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單位代碼 10642 密 級 公 開 學 號
學士學位論文
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數(shù)控機床軸類零件上下料用工業(yè)機器人的手爪設(shè)計
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20 年 月
目 錄
摘要 II
Abstract III
1.緒論 1
1.1 課題研究的背景和意義 1
1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
2.機械手總體介紹 2
2.1 基本要求 2
2.2總體方案確定 2
3.機械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計 3
3.1 手爪結(jié)構(gòu) 3
3.2 手爪驅(qū)動裝置設(shè)計 3
3.3 傳動裝置的設(shè)計計算與校核 5
3.4 軸的計算與校核 7
參考文獻 10
致謝 11
摘要
數(shù)控機床軸類零件上下料用工業(yè)機器人的手爪設(shè)計
XXX專業(yè)XX班XXX[姓名] 指導教師 XXX
摘要：隨著我國人口紅利的不斷下降，人均工資的不斷提升。傳統(tǒng)的人工密集型生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)需要綜合考慮人工成本對企業(yè)運營所帶來的問題。同時隨著計算機技術(shù)和自動化控制的不斷發(fā)展和突破，機械人或者機械手的技術(shù)不但得到了應(yīng)用和發(fā)展。對于機械手來說，不但能夠替代簡單的人工操作，還能夠在危險場合進行工作。同時具有高效率、高頻次、多動作等特點，他能夠降低人類的工作強度，增加工業(yè)生產(chǎn)效率，降低成本。這些特點都符合未來工業(yè)發(fā)展的智能化、高精度、機械化等發(fā)展的方向。機械手就在這種背景下不斷得到了大力推廣。本次畢業(yè)設(shè)計研究的機械手是應(yīng)用于數(shù)控機床軸類零件上下料用場合。機械手能夠滿足對的夾持、轉(zhuǎn)移、放入制定位置等功能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)和機床的配合使用，能夠更加準確的實現(xiàn)零部件的轉(zhuǎn)移和防止。在本次畢業(yè)設(shè)計中主要研究的是機械手的手爪部分設(shè)計。手爪是機械手的一個關(guān)鍵零部件，因為它是和工件直接相接觸的，并且需要承受來自工件和手腕、手臂等綜合的作用力。在本次畢業(yè)設(shè)計中，首先對機械手的大致結(jié)構(gòu)進行了分析和研究，然后對機械手手爪的工作原理、主要構(gòu)成以及主要的零部件等進行了設(shè)計計算，并對其中關(guān)鍵的受力部位進行了校核，從而確保所研究的手爪能夠滿足使用要求，具有較高的安全系數(shù)。然后對其手爪進行了CAD繪圖和三維繪圖，最后完成了簡單動作的仿真。
關(guān)鍵詞： 機械手手爪； 設(shè)計計算； 校核； 三維仿真
V
abstract
Design of industrial robot's paw for axle loading and unloading of NC machine tools
Major：XXX Name：XXX Supervisor: XXX
Abstract：As China's demographic dividend continues to decline, the per capita wage continues to rise. The traditional artificial intensive production enterprises have to consider the problems brought by the labor cost to the operation of the enterprise. At the same time, with the continuous development and breakthrough of computer technology and automation control, the technology of robot or manipulator has not only been applied and developed. For the manipulator, it can not only replace simple manual operation, but also work in dangerous situations. At the same time, it has the characteristics of high efficiency, high frequency and multi action. It can reduce the intensity of human work, increase the efficiency of industrial production and reduce the cost. All these characteristics are in line with the development direction of intelligent, high-precision and mechanized industrial development in the future. Manipulator has been vigorously promoted under this background.This graduate design research manipulator is applied to CNC machine tool shaft parts loading and unloading occasions. The manipulator can meet the functions of clamping, transferring and placing the position, which can be used in combination with the machine tool, and can be more accurate to realize the transfer and prevention of parts. In this graduation project, the main research is the design of the gripper of the manipulator. The claw is a key component of a manipulator, because it is in contact with the workpiece and needs to bear a comprehensive force from the work piece, the wrist, the arm, and so on. In this graduation design, the general structure of the manipulator is analyzed and studied. Then the working principle, main components and main parts of the hand claw are designed and calculated, and the key part of the force is checked so as to ensure that the research hands can meet the requirements of use. It has a high safety factor. Then the CAD and 3D drawing of the gripper were carried out, and finally the simulation of simple action was completed.
Key words: manipulator gripper; design calculation; checking; 3D simulation
緒論
1.緒論
1.1 課題研究的背景和意義
隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人工在工作時候的效率、精準度以及人工成本等已經(jīng)不能滿足傳統(tǒng)的機械化自動化生產(chǎn)了。傳統(tǒng)的人工操作效率較低、對人的技術(shù)水平要求較高、有效的勞動時間不夠，同時針對數(shù)控機床這種精準的機械來說，定位不足夠準確。在人工工作的時候，大部分時間都應(yīng)用到了準備時間，真正加工的時間比較少。同時隨著人工成本的增高。我國企業(yè)對工業(yè)機械的自動化、智能化需求不斷增加。在這種情況下機械手應(yīng)運而生。機械手圖片如下圖1.1所示
圖1.1 機械手
機械手是隨著計算機技術(shù)和自動化控制而逐漸發(fā)展起來的一種自動裝置，他能夠自動的配合其他工序、工種等完成對物料的抓取、轉(zhuǎn)移等功能。隨著近似算計特別是智能化控制等不斷的突破和發(fā)展，機械手的自動化程度以及優(yōu)點不斷的凸顯出來，雖然前期成本較高。但是生產(chǎn)效率高，不需要休息，定位精準等。在機床加工生產(chǎn)中能夠持續(xù)不便的完成一個單調(diào)的工作，工作時間長，能夠節(jié)省大量的時間。
在本次畢業(yè)設(shè)計中就是利用大學期間所學習的專業(yè)知識，研究設(shè)計一個可靠、穩(wěn)定、操作性強的機械手手爪。使之能夠穩(wěn)定的工作，實現(xiàn)相應(yīng)速度快、能夠?qū)崿F(xiàn)配合數(shù)控機床上下料工作。本次畢業(yè)設(shè)計以此為目的，希望能夠?qū)Υ髮W期間所學習的專業(yè)知識進行運用，通過對知識的總結(jié)運用達到學以致用和理論聯(lián)系實際的目的，從而實現(xiàn)對大學所學習知識的總結(jié)和提升。同時通過畢業(yè)設(shè)計的過程，提高自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、分析問題的能力，不但在專業(yè)知識有一定的升華，同時在個人綜合能力方面有一定的提高。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
機械手最早出現(xiàn)在國外工業(yè)發(fā)達的國家。由于歐美國家人數(shù)較少，為了能夠滿足強大的工業(yè)需求以及能夠滿足工業(yè)精度、自動化等要求，所以從二十世紀三四十年代開始就出現(xiàn)了第一代機械手。主要是利用機械和氣壓或者液壓，利用繼電器等進行控制工作，它能夠完成重復的固定動作，功能比較單一，適應(yīng)范圍窄。之后隨著單片機、PLC等控制技術(shù)的發(fā)展以及機械加工和機械設(shè)計水平的不斷提高，機械手的發(fā)展也迎來了一個快速的時代。特別是在日本，由于勞動人員數(shù)量有限，所以機械手得到了迅猛的發(fā)展，在工業(yè)、電力、軍工等都有應(yīng)用到。如圖1.2所示
圖1.2 數(shù)控機床機械手
在我國，由于前期人力資源豐富，所以對機械手的研究和投入都比較少。但是隨著我國對工業(yè)自動化機械化的加快，特別是工業(yè)4.0的概念提出。我國的機械手工業(yè)也在不斷發(fā)展。已經(jīng)由傳統(tǒng)的機加工、鍛造等，逐漸融合了電子信息控制、自動化智能化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對運行程序的更改，對使用功能的擴展等，最大的擴展了其使用的范圍。雖然我國的機械手工業(yè)起步較晚，但是隨著我國對外來技術(shù)的不斷引進、吸收、整合等，已經(jīng)行程了自主開發(fā)的一批機械手，并且能夠滿足在機加工、工業(yè)流水、焊接等方面的應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，科技含量更高、功能更加強大的機械手正在研究，并且取得了突破的進展。未來隨著應(yīng)用的增多，機械手在我國具有非常廣闊的市場。如下圖1.3所示
圖1.3 我國常見機床機械手
17
機械手總體介紹
2.機械手總體介紹
2.1 工件要求
本次畢業(yè)設(shè)計研究應(yīng)用的是數(shù)控機床軸類零件上下料用機械手的手爪設(shè)計。根據(jù)一般的工作要求，需要能夠?qū)崿F(xiàn)在一定高度和水平兩個方向的移動或者轉(zhuǎn)動，所以選擇了四個自由度。根據(jù)一般階梯軸類的結(jié)構(gòu)以及直徑等，取手爪抓取的最大重量為5kg。工件簡圖如下圖2.1所示。
圖2.1 被加工工件
2.2總體方案確定
對于數(shù)控機床的送料機械手氣機械結(jié)構(gòu)一般由機械手的手臂、腕部、手爪、底座和立柱等組成，分別起到支撐和完成所需要的運動等作用。下面分別介紹每一部分。
1、 機座。這是整個機械手的基礎(chǔ)。承受著整個機械手工作中的受力，并且維持機械手工作時候的穩(wěn)定性。并且其上面一般會安裝有驅(qū)動的電機或者各種器具元件。
2、 立柱。是用來承受工作中手臂和工件所產(chǎn)生的力和力矩。在工作的時候，一般除了承重之外，還會把他和升降部分的運動設(shè)計成為一體。一般立柱和機座是固定裝配在一起的。
3、 手臂。手臂是受力較為復雜的地方，他通過手腕支撐著手爪，由于是懸臂的結(jié)構(gòu)，所以要求具有一定的剛度和強度。
4、 手腕。用來連接手臂和手爪的部分，在工作中起到承上啟下的作用，實現(xiàn)手臂和手爪之間的某些相對運動。
5、 手爪。這是機械手的工作部分，在工作的時候，手爪直接和和工件相接觸。手爪的結(jié)構(gòu)根據(jù)和物件產(chǎn)生作用方式的不同分為兩種，分別是夾持和吸附兩種。在本次設(shè)計結(jié)構(gòu)中，工件是階梯軸形狀，所以采用的是夾持結(jié)構(gòu)。整個手爪的動作利用一系列的傳動機構(gòu)進行組成，帶動手爪產(chǎn)生開、合動作，從而形成夾緊力，達到對物件的夾持、轉(zhuǎn)移、放下等動作。
在本次設(shè)計中，主要研究的是手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以重點研究手爪的結(jié)構(gòu)。
機械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.機械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 手爪結(jié)構(gòu)
機械手手爪的結(jié)構(gòu)主要有手指和傳動機構(gòu)組成在一起的。手指根據(jù)被夾持工件的特點有片狀、圓形、弧形等不同的結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計被夾持的工件是階梯軸，是圓形的，所以選擇的手指內(nèi)部是圓形結(jié)構(gòu)的。手爪的傳動機構(gòu)形式比較多，常見的有齒輪傳動、杠桿原理、彈簧結(jié)構(gòu)等，通過電機、氣壓或者液壓的作用實現(xiàn)動力的驅(qū)動，從而實現(xiàn)手爪的開合動作。
圖3.1機械手爪結(jié)構(gòu)圖
在手爪的設(shè)計的時候，需要綜合考慮滿足以下要求：
1、 手爪具有足夠的夾持力。在工作的時候能夠確保工件不會掉落或者夾持不起來等情況不會出現(xiàn)。
2、 手爪具有能夠滿足工件的開合角度，從能能夠?qū)崿F(xiàn)工件進入手爪和夾持以及放下工件的空間。
3、 定位準確。這是機械手必須具備的一個條件。只有精準的定位才能夠滿足數(shù)控機床的使用，對于圓形的手爪能夠利用中心線進行準確的定位。
4、 具有足夠的強度和剛度，確保工作中手臂、手爪等不變形。
3.2 手爪驅(qū)動裝置設(shè)計
本次設(shè)計的手爪采用的是液壓驅(qū)動作為動力來源，通過齒輪齒條傳動進行動作的傳遞，從而實現(xiàn)對物料的夾持。其基本機構(gòu)簡圖如下圖3.2所示。
圖3.2 手爪示意圖
首先假設(shè)工件重量G=5kg。則設(shè)定手爪的角度為2θ=120°，b取值120mm。手爪和棒料的摩擦系數(shù)f取值為0.1。則可以計算器驅(qū)動力公式如下：
（1）
則夾持力N計算如下：
（2）
計算驅(qū)動力如下
=245N （3）
實際驅(qū)動力計算如下：
（4）
上述公式中η表示傳動的效率，在本次設(shè)計中采用的是齒輪齒條傳動，取值為0.94。K1表示安全系數(shù)，取值為1.5。K2表示抓取工件在加速和減速時候的系數(shù)，計算公式為，假設(shè)最大的加速度取值為3g，則K2=4。則帶入（4）計算可得：
1、氣缸的直徑。
手爪驅(qū)動氣缸屬于單向氣缸，其基本結(jié)構(gòu)尺寸如下圖3.3所示。
3.3 氣缸基本尺寸
然后直徑計算公式如下：
（5）
公式中F1表示作用在活塞桿上的推力，F(xiàn)t表示氣缸復位彈簧的作用力，F(xiàn)z表示活塞工作時候各個部分所產(chǎn)生的阻力。P則表示氣缸在工作時候的壓力。
彈簧的計算公式如下：
（6）
（7）
上述公式中Gf表示所選擇彈簧的剛度，l則表示在開始工作前，彈簧的預(yù)壓縮量。s表示活塞工作的形成。d1和D1分別表示彈簧的鋼絲直徑和平均直徑，n則表示彈簧的有效圈數(shù)。G表示所選擇彈簧材質(zhì)的剪切模量，取值為79.4×109Pa。則合并（5）、（6）、（7）為：
（8）
氣缸的直徑:
（9）
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
所以
查有關(guān)手冊圓整，得
2、活塞桿直徑一般取值是活塞缸在回京的0.2到0.3倍，則活塞桿直徑計算如下：
（10）
然后驗證活塞桿是否能滿足使用要求：
（11）
其中，[]，
則:
滿足實際設(shè)計要求。
3、缸筒壁厚的設(shè)計
（12）
公式中δ表示缸筒的厚度，D表示氣缸的直徑，P表示實驗壓力，取值為設(shè)計壓力的1.5倍。缸筒材料選擇ZL3，則[]=3MPa。
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為
3.3 傳動裝置的設(shè)計計算與校核
在手爪傳動裝置所選擇的齒輪齒條結(jié)構(gòu)中，齒輪的材質(zhì)選擇的是45鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。齒輪齒條傳動形式如下圖3.4所示。
根據(jù)相關(guān)的機械設(shè)計手冊，查詢可得：
則：
查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》得：
1、 驗算齒面接觸疲勞強度
在計算的時候，取載荷系數(shù)K值為1.5，則可以查詢其他參數(shù)分別是Zh為2.5，Zτ=0.88， 接觸應(yīng)力為：
2、驗算齒根彎曲疲勞強度
查表：
許用彎曲應(yīng)力計算公式如下：
（13）
彎曲疲勞強度的最小安全系數(shù)，取
則：
根據(jù)計算可以看到，能夠滿足使用要求。
3.4 軸的計算與校核
手爪的轉(zhuǎn)動需要圍繞著一個軸進行轉(zhuǎn)動，所以軸會承受著手爪所承受的力，軸的中間直徑選擇是150mm，材質(zhì)選擇45鋼，MPa。則軸所承受的彎扭合力計算如下：
MPa （14）
根據(jù)計算可以看到軸能夠滿足使用要求。
然后校核軸的疲勞強度。首先確定危險截面，從軸的受力來看，其支撐部分所承受的力最為復雜的，其直徑比中間部分略細，為140mm。則對其進行校核。
抗彎截面系數(shù)：
mm （15）
抗扭截面系數(shù)：
mm （16）
截面的彎矩M為：
Mpa
截面上的扭矩T為：MPa
截面上的彎曲應(yīng)：
Mpa
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
MPa
根據(jù)前面對軸的材質(zhì)的選擇，可一直MPa，MPa，MPa。
用插入法求出
，
軸的表面質(zhì)量系數(shù)為：
軸表面強化處理，
固得綜合系數(shù)為
碳鋼的特性系數(shù)
取
取
所以軸在截面V左側(cè)的安全系數(shù)為
故該軸的強度是足夠的。
參考文獻
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致謝
致謝
經(jīng)過一段時間的努力和老師的幫助，畢業(yè)設(shè)計即將進入尾聲。在設(shè)計中離不開指導老師的支持和鼓勵。老師學識淵博、治學嚴謹。在每次設(shè)計的關(guān)鍵點，老師都能夠用通俗易懂的語言為我解答，為我指明方向。通過老師的指引和知道。使我明白了如何去理論結(jié)合實際，如何總結(jié)運用理論知識。在設(shè)計中如何去提前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。同時老師還教會了我如何去查閱資料，如何從更高的層次去看待問題。這些對我來說都是專業(yè)知識無法學習到的內(nèi)容。
感謝老師在設(shè)計中對我的支持和鼓勵，每當我遇到困難，老師總是不厭其煩地為我講解，指導我不斷展開設(shè)計研究，每一次教誨都讓我深受啟發(fā)。他不僅是一個老師，更是一個朋友！
感謝老師給我機械專業(yè)的指導和知識。感謝宿舍的朋友一直以來對我的關(guān)心和支持。感謝系所有老師和同學的幫助和勉勵。同窗之誼，終生難忘！
最后，向參加論文審閱、答辯的專家和老師表示感謝。