注塑機取件機械手的設計.doc

編號 本科生畢業(yè)論文注塑機取件機械手設計Design Of Manipulator For Injection學 生 姓 名徐天專 業(yè)機械電子工程學 號090321218指 導 教 師褚劍峰學 院機電工程學院二一三年六月 - 30 - / 37畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)承諾書1本人承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文）注塑機取件機械手設計，是認真學習理解學校的長春理工大學本科畢業(yè)設計（論文）工作條例后，在教師的指導下，保質保量獨立地完成了任務書中規(guī)定的內容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內容。2本人在畢業(yè)設計（論文）中引用他人的觀點和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻形式列出，對本文的研究工作做出重要貢獻的個人和集體均已在文中注明。3在畢業(yè)設計（論文）中對侵犯任何方面知識產(chǎn)權的行為，由本人承擔相應的法律責任。4本人完全了解學校關于保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交論文和相關材料的印刷本和電子版本；同意學校保留畢業(yè)設計（論文）的復印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學校可以采用影印、縮印或其他復制手段保存畢業(yè)設計（論文），可以公布其中的全部或部分內容。以上承諾的法律結果將完全由本人承擔！作 者 簽 名： 年 月 日摘 要在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運、取件以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設計一臺三自由度的工業(yè)機器人，用于給注塑機取出成品。 關 鍵 詞：機器人 氣缸 注塑機 結構設計Abstract In order to enhance the efficiency of production and guarantee the quality of products,more attention has been paid to the automation in the process of production in the modern manufacturing industry with large scale.Therefore,industrial robots are gradually appproved and adopted by enterprises as an important part in the automation production line.To some extent,the technical level and application of industrial robots have reflected on the automation level in national industries.At present,they mainly undertake such jobs mostly in playback way as welding,spraying,transporting taking and stowing,which are usually done repeatedlywith high work strength.In the thesis,an industrial robot with three DOFS will be designed to remove the finished molding machine.Key words: android;cylinder;injection machine;structural design目 錄摘 要IAbstractII第1章 前言11.1 機器人概述11.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀11.3 機械手的組成和分類31.3.1機械手的組成31.3.2機械手的分類41.4 機器人發(fā)展趨勢6第2章 機械手設計方案82.1 機械手基本形式的選擇82.1.1 直角坐標型機器人82.1.2 圓柱坐標型機器人82.1.3 極坐標型機器人82.1.4 多關節(jié)機器人82.2 驅動裝置的選擇92.2.1 液壓驅動102.2.2 氣壓驅動102.2.3 電動機驅動102.2.4 氣動機械手概述112.2.4 氣動機械手概述12第3章 引拔設計133.1 設計參數(shù)133.2 方案設計133.3 引拔機構結構設計133.3.1 引拔氣缸參數(shù)計算133.3.2 附加導向桿機構設計14第4章 機械臂的設計164.1 設計參數(shù)164.2 方案設計164.3 機械臂氣缸的選用164.3.1 預選氣缸的缸徑164.3.2 預選氣缸行程164.3.3 驗算緩沖能力174.3.4 活塞桿長度的驗算174.3.5 計算氣缸的空氣消費量174.3.6 選擇活塞桿端部接頭174.3.7 選擇氣缸的品種和安裝形式17第5章 橫行的設計185.1 設計參數(shù)185.2 方案設計185.3 橫進氣缸的選用185.4 導軌設計19第6章 機械手結構設計206.1 夾持器設計的基本要求206.2 夾緊裝置設計206.2.1 夾緊力計算206.2.2 驅動力計算216.2.3 氣缸驅動力計算216.2.4 選用夾持器氣缸216.2.5 手爪的夾持誤差及分析226.2.6 楔塊等尺寸的確定246.2.7 材料及連接件選擇27第7章 氣動順序動作的確定28結 論29參考文獻30致 謝31第1章 前言1.1 機器人概述在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎?！肮I(yè)機器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。簡而言之，機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構執(zhí)行機構；像肌肉那樣使手臂運動的驅動傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構、驅動傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1-1所示。圖1-1 機器人的一般組成1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀 機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。 目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機器人正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。 第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。 目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結構的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結構的機器人系統(tǒng)。我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。1.3 機械手的組成和分類1.3.1機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。(一)執(zhí)行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有四個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。6、機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動。控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置.1.3.2機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。(一)按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:1、專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。2、通用機械手它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制；同時還可分為伺服型和一般型的機械手，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。(二)按驅動方式分1、液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分1、點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。1.4 機器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術的提高，機器人設計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： a)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人； b)開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合；c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。新世紀，生產(chǎn)水平及科學技術的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。在機械工業(yè)中，機械手的應用具有以下意義：可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。可以改善勞動條件、避免人身事故在高 溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3.可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。 第2章 機械手設計方案 2.1 機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可以分為以下4種，如圖2-1所示：（1）直角坐標型機械手；（2）圓柱坐標型機械手；（3）極坐標型機械手；(4)多關節(jié)型機械手。2.1.1 直角坐標型機器人 直角坐標型機器人，它在x,y,z軸上的運動是獨立的，3個關節(jié)都是移動關節(jié)，關節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測和作業(yè)。這種形式的主要特點是： (1)在三個直線方向上移動，運動容易想象。 (2)計算比較方便。 (3)由于可以兩端支撐，對于給定的結構長度，其剛性最大。 (4)要求保留較大的移動空間，占用空間較大。 (5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。 (6)滑動部件表面的密封較困難，容易被污染。2.1.2 圓柱坐標型機器人圓柱坐標型機器人，R、和x為坐標系的三個坐標，其中R是手臂的徑向長度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點是：(1)容易想象和計算。(2)能夠伸入形腔式機器內部。(3)空間定位比較直觀。(4)直線驅動部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質。(5)手臂端部可以達到的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。2.1.3 極坐標型機器人 極坐標型機器人又稱為球坐標機器人，R，和為坐標系的坐標。其中是繞手臂支撐底座垂直軸的轉動角，是手臂在鉛垂面內的的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。其特點是： (1)在中心支架附近的工作范圍較大。 (2)兩個轉動驅動裝置容易密封。 (3)覆蓋工作空間較大。 (4)坐標系較復雜，較難想象和控制。 (5)直線驅動裝置仍存在密封問題。 (6)存在工作死區(qū)。2.1.4 多關節(jié)機器人 多關節(jié)機器人，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。、和為坐標系的坐標，其中是繞底座鉛垂軸的轉角，是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，是第二臂相對于第一臂的轉角。這種機器人手臂可以達到球形體積內絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點是：(1)動作較靈活，工作空間大。(2關節(jié)驅動處容易密封防塵。(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。(4) 適合于電動機驅動。(5)運動難以想象和控制，計算量較大。(6)不適于液壓驅動。 直角坐標型 圓柱坐標型 極坐標型 多關節(jié)型 圖2-1 工業(yè)機械手基本結構形式本課題要求機械手為直角坐標型.2.2 驅動裝置的選擇機器人關節(jié)的驅動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅動方式進行分析比較。2.2.1 液壓驅動機器人的驅動系統(tǒng)采用液壓驅動，有以下幾個優(yōu)點：(1)液壓容易達到較高的壓力（常用液壓為2.56.3MPa），體積較小，可以獲得較大的推力或轉矩；(2)液壓系統(tǒng)介質的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度；(3)液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制；(4)液壓系統(tǒng)采用油液作介質，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。液壓傳動系統(tǒng)的不足之處是：(1)油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃爆炸等危險；(2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質量，故造價較高；(3)需要相應的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，否則引起故障。液壓驅動方式的輸出力和功率更大，能構成伺服機構，常用于大型機器人關節(jié)的驅動。2.2.2 氣壓驅動與液壓驅動相比，氣壓驅動的特點是：(1)壓縮空氣粘度小，容易達到高速；(2)利用工廠集中的空氣壓縮站供氣，不必添加動力設備；(3)空氣介質對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應用于高溫作業(yè)；(4)氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。它的不足之處是：(1)壓縮空氣常用壓力為0.40.6MPa，若要獲得較大的力，其結構就要相對增大；(2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很困難；(3)壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當會使鋼類零件生銹，導致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。氣動式驅動多用于點位控制、抓取、開關控制和順序控制的機器人。2.2.3 電動機驅動電動機驅動可分為普通交、直流電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。 普通交、直流電動機驅動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。伺服電動機和步進輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。交、直伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。2.2.4 氣動機械手概述氣動機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制.由于氣壓驅動氣源容易獲得，無污染，,故本設計確定選用氣壓驅動。2.2.4 氣動機械手概述氣動機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制.第3章 引拔設計3.1 設計參數(shù)（1）伸縮長度：160mm；（2）單方向伸縮時間：12S；（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；（4）前端安裝機械臂連接塊，伸縮終點無剛性沖擊；3.2 方案設計氣動驅動方案伸縮原理采用單出桿雙作用氣動油缸，手臂縱向移動時采用單向調速閥進行節(jié)流調速，接近終點時，發(fā)出信號，進行調速緩沖，靠氣缸行程極限定位，采用附加導向桿防止轉動，采用電液換向閥，控制伸縮方向。1、引拔 2、小型導向氣缸 3、機械臂連接塊 4、附加導向桿圖3-1 引拔示意圖3.3 引拔機構結構設計3.3.1 引拔氣缸參數(shù)計算預選氣缸的缸徑及缸桶壁厚:根據(jù)氣缸的負載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負載力F。取=0.2 F=W=0.2*300=60（N） （3-1）【6】根據(jù)負載的運動狀態(tài)，預選氣缸的負載率。取=50%根據(jù)氣源供氣條件，確定氣缸的使用壓力p。p應小于減壓閥進口壓力的85%。已知F,和p，對雙作用氣缸，預選桿徑與缸徑之比d/D=0.30.4，由式（3-2）至式（3-4），便可選定缸徑D，缸徑D的尺寸應標準化. （3-2）【6】 （3-3）【6】 (3-4) 【6】解得D17.66 考慮到氣缸的行程比較長缸徑D取。缸桶壁厚可根據(jù)薄壁筒的計算公式計算： (3-4) 【6】式中D為缸筒內徑(cm)，p為缸筒承受的最大氣壓力(MPa)，為缸筒材料的需用應力（MPa）。缸筒壁厚的實際取值，對于一般用途氣缸約取計算值的7倍，再圓整到標準管材尺寸，這里b取10mm。預選氣缸行程：根據(jù)氣缸的操作距離及傳動機構的行程比預選氣缸行程為160mm。驗算緩沖能力：根據(jù)氣缸的運動狀態(tài)是輸出拉力、負載率=50%、氣缸的行程L=160mm和氣缸的動作時間t=1.5s,由氣動手冊P293圖9-7可查得氣缸的理論基準速度=700.由表9-20，可查得氣缸的最大速度與理論基準速度之比a值為0.9，從而求的氣缸的最大速度=630。查得氣缸的負載質量M和最大速度的交點在預選氣缸缸徑的緩沖曲線之下，表示負載運動的動能小于氣缸允許吸收的最大能量，所以該預選缸徑的緩沖能力滿足要求。活塞桿長度的驗算：查氣動手冊CG1系列氣缸活塞桿受軸向壓力而不失去穩(wěn)定性的最大行程為290mm大于要求行程160mm，故滿足要求。計算氣缸的空氣消費量：該氣缸的空氣消費量為選擇氣缸的品種和安裝形式：長沙華德液壓氣動有限公司生產(chǎn)的QGCXDH（Q）系列小型導向桿式氣缸QGCXDH20-200能滿足要求。選擇磁性開關：根據(jù)表10-15可查的磁性開關的品種及安裝方式為采用鋼帶固定的有觸點舌簧型D-C73L，采用直接出線式的接線方式，導線長為3m。選擇活塞桿端部聯(lián)結形式：采用螺釘連接。3.3.2 附加導向桿機構設計附加導向機構的作用：附加導向機構的作用是保證氣缸缸活塞桿伸出時機械臂連接塊的方向性，提供機構剛度，保證伸縮量的準確性。導向機構的外形尺寸及材料：導向選擇鋼管導向，鋼管為引拔上的一部分，經(jīng)配合連接而成；機械臂連接塊則在其上滑動且其的引拔端部靠近部分。材料選擇為45號鋼.，如圖3-2所示：1、導向鋼管 2、端部頂板 3、螺母圖3-2 附加導向桿引拔范圍控制與調整：引拔伸縮范圍控制靠行程開關，保證把工件精確地取出。行程開關使用LXW4-11型微型開關。圖3-3 LXW4-11型微型開關第4章 機械臂的設計4.1 設計參數(shù)（1）伸縮長度：550mm；（2）單方向伸縮時間：2.53.5S；（3）前端安裝機械手，伸縮終點無剛性沖擊；4.2 方案設計氣動驅動方案伸縮原理：采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時采用單向調速閥進行調速，接近終點時，發(fā)出信號，進行調速緩沖，靠氣缸行程極限定位，采用電磁換向閥，控制伸縮方向。4.3 機械臂氣缸的選用4.3.1 預選氣缸的缸徑根據(jù)氣缸的負載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負載力F。 取=0.8 F=W=0.8*100=80（N） （4-1）【6】根據(jù)負載的運動狀態(tài)，預選氣缸的負載率。 取=50%根據(jù)氣源供氣條件，確定氣缸的使用壓力p。p應小于減壓閥進口壓力的85%。已知F,和p，對雙作用氣缸，預選桿徑與缸徑之比d/D=0.30.4，由式（4-2）至式（4-4），便可選定缸徑D，缸徑D的尺寸應標準化. (4-2) 【6】 （4-3）【6】 (4-4) 【6】解得D17.75 考慮到氣缸的行程比較長缸徑D取。缸桶壁厚可根據(jù)薄壁筒的計算公式計算： (4-5) 【6】式中D為缸筒內徑(cm)，p為缸筒承受的最大氣壓力(MPa)，為缸筒材料的需用應力（MPa）。缸筒壁厚的實際取值，對于一般用途氣缸約取計算值的7倍，再圓整到標準管材尺寸，這里b取10mm。4.3.2 預選氣缸行程根據(jù)氣缸的操作距離及傳動機構的行程比預選氣缸行程為550mm。4.3.3 驗算緩沖能力根據(jù)氣缸的運動狀態(tài)是輸出拉力、負載率=50%、氣缸的行程L=550mm和氣缸的動作時間t=2s, 由氣動手冊P293圖9-7，可查得氣缸的理論基準速度=500.由表9-20，可查得氣缸的最大速度與理論基準速度之比a值為0.95，從而求的氣缸的最大速度=475。查的氣缸的負載質量M和最大速度的交點在預選氣缸缸徑的緩沖曲線之下，表示負載運動的動能小于氣缸允許吸收的最大能量，所以該預選缸徑的緩沖能力滿足要求。4.3.4 活塞桿長度的驗算查氣動手冊關于CG1-氣缸活塞桿受軸向壓力而不是去穩(wěn)定性的最大行程為600mm大于要求行程550mm，故滿足要求。4.3.5 計算氣缸的空氣消費量該氣缸的空氣消費量為4.3.6 選擇活塞桿端部接頭選擇活塞桿的端部接頭，因需要避免工件與活塞桿的軸向偏心而得出采用法蘭型。4.3.7 選擇氣缸的品種和安裝形式CM系列小型可緩沖氣缸CM40-600F1-SK2 .安裝形式為前端法蘭式圖4-1 CM40-600F1-SK2氣缸第5章 橫行的設計5.1 設計參數(shù)（1）橫行長度：1000mm；（2）單方向伸縮時間：3.54.5S；（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；（4）缸體與引拔連接推動引拔左右移動，伸縮終點無剛性沖擊；5.2 方案設計氣動驅動方案伸縮原理：因為橫行長度達到了1000mm，故考慮采用采用無桿氣缸驅動。無桿氣缸沒有普通氣缸的剛性活塞桿，它利用活塞直接實現(xiàn)往復運動。這種氣缸最大優(yōu)點是節(jié)省安裝空間，特別適用于小缸徑長行程的場合。結構設計：基體部分做成肋板形式與基座相連，減少橫行部分的總體質量，橫行面上采用導軌形式，進行橫向定位并承受機械手重量，采用三位五通電磁換向閥，控制橫進方向。如圖5-11、無桿氣缸 2、導軌 3、基座圖5-1 橫行基座5.3 橫進氣缸的選用本次橫進氣缸預選AMR系列的磁耦式無桿氣缸根據(jù)導向精度、最大允許負載和最大允許力矩選用無桿氣缸的系列和缸徑。最大允許負載和最大允許力矩與導向型式、受力姿勢、活塞運動和缸徑有關。由于考慮氣缸不能承受大的集中載荷，故在氣缸兩側設立2個導軌代替氣缸承受機械臂的質量，故氣缸的承受載荷不予慮。因為橫進系統(tǒng)的額定最大行程為1000mm，根據(jù)AMR系列的行程如表1由于氣缸的推力F等于導軌與重物的摩擦力，已知重物的質量約為1600N，導軌的摩擦系數(shù)0.002-0.003,所以預選氣缸缸徑為，因為氣缸的工作壓力為0.49MPa由圖5-2查的本氣缸的理論輸出力為220N，滿足系統(tǒng)要求。表1 ANR系列行程圖AMRBAMRG101050500mm50500mm161650500mm50700mm20201001500mm1001500mm25251001500mm1001500mm32321002000mm1001500mm40401002000mm1001500mm圖5-2 理論輸出力圖確定該行程的氣缸為AMR25-1000。5.4 導軌設計鋼:一般用尋軌：45鋼、40Cr、T8A、T10A、GCr15、GCr15SiMn等表面淬火或全淬；要求高的導軌，常采用20Ce、20CrMnTi、15鋼等，滲碳淬硬到5662HRC，磨削加工后淬硬深度不低于1.5mm;兩條導軌一條采用矩形截面一條采用三角形截面，在橫向定位的同時也降低安裝精度。第6章 機械手結構設計6.1 夾持器設計的基本要求（1）應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力；（2）手指應具有一定的開閉范圍；（3）應保證工件在手指內的夾持精度；（4）要求結構緊湊，重量輕，效率高；（5）應考慮通用性和特殊要求。設計參數(shù)及要求（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動作為抓緊放松；（2）所要抓緊的工件直徑為80mm 放松時的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s；（3）工件的材質為2kg；（4）夾持器有足夠的夾持力；（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由氣缸提供動力。6.2 夾緊裝置設計6.2.1 夾緊力計算手指夾在工件上的夾緊力是設計手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下列公式計算： （6-1）【4】式中：安全系數(shù)，由機械手的工藝及設計要求確定,通常取1.22.0，取1.5；工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計算最大加速度，得出