汽车减震器自动生产线组装机械手设计（优秀含全套CAD图纸+设计说明书）
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摘 要
本文简要地介绍了工业机器手的设计过程，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，启动控制和气动技术等的特点，并且展望了未来机械手的发展趋势。
本文对机械手进行了由局部到整体的设计，首先确定机械手所需要实现的功能 ，根据所要实现的功能进行机械手的设计，考虑到了机械手的对工件的定位、抓紧、吸附等功能。设计过程中确定了机械手的技术参数、零件的尺寸、标件的选型和部分危险截面的校核。
该机械手最终实现了对工件定位、下降、抓取、移动、一系列连续动作。
关键词：工业机器人；机械手；气动原件；定位机构
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毕业设计（论文）任务书 题目： 汽车减震器自动生产线 组装机械手设计 年 月 日 一 、 原始依据 （包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。） 为减轻和降低汽车发动机及变速箱的震动对汽车舒适度的影响，在发动机及变速箱和车架联接处都 采用柔性连接的方式，即安装有以橡胶做为弹性元件，带有液压阻尼系统的减震器。 自动液封生产线体可实现减震器的阻尼系统，在充满液体的环境下进行液体封装 、 压入作业。该生产线体由本体自动上料、导流管 自动上料、盖体自动上料、油液环境下预装配、油液环境下压装、蒸汽干燥、光电图像自动识别检测、动静缸检测、减震器自动下料、自动装箱、及基座压力装配等工位构成。 二、参考文献 1雷天觉等 液压工程手册 M 北京：机械工业出版社， 1991 2 赵则祥 M 南大学出版社， 1998. 3 朱家诚编著 M. 北京：机械工业出版社， 1996 4 曾正明 M. 北京：机械工业出版社， 2003 5 郑文纬 ,吴克坚 ,机械原理 M 高等教育出版社 ,2003 6 濮良贵 ,纪名刚 ,机械设计 M 高等教育出版社 ,2001 7白柳 M. 机械工业出版社 8 月 三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。） 每分钟输送 4 个，具体结构和尺寸见样件。 （ 1） 调研， 查阅与本课题相关的技术资料。 （ 2） 进行机构的方案设计及气动系统设计。 （ 3） 参照样件， 完成主要部件的选型相应的计算。 （ 4）画出总装配图和部装图、零件图。 指导教师（签字） 12 年 12 月 2 日 审题小组组长（签字） 年 月 日 业 论 文 专 业： 机械设计制造及其自动化 汽车减震器自动生产线组装机械手设计 摘 要 本文简要地介绍了工业机器手的设计过程，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，启动 控制和气动技术等的特点，并且展望了未来机械手的发展趋势。 本文对机械手进行了由局部到整体的设计，首先确定机械手所需要实现的功能 ，根据所要实现的功能进行机械手的设计，考虑到了机械手的对工件的定位、抓紧、吸附等功能。设计过程中确定了机械手的技术参数、零件的尺寸、标件的选型和部分危险截面的校核。 该机械手最终实现了对工件定位、下降、抓取、移动、一系列连续动作。 关键词 ：工业机器人；机械手；气动原件；定位机构 of of to of In by to to to to be to of of of a of 毕业设计 （论文） 1 第一章 前言 题设计的目的及意义 随着汽车工业的快速发展，汽车数量大量增加，用户和生产商对汽车的 平衡性和操作稳定性的要求日益严格，尤其是在 高端汽车中， 其 变速箱 ， 发动机 是 不是直接与车体 接触 的，为了减少车体震动，一般来说变速箱 与 车架之间会安装在发动机及变速箱和车架联接处都采用柔性连接的方式，即安装有以橡胶做为弹性元件，带有液压阻尼系统的减震器。 汽车减震器的自动 生产线为减轻和降低汽车发动机及变速箱的震动，对汽车舒适度的影响，在发动机及变速箱和车架联接处都是采用柔性连接的方式，即安装有以橡胶做为弹性元件，带有液压阻尼系统的减震器。 本自动液封生产线体可实现减震器的阻尼系统，在充满液体的环境下进行液体封装压入作业。 该生产线体由本体自动上料、导流管自动上料、盖体自动上料、油液环境下预装配、油液环境下压装、蒸汽干燥、光电图像自动识别检测、动静刚度检测、减震器自动下料、自动装箱、及基座压力装配等工位构成。 组装机械手属于非标自动化装备，在自动生产线上起着举足轻重的地位。非 标自动化与传统的自动化都属于自动化领域，但是非标自动化设备的功能是按照客户的功能是按企业用户工艺要求而量身设计、定制的自动化机械设备 ,其操作方便、灵活不单一，功能可按用户的要求而添加，可更改余地大。目前已经在国民生产中开始广泛的应用。非标自动化装备在汽车，工业、电子、医疗、卫生以及航空航天等领域都有很广阔的应用前景。 对汽车减震器自动组装机械手的设计有着重大的意义，不仅可以加快工作的效率，更重要的是有着极高的精度，可以排除因为工作人员的个人情绪因素对减震器组装精度的影响。从而给车主提供更舒适的乘坐环境。该设 计同时也是适应机械化自动化生产的必经途径。 内外发展情况简介 随着劳动力成本的不断提高，越来越多的企业关注工厂自动化这一领域，在给这一行业带来了发展商机的同时也带来了激烈的竞争和压力。人们开始清醒的认识到如何提升服务水准、如何提高生产效率提高生产精度已经成了非标自动化机械行业的当务之急。 目前 ,我国非标自动化机械化企业数量较多，但规模较小，技术落后、竞争同质化是共同的特点。如何参与这一行业的竞争成为一个挑战。目前，我国对工业机械手尚无交统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功能或用途等来分类。 按 规格（所搬运的工件重量）分类可以为四大类。 1）微型的 搬运重量在 12）小型的 搬运重量在 103）中型的 搬运重量在 504）毕业设计 （论文） 2 大型的 搬运重量在 500前大多数工业机械手能搬运的重量为 1小的为 大的已达 800 按功能分类也分为四大类。 1） 简易型工业机械手：有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓或挡块转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。近年来，普遍采用可编程序控制器（ 成控制系统。这种机械手多为气动或液动，结 构简单，价格便宜，改变程序较容易。只适用于程序较简单的点位控制，但作为一般单服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。 2） 记忆再现型工业机械手：这种工业机械手有人工通过示教装置领动一遍，有记忆元件（如磁盘、磁带或存储器）把程序记录下来，以后机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者相比较，有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较强。 3） 计算机数字控制的工业机械手：可通过更换穿孔带或其它记忆介质来改变工业机械手的动作程序，还可以进行多机控制 （ 计算机可以是可编程序控制器或微型计算机。 4） 智能工业机械手：有计算机通过各种传感元件等进行控制，具有视觉、热觉、触觉、行走机构等。 按用途分类可分为两类。 1）专用机械手：附属于主机的，具有固定的程序而无独立的控制系统的机械装置。这种机械手工作对象不变，动作固定，结构简单，实用可靠，适用于成批、大量生产的生产自动线或专机作为自动上、下料用。 2）通用机械手：具有独立控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。 非 标自动化市场将快速增长 ,自动化产品运用深度持续增加 与发达国家相比国内整体水平上有 10 20年的差距 充分利用信息技术的最新成果 不敢或不会选用 ,大大限制了水平的提高 0年 ,非标自动化在江浙沪、珠三角、京津地区获得了很大的应用 ,国内企业正在迎头赶上。 械手原理概述 工业机械手是由执行机构、驱动机构和控制系统所组成的，各部分关系如图（ 1示，机械手组成如下所述。 控制系统 驱动系统 执行机构位置检测装置工件图 1工业机械手组成框图 毕业设计 （论文） 3 行机构 执行机构由抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。 （ 1）手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型（多为回转型，因其结构简单）。手爪多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式或内抓式两种；也可用负压或真空式的空气吸盘（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构型式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮杠杆式、丝杠螺母式、弹簧 式和重力式。 （ 2）腕部 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位（即姿态）。 （ 3）臂部 手臂是支撑被抓物体、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物体，并按预定要求将其搬运到给定的位置。 手臂有三个自由度，可采用直角坐标系（前后、上下、左右都是直线），圆柱坐标系（前后、上下直线往复运动和左右旋转），球坐标系（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸缩）四种方式。 直角坐标占空间大，工作范围小，惯性小，所以一般不多用，只有在自由度数较少时用之。 圆柱坐标占空间较小，工作 范围较大，但惯性也大，且不能抓取底面物体。 球坐标式和多关节式占用空间小，工作范围较大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体，多关节还可以绕障碍物选择途径，但多关节式结构较复杂，所以也不多用。 目前常用的是球坐标式和圆柱坐标式的工业机械手。 （ 4）行走机构 有的工业机械手带有行走机构。 动机构 有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位控制时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在 300N 以下。液动式的臂力可达 1000N 以上，且可用电液伺服机构，可 实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在 1前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。 动技术发展状况及优缺点 气动技术是一门正在蓬勃发展的新技术，气动元件是气动技术中最重要的组成部分，用气动元件组成的传动和控制系统己广泛应用于国民经济各部门的成套设备和自动化生产线上。气动技术是以压缩气体 (例如压缩空气或惰性气体和热气体 )为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过程自动化的一门技术，它包含气压传动和气动控制两方面的内容 18,19。 毕业设计 （论文） 4 气动技术的发展历程，是从单个元件到控制系统，从单纯机械系统到机电一体化的复杂高科技产品的历程。 人类对空气进行利用，以其为传递能量的介质可追溯到几千年以前。但真正对起性质和基本原理进行系统的研究也是从本世纪开始，形成以气压传动系统动力学和气动控制理论为主要内容的一门学科 气动系统理论。 目前，气动和液压是两种较为普遍应用的传动和控制方式，两者有许多相同点，也有许多不同点，气动技术真正成为全世界各个工业部门所接受并广泛应用，是由于日益迫切的生产自动化和操作程序合理化的需要，也由于气动技术具有以下许 多优点 : (1)气动技术以空气为工作介质，空气随处可取，且粘性小，在管内流动阻力小，便于集中供气和远距离输送。因而，大多数工厂有方便的压缩空气气源。作为工作介质的压缩空气的物理性质，是气动技术在广泛的各种应用具有安全、方便和费用低的优点。压缩空气没有生产火花的危险。因此，它始于有易燃或爆炸潜在危险的工矿。 (2)气动元件机构简单，价格低廉，用过的空气可向大气排放，处理方便，不必使用回收管道。 (3)气动系统清洁，即使有泄漏，也不会像液压系统那样污染产品和环境，不受电磁干扰，电子系统则有之。 (4)气动系统维 护不复杂，也不需要特殊的培训和实验设备。 (5)适应性强，现有的机器可方便的改为气动传动，气缸可以直接安装在要求出力的地方。 (6)便于进行能量储存，可以进行应急或系统需要用。 (7)气压传动本身有过载保护性能。气动执行元件能长期在满负荷下工作，在过载时自动停止。 (8)气动元件运动速度高，普通气缸的运动速度一般为 s，有的高达13m/s，高速气缸可达 15m/s。 调查资料表明，目前气动装置在工业自动化装备中占很重要的地位。 当然，气动技术也有其缺点 : (1)压缩空气需要进行除尘、除水处 理。 (2)空气的可压缩性使系统效率低，且使气动系统的稳定性差，给位置和速度的精确控制带来很大的影响。 (3)系统运行时排放空气的噪声较大。 毕业设计 （论文） 5 (4)气动信号的传递速度远比电信号低，而且有较大的延迟和失真，因而气动控制技术不宜用于高速传递和处理信息的复杂系统，而且气动信号的传送距离也受到限制。 尽管气动技术上有一些缺点，但它的优点还是主要的，所以气动技术能在各个工业部门中得到日益广泛的应用。而气动元件更是一种经济实用的机械化、自动化的理想元件。现在，气动技术和电子电器、液压技术一样，都成为自动化生产过程的有效 技术之一，在国民经济中起着越来越大的作用。气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到 50年，却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广、发展最快，也最容易接收及重视的技术之一，气动技术己成为各个行业不可缺少的一部分。在国外，气动被称为“廉价的自动化技术”。 气动技术由几个主要的历史发展阶段。至 50 年代初，大多数元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。 60 年代，开始构成工业控制系统，应用成体系，不再与风动技术相提并论。在 70 年代，由于与电子技术的结合应用，在自动化领 域得到广泛的推广。80 年代则是集成化、微型化的时代。 90 年代末本世纪初，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，重复精度达 模块化气动机械手， 5mm/s 低速平稳运行及 510m/s 高速运动的不同气缸相继问世。在与计算机、电气、传感、通讯等技术相结合的基础上产生了智能气动这一概念 (气动比例与伺服、智能阀岛、模块化机械手 )。气动伺服定位技术可使气缸在气动机械手位置伺服控制系统的研究高速运动 3mm/s 情况下实现任意点自动定位。智能阀岛技术十分理想的解决了整个自动化生产线的分散与集中控制问题。现代 气动的发展趋势是微型化、集成化、模块化、智能 气动机器人采用压缩空气为动力源，一般从工厂的压缩空气站引到机器人作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机器人具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中、小型零件的输送和自动装配等作业，食品包装及运输，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。 气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制 的中、小机器人中的。这类机器人多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构； 3自由度；负荷在 200N 以下；速度 300s；重复定位精度为 +/5制装置目前多数选用可编程控制器（ 在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成。 毕业设计 （论文） 6 由总压缩空气站提供。气源部分包括空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站的条件，可以按机器人及配套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。 由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是一般情况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增加使用寿命。 气动阀的种类很多，在工业机器人的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。 多数情况下使用气缸（直线气缸或摆动气缸）。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外（如手爪机构上 用的），多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点位置缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机器人机构的连接方式（如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等）由设计机器人时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机器人的运动分析和动力分析进行计算。为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降低摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中已获得广泛的应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯，进行 位置检测。除了直线气缸外，机器人中用得比较多还有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于手腕机构上。 气动机器人的定位问题很大程度上是如何实现停点的制动。气缸活塞的运动速度容许达 s，如果气缸以 1m/s 的速度计算，电磁气阀以较大关闭时间 70么气缸活塞两个停点的距离约为 70个停点的步长应大于这个数值。对于小流量的电磁气阀，吸合关闭时间较小，停点的步长也要相应缩短。因此对机器人一个单自由度而言，停点数目最多 6。为增加定位点数，除采用多位置气缸外可采用制动的方法还有：反压制动 ，制动装置制动。 气动机器人各运动轴的制动和定位点到位发讯，可由编程器发指令，或由限位开关发讯。根据要求和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限位开关是无接触接近开关，这种开关的反映时间小于 20机器人中应用比较理想。当气缸活塞运动到定位点时，为保证定位精度，需要将运动轴锁紧。常用的限位机构是由电磁阀控制的气缸带动锁紧机构（插锁，滑块等）将机器人运动机构锁定。再启动时，事先打开锁毕业设计 （论文） 7 紧机构 制系统 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程序控制，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。 业机械手在生产中的作用 机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下一些方面。 造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线 一般都采用机械手在机床之间传送工件。国内已建成的这类自动线很多，如沈阳水泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的 4 号和 5 号电动机轴加工自动线（轴类），上海拖拉机齿轮厂的齿柸加工自动线（盘类）等。 加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工 件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气缸盖加工自动线转位机械手。 实现单机自动化方面 （ 1） 各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用最多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二机床厂的自动循环液压仿形车床机械手，沈阳第三机床厂的 海第二机床厂的滚齿花键机床机械手等。由于这方面使用已有成熟的经验，国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械手，或为用 户自行安装机械手提供条件 。 （ 2）注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。 （ 3） 冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是 160t 以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂 20000是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进，如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位冲床）和天津二轻局技术研究所制作的 12 毕业设计 （论文） 8 、锻、焊、热处理等加工方面 在模锻方面，国内大批量生产的 3t、 5t、 10t 模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定夹角布置在炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。 总的来说，工业机械手满足了社会生产的需要，其特点是： （ 1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要跟据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常的高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘 、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。 为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、钢造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊接等作业中，推广工业机械手或机器人。 （ 2）由于机械手的动作准确，因为可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。 （ 3）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人得功能。人在连续工作几小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，即能胜任长时间的单调重复劳动。 （ 4）机械手特别是通用工业机械 手的通用性，灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置（或轨迹）能够十分灵活快速地予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能，在中、小批量的自动化生产中，最能发挥其作用。 （ 5）采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。 业机械手的技术发展方向 现在工业机械手的应用简况：在现在工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序 机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。 有资料统计：美国偏重于毛坯的生产。日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还有所改变。 机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动毕业设计 （论文） 9 条件。 国内机械手工业，铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料。减轻工人的劳动强度。 国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床组合成一个综合的数控系统。 采用机械手进行装配更是现在研究的重点，国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起 ，能确定零件的方位达到镶装的目的。 国内外实际上使用的定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确地夹持工件，进而精确地在机器中定位、定向。 为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和法、分辨形状不同的零件，它有视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工作。 为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物体滑落下来，一般采用两种方法：一是检测把握物体手臂的 变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物体的滑动位移，来修正握力。 因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能： （ 1）能准确地抓住方位变化的物体。 （ 2）能判断对象的重量。 （ 3）能自动避开障碍物。 （ 4）抓空或抓力不足时能检测出来。 这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手，它是具有发展前途的。 现在，工业机械手的使用范围只限于在简单的操作方面节省人力，其效用是代替人从事繁重的工作和危险地工作，在恶劣的环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的 应用情况决不能说是很好的。虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小。另外经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和毕业设计 （论文） 10 价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将会飞跃发展。 毕业设计 （论文） 11 第二章 机械手设计方案 动组装机 械手应实现功能简介 图 2了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，可以进行拆卸和更换，使用夹持式手部，根据限制机械手的旋转、水平方向的相对移动来固定机械手。本设计需完一号和二号件（如图 1示）装配到三号件中的工序，由于两个工件的质地，形状不同，装配时对机械手的要求也各不相同，所以，针对两种需求，设计出两种机械手来满足需求。本人对两种机械手分别命名为“塔式”三爪机械手，和通用三毕业设计 （论文） 12 爪机械手。 “塔式”机械手和通用三爪机械手需要完成的功能动作如下： （ 1） “塔式”机械手夹持可动膜，需完成 可动膜在油液中的定位、吸附、抓取、移动到装配工位（此为设计支架同学设计范畴）、在装配工位装配（为过盈配合需要机械手具备推压功能）。 （ 2） 通用三爪机械手，从通用性考虑为一般机械手，实现一般零件的抓取功能，此处抓取的为钢制零件，而且零件厚度比较大，需要实现两件的粗定位和抓取功能即可。 机械手工作流程简介： 机械手的原位 伸缩臂前伸 夹持器夹紧 伸缩臂后缩 伸缩臂前伸 机械手松开工件 伸缩臂后缩 机械手复位：依次循环 其机械手直角坐标型运动简图如下图所示： 图 2直角坐标式 持装置（手指）的设计 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式 :按手指夹持工件的部位又可分为内卡式 (或内涨式 )和外夹式两种 :按模仿人手手指的动作，手指可毕业设计 （论文） 13 分为一支点回转型，二支点回转型和移动型 (或称直进型 )，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指 ;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位 置，能适应不同直径的工件。 考虑到一号件和二号件均为圆形类零件，可采用外夹式三指手抓夹持，“塔式”机械手夹持的一号零件（可动膜）为软塑料材料，周圈为一个薄钢圈，夹持好定位困难，机械手的夹持相对复杂，仅用手抓远不能达到要求，需要同时用磁铁吸附和吸块吸附来进行精确地定位和夹持。 爪设计时应考虑和解决的问题 (一 )具有足够的握力 (即夹紧力 ) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (二 )手指间应具有一定的开闭角 (三 )两手 指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (四 )保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“ V”形面或者多指类的手指，以便自动定心。 (五 )具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的 惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应 尽量 使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 抓方案确定 方案一：外卡三爪机械手，动力系统为气缸的驱动，用气缸的伸缩带动机械手抓的张合，从而抓取物体。该手抓典型的特点：适合抓取厚度稍薄的圆盘类零件。手抓结构毕业设计 （论文） 14 图如下： 图 2械手爪 1 2 3 4 5 6原理介绍：气缸为本机械手爪的动力控制系统，由气缸活塞的伸缩控制机械手爪的张合。主要是利用了杠杆原理，手爪支座为整个手 爪的支点，当气缸进气端进气时，气缸活塞外伸，推动上连板上升，上联板会带动连杆同步上升，在支点作用下手指向手心处合拢，实现抓取零件。适合抓取圆盘类且容易滑脱不易抓取的零件。 方案二：三爪平行移动机械手，同样是气机械手，在气缸的推动下实现手爪的张合，不过结构远比方案一简单，主要适合抓取一般的较厚的零件，对被抓零件的定位要求较低，可以实现在误差较大的情况下抓取零件。零件最好为规则的圆盘状，否则容易滑脱。 毕业设计 （论文） 15 图 2移机械爪 1 2 3工作原理简介：该机械手的主要依靠平行 四边形连臂实现手爪的平行移动，活塞杆与气缸相连当活塞杆向下推动时连臂在支点作用下，发生变形，使夹爪水平向外移动，实现手爪的张开，反之实现手爪的闭合。该机械手典型的特征是：可抓取一系列直径的零件，张合幅度较大，具有通用性，因此称作“通用机械手”。 方案三：普通两爪机械手。 图 2通机械手 毕业设计 （论文） 16 该机械手由两个手爪构成，也是通过支点杠杆原理控制机械手张合，手爪成一个弧度张开或闭合，对于气缸推力传递效率高，可达到较大的夹紧力，适合夹紧柱状的工件，对工件未定不精确。 综上三种方案考虑应选着方案一和方案二合适。方 案一：专门针对可动膜的夹取量身定制的机械手，可以防止滑脱。方案二：一般通用机械手，适用于多种场合，可以抓取直径变化的多种工件。 机械手推压机构方案设计 工业机械手推压机构仅是用来完成可动膜与基座的装配，为在油浴中的过盈配合，需要推力机构进行推压，把可动膜推进基座内，而且推压立构不能与夹紧机构形成干涉，由于空间的限制，推压机构必须与手抓的抓紧机构合并为一体。这就给该机械手的设计提高了很大的难度。同时推压机构会对机械手各部件形成一定的冲击，也对其它零件的刚度有了更高的要求。通用机械手不用该机构。 机械手推压机构设计注意事项分析 (1)可动膜中间为柔软的橡胶材料，如果推压中间部位一定无法用力，而且极易把可动膜损坏。可动膜周边为薄钢环，刚度极高，可以考虑作为推压的对象。 (2)对钢环进行推压如果要用推块推压，实现困难，会导致推块与机械手抓形成干扰，影响抓紧机构。 (3)推压力不宜过大，以免对零件形成损坏，所以基本可初定用对称的三杆机构进行推压比较合理，不仅节省空间而且满足需求。 压机构方案确定 毕业设计 （论文） 17 图 2压机构 原理简介 塔式”机械手定位方案设计 可动膜材料柔软， 定位困难可考虑用定位块进行精确定位。 位块需要实现功能简介 （ 1）由于机械臂长，移动过程中会有摆动，对定位照成很大误差，定位块要求排除误差，即使在有误差行快下也可以准确定位零件。 （ 2）准确把零件送入机械手爪内，配合机械手抓进行抓取。 （ 3）防止定位块进行径向的窜动。 位块结构设计 毕业设计 （论文） 18 塔式”机械手吸附机构设计 用油压吸附 用磁铁吸附 毕业设计 （论文） 19 塔式”机械手导向机构 气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手 指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时， 应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 械手总体方案评价 毕业设计 （论文） 20 第三章 机械手的计算和校核 钳式手部的计算与分析 紧力的计算 手指加在工件上的 夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： 2 式（ 式中： 安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定，通常取 工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工作情况系数 +， m/s） : 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定 手指与工件位置：手指水平放置，工件水平放置； 图 3 表 夹紧力的方位系数 手指与工手指水平放置夹水平放置的工件 手指水平放置夹水平悬臂放置的工件 手指水平放置夹垂直放置的工件 毕业设计 （论文） 21 件位置 V 型 指 夹 圆 棒 )213(3 粗略计算 V 型手指半角。 粗略计算 4 手指与工件位置 手指水平放置夹水平放置的工件 手指水平放置夹水平悬臂放置的工件 手指水平放置夹垂直放置的工件 V 型 指 夹 圆 毕业设计 （论文） 22 棒 ）（ 粗略计算 K 3 粗略计算 4 手指与工件形状： V 型指端夹持圆柱型工件； 即根据手指与工件的位置要求查表 G 被抓工件重量； 因此，求得夹紧力 F,1200= 取整的151N。 动力的计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： FN= 式中： c 2 销轴之间的水平距离 b 2 销轴 之间的竖直距离 可得 F=33 15151=出 F 为理论计算值，实际采取的气压缸驱动力F要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取 处取 ： F=F= F=400N 压缸的计算和选取 缸驱动力的计算 由设计任务可以知道， 要驱动的负载大小位 400N，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响，并考虑毕业设计 （论文） 23 到机械爪的质量。在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率 ： 由液压与气压传动技术表 11 运动速度v=3m/0mm/s，取 =以实际液压缸的负载大小为： F= = 气缸内径的确定 D= 气缸的输出拉力 N； P 气缸的工作压力 照 2348 D=50 缸缸径尺寸系列 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （ 90） 100 （ 110） 125 （ 140） 160 （ 180） 200 （ 220） 250 320 400 500 630 塞杆直径的确定 由 d=取活塞杆直径 d=16 业设计 （论文） 24 筒长度的确定 缸筒长度 S=L+B+30 活塞厚度 B=(= 5于气缸的行程 L=160所以 S=L+B+30=225 向套滑动面长度 A: 一般导向套滑动面长度 A，在 , 可取 A=()d。 所以 A=28小导向长度 H： 根据经验，当气缸的最大行程为 L，缸筒直径为 D，最小导向长度为： H 代入数据 即最小导向长度 H + =25.5 塞杆的长度 l=L+B+A+80=160+35+28+80=303 气缸筒的壁厚的确定 由液压气动技术手册可查气缸筒的壁厚可根据薄壁筒计算公式进行计算： 式中 c 缸筒壁厚（ m）； D 缸筒内径（ m）； P 缸筒承受的最大工作压力（ 毕业设计 （论文） 25 缸筒材料的许用应力（ 实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的 7倍；重型气缸约取计算值的 20倍，再圆整到标准管材尺码。 参考液压与气压传动缸筒壁厚强度计算及校核 ,我们的缸体的材料选择 45钢。 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉强度 (P 缸筒承受的最大工作压力（ 当工作压力 p 16 ， P=工作压力 p 16 P=此可知工作压力 6P=照下表 气缸筒的壁厚圆整取 c= 5 缸耗气量的计算 Q =s 缸进排气口直径 d0 v 空气流经进排气口的速度，可取 v=10 选取 v = 12 m/s 由公式 2 毕业设计 （论文） 26 代入数据得 以取气缸排气口直径为 10 工作压力下输入气缸的空气流量（） 取 v=1025） 塞杆的校核 由于所选活塞杆的长度 L=10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择 45钢。 参考机械设计手册单行本 由液压气动技术手册 稳定性校核： 由公式 式中 活塞杆承受的最大轴向压力（ N）； K 纵向弯曲极限力（ N）； 稳定性安全系数，一般取 合考虑选取 2 K 活塞杆横截面回转半径，对于实心杆 K=d/4 代入数据 K =16/4=4业设计 （论文） 27 由于细长杆比 85 即 实心圆杆： J = 式中 L 气缸的安装长度 ； m 末端系数；选择固定 自由 m = 1/4 E 材料弹性模量，钢材 E = 1011 J 活塞杆横截面惯性矩（ d 活塞杆的直径（ m）； L 气缸的安装长度为活塞杆的长度为 170入数据得 因为 = 所以活塞杆的稳定性满足条件； 强度校核： 由公式 d ， 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉强度 (45钢的抗拉强度， =600 = = 120 业设计 （论文） 28 则 = d ，所以强度满足要求； 综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求。 缸密封 气缸的连接与密封直接影响气缸的性能和使用寿命，正确的选用连接和密封装置，对保证气缸正常工作有着十分重要的意义。 缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、钢筒螺纹、卡环等，本气缸四根采用拉杆式双头螺栓连接，由于工作压力小于 1需要强度校核。根据许用静载荷，查机械设计手册单行本表 22别选用 对于活塞与气缸筒之间采用两个 它摩擦副均使用 O 型密封圈密封。构简单，摩擦阻力小。 被密封表面的内径大。 用寿命长，摩擦阻力较 毕业设计 （论文） 29 毕业设计 （论文） 30 第四章 机械手的定位与平稳性 用的定位方式 机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。 若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般 可高于 定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。 响平稳性和定位精度的因素 机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下： （ 1、）定位方式 不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。 （ 2、）定位速度 定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的 运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。 （ 3、）精度 机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。 （ 4、）刚度 机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。 （ 5、）运动件的重量 运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。
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