《板材吸盤式機械手設(shè)計【龍門機械手】》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《板材吸盤式機械手設(shè)計【龍門機械手】（37頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、摘要近代的工業(yè)機械手是由目標機械本體、控制器系統(tǒng)、傳感裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和伺服動力器系統(tǒng)組成，是一種模仿人的操作、自動化控制、可多次編程、能在立體空間完成各式各樣作業(yè)的Mechatronics設(shè)備。工業(yè)機械手對于提高和確保產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)的效率，改善工人的工作條件和快速更新產(chǎn)品起著非常重要的作用。工業(yè)機械手技術(shù)結(jié)合了多們學(xué)科的知識。包含機構(gòu)學(xué)、計算機、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等。它是當代十分活躍，應(yīng)用非常廣泛的領(lǐng)域。機械手具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強，能長時間工作和工作精度高。可以說機械手是工業(yè)進步的產(chǎn)物，它也發(fā)揮了在當今工業(yè)的至關(guān)重要的作用

2、。如今，機械手工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。本課題模擬了實際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，課題將設(shè)計一個龍門機械手，將用于工作人員出入，使斷開輸送帶上的零件通過機械手進行運輸，需完成對工件的安全抓緊和釋放，并將零件從輸送帶的一端送到指定位置的另一端生產(chǎn)線輸送帶上。本文闡述了機械手的發(fā)展歷史，國內(nèi)外的應(yīng)用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機械手設(shè)計要求和進行了總體方案設(shè)計和各自由度的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算。關(guān)鍵詞：機械手；工業(yè)；傳動；強度AbstractIndustrialmanipulatoriscomposedoftargetofmodernmechanicalbody,controlsystem,sen

3、sorsystem,controlsystemandservoactuatorsystem,operation,automaticcontrol,akindofimitationofhumanmultipleprogramming,tocompletetheworkofeverykindofMechatronicsdeviceinthree-dimensionalspace.Industrialmachineryhandtoenhanceandensurethequalityofproducts,improveproductionefficiency,playsaveryimportantro

4、leinimprovingtheworkingconditionsofworkersandtherapidupdatingofproduct.Industrialmachineryhandtechniquecombinedwithmultidisciplineknowledge.Includingmechanism,computer,controltheory,informationandsensortechnology,artificialintelligence,bionicsandsoon.Itistheveryactive,verywideapplicationareas.Theman

5、ipulatorhasmanyhumanbeingsdonothave,includingtherapidanalysisofenvironmentalcapacity;stronganti-interferenceability,canworkforalongtimeandhighprecisionwork.Canbesaidthatthemanipulatorisaproductoftheprogressofindustry,italsoplaysavitalroleinthemodernindustry.Nowadays,industrialrobothasbecometheconcer

6、noftheindustryallovertheworld.ThissubjectcomesfromtheYalongYL-221automationtoflexibleproductionsystem,themachineindependentinnovationtrainingsystemtosimulatetheactualindustrialproductionsystem,accordingtothedifferentstagesofproductionmachineisprovidedwithapluralityofworkstation:automaticaccessoverhe

7、adwarehouse,handlingrobotstation,lineconveyor,conveyorstationstation90degreeturn,mechanicalprocessingstation,station,thestationcodeheap.WedesignarobotwillbeusedinLongmen,staffentry,disconnectedtotheconveyorbeltpartsaretransportedbymechanicalhand,tothecompletionoftheworkofsafetygripandrelease,andthep

8、artsfromoneendtotheotherendoftheconveyorbeltproductionlinepositionspecifiedontheconveyorbelt.Thispaperexpoundsthedevelopmenthistoryofthemanipulator,theapplicationstatusathomeandabroad,anditsgreatsuperiority,putsforwardthedesignrequirementsofthemanipulatorspecificanddetailstructuredesign,overalldesig

9、nandvariousdegreesoffreedom.KeyWords:robot;industrial;transmission;strength目錄摘要1Abstract2目錄3第一章緒論51.1機械手概念51.2課題研究的背景和意義61.3國內(nèi)外機械手的研究71.4機械手的應(yīng)用10第二章總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計122.1課題技術(shù)要求122.2設(shè)計原理12第三章機架的設(shè)計153.1機架的設(shè)計要求153.2機架設(shè)計方案163.3機架尺寸結(jié)構(gòu)16第四章電動機聯(lián)軸器及直線導(dǎo)軌設(shè)計194.1電動機的選型194.2聯(lián)軸器設(shè)計204.3直線導(dǎo)軌設(shè)計22第五章傳動設(shè)計235.1 X軸方向235.1.1 運動原

10、理235.1.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計與校核245.2 Y軸方向275.2.1運動原理275.2.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計與校核285.3 Z軸方向305.3.1運動原理305.3.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計與校核315.4 吸盤設(shè)計33參考文獻34全套圖紙+Q 11970985或197216396第一章緒論1.1機械手概念機械手（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。機械手是近50年才迅速發(fā)展起來的一種有代表性的、機械和電子控制系統(tǒng)組成的、自動化程度高的生產(chǎn)工具。

11、在生產(chǎn)制造業(yè)中，機械手技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。它自動化程度高，對改善勞動條件，確保產(chǎn)品質(zhì)量和提升工作效率，起到非常重要的作用?？梢哉f他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術(shù)革命。械手概述工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)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(zhì)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(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)

12、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(yīng)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(wù)性設(shè)各，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)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(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)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(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤

13、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(jié)構(gòu)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(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)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(yīng)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。1.2課題研究的背景和意義本課題將設(shè)計一個龍門機械手，將用于工

14、作人員出入，使斷開輸送帶上的零件通過機械手進行運輸，需完成對工件的安全抓緊和釋放，并將零件從輸送帶的一端送到指定位置的另一端生產(chǎn)線輸送帶上。通過本課題的研究，學(xué)生不僅可以了解自動生產(chǎn)線的工作過程，還可以深入了解其組成部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。希望學(xué)生通過本課題設(shè)計，能充分運用已學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，設(shè)計出可行、優(yōu)化的裝置，并完成機械裝配圖，重要零件的加工圖，在畢業(yè)設(shè)計說明書中，選用合理的動力元件，計算設(shè)計零件的合理尺寸，體現(xiàn)合理的設(shè)計思路，綜合應(yīng)用機械原理和設(shè)計、工程制圖，以及現(xiàn)代制造理念。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)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)

15、，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)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。工業(yè)機械人是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。轉(zhuǎn)運機械手是工業(yè)機器人的一部分。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的搬運任務(wù)。機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械

16、手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。對環(huán)境的適應(yīng)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(shè)計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，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。（1）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

17、，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(zhì)量，同時又可以避免人為的操作錯誤。（3）機械手能持久、耐勞，可以把人從繁重單調(diào)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(diào)重復(fù)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(yīng)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，簡易小型直角坐標機械手設(shè)計而其眾多的自由度，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）

18、采用機械手能明顯地提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。本課題來源于金川集團股份有限公司鎳板生產(chǎn)過程過程中鎳板剪切項目，本課題主要是設(shè)計一個機械手將板材從一個堆垛上一塊塊移動到另一個堆垛上。1.3國內(nèi)外機械手的研究現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研13上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）簡易小型直角坐標機械手設(shè)計制出第一臺機械手。他的結(jié)構(gòu)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(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 圖1.1常見機械手1962年，美國機械鑄造公司在

19、上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Uni-maton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(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)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合

20、研制一種Unimate-Vic-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)，定位誤差可小于1毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到0.1毫米。德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。簡易小型直角坐標機械手設(shè)計瑞士RETAB公司生產(chǎn)一

21、種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學(xué)和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在

22、數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機器人在工作。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)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，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(FlexibleManufac- turingsystem)和柔性制造單元(FlexibleManufacturingCell)中重要一

23、環(huán)。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(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還有所改變。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。圖1.2碼垛機械手我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌

24、跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨

25、周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化9前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距

26、較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。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。國內(nèi)外實際上使用的定位控制的機械手，沒有“視覺”“觸覺”和反饋。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。1.4機械手的

27、應(yīng)用機械手涉及到非常多學(xué)科的知識和領(lǐng)域。包括：計算機、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)、控制、機械等等。機械手的發(fā)展離不開上述學(xué)科的發(fā)展。正是由于各個學(xué)科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動化程度高的及其人。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，機械手在應(yīng)用得范圍越來越廣泛；技術(shù)也越來越得到調(diào)高，功能更加強大?，F(xiàn)在很對機械手的研究都往小型化發(fā)展。機械手將會更多的進入到人們的日常生活中去。總體的發(fā)展趨勢是模塊化、標準化、更加智能化。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。簡易小型

28、直角坐標機械手設(shè)計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自動線轉(zhuǎn)位機械手。機械手的廣泛應(yīng)用，對提升產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)能、保障人員安全，改善勞動環(huán)境，降低勞動的強度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，起著一個十分重要的作用。機械手的廣泛應(yīng)用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。圖1.3機械手的應(yīng)用機械手產(chǎn)業(yè)是在計算機、繼汽車之后出現(xiàn)的又一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代，機械手產(chǎn)業(yè)市場前景發(fā)展很好。從二十世紀起，世界機械手產(chǎn)業(yè)一直穩(wěn)步增長。到了二十世紀九十年代，機械手產(chǎn)品發(fā)展快速增長，年增長率平均在百分之十上下。

29、2004年創(chuàng)記錄達到百分之二十。在亞洲機械手需求量更多，年增長率高達百分之四十三。經(jīng)歷40多年的發(fā)展，機械手應(yīng)用到很多領(lǐng)域中去了。機械手在制造業(yè)中應(yīng)用的最廣泛。如在焊接、熱處理、表面涂覆、機械加工、裝配、檢測和倉庫堆垛毛、坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)等等作業(yè)中，機械手替代了人工作業(yè)，并使得生產(chǎn)效益大大提高。第二章總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計本課題來源于金川集團股份有限公司鎳板生產(chǎn)過程過程中鎳板剪切項目，本課題主要是設(shè)計一個機械手將板材從一個堆垛上一塊塊移動到另一個堆垛上。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。2.1課題技術(shù)要求需要移動的板材尺寸：10001000mm；重量：60k

30、g；機械手要求提起400mm，行走1500mm，放下40mm；時間要求：1分鐘移動6塊以上的鎳板。2.2設(shè)計原理在鎳板生產(chǎn)過程中，根據(jù)生產(chǎn)的需要，要求將一個堆垛上的板材一塊一塊地移位到另一個堆垛上，由于鎳板較薄（一般3mm），不適合采用夾持的方式，且由于多塊板材堆放在一起，采用夾持的方式也很難對板材進行一塊塊分離，針對此問題，本課題擬設(shè)計一個機械手，實現(xiàn)將板材從一個堆垛上一塊塊移動到另一個堆垛上。圖2.1能做三個方向自由移動的機械手吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負

31、壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式.驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動?？刂葡到y(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

32、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(gòu)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。位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置。為了實現(xiàn)上述機械手的工作要求，本課題采用吸盤的方式對堆垛上的板材進行吸附，如何設(shè)計吸盤實現(xiàn)對需要移動的板材

33、進行吸附，同時對吸附后的板材完成提升、移位和堆垛動作是本課題需要完成的主要工作。本機械手采用由機械傳動機構(gòu)與電力傳動機械手相結(jié)合的方式，它的主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變，電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)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。機械手的座標型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關(guān)節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具只有升降、收縮，因此，采用直角座標型式。相應(yīng)的機械手具有

34、三個自由度，即X軸方向移動、Y軸方向移動、Z軸方向移動，即左右上下前后。主參數(shù)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，使用多個吸盤式手部完成對重物的吸附抓取。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程。手臂升降行程定為150mm。機械手要求提起400mm，行走1500mm，放下40mm；時間要求：1分鐘移動6塊以上的鎳板。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為土0.5lmm。圖2.2類似碼垛機械手設(shè)計樣例第三章機架的設(shè)計機架零件往往是

35、機器中最大的零件，在機器總重量中，一般情況下，機器零件占70%90%。因此，設(shè)法減輕這類零件的重量具有一定的經(jīng)濟意義。機架零件按構(gòu)造形式不同大體上可歸納成四類：1、機座類；2、板類；3、框架類。此外也有其他分類方法，如整體機架和部分機架、鑄造機架和焊接機架、固定機架和移動機架等。3.1機架的設(shè)計要求對于機架零件一般可提出下列基本要求：1、足夠的強度和剛度；2、形狀簡單，便于制造；3、便于在機架上安裝附件等。對于帶有缸體、導(dǎo)軌等的機架零件，還應(yīng)有良好的耐磨性，以保證機器有足夠的使用壽命。高速機器的機架零件還應(yīng)滿足振動穩(wěn)定性的要求。強度和剛度是評價機架零件工作能力的基本增長準則。機架零件形狀比較復(fù)

36、雜采用鑄件。鑄鐵的鑄造性能好、價廉、吸振能力較強，所以在機架零件中應(yīng)用最廣。受載情況嚴重的機架常用鑄鋼、如軋鋼機機架。要求質(zhì)量輕時可以采用輕合金，如飛機發(fā)動機的缸體多用鋁合金鑄成。本設(shè)計選用鋼鐵作為機架材料。機座是指設(shè)備的底架或部件，以便設(shè)備的使用或安裝附件。用鋼材焊接成機架。鋼的彈性模量比鑄鐵大，焊接機架的壁厚較薄，其重量比同樣剛度的機座約輕20%50%；在單件小批量生產(chǎn)情況下，生產(chǎn)周期較短，所需設(shè)備簡單；焊接機架的缺點是鋼的抗振性能較差，在結(jié)構(gòu)上需采取防振措施；鉗工工作量較大；成批生產(chǎn)時成本較高。機座材料的選擇簡易小型直角坐標機械手設(shè)計本設(shè)計機座使用鋼，用鋼材焊接成機架。鋼的彈性模量比鑄鐵

37、大，焊接機架的壁厚較薄，其重量比同樣剛度的機座約輕20%50%；在單件小批量生產(chǎn)情況下，生產(chǎn)周期較短，所需設(shè)備簡單；焊接機架的缺點是鋼的抗振性能較差，在結(jié)構(gòu)上需采取防振措施；鉗工工作量較大；成批生產(chǎn)時成本較高。3.2機架設(shè)計方案本設(shè)計的機座的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用方形截面機座優(yōu)點在于：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，箱體內(nèi)有較大的空間來安放其它部件；但剛度稍差，宜用于載荷較小的場合。所以機座應(yīng)選擇合適的壁厚、筋板和形狀，以保證在重力、慣性力和外力的作用下，有足夠的剛度。機座的鏈接剛度為提高結(jié)合表面的連接剛度，可采取如下措施：（1）根據(jù)受力大小和方向，合理選擇緊固螺釘?shù)闹睆?、?shù)量及其位置。必要時，可使螺釘產(chǎn)生預(yù)緊力，

38、來提高連接剛度。（2）提高結(jié)合表面的光潔度和形狀精度，使結(jié)合表面上的接觸點增多，從而提高結(jié)合面的接觸剛度。（3）增加局部剛度來提高連接剛度，在安裝螺釘處加厚凸緣；或用壁龕式螺釘孔；或用加強筋等辦法增加局部剛度，從而提高連接剛度。圖3.1三維模型3.3機架尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)使其具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，以便于制造和降低成本。一是因為這是直角坐標，所以要保證驅(qū)動器與連接板之間的重合度；還要保證驅(qū)動器與驅(qū)動器之間的垂直度，而且在運動過程中兩個驅(qū)動器的極限位置是不能發(fā)生干涉的，另外它們和橫梁，機架，機座之間也不能發(fā)生運動干涉。二是在控制方面，傳感裝置要有快速的檢測功能與急停功能，一個狀態(tài)到另外一個狀態(tài)的速

39、度要快。三是連接部分的強度要高，不易松懈，還要承受的起它下部的所有重量。四是各個驅(qū)動器內(nèi)部的各個零部件之間的傳動效率，安裝精度和配合誤差，旋轉(zhuǎn)精度都要適合于所有的靜連接（適當?shù)拈g隙或過度配合）與動連接（適當?shù)倪^盈配合）；而且像工作臺的運動極限位置應(yīng)該不能與靜連接之間發(fā)生干涉；還有連接板與驅(qū)動器的接觸面要有符合條件的表面粗糙度。五是橫梁要有足夠的剛度；機架要有足夠的抗彎強度與垂直度；機座要有適當?shù)拇笮∫垣@得適當?shù)闹匦模粌H能滿足靜止時的平穩(wěn)更能滿足運動時的平穩(wěn)。圖3.2二維模型主、俯視圖圖3.3二維模型左視圖1、 支腿強度校核 支腿長度l=515cm,ix=8.62cm,=lix =5158.6

40、2 =59.74，0.956=57.12，查表可知=0.745，則支腿最大承受壓力N=A=21.563.530.931= 1017.59KN，裝備靜載為2000KN，分布在16個支腿上，因此滿足強度要求，可以使用。 2、 斜撐強度校核斜撐選用894無縫鋼管，橫截面積A=10.68cm2，最大水平力51.819KN，Q235屈服極限為215MPa,取安全系數(shù)為1.5，則b=143MPa,=NA =518.19210.68 =24.26MPab，滿足強度要求。 3、 橫撐強度校核 橫撐選用10#槽鋼，橫截面積為A=12.748cm2，最大水平力51.819KN，Q235屈服極限為215MPa，取安

41、全系數(shù)為1.5，則b=143MPa，=NA =518.1912.748 =40.65MPa51.86mm計算齒輪的工作寬度b=fdd=155=55mm取b2=55mm，b1=60mm. 校核彎曲強度由式，分別驗算兩輪齒根彎曲強度。計算圓周力 N齒形系數(shù)YFa、應(yīng)力修正系數(shù)Ysa可由圖8-23、10-24查得，當z1=22，YFa1=2.78，Ysa1=1.61，z2=94，YFa2=2.22，Ysa2=1.87，則 MPa MPa 主要幾何尺寸m=2.5mm，z1=22，z2=94，d1=55mm，d2=z2m=942.5=235mm，da1=m(z1+2)=2.5(22+2)=60mm，da

42、2=m(z2+2)=2.5(94+2)=240mm，df1=m(z1-2.5)=2.5(22-2.5)=48.75mmdf2=m(z2-2.5)=2.5(94-2.5)=228.75mmb=55，取b1=60mm，b2=55mm，a=(d1+d2)/2=(55+235)/2=145mm5.2 Y軸方向5.2.1運動原理該方向采用電動機通過聯(lián)軸器帶動主動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪接觸嚙合，將力矩傳遞給直線齒條嚙合，提供Y方向前進或者后退的動力，從而使得完成在該方向?qū)к壣系淖杂梢苿印D5.4 Y方向運動示意圖1圖5.5 Y方向運動示意圖25.2.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計與校核根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點:

43、 (1) 齒輪的分度圓永遠與其節(jié)圓相重合,而齒條的中線只有當標準齒輪正確安裝時才與其 節(jié)圓相重合. (2) 齒輪與齒條的嚙合角永遠等于壓力角. 因此,齒條模數(shù)m=4，壓力角20=a 1.齒條斷面形狀選取圓形 選取齒數(shù)z60 齒頂高系數(shù) 頂隙系數(shù) 齒頂高 ha=ham=14, ha=4 mm 齒根高 hf=( ha+ c)m， hf=（1+0.25）4=5 mm 齒高 h=ha+hf =4+5， h=9 mm 最終確定齒條為650mm長2確定許用彎曲應(yīng)力sHlim1=710MPa，sHlim2=580MPa， sFlim1=600MPa，sFlim2=450MPa， 安全系數(shù)取SHlim=1.1

44、 SFlim=1.25N1=601000530016=14.4108N2= N1/i=14.4108/3=4.8108得：ZN1=0.975 ZN2=1.043 YN1=0.884 YN2=0.9033按齒面接觸強度設(shè)計（1）工作轉(zhuǎn)矩（2）載荷系數(shù)KA=1.5 KV=1.15 Kb=1.09K= KAKV Kb=11.151.09=1.88（3）計算齒面彎曲應(yīng)力查的彈性變形系數(shù)：ZE=189.8節(jié)點區(qū)域系數(shù)： ZH=2.5。則：，取m=4mmd1=mz1=427=108 mmb=yd d1=108 mm4校核彎曲強度查得：YFa1=2.58，YSa1=1.62，YFa2=2.33，YSa2=1

45、.75，則：滿足強度要求。5.3 Z軸方向5.3.1運動原理該方向采用電動機通過聯(lián)軸器帶動主動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪接觸嚙合，將力矩傳遞給直線齒條嚙合，提供Z方向前進或者后退的動力，從而使得完成在該方向?qū)к壣系淖杂梢苿?。該方向為豎直方向，為防止下滑，采用類似于鋼軌截面的導(dǎo)軌截面。圖5.6 Y方向運動示意圖1圖5.7 Y方向運動示意圖15.3.2 輪齒部分主要幾何尺寸的設(shè)計與校核1、 嚙合齒輪的數(shù)據(jù)確定 設(shè)模數(shù)m=3，z=17，=20，其寬選擇20，計算如下： d=mz=317=51 da=d+2ha=51+213=57 df=d-2hf=51-21.253=43.5 2、 輸出齒輪的數(shù)據(jù)確定 設(shè)模

46、數(shù)m=3，z=34，=20，其寬選擇15，計算如下： d=mz=334=102 da=d+2ha=102+213=108 df=d-2hf=102-21.253=94.5 3、 齒條的設(shè)計 設(shè)模數(shù)m=3，z=40，=20，其寬選擇20+10，即有齒部分為20，沒有齒部分為10，計算如下： p=m=9.425 L=pz=377 ha= m ha*=3 hf= m (ha*+c*)=3.75 齒輪強度校核1齒輪參數(shù) 傳遞功率：600KW 輸入轉(zhuǎn)速：25.68rpm 輸出轉(zhuǎn)速：6.0rpm Z1=25 M=36 42CrMo Z2=107 M=36 ZG35CrMo 齒寬：600mm 熱處理：a)軟

47、齒面 b)硬齒面（中頻表面淬火） 2 強度校核 1) 按軟齒面校核 a) 系數(shù)選擇 使用系數(shù)Ka=1.25 動載系數(shù)Kv=1.2 齒向載荷分布系數(shù)KH=1.025 KF=1.0 齒間載荷分布系數(shù)Kh=1.2 Kf=1.2 應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.58 Ysa1=1.8 彈性系數(shù)Ze=189.8 壽命系數(shù)ZN1=1.6 ZN2=1.58 YN1=2.3 YN2=2.2 齒形系數(shù)Yfa1=2.75 Yfa2=2.3 b) 確定疲勞極限接觸疲勞極限 h1=1180mpa h2=650mpa 彎曲疲勞極限 f1=380mpa f2=300mpa 最小接觸安全系數(shù)SH=1.1 最小彎曲安全系數(shù)SH=1

48、.3 c) 計算結(jié)果 向左轉(zhuǎn)|向右轉(zhuǎn) 2) 按硬齒面校核 a) 系數(shù)選擇 使用系數(shù)Ka=1.25 動載系數(shù)Kv=1.2 齒向載荷分布系數(shù)KH=1.05 KF=1.01 齒間載荷分布系數(shù)Kh=1.1 Kf=1.1 應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.58 Ysa1=1.8 彈性系數(shù)Ze=189.8 壽命系數(shù)ZN1=1.6 ZN2=1.58 YN1=2.3 YN2=2.2 齒形系數(shù)Yfa1=2.75 Yfa2=2.3 b) 確定疲勞極限 接觸疲勞極限 h1=1200mpa h2=700mpa 彎曲疲勞極限 f1=400mpa f2=350mpa 最小接觸安全系數(shù)SH=1.2 最小彎曲安全系數(shù)SH=1.55.

49、4 吸盤設(shè)計平直型真空吸盤的工作原理:首先將真空吸盤通過接管與真空設(shè)備(如真空發(fā)生器等)接通,然后與待提升物如玻璃、紙張等接觸,起動真空設(shè)備抽吸,使吸盤內(nèi)產(chǎn)生負氣壓,從而將待提升物吸牢,即可開始搬送待提升物。當待提升物搬送到目的地時,平穩(wěn)地充氣進真空吸盤內(nèi),使真空吸盤內(nèi)由負氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓,真空吸盤就脫離待提升物,從而完成了提升搬送重物的任務(wù) 。采用吸盤的方式來提取物件，將目標物放置在規(guī)定的地點。該吸盤共有9個吸嘴，對稱分布，吸盤基座位置開四個螺紋孔，通過螺紋與Z軸移動架相連，實現(xiàn)吸盤的上下移動。圖5.8 吸盤設(shè)計示意圖1圖5.9 吸盤設(shè)計示意圖2通用真空吸盤選型計算公式就是：F=

50、0.1PAF：吸盤的理論吸吊力，單位NP：吸盤的真空度，單位kpaA：吸盤有效吸著面積，單位cm2通過上面的公式可得出我們常用的圓形吸盤直徑選型計算：D：吸盤直徑，單位mmW：吸吊物的重量，單位牛Nt：安全系統(tǒng)，水平t4，垂直t8n：吸盤的個數(shù)P：吸盤的真空度，單位為MPA（注意和上面P單位不同）吸盤的真空度P一般為所選定的真空發(fā)生器（或真空泵）的最大真空度的60%至95%范圍內(nèi)選擇。經(jīng)過實踐中使用真空吸盤,對真空吸盤的使用提出以下注意事項:1.用真空吸盤吸持及搬送重物時,嚴禁超過理論吸持力的40%,以防止過載,造成重物脫落。2.在使用過程中,必須保持真空壓力穩(wěn)定。3.若發(fā)現(xiàn)吸盤老化等原因而失

51、效時,應(yīng)及時更換新的真空吸盤。參考文獻1 李允文.工業(yè)機械手設(shè)計M.北京:機械工業(yè)出版社,1996.2 張健民.工業(yè)機器人M.北京:北京理工大學(xué)出版社,1988.3 施海鋒,吳江柳.機械自動化系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)書M.北京：清華大學(xué)出版社，2008.4 鄭洪生.氣壓傳動及控制M.北京:機械工業(yè)出版社,2002.5 周伯英.工業(yè)機器人設(shè)計M.北京:機械工業(yè)出版社,1995.6 周開勤.機械設(shè)計手冊(第五版)M.北京：高等教育出版社,2001.7 華大年.機械原理(第二版)M.北京：高等教育出版社,1994.8 王永華,宋寅卯,陳玉國,鄭安平.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2003.9