畢業(yè)論文(設計)-某生產(chǎn)線機械手的結構設計與分析

1、目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc22271 第一章 緒論 PAGEREF _Toc22271 1 HYPERLINK l _Toc3854 1.1 課題背景及意義 PAGEREF _Toc3854 1 HYPERLINK l _Toc24603 1.2 機械手的發(fā)展和趨勢 PAGEREF _Toc24603 1 HYPERLINK l _Toc16889 1.3 某生產(chǎn)線機械手的設計要求和基本內(nèi)容 PAGEREF _Toc16889 2 HYPERLINK l _Toc22799 第二章 某生產(chǎn)線機械手模塊的設計 PAGEREF _Toc22799 4 HYP

2、ERLINK l _Toc12336 PAGEREF _Toc12336 4 HYPERLINK l _Toc13949 PAGEREF _Toc13949 5 HYPERLINK l _Toc27082 PAGEREF _Toc27082 6 HYPERLINK l _Toc12310 PAGEREF _Toc12310 6 HYPERLINK l _Toc14455 PAGEREF _Toc14455 8 HYPERLINK l _Toc17915 PAGEREF _Toc17915 9 HYPERLINK l _Toc23058 PAGEREF _Toc23058 12 HYPERLIN

3、K l _Toc4688 PAGEREF _Toc4688 13 HYPERLINK l _Toc11089 PAGEREF _Toc11089 15 HYPERLINK l _Toc16779 第三章 旋轉(zhuǎn)模塊的設計 PAGEREF _Toc16779 23 HYPERLINK l _Toc9369 PAGEREF _Toc9369 23 HYPERLINK l _Toc29870 PAGEREF _Toc29870 23 HYPERLINK l _Toc1631 第四章 裝釘模塊的設計 PAGEREF _Toc1631 25 HYPERLINK l _Toc17002 4.1 裝釘模塊的總

4、體布置設計 PAGEREF _Toc17002 25 HYPERLINK l _Toc5666 PAGEREF _Toc5666 26 HYPERLINK l _Toc12768 PAGEREF _Toc12768 26 HYPERLINK l _Toc20133 PAGEREF _Toc20133 26 HYPERLINK l _Toc19014 PAGEREF _Toc19014 27 HYPERLINK l _Toc15297 第五章 計算機輔助設計 PAGEREF _Toc15297 28 HYPERLINK l _Toc27560 5.1 三維建模 PAGEREF _Toc27560

5、 28 HYPERLINK l _Toc21109 5.2 CAXA的運用 PAGEREF _Toc21109 33 HYPERLINK l _Toc15278 結束語 PAGEREF _Toc15278 35 HYPERLINK l _Toc3080 致 謝 PAGEREF _Toc3080 36 HYPERLINK l _Toc7371 參考文獻 PAGEREF _Toc7371 37第一章 緒論1.1 課題背景及意義 某生產(chǎn)線機械手是一種具有開放式特征的實訓實驗平臺。是多種高科技的融合，可以完成電工、電子、單片機、機械設計、傳感器、機電控制、數(shù)字信號處理等許多課程的幾百個實訓實驗。某生產(chǎn)

6、線機械手的作用主要以展示機械結構、運動特征和功能關系為主。相對于工業(yè)機器人具有它的特殊性：首先，一臺機械手相當于一個試驗平臺，要能顯示多種運動性能。因此，應用環(huán)境廣泛，功能多樣。其次，其制造加上精度略低于工業(yè)機器人，且性價比高。另外，它的體積小，重量輕。因此，專用性強的生產(chǎn)線機械手的研制方法不能滿足這樣的要求。所以我用solidworks軟件來實現(xiàn)機械手的結構設計和對其進行的原理分析設計了一種的可擴展式機械手，具有造價低、調(diào)控容易、重復性好的特點。1.2 機械手的發(fā)展和趨勢機械手在現(xiàn)實生活中的種類可以說是非常的多，然而最初的機械手是工業(yè)機械手，它最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料

7、和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應用與制造業(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)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，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)機械手是在第二次世界大戰(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

8、公司研制出第一臺機械手。它的結構是：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，又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。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)用磁鼓做儲存裝置。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為萬能制動公司，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，可做點位和軌跡控制：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2種機械手出現(xiàn)在六十年代初，

9、但都是國外機械手發(fā)展的基礎。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機器人相繼在生產(chǎn)中開始應用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制出一種UnimationVic.arm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)。聯(lián)邦德國機器制造業(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)：聯(lián)邦德國Kuka公司還生產(chǎn)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，應用國家最多的國家，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，目前以成為世界上工業(yè)機械手應用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手

10、，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)機械手的研究與開發(fā)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（1986-1990）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的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，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，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器人等等。這些機器人的控制器，都是由中國科學院沈陽自動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的

11、，同時一系列的機器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器，DCPWM等等。我國的工業(yè)機械手發(fā)展主要是逐步擴大其應用范圍。在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，研制出示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等?？梢詫C械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機構，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于跟換工件，擴大了應用范圍。1.3 某生產(chǎn)線機械手的設計要求和基本內(nèi)容 所謂機械手的結構系統(tǒng)是指具有特定功能的、相互間具有許多聯(lián)系要素構成的一個整體。首先，從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，

12、本設計是采用內(nèi)部系統(tǒng)設計與外部系統(tǒng)設計相結合的方法，既重視內(nèi)部系統(tǒng)設計，也重視內(nèi)、外系統(tǒng)的聯(lián)系。在確定系統(tǒng)功能時，每個模塊都遵循保證基本功能、滿足使用功能、剔除多余功能，恰到好處地利用外觀功能和原則。因此，本著該設計意圖，根據(jù)動作要求對機械結構進行分析，本次的設計包括以下幾個基本內(nèi)容： 1.掌握機械手整條生產(chǎn)線的工作原理，并分析各工作模塊的功能。 2.對機械手工作模塊的機械結構進行分析。 3.根據(jù)功能需要，進行機構原理圖設計和運動分析。 4.測繪零件，設計零件，用SolidWorks 2011繪制三維零件圖，并進行三維裝配圖設計。 5.對三維圖進行分析和修改，然后轉(zhuǎn)化為工程圖以便畫二維圖。 6

13、.對部分典型或非標零件用CAXA 2011或SolidWorks 2011進行設計。 7.完成設計圖紙，包括零件圖、裝配圖。最終本人用SolidWorks 2011設計完成的三維裝配圖如圖1.3所示： 圖1.3 三模塊總裝配圖 第二章 某生產(chǎn)線機械手模塊的設計機械手的驅(qū)動方式一般有三種方式：氣動驅(qū)動方式、液壓驅(qū)動方式、電驅(qū)動驅(qū)動方式 氣動驅(qū)動的優(yōu)點：結構簡單、氣源簡便獲得、能得到較高的開關速度、可安裝調(diào)速器，使開關速度按需要進行調(diào)整、氣體削減性大，關閉時有彈性、成本低。氣動驅(qū)動的缺點：因氣體有削減性所以速度不易勻稱 ，噪聲大，難以準確控制位置及速度。 液動驅(qū)動的優(yōu)點：結構簡單，體種小、輸出力大

14、、簡便獲得低速或高速，能無級變速、功率重量比大，低速平穩(wěn)、由于液壓油的黏性而效率較高，有自潤滑功能和防銹功能。 液動驅(qū)動的缺點： 油溫變化引起油粘度的變化、液壓元件和管道易滲漏、配管，維修不方便、易漏油，成本較高。 電動驅(qū)動的優(yōu)點：適用性較強，不受環(huán)境溫度影響、輸出轉(zhuǎn)矩范圍廣、控制方便，能自由地采用直流、交流、短波、脈沖等各種信號，適于放大、記憶、邏輯判斷和計算等工作、可落實超小型化、擁有機械自鎖性、安裝、維護檢修方便、可分為步進驅(qū)動、直流驅(qū)動和交流驅(qū)動。其中直流驅(qū)動調(diào)速性能好，功率較大，效率高。 電動驅(qū)動的缺點：結構龐雜、機械效率低一般只有25%-60%、輸出轉(zhuǎn)速不能太低或太高、易受電源電壓

15、、頻率變化的影響 根據(jù)機械手的功能的動作要求，確定利用電機驅(qū)動的直流驅(qū)動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)機械手的旋轉(zhuǎn)運動；利用氣動驅(qū)動實現(xiàn)機械手的上下運動；考慮到本設計中的機械手工作范圍較小，利用氣動驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；考慮到機械手的手部需結構簡單，成本低，容易維修，而且重量要輕，機械手的手部也采用氣缸驅(qū)動。鑒于上面三種驅(qū)動方式，選擇氣動驅(qū)動方式為本設計的驅(qū)動。近20年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，尤其在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛的應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化的程度變得更高，控制方式更靈活，性能更可靠。從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看，近30年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。我國的氣動行業(yè)

16、起步較晚，但發(fā)展較快，從20世紀80年化中期開始，氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達20%以上，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術、PLC技術、計算機技術、傳感技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與應用，氣動技術已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關鍵技術之一。 由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜動作等優(yōu)點。所以，氣動機械手被廣泛用于汽車制造業(yè)、半導體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上?，F(xiàn)

17、代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標位置。對加速度限制十分嚴格的芯片搬運系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；

18、用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手等。 此外，氣動系統(tǒng)、氣動機械手被廣泛應用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動自動調(diào)節(jié)病床機械手，外科手術機械手等。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術、氣動機械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術和氣動機械手的研究與應用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動機械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進步發(fā)揮著重要作用。由于氣動機械手有結構簡單、易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等諸多獨特的優(yōu)點，可能預見，在不久的將來，氣動機械手將越來越廣泛地進入工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)

19、療、生活等領域。機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和位置檢測裝置所組成。各系統(tǒng) 之間的相互關系如圖2.3.1所示： 圖2.3.1 系統(tǒng)之間相互關系機械手的工作原理：采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構按規(guī)定要求，有順序，有運動軌跡的動作；同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出命令，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)生故障時可發(fā)出報警信號；位置檢測裝置可隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，從而使執(zhí)行機構以一定的要求達到設定位置。 包括手部、手腕、手臂、立柱和機座等部件。（1）手部： 即與工件接觸的部件。由于與工件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式。手部結構取決于被抓取工件的表

20、面形狀、被抓部位和物件的重量以及尺寸。本設計考慮到以上因素，工件屬于輕、狀零件，所以采用吸附式手部，吸附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力吸附物件的。（2）手腕： 手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位。（3）手臂： 手臂的作用是帶動手部去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。（4）立柱：立柱是支承手臂的部件，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動均與立柱有密切的聯(lián)系。（5）機座： 機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均裝在機座上，故它起支撐和連接的作用。 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動機械手執(zhí)行機構運動的。常用驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動和機械傳動。 控制系統(tǒng)是支配著機械手按規(guī)定的動作要求進行運動的系統(tǒng)

21、，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，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。 它可將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置相比較，通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。本課題采用氣動位置傳感器，它可以將位移的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ淖兓?，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康淖兓０礄C械手手臂的不同運動形式，其坐標形式可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型及關節(jié)坐標型。如圖2.4.1所示： （a） （b） 直角坐標系 圓柱坐標系 （c） （d） 球型坐標系 關節(jié)式坐標系 圖2.4.1 坐標形式由于本次設計的機械手是通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)手部空間位置的改變，

22、因此，采用圓柱坐標形式。機械手的技術參數(shù) 1.機械手最大抓重： 1kg 2.工件尺寸：長 QUOTE *寬*高=50*50*25（mm） 3.坐標形式：圓柱坐標 4.支座旋轉(zhuǎn)角度：180 5.手臂運動參數(shù)：伸縮行程：100mm 伸縮速度：100mm/s 升降行程：60mm 升降速度：100mm/s 6.機械手定位精度： QUOTE 自由度是指機械手所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目。本設計的機械手具有轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)和前后伸縮三個自由度。 工作范圍是指手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合。該機械手的工作范圍如圖2.5所示：圖2.5 機械手工作范圍本設計采用圓柱坐標形式

23、的方案，運動形式為一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)。 一般用作實驗的工件不會太重，塑料制品工件和鋁制工件即可。 根據(jù)氣缸的負載狀態(tài)，鋁制工件的質(zhì)量： QUOTE m12 塑料工件的質(zhì)量： QUOTE QUOTE m22 鋁制工件的重力為：G= QUOTE m1 QUOTE 可確定氣缸的軸向負載力F QUOTE 1.47N。 根據(jù)負載的運動狀態(tài)，參考表2.6.1-1，預選氣缸的負載率=0.7。負載的運動狀態(tài)負載率靜載荷（如夾緊）70%動載荷氣缸速度50mm-500mm/s50%氣缸速度500mm/s30% 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%。本課

24、題設計的氣缸為單作用氣缸，工作壓力p=0.3MPa。由以上分析得單作用氣缸的直徑： D=2.98（mm）查SMC現(xiàn)代實用氣動技術標準，得D=4mm根據(jù)氣缸的操作距離及傳動機構的行程比來預選氣缸的行程，應盡量選為標準行程，可保證供貨迅速，成本降低。本設計氣缸行程選為L=30mm。 查SMC手冊表，為了滿足安裝空間小，氣缸小巧，選驅(qū)動方式為彈簧壓回型的CJ1系列，如表2.6.1-2。本設計選用氣缸的型號為：CJ1B4-30型單作用彈簧壓回型氣缸。 氣缸內(nèi)徑為4mm,使用壓力為0.6MPa，可知氣缸所能提供的拉力為： Fq=PA=P=0.6106106 可知1.884N1.47N,所以可以認為氣缸的

25、選用是合適的。 缸徑4使用介質(zhì)空氣最高使用壓力最低使用壓力活塞速度50-500mm/s行程公差 為了抓取工件，采用真空吸盤結構，如圖2.5.1所示，首先真空吸盤組建在氣缸的推動下下移，當吸盤4碰到工件時彈簧3壓縮，整個導向桿1在防轉(zhuǎn)螺釘2 的作用下直線移動保證工件不會壓壞，然后吸盤吸住工件。 吸盤是直接吸附物體的元件。吸盤通常是由橡膠材料與金屬骨架壓制成型的。吸盤的橡膠出現(xiàn)脆裂，是橡膠老化的表現(xiàn)。通過查找相關真空吸盤的資料，本設計的工件質(zhì)量輕，因此，選取吸盤的形式為風琴型吸盤，吸盤直徑為10，材料為硅橡膠。 與設計的手部結構和使用環(huán)境方面選LLDPE樹脂（線型低密度聚乙烯 ），它具有優(yōu)異的耐環(huán)

26、境應力開裂性能和電絕緣性，較高的耐熱性能，抗沖和耐穿刺性能等。 LLDPE樹脂 QUOTE g/cm3; QUOTE g/cm3； QUOTE g/cm3。通過SolidWorks 2011的質(zhì)量屬性工具計算得到手部結構的質(zhì)量為： M手=M樹+M鋁+M鋼機械手手臂機構的設計 1.需根據(jù)手臂所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕型材料。 2.盡量減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應速度。 3.手臂部分的結構必需滿足完成作業(yè)任務提出的工作空間要求。 4.要盡量減輕手臂運動部分的重量，以減少整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣性。 5.除了手臂部份設計力求結構緊湊，重量輕外，同時要采用一定形

27、式的緩沖措施。 6.手臂部分的設計需動作迅速、靈活、平穩(wěn)，定位精度高。 本設計中，手臂的上下運動由氣缸驅(qū)動實現(xiàn)，結構緊湊，裝拆方便，導向裝置由一根立柱導向，防止手臂在直線運動過程中沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，確保手臂隨機座一起轉(zhuǎn)動。手臂的結構圖如圖2.7.1所示：圖2.7.1 手臂結構圖 1.考慮到以上設計要求，且要滿足行程要求，經(jīng)過查找篩選預選SMC氣缸的CQM系列薄型單桿雙作用氣缸，型號為：CQMB20RC-100-M9B（缸徑為20mm，行程100mm）。 本設計所選伸縮氣缸符合體積小、重量輕、薄、安裝空間小、安裝方便等特點。 本薄型單桿雙作用伸縮氣缸只需基本型安裝即可滿足要求。 氣動機械手

28、的手臂在進行伸縮（或升降）時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動或產(chǎn)生變形，以保證手部的正確方向，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它根據(jù)手臂的結構、抓重等因素選取。 目前常采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿等，在本機械手設計中采用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。3 QUOTE 3 QUOTE 通過SolidWorks 2011的質(zhì)量屬性工具計算得到手部結構和臂部結構的總質(zhì)量為： M=M手+M鋁+M缸+M閥+M薄片+M其他=71.04+271.94+451.6+84.29+30.57+175.83=1085.27（g） 其結構示意圖如圖2.8.1所示。手臂升降裝置主要

29、由立柱、導軸上零件1、導軸下零件2、升降氣缸5、塊零件6、定位套3和轉(zhuǎn)柱7等組成，塊零件和轉(zhuǎn)柱通過螺母連接，即轉(zhuǎn)柱定制為螺紋柱，安裝方便，節(jié)約成本。手臂機座結構主要由三塊鋁型材8通過螺栓連接而成。實現(xiàn)機械手手臂回轉(zhuǎn)運動的機構形式多種多樣，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機械、連桿機構等。在本設計中，手臂回轉(zhuǎn)裝置用齒輪傳動機構形式。通過PLC控制伺服電機帶動齒輪外罩4內(nèi)的齒輪，達到手臂回轉(zhuǎn)的功能。圖2.8.1 機械手腰部和機座的結構圖 1.已知：升降氣缸預選SMC氣缸的薄型氣缸。手臂結構總質(zhì)量為M=1085.27，考慮到在臂部安裝時還要添加控制部分，故預選負載力為F=30N；查相關手

30、冊取氣缸工作壓力為p=0.4MPa;由SMC手冊查得負載率 QUOTE 。因此，氣缸缸徑為：D=經(jīng)圓整并查手冊標準?。篋=20（mm） 為便于安裝調(diào)試，對行程要留有適當余量，所示預選氣缸標準行程為H=60mm,預選SMC薄型單桿雙作用氣缸的型號為：CQMB20RC-60。根據(jù)氣缸的運動狀態(tài)是輸出推力還是拉力、負載率 QUOTE 、氣缸的行程L=60mm和氣缸的動作時間t=0.6s,由SMC手冊相應圖可查得氣缸的理論基準速度 QUOTE =220mm/s。 根據(jù)氣缸的運動狀態(tài)是輸出力還是拉力以及負載率，可查得氣缸的最大速度 QUOTE vmax與理論基準速度 QUOTE QUOTE 之比 QUO

31、TE QUOTE 值，從而求得氣缸的最大速度 QUOTE QUOTE QUOTE vmax。查得： QUOTE =0.9 vmax=v0=2200.9=198mm/s 最后根據(jù)各系列緩沖氣缸的緩沖特性曲線和氣緩沖氣缸的緩沖特性曲線，若氣缸的負載質(zhì)量M和最大速度 QUOTE 的交點在預選氣缸缸徑的緩沖特性曲線之下，則表示負載運動的動能MV2max QUOTE EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 小于氣缸的允許吸收的最大能量，即該預選缸徑的緩沖能力滿足要求。本設計所選的伸縮氣缸負載質(zhì)量較小，從手冊圖中查可知所選擇的缸徑的緩沖能力能滿足要求。 在設計中，臂部的運動較

32、多，如果運動速度和負載較大，當運動狀態(tài)變化時，將產(chǎn)生沖擊和振動。這不僅會影響機械手的精確定位，甚至會使其不能正常運轉(zhuǎn)。為了提高平穩(wěn)性，在設計時應采取有效的緩沖裝置吸收能量。因此從減少能量產(chǎn)生的角度來看，要注意以下兩點：（1）機身和臂部運動部件要緊湊，質(zhì)量輕，以減少慣性力。本設計中臂部采用鋁合金制作。（2）應考慮重心的位置，即運動部件各部分的質(zhì)量對轉(zhuǎn)軸或支承的分布情況。在設計中如果重心和轉(zhuǎn)軸不重合，將增大轉(zhuǎn)動慣量，當轉(zhuǎn)速過高，將會有較大的沖擊和振動。 常見機械手臂桿的平衡技術有四種：質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動或液壓平衡法和采用平衡電動機。本設計采用質(zhì)量平衡法來達到要求，臂桿質(zhì)量平衡的原理是合理

33、地分布臂桿質(zhì)量，使臂桿重心盡可能落在支點上，必要時甚至采用在適當位置配置平衡質(zhì)量的方法，使臂桿的重心落在支點上?？紤]到氣動機械手的性能要求，本設計初步確定以下兩個傳動方案：錐齒輪傳動和蝸桿傳動，下面將對兩種方案進行比較以便確定個合理的傳動方案。 它的主要優(yōu)點有： （1）因為結構比交錯軸斜齒輪機構緊湊，所以可實現(xiàn)空間交錯軸間的很大傳動比。 （2）蝸桿傳動接觸方式不同于其它類型傳動，為線接觸，噪音小，傳動平穩(wěn)； （3）當蝸桿導程角g 很小時，傳動具有自鎖性，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而蝸輪不能帶動蝸桿，故它常用于起重或其它需要自鎖的場合。 它的缺點： （1）蝸桿傳動的一般效率=0.70.9，機械效率較

34、低，具有自鎖性的蝸桿傳動的效率0.5。 （2） 蝸桿傳動齒面的螺旋線方向滑動速度很大，因此容易引起磨損和發(fā)熱，故摩擦損失大，效率低，而且為減輕齒面的磨損及防止膠合，蝸輪一般使用貴重的減摩材料制造，成本高。 （3）對制造和安裝誤差很敏感，安裝時對中心距的尺寸精度要求較高。它的主要優(yōu)點有： （1）瞬時傳動比恒定，工作平穩(wěn)，傳動準確可靠，可傳遞空間任意兩軸之間的運動和動力。 （2）適用的功率和速度范圍廣。 （3）傳動效率高，=0.920.98。在機械傳動中，齒輪傳動的效率較高。 （4）工作可靠，使用壽命長。 （5）外廓尺寸小，結構緊湊。它的主要缺點是：制造和安裝精度要求較高，需專門設備制造，成本較高

35、，不宜用于較遠距離兩軸之間的傳動。 圖2.9.1-2 錐齒輪傳動傳動方案除滿足氣動機械手功能、動作上要求外，還需滿足工作可靠、結構簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、工藝性好和使用維護便利等要求。分析以上兩方案的優(yōu)缺點后，確定采用錐齒輪傳動方案會更加的合理，所以本設計采用錐齒輪傳動。 電動機的選擇有兩種類型：步進電機和伺服電機。下面將通過分析比較確定選用哪種類型的電機： 1.頻率特性的比較。步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，而伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。 2.矩頻特性的比較。步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高速時會急劇下降，而伺服電機為恒力矩輸出。 3.過載能力的

36、比較。步進電機一般不具有過載能力，伺服電機具有較強的過載能力。 4.運行性能的比較。步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構成位置環(huán)和速度環(huán)，控制性能更可靠。綜合以上四點所述，而且采用的是PLC控制系統(tǒng)，所以確定采用伺服電機。使用直流電源的電動機稱為直流電動機，它與交流電動機相比，具有調(diào)速性能好、調(diào)速范圍寬、起動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點。所以考慮到以上因素和本系統(tǒng)的運動要求，預選本設計的電動機為直流有刷伺服電機，型號：2224A024SR。已知工作條件：輸入功率P= QU

37、OTE Pmaxmax 小錐齒輪轉(zhuǎn)速 QUOTE n1=11r/min 大錐齒輪實際轉(zhuǎn)速 QUOTE QUOTE n2 所以，傳動比i= QUOTE = 驗證傳動比：由以上數(shù)據(jù)得：傳動比誤差 QUOTE =2%傳動比誤差=2% QUOTE 1.選擇錐齒輪材料、熱處理方法、精度等級 考慮到該傳動的功率較小，故大、小錐齒輪都選用45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度分別為220HBS、260HBS，屬軟齒面閉式傳動；錐齒輪的載荷平穩(wěn)，而且轉(zhuǎn)速較低，根據(jù)工作條件，定為7級精度。 2.因為齒面為軟齒面，故應按齒面接觸疲勞強度設計，并按齒根彎曲強度進行較核。由設計計算公式進行計算：計算公式均摘自機械設計手冊第三卷第1

38、4篇項目設計內(nèi)容結果1、Z2及齒寬、系數(shù)R 取小錐齒輪齒數(shù)Z1=15，大錐齒輪齒數(shù) QUOTE Z2=i QUOTE Z1= QUOTE ，取大錐齒輪齒數(shù) QUOTE Z2=23，齒寬系數(shù)不宜取得過大，否則將引起小端齒項過薄，齒根圓角半徑過小，故取齒寬系數(shù) QUOTE R=Z1=15 QUOTE Z2=23R=Td1t試選 QUOTE KT QUOTE KTdETd查表得：ZE QUOTE TdZE QUOTE HLim1、HLim2按齒面硬度查圖得：HLim1=600MPaHLim2=560MPaHLim1=600MPaHLim2=560MPaN1=60n1jLh=60111103008=1

39、.58107N2=1.05107N1=1.58107N2=1.05107 QUOTE KHN1、KHN2查圖得:KHN1=1.11，KHN2KHN1KHN2取安全系數(shù) QUOTE SH=1H1=1.11600KPaH2=1.13560MPa QUOTE SH=1H1=666MPaH2=623MPa取 QUOTE H1=H2d1t為了保證齒輪平穩(wěn)傳動，確定過載時能自我保護，且方便制造維修，將分度圓直徑擴大兩倍，得到 QUOTE d1t QUOTE d1tV=AV QUOTE QUOTE K則K=KAKV QUOTE K QUOTE KA=1KV QUOTE K1d1=d1t=13.54 d1M=

40、0.87按標準取m=1取d1=15m=11、d2、錐距R、齒寬b、齒高hd1=mz1=115=15mmd2=mz2=123=23mmR=b=RR=h=（2h*a+c*）m=（210.2）1d1=15mmd2=23mm查圖6.9?。?QUOTE FLim1=240MPa、FLim2=220MPaFLim1=240MPaFLim2=220MPa16. 彎曲疲勞壽命系數(shù)查圖6.7?。?QUOTE KFN1=0.96、KFN2KFN1KFN2錐齒輪主要傳動尺寸列表：模數(shù)m1壓力角20齒數(shù)zZ1=15 QUOTE Z2=23Z1=15 QUOTE Z2=23齒頂高 QUOTE haha=h*am=11=

41、1ha=1mm齒根高 QUOTE hfhf=（h*a+c*hf分度圓直徑dd1=mz1=115=15d2=mz2=123=23d1=15mmd2=23mm分度圓錐角 QUOTE QUOTE 1=tan-1=tan-1=33.11 QUOTE 2=90- QUOTE 1=56.89 QUOTE 1=33.11 QUOTE 2=56.89錐距RR=齒頂角 QUOTE aa1=a2=tan-1=tan-1a1=a2=7.14 齒寬b QUOTE b=4.57（取整數(shù)）b=42.9.4傳動軸的設計與校核根據(jù)軸線形狀的不同，軸可分為直軸、曲軸和撓性鋼絲軟軸。其中，直軸的應用最為廣泛，根據(jù)外形又可分為直徑

42、無變化的光軸（圖2.9.4-1）和直徑有變化的階梯軸（圖2.9.4-2），本設計中的傳動軸本著結構簡單、裝配緊湊的原則，選用光軸即能滿足傳動運動和動力的功能。 光軸 圖2.9.4-2 階梯軸傳動軸的承載情況，主要承受轉(zhuǎn)矩，不承受彎矩或承受很小的彎矩，僅起到傳遞動力的作用。傳動軸材料的選擇:軸常用的材料是碳素鋼、合金鋼和球墨鑄鐵。碳素鋼比合金鋼低廉，對應力集中的敏感性低，經(jīng)熱處理或化學處理可得到較高的綜合力學性能，尤其在耐磨性和抗疲勞強度兩個方面，而且優(yōu)質(zhì)中碳鋼中的45鋼經(jīng)過正火或調(diào)質(zhì)處理后可用于比較重要或承載較大的軸，因此，本設計的傳動軸的材料選用45鋼調(diào)質(zhì)。：圖中，A、B處均為平端緊定螺釘連

43、接，緊定螺釘既起固定又起定位作用。A處通過螺釘連接聯(lián)軸器，B處通過緊定螺釘連接錐齒輪，平端緊定螺釘均選用M2.5，長度為6mm，B處的齒輪安裝公差尺寸為 QUOTE 6H8/m7。本設計采用套筒聯(lián)軸器，套筒聯(lián)軸器擁有的優(yōu)點是結構簡單，制造方便，徑向尺寸小，成本較低。套筒的材料采用45鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)。套筒聯(lián)軸器通過一個公用套筒并采用平端緊定螺釘作軸向固定，為了保證連接具有一定的對中精度和便于套筒的裝拆，套筒與軸采用 QUOTE 的配合。因此，所設計的套筒聯(lián)軸器的結構圖如圖2.9.5所示：消聲器是一種允許氣流通過而能使聲能衰減的裝置，能夠降低氣流通道上的空氣動力性噪聲。本設計中，對消聲器的要求是，

44、在噪聲頻率范圍內(nèi)消聲效果好，排氣的阻力要小，以免影響換向閥的換向性能，而且要求結構耐用、便于清洗。通常根據(jù)換向閥的連接口徑來選擇消聲器的規(guī)格。根據(jù)以上要求，選取SMC公司的AN系列消聲器，型號為AN110-01，最高使用壓力為1.0MPa，該消聲器的消聲原理為膨脹干涉型。 第三章 旋轉(zhuǎn)模塊的設計旋轉(zhuǎn)模塊的設計須與氣動機械手緊密聯(lián)系，總體布置時，需具體確定各零部件之間的相對位置保證模塊在整個工序中的連續(xù)和流暢。從整個模塊來說，需做到結構緊湊、便于安裝。本設計中主要是擺動氣缸和旋轉(zhuǎn)載體的設計和裝配，保證功能滿足要求。：圖3.1 旋轉(zhuǎn)模塊總體布置軸測圖根據(jù)擺動氣缸反受負載的性質(zhì)，確定氣缸的有效輸出力

45、矩 QUOTE M0。有效輸出力矩：M0=式中：M擺動氣缸承受的實際力矩； QUOTE 負載率，按SMC手冊查表，本設計可取 QUOTE =0.1。 QUOTE 已知：擺動角 QUOTE =90，擺動時間t=1s，塑料的密度 QUOTE 塑3,鋁合金的密度 QUOTE QUOTE 鋁3，旋轉(zhuǎn)載體和連接方塊的質(zhì)量通過SolidWorks 2011的質(zhì)量屬 性工具計算得到： m=m工件+m方塊+m載體=150+22.76+59.36=232g使用壓力為0.5MPa，等效半徑 QUOTE r=15cm所以，等效轉(zhuǎn)動慣量 QUOTE ：J=mr22=0.00522kgm2擺動角加速度： QUOTE =

46、/(90t2)=90/（90122則理論輸出力矩：M0=0.00164Nm根據(jù)手冊可選CRBU2自由安裝型規(guī)格的氣缸。負載的轉(zhuǎn)動動能: QUOTE Ed=J(t)2=0.00164（3.141）2=0.0081Nm故其允許能量能滿足轉(zhuǎn)動動能的要求，擺動氣缸的型號為：CRBU2WU30-90SL。 第四章 裝釘模塊的設計4.1 裝釘模塊的總體布置設計裝釘模塊的總體布置是指結構布局的細化，需確定模塊各零件之間的相對位置及聯(lián)系尺寸、運動和動力的傳遞方式等。1、鋁型材 2、主壓釘氣缸 3、支架 4、壓釘軸 5、導軸 6、定位彈性螺栓 7、釘盒 8、工件載體 9、輔助壓釘氣缸圖4.1 裝釘模塊總體布置圖

47、經(jīng)過認真功能原理分析，裝釘模塊的總體結構布置如圖4.1示，從圖中可知道主壓釘氣缸在釘盒的左側，而輔助壓釘氣缸與工件載體連接，這主要是考慮到工件裝釘?shù)氖芰侠硇?，保證工藝過程的連續(xù)和流暢。首先，需考慮工件載體和釘盒的相對位置，使工件能安全快速的裝釘；其次，需考慮釘盒的結構設計，保證供釘合理準確，此釘盒所裝的釘子是靠其自身的重力有序地下移方便裝配；然后，需考慮到主氣缸和輔助氣缸的選取，達到模塊預定的功能。作為培訓系統(tǒng)的一個模塊，主要是仿真工廠自動生產(chǎn)線的功能，所以在釘盒的設計時，預定本釘盒可裝40個彈簧釘（即左右各20個釘子），為了提高設計和制造的經(jīng)濟性，降低生產(chǎn)成本，本釘盒采用各個零件裝配而成，

48、均通過國產(chǎn)內(nèi)六角螺栓裝配。因此經(jīng)過功能分析，為了讓釘子能有序迅速的往下掉方便安裝，在釘子的上方左右各加了T型抵塊，T型抵塊在設計時，需與壁保持合理的間隙，材料采用鋁合金，因此T型抵塊長、寬分別設計為107mm、10mm。因為釘子采用標準的，因此考慮到釘子的放置空間，預定釘盒的總長和總寬分別為262mm、67mm。此外，為了保證釘盒能合理的定位，在釘盒的底板添加 一個定位彈性螺栓M12，保證了功能的合理性。此壓釘軸僅傳遞橫向的運動和動力，根據(jù)軸上零件的安裝、定位及軸的制造工藝，可以合理的確定軸的結構形式和尺寸，此軸材料亦采用45鋼調(diào)質(zhì)，基于釘子的尺寸，預定軸長為90mm，直徑 QUOTE QUO

49、TE 4.5，為保證壓釘過程的安全和可靠，安裝此軸用兩個平端緊定螺釘進行固定和定位。開槽平端緊定螺釘為M2.55。在氣動機械手模塊的設計中有選到升降氣缸為SMC薄型單桿雙作用氣缸，它的型號為：CQMB20RC-60-M9B?？紤]到產(chǎn)品設計的標準化、通用化以及其經(jīng)濟性，經(jīng)過比較并分析，主打釘氣缸預選和升降氣缸同類型并且同型號的氣缸，經(jīng)過驗算，該氣缸可滿足此主壓釘氣缸的要求，這樣可提高氣缸使用和維修的經(jīng)濟性。根據(jù)經(jīng)驗該壓釘預計用10N的力就夠?qū)⑨斪哟蛉牍ぜ?nèi)，而此氣缸所能提供的負載力為F： F=因此， QUOTE F10N，滿足功能要求。此氣缸的安裝亦采用基本型的通孔安裝。對于輔助壓釘氣缸的選取，

50、它主要起到輔助壓釘?shù)淖饔?，因此薦于主壓釘氣缸的選取分析和CQM系列帶導桿氣缸的導向精度高，為使裝置簡單緊湊、增強互換性和經(jīng)濟性，選取同類型的氣缸，只是行程無需那么大，行程選取L=20mm即可滿足要求，因此輔助壓釘氣缸的選取型號為：CQMB20RC-20-M9B。該氣缸的安裝尺寸與CQ2、CQS系列有互換性，而橫向負載是CQ2系列的2-4倍。（1）導軸的結構設計導軸為一光軸，主要起到引導的作用，只需滿足氣缸的行程要求以及精度要求即可。因此可設計軸的長度為90mm,直徑為 QUOTE QUOTE 12 QUOTE ，材料為45鋼，通過緊定螺釘固定和定位。（2）導套的設計 1、材料的選擇銅合金是銅與

51、錫、鉛、鋅或鋁的合金，是傳統(tǒng)使用的材料，因為青銅具有減磨性、耐磨性好，且具有較高的抗疲勞強度，廣泛用于重載的場合，因此導套的材料選擇青銅。2、潤滑方式考慮到保養(yǎng)的效果和干凈性，選擇脂潤滑。3、尺寸的設計導套的外徑：d1故取 QUOTE d1=16mm環(huán)的寬度： QUOTE 第五章 計算機輔助設計5.1 三維建模 5.1.1 SolidWorks概述SolidWorks是功能強大的三維CAD設計軟件，是美國SolidWorks公司開發(fā)的基于Windows操作系統(tǒng)的設計軟件。SolidWorks相對于其他CAD設計軟件來說，簡單易學，具有高效的、簡單的實體建模功能，并可以利用SolidWorks集

52、成的輔助功能對設計的實體模型進行一系列計算機輔助分析，以便更好地滿足設計需要，節(jié)省設計成本，提高設計效率。SolidWorks通常應用于產(chǎn)品的機械設計中，它將產(chǎn)品置于三維空間環(huán)境中進行設計，設計工程師按照設計思想繪制出草圖，然后生成模型實體及裝配體，運用SolidWorks自帶的輔助功能對設計的模型進行模擬功能分析，根據(jù)分析結果修改設計的模型，最后輸出詳細的工程圖，進行產(chǎn)品生產(chǎn)。由于SolidWorks簡單易用并且有強大的輔助分析功能，已廣泛應用于各個行業(yè)中，如機械設計、工業(yè)設計、電裝設計、消費品產(chǎn)品及通信器材設計、汽車制造設計、航空航天的飛行器設計等行業(yè)中。SolidWorks集成了強大的輔

53、助功能，使我們在產(chǎn)品設計過程中可以方便地進行三維瀏覽、運動模擬、碰撞和運動分析、受力分析及運動算例，在模擬運動中為動畫添加馬達等。 5.1.2 SolidWorks 2011三維建模舉例下面將以裝釘模塊的工件載體零件作為例子，說明SolidWorks 2011三維建模的過程。 1.雙擊桌面上的SolidWorks 2011的快捷方式圖標，啟動軟件。 2.選擇【文件】-【新建】命令，在彈出的對話框中有3個圖標，單擊【零件】圖標，然后單擊【確定】按鈕，進入默認的工作環(huán)境。 3.單擊工具欄的保存按鈕，彈出【另存為】對話框，文件名取名為：工作載體，單擊保存。 4.單擊【草圖】工具欄上的【草圖繪制】按鈕

54、，并選擇前視為草繪平面，進入草繪工作面。 5.單擊【草圖】工具欄上的矩形按鈕，采用中心矩形繪一矩形，點擊智能尺寸按鈕，對矩形的長和寬進行標注，得到如下圖： 6.單擊【退出草圖】按鈕，單擊【特征】工具欄上的凸臺/基體按鈕，設置給定深度為47mm，得到方體。 7.選擇方體的上表面為草圖基準面，右擊選擇【草圖繪制】進入草繪工作面，繪制如圖所示的矩形。 8.單擊【退出草圖】按鈕，單擊【特征】工具欄上的拉伸切除按鈕，設置切除深度為40mm。 9.同第7、8步進行拉伸切除，選擇右側面進行草圖繪制，草圖如下圖所示，設置切除為完全貫穿。 10.選擇底面進行草繪，用工具欄中的【圓】【中心線】【鏡像實體】等命令草繪，所畫草圖如下圖所示，畫好退出草圖繪制，點擊拉伸切除命令，設置給定深度為10mm，得到4個孔。 11.同上使用拉伸切除命令，在后背切除長40mm、寬40mm、厚12mm的實體，草圖如下圖所示。 12.同步驟10，在后背打4個通孔孔，先打4個4的孔，和中間一個8的孔，拉伸切除，貫穿。 QUOTE 14.單擊【特征】工具欄上的倒角按鈕，對工件載體必要倒角的地方進行倒角。15.最終得到工件載體的三維建模如下圖所示。 5.1.3 SolidWorks 2011裝配體設計 本設計采用的是自下而上設計裝配體。自下而上設計法是比較傳統(tǒng)的方法。它一般是先設計并造型零件，然后將之插入裝配體，接著使用配合