塑件取件机械手结构及造型设计.docx

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塑件取件机械手结构及造型设计

塑件取件机械手结构及造型设计（总26页）

上海交通大学本科毕业论文

塑件取件机械手结构及造型设计

StructureandFormDesignofPlasticParts

上海交通大学教育学院

二Ｏ一七年二月

毕业论文声明

本人郑重声明：

1、此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。

除了特别加以标注和致谢的地方外，本文不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。

对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

2、本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。

本人授权上海交通大学继续教育学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。

3、若在上海交通大学继续教育学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担（包括接受毕业论文成绩不及格、缴纳毕业论文重新写作费、重新写作毕业论文、不能按时获得毕业证书等），与毕业论文指导老师无关。

作者签名：

日期：

塑件取件机械手结构及制造设计

摘要

从定义上来讲，所谓机械手，也就是模仿人类肢体，帮助人们或者替代人们执行动作的一种机械设备，并且随着科技以及制造业的飞速发展，机械手得到了越来越多的应用，成为了制造业生产大军中不可或缺的一份子。

本次设计的是针对于注塑机流水线设备而专门去设计的一种五自由度机械手，纵观近年来国内从事塑件取件机械手生产的企业，数目十分稀少，且独创性弱，过分依赖仿制。

而大量的产品都来自于他国进口，但是其设计思路都较为西方化，不适合中国人的操作习惯。

因此我们有必要生产出中国化的塑件取件机械手。

关键词：

注塑机机械手流水线

、

StructureandFormDesignofFive-degree-of-freedomPlasticParts

Abstract

Bydefinition,theso-calledmanipulator,thatis,toimitatethehumanlimb,tohelppeopleorreplacetheimplementationofamechanicalaction,andwiththerapiddevelopmentoftechnologyandmanufacturing,robothasbeenmoreandmoreapplications,Manufacturingindustry,anindispensablepartofthearmy.Thisdesignisforinjectionmoldingmachineassemblylineequipmentandspecificallytodesignamanipulatoroffivedegreesoffreedom,lookatthedomesticplasticpartsinrecentyearsintheproductionofrobotsoftheenterprise,thenumberisveryscarce,andtheoriginalityoftheweak,over-relianceonimitation.Andalargenumberofproductsareimportedfromothercountries,butitsdesignideasaremoreWestern,notsuitablefortheChinesepeople'soperatinghabits.Therefore,weneedtoproducetheChineseplasticpartspick-uprobot.

Keywords:

Injectionmoldingmachine;manipulator;pipeline

引言

众所周知，无论对哪个国家而言，机械制造业都属于较为基础的行业，它一方面为国家工业提供技术与装备，另一方面促进了国民经济的发展。

因此它的发展水平是可以有效衡量国家工业化程度。

但是作为机械设计制造及其自动化专业的学生，我们更加应该非常从专业性角度出发，设计出的确利于民生发展的自动化设备。

经过精挑细选、深思熟虑之后我选了应用前景广、设计较为细化的机械手作为我的论文课题。

塑件取件机械手，顾名思义就是为了使注塑机的流水线生产更加高效化、自动化的一种工业设备，它作为自动化生产用具，可以代替人们的体力劳动，大大提高了注塑成型机的生产效率，且其生产环境也是安全的，产品质量较稳定。

不仅如此，生产成本和次品率得以大幅度降低、可以使得注塑机生产企业的竞争力大幅提高。

是应用性很强的机械产品。

纵观近年来国内从事塑件取件机械手生产的企业，数目十分稀少，且独创性弱，过分依赖仿制。

而大量的产品都来自于他国进口，但是其设计思路都较为西方化，不适合中国人的操作习惯。

因此我们有必要生产出中国化的塑件取件机械手。

就目前而言，我国开发的注塑机主要存在控制系统的稳定性问题，这就契合了本课题的目标：

开发出一种高效率、低成本、性能稳定的塑件取件机械手。

1概述

机械手的发展及其应用

从定义上来讲，所谓机械手，也就是模仿人类肢体，帮助人们或者替代人们执行动作的一种机械设备，并且随着科技以及制造业的飞速发展，机械手得到了越来越多的应用，成为了制造业生产大军中不可或缺的一份子。

经过数十年的发展，并且是迅速的发展，机械手（机器人）已经成为了一门学科。

它包含了各种领域，可以说是目前涉及领域最广的一门学科，如今的高科技机械手一般涉及到人体工程学，工程力学，材料力学，电力工程学，生物学等等几十个领域。

机械手的技术水平也就指的是我国几十个专业领域的技术水平，所以可以肯定地说，机械手的发展水平在某种程度上就直接代表了一个国家科技发展的水平[1]。

从最初的机械手的产生开始，其结构相当的简单，仅仅涉及到了一两个专业领域，并且有很大的局限性，专用性这个特点在那个时期可以说是机械手最大的短板。

如今的机械手，在科技发展以及工业急速发展所产生需求的共同催生下，机械手变得越来越复杂，专用性这个特点不再成为机械手的发展劣势，甚至在一些行业，专用性必不可少，不可替代，因此可以看出，机械手的存在是多么的重要[2]。

我国在二十世纪末期制定了有关工业机械手的研究计划，发展至今，我国已经完全掌握了相关的技术，能够自主的去研发各种类型的机械手，不管是机械结构还有软硬件都运用自如，如今工业生产中最为常见的机械手按照功用可以分为：

搬运、组装、分配、焊接机械手等等。

尽管我国机械手的应用已经十分的广泛，但是跟国际发达国家相比，差距真的不是一点两点，我国对工业机械手的研究起步比较晚，其他附属技术同国外也存在很大差距，这两点是导致我国生产的机械手与其他国家机械手存在这么大差距的主要因素。

我国近些年来才开始对机械手有了更多的重视，但是目前还未生成一套完善的机械手产业，发展规模以及投资力度将会是我国机械手崛起的重要依托，同时我国高科技技术的研究发展也会为我国的机械手发展保驾护航[3]。

机械自动化行业发展的历史并不长，但是目前自动化产业的重要程度不可忽视，自动机械手的出现显的十分迫切。

我国二十世纪末二十一世纪出，开始研究专用机械手，直到2008年，我国自主研究的第一台重量级机械手出现，并且被投入我国国产汽车品牌奇瑞汽车的生产线当中，效果显著。

这是我国的第一代机械手，接着经过了一年时间的改善以及优化，到第二年，二代机械手也成功问世，在一些技术水平上达到世界一线水平，但某些方面，还存在很大的差距。

因此我国还需要加快自主研发的脚步，加大投资力度，引进或者培养专业的技术人员，才能最快速度的赶上我们与其他国家在机器人技术研发领域之间的距离[4]。

机械手的组成

机械手跟机器的一样，都是有四个大部分来组成，其依次是：

控制机构、执行机构、驱动机构和感应检测机构。

彼此共同组成了一个完整的机械手，他们彼此之间的联系如下图所示。

图组成方框

本文所设计的机械手，主要完成的是对其机械结构的设计，也就是四个部分中的执行机构。

设计内容

此次机械手的设计，主要对塑件取件机械手的结构设计，包含各个部分的结构选型，部件选择，连接部分设计，驱动元件设计，受力计算，三维结构造型等等。

首先介绍一下注塑机，了解注塑机才能更好地完成对专用机械手的设计。

注塑机的工作原理其实并不复杂，本文设计的机械手为注塑机专用机械手，所以其结构形式均是为了将其运用于注塑机流水线所设计。

目前模具注塑行业发展前景很广，且当前模具行业已经成为了中国领头行业之一，注塑行业中，注塑机是不可少的一个重要设备，为了便于更好地理解，可将其比作注射器。

注塑机的工作原理就是聚乙烯溶液（也就是我们常用的塑料制品的材料）经过一个注射管道注射到一个模型型腔，所需要生产出的制品的模型，然后通过挤压成型并冷却成为塑料制品，最后被自动地推出到指定的传送带上，这就是注塑机完成一个塑料零件制作的完整流程。

我们常见的注塑机设备如图所示。

注塑机工作原理的简单结构示意完整图如图所示。

图注塑机图原理图

塑件取件机械手所起到的作用是：

当一个新的注塑品完成后，会被机器自动推送到传送带上，经过传送带到达堆积区，机械手就是不断地从传送带上捡起塑件，并摆放到指定的塑件堆放区。

本文设计的特点有两大点：

通用性较强，专用性也较好，通用性指的是该机械手可以应用于绝大多少数的注塑机，本文设计之初，本人查阅了大量的注塑机型号，相关的重要尺寸，以便设计出合理的机械手各部件的运动范围，并且可应用于不同类型的注塑机。

另外，该机械手能够随意更换机械手爪，因为注塑机生产的产品外形千奇百怪，一种类型的机械手爪很难全部抓取，所以机械手以通过可更换式机械手抓来应付各种形状的塑件，本文在正文里介绍的是一种水口夹手爪，因为它的结构以及尺寸限制，所以该手爪可以方便的抓取如手机壳，鼠标壳等带棱边的小型塑件；虽然该机械手可用于大部分注塑机，但是并不可以用于其他用途，因为其结构尺寸，工作方式均为为注塑机量身打造的。

2专用机械手结构方案设计

本文此次设计的机械手是专门针对于注塑机而去设计的，因此机械手的尺寸，运动行程都需要跟注塑机相匹配。

并且在工作上也需要满足注塑机的工作进度，这样才能达到所设计的最终目的。

注塑机的工作节奏比较快，完成一个制品的速度很快，那就需要机械手能够快速并精确地去抓取塑件，然后按照顺序的将塑件放置到对应的位置，同时迅速地返回，整个时间要与注塑机出一个制品的单位时间相比配。

注塑机的形状，尺寸，也是设计专用机械手所需要考虑的，一是保证机械手有足够的运作空间，二是使机械手的设计更具有专用性，更加的有效率。

设计的抓取极限值必须大于注塑的所能够生产出的塑件的最大质量，并且可以根据要求，准确定位在不同的位置，因为抓取的塑件外形不同，对应的位置也会有所不同，不过专用机械手更适合应用于单一零件大批量生产的工作环境当中。

注塑机的工作环境不是很好，所以设计的机械手要能够耐脏以及耐腐蚀，能够应付各种较为恶劣的环境，所以对零件结构或者说部件材质都有设计要求[6]。

机械手结构分析

本次设计主要需要完成的设计如下：

1、设计机械手各运动部分结构。

2、通过计算选择对应的零部件。

3、确定各个自由度的驱动元件。

4、完成对机械手的造型设计，辅助机械手的结构设计。

机械手的设计方案

坐标型式与自由度选择

目前对于机械手的坐标形式，可以分为四种，分别是，圆柱、直角、圆球、关节型[7]。

由于注塑机的结构及工作形式，本次设计的机械手需要实现上升下降、前后移动、零件松放、手部回转，但是为了节省空间，减短运动行程并且弥补，于是增加了一个手臂来回摆动的自由度，根据这五个自由度，本文确定选择机械手的坐标形式为圆柱坐标。

机械手各个自由度的运动简图如图所示。

图各自由度简图

A-机身自由度B-主臂自由度C-副臂自由度D-手腕自由度E-手部自由度

机械手的手部结构方案设计

在进行结构设计的时候，会考虑其具体的用途，在这里就是考虑到塑件的形状，为了能够保证机械手能够抓取注塑机所生产出的各种质量以及形状的零件，机械手的手部就光靠一种类型是无法满足要求的，所以就需要根据使用要求不同能够实现更换的功能，所以手部结构除了采用十分常见的手爪式结构还有备用一个吸盘式结构手部，这样才能使机械手完全满足其设计需求。

由于一般情况下，均是采用手爪式（也就是夹持式）手部，所以本文在设计的时候，也就只介绍了这种类型。

此次设计，选择了市面上已有的塑件取件机械手均采用的手部部件，该手部机构也成为水口夹，即可用来抓取水口，也可用来抓取塑件。

机械手手腕部分方案设计

机械手的手腕可以说是绝对需要具有自由度的部分，就跟人的手腕一样，因此本文在进行机械手结构方案设计的时候，充分考虑到机械手取件以及摆放塑件的灵活性，于是将手腕部分设计成为一个运动自由度，运动形式为回转。

实现这个自由度则是采用回转气缸。

机械手手臂部分方案设计

设计机械手的副臂，就需要充分地去分析机械手实现抓取塑件的一个工作过程，本文把机械手的主臂与副臂一共设计成了可实现的三个自由度的结构：

副臂的前后水平移动、副臂的直线上下的往复运动以及主臂的来回摆动运动。

并且实现这三个自由度的机构均是直线气缸，也就是气动传动。

机械手的驱动方案设计

正常情况下，选择驱动方案会结合设计出的机械手具体的工作环境，工作的性质要求等来综合考虑，驱动方案使用最广泛的无非是气动，液压，电动三种，结合使用情况，此次的机械手决定采用空气传动作为机械手的驱动方案，并且所有的自由度全部采用空气传动。

市面上，采用空气传动的机械手越来越多，因为空气作为传动介质，清洁无污染，无异味、空气传动机构还具有保护功能，不过较大的压缩比也导致其有传动不够精确的问题，但是应用于这些机械手上，这个问题可以完全忽略不计。

另外气动元件的价格相对比较便宜，可靠性也高，维修简单。

机械手的控制方案设计

此次设计的机械手将会采用plc作为控制系统，本文主要是设计机械手的机械结构部分，因此，控制系统本文中不作设计。

机械手的主要参数

本文设计机械手所需要考虑的一个很重要的参数就是机械手的最大抓取重量，该参数直接影响到机械手是否符合辅助注塑机的设计要求。

之前讲过，机械手的手部部分有两种结构形式，所以在设计过程中需要详细地去分析。

根据翻阅各种常见注塑机的功能参数、分析注塑机使用的现状，本文拟定的注塑机专用机械手的抓取重量极限值是3KG，当抓取的塑件超过500g时，采用吸盘式手部，塑件在0至500g时候，采用水口夹手部。

另外除了质量，选择手部时还会根据塑件的具体情况来划分。

注塑机通常用于单一大批次的生产中，手部的更换不会很勤，因此不会对工作效率造成影响。

结合注塑机特点，以及考虑到实际的使用需求，此次设计将机械手手臂的可伸缩的最大行程设定为800mm，前期拟定的具体设计参数如下所示（之后的设计均需要围绕这些参数进行，由于自己无法实际接触到注塑机，故而设定设计参数时，是结合目前已有塑件取件机械手的产品参数，这些参数时必定通过是对注塑机的使用要求和工作环境等进行过详细的测量以及分析后得出的，这种情况下，就可以将他们的一些产品参数作为此次机械手设计的已知参数或者说是设计要求）：

机械手手部最大抓取质量（1kg）也就是机械手工作极限值1kg；

机械手手腕回转角度90度；

机械手上下直线升降的最大工作行程：

800毫米；

机械手机身以外部分实现的往复摇摆运动，运动极限角度为180度；

机械手副臂实现的在工作平面上前后移动运动：

最大工作行程400毫米；

机械手运动过程分析

为了能够顺利的抓起塑件并且能够将塑件放到指定的工作平台，塑件取件机械手完成一个工作来回的具体自由度运动依次可以拆分为11个运动步骤（具体先后步骤、自由度使用度均是可以根据具体情况进行更改），对照图2-1，步骤如下：

（塑件取件机械手安装于注塑机上方）

1.机械手副臂（小臂）向前直线平移（至塑件正上方）；

2.副臂下降至塑件位置处；

3.手部闭合抓住塑件；

4.机械手副臂上升；

5.机械手主臂（框架）回转（正转反转）；

6.机械手副臂（小臂）向后直线平移；

8.副臂伸出至塑件摆放处上方；

9.手部张开，放下塑件；

10.机械手主臂回转（反转正转）；

11.手臂回原位；

注：

塑件的形状不同时，有时候需要用到机械手的手腕回转自由度，该运动步骤放置在手部抓取塑件之前，手腕转正放置在机械手副臂上升运动之后。

3手部结构的设计

夹持式手部结构的设计

机械手的手部结构有很多，传动方式也各种各样，本文所设计的手部结构直接采用的手爪式，塑件取件机械手行业中，采用的最多的手爪形式的手部叫做水口夹，可以用来抓取塑件以及抓取水口，水口就是注塑冲压成型所产生的边角废料，需要被取出。

水口夹的结构原理：

水口夹自带气缸，所以说水口夹也是通过气缸来驱动，水口夹一共由八个部分组成，我们从图中可以看到，当水口夹需要抓取物体时，气缸进气口进气，推动活塞杆移动，圆锥销向两边顶开滚轮，滚轮连接着左右两钳板，滚轮滚动直接控制着钳板的开合，从而抓取塑件，放下塑件时，直接气缸断气，钳板会在复位弹簧的作用下复位，从而达到放开塑件的目的。

图结构图

1.气缸活塞杆2.缸体3.连接座.4顶杆5.挡板6.圆柱销7.钳板8.圆柱销2

本文选取的水口夹型号为1615s型，该水口夹最大可以实现抓取500g的塑件，如图所示。

其的装配图如图所示。

图水口夹

图装配图

气动驱动力计算

通过网上查找该型号水口夹的具体产品参数可知，该水口夹的结构重要尺寸如下：

水口夹的结构部分尺寸为：

缸径16mm；行程15mm如图所示。

图受力图

为了保证水口夹能够实现平稳而可靠的进行夹取与放下的操作，这就需要水口夹的夹持力度准确，其夹持力量的来源是空气，通过空气压缩机，经过调压阀调压，然后驱动气缸，进行工作，所以问题的根本就在于如何确定压阀压力值。

确定水口夹的最大抓取物体质量为，所以将此数值作为极限值带入计算。

（3-1）

通过分析受力图3-4，可以计算出驱动滚轮闭合并夹紧工件的推力F1：

（3-2）

最终可粗略计算出输入气压的压力值P：

（s为活塞杆受力截面）

（3-3）

通过计算得出的结果为兆帕。

正常压缩机产生的气压远远超出这个数值。

用过查阅有关气压调压阀的一些成品数据，选择了通用型的气压阀，因此普通的气压阀就已经能够实现0到压缩机提供气压的极限值之间来回选择调节了。

夹紧力计算

水口夹在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。

一般来说，夹紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的夹紧状态。

水口夹对工件的夹紧力可按下列公式计算：

式中：

—安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取——，取；

—工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工作情况系数

，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；

—方位系数，根据水口夹与工件形状以及夹爪与工件位置不同进行选定，

夹爪与工件位置：

夹爪垂直放置，工件水平放置；

夹爪与工件形状：

型指端夹持圆柱型工件，

，

为摩擦系数，

为

型夹爪半角，此处粗略计算

G—被抓取工件的重量

求得夹紧力

，

，取整为30N。

所以夹取手机壳是没有问题的。

4机械手手腕部分结构设计

手腕结构设计

和人体结构一样，机械手它的手部与机械手手臂之间连接部分同样是手腕，这部分的作用较大了，手腕灵活就能起到画龙点睛的作用，手腕一般情况下可以用来改变机械手手部抓取零件的方向，所以手腕部分也设计了一个自由度，运动形式为回转。

正常情况下，注塑机塑件一般都是水平放置状态，但是塑件的不同，其可抓取的角度并不相同，这就要求机械手的手部可以进行径向的转动，实现手腕回转可以用过采用回转气缸来实现，回转气缸体积小，运动高效，配合在手部与手臂之间，市面上也有与水口夹相配对的回转气缸，也就是说，很多情况下，水口夹与回转气缸是作为一个组合部件来搭配使用的，机械手的手部也就是水口夹与手腕部分（回转气缸）之间的配合如图和图所示。

图90度回转型气缸

图水口夹回转气缸组合部件

手腕驱动力矩计算

回转气缸种类很多，由于其体积限制，以及具体的使用要求，本文机械手设计的手腕回转气缸采用的是单片式，结构原理图如图所示（1,2,3,4分别为转子，中心轴，定子，外壁）。

回转气缸由五部分组成组成，其驱动原理跟直线气缸基本类似，只是表现形式不同。

针对于回转气缸，有专门的计算公式，压力与驱动力的关系为：

或

图结构简图

式中：

M——回转气缸的气动力矩（）；

P——回转气缸的工作压力（）；

R—缸体内壁半径（cm）;

r——输出轴半径（cm）；

b——动片宽度（cm）；

注意的是：

此公式中，回转气缸的气动力矩M以及回转气缸的工作压力P指的是在低压腔的背压在0值的时候才适用，不过如果是有背压的存在，那就需要通过计算压力差来计算回转气缸的工作压力[9-10]。

通过网络查阅资料得知机械手手部（回转气缸的质量在1千克），当采用手部结构为吸盘时，其质量也在1kg左右，在计算手腕连接末端部分总质量，就需要考虑所需要抓取塑件的最大质量值，上文提到，最大质量值为3kg，（螺丝等小部件均忽略不计，也难以加以计算）。

因为计算得出总质量：

m=1+3=4Kg，F=ma=（4*10）N=40N。

手腕部分单片式回转气缸的运动行程为90度。

已知

。

当回转气缸开始运转时，其角度：

=，等速转动角速度

。

根据计算公式：

代入计算的：

结束语

本文此次设计的机械手是应用于注塑行业注塑机流水线上，专门用来抓取塑件或者水口夹。

机械手一共设计了五个自由度，所有的自由度均用空气作为驱动介质，运动的实现均通过气缸。

除了手腕部分的气缸为回转气缸，其它四处的气缸均为直线气缸。

设计时，根据提供的设计参数，从机械手手部开始，逐步设计；

（1）依次确定各部分结构

（2）选择合适的机械元器件（3）设计各部分的连接装置，确定各部分的材质（4）在不影响设计的要求前提下设计外形结构（5）通过solidworks软件仿真造型，保证设计尽量美观大方。

因此在文中不介绍各部分的具体外形设计，完成的机械手的外形具体形状是通过三维软件不断尝试，不断改进从而最终确定的。

论文写到这，也就代表着我的毕业设计完成了，辛苦了那么长时间，付出总有收获，我前前后后翻找了二十几本书籍，通过网络资源查找到资料更是不计其数。

说句实在话，这是我整个大学里，最用心的一次，在进行毕业设计写作期间，我才深刻地感知到我对知识掌握度完全不牢靠，什么都是靠查找，整个写作的过程我不知道自己遇到了多少困难，都有点打退堂鼓了，不过还好我坚持下来了，因为我得到了老师的很多帮助，

当我确定所选题目后，从最简单的资料查阅，和了解各个步件开始，到确定方案并设