【正文】 車(chē)床氣動(dòng)機(jī)械手 設(shè)計(jì) 尹云龍 哈爾濱理工大學(xué) 2020 年 6 月 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)： 工程碩士學(xué)位論文 數(shù)控車(chē)床氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì) 碩 士 研究生： 尹云龍 導(dǎo) 師： 劉獻(xiàn)禮 副 導(dǎo) 師： 郭 巍 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別： 工程碩士 工 程 領(lǐng) 域： 機(jī)械工程 所 在 單 位： 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院 答 辯 日 期： 2020 年 6月 授予學(xué)位單位： 哈爾濱理工大學(xué) 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 Classified Index： Dissertation for the Master Degree in Engineering Design of pneumatic manipulator of NC lathe Candidate： Yin Yunlong Supervisor： Liu Xianli Vice Supervisor: Guo Wei Academic Degree Applied for： Master of Engineering Professional Field： Mechanical Engineering Date of Oral Examination ： June , 2020 University： Harbin University of Science and Technology 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文《 數(shù)控車(chē)床氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì) 》，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外不包含他人已 發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。本論文的研究成果歸哈爾濱理工大學(xué)所有，本論文的研究?jī)?nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人授權(quán)哈爾濱理工大學(xué)可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，可以公布論文的全部或部分內(nèi)容。 不保密 √ 。數(shù)控機(jī)床，特別是普及度較廣的數(shù)控車(chē)床的工件裝卸自動(dòng)化已經(jīng)成為機(jī)械加工類企業(yè)對(duì)機(jī)床的重要需求。但現(xiàn)有機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)和控制方式主要以高精度伺服電機(jī)為主，此種設(shè)計(jì)成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度較慢、工作效率低，使得自動(dòng)裝卸機(jī)械手在數(shù)控車(chē)床上的應(yīng)用難以普及。論文完成的研究工作主要包括機(jī)械手的組成及分 類 ； 數(shù)控車(chē)床裝夾機(jī)械手的構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析 ； 機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì)方案 ；氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 等幾部分。 關(guān)鍵 詞 數(shù)控車(chē)床 ； 機(jī)械手 ； 氣動(dòng) ； 模 塊化 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 目 錄 摘 要 ............................................................ I 第 1 章 緒論 ....................................................... 1 概述 ........................................................ 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .............................................. 2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 ............................................ 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 ............................................ 5 存在的問(wèn)題 .............................................. 6 氣壓傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 ........................................ 7 本文研究的主要目的和意義 .................................... 8 本 文的主要內(nèi)容 .............................................. 9 第 2 章 機(jī)械手的組成分類及設(shè)計(jì)選材原則 ............................ 10 機(jī)械手的組成 ............................................... 10 機(jī)械手分類 ................................................. 12 機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及選材原則 ................................... 13 本章小結(jié) ................................................... 14 第 3 章 華中 CK6132 數(shù)控車(chē)床用機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 ................... 15 華中 CK6132 數(shù)控車(chē)床用機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................ 15 機(jī)械手工作環(huán)境及設(shè)計(jì)要求 ............................... 15 設(shè)計(jì)方案分析 ........................................... 17 機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì)及功能分析 ................................. 20 機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì)理念 ................................... 20 模塊化機(jī)械手結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)流程 ............................. 21 機(jī)械手模塊組成及功能分析 ............................... 23 機(jī)械手在數(shù)控車(chē)床中的工作過(guò)程 ............................... 27 本章小結(jié) ................................................... 28 第 4 章 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ...................................... 29 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ....................................... 29 氣動(dòng)輔助元件的選取 ......................................... 30 方向控制閥 .............................................. 31 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 流量控制閥 .............................................. 31 壓力控制閥 .............................................. 32 氣動(dòng)元件的選擇 .......................................... 32 本章小結(jié) ................................................... 34 第 5 章 機(jī)械手關(guān)鍵技術(shù)的研究 ...................................... 35 氣缸固定支座結(jié)構(gòu)的研究 ..................................... 35 氣缸防側(cè)翻結(jié)構(gòu)研究 ......................................... 38 氣缸超載運(yùn)行情況研究 ................................... 38 機(jī)械 手防側(cè)翻結(jié)構(gòu)研究 ................................... 40 本章小結(jié) ................................................... 43 結(jié)論 ............................................................. 44 參考文獻(xiàn) ......................................................... 46 致謝 ............................................................. 49 個(gè)人簡(jiǎn)介 ......................................................... 50 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 概述 機(jī)械手 由 控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)系統(tǒng)四部分組成。集成氣動(dòng)、液壓、數(shù)控、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的綜合 技術(shù)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，設(shè)定三維空間內(nèi)任意運(yùn)動(dòng)軌跡 ， 是適合自動(dòng)化生產(chǎn)線的典型機(jī)電一體化設(shè)備。是工業(yè)企業(yè)提高自動(dòng)化水平的重要途徑。能夠同時(shí)體現(xiàn)人對(duì)工作情況中突發(fā)事件的判斷的處理能力以及機(jī)器本身具有的連續(xù)工作、加工精度穩(wěn)定的能力， 同時(shí)，機(jī)器人還具有反應(yīng)時(shí)間短、功率輸出大、精度穩(wěn)定性高、信號(hào)處理方便等優(yōu)點(diǎn) [1， 2]是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的高科技產(chǎn)品，也是制造領(lǐng)域不可或缺的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備。 能夠進(jìn)行物料搬運(yùn)等工作的，如圖 12所示 ， 在工業(yè)制造中應(yīng)用的機(jī)械手稱為“工業(yè)機(jī)械手”。 因此， 機(jī)械手適用于易燃、易爆和灰塵大的場(chǎng)合 [3]， 在裝卸、運(yùn)輸、 機(jī)械制造、等方面運(yùn)用廣泛。伴隨 工業(yè)技術(shù)及控制理論的不斷發(fā)展，研制了能夠 按程序要求 獨(dú)立的控制 機(jī)械手 ，適用范圍廣泛的，簡(jiǎn)稱為“通用 程控 機(jī)械手”。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外 研究 現(xiàn)狀 上世紀(jì) 60 年代， Unimation 公司 發(fā)明 第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 ，并在 在 美國(guó) 通用公司 汽車(chē)生產(chǎn)線上 投入使用， 是 第一代工業(yè)機(jī)器人的誕生 的標(biāo)志 。直至今日，日本的工業(yè)企業(yè)中機(jī)器人的使用數(shù)量占世界各大工業(yè)企業(yè)機(jī)器人使用總數(shù)的 50%以上。 汽車(chē)制造行業(yè)最早應(yīng)用 工業(yè)機(jī)械手，如圖 13所示 ， 在汽車(chē) 焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)工作 中被廣泛應(yīng) 用 。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 3 圖 13 汽車(chē)制造機(jī)械手 生產(chǎn)線 1962 年， 一臺(tái)示教型機(jī)械手在 美國(guó)聯(lián)合控制公司 誕生 ?，F(xiàn)在 基于這個(gè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)了如 球面坐標(biāo)式 一類的 機(jī)械手； 同 年 另一種機(jī)械手在 美國(guó)機(jī)械鑄造公司 誕生，取名為Versatran。 70年代，新一代的工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)中相繼投入使用，與以往相比，準(zhǔn)確可靠的定位精度是其主要的特點(diǎn)。形成了以立柱式結(jié)構(gòu)為主的機(jī)器人，如圖 14 所示、以門(mén)架式結(jié)構(gòu)為主的機(jī)器人，如圖 15所示、以滑塊式結(jié)構(gòu)為主的機(jī)器人，如圖 16 所示。但由于模塊化設(shè)計(jì)的通用性理念，此類機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)較小，不適用于較大范圍的工作環(huán)境、在自動(dòng)化生產(chǎn)線上應(yīng)用較為廣泛。 此類機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是工作范圍較大，缺點(diǎn)是定位精度較低，抓取力較低，不是用于大型、重量物體的抓取。 圖 17 坐標(biāo) 型機(jī)器人 圖 18 Scara 型 機(jī)器人 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 5 除此之外，世界上其它從事機(jī)器人研發(fā)制造的企業(yè)針對(duì)不同行業(yè)和領(lǐng)域的需求，分別升級(jí)推出不同的機(jī)器人產(chǎn)品。瑞士 SIG 公司的 SIG XR22[機(jī)器人 8]，如圖 110 所示， 末端加速度提高到 12G，負(fù)載也超過(guò)了 1kg。上世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)一些機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出多種工業(yè)機(jī)器人。 各子系統(tǒng)可以進(jìn)行自主工作，并可以 同時(shí) 集成控制， 能夠同時(shí) 進(jìn)行裝料、 傳輸和卸 料 等 工作 。 同期 北京理工大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種能夠進(jìn)行自由回轉(zhuǎn)機(jī)器人手臂 [12]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種六自由度氣動(dòng)機(jī)器人手臂 [13]。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 6 工業(yè)機(jī)器人隨著 液壓、 氣動(dòng)等技術(shù)的 發(fā)展 成熟， 其實(shí)用性也逐漸提高。 圖 111 氣動(dòng)關(guān)節(jié)型操作機(jī)械手 存在 的 問(wèn)題 通過(guò)以上的分析，機(jī)械手產(chǎn)品現(xiàn)階段一 ing 比較成熟，設(shè)計(jì)制造也在向集成化、模塊化的方向發(fā)展?，F(xiàn)階段機(jī)械手定位精度低、使用壽命短、穩(wěn)定性能差，導(dǎo)致成本過(guò)高，普及率較低。轉(zhuǎn)變以客戶需求為目標(biāo)，通過(guò)技術(shù)革新和技術(shù)升級(jí)，提高產(chǎn)品品質(zhì)，提升競(jìng)爭(zhēng)力。隨著市場(chǎng)的需求的不斷提升，迫切需對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行升級(jí)換代， 配套于中端數(shù)控機(jī)床的低精度 機(jī)械手產(chǎn)品需求大 大 增 加 [15]。氣動(dòng)技術(shù)近年發(fā)展迅速，其關(guān)鍵部分是氣動(dòng)元件。 氣動(dòng)技術(shù) 傳遞信號(hào)和能量的介質(zhì)主要是空氣 ， 通過(guò)空氣壓縮產(chǎn)生的氣壓進(jìn)行控制 的一門(mén)技術(shù)， 主要是氣動(dòng)控制 和 氣壓傳動(dòng) 兩 部分 內(nèi)容 [17， 18]。 液壓 與 氣動(dòng) 是兩種應(yīng)用廣泛的傳動(dòng)技術(shù)，兩者相對(duì)比，各有優(yōu)缺點(diǎn)，氣動(dòng)技術(shù)相對(duì)于液壓技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1． 以空氣為介質(zhì)，成本低廉、取用方便，使用安全性高，適用于易燃易爆等場(chǎng)合， 2． 綠色環(huán)保，空氣使