JX01-228@蜡模制壳机械手---手臂部分设计
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机械毕业设计全套
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JX01-228@蜡模制壳机械手---手臂部分设计,机械毕业设计全套
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哈尔滨理工大学荣成学院 本科生毕业设计（论文）任务书 学生姓名：王蕾 学号： 0930060105 学 院： 荣成学院 专业：机械 设计 制造及 其 自动化 任务起止时间： 2013年 02月 25日至 2013年 06月 21日 毕业设计（论文）题目： 蜡模制壳机械手 -手臂部分设计 毕业设计工作内容： 1、实际调研，收集相关资料，完成开题报告； 1 3周。 2、结合生产实际，设计机械手的手臂部分设计总图； 4 7周。 3、设计机械手 手臂伸缩缸，卡紧缸，手碗迴转缸 结构 8 11 周。 4、设计零件的工作图； 12 13周。 5、撰写毕业设计论文，准备答辩； 14 16周。 注：要求全部用计算机绘图和打印文稿（交打印件和电子稿） 资料： 1、工业机器人设计手册； 2、非标设计手册； 3、液压与气压传动； 4、相关的技术资料。 指导教师意见： 签名： 2013年 2 月 24 日 系主任意见： 签名： 2013年 2月 25日 nts哈尔滨理工大学毕业设计（论文） 评语 学生姓名： 王蕾 学号： 0930060105 学 院： 荣成学院 专业： 机械设计制造 及自动化 任务起止时间： 2013 年 2月 25 日至 2013年 6 月 21 日 毕业设计（论文）题目： 蜡模制壳机械手 -手臂部分设计 指导教师对毕业设计（论文）的评语 ： 该课题源于生产实践，该同学在毕业设计中，态度端正，能 把所 学习相关知识 运用设计中 ，设计结构 基本 合理，设计论文论述 基本 正确 、格式规范， 尚 能运用所学基本知识，完成 设计 任务要求，可以 参加 答辩。 指导教师签名： 指导教师职称： 评阅教师对毕业设计（论文）的评语： 该同学论文格式 较 规范， 对 机械 设计 有了一定了解， 所 设 计符合任务书要求，所做画 纸 符合要求，但在图纸的绘制和尺寸的标注需要改进，修改后建议参加答辩。 评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委员会对毕业设计（论文）的评语： 该同学的设计符合“毕业设计任务书”的要求，任务量适中，答辩表述基本清晰，尚能回答大多数提问，概念较清楚，设计的内容基本合理，无原则性错误，掌握了一定的基础知识和基本技能。符合学院 本科毕业设计的要求。 答辩委员会评定， 该生毕业设计（论文）成绩为： 答辩委员会主席签名： 职称： 年 月 日 教务处制表 nts I 蜡模制壳机械手机械部分设计 摘 要 最近，全球内带有夹子夹子或手的机械手系统已经发展起来了，多种方法应用其上，有拟人化和非拟人化的，不仅调查了这些系统的机械结构，而且还包括其必要的控制系统，如同人手一样，这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而且不用改换夹子，这些机械手具备特殊的运动能力比如小质量和小惯量，这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。 本论文介绍了用于夹持蜡模机械手的设计。它采用液压驱动，点位程序控制，动作平稳，控制方便。 本论文主要阐述该机械手的夹紧、伸缩、升降和回转的设计和计算。首先从机械手的基础知识介绍有关机械手的组成、分类、臂部设计、液压控制的多种方案，再从本次设计所要求的功能原理设计开始，对于不同的方案加以比较和论证，从中可确定出最优方案，并采用其方案，在对其的结构设计的基础上，对其驱动力和驱动力力矩进行计算。着重阐述了机身的设计，具体阐述了机械手的设计原则和步骤，分析了设计时应注意的问题，并对机械手的平稳性及定位精度给予详细的论述。设计并分析了该机械手所用的液压控制的方法和过程。由于经验不足，知识有限，难免有误，有 待改进。 关键词 液压；机械手；液压缸 nts II Wax molded shell robot mechanical part design Abstract Recently, the world inside with clamps clips or hand robotic systems have been developed, a variety of methods applied on it, there are anthropomorphic and non-anthropomorphic, not only the investigation of these systems mechanical structure, but also its necessary control system, as manpower, these robotic systems can use their hands to grab different objects, and do not change the clip, these robots possess exceptional athletic ability such as small mass and small inertia, which makes the grasped object in the robots operating range done within a more complex, more precise operation becomes possible. These complex operations are grasping objects around any angle and axes. This thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand. It adopts the liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience. This thesis expatiates the rise and fall of the machines hand primarily with the design of the turn-over with compute. Constitute, divide into section form the relevant machine in introduction in knowledge in foundation of the machine hand first, wrist a various projects for and arm department designing, liquid pressing control, start from this design a function for requesting principle, take into the comparison to the different project with the argument, can make sure the superior project from the inside, combine to adopt its project, in as to its of the foundation of the construction design, as to its driver force and moment proceed the calculation. Emphasize the design that expatiated the fuselage, expatiated the design principle of the machine hand in a specific way with the step, analyzed the problem of design should notice, and give to the steady and fixed position accuracy of the machine hand detailed treatise. Because of experience shortage, the knowledge is limited, difficult do not need nts III the mistake, treat to improve. Keywords manipulator； liquid presses； driving force； fixed position accuracy nts IV 目录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 机械手在生产中的作用 . 1 1.2 机械手国内现状和发展趋势 . 1 1.3 论文研究的内容 . 2 第 2 章 蜡模机械手的总功能原及方案的选择与确定 . 4 2.1 功能原理设计 . 4 2.2 初选方案 . 5 2.2.1 方案一 . 5 2.2.2 方案二 . 5 2.3 方案选取 . 6 第 3 章 机械手总体方案总结 . 7 3.1 传动方案的确定 . 7 3.2 规格参数 . 7 3.3 结构特点 . 7 3.3.1 抓取机构 . 7 3.3.2 手臂的回转运动结构 . 8 3.3.3 手臂的升降运动机构 . 8 3.3.4 其它装置 . 8 3.4 机械手的液压传动系统 . 9 第 4 章 机械手的各部分设计 . 10 4.1 手部设计 . 10 4.1.1 手部设计要求： . 10 4.1.2 手部的结构 . 10 4.1.3 机械手的力学分析 . 12 4.2 手臂部分设计 . 14 4.2.1 手臂部分设计要求 . 15 4.3 手臂部分结构 . 19 4.3.1 手臂伸缩运动结构 . 19 4.3.2 手臂伸缩油缸的计算 . 19 4.4 定位缸 . 22 结论 . 23 参考文献 . 24 nts V 致 谢 . 25 附录 . 错误 !未定义书签。 nts 1 第 1章 绪论 1.1 机械手在生产中的作用 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。新世纪，生产水平及科学技术的不断 进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。 在机械工业中，机械手的应用具有以下意义： 1. 可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件 的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 2. 可以改善劳动条件、避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3.可以减少人力，便 于有节奏的生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。 1.2 机械手国内现状和发展趋势 目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，nts 2 改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相 应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。 目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械数的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力， 能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。 目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量产产品达到 6 轴，负载 2KG 的产品系统总重已突破 100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术 、生命科学及航空航天等高端行业发展。 目前我国机械手的研发和应用还处在一个发展的阶段，跟美国日本等发达国家相比还有很大的差距，很多产品还需进口，特别是高灵活、高精度的机械手。要使我国机械工业更进一步在发展壮大，就必须提高其自动化程度和生产效率，将人手操作变为机械手操作。同时，国家应加大对机械手及机器人的研发投入，积极开发出拥有自主知识产权的产品，从根本上解决对国外产品的进口需求。 1.3 论文研究的内容 在现代工业自动化生产领域里，蜡模制壳是十分重要的工作环节，而实现这个环节的自动化将大大提高生产效率，减少成本 并且避免造成对人体的危害。工业机械手就是为了实现这些环节的自动化而设计的。 自动化蜡模制壳装置是蜡模件经过定向机构实现定向排列，然后顺次地由机械手把它夹取送去沾水玻璃、喷砂，并把工件取走放置下一个工位。如工件易损坏，形状复杂，很难实现自动定向，则往往通过人工定位后，再有机械手进行制壳工作。 目前我国研制使用的工业机械手大多数是属于专用机械手，仅有少量的通用机械手。由于通用机械手改变工作程序比较方便，特别适用于多品种、小批量的生产。 通用机械手在工业生产中的应用只有二十来年的历史。这些装置在国nts 3 外得到相当重视， 到七十年代，其品种和数量都有很大的发展，并且研制出了各种具有感觉器官的工业机器人。 我所设计的是蜡模制壳机械手。属于圆柱坐标式，全液压驱动机械手，具有手臂升降，收缩，回转 3 个自由度，执行机构由手部，手臂伸缩机构，手臂升降机构，手臂回转机构组成。它的工作过程是手臂伸出夹紧蜡模并收回，沾取水玻璃，喷砂，重复沾取喷砂 3 次，送到下一工位并复位。 1.送料装置 2.机械手爪 3.机械手臂 4.水玻璃箱 5.沙箱 6.工位三 7.出料装置 8.回转及升降部分 图 1-1 蜡模制壳置示意图 nts 4 第 2章 蜡模机械手的总功能原及方案的选择与确定 2.1 功能原理设计 功能原理设计是针对某一确定的功能要求，寻求一些物理效应并且借助某些作用原理来求得一些实现该原理的解法原理。其特点是对于某一产品的特定的工作能力进行抽象化描述，是指某一机器所有的转化能量特性和其他物理特性。其描述 方法较像工程学中常用的“黑箱”法来描述。 任何一个技术系统中都有输入和输出，把技术系统抽象成黑箱。起输入用物料流 M、信息流 S、和能量流 E、来描述其输出用相应的 M、 S和E来描述。 操作指令 S S 显 示 物 料 M M蜡模制壳 电 气 能 E 功能原理设计是一种综合。综合是不能有任何方法可循的。它能要求解决的问题是有很多 解的问题。它既不是只有唯一解，又不是绝对无解，而且也很难得到绝对理想的解。一般来说，在构思阶段，应尽可能收集各种可能的解法，以便在众多的解法中选出较多满意的解决方法来。 总功能分解成若干个功能元素为： 夹持 松开 伸 缩 上升 下降 转位 复位 根据仿生学的原理，机械手的功能单元 可以分为： A：手指 夹紧、松开工件； B：手臂 伸缩使工件沿直线运动； C：升降缸机体 升降手臂，回转手臂； D：回转马达 回转、定位； E：控制部分 控制各部分协调动作； nts 5 2.2 初选方案 根据工作要求设想方案如下 2.2.1 方案一 底座连接回转缸实现回转运动，回转缸连接伸缩缸实现升降运动，用滑轨和伸缩缸固定夹紧缸实现水平伸缩作用，夹紧缸连接手抓抓取被加工件。如图所示 2-1： 图 1-1 方案一 2.2.2 方案二 升降缸固定固定在地面实现升降运动，升降缸上连接回转液压马达实现手臂回转运动，回转缸上连接伸缩缸实现手臂水平伸缩，伸缩缸连接夹紧缸夹取零件。如图 2-2 所示： nts 6 图 1-2 方案 2.3 方案选取 方案一重心不好确定，且连接件复杂。 方案二采用圆柱坐标系，工作原理简单，工作效率高，便于加工。所以选择方案二。 nts 7 第 3章 机械手总体方案总结 3.1 传动方案的确定 考虑到圆柱坐标式的占地面积小而动作范围大的特点，决定采用圆柱坐标式。该机械手的抓取工件为外圆形木杆，此机械手就由手臂升降，伸缩，回转三个自由度，才能满足蜡模制壳的动作要求。 3.2 规格参数 表 2-1 参数表 自由度 范围 速度 停止位置数 手臂伸缩 500mm 250mm/s 2 手臂升降 600mm 300mm/s 2 手回转 180 120 /s 2 臂力 2.5 千克 定位精度 3 毫米 坐标形式 圆柱坐标 驱动源 液压驱动 控制方式 程序控制 3.3 结构特点 3.3.1 抓取 机构 因夹持工件不大，故选用 二指回转型手 爪 ，其驱动手爪夹紧松开的拉紧装置，采用双作用式单杆活塞液压缸。手爪设计为固定。当液压缸收缩时为夹紧工件。 机械手伸缩运动结构 : 此机械手手臂伸缩采用双作用式单杠活塞油缸，伸缩动作是由活塞杆运动实现的，缸体固定不动，其伸缩行程为 500 毫米，缸体直接安装在回转连接件上，因为承受作用力小，手臂的刚度大，工作时运动平稳。油缸的输油管路固定油管形式，避免外露且安装方便。在手臂伸出端安装可调nts 8 的定位螺钉，确保送料精度。 3.3.2 手臂的回转运动结构 手臂的回转采用单片式液压摆动马达，油缸摆 角为 180 度，使用在180 度以内，回转油缸的动片与输出轴固联，输出轴通过键与回转连接件连接，回转油缸的壳体与手臂坐固联，当回转油缸的动片回转时，带动输出轴自转。从而带动手臂坐也绕 O O 轴线回转，即为手臂的水平回转运动。 3.3.3 手臂的升降运动机构 手臂的升降采用了双作用式单杆活塞油缸。其升降行程为 300 毫米，为了增加升降部分结构的刚性，导向性能好，采用了直径为四柱式导向杆结构，工作时能平稳升降。由于导向杆的存在使活塞杆免受因偏重力矩所造成的弯曲，在此处活塞杆只受到压力作用。 3.3.4 其它装置 为使机械手的臂部作回转运 动时能够精确定位，在回转部位装有定位油缸，它是单作用式活塞油缸，在活塞杆的端部作成斜楔式。当臂部每转过 60 度后的终止位置，通过电信号控制二位三通电磁阀接通工作油路，使起定位销作用的活塞杆动作，插入到装在中心齿轮上的带有斜楔槽的定位挡块中，使手臂精确定位。此结构简单，动作灵活。 nts 9 3.4 机械手的液压传动系统 图 2-1 液压传动系统图 机械手的动作顺序：液压系统工况分析伸缩缸伸长至工件处 加紧缸取件 伸缩缸 收缩至原位处 定位缸电磁阀通电收缩 回转缸回转 60度 定位刚电磁阀断电复位，回转缸被定位 电磁阀 3 通电伸缩缸伸长 电磁阀 6 通电，升降缸下降 下降到位后， 5 通电升降缸上升 电磁阀 4 通电伸缩缸收缩到位 电磁阀 9 通电，定位缸得电松开 电磁阀 1通电转动 60 度 定位刚电磁阀断电复位，回转缸被定位 电磁阀 3 通电伸缩缸伸长 电磁阀 6 通电，升降缸下降 下降 到位后， 5 通电升降缸上升 电磁阀 4 通电伸缩缸收缩到位 电磁阀 9 通电，定位缸得电松开 电磁阀 2 通电转动 60 度 如此循环 3 次后完成工艺过程 回转缸转动 120度放置工件工作循环完毕。 上述动作均由电磁换向阀实现，用行程开关和时间继电器、步进选线器等电器控制电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作，实现液压系统的自动控制。 nts 10 第 4章 机械手的各部分设计 4.1 手部设计 机 械手的手部是用来抓取并握紧工件的，它包括手爪和夹紧装置两部分。夹持工件的迅速、灵活、准确和牢靠程度，直接影响到机械手的性能，是机械手的关键部件之一。 4.1.1 手部设计要求： 1手部应有足够的夹紧力。除工件的重力外，还要能不使工件在传递过程中松动或脱落； 2夹持范围要与工件相适应。手爪的开闭角度（手爪张开或闭合时的极限位置所摆动的角度）应能适应夹紧较大的直径范围； 3夹持精度要高。既要求工件在手爪内定位准确，又不夹坏工件的表面。一般需根据工件的形状选择相应的手爪结构：如圆柱形工件应采用带 V 形槽的手爪来定位；对 于工件表面光洁度要求较高的，应在手爪上镶铜、夹布胶木或其它软质垫片等； 4夹持动作要迅速、灵活； 5手部结构要简单紧凑、刚性好、自重轻、易磨损处应该便于更换，在腕部或臂部上安装要方便，更换要迅速。 4.1.2 手部的结构 手爪的类型大致分为下列三种： 1夹持式手爪：根据手爪的动作可分为回转型和平移型；根据手指的数量可分为双指式和多指式；根据夹持工件的方法又可分为外卡式和内胀式两种。 2吸附式手爪：分为真空吸盘式和电磁吸盘式两种。真空吸盘式又可分为真空泵式和气流负压式。 3带视觉或触觉的手爪。 根据所设计课题 的要求，该机械手是用于生产线上下料的，其抓取的工件是外圆件，所以可以不考虑吸附式手爪和带视觉或触觉的手爪。所以重点在于夹持式手爪。 下面介绍夹持式手爪结构。 图 4-1 是其一种杠杆滑槽式手爪结构，它通过活塞杆 1 的销 2 推动手爪使之张开，活塞向右移动使手爪闭合。图 4-2 也是一种杠杆滑槽式手爪结构。 nts 11 杠杆滑槽式手爪结构应用的比较多，其特点是结构简单、动作灵活、手爪开闭角度大、夹持工件范围较大。 图 3-1 杠杆滑槽式手爪 图 3-2 杠杆滑槽式手爪 本文设计对象为 腊模 制壳 机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从 一个 角度抓取工件的钳形指。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓， 即采用上文所述 滑槽杠杆这种结构方式。 图 3-3 机械抓原理图 nts 12 4.1.3 机械手的力学分析 下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆如图 3-2（ a）为设计的滑槽杠杆式手部结构。 (a) (b) 1 手指 2 销轴 3 杠杆 图 3-4 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴中心 O 点，两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为 F1 和 F, 其力的方向垂直于滑槽的中心线 OO1 和 OO2 并指向 o 点，交 F1 和 F2 的延长线于 A 及 B。 由 xF =0 得 12FF(3-1) yF =0 得 1 2 cosFF 11FF 由 01M F =0 得 1NFFh (3-2) Qcosah F= 2Ncosb Fa nts 13 式中 a 手指的回转支点到对称中心的距离（ mm） . 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角， 该机械手为 37。 由分析可知，当驱动力 F 一定时， 角增大，则握力 FN 也随之增大，但 角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好 =30至40，所以 该机械手选择角度为 37。 1. 夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算 2： N 1 2 3F K K K G(3-3) 式中 K1 安全系数，通常 1.2 至 2.0； K2 工作情况系数 ，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估2 1 bK a其中 a，重力方向的最大上升加速度；maxva t响maxv 运载时工件最大上升速度 t响 系统达到最高速度的时间，一般选取 0.03: 0.5s 3K 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G 被抓取工件所受重力（ N）。 表 4-1 液压缸的工作压力 作用在活塞上外力 F（ kN） 液压缸工作压力 MPa 作用在活塞上外力 F,kN 液压缸工作压力 MPa 小于 5 0.81 2030 2.04.0 510 1.52 3050 4.05.0 1020 2.53 50 以上 5.08.0 计算：设 a=20mm， b=30mm， 109.28 所以强度满足要求。 4 液压缸的流量计算 4 流量 AVQ 有杆腔 2 2 2 2 2( ) ( 4 0 2 0 ) 9 4 2 . 4 844DdA m m nts 21 2 5 0 /V m m s伸 2 5 0 /V m m s缩 则 242 5 0 1 0 1 2 5 6 . 6 4 1 0 0 . 3 1 4 / 1 8 . 8 / m i nQ V A L s L 伸 伸2 5 0 1 0 9 4 2 . 4 8 1 0 0 . 2 3 / 1 4 m i nQ V A L s L 缩 缩 nts 22 4.4 定位缸 采用 model VL 单动定位油缸。特点：体积小，精度高。原理如图所示： 图 4-1 定位缸原理图 选取尺寸 规格如下： 工件孔径（标准孔径） mm： 8H8 定位销直径 mm： 1、释放（ MAX） 7.94 2、最大行程（ MIN） 8.05 重复定位精度 mm： 0.003 容许偏心量 mm:0.05 定位力 N： 260 该定位缸外形尺寸如图 5-2 图 4-2 外形尺寸 nts 23 结论 为了改善劳动环境，提高生产效率，快速实现工业生产的机械化和自动化， 机械手 受到很多国
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