机械设计制造及其自动化专业毕业论文设计某生产线机械手的结构设计与分析Word文件下载.docx
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前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。
我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。
1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。
从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。
这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC——PWM等等。
我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。
在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。
可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。
1.3某生产线机械手的设计要求和基本内容
所谓机械手的结构系统是指具有特定功能的、相互间具有许多联系要素构成的一个整体。
首先，从系统的观点出发，本设计是采用内部系统设计与外部系统设计相结合的方法，既重视内部系统设计，也重视内、外系统的联系。
在确定系统功能时，每个模块都遵循保证基本功能、满足使用功能、剔除多余功能，恰到好处地利用外观功能和原则。
因此，本着该设计意图，根据动作要求对机械结构进行分析，本次的设计包括以下几个基本内容：
1.掌握机械手整条生产线的工作原理，并分析各工作模块的功能。
2.对机械手工作模块的机械结构进行分析。
3.根据功能需要，进行机构原理图设计和运动分析。
4.测绘零件，设计零件，用SolidWorks2011绘制三维零件图，并进行三维装配图设计。
5.对三维图进行分析和修改，然后转化为工程图以便画二维图。
6.对部分典型或非标零件用CAXA2011或SolidWorks2011进行设计。
7.完成设计图纸，包括零件图、装配图。
最终本人用SolidWorks2011设计完成的三维装配图如图1.3所示：
图1.3三模块总装配图
第二章某生产线机械手模块的设计
2.1机械手驱动方式的选择
机械手的驱动方式一般有三种方式：
气动驱动方式、液压驱动方式、电驱动驱动方式
1.气动驱动方式
气动驱动的优点：
结构简单、气源简便获得、能得到较高的开关速度、可安装调速器，使开关速度按需要进行调整、气体削减性大，关闭时有弹性、成本低。
气动驱动的缺点：
因气体有削减性所以速度不易匀称，噪声大，难以准确控制位置及速度。
2.液压驱动方式
液动驱动的优点：
结构简单，体种小、输出力大、简便获得低速或高速，能无级变速、功率重量比大，低速平稳、由于液压油的黏性而效率较高，有自润滑功能和防锈功能。
液动驱动的缺点：
油温变化引起油粘度的变化、液压元件和管道易渗漏、配管，维修不方便、易漏油，成本较高。
3.电驱动驱动方式
电动驱动的优点：
适用性较强，不受环境温度影响、输出转矩范围广、控制方便，能自由地采用直流、交流、短波、脉冲等各种信号，适于放大、记忆、逻辑判断和计算等工作、可落实超小型化、拥有机械自锁性、安装、维护检修方便、可分为步进驱动、直流驱动和交流驱动。
其中直流驱动调速性能好，功率较大，效率高。
电动驱动的缺点：
结构庞杂、机械效率低一般只有25%-60%、输出转速不能太低或太高、易受电源电压、频率变化的影响
根据机械手的功能的动作要求，确定利用电机驱动的直流驱动和锥齿轮传动来实现机械手的旋转运动；
利用气动驱动实现机械手的上下运动；
考虑到本设计中的机械手工作范围较小，利用气动驱动实现手臂的伸缩运动；
考虑到机械手的手部需结构简单，成本低，容易维修，而且重量要轻，机械手的手部也采用气缸驱动。
鉴于上面三种驱动方式，选择气动驱动方式为本设计的驱动。
2.2气动驱动机械手的应用现状及发展前景
2.2.1气动机械手的应用现状
近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其在各种自动化生产线上得到广泛的应用。
电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化的程度变得更高，控制方式更灵活，性能更可靠。
从各国的行业统计资料来看，近30年来，气动行业发展很快。
我国的气动行业起步较晚，但发展较快，从20世纪80年化中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。
随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。
由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。
而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂动作等优点。
所以，气动机械手被广泛用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事上。
现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。
车身在每个工序的移动；
车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；
点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。
在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。
对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。
气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；
用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。
如酒、油漆灌装气动机械手；
自动加盖、安装和拧紧气动机械手等。
此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。
如：
气动自动
调节病床机械手，外科手术机械手等。
2.2.2气动机械手的发展前景
目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。
我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。
由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点，可能预见，在不久的将来，气动机械手将越来越广泛地进入工业、军事、航空、医疗、生活等领域。
2.3机械手的设计方案
2.3.1机械手系统工作原理和组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统和位置检测装置所组成。
各系统之间的相互关系如图2.3.1所示：
图2.3.1系统之间相互关系
机械手的工作原理：
采用气压传动方式，来实现执行机构按规定要求，有顺序，有运动轨迹的动作；
同时按其控制系统的信息对执行机构发出命令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时可发出报警信号；
位置检测装置可随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，从而使执行机构以一定的要求达到设定位置。
2.4机械手的手部结构设计
1.执行机构
包括手部、手腕、手臂、立柱和机座等部件。
（1）手部：
即与工件接触的部件。
由于与工件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式。
手部结构取决于被抓取工件的表面形状、被抓部位和物件的重量以及尺寸。
本设计考虑到以上因素，工件属于轻、状零件，所以采用吸附式手部，吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力吸附物件的。
（2）手腕：
手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位。
（3）手臂：
手臂的作用是带动手部去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。
（4）立柱：
立柱是支承手臂的部件，手臂的回转和升降运动均与立柱有密切的联系。
（5）机座：
机械手执行机构的各部件和驱动系统均装在机座上，故它起支撑和连接的作用。
2.驱动系统
驱动系统是驱动机械手执行机构运动的。
常用驱动系统有液压传动、气压传动和机械传动。
3.控制系统
控制系统是支配着机械手按规定的动作要求进行运动的系统，它支配着机械手按规定的程序运动，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
4.位置检测装置
它可将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置相比较，通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。
本课题采用气动位置传感器，它可以将位移的变化转变为压力的变化，再转变为电量的变化。
2.4.1机械手坐标形式的选择
按机械手手臂的不同运动形式，其坐标形式可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型及关节坐标型。
如图2.4.1所示：
（a）（b）
直角坐标系圆柱坐标系
（c）（d）
球型坐标系关节式坐标系
图2.4.1坐标形式
由于本次设计的机械手是通过两个移动和一个转动来实现手部空间位置的改变，因此，采用圆柱坐标形式。
2.4.2机械手的技术参数
1.机械手最大抓重：
1kg
2.工件尺寸：
长*宽*高=50*50*25（mm）
3.坐标形式：
圆柱坐标
4.支座旋转角度：
180°
5.手臂运动参数：
伸缩行程：
100mm伸缩速度：
100mm/s
升降行程：
60mm升降速度：
6.机械手定位精度：
±
0.5mm
2.5机械手的系统设计
1.机械手的运动自由度
自由度是指机械手所具有的独立坐标轴运动的数目。
本设计的机械手具有转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转和前后伸缩三个自由度。
2.机械手的工作范围
工作范围是指手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。
该机械手的工作范围如图2.5所示：
图2.5机械手工作范围
3.机械手的机械结构类型
本设计采用圆柱坐标形式的方案，运动形式为一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统。
2.6机械手的手部结构设计及计算
2.6.1气缸的选用
1.预选气缸的缸径
一般用作实验的工件不会太重，塑料制品工件和铝制工件即可。
根据气缸的负载状态，铝制工件的质量：
m1=0.15kg/m2
塑料工件的质量：
m2=0.1kg/m2
铝制工件的重力为：
G=m1g=0.15×
9.8=1.47N
可确定气缸的轴向负载力F
1.47N。
根据负载的运动状态，参考表2.6.1-1，预选气缸的负载率η=0.7。
表2.6.1-1负载率与负载的运动状态
负载的运动状态
负载率η
静载荷（如夹紧）
≤70%
动
载
荷
气缸速度50mm-500mm/s
≤50%
气缸速度>
500mm/s
≤30%
根据气源供气条件，确定气缸的使用压力p。
p应小于减压阀进口压力的85%。
本课题设计的气缸为单作用气缸，工作压力p=0.3MPa。
由以上分析得单作用气缸的直径：
D=
=
=2.98（mm）
查SMC现代实用气动技术标准，得D=4mm
2.预选气缸的行程
根据气缸的操作距离及传动机构的行程比来预选气缸的行程，应尽量选为标准行程，可保证供货迅速，成本降低。
本设计气缸行程选为L=30mm。
3.选择气缸的品种
查SMC手册表，为了满足安装空间小，气缸小巧，选驱动方式为弹簧压回型的CJ1系列，如表2.6.1-2。
本设计选用气缸的型号为：
CJ1B4-30型单作用弹簧压回型气缸。
4.校核气缸所能提供的拉力
气缸内径为4mm,使用压力为0.6MPa，可知气缸所能提供的拉力为：
Fq=P×
A=P×
×
∏=0.6×
106×
∏=1.884N
可知1.884N>
1.47N,所以可以认为气缸的选用是合适的。
表2.6.1-2系列微型气缸的标准规格
缸径
2.5
4
使用介质
空气
最高使用压力
0.7MPa
最低使用压力
0.3MPa
活塞速度
50-500mm/s
行程公差
0-0.5
2.6.2真空吸盘结构设计
1.真空吸盘连接结构
为了抓取工件，采用真空吸盘结构，如图2.5.1所示，首先真空吸盘组建在气缸的推动下下移，当吸盘4碰到工件时弹簧3压缩，整个导向杆1在防转螺钉2的作用下直线移动保证工件不会压坏，然后吸盘吸住工件。
图2.5.1真空吸盘结构
2.6.3真空吸盘的选取
吸盘是直接吸附物体的元件。
吸盘通常是由橡胶材料与金属骨架压制成型的。
吸盘的橡胶出现脆裂，是橡胶老化的表现。
通过查找相关真空吸盘的资料，本设计的工件质量轻，因此，选取吸盘的形式为风琴型吸盘，吸盘直径为φ10，材料为硅橡胶。
2.6.4手部结构的质量
与设计的手部结构和使用环境方面选LLDPE树脂（线型低密度聚乙烯），它
具有优异的耐环境应力开裂性能和电绝缘性，较高的耐热性能，抗冲和耐穿刺性能等。
LLDPE树脂的密度：
0.91-0.94g/cm3;
铝合金ZL101的密度：
2.6-2.8g/cm3；
45钢的密度：
7.85g/cm3。
通过SolidWorks2011的质量属性工具计算得到手部结构的质量为：
M手=M树+M铝+M钢=52.11+9.45+9.48=71.04g
2.7机械手手臂机构的设计
2.7.1手臂设计的要求
1.需根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻型材料。
2.尽量减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。
3.手臂部分的结构必需满足完成作业任务提出的工作空间要求。
4.要尽量减轻手臂运动部分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯性。
5.除了手臂部份设计力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。
6.手臂部分的设计需动作迅速、灵活、平稳，定位精度高。
本设计中，手臂的上下运动由气缸驱动实现，结构紧凑，装拆方便，导向装置由一根立柱导向，防止手臂在直线运动过程中沿运动轴线发生相对转动，确保手臂随机座一起转动。
手臂的结构图如图2.7.1所示：
1.横梁2.导轴上固定件3.导向柱4.直角连接零件5.伸缩气缸6.支撑架
图2.7.1手臂结构图
2.7.2伸缩气缸的选用
1.考虑到以上设计要求，且要满足行程要求，经过查找筛选预选SMC气缸的CQM系列薄型单杆双作用气缸，型号为：
CQMB20RC-100-M9B（缸径为20mm，行程100mm）。
本设计所选伸缩气缸符合体积小、重量轻、薄、安装空间小、安装方便等特点。
2.选择安装方式
本薄型单杆双作用伸缩气缸只需基本型安装即可满足要求。
2.7.3导向装置
气动机械手的手臂在进行伸缩（或升降）时，为了防止手臂绕轴线转动或产生变形，以保证手部的正确方向，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。
它根据手臂的结构、抓重等因素选取。
目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手设计中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。
2.7.4手臂和手部的总质量
35钢的密度：
7.85g/cm3;
青铜的密度：
8.43g/cm3
通过SolidWorks2011的质量属性工具计算得到手部结构和臂部结构的总质量为：
M=M手+M铝+M缸+M阀+M薄片+M其他=71.04+271.94+451.6+84.29+30.57+175.83=1085.27（g）
2.8机械手腰部和机座结构设计及计算
2.8.1机械手腰部和机座的结构设计
其结构示意图如图2.8.1所示。
手臂升降装置主要由立柱、导轴上零件1、导轴下零件2、升降气缸5、块零件6、定位套3和转柱7等组成，块零件和转柱通过螺母连接，即转柱定制为螺纹柱，安装方便，节约成本。
手臂机座结构主要由三块铝型材8通过螺栓连接而成。
实现机械手手臂回转运动的机构形式多种多样，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机械、连杆机构等。
在本设计中，手臂回转装置用齿轮传动机构形式。
通过PLC控制伺服电机带动齿轮外罩4内的齿轮，达到手臂回转的功能。
图2.8.1机械手腰部和机座的结构图
2.8.2机械手升降气缸的选用
1.已知：
升降气缸预选SMC气缸的薄型气缸。
手臂结构总质量为M=1085.27，考虑到在臂部安装时还要添加控制部分，故预选负载力为F=30N；
查相关手册取气缸工作压力为p=0.4MPa;
由SMC手册查得负载率η=0.5。
因此，气缸缸径为：
D=
=13.8mm
经圆整并查手册标准取：
D=20（mm）
为便于安装调试，对行程要留有适当余量，所示预选气缸标准行程为H=60mm,预选SMC薄型单杆双作用气缸的型号为：
CQMB20RC-60。
2.验证气缸的缓冲能力
根据气缸的运动状态是输出推力还是拉力、负载率η=0.5、气缸的行程L=60mm和气缸的动作时间t=0.6s,由SMC手册相应图可查得气缸的理论基准速度
=220mm/s。
根据气缸的运动状态是输出力还是拉力以及负载率，可查得气缸的最大速度vmax与理论基准速度
之比
值，从而求得气缸的最大速度vmax。
查得：
α=0.9vmax=v0×
α=220×
0.9=198mm/s
最后根据各系列缓冲气缸的缓冲特性曲线和气缓冲气缸的缓冲特性曲线，若气缸的负载质量M和最大速度
的交点在预选气缸缸径的缓冲特性曲线之下，则表示负载运动的动能
MV2max小于气缸的允许吸收的最大能量，即该预选缸径的缓冲能力满足要求。
本设计所选的伸缩气缸负载质量较小，从手册图中查可知所选择的缸径的缓冲能力能满足要求。
2.8.3机械手的平稳性和臂杆平衡方法
1.机械手的平稳性分析
在设计中，臂部的运动较多，如果运动速度和负载较大，当运动状态变化时，将产生冲击和振动。
这不仅会影响机械手的精确定位，甚至会使其不能正常运转。
为了提高平稳性，在设计时应采取有效的缓冲装置吸收能量。
因此从减少能量产生的角度来看，要注意以下两点：
（1）机身和臂部运动部件要紧凑，质量轻，以减少惯性力。
本设计中臂部采用铝合金制作。
（2）应考虑重心的位置，即运动部件各部分的质量对转轴或支承的分布情况。
在设计中如果重心和转轴不重合，将增大转动惯量，当转速过高，将会有较大的冲击和振动。
2.臂杆平衡方法
常见机械手臂杆的平衡技术有四种：
质量平衡法、弹簧平衡法、气动或液压平衡法和采用平衡电动机。
本设计采用质量平衡法来达到要求，臂杆质量平衡的原理是合理地分布臂杆质量，使臂杆重心尽可能落在支点上，必要时甚至采用在适当位置配置平衡质量的方法，使臂杆的重心落在支点上。
2.9机座传动装置的总体设计
2.9.1确定传动方案
考虑到气动机械手的性能要求，本设计初步确定以下两个传动方案：
锥齿轮传动和蜗杆传动，下面将对两种方案进行比较以便确定个合理的传动方案。
1.如图2.9.1-1所示的蜗杆传动方案
它的主要优点有：
（1）因为结构比交错轴斜齿轮机构紧凑，所以可实现空间交错轴间的很大传动比。
（2）蜗杆传动接触方式不同于其它类型传动，为线接触，噪音小，传动平稳；
（3）当蜗杆导程角g很小时，传动具有自锁性，即只能由蜗杆带动蜗轮，而蜗轮不能带动蜗杆，故它常用于起重或其它需要自锁的场合。
它的缺点：
（1）蜗杆传动的一般效率η=0.7～0.9，机械效率较低，具有自锁性的蜗杆传动的效率η≤0.5。
（2）蜗杆传动齿面的螺旋线方向滑动速度很大，因此容易引起磨损和发热，故摩擦损失大，效率低，而且为减轻齿面的磨损及防止胶合，蜗轮一般使用贵重的减摩材料制造，成本高。
（3）对制造和安装误差很敏感，安装时对中心距的尺寸精度要求较高。
2.如图2.9.1-2所示的齿轮传动方案
它的主要优点有：
（1）瞬时传动比恒定，工作平稳，传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力。
（2）适用的功率和速度范围广。
（3）传动效率高，η=0.92～0.98。
在机械传动中，齿轮传动的效率较高。
（4）工作可靠，使用寿命长
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