夾片自動上下料機構的設計,自動,上下,機構,設計 畢業(yè)設計（論文）中期報告 設計題目：夾片自動上下料機構的設計 1 設計（論文）進展狀況 1.1 對于在開題答辯中，老師對我的總體設計，開題報告中提出的相關問題，我修改了部分設計，并通過了指導老師的檢查，完善了開題報告的內容和格式。 1.2 通過互聯(lián)網找到并且選定一篇與本課題有關外文文獻，并將其按要求翻譯，最終按論文格式排版。 1.3通過查閱書籍資料，進行相關參數(shù)的選擇和設計。重要內容是夾片的相關數(shù)據(jù)計算和自動上下料結構的倆個主體部分，手部抓取部分和主體移動部分的結構設計和參數(shù)計算。 結合相關的計算方法，對這倆部分設計進行初步計算。 本次設計的主要部分是手部抓取和主體移動倆大部分。手部抓取部分是用來抓取夾具的，我采用的是外卡式倆指鉗爪。主題移動部分，是為了使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。主題移動部分一般由液壓、氣動、電氣裝置驅動。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。本次設計要求實現(xiàn)倆個自由度為水平行程480mm，豎直行程100mm。 初步總體方案設計如圖1所示： 圖1 初步總體方案設計圖 其中手部抓取部分的工作原理是：加緊方式用常閉式彈簧夾緊，松開時用單作用式氣缸。此結構較為簡單，制造方便。主題移動部分采用倆種不同的驅動方式，由于水平形成大，選擇氣缸驅動，豎直方向選則步進電機驅動絲杠實現(xiàn)上升動作。 根據(jù)設計所需，我們選用步進電機電機型號為92BL-4030H1-LK-B，電機額定功率為0.4kw，額定轉矩為1.3N.m，最大轉矩為2.6N.m，額定轉速為 3000r∕min。 氣缸的選擇，通常情況下，驅動氣缸動作的氣壓值一般在0.5~0.7MPa之間，在這里，我們以P=0.5MPa的數(shù)值來計算設計計算，進而對氣缸來進行選型。 假設滑塊、導軌，以及步進電機、安裝版，氣動手指等等的總重為50KG,那么根據(jù)公式可以知道：要想推動重量50㎏的物體動作，那么氣缸的推力必須大于總重GX與導軌的摩擦力。那么有 這里我們選擇63缸勁的氣缸。 手指夾在工件上的夾緊力是設計手部的重要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件的重力所產生的靜載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按下列公式計算： 式中： —安全系數(shù)，由機械手的工藝及設計要求確定，通常選取1.2—2.0，我們取1.5； —工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，計算最大加速度，得出工作情況系數(shù)K3，a為機器人搬運工件過程中的加速度或減速度的絕對值； —方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定， 手指與工件位置：手指水平放置，工件垂直放置； 手指與工件形狀：V型指端夾持片狀工件。 —被抓取工件的重量； 求得夾緊力: 2 存在問題及解決措施 存在問題： ①主體移動部分步進電機工作原理還不太清楚。 ②在夾片上下料機構的運行周期上面還有一些問題。 ③裝配圖的繪制。 解決措施： 通過查找相關資料和文獻進行數(shù)據(jù)的處理和計算，來解決存在的問題。 3 后期工作安排 3.1完成零件的相關數(shù)據(jù)的計算并進行校核計算，完善裝配圖，并且進行部分零件圖的繪制。 3.2撰寫畢業(yè)論文，準備畢業(yè)答辯。 指導教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計(論文)開題報告 題目：夾片自動上下料機構的設計 1. 畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內外相關研究情況） 題目背景、研究意義： 夾片是預應力工程中不可缺少的一個重要零件。在各類橋梁、超重超大構件提升、橋梁轉體等領域的工程施工中，都會用到大量的錨具和夾片。在夾片加工過程中，如車削小端面、外錐、內錐、倒角等加工工序時，要把夾片送上數(shù)控車床高速旋轉的主軸上的脹緊套上。由于車床主軸高速旋轉，對手工上料的操作工人存在極大的安全隱患。尤其是隨著生產規(guī)模的擴大，工人每天勞動8個小時，在這8個小時內，都是在不停的做上料、下料、檢測工作，這些工作簡單而且不用多大的力氣，但都是無休止的重復勞動，要耗費大量的精力，一旦工人疲勞了就可能走神而發(fā)生意外事故，安全隱患時刻威脅著操作工人。為此我們設計了夾片車削時的自動上下料機構，以降低工人的勞動強度，提高勞動生產率，同時保障工人的人身安全。 國內外相關研究情況： 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。 (2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 2. 本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 主要研究內容： （1）根據(jù)組合機構的運動學原理，設計一個組合機構，應用于夾片自動上下料機構中。預設該自動上下料機構的運動行程為：水平搬運行程為480mm，豎直行程為100mm。? （2）應用機械制圖的專業(yè)知識，繪制該夾片上下料機構的裝配圖和零件圖。 擬采用的研究方案： 夾片的零件圖如圖1所示。 圖1夾片零件圖 其加工流程主要經過以下11道工序： 下料→擠壓外錐面→鉆內孔、鉸孔→打鋼字→車小端面、外錐(含槽)、內錐、倒角→車內錐→攻牙→鋸開→熱處理→滾砂→包裝。 在完成車削小端面、外錐(含槽)、內錐、倒角等加工工序時，只要把夾片送到數(shù)控車床高速旋轉的主軸上的脹緊套上即可，操作十分簡單。但車床主軸高速旋轉，對手工上料的操作工人存在極大的安全隱患。 為此我設計了夾片車削時的自動上下料機構，來改善工人的制造環(huán)境。整個自動上料機構主要分兩部分，手部抓取部分與主體移動部分： 手部結構采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，松開時，用單作用式氣缸，此種結構較為簡單，制造方便。結構示意圖如下圖2所示： 圖2手部結構圖 主體移動部分擬采用兩種方案： 1. 方案一采用氣缸的形式來實現(xiàn)平移和上升兩個自由度。氣缸的原理及結構簡 單，易于安裝維護，對于使用者的要求不高。氣缸的動作迅速、反應快，控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構都非常簡單，每個氣缸只需配置一個電磁閥就可完成氣路的切換，進行運動控制，氣缸發(fā)生故障的概率也比較小，維護簡單方便，成本也低。此方案的結構簡圖如下圖3所示： 圖3方案一主體移動部分機構圖 2. 方案二采用兩組步進電機帶動絲杠實現(xiàn)兩個方向的自由度。此方案的優(yōu)點是 定位精度高，但是動作緩慢，影響效率，結構復雜，成本也高。此方案結構簡圖如下圖4所示： 圖4方案二主要體移動部分機構圖 由于本設計要實現(xiàn)的兩個自由度為水平行程480mm，豎直行程100mm。分析發(fā)現(xiàn)，水平的行程較大，如若采用電機驅動則耗費時間很長，嚴重影響工件加工的效率。而豎直行程較短，為了使工件定位精度更高，可采用電機驅動。綜合以上兩個方案的優(yōu)缺點，最終選擇的方案為水平方向采用氣缸驅動，而豎直方向則采用步進電機驅動絲杠實現(xiàn)上升動作。最終方案簡圖如下圖5所示： 圖5最終方案主體移動部分結構圖 3. 本課題研究的重點及難點，前期已開展工作 本課題研究的重點： 此設計的重點主要是定位精度，定位精度直接影響到工件的加工精度。另一方面， 整個上料機構的一個周期時間也是很重要的方面，直接影響到工件加工的效率。 前期已開展工作： 查找了大量資料，首先了解了夾片的用途及零件尺寸圖，其次對于整個上料機構的方案進行了多方面的研究及對比，最終確定了該機構方案。 4. 完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫） 第1~3周：調研并收集資料，撰寫開題報告，進行開題答辯。 第4~6周：確定該機構的設計方案和整體結構。 第7~11周：完成該機構的機構設計計算。 第12~15周：完成夾片上下料機構的裝配圖。 第16~18周：完成論文撰寫，準備答辯。 5 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導教師： 年 月 日 6 所在系審查意見： 系主管領導： 年 月 日 參考文獻 [1] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社，2004. 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The design can effectively solve the clamping piece when turning the up-down material problem. Keywords: Clip；Up and down the institution；Design 目 錄 1 緒論 1 1.1課題背景及研究意義 1 1.2國內外相關研究情況 1 1.2.1國內外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: 1 1.2.2機器人未來的發(fā)展趨勢 2 1.3本文研究主要內容 4 2 總體設計方案的擬定 5 2.1 夾片的選擇 5 2.2驅動方式 5 2.3手部抓取部分的選擇和設計 6 2.3.1機械手手部的類型 6 2.3.2 機械手手部設計的基本要求 7 2.4主體移動部分的選擇和設計 8 2.4.1 主體方案一 8 2.4.2主體方案二 9 2.4.3最終方案 9 2.5豎直位移電機驅動的選擇 10 2.6減速器的選擇 11 2.7水平位移氣缸驅動的選型 11 2.7.1氣缸選用的基本原則是： 11 2.7.2氣缸的最終選型 13 3 整體結構的計算 15 3.1夾緊力的計算 15 3.2步進電機的計算 15 3.2.1確定運行時間 15 3.2.2電機轉速 16 3.2.3負載轉矩 16 3.2.4負載慣量 16 3.2.5電機轉矩 17 3.3氣缸的計算 17 結論 19 致謝 20 參考文獻 21 畢業(yè)設計（論文）知識產權聲明 22 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 23 17 1 緒 論 1.1課題背景及研究意義 進入21世紀，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現(xiàn)了大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動生產率，降低人工的勞動強度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，將機械手，應用于工業(yè)自動化生產線，把工業(yè)產品從一條生產線搬運到另外一條生產線，實現(xiàn)自動化生產，減輕產業(yè)公認的大量重復性勞動，同時又可以提高勞動生產率。 夾片是預應力工程中不可缺少的一個重要零件。在各類橋梁、超重超大構件提升、橋梁轉體等領域的工程施工中，都會用到大量的錨具和夾片。在夾片加工過程中，如車削小端面、外錐、內錐、倒角等加工工序時，要把夾片送上數(shù)控車床高速旋轉的主軸上的脹緊套上。由于車床主軸高速旋轉，對手工上料的操作工人存在極大的安全隱患。尤其是隨著生產規(guī)模的擴大，工人每天勞動8個小時，在這8個小時內，都是在不停的做上料、下料、檢測工作，這些工作簡單而且不用多大的力氣，但都是無休止的重復勞動，要耗費大量的精力，一旦工人疲勞了就可能走神而發(fā)生意外事故，安全隱患時刻威脅著操作工人。為此設計了夾片車削時的自動上下料機構，以降低工人的勞動強度，提高勞動生產率，同時保障工人的人身安全。 1.2國內外相關研究情況 1.2.1國內外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1) 工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。 (2) 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 (3) 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高 系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4) 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5) 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6) 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7) 機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 1.2.2機器人未來的發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產技術的提高，機器人設計生產能力進一步的得到加強，尤其當機器人的生產與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的工人操作狀態(tài)，提高了生產效率。 在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要胭脂示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據(jù)不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，手藝便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的夾緊機構，即可組成不同用途的機械手。即便于設計制造，有利于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。 此外還應大力研究伺服型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在國外機械設計制造中工業(yè)機械手應用很多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及電焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。 此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研究具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外加條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生少許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定的成績。 視覺功能即在機械手上面安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。 觸覺功能即是在機械手上面安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內的壓力敏感元件產生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。收的抓力大小通過安裝在手指內部的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小?？傊S著傳感技術的發(fā)展，機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。 更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本上改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： (1) 提高運動速度和運動精度，較少重量和占地空間。加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、檢測模塊、控制模塊組成結構不同的機器人； (2) 開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構用于保證精度；開發(fā)多關節(jié)自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合。 (3) 研制各類傳感器及檢測元件器，如，觸覺、嗅覺、視覺、聽覺、味覺和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。 1.3本文研究主要內容 對于夾片上下料機構的設計，擬定了一下幾點主要內容： （1） 整體結構方案進行設計，完成裝置手部抓取部分，主體移動部分的設計，選擇驅動方式，選擇好整體設計方案，計算好參數(shù)。 （2） 選擇Auto CAD為設計開發(fā)工具，完成夾片自動上下料機構的總體設計。 （3） 完成整體結構的一些關鍵零件的設計。 2 總體設計方案的擬定 2.1 夾片的選擇 此次畢業(yè)設計的夾片自動上料機構的搬運對象是機械零件—夾片，為薄壁錐套類零件，內表面是一鋸齒形牙型，外錐表面有環(huán)槽和縱槽，材料為錳鋼，夾片的零件圖，如圖2.1所示。 圖2.1 夾片零件圖 其加工流程主要經過以下１１道工序：下料－＞擠壓外錐面－＞鉆內孔、鉸孔－＞打鋼字－＞車小端面、外錐（含槽）、內錐、倒角－＞車內錐－＞攻牙－＞鋸開－＞熱處理－＞滾砂－＞包裝。在完成車削小端面、外錐（含槽）、內錐、倒角等加工工序時，只要把夾片送到數(shù)控車床高速旋轉的主軸上的脹緊套上即可，操作十分簡單。但車床主軸高速旋轉，對手工上料的操作工人存在極大的安全隱患。為此我設計了夾片車削時的自動上下料機構，來改善工人的制造環(huán)境。整個自動上料機構主要分兩部分，手部抓取部分與主體驅動部分。 2.2驅動方式 整個設計的驅動部分需要三個動力源。手部抓取、水平方向的移動和豎直方向的升降。工業(yè)機器人常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種類型。這三種類型各有所長，各種驅動方式的特點如下： 液壓驅動：利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無極調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。其相應速度很高，體積小，結構緊湊，密封較好。安全性比較高，防爆性能較好。但液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境容易造成污染。適用于重載、低速驅動。 氣壓驅動：氣體壓縮性較大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高進度的連續(xù)軌跡控制。響應速度較高，結構適當，執(zhí)行機構可標準化，模擬化，易實現(xiàn)直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小。其安全性能好，高于1000kPa（10個大氣壓）是應注意設備的抗壓性。對環(huán)境有影響，排氣時有噪音。適用于中小負載驅動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人。其生產成本低，較為方便。 電機驅動：控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜。響應速度很高。伺服電驅動易于標準化，結構性能好，噪聲低，電動機一般需要配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅動，結構緊湊，無密封問題。安全性能好，設備自身無爆炸和火災危險，直流電有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差。電機驅動適用于中小負載、要求具有較高的位置控制進度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，成本較高，較復雜。 機器人驅動系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，通常對于機器人的驅動系統(tǒng)的要求有： （1） 驅動系統(tǒng)的質量盡可能較輕，單位質量的輸出功率較高，效率也要搞； （2） 反應速度要快，即要求力矩質量和力矩轉動慣量比較大，能夠進行頻繁的起、制動，正反切換； （3） 驅動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差較??； （4） 安全可靠； （5） 操作和維護方便； （6） 對環(huán)境無污染，噪聲要?。? （7） 經濟上合理，尤其要經量減少占地面積。 2.3手部抓取部分的選擇和設計 2.3.1機械手手部的類型 工業(yè)機器人得手又被成為末端執(zhí)行器，它使機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專業(yè)工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人的手動作的功能，并安裝機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾種類型： （1） 夾鉗式取料手 （2） 吸附式取料手 （3） 專用操作器及轉換器 （4） 仿生多指靈巧手 2.3.2 機械手手部設計的基本要求 （1） 有適當?shù)膴A緊力 手部在工作時，應具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不會損壞工件的以加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計的可以調節(jié)，對于笨重的工件應該考慮采用自鎖安全裝置。 （2） 有足夠的開閉范圍 夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與很多因素有關，如工件的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍較大一些好。 （3） 力求結構簡單，重量輕，體積小 手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結構、重量和體積直接影響整個機械手的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。 （4） 手指應該有一定的剛度和強度。 （5） 其他要求 本文設計對象為夾片自動上下料機器人，并不需要多復雜的人工指，之需要設計能從不同角度抓取和放下夾片的鉗形指。 手指是直接與夾片接觸的部件。手指的松開和夾緊夾片，是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。本文設計手部結構采用最常用的外卡式兩指鉗爪。夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，松開時，選擇用單作用式氣缸，單作用氣缸只有一腔可輸入壓縮空氣，實現(xiàn)一個方向動動。其活塞桿只能借助外力將其推回；通常借助于彈簧力，膜片張力，重力等。 彈簧復位式單作用氣缸，這種氣缸在夾緊裝置中應用較多。這種氣缸一個方向的運動由氣壓驅動，另一個方向的運動有其他機械力驅動。下圖2.2所示為彈簧復位式單作用氣缸： 1 后缸蓋 2 活塞 3 彈簧 4 活塞桿 5 密封件 6 前缸蓋 圖2.2 彈簧復位式單作用氣缸 由于以上特點，單作用活塞氣缸多用于短行程、其推力及運動速度均要求不高場合，如氣吊、定位和夾緊等裝置上，單作用柱塞缸則不然，可用在長行程、高載荷的場合。此種結構較為簡單，生產成本較低，制造方便。結構示意圖如下圖2.3所示： 圖2.3 手部結構圖 2.4主體移動部分的選擇和設計 根據(jù)驅動系統(tǒng)的特點和機器人驅動系統(tǒng)的設計要求，本設計主體驅動有倆個驅動點，所以擬用了倆套設計方案。 2.4.1 主體方案一 氣缸驅動系統(tǒng)由于系統(tǒng)構成簡單、易于獲得穩(wěn)定的速度、元器件價格低廉且易于維護等特點在工業(yè)機器人領域得到了廣泛的應用。與電動機相比，氣缸更擅長作往返直線運動。易于安裝維護，對于使用者的要求不高。氣缸的動閥就可完成氣路的切換，進行運動控制，氣缸發(fā)生故障的概率也比較小，維護簡作迅速、反應快，控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構都非常簡單，每個氣缸只需配置一個電磁單方便，成本也低。此方案的結構簡圖如下圖2.4所示： 圖2.4 方案一主體移動部分機構圖 2.4.2主體方案二 步進電機相對普通電機來說，它可以實現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅動器信號輸入端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實現(xiàn)步進電機的角度和速度控制，無需反饋信號。此方案的優(yōu)點是定位精度高，但是動作緩慢，影響效率，結構復雜，成本也高。此方案結構簡圖如下圖2.5所示： 圖2.5 方案二主要體移動部分機構圖 2.4.3最終方案 由于本設計要實現(xiàn)的兩個自由度為水平行程480㎜，豎直行程100㎜。分析發(fā)現(xiàn)，水平的行程較大，如若采用電機驅動則耗費時間很長，嚴重影響工件加工的效率。而豎直行程較短，為了使工件定位精度更高，可采用電機驅動。綜合以上兩個方案的優(yōu)缺點，最終選擇的方案為水平方向采用氣缸驅動，而豎直方向則采用步進電機驅動絲杠實現(xiàn)上升動作。最終方案簡圖如下圖2.6所示： 圖2.6 最終方案主體移動部分結構圖 2.5豎直位移電機驅動的選擇 根據(jù)本次設計由于為了方便使用，并且要求定位精確可靠，這里我們選擇步進電機，電機的特性曲線圖2.7所示： 圖2.7 電機的特性曲線圖 根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，我們選用步進電機型號為80型，此步進電機電機廠家為南京森宇機電的產品。根據(jù)和特性曲線以及電機基本參數(shù)表，我們選用步進電機電機型號為92BL-4030H1-LK-B，電機額定功率為0.4kw，額定轉矩為1.3N.m，最大轉矩為2.6N.m，額定轉速為 3000r∕min。 電機大致圖2.8如下： 圖2.8 電機簡圖 外形尺寸92x92x86，電機輸出軸徑為14㎜。 2.6減速器的選擇 電機轉速3000r/min，絲桿運動速度2m/min，由公式 得出總傳動比為： 已知需要減速比為1:60左右的減速器，在這里我們選用上海泰一傳動設備的蝸輪蝸桿減速器，此種減速器為兩端輸出的，一頭為減速器輸入與電機輸出連接，另一頭為減速器輸出與絲桿的伸長端連接。 2.7水平位移氣缸驅動的選型 2.7.1氣缸選用的基本原則是： (1) 根據(jù)工作任務對機構運動要求，選擇氣缸的結構形式及安裝方法。 (2) 根據(jù)工作機構所需力的大小來確定活塞的推理和拉力。 (3) 根據(jù)工作機構任務的要求，來確定行程。一般不使用滿行程。 (4) 推薦氣缸工作速度在0.5~1ｍ／ｓ左右，并按此原則選擇管路及控制元件。 氣缸的類型及其原理和功能如下表2.7所示： 表2.7 氣缸類型節(jié)氣原理和功能表 2.7.2氣缸的最終選型 （1）通常情況下，驅動氣缸動作的氣壓值一般在0.5~0.7MPa之間，在這里，我們以P=0.5MPa的數(shù)值來計算設計計算，進而對氣缸來進行選型。 （2）假設滑塊、導軌，以及步進電機、安裝版，氣動手指等等的總重為50KG,那么根據(jù)公式可以知道：要想推動重量50㎏的物體動作，那么氣缸的推力必須大于總重GX與導軌的摩擦力。那么有8mm,這里我們選擇63缸勁的氣缸。 3 整體結構的計算 3.1夾緊力的計算 手指夾在工件上的夾緊力是設計手部的重要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件的重力所產生的靜載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按下列公式計算： FN≥K1K2K3G (3.1) 式中： —安全系數(shù)，由機械手的工藝及設計要求確定，通常選取1.2—2.0，我們取1.5； —工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，計算最大加速度，得出工作情況系數(shù)K3，a為機器人搬運工件過程中的加速度或減速度的絕對值； —方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定， 手指與工件位置：手指水平放置，工件垂直放置； 手指與工件形狀：V型指端夾持片狀工件。 —被抓取工件的重量； 求得夾緊力: FN≥K1K2K3MG=1.5×1.002×4×3×9.8=176.75N (3.2) 取整為177N。 3.2步進電機的計算 3.2.1確定運行時間 已知整個機構上面的零件的重量，我們取總重量為50㎏，升降床高度范圍為100㎜，升降速度為1~2r/min。即： G=mg=200×10=2000N (3.3) V=1~2mmin=16.6~33.3mms (3.4) 本次設計加速時間 l=vl60(t0-t1) (3.5) vl ---負載速度（m/min） ---到達最高點時間（） ---到達最低點時間（） 有速度可知每秒上升50mm， l=1.2-0.0333÷60=1.2s (3.6) 3.2.2電機轉速 n電機=VLPB (3.7) PB為絲桿導程，本次設計的絲桿導程我們取5mm，PB=5.00mm n電機=VLPB=20.005=400rmin (3.8) 3.2.3負載轉矩 TL=μgMPB2πn=0.3×10×200×0.0052π×0.9=1.73N.m (3.9) 式中： :摩擦系數(shù)，取0.3 ：負載重量，200Kg ：絲桿導程，0.005m ：傳動效率，取0.9 3.2.4負載慣量 上下垂直運動 JLM=MPB22π=200(0.0052π)2=0.000127779(kg.m2) (3.10) 絲桿螺母慣 JB=π32ρLBDB4=3.72×10-5(kg.m2) (3.11) 式中 密度，取7.87 絲桿長度，取0.4 絲桿直徑，取0.02 總慣量 JL=JLM+JB=0.00032(kg.m2) (3.12) 3.2.5電機轉矩 啟動轉矩 TS=2πNM(JM+JL)60t1=2π×636.9(JM+-0.00032)60×1.2=1.25N.m (3.13) 必須轉矩TM=TL+TSS=2.36N.m S為安全系數(shù)，這里取1.0 3.3氣缸的計算 由設計任務得知：氣缸的水平行程為480㎜，我們給定驅動的負載為100kg，取值V=50mm/s。在研究氣缸性能和氣缸缸徑時，常用到負載率為：β 由液壓與氣壓傳動技術圖知： 圖3.1 氣缸的運動狀態(tài)與負載率 運動速度V=50mm/s，取0.6，所以氣缸的實際負載大小為： F=F0β=1633.3N (3.14) （1）氣缸內徑的確定 缸徑的計算公式 D=1.27FP=1633.30.6×106=66.26mm (3.15) F→氣缸的輸出拉力N； P→氣缸的工作壓力 按照GB/T2348-1993標準進行圓整，D=80mm （2）活塞桿的直徑的確定 由d=0.3D估取活塞桿直徑為d=25㎜ （3）缸筒的長度確定 缸筒的長度S=L+B+30 L為活塞行程；B為活塞厚度； 活塞厚度B=0.7D=0.7×80=56㎜； S=L+B+30=480+56+30=566㎜。 （4）氣缸推力的計算 無桿截腔面積*工作氣壓=活塞推力； π(D2)2×P=F (3.16) ，其中大氣壓P我們取0.4兆帕。 （5）氣缸拉力的計算 有桿截腔面積*工作氣壓=活塞拉力； π(D2-d2)2×P=F0 (3.17) =1813.35N 結 論 本次設計的是夾片自動上下料機構的設計，通過這次畢業(yè)設計，提高了我分析和解決問題的能力，擴寬和深化了學習過的知識。在這次畢業(yè)設計中，我有很多的收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W的知識做了一次系統(tǒng)的復習，更深化一步了結了所學的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會了怎樣更好的利用圖書資源，網絡查詢資料和運用材料，還使我學會了如何與同學共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助，今后我會在工作中不斷學習，努力的提高自己的知識水平。在這次設計過程中，我經常遇到各種各樣的問題，不過在指導老師的幫助和自己的努力下，終于使我順利的完成了設計。 通過此次設計，也使我一次提升了運用三維軟件的水平，并吸收了不少經驗，總結為一下幾點。 （1）有零件圖紙作圖與空想設計作圖不同，零件尺寸已經給出，作圖時先不考慮尺寸是否真的合適，根據(jù)尺寸作出零件的三維圖，但到裝配時必須要考慮尺寸是否合適，由于Auto CAD圖紙效果不好，導致尺寸會有出錯，甚至有出現(xiàn)欠定義尺寸，所以，此時必須通過配合后在衡量尺寸，再進行修改，直到滿足配合要求。 （2）工具集的確方便了作圖，通過選擇零件類型，輸入數(shù)據(jù)，就能生成出標準零件，但有時需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此時要隨機應變，運用其他零件代替并通過修改或添加零件使其滿足要求。體上會將子裝配體視為完全定義的模型，這樣會對子裝配體之間的配合產生矛盾，將不能完成裝配。 （3）看懂圖是作圖的首要任務，看圖就是了解零件的工具，沒有工具則無法制出零件，所以畫圖不能急于下筆，想透了零件的結構，想透圖中的虛實線，這才是高效作圖的重中之重。 （4）作三維圖時要靈活變通，解決問題的方法總比問題多，當一種方法不能正常作圖時，試試另一種方法，這不但能完成零件制作，同時也可以培養(yǎng)出更好的作圖思路，和打破規(guī)矩的新想法。 （5）規(guī)則的零件，要學會使用一些能夠節(jié)省時間的命令，“能省則省”。 23 致 謝 時光飛逝，歲月如梭，轉眼之間大學生活已經接近尾聲，回首大一剛入學的場景依然歷歷在目，仿佛還是昨天的事情。再從頭到尾看一看這篇畢業(yè)設計，每一個環(huán)節(jié)都離不開姚慧老師的幫助，從題目的擬定，到結構框架，資料搜集，整理提煉，以及最后的反復斟酌。在具體的寫作過程中，我遇到了許多這樣或那樣的預料之外的困難，讓我感到困惑和焦慮，但最終在姚慧老師的指導和幫助下，還是獨立完成了夾片自動上下料機構的設計。論文的最終完成，是一波三折的過程，在不斷完善和修改的過程中讓我更加懂得“一分耕耘一分收獲”的道理。 除了要衷心的感謝我的指導老師以外，我還要感謝在校期間所有傳授過我知識的老師們，他們孜孜不倦的教誨是我完成這篇論文的基礎。作為一個機械設計制造及自動化專業(yè)的學生，在一些其他課程上遇到過許多問題，多虧老師們在百忙之中抽出時間為我答疑解難，給予我耐心的指點，讓我少走了許多彎路。在此我對他們無私的愛心表示由衷的感謝。同時也感謝大學生活中與我朝夕相處的同學們，他們給我留下了最難忘的回憶。在一起走過的日子里，我們一同歡笑，一起悲傷，相互鼓勵，共同進步。我要感謝在這漫長而短暫的四年里陪我一同走過的同學們，因為有了你們，我的生命中多了很多歡樂的瞬間和美好的回憶，愿我們的情義地久天長。 最后感謝我的家人，是他們一直站在我身后，做我堅強的后盾，無論我成功與否，他們都默默地給予我支持與鼓勵，讓我感到我不是一個人在戰(zhàn)斗。謝謝你們，我一定會更加努力，不辜負你們對我的期望。 四年時光，說長不長說短不短，不知不覺中我們已經共同經歷了許多，我們手拉著手一同走過了快樂與悲傷，收貨了屬于我們的成長與堅強。也許在今后的日子里還有更多的困難等待著我們，但是我不會害怕，我會勇敢的迎接挑戰(zhàn)，我要用自己的努力搏一個美好的未來。最后我想說：畢業(yè)，是終點，亦是起點。 參考文獻 [1] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社，2004. 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