鋼瓶噴丸機械手畢業(yè)設計方案

1、畢業(yè)設計方案畢業(yè)設計方案題 目 鋼瓶噴丸機械手 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 機械工程及自動化 班 級 學 生 學 號 指導教師 二一 五 年 三 月 二十八 日 - 1 -濟南大學畢業(yè)設計方案學院 機械工程學院 專業(yè) 機械工程及自動化 學生 歐博杰 學號 20100421279 設計題目 鋼瓶噴丸機械手 一、選題背景與意義1. 工業(yè)機械手的國內(nèi)外發(fā)展狀況工業(yè)機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接，噴漆，上下料和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可以代替人從事危險、有害、有毒、低高溫等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復的勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要用于

2、制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與控制加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。工業(yè)機械手是在二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機械操作機械手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。結構是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)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；1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上，又試制成一

3、臺數(shù)控示教型再現(xiàn)型機械手，命名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓做存儲裝置。不少球面坐標式機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成立萬能自動公司（Unimation）。專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運，可作點位和軌跡控制；該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在60年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。從60年代后期開始，噴漆、弧焊工業(yè)機器人相繼在生產(chǎn)中開始應用。1978年美

4、國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制出一種UnimationVicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1mm。德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)；德國KuKa公司還生產(chǎn)了一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。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械手后，開始大力從事機械手的研究，目前已成為世界上工業(yè)機械手應用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自60年代開始發(fā)展應用機械手，主要用于機械化、自動化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。我國工業(yè)機械手的研究開

5、始于20世紀70年代。1972年我國第一臺機械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃開始，我國政府將工業(yè)機器人的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入大量資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人。有北京機械自動化研究所設計制造的噴漆機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機器人，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器人等。我國工業(yè)機械手發(fā)展主要是逐步擴大其應用范圍，在應用專門機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手?？梢詫C械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、仰俯等機構。設計成典型的通用機構，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型機構，組裝成各種用途的機械手，

6、擴大了應用范圍?，F(xiàn)代氣動機械手的基本結構由感知部分、控制部分、主機部分和執(zhí)行部分四個方面組成。采集感知信號及控制信號均由智能閥來控制，氣動伺服定位系統(tǒng)代替了伺服電機步進馬達或液壓伺服系統(tǒng)；氣缸，擺動馬達完成原來由液壓缸或機械所做的執(zhí)行動作；主機部分采用了標準型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機械手能拓展成系統(tǒng)化、標準化的產(chǎn)品。人們根據(jù)應用工況的要求，選擇相應功能和參數(shù)的模塊，這是一種先進的而設計思想，代表著氣動技術今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著氣動機械手的發(fā)展及實用性。2. 選題的目的及意義本課題是研究氣動或液壓機械手結構的設計、分析和控制的一些普遍性問題及方法，并實現(xiàn)對鋼瓶噴丸的處理過程。機

7、械手作為前沿的產(chǎn)品和自動化設備更新時的需要，可以大量代替單調(diào)往復或人工難以完成的工作。二、設計內(nèi)容通過實驗階段的所見所聞，為鋼瓶生產(chǎn)線設計一種噴丸機械手，實現(xiàn)對鋼瓶內(nèi)壁的噴丸處理，以達到除銹及表面強化的目的。要求該機械手應具有3個以上的自由度，采用氣壓或液壓傳動，手指開度能適應所給鋼瓶的尺寸，手指形狀可自由更換以適應不同形狀，在完成機械結構設計的基礎上完成關鍵零件尺寸的強度計算，主要零件的結構及強度設計、尺寸確定。采用模塊化的設計方式，將機械手分為若干個模塊，對各個模塊進行設計，然后把這些模塊拼裝起來組成機械手。根據(jù)功能和尺寸要求匹配合適的氣缸液壓缸。設計機械手基座、各氣缸之間連接關節(jié)、導向裝

8、置，進行典型連接件的結構參數(shù)化設計。對氣動液壓機械手的基本要求是能夠快速、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。設計氣動液壓機械手的原則就是：充分分析作業(yè)對象的作業(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，受力特性和尺寸要求等參數(shù)。盡量選用標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性。模塊化是用來描述公共單元的使用以便實現(xiàn)產(chǎn)品的各種變型，它的主要目標就是確定獨立的、標準化的或可改變的單元來滿足功能的變化。模塊化研究的理論就是在好的

9、設計中保持功能要求的獨立性。要建立模塊庫，必須要將產(chǎn)品劃分為若干模塊，劃分一般原則為：盡量減少產(chǎn)品包含的模塊總數(shù)，簡化模塊自身的復雜程度，以免模塊組合時產(chǎn)生混亂；以有限的模塊數(shù)來獲得盡可能多的實用組合方案，以滿足用戶的需要；劃分中應使模塊具有一定的功能獨立性和結構完整性；要充分注意模塊間的結合要素，以便于結合和分離；要考慮模塊的劃分對產(chǎn)品的精度、剛度帶來的影響；模塊單元的劃分必須考慮經(jīng)濟因素等。首先，通過對設計內(nèi)容的分析，要求是為鋼瓶生產(chǎn)線設計一噴丸機械手，實現(xiàn)對鋼瓶內(nèi)壁的噴丸處理，以達到除銹及表面強化的目的。其次，采用模塊化設計的思想，將整體劃分為幾個模塊，然后逐個設計，再講各模塊組裝起來。

10、最后，對所設計的產(chǎn)品進行優(yōu)化設計，以達到預期的要求和性能。1. 確定鋼瓶噴丸機械手的總體方案根據(jù)流水線的總體布局以及鋼瓶的特點，確定機械手的總體方案，分析并解決存在的技術難題。機械手需要滿足至少3個以上的自由度的要求，并且機械手的手指形狀可以自由更換，以適應不同形狀的鋼瓶。2. 設計機械手的各執(zhí)行構件采用模塊化的設計方式，將機械手分為若干個模塊，對各個模塊進行設計，然后把這些模塊拼裝起來組成機械手。設計機械手基座、各氣缸之間連接關節(jié)、導向裝置，進行典型連接件的結構參數(shù)化設計。在對各個模塊即就是各個部件進行設計的時候，針對每個部件做具體的設計要求，細化到每一個零件的設計。盡量做到“三化”，即標準

11、化、系列化、通用化。這樣便可以相對的降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。3. 氣動或液壓驅(qū)動系統(tǒng)設計根據(jù)功能和尺寸的要求，查閱機械設計手冊等相關文獻資料匹配合適的氣缸、液壓缸。三、設計方案3.1 機械手搬運規(guī)格經(jīng)過去中小型生產(chǎn)企業(yè)的實地考察，以及向老師的詢問、上網(wǎng)查閱資料。得到以下結論：中小型加工業(yè)中對于體積為中型的鋼瓶加工的最多。所以，從中選擇具有代表性的企業(yè)生產(chǎn)的鋼瓶為例進行設計。例如九江三鉆機械有限公司所生產(chǎn)的“三鉆”鋼瓶。選擇其中40L醫(yī)用氧氣瓶規(guī)格如下：公稱外徑 220mm；公稱容積 40L；公稱重量57KG；工作壓力 15MPa；材料 34Mn2V；高度 1.45m。3.2 方案的制定噴丸

12、機械手它的本質(zhì)上其實是搬運機械手。搬運機械手的作用通常是將物料從一個點搬運到另一個點，根據(jù)實際生產(chǎn)的需要。這個搬運過程可能會涉及到水平以及垂直的位移，某些時候還需要機械手可以進行轉(zhuǎn)動，因此，在不同的生產(chǎn)過程中，對機械手靈活性的要求并不相同。除了都會涉及到的夾持或者吸附操作之外，其他的操作也可能會有變化。一般來說，搬運機械手是通過螺旋機構和機械手夾持器來工作的。（1）方案一：采用圓柱坐標式結構，各組合形式不少于三個自由度。采用氣動動力進行驅(qū)動，機械手的結構示意圖如圖3.1所示：圖3.1 氣動機械手結構示意圖A-手臂擺動氣缸 B-升降氣缸 C-伸縮氣缸D-手腕擺動氣缸 E-氣抓1-基座 2-手臂關

13、節(jié) 3-手腕關節(jié) 4-導向裝置 5-定位擋塊這種結構的機械手，其工作原理是氣抓E抓取工件，經(jīng)由手腕擺動氣缸D的作用旋轉(zhuǎn)一定的角度，然后伸縮氣缸C將整體在橫向移動，手臂擺動氣缸A在擺動一定的角度。最后由升降氣缸B將工件進行上升或下降。這樣就完成了它的一個工作過程。優(yōu)點：這種結構的機械手體積小、占地面積小，結構相對簡單、結構緊湊、便于組合；定位精度也比較高，同時還兼顧了低成本和高通用性。缺點：活動范圍比較小，在工作線較長的流水作業(yè)線上就顯得不太突出了。綜上所述，該方案不適用于較長流水線工位上的工作情況。（2）方案二：為了適應較長距離的工作情況，這里，采用門式起重機的結構形式。即可滿足較長距離的工作

14、要求。如圖3.2所示：圖3.2 噴丸機械手結構示意圖在此方案中，動力源采用電機來進行驅(qū)動，所傳遞的轉(zhuǎn)矩比較大，工作效率高，速度快。如圖3.3所示：圖3.3 電機結構示意圖工作過程為利用鉤子勾住鋼瓶頭部，利用手部鍵盤操作，從而電機驅(qū)動使鋼瓶仔豎直方向和水平方向進行移動。鋼瓶的翻轉(zhuǎn)需要人工來實現(xiàn)。優(yōu)點：滿足了可以遠距離工作的工作條件。速度快，效率高，結構簡單。缺點：鋼瓶運動中不平穩(wěn)，翻轉(zhuǎn)需要人工來輔助完成，安全系數(shù)不夠高。綜上所述，此方案不可行。（3）方案三：為了提高安全性的條件，在本方案中，繼續(xù)保持機構的主體結構不變，改變中間驅(qū)動部分，采用更加安全可靠的液壓缸來進行驅(qū)動，即可滿足安全性能的要求。

15、其結構簡圖如圖3.4所示：圖3.4 鋼瓶噴丸機械手總體結構簡圖1-機械手抓部件 2-支撐架部件3-滑動板部件 4-移動架部件采用模塊化設計的理念，將鋼瓶噴丸機械手從結構功能上分為四大模塊，即四大部件。其中機械手抓部件1實現(xiàn)的主要功能是將鋼瓶抓放，并可以旋轉(zhuǎn)90度；移動架部件4實現(xiàn)的主要功能是將移動架和機械手抓部件連接起來，并帶動機械手抓部件在豎直方向運動，滿足了豎直方向的自由度要求；滑動板部件3起到的是一個中間過渡的作用，它將移動架部件與整個支撐架部件連接起來；支撐架部件4實現(xiàn)的主要功能就是承重作用，即支撐整個設備的重量，以及讓其他三個部件的組合體通過中間連接體，從而在橫向移動，滿足了橫向的自

16、由度要求。整個鋼瓶噴丸機械手的工作過程就是機械手抓部件1抓取鋼瓶，移動架部件4使其在豎直方向上升，然后通過滑動板3的連接作用，在支撐架2上面橫向移動，將鋼瓶送到下一個工位，在回到最初的位置。從而完成了一次完整的工作過程。綜上所述，此方案基本可以滿足遠距離工作的條件以及滿足安全性能的要求。所以，選擇此方案進行接下來的設計工作。3.3 方案的總結分析 綜合各方面因素，選擇方案三進行接下來的設計工作。這里，具體再對方案三完善一下?？梢詫⒃O備從功能上劃分為四個部件，即四大模塊。針對每一個部件來進行模塊化的設計。這樣整個設計過程將會井井有序，有條有理。在傳動上可采用直接傳動和滑輪與軌道傳動。在結構上可以

17、采用兩個步進電機帶動，兩種轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，也可采用由液壓缸、氣缸驅(qū)動。通過對這幾種方案的組合可以得出多種不同的優(yōu)秀可行的方案。但是，對于設計的產(chǎn)品要滿足多種要求。首先，必須滿足使用功能的要求，滿足經(jīng)濟上的要求，力求節(jié)省，要滿足可靠性的要求，同時機器外部的生產(chǎn)環(huán)境要好，不要造成污染，還要保證操作者的方便和安全，做到人性化的設計。其次，機器的各個零部件要考慮到其強度、剛度、壽命等符合要求，盡力降低成本，節(jié)省資源。通過對以上的考慮，制定出了最佳設計方案：機械手部件通過液壓缸采用四個機械手指將鋼瓶夾緊，在機械手部見的一邊再安裝一個90度的齒輪齒條擺動缸，這樣就實現(xiàn)了鋼瓶90度的旋轉(zhuǎn)自由度；移動架部件和滑動板

18、之間通過導軌與滑塊的組合使得鋼瓶可以再豎直方向上下運動，在這里的驅(qū)動裝置就是一個液壓缸，計算一下液壓缸的載荷、缸徑、活塞桿直徑，從而選擇一種型號合適的液壓缸來驅(qū)動；所有的機體部分與支撐架之間通過滑輪和導軌的組合來連接，這樣就可以實現(xiàn)在橫向上的遠距離傳送。它的驅(qū)動方式選擇液壓缸來推進。不選擇步進電機的原因是，出于經(jīng)濟的角度考慮的。這樣，組裝設計起來的鋼瓶搬運機械手就是一種不錯的方案。3.4 方案的優(yōu)化設計考慮到鋼瓶噴丸機械手的工作特點，將整機從功能特點上分為四個模塊，即四大部件：機械手抓部件、移動架部件、滑動板部件和支撐架部件。四個部件分別具有各自的功能。四大部件之間通過軸、導軌與滑塊連接起來，

19、從而完成預先設想的工作。其中，機械手部件如圖3.5所示：圖3.5 機械手部件1-連接臂 2-液壓缸 3-機械手指工作原理：液壓缸1推動和它首尾相連的兩根立軸，軸上連接著四個機械手指3，手指3就會繞著立軸做圓弧運動，從而將鋼瓶夾緊。 結構特點：部件的主體采用鋼板焊接而成，在部件的兩側位置安裝兩根立軸，支撐著四個手指，軸的兩端安裝角接觸球軸承和推力球軸承，便于軸的轉(zhuǎn)動。在部件的后端安裝一個液壓缸，液壓缸的推拉使得機械手指一張一合。即就是抓取夾緊工件。移動架部件如圖3.6所示：圖3.6 移動架部件1-導軌 2-升降液壓缸 3-移動架工作原理：移動架3和機械手抓部件當中的連接臂1相連接，在升降液壓缸的

20、作用下，經(jīng)由導軌1完成在豎直方向的移動。 結構特點：移動架3的主體是鋼板焊接在一起，液壓缸2通過后法蘭是的安裝方法固定在移動架3上，從而和移動架連接在一起，導軌1是利用內(nèi)六角螺釘連接在移動架3的背部的。 滑動板部件如圖3.7所示：圖3.7 滑動板部件1-滑輪 2-支撐軸 3-滑動板工作原理：滑動板3通過滑輪1安裝在支撐架部件中的橫向?qū)к壣?，再利用短軸和移動架部件連接在一起。這樣，三大部件已經(jīng)全部組裝在一起了。 結構特點：滑動板3主體焊接在一起，在滑動板3上面安裝上滑塊和滑輪，它的作用就是中間連接體。 支撐架部件如圖3.8所示：圖3.8 支撐架部件1-支撐架 2-橫向?qū)к?3-推力液壓缸 工作原

21、理：將其他三個部件通過滑動板部件上的滑輪與橫向?qū)к?相連，再將推力液壓缸3與滑動板連接，這樣整個機械手機體就可以在支撐架1上進行橫向移動。結構特點：支撐架主體是用鋼板焊接而成。具有比較穩(wěn)定的剛性。四、參考文獻1 璞良貴, 紀名剛. 機械設計M, 第8版. 北京: 高等教育出版社, 2006.5:103-1052 吳宗澤, 高志, 羅圣國, 李威. 機械設計課程設計手冊M, 第4版. 北京: 高等教育出版社, 2012.53 劉延俊. 液壓與氣壓傳動M, 第2版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2012.1:60-624 楊黎明, 黃凱, 李恩志, 陳仕賢. 機械零件設計手冊M. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1993.85 鄭文緯, 吳克堅. 機械原理M, 第7版. 北京: 高等教育出版社, 2011.116 機械工程手冊M, 機械工程手冊, 第6卷. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1982