套類零件自動上下料機構(gòu)設計說明

1、目錄1. 緒論 01.1自動上下料機構(gòu)概述 01.2自動上下料的組成分類及特點 01.3自動上下料機構(gòu)設計的意義 22. 總體方案設計 42.1機械手的基本形式的選擇 42.2自動上下料機構(gòu)方案的擬定 52.3 CK6150型數(shù)控車床的主要參數(shù) 72.4驅(qū)動方式的確定 82.5機械手的技術(shù)參數(shù)列表 113. 機械手機械結(jié)構(gòu)設計 123.1手部的設計 12手部的概述 12機械手部的典型結(jié)構(gòu) 13機械式手爪設計 14手部驅(qū)動力計算 14臂部設計的基本要求 18手臂的常用機構(gòu) 193.3機身設計 243.3.1 概述 24332俯仰與回轉(zhuǎn)機身的設計 244. 機械手的運動分析 324.1機械手的運動

2、規(guī)劃 324.2機械手的主要部件和運動 32機械手的手爪的運動 33機械手的臂部的運動 334.3機械手的整體運動分析 345. 氣動控制系統(tǒng)設計 365.1 氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的擬定 36氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的擬定 365.2機械手的PLC控制設計（本設計中選用S7 200PLQ 38機械手自動上下料過程 38機械手的PLC控制設計 38圖5.3梯形圖 41結(jié)論與展望 42參考文獻 43指導教師簡介 441.緒論1.1自動上下料機構(gòu)概述在自動化加工，裝配生產(chǎn)線中，能自動完成將工件向加工或裝配機械供給并上下料 的裝置，稱為自動上下料裝置。自動上下料裝置就是為實現(xiàn)將毛坯自動選入加工位置， 準確的定

3、位，夾緊以及取下加工完的零件所必須的許多功能機構(gòu)的總和。統(tǒng)計表明，在工件的加工裝配過程中，工件的供給，上料，下料及搬運等工序所 需費用約占全部費用的三分之一，所費工時約占全部工時的三分之二以上， 而且絕大多 數(shù)的事故都發(fā)生在這些工序中。在當今工業(yè)發(fā)達國家，自動上下料裝置在各類制造業(yè)中 比比皆是，生產(chǎn)過程的自動化不僅僅大大提高了生產(chǎn)率，把人們從繁重的勞動中解脫出來，而且對提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理化起到了積極的作用。隨著 電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在自動化上下料裝置已越來越多的采用傳感器等電子設備，這樣不僅能提高精度，而且能減小設備大小，降低成本。1.2自動上下料的組成分類及特點（1）自

4、動上下料裝置的類型卷料（或帶料）自動上下料裝置、棒料（管料）自動上下料裝置多用于沖壓設備、 自動機、單件坯料自動上下料裝置用于各種機床， 可分為料倉式半自動上下料裝置、料 斗式自動上下料裝置。料倉式半自動上下料裝置用于尺寸和重量較大或形狀較復雜而難 于自動定向排列的工件，或單件工序時間較長的工件，如連桿、曲軸、齒輪等，工件靠 人工定向成批排列在料倉中，然后自動送出。料斗式自動上下料裝置用于形狀簡單、尺寸和重量較小、工序較短的工件，如各 種緊固標準件、小型軸、銷、套、環(huán)類零件，工件任意堆放在裝料容器中，由抓取定向 機構(gòu)實現(xiàn)自動定向排列和自動送出。（2）自動上下料裝置的組成自動上下料裝置的組成如下

5、表所示自動上下料裝置組成表名稱主要作用料倉式料斗式1.裝料容器貯存工件必有必有2.料道將工件從佇料器上傳送至上料機構(gòu)可能有必有3.上料機構(gòu)將定向好的工件按一定的生產(chǎn)節(jié)拍送往機床或夾具必有可能有4.下料機構(gòu)將加工完畢的工件從機床或夾具中卸下并運出可能有可能有5.抓取定向機構(gòu)使散亂的工件定向排列并送出無有6.二次（或多次）定向機構(gòu)使某些料斗送出的工件最終達到完全定向無有7隔料器逐個的從料道中放出工件（可由上料機構(gòu)兼）有有8.攪拌器（消除堵塞機構(gòu)）消除工件堵塞或攪拌工件，增加定向或然率可能有有9剔除器（拋料機構(gòu)）將疋向不正確或多余的工件拋回料斗無可能有10.檢測機構(gòu)檢測工件定向情況并發(fā)出指令控制自動

6、上下料裝置的工件一般無可能有11.驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動抓取定向機構(gòu)或其他機構(gòu)運動有有12.安全機構(gòu)當發(fā)生故障或料道中工件積存過多時自動停車一般無有與上述自動上下料裝置相比，用程序控制裝備起來的工業(yè)機器人， 是一種更加萬能 而可快速調(diào)節(jié)的自動化工具。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn) 設備，工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。1.3自動上下料機構(gòu)設計的意義由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學技術(shù)的不斷提高，對工件效率的提高迫在眉 睫。單純的手工勞作滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進設備生產(chǎn)自 動化機械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機械手是發(fā)展過程中的重 要產(chǎn)物之一。在機

7、械工業(yè)中，自動上下料機構(gòu)的意義可以概括如下：1、改善勞動條件，避免人身事故在咼溫、咼壓、低壓、有灰塵、噪聲、有放射性或者其他毒性污染的場合中， 用人工操作是有危險或者不可能的，而應用自動上下料裝置可以代替或者部 分代替人安全的完成工作，改善勞動條件，避免由于操作疲勞或疏忽造成的 人身事故。2、可以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 它有利于實現(xiàn)材料的傳送， 工件的裝卸、 刀具的更換以及機器的裝配等的自 動化的程度，從而提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。3、減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)綜上所述，有效的應用自動化上下料裝置，是發(fā)展工業(yè)的必然趨勢。2. 總體方案設計本課題是一個套類零件自動上下料機構(gòu)的設計， 本

8、設計主要任務是完成機械手的結(jié) 構(gòu)方面設計，以及氣動回路的設計。在本章中對機械手的坐標形式，自由度，驅(qū)動機構(gòu) 等進行了確定。2.1機械手的基本形式的選擇機械手的機械結(jié)構(gòu)部分可看成是有一些連桿通過關節(jié)組裝起來的。通常有兩種關 節(jié)，即轉(zhuǎn)動關節(jié)和移動關節(jié)。連桿和關節(jié)按不同坐標形式組裝，機械手可分為四種：直 角坐標形式，圓柱坐標形式，球坐標形式，關節(jié)坐標形式。如下圖：圖2.1機械手的基本形式其中，圓柱坐標形式機器人除了簡單的“抓-放”作業(yè)外還可以用在許多其他生 產(chǎn)領域。這種形式的機器人結(jié)構(gòu)緊湊，在垂直方向和徑向有兩個往復運動，定位精度高。 在本次設計中，當料臺放出一個套類零件，氣動機械手抓取工件，送入機

9、床卡盤，然后 退回到一定位置，等到工件加工完后， 氣動機械手動作抓取零件放回料臺上，這些工作 都是用電磁鐵和行程開關來實現(xiàn)簡單的控制。從而完成上下料的總過程?？紤]到機械手 的工作空間和人工操作空間，通過定性的分析，按下開關，啟動工作后，機械手手臂在 伸縮氣缸的驅(qū)動下伸長185mm手爪在氣缸的驅(qū)動下夾緊料臺上的一個工件后，機械手 手臂由正下方的升降氣缸驅(qū)動，手臂軸線上升 300mm手臂到位后，機械手在旋轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動控制下逆時針旋轉(zhuǎn)180。這樣，機械手手臂伸向數(shù)控機床的主軸方向，將工件直 接送入車床三爪卡盤，手爪在氣缸驅(qū)動下松開工件，機械手手臂縮回，下降并且停止到 一個安全位置。數(shù)控機床開始加工工件

10、，加工完畢后，機械手手臂上升300mm手臂在伸縮缸的驅(qū)動下再次伸長185mm手爪在氣缸驅(qū)動下夾緊已加工完的工件，車床三爪卡 盤松開，機械手由旋轉(zhuǎn)缸驅(qū)動順時針旋轉(zhuǎn) 180后回到料臺方向。手臂下降，手爪松開, 將工件放于料臺上，手臂由伸縮氣缸驅(qū)動退回到初始位置。由于本設計針對數(shù)控車床的上下料機構(gòu)，主要實現(xiàn)的功能是毛坯的抓取，自動定位, 工件的夾緊和回放。該機械手在上下料時手臂具有升降，伸縮及回轉(zhuǎn)運動。因此，本設 計采用圓柱坐標形式機械手，相應的機械手具有三個自由度。2.2自動上下料機構(gòu)方案的擬定根據(jù)生產(chǎn)線布局，可以得到以下三種上下料系統(tǒng)布局位置圖。圖2.1桁架 2升降缸 3手爪 4輸送帶5 數(shù)控機

11、床2）輸送線與機床有一定夾角圖2.2伸縮缸1 輸送帶 2 機床 3 手爪 45 升降缸 6 旋轉(zhuǎn)缸3）機械手放在車床與料臺中間圖 2.31數(shù)控機床 2 伸縮缸 3 手爪 4 升降缸5 旋轉(zhuǎn)缸 6 料臺對于第一種方案，要在每一臺機床前設一立柱來支撐機械手，并且機械手在水平 方向移動時，所需的驅(qū)動比較麻煩，而且成本高，不宜采用。對于第二種方案雖可以實 現(xiàn)對工件的抓取和回放，但是僅適用于普通車床上的零件加工上下料，占用空間較大， 手臂的運動較第三種方案較多， 比較復雜， 不宜采用。第三種方案針對數(shù)控車床自動上 下料，車床與料臺平行布置，機械手在中間位置，與前兩種相比，此種方案在可以完成 任務的情況下

12、，造價相對低，所占用的空間小，簡單易行，且執(zhí)行速度起來效率更高， 所以本次設計采用第三種方案。2.3 CK6150 型數(shù)控車床的主要參數(shù)床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 mm F 520最大工件長度（二頂尖間距離） mm 1000最大車削長度（最大加工長度） mm 1000最大車削直徑（臥式刀架） mm 400滑板上最大回轉(zhuǎn)直徑 （臥式刀架） mm 280滑板上最大回轉(zhuǎn)直徑 （立式刀架） mm 300主軸端部形式及代號 -A8主軸通孔直徑 mm 82主軸前端錐孔錐度 莫氏 1:20主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) -標配雙速電機： 12 級；選配變頻電機：自動三檔無級主 軸 轉(zhuǎn) 速 范 圍 r/min 標 配 雙 速 電 機

13、： 40-1800 ； 選 配 變 頻 電 機 ：22-220,71-710.215-2000卡盤直徑 - 手動 mm F 250 （標配）卡盤直徑-氣動 mm F 250 （選配）卡盤直徑-液壓 mm F 250 （選配）X 軸行程 mm 150Z 軸行程 mm 1000X/Z 軸重復定位精度 mm 0.012/0.016中心高 mm 距床身： 250；距地面； 1130床身導軌寬度（導軌跨度） mm 400主電機功率 kw 標配雙速電機： 6.5/8 ；選頻變頻電機： 7.5 機床凈重 kg 2800機床毛重 kg 3000機床輪廓尺寸（長 x 寬 x 高） mm-2490x1360x15

14、102.4 驅(qū)動方式的確定 機械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、 氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。 這三種驅(qū)動方式各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見下表：驅(qū)動方案對比表內(nèi)容驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率很大，壓力范為5大，壓力范圍為較大14Mpa0.4 0.7Mpa控制性能利用液體的不可壓縮氣體壓縮性大，精度控制精度高，功率較性，控制精度較高，低，阻尼效果差，低大，能精確定位，反輸出功率大，可無級速不易控制應靈敏，可實現(xiàn)咼速、調(diào)速，反應靈敏，可高精度的連續(xù)控制，實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜響應速度很高較咼很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)伺服電機易于標準可標準化，

15、模擬化，可標準化，系列化，化，結(jié)構(gòu)性能好，噪易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功通用化，易實現(xiàn)直接聲低，電動機一般需率/質(zhì)里大，體積小，驅(qū)動。功率/質(zhì)里大，配置減速裝置，除DD密封問題較大體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，電動機外，難以直接密封問題較小驅(qū)動，無密圭寸問題安全性防爆性能較好，用液防爆性能好，高于設備自身無爆炸和火壓油作傳動介質(zhì)，在lOOOkpa時應注意設災的危險，直流有刷一定條件下有火災危備的抗壓性電動機換向時有火險花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對排氣時有噪聲無環(huán)境有污染在工業(yè)機械手中的應適用于重載，低速驅(qū)適用于中小負載驅(qū)適用于中小負載，要用范圍動，電液伺服系統(tǒng)適動、精度要求較低的求具有較咼

16、的位置控用于噴涂機械手、點有限點位程序控制機制精度和軌跡控制精焊機械手和托運機械械手，如沖壓機械手度、速度較咼的機械手本體的啟動平衡及裝手，如AC伺服噴涂機配機械手氣動夾具械手、點焊機械手。弧焊機械手等成本液壓兀件成本較咼成本低成本高維修及使用方便，但油液對環(huán)境方便，使用壽命長，較復雜溫度有一定要求可靠性高機械手驅(qū)動系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，通常對機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：1 ）驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；2）反應速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起動, 制動，正、反轉(zhuǎn)切換；3）驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。?）安全可靠；5）操作和

17、維護方便;6）對環(huán)境無污染，噪聲小；7）經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和本次設計的機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設計要求， 本設計選用氣壓驅(qū) 動的方式對機械手進行驅(qū)動。2.5 機械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途：車間皮帶機與皮帶機、料臺與料臺間的零件的搬運二、設計技術(shù)參數(shù)1、抓重：4kg，缸套外徑在100400mm之間， 內(nèi)徑在80380mm之間2 、自由度數(shù)： 3 個自由度3 、坐標形式：圓柱坐標4 、最大工作半徑： 300mm5 、手臂最大中心高： 600mm6 、主要運動參數(shù)手臂伸縮行程：185mm手臂伸縮速度： 185mm/s機身升降行程：300mm機身升降速度： 100mm

18、/s機身回轉(zhuǎn)范圍：0 180機身回轉(zhuǎn)速度： 60 /s7 、驅(qū)動方式：氣壓驅(qū)動3. 機械手機械結(jié)構(gòu)設計3.1 手部的設計3.1.1 手部的概述工業(yè)機器人的手部也叫做末端操作器，它是裝在工業(yè)機器人手腕上直接抓握工件 或執(zhí)行作業(yè)的部件。1、工業(yè)機器人手部的特點如下。（1）手部與手腕相連處可拆卸。（2）手部是工業(yè)機器人末端操作器。（3）手部的通用性比較差。（4）手部是一個獨立的部件。2 、手部的分類手爪應具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件，握持工件，釋放工件。（1）按夾持原理分按夾持原理可分為機械類，磁力類和真空類三種手爪。機械類手爪有靠摩擦力夾 持和吊鉤承重兩類，前者是有指手爪，后者是無指

19、手爪。磁力類手爪主要是磁力吸盤， 有電磁吸盤和永磁吸盤兩種。 真空類手爪是真空式吸盤， 根據(jù)形成真空的原理可分為真 空吸盤，氣流負壓吸盤，擠氣負壓吸盤三種。（2）按手指或吸盤數(shù)目機械手手爪按手指或吸盤數(shù)目可分為：二指手爪、多指手爪。機械手爪按手指關節(jié)分：單關節(jié)手指手爪、多關節(jié)手指手爪。吸盤式手爪按吸盤數(shù)目分：單吸盤式手爪、多吸盤式手爪。（3）按智能化分手部按智能化分為手爪不具備傳感器的普通式手爪和手爪具備一種或多種傳 感器的智能化手爪。手部設計和選用最主要的是滿足功能上的要求，由于本課題中套類零件的尺 寸很小，重量輕，設計中采用二指機械式手爪夾持工件的外圓柱表面。1、設計機械手部應注意的問題（

20、1）機械手手部是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設計的。（2）機械手手部的重量、被抓取物體的重量及操作力和機械手容許的負荷力。 所以，要求機械手手部體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。（3）機械手手部的萬能性與專用性是矛盾的。 萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復雜， 甚至難以實現(xiàn)。（4）通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的 手部可以適用于不同的機械手，這就要求手部要有標準的機械接口，使手部實現(xiàn) 標準化和積木化。（5）機械手手部要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。3.1.2 機械手部的典型結(jié)構(gòu)（1）楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松開和夾緊，來實現(xiàn)抓取工件。（2）滑槽式手爪當活塞向前運動

21、時， 滑槽通過銷子推動手爪合并， 產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力， 當活塞向右運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物 體。（3）連桿杠桿式手爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用(4) 齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作(5) 平行杠桿式手爪采用平行四邊形機構(gòu)，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩指保持平行運動， 比帶有導軌的平移手爪的摩擦力要小很多。3.1.3 機械式手爪設計(1) 驅(qū)動。機械式手爪通常采用氣動，液動，電動和電磁來驅(qū)動手指的

22、開合。氣 動手爪目前得到廣泛的應用，因為氣動手爪有許多突出的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本 低，容易維修，而且開合迅速，重量輕，所以本設計中決定采用氣動手爪。(2) 傳動。驅(qū)動源的驅(qū)動力通過傳動機構(gòu)驅(qū)使爪鉗開合病產(chǎn)生夾緊力。對于傳動 機構(gòu)有運動要求和夾緊力要求。比如平行連桿式手爪和齒輪齒條式手爪可保持爪 鉗平行運動，夾持寬度變化大。對夾緊力要求是爪鉗開合度不同時夾緊力能保持 不變。(3) 爪鉗。爪鉗是與工件直接接觸的部分，它們的形狀和材料對夾緊力有很大的 影響。夾緊工件的接觸點越多，所要求的夾緊力越小，對夾持工件來說更顯得安 全。手部驅(qū)動力計算(1) 設缸套重量 G=4 kg ， a =80，b=5 m

23、m c=70 mm f=0.2.(2) 當工件被豎直夾持時，手指握住工件的夾緊力最大，可得握力的計算式：N=mxg=4x9.8=39.2 N2f24.5N3.1手爪受力圖(3) 由手部結(jié)構(gòu)傳動示意圖，根據(jù)機械設計手冊，其驅(qū)動力為0.5 P b tg a = N cP=2Nc/b tg a=2x39.2x70/5xtg80=193.54 N(4) 氣缸的有關計算本氣缸屬于單作用氣缸，由力的平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必需克服活塞桿工作時的阻力，其公式為：FiF2式中:Fi活塞桿上的推力（工作載荷），N;F2活塞桿上的拉力（工作載荷）,N;Fz 氣缸工作時的總阻力，N;d活塞直徑，md

24、活塞桿直徑，m氣缸工作時的總阻力 Fz眾多因素有關，如運動部件慣性力，背壓阻力，密封 處摩擦力等；另一個方面所設計的氣缸不但要保證其靜特性，也要保證其運動特性 符合要求。綜合考慮后，為方便設計與計算，將以上的因素以載荷率的形式計入公 式，則：2F1= n /4 Dp n N2 2F2=n /4 (D-d ) pn Nn載荷率，主要考慮保證氣缸動態(tài)特性參數(shù)及總阻力，氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，工作頻率低，基本上為勻速運動，則載荷當推力做功時，D4Flm P當拉力做功時，：2m在此以推力做功計算,D4 193.54得：0.63 106 0.8=31.32 mm根據(jù)標準化氣缸系列的數(shù)值進行圓整后，D= 3

25、2mmp=0.63x10 6 pa,氣缸工作壓力,由d/D=0.20.3,可得活塞桿直徑：d= (0.2 0.3 ) D d=6.49.8 mm取活塞桿直徑d= 8 mm。按強度條件計算活塞桿直徑d，F(xiàn)i 氣缸的推力，N(7 p活塞桿材料的許用應力，C p=120Mpa C p=c b/S(T b材料的抗拉強度，paS安全系數(shù)，S 1.4(5) 缸筒壁厚的設計缸筒直接承受壓力，需要有一定的厚度。由于一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比S /D 10時，一般按壓桿穩(wěn)定性來計算活塞桿直徑，而活塞桿直徑穩(wěn)定性條件是Fpu 85Vm 時，F(xiàn)k = mn EJ/LfA當長細比K/L 85Vm時，F(xiàn)k21 mK a

26、對于實心活塞，由上式：1285而時，LkV nk Fpu 8其中，F(xiàn)pu氣缸承受的軸向負荷，即氣缸的理論輸出推力，NFk氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力，Nnk 氣缸壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取nk =26Lk活塞桿的計算長度K活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，m K=d/4J活塞桿橫截面慣性矩，m4 J= n d4/64A活塞桿橫截面面積，A=n d2/4m 由安裝連接條件決定的系數(shù)（固定鉸支 m=2 ）f材料試驗強度值，pa，鋼材取f=4.91x10 8 paa系數(shù)，鋼材取 a=1/5000E活塞桿材料彈性模量pa，鋼材取E=2.1x1011paLk型 85 . m 120.283LkmE d2nk Fpu 8n

27、x122x10-6/8x (n x2x2.1x10 11/4x197.92 ) =2308 mmL Lk故活塞桿長度滿足要求。 缸筒壁厚的確定與驗算般氣缸筒壁厚與內(nèi)徑之比S /D DR/2(T =1.5 PD/2(T 6x40/2x3x10 6 氣缸進排氣口螺孔直徑確定由機械設計手冊，按缸徑 D=40 m選取，進排氣口螺孔直徑規(guī)格為 d=M14x1.5 氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、 氣缸筒與氣缸蓋，活塞桿與氣缸蓋之間均選用 O形橡 膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標準值?；钊暮穸热Q于密封圈的排數(shù)。 連接螺栓直徑的確定與驗算由螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑 d= 6mm按下式驗算:4F4 0.63 1

28、062 160 106 4 402=2.5 mm成立，故符合要求。根據(jù)前面部分的設計和機械手結(jié)構(gòu)尺寸可知，機械手升降速度為 100mm/s本設計的升 降手臂選用MB系列的標準氣缸，如下圖所示。缸徑為 D=40mm型號為MBB40-200的氣 缸。（3）回轉(zhuǎn)臂的設計回轉(zhuǎn)臂位于機械手結(jié)構(gòu)的最低底端， 它承擔著機械手的全部重量，因此對回轉(zhuǎn)臂的 承載能力要求較高。又由于回轉(zhuǎn)臂要帶動整個機械手轉(zhuǎn)動，因此要求在回轉(zhuǎn)時要保證其 平穩(wěn)性。按照設計要求，機械手要實現(xiàn) 180范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)運動。實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)一般設計在機身處和底座固定（4）臂部回轉(zhuǎn)運動氣動裝置的設計計算回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩只包括兩項：回轉(zhuǎn)部件的

29、摩擦總力矩，機身自身運動部件和其攜帶的手臂、手腕、手部、工件等總慣性力矩。故其驅(qū)動力矩Mq可按下式計算：Mq =Mm +MgMn總摩擦阻力距，NmMg-各回轉(zhuǎn)部件總慣性力矩（N m，其大小可按下式計算Mg=J 3 / t3在升速或者制動過程中角速度增量（1/S ) t回轉(zhuǎn)運動升速或者制動過程時間（s）Jo全部回轉(zhuǎn)零件對機身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（kg 吊），如果零件外廓尺寸不大，重 心到回轉(zhuǎn)軸線距離又遠時，可按質(zhì)點計算它對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量。回轉(zhuǎn)部件的總質(zhì)量Mg =26.974+9.9+2.26+2.26+0.5=41.68 kgJo =Mgr 2 =41.68x （40x10-3）=6.67 kg

30、m 2另E么，Mg=JA 3 / t=6.67x 0.1/0.1=6.67 N m回轉(zhuǎn)氣缸的質(zhì)量：皿回=p V回=9.9 kg連接板的質(zhì)量：M連=2.26 kg R=0.08 kgMm/ 0R 卩 Fn2 n r2/ n 氏 dr=? 00.08n r2/ n x0.08=21699.65 ? o0.08 r 2dr3=3.70 N m則驅(qū)動力矩為： Mq =Mm +Mg=3.70+6.67=10.37 N m氣缸驅(qū)動力F 驅(qū)=皿4 /Ll 偏重力臂（臂部重心到機身立柱軸的距離，mF驅(qū)=10.37/ （ 2x10-3）=324.1N根據(jù)機械設計手冊，由預算確定的所需氣缸軸向輸出力一一推力Q=3

31、45.7 N活塞式氣缸內(nèi)徑D4 345.70.63 106 0.4D .,4Fqp=40.4 mm根據(jù)標準化氣缸系列圓整得：D=40 mm 缸筒壁厚的確定與驗算 根據(jù)機械設計手冊，選其壁厚為S = 8 mm,由下式進行強度計算,DPt/2（T =1.5PD/2 （T 6=6.3 mm所以，缸筒壁厚符合要求。 氣缸進排氣口螺孔直徑確定由機械設計手冊，按缸徑 D=40 m選取，進排氣口螺孔直徑規(guī)格為 d=M14x1.5 氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋，活塞桿與氣缸蓋之間均選用 0形橡 膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標準值。活塞的厚度取決于密封圈的排數(shù)。 連接螺栓直徑的確定與驗算由螺栓材料與載

32、荷，初定螺栓直徑 d= 6mm按下式驗算：=2.5 mm成立，故螺栓直徑符合要求。本設計的回轉(zhuǎn)臂葉片式擺動氣缸 DSM型，如下圖所示，此類回轉(zhuǎn)氣缸結(jié)構(gòu)緊湊， 占 用空間小，模塊化設計，有多種安裝形式，整個轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)可以實現(xiàn)無級轉(zhuǎn)角調(diào)速，終 端位置可安裝液壓緩沖裝置已吸收能量， 終端位置擋塊上止動螺釘可進行微調(diào)，轉(zhuǎn)動力矩大。此種氣缸有基本型和派生型，基本型的成本較低，運動精度能滿足本設計要求， 因此選用基本型即可。根據(jù)以上的計算值，在此選用缸徑D=40m，型號為DSM-12-180 -P的擺動氣缸。4. 機械手的運動分析4.1 機械手的運動規(guī)劃機械手運動規(guī)劃包括序列規(guī)劃、 路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃 3

33、 各部分。序列規(guī)劃是指在一 個特定的工作區(qū)域自動生成一個從起始作業(yè)點開始， 經(jīng)過一系列作用點， 再回到起始點 的最有工作序列。 路徑規(guī)劃是指在相鄰序列點之間通過一定的算法搜索一條無碰撞的機 械手運動路徑； 軌跡規(guī)劃是指通過插補函數(shù)獲得路徑上的插補點， 再通過求解運動學逆 解轉(zhuǎn)換到關節(jié)空間，形成各關節(jié)的運動軌跡。序列規(guī)劃為機械手的所有作業(yè)點生成一個最優(yōu)的工作序列。 作業(yè)點是機械手為完成 工作必須達到的位置和姿態(tài)。 機械手的一次作業(yè)任務往往有幾十個到上百個作業(yè)點， 這 些作業(yè)點的加工次序通常是任意的， 或者僅僅存在局部的限制 （即某幾個作業(yè)點之間存 在著固定的前后關系） ，序列規(guī)劃的目標就是通過某

34、種算法生成一個能滿足作業(yè)限制的 最優(yōu)作業(yè)序列，一般以時間作為規(guī)劃優(yōu)劣的度量標準。當機械手再有障礙物的環(huán)境中運動時， 為了從當前作業(yè)位置到達下一個位置， 需要 在機械手工作空間確定一條無碰撞的運動路徑，即這條路徑應處于機械手的自由空間 中。因此，路徑規(guī)劃的過程實際上是一個帶幾何約束的問題求解過程。從上面的論述的可以看出， 機械手運動規(guī)劃主要包括兩個方面， 一是生成所有作業(yè) 點的最優(yōu)工作序列的序列規(guī)劃，二是在相鄰作業(yè)點的之間生成無碰撞路徑的路徑規(guī)劃。 序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃的總體目標是作業(yè)時間最短， 規(guī)劃的約束條件是作業(yè)順序的限制以 及碰撞的避免。目前，兩個剛性物體之間的距離計算有很多算法， 其中對凸

35、多面體的計算最為成熟。 凸多面體之間的距離有兩類： 分離距離和嵌入距離。 目前，凸多面體間的距離范數(shù)主要 有平移距離，成長距離，收縮距離、偽平移距離等。在現(xiàn)實環(huán)境中，機器人及障礙物一 般是凹幾何體，可以采用分割的方法把凹幾何體分割為多個凸幾何體，如球、圓柱等， 可以緊包圍它的凸多面體來近似。4.2 機械手的主要部件和運動在本設計中，自動上下料裝置已經(jīng)確定為圓柱坐標形式機械手的方案，根據(jù)設計的 任務，為滿足設計要求，此設計的機械手具有 3 個自由度：手臂伸縮；機身回轉(zhuǎn)；機身 升降。本設計的機械手主要由 3 個大部件和 4 個氣缸組成：（1）手部，采用一連桿式氣 動手爪，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手爪的張開

36、和閉合。 （2）臂部，采用直線往復氣缸來實現(xiàn)手 臂的伸縮。（3）機身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)氣缸來實現(xiàn)手臂的升降和回轉(zhuǎn)。機械手的手爪的運動機械手手爪多為多指手爪，按手指的運動方式可以分為回轉(zhuǎn)型和移動型，按夾持 方式分為外夾式和內(nèi)撐式兩種。 本機械手手爪采用氣動驅(qū)動方式， 由于被抓取的工件是 圓柱形的，所以手爪采用 V 字形結(jié)構(gòu)，即手爪的內(nèi)表面設計成與圓柱斜度相同的表面， 保證了抓取的穩(wěn)定又不影響套類零件的表面質(zhì)量， 機械手部采用連桿式結(jié)構(gòu)， 其結(jié)構(gòu)簡 單，傳動可靠。當無桿腔輸入壓縮空氣時，有桿腔排氣，壓縮空氣作用在活塞右端面上 的力克服各種反作用力，推動活塞桿前進，使活塞桿伸出；當活塞桿排氣

37、時，有桿腔進 氣時，活塞桿縮回到初始位置。 通過活塞桿的往復運動來實現(xiàn)手爪的張開與閉合。如下 文圖 4.1 中，夾緊氣缸 15 驅(qū)動手爪，抓取和放開工件。4.2.2 機械手的臂部的運動機械手手臂運動的主要目的就是： 把手部送到空間運動范圍的任意一點。 如果 改變手部的姿態(tài)（方位）則用腕部的自由度實現(xiàn)。因此，一般來說，臂部應該具備 3 個 自由度才能滿足基本要求， 即手臂伸縮， 左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂的各種運動通常用 驅(qū)動機構(gòu)個各種驅(qū)動機構(gòu)來實現(xiàn)， 從臂部的受力情況分析， 它在工作中即直接承受手部 和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接 影響到機械手的工作

38、性能。在本設計中機械手手臂采用直線往復氣缸來實現(xiàn)手臂的伸縮， 機身結(jié)構(gòu)采用回轉(zhuǎn) 裝置置于升降手臂之下的結(jié)構(gòu)， 豎直升降手臂是完成氣動機械手豎直方向運動的動力元 件?；剞D(zhuǎn)裝置位于機械手結(jié)構(gòu)的最低底端，它承擔著機械手的全部重量，因此對回轉(zhuǎn)臂 的承載能力要求較高。 又由于回轉(zhuǎn)臂要帶動整個機械手轉(zhuǎn)動， 因此要求在回轉(zhuǎn)時要保證 其平穩(wěn)性。按照設計要求，機械手要實現(xiàn) 180范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)運動。實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運 動機構(gòu)一般設計在機身處和底座固定。如下圖 4.1 中水平伸縮氣缸 16 驅(qū)動手臂水平伸縮，旋轉(zhuǎn)氣缸18驅(qū)動立柱旋轉(zhuǎn)，帶動手臂旋轉(zhuǎn)180。，升降氣缸17驅(qū)動大臂升降來帶 動手臂升降來完成所要求的任務4.

39、3機械手的整體運動分析套類零件自動上下線大多數(shù)為一臺機床配備兩臺結(jié)構(gòu)完全相同的單臂機械手，分別承擔工件的上下料運動，也有設計在一臺機械手上采用了兩只機械臂的形式，這樣一臺雙臂機械手就能承擔兩臺單臂機械手的工作。 在本設計中，為了減少機械手的數(shù)量的同 時由于要加工的零件尺寸和質(zhì)量不大，僅采用一臺單臂機械手來承擔工件的上下料運 動。If圖4.1機械手整體裝配圖如上圖所示，本設計所采取的結(jié)構(gòu)中，機械手工作時，首先機械手手臂伸長，手爪從料 臺夾緊工件之后，手臂上升，然后機身逆時針旋轉(zhuǎn) 180，將工件送入數(shù)控機床三爪卡 盤上夾緊，手臂縮回后俯下降到料臺高度完成上料過程， 此時數(shù)控機床開始對工件進行 加工

40、。當機床加工完工件后， 機械手手臂上升一定高度后，手臂伸出到機床主軸中心線 的高度，然后手爪夾緊工件，機床三爪卡盤松開后，機械手順時針旋轉(zhuǎn)180后，手臂下降到料臺高度并將工件放在料臺上， 手臂縮回， 機械手回到原來位置，從而完成下料 過程。上下料過程循環(huán)進行，實現(xiàn)工件的連續(xù)加工。上述的運動過程可以知道， 機械手的三個自由度： 機身旋轉(zhuǎn)，手臂升降， 手臂伸縮。 具體的分析過程從第二部分的數(shù)控機床的有關參數(shù)以及確定的機械手和機床之間的位 置關系可以知道，料臺高830mm而機床主軸中心線高為1130mm因此機械手手爪的升 降高度應為300mm機械手位于數(shù)控機床和料臺的中間位置，而機床主軸與料臺之間間

41、 隔為1700mm所以機械手手臂伸長之后應為 850mm這樣才能在旋轉(zhuǎn)180后準確的將 工件放入機床三爪卡盤內(nèi)或放在料臺上。5. 氣動控制系統(tǒng)設計5.1氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的擬定氣壓傳動系統(tǒng)原理圖是表示氣壓傳動系統(tǒng)的組成和工作原理的重要技術(shù)文件， 它對生產(chǎn)裝備自動化、省力化，對系統(tǒng)的性能及設計方案的合理，經(jīng)濟有重要影響。本設計中的機械手由大臂伸縮夾緊，立柱升降，立柱回旋等執(zhí)行機構(gòu)組成，各執(zhí) 行機構(gòu)用氣缸驅(qū)動。由于氣缸中的活塞在接近末端時， 如果未采取任何緩沖裝置，則會 應為 沒有降低速度，活塞可能與氣缸發(fā)生沖擊，引起振動，磨損機件，或引起薄壁工 件變形。因此大多數(shù)氣缸都用緩沖裝置，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可設緩沖裝置，由于本 設計中氣缸直徑都較小，則選用外緩沖裝置。機械手氣動回路的設計主要是選擇合適的 控制閥，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力，流量和方向使氣動執(zhí)行機構(gòu)獲得必要的力。動作和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。工作程序執(zhí)行元件為四個氣缸，實現(xiàn)大臂伸出，縮回，工件夾緊、松開，立柱下降、上升， 立柱旋轉(zhuǎn)等動作。氣動機械手的工作程序如下圖所示：啟動大臂伸出手抓夾緊工件立柱上升立柱旋轉(zhuǎn)八.立柱上升J