【文章內(nèi)容簡介】 和新車型的開發(fā)，它具有精度高、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、配合協(xié)調(diào)性要求高等特點， 同時要求使用壽命長且單件生產(chǎn)，設(shè)計和加工要考慮很多因素。因此，覆蓋件模具的設(shè)計往往要求有多年設(shè)計經(jīng)驗的人員來完成。如圖 16所示為 汽車覆蓋件模具的生產(chǎn)流程 。 圖 16 汽車覆蓋件模具生產(chǎn)流程 目前， 我國汽車模具工業(yè)還不能適應(yīng)整車開發(fā)和換型要求，其中一個原因是汽車模具設(shè)計與制造水平較低，制造裝置落后。為使汽車模具工業(yè)能盡快滿足汽車發(fā)展的需要，使我國汽車工業(yè)以實力躋身于國際競爭大潮中，并取得鞏固和發(fā)展，除了依靠國家有關(guān)汽車和汽車模具產(chǎn)業(yè)的方針政策外，也需要汽車模具產(chǎn)業(yè)成員的共同努力，在汽車模具生產(chǎn)技術(shù)方面趕上世界先進水平。 國內(nèi)設(shè)計水平較低，周期較長，對于一些復(fù)雜的零件甚至設(shè)計不出合理的模具。傳統(tǒng)的模具制造方法不僅存在工藝流程長、模 具表面的形狀精度低等缺點。而且對模具制造工人的技術(shù)經(jīng)驗要求高、相比之下，模具 CAD技術(shù)的優(yōu)越性就更為明顯。計算機軟、硬件 技 術(shù)的迅速發(fā)展，為模具 CAD／ CAM 的開發(fā)應(yīng)用以及其向更高層次的發(fā)展創(chuàng)造了條件。 從整體上看，我國計算機技術(shù)起步較晚。目前，國內(nèi)雖有許多企業(yè)采用模具 CAD技術(shù)，并在計算機自動編程技術(shù)上取得了一些經(jīng)驗和技巧，但是能真正利用 UGⅡ 、 CATIA、Pro／ E、 DYNAFORM 等大型 CAD／ CAM／ CAE軟件在計算機中作模具的三維參數(shù)化制造成廣西工學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計論文 10 形，并進行沖壓仿真來指導(dǎo)設(shè)計的還是不多。 鑒于傳統(tǒng)覆蓋 件模具設(shè)計的種種問題，隨著近年來計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各主要發(fā)達國家都在大力發(fā)展計算機輔助技術(shù)在模具設(shè)計中的應(yīng)用。采用 CAD／ CAM 技術(shù)是提高覆蓋件的制造質(zhì)量及設(shè)計效率，改變落后的模具設(shè)計制造方法的關(guān)鍵。 根據(jù)我國汽車工業(yè)的發(fā)展規(guī)劃和市場需求，機械工業(yè)部將轎車大型覆蓋件沖壓自動化技術(shù)和成套裝備的研究開發(fā)列為一項國家重點科技攻關(guān)項目，以促進沖壓自動化的發(fā)展。由于濟南第二機床廠前幾年在這方面的技術(shù)儲備，掌握了自動化系統(tǒng)設(shè)計和制造的部分技術(shù)，在壓力機自動化生產(chǎn)線又率先走出了一步，為沖壓自動化的發(fā)展奠定了基 礎(chǔ)。因此，濟南第二機床廠被列為這項國家重點科技攻關(guān)項目的研制單位之一。目前，濟南第二機床廠技術(shù)中心 (國家級 )正在積極組織力量，專題研究攻關(guān)，決心在消化吸收引進技術(shù)的基礎(chǔ)上加速臺作生產(chǎn)和自主開發(fā)的步伐， 解決技術(shù)關(guān)鍵，不斷提高國產(chǎn)化率，推動沖壓自動化的發(fā)展 。 實踐證明， 要趕上國外汽車廠家的沖壓工藝水平，要使壓力機自動化生產(chǎn)線在我國汽車廠家用好，一方面需要國外的合作伙伴提供性能可靠和質(zhì)量優(yōu)良的壓力機生產(chǎn)線和自動化系統(tǒng)；另一方面還需要汽車廠家的沖壓工藝人員積極參與，熟悉了解和掌握這方面的技術(shù)要求，在沖壓工藝編制 、模具設(shè)計、制造和垛料質(zhì)量等方面要做好匹配和協(xié)調(diào)工作；也需要現(xiàn)場操作人員掌握操作編程等技術(shù)和實踐經(jīng)驗的積累。只有雙方共同努力，相互補充，不斷探索，才能使我國壓力機自動化生產(chǎn)線真正地在各汽車廠家用好，才能把我國沖壓工藝水平真正推上一個臺階 。 第三節(jié) 課題研究內(nèi)容及意義 本課題主要分為兩大部分，第一部分設(shè)計了一個在沖壓作業(yè)中自動將工件從沖模中取出來的裝置 —— 自動取工件沖壓機械手。 沖壓作業(yè)具有較大危險性和事故多發(fā)性的特點，且事故所造成的傷害一般都較為嚴重，所以相當一部分沖壓作業(yè)人員在生產(chǎn)中心存畏懼，心理負擔較 重，對作業(yè)安全有很大影響。一旦發(fā)生事故，無論是對工人還是對公司來說都是一種巨大的損失。在工人方面，不僅身體上受到傷害，而且有可能在心理上也受到傷害；在公司方面，則會影響到工作進度，甚至有可能會完不成工作任務(wù)，從而使公司受到巨大的經(jīng)濟損失。在此情況下，如果能把一些比較危險的工作交給特別設(shè)計出來的機械裝置來做，那么就可以 將操作工人從繁重、單調(diào)、危險的工作環(huán)境中解放出來 ，大大降低沖壓作業(yè)中的事故發(fā)生。本課題設(shè)計的這種自動取工件機械手可以將沖壓件自動送離沖壓模具作業(yè)點，對提高工人作業(yè)的安全性具有一定的意義。 第二部分 進行了 LJ465Q— 1 汽油發(fā)動機 機油盤 翻邊模具的設(shè)計。 該部分課題來源于 柳州五菱汽車有限責任公司柳州機械廠，與生產(chǎn)相結(jié)合，設(shè)計的模具直接用于生產(chǎn)，具有較大的實際意義，也是對我掌握專業(yè)知識的程度進行的一次考核。 廣西工學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計論文 11 第二章 沖壓機械手的設(shè)計 第一節(jié) 機械手概述 一、機械手及其在沖壓生產(chǎn)中的應(yīng)用 利用板料進行沖壓加工，與機械切削加工方法相比，具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高等優(yōu)點。然而，在沖壓生產(chǎn)中，送料、涂油、取出工件、輸送制品等輔助勞動量相當大，用手工完成這些工序費時、費力，既降低了生產(chǎn)率，又很不安全，要減免上述 繁重的勞動，其最佳方案無疑是實現(xiàn)沖壓裝置的機械化與自動化。 機械手就是模仿著人手的部分動作，按預(yù)定的程序、軌跡和要求，實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的一部自動機械裝置。由于它是模仿人的手來設(shè)計的，故稱“機械手”。在沖壓生產(chǎn)中采用機械手，可提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率；可減輕勞動強度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。它不僅能代替人工完成上下料而且能完成工件的取送和工序間的工件翻轉(zhuǎn)。機械手的應(yīng)用，對于實現(xiàn)單機自動化，建立沖壓自動生產(chǎn)線提供了條件。 二、機械手的組成與分類 （一）組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)及定位檢測裝置等部分組成。各系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖 21 所示。 圖 21 機械手的組成及關(guān)系 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)是機械手直接進行工作的部分。它包括手部、手腕、手臂、立柱等部件，有的還設(shè)有行走機構(gòu)。 （ 1）手部：即直接與工件接觸的部分，用來抓取或放松工件。按拿取物件的形式不同，有夾持式手部和吸附式手部。夾持式手部由手指（或稱手爪）和傳力機構(gòu)所組成，手指與物件直接接觸，而傳力機構(gòu)則是通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的動作；還有一種吸附式手部，它是靠吸 附力（如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電磁力）來吸取物件，用于取放光滑表面的薄板工作。 廣西工學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計論文 12 （ 2）手腕：聯(lián)接手部和手臂的部件，起調(diào)整或改變工件方位的作用。 （ 3）手臂：支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。 （ 4）立柱：支承手臂的部件。通常機械手的立柱是固定不動的。為增大機械手的活動空間，把立柱做成可橫向移動的，稱為可移式立柱。 （ 5）行走機構(gòu)：機械手為了完成遠距離的操作和擴大活動范圍，可增設(shè)滾輪行走機構(gòu)。行走機構(gòu)可分為有軌和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動應(yīng)另設(shè)機構(gòu)傳動裝置。 驅(qū)動系統(tǒng) 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是指驅(qū)使執(zhí)行 機構(gòu)動作的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動四種。 控制系統(tǒng) 有電氣控制和射流控制兩種，常用的是電氣控制。控制系統(tǒng)是機械手的重要組成部分。它控制機械手按預(yù)定的程序或給予的指令去動作，并能對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時能發(fā)出警報，令其停止工作。 位置檢測裝置 用來保證執(zhí)行機構(gòu)的運動位置。當位置有偏差時，能通過一定的傳感器，發(fā)出信號，令其停止工作，或?qū)⑿盘柗答伣o控制系統(tǒng)，進行位置調(diào)整，保證執(zhí)行機構(gòu)以一定精度達到設(shè)定的位置。 （二）分類 通?？砂词褂梅秶?、驅(qū)動方式或 控制系統(tǒng)進行分類。 按用途分 （ 1）專用機械手：它附屬主機，具有固定程序，而無獨立的控制系統(tǒng)。它的動作較少，工作對象單一，結(jié)構(gòu)簡單，適用于大批量的自動化生產(chǎn)。如沖壓自動機上的上下料和工序間傳動機械手，即屬此類。 （ 2）通用機械手：它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。它工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于小批量多品種的自動化生產(chǎn)中。 通用機械手又分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只能是點位控制；伺服型屬于數(shù)控類型，可以是點位控 制，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。 按驅(qū)動方式分 （ 1）液壓傳動機械手：以油液的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，其特點是傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，動作靈敏。 （ 2）氣壓傳動機械手：以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但不及液壓的抓重量大。 （ 3）機械傳動機械手：其執(zhí)行機構(gòu)是由機械傳動機構(gòu)（如凸輪、連桿、齒輪 — 齒條、間隙機構(gòu)等）來驅(qū)動。運動準確可靠，動作頻率高，但是結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。 （ 4）電力傳動機械手：是由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直廣西工學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計論文 13 接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。它結(jié)構(gòu)簡單，目前應(yīng)用還不多 。 按控制方式分 （ 1）點位式：其運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不控制其運動軌跡。若控制的點過多，必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前多數(shù)機械手都屬于點位控制。 （ 2）連續(xù)式：其運動軌跡為空間任意曲線，設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動。 三、機械手的自由度 自由度是機械手設(shè)計的主要參數(shù)。每一個構(gòu)件（運動件）相對固定坐標系所具有的獨立運動稱為自由度，每一構(gòu)件相對固定坐標系最多可有六個自由度，兩個構(gòu)件組成相對運動的聯(lián)接稱為運動副。對相對運動加以 限制的條件稱為約束條件。因為組成運動副的各構(gòu)件的運動受到約束，只能按照人們預(yù)定的規(guī)律運動，所以能構(gòu)成一定自由度的機械手。機械手的手臂、手腕、手指等部件和它們之間的關(guān)系，實際就是由相互聯(lián)系著的構(gòu)件和運動副組成。常用的運動副有一個自由度的回轉(zhuǎn)副和移動副，或有三個自由度的球面副。 人手的自由度較多，有 27 個。用于實際生產(chǎn)的機械手不需要這么多自由度，大多數(shù)情況下都少于 6 個，例如專用機械手只有 2～ 4 個，而通用機械手是 3～ 6個。自由度越多，可以完成的動作越復(fù)雜，通用性越強，因而應(yīng)用范圍就越廣，但相應(yīng)地帶來了技術(shù)難度大， 控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自身重量、體積、成本和維修都趨于不利；自由度數(shù)小，通用性差，但技術(shù)上易達到，結(jié)構(gòu)也簡單。因此，一般情況下應(yīng)盡量用專用機械手，以取最低的自由度數(shù)。 四、機械手的坐標形式 機械手的坐標形式主要由手臂決定。根據(jù)手臂運動形式的不同，機械手坐標可分四種：即直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關(guān)節(jié)式。 直角坐標式 其手臂的運動是由三個直線運動組成，即沿直角坐標系的三個軸往復(fù)移動（沿 X 軸伸縮，沿 Y 軸橫移，沿 Z 軸升降）。這種機械手稱直角坐標式機械手。它結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，適用于主機位置或排列的 場合。 圓柱坐標式 其手臂運動系由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組成，即沿 X 軸伸縮，沿 Z 軸升降和繞 Z 軸的回轉(zhuǎn)。這種形式的機械手圓柱坐標式機械手。與前者相比，它占地面積小，而活動范圍大。 球坐標式 其手臂運動系由一個直線運動和兩個回轉(zhuǎn)運動組成，即沿 X 軸的伸縮，繞 Y 軸的廣西工學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計論文 14 俯仰和繞 Z 軸的回轉(zhuǎn)。這種形式的機械手稱為球坐標式機械手。這種機械手可以抓取地面上的物件。為使手部能適應(yīng)被抓取物件方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動，以使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種機械手動作靈活，占地面積小，工作范圍大。 關(guān)節(jié)式 其手 臂運動類似人的手臂，可做幾個方向的轉(zhuǎn)動。其手臂為大小兩臂，之間的聯(lián)接為肘關(guān)節(jié)；大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)。各關(guān)節(jié)均由鉸鏈構(gòu)成，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動；手臂運動由三個回轉(zhuǎn)運動構(gòu)成，即大臂的俯仰（ θ ），小臂俯仰（ θ 2）和大臂的回轉(zhuǎn)（ φ ）。這種機械手稱為關(guān)節(jié)式機械手。這種機械手工作范圍大，動作靈活，通用性強，并能抓取靠近機座的物件，還可繞過障礙物去抓取物件，但定位精度稍差。 上述四種坐標形式是基本的，實際也可由兩種坐標形式進行組合，以組成更理想的機械手。但在沖壓生產(chǎn)中，目前所用的機械手都是比較簡單的，其自由度一般為 1～ 2個 ，最多也不超過 4個，屬于專用機械手或?qū)Ｓ脵C構(gòu)。 五、國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外機器人領(lǐng)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 97年的 65萬美元。 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)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(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機 ； 國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)化 ； 器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) ： 大大