液晶面板模组移栽机结构设计说明书

摘 要随着工业自动化、微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的快速发展，机械手在工业应用中越来越重要。工业机械手是近代自动控制领域出现的一项新技术，并已经成为现代机械制造生产系统中一个重要组成部分。这种新技术发展很快，并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、电器液压及气压技术、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。本文简要叙述机械手的应用，并重点阐述了在液晶面板生产过程中，用于将液晶面板模组从一段生产线移送到另一条生产线的液晶面板模组移栽机的结构设计。首先，文章介绍了机械手在工业生产过程中的应用，并简要介绍了工业机械手的设计理论和方法。其次，比较全面的讨论了运用移栽机完成面板移送工作的机械手结构设计，确定了该移栽机的传动方式，完成旋转机械手臂和夹紧部件的结构设计，以及各零部件的选用。最后，完成对各零部件的建模工作，并建立移栽机整体装配体，完成各零件工程图以及装配图的绘制工作。关键词：机械手 、液晶面板模组 、移栽机 、旋转手臂 、夹紧部件ABSTRACTWith the rapid development of industrial automation, microelectronic technology, sensor technology, control technology and mechanical manufacturing technics，robot plays more and more important roles in industrial applications. The industry manipulator is a new technology which in the modern automatic control domain , and already has became a important component in the modern machine manufacture production system. This new technology has developed rapidly, and becomes an emerging discipline- manipulator project gradually. The manipulator involves to mechanics, mechanics, the electric appliance hydraulic pressure and the barometric pressure technology, the automatic control technology, the sensor technology and the computer technology and so on scientific field, is an interdisciplinary comprehensive technology. This paper describes the application of robot, and focuses on the structure design of LCD panel module transplanting machine, which is used in LCD panel production process to transfer the liquid crystal panel module from one production line to another. Firstly, the article introduces the applications of robot in the industrial production process, and briefly introduced the industrial robot design theory and methods. Secondly, a more comprehensive discussion of the structural design of transplanting machine using to transfer the LCD panel module is proposed, and then determine the transmission mode of the transplanting machine, complete structural design of the machinery rotating arm and the clamping parts and Select all the standard components. Finally, to complete modeling work of all parts, establish the whole assembly of the transplanting machine, and complete drawing works of engineering drawings and assembly drawings of all machine parts.Key words : Robot; LCD panel module; Transplanting machine; Rotating arm; Clamping parts1目 录1 绪论 .11.1 工业机械手简介 .11.2 机械手的组成和分类 .11.2.1 机械手的组成 .11.2.2 机械手的分类 .21.3 工业机械手主要参数 .31.3.1 基本参数 .31.3.2 规格参数 .41.3.3 其他参数 .42 方案设计 .52.1 设计任务和要求 .52.1.1 设计任务 .52.1.2 设计要求 .52.2 运动方案设计 .52.3 移栽机械手旋转臂的整体运动方案 .73 机械手设计 .83.1 设计要求 .83.2 手臂机构方案设计 .83.3 带轮 .93.3.1 一级带轮计算 .93.3.2 二级带轮计算 .103.4 外壳 .123.4.1 外壳的结构设计 .123.4.2 外壳尺寸的确定 .123.5 轴 .123.5.1 主轴的设计 .123.5.2 第二级轴的设计 .133.5.3 第三级轴的设计 .143.6 抓取机构 .1523.6.1 抓取机构方案设计 .153.6.2 抓取部件的方案设计 .153.6.3 抓取结构设计 .164 Solidworks 建模 .204.1 机械臂外壳建模 .204.2 气流负压抓取机构建模 .204.3 摆动头部建模 .214.4 整体装配体建模 .224.5 零部件工程图绘制 .22总 结 .23参考文献 .24致 谢 .2531 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 所示。图 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4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5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。6C.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。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。72 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，8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 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 2 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，AB 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。9图 2 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 3 采用两级同步轮传动如图 3 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 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。图 4 机械旋转臂的整体设计方案移栽机的整体动作流程如下：101.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。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11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 4，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 5 所示。各尺寸值如表 1 所示。图 5 移栽机内部同步带轮与外壳之间的相对距离表 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 82 带轮顶圆与外壳的内壁的距离 73 带轮端面与外壳的内壁的距离 84 带轮端面与外壳的内壁的距离 103.3 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12动比为 1：1；第二级皮带传动比为 3：2。即： 5.1,1i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 值为 1.6。AK3.3.1 一级带轮计算1.计算功率=300X1.6=0.48KwPKAb2.选定带型根据功率、速度，由参考文献选用 A 型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 =80mm。1d(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 2dmdi80124.带轮外径的计算根据基准直径 ，查参考文献，得出带轮的外径为 85.5mmd5.确定中心距 a 和基准长度 dL根据公式计算带的中心距，初定中心距)(2)(7.021021dd ma20根据公式计算带的基准长度 aaLddd 3.65104)(1210 由参考文献选带的基准长度 L63根据公式计算实际中心距 amad 21.5200 中心距变化范围为 。9186.验算带轮的包角 90183.57)08(3.57)(18012 aad137.计算带的根数 z (1) 计算单根带的额定功率由 和 ，查参考文献查得md801in/5601r KwP61.0据 ， 和 A 型带，查参考文献得in/56r查参考文献得 8.,LKP49.01)(r0(2) 计算 V 带的根数9.4.8rcaZ取 1 根 V 带.8.带轮机构的图见附图3.3.2 二级带轮计算1.计算功率=300X1.6=0.48KwPKAb2.选定带型根据功率、速度，由参考文献选用 A 型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 =75mm。1d(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 2dmdi5.17.12根据参考文献，圆整为 112mm。4.带轮外径计算根据基准直径 ，查参考文献，得出带轮的外径为 80.5mmd5.确定中心距 a 及基准长度 dL根据公式计算带的中心距，初定中心距)(2)(7.021021dd ma20根据公式计算带的基准长度 aaLddd 37.6518104)(1210 由参考文献选带的基准长度 L6314根据公式计算实际中心距 amLad 190237.650200 中心距变化范围为 。916.验算包角 901683.57)1(803.57)(80121 aad7.计算根数 z (1) 计算单根带的额定功率由 和 ，查参考文献查得md801in/5601r KwP61.0据 ， 和 A 型带，查参考文献得in/56r查参考文献得 8.,LKP49.01)(r0（2）计算 V 带的根数98.4.rcaZ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 5，外壳机构如图 6。根据外壳的形状，零件毛坯为铸造件，材料为 HT20015图 6 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=520mm，L3=190mm，初定L4=205mm，L5=85mm，h1=50mm，h2=22mm，h3=30mm，h4=15mm,壁厚=8mm，R=12.5mm，D1=90mm,D2=120mm,D3=D2=90mm。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 7 所示。图 7 主轴的结构1）确定轴的最小直径按机械设计中式（152）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 于是得120AmnpAd 5.3204.130min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 md5.32in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。12) 轴承的选择与确定各段轴尺寸齿轮宽度为 16mm, ,定位轴肩 ，故取 h=5mm,查标准mLd15dh07.GB/T272-1994,选用深沟球轴承，轴承代号为 6008，d=40mm， ，因ma46此，确定该部份轴径 ， 轴肩部用于固定轴承内圈，按照所选轴承402316内圈尺寸 mm，确定轴肩处轴径 ， 轴肩固定带轮，轴径46admd4634d， 。m524 m025根据圆柱形轴伸标准， ， ， 。L10mLdd95,12根据外壳的尺寸，计算得 ， ， 。Ld84d35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 8 所示。图 8 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 。一端用于固定轴与外壳，另一md251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 da=30mm，确定轴肩处轴径 ，md302。根据外壳的尺寸，计算得 ， ， 。md253Ld186Ld125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17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 9 所示。图 9 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 。轴肩部分的轴径md251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 da=30mm，确定轴肩处轴径 , 处设计成md3023法兰盘形状，其轴径 , 。此处轴承均采用酯润滑，故未采用m603L3密封圈。根据外壳的尺寸，计算得 ， 。d651Ld62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 10 所示。18图 10 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 11 所示。图 11 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。192.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 。为使喷嘴出口处的压力Pk528.0低于 ，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2Pk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 12 喷射气流原理图3）喷射式负压吸盘结构图 13 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，20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13 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 13 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= 3214KDn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;吸盘吸附工件在起动时的安全系数，在此取 =1.5;1K 1K工作情况系数。板料间有油膜存在则要求的吸附力大些；2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(13)的范围内选取。在此，取 ；2K方位系数，吸盘垂直吸附时，则 ，f 为摩擦系数，橡胶吸盘3 K13吸附金属材料时，取户 0.50.8;当吸盘水平吸附时，取 。3代入数据得:21D=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 14 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22图 15 理论吸力与真空度之间的关系b.控制回路图 16 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。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。23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 17 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 18 所示。24图 18 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 19 所示。图 19 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：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。25图 20 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。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26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