【正文】 北京 ： 高等教育出版社 ， 2020. [24]劉鴻文 .材料力學 [M].北京：高等教育出版社， 2020.山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 致 謝 在本設計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，得到了閆鵬老師的親切關懷和精心指導，使得本設計得以順利完成，其中飽含了閆鵬老師的汗水和心血。 畢 業(yè)設計過程中，我們在獨立完成的同時也進一步加強了團隊協(xié)作精神，取 得了一定的成績。由于此次設計是次創(chuàng)新設計，為了設計的機械山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 24 手 具有合理的結構和更高的性能，我們不斷學習和修改。 雖然我們設計的只是個簡單 的機械 手，但需要完成抓取，旋 轉等功能，對應分別要有 抓取機構，旋 轉機構等來實現(xiàn) 。這次設計給了我們一個很好的機會，使我們了解了設計工作的基本流程和設計的方法以及理念。 圖 43 是設計的軸的形狀。當軸的直徑最小處滿足扭轉條件時，整根軸就滿足扭轉條件。 圖 42 軸承 軸的設計 在選定好軸承后 ，電動機輸出地功率需要通過軸承與軸的連接傳遞到機械手，因此需要對軸進行設計?？梢猿惺芎艽蟮妮S向力，采用角接觸球軸承的型號為 7236AC。內(nèi)圈或外圈可分離，便于安裝和拆卸 ；（ 4） 對軸和座孔的加工要求較高，軸承安裝后內(nèi)外圈軸線相對偏斜要嚴加控制，以免造成接觸應力集中 ；（ 5）內(nèi)孔帶 1： 12 錐度的雙列圓柱滾子軸承，徑向游隙可以調(diào)整，徑向剛度高，適應于機床主軸 ??22 。常成對使用，并施加預負荷，以提高軸承剛性 。外圈加熱膨脹后與內(nèi)圈、滾動體、 保持架組件裝配。高精度和高速軸承通常取 15176。、 40176。（ 1） 名義接觸角有 15176。這樣即可避免引起附加軸向力，而且可在兩個方向使軸或外殼限制在軸向游隙范圍內(nèi)。 并且只能限制軸或外殼在一個方向的軸向位移。 二 、 角接觸球軸承的特點 ： 可同時 承受徑向負荷和軸向負荷，轉速較高，接觸角越大，軸向承載能力越高。 （ 3）聯(lián)軸器 的型號 的選擇 電機與軸之間采用聯(lián)軸器，由國標 GB/T38521997 選擇聯(lián)軸器的型號為 YL3 型凸緣聯(lián)山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 21 軸 器 ??19 ，重量為 ㎏ 軸承的選擇 軸承的類型及特點 一 、 深溝球軸承的特點 ：（ 1） 在結構上深溝球軸承的每個套圈均具有橫截面大約為球周長的三分之一 的連續(xù)溝型滾道。 計算：已知電機效率為 ? =， 物體的總轉動慣量為 J總 = ㎏ 2m? ，物體的轉速為n=，求電機的功率和扭矩。這時電機不帶任何機械負載，靠調(diào)節(jié)轉子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào) 節(jié)電網(wǎng)電壓的目的 ??18 。近年來，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應用。 作為發(fā)電機山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 20 運行是同步電機最主要的運行方式，作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的交流機以同步電機為主。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降 ??15 。這種步進電機的應用最為廣泛 ??14 。在歐美等發(fā)達國家 80 年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。步進電機分三種：永磁式（ PM） ，反應式（ VR）和混合式（ HB）。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號 ，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。= ㎜， 連桿中導軌可運動的長度為 L=?30cosaa = ㎜ （ 3）選擇氣缸 由 D=63 ㎜， s= ㎜， p= 選擇氣缸的型號為 CA1BN6350 機械手上升氣缸的選擇 手部重量的估算 山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 18 由于上升氣缸支持著氣缸以上的所有工件的重量，因此選擇此氣缸應先估 算氣缸以上的所有工件的重量 。當爪部轉動 30176。 氣缸直徑 D 的計算 氣缸的工作壓力在 ～ 內(nèi)，取 p空氣 =， 活塞桿直徑 d= ∵ F實際 = pdD4 22 ）（? ∴ D=）（空氣 實際 F4 ??=)( 26 ???? ?? = ㎜ 選取氣缸標準內(nèi)徑為： D=63 ㎜ ??17 則活塞桿內(nèi)徑為 d=63 = ㎜，選取 d=32 ㎜ 。適用于中、大型設備。安裝所占空間大，一般用于小型設備上。雙活塞桿雙作用氣缸 有缸體固定和活塞桿固定兩種。其結構可分為雙活塞桿式、雙活塞式、單活塞桿式、緩沖式和非緩沖式等。單作用柱塞缸則不然，可用在長行程、高載荷的場合。由于以上特點，單作用活塞氣缸多用于短行程。 山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 16 圖 33 機械手手部裝配圖 第四章 機械手驅動裝置的選擇 機械手夾緊氣缸的選擇 氣缸一般分為單作用氣缸和雙 作用氣缸兩類。 圖 32 機械手的夾持精度圖 銷軸的選擇與校核 銷 軸 的材料為 45 鋼，許用切應力 ??? =80MPa，許用擠壓應力 ? ?p? =120MPa??14 ，選取銷軸的型號為 GB/T 882 8?70 銷軸的抗剪強度公式： ? ???? ???422dFt 銷軸的抗壓強度公式： ? ?ptp adF ?? ?? 2??15 抗剪強度422dFt?? ??= ???42?? ??? 抗壓強度 ?p? adFt2 = ??? ? ?p?? ，因此銷軸合適。 當手抓沒有張開角的時候，如圖 (a)所示，根據(jù)機構設計，它的最小 夾持半徑 R1 =40mm，當張開角 60176?；钊麠U運動長度為 34mm。 解：（ 1）設 K= K2 =1+ ?ga1+ 根據(jù)公式將已知條件帶入： ∴ FN = 10 = N （ 2）根據(jù)驅動力公式得： F計算 = 2cos502020? 30176。≤ ? ≤ 40176。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變 化山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 14 的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 ??13 夾緊力及驅動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)?！?40176。 山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 13 圖 31 手抓的受力分析圖 在上圖中， 1為手指， 2為銷軸， 3 為杠桿 。 通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用滑槽杠桿這種結構方式。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，這種手指結構簡單，適于夾持平板方料，且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置，其理論夾持誤差為零。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體，不適合用于本方案。 典型的手部結構 回轉型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動 平面平移型 機械手手抓的設計計算 選擇機械手手抓的類型及夾緊裝置 本設計是設計平動搬運型機械手，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張開角△γ= ?60 ，夾取重量為 20 ㎏。 要求結構緊湊、重量輕、效率高。應當考慮在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需的驅動力大小是不同的。 氣缸選定之后采用腳座固定，固定于底盤上，圖 22為底盤的形狀 ??11 。 圖 21 機械手的運動控制流程圖 由于氣缸只能承受軸向力，而不能承受徑向力，所以氣缸在運動過程中需要有固山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 11 定元件進行固定，以消去徑向力的影響。 采用氣壓機構驅 動機械手，結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制 方便、驅動力大等優(yōu)點，因此 本設計中機械手的驅動采用氣壓和電動。液壓驅動的優(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。 液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的動作。通用機械手則考慮采用同一種形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應速度比較慢 ??9 。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，氣壓系統(tǒng)容易生銹。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。 氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。驅動件主要有四種：氣動驅動、電氣驅動、機械驅動和液山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 10 壓驅動。（ 3）機身 ： 采用一個電機帶動止推軸承來實現(xiàn)手臂的回轉。 本設計機械手主要由 3大部件和 2個氣 缸組成：（ 1）手部 ：采用一個直線氣 缸，通過機構運動實現(xiàn)手抓的張合。 其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標型。本設計主要任務是完成機械手的結構方面設計，因此對機械手的坐標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。而在一些簡單、重復，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。 本畢業(yè)設計中，設計的主要內(nèi)容是 多自由度鋁合金機械手，能夠實現(xiàn)三 個關節(jié)的運動，采用 電機與氣缸相結合的控制方法。從 20世紀 80 年代中期開始，氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達 20%以上，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。 20 世紀 70年代，山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 9 液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為 9:1，而 30 多年后的今天，在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本等國家，該比例已達到 6:4，甚至接近 5:5。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術提出了更多更高的要求；微電子技術的引入，促進了電氣比例伺服技術的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動技術從開關控制 進入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調(diào)制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。 本論文研究的內(nèi)容及意義 隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術自身的一些優(yōu)點，氣動機械手已經(jīng)廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)?？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。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。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操作。如位置發(fā)生稍許偏差時，既能更正并自行檢測，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。 此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制某種智能機械手。 在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。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。將機械手各運動構建，如伸縮、擺動、升降、橫移、仰臥等機構以及根據(jù)不同類型的夾緊裝置，設計成典型的通用機構，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的夾緊裝置，即可組成不同用山東輕工業(yè)學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 8 途的機械手。 ??8 機械手發(fā)展趨勢 目前工業(yè)機械手主要用于機械加工、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。 第三代機械手則能獨立完成工作過程中的人物。他沒有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人 進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。自 1969 年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。 聯(lián)邦德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 1 毫米。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 1962 年美國機械制造公司也試驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。商名為 Unimate（即萬能自 動）。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的 ??6 。 國內(nèi)外發(fā)展狀況 機械手發(fā)展歷史 機械手是首先是從美國開始研制的。 在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件輸送。他起源于原子、軍事工業(yè)，首先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。它的特點是具備普通的機械性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。 d. 基體（機身）：基體是整個機械手的基礎 。 b. 驅動機構：有氣動，液動，電動和機械式四種形式 。 機械手的組成和分類 機械手的組成 工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)所組成 ??4 ，如圖 11所示。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲倦，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越