1、山东科技大学学士学位论文 I 摘 要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运、取件以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台 四 自由度的工业机器人，用于给注塑机取出成品。 本文介绍了 塑料件卸料机械手的设计过程，分析了机械手的特点及其应用。 对 注塑机相关资料进行查询，设计机械手本体，设计机械手的驱动与传动，对各部位进行校
2、核。 关键词 ： 机械手 ； 塑料件 ； 结构设计 山东科技大学学士学位论文 II Abstract In order to enhance the efficiency of production and guarantee the quality of products,more attention has been paid to the automation in the process of production in the modern manufacturing industry with large scale.Therefore,industrial robots are
3、gradually approved and adopted by enterprises as an important part in the automation production line.To some extent,the technical level and application of industrial robots have reflected on the automation level in national industries.At present,they mainly undertake such jobs mostly in playback way
4、 as welding,spraying,transporting taking and stowing,which are usually done repeatedly with high work strength. In the thesis,an industrial robot with four DOFS will be designed to remove the finished molding machine. This paper introduces the design process of plastic parts unloading manipulator, a
5、nalyzes the characteristics of the manipulator and its application. The relevant information on the injection molding machine to query the design of the robot body, the design of the robot drive and transmission, the various parts of the check. Keywords:Manipulator;Plastic parts;Structural design山东科
6、技大学学士学位论文 III 目录 摘 要 . I Abstract . II 目录 . III 1 绪 论 . 1 1.1 机器人概述 .1 1.2 机械手简介 .2 1.3 注塑机专用机械手简介 .3 2 塑料件卸料机械手的设计方案 . 7 2.1 机械手的设计方法 .7 2.2 机器人的设计流程 .11 2.3 机械手的结构设计 .16 2.4 塑料件卸料机械手的设计机构的特点 .27 2.5 塑料件卸料机械手的运动系统分析 .27 3 塑料件卸料机械手的臂部设计 . 29 3.1 机械手本体设计 .29 3.2 伺服电机的介绍 .31 3.3 电动机及减速器的选择 .33 3.4 移动台
7、的设计 .35 4.机械手手部的设计 . 37 4.1 真空吸盘吸附塑料件的原理 .37 4.2 吸盘的设计 .37 山东科技大学学士学位论文 IV 4.3 真 空发生器的设计 .40 5 塑料件卸料机械手的分析与控制 . 43 5.1 塑料件卸料机械手的分析 .43 5.2 塑料件卸料机械手的控制 .45 结论 . 47 参考文献 . 48 致谢 . 50 附录一：英文文献 . 51 附录二：英文翻译 . 77 山东科技大学学士学位论文 1 1 绪 论 1.1 机器人概述 机器人技术是人们最关注的科学研究领域之一。它集力学、机械工程学、电子学、计算机学科和自动控制为一体，是一门综合性技术学科
8、。 机器人一词最早出现于 1920 年捷克作家 Karel Capek 的剧本罗萨姆的万能机器人中。在剧本中，作家塑造了一个具有人的外表、特征和功能，愿意为人类服务的机器人奴仆 Robota，在该剧中机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。 1 在现实生活中，机器人并不是在简单意义上代替人工劳动，而是综合了人的特长和及其特长的一种你人的电子机械装置。这种装置既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说，机器人是及其进化过程的产物，是工业以及非产业界的重要生产和服务型设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 有关机器人的定
9、义随着时代的进步在发生着变化。简单地说，把具有下述性质的机械看作是机器人： （ 1） 代替人进行工作。机器人能 像人那样使用工具和机械； （ 2） 有通用性，机器人既可简单地变换所进行的作业，又能按照工作状况的变化相应地进行工作； （ 3） 直接对外界工件工作，机器人不仅能像计算机那样进行计算，而且能依据计算结果对外界产生作用。 机器人的产生和发展是从低级到高级的演变过程。如今的发展特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由 95%的工业应用扩展到更多领域的山东科技大学学士学位论文 2 非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要
10、能想到的，就可以去创造实现；纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型 机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明。 1.2 机械手简介 工业机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人
11、的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不断的加大。我国塑料机械产业 的高速发展主要有以下两个大因素：一是对高技术含量装备的需求所带来的设备更新及陈旧设备的淘汰 ;二是海内塑料加工产业的高速发展，对塑料机械的需求旺盛。 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械
12、手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，山东科技大学学士学位论文 3 以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等 。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“ Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。本设计的机械手模型属于第一类，即通用机械
13、手。 1.3 注塑机专用机械手简介 注塑机专用机械手 （如图 1.1 所示） 是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善 劳动条件和安全生产；提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。 图 1.1 注塑机专用机械手 对于注塑生产中使用的机械手，一般可按其功能分为以下三种类型： 山东科技大学学士学位论文 4 （ 1）简易型 简易型注塑机械手可分为固定模式程序型和可变程序型两种。固定程序
14、型注塑机机械手不能改变其工作程序，它具有可伸缩、移动的手臂，利用自动控制装置做简单、规格和重复的动作；可变程序型注塑机机械手的工作程序可以改变，一般多为气动或液动，其结构简单，比较容易改变程序，多用于点位控制，普 遍采用可编程序控制器或者微型电脑来组成控制系统，扩展了其应用范围。 （ 2）记忆再现型 这种机械手具有记忆及可变程序的能力，多为电液伺服驱动，有较多的自由度，能够造行比较复杂的造作。 （ 3）智能型 这种机械手由电脑通过各种传感器进行控制，具有视觉、触觉和热觉功能，可执行各种操作，是能力最强的一种机械手，目前国内使用较少。 注塑机专用机械手的组成一般由执行系统、驱动系统、控制系统等组
15、成。 执行系统 ： 机械手抓取或释放制品、实现各种操作运动的系统，由臂部、腕部和手部等部件组成。 驱动系统 ： 为执行系统的各部件提供动力的系统，有气动、电动及机械等形式。比较常用的是气动和电动两种形式，气动式速度快、结构简单、成本低、有较高的重复定位精度；电动式速度快、可实现连续控制、定位精度高、但成本较高。 控制系统 ： 通过对驱动系统进行控制，使执行系统按照预定的工作要求进行操作，并对执行系统的动作进行修正的系统，一般包括位置检测装置和程序控制部分，通常采用点位控制和连续轨迹控制两种方式。 山东科技大学学士学位论文 5 注塑机专用机械手的手部是用来直接抓取注塑制品的部件。由于注塑制品的形
16、状，大小，重量及表面特征等方面存在着差异，因此 注塑机械手的手部有多种形式，一般可分为夹持式和吸附式两种。夹持式手部的主要形式为夹钳式，常用于抓取不易破碎或变形的制品，它对所抓取的制品的形状有较大的适应性。夹持式手部由手指，传动机构和驱动装置组成。 对于夹持式手部，进行设计选用时主要考虑以下几点。 （ 1）手部应具有适应的 夹紧力和驱动 ； （ 2）手指应具有足够的开关范围 ； （ 3）手指对制品应具有一定的夹持精度 ； （ 4）手部对制品应具有一定的适应能力，且要求手部能耐受注塑制品刚从模腔中取出时的高温及腐蚀性。 注塑用机械手的驱动系统一般可分为气压驱动和电力驱动等两类，也可以根据工作要求
17、采用上述两种类型的组合系统来完成驱动。 在设计选用驱动系统时应注意以下几点。 （ 1）根据机械手的负载量来确定驱动系统的类型，一般来说，重负载的可选择电力驱动系统，轻负载的可选择气压驱动系统 ； （ 2）对于作点位控制的注塑机械手多采用气压驱动系统 ； （ 3）对于需要采用伺服控制的机械手多采用电力驱动系统。 注塑用机械手的所有动作都在控制系统的指挥下完成，尤其是机械手与注塑机的协调工作关系，更是要依赖控制系统来达到。在控制系统的指挥下，机械手按照预定的工作程序完成各个动作，从而将注塑生产出的制品从模具中取出并传送到指定地点或下一个生产工序中，并向模腔中喷洒脱模剂。在设计时，应根据注塑机的性能
18、，机械手的作业条件和要求，制品的形状和重量等来确定控制系统。 一般来说，设计或选用控制系统应遵循以下一些要点 ： 山东科技大学学士学位论文 6 （ 1）应确保机械手有足够的定位精度； （ 2）应注意机械手与注 塑机的动作配合协调，确保机械手抓取制品离开模具后，注塑机和机械手能够各自继续进行动作，从而减少时间浪费； （ 3）应注意控制机械手的运行速度，即要使机械手能够满足注塑成型最短周期的要求，有要考虑是否会产生惯性冲击和振动； （ 4）应考虑控制系统的费用与实际工作要求之前的平衡关系。 自由度：通常把传送机构的运动称为传送机构的自由度。人从手指到肩部共有 27 个自由度 （ 指节处为一个自由度
19、，共九个，手指与手掌处的为两个 ， 俯仰 、 摆动共十个，拇指合谷穴下面处还有个一个自由度，手腕可以俯仰摆动两个自由度。前臂可以旋转，一个自由度，肘关节一个自由度，大臂可以旋转一个自由度，肩部可以前后，上下两个方向摆动。共计 27 个 ） 。而如将机械手的手臂也制成这样多的自由度，既困难又不必要。从力学的角度分析，物件在空间只有 6个自由度。因此为抓取和传送在空间不同位置和方位物件，传送机构也应具有 6个自由度。常用的机械手传送机构的自由度还多为少于 6个的。一般的专用机械手只有 2 4个自由度，而通用机械手则多数为 3 6 个自由度（这里所说的自由度数目，均不包括手指的抓取动作）。 机械手 的每一个自由度是由其操作机的独立驱动关节来实现的。所以在应用中，关节和自由度在表达机械手的运动灵活性方面是意义相通的。又由于关节在实际构造上是由回转或移动的轴来完成的，所以又习惯称之为轴。因此，就有了 6自由度、 6关节或 6轴机械手的命名方法。它们都说明这一机械手的操作有 6 个独立驱 动的关节结构，能在其工作空间中实现抓取物件的任意位置 。
