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毕业设计（论文）中期报告题目：压铸机自动浇铸机械手设计- 1 -一. 设计（论文）进展状况; 前期任务主要是通过网上查阅资料，图书馆借阅书籍，了解机械手发展状况，结构配置以及工作原理。根据课题要求，结合工况，通过比较分析 4种坐标形式，4 种驱动机构方式的优劣点以及所用到的执行机构1.1机械手工况方案的确定主要由手臂、回转支架、倾倒机构、浇包 (即勺式手部)、倾倒油缸、回转油缸、底座及升降油缸等组成。手臂为一平行四边形机构，它具有俯仰和回转运动。手臂俯仰运动是通过铰链支撑的升降油缸来达到，使得平行四边形的机构连杆（它带动浇包）作平面平行运动，即浇包有升降和横移运动。手臂的回转运动是由回转油缸来实现的。1.2设计参数的确定浇包容量： 手臂最大回转角度： 最大俯仰角度： 自由度： 个 Kg810543现根据液压缸内径 和活塞杆直径 的关系确定 Dd2.0Dd 24dAp m530.按液压缸内径尺寸系列选取内径得 ，按活塞杆直径系列选取活塞杆直m63径 d141.2.1倾倒液压缸的壁厚设计：液压缸的内径 与其壁厚 的比值 的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机D10D械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算。由 2Py式中 液压缸壁厚 （ m） 液压缸内径 （ m） ；D 试验压力，一般取最大工作压力的 （ 125 15） 倍（ M Pa )yP 缸筒材料的许用应力。其值为：铸钢： aMP106610203.8.02- 5 - m28.0所以按有关标准圆整为壁厚 ，液压缸外径为6mD7511.2.2手臂升降液压缸的设计手臂作俯仰运动时，除克服摩擦阻力 和惯性力 之外，还要克服臂部运动部mFg件的重力，故其驱动力 可按下式计算：qPNWFgm式中 各支承处的摩擦力（ N） ；m启动时惯性力（ N）可按臂伸缩运动时的情况计算； g臂部运动部件的总重量（N） ；上升时为正，下降时为负当 ， ， 时40mF10g1982398qP（无杆腔）11.FDpp（有杆腔）214d，选择机械效率3580FaP695.0将有关数据代入： mdD 10.04395.018.4326 选择标准液压缸内径系列，负载选择执行元件的工作压力 ，选择aLMP.按活塞杆直径系列选取活塞杆直径m10 md31.2.3手臂升降液压缸的校核 264105.dDPAFLL N2384设计尺寸符合使用要求，安全1.2.4升降液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径 与其壁厚 的比值D- 1 -的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢10D管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算由 2DPy6610.0134.5 m8在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在 ，所以该液压缸的外径为 .6m121.2.5回转液压缸的计算从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径 与其壁厚 的比值 的D10D圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计2DPy根据经验，暂设液压缸长度设计为 ，液压缸内径 ， ,m150m20110R轴的套筒径为 ，液压缸内径 ，设加速度时间为 ，压强md130r6st则驱动力矩：aMP4.02RbPN回转液压缸的尺寸校核测定参与腰身回转部件的质量 ， ， ， kgM801kg152 kgM1063， ，kgM4535.1L45.2磨惯驱 设机床等加速运动 ，s6.0st转动惯量 242132213LLJ 6mgtJM惯.135密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下 ，由于回油背差一般非常的小，驱阻 M3.0- 1 -故在这里忽略不计。磨惯驱 M23671.9设计尺寸符合使用要求，安全 1.3装配草图的进展目前二维装配草图总的框架已完成包括手部、腕部、臂部、立柱等基本结构但细节部分以及结构不太完善：二.存在问题及解决措施:在手臂伸缩运动和驱动力计算过程中,对总重量的估算不太清楚,对公式没有深刻理解,计算手部结构尺寸时存在较大误差解决措施：通过上网查资料，图书馆借阅机械手相关书籍，把设计过程中遇到的细节问题通过查阅资料或问老师进行彻底解决，重点是把手部的内部结构联接以及其它连接件的连接形式和所要使用零件尺寸选好。3.后期工作安排:第 11-12周完成手臂与手部机构的设计。 第 13-15绘制装配图与零件图。第 16-17撰写毕业论文。第 18周 准备答辩。指导教师签字：年 月 日- 1 -毕业设计(论文)开题报告题目：压铸机自动浇铸机械手设计- 1 -1 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1 题目背景、研究意义机械手是近三十年发展起来的典型的、机电一体化的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。机械手是能自动化定位控制并可编程序实现变动的多功能机器，有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境和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。其作业的准确性和各种环境下完成作业的能力在国民经济各领域有着广阔的发展前景。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手。在冲床上采用送料机械手取代人工送料已成为最有效防止工伤事件的安全生产措施。机械手不但可以实现安全操作，也提高了产品品质和生产效率，降低了废品率机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。1.2 国内外相关研究情况1.2.1 国外机械手的研究现状机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。- 6 -它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动） 。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。 1.2.2 国内机械手研究与应用现状在我国，机械手技术起步较晚，进入 20 世纪 90 年代后，我国机械手的研究步入正轨，在彩电，冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片，印刷电路等各种电子产品的装配流水线上得到广泛应用。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，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。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。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。2本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1 主要内容- 7 -1）运动功能设计：即自由度设计，应尽可能的灵活运动和大的工作空间，分析各关节运动的性质以及排列顺序等。 2） 传动功能设计：机械手操作机是由若干个构件和关节组成的多自由度空间机构，传动功能中驱动器安排和机构要合理。 3）机械结构设计：满足强度和刚度情况下，要充分考虑机器人的结构紧凑、重量轻、体积小等特点。同时满足装卸方便，便于维修、调整。 4)基本参数： 浇包容量：8kg 手臂最大回转角度：110 最大俯仰角度：50 自由度：3 个 2.2 研究方案、研究方法2.2.1 执行机构如图 1 所示1) 手腕手腕是联接手臂与末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态。2) 手臂手臂是支承手腕和末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用来改变末端执行器的位置。3) 机座机座是机械手的基础部件，并承受相应的载荷.图 12.2.2 坐标形式的选择 坐标形式是指执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。- 1 -1) 直角坐标式直角坐标机械手的末端执行器在空间位置的改变是通过三个互相垂直的轴线移动来实现的，即沿 X 轴的纵向移动、沿 Y 轴的横向移动及沿 Z 轴的升降。这种机械手位置精度最高，控制无耦合，比较简单，避障性好，但结构较庞大，动作范围小，灵活性差。2) 圆柱坐标式圆柱坐标机械手通过两个移动和一个转动来实现末端执行器空间位置的改变，其手臂的运动由在垂直立柱的平面伸缩和沿立柱升降两个直线运动及手臂绕立柱转动复合而成。这种机械手位置精度较高，控制简单，避障性好，但结构也较庞大。3) 极坐标式(球坐标式)极坐标机械手的运动由一个直线运动和两个转动组成，即沿手臂方向 X 轴的伸缩，绕 Y 轴的俯仰和绕 Z 轴的回转。这种机械手占地面积小，结构紧凑，位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题。4) 关节坐标式关节坐标机械手主要是由立柱、大臂和小臂组成，立柱绕 Z 轴旋转，形成腰关节，立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节，大臂和小臂作俯仰运动。这种机械手工作范围大，动作灵活，避障性好，但位置精度低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多。 由于本设计中精度要求较高，首先排除了直角坐标式和关节坐标式，而且它们还存在平衡问题，直角坐标式灵活性差，不利于提高工作效率。因此为了使其工作方式更加简单直观，机械手坐标类型选择为类似球坐标式机械手。2.2.3 驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压,气压用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较少。1) 液压驱动是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，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，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2)气压驱动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:介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以- 1 -下，在同样抓重条件下它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进行工作。3)机械驱动即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)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传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4)电气驱动即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械手，因为不需要中间的转换机构，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，但有发展前途。综上所述，由于本次设计机械手负载较小，对体积有一定要求，又考虑到机械手的特点和各驱动方式的优缺点,综合考虑自己所学的知识和实际要求，本机械手选用液压驱动3 本课题研究的重点及难点1）机械手的结构设计，主要参数确定2）机械手传动方式的论证和选择3）机械手控制系统的选择和设计4 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写)第 12 周：调研、查阅资料； 第 34 周：总体方案分析论证、开题报告； 第 56 周：结构和运动学分析，参数确定； 第 78 周：按所给规格范围，性能进行分析，强度和运动学校核，中期报告； 第 9 10 周：各模块设计；第 1112 周：装配图草图； 第 1314 周：整体结构设计；第 1516 周：绘制总图及零件图等； 第 1718 周：撰写论文、答辩。 - 1 -5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日 6 所在系审查意见系主管领导： 年 月 日- 1 -参考文献1黄锡恺，郑文伟.机械原理.北京:人民教育出版社.1981.2 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术.2001.4 3刘文波，陈白宁,段智敏.工业机器人.沈阳.东北大学出版社.20074杨黎明.机械零件设计手册.第一版.国防工业出版社.1986.125吴宗泽.机械设计.第一版.中央广播电视大学出版社.1998.26卢颂峰.机械设计课程设计手册. 第一版.中央广播电视大学出版社.1998.47杨长能, 张兴毅.可编程序控制器基础及应用. 第一版.重庆大学出版社.1992.18左建民.液压与液压传动.第二版.北京:机械工业出版社.1999.59孙燕华.AutoCAD2000 机械制图.北京:机械工业出版社.2002.910顾京.数控加工编程及操作.北京:高等教育出版社.2003.911陈立德.机械设计基础课程设计指导书.第二版.北京:高等教育出版社.2004.612金大鹰.机械制图.北京:机械工业出版社.2001.713柴鹏飞.机械设计基础.北京:机械工业出版社.2004.814张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社.198815金茂青,曲忠萍,张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用 .200116严学高,孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社.199217B.K.Rout.R.Kittal.Tolerance design of manipulator parameters using design of experiment approach.Structural and Multidiscipinary Oplimization 2007.5 Springer18Lauzier.N;Gosselin.C;Laliberte.T.Tremblay.P.Adaptive gravity compensation of decoupled parallel and serial manipulators Using a passive hydraulic transmission.Proceedings of the Institution of mechanical Engineers 2009.c12 ProQuest19X.Dai;X.Yang;J.Campbell;J.Wood.Effects of runnmer system design on the mechanical strength of Al-7Si-Mg alloy castings.Materials Sscience & Engineering A 2003-1 I本科毕业设计( 论文)题目：压铸机自动浇铸机械手设计压铸机自动浇铸机械手设计摘 要机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自 II动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本次设计的浇铸机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，对机械手的工作原理，结构使用范围，特点参数选择等方面进行了阐述。其中机械手的机械结构采用液压油缸、回转支架、倾倒机构、浇包等机械器件组成；采用类似球坐标，三个自由度，为 X 轴的移动，Z 轴的转动和移动；浇包的最大容量 8Kg；此浇铸机械手主要是将熔融的金属液送到压铸机的模具内，机械手的动作主要采用液压系统；机械手的手臂升降采用伸缩油缸，机械手手臂的回转采用回转液压缸，机械手手臂的倾倒主要采用倾倒液压缸。这样设计结构紧凑、重量轻、体积小运动灵活等特点，同时满足装卸方便，便于维修、调整。关键词：机械手；浇铸；液压传动；液压缸 Design of Manipulator and Automatic Casting Die Casting MachineAbstractManipulator arm to mimic the staff and some motor function, to crawl at a fixed procedure, handling objects or tools of the automatic operation devices. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation can be harmful to the environment in the operation to protect the personal safety and therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. The design of casting manipulator,use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design,and the maximum capacity 8Kg poured package. One mechanical structure of the manipulator using hydraulic cylinder, rotary stents, dumping institutions, pouring etc machinery parts;In the hydraulic drive bodies,manipulator arm stretching using telescopic tank,rotating column of tanks used rack,manipulator movements using tank movements ; This is mainly to cast manipulator to the molten metal casting mould, the movement mainly adopts hydraulic manipulator system, Manipulator arm lifting adopts adjustable cylinder, manipulator arm of adopting rotary hydraulic cylinder, manipulator arm fall mainly adopts dump hydraulic cylinder.This design features compact structure, light weight, small volume flexible movement, also meet the convenient loading and unloading, easy to repair,adjust.Key Words: Manipulator;Cast;Srike;Fluid Drive;Hydraulic Cylinder 目 录1 绪论 .11.1 选题背景 .11.2 机械手概述 .11.3 机械手的组成 .21.3.1 执行机构 .21.3.2 驱动机构 .31.3.3 控制系统分类 .31.4 国内外发展状况 .31.5 课题的提出及主要任务 .51.5.1 课题的提出 .51.5.2 课题的主要任务 .52 机械手的总体设计方案 .62.1 工况分析 .62.2 机械手坐标形式的选择 .62.3 机械手的主要部件及运动路线 .72.4 驱动机构的选择 .72.5 机械手的技术参数列表 .82.6 机械手的组成与结构 .83 机械手手部的设计计算 .103.1 手部设计基本要求 .103.2 机械手的设计计算 .103.2.1 手部结构分类 .103.2.2 选择手抓的类型 .103.3 自动浇铸机械手结构设计 .114 手腕的结构设计 .124.1 腕部总体设计 .124.2 腕部的设计要求 .124.3 腕部的结构尺寸 .134.4 手(浇包) 的回转支架设计 .144.5 手臂倾倒运动驱动力的计算 .14 4.6 倾倒液压缸结构的计算 .155 臂部的结构及有关计算 .175.1 手臂的总体设计 .175.2 手臂俯仰运动 .175.3 手臂回转运动 .175.4 升降液压缸的计算 .185.5 手臂升降液压缸的校核 .195.6 升降液压缸壁厚和外径的计算 .206 机身的设计计算 .216.1 机身的整体设计 .216.2 机身回转液压缸的计算 .226.3 回转液压缸的尺寸校核 .236.4 轴的设计 .236.5 初选轴颈 .24结 论 .25致 谢 .26参考文献 .27毕业设计（论文）知识产权声明 .27毕业设计（论文）独创性声明 .2901 绪论1.1 选题背景浇铸，在不加压或稍加压的情况下，将液态单体，树脂或其混合物注入模内并使其成为固态制品的方法。塑料的铸塑成型类似于金属的浇铸，它是将配制好的液态原料浇入模具，固化后得到与模腔形状和尺寸相近的塑料制件，这种方法称为塑料的铸塑成型。浇铸法分为静态浇铸、嵌铸、离心浇铸、搪塑、旋转铸塑、滚塑和流延铸塑等，在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手。在冲床上采用送料机械手取代人工送料已成为最有效防止工伤事件的安全生产措施。机械手不但可以实现安全操作，也提高了产品品质和生产效率，降低了废品率。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力 1。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中，小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上，技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。1.2 机械手概述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）1的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。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，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用. 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用 2。1.3 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.3.1 执行机构(1) 手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单） 。手部多为两指（也有多指） ；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。(2) 腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个2上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。(3) 臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具） ，并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位） ，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。(4) 立柱 是支撑手臂等构件的。一般机械于的立往为固定不动的，也有的因工作需要立往作横向移孔此种称可移动式立柱。(5) 行走机构 在机械手要求完成较远距离的操作时，可增加滚轮、轨道等行走机构。(6) 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便 3。1.3.3控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.4 国内外发展状况它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于 20 世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是 1946 年第一台数字电子计算机3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。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质，在这一需求背景下，美国于 1947 年开发了遥控机械手 1948 年又开发了机械式的主从机械手。机械手首先是从美国开始研制，1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，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。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是 1962 年美国 AMF 公司推出的“VERSTRAN”和“UNIMATION”公司“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造，冶金，电子，轻工和原子能等部门。我国的工业机器人从 80 年代“七五” 科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”， “八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，控制系统硬件和软件设计技术，运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，弧焊，点焊，装配，搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求， “一客户，一次重新设计 ”，品种规格多，批量小，零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量，可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种：在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在4原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“ 十五” 后期立于世界先进行列之中 4。1.5 课题的提出及主要任务1.5.1 课题的提出浇铸是高温、高危的，人类无法直接接触高温钢铁溶液，只能通过机械来代替人类的活动。这样就必须开始设计一种机器能够在高温环境下仍能正常工作，还有就是浇铸本身出在一个污染严重的、躁声大的环境当中，一般的机器可能在此环境下不能正常工作或寿命难以保证，总之要浇铸用机械要耐高温，寿命和安全系数要高。压铸机自动浇铸机械手，就是本着这一目的设计的。1.5.2 课题的主要任务本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了浇铸机械手的运动机理。在此基础上，确定了浇铸机械手的基本系统结构，对浇铸机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。本课题将要完成的主要任务如下：1） 运动功能设计：即自由度设计，应尽可能的灵活运动和大的工作空间，分析各关节运动的性质以及排列顺序等。 2） 传动功能设计：机械手操作机是由若干个构件和关节组成的多自由度空间机构，传动功能中驱动器安排和机构要合理。 3） 机械结构设计：满足强度和刚度情况下，要充分考虑机器人的结构紧凑、重量轻、体积小等特点。同时满足装卸方便，便于维修、调整。52 机械手的总体设计方案本课题是浇铸机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计。在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。2.1 工况分析浇铸机械手主要是将熔融的金属液送到压铸机的模具内要完成这样的动有以下动作：浇铸机械手手部停在保温炉坩埚内熔融金属液面的上方，等待浇铸。当压铸机合模时，手部开始下降并浸入液态金属内，以装满液态金属，后手部上升，直到手部底面超过炉坩埚的最高点（最大俯仰角度 54） ，上升结束。同时，浇铸机械手手臂回转（手臂最大回转角度 110）到达浇铸口停止回转。手部翻转倒料（最大傾角 70） ，完成浇铸。2.2 机械手坐标形式的选择坐标形式是指执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下 4 种: 1) 直角坐标式直角坐标机械手的末端执行器在空间位置的改变是通过三个互相垂直的轴线移动来实现的，即沿 X 轴的纵向移动、沿 Y 轴的横向移动及沿 Z 轴的升降。这种机械手位置精度最高，控制无耦合，比较简单，避障性好，但结构较庞大，动作范围小，灵活性差。2) 圆柱坐标式圆柱坐标机械手通过两个移动和一个转动来实现末端执行器空间位置的改变，其手臂的运动由在垂直立柱的平面伸缩和沿立柱升降两个直线运动及手臂绕立柱转动复合而成。这种机械手位置精度较高，控制简单，避障性好，但结构也较庞大。3) 极坐标式 (球坐标式)西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）6轴的伸缩，绕 Y 轴的俯仰和绕 Z 轴的回转。这种机械手占地面积小，结构紧凑，位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题。4) 关节坐标式关节坐标机械手主要是由立柱，大臂和小臂组成，立柱绕 Z 轴旋转，形成腰关节，立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节，大臂和小臂作俯仰运动，这种机械手工作范围大，动作灵活，避障性好，但位置精度低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多 5。 由于本设计中精度要求较高，首先排除了直角坐标式和关节坐标式，而且它们还存在平衡问题，直角坐标式灵活性差，不利于提高工作效率。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此本设计采用类似球坐标型。机械手坐标类型选择为类似球坐标式机械手。2.3 机械手的主要部件及运动路线在类似球坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有3个自由度，通常把传送机构的运动称为传送机构的自由度。即：手臂俯仰运动和手臂回转运动，手臂上的倾倒机构的倾倒运动。本设计机械手主要由4个大部件和3个液压缸组成：（1）采用回转液压缸使手臂回转110 （2）采用伸缩液压缸使手臂俯仰 54（3）采用一个倾倒液压缸，通过倾倒机构运动实现浇包的翻倒及其倒料。2.4 驱动机构的选择驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压，气压用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较少 7。1) 液压驱动是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，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，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2) 气压驱动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:介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重7一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它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进行工作。3) 机械驱动即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)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传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4) 电气驱动即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械手，因为不需要中间的转换机构，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，但有发展前途。 综上所述，由于本次设计机械手负载较小，对体积有一定要求，又考虑到机械手的特点和采用液压机构驱动机械手，结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。综合考虑自己所学的知识和实际要求，因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。2.5 机械手的技术参数列表一、用途：浇铸机械手用于将熔融的液态金属放入压铸机的模具内，可以根据生产需要改变动作程序。二、设计技术参数：1、抓重：8Kg 2、自由度数：3个自由度3、座标型式：类似球座标4、最大工作半径：1500mm5、手臂最大中心高：1230mm6、手臂运动参数回转范围：0-1107、手腕运动参数倾倒范围： 0-70驱动方式：液压82.6 机械手的组成与结构机械手的结构主要由手部、手臂回转支架、倾倒机构、浇包(即勺式手部)、倾倒油缸、回转油缸、底座及升降油缸等组成。如图 2.6 所示：手臂为一平行四边形机构，它具有俯仰和回转运动。手臂俯仰运动是通过铰链支承的升降油缸来达到，使得平行四边形机构的连杆 (它带动浇包)作平面平行运动，即浇包有升降和横移运动。手臂的回转运动是由回转油缸来实现的。手臂上安装有弹簧，通过绳索和滑轮与倾倒机构联接，用来使倾倒机构复位，同时也起缓冲 作用。为适应压铸机压铸 不同零件或控制零件最佳 加工余量的需要，浇铸机 械手的浇包容量可以调节。 对于大容量调节采用凋换 浇包的办法，松开螺钉 (共 四只)，便能更换浇包。另 外，也可以调节螺钉，使浇包呈不同的倾斜角度达到微量调节。压铸机浇铸机械手备有4、6、8 公斤三种容量的浇包，它们的结构相同，只是尺寸有异。它的特点是底部进料，并有隔板以挡住氧化皮，其容积是定量的。图 2.6 机械手的基本组成3 机械手手部的设计计算93 机械手手部的设计计算3.1 手部设计基本要求（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（3） 应保证浇包的定位精度 8。3.2 机械手的设计计算3.3.1 手部结构分类手爪的类型大致分为下列三种：1) 夹持式手爪：根据手爪的功作可分为回转型和平移型；根据手指的数量可分为双指和多指式；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。真空吸盘式义分为真空泵式和气流焚压式。真空吸盘是用橡胶或塑料制成杯状，在吸盘内部边缘处，加上 23 个同心元皱折，以保证吸附的可靠性。电磁式手爪用予夹持式手爪与真空泵式手爪难以抓取的工件或细小的工件。它可采用电磁铁，其结构形式类同于真空吸盘式；也有如同夹持式的结构，手爪内装磁铁。采用永久磁铁吸附工件，需要用外力释放工件，因此，一般不用它为好。103) 带触觉或视觉的手爪：除了几种带传感器的手爪外，还有根据工件所在位置，控制手臂移动，逐步使两手爪同时夹紧工件的带传感器机械手 9。3.3.2 选择手抓的类型本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手的倾倒角最大是70 ，夹取重量为 8Kg。常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单，适于夹持平板方料，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上，这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择回转型手臂和具有平行四边形机构的手臂。手臂上安装有弹簧，通过绳索和滑轮与倾倒机构联接，用来使倾倒机构复位，同时也起到缓冲作用。为适应压铸机压住不同零件或控制零件最佳加工余量的需要，浇铸机械手的浇包容量可以调节。对于大容量调节采用调换浇包的办法，松开螺钉，便能更换浇包。对于小容量调节，可调节电极与金属液面的间距。3.3.2 自动浇铸机械手结构设计根据设计的工作需要，要浇铸液体，所以采取勺式结构，以便盛取液体，由于要倾倒、复位，所以需设计拉杆倾倒机构。本课题液压机械手的手部结构如图 3.3 所示：11A图 3.3 浇包根据经验设计浇包各部位尺寸如下：浇包半径： 55浇包横长： 265浇包高度： 245进液体挡板高度： 200进液体口： 边长为 40 的正方形隔板高度： 215壁厚： 7支撑耳朵直径： 1604 手腕的结构设计4.1 腕部总体设计手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整其在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强，腕部是连接手部和臂部的构件，它具有独立的自由度，使机械手适应复杂动作的要求，腕部的动作有绕 X 轴转动称为回转；绕 Y 抽转12动称为俯仰；绕 Z 轴转动称为左右摆动；还可有沿 Y 轴方向移动的自由度 10。图 4.1 为其运动示意图。图 4.1 手腕运动示意图4.2 腕部的设计要求1) 腕部自由度的选取在臂部运动的范围内，当可以满足抓取工件和传送工件等要求时，应尽可能不设计腕部的运动。这样，则可使机械手结构简单、制造方便和成本降低。根据抓取对象和机械手的坐标形式的需要，可增加腕部的自出度。如腕部的回转运动，这是在手爪夹持工件后，需要翻转角度，或者机械手从一个工位转到另一个工位时，需要工件转。若是采用臀部购则使机械于的稳定性降低，因为，臂部长度大，回转时稍有偏心(特别是高速回转时)，使机械手的离心力增加，臂部振动加大，影响定垃精度。因此，应设计腕部的回转，若机械手是球坐标形式，腕部应设计具有梢仰运动，以保持手爪处于水平位置，不影响手爪的工作。还要根据加工工艺的要求，设计肮部在 Y 轴方向的移动运动。如机械手将工件送到某工位后，需要把工件定位夹紧，为使机床运动简化，而要求腕部沿 Y 袖方向做少量的移位的运动。如用项尖支承的轴类零件，在用机械手取下土件时，为脱离主轴顶尖而需要有肮部的横移运动。总之，腕部自由度的选取应在臂部13自由度确定以后，再根据工件的料道位置、工艺要求、应用范围及制造成本等方面综合分析，以确定最佳的方案，确定出腕部合适的自由度数。2) 腕部的动作要灵活、自重要轻在设计腕部结构时，应力求结构简单紧凑，减轻结构的重量。机械手配合机器运转，腕部的动作时间往往在几秒钟以内，甚至不超过一秒，所以腕部一定要灵活，在保证构件的强度和刚度的条件下，回转件尽量采用滚动轴承或滚校，减少阻力，降低摩擦。3) 腕部运动位要淮确手腕的回转、俯仰与左右摆动等运动位置都要求准确，除对零部件配合精度严格要求以外，要采取措施消除传动部件之间的间隙。根据需要可设置位置检测元件，来控制手腕的准确位置。4.3 腕部的结构尺寸1) 腕部回转运动结构用回转证实现小于 360的回转运动2) 腕部左右摆动结构根据工件的工艺要求，需要手腕做左右摆动运动。对于抓取非中心对称的工件，当手臂回转时。工件方位变化，往往需要用于腕左右摆动予以补偿。3) 腕部俯仰运动结构它是通过安装在手臂上的液压缸，拉动于腕上的钢丝，使之向下佣仰一定角度，放置工件，然后活塞秆向左移动，使手爪恢复平直状态，再去抓取工件。4) 腕部的回转与俯仰复合运动结构为了扩大机械手的应用范围，同时要减少结构中的零件数量，使结构简单、自重轻，设计腕部具有两个自由度的结构。4.4 手（浇包）的回转支架设计回转支架的运动学分析：为实现浇包倾倒70，必须确定连杆的起始位置和终点位置以及连杆的尺寸。首先，为使拉伸的力尽量的小，位置1应该尽量靠近浇包的左侧位置，最终确定距离浇包左侧55mm处为1位置；其次，确定位置2，具体
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