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摘 要
機(jī)械手是指有類似人的手臂、手腕和手的部分動(dòng)作及功能；一般都能按預(yù)定程序，自動(dòng)地、重復(fù)循環(huán)地進(jìn)行工作的機(jī)械裝置。這種新穎技術(shù)裝備的出現(xiàn)和應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強(qiáng)大的生命力，受到各個(gè)部門的廣泛重視和歡迎。
本次課題主要致力于設(shè)計(jì)用在數(shù)控機(jī)床上的氣動(dòng)式裝夾機(jī)械手。經(jīng)過我們的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)存在的機(jī)械手都比較復(fù)雜，因而成本也很高，且大都應(yīng)用于一些大型企業(yè)。為了使中小型企業(yè)也能運(yùn)用機(jī)械手，提高生產(chǎn)效率，讓機(jī)械手普遍化，本課題應(yīng)運(yùn)而生：通過最簡單和最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最經(jīng)濟(jì)的選材方式來設(shè)計(jì)裝夾機(jī)械手。
機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。由于時(shí)間所限，我們主要設(shè)計(jì)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接關(guān)系到機(jī)械手結(jié)構(gòu)的外型，動(dòng)作范圍等，在后述討論中我們將詳細(xì)介紹關(guān)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：氣動(dòng)式；裝夾機(jī)械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Abstract
Mechanical hand is part of the action and function is similar to a human arm, wrist and hand; usually the program as scheduled, mechanical device automatically, repeat the cycle to work. The novel appearance and application of technical equipment, automation of industrial production, it plays an important role in promoting the further development of industrial production, and has strong vitality, has attracted wide attention and welcome all sectors.
this topic mainly concentrate on the design of pneumatic clamping manipulator .After the investigation ,we find present manipulators quite complex, thus the cost is also very high, and it applies mostly in some Major industries. In order to enable the Small and medium-sized enterprise also to utilize the manipulator, raise the production efficiency, make the manipulator universal, this topic comes into being: Through the simple and the optimized organization design, the most economical selection way to design the manipulator.
Manipulator's design mainly involves three aspects: Implementing agency, driving mechanism and control system. Because of the limited time, what we mainly design is the implementing agency, the implementing agency is directly related to manipulator outlook and the working range , we will introduce the implementing agency design in detail in this article
Keywords: pneumatic ;clamping manipulator ;structural design
目 錄
第一章 概 述 1
1.1 引言 1
1.2 一些軟件在機(jī)械手設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 2
1.2.1 CAD技術(shù)的應(yīng)用 2
1.2.2 PRO/E的應(yīng)用 4
1.3研究內(nèi)容與意義 4
1.3.1 研究的意義 4
1.3.2主要研究內(nèi)容 5
第二章 數(shù)控機(jī)床裝夾機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 6
2.1數(shù)控裝夾機(jī)械手的原理設(shè)計(jì) 6
2.1.1 基本設(shè)計(jì)思想 6
2.1.2基本設(shè)計(jì)步驟 6
2.1.3機(jī)械手的工作流程 7
2.1.4 機(jī)械手傳動(dòng)原理 8
2.2機(jī)械手控制方案選擇 9
2.2.1控制形式的選擇 9
2.2.2手臂的坐標(biāo)形式選擇 9
2.3機(jī)械手的總體構(gòu)成 10
第三章 數(shù)控機(jī)床裝夾機(jī)械手的詳細(xì)設(shè)計(jì) 13
3.1手爪部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材 13
3.1.1手爪的裝配結(jié)構(gòu) 13
3.1.2手爪的工作過程 13
3.1.3各部件的選材 14
3.2手臂的組成與結(jié)構(gòu)分析 15
3.2.1 前臂的組成與結(jié)構(gòu)分析 16
3.2.2 中臂的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3.3 底座的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.4 立柱的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3.4.1 上立柱的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3.4.2 下立柱的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3.5可調(diào)支撐的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
3.5.1可調(diào)支撐的結(jié)構(gòu)分析與作用 21
3.5.2可調(diào)支撐的工作原理： 22
3.5.3可調(diào)支撐的選材。 22
第四章 設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)和解決方法 24
4.1 遇到的問題： 24
4.1.1 關(guān)于擺動(dòng)汽缸 24
4.1.2所夾持工件的長度和大小的確定 24
4.2 解決方法 25
4.2.1 擺動(dòng)汽缸 25
4.2.2 所夾持工件長度及大小的確定 25
第五章 結(jié)論與展望 29
5.1 結(jié)論 29
5.2 展望 29
致謝 30
參考文獻(xiàn) 31
第一章 概 述
1.1 引言
機(jī)械手：機(jī)械手是指有類似人的手臂、手腕和手的部分動(dòng)作及功能；一般都能按預(yù)定程序，自動(dòng)地、重復(fù)循環(huán)地進(jìn)行工作的機(jī)械裝置。機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為手部、手臂、軀干；機(jī)械手的手部主要用來抓取物件或者工具。機(jī)械手實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)主要是通過擺動(dòng)、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，而這些主要是根據(jù)物體的尺寸、外形、重量、材質(zhì)和工作要求來設(shè)定的，從而實(shí)現(xiàn)使被抓持物件的位置和姿勢(shì)發(fā)生改變。
世界上最先開始研制機(jī)械手的國家是美國。世界上第一臺(tái)機(jī)械手誕生于1958年，由美國聯(lián)合控制公司研制生產(chǎn)。它的結(jié)構(gòu)如下：將一個(gè)回轉(zhuǎn)的長臂安裝在機(jī)體上，再將抓放結(jié)構(gòu)安裝在端部，這種抓放結(jié)構(gòu)中裝有電磁鐵。這臺(tái)機(jī)械手采用的是示教型的數(shù)控系統(tǒng)。
1962年，根據(jù)以上方案，美國聯(lián)合控制公司又研制成功一臺(tái)機(jī)械手，這是一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。設(shè)計(jì)者們從坦克炮塔中獲得啟示，所以它的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與坦克炮塔的運(yùn)動(dòng)方式相類似。該機(jī)械手的手臂采用的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，它可以完成回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮等運(yùn)動(dòng)形式；它的控制系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置采用的是磁鼓。它的出現(xiàn)為許多球坐標(biāo)通用機(jī)械手的研制提供了可借鑒的寶貴依據(jù)。同一年該公司和普魯曼公司合并，建立了萬能自動(dòng)公司,專門致力于工業(yè)機(jī)械手的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。
1962年，另一家公司美國機(jī)械制造公司也成功研制出一種機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱采用的驅(qū)動(dòng)方式同樣是液壓驅(qū)動(dòng)。中央立柱可以旋轉(zhuǎn)、伸縮。該機(jī)械手也是一款采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)的機(jī)械手。六十年代初，這兩種機(jī)械手的研制成功為國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控 制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。
德國機(jī)械手發(fā)展相對(duì)較早，從1970年開始，工業(yè)機(jī)械手開始應(yīng)用于德國機(jī)械制造業(yè)，這些機(jī)械手主要被用來進(jìn)行設(shè)備的上下料、工件的起重運(yùn)輸、工件的焊接等危險(xiǎn)、耗力的生產(chǎn)作業(yè)的操作。
德國KnKa公司還研制出了一種結(jié)構(gòu)為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，控制方式為程序控制的點(diǎn)焊機(jī)械手。
日本的工業(yè)機(jī)械手是世界上發(fā)展較早，發(fā)展最快的，而且日本在工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域的應(yīng)用也是最多的。自1969年從美國引進(jìn)兩種基本機(jī)械手后，日本大力發(fā)展機(jī)械手的研制和應(yīng)用。如今日本機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)走在世界先進(jìn)行列。
前蘇聯(lián)從20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行于機(jī)械手的研發(fā)和應(yīng)用，到1977年底，前蘇聯(lián)在用的機(jī)械手中有一半是國產(chǎn)，另外一半主要依靠進(jìn)口。但是自動(dòng)化程度低，主要用于危險(xiǎn)、繁重行業(yè)，從而使得人們免受危害。
我國是世界上機(jī)械發(fā)展最早的國家之一，但到了近代，由于各種原因我國的工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展停滯不前，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界發(fā)達(dá)國家。新中國成立后，尤其是近30年，我國機(jī)械手行業(yè)發(fā)展迅速，但是由于起步較晚，西方技術(shù)封鎖等原因，我國機(jī)械手技術(shù)落后于歐美各國，且我國的機(jī)械手較多應(yīng)用于汽車行業(yè)，我國自主研制的機(jī)械手多為低端的機(jī)械手，技術(shù)較為落后，但是如今我國的機(jī)械手的發(fā)展迅速，正在大步追趕其他先進(jìn)國家，某些方面甚至已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。
目前機(jī)械手大部分為第一代機(jī)械手，他們主要由人工進(jìn)行操作、控制;大多采用開環(huán)控制的控制方式，缺乏自主識(shí)別能力，提高精度和降低成本是主要的發(fā)展方向。
第二代機(jī)械手的研制正在加速進(jìn)行中。微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)被裝備在它們身上，這使得它們具有視覺、觸覺，甚至聽想的能力。科學(xué)家正在實(shí)驗(yàn)將各種傳感器安裝在它們身上，傳感器能夠把感覺到的信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，從而使機(jī)械手具有感覺機(jī)能，完成設(shè)定的動(dòng)作。
第三代機(jī)械手的特點(diǎn)在于能獨(dú)立完成工作過程中的任務(wù)。它們與電子計(jì)算機(jī)保持緊密的聯(lián)系，依靠計(jì)算機(jī)自主完成設(shè)定的任務(wù)，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元中的重要一部分。
隨著人們對(duì)工業(yè)機(jī)械手的不斷研究和完善，機(jī)械手的發(fā)展越來越迅速，各個(gè)國家之間學(xué)術(shù)性的交流越來越頻繁和深入，機(jī)械手的功能越來越強(qiáng)大。
1.2 一些軟件在機(jī)械手設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
1.2.1 CAD技術(shù)的應(yīng)用
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展使得人們的社會(huì)生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的變革和發(fā)展，因此人們將CAD技術(shù)的應(yīng)用稱做20世紀(jì)最杰出的發(fā)明之一。在本次課題研究中， CAD的應(yīng)用也起了很大的作用。
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用使得機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)生了巨大的變革。它使得計(jì)算機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中起到了十分重要的輔助性質(zhì)的作用。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)使得設(shè)計(jì)師們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中，不需要再進(jìn)行大量的繁重的體力和腦力勞動(dòng)，從而使得設(shè)計(jì)師們的在工作效率得到的顯著的提升。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要在以下幾個(gè)方面體現(xiàn)出來:①CAD技術(shù)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行繪圖，因此在繪圖速度方面顯著快于傳統(tǒng)的手工繪圖；②采用計(jì)算機(jī)繪圖使得在修改圖紙上的錯(cuò)誤時(shí)更加的方便和快捷（在這一方面，傳統(tǒng)的手工繪圖是無法相比較的）;③一般情況下，計(jì)算機(jī)繪圖能夠使得繪圖的精度得到十分明顯的提升，從而能夠獲得比傳統(tǒng)制圖更好的制圖效果。例如，當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)志的時(shí)候，在計(jì)算機(jī)輔助繪圖出現(xiàn)以前，即使我們的大腦中已經(jīng)產(chǎn)生了十分清晰以及成熟的構(gòu)思，可是當(dāng)我們想要把它表達(dá)出來的時(shí)候，我們還是需要先一筆一畫地畫出圖形，再認(rèn)認(rèn)真真地填充色彩，填充的過程中還需要講究一些技巧，這些工作通常會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，而且繪圖的效果也不能完全達(dá)到理想的效果。但是如果我們?cè)谟?jì)算機(jī)上使用平面設(shè)計(jì)軟件比如AUTOCAD或者3D設(shè)計(jì)軟件比如UG 等，一般只要我們能夠熟練操作軟件，十分快速便能設(shè)計(jì)出圖形，而且設(shè)計(jì)出來的圖形效果更好。除此之外，在手工繪圖過程中，如果我們需要進(jìn)行圖紙上的修改，那怕是一丁點(diǎn)的修改，就可能要大部分甚至全部重新作圖，而使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行繪圖，只需要需改其中錯(cuò)誤的部分，不需要進(jìn)行大量的修該，這能為我們節(jié)省大量的時(shí)間和工作量。這僅僅是一個(gè)很簡單的例子。而在我們需要完成大量的設(shè)計(jì)工作時(shí)，這種優(yōu)越性將會(huì)更加突出地體現(xiàn)出來。更重要的是，當(dāng)我們進(jìn)行機(jī)械手的設(shè)計(jì)時(shí)，有些結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)在理論上是需要十分精確的，稍微有點(diǎn)誤差，就有可能影響到整個(gè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是如果我們使用軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)既能夠提高設(shè)計(jì)的精度，盡量避免影響到整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)。
現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)為機(jī)械設(shè)計(jì)提供了極大的便利。我們不僅可以通過使用設(shè)計(jì)軟件十分方便、快速地畫出我們所要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的效果圖，還能通過使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件較為真實(shí)地模擬出設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)際效果(例如：產(chǎn)品的表面質(zhì)感和光影等)和準(zhǔn)確的透視。同時(shí)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件還能使我們從不止一個(gè)角度觀察產(chǎn)品，從而了解到產(chǎn)品各個(gè)方向和各個(gè)結(jié)構(gòu)部件的實(shí)際效果。這些可以幫助我們節(jié)省掉制作實(shí)際模型這個(gè)繁重、耗時(shí)的設(shè)計(jì)步驟，從而大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，也降低了產(chǎn)品的價(jià)格，使得產(chǎn)品的更新?lián)Q代加快、促進(jìn)了各個(gè)行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件不僅能幫助設(shè)計(jì)師們完成復(fù)雜，耗力的設(shè)計(jì)步驟，而且還能使得機(jī)械設(shè)計(jì)師們的創(chuàng)作靈感得到增強(qiáng)，是獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)的造型和形態(tài)的有效的手段。這種手段是一種全新的手段，它與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序和觀點(diǎn)基礎(chǔ)上的造型形態(tài)手段完全不同，這種手段為機(jī)械設(shè)計(jì)師們提供了一種新的創(chuàng)意理念和途徑，這有利于設(shè)計(jì)師們的創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，有利于設(shè)計(jì)出全新的獨(dú)特的優(yōu)秀設(shè)計(jì)作品。這種情況主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面因?yàn)镮T時(shí)代使得人們更加容易獲得海量的各種類型的信息，其中當(dāng)然包括十分豐富的設(shè)計(jì)素材，這些設(shè)計(jì)素材不停地出現(xiàn)在設(shè)計(jì)師們的眼前，充斥在他們的腦海中，不斷的沖擊著他們的心靈，這就會(huì)不停地激發(fā)出設(shè)計(jì)師們的創(chuàng)作靈感，當(dāng)靈感達(dá)到一定的量變，就有可能會(huì)發(fā)生質(zhì)變，這樣設(shè)計(jì)師們就有可能產(chǎn)生獨(dú)特新穎的創(chuàng)意。當(dāng)然，不能否認(rèn)的是，如果設(shè)計(jì)師們的思想有所雷同，這也可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)師們的創(chuàng)作作品在某些方面甚至完全相似。另一方面面，很多設(shè)計(jì)師都有這樣的經(jīng)歷，有時(shí)在電腦上一個(gè)不經(jīng)意的動(dòng)作或者誤操作會(huì)得到一個(gè)意外的或許連軟件發(fā)明者都意想不到的效果，然而它卻正是我們求之不得的效果。
在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，CAD技術(shù)被十分頻繁地使用，這使得我們獲得了巨大的收獲，使得我們的設(shè)計(jì)完成的更加迅速和完美。在現(xiàn)代社會(huì)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域（例如：機(jī)械、電子、建筑、新能源等行業(yè)）。它的應(yīng)用顯著提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本和制造成本有所下降，對(duì)促進(jìn)社會(huì)和生產(chǎn)生活的快速發(fā)展起到了積極的巨大的推進(jìn)作用。
1.2.2 PRO/E的應(yīng)用
Pro/ENGINEER誕生于1988年，在短短的20余年間，如今它已經(jīng)發(fā)展成為普及全世界的著名的3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD/CAM）系統(tǒng)之一。Pro/E現(xiàn)金已發(fā)展成為3DCAD／CAM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軟件之一，被廣泛運(yùn)用于社會(huì)生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面（例如：機(jī)械、通訊、電子、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、家電、自行車、航天、玩具等各行業(yè)）。作為一個(gè)全方位的3D產(chǎn)品開發(fā)軟件，Pro／E將機(jī)械設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、模具開發(fā)、NC加工、鑄造件設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品組、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、動(dòng)態(tài)仿真、應(yīng)力分析、產(chǎn)品 數(shù)據(jù)庫管理、協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)等各項(xiàng)功能集成于一體，其分為許多個(gè)模塊，擁有十分強(qiáng)大的功能。
本次論文設(shè)計(jì)對(duì)Pro/E軟件的應(yīng)用沒有作出要求，只需要知道Pro/E中的三維機(jī)構(gòu)仿真，可以模擬機(jī)械手的動(dòng)作；另外，當(dāng)需要驗(yàn)證CAD中機(jī)械手某些裝配圖的準(zhǔn)確性，我們可以將部分零件實(shí)體進(jìn)行繪制，最后得出二維工程圖，進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證機(jī)械手裝配圖的準(zhǔn)確性。
1.3研究內(nèi)容與意義
1.3.1 研究的意義
目前，我國的機(jī)械手行業(yè)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，在很多領(lǐng)域已經(jīng)大量用到了機(jī)械手，但是我們必須清楚，我們同一些發(fā)達(dá)國家還是有著不小的差距，盡管我們也能生產(chǎn)制造處機(jī)械手，但是我們的成本明顯過高，而且技術(shù)上也處于劣勢(shì)，正是如此，在機(jī)械手的運(yùn)行精度，可靠性，通用性等衡量指標(biāo)上面，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)國家，比如美國，日本，德國等。由于機(jī)械手行業(yè)需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，過硬的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和很高的科技水平，所以，我們國家要想在機(jī)械手行業(yè)取得更大的突破，就必須加大和深入對(duì)機(jī)械手的理論研究，投入更多的經(jīng)費(fèi)到機(jī)械手設(shè)計(jì)上來，并大力發(fā)展科技。
由于能力及時(shí)間所限，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手不可能能達(dá)到上述效果，所以，我們本著簡單，經(jīng)濟(jì)，實(shí)用的原則，設(shè)計(jì)出一類可靠、耐用的簡易的機(jī)械手，將它們運(yùn)用于一些中小企業(yè)的數(shù)控機(jī)床上，用來裝夾和搬運(yùn)工件。只要設(shè)計(jì)的足夠好，我們就能完全盤活中小型企業(yè)的積極性，從而提高生產(chǎn)效率，這樣，中小型企業(yè)也能得到發(fā)展。僅僅是大企業(yè)的發(fā)展是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，機(jī)械手行業(yè)乃至制造業(yè)的發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志就是：產(chǎn)品的適應(yīng)性廣，普遍性強(qiáng)。
1.3.2主要研究內(nèi)容
本論文的初期準(zhǔn)備工作：
（1）調(diào)研，獲得機(jī)械手設(shè)計(jì)所需要的第一手資料（一些原始數(shù)據(jù)等）；
（2）熟悉CAD,CAXA ,PRO/E等制圖軟件，為后期設(shè)計(jì)繪圖做準(zhǔn)備；
（3）了解機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)組成，查閱相關(guān)資料，為后期結(jié)構(gòu)分析做鋪墊。
主要研究內(nèi)容：
（1）綜合考慮各種因素，合適的選擇機(jī)械手基本組成中的一些元件；
（2）通過方案論證，確定裝夾機(jī)械手設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案；
（3）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，全方位考慮結(jié)構(gòu)安排的合理性，可靠性，穩(wěn)定性；
（4）確定機(jī)械手的最佳安放位置；
（5）考慮機(jī)械手手爪部分的通用性，盡量實(shí)現(xiàn)不同數(shù)控機(jī)床上卻可以用同類機(jī)械手的可能性。
第二章 控裝夾機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)
2.1數(shù)控機(jī)床裝夾機(jī)械手的原理設(shè)計(jì)
2.1.1 基本設(shè)計(jì)思想
數(shù)控機(jī)床裝夾機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面的設(shè)計(jì)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。由于時(shí)間所限，我們主要設(shè)計(jì)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接關(guān)系到機(jī)械手結(jié)構(gòu)的外型，動(dòng)作范圍等，在后述討論中我們將詳細(xì)介紹關(guān)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，按照驅(qū)動(dòng)方式可分為以下四種：①液壓驅(qū)動(dòng)，②氣壓驅(qū)動(dòng)，③電氣驅(qū)動(dòng)，④機(jī)械驅(qū)動(dòng)。
在仔細(xì)分析和對(duì)比各種方式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)之后，我們綜合考慮，還是選擇氣壓驅(qū)動(dòng)作為這次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。。
氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)有很多，如下：
（1）氣壓驅(qū)動(dòng)的使用空氣作為能源，獲取簡單，方法易行，短時(shí)間內(nèi)可獲得高速動(dòng)作；
（2）采用氣壓驅(qū)動(dòng)，夾緊時(shí)無能量消耗，不發(fā)熱；
（3）采用氣壓驅(qū)動(dòng)，動(dòng)作柔軟，安全性高；
（4）采用氣壓驅(qū)動(dòng)可以使機(jī)械手體積減小，重量減輕，同時(shí)可擁有較高的輸出質(zhì)比；
（5）采用氣壓驅(qū)動(dòng)，處理簡便，成本低。
正是由于氣壓驅(qū)動(dòng)存在以上這些優(yōu)點(diǎn)，我們選擇了氣壓驅(qū)動(dòng)的方式。中小企業(yè)看重的也是氣壓驅(qū)動(dòng)方式存在的這些優(yōu)點(diǎn)。雖然氣壓驅(qū)動(dòng)也存在一些缺陷，比如控制精度不高但等，但是對(duì)于中小型企業(yè)來說，只需要將控制誤差控制在可接受的范圍內(nèi)，那么，氣壓驅(qū)動(dòng)擁有的缺陷就不會(huì)不影響數(shù)控機(jī)床裝夾機(jī)械手在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，所以這些缺點(diǎn)也不需要考慮了。
對(duì)于控制系統(tǒng)的選擇，我們選擇PLC控制的方式，這一部分主要由機(jī)電方面的專業(yè)人員來進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。
2.1.2基本設(shè)計(jì)步驟
（1）首先根據(jù)實(shí)際的數(shù)控機(jī)床的外型尺寸確定機(jī)械手的某些尺寸，比如機(jī)械手的總高度，機(jī)械手手爪到最低點(diǎn)時(shí)（同數(shù)控機(jī)床三爪卡盤中心軸線重合時(shí)）離地面的高度，機(jī)械手和數(shù)控機(jī)床之間的橫向間距；
（2）根據(jù)這幾個(gè)總體尺寸來逐步設(shè)計(jì)機(jī)械手的每個(gè)局部尺寸，然后具體的設(shè)計(jì)每部分部件；
（3）認(rèn)真檢查每個(gè)尺寸，并同時(shí)判斷機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡是否會(huì)同數(shù)控機(jī)床發(fā)生碰撞；
（4）如果（3）不滿足，則重復(fù)（2），直到條件滿足為止。
2.1.3機(jī)械手的工作流程
注：以下所有點(diǎn)都是手爪中心點(diǎn)軌跡，A為毛胚區(qū)，B為卸料區(qū)，OC垂直于，O為旋轉(zhuǎn)中心；為機(jī)床主軸中心線。（圖在后面）
1. 機(jī)械手在A點(diǎn)抓取工件，此時(shí)機(jī)械手的位置是在垂直方向最低點(diǎn)處；
2.汽缸開始運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手的手臂向上移動(dòng)，從俯視位置觀察機(jī)械手，此時(shí)機(jī)械手手爪的位置在點(diǎn)處；
3.旋轉(zhuǎn)氣壓缸開始動(dòng)作，機(jī)械手發(fā)生旋轉(zhuǎn)，手爪由旋轉(zhuǎn)移動(dòng)至D處，汽缸再次動(dòng)作，機(jī)械手手臂向下移動(dòng)到位置，點(diǎn)和地面之間的垂直距離就是機(jī)床主軸軸線與地面的之間的距離；
4.旋轉(zhuǎn)氣壓缸再次動(dòng)作，由點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到C點(diǎn)所在位置，完成一次裝夾操作；
5.完成裝夾后機(jī)械手手爪松開，汽缸運(yùn)動(dòng)，手臂向上移動(dòng)到點(diǎn)所在位置；
6.完成后，數(shù)控機(jī)床防護(hù)門關(guān)閉，開始加工，加工完畢后，汽缸運(yùn)動(dòng)，由移動(dòng)至C處，機(jī)械手手爪抓緊工件，數(shù)控機(jī)床卡盤松開；
7.旋轉(zhuǎn)氣壓缸動(dòng)作，手爪由C點(diǎn)位置移動(dòng)到點(diǎn)位置；
8.汽缸動(dòng)作，手爪由點(diǎn)位置向上移動(dòng)到D點(diǎn)位置;
9.旋轉(zhuǎn)氣壓動(dòng)作，機(jī)械手的手爪由D點(diǎn)所在位置旋轉(zhuǎn)到點(diǎn)所在的位置；
10.汽缸動(dòng)作，機(jī)械手的手臂往下移動(dòng)到B點(diǎn)所在位置后，機(jī)械手手抓松開，卸料；
11.汽缸動(dòng)作，手臂向上移動(dòng)至點(diǎn);
12.旋轉(zhuǎn)氣壓缸動(dòng)作，手爪由點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至點(diǎn)；
13.汽缸又一次發(fā)生動(dòng)作，機(jī)械手的手臂往下方移動(dòng)至A點(diǎn)處，重新夾取下一個(gè)工件，完成一個(gè)完整的工作循環(huán)。
圖2-1 工作流程圖
2.1.4 機(jī)械手傳動(dòng)原理
如下圖所示：1為底座，2為旋轉(zhuǎn)缸，3為支架桿，BF是連桿，4.6.7組合構(gòu)成手臂。其中6為可調(diào)桿，以控制夾角，HE段做成可調(diào)部分，E為手爪中心點(diǎn)處。
高度h為防桿4與機(jī)床干涉預(yù)留高度。其中，E1和E分別為手爪的兩個(gè)極限位置，E1為手爪的運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)（此時(shí)汽缸行程達(dá)到最大值），E為手爪動(dòng)作的最低點(diǎn)（在三爪卡盤中心軸線上）。
圖2-2 傳動(dòng)原理圖
2.2機(jī)械手控制方案選擇
2.2.1控制形式的選擇
根據(jù)機(jī)械手的控制形式，我們可以將機(jī)械手分為點(diǎn)位控制型機(jī)械手和連續(xù)軌跡控制型機(jī)械手兩種類型。
（1）空間兩個(gè)點(diǎn)之間的連接是點(diǎn)位控制型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡?？刂菩阅艿暮脡呐c控制點(diǎn)數(shù)的多少成正比。簡而言之，點(diǎn)數(shù)越多，性能越好。通過比較分析點(diǎn)位控制型基本能滿足各種要求，且結(jié)構(gòu)簡單。
(2) 空間的任意連續(xù)曲線是連續(xù)軌跡控制型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，它能在三維空間里做很復(fù)雜的動(dòng)作，工作性能比較完善，但控制部分較復(fù)雜。
對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)的用于數(shù)控機(jī)床上的裝夾機(jī)械手來說，由于機(jī)械手只在送料線，卸料線和數(shù)控機(jī)床上的幾個(gè)固定位置輪回旋轉(zhuǎn)，因此，點(diǎn)位控制型機(jī)械手能夠滿足我們的要求，我們就可以采用點(diǎn)位控制性機(jī)械手。
2.2.2手臂的坐標(biāo)形式選擇
手臂的基本坐標(biāo)形式主要有以下四種：①直角坐標(biāo)式，②圓柱坐標(biāo)式，③球坐標(biāo)式，④關(guān)節(jié)坐標(biāo)式。
（1）直角坐標(biāo)式機(jī)械手：當(dāng)機(jī)械手的工作位置成行排列或者當(dāng)機(jī)械手與傳送帶配合使用的時(shí)候，我們所采用的一種機(jī)械手。它的手臂只能沿直角坐標(biāo)中的X,Y,Z三個(gè)方向做直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的方式只能是直線的來回運(yùn)動(dòng)
(2) 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手：這種機(jī)械手被廣泛地運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中，主要被用來進(jìn)行工件的搬運(yùn)與測(cè)量等工作。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，比較直觀，機(jī)體占用的空間小，而且動(dòng)作范圍較廣。
（3）球坐標(biāo)式機(jī)械手：它的自由度比較多，應(yīng)用也較廣，主要用于一些較困難的場(chǎng)所，能夠完成較復(fù)雜的動(dòng)作。
（4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)械手：當(dāng)機(jī)械手的傳動(dòng)形式主要是靠近機(jī)體操作的時(shí)候，我們一般采用這種機(jī)械手。它擁有和人類相似的肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，可在多個(gè)自由度內(nèi)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，且擁有靈活的動(dòng)作，一般適用于作業(yè)空間狹小的情況。
綜合動(dòng)作范圍，復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是我們最優(yōu)化的選擇。
2.3機(jī)械手的總體構(gòu)成
包括底座，支架桿，擺動(dòng)氣缸，氣缸，連桿，手臂，手爪等。（詳見前面?zhèn)鲃?dòng)原理圖2-2 ）
A底座：能夠平移（沿著機(jī)床加工軸線方向），因此，底座下面應(yīng)架上兩條導(dǎo)軌
B支架桿：由于要承受機(jī)械手的大部分重量，且要安放氣缸，所以它必須有足夠的強(qiáng)度。
C擺動(dòng)氣缸：機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中有許多關(guān)鍵的部位需要設(shè)計(jì)，擺動(dòng)氣缸就是這些關(guān)鍵部位中的一個(gè)。在本次設(shè)計(jì)中，機(jī)械手主要在四個(gè)方位進(jìn)行輪回的旋轉(zhuǎn)。因此，機(jī)械手動(dòng)作的準(zhǔn)確程度與擺動(dòng)氣缸的旋轉(zhuǎn)精度有直接且緊密的聯(lián)系。
圖2-3 旋轉(zhuǎn)汽缸
D氣缸：氣缸的選擇的主要依據(jù)是我們所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的最大行程和最大負(fù)載。我們是 這樣設(shè)計(jì)的：當(dāng)氣缸行程為零時(shí)，此時(shí)機(jī)械手手爪所夾工件所在的軸線與數(shù)控機(jī)床上三爪卡盤的中心線重合；當(dāng)氣缸行程達(dá)到最大值時(shí)，機(jī)械手到達(dá)最高點(diǎn)（一定要高于數(shù)控機(jī)床，以免發(fā)生碰撞）。
圖 2- 4 普通汽缸
E連桿：連桿主要用來連接支架桿與手臂，由于其不是標(biāo)準(zhǔn)件，所以設(shè)計(jì)比較簡單。但需考慮的是連桿的長度，因?yàn)殚L度只能在某個(gè)值或者一定范圍內(nèi)時(shí)，氣缸承受的力最小，這樣就能最大化節(jié)約氣動(dòng)能源，同時(shí)也較好的保護(hù)了氣缸，延長了汽缸壽命。
F手臂：手臂和支架的長度，以及兩者之間的夾角大小直接決定了手爪部分的位置及其運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，手臂部分的設(shè)計(jì)主要要從手臂長度和它與支架所成夾角兩方面考慮。同時(shí)，為了保證機(jī)械手的通用性，將手臂設(shè)計(jì)成非固定狀態(tài)，即可以人為的調(diào)節(jié)手臂與支架之間的夾角。
G手爪部分：考慮到多為加工軸類，軸承等工件，確定選擇下圖中圖a的手爪式樣。
然后選擇氣壓驅(qū)動(dòng)的方式作為手爪部分的驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)方式。
圖2-5 手抓外形圖
第三章 床裝夾機(jī)械手的詳細(xì)設(shè)計(jì)
3.1手爪部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材
3.1.1手爪的裝配結(jié)構(gòu)
這一部分參照了機(jī)器人設(shè)計(jì)手冊(cè)上的一個(gè)樣圖，由于主要是用來夾持軸類零件，為了使設(shè)計(jì)的機(jī)械手滿足上述要求的性能，我們選擇用一個(gè)汽缸來推動(dòng)手爪滑塊來回滑動(dòng)，從而使得下圖中的最左端的抓齒部能夠不停地松開和閉合，滿足對(duì)工件的夾緊與松開的性能要求。如圖所示：
圖 3-1 手爪部件機(jī)構(gòu)圖
圖中，1為爪齒一，2為爪齒二，3為手爪底座，上面含有滑道，4為手爪的驅(qū)動(dòng)滑塊。5為待裝夾零件。
3.1.2手爪的工作過程
為了使機(jī)械手能夠?qū)ぜM(jìn)行夾緊和松開的操作，我們?cè)O(shè)計(jì)通過手爪滑塊來回滑動(dòng)來帶動(dòng)爪齒移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)手爪的松開與夾緊。如圖所示，當(dāng)手爪滑塊向左移動(dòng)時(shí)，在拉力作用下，爪齒一也跟著向右運(yùn)動(dòng)，而爪齒二的左右移動(dòng)被限制住，從而爪齒二無法向右移動(dòng)，只能繞著螺栓做逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工件的夾緊。反之，當(dāng)滑塊向右移動(dòng)的時(shí)候，爪齒一在牽引作用下跟著滑塊向右運(yùn)動(dòng)，爪齒二由于被螺栓限定住了左右的移動(dòng)，只能繞著螺栓順勢(shì)針旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工件的放松。手爪所能抓取的工件的最大直徑主要取決與和滑塊相連接的筆形汽缸的最大行程和手爪與機(jī)械手前臂之間的安裝距離。
3.1.3各部件的選材
由于爪齒一直接和工件接觸，要進(jìn)行工件的夾持和釋放的操作，所以會(huì)發(fā)生磨損，也需要承受一定強(qiáng)度的力，因此我們選擇45鋼作為爪齒一的制作材料，通過熱處理使其滿足我們對(duì)于爪齒一力學(xué)性能的要求，同時(shí)，對(duì)于手爪和工件的接觸位置，我們需要進(jìn)行滲碳處理。
圖3-2 爪齒一的主視圖
爪齒二的作用相當(dāng)于連桿，在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中，爪齒二不僅受到拉應(yīng)力的作用，還受壓應(yīng)力作用，受力比較復(fù)雜，我們可以選擇綜合力學(xué)性能比較優(yōu)越的
45鋼作為爪齒二的毛坯的材質(zhì)。
圖3-3爪齒二的主視圖
對(duì)于底座的選材，我們要十分注意。由于底座上有一個(gè)滑道，滑道表面粗糙度要求較高，還需要有一定的耐磨性，此外我們要保證手爪整體的重量足夠清，所以我們選取ZL102
圖3-4手爪底座的三視圖
滑塊部分是汽缸的第一執(zhí)行構(gòu)件，一方面要承受一定的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，所以滑塊部分本身需要有足夠的強(qiáng)度。另一方面滑塊需要和手抓底座配合，組成一個(gè)移動(dòng)副，因此滑塊的地面和側(cè)面需要有較強(qiáng)的耐磨性，綜合考慮我們選用ZCuZn38Mn2pb2。這是一種合金材料，性能滿足要求。
圖3-5 手爪驅(qū)動(dòng)滑塊的正視圖
3.2手臂的組成與結(jié)構(gòu)分析
3.2.1 前臂的組成與結(jié)構(gòu)分析
前臂的裝配圖如下圖所示，它有前臂左端部分，右端可調(diào)部分，螺紋套筒構(gòu)成：
圖3-6 前臂的結(jié)構(gòu)
圖中1是前臂左端部分 ，2是螺紋套筒，3是前臂右端可調(diào)部分
它們之間通過螺紋配合相連接，其中左端采用是右旋螺紋，套筒同樣采用右旋螺紋，而左端采用的是左旋螺紋。套筒在進(jìn)行順時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，以套筒作為參考，左端部分相對(duì)于套筒向右移動(dòng)，而右端相對(duì)于套筒向左移動(dòng)，所以它們兩者間距離縮短，前臂總長減??；套筒反方向旋轉(zhuǎn)，左端與右端的距離增加，前臂長度增大。通過這種方法，我們可以調(diào)節(jié)臂總長，當(dāng)然這只能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)距離調(diào)好后，我們可通過壓緊螺母進(jìn)行固定。
左端部分：此部件的選材最大的基準(zhǔn)就是減輕部件的重量，同時(shí)滿足強(qiáng)度要求，由于載荷不是很大，所以可以選擇質(zhì)量較輕的鋁合金件。
圖3-7 前臂左端部件的三視圖簡圖
右端部分：右端部件的選擇原則和左端部件的選擇部件是一樣的，因此選用鋁合金材質(zhì)。
圖3-8 前臂的右端部分三視圖簡圖
3.2.2 中臂的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
中臂的右側(cè)直接與支座上部相連，而左側(cè)直接與前臂的右端部分相連，中臂只有一個(gè)組件，如下圖所示：
圖3-9 中臂的主視圖
其中孔A是與前臂的連接孔，孔B的作用主要是用來與可調(diào)支撐連接的，孔C裝上滾輪滾針軸承，D孔也是裝滾輪滾針軸承的
中臂主要是起過度的作用，主要就是為了傳遞力和位移，與汽缸、可調(diào)支承、前臂、上立柱相互連接。A孔處的關(guān)節(jié)僅僅在進(jìn)行可調(diào)支撐調(diào)節(jié)的時(shí)候才發(fā)生運(yùn)動(dòng)，所以這兒的連接形式采用鉸制孔用螺栓連接，同理，B孔處的連接也用鉸制孔用螺栓連接；孔C處的連接是經(jīng)過汽缸連接件同直動(dòng)式氣缸相連接，所以在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中，要不停的進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此摩擦系數(shù)必須很小以方便旋轉(zhuǎn)，我們可選擇滾輪滾針軸承連接。孔D的設(shè)計(jì)也是和孔C相似的。中臂的中間和右半部分都要放置軸承，而且還要連接汽缸，左端部分還要同前臂的右側(cè)連接，所以說，中臂是整個(gè)機(jī)械手的連接樞紐。中臂的精度和強(qiáng)度直接影響著整個(gè)機(jī)械手的操作。
中臂作為機(jī)械手中的一個(gè)重要大件。它的主要作用就是承受工件和前臂重量，但是考慮到整體質(zhì)量的限制，我們必須在保證強(qiáng)度要求的情況下盡量減輕中臂的重量。所以我們可以采用空心結(jié)構(gòu)的中臂，并每隔一段距離設(shè)置一個(gè)加強(qiáng)筋，保證強(qiáng)度和剛度。承受重量的主要是兩側(cè)的實(shí)心部分，綜合考慮，選用材質(zhì)為ZL-103。
3.3 底座的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
底座：底座在機(jī)械手中的作用就是支撐整個(gè)機(jī)械手的重量，需要滿足一定的強(qiáng)度，底座的基本形狀如下：
圖3-10 底座
上面主要與立柱通過螺栓相連接，，下面為燕尾槽形（簡單可設(shè)計(jì)成矩形，但燕尾槽形綜合性能更優(yōu)越）與導(dǎo)軌相連接，導(dǎo)軌也是燕尾槽形，這樣能保證安裝完畢后，導(dǎo)軌和底座之間的配合公差滿足設(shè)計(jì)要求。 底座在承受整個(gè)機(jī)械手的重量的同時(shí)還要考慮有一定的抗震動(dòng)性能，綜合考慮選用HT200。
3.4 立柱的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.4.1 上立柱的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-11上立柱的主、左視圖
上立柱的結(jié)構(gòu)比較簡單，總的來說就是上部分是一個(gè)耳片，耳片作用是和中臂相連接，左端也有一個(gè)耳片，用來和直動(dòng)式氣缸相連接。耳片的下方設(shè)有一個(gè)加強(qiáng)筋，用來提高承載能力。底端是圓形片體，上面有4個(gè)直徑12mm的光孔，通過螺栓連接到下面的擺動(dòng)汽缸。底端鉆有孔，并加工出鍵槽，通過鍵和擺動(dòng)氣缸的軸相連接，從而達(dá)到傳遞扭矩的目的。
由于旋轉(zhuǎn)氣壓缸需要承受上立柱的重量，為保證旋轉(zhuǎn)氣壓缸不受損害，上立柱的制造材料可以選擇材質(zhì)較輕的原料，這里我們選擇ZL-103.，通過熱處理來增強(qiáng)它的力學(xué)性能。
3.4.2 下立柱的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-12 下立柱的主視圖
下立柱的結(jié)構(gòu)主要是帶有方形地盤的圓柱狀空心筒柱，其上端面主要布設(shè)四個(gè)螺紋孔，和上面的擺動(dòng)汽缸進(jìn)行連接，而下端的地盤也布置四個(gè)孔，但這里是不是螺紋孔而是鉸制孔，與機(jī)械手底座通過螺栓連接。
下立柱主要和底座連接，與底座一起承受載荷，所以選用HT200
3.5可調(diào)支撐的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，我們將一個(gè)可調(diào)支撐組建安裝在中臂和前臂之間，位置如下圖圓圈內(nèi)所示：
圖3-13 機(jī)械手總裝圖
3.5.1可調(diào)支撐的結(jié)構(gòu)分析與作用
圖3-14可調(diào)支撐的結(jié)構(gòu)
1是可調(diào)支撐的左端部件，2為旋轉(zhuǎn)螺母.3為可調(diào)支撐右端蓋，4為螺桿，7，8，9為螺栓螺母和墊圈。
可調(diào)支撐的作用：
（1）可調(diào)支撐主要被用來連接前臂和中臂，發(fā)揮支撐定位作用
（2）如果需要調(diào)節(jié)中臂與前臂之間的角度，我們可以通過調(diào)節(jié)可調(diào)支撐長度來實(shí)現(xiàn)，從而來確定手爪安裝角度。
（3）同時(shí)可調(diào)支撐還增加了機(jī)械手的通用性能
3.5.2可調(diào)支撐的工作原理：
螺母2與螺桿4采用螺紋配合，如果需要調(diào)節(jié)，我們可以將螺栓連接部分松開（圖中部件7、8、9），旋轉(zhuǎn)螺母2，迫使螺桿4軸向向左或是向右移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)我們所需要的長度，調(diào)整完畢后再擰緊螺栓。機(jī)械手在實(shí)際工作環(huán)境中的狀態(tài)不可能是水平的，一定會(huì)傾斜一定的角度，所以圖中1和2兩者會(huì)緊密結(jié)合，這也使得我們調(diào)節(jié)起來比較方便。
3.5.3可調(diào)支撐的選材。
零件1和3主要受手爪以及前臂的分力的作用，而前臂和手爪本身重量較輕，我們可以選擇ZL-103材質(zhì)的毛坯，經(jīng)過適當(dāng)熱處理，使其力學(xué)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。零件2和4之間采用螺紋配合，并且受到軸向的應(yīng)力作用，所以螺紋的牙的強(qiáng)度要求較高，而且需要有很高的耐磨性，綜合考慮，我們選用ZCuZn38Mn2pb2。
第四章 計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)和解決方法
4.1 遇到的問題：
4.1.1 關(guān)于擺動(dòng)汽缸
在設(shè)計(jì)初期，一直不能解決的問題就是關(guān)于擺動(dòng)汽缸的選擇問題，根據(jù)前面的流程圖可以看出，設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床機(jī)械手只是在四個(gè)位置輪回旋轉(zhuǎn)（包括送料線，卸料線，和數(shù)控機(jī)床附近的兩個(gè)點(diǎn)位）。后來假想：如果將機(jī)械手放置在中間（圖中圓心），而左右兩邊圓上兩點(diǎn)正好安置送料線和卸料線，并使兩者所在位置點(diǎn)相連通過機(jī)械手中心位置（圓心），成180度；在90度的位置點(diǎn)處，作為機(jī)械手剛開始將工件送進(jìn)三爪卡盤的位置點(diǎn)，而在95度位置點(diǎn)處，作為機(jī)械手準(zhǔn)備將
工件送進(jìn)三爪卡盤的位置點(diǎn)處。如下圖所示：
圖4-1 機(jī)械手動(dòng)作流程
4.1.2所夾持工件的長度和大小的確定
設(shè)計(jì)出來的機(jī)械手就應(yīng)該有其實(shí)用價(jià)值，僅僅是理論上空洞的研究，并非目的所在。裝夾機(jī)械手有通用性，但通用性也是有限度的，并非什么樣大小的工件都能夾持，它肯定只能在一定范圍內(nèi)才是裝夾機(jī)械手所能承受的。設(shè)計(jì)初期，一直不知道該用什么方法來確定工件長度及其大小。
4.2 解決方法
4.2.1 擺動(dòng)汽缸
（1）考慮在一般的旋轉(zhuǎn)汽缸中加入接近開關(guān)。
接近開關(guān)：接近開關(guān)中含有位移傳感器，這是一種能感知位移的電氣元件。通過傳感器對(duì)位移的感知能力來控制開關(guān)的斷開與閉合。當(dāng)物體靠近接近開關(guān)時(shí)，一定距離內(nèi)位移傳感器才會(huì)感知，我們把距離叫作“檢出距離”。接近開關(guān)的型號(hào)和規(guī)格不同，“檢出距離”就不一樣。接近開關(guān)檢測(cè)對(duì)象的響應(yīng)能力稱為接近開關(guān)的“響應(yīng)頻率”。不同的接近開關(guān)，“響應(yīng)頻率”也存在很大的差異。
但是接近開關(guān)過于復(fù)雜，而且不符合簡單經(jīng)濟(jì)原則，因此不予采納。
（2）選擇齒輪齒條旋轉(zhuǎn)汽缸
在選擇汽缸過程中，后來發(fā)現(xiàn)一種類型的齒輪齒條擺動(dòng)汽缸，它的最大轉(zhuǎn)角為180度，且能以5度的單位來旋轉(zhuǎn)，正好符合我們的要求。
4.2.2 所夾持工件長度及大小的確定
解決方法：靈活運(yùn)用數(shù)學(xué)中的反證法，待定系數(shù)法，綜合考慮各種因素，最終求得了工件的長度取值極限。在此長度范圍內(nèi)，工件在裝夾過程中就不會(huì)與三爪卡盤端面發(fā)生干涉。詳盡計(jì)算過程如下：
圖4-2 加持示意圖
為卡盤的中心線，O為旋轉(zhuǎn)氣缸的旋轉(zhuǎn)中心，R為該旋轉(zhuǎn)中心到機(jī)床卡盤的旋轉(zhuǎn)距離，E為手爪夾持工件的中心點(diǎn)，P為工件端面的中心點(diǎn)，r為工件的半徑；EP為工件長度的一半，長度為L；以O(shè)為圓心R為半徑的圓是E點(diǎn)軌跡，以O(shè)P為半徑的圓是點(diǎn)P的軌跡，S是旋轉(zhuǎn)中心O與卡盤端面的距離（可調(diào)），P1,P2,P3,分別為P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的三個(gè)不同的位置點(diǎn)，其中P2是工件剛進(jìn)入裝夾的軌跡點(diǎn)。P3為完成裝夾時(shí)的P的軌跡點(diǎn)，其中O1P3的距離為△L,表示裝夾深度，R1代表卡盤的
最大張合半徑。其中有一重要的表達(dá)式：
△L + S = L （1）
其中P處于P2點(diǎn)處，是工件能否與卡盤發(fā)生干涉的重要點(diǎn)，倘若此點(diǎn)不發(fā)生干涉，則在整個(gè)裝夾過程中，斗不會(huì)發(fā)生干涉。
應(yīng)此不發(fā)生干涉的條件可以歸結(jié)如下：
S1 + r ≦ R1 （2）
OP== ,S1=-R=-R （3）
將OP的值帶入（3）式有:
S1=-R (4)
（2）式取等號(hào)時(shí)，表示裝夾不發(fā)生干涉的極限位置，此時(shí)數(shù)據(jù)帶入（4）式則有:
L= (5)
(5) 式中有三個(gè)變量，L、、r.這三個(gè)量是我們自己根據(jù)工件自己定的，為了探究其中的關(guān)系有如下方案：
假定的值
也就是裝夾深度為以固定的值；若要安全裝夾的最小深度為（一般為5個(gè)毫米以上），卡盤的最大裝夾深度為,則必須滿足一下條件：
≦ ≦
現(xiàn)在約定=25mm，討論如下：
當(dāng)S1=5mm時(shí)，由式（4）得：
L = 385.625mm
當(dāng)S1=10mm時(shí)，有式（4）得：
L = 762.5mm
可見，L變化很大，而S1只有很小的變化，如此不妨我們先假設(shè)好L的最大取值，然后得出S1的大小，在定出工件的最大半徑，然后初定下后，在根據(jù)式（5）反求L的長度，看是否滿足要求。
一般數(shù)控機(jī)床，加工軸類零件式，他的總長一般在600mm以下（具體情況使各種機(jī)床而定），這里暫定600mm，則L=300mm，帶入（4）有：
S1=3.86.卡盤的最大裝夾直徑R1=40mm，則：
=R1-S1=40-3.86=36.16
考慮到各種誤差，我們適當(dāng)縮小半徑，取=36mm，
將其帶入（5）式有：
L =
=
=311mm≧300mm
L的最小值的確定
因?yàn)長的最小值的確定，主要受限于工件的實(shí)際的裝夾的深度，和手爪的寬度（要防止手爪的側(cè)面和卡盤的斷面發(fā)生干涉），考慮到次，手抓的寬度定在40mm左右，加上裝夾深度，定=20+20=40，所以工件的長度為80mm（其實(shí)此時(shí)可以適當(dāng)降低裝夾深度，以減少工件的下限值，比如可以取=10,則此時(shí)的工件的最小的長度為60mm）。
所以綜上有工件的的范圍為 80mm≦≦600mm
注：1， 以上的數(shù)據(jù)是鑒于手爪的夾持點(diǎn)為工件的中點(diǎn)時(shí)得出的工件總長，工件總長為=2L,其實(shí)工件的實(shí)際長度可適當(dāng)調(diào)整，手爪另一端的伸出長度可以設(shè)當(dāng)放大點(diǎn)和縮小點(diǎn)，即在L的左右波動(dòng)，只要滿足夾緊可靠，不易松動(dòng)，工件在手爪上應(yīng)有較好的平衡，所一實(shí)際的工件長度應(yīng)是在以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上適當(dāng)可調(diào)的，以上乃理論值。
2.因?yàn)槭枪潭?所以，當(dāng)L值一旦定了，則S由式（1）知，也就是確定的。有兩種方法來調(diào)整S與L
法1：當(dāng)每次裝夾的工件長度變化不大時(shí)，在能夠穩(wěn)定抓取工件的基礎(chǔ)上，可以通過調(diào)整手爪的裝夾點(diǎn)的位置，以保證L的值大體不變，則就不需要重新調(diào)整S的值，
法2：當(dāng)相鄰兩次變更的工件的長度相差很大，且工件的長度比較大，手爪的裝夾點(diǎn)的調(diào)整和最大的裝夾深度已不能適應(yīng)長度的變化了，此時(shí)可以調(diào)整S的值，是S=L-, 已完全適應(yīng)工件的變化，S的調(diào)整，主要是通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的橫向位置來實(shí)現(xiàn)的，通過底座的軌道來調(diào)節(jié)。當(dāng)S發(fā)生變化時(shí)，將帶來一個(gè)新的問題：手爪在毛胚區(qū)的的位置也將發(fā)生改變，造成了手爪不能到達(dá)原來的抓取點(diǎn)，為了解決這一問題，可以將毛胚工作臺(tái)做成橫向可調(diào)，以適應(yīng)S的變化。
第五章 結(jié)論與展望
5.1 結(jié)論
本論文研究和探索了機(jī)械手設(shè)計(jì)的各種方案及需要解決的主要問題；機(jī)械手設(shè)計(jì)的必須步驟和原理；在設(shè)計(jì)過程中，不斷使用Pro/E,CAXA,CAD三個(gè)軟件，進(jìn)一步熟悉和掌握了這幾個(gè)軟件。
最后，基本設(shè)計(jì)出了符合要求的數(shù)控機(jī)床機(jī)械裝夾機(jī)械手，該機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)較為合理，其中不少部件是自己設(shè)計(jì)的，部分是參照一些書籍將結(jié)構(gòu)做些調(diào)整后得出，剩下的一些，如汽缸等，則為標(biāo)準(zhǔn)件。
開發(fā)設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床 裝夾機(jī)械手，是具有很大現(xiàn)實(shí)意義的。該機(jī)械手如果投入生產(chǎn)，所需成本并不高，而且不算復(fù)雜，因此能夠解決當(dāng)前中小型企業(yè)所需，是中小型企業(yè)的較為理想的選擇
5.2 展望
以后具體要做的工作：
繼續(xù)探討和研究機(jī)械手，并要適當(dāng)借鑒別人成功的范例，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更為合理，更經(jīng)濟(jì)的機(jī)械手；
根據(jù)不同廠家的不同要求，在設(shè)計(jì)方法，步驟，基本原理不變的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出用戶所需的機(jī)械手，滿足用戶個(gè)性化的需要；
做好機(jī)械手的維護(hù)工作，并設(shè)計(jì)能檢驗(yàn)機(jī)械手是否合格，是否達(dá)到工作要求的儀器。
致 謝
時(shí)間過的很快，轉(zhuǎn)眼間為期一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了。經(jīng)過了一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)和努力，我終于完成了《數(shù)控機(jī)床裝夾機(jī)械手的研制》的論文，從開始接到論文題目到圖紙的實(shí)現(xiàn)，再到論文文章的完成，每走一步對(duì)我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學(xué)期間完成的最大的項(xiàng)目。 在這段時(shí)間里，從到圖書館查找資料到對(duì)機(jī)械手各解構(gòu)精度分析與計(jì)算和運(yùn)用CAXA畫出總裝圖、零件圖到最后任務(wù)完成，都對(duì)我所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了檢驗(yàn)。我學(xué)到了很多知識(shí)也有很多感受，對(duì)CAXA軟件，加工工藝及工裝設(shè)計(jì)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。我學(xué)會(huì)了獨(dú)立的學(xué)習(xí)和試驗(yàn)，查看相關(guān)的資料和書籍，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，使自己非常稚嫩的作品一步步完善起來，每一次改進(jìn)都是我學(xué)習(xí)的收獲，每一次試驗(yàn)的成功都會(huì)讓我興奮好一段時(shí)間。
設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你的思路是成功的，那你的設(shè)計(jì)就已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備，像查找詳細(xì)的資料，為我們?cè)O(shè)計(jì)的成功打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。制作過程是一個(gè)考驗(yàn)人耐心、細(xì)心的過程，不能有絲毫急躁、馬虎，要心平氣合的一步一步來。 當(dāng)看著自己設(shè)計(jì)的論文，在每天的日益完善不斷地漸漸成熟，真是莫大的幸福和欣慰。
這次做論文的經(jīng)歷也會(huì)使我終身受益，我感受到做設(shè)計(jì)是要真正地用心去做的一件事情，是真正的自己學(xué)習(xí)的過程和研究的過程，沒有學(xué)習(xí)就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會(huì)有所突破，那也就不叫設(shè)計(jì)了。希望這次的經(jīng)歷能讓我在以后學(xué)習(xí)中激勵(lì)我繼續(xù)進(jìn)步。
最后衷心的感謝各位在本次設(shè)計(jì)中給與我?guī)椭椭笇?dǎo)的人。
衷心感謝龐老師，給予我的極大幫助，在計(jì)劃安排、研究方案確定、論文寫作等諸多方面，無不凝聚著老師的心血和汗水,老師嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的治學(xué)風(fēng)范、民主指導(dǎo)方式更使我終身受益，在此致以崇高的敬意和深深的謝意。
感謝各位學(xué)長的指導(dǎo)，各位同學(xué)的幫助。當(dāng)我有問題的時(shí)候總是耐心地講解給我聽，幫助我修改論文設(shè)計(jì)中不合理的地方，這種樂于助人的精神值得我們學(xué)習(xí)和發(fā)揚(yáng)。
同時(shí)感謝我的父母，二十多年的默默關(guān)愛和悉心教育讓我倍感溫暖，在今后的學(xué)習(xí)和工作中，我將繼續(xù)努力，不斷進(jìn)步。
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