加裝機械手臂的結構設計及動態仿真【8張CAD圖紙+畢業論文+開題報告+任務書】

加裝機械手臂的結構設計及動態仿真【8張CAD圖紙+畢業論文+開題報告+任務書】,8張CAD圖紙+畢業論文+開題報告+任務書,裝機,手臂,結構設計,動態,仿真,CAD,圖紙,畢業論文,開題,報告,任務書 本科生畢業設計（論文）任務書題 目： 加裝機械手臂的結構設計及動態仿真 專業學院： 工業自動化學院 專 業： 學生姓名： 指導教師： 一、 主要研究內容：1、開題報告部分：對國內外機械手的結構設計、裝配情況，發展動態及趨勢等進行綜合論述。2、總體方案設計：查閱文獻并到生產現場進行調研，以“加裝機械手”為背景進行設計。主要內容包括：1）生產廠的基本概況，包括工人數、計劃年產量、成本與效益情況及管理理念等。2）加裝機械手有關參數及其各零部件的結構情況，包括零件圖、裝配流程圖等。3）加裝機械手的裝配順序，生產工藝過程。 3、 加裝機械手的結構設計。對其組成的每個非標準零部件進行結構設計，對標準零部件進行選擇，該部分是你設計的主要內容。并對主要部件進行分析，如：自由度分析；運動或動力分析等。4、運用相關軟件對所設計的加裝機械手的裝配過程進行模擬或動態仿真。二、主要任務及目標1、編寫工作計劃，并寫出你的設計步驟。2、開題報告要求查閱資料1）查閱本科畢業設計要求。2）查閱相關文獻（設計圖紙、期刊公開發表的文章、正式出版的書籍、學位論文）、尋找相關模型。3、開題報告內容（要求大于5000字）a) 研究方向簡介。b) 國內外研究現狀、存在問題。c) 解決問題的思路。d) 本課題研究的意義（創新點）。4、參考關鍵詞：機械手、結構設計、動態仿真。5、查閱文獻時注意收集的資料。1）機械手生產廠的工藝過程。2）加裝機械手的結構。2）加裝機械手的裝配順序。4）加裝機械手結構設計。5）動態仿真。6、答辯前上交：加裝機械手總裝配圖一張；2）零件圖1-3張；3）畢業設計論文一份；4）論文電子版一份等；5）畢業設計全部資料。7、翻譯一篇關于“機械手”的英文文獻。8、要求：1）每周匯報一次工作進度、生活情況。2）每天寫工作日記，離開學校時必須通知我； 3）課題等有新想法與指導教師及時溝通。指導教師簽名： 年 月 日工作小組組長簽名： 年 月 日注：本任務書雙面打印，一式三份，學生、指導教師、專業學院各存檔一份。機器人qiren111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111機器人qiren111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111一、開題報告1.1課題背景及研究的目的與意義1.1.1課題背景沖壓加工是機械加工中的一種較為普遍的塑性成型制造方法，主要是通過壓力機來加工放入模具內的工件，生產出所需尺寸規格產品的制造技術。與其他成型制造技術相比較，沖壓加工這種成型制造方法的生產效率高、速度快、節能環保、材料利用率高、生產成本低等優點，它在航空、電器、數碼儀表等行業的應用都很普遍，特別是在汽車制造行業得到廣泛應用。隨著科學技術的不斷發展，沖壓加工技術以及模具制造技術的持續進步，沖壓加工技術已經應用在許多行業的生產過程當中。許多較為先進的發達國家的GDP，通過沖壓加工的設備產值占了較高的比重，而且這種情況還呈現逐年增加的趨勢1。隨著社會的不斷發展，沖壓成型加工過程中的人工作業等傳統方式已經逐漸不能滿足工業生產的需要了。所以，在沖壓加工生產過程中引入機械手或機器人來替代生產工人來完成生產任務是沖壓成型制造技術發展的重要方向2。隨著我國的科學研究人員的知識水平不斷提高以及科學技術的不斷進步，沖壓自動上下料裝置已逐漸成為機電行業中比較常見的產品，該裝置能夠替代人工作業并且能夠降低用人成本，因此有著十分廣闊的應用前景。積極地研究沖壓自動化上下料裝置，一方面可以提高產品的品質與產量，另一方面又能降低工人的出現事故的幾率，所以研究自動化上下料機械手是十分必要的。1.1.2研究的目的與意義隨著科學技術的不斷發展，沖壓成型技術已逐漸步入精密化、自動化、柔性化、高速化的階段?，F今，由于壓力機先進的制造技術不斷成熟，一些大型的壓力機速度有了很大提升，可以達到每分鐘數十次行程，一些小型的壓力機甚至能達到每分鐘上千次行程1。然而工業生產中擁有如此先進的高速化壓力機設備，卻配合著傳統工人的手動操作與落后的人工作業，這使得企業無法進行高效率、安全可靠的生產，所以，將一些先進的機器人技術、伺服技術引入沖壓生產過程中，使其構成柔性自動化生產，這樣可以使得沖壓技術向著高速、高效、高質量發展3。在以前的沖壓生產工藝過程中，上下料通常都是由生產工人手工完成，然而壓力機擁有很大的壓力，而且所加工的一般為較重的板材，所以這過程是非常危險的，工人發生事故的幾率不低。因此，在90年代初期，一些歐美的自動化設備公司就開始對沖壓技術進行研究，希望能夠研究出一款工業機械手或者機器人來代替人工作業?，F如今，在汽車制造廠內，沖壓自動化技術已經被普遍使用。另外，中國汽車市場如今的消費需求非常大，增長幅度也大，各個汽車生產廠商都在想方設法提高產能，以提高競爭力，所以沖壓生產線的效率提高已經成為了十分迫切的需要解決的問題?，F在在工業上使用的機器人大多都有6個自由度，這樣的機器人在工作區域內可以得到任意的姿態，但是對于某些固定工作，所使用的機器人并不需要有6個自由度，針對這樣的特殊情況，我們應該研制一種特有的機械裝置，這種裝置不需要那么多的運動關節，只需要能夠執行相關的動作即可，這樣的設計能夠降低設備成本并且控制系統也會變得簡單4。在現在的機器人研究中，科學家大多研究的是通用機器人，對于一些特定場合的專用機器人的研究還是比較少的5。隨著我國的法制逐漸完善，工人的工資福利都得到了保證，工人在工作中的自我保護意識更是顯著提高。如今，沖壓成型加工的效率在工業生產中還算可以，但是沖壓成型加工過程中人工參與過多，特別是上下料作業這方面。所以，企業生產商的用人成本負擔很重，而且在生產線上還經常發生工人的手指被壓力機沖斷，這些可怕的事故使得工人健康無法得到保障，工人同時也膽戰心驚，在生產過程中顯得非常壓抑。因此，一些中小型企業為了能夠減少沖壓生產線上的事故發生，研制自動上下料的機械手是它們的首選解決辦法6。這些自動化上下料機械手假如從國外進口的話，性能一般較好，但是價格方面卻是十分昂貴的，很多小型企業根本負擔不起。所以，結合我國國內沖壓行業的目前情況，研制一種低成本的沖壓自動化加裝機械手是非常必要的。1.2 國內外工業機器人研究現狀與發展趨勢1.2.1 國內工業機器人研究現狀如今，機器人是科學研究的熱點，其研究的具體現狀如下所述：（1） PC機開放式控制器是其控制系統的發展趨勢，這樣會使其網絡化與標準化；電子元器件變得高度集成化，控制中心結構模塊化。（2） 機器人具備模塊化的機械結構。機器人的整體機構由關節和連桿模塊構成。（3） 傳感器的作用變得越來越重要。某些機械手的控制是基于力、觸、視與聲覺多種傳感器結合一起來實現，多傳感器融合的技術是未來機械手的重要技術。（4） 常用的用于運輸、裝配、焊接等機器人已經逐漸標準化、通用化7?？偟膩碇v，機器人的研究大致可以分為兩個方向：一是通過先進的控制算法，復雜的控制系統、多傳感器以及智能化；二是基于生產加工，為特定的工作任務，通過使用高性價比的模塊，在滿足工作要求的前提下，使機器人控制系統盡量簡單，從而使機器人經濟、簡潔。我們國家是從20世紀80年代初期開始進行機器人的研究，哈爾濱工業大學主持研發的弧焊機器人是我國的第一臺工業機器人。并且從1986年開始，我們國家啟動了許多發展計劃，例如“863”高技術發展計劃，“七五”機器人攻克計劃等，使得我國從原來的理論研究到如今已經研發出一系列具有先進科學水平機器人8?？梢源_定的是，機器人產業化是未來工業發展的趨勢，現如今，我們國家隨著科技的進步，也能生產出許多有著不同應用的機器人，例如搬運機器人、平面關節型加裝機器人、直角坐標機器人、弧焊機器人等9。隨著國家對工業機器人的研發與推廣，我國也出現了一批具有自主研發能力和知識產權的企業，如廣州數控、沈陽新松等企業。如圖1-1是沈陽新松開發的一款型號為SR50A的機器人，可用于噴涂、鑄造、打磨以及拋光等行業。 圖1-1 SR50A機器人總的來看，我國的工業機械手的發展和應用與西方國家和日本都有一定的差距，比如某些中小型企業發展模式較為傳統，很大一部分的生產線依然是采用人工搬運或上下料，即便有些企業采用了工業機械手，但其精度和可靠性都達不到生產要求，而且也不能完全取代人工或構建高效率的自動化生產線，甚至不能解決批量生產和成本的問題10。1.2.2國外工業機器人研究現狀 世界上第一臺工業機器人是在1958年誕生的，它是由美國的一間名叫Unimation公司研發出來的。這是一臺用于壓鑄行業的五軸液壓驅動的機器人，由一臺專用計算機來控制機械臂動作，能夠記憶多達180個工作步驟11。 美國一直著重于機器人理論技術的發展，其機械人研制發展得較為全面，語言種類多、應用范圍廣、水平層次高，在軍事領域、汽車行業、航空航天及太空搜索中的應用取得了巨大的成功。到了21世紀，美國在它原先的雄厚工業機械手技術基礎上，逐步研發出了具有聽覺、視覺等類人智能化的機械人。例如美國的探測器，以及軍用探測機器人等。日本一開始是引進了美國的機械手，經過了一段時期的研究，自身的機械人發展逐漸壯大。到了20世紀七八十年代，進入了一個機器人快速發展的黃金期。根據資料顯示，日本各個大學以及政府研究機構在機械手的研究經費占到了研究總經費的41%。隨后，工業機械手的發展漸漸向歐美轉移。進入21世紀，隨著中國以及亞洲部分國家對機器人的巨大需求，日本機器人也迎來了一波新的浪潮12。在上個世紀70年代，德國在其雄厚的工業基礎上加大力度發展機械手，主要包括上下料機械手、工業焊接機械手、起重運輸機械手等相關設備上的應用。1973年，德國的庫卡機器人公司研發出了第一臺由電機驅動的六軸機器人。庫卡公司生產的機器人多種多樣，有搬運機、SCARA以及多關節型機器人等，都是通過PC控制器來控制的。庫卡公司研發的六軸工業機器人以及其他用于特殊場合的機器人，能夠承受的負載為3kg到1000kg。如下圖1-2所示為六軸機器人S2000，能夠承受載荷150kg13。瑞典的ABB公司在上世紀70年代率先研發出了電力驅動的工業機器人和噴涂機器人，到現在ABB公司生產的機器人在全球的裝機量已經超過了16萬臺，成為全球最大的機器人制造商。ABB公司這些年來也研發出了許多不同用途的機器人，其中IRB型系列機器人是ABB生產的標準系列機器人，常用于焊接、涂刷、搬運、切割等工作。例如，2015年該公司研發了目前為止用途最廣泛，負載最大的工業機器人IRB8700，其工作范圍可達3.5m，有效負載可達800kg，能針對重型和大尺寸零件自行調整運行速度14。還有IRB-6660機器人，如下圖1-3該機器人已經應用于國內血多汽車廠商，如吉利、長城、長安鈴木等公司的沖壓自動化生產線。 圖1-2 S2000六軸機器人 圖1-3 IRB-6660機器人1.2.3 工業機械手在沖壓生產線的發展趨勢工業機械手一般是應用在制造業中的比較危險的區域，是用來代替人工作業，做一些較為單調、頻繁復雜而且容易出事故的生產步驟，用于上下料的沖壓加裝機械手有多種結構形式，一般在加裝機械手的末端都是配著端拾器，是用來實現板材的吸取與投料的工作。在沖壓上下料的生產線上主要完成分料加裝機械手上料壓力機沖壓加裝機械手下料，再次送料壓力機沖壓按工序量不斷循環末端壓力機沖壓加裝機械手繼續取料、放料機器輸送人工或自動碼垛循環15。目前，國內外機器人技術正在向智能機器和智能系統的方向發展，其現狀及發展趨勢主要體現在以下幾個方面16、17：（1）工業機器人的性能正在向高精度、高速度和高可靠性發展的同時，也不斷降低成本，且易于操控和維修。（2）工業機器人的控制系統建立在PC機信息化控制基礎上，集成更加專業、可靠的模塊，上位監控器的精致化。（3）良好的人際交互，完善的監控操作系統，使機械手工作更加實用化。（4）速度、位移、加速度等傳感器的廣泛使用，并且融入視覺和觸覺等傳感系統技術，使得機械手更加任性化。（5）機器人作業的虛擬現實化。（6）工業機械手的結構正在向模塊化、可重構化發展，閉環伺服系統的廣泛使用。1.3本文主要研究內容本文主要根據鈑金機箱沖壓加工的特點與性質，針對沖壓設備自動上下料加裝機械手的研究，通過分析沖壓設備具體的上下料流程，完成加裝機械手前期的結構分析和具體的機械結構設計，并對部件進行運動分析與校核，具體的研究內容如下：（1）了解清楚從事沖壓加工的相關生產工廠的基本情況，包括擁有的工人數、計劃的年產量、自身的成本與相關效益以及企業的管理理念等。（2）根據鈑金機箱沖壓加工的實際環境，通過查閱相關文獻和到現場進行調研，將人工作業和使用加裝機械手這兩種不同的上下料工藝流程進行對比，進而證明沖床加裝機械手應用的必要性。并且根據實際的自動化生產狀況與相關工作要求，確定沖床上下料加裝機械手的設計方案。（3）根據設計方案，確定沖壓上下料加裝機械手的工作參數，比如運動類型，動力選擇，相關尺寸大小等，并用CAD軟件和UG軟件對其組成的每個非標準零部件進行結構設計，并畫出二維和三維圖紙，對標準零部件根據相關參考文獻進行選擇與校核。（4）對所設計的機械手的主要部件進行分析，包括自由度分析，運動或動力分析等。（5）運用相關軟件對所設計的沖床加裝機械手的裝配過程進行模擬或動態仿真。1.4 計劃進度1、2017.2.213.1 通過查閱國內外相關的沖床上下料機械手的資料和到相關生產工廠進行調研,了解清楚這些工廠的基本情況和相關機械手的結構與運動情況。 2、2017.3.23.15 確立沖床上下料機械手的設計方案和相關工作參數，并對主要部件進行自由度分析、動力分析等，并對機械手組成中的標準零部件通過參考相關文獻進行選擇。3、2017.3.164.8 對所設計的加裝機械手進行三維設計，用UG軟件進行三維建模，并導出CAD二維圖紙。4、2017.4.94.20 使用相關軟件對設計的機械手的裝配過程進行模擬或動態仿真。5、2017.4.214.30 撰寫畢業論文全篇，論文符合相關要求，敘述清晰并有邏輯。6、2017.5.15.30 對畢業論文進行查缺補漏，準備畢業設計答辯。 參考文獻1 張國權，工嘯宇. 鍛壓機械M.北京：機械工業出版社，1995：10-12.2 李偉成，邱繼紅. 沖壓機器人成套設備J.2001（2）.3 劉會祥，蘇春建. 基于虛擬樣機技術的沖壓機器人運動學分析與仿真J.機械工程師,2014:90-92.4 陳建平，劉方湖. 星球探測自位機器人的研究現狀與發展趨勢J.機械設計，2003：1-4.5 毛桂生，黃晨華. 上下料工業機器人結構設計及仿真研究J.機械設計與制造，2003：1-4.6 鄧大偉. 基于PLC控制的氣動機械手研制D.哈爾濱工業大學碩士學位論文，2010：3-5 7 李鋼.工業機器人智能化技術在IGM焊接機器人中的應用研究D.合肥工業大學碩士學位論文，2005：2-48 王宜銀，朱世強.機器人技術及其應用M.杭州：浙江大學出版社，2001：56-989 孫兵、趙斌、施永輝. 物料搬運機械手的研制J.機電一體化,2015,43-4510 張濤.機器人引論M.北京：機械工業出版社，201011 李元宗.機器人轉動慣性張量的坐標變換J.機器人，199112 田樂帥.沖床上下料機械手的設計與研究.青島科技大學碩士學位論文，201613 吳俊利.搬運機械手的抓取設計及軌跡控制研究.燕山大學碩士學位論文，201614 顧以進.鈑金沖壓自動上下料機械手的研究與開發.哈爾濱工業大學碩士學位論文，201415 孫瓏.沖壓級上下料機械手的開發與研究.華南理工大學工程碩士學位論文，201516 程立燕.五自由度機械手的抓取設計D.四川：西華大學，201217 梅雪川.沖壓設備上下料機器人開發與研究D.廣州：華南理工大學，2012畢 業 設 計學生姓名： 學 院： 專 業： 題 目： 指導教師： 評閱教師： I摘要 沖床上下料機械手是為了節省人工勞動成本而研發的一款自動化設備。本文在搜閱了有關機械手方面的資料之后，簡單介紹了其作用、組成和分類。根據課題要求對機械手進行了總體方案設計，確定了機械手的座標型式、運動自由度以及機械手的技術參數。根據對機械手手部、腕部、手臂以及機身等結構的設計計算得出數據，并且通過三維軟件繪制出三維模型，最后對機械手的結構進行完善。最后利用三維軟件完成機械的動畫仿真。關鍵詞 上下料機械手 三維模型 動畫仿真V本 科 畢 業 設 計AbstractPunch manipulator is up and down in order to save human labor cost and develop an automated equipment. Based on the search after reading information about manipulator, simply introduces the function, composition and classification. Overall design of manipulator in accordance with the requirements of project, to determine the coordinates of the manipulator, degrees of freedom of movement and technical parameters of the manipulator. According to the manipulator hand, wrist, arm, and the fuselage structure design and calculation of the obtained data, and by 3 d software to map the three-dimensional model, finally to improve the structure of the manipulator. Finally using 3 d software to complete mechanical animation simulation. keywords Up and down manipulator 3 d animation simulation model 目 錄摘要IIAbstractIII第一章 緒論- 1 -1.1課題背景及研究的目的與意義- 1 -1.1.1課題背景- 1 -1.1.2研究的目的與意義- 1 -1.2 國內外工業機器人研究現狀與發展趨勢- 3 -1.2.1 國內工業機器人研究現狀- 3 -1.2.2國外工業機器人研究現狀- 4 -1.2.3 工業機械手在沖壓生產線的發展趨勢- 6 -1.3 機械手的組成和分類- 6 -1.3.1機械手的組成- 6 -1.3.2機械手的分類- 9 -1.4 本章小結- 11 -第二章 機械手總體設計方案- 11 -2.1執行部分的選擇- 11 -2.2驅動部分的選擇- 12 -2.3機械手的基本形式選擇- 13 -2.4 機械手的技術參數- 14 -2.5 本章小結- 15 -第三章 手腕的設計計算- 16 -3.1手腕處軸承的選擇- 16 -3.2 手腕驅動伺服電機與減速器的選擇- 17 -3.3 傳動同步帶的選擇與相應帶輪的設計- 17 -3.4 本章小結- 19 -第四章 伸縮軸的設計計算- 20 -4.1 直線導軌與滑塊的選擇- 20 -4.2傳動同步帶選擇與相應帶輪的設計- 24 -4.3 伺服電機的選擇與傳動帶輪的設計- 25 -4.3本章小結- 26 -第五章 升降軸的設計計算- 27 -5.1 滾珠絲杠的選擇- 27 -5.2 伺服電機的選擇- 29 -5.3 光軸與直線軸承的選擇- 31 -5.4 本章小結- 31 -第六章 旋轉軸的設計計算- 33 -6.1 轉盤軸承的選擇- 33 -6.2 伺服電機的選擇以及減速比的確定- 34 -6.3 本章小結- 34 -第六章 機械手的仿真- 36 -7.1 Animator介紹- 36 -7.2 機械手仿真的實現- 36 -結 論- 38 -致 謝- 39 -參 考 文 獻- 40 -本 科 畢 業 設 計第一章 緒論1.1課題背景及研究的目的與意義1.1.1課題背景沖壓加工是機械加工中的一種較為普遍的塑性成型制造方法，主要是通過壓力機來加工放入模具內的工件，生產出所需尺寸規格產品的制造技術。與其他成型制造技術相比較，沖壓加工這種成型制造方法的生產效率高、速度快、節能環保、材料利用率高、生產成本低等優點，它在航空、電器、數碼儀表等行業的應用都很普遍，特別是在汽車制造行業得到廣泛應用。隨著科學技術的不斷發展，沖壓加工技術以及模具制造技術的持續進步，沖壓加工技術已經應用在許多行業的生產過程當中。許多較為先進的發達國家的GDP，通過沖壓加工的設備產值占了較高的比重，而且這種情況還呈現逐年增加的趨勢1。隨著社會的不斷發展，沖壓成型加工過程中的人工作業等傳統方式已經逐漸不能滿足工業生產的需要了。所以，在沖壓加工生產過程中引入機械手或機器人來替代生產工人來完成生產任務是沖壓成型制造技術發展的重要方向2。隨著我國的科學研究人員的知識水平不斷提高以及科學技術的不斷進步，沖壓自動上下料裝置已逐漸成為機電行業中比較常見的產品，該裝置能夠替代人工作業并且能夠降低用人成本，因此有著十分廣闊的應用前景。積極地研究沖壓自動化上下料裝置，一方面可以提高產品的品質與產量，另一方面又能降低工人的出現事故的幾率，所以研究自動化上下料機械手是十分必要的。1.1.2研究的目的與意義隨著科學技術的不斷發展，沖壓成型技術已逐漸步入精密化、自動化、柔性化、高速化的階段?，F今，由于壓力機先進的制造技術不斷成熟，一些大型的壓力機速度有了很大提升，可以達到每分鐘數十次行程，一些小型的壓力機甚至能達到每分鐘上千次行程1。然而工業生產中擁有如此先進的高速化壓力機設備，卻配合著傳統工人的手動操作與落后的人工作業，這使得企業無法進行高效率、安全可靠的生產，所以，將一些先進的機器人技術、伺服技術引入沖壓生產過程中，使其構成柔性自動化生產，這樣可以使得沖壓技術向著高速、高效、高質量發展3。在以前的沖壓生產工藝過程中，上下料通常都是由生產工人手工完成，然而壓力機擁有很大的壓力，而且所加工的一般為較重的板材，所以這過程是非常危險的，工人發生事故的幾率不低。因此，在90年代初期，一些歐美的自動化設備公司就開始對沖壓技術進行研究，希望能夠研究出一款工業機械手或者機器人來代替人工作業?，F如今，在汽車制造廠內，沖壓自動化技術已經被普遍使用。另外，中國汽車市場如今的消費需求非常大，增長幅度也大，各個汽車生產廠商都在想方設法提高產能，以提高競爭力，所以沖壓生產線的效率提高已經成為了十分迫切的需要解決的問題?，F在在工業上使用的機器人大多都有6個自由度，這樣的機器人在工作區域內可以得到任意的姿態，但是對于某些固定工作，所使用的機器人并不需要有6個自由度，針對這樣的特殊情況，我們應該研制一種特有的機械裝置，這種裝置不需要那么多的運動關節，只需要能夠執行相關的動作即可，這樣的設計能夠降低設備成本并且控制系統也會變得簡單4。在現在的機器人研究中，科學家大多研究的是通用機器人，對于一些特定場合的專用機器人的研究還是比較少的5。隨著我國的法制逐漸完善，工人的工資福利都得到了保證，工人在工作中的自我保護意識更是顯著提高。如今，沖壓成型加工的效率在工業生產中還算可以，但是沖壓成型加工過程中人工參與過多，特別是上下料作業這方面。所以，企業生產商的用人成本負擔很重，而且在生產線上還經常發生工人的手指被壓力機沖斷，這些可怕的事故使得工人健康無法得到保障，工人同時也膽戰心驚，在生產過程中顯得非常壓抑。因此，一些中小型企業為了能夠減少沖壓生產線上的事故發生，研制自動上下料的機械手是它們的首選解決辦法6。這些自動化上下料機械手假如從國外進口的話，性能一般較好，但是價格方面卻是十分昂貴的，很多小型企業根本負擔不起。所以，結合我國國內沖壓行業的目前情況，研制一種低成本的沖壓自動化加裝機械手是非常必要的。1.2 國內外工業機器人研究現狀與發展趨勢1.2.1 國內工業機器人研究現狀如今，機器人是科學研究的熱點，其研究的具體現狀如下所述：（1） PC機開放式控制器是其控制系統的發展趨勢，這樣會使其網絡化與標準化；電子元器件變得高度集成化，控制中心結構模塊化。（2） 機器人具備模塊化的機械結構。機器人的整體機構由關節和連桿模塊構成。（3） 傳感器的作用變得越來越重要。某些機械手的控制是基于力、觸、視與聲覺多種傳感器結合一起來實現，多傳感器融合的技術是未來機械手的重要技術。（4） 常用的用于運輸、裝配、焊接等機器人已經逐漸標準化、通用化7?？偟膩碇v，機器人的研究大致可以分為兩個方向：一是通過先進的控制算法，復雜的控制系統、多傳感器以及智能化；二是基于生產加工，為特定的工作任務，通過使用高性價比的模塊，在滿足工作要求的前提下，使機器人控制系統盡量簡單，從而使機器人經濟、簡潔。我們國家是從20世紀80年代初期開始進行機器人的研究，哈爾濱工業大學主持研發的弧焊機器人是我國的第一臺工業機器人。并且從1986年開始，我們國家啟動了許多發展計劃，例如“863”高技術發展計劃，“七五”機器人攻克計劃等，使得我國從原來的理論研究到如今已經研發出一系列具有先進科學水平機器人8?？梢源_定的是，機器人產業化是未來工業發展的趨勢，現如今，我們國家隨著科技的進步，也能生產出許多有著不同應用的機器人，例如搬運機器人、平面關節型加裝機器人、直角坐標機器人、弧焊機器人等9。隨著國家對工業機器人的研發與推廣，我國也出現了一批具有自主研發能力和知識產權的企業，如廣州數控、沈陽新松等企業。如圖1-1是沈陽新松開發的一款型號為SR50A的機器人，可用于噴涂、鑄造、打磨以及拋光等行業。 圖1-1 SR50A機器人總的來看，我國的工業機械手的發展和應用與西方國家和日本都有一定的差距，比如某些中小型企業發展模式較為傳統，很大一部分的生產線依然是采用人工搬運或上下料，即便有些企業采用了工業機械手，但其精度和可靠性都達不到生產要求，而且也不能完全取代人工或構建高效率的自動化生產線，甚至不能解決批量生產和成本的問題10。1.2.2國外工業機器人研究現狀 世界上第一臺工業機器人是在1958年誕生的，它是由美國的一間名叫Unimation公司研發出來的。這是一臺用于壓鑄行業的五軸液壓驅動的機器人，由一臺專用計算機來控制機械臂動作，能夠記憶多達180個工作步驟11。 美國一直著重于機器人理論技術的發展，其機械人研制發展得較為全面，語言種類多、應用范圍廣、水平層次高，在軍事領域、汽車行業、航空航天及太空搜索中的應用取得了巨大的成功。到了21世紀，美國在它原先的雄厚工業機械手技術基礎上，逐步研發出了具有聽覺、視覺等類人智能化的機械人。例如美國的探測器，以及軍用探測機器人等。日本一開始是引進了美國的機械手，經過了一段時期的研究，自身的機械人發展逐漸壯大。到了20世紀七八十年代，進入了一個機器人快速發展的黃金期。根據資料顯示，日本各個大學以及政府研究機構在機械手的研究經費占到了研究總經費的41%。隨后，工業機械手的發展漸漸向歐美轉移。進入21世紀，隨著中國以及亞洲部分國家對機器人的巨大需求，日本機器人也迎來了一波新的浪潮12。在上個世紀70年代，德國在其雄厚的工業基礎上加大力度發展機械手，主要包括上下料機械手、工業焊接機械手、起重運輸機械手等相關設備上的應用。1973年，德國的庫卡機器人公司研發出了第一臺由電機驅動的六軸機器人。庫卡公司生產的機器人多種多樣，有搬運機、SCARA以及多關節型機器人等，都是通過PC控制器來控制的。庫卡公司研發的六軸工業機器人以及其他用于特殊場合的機器人，能夠承受的負載為3kg到1000kg。如下圖1-2所示為六軸機器人S2000，能夠承受載荷150kg13。瑞典的ABB公司在上世紀70年代率先研發出了電力驅動的工業機器人和噴涂機器人，到現在ABB公司生產的機器人在全球的裝機量已經超過了16萬臺，成為全球最大的機器人制造商。ABB公司這些年來也研發出了許多不同用途的機器人，其中IRB型系列機器人是ABB生產的標準系列機器人，常用于焊接、涂刷、搬運、切割等工作。例如，2015年該公司研發了目前為止用途最廣泛，負載最大的工業機器人IRB8700，其工作范圍可達3.5m，有效負載可達800kg，能針對重型和大尺寸零件自行調整運行速度14。還有IRB-6660機器人，如下圖1-3該機器人已經應用于國內血多汽車廠商，如吉利、長城、長安鈴木等公司的沖壓自動化生產線。 圖1-2 S2000六軸機器人 圖1-3 IRB-6660機器人1.2.3 工業機械手在沖壓生產線的發展趨勢工業機械手一般是應用在制造業中的比較危險的區域，是用來代替人工作業，做一些較為單調、頻繁復雜而且容易出事故的生產步驟，用于上下料的沖壓加裝機械手有多種結構形式，一般在加裝機械手的末端都是配著端拾器，是用來實現板材的吸取與投料的工作。在沖壓上下料的生產線上主要完成分料加裝機械手上料壓力機沖壓加裝機械手下料，再次送料壓力機沖壓按工序量不斷循環末端壓力機沖壓加裝機械手繼續取料、放料機器輸送人工或自動碼垛循環15。目前，國內外機器人技術正在向智能機器和智能系統的方向發展，其現狀及發展趨勢主要體現在以下幾個方面16、17：（1）工業機器人的性能正在向高精度、高速度和高可靠性發展的同時，也不斷降低成本，且易于操控和維修。（2）工業機器人的控制系統建立在PC機信息化控制基礎上，集成更加專業、可靠的模塊，上位監控器的精致化。（3）良好的人際交互，完善的監控操作系統，使機械手工作更加實用化。（4）速度、位移、加速度等傳感器的廣泛使用，并且融入視覺和觸覺等傳感系統技術，使得機械手更加任性化。（5）機器人作業的虛擬現實化。（6）工業機械手的結構正在向模塊化、可重構化發展，閉環伺服系統的廣泛使用。1.3 機械手的組成和分類1.3.1機械手的組成機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等組成。各個系統之間的相互關系如方框圖1-4所示。圖1-4 機械手的組成方控制系統驅動系統執行機構被抓取工件位置檢測裝置框1) 執行機構主要由手部 、手腕、手臂和立柱等部件構成，有的還增設行走機構。(a) 手部所謂手部，就是與物件相接觸的部分。根據其與物件接觸的不同形式，可以分成夾持式手部和吸附式手部兩類。夾持式手部由手指和動力傳動機構所構成。手指是指與物件直接接觸的部分，常用的手指運動形式有回轉型和平移型兩種?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用比較廣泛。平移型手指由于其結構比較復雜，故應用較少，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不會影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍較大的工件4。吸附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如空氣吸盤內形成負壓或電磁吸盤產生電磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓式吸盤和電磁式吸盤兩類。對于質量較小面積較大的板料類零件，通常采用負壓式吸盤來吸取物料。造成負壓的方式主要有氣流負壓式和真空泵式兩種。對于導磁性的環類和帶孔的盤類零件，以及有網孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產生。用負壓式吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數量、吸附力大小，需要根據被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。(b) 手腕是連接手部和手臂的部件，通過手腕的旋轉動作，可以調整被抓取物件的位置，從而適應不同的工作需要。(c) 手臂手臂是支承手部及被抓物件的重要部件。手臂的作用是帶動手部抓取物件，并且按照編定的程序將其搬運到指定的位置。工業機械手的手臂一般通過動力源(如液壓、氣壓或電機等)由手臂運動的驅動部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)的驅動下，實現手臂的各種運動。手臂在伸縮或升降運動過程中，為了防止其繞軸線產生轉動，都需要加裝導向裝置，以保證手臂按正確方向運動。此外，導向裝置還能承受手臂所受的各種力矩，使運動部件保持良好的受力狀態。常見的導向裝置結構形式有：單圓柱、雙圓柱、四圓柱和燕尾槽、V形槽等。(d) 立柱立柱是支承手臂的部件，立柱既可以獨立分開，也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。(e) 行走機構實際使用中，當工業機械手需要進行較遠距離的操作，或擴大機械手使用的范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則需要另外增設機械傳動裝置。(f) 機座機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均需要安裝在機座上，主要起支撐和連接的作用。2) 驅動系統驅動系統是驅動工業機械手執行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓驅動、氣壓驅動、電力驅動和機械驅動等。3) 控制系統工業機械手在控制系統支配下按照設定的要求動作。目前工業機械手的控制系統一般主要由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成?？刂葡到y有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號5。4) 位置檢測裝置控制機械手執行機構的運動位置，并隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置6。1.3.2機械手的分類目前工業機械手的種類繁多，但是在國內還沒有較為統一的分類標準。因此，我們暫且按照使用范圍、驅動方式和控制系統等進行分類。1) 按使用范圍分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種。(a) 專用機械手專用機械手附屬于主機一般具有固定程序但無獨立的控制系統。其具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低的特點，適用于大批量的自動化生產，如自動機床、自動線的上、下料機械手和“加口工中心”附屬的自動換刀機械手等7。(b) 通用機械手通用機械手擁有獨立的控制系統、程序可變，并且動作靈活多樣。它的驅動系統與控制系統一般是獨立的，在產品功能允許的范圍內，通過改變其控制程序可以適應不同的工作場合。因此，它適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產中。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種：簡易型以“開關”式控制定位，只能是點位控制；伺服型具有伺服系統定位控制系統，可以是點位的，也可以實現連續軌跡控制。2) 按驅動方式分(a) 液壓傳動機械手液壓傳動機械手靠液壓來驅動執行機構運動。它的主要特點是:抓持力大、傳動平穩、結構緊湊、動作靈敏。由于其介質特殊性，不適合在高溫、低溫下工作，而且對密封質量要求嚴格，否則將會大大影響其工作性能。如果機械手采用電液伺服驅動系統，可以實現軌跡的連續控制，從而提高機械手的通用性，但是目前電液伺服閥的制造精度較高，油液過濾要求嚴格，成本較高。(b) 氣壓傳動機械手氣壓傳動機械手以壓縮空氣來驅動執行機構運動。它的主要特點是：空氣獲取方便，輸出力較小，動作迅速，結構緊湊，成本較低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大。(c) 機械傳動機械手機械傳動機械手由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動。它一般是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動位置準確可靠，動作頻率大；但缺點是結構較大，動作形式不可變。(d) 電力傳動機械手電力傳動機械手由特殊結構的感應電動機、直線電機、步進電機或伺服電機直接驅動執行機構運動，由于不需要中間的轉換機構，因此機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度較快并且行程較長，維護和使用也較為方便。3) 按控制方式分(a) 點位控制它的運動為空間上點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。如果想要增加控制的點數，則必須增加電氣控制系統的復雜性。目前使用的專用機械手和通用機械手均屬于此類。(b) 連續軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現平穩和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統復雜8。這類機械手一般通過采用小型計算機進行控制。1.4 本章小結本章主要介紹了課題的研究意義與目的，在工業生產中的應用，以及它的基本組成結構，即由執行機構、驅動系統、控制系統和位置檢測裝置四部分構成，同時又分別對這四部分進行詳細介紹。最后講述了機械手的發展概況。第二章 機械手總體設計方案對機械手的基本要求是能快速、準確地拾放和搬運物件，這就要求它們必須具有較高的反復定位精度、較快的反應響應能力、足夠的承載能力、足夠的自由度以及占用較小的空間。設計機械手的基本原則是：分析作業對象的技術要求，在滿足系統功能要求和環境條件下擬定最合理的作業工序和工藝；明確工件的結構形狀和材料特性等相關參數，從而進一步確定對機械手結構與運行過程的要求；盡量選用市場現有的組件、模塊，從而簡化設計制造過程，節省費用。2.1執行部分的選擇執行部分的選擇由以下結構分別選定:（一）手部手部是直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型。手部是用來抓取工件的部件，根據被抓取物件的形狀、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取類型是吸附型和夾持型，吸附型主要是針對于一些表面光滑、輕質的工件或物料，夾持型主要是針對圓柱形狀或者是別的一些比較復雜形狀的工件或物料14。本設計中，由于大部分沖壓件為鐵板或者鋁板，沖壓表面基本平整，因此我們選擇吸附型手部，而吸附型手部又可以分成空氣吸盤（主要采用負壓或者真空）和電磁吸盤兩種，由于空氣吸盤可以與工件柔性接觸，防止表面擦傷，因此在這里我們優先考慮使用負壓式空氣吸盤。（二）腕部腕部是連接手部和臂部的部件，起到支撐和改變手部位置的作用，可以擴大機械手的動作范圍，使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕具有獨立的自由度。通常具有回轉運動、左右擺動、上下擺動等幾種形式。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的機械手，為了簡化結構，也可以不加設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件15。本設計中，為了使機械手手部較為靈活，可以適應不同零件位置，因此我們使其具有回轉運動。（三）臂部臂部是機械手的重要支持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工裝或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的作用：把手部送到空間運動范圍內的任意一點。一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本的要求，即手臂的伸縮、左右擺臂、升降運動。手臂的運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中常常受到腕部、手部以及工件的靜、動載荷的作用，而且由于手臂運動較多，故其受力復雜16。本設計中，我們需要使手臂具有伸縮、左右擺臂和升降的功能。2.2驅動部分的選擇驅動機構是工業機械手的重要組成部分。根據動力源的不同, 可分為以下四類：（一）氣壓傳動機械手氣壓機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其特點為：輸出力大、易于保養、動作迅速、結構簡單成本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。（二）液壓傳動機械手是以油液壓縮的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其特點為：輸出力大、傳動平穩、結構緊湊、動作靈敏、抓取力大。但是這種機械手對密封性要求很高、不易于機械手的保養與維護、受到液體本身的屬性影響，不適合在高溫或者低溫的環境下工作、油的泄漏會導致對其工作性能產生很大的影響、油液過濾要求非常嚴格，成本高。（三）機械驅動機械手它是由機械傳動機構驅動的機械手，是一種附屬于工作主機的專用機械手，動力是由工作機械提供的。其主要特點為：運動精確，動作頻率大，定位精度高。但是結構較大，保養需求高。（四）電氣驅動機械手是指由電機直接驅動執行機構運動的機械手。特點是：響應速度快，運動行程長，定位精度高，并且維護、使用方便，節能無污染。但是其結構較復雜、成本也較高。工業機械手的性價比一般取決于驅動方案及相應零部件的配置。按照各驅動特點以及機械手的工作環境擬除機械手手部利用氣源空氣吸盤外，其余運動動力來源均選用伺服電機。2.3機械手的基本形式選擇常見的工業機械手根據手臂的動作形態,按坐標形式大致可以分為以下4種: a.直角坐標型機械手；b.圓柱坐標型機械手；c.球坐標(極坐標)型機械手；d.多關節型機械手（見圖2-1）。直角坐標型機械手：主要特點每個自由度之間的空間夾角為直角，占用空間較大，工作范圍較小，結構簡單。圓柱坐標型機械手：占用空間較小，工作范圍較大，結構簡單緊湊，定位精度較高。球坐標型機械手：占用空間較小，自由度較多，但是結構較為復雜。多關節型機械手：與球坐標特點相似，自由度更高，結構更為復雜。圖2-1 機械手基本形式于沖壓機械手作用是實現沖壓機床與沖壓機床之間加工工件的傳遞，工作空間較小且需要實現的功能要求自由度比較低，因此結合以上各種機械手工作特點，考慮造價及實現難易程度，選定機械手為圓柱坐標型機械手。2.4 機械手的技術參數（一）機械手用途：沖壓機床自動上下料（二）設計技術參數1) 抓重：最大4KG2) 自由度數：4個自由度3) 坐標型式：圓柱坐標型4) 最大工作半徑：1250mm5) 手腕運動參數：回轉范圍: 3606) 手臂伸縮參數：伸縮行程:600mm；伸縮速度:1000mm/s7) 手臂升降參數：升降行程：350mm；升降速度：200mm/s8) 手臂旋轉參數：旋轉范圍：120；旋轉速度：360/s2.5 本章小結本章從宏觀角度對機械手進行了總體方案的設計與分析，經過各方面對比考慮確定了機械手的基本形式以及自由度，初步確定采用伺服電機提供動力，并列出了機械手在設計中的一些必要的技術參數。下面的設計計算將以此進行。第三章 手腕的設計計算3.1手腕處軸承的選擇計算條件:根據實際設計需要擬選用內徑為d=25mm的深溝球軸承，轉速約30r/min，其徑向載荷約Fr=100N，軸向載荷約（包括額定抓重與其手部重量等），工作壽命（為機器總設計壽命，系數0.5為在工作時間內手腕工作的時間所占比例）。設計計算：查機械設計手冊（成大先第五版）軸承選型表，試選取軸承代號61805，d=25mm，基本額定動載荷，滾珠直徑為，滾珠數量為，基本額定靜載荷。, 查表得：軸徑載荷比，X=0.56，Y=2.022，徑向當量動載荷：查表得：沖擊載荷因數為，溫度因數為，速度因數為，壽命因數為，力矩載荷因數為軸承61805的動載荷，故選取合適。校核軸承的額定靜載荷：，取，取，故軸承61805滿足要求。3.2 手腕驅動伺服電機與減速器的選擇由于結構的限制擬采用伺服電機帶動減速器，減速器通過安裝的同步帶輪傳動至手腕處。計算條件：手腕處加以抓重預估計重量為，估計工件直徑，手腕處轉速最高。設計計算：計算工件轉動慣量：假設減速器連同同步帶輪總共減速比為,則折算到伺服電機上的轉動慣量為。按照負載慣量3倍電機轉子慣量的原則：查相關產品手冊，選用電機，則, , ，取校核輸出轉速：，滿足要求。因為使用條件扭矩很小，故忽略扭矩計算?？紤]盡可能選取級數較低的減速器，以便減少重量以及空間占用量，同時保證較高的精度，根據結構選擇一級減速器直角型，查相關手冊，一級減速器最高減速比為，故應設計同步帶輪減速比為。3.3 傳動同步帶的選擇與相應帶輪的設計計算條件：由上一節知，同步帶輪減速比為2，工件由靜止加速至轉速30r/min即其角速度為時，大約需要時間為，則所需要做的功為平均功率，最大功率約為。設計計算：計算設計功率(為工況系數）擬選用圓弧型同步帶，查機械設計手冊，由及,選擇帶節距為的同步帶。確定小帶輪齒數：，查相關圖表，最少齒數為，根據相關結構選擇小帶輪齒數為。小帶輪節圓直徑帶速：（為允許最大轉速），故帶速齒數合適。由傳動比，得大帶輪齒數大輪節圓直徑根據結構需要初定中心距約為，則初定帶節線長度查設計手冊，得同步帶節圓長，齒數。為使得同步帶可以良好配合于帶輪，故將其設計為中心距可調的結構，則實際中心距小帶輪嚙合齒數，故選擇合適。查表得基準額定功率，查表得圓弧齒帶長系數,小齒輪嚙合系數。查機械設計手冊得基準帶寬，故帶寬查相應表格，選定帶寬為15mm。相應同步帶輪根據結構等參數可見附圖。3.4 本章小結本章對機械手手腕部分進行了設計。通過計算選擇了手腕處軸承，同步帶，電機，減速機以及完成了同步帶輪的設計，同時用SolidWorks繪制了其相應三維圖如圖3-1，并畫出了部分二維圖紙（見附圖）。圖3-1手腕部分設計三維第四章 伸縮軸的設計計算4.1 直線導軌與滑塊的選擇計算條件：由上一章計算選型結果可知工件連同手腕組件質量為，伺服電機與減速機質量，滑塊上固定板質量約。按設計要求，滑塊的最大速度，滑塊運動時由靜止至最大速度時間，勻速時間，減速時間，運動行程，加速度，；距離，。速度時間關系圖如圖4-1所示，基本結構圖如圖4-2所示。圖4-1 速度時間關系圖圖4-3手臂伸縮結構示意圖設計計算：由已知條件可計算出，。（一）每個滑塊負荷的大小計算1) 等速時，徑向負荷大小2) 左行加速時，徑向負荷大小3) 左行減速時，徑向負荷大小4) 右行加速時，徑向負荷大小5) 右行減速時，徑向負荷大?。ǘ┑刃ж摵傻挠嬎?) 等速時2) 左行加速時3) 左行減速時4) 右行加速時5) 右行減速時（三）擬選用導軌滑塊型號為H20FN（TBI直線導軌手冊） 基本額定動負荷:,基本額定靜負荷：。（四）靜安全系數計算由以上計算可以得知，最大等效負載為,故安全系數應為：（五）每個滑塊的平均負荷計算（六）額定壽命的計算表4.1 負載系數振動沖擊速度（V）振動（G）微 小 大 查負載系數表4.1，取負載系數 。根據直線導軌的額定壽命計算公式，分別計算各導軌滑塊的壽命如下：故直線導軌的壽命為：。按每分鐘往復次數，折算成壽命時間為：滿足需求。4.2傳動同步帶選擇與相應帶輪的設計傳動同步帶的選擇根據實際結構情況選為：周節制帶L型，帶寬為19.1mm。相應帶輪根據實際結構需要的設計見附圖。4.3 伺服電機的選擇與傳動帶輪的設計計算條件：由上幾節計算，導軌滑塊上移動單位質量共約，運輸同步帶輪直徑為，負載與滑臺摩擦系數，電機處帶輪齒數比為，負載最高速度，加速度。傳動結構圖如圖4-3所示：圖4-3 伸縮軸傳動結構圖設計計算：（一）計算折算到電機軸上的轉動慣量按照負載慣量3倍電機轉子慣量的原則，則（二）計算電機驅動負載所需要的扭矩克服摩擦力所需要轉矩加速時所需轉矩伺服電機額定轉矩,最大扭矩。（三）計算電機所需轉速根據以上計算分析，結合結構實際選擇ECMA-C0807.電機處傳動同步帶型號為：圓弧型5M,帶寬20mm。相應帶輪結構見附圖。4.3本章小結本章對機械手手臂的伸縮部分進行了設計。結合計算對同步帶，電機等進行了選型，以及結合實際對帶輪進行了設計。然后用Solidworks畫出三維圖見圖4-4,用AutoCAD畫出二維圖（見附圖）。圖4-4 機械手手臂伸縮部分第五章 升降軸的設計計算5.1 滾珠絲杠的選擇圖5-2運轉速度時間圖圖5-1垂直結構圖設計條件：移動物重量約，最大運動行程為，最大移動速度為，要求壽命，摩擦系數，加速時間，勻速時間，減速時間結構簡圖，運轉條件分別如上圖5-1和圖5-2所示。設計計算：(一）容許軸向負荷計算設向上為正1) 等加速度下降時2) 等速下降時3) 等減速下降時4) 等加速上升時5) 等速上升時6) 等減速上升時最大軸向負荷發生于等加速上升的區段（二）基本動額定負荷計算表5.1 運轉過程明細表運轉條件軸向負荷（N）平均轉速（rpm)使用時間（s）加速下降12000.1等速下降24001.65減速下降12000.1加速上升12000.1等速上升24001.65減速上升12000.1平均負荷平均轉速由設計條件：疲勞壽命要求為20000小時此為普通運轉機構，故動額定負荷（三）基本靜額定負荷計算（其中）考慮設計條件和經濟性等選擇滾珠絲杠型式：SFI02505-4，軸頸25mm，導程5mm。5.2 伺服電機的選擇（一）慣性矩1) 絲桿軸：2) 可動部：3) 傳動件慣性矩總和：（二）驅動扭矩的計算1) 外部負荷造成的摩擦扭矩(a) 等加速下降時(b) 等速度下降時(c) 等減速度下降時(d) 等加速度上升(e) 等速度上升(f) 等減速度上升時2) 角加速度造成的慣性扭矩擬選用型號ECMA-C0807伺服電機，其。3) 總扭矩(a) 等加速下降時：(b) 等速下降時：(c) 等減速下降時：(d) 等加速上升時：(e) 等速上升時：(f) 等減速上升時：最大扭矩發生在等加速上升時故選型合適。5.3 光軸與直線軸承的選擇在本機械手結構中，由于光軸主要起導向和抑制偏載作用，提升重量取決于絲杠負載，與軸無關。且負載重心與絲杠中心基本重疊的；行程相對較??；絲杠和軸兩端固定安裝的；絲杠與軸平行性較好。故光軸的選擇根據經驗選定為20mm至30mm，考慮到支撐軸中間可以穿入電線或其他線纜，同時可以減輕機械重量，經反復討論，選定為下部支撐光軸采用直徑30mm，內徑20mm的空心光軸，長度為500mm；上部支撐光軸采用直徑25mm，內徑15mm的空心光軸，長度為500mm。相應直線軸承根據結構確定為LM30與LM25。5.4 本章小結本章主要通過計算，經驗等形式對機械手的手臂升降部分進行了設計，主要包括滾珠絲杠的選型，伺服電機的選型，以及直線光軸的確定等。然后用Solidworks畫出三維圖見圖5.3，用AutoCAD畫出部分零件二維圖（見附圖）。圖5-3機械手手臂升降部分第六章 旋轉軸的設計計算6.1 轉盤軸承的選擇計算條件：由以上計算有，,，.其結構簡圖如圖6-1所示：圖6-1 整體結構圖設計計算：計算機械手轉盤軸承處需要靜負荷與傾覆力矩（安全系數）靜負荷：傾覆力矩：由于其轉速不高，而且考慮機械結構，經討論選用四點接觸球轉盤軸承，內徑135mm，外徑234mm，高38mm。6.2 伺服電機的選擇以及減速比的確定根據實際結構結合三維軟件輔助設計，確定為轉盤軸承上安裝齒輪的形式驅動，通過多次繪圖模擬確定，轉盤軸承上齒輪模數為2，齒數為120個；驅動齒輪模數為2，齒數為20個。為降低整機零件的多重性，故擬選擇伺服電機為750W,與上一樣，此時假設伺服電機減速器的減速比為R。計算折算到電機軸上的轉動慣量：按照負載慣量3倍電機轉子慣量的原則，則故選擇減速比為7的伺服減速機。6.3 本章小結本章結合設計軟件，計算確定了手臂旋轉所使用的轉盤軸承，齒輪傳動結構，伺服電機，以及相應減速器。然后用Solidworks畫出三維圖見圖6-2,用AutoCAD畫出部分二維圖（見附圖）。圖6-2 旋轉軸裝配第六章 機械手的仿真7.1 Animator介紹Animator插件就是一個與SolidWorks完全集成的動畫制作軟件插件，它能將SolidWorks的三維模型實現動態的可視化，并且實時錄制機構的模擬裝配過程、模擬拆卸過程和機構的模擬工作過程，將機構的工作情況得到更好的表達，增強了人們對機構的認識和了解。產品的交互動畫將SolidWorks的三維模型實現動態的可視化，攝制產品設計的模擬裝配過程、模擬拆卸過程和產品的模擬運行過程，從而實現動態設計。 Animator具有如下特點：（1）Animator與SolidWorks和PhotoWorks軟件無縫集成，可以充分利用SolidWorks的實體模型和 PhotoWorks的渲染功能。 （2）利用動畫向導，可以非常容易地對SolidWorks零件或裝配體環境制作動畫。 （3）爆炸或解除爆炸動畫，來展示裝配體中零部件的裝配關系。 （4）繞著模型轉動或讓模型360度轉動，可以從不同角度觀看設計模型。 （5）利用專業的燈光控制以及為零件和特征增加材質，來產生高質量的動畫效果。 （6）可以直接通過電子郵件發送AVI格式動畫文件，加快設計觀點的交流，縮短設計周期。7.2 機械手仿真的實現SolidWorks Animator使用基于“關鍵點”的界面。所謂關鍵點（Key Frame），就是零部件的某個特定的狀態?！瓣P鍵點”不僅支持空間位置的變化，也支持模型材質、顏色、透明度的變化。Animator 基本界面如圖7-1所示：圖7-1 放置鍵碼屬性管理器重點在于關鍵點的確定，生成關鍵點有3個步驟：（1）切換到動畫界面。（2）根據機構運動的時間長度，拖動時間滑竿到相應的位置。（3）拖動裝配體零部件，使其達到動畫序列末端應達到的新的位置。也可以在對應零件的時間欄區域單擊右鍵，在菜單中選擇“放置鍵碼”選項。對于本裝配體，移動時間滑竿，然后旋轉齒輪到最終理想的位置，就可以達到理想的動畫效果，單擊“開始”按鈕可以播放動畫，通過點擊“保存”按鈕可以將動畫保存為AVI格式的動畫。結 論畢業設計眨眼間就到了收尾階段，通過這幾個月的設計學習，我對機械設計有了更深一步的認識，同時也促進了我各個方面的發展。我的畢業設計的課題是上下料沖壓機械手的設計，這個課題來源于我所參加工作的實習單位，對于只知道大學這個小圈子的我來說，這是我從未觸及的領域。通過指導老師對我的幫助以及對相關資料的搜索閱讀，我對機械手已經有了一個更深層次認識，不能說“了如指掌”，但是我敢說絕對不是“外行看熱鬧”。機械自動化作為目前工業發展的一個熱門方向，有著非常廣闊的市場前景，它通?；趯嶋H工作需要而進行設計制造。通過這次課程設計，提高了我發現、分析以及解決問題的能力，擴寬了我設計產品的思路和方法，鞏固和深化了專業及課外知識，進一步掌握了在工程設計中的一般程序規范和方法，培養了我正確使用設計工具，查找資料、文獻的能力。雖然PLC控制部分不是我設計的重點，但是經過這次設計，我對自動控制方面有了更深層次的了解，對編寫程序有了一些基本的認識。為以后工作、學習打下一定的理論基礎。畢業設計是對未來工作的一種模擬。通過這次設計，我對未來所從事的工作充滿了信心！致 謝首先感謝我的指導教師XXX老師，在XXX老師的指導下畢業設計得以順利的完成，老師嚴謹的治學作風和認真負責的態度督促我不敢怠慢的學習。老師平易近人的態度也使得我思維不再緊張，可以使我思維更具發散性，許多設計中的難點，可以迎刃而解。從課題的選擇、開題報告的撰寫、論文的書寫到圖紙的繪制，都給我親切的關懷。在設計遇到瓶頸時，也是老師強硬的態度，扭轉了我浮躁的心情，最終完成了設計內容。感謝同學們對我的幫助，在實習和設計的過程中他們給了我很多的幫助。由于設計內容廣、計算量大，在做設計時，同學們給了我巨大的支持！論文完成過程中，同學們互相鼓勵，探討論文，互相幫助，其樂融融。鑒于自己的知識水平有限，設計中難免存在缺點和不足，敬請廣大老師和同學們以及讀者批評指正，提出寶貴意見，以便從中汲取經驗教訓，加以完善。參 考 文 獻1 張國權，工嘯宇. 鍛壓機械M.北京：機械工業出版社，1995：10-12.2 李偉成，邱繼紅. 沖壓機器人成套設備J.2001（2）.3 劉會祥，蘇春建. 基于虛擬樣機技術的沖壓機器人運動學分析與仿真J.機械工程師,2014:90-92.4 陳建平，劉方湖. 星球探測自位機器人的研究現狀與發展趨勢J.機械設計，2003：1-4.5 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