玻璃自动送料机械手说明书

1、西华大学毕业设计说明书 目 录摘要1.前言2.机械手设计任务1.1 机械手国内外发展和分类1.2 本课题内容和要求3.设计方案论证2.1 机械手的总体设计2.2机械手腰座设计2.3 机械手手部设计2.4 机械手小臂设计2.5机械手大臂设计4.理论分析和设计计算3.1 手部设计计算3.2 腰身设计计算3.3 大臂设计计算3.4 小臂设计计算结论摘 要 在当今大规模制造业中，企业为保障产品质量，提高生产效率，普遍重视生产过程的自动化程度高低，工业机器人作为自动化生产线上的重要部分，已经逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的应用程度和技术水平在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。机械手是在自动化

2、生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。由于在工业生产中玻璃的加工需要短距离送料，人工既费时费力又危险易碎，因此利用机械手装置进行玻璃的自动送料是能提高生产效率和降低破损率和减少危险的。此次毕业设计即为玻璃自动送料机械手的设计，采用直角坐标型的结构，设计三个自由度，即升降、伸缩，直线送料三个运动。机械手手部采用气流负压式洗盘装置，小臂为液压缸装置升降控制送料高度，大臂用丝杆螺母机构控制送料位置，腰身为齿轮齿条机构控制机械手送料直线运动。通过资料收集，方案确定，设计计算、ProE三维建模以及工程图绘制以达到本次设计要求和目的。

3、【关键词】机械手、送料、 ProE AbstractIn todays mass manufacturing, the enterprises to ensure product quality, improve production efficiency, generally attaches great importance to the production process of high and low degree of automation, industrial robot as an important part of automatic production line, ha

4、s gradually become the enterprise is accepted and adopted. Application level and technical level of the industrial robot to a certain extent reflects a countrys industrial automation level.Manipulator is used in the automatic production process of a kind of which has the function of grab and move th

5、e workpiece automatic device, it is in the process of mechanization, automation production, developed a new type of device.Because the glass in the industrial production processing of short feeding, artificial both laborious and danger is fragile, so the use of automatic feeding manipulator device f

6、or glass is to be able to improve production efficiency and reduce the damage rate and reduce the risk.The graduation design is the glass automatic feeding manipulator is designed, using rectangular coordinates type structure, design of three degrees of freedom, namely, lifting, telescopic, linear f

7、eed three sports.Air suction washing plate device for the robot hand, forearm for hydraulic cylinder lifting device feed height, arm with control feed screw nut mechanism, girth gear rack mechanism for control feeding manipulator linear motion.Through data collection, the scheme, design calculation,

8、 ProE 3 d modeling and engineering in order to achieve the purpose of the design requirements and drawing.【Key words】manipulator；feeding； ProE1.前言 机械手自问世以来，经过了40多年的发展，已广泛应用于各个领域。机械手最早应用于制造工业，常用于喷漆、焊接、搬运和上下料。机械手可代替人从事危险、有毒、有害、高温、高压、重载、噪音、粉尘和低温等恶劣环境中的工作；代替人完成单调重复和繁重的劳动，不仅减少了人力资源的浪费，减轻了劳动强度，而且大大改善了工人的劳

9、动条件，提高了生产效率和生产自动化水平。目前机械手主要用于以下几个方面。(1)恶劣的工作环境和危险的工作在核工业中，核反应堆内具有较强的放射性，为了人员的安全，经常需要机械手来完成相关的清理工作，另外在压铸、冲压、热处理、锻造、喷漆车间以及有强烈紫外线照射的电弧焊等危险领域的作业中也经常需要用到机械手。(2)自动化生产领域目前研制出了搬运机械手、码垛机械手、汽车座椅装配机械手、点胶机械手等各类工业机械手，主要用于生产上实现自动化。如当末端夹持焊枪时，可以对汽车或摩托车的车体进行点焊或弧焊作业；当末端安装喷枪时可以进行喷涂作业；当末端安装手钳时，可以给压铸机或成型机进行上下料作业或者用来装配机械

10、零部件。目前我国已经建成的自动生产线有很多，如沈阳水泵厂的环类深井泵轴承体加工自动线、上海动力机厂的箱体类气缸盖加工自动线、大连电机厂的轴类4号和5号电动机轴加工自动线、上海拖拉机齿轮厂的盘类齿坯加工自动线等等1。(3)在特殊作业场合进行极限作业在一些极地探索、火山探险、空间探索、深海探密等领域经常要用到机器人去探索，目前研制出了螃蟹机器人，用于水下勘测任务操作，它的身体结构接近于螃蟹，能够完成指定的指令，也可以用于海洋搜寻及石油天然气的勘测。还有用于国际空间站的机器人，可以对空间站的外表面进行检测。(4)农业生产目前研制出了太阳能农用机器人，他可以找到隐藏在农作物中的杂草，这主要依赖于它的视

11、觉系统，当发现有别于农作物的植物时，它便利用数据库提供的植物的特性与目标植物加以比较，当确定为杂草时，就会用机械手割断杂草，同时还可以喷洒除草剂。(5)军事应用在军事应用中，军人执勤经常会遇到危险，这就需要机器人帮助完成执勤任务，给机器人配备军用机枪，利用机器人完成炸弹清除工作。机械手在控制器的控制下，可以、仿人的手、腕、臂的动作，按照固定的动作流程进行工作。我国绝大多数农民工就业于劳动密集型行业，劳动密集型行业中绝大多数工作是简单的、重复性作业，这些工作没有多少技术，农民工很容易学会，但这些工作对从业者的体力反应灵敏度或操作精确度有比较高的要求，因此，青年农民工从事这些工作时劳动生产率比较高

12、，但是非技术农民工进入中年后，体力、反应灵敏度和操作精确度下降，劳动生产率逐年降低。因此使用机械手，不但降低了人的体力劳动，减少人力资源的浪费，减轻了劳动强度，而且大大改善了工人的劳动条件，提高了工作效率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，为企业带来更大的经济效益，更有利于企业的发展。尤其是在高温、高压、重载、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的危险环境中应用更为普遍。（袋装码垛机械手设计）2. 机械手设计任务2.1 机械手国内外研究现状和分类 1.机械手国内外研究现状 工业机械手起源于20世纪50年代，最初是用来示教再现，这类机械手没有任何的传感器，它的工作路径和运动参数都是操作人员通过编程

13、来设定的。后来出现了感觉型机械手，这类机械手配备了简单的内、外部传感器，具有部分适应外部环境的能力，可以感知部分物理量并进行反馈。再后来出现了智能型机械手，这类机械手可以对外部环境信息进行感知、提取、处理并做出适当的决策，可以自主的完成某一项任务，至今仍处于研究和发展阶段。目前，机械手在技术水平上优势集中于日美等几个发达的工业化国家。1958年，创建世界上第一个机器人公司的Joseph F.Engel Berger 被誉为“工业机器人之父”，他参与设计了第一台机器人-Unimate机器人，后来AMF公司研制的Versatran机器人也相继问世，它主要用于机器之间的物料运输，20世纪60年代，美

14、国斯坦福研究所研制了机器人Shakey。1986年，美国研制出了第一台拟人型两足步行机器人SD-2，8个自由度，可以静态行走，1987年，Pacific Northwest实验室研制出38个自由度的液压驱动拟人机器人2。随后，在美国的工业生产中，工业机械手得到了大力发展和广泛应用，日本机器人的发展经历了20世纪60年代的摇篮期、70年代的实用化时期以及80年代的普及期三个时期。1967年，日本东京机械贸易公司从美国AMF公司引进了Versatran机器人，后来日本川崎重工业公司从美国引进了Unimation机器人，1980年被日本人称为“日本的机器人元年”，在这一年，日本的机器人技术得到了极大

15、的成功和普及。1997年，日本本田公司研制出了世界上第一台类人型步行机器人样机，2002年，该公司又研制出Asimo机器人。现在，日本拥有的工业机器人数量约占世界总数量的65%。我国的工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了三个时期：70年代的萌芽期、80年代的开发期和90年代的适用化期。1990年，国防科技大学研制出了我国第一台类人型机器人，命名为：先行者。1989年，我国成功的将自主研发的水下机器人出口到美国。1990年，我国又成功研制出了深潜6000米的水下机器人，同年我国自主开发的机器人关键技术AGV 技术出口韩国3。近几年，我国实施了“863”计划，培养了

16、一大批机器人方面的专业技术人员，我国又斥资5800万元在沈阳建立机器人“机器人技术国家工程研究中心”和“智能机器人中心”，这充分说明了我国对工业机器人的重视。目前我国建立了多条工业机械手生产线，包括：弧焊机械手生产线、装配机械手生产线、喷涂生产线和焊装生产线等，我国的机械手技术取得了许多前所未有的成果。但是尽管如此，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定的差距，因此，我国应该加快工业化进程，提高关键技术，培养更多的专业化人才。（袋装码垛机械手设计）目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：A机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中

17、的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。B工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。C机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。D关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开

18、发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； E焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。2. 机械手分类 （1、）根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为以下三类： 承担搬运工作的机械手：这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成

19、辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。 生产工业用机械手：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。 通用工业机械手：其用途广泛，可以完成各种工艺作业。 （2、）按功能分类 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，工作对象单一，结构简单，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。 通用机械手：又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。 示教

20、再现机械手：采用示教法编程的通用机械手。所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。机械手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。（3、）按驱动方式分 液压传动机械手 气压传动机械手 机械传动机械手（4、）按控制方式分 固定程序机械手：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。 可编程序机械手：控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需要编排，行程能很方便改变。图1-1 机器人的一般组成 图1-2 机器人各组成部分之间的关系2.2本课题内容及要求 本课题旨在设计一种玻璃自动送料的机械手装

21、置，使在玻璃生产加工中能对玻璃进行小范围的送料。该机械手工作范围为1500mm宽2500mm长1200mm高，抓取的为片状玻璃，重量小于5kg。工作过程为吸盘吸取玻璃，小臂提升玻璃至安全高度，大臂横向移动到指定位置，机身纵向直线运动至目的地上方，小臂向下放料，机械手按送料动作反向回到原处，完成一个周期的工作。本设计需要完成机械手手部，小臂，大臂，腰身，机架等的设计计算，并通过三维建模完成各部分的结构设计，使得该设计满足自动送料基本功能，然后绘制工程图，最后书写说明书。3.设计方案论证3.1 机械手总体设计对于一般送料机械手而言，要求实现拾料送料放料回程等过程，在机械加工中需要准确，快速得实现这

22、些动作就要求机械手具有很高的精度，灵活的自由度，足够的活动范围以及一定的承载能力，此外还需要灵活有效的控制系统。而本课题为玻璃的自动送料机械手，是一种对玻璃等易碎片状物料的专用机械手，因此要求定位准确，冲击小，足够的送料活动空间。设计玻璃自动送料机械手首先通过资料收集了解目前送料机械手发展状况，机械手基本结构功能以及机械设计一般原则。其次，明确作业对象技术要求和作业环境，确定大致作业工序。明确作业对象材料形状和特点，送料过程受力特性和质量参数等，进一步确定机械手结构。最后综合考虑机械传动结构和所选零件，使其在满足基本传动，力学等要求上尽量简便经济，尽量使用标准件简化设计制造过程，降低零件制造难

23、度。通过上述过程便可以确定机械手整体合格部分结构，采用直角坐标的型式，因此具有横向直线送料，纵向升降，大臂伸缩三个自由度。确定机械手腰身，大臂，小臂，手部分别采用齿轮齿条结构，丝杠螺母结构，气动装置，负压式吸盘结构。考虑到采用步进式电机的经济实用，因此腰身移动和大臂伸缩分别用两个步进电机作为电源。3.2 机械手腰身设计考虑到简便制造容易，安装方便等，腰身直线送料采用齿轮齿条结构。齿条用螺钉安装在由型材钢焊接而成的机架上，电机通过以及减速将扭矩传输到腰身齿轮上，与齿条配合实现直线送料。并在机架上安装一导向杆，既能准确导向，又能分担机械手重量，平衡受力。3.3 机械手手部设计机械手作业对象为片状玻

24、璃，设计质量为5kg，材料易碎，因此机械手手部采用负压式吸盘结构，吸盘口为软胶类材料使其为柔性接触，安全可靠。3.4 机械手小臂设计竖直安装的小臂需要在抓去物料时短距离的上升和下降的运动，考虑到液压装置结构简单，驱动力足，便于控制，故采用液压装置。3.5 机械手大臂设计机械手大臂具有伸缩的运动，需要一定的定位精度和承载能力，选择丝杆螺母结构，并辅以一与丝杆同长度的导向杆起到导向和分担受力的左右。设计技术参数:1、抓重5公斤 ( 气流负压式吸盘)2、自由度数3个自由度3、座标型式直角座标4、最大工作范围5、手臂最大中心高1000mm6、手臂运动参数伸缩行程 1400mm伸缩速度 500mm/s升

25、降行程 500mm升降速度 300mm/s 送料行程 2500mm 送料速度 500mm/s 7、定位方式行程 开 关 或可调机械挡块等8 缓冲方式液压缓冲器9 驱动方式步进电机 气压传 动10 控制方式点位程序控制(采用PLC)4.理论分析和设计计算4.1 手部设计计算 机械手的手部通常有夹钳式、吸附式、专用操作器及转换器、仿生多指灵巧手等种类。其中吸附式手部靠吸附力取料，利用吸盘内的压力和大气压力之间的压力差来吸附物体，具有结构简单、吸附力分布均匀、重量轻等优点，但要求所吸附表面平整光滑、无孔和无油。吸附式手部分为气吸附和磁吸附两种，主要用于大平面、易碎、易破、微小不易抓取的物体。气流负压

26、式吸盘是利用吸盘(即用橡胶或软性塑料制成皮腕)内形成负压将工件吸住。它适用于搬运一些薄片形状的工件，如薄铁片、板材、纸张以及薄壁易碎的玻璃器皿、弧形壳体零件等，尤其是玻璃器皿及非金属薄片，吸附效果更为明显。由于作业对象为玻璃，是薄片状易碎材料，因此选用气流负压式吸盘。按形成负压(或真空)的方法，气流负压式手部可分为真空式、气流负压式和挤压排气式吸盘。在本机械手中，拟采用喷射式气流负压吸盘。图 3- 3 喷 射 气 流 原 理 图Fig.3-3 Principium Diagram Of Eject Airflow喷射式气流负压吸盘的工作原理如图3-3所示，根据流体力学，气体在稳定流动状态下，单

27、位时间内气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量均相等。因此，在最简单的情况下，低流速(高压强)截面的喷嘴应当具有大面积，而高流速(低压强)截面的喷嘴应当具有小面积。所以，压缩空气由喷嘴进口处A进入后，喷嘴开始一段由大到小逐渐收缩，而气流速度逐渐增大，当沿气流流动方向截面收缩到最小处X时即临界面积)，流速达到临界速度即音速，此时压力近似为喷嘴进口处的压力之半，即= 0.52 8P,。为了使喷嘴出口处的压力低于Pk，必须在喷嘴临界面以后再加一段渐扩段，这样可以在喷嘴出口处获得比音速还要大的流速即超音速，并在该处建立低压区域，使C处的气体不断的被高速流体卷带走，如C处形成密封空腔，就可使腔内压力下降而形

28、成负压。当在C处连接橡胶皮腕吸盘，即可吸住工件。图 3- 4 所示为可调的喷射式负压吸盘结构图。为了使喷嘴更有效地工作，喷嘴口与喷嘴套之间应当有适当的间隙，以便将被抽气体带走。当间隙太小时，喷射气流和被抽气体将由于与套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽气速率;当间隙太大时，离喷射气体越远的气体被带着向前运动的速度就越低，同时间隙过大，从喷嘴套出口处反流回来的气体就越多，这就使抽气速率大大的降低。因此，间隙要适宜，最好使喷嘴与喷嘴套之间的间隙可以调节， 以便喷嘴有效地工作。在图3-4中，喷嘴5与喷嘴套6的相对位置是可以调节的，以便改变间隙的大小。1. 株胶吸盘2.吸盘芯子3.通气坏打4.吸盘体5

29、.喷嘴6.喷嘴套图 3- 4 可 调喷 射 式 负 压 吸 盘 结构（机械手设计） 本课题设计玻璃自动送料机械手作业对象为小块片状玻璃，重量不超过5kg，则负压式吸盘吸力可由下列计算公式计算： 式中:P吸盘吸力(N)，本机械手的吸盘吸力为50N，故P=50N;D吸盘直径 (cm).N分吸盘数量，本机械手吸盘数量为4;吸盘吸附工件在起动时的安全系数，在此取=1.5;工作情况系数。若板料间有油膜存在则要求吸附力大些;若装有分料器 ， 则 吸附力就可小些。另外工件从模具取出时，也有摩擦力的作用， 同 时 还应考虑吸盘在运动过程中由于加速运动而产生的惯性力影响。 因 此 ，应根据工作条件的不同，选取工

30、作情况系数，一般可在(13)的范围内选取。在此，取=1.5 : 工件情况系数。吸盘在运动过程中会由于加速运动而产生惯性力影响，因此，根据工作条件的不同，一般在1-3的范围内选取工件情况系数。在此，取=2； 带入数据得： = =8.46cm故吸盘直径可选为10cm4.2 机械手腰身设计计算电机选型：机械手腰身与导轨为齿轮齿条配合，通过步进电机经过一级减速带动齿轮在固定齿条上做直线送料运动。设与导轨齿条配合的齿轮模数m=3，齿数z=18,压力角=，齿宽b=50 , ,腰身移动速度v=0.5m/s滑动部分质量w=50kg折算到电动机轴上的负载转矩, ,其中，摩擦因数，在此设为=0.3R齿轮分度圆半径

31、进给传动系统总效率为=0.9i 传动比，设i=5F=轴向载荷则由于有一级减速，增加两个齿轮，设齿轮总转动惯量估算联轴器外径D=0.04m M=0.2kg联轴器的转动惯量：电动机轴上的加速转矩：配合齿轮的转速n为加速时间，因此 折算到电动机轴上的总转矩：故：电机选择2S86Q-05180 ,保持转矩为4.5N.m , 转动惯量 则 符合条件 工件最快速度对应的电动机转速为,则对应的运行频率为 从2S86Q-05180的矩频特性曲线上可以看出，此速度（或频率）时电动机的输出转矩大于，故此电动机满足要求。电机输出轴的设计 由于减速比i=5，则电动机转速设作用在轴上的最大转矩为T，其扭转强度条件为式中

32、扭转切应力，MPa;T 传递的转矩，； P轴传递的功率，kW; 由此可得轴径的设计公式为式中 查表A取为105轴为45钢 输出功率为：轴的最小直径显然应是安装联轴器处轴段的直径，该直径的选取必须与联轴器孔径相匹配。选择联轴器型号。计算转矩,考虑到转矩变化很小，故取则根据计算转矩，查标准，选用型联轴器轴孔直径14mm ,轴孔长L=32mm,螺栓为M6，数量为三个，转动惯量。故选用电机输出轴减速齿轮模数m=2,齿数z=17 的标准直齿圆柱齿轮；轴2减速齿轮为模数m=2,齿数z=85 的标准直齿圆柱齿轮。轴的校核：4.3 机械手大臂设计计算丝杠选择 机械手大臂做伸缩运动，采用丝杠螺母结构，根据机械手

33、作业范围，设计大臂最大行程为1400mm；快速移动的速度为0.5m/s；加减速时间常数t=0.15m/s；定位精度为；希望大臂能达到的工作寿命为20000小时；直线导轨摩擦系数；最大转速；导程螺母计算 加速时的加速度，轴向负载；固定速度时的轴向负载；减速时的轴向负载；其中M为工作台质量，M=40kg , t 为加减速时间常数t=0.15s ,为工作台与直线导轨的摩擦系数。数据带入上式得,利用负载条件计算轴向平均负载和平均转速有 ， 其中得工作时间，所以有 ， ， 估算滚珠丝杠螺纹小径 根据计算结果选择FFB型滚珠丝杠螺母副，型号为FFB2506-2 ,其公称直径 基本导程 ，螺纹底径 ，丝杠外径 ，钢球直径 ，循环圈数2，滚珠丝杠安装方式为一端固定一端游动支撑方式，固定端轴承型号：2列组合60度接触推力接触求轴承（背靠背组配）760204TNI即内径d=20mm ，D=47mm ,宽度B=14mm，游动端型号：两个深沟球轴承组配6204 ，内径d=20mm ,外径D=47mm ，宽度B=14mm。 步进电机的选择根据以