《多工位机床上工件搬运机械手的设计毕业设计论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多工位机床上工件搬运机械手的设计毕业设计论文.doc（32页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、本 科 毕 业 设 计 (论 文)多工位机床上工件搬运机械手的设计Design of workpiece handling robot used for multi-position machine tool学 院： 机械工程学院 专业班级： 机械设计制造及其自动化 机械063 学生姓名： 学 号： 指导教师： ） 毕业设计（论文）中文摘要多工位机床上工件搬运机械手的设计摘 要：随着工业自动化发展的需要，机械手在工业中的用途越来越重要。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。本文主要叙述了机械手的设计过程，简要介绍了凸轮轴法兰面加工机床上机械手的主
2、要功能,详细论述了机械手总体方案和各部分的机械结构,特别是对实现预期要求动作的各种方案进行了比较分析，并最终确定设计方案。通过蜗轮蜗杆的回转带动立柱转动，从而带动大臂，在大臂上安装小臂，小臂通过液压装置来获得升降运动，而手指也是用液压驱动来夹持工件，在设计中采用了平行四边形机构来保证手指中心线和凸轮轴的轴线平行，从而获得所需的运动形式，达到要求的目的。通过设计，对工业机械手的工作原理，常见结构，驱动及其控制有一个基本的了解，并掌握一般机械结构和装置的设计方法和步骤，综合应用机械制造工艺及其自动化、液压传动、电气控制等知识解决生产实际问题。关键词：机械手；工件搬运；凸轮轴 ；多工位机床 毕业设计
3、（论文）外文摘要Design of workpiece handling robot used for multi-position machine toolAbstract: With the development needs of industrial automation, mechanical hand use in industry more and more important in todays large-scale manufacturing enterprises. To improve production efficiency and ensure product q
4、uality, the general importance of the production process automation.this paper describes the design process of the manipulator, a brief introduction on the camshaft flange machine tools main function manipulator, manipulator discussed in detail the various parts of the overall program and the mechan
5、ical structure, especially the achievement of expected demands action programs were compared.And finalize the design, Worm driven by the rotary column rotation, which led boom, the big arm to install forearm, arm movements through hydraulic device to get exercise, while the finger is driven by hydra
6、ulic pressure to clamp the workpiece, used in the design of the parallelograminstitutions to ensure that the axis of finger camshaft centerline and parallel to the movement to gain the necessary form, the required purpose.By design, the industrial robot works, common structure, drive and control a b
7、asic understanding and skills of the general mechanical structure and device design methods and steps, integrated manufacturing technology and automation of mechanical, hydraulic, electric controlproduction of such knowledge to solve practical problems.Keywords: Manipulator；workpiece handling;Camsha
8、ft; Multi-position machine tool 目 录1 绪论11.1 工业机械手简介11.2 制造工艺中机械手的发展和应用3 1.3 机械手的组成62 机械手的总体方案设计 72.1 机械手的参数规格 92.2 机械手基本形式的选择 102.3 机械手手部结构方案设计 112.4 夹持式机械手手部设计与计算 132.5 腕部回转力矩的计算142.6 手臂的设计计算z153 机械手的驱动与控制193.1 蜗轮蜗杆的设计及其校核193.2 液压系统的工作原理213.3 选择和计算液压元件23结论 25致谢 26参考文献 27淮海工学院二九届本科毕业设计（论文） 第 27 页 共
9、27 页 1 绪论机械手是工业生产中发展的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或夹持工具进行操作的自动化技术装备。这种新颖技术装备的出现和应用对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用，因而具有较强的生命力。受到人们的广泛关注和欢迎。工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其工作形式也各不相同，复杂程度也有很大的差别，但他们都类似人的手臂，手腕和手的部分动作及功能。一般都能按预定程序自动地、重复循环地进行工作。此外还有些非自动化的装备，具有与人体上肢类似的部分动作，结构上和工业机械手是一致的，亦可归属于工业机械手的范畴。例如早期的一种直接
10、用绳索牵引进行操作的随动机械手和近期发展起来的由人工操作的机械手，以及就近按钮控制或遥控控制的单循环的机械手等。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的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各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。在现代生产过程中，机械手被广泛
11、的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。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，并越来越广泛地得在机械工业中。1.1工业机械手简介现代工业机械手起源于22世纪五十年代，是基于示教再现和主从控制方式，能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机械手首先是从美国开始的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，他的结构式：机体上安装一回转长臂，端
12、部装有电磁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之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）。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰用液压驱动；控制系统用磁鼓存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（unimation），专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫versatran机械手，原意是灵活搬运，该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转，升降，伸缩，采用液压驱动控制系统也是示教再现型，虽然这种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的
13、基础。1978年美国unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种unimate-vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机控制，用于装配作业定位误差可小于0.1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本，如unimate公司建立了8个机械手试验台，进行各种性能的实验，准备把故障的平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种度量。他给出在第一次故障前的平均时间），由400小时提高到1500小时。精度可提高0.1毫米。德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重和运输焊接和设备的上下料等作业联邦德国knka公司还生产了一种电焊机械手，采用关节机构
14、和程序控制日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家，自1969年从美国引进了两种机械手后大力从事机械手的研究工作前苏联自六十年代开始发展和应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一般是进口目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制，改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制，他没有微型电子计算机控制系统，只有视觉，触觉能力，甚至听，想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，式机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作过程中的任务，他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和柔性制造单元FMC中的重要一环。目前工业机械手主
15、要用于机床加工，铸造，热处理等方面，无论数量，品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造，热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专业机械手的同时相应的发展通用机械手，有条件的还要发展示教式机械手，计算机控制机械手和组合机械手等，将机械手各运动构件，如伸缩，摆动，升降，横移，俯仰等机构以及根据不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基夹紧机构，即可组成不同用途的机械手，既便与机械制造，又便于更换工作，扩大应用范围，同时要提高速度，减少冲击正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力发展伺服型
16、，记忆再现型，以及具有触觉，视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快，目前主要用于机床，横断压力机的上下料，以及点焊，喷漆等作业。他可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外外国机械手的发展趋势是大力研究具有某种智能的机械手，使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生少许偏差时，机能更正并能自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能，目前已取得一定的成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机，工作室电视照相机将物体的形态变成视觉信号，然后送给计算机，以便
17、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。触觉功能即是在机械手上安装触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手寻找工作，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，手的抓力大小听过装在手指内压力敏感元件来控制，达到自动调整力的大小，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，从而根本上改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.2 制造工艺中机械手的发展和应用近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科, 并得到了较快的发展。机械手广泛地应用于锻压、冲压、铸造、焊接、装配、机加
18、、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣劳动环境中, 机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之, 机械手是提高劳生产率, 改善劳动条件, 减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段,国内外都很重视它的国内外都很重视它的应用和发展。锻压工业机械手一般用来作加热炉、锻压机床或冲压机床的上下料和工件的传送, 其中包括多工位冲床的中间传送。在兵器制造中, 机械手也日益发挥它的作用。精锻炮管加工炮管的旋转精锻机采用的上下料装置就是工业机械手, 它从传送带上取拿炮管坯料, 送人夹头内, 夹头装置在轨道上行走将坯料放在锤头间进行旋转锻造。锻完后, 再用工业机械
19、手将炮管从夹头中卸去, 放到传送带上。这些动作可以自动地进行, 夹头装置也可以人工控制。热冲大口径弹体法国赛姆斯公司的大口径弹体自动热冲生产线上, 配有五台工业机械手,使冲压、拔伸和润滑都自动地进行。一个上料机械手能抓取的重物, 从压力机旁的料架上抓取工件, 旋转, 将毛坯到第一工位模膛内。第二个转位机械手, 从第一工位取料送到第二工位, 一火冲两次。第三个转位机械手, 从第二工位的模膛里将冲孔后工件取出倒掉氧化皮, 送到拔伸机。另外两个润滑机械手, 对着热冲两个工位喷涂石墨与机油混合的润滑剂锻造其他零件。如前西德福明朗莫耶尔公司, 在锻压的工件时, 采用一台工业机械手为四个锻造工位服务, 使
20、每台锻锤工人由六人减至四人。意大利一家公司在压力机锻造上采用工业机械手, 为三道工序服务, 每班工人由四人减至两人, 提高日产量, 机械手设备费用可在三年内收回。我国上海柴油机厂柴油机连杆锻造, 已用专门机械手把工件送入炉内加热, 待加热完毕, 取出工件送人锻锤锻打.天津第二锻造厂研究了通用机械手, 用于立式精锻机上下料，上海汽轮机厂也研制了锻造叶片上下料机械手。在冲压加工行业, 上海第二汽车配件厂外装式汽车灯壳的切边、滚边、冲孔等工序, 用六台冲床, 一台滚边机床配备二组直角坐标机械手组成的自动生产线,提高双倍生产效率。另外, 南京汽车厂, 北京重型电机厂,湖南湘潭电机厂等都有冲压机械手的应
21、用, 使工人从繁重的体力劳动中解放出来。（1）铸造工业机械手应用较多的是在锻压和熔模铸造中, 也用于浇铸、造型、制芯及清理工作。压铸美国道奇伦一贾维斯工厂是使用工业机械手最多的, 约有2000台,用于压型中取出铸件, 送到红外线扫描系统检验是否合格, 再将合格铸件放到传送带或切边机上, 然后用喷气法清洗铸件表面。该厂使用机械手后, 铸件质量得到了改进, 质量稳定。机械手有为一台压铸机服务的, 也有置于两台压铸机之间来回转动为两台取件的。熔模锻造采用机械手浸涂制壳, 各层均能浸涂且质量稳定。例如美国在英国的一家分公司使用小型机械手进行清涂作业, 该机械手最多可存储八个程序, 浸涂只需三个程序步,
22、 包括以蜡模架上取下模组, 将模组浸人料桶内, 在料桶内旋转, 从料桶内提起模组, 在空中旋转去除多余的涂料, 将模组送人撒砂槽内, 再取出旋转等。国内在铸造行业中也有一些机械手在应用，如长春第一汽车制造厂铸造分砂芯车间, 采用了取芯机械手，大连工矿车辆厂采用喷丸清砂机械手；湖北第二汽车制造厂铸造自动线采用了搬运压铁机械手；南京汽车厂采用了半自动浇铸落砂用的专用机械手；上海第一汽车附件厂采用了压铸机自动浇铸机械手等。（2）焊接点焊日本东芝一巧型工业机械手就是用于车体内部点焊生产线上。该机械手的手臂能伸缩、俯仰、回转, 手腕能弯曲、转动、扭转。定位精度士1毫米。机械手手臂的端部有一只点焊钳,焊接
23、变压器装在机械手本体上。该机械手垂直安装在一个形基座上。基座在架空的门形支架上移动、翻转。焊接时, 机械手手臂持焊钳由无顶盖车体上部伸入车体内部, 进行点焊。5个焊点10秒可全部焊完。平均每点2秒, 其中实焊时间8秒。电弧焊电弧焊的焊炬是作复杂的三维曲线运动, 要求机械手必须是连续轨迹控制的, 一般不能少于四个自由度, 还要具有自动调节焊接范围的功能。日本丰田汽车公司的一个工厂, 在汽车后桥焊接生产线采用两台川崎一型机械手。一台1分秒内可完成2条环焊缝, 焊接环缝时是工件旋转, 另一台机械手在30秒内可完成条焊缝。在焊接生产中, 北京汽车厂的一型通用机械手应用在汽车后桥半轴套管装焊生产线上。北
24、京永定机械厂有履带轮焊接机械手，上海焊机厂生产的点焊机械手已用于生产。（3）机械加工在兵器生产中的应用，美国制造毫米钢弹体的罗克福特军械厂, 从坯料加工开始到加工完毕直至弹体包装都自动进行, 不用人手去接触, 达到全自动生产。工业机械手还能用来代替人工进行打磨、抛光、去毛刺和清理切屑等工作。例如, 瑞典一家工厂打磨和抛光不锈钢管子弯头时, 采用机械手, 提高了加工效率, 而且产品质量稳定,不伤害工人。又如瑞典沃尔沃公司在机械手上装了三个环形磨轮装置, 用来对传动箱外表面去毛刺, 比手工方法节省工时。国内在金属切削加工中, 用机械手来完成刀具的自动更换。如北京第二机床厂, 北京第八机床厂, 上海
25、第二机床厂, 上海第八机床厂, 宁夏大河机床厂等单位研制的自动换刀机床, 均用机械手自动更换刀具。在生产自动线上, 用机械手完成的传递和上下料, 如沈阳水泵厂深井泵体加工自动线, 无锡柴油机厂和甘肃汽车齿轮厂的齿坯的加工自动线都采用了机械手。大连工矿车辆厂侧架的加工, 采用机械手抓取、传递和安放。并与一些机床组合成侧架切削加工自动线, 提高效率数倍。（4）装配工业机械手在装配中的应用, 是近几年国内外研究和发展的一个重要方面, 特别是在弹药装配等危险作业上使用很有价值。例如美国布罗瓦钟表公司采用了微型信息处理机和小型计算机控制的两台机械手。一台机械手, 用于炮弹定时机构装配的上下料。以摄像机作
26、为“ 眼睛” , 观察和测定定时机械零件的装配情况, 由计算机作出判断, 使机械手在取下装配件时, 将合格的与不合格的分别放到不同的传送带上运走。如美国试制一台有视觉和触觉的双臂机械手, 由于有触觉, 所以不要求工件排列位置很精确。如机械手可拧螺钉, 当螺钉遇到阻力时, 机械手能将螺钉返回再拧。日本一家公司在试验将活塞装到汽缸内, 机械手采用四个触觉敏感器, 以感觉出工件的位置, 能在只有微米的间隙情况下, 将活塞插人。国内也有装配工作应用机械手的。如沈阳市轮胎钢圈厂, 用机械手装配解放牌汽车钢圈，哈尔滨车辆厂研制成装配机械手, 应用在车厢车钩钩舌的自动组装。（5）喷涂挪威德威尔比斯公司生产的
27、喷漆用工业机械手。它是连续轨迹控制形式, 示教方法编程, 与手工喷漆相比, 可以降低成本, 操作方便, 还可以减少废品返工率。意大利菲亚特汽车公司建造的全自动车身粉末涂装大型设备, 外表面用自动喷枪, 内表面用机械手涂装, 日产10000件。热处理工业机械手主要用于从炉中取出工件进行传送。例如日本采用微型机械手, 从加热炉中取出直径为毫米, 重的轴承外环, 交替送到两台压力淬火机上, 工件淬火后再送到料道上, 手臂可承受1000的高温。（6）综合生产线瑞典公司的一条开关壳体生产线上采用三台工业机械手, 从压铸机上取下工件, 并利用传感器检验铸件形式, 送到淬火槽淬火后, 再送到修边压力机上修边
28、, 然后传送给各种专用机床进行铿孔、攻丝和磨带抛光。该公司的转子电机轴装配线上采用二台工业机械手, 第一台将轴从机加自动线的末端搬运到第一台卧式压力机上, 再搬到卧式压力机上、与轴共同装配。第二台机械手将装配好的转子轴按顺序送到一台平面磨床、两台外圆磨床上加工, 最后送到一台平衡机上进行平衡。国内的应用与发展综上所述, 世界各国都很重视工业机械手的应用和发展。机械手的研究和应用在我国尚属起步阶段, 就显示许多特殊的优点, 展现了广阔的应用前景。对于工业机械手今后在我国的应用和发展,建议做好以下工作：加强机械手基础性能的实验以及基础理论研究, 克服和解决制造技术及其它存在的问题。改变目前机械手多
29、用于冷加工的状况, 针对笨重、高温、有毒、高粉尘、 易燃易爆、单调等恶劣劳动环境, 有计划、有步骤地推广应用和研制多种机械手, 用于铸、锻、焊以及喷漆等工作中。提高机械手运动速度。尤其是应用于冲压行业中的机械手, 以适应提高生产率和符合生产节拍的需要。要研究解决机械手的运动速度和缓冲、定位技术。引进国外先进技术, 培训专门技术人才, 普及机械手有关知识。尽快地解决机械手的定型设计、定点、定量生产以及配套件的生产和供应问题, 推进机械手设计制造中的现代化、标准化、系列化工作。1.3 机械手的组成机械手主要由执行机构，驱动机构和控制系统三大部分组成，其组成和相互关系如图1所示。 图1 机械手三部分
30、组成关系1）执行机构执行机构由抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。手部即直接与工件接触的部分，一般是回转型或是平移型（多为回转型，因其结构简单）。手指多为两指（也有多指），根据需要分为外抓式或内抓式两种，也可用负压式或真空式的空气吸盘（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。腕部它是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位即姿态，他可以有上下摆动，左右摆动和要自身轴线回转三个运动，如有特殊要求（将轴类零件放在顶尖上，将简单盘类零件卡在卡盘上等），手腕还
31、可以有一个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部自由度。臂部手臂是支撑被抓物体、手部、腕部的重要部件。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给定的位置。手臂有三个自由度，可采用直角坐标式（前后、上下、左右都是直线），圆柱坐标（前后、上下直线往复运动和左右旋转），球坐标（前后伸缩、上下摆动和左右旋转），和多关节（手臂能任意伸屈）四种方式，直角坐标占空间大，工作范围小，惯性大，所以一般不多用，只有自由度较少时使用。圆柱坐标占空间小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取底面物体。球坐标式和多关节式占用空间小工作范围大但惯性小，所需动力小，能抓取底面物体。多关节还可以绕障碍物选择途径，但
32、多关节结构复杂，所以也不多用，目前常用的是球坐标式和圆柱坐标式的工业机械手。2）行走机构有的工业机械手带有行走机构。3）驱动机构有气动、液动、电动和机械式四种形式，气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下，液动式的臂力可达到1000N以上，且可用电磁伺服结构，可实现连续控制，是工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在1mm范围内，目前常用的是气动式和液动式方式，电动式用于小型，机械式用于动作简单的场合。4）控制系统有点动控制和连续控制两种方式，大多数用插销进行点位程序控制，也有可采用编程控制器控制，微型计算机控制，采用凸轮
33、、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。5）机体机体是整个机械手的基础。2.机械手的总体方案设计2.1机械手的参数规格工业机械手的参数规格，是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：1） 抓重（又称臂力）；额定抓取重量或称额定负荷，单位为kg,（必要时注明限定运动速度下的抓重）。2） 自由度数目和坐标形式：整机，手臂和手腕等运动共有几个自由度，并说明坐标形式。3） 定位方式;固定机械挡块、可调机械挡块、行程开关、电位器及其各种位置设定和检测装置，各自由度所设定的位置数目或位置信息容量；点位控制或连续轨迹控制。4） 驱动方式:气动、液动、电动和机械传
34、动。5） 手臂运动参数：当手臂运动速度很高时，手臂在运动或制动过程中会产生很大的冲击和振动，这会影响手臂的定位精度。因此，手臂的运动速度应根据生产节拍时间的长短，生产过程的定位精度来决定。常用的最大直线运动速度在1000mm/s以下。最大回转速度一般不超过120（）/s左右。6） 手指夹持范围（mm)和握力（即夹紧力或吸力)(N）7） 定位精度:位置设定精度及重复定位精度（mm)8） 程序编制方法及程序容量，如插销板，二级矩阵插销板，可编程序控制，微机控制以及示教存储等。9） 受信、发信数目、连锁控制信号数目。10） 控制系统动力：电、气。11） 驱动源：启动的气压大小，液压的使用压力，液压泵
35、的规格，电动机功率，电动机类型、规格。12） 轮廓尺寸：长*宽*高（mm）。13） 重量：整机重量（kg).更具上述的运动状态绘制运动简图，一边对机械手进行分析。 我所做的是多工位机床上工件搬运机械手的设计，其过程如图2所示是某型号履带拖拉机6缸柴油发动机的凸轮轴示意图。法兰面上的孔系加工工艺为:工序1:钻中心孔。工序2: 铰中心孔,成型16H6 ,表面粗糙度Ra1. 6m。工序3:钻销孔底孔。工序4:钻连接螺孔底孔,铰销孔,成型10H6,表面粗糙度Ra 1.6m。工序5:攻连接螺纹孔。图2 凸轮轴加工示意图机床总体方案采用一台直线移动式7工位组合机床完成凸轮轴法兰面上的孔系加工。该机床用一个
36、多轴头在5个加工工位上完成5道加工工序。在加工工位之前有一个零件装卸工位。为了在装卸工位上卸下工件,必须解决工件的返回问题。该机床采用机械手在加工工位之后的工位抓取随行夹具及工件,经回转运动将其送回工位,实现了工件的返回。如图1所示,工位是装卸工位,工位是加工工位,分别实现工序15的全部加工内容。工位是等工位,机械手在这里抓取随行夹具和工件,送回工位,以实现工件和随行夹具的返回。在工位,由人工从随行夹具上卸下已加工工件,安装待加工工件。在机床底座上安装有步伐式棘爪输送机构,它推动随行夹具和工件,实现工件在工位之间的传送并保证准确到位。2.2 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
37、态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,能够较容易地实现凸轮轴加工机床的动要求。因此,所设计的机械手采用圆柱坐标式。在圆柱坐标系中实现空间定位需3个参数r、z,。如图3所示。根据机床工作情况, 如果将立柱设置在工位中心线处(参见图4) ,由、工位相对工位对称,故、工位机械手抓取点没有相对于凸轮轴轴线方向的移动, 即在圆柱坐标系中, r为一定值。在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后, 由前述要求知道,机械手的运动有:立柱回转运动;提升
38、工件的运动;抓取工件的运动。图3 直角坐标系图4 机床俯视图手臂的回转与升降通常是通过立柱的运动来实现的。但本方案中,若升降运动在立柱处实现,则所需提升的负载除手部、工件外,还将包括回转大臂, 这不但使提升重量太大, 而且导致立柱结构十分复杂。如加置小臂, 将升降运动安置在回转大臂臂端由小臂实现升降,则可减少升降重量, 并使机械手结构得以简化。总体方案示意如图5所示。 图5 总体方案设计图 2.3 机械手手部结构方案设计常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本机械手采用夹持式手指。对于夹持式机械手设计有
39、以下基本要求1. 应具有适当的夹紧力合驱动力 ，手指握力（夹紧力）大小要适中，力量过大则动力消耗多，机构庞大，不经济，甚至会损坏工件，力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和震动，以保证工件加持安全可靠。而对手部驱动装置来说，应有足够的驱动力，应当指出，由于机构传力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需的传动力大小是不同的。2. 手指应具有一定的开闭范围，手指应具有一定的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）或开闭距离（对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离），以便拿取或退出工件。3. 应保证工件在手指内的夹
40、持精度，应保证每个被夹持的工件，在手指内部有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐，凸轮轴一类复杂的工件在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。4. 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻、有利于减轻手臂的负载。5. 应考虑通用性和特殊要求，一般情况下，手部多是专用的，为了扩大他的适用范围，提高它的通用化程度，以夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的方法，如更换手指甚至更换整个手部，此外，还要考虑能适应工件环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。夹持式机械手按运动
41、形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 故其理论夹持误差为零。由于所要求夹持的随行夹具外形为一长方体(如图6所示) ,故凸轮轴加工机械手的手指基本形式选为平移型。 图6 随行夹具和工件示意图若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。因此,采用连杆滑块机构来实现力方向的变化。如图7所示结构, 当油缸推动联结块上下移动时, 在连杆的带动下,两手指在横向张合的同时也分别会绕定销轴O1、O2转动,为保证两手指仅可沿手指开合方向移动, 将连杆滑块机构设计成
42、平行四边形结构,这样就消除了手指的转动自由度, 使手指只有沿夹持方向移动的自由度图7 机械手手指结构图2.4 夹持式机械手的手部分析与计算1） 夹紧力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据 。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说。夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（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式计算式中 安全系数，通常取1.22.0 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估算 其中 运载工件时重力方向的最大上升加速度 g重力加速度，g;-运载工件时重力方向上的最大上升加速度；t系
43、统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。一般取0.030.53。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G被抓取工件所受重力（N）。本设计夹持的工件做等速水平和垂直运动，工件的移动速度为0.1mm/s,其抓取工件所受的重力为 G=196N,水平距离a=50mm,垂直距离b=150mm,机械手达到最高速度的响应速度为0.5s,试求驱动力F和驱动液压缸尺寸。设 =1.5 =1.03将已知条件代入得 查得驱动公式 取确定液压缸的直径 D选取活塞杆的直径d=0.5D,液压油工作压力p=39.2所以 根据液压缸内径系列，选取液压缸内径为D=30mm则活塞杆直径为d=30=15mm2.5
44、腕部回转力矩的计算它的作用主要是在臀部运动的基础之上进一步改变调整手部在空间的方位，以扩大机械手的活动范围，并使机械手变得更轻巧，适应性更强。手腕部件有独立的自由度，其设计有以下基本的要求1 力求结构经凑，重量轻腕部处于臂部的最前端，他连同手部的静、动载荷均有臂部承受，显然，腕部的结构，重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构，重量和运转性能，因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。2 综合考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，有承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求以及足够的强度，刚度外，还应走哦能够和考虑，合理布局。如应解决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个自由度的检测，管线布置，以
45、及润滑、维修 、调整问题。三，必须考虑工件条件对于高温作业和腐蚀介质中工作的机械手，其腕部在设计时应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀、压力油的粘稠度和燃点，有关材料和电控元件的耐热性等）。腕部回转时需克服以下几种阻力1 腕部回转式支撑处的摩擦力矩式中 、-轴承处支反力（N),、-轴承直径（m)；-轴承的摩擦系数，对于滚动轴承=0.010.02；对于滑动轴承：f=0.1.为简化计算，取2.6手臂的设计计算由于所抓取的随行夹具和工件长达825 mm,单手抓取不易限制其绕小臂轴线的回转自由度,所以设计两个手爪同时抓取工件。为保证两手爪中心线在机械手回转过程中始终与各工位上的工件轴线平行,采用了平行四边形结构来实现大臂与小臂之间的运动传递。如图8所示, A、D 铰链支座固联在回转立柱上,B、C铰链支座固联在大臂与小臂的联结法兰上, BC为平行四边形机构的公共连杆。利用连杆BC的平面平行移动,从而保证机械手手臂准确的移送工件到设定图8 回转大臂的平行四边形结构2.6.1手臂液压缸的设计计算根据液压缸运动时所需克服的摩擦，回油背压及惯性等几个方面的阻力，来确定液压缸所需的驱动力手臂作升降运动的液压缸驱动力式中 -摩擦阻力， 取f=0.18G-零部件及工件所受总重量确定液压缸的结构尺寸1. 液压缸内径的计算当油进入无杆腔当油进入有杆腔液压缸的有效面积；故有(无杆腔）式中