汽車減震器自動生產(chǎn)線組裝機械手設計

1、畢 業(yè) 論 文專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 汽車減震器自動生產(chǎn)線組裝機械手設計Automobile shock absorber assembly manipulator automatic production line design摘 要本文簡要地介紹了工業(yè)機器手的設計過程，機械手的組成和分類，機械手的自由度和座標型式，啟動控制和氣動技術等的特點，并且展望了未來機械手的發(fā)展趨勢。本文對機械手進行了由局部到整體的設計，首先確定機械手所需要實現(xiàn)的功能 ，根據(jù)所要實現(xiàn)的功能進行機械手的設計，考慮到了機械手的對工件的定位、抓緊、吸附等功能。設計過程中確定了機械手的技術參數(shù)、零件的尺寸、標件的選

2、型和部分危險截面的校核。該機械手最終實現(xiàn)了對工件定位、下降、抓取、移動、一系列連續(xù)動作。關鍵詞：工業(yè)機器人；機械手；氣動原件；定位機構ABSTRACTThis article briefly describes the design process of industrial robot, robots composition and classification of freedom and coordinate manipulator type, launch control and pneumatic technology, features, and looks to the futu

3、re development trend of the robot.In this paper, the robot carried out by the local to the overall design, first determine the robot needed to realize the function, according to the functions to be achieved for robot design, taking into account the robot for workpiece positioning, seize, adsorption

4、and other functions. The design process to determine the technical parameters of the robot, the size of parts, standard parts selection and some dangerous sections checked.The ultimate realization of the robot workpiece positioning, down, crawl, move, a series of consecutive movements.Key words: Ind

5、ustrial robots；Manipulator；Pneumatic components；Positioning mechanism38 / 41文檔可自由編輯打印第一章 前言1.1 課題設計的目的及意義隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車數(shù)量大量增加，用戶和生產(chǎn)商對汽車的平衡性和操作穩(wěn)定性的要求日益嚴格，尤其是在高端汽車中，其變速箱，發(fā)動機是不是直接與車體接觸的，為了減少車體震動，一般來說變速箱與車架之間會安裝在發(fā)動機及變速箱和車架聯(lián)接處都采用柔性連接的方式，即安裝有以橡膠做為彈性元件，帶有液壓阻尼系統(tǒng)的減震器。汽車減震器的自動生產(chǎn)線為減輕和降低汽車發(fā)動機及變速箱的震動，對汽車舒適度的影響，在

6、發(fā)動機及變速箱和車架聯(lián)接處都是采用柔性連接的方式，即安裝有以橡膠做為彈性元件，帶有液壓阻尼系統(tǒng)的減震器。 本自動液封生產(chǎn)線體可實現(xiàn)減震器的阻尼系統(tǒng)，在充滿液體的環(huán)境下進行液體封裝壓入作業(yè)。 該生產(chǎn)線體由本體自動上料、導流管自動上料、蓋體自動上料、油液環(huán)境下預裝配、油液環(huán)境下壓裝、蒸汽干燥、光電圖像自動識別檢測、動靜剛度檢測、減震器自動下料、自動裝箱、及基座壓力裝配等工位構成。組裝機械手屬于非標自動化裝備，在自動生產(chǎn)線上起著舉足輕重的地位。非標自動化與傳統(tǒng)的自動化都屬于自動化領域，但是非標自動化設備的功能是按照客戶的功能是按企業(yè)用戶工藝要求而量身設計、定制的自動化機械設備,其操作方便、靈活不單一

7、，功能可按用戶的要求而添加，可更改余地大。目前已經(jīng)在國民生產(chǎn)中開始廣泛的應用。非標自動化裝備在汽車，工業(yè)、電子、醫(yī)療、衛(wèi)生以及航空航天等領域都有很廣闊的應用前景。對汽車減震器自動組裝機械手的設計有著重大的意義，不僅可以加快工作的效率，更重要的是有著極高的精度，可以排除因為工作人員的個人情緒因素對減震器組裝精度的影響。從而給車主提供更舒適的乘坐環(huán)境。該設計同時也是適應機械化自動化生產(chǎn)的必經(jīng)途徑。1.2 國內(nèi)外發(fā)展情況簡介隨著勞動力成本的不斷提高，越來越多的企業(yè)關注工廠自動化這一領域，在給這一行業(yè)帶來了發(fā)展商機的同時也帶來了激烈的競爭和壓力。人們開始清醒的認識到如何提升服務水準、如何提高生產(chǎn)效率提

8、高生產(chǎn)精度已經(jīng)成了非標自動化機械行業(yè)的當務之急。目前,我國非標自動化機械化企業(yè)數(shù)量較多，但規(guī)模較小，技術落后、競爭同質化是共同的特點。如何參與這一行業(yè)的競爭成為一個挑戰(zhàn)。目前，我國對工業(yè)機械手尚無交統(tǒng)一的分類標準。一般可按機械手的規(guī)格、功能或用途等來分類。按規(guī)格（所搬運的工件重量）分類可以為四大類。1）微型的搬運重量在1kg以下。2）小型的搬運重量在10kg以下。3）中型的搬運重量在50kg以下。4）大型的搬運重量在500kg以下。目前大多數(shù)工業(yè)機械手能搬運的重量為1-30kg。最小的為0.5kg，最大的已達800kg。按功能分類也分為四大類。1） 簡易型工業(yè)機械手：有固定程序和可變程序兩種。

9、固定程序有凸輪轉鼓或擋塊轉鼓控制，可變程序用插銷板或轉鼓控制來給定程序。近年來，普遍采用可編程序控制器（PC）組成控制系統(tǒng)。這種機械手多為氣動或液動，結構簡單，價格便宜，改變程序較容易。只適用于程序較簡單的點位控制，但作為一般單服務的搬運作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機械手數(shù)量最多。2） 記憶再現(xiàn)型工業(yè)機械手：這種工業(yè)機械手有人工通過示教裝置領動一遍，有記憶元件（如磁盤、磁帶或存儲器）把程序記錄下來，以后機械手就自動按記憶的程序重復進行循環(huán)動作。這是采用較多的一種，多為電液伺服驅動。與前者相比較，有較多的自由度，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較強。3） 計算機數(shù)字控制的工業(yè)機械手：可通過更換穿

10、孔帶或其它記憶介質來改變工業(yè)機械手的動作程序，還可以進行多機控制（DNC）。計算機可以是可編程序控制器或微型計算機。4） 智能工業(yè)機械手：有計算機通過各種傳感元件等進行控制，具有視覺、熱覺、觸覺、行走機構等。按用途分類可分為兩類。1）專用機械手：附屬于主機的，具有固定的程序而無獨立的控制系統(tǒng)的機械裝置。這種機械手工作對象不變，動作固定，結構簡單，實用可靠，適用于成批、大量生產(chǎn)的生產(chǎn)自動線或專機作為自動上、下料用。2）通用機械手：具有獨立控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，使用于工件經(jīng)常變換的中、小批量自動化生產(chǎn)。非標自動化市場將快速增長,自動

11、化產(chǎn)品運用深度持續(xù)增加.在這個領域,與發(fā)達國家相比國內(nèi)整體水平上有1020年的差距.新型非標自動化設備往往是機電一體化的設備,充分利用信息技術的最新成果.中國一些企業(yè)的設計人員卻對電子產(chǎn)品不熟悉,不敢或不會選用,大大限制了水平的提高.但最近10年,非標自動化在江浙滬、珠三角、京津地區(qū)獲得了很大的應用,國內(nèi)企業(yè)正在迎頭趕上。1.3 機械手原理概述工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)所組成的，各部分關系如圖（1-1）所示，機械手組成如下所述。圖1-1 工業(yè)機械手組成框圖1.3.1 執(zhí)行機構執(zhí)行機構由抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機構等運動部件組成。（1）手部 即直接與工件接觸的部分，一般

12、是回轉型或平移型（多為回轉型，因其結構簡單）。手爪多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式或內(nèi)抓式兩種；也可用負壓或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機構型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪杠桿式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2）腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓物體的方位（即姿態(tài)）。（3）臂部 手臂是支撐被抓物體、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物體，并按預定要求將其搬運到給定的位置。手臂有三個自由度，可采用直角坐標系（前后、上下、左右都是直線），圓柱坐標系（前后、上下直線往復運動和左右旋轉）

13、，球坐標系（前后伸縮、上下擺動和左右旋轉）和多關節(jié)（手臂能任意伸縮）四種方式。直角坐標占空間大，工作范圍小，慣性小，所以一般不多用，只有在自由度數(shù)較少時用之。圓柱坐標占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。球坐標式和多關節(jié)式占用空間小，工作范圍較大，慣性小，所需動力小，能抓取底面物體，多關節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關節(jié)式結構較復雜，所以也不多用。目前常用的是球坐標式和圓柱坐標式的工業(yè)機械手。（4）行走機構 有的工業(yè)機械手帶有行走機構。1.3.2驅動機構有氣動、液動、電動和機械式四種形式。氣動式速度快，結構簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位控制時，有較高的重復定位精度

14、，但臂力一般在300N以下。液動式的臂力可達1000N以上，且可用電液伺服機構，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在1mm范圍內(nèi)。目前常用的是氣動和液動驅動方式。電動式用于小型，機械式只用于動作簡單的場合。1.3.3 氣動技術發(fā)展狀況及優(yōu)缺點氣動技術是一門正在蓬勃發(fā)展的新技術，氣動元件是氣動技術中最重要的組成部分，用氣動元件組成的傳動和控制系統(tǒng)己廣泛應用于國民經(jīng)濟各部門的成套設備和自動化生產(chǎn)線上。氣動技術是以壓縮氣體(例如壓縮空氣或惰性氣體和熱氣體)為工作介質進行能量和信號的傳遞，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的一門技術，它包含氣壓傳動和氣動控制兩方面的內(nèi)容18,19。氣動技

15、術的發(fā)展歷程，是從單個元件到控制系統(tǒng)，從單純機械系統(tǒng)到機電一體化的復雜高科技產(chǎn)品的歷程。人類對空氣進行利用，以其為傳遞能量的介質可追溯到幾千年以前。但真正對起性質和基本原理進行系統(tǒng)的研究也是從本世紀開始，形成以氣壓傳動系統(tǒng)動力學和氣動控制理論為主要內(nèi)容的一門學科氣動系統(tǒng)理論。目前，氣動和液壓是兩種較為普遍應用的傳動和控制方式，兩者有許多相同點，也有許多不同點，氣動技術真正成為全世界各個工業(yè)部門所接受并廣泛應用，是由于日益迫切的生產(chǎn)自動化和操作程序合理化的需要，也由于氣動技術具有以下許多優(yōu)點:(1)氣動技術以空氣為工作介質，空氣隨處可取，且粘性小，在管內(nèi)流動阻力小，便于集中供氣和遠距離輸送。因而

16、，大多數(shù)工廠有方便的壓縮空氣氣源。作為工作介質的壓縮空氣的物理性質，是氣動技術在廣泛的各種應用具有安全、方便和費用低的優(yōu)點。壓縮空氣沒有生產(chǎn)火花的危險。因此，它始于有易燃或爆炸潛在危險的工礦。(2)氣動元件機構簡單，價格低廉，用過的空氣可向大氣排放，處理方便，不必使用回收管道。(3)氣動系統(tǒng)清潔，即使有泄漏，也不會像液壓系統(tǒng)那樣污染產(chǎn)品和環(huán)境，不受電磁干擾，電子系統(tǒng)則有之。(4)氣動系統(tǒng)維護不復雜，也不需要特殊的培訓和實驗設備。(5)適應性強，現(xiàn)有的機器可方便的改為氣動傳動，氣缸可以直接安裝在要求出力的地方。(6)便于進行能量儲存，可以進行應急或系統(tǒng)需要用。(7)氣壓傳動本身有過載保護性能。氣

17、動執(zhí)行元件能長期在滿負荷下工作，在過載時自動停止。(8)氣動元件運動速度高，普通氣缸的運動速度一般為0.050.7m/s，有的高達13m/s，高速氣缸可達15m/s。調查資料表明，目前氣動裝置在工業(yè)自動化裝備中占很重要的地位。當然，氣動技術也有其缺點:(1)壓縮空氣需要進行除塵、除水處理。(2)空氣的可壓縮性使系統(tǒng)效率低，且使氣動系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，給位置和速度的精確控制帶來很大的影響。(3)系統(tǒng)運行時排放空氣的噪聲較大。(4)氣動信號的傳遞速度遠比電信號低，而且有較大的延遲和失真，因而氣動控制技術不宜用于高速傳遞和處理信息的復雜系統(tǒng)，而且氣動信號的傳送距離也受到限制。盡管氣動技術上有一些缺點，但

18、它的優(yōu)點還是主要的，所以氣動技術能在各個工業(yè)部門中得到日益廣泛的應用。而氣動元件更是一種經(jīng)濟實用的機械化、自動化的理想元件?，F(xiàn)在，氣動技術和電子電器、液壓技術一樣，都成為自動化生產(chǎn)過程的有效技術之一，在國民經(jīng)濟中起著越來越大的作用。氣動技術由風動技術及液壓技術演變、發(fā)展而成為獨立的技術門類不到50年，卻已經(jīng)充分顯示出它在自動化領域中強大的生命力，成為二十世紀應用最廣、發(fā)展最快，也最容易接收及重視的技術之一，氣動技術己成為各個行業(yè)不可缺少的一部分。在國外，氣動被稱為“廉價的自動化技術”。氣動技術由幾個主要的歷史發(fā)展階段。至50年代初，大多數(shù)元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。60年代，開始構

19、成工業(yè)控制系統(tǒng)，應用成體系，不再與風動技術相提并論。在70年代，由于與電子技術的結合應用，在自動化領域得到廣泛的推廣。80年代則是集成化、微型化的時代。90年代末本世紀初，氣動技術突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展，重復精度達0.01mm的模塊化氣動機械手，5mm/s低速平穩(wěn)運行及510m/s高速運動的不同氣缸相繼問世。在與計算機、電氣、傳感、通訊等技術相結合的基礎上產(chǎn)生了智能氣動這一概念(氣動比例與伺服、智能閥島、模塊化機械手)。氣動伺服定位技術可使氣缸在氣動機械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究高速運動3mm/s情況下實現(xiàn)任意點自動定位。智能閥島技術十分理想的解決了整個自動化生產(chǎn)線的分散與集中控制

20、問題。現(xiàn)代氣動的發(fā)展趨勢是微型化、集成化、模塊化、智能氣動機器人采用壓縮空氣為動力源，一般從工廠的壓縮空氣站引到機器人作業(yè)位置，也可以單獨建立小型氣源系統(tǒng)。由于氣動機器人具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適宜在惡劣環(huán)境下工作等特點，因此它在沖壓加工、注塑及壓鑄等有毒或高溫條件下作業(yè)，機床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動裝配等作業(yè)，食品包裝及運輸，電子產(chǎn)品輸送、自動插接，彈藥生產(chǎn)自動化等方面獲得大量應用。氣動驅動系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、小機器人中的。這類機器人多是圓柱坐標型和直角坐標型或二者的組合型結構；3-5

21、個自由度；負荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重復定位精度為+/-0.1-0。5mm?？刂蒲b置目前多數(shù)選用可編程控制器（PLC）。在易燃、易爆的場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。氣動驅動系統(tǒng)大體由以下幾部分組成。 1.氣源 由總壓縮空氣站提供。氣源部分包括空氣壓縮機，儲氣罐，氣水分離器，調壓器，過濾器等。如果沒有壓縮空氣站的條件，可以按機器人及配套的其他氣動設備需要配置相應供氣量的氣源設備。2.氣動三聯(lián)件 由分水濾氣器，調壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯(lián)組裝式的，多數(shù)情況下用三聯(lián)組裝式結構。不論是由壓縮空氣站供氣還是用單獨的氣源，氣動三聯(lián)件是必備的。雖然用無

22、潤滑氣缸可以不用油霧器，但是一般情況下，建議也在氣路上裝上油霧器，以減少氣缸摩擦力，增加使用壽命。3.氣動閥 氣動閥的種類很多，在工業(yè)機器人的氣動驅動系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調速閥、減壓閥等。4.氣動執(zhí)行機構 多數(shù)情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動氣缸）。直線氣缸分單動式和雙動式兩類。除個別用單動式氣缸外（如手爪機構上用的），多數(shù)采用雙動氣缸。為實現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點位置緩沖的氣缸。氣缸的結構形式以及與機器人機構的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設計機器人時根據(jù)結構要求而定。氣缸的內(nèi)徑，行程大小可根據(jù)對機器人的運動分析和動力分析進行計算。

23、為了確保氣缸的密封要求，同時又要盡量降低摩擦力，密封材料要選用橡膠和氟化塑料組合的密封環(huán)。無接觸感應式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得廣泛的應用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開關動作發(fā)訊，進行位置檢測。除了直線氣缸外，機器人中用得比較多還有有限角擺動氣缸，這種擺動缸多用于手腕機構上。5.制動器 氣動機器人的定位問題很大程度上是如何實現(xiàn)停點的制動。氣缸活塞的運動速度容許達1.5m/s，如果氣缸以1m/s的速度計算，電磁氣閥以較大關閉時間70ms計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為70mm，兩個停點的步長應大于這個數(shù)值。對于小流量的電磁氣閥，吸合關閉時間

24、較小，停點的步長也要相應縮短。因此對機器人一個單自由度而言，停點數(shù)目最多6-9個。為增加定位點數(shù)，除采用多位置氣缸外可采用制動的方法還有：反壓制動，制動裝置制動。6.限位器 氣動機器人各運動軸的制動和定位點到位發(fā)訊，可由編程器發(fā)指令，或由限位開關發(fā)訊。根據(jù)要求和條件，如果選用無接觸感應式氣缸，其限位開關是無接觸接近開關，這種開關的反映時間小于20ms，在機器人中應用比較理想。當氣缸活塞運動到定位點時，為保證定位精度，需要將運動軸鎖緊。常用的限位機構是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機構（插鎖，滑塊等）將機器人運動機構鎖定。再啟動時，事先打開鎖緊機構1.3.4 控制系統(tǒng)有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大

25、多數(shù)用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。1.4 工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的作用機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應用極為廣泛，可以歸納為以下一些方面。1.4.1建造旋轉體零件（軸類、盤類、環(huán)類）自動線一般都采用機械手在機床之間傳送工件。國內(nèi)已建成的這類自動線很多，如沈陽水泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機廠的4號和5號電動機軸加工自動線（軸類），上海拖拉機齒輪廠的齒柸加工自動線（盤類）等。加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的氣缸蓋加工

26、自動線轉位機械手。1.4.2在實現(xiàn)單機自動化方面（1）各類半自動車床，有自動夾緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料；裝上機械手，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)，一人看管多臺機床。目前，機械手在這方面應用最多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手，大連第二機床廠的自動循環(huán)液壓仿形車床機械手，沈陽第三機床廠的Y38滾齒機械手，青海第二機床廠的滾齒花鍵機床機械手等。由于這方面使用已有成熟的經(jīng)驗，國內(nèi)一些機床廠已在這類機床產(chǎn)品出廠時就附上機械手，或為用戶自行安裝機械手提供條件。（2）注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。（3）沖床有自動上下

27、料沖壓循環(huán)，裝上機械手上下料，可實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動化。目前機械手在沖床上應用有兩個方面：一是160t以上的沖床用機械手的較多。如沈陽低壓開關廠200t沖床磁力起動器殼體下料機械手和天津拖拉機廠400t沖床的下料機械手等；一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進，如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機械手（生產(chǎn)線中有兩臺多工位沖床）和天津二輕局技術研究所制作的12t和40t多工位沖床機械手等。1.4.3鑄、鍛、焊、熱處理等加工方面在模鍛方面，國內(nèi)大批量生產(chǎn)的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉底爐，用兩只機械手成一定夾角布置在爐前，實現(xiàn)進出料自動化。上海柴油機廠、北京內(nèi)燃機廠、洛陽拖拉機廠等已有較

28、成熟的經(jīng)驗?？偟膩碚f，工業(yè)機械手滿足了社會生產(chǎn)的需要，其特點是：（1）對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險、有害的操作，在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要跟據(jù)工作環(huán)境進行合理設計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y構，機械手就可以在異常的高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險環(huán)境中勝任工作。為了謀求操作安全和徹底防止公害，在工傷事故多的工種，如沖壓、壓鑄、熱處理、鋼造、噴漆以及有強烈紫外線照射的電弧焊接等作業(yè)中，推廣工業(yè)機械手或機器人。（2）由于機械手的動作準確，因為可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質量，同時又可以避免人為的操作錯誤。（3）機械手能持久、耐勞，可以把人從繁重

29、單調的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人得功能。人在連續(xù)工作幾小時后，總會感到疲勞或厭倦，而機械手只要注意維護、檢修，即能勝任長時間的單調重復勞動。（4）機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性，靈活性好，能較好的適應產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。這是因為機械手動作程序和運動位置（或軌跡）能夠十分靈活快速地予以改變，而其眾多的自由度，又提供了迅速改變作業(yè)內(nèi)容的可能，在中、小批量的自動化生產(chǎn)中，最能發(fā)揮其作用。（5）采用機械手能明顯地提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。1.5 工業(yè)機械手的技術發(fā)展方向現(xiàn)在工業(yè)機械手的應用簡況：在現(xiàn)在工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程

30、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。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯的生產(chǎn)。日本偏重于機械加工。隨著機械手技術的發(fā)展，應用的對象還有所改變。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。國內(nèi)機械手工業(yè)，鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料。減輕工人的勞動強度。國外鐵路工業(yè)中應用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床組合成一個綜合的數(shù)控系統(tǒng)。采用機械手進行裝配更是現(xiàn)在研究的重點，國外已研究采用攝像機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方

31、位達到鑲裝的目的。國內(nèi)外實際上使用的定位控制的機械手，沒有“視覺”和“觸覺”反饋。目前，世界各國正積極研制帶有“視覺”和“觸覺”的工業(yè)機械手，使它能對所抓取的工件進行分辨，選取所需要的工件，并正確地夾持工件，進而精確地在機器中定位、定向。為使機械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和法、分辨形狀不同的零件，它有視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息，通過計算機進行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工作。為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物體滑落下來，一般采用兩種方法：一是檢測把握物體手臂的變形，以決定適當?shù)奈樟?；另一種是直接檢測指部與物體的滑動位移，來修正握力。因此，這種機械手就具有以下幾個方面的

32、性能：（1）能準確地抓住方位變化的物體。（2）能判斷對象的重量。（3）能自動避開障礙物。（4）抓空或抓力不足時能檢測出來。這種具有感知能力并能對感知的信息作出反應的工業(yè)機械手稱為智能機械手，它是具有發(fā)展前途的?，F(xiàn)在，工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替人從事繁重的工作和危險地工作，在惡劣的環(huán)境下尤其明顯。至于在汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè)部門，機械手的應用情況決不能說是很好的。雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題很尖銳，但采用機械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求，適于機械手工作的范圍很狹小。另外經(jīng)濟性問題當然也很重要，采用

33、機械手來節(jié)約人力從經(jīng)濟上看不一定總是合算的。然而，利用機械手或類似機械設備節(jié)省人力和實現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求，今后還會持續(xù)增長，只要技術方面和價格方面存在的問題獲得解決，機械手的應用必將會飛躍發(fā)展。第二章 機械手設計方案2.1 自動組裝機械手應實現(xiàn)功能簡介圖2-1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，可以進行拆卸和更換，使用夾持式手部，根據(jù)限制機械手的旋轉、水平方向的相對移動來固定機械手。本設計需完一號和二號件（如圖1-1所示）裝配到三號件中的工序，由于兩個工件的質地，形狀不同，裝配時對機械手的要求也各不相同，所以，針對兩種需求，設計出兩種機械手來滿足需求。本人對兩種機械手

34、分別命名為“塔式”三爪機械手，和通用三爪機械手?！八健睓C械手和通用三爪機械手需要完成的功能動作如下：（1） “塔式”機械手夾持可動膜，需完成可動膜在油液中的定位、吸附、抓取、移動到裝配工位（此為設計支架同學設計范疇）、在裝配工位裝配（為過盈配合需要機械手具備推壓功能）。（2） 通用三爪機械手，從通用性考慮為一般機械手，實現(xiàn)一般零件的抓取功能，此處抓取的為鋼制零件，而且零件厚度比較大，需要實現(xiàn)兩件的粗定位和抓取功能即可。機械手工作流程簡介：機械手的原位伸縮臂前伸夾持器夾緊伸縮臂后縮伸縮臂前伸機械手松開工件伸縮臂后縮機械手復位：依次循環(huán)其機械手直角坐標型運動簡圖如下圖所示：圖2-2 直角坐標式2

35、.2 夾持裝置（手指）的設計夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件?？紤]到一號件和二號件均為圓形類零件

36、，可采用外夾式三指手抓夾持，“塔式”機械手夾持的一號零件（可動膜）為軟塑料材料，周圈為一個薄鋼圈，夾持好定位困難，機械手的夾持相對復雜，僅用手抓遠不能達到要求，需要同時用磁鐵吸附和吸塊吸附來進行精確地定位和夾持。2.2.1 手爪設計時應考慮和解決的問題(一)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。(二)手指間應具有一定的開閉角(三)兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開

37、閉幅度的要求。(四)保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面或者多指類的手指，以便自動定心。(五)具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。2.2.2手抓方案確定方案一：外卡三爪機械手，動力系統(tǒng)為氣缸的驅動，用氣缸的伸縮帶動機械手抓的張合，從而抓取物體。該手抓典型的特點：適合抓取厚度稍薄的圓盤類零件。手抓結

38、構圖如下： 圖2-3 機械手爪1-連桿 2-直線軸承 3-下連板 4-上連板 5-手爪支座 6-氣缸原理介紹：氣缸為本機械手爪的動力控制系統(tǒng)，由氣缸活塞的伸縮控制機械手爪的張合。主要是利用了杠桿原理，手爪支座為整個手爪的支點，當氣缸進氣端進氣時，氣缸活塞外伸，推動上連板上升，上聯(lián)板會帶動連桿同步上升，在支點作用下手指向手心處合攏，實現(xiàn)抓取零件。適合抓取圓盤類且容易滑脫不易抓取的零件。方案二：三爪平行移動機械手，同樣是氣機械手，在氣缸的推動下實現(xiàn)手爪的張合，不過結構遠比方案一簡單，主要適合抓取一般的較厚的零件，對被抓零件的定位要求較低，可以實現(xiàn)在誤差較大的情況下抓取零件。零件最好為規(guī)則的圓盤狀，

39、否則容易滑脫。圖2-4 平移機械爪1-夾爪 2-活塞桿 3-平行四邊形連臂工作原理簡介：該機械手的主要依靠平行四邊形連臂實現(xiàn)手爪的平行移動，活塞桿與氣缸相連當活塞桿向下推動時連臂在支點作用下，發(fā)生變形，使夾爪水平向外移動，實現(xiàn)手爪的張開，反之實現(xiàn)手爪的閉合。該機械手典型的特征是：可抓取一系列直徑的零件，張合幅度較大，具有通用性，因此稱作“通用機械手”。方案三：普通兩爪機械手。圖2-5 普通機械手該機械手由兩個手爪構成，也是通過支點杠桿原理控制機械手張合，手爪成一個弧度張開或閉合，對于氣缸推力傳遞效率高，可達到較大的夾緊力，適合夾緊柱狀的工件，對工件未定不精確。綜上三種方案考慮應選著方案一和方案

40、二合適。方案一：專門針對可動膜的夾取量身定制的機械手，可以防止滑脫。方案二：一般通用機械手，適用于多種場合，可以抓取直徑變化的多種工件。2.3 機械手推壓機構方案設計工業(yè)機械手推壓機構僅是用來完成可動膜與基座的裝配，為在油浴中的過盈配合，需要推力機構進行推壓，把可動膜推進基座內(nèi)，而且推壓立構不能與夾緊機構形成干涉，由于空間的限制，推壓機構必須與手抓的抓緊機構合并為一體。這就給該機械手的設計提高了很大的難度。同時推壓機構會對機械手各部件形成一定的沖擊，也對其它零件的剛度有了更高的要求。通用機械手不用該機構。2.3.1 機械手推壓機構設計注意事項分析(1)可動膜中間為柔軟的橡膠材料，如果推壓中間部

41、位一定無法用力，而且極易把可動膜損壞?？蓜幽ぶ苓厼楸′摥h(huán)，剛度極高，可以考慮作為推壓的對象。(2)對鋼環(huán)進行推壓如果要用推塊推壓，實現(xiàn)困難，會導致推塊與機械手抓形成干擾，影響抓緊機構。(3)推壓力不宜過大，以免對零件形成損壞，所以基本可初定用對稱的三桿機構進行推壓比較合理，不僅節(jié)省空間而且滿足需求。2.3.2 推壓機構方案確定圖2-6 推壓機構原理簡介2.4 “塔式”機械手定位方案設計可動膜材料柔軟，定位困難可考慮用定位塊進行精確定位。2.4.1 定位塊需要實現(xiàn)功能簡介（1）由于機械臂長，移動過程中會有擺動，對定位照成很大誤差，定位塊要求排除誤差，即使在有誤差行快下也可以準確定位零件。（2）準

42、確把零件送入機械手爪內(nèi)，配合機械手抓進行抓取。（3）防止定位塊進行徑向的竄動。2.4.1 定位塊結構設計2.5 “塔式”機械手吸附機構設計2.5.1 利用油壓吸附2.5.1 利用磁鐵吸附2.6 “塔式”機械手導向機構氣壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。 導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導

43、向桿來增加手臂的剛性和導向性。2.7 機械手總體方案評價第三章 機械手的計算和校核3.1 夾鉗式手部的計算與分析3.1.1 夾緊力的計算手指加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加緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下列公式計算： F KKKG 式（3.1）式中：K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。K工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，計算最大加速度，得出工作情況系數(shù)K2，K2=1+ =1+=1.002 ，a為機器人搬運工件過程的加速度

44、或減速度的絕對值（m/s）:K 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定手指與工件位置：手指水平放置，工件水平放置；圖3-1 表3.1 夾緊力的方位系數(shù)手指與工件位置手指水平放置夾水平放置的工件手指水平放置夾水平懸臂放置的工件手指水平放置夾垂直放置的工件V型指夾圓棒K=0.5K粗略計算KK=V型手指半角。粗略計算K4手指與工件位置手指水平放置夾水平放置的工件手指水平放置夾水平懸臂放置的工件手指水平放置夾垂直放置的工件V型指夾圓棒K=粗略計算K0.9 1.1K=粗略計算K4手指與工件形狀：V型指端夾持圓柱型工件；即根據(jù)手指與工件的位置要求查表3.1得K=0.5；G被抓工件重量；

45、因此，求得夾緊力F,FN=K1K2K3G=1.5×1.002×0.5×200=150.3N 取整的151N。3.1.2 驅動力的計算 根據(jù)驅動力和夾緊力之間的關系式： F= 式（3.2）式中：c2銷軸之間的水平距離b2銷軸之間的豎直距離 可得F=188.75N，得出F為理論計算值，實際采取的氣壓缸驅動力F要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率，一般取0.8 0.9，此處取0.88，則： F=214.49N，取F=400N3.2 氣壓缸的計算和選取3.2.1 氣缸驅動力的計算由設計任務可以知道，要驅動的負載大小位400N，考慮到氣缸未加載時實際所能輸出的力，受氣缸活塞

46、和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響，并考慮到機械爪的質量。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時，常用到負載率：由液壓與氣壓傳動技術表11-1：運動速度v=3m/min=50mm/s，取=0.60，所以實際液壓缸的負載大小為：F=F0/=666.7N3.2.2 氣缸內(nèi)徑的確定D=1.27=1.27 =42.33mmF氣缸的輸出拉力 N；P 氣缸的工作壓力Pa按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=50 mm氣缸缸徑尺寸系列810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）2503204005006303.2.3活

47、塞桿直徑的確定由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=16 mm3.2.4缸筒長度的確定缸筒長度S=L+B+30L為活塞行程；B為活塞厚度活塞厚度B=(0.6-1.0)D= 0.75D=35mm由于氣缸的行程L=160mm ,所以S=L+B+30=225 mm導向套滑動面長度A:一般導向套滑動面長度A，在D<80mm時，可取A=(0.6-1.0)D；在D>80mm時, 可取A=(0.6-1.0)d。所以A=28mm最小導向長度H：根據(jù)經(jīng)驗，當氣缸的最大行程為L，缸筒直徑為D，最小導向長度為：H代入數(shù)據(jù) 即最小導向長度H + =25.5 mm活塞桿的長度l=L+B+A+80=160+35

48、+28+80=303 mm3.2.5氣缸筒的壁厚的確定由液壓氣動技術手冊可查氣缸筒的壁厚可根據(jù)薄壁筒計算公式進行計算：式中 c缸筒壁厚（m）；D缸筒內(nèi)徑（m）；P缸筒承受的最大工作壓力（MPa）；缸筒材料的許用應力（MPa）；實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的7倍；重型氣缸約取計算值的20倍，再圓整到標準管材尺碼。參考液壓與氣壓傳動缸筒壁厚強度計算及校核,我們的缸體的材料選擇45鋼。n為安全系數(shù) 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉強度(Pa)P缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當工作壓力p16 MPa時，P=1.5p；當工作壓力p16 MPa時，P=1.25p由此可知工作壓力0.6

49、MPa小于16MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9MPa=0.13mm參照下表 氣缸筒的壁厚圓整取c= 5 mm。3.2.6 氣缸耗氣量的計算Q =0.72/s3.2.7 氣缸進排氣口直徑d0v空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=10-15） 選取v = 12 m/s由公式 d0 = 2代入數(shù)據(jù)得 d0 = 8.743 mm所以取氣缸排氣口直徑為10 mmQ 工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（）V-空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=1025）3.2.8 活塞桿的校核由于所選活塞桿的長度L=10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考機械設計手

50、冊單行本 由液壓氣動技術手冊穩(wěn)定性校核：由公式 FP0 式中 FP0 活塞桿承受的最大軸向壓力（N）；FP0=666.7N FK 縱向彎曲極限力（N）；nK 穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.54。綜合考慮選取2K活塞桿橫截面回轉半徑，對于實心桿K=d/4代入數(shù)據(jù) K =16/4=4mm由于細長桿比 85 即 FK = 實心圓桿： J = 式中 L 氣缸的安裝長度 ；m 末端系數(shù)；選擇固定自由 m = 1/4E 材料彈性模量，鋼材 E = 2.1 1011 Pa ；J 活塞桿橫截面慣性矩（m4）；d 活塞桿的直徑（m）；L 氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為170mm代入數(shù)據(jù)得 FK =5.768 N因為

51、 = 0.721 FP0 所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件；強度校核：由公式 d ，n為安全系數(shù) 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉強度(Pa)45鋼的抗拉強度，=600 MPa ，= = 120 MPa則 =2.66 mm d ，所以強度滿足要求；綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強度滿足要求。3.2.9 氣缸密封氣缸的連接與密封直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確的選用連接和密封裝置，對保證氣缸正常工作有著十分重要的意義。缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，本氣缸四根采用拉桿式雙頭螺栓連接，由于工作壓力小于1MPa，不需要強度校核。根據(jù)許用靜載荷，查機械設計手冊單行本表22-

52、1-58，分別選用M10、M6的螺栓。對于活塞與氣缸筒之間采用兩個Y型密封圈，其它摩擦副均使用O型密封圈密封。O型密封圈密封可靠，結構簡單，摩擦阻力小。O型密封圈安裝后，比被密封表面的內(nèi)徑大。Y型密封圈密封可靠，使用壽命長，摩擦阻力較O型圈大。第四章 機械手的定位與平穩(wěn)性4.1常用的定位方式機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。當機械手經(jīng)減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。若定位前已減速，定位時驅動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復精度。一般可高于±0.5mm，若定位時關閉驅動油路而去掉工作壓力，這時機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低。4.2影響平穩(wěn)

53、性和定位精度的因素機械手能否準確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下：（1、）定位方式不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關。（2、）定位速度定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅動系統(tǒng)使運動部件適時減速。（3、）精度機械手的制造精度和安裝調速精度對定位精度有直接影響。（4、）剛度機械手本身的結構剛度和接觸

54、剛度低時，因易產(chǎn)生振動，定位精度一般較低。（5、）運動件的重量運動件的重量包括機械手本身的重量和被抓物的重量。運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。（6、）驅動源液壓、氣壓的壓力波動及電壓、油溫、氣溫的波動都會影響機械手的重復定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調節(jié)油溫措施。如用蓄能器穩(wěn)定油壓，用加熱器或冷卻器控制油溫，低速時，用溫度、壓力補償流量控制閥控制。（7、）控制系統(tǒng)開關控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關。本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位4