机械毕业设计（论文）-注塑机取件机械手的设计【全套图纸】

湖南农业大学东方科技学院湖南农业大学东方科技学院 全全日日制制普普通通本本科科生生毕毕业业设设计计 注塑机取件机械手的设计注塑机取件机械手的设计 DESIGN OF MANIPULATOR FOR INJECTION 学生姓名学生姓名： 学学 号：号： 年级专业及班级：年级专业及班级： 2007 级级机械机械设计设计制造及其自制造及其自动动 化（化（6）班）班 指导老师及职称：指导老师及职称： 副教授副教授 湖南长沙 提交日期： 2011 年 5 月 湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生 毕业设计诚信声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下， 进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注 明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确 的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 目 录 摘 要1 关键词1 1 前言.2 1.1 机器人概述.2 1.2 机器人的历史、现状.3 1.3 机器人发展趋势.4 2 机械手设计方案.4 2.1 机械手基本形式的选择.4 2.1.1 直角坐标型机器人.4 2.1.2 极坐标型机器人.5 2.1.3 圆柱坐标型机器人.5 2.1.4 多关节机器人.5 2.2 驱动装置的选择.6 2.2.1 液压驱动.6 2.2.2 气压驱动.7 2.2.3 电动机驱动.7 3 引拔设计.8 3.1 设计参数.8 3.2 方案设计.8 3.3 引拔机构结构设计.8 3.3.1 引拔气缸参数计算.8 3.3.2 附加导向杆机构设计.9 4 机械臂的设计10 4.1 设计参数10 4.2 方案设计10 4.3 机械臂气缸的选用10 4.3.1 预选气缸的缸径10 4.3.2 预选气缸行程11 4.3.3 验算缓冲能力11 4.3.4 活塞杆长度的验算11 4.3.5 计算气缸的空气消费量12 4.3.6 选择活塞杆端部接头12 4.3.7 选择气缸的品种和安装形式12 5 横行的设计12 5.1 设计参数12 5.2 方案设计12 5.3 横进气缸的选用13 5.4 导轨设计14 6 机械手结构设计14 6.1 夹持器设计的基本要求14 6.2 夹紧装置设计15 6.2.1 夹紧力计算15 6.2.2 驱动力力计算15 6.2.3 气缸驱动力计算16 6.2.4 选用夹持器气缸16 6.2.5 手爪的夹持误差及分析16 6.2.6 楔块等尺寸的确定19 6.2.7 材料及连接件选择21 7 气动顺序动作的确定22 8 结论22 参考文献.22 致谢.23 1 注塑机取件机械手的设计注塑机取件机械手的设计 学 生：刘 超 指导老师：陈文凯 (湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128) 摘 要：在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过 程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业 机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器 人主要承担着焊接、喷涂、搬运、取件以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一 般采取示教再现的方式。 本文将设计一台三自由度的工业机器人，用于给注塑机取出成品。 关键词：机器人；气缸；注塑机；结构设计 Design of Manipulator for Injection Student:Liu Chao Tutor:Chen Wenkai (Orient Science cylinder;injection machine;structural design 2 1 前言1 1.1 机器人概述 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生 产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。 专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化 机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有 大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应 用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓 取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具 有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把 具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。 简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置， 或按照工作要求以操纵工件进行加工。 要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、 关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传 动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。 一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成， 如图 1 所示。 执行机构 机 器 人 控制系统 驱动-传动系统 手部 腕部 臂部 腰部 基座部（固定或移动） 电、液或气驱动装置 单关节伺服控制器 关节协调及其它信息交换 计算机 图 1 机器人的一般组成 Fig.1 The general composition of the robot 3 1.2 机器人的历史、现状 机器人首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机器 人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制 系统是示教型的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型 机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开 环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉 能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器 人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和 电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃， 欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议 ISIR 决定每年召开 一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、 品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的， 主要是在危险作业（广义的） 、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作 业的环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、 模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规 定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就 将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系 统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大 的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计 算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研 究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成 各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制 4 器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工 具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在 EPROM 中，这种专用系统很难（或不可 能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计， 多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构 的机器人系统。 我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚 5-6 年，但是由于种种原因，工业机器 人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引 进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。 1.3 机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器 人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操 作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准 化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发 多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合； c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器 等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识 别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采 用微机进行控制。 2 机械手设计方案 2.1 机械手基本形式的选择2 常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下 4 种，如 图 2 所示：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械 手；(4)多关节型机械手。 2.1.1 直角坐标型机器人 直角坐标型机器人，它在 x,y,z 轴上的运动是独立的，3 个关节都是移动关节，关 节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作 业。这种形式的主要特点是： 5 (1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。 (2)计算比较方便。 (3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。 (4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。 (5)要求有较大的平面安装区域。 (6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。 2.1.2 圆柱坐标型机器人 圆柱坐标型机器人，R、 和 x 为坐标系的三个坐标，其中 R 是手臂的径向长度， 是手臂的角位置，x 是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特点是： (1)容易想象和计算。 (2)能够伸入形腔式机器内部。 (3)空间定位比较直观。 (4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。 (5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。 2.1.3 极坐标型机器人 极坐标型机器人又称为球坐标机器人，R， 和 为坐标系的坐标。其中 是 绕手臂支撑底座垂直轴的转动角， 是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机器人运动 所形成的轨迹表面是半球面。其特点是： (1)在中心支架附近的工作范围较大。 (2)两个转动驱动装置容易密封。 (3)覆盖工作空间较大。 (4)坐标系较复杂，较难想象和控制。 (5)直线驱动装置仍存在密封问题。 (6)存在工作死区。 2.1.4 多关节机器人 多关节机器人，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。 、 和 为坐标系的坐标，其中 是绕底座铅垂轴的转角， 是过底座的水平 线与第一臂之间的夹角， 是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到 球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是： (1)动作较灵活，工作空间大。 6 (2 关节驱动处容易密封防尘。 (3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。 (4) 适合于电动机驱动。 (5)运动难以想象和控制，计算量较大。 (6)不适于液压驱动。 直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 多关节型 图 2 工业机械手基本结构形式 Fig.2 The basic structure of industrial manipulator 本课题要求机械手为直角坐标型. 2.2 驱动装置的选择2 机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方式进行 分析比较。 2.2.1 液压驱动 机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点： (1)液压容易达到较高的压力（常用液压为 2.56.3MPa） ，体积较小，可以获得较 7 大的推力或转矩； (2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度； (3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制； (4)液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使 用寿命长。 液压传动系统的不足之处是： (1)油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃爆炸等危险； (2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高； (3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则引起故 障。 液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的 驱动。 2.2.2 气压驱动 与液压驱动相比，气压驱动的特点是： (1)压缩空气粘度小，容易达到高速； (2)利用工厂集中的空气压缩站供气，不必添加动力设备； (3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业； (4)气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。 它的不足之处是： (1)压缩空气常用压力为 0.40.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大； (2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难； (3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致 机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。 气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的机器人。 2.2.3 电动机驱动 电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电 动机驱动。 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大， 适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进输出力矩相对小，控制性能好，可实现 8 速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直伺服电动机一般用于闭环控制 系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的 场合。 由于气压驱动气源容易获得，无污染，,故本设计确定选用气压驱动。 3 引拔设计 3.1 设计参数 （1）伸缩长度：160mm； （2）单方向伸缩时间：12S； （3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于 2mm； （4）前端安装机械臂连接块，伸缩终点无刚性冲击； 3.2 方案设计 气动驱动方案伸缩原理采用单出杆双作用气动油缸，手臂纵向移动时采用单向调 速阀进行节流调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲，靠气缸行程极限定位， 采用附加导向杆防止转动，采用电液换向阀，控制伸缩方向。 1、引拔 2、小型导向气缸 3、机械臂连接块 4、附加导向杆 图 3 引拔示意图 Fig.3 Schematic drawing cited 3.3 引拔机构结构设计 3.3.1 引拔气缸参数计算 3.3.1.1 预选气缸的缸径及缸桶壁厚：根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载 力 F。 取 =0.2 F=W=0.2*300=60（N） （3-1） 【6】 根据负载的运动状态，预选气缸的负载率 。 取 =50% 9 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%。 已知 F, 和 p，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比 d/D=0.30.4，由式（3- 2）至式（3-4） ，便可选定缸径 D，缸径 D 的尺寸应标准化. （3-2） 【6】 MPap49 . 0 （3-3） 【6】 pDF 2 0 4 (3-4) 【6】%100 0 F F 解得 D17.66 考虑到气缸的行程比较长缸径 D 取。 20 缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算： (3-4) 【6】 )(05 . 0 109 . 42 412 2 2 cm pD b 式中 D 为缸筒内径(cm)，p 为缸筒承受的最大气压力(MPa)，为缸筒材料的需 用应力（MPa） 。 缸筒壁厚的实际取值，对于一般用途气缸约取计算值的 7 倍，再圆整到标准管材 尺寸，这里 b 取 10mm。 3.3.1.2 预选气缸行程：根据气缸的操作距离及传动机构的行程比预选气缸行程为 160mm。 3.3.1.3 验算缓冲能力：根据气缸的运动状态是输出拉力、负载率 =50%、气缸的 行程 L=160mm 和气缸的动作时间 t=1.5s,由气动手册P293 图 9-7 可查得气缸的理 论基准速度=700.由表 9-20，可查得气缸的最大速度与理论基准速度之比 a 0 u max u 0 u 值为 0.9，从而求的气缸的最大速度=630。 max u 查得气缸的负载质量 M 和最大速度的交点在预选气缸缸径的缓冲曲线之下， max u 表示负载运动的动能小于气缸允许吸收的最大能量，所以该预选缸径的缓冲 2 max 2 1 Mu 能力满足要求。 3.3.1.4 活塞杆长度的验算：查气动手册CG1系列气缸活塞杆受轴向压力而20 不失去稳定性的最大行程为 290mm 大于要求行程 160mm，故满足要求。 3.3.1.5 计算气缸的空气消费量 该气缸的空气消费量为min)/(19)102 . 0 ()(0157 . 0 22 LpNldLDq dca 3.3.1.6 选择气缸的品种和安装形式：长沙华德液压气动有限公司生产的 QGCXDH（Q）系列小型导向杆式气缸 QGCXDH20-200 能满足要求。 3.3.1.7 选择磁性开关：根据表 10-15 可查的磁性开关的品种及安装方式为采用钢 带固定的有触点舌簧型 D-C73L，采用直接出线式的接线方式，导线长为 3m。 10 3.3.1.8 选择活塞杆端部联结形式：采用螺钉连接。 3.3.2 附加导向杆机构设计 3.3.2.1 附加导向机构的作用：附加导向机构的作用是保证气缸缸活塞杆伸出时机 械臂连接块的方向性，提供机构刚度，保证伸缩量的准确性。 3.3.2.2 导向机构的外形尺寸及材料：导向选择钢管导向，钢管为引拔上的一部分， 经配合连接而成；机械臂连接块则在其上滑动且其的引拔端部靠近部分。材料选择为 45 号钢.，如图 4 所示： 1、导向钢管 2、端部顶板 3、螺母 图 4 附加导向杆 Fig.4 additional guide bar 3.3.2.3 引拔范围控制与调整：引拔伸缩范围控制靠行程开关，保证把工件精确地 取出。行程开关使用 LXW4-11 型微型开关。 图 5 LXW4-11 型微型开关 Fig.5 LXW4-11-type micro-switch 4 机械臂的设计 4.1 设计参数 （1）伸缩长度：550mm； （2）单方向伸缩时间：2.53.5S； （3）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击； 4.2 方案设计 气动驱动方案伸缩原理：采用单出杆双作用液压油缸，手臂伸出时采用单向调速 阀进行调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲，靠气缸行程极限定位，采用电 11 磁换向阀，控制伸缩方向。 4.3 机械臂气缸的选用 4.3.1 预选气缸的缸径3 根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力 F。 取 =0.8 F=W=0.8*100=80（N） （4-1） 【6】 根据负载的运动状态，预选气缸的负载率 。 取 =50% 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%。 已知 F, 和 p，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比 d/D=0.30.4，由式（4- 2）至式（4-4） ，便可选定缸径 D，缸径 D 的尺寸应标准化. (4-2) 【6】MPap49 . 0 （4-3） 【6】 pDF 2 0 4 (4-4) 【6】%100 0 F F 解得 D17.75 考虑到气缸的行程比较长缸径 D 取。40 缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算： (4-5) 【6】)(061 . 0 109 . 42 512 2 2 cm pD b 式中 D 为缸筒内径(cm)，p 为缸筒承受的最大气压力(MPa)，为缸筒材料的需 用应力（MPa） 。 缸筒壁厚的实际取值，对于一般用途气缸约取计算值的 7 倍，再圆整到标准管材 尺寸，这里 b 取 10mm。 4.3.2 预选气缸行程 根据气缸的操作距离及传动机构的行程比预选气缸行程为 550mm。 4.3.3 验算缓冲能力 根据气缸的运动状态是输出拉力、负载率 =50%、气缸的行程 L=550mm 和气缸的 动作时间 t=2s, 由气动手册P293 图 9-7，可查得气缸的理论基准速度=500.由 0 u 表 9-20，可查得气缸的最大速度与理论基准速度之比 a 值为 0.95，从而求的 max u 0 u 气缸的最大速度=475。 max u 查的气缸的负载质量 M 和最大速度的交点在预选气缸缸径的缓冲曲线之下， max u 表示负载运动的动能小于气缸允许吸收的最大能量，所以该预选缸径的缓冲 2 max 2 1 Mu 12 能力满足要求。 4.3.4 活塞杆长度的验算 查气动手册关于 CG1-气缸活塞杆受轴向压力而不是去稳定性的最大行程40 为 600mm 大于要求行程 550mm，故满足要求。 4.3.5 计算气缸的空气消费量 该气缸的空气消费量为min)/(12)102 . 0 ()(0157 . 0 22 LpNldLDq dca 4.3.6 选择活塞杆端部接头 选择活塞杆的端部接头，因需要避免工件与活塞杆的轴向偏心而得出采用法兰型。 4.3.7 选择气缸的品种和安装形式 CM 系列小型可缓冲气缸 CM40-600F1-SK2 .安装形式为前端法兰式 图 6 CM40-600F1-SK2 气缸 Fig.6 CM40-600F1-SK2 cylinder 5 横行的设计 5.1 设计参数 （1）横行长度：1000mm； （2）单方向伸缩时间：3.54.5S； （3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于 2mm； （4）缸体与引拔连接推动引拔左右移动，伸缩终点无刚性冲击； 5.2 方案设计 气动驱动方案伸缩原理：因为横行长度达到了 1000mm，故考虑采用采用无杆气缸 驱动。无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接实现往复运动。这种气 缸最大优点是节省安装空间，特别适用于小缸径长行程的场合。 结构设计：基体部分做成肋板形式与基座相连，减少横行部分的总体质量，横行 13 面上采用导轨形式，进行横向定位并承受机械手重量，采用三位五通电磁换向阀，控 制横进方向。如图 7 1、无杆气缸 2、导轨 3、基座 图 7 横行基座 Fig. 7 transverse base 5.3 横进气缸的选用 本次横进气缸预选 AMR 系列的磁耦式无杆气缸 根据导向精度、最大允许负载和最大允许力矩选用无杆气缸的系列和缸径。 最大允许负载和最大允许力矩与导向型式、受力姿势、活塞运动和缸径有关。 由于考虑气缸不能承受大的集中载荷，故在气缸两侧设立 2 个导轨代替气缸承受 机械臂的质量，故气缸的承受载荷不予虑。 因为横进系统的额定最大行程为 1000mm，根据 AMR 系列的行程如表 1 由于气缸的推力 F 等于导轨与重物的摩擦力，已知重物的质量约为 1600N，导轨 的摩擦系数0.002-0.003,所以fNfNFF Max 8 . 4003 . 0 1600 预选气缸缸径为，因为气缸的工作压力为 0.49MPa 由图 9 查的本气缸的理论 输出力为 220N，满足系统要求。 表 1 ANR 系列行程图 Tab.1 ANR Series itinerary map AMRBAMRG 101050500mm50500mm 161650500mm50700mm 20201001500mm1001500mm 25251001500mm1001500mm 32321002000mm1001500mm 40401002000mm1001500mm 14 图 8 理论输出力图 Fig.8 Theory of output sought 确定该行程的气缸为 AMR25-1000。 5.4 导轨设计 钢:一般用寻轨：45 钢、40Cr、T8A、T10A、GCr15、GCr15SiMn 等表面淬火或全 淬；要求高的导轨，常采用 20Ce、20CrMnTi、15 钢等，渗碳淬硬到 5662HRC，磨削 加工后淬硬深度不低于 1.5mm; 两条导轨一条采用矩形截面一条采用三角形截面，在横向定位的同时也降低安装 精度。 6 机械手结构设计 6.1 夹持器设计的基本要求 （1）应具有适当的夹紧力和驱动力； （2）手指应具有一定的开闭范围； （3）应保证工件在手指内的夹持精度； （4）要求结构紧凑，重量轻，效率高； （5）应考虑通用性和特殊要求。 设计参数及要求 （1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松； （2）所要抓紧的工件直径为 80mm 放松时的两抓的最大距离为 110-120mm/s ， 1s 抓紧,夹持速度 20mm/s； （3）工件的材质为 2kg； （4）夹持器有足够的夹持力； 15 （5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由气缸提供动力。 6.2 夹紧装置设计. 6.2.1 夹紧力计算 手指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。 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： （6-1） 【4】 GKKKFN 321 式中： 安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取 1.22.0，取 1.5； 1 K 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 2 K 系数, ，a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的 2 K002 . 1 8 . 9 1/02 . 0 1 2 g a K 绝对值（m/s） ； 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定， 3 K 手指与工件位置：手指垂直放置 工件水平放置； 手指与工件形状： 型指端夹持圆柱型工件，V ，为摩擦系数，为型手指半角，此处粗略计算, f K sin5 . 0 3 f V 4 3 K G被抓取工件的重量 求得夹紧力，取整为 N FNMgKKKFN835.1178 . 924002 . 1 5 . 1 321 120N。 6.2.2 驱动力计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： （6-2） 【4】 ab F F C N sin2 式中： c滚子至销轴之间的距离； b爪至销轴之间的距离； 楔块的倾斜角a 可得，得出 F 为理论计算值，实665.83 34 16sin86260 34 sin2 bF F N 际采取的气缸驱动力 F要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率 ，一般取 16 0.80.9，此处取 0.88，则： ，取073.95 88 . 0 665.83 F FNF96 6.2.3 气缸驱动力计算 设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，气缸为单作用缸，提供 推力： （6-3） 【4】 pDF 2 4 推 式中 D活塞直径 d活塞杆直径 p 驱动压力， ,工作压力 P=0.49MPa FF 推 据公式计算可得气缸内径： mm p F D798.15 49 . 0 14 . 3 9644 根据气动设计手册，圆整后取 D=16mm。 活塞行程，当抓取 80mm 工件时，即手爪从张开 120mm 减小到 80mm，楔快向前移 动大约 40mm。取气缸行程 S=40mm。 6.2.4 选用夹持器气缸2 长沙华德液压气动有限公司所生产的 QCG 薄型气缸 QGD16-40 刚好满足条件，所 以选取这个气缸。 表 2 QCG 薄型气缸安装尺寸图 Tab.2 QCG thin cylinder Installation size map 缸径行程 165mm 1610mm 1615mm 1620mm 1630mm 1640mm 6.2.5 手爪的夹持误差及分析4 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度 （由臂部和腕部等运动部件确定） ，而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多 17 品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持 的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图 9，从而使夹持误差控制在较 小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过 1mm ，手部的最终 误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。 R1,R2-工件半径 C1C2= 图 9 夹持误差图 Fig.9 Figure clamping error 工件直径为 80mm，尺寸偏差 5mm ，则 max 42.5Rmm ， min 37.5Rmm ， 40 ep Rmm 。 本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图 10 图 10 楔块杠杆式夹持器 Fig.10 Gripper wedge leveraged 若把工件轴心位置 C 到手爪两支点连线的垂直距离 CD 以 X 表示，根据几何关系 有： 18 22 ()2cos sinsin ABAB RR Xlla 简化为： 2222 2 1 (sincos)(sin) sin ABAB XRlla 该方程为双曲线方程，如图 11： 图 11 工件半径与夹持误差关系曲线 Fig.11 Radius of workpiece clamping error curve 由上图得，当工件半径为 0 R 时，X 取最小值 min X ，又从上式可以求出： 0 sincos AB Rl ，通常取2 120 , min sin AB Xl 若工件的半径 max R 变化到 min R 时，X 值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。 在设计中，希望按给定的 max R 和 min R 来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差， 一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角 ，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径 ep R 取 为 0 R 时，夹持误差最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当 a 值 较大时） ，偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现 在抓取半径较小时，两手爪的BE和 B E边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通 常按手爪抓取工件的平均半径 ep R ，以 90BCD 为条件确定两支点回转型手爪的偏 转角，即下式： 1 1 cos () sin ep AB R a l 其中2 90amm , 86 AB lmm ,V型钳的夹角2 120 代入得出： 1 801 cos (45)56.57 sin6086 19 则 0 sincos86 sin60cos56.5741.02 AB Rlmm 则 min0max RRR ，此时定位误差为 1 和 2 中的最大值。 222222 maxmin 1 ()2cossin sinsin ABABAB RR llala 222222 minmin 2 ()2cossin sinsin ABABAB RR llala 分别代入得： 1 0.0256mm ， 2 0.1482mm 所以， 0.14821mmmm ，夹持误差满足设计要求。 由以上各值可得： 2222 2 1 (sincos)(sin)55.9254 sin ABAB XRllamm 取值为 56Xmm 。 6.2.6 楔块等尺寸的确定 楔块进入杠杆手指时的力分析如下： 图 12 楔块进入手爪受力图 Fig.12 by trying to wedge into the gripper 上图 12 中 斜楔角，时有增力作用；30 滚子与斜楔面间当量摩擦角，为滚子与转轴间的摩 2 22 tan()tand D 2 擦角，为转轴直径，为滚子外径，为滚子与转轴间摩擦系数; dD 22 tanf 2 f 支点至斜面垂线与杠杆的夹角；O 杠杆驱动端杆长；l 杠杆夹紧端杆长； l 杠杆传动机械效率 20 6.2.6.1 斜楔的传动效率:斜楔的传动效率可由下式表示： 2 sin = sin() 22 tantan d D 杠杆传动机械效率取 0.834，取 0.1，取 0.5，则可得=, 2 tand D14.036 ，取整得=。 2 90 14 6.2.6.2 动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即，见图 13 2 90 图 13 动作范围分析图 Fig. 13 Range of motion analysis diagram 如果，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态， 2 所以必须大于。此外，当时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支 2 90 点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。 6.2.6.3 斜楔驱动行程与手指开闭范围:当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时， 沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为 L，此时对应的杠杆手指由位置转到位置， 1 2 其驱动行程可用下式表示： 12 12 coscos (coscos) sinsin lll L 杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： 12 cos()cos()sl 通常状态下，在左右范围内，则由手指需要的开闭范围来确定。由给 2 90 1 定条件可知最大为 55-60mm,最小设定为 30mm.即。已知，s30(5060)s 14 可得，有图 14 关系： 2 9076 21 图 14 楔块尺寸示意图 Fig.14 Schematic diagram of wedge size 可知：楔块下边为 60mm，支点 O 距中心线 30mm，且有，解得： 30 () tg ll 120ll 6.2.6.4 与 的确定:斜楔传动比 可由下式表示：l li sin sin ll i Ll 可知一定时，愈大， 愈大，且杠杆手指的转角在范围内增大时， l li90 传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由分配距离为： 120ll ，。50l 70l 6.2.6.5 确定:由前式得： 1 (6030)30s ，取。 1 3070cos(14 )cos(7614 )s 1 50.623 1 50 6.2.6.6 确定:为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有图 15 中关系LL 图 15 L 对中心线的驱动方程的示意图 Fig.15 L of the center line diagram of the driving equation ，取，则楔块上边长为 18.686，取 50 (cos50cos76 )82.850 sin14 L 83L 19mm. 22 6.2.7 材料及连接件选择 V 型指与夹持器连接选用圆柱销 / 119.1GB T ，d=6mm, 需使用 2 个。 杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销 / 119.1GB T ，d=6mm, 需使用 2 个。 滚子与手指连接选用圆柱销 / 119.1GB T ，d=4mm, 需使用 2 个。 以上材料均为钢，无淬火和表面处理销两端均打直径 1.2mm 的圆孔，用 GB/T91 1.2X8 的开口销连接。 楔块与活塞杆铰链联结。 7 气动顺序动作的确定 考虑到注塑机抓取的效率问题，引拔气缸一般不会经常用到，故将其单独设立一 回路，分开控制。 所以注塑机机械手抓取过程主要由手臂升降缸（A 缸） 、手爪开闭缸（B 缸）和横 向移动气缸（C 缸）所完成。在初始状态，手臂在左端；B 缸缩回，手爪开启；A 缸缩 回，手臂上升处于上面。整个动作顺序为 A 缸伸出（手臂下降）