基于SOIDWORKS的斜臂式機械手設計

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充值購買-下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙摘要在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，工業(yè)機械手作為自動化生產線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機械手的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機械手主要承擔著焊接、噴涂、搬運、取件以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設計一臺斜臂式機械手，其擁有三個自由度，用于給注塑機取出成品。本斜臂機械手機械機構包括，氣動控制單元，電氣控制單元，機械結構組成。氣動單元提供動力。本文利用 SOLIDWORKS 軟件對整個斜臂機械手整機進行三維建模，并導出二維工程圖。關鍵詞：機械手，機械結構，氣動控制單元，三維建模充值購買-下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙 iAbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve production efficiency, ensure product quality, the general importance of the production process automation, industrial machinery hand as an important member of automatic production line, gradually recognized and adopted by enterprises. Industrial machinery hand technique level and the application in a certain extent reflects a country's level of industrial automation, at present, the industry manipulator is mainly responsible for the welding, spraying, handling, pick-up and stacking, repetitive and labor-intensive work, working manner generally taken by way of teaching and playback. This paper is to design a oblique arm manipulator, which has three degrees of freedom, the finished product used to remove the for injection molding machine.The oblique arm manipulator mechanism comprises a pneumatic control unit, electric control unit, mechanical structure. Gas powered pneumatic unit. In this paper, three-dimensional modeling of the whole oblique arm robotic machine using the SOLIDWORKS software, and derive the two-dimensional engineering drawing.Keywords: manipulator, mechanical structure, pneumatic control unit, 3D modeling充值購買-下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙 ii目錄摘要 ..............................................................................................................................................iAbstract.......................................................................................................................................ii第一章 引言 ...............................................................................................................................11.1 課題研究的目的及意義 ...............................................................................................11.2 課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ........................................................................................11.2.1 國內的研究現(xiàn)狀 ..................................................................................................11.2.2 國外研究現(xiàn)狀 ......................................................................................................21.2.3 發(fā)展趨勢 .............................................................................................................31.3 機械手的組成和分類 ...................................................................................................31.3.1 機械手的組成 ......................................................................................................31.3.2 機械手的分類 ......................................................................................................51.4 課題設計思路 ...............................................................................................................61.5 課題設計結構 ...............................................................................................................6第二章 斜臂機械手的總體設計方案 .......................................................................................82.1 斜臂機械手的組成及各部分關系概述 ........................................................................82.2 斜臂機械手驅動方案的確認 .......................................................................................82.3 機械手基本形式的選擇 .............................................................................................82.3.1 直角坐標型機械手 ...........................................................................................82.3.2 圓柱坐標型機械手 ...........................................................................................92.3.3 極坐標型機械手 ...............................................................................................92.3.4 多關節(jié)機械手 ...................................................................................................92.4 總體方案擬定 .............................................................................................................10第三章 斜臂機械手整體結構的設計計算 ......................................................................123.1 X 軸引撥機構設計 ...................................................................................................123.1.1 引拔氣缸參數計算 ...........................................................................................12充值購買-下載設計文檔后，加 Q--1459919609 免費領取圖紙 iii3.2 Z 軸氣缸的設計 .......................................................................................................133.3 夾持結構的設計 .........................................................................................................143.3.1 夾緊力計算 .......................................................................................................143.3.2 驅動力計算 .....................................................................................................153.3.3 氣缸驅動力計算 ...............................................................................................153.3.4 選用夾持器氣缸 ...............................................................................................163.3.5 手爪的夾持誤差及分析 ...................................................................................163.3.6 楔塊等尺寸的確定 ...........................................................................................183.3.7 材料及連接件選擇 ...........................................................................................214.1 Solidworks 軟件簡介 ..................................................................................................224.2 零件建模 .....................................................................................................................244.2.1 軸三維建模的形成 ............................................................................................244.2.2 大臂的三維建模形成 .......................................................................................244.2.3 其他零件的三維模型造型 ................................................................................254.3 零件裝配 ......................................................................................................................264.4 三維向二維的轉換 ......................................................................................................28第五章 結論 .............................................................................................................................315.1 本設計所取得的結果 .................................................................................................315.2 技術展望 .....................................................................................................................31參考文獻 ...................................................................................................................................32致謝 ...........................................................................................................................................33 0第一章 引言1.1 課題研究的目的及意義隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機械手所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產率。通過本課題，讓學生在畢業(yè)設計過程中綜合大學所學基礎課程及專業(yè)課程，培養(yǎng)學生綜合應用所學知識和技能去分析和解決一般工程技術問題的能力；進一步培養(yǎng)學生分析問題、創(chuàng)造性地解決實際問題的能力。本課題中斜臂機械手系統(tǒng)主要采用氣壓驅動。1.2 課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 國內的研究現(xiàn)狀工業(yè)機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。目前主要應用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產自動化。隨著生產的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)始于 20 世紀 70 年代。1972 年我國第一臺機械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機械手的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機械手，有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機械手，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機械手，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機械手，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機械手等等。這些機械手的控制器，都是由中國科學院沈陽自動化研究所和北京科技大學機械手研究所開發(fā)的，同時一系列的機械手關鍵部件也被開發(fā)出來，如機械手專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器，DC——PWM 等等。我國的工業(yè)機械手發(fā)展主要是逐步擴大其應用范圍。在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，研制出示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等?？梢詫C械 1手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機構，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于跟換工件，擴大了應用范圍。目前國內機械手主要用于機床加工、鍛造。熱處理等方面，數量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。所以，在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。1.2.2 國外研究現(xiàn)狀國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如 發(fā)生少許偏差時候，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定的成績。1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上，又試制成一臺數控示教再現(xiàn)型機械手。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲存裝置。不少球面坐標式機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動公司，專門生產工業(yè)機械手。1962 年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatran 機械手，原意是靈活搬運，可做點位和軌跡控制：該機械手的中央立柱可以回轉、升降、伸縮，采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這 2 種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機械手發(fā)展的基礎。從 60 年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機械手相繼在生產中開始應用。1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制出一種Unimation—Vic.arm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國機器制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)：聯(lián)邦德國 Kuka 公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制；日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快，應用國家最多的國家，自 1969 年從美國引進兩種典型機械手后，開始大力從事機械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機械手應用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，主要用于機械化、自動化程序較低、繁重單調、有害于健康的輔助 2性工作。1.2.3 發(fā)展趨勢現(xiàn)代汽車制造工廠的生產線，尤其是主要工藝的焊接生產線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。目前世界高端工業(yè)機械手均具有高精化，高速化，多軸化，輕量化等的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到 3M/S，良新產品可以達到 6 軸，負載 2KG 的產品系統(tǒng)總重已突破 100KG。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相互結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域將會突破傳統(tǒng)的機械領域，從而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。1.3 機械手的組成和分類1.3.1 機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。(一)執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式; 指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。2、手腕 3是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有四個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。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，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。6、機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 4(三)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(四)位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置.1.3.2 機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。(一)按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:1、專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。2、通用機械手它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制；同時還可分為伺服型和一般型的機械手，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數控類型。(二)按驅動方式分1、液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服 5驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30 公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分1、點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。1.4 課題設計思路1）參考所有與機械手產品相關數據，了解整個斜臂機械手的整機系統(tǒng)的組成。2）斜臂機械手整機方案的確認。3）斜臂機械手整機的設計計算，并對主要零部件進行設計校核。4）斜臂機械手整機三維建模。1.5 課題設計結構本文以斜臂機械手項目作為應用背景，對其機械結構進行了研究。全文共分為五章，各章的主要內容如下： 6第一章前言部分，主要介紹斜臂機械手的研究現(xiàn)狀和課題研究的目的及意義；第二章對整個斜臂機械手的整機方案進行確認，包括傳動系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)等確認。第三章完成整個斜臂機械手的設計計算；第四章對斜臂機械手進行三維建模；第五章總結了全文的研究工作，給出了存在的問題和進一步研究的方向。 7第二章 斜臂機械手的總體設計方案2.1 斜臂機械手的組成及各部分關系概述斜臂機械手主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng))、控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是斜臂機械手完成工作的部件。驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的有機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動?？刂葡到y(tǒng)：通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。2.2 斜臂機械手驅動方案的確認目前機械設備的主要驅動形式有三大類：液壓驅動、氣動驅動和電機驅動。液壓驅動具有輸出功率大、控制精度高、可無級調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制等優(yōu)點。但是液壓傳動有較多的能量損失(泄漏損失、壓力損失等)，傳動效率相對低。液壓傳動需要配套設備如：液壓站、各種液壓控制閥等，它適用于重載、低速驅動，成本高，體積大。并不適合。氣動驅動功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小，成本低。符合本文需求。電機驅動與氣動驅動和液壓驅動相比，具有能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服性好等優(yōu)點；單對于本機械手來說，結構相對復雜，要求精度較高，不符合本文要求。2.3 機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可以分為以下 4 種，如圖 2-1所示：（1）直角坐標型機械手；（2）圓柱坐標型機械手；（3）極坐標型機械手；(4)多關節(jié)型機械手。2.3.1 直角坐標型機械手 直角坐標型機械手，它在 x,y,z 軸上的運動是獨立的，3 個關節(jié)都是移動關節(jié)，關節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產設備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測和作業(yè)。這種形式的主要特點是：(1)在三個直線方向上移動，運動容易想象。 8(2)計算比較方便。(3)由于可以兩端支撐，對于給定的結構長度，其剛性最大。(4)要求保留較大的移動空間，占用空間較大。(5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。(6)滑動部件表面的密封較困難，容易被污染。2.3.2 圓柱坐標型機械手圓柱坐標型機械手，R、θ 和 x 為坐標系的三個坐標，其中 R 是手臂的徑向長度，θ是手臂的角位置，x 是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點是：(1)容易想象和計算。(2)能夠伸入形腔式機器內部。(3)空間定位比較直觀。(4)直線驅動部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質。(5)手臂端部可以達到的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。2.3.3 極坐標型機械手 極坐標型機械手又稱為球坐標機械手，R，θ 和 β 為坐標系的坐標。其中 θ 是繞手臂支撐底座垂直軸的轉動角，β 是手臂在鉛垂面內的的擺動角。這種機械手運動所形成的軌跡表面是半球面。其特點是：(1)在中心支架附近的工作范圍較大。(2)兩個轉動驅動裝置容易密封。(3)覆蓋工作空間較大。(4)坐標系較復雜，較難想象和控制。(5)直線驅動裝置仍存在密封問題。(6)存在工作死區(qū)。2.3.4 多關節(jié)機械手 多關節(jié)機械手，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。θ、α 和φ 為坐標系的坐標，其中 θ 是繞底座鉛垂軸的轉角，φ 是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α 是第二臂相對于第一臂的轉角。這種機械手手臂可以達到球形體積內絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點是：(1)動作較靈活，工作空間大。 9(2 關節(jié)驅動處容易密封防塵。(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。(4) 適合于電動機驅動。(5)運動難以想象和控制，計算量較大。(6)不適于液壓驅動。 θ直角坐標型 圓柱坐標型β θ αφ θ極坐標型 多關節(jié)型圖 2-1 工業(yè)機械手基本結構形式本課題要求機械手為直角坐標型.2.4 總體方案擬定　因為本機械手工作范圍不大大，位置精度要求不高?？紤]本機械手工作要求的特殊情況，本設計采用三自由度的機械手：自由度具體分配如下：1）手臂回轉自由度。擬采用氣缸達來實現(xiàn)，氣缸帶動角度選擇架完成回轉運動。其行 10程角度靠擋塊和限位行程開關來調整。3）手臂伸縮自由度。由于氣缸的體積小，質量輕，因而在機器人手臂結構中應用較多。設計中擬采用單活塞桿氣缸缸來實現(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關來調整。4）X 軸伸縮自由度。擬采用氣缸來實現(xiàn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關來調整。 11第三章 斜臂機械手整體結構的設計計算3.1 X 軸引撥機構設計X 軸方向參數如下：（1）伸縮長度：250mm；（2）單方向伸縮時間：1～2S；（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于 2mm；（4）前端安裝機械臂連接塊，伸縮終點無剛性沖擊；3.1.1 引拔氣缸參數計算預選氣缸的缸徑及缸桶壁厚:根據氣缸的負載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負載力 F。取 μ=0.2 F=μW=0.2*300=60（N） （3-1） 【6】根據負載的運動狀態(tài)，預選氣缸的負載率 η。取 η=50%根據氣源供氣條件，確定氣缸的使用壓力 p。p 應小于減壓閥進口壓力的 85%。已知 F,η 和 p，對雙作用氣缸，預選桿徑與缸徑之比 d/D=0.3~0.4，由式（3-2）至式（3-4） ，便可選定缸徑 D，缸徑 D 的尺寸應標準化.（3-2） 【6】 MPa490?（3-3） 【6】pF2?(3-4) 【6】%10???解得 D≈17.66 考慮到氣缸的行程比較長缸徑 D 取 18mm。缸桶壁厚可根據薄壁筒的計算公式計算：(3-4) 【6】)(05.][2cmpDb???式中：D——為缸筒內徑(cm)，P——為缸筒承受的最大氣壓力(MPa)，[σ]——為缸筒材料的需用應力（MPa） 。缸筒壁厚的實際取值，對于一般用途氣缸約取計算值的 7 倍，再圓整到標準管材尺寸， 12這里 b 取 2mm。預選氣缸行程：根據氣缸的操作距離及傳動機構的行程比預選氣缸行程為 350mm。驗算緩沖能力：根據氣缸的運動狀態(tài)是輸出拉力、負載率 η=50%、氣缸的行程L=350mm 和氣缸的動作時間 t=1.5s,由《氣動手冊 》P293 圖 9-7 可查得氣缸的理論基準速度=700.由表 9-20，可查得氣缸的最大速度 與理論基準速度 之比 a 值為 0.9，從而求的0u maxu0u氣缸的最大速度 =630。maxu查得氣缸的負載質量 M 和最大速度 的交點在預選氣缸缸徑的緩沖曲線之下，表示max負載運動的動能 小于氣缸允許吸收的最大能量，所以該預選缸徑的緩沖能力滿足要2max1u求。計算氣缸的空氣消費量：該氣缸的空氣消費量為 min)/(19)02.()(0157.2LpNldLDqca ???3.2 Z 軸氣缸的設計設計參數：（1）橫行長度：650mm；（2）單方向伸縮時間：3.5～4.5S；（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于 2mm；（4）缸體與引拔連接推動引拔左右移動，伸縮終點無剛性沖擊；本次橫進氣缸預選不銹鋼迷你缸根據導向精度、最大允許負載和最大允許力矩選用無桿氣缸的系列和缸徑。最大允許負載和最大允許力矩與導向型式、受力姿勢、活塞運動和缸徑有關。由于考慮氣缸不能承受大的集中載荷，故在氣缸兩側設立 2 個導軌代替氣缸承受機械臂的質量，故氣缸的承受載荷不予慮。因為橫進系統(tǒng)的額定最大行程為 650mm，負載為 80N預選氣缸缸徑為 20mm，因為氣缸的工作壓力為 0.49MPa,本氣缸的理論輸出力為 220N，滿足系統(tǒng)要求。 133.3 夾持結構的設計夾持器設計的基本要求：（1）應具有適當的夾緊力和驅動力；（2）手指應具有一定的開閉范圍；（3）應保證工件在手指內的夾持精度；（4）要求結構緊湊，重量輕，效率高；（5）應考慮通用性和特殊要求。設計參數及要求（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動作為抓緊—放松；（2）所要抓緊的工件直徑為 80mm 放松時的兩抓的最大距離為 110-120mm/s ， 1s 抓緊,夾持速度 20mm/s；（3）工件的材質為 2kg；（4）夾持器有足夠的夾持力；（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由氣缸提供動力。3.3.1 夾緊力計算手指夾在工件上的夾緊力是設計手部的主要依據，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件的重力所產生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下列公式計算：（3-5） 【4】GKFN321?式中：—安全系數，由機械手的工藝及設計要求確定,通常取 1.2——2.0，取 1.5；1K—工件情況系數，主要考慮慣性力的影響， 計算最大加速度，得出工作情況系數2, ，a 為機器人搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值02.18.9/???ga（m/s） ；—方位系數，根據手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定，3K手指與工件位置：手指垂直放置 工件水平放置；手指與工件形狀： 型指端夾持圓柱型工件，V 14， 為摩擦系數， 為 型手指半角，此處粗略計算 , fK?sin5.03?f?V43?KG—被抓取工件的重量求得夾緊力 ， ，取整為 120N。NF NMgK85.17.9240.15321 ????3.3.2 驅動力計算根據驅動力和夾緊力之間的關系式：（3-6） 【4】 abFCNsin2?式中：c—滾子至銷軸之間的距離；b—爪至銷軸之間的距離；—楔塊的傾斜角a可得 ，得出 F 為理論計算值，實際采取65.83341sin862034sin2?????bFN的氣缸驅動力 要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率 ，一般取 0.8～0.9，此處取' ?0.88，則：，取073.958.63` ???FNF96`?3.3.3 氣缸驅動力計算設計方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊裝置，氣缸為單作用缸，提供推力：（ 3-7） 【4】pDF24??推式中 ——活塞直徑D——活塞桿直徑d——驅動壓力，p,工作壓力 P=0.49MPa 'F?推據公式計算可得氣缸內徑： mpD798.154.0364` ???根據氣動設計手冊，圓整后取 D=16mm。活塞行程，當抓取 80mm 工件時，即手爪從張開 120mm 減小到 80mm，楔快向前移動大約 1540mm。取氣缸行程 S=40mm。3.3.4 選用夾持器氣缸長沙華德液壓氣動有限公司所生產的 QCG 薄型氣缸 QGD16-40 剛好滿足條件，所以選取這個氣缸。3.3.5 手爪的夾持誤差及分析機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定） ，而且也與手指的夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，避免產生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結構參數，見圖 3-1，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過 ，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制1m?系統(tǒng)補償能力。R1,R2---工件半徑 C1C2=?圖 3-1 夾持誤差圖工件直徑為 80mm，尺寸偏差 ，則 ， ， 。5m?ax42.5Rm?in37.5Rm?40epR?本設計為楔塊杠桿式回轉型夾持器，屬于兩支點回轉型手指夾持，如圖 3-2 16圖 3-2 楔塊杠桿式夾持器若把工件軸心位置 C 到手爪兩支點連線的垂直距離 CD 以 X 表示，根據幾何關系有：22()cossininABABRXlla??????簡化為： 2221)(i)ill?該方程為雙曲線方程，如圖 3-3：圖 3-3 工件半徑與夾持誤差 關系曲線?由上圖得，當工件半徑為 時，X 取最小值 ，又從上式可以求出：0RminX，通常取 ,0sincoABRl???21???minsABl?若工件的半徑 變化到 時，X 值的最大變化量，即為夾持誤差，用 表示。maxi ?在設計中，希望按給定的 和 來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方axRin面可加長手指長度，但手指過長，使其結構增大；另一方面可選取合適的偏轉角 ，使夾持? 17誤差最小，這時的偏轉角稱為最佳偏轉角。只有當工件的平均半徑 取為 時，夾持誤差epR0最小。此時最佳偏轉角的選擇對于兩支點回轉型手爪（尤其當 a 值較大時） ，偏轉角 的大?小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪的和 邊平行，抓不著工件。為避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑 ，以BE' epR為條件確定兩支點回轉型手爪的偏轉角 ，即下式：90CD??? ?1cos[()]inepABRal????其中 , , 型鉗的夾角2am86ABlV210??代入得出： 10cos[(45)]6.7in8? ??則 0sin86cs.1.02ABRl m???????則 ，此時定位誤差為 和 中的最大值。minax?1?222 2maxin1()cossinsiABABABRllla???????2222minin() islll??分別代入得：，10.56?20.148??所以， ，夾持誤差滿足設計要求。.?由以上各值可得： 2221(sinco)(sin)5.924sinABABXRllam????????取值為 。56m3.3.6 楔塊等尺寸的確定楔塊進入杠桿手指時的力分析如下： 18圖 3-4 楔塊進入手爪受力圖上圖 3-4 中—斜楔角， ＜ 時有增力作用；??30?—滾子與斜楔面間當量摩擦角， ， 為滾子與轉軸間的摩擦角，'2? '22tan()tandD???為轉軸直徑， 為滾子外徑， ， 為滾子與轉軸間摩擦系數; dDtf—支點 至斜面垂線與杠桿的夾角；?O—杠桿驅動端桿長；l—杠桿夾緊端桿長；'—杠桿傳動機械效率?斜楔的傳動效率:斜楔的傳動效率 可由下式表示：?'2sin=()???'22tantdD??杠桿傳動機械效率 取 0.834， 取 0.1， 取 0.5，則可得 = , ?2t ?14.036?，取整得 = 。'290?????14?動作范圍分析：陰影部分杠桿手指的動作范圍，即 ，見圖 3-5'29???? 19圖 3-5 動作范圍分析圖如果 ，則楔面對杠桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀態(tài)，所以'2???必須大于 。此外，當 時，杠桿與斜面平行，呈直線接觸，且與回轉支點在結構上' 90???干涉，即為手指動作的理論極限位置。斜楔驅動行程與手指開閉范圍:當斜楔從松開位置向下移動至夾緊位置時，沿兩斜面對稱中心線方向的驅動行程為 L，此時對應的杠桿手指由 位置轉到 位置，其驅動行程可用1?2?下式表示： 1212cos(cos)inilll???????杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為：'12[s()s()]l?????通常狀態(tài)下， 在 左右范圍內， 則由手指需要的開閉范圍來確定。由給定條2?90???件可知最大 為 55-60mm,最小設定為 30mm.即 。已知 ，可得s?30(560)s???14???，有圖 3-6 關系：29076??????圖 3-6 楔塊尺寸示意圖 20可知：楔塊下邊為 60mm，支點 O 距中心線 30mm，且有 ，解得：'30()tgl???'120l??與 的確定:斜楔傳動比 可由下式表示：l' i''sinlL?????可知 一定時， 愈大， 愈大，且杠桿手指的轉角 在 范圍內增大時，傳動比?'li ?90??減小，即斜楔等速前進，杠桿手指轉速逐漸減小，則由 分配距離為： ，'12l??50l?。'70l?確定 :由前式得：1?(63)0s???， ，取 。17[cos(4)cos(7614)??????150.623???150???確定: 為沿斜面對稱中心線方向的驅動行程，有圖 3-7 中關系L圖 3-7 L 對中心線的驅動方程的示意圖，取 ，則楔塊上邊長為 18.686，取 19mm.50(cos76)82.50in14L?????? 83?3.3.7 材料及連接件選擇V 型指與夾持器連接選用圓柱銷 /19.GBT，d=6mm, 需使用 2 個。杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷 /19.GBT，d=6mm, 需使用 2 個。滾子與手指連接選用圓柱銷/19.GBT， d=4mm, 需使用 2 個。以上材料均為鋼，無淬火和表面處理銷兩端均打直徑1.2mm 的圓孔，用 GB/T91 1.2X8 的開口銷連接。楔塊與活塞桿鉸鏈聯(lián)結。 21第四章 斜臂機械手三維造型的設計4.1 Solidworks 軟件簡介首先我要對 Solidworks 進行介紹一下，它是一種先進的，智能化的參變量式 CAD 設計軟件，在業(yè)界被稱為“3D 機械設計方案的領先者 ”，易學易用，界面友好，功能強大，在機械制圖和結構設計領域，掌握和使用 Solidworks 已經成為最基本的技能之一。與傳統(tǒng)的 2D 機械制圖相比，參變量式 CAD 設計軟件具有許多優(yōu)越性，是當代機械制圖設計軟件的主流和發(fā)展方向。傳統(tǒng)的 CAD 設計通常是按照一定的比例關系，從正視，側視，俯視等角度，根據投影，透視效果逐步繪出所需要的各個單元，然后標注相應尺寸，這就要求制圖和看圖人員都必須具備良好的繪圖和三維空間想象能力。如