工业机器人毕业设计说明书

PAGE阳泉学院毕业设计说明书PAGE1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

目录摘要 11前言 31.1机器人概述 31.2机器人的历史、现状 41.3机器人发展趋势 52机械手设计方案 72.1机械手基本形式的选择 72.2驱动装置的选择 93引拔设计 113.1设计参数 113.2方案设计 113.3引拔机构结构设计 113.3.1引拔气缸参数计算 113.3.2附加导向杆机构设计 134机械臂的设计 144.1设计参数 144.2方案设计 144.3机械臂气缸的选用 144.3.1预选气缸的缸径[3] 144.3.2预选气缸行程 154.3.3验算缓冲能力 154.3.4活塞杆长度的验算 154.3.5计算气缸的空气消费量 154.3.6选择活塞杆端部接头 154.3.7选择气缸的品种和安装形式 165横行的设计 175.1设计参数 175.2方案设计 175.3横进气缸的选用 185.4导轨设计 196机械手结构设计 206.1夹持器设计的基本要求 206.2夹紧装置设计. 206.2.1夹紧力计算 206.2.2驱动力计算 216.2.3气缸驱动力计算 216.2.4选用夹持器气缸[2] 226.2.5手爪的夹持误差及分析[4] 226.2.6楔块等尺寸的确定 256.2.7材料及连接件选择 287气动顺序动作的确定 298安装 309维护 318.1机械手循环周期 318.2导轨和轴承 318.3驱动系统 318.4气动系统 328.5真空抓手回路 328.6注意配线磨损 338.7检查润滑 338.8检查成型设备 3410结论 35参考文献 36致谢 37

1前言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”（IndustrialRobot）：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。图1机器人的一般组成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(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)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：(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、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，θ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，θ和β为坐标系的坐标。其中θ是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，β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。θ、α和φ为坐标系的坐标，其中θ是绕底座铅垂轴的转角，φ是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，α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。(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本课题要求机械手为直角坐标型.2.2驱动装置的选择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2.5～6.3MPa），体积较小，可以获得较大的推力或转矩；(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0.4～0.6MPa，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：1～2S；（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3.3引拔机构结构设计3.3.1引拔气缸参数计算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μ=0.2F=μW=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η。取η=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,η和p，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比d/D=0.3~0.4，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】（3-3）【6】(3-4)【6】解得D≈17.66考虑到气缸的行程比较长缸径D取。缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算：(3-4)【6】式中D为缸筒内径(cm)，p为缸筒承受的最大气压力(MPa)，[σ]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。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。验算缓冲能力：根据气缸的运动状态是输出拉力、负载率η=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值为0.9，从而求的气缸的最大速度=630。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，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能力满足要求。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。计算气缸的空气消费量该气缸的空气消费量为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。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。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。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5LXW4-11型微型开关

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：2.5～3.5S；（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μ=0.8F=μW=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η。取η=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,η和p，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比d/D=0.3~0.4，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】（4-3）【6】(4-4)【6】解得D≈17.75考虑到气缸的行程比较长缸径D取。缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算：(4-5)【6】式中D为缸筒内径(cm)，p为缸筒承受的最大气压力(MPa)，[σ]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η=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，从而求的气缸的最大速度=475。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，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6CM40-600F1-SK2气缸

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：3.5～4.5S；（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71、无杆气缸2、导轨3、基座图7横行基座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1ANR系列行程图Tab.1ANRSeriesitinerarymapAMRBAMRG10Ф1050~500mm50~500mm16Ф1650~500mm50~700mm20Ф20100~1500mm100~1500mm25Ф25100~1500mm100~1500mm32Ф32100~2000mm100~1500mm40Ф40100~2000mm100~1500mm图8理论输出力图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56~62HRC，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；（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】式中：—安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.2——2.0，取1.5；—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，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，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，，为摩擦系数，为型手指半角，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】式中：c—滚子至销轴之间的距离；b—爪至销轴之间的距离；—楔块的倾斜角可得，得出F为理论计算值，实际采取的气缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.8～0.9，此处取0.88，则：，取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】式中——活塞直径——活塞杆直径——驱动压力，,工作压力P=0.49MPa据公式计算可得气缸内径：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2QCG薄型气缸安装尺寸图Tab.2QCGthincylinderInstallationsizemap缸径行程Ф165mmФ1610mmФ1615Ф1620mmФ1630mmФ1640mm6.2.5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，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夹持误差图工件直径为80mm，尺寸偏差，则，，。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：简化为：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由上图得，当工件半径为时，X取最小值，又从上式可以求出：，通常取,若工件的半径变化到时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，希望按给定的和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取为时，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，两手爪的和边平行，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，以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式：其中,,型钳的夹角代入得出：则则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得：，所以，，夹持误差满足设计要求。由以上各值可得：取值为。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上图12中—斜楔角，＜时有增力作用；—滚子与斜楔面间当量摩擦角，，为滚子与转轴间的摩擦角，为转轴直径，为滚子外径，，为滚子与转轴间摩擦系数;—支点至斜面垂线与杠杆的夹角；—杠杆驱动端杆长；—杠杆夹紧端杆长；—杠杆传动机械效率斜楔的传动效率:斜楔的传动效率可由下式表示：杠杆传动机械效率取0.834，取0.1，取0.5，则可得=,，取整得=。动作范围分析阴影部分杠杆手指的动作范围，即，见图13图13动作范围分析图如果，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，所以必须大于。此外，当时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上干涉，即为手指动作的理论极限位置。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，其驱动行程可用下式表示：杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：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。由给定条件可知最大为55-60mm,最小设定为30mm.即。已知，可得，有图14关系：图14楔块尺寸示意图可知：楔块下边为60mm，支点O距中心线30mm，且有，解得：与的确定:斜楔传动比可由下式表示：可知一定时，愈大，愈大，且杠杆手指的转角在范围内增大时，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：，。确定:由前式得：，，取。确定:为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有图15中关系图15L对中心线的驱动方程的示意图，取，则楔块上边长为18.686，取19mm.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，d=6mm,需使用2个。杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销，d=6mm,需使用2个。滚子与手指连接选用圆柱销，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/T911.2X8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），下降到工件位置时触动缸上的磁性开关→B缸伸出（气抓夹取工件），抓取工件后触动缸上的磁性开关→A缸缩回（手臂上升）→C缸右移（手臂右向横行）→A缸伸出（手臂下降）→B缸缩回（气抓放下工件）→A缸缩回（手臂上升）→C缸左移（手臂左向横行），如此循环。

8安装(1)侧姿组用来固定所需求的抱具，首先用抱具固定块将抱具固定在侧姿旋转板上。注意：在装置过程中需关掉电源和气源，若是不关电源和气源则有必要确保机械手处于手动状况，且不能操作任何动作。(2)注意装置方向，在装置时需将侧姿组打至笔直状况，且将抱具笔直装置。(3)装置好后用气管从穿板接头处衔接。(4)当侧姿组水平动作速度须改变，请调整侧姿水平速度调节阀。(5)当侧姿组笔直动作速度须改变，请调整侧姿笔直速度调节阀。(6)顺时针旋转速度变慢，逆时针旋转速度变快。(7)调整恰当后，请将锁紧螺帽锁紧。

9维护9.1机械手循环周期保持机械手良好运行的要点之一是简单的观察和倾听，这样做能够暴露出机械手总体运行的许多信息。机械手通过具体动作工作，因此倾听任何不正常的声音，例如啸叫、咔嗒声等，这些表明轴承不能正常旋转或其它某个构件被粘住。机械手链接部分沿着装有动力电缆和真空软管的导轨运动，会发出正常的滴答声，但是这种声音平滑稳定。检查任何可以观察到的轴承，确保它们平稳旋转。只需要检查并聆听某些磨损或需要调整的征兆，就可以大大有助于保持机械手最佳的运行状态。9.2导轨和轴承应该保持所有轴处的导轨和轴承清洁以及良好的润滑性能。如果机械手运行在充满灰尘的环境中，那么需要经常清理导轨。如果你发现任何金属碎片或粉末，那就可能表示润滑不好。为了保证合适的润滑，拥有恰当的线性导向系统非常关键，大多数机械手拥有自动化的润滑系统以及需要定期替换的部件。9.3驱动系统如果机械手采用装配架-传动齿轮驱动，注意在运行过程中是否有任何迟疑或晃动发生。除了光滑平稳的动作之外的所有运动都可以表明驱动系统损坏或内部寄存了一些异物。机械手推动向下运动时，快速检查装配梁和传动齿轮之间动作或齿隙的方法是推拖运动臂，感觉异常运动（来回动作不同）。然而由于正常的厂家公差精度非常高，因此本试验方法将会非常不精确。如果你怀疑装配梁和传动齿轮可能有问题，较好的方法是使用量程长的磁性表座。按照厂家说明书调整好齿隙后，检查轴的全部行程，保证装配梁和传动齿轮之间没有太紧的地方。如果齿隙不能调整，那么装配架和传动齿轮可能出现磨损，需要替换。如果必需修补装配架和传动齿轮，那么最好同时替换两个构件从而保证长期性能。至于靠传送带驱动的轴，密切注意传送带磨损落下的碎屑以及本身的损害。仔细检查滑轮，留意源自传送带材料的灰尘的迹象。确保传送带和传动滑轮以及槽轮的完全排列成行。方向偏离的传送带会非常快地磨损掉。只要是传送带驱动的系统，可按照厂家的说明书检查传送带本身的预加负荷。这些规范将告诉你：相对于滑轮，在传送带具体位置上的适宜误差量。9.4气动系统包括多轴向伺服驱动在内，只要有转腕和真空抓取动作，几乎所有的机械手都会有气动功能。密切注意过滤调压阀单元的吸盘，其中积有水就表明通过系统的压缩气源湿度过大。少量水气的存在都可能传送到气动阀和致动器，造成氧化和内部污染，最终可能导致调压阀粘住或致动器断断续续的粘住或失效。如果吸盘配置自动除湿系统，吸盘上的污染或变色也表明水气在去除之前在增加。如果水聚集到吸盘中，即使时间很短，它也能进入系统，造成上述问题。如果你注意到气动胶管有任何有形损坏，那么系统就可能会有泄漏。如果气压回路在正常操作压力下充满空气，并且在回路某处出现泄漏，那么你应该更容易发现明显的咝咝声，进而帮助你确定泄漏的位置。9.5真空抓手回路真空应该接近瞬时形成，合适的控制器输入就应该相当于在抓取制品。如果你发现打开真空，接着出现输入光源，延迟时间超过2秒，那么就表明有真空管线泄露、有缺陷或者切换装置调节不当。通过外挂的主控制面板可以很容易进行测试。如果机械手配置数字真空切换单元，那么就可以快速自动微调抓取制品所需真空的最小阈值。该过程可以在机械手自动运行模式下运行时完成。在存储器里保存每个生产周期的设定参数，这可以在下一次生产变化时节约时间。数字式真空切换装置还有另外两种优势：抓取阈值信号电子滤波器弥补了快速运动时真空吸盘上制品的振动。制品释放阈值与抓取阈值不同，可进行程控，可保证在快速生产周期条件下得到合适的释放。9.6注意配线磨损在检查机械手表面时，如果发现黑色颗粒或粉末，那么就表明机械手电路配线有磨损迹象。但是，即使你发现不了这些磨损信号，仔细察看所有电源、变压器或编码器电缆，配线路径的内外两侧也可，因为在生产循环期间，连续摩擦机械手的配线，或连接在电缆导轨上的配线，最终都会磨损并且失效。确保配线扎带的安全，以及电缆的合理安装。9.7检查润滑机械手使用弹簧加载的润滑棒，除非有证据表明导轨润滑不充分，否则只需要一年替换一次。配置自动化润滑系统，可以顺着机械手运动连续进行润滑。但是如果有一些表面，机械手在其上不能正常运动，那么对这些区域进行手动润滑，或实现自动化系统润滑的定期程控动作进行润滑。如果你发现任何运动表面上出现锈斑、腐蚀或磨损，或者只是太干，都说明它们润滑不足。要始终参考机械手手册对金属部件进行合理的润滑。装配梁-传统齿轮系统通过润滑油存储单元进行自动化润滑，但是需要每年进行更换。9.8检查成型设备标准配置的机械手通常都安装在成型设备的模板上。当设备快速运行时，来自成型设备的振动可能会传递到机械手上，并可导致损坏。简单观察成型设备的运行情况，保证模具运动被调整到合理状态，减少晃动或振动次数，可以延长机械手的寿命。在高速运行情况下，振动频率可能会非常高，最好将机械手安装在独立于成型设备的支承结构上。

10结论本次机械手的设计主要对于夹持器，横行，气压系统进行的设计思想和设计过程。内容主要包括：夹持器与横行总体方案的确定，采用了气压驱动系统，相应的涉及到气压缸的选择计算，总体结构设计、主要部件的受力分析和强度校核。由于时间有限，本设计中的PLC控制未设计。题目的综合训练比较强，涉及知识面广，重点在于培养工程思想及意识，理论联系实际，提高初步设计能力。设计要求在保证其原有性能的前提下，尽可能地提高其特色即性能价格比。并且要求该机械手具有较小的体积，简单的结构和低廉的价格，和造型美观的外形，各调整环节的设计要方便人体接近方便工具的使用。其难点在于结合实际，进行结构设计.在设计过程中，我综合运用了四年来所学到的专业知识，感觉到自己专业知识中某方面的欠缺，通过再次的复习，明显感觉到了知识的增长，我们从中学到了很多的知识，也体会到了毕业设计的综合性，结合辅导老师的指导与自己的专业知识和生产实践，才能较为完整地完成此次设计任务。

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