【文章內(nèi)容簡介】 展，應(yīng)用的對象還會有所改變。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。國內(nèi)機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械 手上下料，減輕工人的勞動強度。國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。采用機械手進行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。 目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)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(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機 械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構(gòu)，即可組成不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴大應(yīng)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(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)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。 在國外機械制造業(yè) 中工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、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)定的操第 4 頁 共 46 頁 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 作。 此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，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(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學(xué)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(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)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(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 1 .2 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工 件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)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。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有 2～ 3個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同 時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的核心通常是由單片機或 dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。 工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)有簡單的也有復(fù)雜的。但從結(jié)構(gòu)形式分析，主要有執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、位置檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。其組成及相互關(guān)系如圖 11所示： 第 5 頁 共 46 頁 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 圖 11 機械手結(jié)構(gòu)形式的組成及關(guān)系 (1)手部 :手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動軸，可把動作傳給手部。機械手手部的機構(gòu)系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指 和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作需要。另外還有真空和電磁吸盤 (相當于手爪 )，用來吸取表面光滑的零件，比如薄板。有的手爪還可夾持一些專用工具，如噴槍、扳手、焊接工具等。 (2)腕部 :腕部是聯(lián)接于部和臂部的構(gòu)件，起支撐手部的作用。它可以有俯仰、左右擺動和回轉(zhuǎn)三個運動。特殊情況可以增加一個橫向移動。有的機械于沒有手腕動作。 (3)手臂 :臂部是支撐手部、腕部的構(gòu)件。手臂有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分，手臂的作用是引導(dǎo)手指準確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。 為了使機械手能夠正確的工作，手臂的自由度需要精確的定位。機械手的臀部是為取代人的手臂而研究設(shè)計的，但它卻達不到象人密的靈巧和適應(yīng)功能。因此，只有把結(jié)構(gòu)簡化，把運動軌跡分為沿三坐標軸線方向往復(fù)移動和繞三坐標軸線進行回轉(zhuǎn)。一般手臂又有前后伸縮、左右回轉(zhuǎn)、上下升降或上下擺動等幾個運動。根據(jù)需要可選其中一個、二個或三個運動。 (4)立柱 :立柱是支撐手臂等構(gòu)件的。一般機械于的立往為固定不動的，也有的因工作需要立柱作橫向移孔，此種稱可移動式立柱。 (5)行走機構(gòu) :行走機構(gòu)在機械手要求完成較遠距離的操作時，可增加滾輪、軌 道等行走機構(gòu)。 (6)機座 :機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 第 6 頁 共 46 頁 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓用的最多，占 90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間 位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用 46個大氣壓，個別的達到 810個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，液壓系統(tǒng)容易生銹。 為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，液壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖機構(gòu)。 電氣驅(qū)動采用的不多。現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電 動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。 電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。 機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。 控制系統(tǒng)是機械手的重要組成部分，它是支配機械手按規(guī)定程序、行程和速度進行運動的裝置。它必須保存或記憶人們給予機械手的指令信息 (如動作順序，到達位置和時間信息 )。機械手工作時根據(jù)這 些信息對機械手的執(zhí)行機構(gòu)按程序發(fā)出控制指令，必要時還可對機械手的動作進行監(jiān)機當動作錯誤或發(fā)生故障時可發(fā)出管報信號。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電器定位（或機械擋塊定位）系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定程序運動。 行程位置檢測裝置的作用是控制機械手每個動作的運動位置，或?qū)⑦\動系統(tǒng)的位置反饋于控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使機械手實現(xiàn)位置精度的要求。控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位 置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置。 應(yīng)用機械手的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部第 7 頁 共 46 頁 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。 在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下： (1)以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 (2)以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 (3)可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動 化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 課題的提出及主要任務(wù) 隨著現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展水平不斷提高 ,對產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率要求不斷提高 ,生產(chǎn)過程中的機械化程度不斷提高 ,機械手也逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。特別適合于沖壓等重復(fù)性、危險性的加工行業(yè) ,它能取代人工在各個沖壓工位上進行物料沖壓、搬運、上下料等。能夠提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本及勞動成本，能夠很大限度地降低工傷事 件，確保員工安全。機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作 ,如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。本設(shè)計以壓鑄成型設(shè)備的取料為載體，完成壓鑄成型設(shè)備的取料的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程。進一步提升專業(yè)技能，為踏上工作崗位做好準備。 (1)收集關(guān)于壓鑄成型設(shè)備的取料產(chǎn)品的相關(guān)知識，了解現(xiàn)有壓鑄成型設(shè)備的取料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)； (2)熟悉壓鑄成型設(shè)備的取料的工作原理及過程； (3)查閱相關(guān)資料，熟悉機械產(chǎn)品設(shè)計、機械設(shè)計基礎(chǔ)、機械零件的加工工藝、工程力學(xué)、工程制圖等與本 畢業(yè)設(shè)計課題相關(guān)的知識； (4)熟練掌握計算機輔助設(shè)計軟件； (5)對壓鑄成型設(shè)備的取料設(shè)計方案進行詳細規(guī)劃及分析，反復(fù)對方案進行論證，逐步進行修改及優(yōu)化； 第 8 頁 共 46 頁 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 (6)完成壓鑄成型設(shè)備的取料的結(jié)構(gòu)設(shè)計； (7)完成壓鑄成型設(shè)備的取料相關(guān)機構(gòu)的各種參數(shù)計算和分析； (8)完成壓鑄成型設(shè)備的取料相關(guān)零件材料的選用及其工藝分析； (9)完成壓鑄成型設(shè)備的取料產(chǎn)品零件及裝配部件的 3D和 2D工程圖的繪制； (10)完成零件拆、裝過程及運動仿真視頻動畫的制作。 2 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成 原始數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù)如表 21所示： 表 21 取料機械手原始數(shù)據(jù) 用途 用于 630噸冷室壓鑄機澆鑄鋁合金溶液 規(guī)格參數(shù) 澆杯最大給湯容量 四公斤 自由度數(shù) 2個 坐標形式 兩個同心且相互垂直的圓面坐標 手臂運動參數(shù) 水平面回轉(zhuǎn) 180176。 手臂伸縮范圍 1500mm 澆杯最大傾轉(zhuǎn)角 90176。 驅(qū)動方式 電機 控制方式 PLC控制 工作需要 澆鑄機械手（即澆杯）的初始位置，停在保溫爐坩堝的金屬液 面的上方，在此進行保溫，等待澆鑄。當 630噸壓鑄機慢速合模時，壓鑄機的電控裝置發(fā)信，使手臂驅(qū)動電機動作，電機驅(qū)動關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)控制手臂的下降，澆杯下降并浸入液態(tài)金屬內(nèi)，直到湯面檢出用檢出棒會與保溫爐內(nèi)的熔湯接觸，形成回路，電壓繼電器發(fā)出信號，手臂停止后退，停止時湯勺處于計量取湯狀態(tài)，熔湯由汲入口充分流入湯勺內(nèi)，鋁湯沒有接觸湯勺小手臂的底部，并用時間繼電器控制澆杯，已裝滿液態(tài)金屬，而后手臂驅(qū)動電機動作，電機驅(qū)動關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)使手臂上升來帶動澆包上升，在提升過程中多余的金屬溶液會溢出，直到澆杯底面超過保溫爐坩堝的最 高點，到達后退低速限，提升結(jié)束，手部驅(qū)動電機控制關(guān)節(jié)軸回轉(zhuǎn)，使?jié)脖謴?fù)水平狀態(tài)，爐上待機，直到壓鑄機給出給湯信號，手臂第 9 頁 共 46 頁 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 通過關(guān)節(jié)處的回轉(zhuǎn)來進行伸長，同時腰部驅(qū)動電機控制腰部回轉(zhuǎn)，當碰到前進低速限位開關(guān)后，又轉(zhuǎn)變?yōu)槁倩剞D(zhuǎn)，直到碰到前進限位開關(guān)后停止回轉(zhuǎn)。此時， 630噸壓鑄機模具合嚴，機械手腕連接手部的軸由手部驅(qū)動電機經(jīng)過兩次鏈傳動，帶動澆杯翻轉(zhuǎn)倒料，經(jīng)延時后，電機驅(qū)動關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)使手臂收縮，同時腰部回轉(zhuǎn)，當碰到后退低速限位開關(guān)后，湯勺處于計量傾斜狀態(tài)至湯面檢出位置即會停止，取湯計時器開始計時，由前面循環(huán)進行動 作。 工作結(jié)構(gòu) 本機械手主要有手臂、手臂回轉(zhuǎn)支架、回轉(zhuǎn)機構(gòu)，傾倒機構(gòu)、澆杯、手部驅(qū)動電機、手臂驅(qū)動電機、湯面檢出棒、底座等部分組成。 系統(tǒng)組成 本基械手系統(tǒng)由機體，傳動機構(gòu)，動力源和控制裝置四部分組成。傳動機構(gòu)主要是鏈輪傳動；動力源由電機提供，控制裝置主要由自動控制和手動控