【《自动分拣机械手的设计》7200字（论文）】

第1章前言现代化的计算机网络科学和信息技术的确是一场新型产业革命，将整个西方世界的知识经济由传统资本主义经济模式引入并带到了现代知识经济的新发展时代。在现代电子信息世界的各个领域，从20世纪时代中的一个新型无线电通信时代也已经开始直到进入21世纪以家用计算机和其他信息电子技术应用为设计核心的一个现代化和智能化新型家用电子系统时代。而传统的机械手控制系统则逐渐发展成熟到与电脑进行互联，使得机械手控制的系统变得更加的智能化，操作也变得更加简易方便。随着工业自动化的进一步发展，机械手(或称工业机器人)的应用将更加普遍，尤其随着我国的物流行业和仓储行业的进一步发展，西欧、日本、苏联和中国等偏远地区的机械手也已经开始了百花争放，未来整个人类经济社会将不断更新各种各样的新型分拣机械手。本项目中所设计的自动分拣机械手隶属于搬运机械手。所谓的搬运式机械手，就是把一个机械手直接安装到一个移动式的平台之上。这种架构使得机械手具备了很大的可以移动操纵空间及较高的运动冗余性，并且同时还具备了移动和可以操纵的功能，这样会使它比其他传统机械手更加优于现代化的机械手，因此在危险工程作业、制造商、服务业等领域具有广泛的应用和发展前景。但由于其结构复杂、强耦合、非线性、不完全等诸多技术问题的出现，都已经使得我们对于搬运式机械手进行研究更加具备了相当的挑战性。第2章总体方案设计与指标对于使用自动化分拣生产线过程中的分拣机械手和物料分拣管理单位的基本技术需求就是将两个分拣单位有效地相互配合联系起并连接在一起，通过各种温度传感的元器件和中央空调的排气缸等，能够迅速、准确地自动执行物品搬运和物料分拣。设计管理自动化分拣生产线的员工机械手和其他分拣作业单位的员工设计管理原则上要拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工艺流程中的各种模块数量和分布，使得在充分考虑到满足需要的条件基础上，让各种元器件在每一个模块，各种元器件在每一个单元中都能够具有最合理的位置，从而进一步地确定了对于自动化分拣线的结构要求和运行管理控制的技术要求；在设计过程中，计划选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的自动分拣机械手及分拣单元是为了实现通过模块的组合促进流水线的顺利运行，帮助整个物流体系的高效运行。参数说明：抓重：0.3千克；工件尺寸：Φ40mm，厚40mm;定位精度：±1mm；控制方式：①首选点位程序控制（简易且方便，相较于控制卡控制更具有其独有的创新意义）;机械手横移最大距离为800mm。2.2.1主体功能设计出如图2-1所示的简易工作台图2-1机械手系统构成简易图本图为最初设计出的简易模式分拣机械手，由此可见，分拣机械手部分作为两条传送带之间的桥梁进行多向运作。底座为圆柱型，依靠曲柄连杆旋转机构进行运动，向外抓取物件，再通过已经准备好的自动系统进行准确的抓取，减少误差。手臂部分可延伸，由手爪进行物件的准确抓取。在该机械手运作的基础上可实现：在工作启动时按住运行按钮，传送带A和B将开始工作。当光电开关检测到工件时，传送带A电机停止运行。继电器工作时，手臂会下降，而下降并到达下降限位开关接近开关，手臂停止下降。夹紧正在工作的继电器，并夹紧工件。大约2秒钟后，机械手臂会上升。当高继电器工作时，机械手上升并到达上限开关并接近该开关。继电器工作时，电机向左转。机械手将电动机向左旋转，然后将工件传送到传送带B上方，机械手向左旋转，并向左按下行程开关。旋转电机以终止操作。另外，机械手下降并到达限位开关接近开关。机械手停止下降并释放工件以释放工件。大约2秒钟后，机械手上升并到达限位开关接近开关。传送带B的马达工作，传送带B推动工件运行，机械手将马达向右旋转，机械手向右旋转以按下向右行驶开关，传送带B马达停止运行，并且传送带电动机再次开始工作，系统运转机械手便可以循环工作。2.2.2执行机构即直接抓取工件的部分，因为与物件接触的方法会有所不同，因此它可分为两种类型，即夹持式手和吸附式手。在该设计项目中，采用了夹持式手部机械结构。夹持式手部由机械手爪和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指制造容易，成本较低，故应用较广泛，本设计决定采用回转型。手部多为两指（也有多指，本设计采用两指）；机械手指指形也有不同设计，常用的指形有平面、V形面和曲面，本设计采用平面方式；另外，根据需要分为外向握法和内向抓法两种，本设计采用外向握法。如上图所示。2.2.3驱动机构驱动机构是该分拣机械手的重要组成部分。根据动力源和具体方面应用的不同，分拣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。而由于机械手本来就是机器人领域中的一个重要亮点，而与其它驱动方式相比较，液压机械手具有传递动力大、传动平稳性高等优点。本驱动机构计划采用液压驱动，所有动作都可以通过液压实现。如实物图2-2，图2-3所示：图2-2液压驱动夹持型机械手图2-3液压驱动夹持型机械手

第3章机构分析3.1.1机械手基本形式的选择常见的分拣机械手依据手臂的运动形态来定名称和用途，按坐标形式大致可以分为以下4种:(1)直角坐标型机械手；(2)圆柱坐标型机械手；(3)球坐标（极坐标）型机械手；(4)多关节型机机械手。经多次查阅资料及在实习单位亲身调研，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，旋转移动起来更方便，直观上讲更适用于物流分拣作业中，因此本设计采用圆柱坐标型。3.1.2机械手的主要部件及运动对于一个圆柱坐标型分拣机械手来说，该自动化模式下的分拣用机械手的设计需要的基本要求，基本目标和技术任务，为了满足所设计需要的基本要求条件，据实际观察，本论文计划所设计的机械手都应该至少具有5个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转和手臂升降5个主要运动。本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成，分别是①手部，采用一个自动垂直线状的圆形液压传动气缸，通过整个传动液压机构的固定运动角度来轻松完成腕和手部的抓张力配合；②对于腕和手部，采用一个自动定向回转式的圆形液压传动气缸后就可以轻松实现整个手部的自动回转180°；③臂部，采用直线缸来实现手臂平动50mm；④机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。3.1.3驱动机构的选择驱动机构本身就是分拣机械手的重要一个组成部分，而机械手的性能和成本费用等等对它来说有着巨大的影响，这主要依赖于它所采用的驱动设计方案和它们所配备的装置。根据动力源和应用市场的不同，分拣机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、以及电力与动力机械联合驱动四类，本毕业设计的是一种以机械液压驱动为驱动机构的专用机械手，它的性质具有机械结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便、驱动控制能力强等主要特征。所以，用于物流分拣中的机械手为保证工作效率，运输速度，液压驱动则是不二之选。3.1.4机械手的技术参数列表一、用途：搬运：用于快递物件搬运二、设计技术参数:1、抓重：6kg(夹持式手部)2、自由度数：6个自由度3、座标型式：圆柱型底座4、最大工作半径：160mm5、手臂最大中心高：100mm6、手臂运动参数：伸缩行程650mm伸缩速度400mm/s升降行程250mm升降速度200mm/s回转范围0~270°回转速度60°7、手腕运动参数：回转范围0~270°回转速度90°8、手指夹持范围：棒料：90~160mm片料：面积不大于1㎡9、定位精度：±1mm按照机械设计的基本要求，机械手臂就需要通过设计实现能够回转180°的四个回转方向运动，实现机械手臂的回转运动的机构通常设计在机身处。为了找到能够通过设计分析得到合理的各种人体运动机械部件，就常常需要对此进行各种综合合理地设计考虑，分析。机器人身上支撑着一个手臂，作为回转，升降等运动，它们是机器人的重要部件。常见的机体结构主要有以下几类:将自动回转器的气缸位置放在自动升降后的悬架结构中。该类壳体结构的最大优点之处在于它不仅能够同时需要承受更多的重力偏重和更大力矩。其中的缺陷主要表现在于传动回转式电机运动时由于电机传动轴与电机的回转路径距离很长，而且传动花键轴的运动变形常常会给传动回转式电机运动时的精度提高带来很多的不良影响。将两个回转式的气缸全部放入并移到自动升降机台面之上。该传动系统的外部结构设计选择了一个单缸导向活塞杆，内部传动为单缸导向，结构紧凑。但是，由于回旋式气缸和机械手臂的运动的一部分可以形成高速升降机，所以用于运动的机械部件的总数很大。活塞杆气缸和齿条齿轮机构。臂的旋转必须根据齿条齿轮机构完成：齿条的往复运动立即推动与臂连接的齿轮，使其在紧密协调的情况下作往复旋转，从而使臂可以上下移动顺利。图3-1分拣机械手CAD样式图分析：经过多次验证后综合分析思考，本文的设计方案选择了将回旋缸直接放入升降缸之上。本毕业设计设计的新型机身向两个不同方向平行运动，机身横向回转及机体升降两个不同方向。如图2-1所示，可回转式运动的机构机身是一种可装置于活动升降机主气缸之上的活动机身。手臂滑动部件通过手臂回转时气缸上部的端盖下部进行滑动连接，回转时气缸下部的滑动片通过回转缸体上部进行滑动连接，机械手手臂根据缸体情况进行回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆全部结构采用空心，内部安装有一个空心花键轴护套和一个空心花键轴相互配合。这种新型的机械传动结构主要特点是由于导向杆直接位于内部，结构紧凑。驱动控制机构主要采用电动模式下的液压驱动，回转进入气缸通过两个驱动输出两侧油孔，一个是进油孔，一个是排油孔，进油口的两侧分别通向气缸，使其旋转到气缸驱动器叶片的两侧，然后合理地完成了旋转气缸和驱动器叶片的双重旋转。旋转的旋转角度通常取决于挡块的旋转尺寸级别，以做出性能决定。对于这种刀片设计，每个人都必须考虑可以在两个旋转刀片之间连续旋转的角位置和旋转角度。为了更好地满足该刀片设计的性能要求，在这种设计中，可以适当地选择旋转转子和两个静态板之间的旋转角度以旋转180°。第4章关键部件设计与校核本设计是平动搬运机械手的设计，手爪的作用是整个分拣机械手所有结构中最重要的部分，也是直接直观上决定了机械手最终设计的是否成功，考虑到所需达到的原始参数：手抓张合角=，夹取重量为6Kg。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。对于吸附式机械手来说，常用于吸附工件表面平整、面积较大的板状物体，应用广泛程度不如夹持式机械手，因此不适合用于本方案设计。本自动分拣机械手采用夹持式手爪，夹持式的运动机械手根据其进行运动时的方式大致来说可以将其划分两类为纵向旋转型或者来说是横向平移式。平移型夹持手指的手掌张开或者手指闭合主要是手指依靠一只手指在一个平行物体上方的移动，这类型的手指由于整体结构简单，适用于直接夹持一块放在平板上的任何方料，且由于夹持工件的材料径向移动大小和在尺寸上的变化并没有直接因素影响工件到其材料中心和夹点的移动位置，其理论夹持误差零。但是若是要采用一种非常典型的自动水平移式机械手指，驱动力必须不需要被附加到驱动手指水平移动的各个方向上，这样就可能会直接导致手指结构更加复杂而且运动体积巨大。显然这种选择类型的值是不恰当的，因此我们也许可以重新选择该值的类型。通过综合考虑，本设计选择两根机械手指的回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧器的两种选择中第一种通常用的是手指分开弹簧夹紧器，它在此时弹簧的手指动力加大作用下由于此时机械手的手指动力加大使此时人们的手指被握住和，在机械压力和压力油的推动作用下，弹簧被压缩，此时机械手指可以张开。图4-1机械手机身结构示意图/proe图4-2机械手手爪示意图/proe接下来对其基本结构进行力学分析：①滑槽杠杆图4-1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。(a)(b)图4-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析1——手指2——销轴3——杠杆在杠杆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F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交F1和F2的延长线于A及B。∵∑Fx=0∴F1=F2（4-1）而由∑Fy=0得F1=F2cosαF1=-F1’（4-2由=0得h（4-3）∴F=（4-4）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。由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好的取值范围在30°到40°之间机械手的抓取精度控制设计一般要求对移动工件的抓取定位精度准确，抓取移动精度高，重复抓取定位的移动精度和工件移动时的稳定性良好，并必须具备工件足够的重复抓取移动能力。机械手如何掌握能否准确地快速夹持大型工件，把这些大型工件快速传递或达到其需要指定的工作位置，不仅主要直接取决于一个机械手的夹具定位精度(主要由其对手臂部、腕和背部等各种大型运动机械零件的定位大小精度决定)，而且还与一个机械手对夹具支持的定位误差敏感程度及其大小密切关联相关。特别是在各类多功能品种的中、小批量工件生产中，为了能够适应每个工件的最大尺寸在生产规模上一定很大程度内的发生变化，一定都需要对每个工作台的时间长度进行相当大的质量夹持和精度测量。图4-3手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为80mm-180mm。一般夹持误差不超过1mm，分析如下：工件的平均半径：（4-5）手指长，取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定：（4-6） 计算：（4-7）当S时带入有： （4-8）∴夹持误差满足设计要求。第5章结论就控制系统简单来说，该分拣机械手的设计所匹配的plc系统能够发挥强大的自动化分拣能力，可以根据物体的大小，颜色进行现场调试从而快速的进行调整和分拣。该系统具有良好的开放性能，可用来分拣材料、零件、工具等不同种类的物件；为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专用系统。而本论文设计的自动分拣机械手，主要适用于从事大批量或者小规模的大型工件分拣和装配工作，尤其在物流运输线和生产线中最为突出。机械手需要采用的结构和动力驱动都被认为是一种精度很高，适用性好的元器件。所需要采取的plc可编程控制器也就是简单容易操作，在工厂的现场实际生产操作中，可以起到很大的功能。这套装置的设计精妙，维修方便，即使只是经验不够丰富的专业一线作坊技术人员均能在设备上处理简单的故障情况，从而能够进行迅速有效地紧急维护。这种装配电池设备所需要使用的原材料等同样也是价格低廉，方便了各个小型加工厂大批量购置，对于生产的实际过程中也可以起到非常重要的促进作用。这套分拣设备的全部设计是直接采用一种模块化的结构设计，从而把传统的机械组成部分直接进行延伸到其它方面的设备组成部分，方便于快速安装，等同于为了方便于快速适应各种各样各类工件的分拣，而如果在后期内部加上了一些新型的光电质量检测和元器件分拣开关，那么就等于可以更加有效地对更多不同工艺品种的各类工件分拣进行高效快速的工件分拣安装操作，方便于快速适应不同工件生产厂家的不同工艺要求，后期