多工位冲床专用机械手及送料机构设计本科毕业设计(编辑修改稿)

多工位冲床专用机械手及送料机构设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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多工位冲床专用机械手及送料机构 设计 –5– 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 UnimateVicarm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177。 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 多工位冲床专用机械手及送料机构 设计 –6– 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。 多工位冲床专用机械手及送料机构 设计 –7– 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 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 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。 由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（ um 级）。 但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲，是比较小的，因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多。 直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体。 主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机械手有悬臂式， 龙门式，天车式三种结构。 2． 圆柱坐标机械手结构 圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图。 这种机械手构造比较简单，精度尚可 ，常用于搬运作业。 其工作空间是一个圆柱状的空间。 3． 球坐标机械手结构 球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图。 这种机械手结构简单， 成本较低，但精度不 是很高。 主要应用于搬运作业， 其工作空间是一个类球形的空间。 多工位冲床专用机械手及送料机构 设计 –8– 4． 关节型机械手结构 关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图。 关节型机械手动作灵活，结 构紧凑，占地面积小， 相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。 此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机械手。 关节型机械手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 由于本机械手在工作时手臂具有伸缩、横移和升降运动，符合直角坐标形式，因此，采用直角座标型机械手结构。 机械手的自由度以及运动示意图如图。 图 机械手的运动示意图 （二）机械手手部结构 总体 方案设计 1． 机械手 的 手爪结构方案设计 目前，国内外机械手的手部结构通常有 5种，分别为 楔块杠杆式手爪 、 滑槽式手爪 、连杆杠杆式手爪 、 齿轮齿条式手爪 和 平行杠杆式手爪。 (1)楔块杠杆式手爪 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 (2)滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作 和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。 这种手爪开合行程较大，适合 抓取大小不同的物体。 多工位冲床专用机械手及送料机构 设计 –9– (3)连杆杠杆式手爪 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放 松）运动，由于杠杆的力放大作用 ， 手爪有可能产生较大的夹紧力， 通常与弹簧联合使用。 (4)齿轮齿条式手爪 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮 旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 (5)平行杠杆式手爪 这种手爪 采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。 本机械手采用的是连杆杠杆式手爪。 2． 机械手的手腕结构方案设计 机械手的手腕结构在设计时应遵循以下原则： (1)机械手手腕的自由度 ，应根据作业需要来设计。 机械手手腕自由度数目越多，各关节的运动角度越大，则机械手腕部的灵活性越高，机械手 对作业的适应能力也 越强。 但是，自由度的增加，也必然会导致其 腕部结构更 加复杂， 使 机械手的控制 变得更困 难，成本也会增加， 因此，手腕的自由度数，应根据实际 作业要求来确定。 在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少，一般 机械手手腕的自由度数为 2 至 3个，有的需要更多的自由度，而有的机械手手腕不需要自由度，仅凭手 臂和腰部的运动就能 完成 作业 任务，所以要具体问题具体分析，考虑机械手的多种布局和 运动方案，选择满足要求的最简单的方案。 (2)机械手腕部安装在机械手手臂的末端，在设计机械手手腕时，应 尽量 减少其重量和体积，结构力求紧凑。 为了减轻机械手腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。 腕部驱动器一般安装在手臂上，而 不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。 (3)机械手手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。 (4)机械手的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。 (5)要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。 (6)手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。 机械手的手臂运动 ，给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机械手手臂末端的手腕，则给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动姿态。 机械手手腕是机械手 操作机的最末端，它与机械手手臂配合运动，实现 安装在手腕上 末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。 考虑到机械手的优化，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足 工作的要求，因此，手腕设计成回转结构。 多工位冲床专用机械手及送料机构 设计 –10– 3． 机械手的手臂结构方案设计 机械手手臂的作用是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求 工作空间内的运动。 在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则； (1)应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行， 相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机 械手的控制。 (2)机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。 工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。 但机械手手臂末端工作 空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求， 如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。 (3)为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保 证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构和材料上 减轻手臂的重量。 机械手在高强度 轻质材料 的选择上，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。 目前在国外，也在 研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。 碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的 1/4，相当于铝合金的 2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。 目前比较有效的办法 仍然是进行机械手手臂结构的优化设计， 在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。 (4)机械手各关节的轴承间隙要尽可能 小，以减小机械间隙所造成的运动误差。 因此，各关节都应有可靠的 便于调整的轴承间隙调整机构。 (5)机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上 平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。 在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂 上 的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。 (6)机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关 ， 具有一定缓冲能力的机械限位块，驱动装置，传动机构及其它元件的安装。 本设计按照工件的直径为 50mm 来设计 ，结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。 通过驱动活塞往复移动，活塞杆端部齿条，中间齿条 及扇形齿条使手指张开或闭合。 手指的最小开 度由加工工件的直径来调节。 手爪的结构 如图 ： 多工位冲床专用机械手及送料机构 设计 –11– 图 机械手手爪结构图 4． 机械手驱动方案的 选择 工业机械手的驱动系统，按动力源 可分为液压、电动和气动三大类， 根据需要也可将 这三种基 本类型组合成复合式的驱动系统。 这三类基本驱动系统的主要特点如下： (1)液压驱动系统 由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力 大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点， 适合于在承载能力大，惯量大 的环境下工作 的机械手。 相比于液压驱动系统的优点，其缺点同样很多： 液压传动在工作过程中常 有较多的能量损失 (摩擦损失、泄露损失等 )， 液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可。