车床上下料机械手的设计全套图纸.docx

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车床上下料机械手的设计全套图纸

1绪论

1.1选题背景

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。

机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。

目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。

把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。

当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。

而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。

因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

1.2设计目的

本设计通过对本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。

目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。

为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。

本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。

目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。

本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。

1.3国内外研究现状和趋势

其技术据猜测我国正在进入汽车拥有率上升时期，在未来几年里，汽车仍将每年15%左右的速度增长。

所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势，年增幅达到50%左右，工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。

工业机器人除了在汽车行业的广泛应用，在电子，食品加工，非金属加工，日用消费品和木材家具加工等行业对工业机器人的需求也快速增长。

。

1.4设计原则

在设计之前，必须要有一个指导原则。

这次毕业设计的设计原则是：

以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。

在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。

本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。

2工业机械手的总体设计方案

2.1工业机械手传动方案设计

驱动系统主要有四种：

液压驱动，气压传动，电气传动和机械驱动。

其中以液压，气动用的最多。

占90%以上，电动，机械驱动用的较少。

本机械手为自动上下料机械手，抓取物重在25kg左右，将其传送带上搬运到机加工工作台上，考虑到圆柱坐标式的占地面积小，而动作范围大的特点，确定使用圆柱坐标式结构，驱动系统上，因抓取力不大，可考虑液压系统和气压系统。

液压驱动主要是通过油缸，阀，油泵和油箱等实现传动。

它采用油缸，油马达加齿轮，齿条实现直线运动，利用摆动油缸，油马达与减速器，油缸与齿条或链条，链轮等实现回转运动。

液压驱动的优点是压力高，体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。

缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。

液压系统优点：

（1）压力高，可实现较大的驱动力，机构可做得较小，紧凑；

（2）可实现无级变速，定位精度高，可实现任意中间位置的停止；

（3）系统的固有震动频率高，压力、容量调节容易；

（4）重量小，惯性小，可做到经常快速且无冲击的变速和换向，容易控制，动作平稳，迟滞小等；

（5）用液压电磁阀易达到PLC控制，且成本低等。

气压系统优点：

（1）操纵力大小可调，视气体压力而定；

（2）安全性方面，不会发热，但要注意安全压力，过载安全性最好，能自动保护；

（3）气体采集容易，成本低；

（4）工作压力较低，损失小，仅为油路的千分之一；

（5）动作迅速，反应快等优点。

综合考虑自己所学知识和实际要求，本机械手选用液压系统驱动。

2.2工业机械手运动方案设计

2.2.1机械手的自由度

自由度是机械手设计的主要参数，每一个物体相对固定坐标系所具有的独立运动称为自由度，每一个物体相对固定坐标系最多可有6个自由度，即X，Y，Z三个方向独立的往复移动和饶X，Y，Z轴的三个独立回转运动，两个构件组成相对运动的连接称为运动副，对相对运动加以限制的条件即为约束条件，因为组成各运动副的各构件的运动是受约束的，不能任意运动。

必须按照人们预定的规律而运动，分析机械手的手臂，手腕，手指等部件的本身和它们的关系，不外乎是用一组相互联系着的构件和运动副所组成，这些运动副又可分为只有一个自由度的转动副和移动副或有三个自由度的球面副。

机械手要像人的手一样完成各种运动是比较困难的，因人的手指，手腕，手臂由十九个关节组成，并且有三个自由度，而生产线中机械手不需要这么多自由度，手臂和立柱的运动称为主运动，因为它们能改变被抓取工件在空间的位置，手腕和手指的运动称为辅助运动。

因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位，而手指的夹放动作不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数，其它运动均计为自由度数。

机械手的坐标形式可分为以下几种:

（1）直角坐标式机械手适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。

它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X，Y，Z三个方向的直线进行运动，其工作范围可以是一个直线运动，二个直线运动或三个直线运动。

如在X，Y，Z三个直线运动方向上各具有A，B，C三个回转运动，即构成六个自由度。

但在实际上是很少有的。

它的优点是产量大，节拍短，能满足高速的要求，容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合，适于装箱类，多工序复杂的工作，定位容易变更，定位精度高，可达到±0。

5毫米以下，载重发生变化时不会影响精度，易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。

缺点是这种机械手作业范围较小。

（2）圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型失，适用于搬运和测量工件，具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。

圆柱坐标式机械手有X，Y，Ф，三个运动组成。

它的工作范围可分为：

一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。

圆柱坐标式机械手有五个基本动作：

手臂水平回转，手臂伸缩，手臂上下，手臂回转动作和手爪夹紧动作。

（3）球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手，是由X，θ，Ф三个方面的运动组成。

球坐标式机械手的工作范围包括：

一个旋转运动，二个旋转运动和二个旋转运动加一个直线运动。

球坐标式机械手可实现以下八个动作：

俯仰动作，回转动作，伸缩动作，手腕上下弯曲，手腕左右摆动，手腕旋转运动，手爪夹紧动作和机械手整体移动。

球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人手的动作类似。

它的特点是能自动选择最合理的动作线路。

所以工效高。

另外由于上下摆动，它的相对体积小，而动作范围大。

如以行程为203毫米工作油缸为例，其手臂的上下移动距离就能达到2450毫米。

若采用圆柱坐标式则高度就要达到2450毫米。

球坐标式机械手作业范围可达到9立方米，较其他型式约大三至五倍。

（4）关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。

它象人手一样有肘关节，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。

关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用。

随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。

关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。

可作几个方向转动，工作范围大，动作灵活，通用性强，但定位精度差，控制装置复杂。

关节式机械手具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。

为具有近似人手操作的机能，需要研制最合适的结构。

本设计要求机械手采用圆柱坐标式运动形式，并且机械手的运动自由度数不少于3个，摆角度不小于90度，所以拟定方案为最大摆动角度为90度的3自由度机械手，其结构如图2-1所示：

图2-1圆柱坐标式机械手结构图

该机械手由支座、支柱、手臂和手部组成。

其中支座完成摆动回转运动，支柱完成升降直线运动，小臂完成伸缩直线运动，手部完成夹持工件运动。

整个机械手动作顺序依次为：

启动支柱下降→手部夹紧→支柱上升→手臂右旋→手臂伸出→支柱下降→手部松开→支柱上升→手臂缩回→手臂左旋→原位泄荷。

2.2.2主要技术参数的获取及确定

机械手的主要技术参数有抓取工件的重量、自由度数、工作行程或转角等。

（1）抓重，即机械手在正常运动时所能抓取或搬运工件的最大重量，由实际测量，直径为80cm，长约100cm的金属工件。

（2）工作行程范围，是指臂部、支座、手部等直线或回转运动的直线和角度范围。

对于通用机械手，为保证一定的通用性，一般手臂回转和直线运动范围尽可能取大一些。

手臂伸悬行程及工件半径要恰当，若伸缩行程大，工件半径大，手臂伸悬也长，偏重力矩、转动惯性也较大，机械手的性就会降低，易引起振动，定位精度难于保证。

考虑到传送带和机床工作台间的距离和工件的尺寸等尺寸，所以拟定手臂伸缩行程为600mmm，支柱升降行程为960mm,传送带与工作台台间的夹角为90度

（3）工作速度：

工作速度是指机械手的最大运动速度，运动速度的大小与机械手的驱动方式，定位方式，抓重大小和行程距离有关，因此，手臂的运动速度应根据生产节拍时间的长短、生产过程的平稳性、定位精度的要求业确定。

影响机械手动作快慢的两个主要运动是：

手臂的伸缩和回转运动，一般应用的机械手移动速度常在200~300mm/s，回转角度在50º/s左右。