办公打印机整箱码垛机械手的设计Word格式文档下载.docx

1、 1.2.2 国外机器人研究情况 2 1.3 机械手的组成和分类 2 1.3.1 机械手的组成 2 1.3.2 机械手的分类 5 1.4 本课题研究的主要内容 6 1.5完成本课题的工作方案及进度计划 7 1.6毕业设计的工作量要求 72 机械手的设计方案 8 2.1 机械手的座标型式与自由度 8 2.2 机械手的手部结构方案设计 8 2.3 机械手的手腕结构方案设计 8 2.4 机械手的手臂结构方案设计 8 2.5 机械手基座部分设计 8 2.6 机械手的驱动方案设计 9 2.7 机械手的技术参数 93 手部结构设计 10 3.1 夹持式手部 10 3.2 手部设计的基本要求 10 3.2.

2、1 应具有适当的夹紧力和驱动力 10 3.2.2 手指应具有一定的开闭范围 10 3.2.3 应保证工件在手指内的夹持精度 10 3.2.4 要求结构紧凑、重量轻、效率高 10 3.2.5 应考虑通用性和特殊要求 11 3.3 手部驱动气缸的设计 114 手腕结构设计 14 4.1 手腕的自由度 14 4.2 手腕的驱动力矩的计算 14 4.2.1 腕部回转支承处的摩擦力据 14 4.2.2 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 4.2.3 克服启动惯性所需的力矩 15 4.2.4 回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩5 臂部结构设计 17 5.1 臂部设计的基本

3、要求 17 5.1.1 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 17 5.1.2 臂部运动速度要高，惯性要小 17 5.1.3 手臂动作应该灵活 17 5.2 手臂伸缩与手腕回转部分 18 5.2.1 结构设计 18 5.2.2 导向装置 18 5.2.3 手臂伸缩驱动力的计算 19 5.3 手臂升降和回转部分 19 5.3.1 结构设计 19 5.4 手臂伸缩、升降用液压缓冲器 20 5.5 手臂回转用液压缓冲器 206 基座结构设计 227 结论 23参考文献 24致谢 26如需要完整文档及cad图等其他文件，请加球球：一九八五六三九七五五1 绪论1.1 课题背景及研究意义随着我国经济的持续发展

4、和科学技术的突飞猛进，现代物流作为现代经济的重要组成部分和工业化进程中最为经济合理的综合服务模式，正在全国范围内得以迅速发展。自动化立体仓库作为现代物流系统的重要组成部分，是一种多层存放货物的高架仓库系统，它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统。码垛机械手是完成自动化立体仓库中最重要的设备之一，是货物堆放到立体仓库的前端设备，它能够把单一的物料码放到一起，便于运输，提高了生产效率。它将已装入容器的纸箱，装入大袋的化工产品、水泥、粮食等按一定排列码放在木质（或塑料）托盘上，进行自动堆码，可堆码多层，然后推出，便于叉车运至仓库储存。可大大地减少劳动人员和降低劳动强度，是现代工业

5、社会发展的高科技产物，对提高生产率、降低成本有着重要意义。1.2 国内外相关研究情况1.2.1 国内机器人研究情况我国的工业机器人从上世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，其中有130多台套喷漆机器人在20余家企业的近30条自动喷漆生产线站上获得规模应用，弧焊机器人也已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总体来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定的差距，如可靠性低于国外产

6、品；机器人应用工程起步较晚，应用领域狭窄，生产线系统技术与国外相比仍有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200多台，仅占全球已安装台数的万分之四。形成以上现象的主要原因是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是迎合客户的要求，即“一个客户，一次重新设计”，品种规格多，批量小，零部件通用化程度低，供货周期长，成本高，而且质量和可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，完善系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。但从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。1.2.2 国外机器人研究情况最早将工业机器人技术用于物体的码放和

7、搬运是日本和瑞典。20世纪70年代末日本第一次将机器人技术用于码垛作业。1974年，瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。除此之外，德国、意大利、韩国等国家工业机器人的研发水平也相当高。随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、德国、美国、瑞典、意大利、韩国等国家在包装码垛机器人的研究上做了大量工作，相应推出了自己的码垛机器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德国的KUKA系列，瑞典的ABB系列等。德国、瑞典以及日本等国家的码垛机器人一般为46轴机器人，主要由固定底座、连杆、连杆臂、臂部、腕

8、部以及末端执行器组成。机器人主体多采用优质轻巧的铸铝材料制造和连杆式关节型的机构形式，均利用CAD和FEM有限元技术进行结构优化设计，具有较高的机械性能和抗震能力；驱动系统均采用模块式数字化AC伺服电机和RV减速器，取消了腕部关节驱动电机和平衡块，大大优化了整机结构;针对不同类型的产品和包装件，还设计了真空吸持、夹持、义式等多种形式的智能末端执行器。这些先进码垛机器人最显著的技术特点就是采用了基于PC的开放式控制系统，令机器人能够高速、精准、稳定可靠地运行。如瑞典ABB公司为IRB系列码垛机器人研发了主动安全软件和被动安全软件，可对机器人的运动和载荷情况进行监控;电子稳定路径功能可确保机器人在

9、考虑加速度、阻力、重力、惯性等条件的同时，遵循预定运行路径;主动制动系统可以确保机器人维持运行路径的同时对制动予以控制，被动安全功能可实现机器人进行负载识别。日本FANUC M410i系列码垛机器人软件体系也非常强大，PalletTool /PalletPROTM用于码垛设置、仿真和操作；Supports Collision GuardTM用于减少机器人、夹持器、箱/袋以及外围设备的碰撞损坏；基于网络的软件工具用于远程联机、诊断和生产监控;还专门配备了机器视觉引导系统，用于引导机器人完成拆垛和检查工作。1.3 机械手的组成和分类1.3.1 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统

10、以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1.1所示。 图1.1机械手的组成方框图（一）执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指（或手爪） 和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易构件，故应用较广泛平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的

11、重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母多，式弹簧式和重力式等。附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电吸磁力）吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。

12、用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇铸机械手的浇包部分）、托式（如冷齿轮机床上下料机械手的手部）等型式。2、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（即姿势）。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴

13、线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为

14、有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。（二）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四中形式。（三）控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速

15、度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，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即发出报警信号。（四）位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后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。1.3.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。（一）按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对

16、象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统， 可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类

17、型。（二）按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样

18、抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。（三）按控制方式分1、点位控制它的运动

19、为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.4 本课题研究的主要内容 搬运码垛作业在现代企业的物流管理过程中占有重要的地位，尤其是我国的办公产品生产企业已基本实现自动化流水生产，但办公产品整机下线时的搬运码垛作业仍要依靠人工来完成这项工作，存在劳动强度大、效率低、安全

20、性差等弊端，以不能满足现代生产发展，针对此类问题本课题研究并设计一种用于办公打印机下线搬运码垛的专用机械手。现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点:（1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄露损失等）:液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。（2）工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。（3）因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。（4）为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动

21、技术有以下优点:（1）介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器：介质清洁，管道不易堵塞不存在介质变质及补充的问题。（2）阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小（一般仅为油路的千分之一），空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。（3）动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。（4）能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。（5）工

22、作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。（6）成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难（尤其在高速情况下，似乎更难想象）。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。1.5完成本课题的工作方案及进度计划13周：调研并收集资料；46周：确定设计方案和整体结构特点；711周：完成结构设计计算；1215周：完成机械手结构设计的总装配图；1618周：完成论文撰写，准备答辩。1.6毕业设计的工作量要求毕业设计论文一篇，不少于10000字；实验（时数）或实习（天数）：2周；图纸（幅面和张数）：A0图纸（折合）2张 ；其他要求：外文翻译不少于3000字，参考文献不少于15篇。