1、 浙江广厦建设职业技术学院 机电一体化技术专业毕业设计说明书 设计题目 注塑机专用机械手的设计 学生姓名 学 号 指导教师 王圣英 专 业 机电一体化技术 年 级 2013 级 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 摘要 注塑机专用机械手是能够模仿人体上肢及上下手臂手腕手部的部分功能，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。 文中首先总结了注塑
2、机机械手国内外发展现状，分析了其发展前景及方向，确定了机械手的研究类型与机械设计方案。本文的重点是斜臂式注塑机机械手的机械结构设计，电气控制部分除控制原理外暂不做设计。 由于注塑机专用机械手能够大幅度的提高生产效率和降低生产成本，能够稳定和提高注塑产品的质量 ，避免因人为操作失误而造成的损失。因此，注塑机械手在注塑生产中的作用变得越来越重要。目前国内的机械手类型比较简单，且大都用于取件。随着注塑成型工业的发展，以后将越来越多的机械手用于上料、混合、自动装卸模具、回收废料等各个工序上，而且朝着智能化方向发展。 关键词： 机械手；驱动系统；气动 ； AutoCAD 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计
3、说明书 目录 1 引言 . 1 2 注塑机机械手的总体设计方案 . 3 2.1 注塑机机械手的设计分析 . 3 2.1.1 注塑机机械手的设计内 容 . 3 2.1.2 注塑机机械手的设计要求 . 3 2.2 注塑机机械手的设计方案 . 3 2.2.1 机械手的坐标型式与自由度 . 3 2.2.2 机械手的手部结构方案设计 . 4 2.2.3 机械手 手腕部分 方案设计 . 4 2.2.4 机械手 副臂部分 方案设计 . 5 2.2.5 机械手 主臂部分 方案设计 . 5 2.2.6 机械手 的驱动 方案设计 . 5 2.2.7 机械手 的控制 方案设计 . 5 2.2.8 机械手的定位方案设
4、计 . 5 2.2.9 机械手 的主要参数 . 5 2.2.10 机械手 运动系统分析 . 6 3 注塑机机械手的组成部分 . 9 3.1 手部结构设计 . 9 3.1.1 手部结构设计和三维建模 . 9 3.1.2 气动驱动力计算 . 10 3.2 手腕结构设计 . 11 3.2.1 手腕结构设计和三维建模 . 11 3.2.2 手腕 的驱动力矩的计算 . 11 3.3 副臂结构设计 . 12 3.3.1 副臂结构设计和三维建模 . 12 3.3.2 副臂气缸选用以及驱动力矩计算 . 15 3.4 手腕与副臂连接结构设计 . 17 3.4.1 副臂气缸连接形式选用 . 17 3.4.2 手腕
5、与副臂连接结构设计 . 18 3.5 主臂结构设计 . 19 3.5.1 主臂结构设计和三维建模 . 19 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 3.5.2 主臂气缸选用以及驱动力矩计算 . 20 3.6 主副臂连接结构设计 . 21 3.6.1 主臂气缸连接形式选用 . 21 3.6.2 副臂与主臂连接结构设计 . 21 3.7 机身结构设计 . 22 3.7.1 机身的整体设计与三维建模 . 22 3.7.2 机身 与主臂连接结构设计 . 24 3.7.3 机身气缸选用以及驱动力矩计算 . 25 4 结 论 . 28 5 致 谢 . 29 6 参考文献 . 30 浙江广厦建设职业技术学院
6、毕业设计说明书 第 1 页 共 30 页 1 引言 工业机械手是近代自动 控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科 机械手工程。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率 :可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产 ;尤其在高温、高压、低温 、低压、粉
7、尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如图 1.1所示 。 图 1.1 机械手组成关系图 执行机构包括手部、手腕、手臂和 机身 等部件 。 手部 :即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手，在本课题中我采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指 (或手 爪 )和传力机构所构成。手腕 :是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位
8、。手臂 :手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置 .工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 (如气缸、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等 )与驱动源 (如液压、气压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。立柱 :立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机座 :机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统 均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 2 页 共 30 页 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动
9、力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有 错误或发生故障时即发出报警信号。 位置检测装置是控制机械手执行机构的运动位置，并将执行机构的实际位置反馈给控制系统。 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第
10、 3 页 共 30 页 2 注塑机机械手的总体设计方案 （ 本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构进行了确定 。） 本文设计的机械手主要用于注塑机生产流水线，因此需要配套的机械手能够实现快速、准确地拾 -放零件，这就要求它们具有很高精度、并且能够快速反应、能够耐热、有一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意位置都能 自动定位等特性。设计气动机械手的原则是 :充分分析作业对象 (注塑件 )的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并且满足系统功能要求和环境条件 ;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺
11、寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求 ;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并且能实现柔性转换和编程控制 .本次设计的机械手是注塑机专用气动取料机械手，是一种适合于成批或中批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，操作单调频繁反复的生产场合。也可用于 操作环境恶劣的生产场合。 2.1 注塑机机械手的设计分析 2.1.1 注塑机机械手的设计内容 设计要完成以下内容： 1、拟定整体方案，特别是机械本体的各零件有机结合的设计方案。 2、设计出机械手的各个执行机构，包括手部、手臂、机身等部件的设计。 3、各部件的设计计算。 4、传动系统的选择与设定
12、，包括气动原件的选取，气动回路的设计。 2.1.2 注塑机机械手的设计要求 于专用于注塑机的机械手，需要结合注塑机的工作原理、注塑机的结构、特性、注塑件的形状质量等方面综合考虑进行设计 ；对于机械手结构设计，需要其完整、合理、美观。 2.2 注塑机机械手的设计方案 2.2.1机械手的坐标型式与自由度 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在取件放件时手臂具有升降、回转、收缩及平移运动，因此，采用圆柱坐标型式。相应的机械手具有四个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂左右摆动的自由度。如图
13、 2.1所示。 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 4 页 共 30 页 图 2.1 机械手的运动示意图 2.2.2 机械手的手部结构方案设计 为了能够使机械 手的通用性更强 ,满足夹持不同尺寸和形状的工作要求，本设计把机械手的手部结构设计成可以更换结构。 就是可以用夹持式手指来夹取工件，又可以负压式吸盘来吸取工件，但在一般情况下都采用的是夹持式手部，本文设计所选用的为市场上最为常见的水口夹。如图 2.2所示 图 2.2 机械夹头 2.2.3 机械手 手腕部分 方案设计 设计手腕时考虑到机械手的通用性，以及由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才能够满足工作的要求。因此，本
14、设计将手腕设计成回转结构也就是爪旋机构，实现手腕回转运动的机构为小型回转气缸。如图 2.3所示： 图 2.3 回转气缸 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 5 页 共 30 页 2.2.4机械手 副臂部分 方案设计 按照抓取工件的要求，本机械手的主副臂有三个自由度，即手臂的前后移动、左右回转和升降运动。手臂的前后移动和升降运动是通过滑动导轨来实现的，手臂的回转通过曲柄机构来实现。不过手臂三个自由度的运动均由气缸来实现。手臂结构如图2.4所示。 图 2.4 主副臂结构原理图 2.2.5机械手 主臂部分 方案设计 主臂的主要自由度是臂身的回转和副臂与主臂之前的前后相对移动。臂身回转运动通过
15、气缸驱动曲柄带动主臂从而实现回转运动。 2.2.6机械手 的驱动 方案设计 本文设计的机械手驱动系统的选用主要从驱动系统的结构以及其工作特性两方面考虑，为了简化机械手的结构设计难度，故本设计选用气压传动系统。气 动系统有反应迅速、动作灵敏、在运行过程中很清洁、介质（空气）具有较大的 压缩比 、有较好的保护作用等优点。另外由于近些年随着气动元器件进步较快，标准化日益普及、可靠性越来越强，气动系统的采购与安装均较便利。 2.2.7 机械手 的控制 方案设计 考虑到机械手 的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变 PLC程
16、序即可实现，非常方便快捷。另外为了满足工作需求，机械手将设置手动工作方式和自动控制方式。（本文在 PLC控制线路结构方面不做设计，只介绍控制原理） 2.2.8 机械手 的定位 方案设计 定位方法有 点位控制或连续轨迹控制方式 ，本设计采用点位控制方式。 2.2.9 机械手 的主要参数 机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合 注塑机生产的实际情况，本设浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 6 页 共 30 页 计设计抓取的工件质量为 3Kg。 基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要
17、求，设计速度过低限制了它的使用范围。总体速度根据注塑机在实际生产中注塑出模的速度来确定。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为 200mm/s 。最大回转速度设计为 60 /s 。平均移动速度为200m/s 。平均回转速度为 60 /s 。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较全面，因为平均速度与行程有关， 故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增
18、大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为 400mm,最大工作半径约 1000mm。手臂升降行程定为 800mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为 mm1 。详细设计参数如下： （ 1）机械手各动作最大行 程： 机械手手指的最大夹取角度为 60度； 机械手手腕最大旋转角度为 90度； 械手手臂的伸缩（升降）最大行程为 800mm； 机械手手臂最大摆动角度为 90度； 机械手手臂最大平移行程为 400mm （ 2）机械手各运动速度： 手指夹紧速度 40 /s 平均回转速度 60 /s 手腕回转速度 60 /s 手臂平均移动速度 400mm/s 手臂平均升降速度 400mm/s （所有设计参数均参照现市场已有的注塑机斜臂式机械手的主要参数） 2.2.10 机械手 运动系统 分析 一机械手结构构成三维图 2.5及二维图纸 2.6如下所示
