【毕业设计】注塑机取件机械手的设计.doc
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编号
本科生毕业论文
注塑机取件机械手设计
DesignOfManipulatorForInjection
学生姓名
徐天
专业
机械电子工程
学号
090321218
指导教师
褚剑峰
学院
机电工程学院
二〇一三年六月
毕业设计（论文）原创承诺书
1．本人承诺：
所呈交的毕业设计（论文）《注塑机取件机械手设计》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。
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按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。
以上承诺的法律结果将完全由本人承担！
作者签名：
年月日
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
Abstract
Inordertoenhancetheefficiencyofproductionandguaranteethequalityofproducts,moreattentionhasbeenpaidtotheautomationintheprocessofproductioninthemodernmanufacturingindustrywithlargescale.Therefore,industrialrobotsaregraduallyappprovedandadoptedbyenterprisesasanimportantpartintheautomationproductionline.Tosomeextent,thetechnicallevelandapplicationofindustrialrobotshavereflectedontheautomationlevelinnationalindustries.Atpresent,theymainlyundertakesuchjobsmostlyinplaybackwayaswelding,spraying,transportingtakingandstowing,whichareusuallydonerepeatedly
withhighworkstrength.
Inthethesis,anindustrialrobotwiththreeDOFSwillbedesignedtoremovethefinishedmoldingmachine.
Keywords:
android;cylinder;injectionmachine;structuraldesign
目录
摘要 I
Abstract II
第1章前言 1
1.1机器人概述 1
1.2机器人的历史、现状 1
1.3机械手的组成和分类 3
1.3.1机械手的组成 3
1.3.2机械手的分类 4
1.4机器人发展趋势 6
第2章机械手设计方案 8
2.1机械手基本形式的选择 8
2.1.1直角坐标型机器人 8
2.1.2圆柱坐标型机器人 8
2.1.3极坐标型机器人 8
2.1.4多关节机器人 8
2.2驱动装置的选择 9
2.2.1液压驱动 10
2.2.2气压驱动 10
2.2.3电动机驱动 10
2.2.4气动机械手概述 11
2.2.4气动机械手概述 12
第3章引拔设计 13
3.1设计参数 13
3.2方案设计 13
3.3引拔机构结构设计 13
3.3.1引拔气缸参数计算 13
3.3.2附加导向杆机构设计 14
第4章机械臂的设计 16
4.1设计参数 16
4.2方案设计 16
4.3机械臂气缸的选用 16
4.3.1预选气缸的缸径 16
4.3.2预选气缸行程 16
4.3.3验算缓冲能力 17
4.3.4活塞杆长度的验算 17
4.3.5计算气缸的空气消费量 17
4.3.6选择活塞杆端部接头 17
4.3.7选择气缸的品种和安装形式 17
第5章横行的设计 18
5.1设计参数 18
5.2方案设计 18
5.3横进气缸的选用 18
5.4导轨设计 19
第6章机械手结构设计 20
6.1夹持器设计的基本要求 20
6.2夹紧装置设计 20
6.2.1夹紧力计算 20
6.2.2驱动力计算 21
6.2.3气缸驱动力计算 21
6.2.4选用夹持器气缸 21
6.2.5手爪的夹持误差及分析 22
6.2.6楔块等尺寸的确定 24
6.2.7材料及连接件选择 27
第7章气动顺序动作的确定 28
结论 29
参考文献 30
致谢 31
第1章前言
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1-1所示。
图1-1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机械手的组成和分类
1.3.1机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。
（一）执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
1、手部
即与物件接触的部件。
由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。
夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。
手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。
回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。
平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。
手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）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:
手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。
而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。
传力机构型式较多时常用的有:
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。
2、手腕
是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（即姿势）为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。
手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。
按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。
手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。
手臂的各种运动由气缸来实现。
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，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。
机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
5、行走机构
当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。
滚轮式布为有轨的和无轨的两种。
驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。
6、机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
（二）驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。
常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。
目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。
控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，
并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
（三）控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。
目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。
控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
（四）位置检测装置
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.
1.3.2机械手的分类
工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。
（一）按用途分
机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:
1、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、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。
2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。
格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。
通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。
通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:
简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:
可以是点位的，也可以实现连续轨控制；同时还可分为伺服型和一般型的机械手，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
（二）按驱动方式分
1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是:
抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。
但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。
若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是:
介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。
但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
3、机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。
它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。
它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。
动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。
4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。
其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。
此类机械手目前还不多，但有发展前途。
（三）按控制方式分
1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。
若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。
目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。
2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。
这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。
1.4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。
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。
因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
新世纪，生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。
现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。
然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。
单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。
同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。
显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。
机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。
在机械工业中，机械手的应用具有以下意义：
可以提高生产过程的自动化程度
应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
可以改善劳动条件、避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。
而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。
同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3.可以减少人力，便于有节奏的生产
应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。
第2章机械手设计方案
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2-1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。
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