂的整体运动方案设计如图 2.3 所示。当外壳在轴 1 的带动下旋转180后，通过多级皮带传动，最终实现摆动轮架的平动，并使轮 4 绕轴 4 转动120，实现翻转功能，将液晶面板模组移送到正确位置。 L 图 2.3 机械旋转臂的整体设计方案 移栽机的整体动作流程如下： 1.液晶面板流入到移栽机夹紧头部下，生产线上安装的传感器感应到物 件 发出信号； 2.抓取机构 接收传感器信号，同时，气动回路电磁阀通电， 抓 取气管 进气，吸盘 开始 抓取 ； 3.吸盘吸取 后， 吸盘 上的传感器感应并发出 信号 ，旋转臂接收信号并旋转； 4.旋转到达形成位置，感应旋转角度的传感器发出信号，旋转动作停止 ； 5.松开面板模组后，旋转臂回程，等待下一个面板流入； 移栽机机械手满足了液晶显示生产企业的需要，其优点主要有： 机械手能持久、耐劳、可把人从繁重的、枯燥无味的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。人在连续长时间工作后，总会感觉到疲劳和厌倦，而机械手只要注意维护和检修，即可胜任长时间的单调重复劳动。 由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提 高产品的质量，同时又可以避免人为的操作才错误。从而明显的提高劳动生产率和降低成本。 nts 8 3 机械手设计 3.1 设计要求 手臂部件是机械手主要的执行部分，其作用是支撑手腕及抓取机构，其中包括被抓取的工件或工具。其他一些装置传动机构或驱动装置有时也安装在手臂上。机身则是直接支撑和带动手臂部件，并实现手臂的回转、升降等运动。因此，手臂的送放运动越多，机身的结构和受力状况也越复杂。设计时应注意以下几个问题： 1.刚度 刚度是指手臂和机身在外力的作用下抵抗变形的能力。由于机械手的手臂一般都要悬伸，包括 水平或垂直悬伸，因此手臂和机身的刚度十分重要。手臂悬伸量越大，刚度越差，且刚度随悬伸的距离变化而变化，因而悬伸量对机械手运动性能、位置精度和负荷能力都有较大的影响。为提高手臂的刚度，除尽量缩短手臂悬伸量外，还应合理地选择手臂截面形状，合理地确定手壁壁厚和材质，及合理地布置受力构件的位置和方向。 2.精度 机械手的精度最终反映在手部的位置精度上，很大程度上取决于手臂和机身的精度。影响精度的因素较多，主要有手臂和机身的刚度、手部和腕部的连接刚度，定位装置的精度等。 3.平稳性 手臂和机身的质量、 运动速度和负荷较大，因而产生的冲击和振动也比较大。因此，它们的工作平稳性非常重要，直接影响机械手的工作质量和寿命，设计时应予以足够的重视。设计时除力求结构合理、紧凑、重量轻、惯性力小外，还应采取有效的缓冲措施，以便于吸收冲击能量，提高机械手的工作平稳性。 4.其他要求 对于一些特殊条件下工作的机械手，设计时还应满足其他的特殊要求。例如，高温条件下工作时，应考虑热辐射影响，腐蚀性介质环境下工作时，应考虑防腐蚀措施；多用途作用环境下工作时，应考虑控制、检测、维修等等。 3.2 手臂机构方案设计 根据图 2.3， 可以在主视图和俯视图中画出皮带轮外径、安装带轮中心线和带轮宽度，如图 3.1所示。各尺寸值如表 3.1 所示。 nts 9 图 3.1 移栽机内部同步带轮与外壳之间的相对距离 表 3.1 移栽机外壳的位置尺寸 代号 名称 数值 （ mm) 1 带轮至外壳外边缘距离 8 2 带轮顶圆与外壳的内壁的距离 7 3 带轮端面与外壳的内壁的距离 8 4 带轮端面与外壳的内壁的距离 10 3.3 带轮 根据运动方案，在移栽机传动过程中，共有 2 组同步带轮运动。其中，第一组中两带轮的轮径相等；第 二 组带轮中，根据前面论述，当轮 2 与外壳相对皮带转过 180后，轮 3 相对轴 3 相对转过 120。因此，第一级皮带传动的传动比为 1：1；第 二 级皮带传动比为 3： 2。即： 错误 !未找到引用源。 5.1,1 21 ii 移栽机工作过程中，由第一级轴带动外壳转动，由于移栽机旋 转臂摆动角速度较低，且考虑夹取的面板质量较小，因此，初步估计同步带传动过程中，工作功率约为 P=300W，运动过程中载荷变化较小，因此，取 AK 值为 1.6。 3.3.1 一级带轮计算 1.计算功率 PKP Ab =300X1.6=0.48Kw 2.选定带型 根据 功率、速度，由参考文献选用 A 型 错误 !未找到引用源。 3.计算带轮直径 和验算带速 (1) 计算小带轮基 准直径 1d 根据参考文献， 初选小带轮的基准直径为 1d =80mm。 nts 10 （ 2） 验算带速 由于机械手的旋转的不大，速度远小于 30m/s，故带速合适。 （ 3） 计算大带轮基准直径 根据公式，计算大带轮的基准直径 2d mmdid dd 80801112 4.带轮外径 的计算 根据基准直径 d ，查参考文献，得出带轮的外径为 85.5mm 5.确定中心距 a 和基准长度 dL 根据公式计算带的中心距 )(2)(7.0 21021 dddd ddadd ，初定中心距 mma 2000 根据公式计算 带的基准长度 mma ddddaL ddddd 33.6511602200204 )( 222 122100 由参考文献选带的基准长度 mmLd 630 根据公式计算实际中心距 a mmLLaa dd 2102 33.65163020020 0 中心距变化范围为 mm229181 。 6.验算带轮的包角 901803.57)8080(1803.57)(180 121 aadd dd 7.计算带的根数 z (1) 计算单根带的额定功率 由 mmdd 801 和 min/5601 rn ，查参考文献查得 KwP 61.00 据 min/5601 rn ， 1i 和 A 型带，查参考文献得 KwP 0 查参考文献得 81.0,1 LKK KwKKPP L 49.081.0161.0)(Pr 00 （ 2）计算 V 带的根数 98.049.0 48.0Pr PcaZ取 1 根 V 带 . 8.带轮机构的图见附图 nts 11 3.3.2 二级带轮计算 1.计算功率 PKP Ab =300X1.6=0.48Kw 2.选定带型 根据 功率、速度，由参考文献选用 A 型 错误 !未找到引用源。 3.计算带轮直径 和验算带速 (1)计算小带轮基准直径 1d 根据参考文献， 初选小带轮的基准直径为 1d =75mm。 (2)验算带速 由于机械手的旋 转的不大，速度远小于 30m/s，故带速合适。 (3)计算大带轮基准直径 根据公式，计算大带轮的基准直径 2d mmdid dd 5.112755.1112 根据参考文献，圆整为 112mm。 4.带轮外径 计算 根据基准直径 d ，查参考文献，得出带轮的外径为 80.5mm 5.确定中心距 a 及 基准长度 dL 根据公式计算带的中心距 )(2)(7.0 21021 dddd ddadd ，初定中心距 mma 2000 根据公式计算带的基准长度 mma ddddaL ddddd 37.651800371602200204 )( 222 122100 由参考文献选带的基准长度 mmLd 630 根据 公式计算实际中心距 a mmLLaa dd 1902 37.6516302002 00 中心距变化范围为 mm209199 。 6.验算包角 901683.57)75112(1803.57)(180 121 aadd dd 7.计算根数 z (1) 计算单根带的额定功率 nts 12 由 mmdd 801 和 min/5601 rn ，查参考文献查得 KwP 61.00 据 min/5601 rn ， 1i 和 A 型带，查参考文献得 KwP 0 查参考文献得 81.0,1 LKK KwKKPP L 49.081.0161.0)(Pr 00 （ 2）计算 V 带的根数 98.049.0 48.0Pr PcaZ取 1 根 V 带 . 8.带轮机构的图见附图。 3.4 外壳 3.4.1 外壳的结构设计 根据图 3.1，外壳机构如图 3.2。根据外壳的形状，零件毛坯为铸造件，材料为HT200 图 3.2 外壳结构图 3.4.2 外壳尺寸的确定 L2 为机械手伸长量，根据设计要求， L2=400，机械手 总臂长 L1=540mm，L3=190mm，初定 L4=180mm， h1=46mm， h2=12mm， h3=15mm， h4=30mm，壁厚 =8mm， R1=12.5mm， D1=90mm,D2=120mm,D3=D2=90。 nts 13 3.5 轴 3.5.1 主轴的设计 为了满足轴上零件的定位、紧固及拆卸方便，轴一般设置成阶梯状，各段有不同的直径。主轴的结构如图 3.3所示 。 图 3.3 主轴的结构 1） 确定轴的最小直径 按机械设计中式（ 15 2）初步计算轴的最小直径，选取轴的材料为 40Cr调质处理。根据机械设计 表 15-3，取 1200A 于是得 mmnpAd 5.323 20 4.01 2 03m i n 0 式中 ： P-轴的输入功率； n-轴的等效转速， 对于传递转矩为主的转轴，计算时可忽略弯矩，按照扭矩强度条件确定轴直径，根据实际实际情况，轴主要受扭矩作用，摆动工作。因此，根据 mmd 5.32min 此轴段配合齿 轮 ， 其 的孔径 d=35mm。因此，轴与 齿轮 连接部分的轴径 mmd 351 。 2) 轴承的选择与确定各段轴尺寸 齿轮宽度为 16mm, mmLd 151 ,定位轴肩 dh 07.0 ，故取 h=5mm,查标准GB/T272-1994,选用深沟球轴承，轴承代号为 6008， d=40mm， mmda 46 ，因此，确定该部份轴径 mmd 402 ， 3d 轴肩部用于固定轴承内圈， 按照所选轴承内圈尺寸 错误 !未找到引用源。 46ad mm，确定轴肩处轴径 mmd 463 ， 4d 轴肩固定带轮，轴径 mmd 524 ， mmdd 4025 。 根据圆柱形轴伸标准， mmd 40 ， mmL 82 ， mmLmmL dd 88,14 21 。根据外壳的尺寸，计算得 mmLd 84 ， mmLd 163 ， mmLd 425 。 由于实际运用中，主轴受扭矩作用对主轴影响很小，主轴材料选用 40Cr，并经过调质处理，其 MPa701 因此，根据经验可知，所选主 轴轴径是能满足工作要求的，故对该轴不做强nts 14 度校核。 3.5.2 第二级轴的设计 第二级轴主要起中转作用，在皮带传动过程中，为了防止皮带的攒动，保证带轮在运动过程中的平稳，这里选择 2 级传动缩短中心距及皮带长度。在设计过程中，第二级轴固定在外壳壁上不动，它与皮带轮之间发生相对转动。 1）轴的结构 为了保证皮带轮在轴上能正确定位，且保证轴承的定位。第二级轴的装配图如图3.8 所示。 图 3.4 第二级轴的结构设计 考虑到该处轴所受的弯矩不大，且所受扭矩可以忽略不计，因此，根据经验确定该处轴径最小值为 25mm， 故 mmd 251 。一端用于固定轴与外壳，另一端利用挡圈固定轴承内圈。 2） 轴承的选用及轴径的确定 轴承的选用依据轴径及所受力的类型而定，查标准 GB/T272-1994,选用深沟球轴承，轴承代号为 6005， d=25mm， da=30mm，轴肩部分用于固定轴承内圈，按照所选轴承内圈尺寸 错误 !未找到引用源。 a=30mm，确定轴肩处轴径mmd 302 ， mmd 253 。 根据外壳的尺寸，计算得 mmLd 181 ， mmLd 62 ，mmLd 125 。 此处轴承均采用酯润滑，故未采用密封圈。 3.5.3 第三级轴的设计 第三级轴主要用于固定摆动盘以及带轮。由以上论述中可知，在运动过程中需要保证摆动盘的平动（ 相对于外壳摆动）。这就要求摆动盘必须与带轮固定在一起，且在摆动盘中需装配轴承 1） 轴的结构设计 为了保证皮带轮在轴上能正确定位，且保证轴承的定位。第三级轴的装配图如图 3.9 所示。 nts 15 图 3.5 第三级轴的结构设计 如上图所示，根据设计要求，将轴的一端设计成法兰盘形状，并通过螺钉固定在轴架上，此时，轴保持与外壳保持相对不动，通过选择深沟球轴承支撑带轮与摆动盘，并将带轮与摆动盘运用螺栓连接起来，从而实现带轮与摆动保持相对不动，而与外壳保持相对转动的设计要求。 在传动过程中，轴主要受径向拉力，且该径向拉力较小。 而轴向方向几乎不受力。因此，为了保证运动稳定，这里选择轴径 mmd 251 。轴肩部分的轴径尺寸根据轴承型号确定。 2） 轴承的选用及轴径的确定 轴承的选用依据轴径及所受力的类型而定，查标准 GB/T272-1994,选用深沟球轴承，轴承代号为 6005， d=25mm， da=30mm，轴肩部分用于固定轴承内圈，按照所选轴承内圈尺寸 错误 !未找到引用源。 a=30mm，确定轴肩处轴径mmd 302 ,d3 处 设计成法兰盘形状，其轴径 mmd 603 , mmLd 63 。此处轴承均采用酯润滑，故未采用密封圈。 根据外壳的尺寸，计算得 mmLd 651 ， mmLd 62 。 此轴段同时起定位作用 ,.此处轴承均采用酯润滑，故未 采用密封圈。 3.6 抓取机构 3.6.1 抓取机构方案设计 抓取 部 件 用于 抓取 显示器模组。它由两大部分组成：旋转带轮和 抓取装置 。旋转带轮带动 抓取装置 进行翻转运动。根据所要求的夹取的液晶显示器面板尺寸要求，其行程变动较大，单独靠气缸杆是无法保证夹紧力的。因此，这里确定为负压吸盘 。 抓取 部件的结构如图 3.6 所示。 nts 16 图 3.6 抓取机构 结构图 如上图所示，垫板通过螺栓与带轮连接紧固。同时 负压吸盘机构 也用螺钉紧固在垫板上，当带轮转动时，带动 抓取机构 翻转。 吸盘 上装有感应器，用于判定气缸夹紧是否到位。 3.6.2 抓取部件 的方案设计 为保证皮带轮能方便快速夹取面板，并且在移动过程中，夹具能反向旋转过一定角度。夹具头部分采用了如下运动方案：当轮 3 在外部皮带轮带动下逆时针转动时，带动摆动轮架转动（实际为平动）。所以，若视外壳为参考系，则转动过程中，摆动轮架绕轴 3 转动 180，同时带动轮 4 绕轴 4 顺时针转过 120。如图 2.3 所示。 图 2.7 抓取头部运动方案 3.6.3 抓取结构设计 1.抓取机构的原理 机械手的抓取机构又称手部或爪部，是用来抓取工件或握持工件的部件。随nts 17 着被抓取对象的形状、大小、重量、材质以及表面状况 的不同，抓取机构的结构也不同，按工作原理不同，抓取机构基本上可分为夹钳式和吸附式两类。 2.抓取机构的设计要求 1)具有足够的 夹紧力 2)手指间应具有一定的开闭角 3)保证工件 的 准确定位 4)具有足够强度和刚度 5)考虑被抓取对象的要求 3.抓取机构的设计 1）抓取机构的选择 液晶显示面板 为玻璃平板面板， 表面平整光滑、无孔和无油 ； 气流负压式手部具有结构简单，重量轻，表面吸附力分布均匀，吸附效果 好故采用吸附式抓取机构。 按形成负压或 者 真空的方法，气流负压式手部可分为真空式、气流负压式和挤压排气式吸盘 。 故 本 设计 中，拟采用喷射式气流负压吸盘。 2） 气流负压吸盘的工作原理 气流负压吸盘的工作原理如图 3.1 所示，根据流体力学，气体在稳定 的 流动状态下，单位时间内气体经过喷嘴每一个截面的气体质量均相等。因此，在最简单情况下，低流速截面的喷嘴应当具有大面积，而高流速截面的喷嘴应当具有小面积。所以，压缩 的 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即临界面积，流速达到临界速度即音速，此时压力近似为喷嘴进口处的压力之半，即PPk 528.0 。为使喷嘴出口处的压力 2P 低于 kP ，必须在喷嘴 的 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，并在该处建立低压区域，使 C 处的气体不断的被高速流体卷带走，如 C 处形成密封空腔，就可使腔内压力下降而形成负压。当在 C 处连接橡胶皮腕吸盘，即可吸住工件。 图 3.8 喷射气流原理 图 3） 喷射式负压吸盘结构 nts 18 图 3.2 所示为可调喷射式负压吸盘 的 结构图。为使喷嘴更有效地工作，喷嘴口与喷嘴套之间应当有适当的间隙，以便将 吸盘内腔的 气体带走。间隙太小时，喷射气流和被抽气体将由于与套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽气速率 ;间隙太大时，离喷射气体越远的气体被带着向前运动速度就越低，同时，从喷嘴套出口处反回来的气体就越多，这就使抽气速率大大的降低。因此，间隙要适宜，最好使喷嘴与喷嘴套之间的间隙可以调节，以便喷嘴有效地工作。在图 3.2 中，喷嘴 5 与喷嘴套 6 的相对位置是可以调节的，以便改变间隙大小。 1.株胶吸盘 2.吸盘芯子 3.通气 螺钉 4.吸盘体 5.喷嘴 6.喷嘴套 图 3.9 可调喷射式负压吸盘结构 喷射器进口气压选定之后，可以查出真空压力值和耗气量。根据公式计算吸盘直径。 计算吸盘的直径 . 吸盘吸力的计算公式为 : P=32124 KKKDn 式中 :P 吸盘吸力 (N)，本机械手的吸盘吸力为 50N，故 P=50N; D 吸盘直径 (cm). N 分吸盘数量，本机械手吸盘数量为 1; 1K 吸盘吸附工件在起动时的安全系数，在此取 1K =1.5; 2K 工作情况系数。板料间有油膜存在则要求的吸附力大些；若装有分料器 ,则吸附力就可小些。另外工件从模具取出时，也有摩擦力的作用。与此同时应考虑吸盘在运动过程中由于加速运动而产生惯性力的影响。因此，应根据工作条件的不同，选取工作情况系数，一般可在 (1 3)的范围内选取。在此，取 22K ； 3K 方位系数，吸盘垂直吸附时，则 fK 13 ， f 为摩擦系数，橡胶吸盘nts 19 吸附金属材料时，取户 0.5 0.8;当吸盘水平吸附时，取 13K 。 代入数据得 : D=16.92 （ cm） 4）喷嘴的有 关结构尺寸 喷嘴的管道有关尺寸，如直径和长度等对吸盘的吸力及工作的稳定性均有直接的影响，为提高喷嘴的效率，喷嘴通道的长度不能太长，通道内壁的光洁度应比较高，各通道截面过渡处不能出现涡流，否则气流的速度会受到很大的阻碍。有关尺寸通常都是实验来加以确定。目前应用的一种喷嘴结构如图所示。吸盘用通气螺钉固定在吸口上。 D1 直径为 1-1.8 毫米， D2 直径为 3-3.5 毫米，压缩空气的压力为 5 公斤 /立方厘米，实验证明吸盘直径为 40 毫米，便有 5-7 公斤吸力；吸盘的直径为 60 毫米，便有 13-16 公斤吸力。一般喷嘴的材料为青铜。 5）性能特点及控制回路 a.性能特点 由于喷射器无可动件，结构简单，所以无故障。 由于气流喷射器，体积小，重量轻又靠近吸盘，能满足机械手移动灵活、轻量化的要求。 由于气流为连续介质，所以能获得连续稳定的真空度。 由于压缩的空气有无位直接控制，所以真空有无是瞬时完成的，这样负压吸盘能快速吸附物件，一旦气流切换吸盘能快速强制脱离吸盘附件 . 制造简单，成本较低，许多场合可以代替小型机械式的真空泵。 许多自动包机中，由于主机经常带有气源，使用负压吸盘，可以节省不必要的结构和能源，气流喷射器的真空度 、好气量与进口压力之间的关系如图 图 3.10 真空度、好气量与进口压力之间的关系 不同规格吸盘，理论吸力与真空度之间的关系如图 nts 20 图 3.11 理论吸力与真空度之间的关系 b.控制回路 图 3.12 控制回路图 上图所示为气流负压吸盘的一般控制回路图，其中真空切换阀能在吸盘脱离吸附物件的瞬时破坏吸盘真空能力，以便快速脱离吸附件。 nts 21 4 Solidworks 建模 4.1 机械臂外壳建模 外壳用于 装配 传动的同步带轮、固定传动轴， 和 摆动轮，并通过自身绕主轴的摆动，带动其中的轴运动，并牵引同步 带轮绕中心不动轮转动，实线同步运动。根据经验，确定移栽机外壳材料为 HT200,并采用铸造成型，其壁厚为 8mm。 新建一个空白零件文件，点击 草图绘制按钮 ，绘制相应草图后，选择草图拉伸工具 至适当宽度。然后选择拉伸切除工具 完成机械臂内腔的建立。在完成机械臂内腔及各通孔后，选择圆角工具 和倒角工具 对相应边进行倒角或倒圆。完成以上工作后，需根据设计进行相应攻螺纹孔工作，选择孔导向工具 ，在对应位置添加螺纹孔。重复以上工具应用，即可完成模型的建立。 图 4.1 外壳结构设计 4.2 气流负压抓取机构 建模 气 流负压吸附 式抓取机构是利用大气压强 差 来吸附工件而工作的。吸盘与工件接触形成密封的内腔，吸盘内腔的大气被排除而形成真空或负压，外部大气压强大于内腔压强，工件紧紧地被吸附住 。 气流负压抓取机构 如图 4.4 所示。 nts 22 图 4.4 气流负压抓取机构结构设计 4.3 摆动 头部建模 外壳在摆动的过程中，需要带动同步带轮平动，从而由同步带轮带动摆动盘摆动，并由此实现将面板翻转 120的目的。在设计过程中，由于摆动盘与外壳之间存在相对转动，因此，对于挂在固定轴上面的摆动盘而言，其相对于外壳必须有一 定的间隙，从而减小摩擦，另外，摆动还需与外壳内的同步带轮固定在一起。这里，我选择使用六个不同的套筒套在螺钉上，以此保证螺钉的锁紧距离。其结构如图 4.5所示。 图 4.5 摆动头 的结构设计 如上图所示，轴支架通过螺钉固定在外壳上，并通过上部的螺钉与轴固定在一起，因此，轴、外壳、带轮是相对不动的。而摆动盘与带轮固定在一起，并与外壳有相对转动，从而实现平动。 4.4 整体装配体建模 完成各零部件建模 之 后，需完成装配 体 的建立。装配 体 装配过程中，需主要考虑装配的配合关系，建立 相应的 配合关系应注意 以下几点： nts 23 1） 装配 的 过程 中 应避免干涉。零部件建立 相应的 配合关系后，应运用软件中干涉分析工具检查装配体是否存在干涉。 2） 同轴关系建立应 该 避免与螺栓配合关系冲突。某些零部件 的 连接是依靠螺栓连接 的 ，其配合关系应以螺栓配合为主。 图 4.6 整体装配图 4.5 零部件工程图绘制 Solidworks2008 软件中新建一个工程图文档，选择合适的图纸大小，点击左边“浏览”对话框，选择需要生成 的 零部件工程图的零件文档；在左边模型视图中选择适当的视图方向，并将视图在合适 的 位置即可生成相应的工程图。 选择工具栏中 的 剖视图工具 ，并在图纸中划取剖面线 的 位置，即可生成相应剖视图。由于 Solidworks2008 生成的工程图缺乏工程信息。因此，将生成的工程图文件另存为 Dwg 格式文件，并运用 AutoCAD 编辑，完成装配图工程图的绘制。 nts 24 总 结 本次设计完成了对液晶显示器面板模组移栽机（ LCM 移栽机）的结构设计工作。液晶显示器生产企业是近年来发展非常快的企业，在液晶显示器面板的组装过程中，生产劳动过程枯燥无味、劳动时间长，因此，根据实际情况设计了这个面板模组移栽机，以此提高劳动生产率、降低工人劳动强度。在设计过程中，主 要完成了以下工作 : 收集关于机械手的设计资料，了解机械手在自动化生产企业中的运用情况。 分析液晶面板模组搬运过程的条件，提出总体设计方案，选择适当传动方式。 确定 LCM 移栽机需要满足的运动要求，确定夹取方式。 完成移栽机机械臂的结构设计，选定相关标准件；完成夹取部件的结构设计。 建立移栽机的整体模型，绘制主要零部件的工程图，绘制整体装配图。 设计过程中，最困难的部分是根据面板模组的翻转要求确定设计方案，特别是夹取头部的结构设计，需要满足平动条件下带轮翻转 120，以达到翻转要求。多次修改方案后，最终在同学的 帮助下，最终确定了结构方案。 同步带轮传动，在保证移送运动的同时，实现了翻转功能。这些对我以后的设计及工作具有极大的鼓励和引导作用，也让我将所学的专业知识又一次由理论变成了实际运用。然而，我同样遇到了一些困难，设计过程也存在一些不足之处： 设计前无法确切了解液晶面板移栽机运动过程所需要的工程条件。对于夹紧力，翻转角度等条件均由估算得出，未经实际验证。 移栽机的翻转过程中，只针对运动过程提出设计的运动方案，对伺服电机、轴等尚未校核。 通过这次设计，提高了我分析和解决问题的能力，扩宽和深化了学过的知识，掌握了设 计的一般程序规范和方法，培养了我们正确使用机身材料、国家标准、图册等工具书的能力。 nts 25 参考文献 1 曾繁玲 . 一种 PLC控制的工业机械手 M. 常熟理工学院学报（自然科学）， 2008.4， 22（ 4）： 101-103. 2 李允文 . 工业机械手设计 M. 北京：机械工业出版社， 1996.5： 1-6，83-85. 3 孙树栋 . 工业机器人技术基础 M.西安：西北工业大学出版社， 2006.12：1-12， 172-174. 4 郭洪红，贺继林，田宏宇，席巍 . 工业机器人技术 M.西 安：西安电子科技大学出版社， 2006.3： 1-12， 21-60. 5 杨黎明，杨志勤 . 机械零部件选用与设计 M. 北京：国防工业出版社，2007.6： 4， 118-131. 6 于惠力，冯新敏，张海龙，程耀楠 .传动零部件设计实例精解 M. 北京：机械工业出版社， 2009.3： 43-47. 7 濮良贵，纪名刚 . 机械设计 M.北京：高等教育出版社， 2006.5： 307-336 8 李笑，吴冉泉 . 液压与气压传动 M. 北京：国防工业出版社， 2009.1：4-6， 248-253. 9 龙立新 . 工业机械手的设计分析 J.焊工之
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