冲压机械手-升降部分机械结构设计

冲压机械手—升降部分机械结构设计

摘要

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。通过编程来完成各种动作，它的准确性和多自由度，保证了机械手能在各种不同的环境中工作。机械手在工业生产中应用较多，机械手的使用能够显著提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。

机械手是在机械自动化生产中逐步发展出的一种新型装置。现代生产过程中机械手被广泛的应用到自动生产线中。机械手目前虽然不如人手的灵活多变，但它具有重复性，无疲劳，不惧危险，有大的抓举力量，因此越来越多的被广泛运用。

机械手技术涉及机械学、力学、自动控制技术、传感技术、电气液压技术，计算机可编程技术等，是一门跨学科综合技术。机械手的运动包括升降、回转、伸缩、夹持等动作。

本课题主要设计机械手升降部分的机械结构，包括机械手的升降和回转液压缸的结构设计。

关键词

数控；自动装卸；机械手；PLC

目录

摘要 ...................................................................................................................... I

第1章 绪论 ................................................................................................... - 1 -

1.1 课题背景 .............................................................................................. - 1 -

1.2 机械手的发展 ...................................................................................... - 2 -

1.3 工业机械手的分类 .............................................................................. - 2 -

1.4 课题设计的目的及意义 ...................................................................... - 4 -

第2章 机械手的概述 ................................................................................... - 5 -

2.1 机械手的组成 ...................................................................................... - 5 -

2.2 机械手的主要参数 .............................................................................. - 6 -

2.3 应用机械手的意义 .............................................................................. - 6 -

2.4 机械手功能图示 .................................................................................. - 7 -

第3章 任务分析 ........................................................................................... - 8 -

3.1 动作分析 .............................................................................................. - 8 -

3.2 动作节拍 .............................................................................................. - 8 -

3.3 总体方案 .............................................................................................. - 8 -

3.4 方案比较 .............................................................................................. - 8 -

第4章 总体设计 ........................................................................................... - 9 -

4.1 总体设计的思路 .................................................................................. - 9 -

4.2 总体方案的确定 .................................................................................. - 9 -

4.3 主要研究目标 ...................................................................................... - 9 -

第5章 部件设计 ......................................................................................... - 10 -

5.1 升降部分的驱动设计 ........................................................................ - 10 -

5.2 升降部分的结构设计 ........................................................................ - 11 -

5.3 回转部分的结构设计 ........................................................................ - 13 -

第6章 零件设计 ......................................................................................... - 16 -

6.1 手臂液压缸螺钉的校核 .................................................................... - 16 -

6.2 手臂升降液压缸筒的壁厚校核 ........................................................ - 17 - 结论 ............................................................................................................... - 18 - 参考文献 ....................................................................................................... - 19 - 致谢 ............................................................................................................... - 20 -

第1章 绪论

1.1 课题背景

随着我国社会经济的迅猛发展，人民物质文化生活水平日益提高，随着工业自 动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大。为了改变落后的生产状态,缓解日趋紧 张的供求关系,我们就得研究开发机械手。 新中国成立特别是改革开放以来，我国社会主义现代化建设取得了举世瞩目的伟大成就。同时，必须清醒地看到，我国正处于并将长期处于社会主义初级阶段。全面建设小康社会，既面临难得的历史机遇，又面临一系列严峻的挑战。经济增长过度依赖能源资源消耗，环境污染严重；经济结构不合理，农业基础薄弱，高技术产业和现代服务业发展滞后；自主创新能力较弱，企业核心竞争力不强，经济效益有待提高。在扩大劳动就业、理顺分配关系、提供健康保障和确保国家安全等方面，有诸多困难和问题亟待解决。从国际上看，我国也将长期面临发达国家在经济、科技等方面占有优势的巨大压力。为了抓住机遇、迎接挑战，我们需要进行多方面的努力，包括统筹全局发展，深化体制改革，健全民主法制，加强社会管理等。与此同时，我们比以往任何时候都更加需要紧紧依靠科技进步和创新，带动生产力质的飞跃，推动经济社会的全面、协调、可持续发展。进入21世纪，我国作为一个发展中大国，加快科学技术发展、缩小与发达国家的差距，还需要较长时期的艰苦努力，同时也有着诸多有利条件。中华民族拥有5000 年的文明史，中华文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成独特的创新文化。只要我们增强民族自信心，贯彻落实科学发展观，深入实施科教兴国战略和人才强国战略，奋起直追、迎头赶上，经过15 年乃至更长时间的艰苦奋斗，就一定能够创造出无愧于时代的辉煌科技成就。科技工作的指导方针是：自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展， 就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。要把提高自主创新能力摆在全部科技工作的突出位置。在对外开放条件下推进社会主义现代化建设，必须认真学习和充分借鉴人类一切优秀文明成果。改革

开放 20 多年来，我国引进了大量技术和装备，对提高产业技术水平、促进经济发展起到了重要作用。但是，必须清醒地看到，只引进而不注重技术的消化吸收和再创新，势必削弱自主研究开发的能力，拉大与世界先进水平的差距。总之，必须把提高自主创新能力作为国家战略，贯彻到现代化建设的各个方面，贯彻到各个产业、行业和地区，大幅度提高国家竞争力。我国科学技术发展的总体目标是：自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强，为全面建设小康社会提供强有力的支撑；基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础，形成比较完善的中国特色国家创新体系。

1.2 机械手的发展

机械手一般为三类：一是不需要人工控制的通用型机械手。它是不属于其他主机的独立装置。可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。它的特点是具备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。二是需要人工操作的，起源于原子，军事工业。先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线遥控操作。第三类是专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上下料和装卸工件。这种机械手国外叫做“Mechanical Hand”。它由主机驱动来服务，工作程序固定，一半是专用的。

机械手首先是在美国开始研制。第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研究制作出来的。结构是：主机安装一个回转长臂，长臂顶端有电磁 抓放机构。

日本在工业上应用机械手最多，发展最快的国家，自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。

前苏联自六十年代开始发展和应用，自1977年，前苏联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。

现代工业中，自动化在生产过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。采用机械手已为目前研究的热重点。

目前机械手在工业上主要用于机床加工、铸造，热处理等方面，但是还不能够满足现代工业发展的需求。

1.3 工业机械手的分类

现在对工业机械手的分类尚无明确标准，一般都从规格和性能两方面

来分类。

1.按规格（所搬运工件的重量）分类：

(1)微型的—搬运重量在1公斤以下；

(2)小型的—搬运重量在10公斤以下；

(3)中型的—搬运重量在50公斤以下；

(4)大型的—搬运重量在50公斤以上。

目前大多数工业机械手能搬运的重量为1~30公斤，最小的为0.5公斤，最大的已达到800公斤。

2.按功能分类：

(1)简易型工业机械手

有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮毂和挡块转毂控制；可变程序可插销板或顺序转动控制来给定程序。

这种机械手多为气动或液动，结构简单，改变程序比较容易。只使用在在程序较简单的点位控制，但作为一般单机服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。

(2)记忆再现型工业机械手

这种工业机械手由人工通过实验装置传动一遍，由磁带（或磁鼓）把程序记录下来，此机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。

这也是采用较多一种，多为电液伺服驱动，与前者比较有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较广。

(3)计算机数字控制的工业机械手

可通过更换穿孔带或其他记忆介质来改变工业机械手的动作，还可以进行多种控制（DNC）。技术还可以是可编程程序控制或普通的微机计算机。

(4)智能工业机械手（机器人）

由电子计算机控制，通过各种传感元件等具有视觉、热觉、触觉、行走机构等。

3.按用途分：

(1)专用机械手

附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，这种工业机械工作对象不变，手动比较简单，结构简单，使用可靠，适用于大批量生产自动线或专机作为自动上、下料用。

(2)通用机械手

具有独立控制系统，程序可变、动作灵敏、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。

1.4 课题设计的目的及意义

自改革开放，我国经济高速发展，机械手早期应用在汽车制造业。当面临人工无法实现的工作时，机械手成为了替代人工的替代品。机械手的使用能够显著的提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。

随着科学技术的发展，人们对机械手的安全性，可靠性，准确性有了充分的认识，同时对其要求也越来越高。可编程控制器凭其稳定性，简单性，强大性成为了目前应用最广的工业自动化支柱之一。

第2章 机械手的概述

2.1 机械手的组成

机械手的形式是多样的，但是其基本的组成都是相似的。一般机械手由执行机构、传动机构，控制系统和辅助装置组成。

（图2.1.1 机械手的组成及相互关系）

1.执行机构

执行机构由手、关节、手臂和支柱组成，与人体手臂相似。手为抓取机构，用于抓取工件。关节是连接手与手臂的关键性原件，具有多方位旋转特性。支柱用来支撑手臂，可做活动支柱方便机械手多方位移动。 ·传动机构

传动机构用于实现执行机构的动作。常用的有机械传动、液压传动、气压传动，电力传动等形式。

2.控制系统

机械手按照制定的程序，步骤，参数进行动作完成该指定工作要依靠控制系统来实现。简易机械手通常情况下不使用专用的控制系统，只有动

作复杂的机械手采用可编程控制器，微型计算机控制进行动作。

3.辅助装置

辅助装置主要是连接机械手各部分元件的装置。

2.2 机械手的主要参数

传动方式

反应速度

尺寸和重量

负荷能力

控制方式

操控范围

反应速度

定位

自由度

安全性

实用性

2.3 应用机械手的意义

随着科技的发展，机械手应用的越来越多。在机械工业中，机械手应用的意义概括如下：

1.提高生产过程自动化程度，增强生产效率。

机械手方便与材料的传送、工件的装卸、刀具的更换等自动化过程，从而提高劳动生产率和降低劳动投入，从而降低生产成本。

2.改善劳动条件

在车间的劳动环境下，高温、高压、噪音、灰尘等污染会严重影响人的身体健康，人在车间工作不可避免的会接触到危险，而应用机械手可以替代人安全的完成作业，从而改善劳动条件。

在一些简单，重复的工作中以机械手代替人进行工作可以避免因疲劳和疏忽造成的事故。

3.减少人力资源，便于节奏生产。

机械手的应用增强了自动化生产，会减少人力的使用。机械手可以长时间重复性连续完成工作，这是人工无法实现并完成的。生产线增加使用机械手以减少人力和精准的生产节拍，有利于节奏性的工作生产。

综上所述，机械手的合理利用是机械行业发展的必然趋势。

2.4

机械手功能图示

第3章 任务分析

3.1 动作分析

根据生产条件要求，机械手须把加工原料从输送带上取下，旋转

一定角度后将加工原料放入冲压机填料口，然后返回，重复这一动作。

3.2 动作节拍

插销定位—手臂前伸—手指抓料—手臂上升—手臂缩回—手腕回转—拔定位销—手臂回转—插定位销—手臂前伸—手臂下降—手指松开—手臂缩回—手腕回转—拔定位销—手臂回转—插定位销—手臂伸出。

3.3 总体方案

3.3.1方案一

插销定位—手臂前伸—手指抓料—手臂上升—手臂缩回—拔定位销—手腕回转、手臂回转—插定位销—手臂前伸—手臂下降—手指松开、手臂缩回—拔定位销—手腕回转、手臂回转—插定位销。

3.3.2方案二

插销定位—手臂前伸—手指抓料—手臂上升—手臂缩回、手腕回转—拔定位销—手臂回转—插定位销—手臂前伸—手臂下降—手指松开—手臂缩回—手腕回转—拔定位销—手臂回转—插定位销。

3.4 方案比较

按照方案一与方案二的行进方式均可完成加工原料的自动填充，但是从工作效率与经济性方面考虑还是应采用方案一。原因如下：方案一有效的把不做功行程与做功行程以及空行程之间结合在了一起，不仅完成了工作要求，而且提高了工作效率，也间接增加了经济效益。反观方案二，空行程各自独立，浪费了时间，而且在手指抓料的情况下手臂在进行缩回，这样虽然节省时间，但是严重影响了机械手的工作稳定性，对于机械手的稳定运行有不利的影响，长时间如此会缩短机械手的使用寿命。

综合两方案的优缺点，决定采用效率高、经济性好、可长时间稳定运行的方案一。