多工位冲床专用机械手及送料机构设计.doc
《多工位冲床专用机械手及送料机构设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多工位冲床专用机械手及送料机构设计.doc（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
辽东学院本科毕业论文（设计）
多工位冲床专用机械手及送料机构设计
DesignofspecialManipulatorandFeedingmechanismformultistationpunch
学生姓名：
学院：
机电学院
专业：
机械设计制造及其自动化
EasternLiaoningUniversity
独创性说明
作者郑重声明：
本毕业论文（设计）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得辽东学院或其他单位的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
___________日期：
____
多工位冲床专用机械手及送料机构设计
摘要
随着我国工业生产的飞速发展，自动化程度迅速提高，工业机械手在近几十年里飞速发展。
工业机械手是工业机器人的分支，其特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器的优点，尤其体现了人的智能和机器的适应性。
本文首先介绍了工业机械手的概念以及国内外的发展状况，然后描述了机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标形式，并进行了手部结构的设计与校核，最后阐述了机械手的气动技术与继电器控制。
该机械手是用于多工位冲床上加工零件，用机械手向冲床自动上、下料，并实现半成品零件在七个工位之间的转换。
机械手主要由气缸驱动，使手臂进行伸缩、横移和升降运动，并分别用液压缓冲器实现缓冲。
本文在对机械手进行总体方案设计时，确定了机械手的坐标形式和自由度及其技术参数，同时设计了机械手的夹持式手部结构，机械手的手腕和手臂结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。
该机械手采用PLC系统进行控制，在设计中绘制出了气压系统工作原理图和PLC控制器的控制程序。
此种方式的机械手可以使不同工位进行同时加工，从而提高了劳动效率，而且也提高了生产精度，还降低了人员需求数量，从而减轻了劳动强度，并保证了劳动安全。
关键词：
机械手；多工位；气动；电气控制
DesignofspecialManipulatorandFeedingmechanismformultistationpunch
Abstract
With the rapiddevelopment of China's industrialproduction, the degreeofautomationisincreasingrapidly,the industrial robot,therapiddevelopment inrecentdecades.Industrialrobotis a branch of the industrial robot canbeprogrammedtocompleteavarietyofexpectedoperatingtasks,bothmanandmachineonthestructureandperformanceoftheirrespectiveadvantages,especiallyhumanintelligenceandadaptability.
First,thisarticleofallintroducetheindustrialmechanicalhandoftheconceptaswellasdomesticandinternationaldevelopmentstatus,thendescribethemanipulatorconstituteandclassificationofmanipulatordegreesoffreedomandcoordinatestheformofahandstructuredesignandchecking,thelastdescribedtherobot'spneumatictechnologyandrelaycontrol.
Therobotisusedforpunchingprocessingparts,automaticrobottopunchmaterials,andtoachievesemi-finishedpartsintheconversionbetweensevenworking.Therobotisdrivenbythecylinder,armstretching,shifting,andliftingmovementandhydraulicshockabsorberbuffer.Theoverallprogramdesignoftherobottodeterminetherobot’scoordinateformsanddegreesoffreedomanditstechnicalparameters,atthesametimedesignamanipulatorclamphandstructuremanipulatorwristandarmstructure,computingoutoftheturnofthewrist,therequireddrivingtorqueandrotarycylinderdrivetorque.
TheelectricalcontrolleroftherobotadoptsPLCcontrol,drawinginthedesignofapneumaticsystemschematicandPLCcontrollercontrolprogram.Thiswaytherobotcanmakethedifferentstationsatthesametimeprocessing,therebyimprovingtheefficiencyoflabor,butalsoimprovetheaccuracyofproduction,andalsoreducesthenumberofpersonnelrequirements,therebyreducingthelaborintensity,andtoensurelaborsafety.
KeyWords：
Manipulator；Multi-station；Pneumatic；ElectricalControl
目录
摘要 I
Abstract II
一、绪论 1
（一）工业机械手 1
1．工业机械手概述 1
2．工业机械手的应用与意义 1
（二）机械手的组成和分类 2
1．机械手的组成 2
2．机械手的分类 3
（三）工业机械手的发展 4
1．工业机械手的发展历史 4
2．工业机械手的发展方向 5
二、机械手总体设计方案 7
（一）机械手的坐标形式与自由度 7
1．直角坐标机械手结构 7
2．圆柱坐标机械手结构 7
3．球坐标机械手结构 7
4．关节型机械手结构 8
（二）机械手手部结构总体方案设计 8
1．机械手的手爪结构方案设计 8
2．机械手的手腕结构方案设计 9
3．机械手的手臂结构方案设计 10
4．机械手驱动方案的选择 11
5．机械手气压驱动系统总体设计 13
6．机械手导向装置的选择 14
7．机械手平衡装置的选择 14
8．机械手的缓冲方案设计 15
9．机械手的主要参数 16
三、手部结构设计 18
（一）手指结构的设计 18
1．手指的形状和分类 18
2．设计时需注意的问题 18
（二）手部夹紧气缸的设计 19
1．手部驱动力计算 19
2．气缸直径的计算 20
3．缸筒壁厚的设计 21
四、手臂伸缩，升降，横移的尺寸设计与校核 23
（一）手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 23
1．手臂伸缩气缸的尺寸设计 23
2．手臂伸缩气缸的尺寸校核 23
（二）手臂升降气缸的尺寸设计与校核 24
1．手臂升降气缸的尺寸设计 24
2．手臂升降气缸的尺寸校核 24
（三）横移气缸的尺寸设计与校核 25
1．横移气缸的尺寸设计 25
2．横移气缸的尺寸校核 25
五、机械手的定位与平稳性 27
（一）常用的定位方式 27
（二）影响平稳性和定位精度的因素 27
1．定位方式 27
2．定位速度 27
3．精度 27
4．刚度 27
5．运动件的重量 27
6．驱动源 27
7．控制系统 28
（三）机械手运动的缓冲装置 28
1.选择最大加速度 28
2．计算沿运动方向作用在活塞上的外力 28
3.计算残余速度 28
六、机械手的电气控制系统设计 29
（一）机械手的气压传动系统 29
（二）机械手的电气控制系统 30
1．环形时序步进器 31
2．二极管矩阵 32
结论 35
参考文献 36
致谢 37
-V-
一、绪论
（一）工业机械手
1．工业机械手概述
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的，模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，而工业机器人的高速研制更是促进了机械手的发展，使得机械手能更好的实现机械化与自动化的有机结合。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”，它可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，也可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产，尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大[1]。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力量大的特点。
因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
2．工业机械手的应用与意义
机械工业中，机械手在铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例，尤其是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍，在其他部门如轻工业、建筑业、国防工业等也均有所应用。
目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。
把机床设备和机械手相结合，构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适用于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，使加工系统或制造单元结构紧凑，适应性更强。
当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新换代，适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。
综上所述，在机械工业中应用机械手的意义可以概括如下：
（1）提高生产过程中的自动化程度。
机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等，使生产线的自动化程度提高，从而降低生产成本，提高劳动生产率。
（2）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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而机械手可部分或全部代替人工，安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
（3）减轻人力，便于有节奏的生产。
机械手代替人进行工作，可直接减少人力，同时由于机械手可以连续的工作，这也是减少人力的一种体现。
因此，在自动化机床的综合加工线上，更适合机械手的加入，而且机械手可以更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的生产。
目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发将直接影响到我国自动化生产水平，从经济与技术方面考虑都十分必要。
所以，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。
（二）机械手的组成和分类
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组成。
各系统相互之间的关系如图1.1所示。
图1.1机械手的组成方框图
（1）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。
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，在本次设计中我采用了夹持式手部结构。
夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构构成。
手指是与物件直接接触的部件，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，手指有外夹式和内撑式，常用的指形有平面、V形面和曲面，指数有双指式、多指式和双手双指式等。
传力机构通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务，其型式较多，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。
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。
手臂是支撑被抓物件、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。
立柱是支撑手臂的部件，它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。
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，可在机座上安装行走机构以实现工业机械手的整机运动。
行走机构大体可分为滚轮式与轨道式两种，而滚轮式亦分有轨和无轨两种。
驱动滚轮运动应另外增设机械传动装置。
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。
（2）驱动系统
驱动系统是驱动机械手执行机构运动的动力装置，由调节装置和辅助装置组成。
常用的驱动系统有液压驱动、气压驱动、电动机驱动和机械驱动。
（3）控制系统
控制系统是支配机械手按规定要求运动的系统。
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、运动速度及时间等），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。
（4）位置检测装置
位置检测装置的作用为控制机械手执行机构的运动位置，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。
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。
（1）按用途分，机械手可分为专用机械手和通用机械手两种。
专用机械手是附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。
它具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量自动化生产，如自动机床的上、下料机械手。
通用机械手是一种具有独立控制与驱动系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手，在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用。
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的自动化生产。
通用机械手按其控制定位方式的不同可分为简易型和伺服型两种，简易型以“开—关”式控制定位，只能是点位控制；伺服型具有伺服定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
（2）按驱动方式分，机械手可分为液压传动机械手、气压传动机械手、机械传动机械手和电力传动机械手。
液压传动机械手是以液体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，缺点是对密封装置要求严格，否则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，则可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
气压传动机械手是以压缩空气来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低，缺点是由于空气具有可压缩的特性，所以机械手工作速率的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30kg以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适合在高速、轻载、高温和粉尘大的环境中工作。
机械传动机械手是由机械传动机构（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，缺点是结构较大，动作程序不可变。
电力传动机械手是由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机械手。
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、行程长，维护和使用方便。
此类机械手目前还不多，但很有发展前途。
（3）按控制方式分，机械手可分为点位控制机械手和连续控制机械手两种。
点位控制机械手的移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，则必然使电气控制系统变的越加复杂。
目前大多数的专用和通用工业机械手均属于此类。
连续轨迹控制机械手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，整个移动过程均处于控制之下，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。
（三）工业机械手的发展
1．工业机械手的发展历史
机械手是在早期就有的古机关人基础上发展起来的，我国古代的机关人制造者是最早研究有关机械手、关节活动等问题的。
现代机械手的研究始于20世纪中期，随着计算机技术的发展，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，也为机械手的开发奠定了基础。
另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。
在这样的背景下，1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手，它的结构是在机体上安装一个回转长臂，并在长臂顶部装配了工件抓放机构，控制系统是示教形的。
1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手，商名为Unimate（即万能自动）。
运动系统仿照坦克炮塔，手臂可以回转、俯仰、伸缩、使用液压驱动，控制系统用磁鼓作为存储装置。
不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。
同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran的机械手，该机械手的中央立柱可以回转、升降，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。
这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。
1978年美国Unima公司与斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，通过小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1mm。
联邦德国KnKa公司也研制出一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。
近六十年发展起来的机械手，大致经历了三个时代。
第一代为简单个体机械手，属于示教再现型,第二代为群体劳动机械手，其具备了感觉能力,第三代为类似人类的智能机械手，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力。
2．工业机械手的发展方向
目前，国内的机械手发展迅速，归结起来，大都朝着高精度、模块化、节能化和机电一体化这四个方向发展。
（1）高精度
精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。
重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。
重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。
重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机械手来测定。
随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。
（2）模块化
有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。
模块化拼装的机械手与组合导向驱动装置相比，拥有更灵活的安装体系，使机械手动作自如。
模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。
（3）节能化
为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。
随着材料技术的进步，新型材料的出现，用构造特殊、自润滑材料制造的无润滑元件组成的机械手，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。
（4）机电一体化
由“可编程控制器—传感器—液压元件”组成的典型控制系统仍然是自动化技术发展的重要方向，发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”。
节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性，如今电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在不断增大，由PLC直接控制线圈也变得越来越可能。
在国外，一些国家正在研究具有某种智能的机械手，它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作出相应的变更，如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测。
此种机械手的研究重点是视觉功能和触觉功能，目前已经取得一定成绩。
视觉功能是在机械手上安装电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。
工作时电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传输给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。
触觉功能是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。
工作时机械手首先伸出手指寻找工件，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件，手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小的目的。
总之，随着传感技术的发展，机械手装配作业的能力也将进一步提高，更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从根本上改变目前机械制造系统的人工操作状态。
二、机械手总体设计方案
（一）机械手的坐标形式与自由度
工业机械手的结构形式如图2.1所示，主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构四种。
各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：
图2.1机械手的四种坐标形式
1．直角坐标机械手结构
直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2.1a。
由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手
升级会员 