【文章內(nèi)容簡介】 自動化的設計方法。通過這一教學環(huán)節(jié)要求可以山東建筑大學畢業(yè)設計說明書 7 達到： （ 1）通過設計，把有關課程（機構分析與綜合、機械原理、機械設計、液壓與氣動技術、自動控制理論、 測試技術、數(shù)控技術、微型計算機原理及應用、自動機械設計等）中所獲得的理論知識在實際中綜合地加以應用，使這些知識得到鞏固和發(fā)展，并使理論知識和生產(chǎn)密切的結合起來。因此，工業(yè)機械手設計是有關專業(yè)基礎課和專業(yè)課以后的綜合性的專業(yè)課程設計。 （ 2）工業(yè)機械手設計是機械設計及制造專業(yè)和機械電子工程專業(yè)的學生一次比較完整的機電一體化整機設計。通過設計，培養(yǎng)學生獨立的機械整機設計的能力，樹立正確的設計思想，掌握機電一體化機械產(chǎn)品的基本方法和步驟，為自動機械設計打下良好基礎。 （ 3）通過設計，使學生能熟練地應用有關資料、計 算圖表、手冊、圖冊和規(guī)范；熟練有關國家標準和部頒標準，已完成一個工程技術人員在機械整機設計方面必須具備的基本技術訓練。 （ 4）由于整個機械手設計工作量大為了是學生在幾個周之內(nèi)得到一個完整的訓練，因此此次設計我們小組四個人分工協(xié)作一個完整的工業(yè)機械設計。這樣既能培養(yǎng)學生獨立工作與分工協(xié)作完成大型設計的能力，又解決了工作量大、時間短的矛盾。 工業(yè)機械手設計的內(nèi)容 要求本設計能較鮮明地體現(xiàn)機電一體化的設計構思。所謂機電一體化技術，是機械工程技術吸收微電子技術、信息處理技術、傳感技術等而形成的一種新的綜合集 成技術。盡管機電一體化的產(chǎn)品名目較多，并由于它們的功能不同而有不同的形成和復雜程度，但做功的機械本體部分（包括動力裝置）和微電子控制部分（包括信息處理）是其最基本的、必不可少的要素。我們選擇工業(yè)機械手作為畢業(yè)設計題目，無論從內(nèi)容的深度、份量以及覆蓋各科知識面的程度來衡量都是適當?shù)摹? 此設計要就我們組各成員完成以下工作： （ 1） 擬定整體設計方案，特別是傳感、控制方式與機械本體的有機結合的設計方案。 （ 2）根據(jù)給定的自由度和技術參數(shù)選擇合適的手部、腕部、臂身和機身的結 構。 （ 3） 各部分的設計計算。 （ 4） 工業(yè)機 械手工作裝配圖的設計與繪制。 山東建筑大學畢業(yè)設計說明書 8 （ 5）液壓系統(tǒng)圖的設計與繪制。 （ 6）機械手的運動分析。 （ 8）編寫設計計算說明書。 （ 9）就本次設計參加答辯。 工業(yè)機械手的技術發(fā)展方向 現(xiàn)在工業(yè)機械手的應用簡況：在現(xiàn)在工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。 有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯的生產(chǎn)。日本偏重于機械加工。隨著機械手技術的發(fā)展，應用的對象 還有所改變。 機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(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)中應用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床組合成一個綜合的數(shù)控系統(tǒng)。 采用機械手進行裝配更是現(xiàn)在研究的重點，國外已研究采用攝像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。 國內(nèi)外實際上使用的定位控制的機械手，沒有“視覺”和“觸覺”反饋。目前，世界各國正積極研制帶有“視覺”和“觸覺”的工 業(yè)機械手，使它能對所抓取的工件進行分辨，選取所需要的工件，并正確地夾持工件，進而精確地在機器中定位、定向。 為使機械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和法、分辨形狀不同的零件，它有視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息，通過計算機進行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工作。 為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物體滑落下來，一般采用兩種方法：一是檢測把握物體手臂的變形，以決定適當?shù)奈樟?；另一種是直接檢測指部與物體的山東建筑大學畢業(yè)設計說明書 9 滑動位移，來修正握力。 因此，這種機械手就具有以下幾個方面的性能： （ 1）能準確地抓住方位變化的物 體。 （ 2）能判斷對象的重量。 （ 3）能自動避開障礙物。 （ 4）抓空或抓力不足時能檢測出來。 這種具有感知能力并能對感知的信息作出反應的工業(yè)機械手稱為智能機械手，它是具有發(fā)展前途的。 現(xiàn)在，工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替人從事繁重的工作和危險地工作，在惡劣的環(huán)境下尤其明顯。至于在汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè)部門，機械手的應用情況決不能說是很好的。雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題很尖銳，但采用機械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求 ，適于機械手工作的范圍很狹小。另外經(jīng)濟性問題當然也很重要，采用機械手來節(jié)約人力從經(jīng)濟上看不一定總是合算的。然而，利用機械手或類似機械設備節(jié)省人力和實現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求，今后還會持續(xù)增長，只要技術方面和價格方面存在的問題獲得解決，機械手的應用必將會飛躍發(fā)展。 2 機械手總體設計方案 原始數(shù)據(jù)（主要參數(shù)） 20kg 5 mm 沿垂直軸 500 沿水平軸 500 800 1100 (176。) 手臂相對垂直軸 300 手腕相對縱軸 90 或 180 手腕相對橫軸 177。 m/s 沿垂直軸 沿水平軸 山東建筑大學畢業(yè)設計說明書 10 176。/s 手臂相對垂直軸 60 手腕相對縱軸 60 手腕相對橫軸 30 mm 177。 1 N 350 500 S 2 mm 50268 （數(shù)控裝置除外） kg 570 工業(yè)機器人總圖及其技術特性 工業(yè)器人由操作機 l、可換夾持器 2(結構形式 COl～ CO5 和 CO7)和單獨立柜式的數(shù)控裝置 3 所組成。工業(yè)機器人操作機包括以下組合單元，其中可以有各種結構形式：4—— 轉(zhuǎn)動機構； 5一提升和下降機構； 6—— 手臂伸縮機構 (基本 的 Ol 和 02結構形式 )；7—— 平衡器； 8 一轉(zhuǎn)動組件 (手腕 )；空氣貯存組件 (未表示 )。定位式數(shù)控裝置保證在圓柱坐標系中手臂位移、手腕的運動循環(huán)控制、夾持器的夾緊和松開，同時也傳遞機床、其它工藝裝備工作循環(huán)啟動指令和接受在這些工作循環(huán)后的回答指令。工業(yè)機器人可能有三種工作方式： 1)示教包括回零點、手控和沿每一坐標軸的步進位移、將坐標給定值、位移速度、被加 工零件數(shù)量 (循環(huán)數(shù) )和其它引入存貯裝置中； 2)自動機用于按給定的程序自動控制； 3)調(diào)節(jié) 器主要用于機器人控制數(shù)據(jù)的準備和校正。 工業(yè)機器人在數(shù)控車床上更換毛坯的典型工作循環(huán)包括以下步驟：工業(yè)機器人的手臂伸向車床卡盤；夾持加工零件；手臂返回到原點；手臂伸向循環(huán)臺面；放下零件；夾持下一個毛坯，將毛坯送向機床卡盤；將其在卡盤中夾緊；將毛坯松開；手臂返回到原點；開始在機床上的加工循環(huán)。同時被控制的坐標最大位移量可能是： 1)在定位工作狀態(tài) (轉(zhuǎn)動電動機，手臂升降或伸出 )或 2)在循環(huán)工作狀態(tài) (手腕和夾持器轉(zhuǎn)動組件的氣動馬達 )。 在工業(yè)機器人氣動裝備組成中有手腕轉(zhuǎn)動驅(qū)動組件 (結構形式 1 和 2)。轉(zhuǎn)動組件(結構形式 1)按以下形式工作：在斷開電磁鐵 YA1 和 YA2時，空氣沿管道 2和 3進入氣動馬達 M2 的兩腔。當接通氣體分配器 P4 的電磁鐵 YAI 并斷開電磁鐵 YA2 時，手腕相對于縱軸按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。此時，空氣由氣動馬達 M2 YA2 并斷開電磁鐵 YAI，同樣，手腕按順時針方向旋轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)動組件 (結構形式 2)按以下情況工作：在接通電磁鐵 YA3 時，手腕 (相對其縱軸 )按順時針方向轉(zhuǎn)動。此時，空氣通過分配器 P4沿管道 5進入氣動馬達 M1。在接通電磁鐵 YA5 時，手腕產(chǎn)生加速運動：空氣由氣動馬達 M1通過分配器 P5， 山東建筑大學畢業(yè)設計說明書 11 P節(jié)流閥 ДP 和消聲器 Г2 ，沿管道 7排放到大氣中。當斷開電磁鐵 YA5，組件就產(chǎn)生減速運動：空氣由氣動馬達 M1僅通過分配器 P5 和節(jié)流閥 ДP 沿管道 4排放空氣中。 手腕在接通電磁鐵 YA4 時，按逆時針方向轉(zhuǎn)動。此時，空氣通過分配 P5 沿管道 6進入氣動馬達 M1。在接通電磁鐵 VA5 時，組件加速轉(zhuǎn)動：空氣由氣動馬達 M1 通過分配器 P4和消聲器 Г2 ，沿管道 7排放到空氣中。在斷開電磁鐵 YA5 時，組件減速轉(zhuǎn)動：空氣由氣動馬達 M1 僅通過分配器 P4 和節(jié) 流閥 ДP ，沿管道 4排放到空氣中。 在接通電磁鐵 YAl 時，手腕相對其橫軸向右轉(zhuǎn)動，此時空氣沿管道 2 進入氣缸 Ц ，并沿管道 3 通過分配器 P2，由氣缸 Ц 排出。 在接通電磁鐵 YA2 時，手腕向左轉(zhuǎn)動．此時，空氣沿管道 3進入氣缸 Ц ，并沿管道 2通過分配器 Pl由氣缸排出。 手臂升降機構作成單獨組件形式 包括手臂伸縮機構在內(nèi)的機體 1，沿固定在上支承板 3 和 4 中兩個導向柱可上下移動。在上支承板 3上裝有馬達基座 5，在其內(nèi)部裝有電磁制動器 6。直流電動機 7 裝在馬達基座 5 上，通過齒形聯(lián)軸器 8 與滾珠絲杠 9 相連。滾珠絲杠副的螺母 10 緊固在手臂伸縮組件的機體 1 上。這樣，電動機 7的轉(zhuǎn)動變?yōu)槭直鄣纳舷峦鶑鸵苿印? 用皺紋護套 11 來使絲杠防塵和污垢，橡膠緩沖器 12 用以緩和當手臂上下行程終端時的沖擊。使用行程開關碰撞擋塊 13 和 14 來控制位移速度。 手臂伸縮機構 在機體 1后壁上固定著支架 2，支架上面安裝直流電動機 3。電動機旋轉(zhuǎn)通過齒形帶 4 傳到滾珠絲杠副的絲杠 5 上，滾珠絲杠副的螺母 6 與支架 7 相連。在此支架上端固接著可在襯套 9中前后移動的滑桿 8。支架 7的下端帶有滾柱沿著導軌 10 運動，它可防止滑桿 8轉(zhuǎn)動。在空心滑桿內(nèi)，通過管 11將壓縮空氣傳送到內(nèi)腔，并由此傳到手腕和夾持器的轉(zhuǎn)動機構上。 緩沖器 12用于減小手臂一滑桿 8行程終點的沖擊。為了控制位移速度的手臂位置控制由行程開關 13來實現(xiàn)?；瑮U 8 行程長度依手臂伸縮機構的結構形式而定。 M20∏. 手腕轉(zhuǎn)動結構 轉(zhuǎn)動組件 (手腕 )可由結構形式 1和 2組成。 裝在機體 1 中的轉(zhuǎn)動組合件由帶從擋塊到擋塊雙定位控制的，相對于縱軸的手腕轉(zhuǎn)動機構和相對于橫軸轉(zhuǎn)動 (擺動 )機構所組成。 山東建筑大學畢業(yè)設計說明書 12 手腕轉(zhuǎn)動由非整周轉(zhuǎn)動的氣動馬達 2產(chǎn)生，在其前軸端固定有杯形件 3，在杯形件外表面裝有驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的氣體分配裝置 4，而內(nèi)部在軸承上有襯套 5，它帶有法蘭 以固定可換夾持器。襯套 5 用鍵與氣動馬達 2 的軸相連。在轉(zhuǎn)動組件的另一端是止動機構 6，它與氣動馬達 2的軸剛性相連。按照裝好的可更換的雙臂杠桿形式止動機構，可以將手腕的角位置限制在 0176。 ～ 177。90176。 （方案 l）或在 0176。 ～ 180176。( 方案 2)范圍之內(nèi)。在機體 l內(nèi)裝有緩沖器 7，以減小止動機構 6 接近可調(diào)擋塊 8時的沖擊，另外還有終點位置微動轉(zhuǎn)換開關 12。 在轉(zhuǎn)動組件中還有手腕相對于其橫軸 9 的擺動角手動調(diào)整機構 (在 177。176。 范圍內(nèi) )。擺動角用安裝在靜止的法蘭 11 上的螺釘 10 來調(diào)節(jié)。 轉(zhuǎn)動組件 (手腕 )可由結構形式 2 2 氣動馬達 I軸的 旋轉(zhuǎn)通過驅(qū)動的平面齒形帶 2傳到軸 3。在此軸上又裝有電磁制動器 4，以保證手腕轉(zhuǎn)動急停。 在接通電磁鐵時，解除軸的制動狀態(tài)，軸 3 的轉(zhuǎn)動傳到諧波齒輪減速器的渡發(fā)生器 5上，它能使驅(qū)動裝置的輸出轉(zhuǎn)矩放大。 為控制轉(zhuǎn)動組件的角度位置，使用端點和中間位置無觸點傳感器 7，由其發(fā)出的脈沖進人工業(yè)機器人控制裝置。傳感器的分辨率為 176。 ，以保證在整個 90176。 ～+180176。 范圍內(nèi)放置手腕轉(zhuǎn)角穩(wěn)定在 177。176。 范圍內(nèi)。 保證手腕相對于橫軸在 177。176。 范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動 (擺動 )是由氣缸來實現(xiàn)的。其活塞桿作用在轉(zhuǎn)動組件機體支架中的銷釘上。角度 位置由行程微動轉(zhuǎn)換開關來控制，并由擋塊來調(diào)節(jié)。 選擇電動機 選擇電動機的類型和結構型式 電動機類型和結構型式可以根據(jù)電源種類（直流、交流）、工作條件（溫度、環(huán)境、空間尺寸）和載荷特點（性質(zhì)、大小、起動性能和過載情況）來選擇。 工業(yè)上廣泛應用 Y系列三相交流異步電動機。它是我國 20世紀 80年代的更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有高效、節(jié)能、振動小、噪聲小、和運行安全可靠的特點，安裝尺寸和功率等級符合國際標準，適合于無特殊要求的各種機械設備。對于頻繁起動。制動、和換向的機械（如起重機械），宜選用轉(zhuǎn)動慣量小、過載能 力強、允許有較大振動和沖擊的 YZ型或山東建筑大學畢業(yè)設計說明書 13 YZR型三相異步電動機。為適應不同的安裝需要，同一類型的電動機結構又制成若干種安裝型式，供設計時選用。 確定電動機的容量 電動機容量（功率）選的合適與否，對電動機的工作和經(jīng)濟性都有影響。當容量小于工作要求時，電動機不能保證工作機的正常工作，或使電動機因長期過載發(fā)熱量大而過早損壞；容量過大則電動機價格高，能量不能充分利用，經(jīng)常處于不滿載運行，其效率和功率因數(shù)都較低，增加電能消耗，造成很大浪費。 電動機容量主要根據(jù)電動機運行時的發(fā)熱條件來決定。電動機的發(fā)熱與其運 行狀態(tài)有關。對于長期連續(xù)運