工業(yè)機器人畢業(yè)設計說明書

PAGE陽泉學院畢業(yè)設計說明書PAGE1摘要在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產線上的重要成員，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

目錄摘要 11前言 31.1機器人概述 31.2機器人的歷史、現(xiàn)狀 41.3機器人發(fā)展趨勢 52機械手設計方案 72.1機械手基本形式的選擇 72.2驅動裝置的選擇 93引拔設計 113.1設計參數(shù) 113.2方案設計 113.3引拔機構結構設計 113.3.1引拔氣缸參數(shù)計算 113.3.2附加導向桿機構設計 134機械臂的設計 144.1設計參數(shù) 144.2方案設計 144.3機械臂氣缸的選用 144.3.1預選氣缸的缸徑[3] 144.3.2預選氣缸行程 154.3.3驗算緩沖能力 154.3.4活塞桿長度的驗算 154.3.5計算氣缸的空氣消費量 154.3.6選擇活塞桿端部接頭 154.3.7選擇氣缸的品種和安裝形式 165橫行的設計 175.1設計參數(shù) 175.2方案設計 175.3橫進氣缸的選用 185.4導軌設計 196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[2] 226.2.5手爪的夾持誤差及分析[4] 226.2.6楔塊等尺寸的確定 256.2.7材料及連接件選擇 287氣動順序動作的確定 298安裝 309維護 318.1機械手循環(huán)周期 318.2導軌和軸承 318.3驅動系統(tǒng) 318.4氣動系統(tǒng) 328.5真空抓手回路 328.6注意配線磨損 338.7檢查潤滑 338.8檢查成型設備 3410結論 35參考文獻 36致謝 37

1前言1.1機器人概述在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化、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、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法；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”（IndustrialRobot）：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所示。圖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(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)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機器人發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代化生產技術的提高，機器人設計生產能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產與柔性化制造系統(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。

2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、θ和x為坐標系的三個坐標，其中R是手臂的徑向長度，θ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，θ和β為坐標系的坐標。其中θ是繞手臂支撐底座垂直軸的轉動角，β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。θ、α和φ為坐標系的坐標，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉角，φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α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2.5～6.3MPa），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0.4～0.6MPa，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。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。3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：1～2S；（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：根據氣缸的負載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負載力F。取μ=0.2F=μW=0.2*300=60（N）（3-1）【6】根據負載的運動狀態(tài)，預選氣缸的負載率η。取η=50%根據氣源供氣條件，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,η和p，對雙作用氣缸，預選桿徑與缸徑之比d/D=0.3~0.4，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D≈17.66考慮到氣缸的行程比較長缸徑D取。缸桶壁厚可根據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)，[σ]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：根據氣缸的運動狀態(tài)是輸出拉力、負載率η=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?；钊麠U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4所示：1、導向鋼管2、端部頂板3、螺母圖4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5LXW4-11型微型開關

4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：2.5～3.5S；（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[3]根據氣缸的負載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負載力F。取μ=0.8F=μW=0.8*100=80（N）（4-1）【6】根據負載的運動狀態(tài)，預選氣缸的負載率η。取η=50%根據氣源供氣條件，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,η和p，對雙作用氣缸，預選桿徑與缸徑之比d/D=0.3~0.4，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D≈17.75考慮到氣缸的行程比較長缸徑D取。缸桶壁厚可根據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)，[σ]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驗算緩沖能力根據氣缸的運動狀態(tài)是輸出拉力、負載率η=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6CM40-600F1-SK2氣缸

5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：3.5～4.5S；（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71、無桿氣缸2、導軌3、基座圖7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9查的本氣缸的理論輸出力為220N，滿足系統(tǒng)要求。表1ANR系列行程圖Tab.1ANRSeriesitinerarymapAMRBAMRG10Ф1050~500mm50~500mm16Ф1650~500mm50~700mm20Ф20100~1500mm100~1500mm25Ф25100~1500mm100~1500mm32Ф32100~2000mm100~1500mm40Ф40100~2000mm100~1500mm圖8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56~62HRC，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。

6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，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1.2——2.0，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，得出工作情況系數(shù),，a為機器人搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值（m/s）；—方位系數(shù)，根據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：手指垂直放置工件水平放置；手指與工件形狀：型指端夾持圓柱型工件，，為摩擦系數(shù)，為型手指半角，此處粗略計算,G—被抓取工件的重量求得夾緊力，，取整為120N。6.2.2驅動力計算根據驅動力和夾緊力之間的關系式：（6-2）【4】式中：c—滾子至銷軸之間的距離；b—爪至銷軸之間的距離；—楔塊的傾斜角可得，得出F為理論計算值，實際采取的氣缸驅動力要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率，一般取0.8～0.9，此處取0.88，則：，取6.2.3氣缸驅動力計算設計方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊裝置，氣缸為單作用缸，提供推力：（6-3）【4】式中——活塞直徑——活塞桿直徑——驅動壓力，,工作壓力P=0.49MPa據公式計算可得氣缸內徑：根據氣動設計手冊，圓整后取D=16mm?；钊谐蹋斪ト?0mm工件時，即手爪從張開120mm減小到80mm，楔快向前移動大約40mm。取氣缸行程S=40mm。6.2.4選用夾持器氣缸[2]長沙華德液壓氣動有限公司所生產的QCG薄型氣缸QGD16-40剛好滿足條件，所以選取這個氣缸。表2QCG薄型氣缸安裝尺寸圖Tab.2QCGthincylinderInstallationsizemap缸徑行程Ф165mmФ1610mmФ1615Ф1620mmФ1630mmФ1640mm6.2.5手爪的夾持誤差及分析[4]機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，避免產生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結構參數(shù)，見圖9，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補償能力。R1,R2工件半徑C1C2=圖9夾持誤差圖工件直徑為80mm，尺寸偏差，則，，。本設計為楔塊杠桿式回轉型夾持器，屬于兩支點回轉型手指夾持，如圖10圖10楔塊杠桿式夾持器若把工件軸心位置C到手爪兩支點連線的垂直距離CD以X表示，根據幾何關系有：簡化為：該方程為雙曲線方程，如圖11：圖11工件半徑與夾持誤差關系曲線由上圖得，當工件半徑為時，X取最小值，又從上式可以求出：，通常取,若工件的半徑變化到時，X值的最大變化量，即為夾持誤差，用表示。在設計中，希望按給定的和來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結構增大；另一方面可選取合適的偏轉角，使夾持誤差最小，這時的偏轉角稱為最佳偏轉角。只有當工件的平均半徑取為時，夾持誤差最小。此時最佳偏轉角的選擇對于兩支點回轉型手爪（尤其當a值較大時），偏轉角的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪的和邊平行，抓不著工件。為避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑，以為條件確定兩支點回轉型手爪的偏轉角，即下式：其中,,型鉗的夾角代入得出：則則，此時定位誤差為和中的最大值。分別代入得：，所以，，夾持誤差滿足設計要求。由以上各值可得：取值為。6.2.6楔塊等尺寸的確定楔塊進入杠桿手指時的力分析如下：圖12楔塊進入手爪受力圖上圖12中—斜楔角，＜時有增力作用；—滾子與斜楔面間當量摩擦角，，為滾子與轉軸間的摩擦角，為轉軸直徑，為滾子外徑，，為滾子與轉軸間摩擦系數(shù);—支點至斜面垂線與杠桿的夾角；—杠桿驅動端桿長；—杠桿夾緊端桿長；—杠桿傳動機械效率斜楔的傳動效率:斜楔的傳動效率可由下式表示：杠桿傳動機械效率取0.834，取0.1，取0.5，則可得=,，取整得=。動作范圍分析陰影部分杠桿手指的動作范圍，即，見圖13圖13動作范圍分析圖如果，則楔面對杠桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀態(tài)，所以必須大于。此外，當時，杠桿與斜面平行，呈直線接觸，且與回轉支點在結構上干涉，即為手指動作的理論極限位置。斜楔驅動行程與手指開閉范圍:當斜楔從松開位置向下移動至夾緊位置時，沿兩斜面對稱中心線方向的驅動行程為L，此時對應的杠桿手指由位置轉到位置，其驅動行程可用下式表示：杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為：通常狀態(tài)下，在左右范圍內，則由手指需要的開閉范圍來確定。由給定條件可知最大為55-60mm,最小設定為30mm.即。已知，可得，有圖14關系：圖14楔塊尺寸示意圖可知：楔塊下邊為60mm，支點O距中心線30mm，且有，解得：與的確定:斜楔傳動比可由下式表示：可知一定時，愈大，愈大，且杠桿手指的轉角在范圍內增大時，傳動比減小，即斜楔等速前進，杠桿手指轉速逐漸減小，則由分配距離為：，。確定:由前式得：，，取。確定:為沿斜面對稱中心線方向的驅動行程，有圖15中關系圖15L對中心線的驅動方程的示意圖，取，則楔塊上邊長為18.686，取19mm.6.2.7材料及連接件選擇V型指與夾持器連接選用圓柱銷，d=6mm,需使用2個。杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷，d=6mm,需使用2個。滾子與手指連接選用圓柱銷，d=4mm,需使用2個。以上材料均為鋼，無淬火和表面處理銷兩端均打直徑1.2mm的圓孔，用GB/T911.2X8的開口銷連接。楔塊與活塞桿鉸鏈聯(lián)結。

7氣動順序動作的確定考慮到注塑機抓取的效率問題，引拔氣缸一般不會經常用到，故將其單獨設立一回路，分開控制。所以注塑機機械手抓取過程主要由手臂升降缸（A缸）、手爪開閉缸（B缸）和橫向移動氣缸（C缸）所完成。在初始狀態(tài)，手臂在左端；B缸縮回，手爪開啟；A缸縮回，手臂上升處于上面。整個動作順序為A缸伸出（手臂下降），下降到工件位置時觸動缸上的磁性開關→B缸伸出（氣抓夾取工件），抓取工件后觸動缸上的磁性開關→A缸縮回（手臂上升）→C缸右移（手臂右向橫行）→A缸伸出（手臂下降）→B缸縮回（氣抓放下工件）→A缸縮回（手臂上升）→C缸左移（手臂左向橫行），如此循環(huán)。

8安裝(1)側姿組用來固定所需求的抱具，首先用抱具固定塊將抱具固定在側姿旋轉板上。注意：在裝置過程中需關掉電源和氣源，若是不關電源和氣源則有必要確保機械手處于手動狀況，且不能操作任何動作。(2)注意裝置方向，在裝置時需將側姿組打至筆直狀況，且將抱具筆直裝置。(3)裝置好后用氣管從穿板接頭處銜接。(4)當側姿組水平動作速度須改變，請調整側姿水平速度調節(jié)閥。(5)當側姿組筆直動作速度須改變，請調整側姿筆直速度調節(jié)閥。(6)順時針旋轉速度變慢，逆時針旋轉速度變快。(7)調整恰當后，請將鎖緊螺帽鎖緊。

9維護9.1機械手循環(huán)周期保持機械手良好運行的要點之一是簡單的觀察和傾聽，這樣做能夠暴露出機械手總體運行的許多信息。機械手通過具體動作工作，因此傾聽任何不正常的聲音，例如嘯叫、咔嗒聲等，這些表明軸承不能正常旋轉或其它某個構件被粘住。機械手鏈接部分沿著裝有動力電纜和真空軟管的導軌運動，會發(fā)出正常的滴答聲，但是這種聲音平滑穩(wěn)定。檢查任何可以觀察到的軸承，確保它們平穩(wěn)旋轉。只需要檢查并聆聽某些磨損或需要調整的征兆，就可以大大有助于保持機械手最佳的運行狀態(tài)。9.2導軌和軸承應該保持所有軸處的導軌和軸承清潔以及良好的潤滑性能。如果機械手運行在充滿灰塵的環(huán)境中，那么需要經常清理導軌。如果你發(fā)現(xiàn)任何金屬碎片或粉末，那就可能表示潤滑不好。為了保證合適的潤滑，擁有恰當?shù)木€性導向系統(tǒng)非常關鍵，大多數(shù)機械手擁有自動化的潤滑系統(tǒng)以及需要定期替換的部件。9.3驅動系統(tǒng)如果機械手采用裝配架-傳動齒輪驅動，注意在運行過程中是否有任何遲疑或晃動發(fā)生。除了光滑平穩(wěn)的動作之外的所有運動都可以表明驅動系統(tǒng)損壞或內部寄存了一些異物。機械手推動向下運動時，快速檢查裝配梁和傳動齒輪之間動作或齒隙的方法是推拖運動臂，感覺異常運動（來回動作不同）。然而由于正常的廠家公差精度非常高，因此本試驗方法將會非常不精確。如果你懷疑裝配梁和傳動齒輪可能有問題，較好的方法是使用量程長的磁性表座。按照廠家說明書調整好齒隙后，檢查軸的全部行程，保證裝配梁和傳動齒輪之間沒有太緊的地方。如果齒隙不能調整，那么裝配架和傳動齒輪可能出現(xiàn)磨損，需要替換。如果必需修補裝配架和傳動齒輪，那么最好同時替換兩個構件從而保證長期性能。至于靠傳送帶驅動的軸，密切注意傳送帶磨損落下的碎屑以及本身的損害。仔細檢查滑輪，留意源自傳送帶材料的灰塵的跡象。確保傳送帶和傳動滑輪以及槽輪的完全排列成行。方向偏離的傳送帶會非常快地磨損掉。只要是傳送帶驅動的系統(tǒng)，可按照廠家的說明書檢查傳送帶本身的預加負荷。這些規(guī)范將告訴你：相對于滑輪，在傳送帶具體位置上的適宜誤差量。9.4氣動系統(tǒng)包括多軸向伺服驅動在內，只要有轉腕和真空抓取動作，幾乎所有的機械手都會有氣動功能。密切注意過濾調壓閥單元的吸盤，其中積有水就表明通過系統(tǒng)的壓縮氣源濕度過大。少量水氣的存在都可能傳送到氣動閥和致動器，造成氧化和內部污染，最終可能導致調壓閥粘住或致動器斷斷續(xù)續(xù)的粘住或失效。如果吸盤配置自動除濕系統(tǒng)，吸盤上的污染或變色也表明水氣在去除之前在增加。如果水聚集到吸盤中，即使時間很短，它也能進入系統(tǒng)，造成上述問題。如果你注意到氣動膠管有任何有形損壞，那么系統(tǒng)就可能會有泄漏。如果氣壓回路在正常操作壓力下充滿空氣，并且在回路某處出現(xiàn)泄漏，那么你應該更容易發(fā)現(xiàn)明顯的咝咝聲，進而幫助你確定泄漏的位置。9.5真空抓手回路真空應該接近瞬時形成，合適的控制器輸入就應該相當于在抓取制品。如果你發(fā)現(xiàn)打開真空，接著出現(xiàn)輸入光源，延遲時間超過2秒，那么就表明有真空管線泄露、有缺陷或者切換裝置調節(jié)不當。通過外掛的主控制面板可以很容易進行測試。如果機械手配置數(shù)字真空切換單元，那么就可以快速自動微調抓取制品所需真空的最小閾值。該過程可以在機械手自動運行模式下運行時完成。在存儲器里保存每個生產周期的設定參數(shù)，這可以在下一次生產變化時節(jié)約時間。數(shù)字式真空切換裝置還有另外兩種優(yōu)勢：抓取閾值信號電子濾波器彌補了快速運動時真空吸盤上制品的振動。制品釋放閾值與抓取閾值不同，可進行程控，可保證在快速生產周期條件下得到合適的釋放。9.6注意配線磨損在檢查機械手表面時，如果發(fā)現(xiàn)黑色顆粒或粉末，那么就表明機械手電路配線有磨損跡象。但是，即使你發(fā)現(xiàn)不了這些磨損信號，仔細察看所有電源、變壓器或編碼器電纜，配線路徑的內外兩側也可，因為在生產循環(huán)期間，連續(xù)摩擦機械手的配線，或連接在電纜導軌上的配線，最終都會磨損并且失效。確保配線扎帶的安全，以及電纜的合理安裝。9.7檢查潤滑機械手使用彈簧加載的潤滑棒，除非有證據表明導軌潤滑不充分，否則只需要一年替換一次。配置自動化潤滑系統(tǒng)，可以順著機械手運動連續(xù)進行潤滑。但是如果有一些表面，機械手在其上不能正常運動，那么對這些區(qū)域進行手動潤滑，或實現(xiàn)自動化系統(tǒng)潤滑的定期程控動作進行潤滑。如果你發(fā)現(xiàn)任何運動表面上出現(xiàn)銹斑、腐蝕或磨損，或者只是太干，都說明它們潤滑不足。要始終參考機械手手冊對金屬部件進行合理的潤滑。裝配梁-傳統(tǒng)齒輪系統(tǒng)通過潤滑油存儲單元進行自動化潤滑，但是需要每年進行更換。9.8檢查成型設備標準配置的機械手通常都安裝在成型設備的模板上。當設備快速運行時，來自成型設備的振動可能會傳遞到機械手上，并可導致?lián)p壞。簡單觀察成型設備的運行情況，保證模具運動被調整到合理狀態(tài)，減少晃動或振動次數(shù)，可以延長機械手的壽命。在高速運行情況下，振動頻率可能會非常高，最好將機械手安裝在獨立于成型設備的支承結構上。

10結論本次機械手的設計主要對于夾持器，橫行，氣壓系統(tǒng)進行的設計思想和設計過程。內容主要包括：夾持器與橫行總體方案的確定，采用了氣壓驅動系統(tǒng)，相應的涉及到氣壓缸的選擇計算，總體結構設計、主要部件的受力分析和強度校核。由于時間有限，本設計中的PLC控制未設計。題目的綜合訓練比較強，涉及知識面廣，重點在于培養(yǎng)工程思想及意識，理論聯(lián)系實際，提高初步設計能力。設計要求在保證其原有性能的前提下，盡可能地提高其特色即性能價格比。并且要求該機械手具有較小的體積，簡單的結構和低廉的價格，和造型美觀的外形，各調整環(huán)節(jié)的設計要方便人體接近方便工具的使用。其難點在于結合實際，進行結構設計.在設計過程中，我綜合運用了四年來所學到的專業(yè)知識，感覺到自己專業(yè)知識中某方面的欠缺，通過再次的復習，明顯感覺到了知識的增長，我們從中學到了很多的知識，也體會到了畢業(yè)設計的綜合性，結合輔導老師的指導與自己的專業(yè)知識和生產實踐，才能較為完整地完成此次設計任務。

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