某生产线机械手的结构设计与分析报告

. . . . 目 录第一章 绪论11.1 课题背景与意义11.2 机械手的发展和趋势11.3 某生产线机械手的设计要求和基本容2第二章 某生产线机械手模块的设计42.1机械手驱动方式的选择42.2气动驱动机械手的应用现状与发展前景52.3机械手的设计方案62.4机械手的手部结构设计62.5机械手的系统设计82.6机械手的手部结构设计与计算92.7机械手手臂机构的设计122.8机械手腰部和机座结构设计与计算132.9机座传动装置的总体设计15第三章 旋转模块的设计233.1旋转模块总体设计233.2摆动气缸的选用23第四章 装钉模块的设计254.1 装钉模块的总体布置设计254.2钉盒的结构设计264.3压钉轴的结构设计264.4装钉气缸的选用264.5导轴和导套的设计27第五章 计算机辅助设计285.1 三维建模285.2 CAXA的运用33结束语35致 36参考文献3738 / 39第一章 绪论1.1 课题背景与意义某生产线机械手是一种具有开放式特征的实训实验平台。是多种高科技的融合，可以完成电工、电子、单片机、机械设计、传感器、机电控制、数字信号处理等许多课程的几百个实训实验。某生产线机械手的作用主要以展示机械结构、运动特征和功能关系为主。相对于工业机器人具有它的特殊性：首先，一台机械手相当于一个试验平台，要能显示多种运动性能。因此，应用环境广泛，功能多样。其次，其制造加上精度略低于工业机器人，且性价比高。另外，它的体积小，重量轻。因此，专用性强的生产线机械手的研制方法不能满足这样的要求。所以我用solidworks软件来实现机械手的结构设计和对其进行的原理分析设计了一种的可扩展式机械手，具有造价低、调控容易、重复性好的特点。1.2 机械手的发展和趋势机械手在现实生活中的种类可以说是非常的多，然而最初的机械手是工业机械手，它最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造与金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制：该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这2种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种UnimationVic.arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业。联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业：联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，机床研究所和机床研究所合作设计制造的点焊机器人，机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院自动化研究所和科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DCPWM等等。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用围。1.3 某生产线机械手的设计要求和基本容所谓机械手的结构系统是指具有特定功能的、相互间具有许多联系要素构成的一个整体。首先，从系统的观点出发，本设计是采用部系统设计与外部系统设计相结合的方法，既重视部系统设计，也重视、外系统的联系。在确定系统功能时，每个模块都遵循保证基本功能、满足使用功能、剔除多余功能，恰到好处地利用外观功能和原则。因此，本着该设计意图，根据动作要求对机械结构进行分析，本次的设计包括以下几个基本容： 1.掌握机械手整条生产线的工作原理，并分析各工作模块的功能。 2.对机械手工作模块的机械结构进行分析。 3.根据功能需要，进行机构原理图设计和运动分析。 4.测绘零件，设计零件，用SolidWorks 2011绘制三维零件图，并进行三维装配图设计。 5.对三维图进行分析和修改，然后转化为工程图以便画二维图。 6.对部分典型或非标零件用CAXA 2011或SolidWorks 2011进行设计。 7.完成设计图纸，包括零件图、装配图。最终本人用SolidWorks 2011设计完成的三维装配图如图1.3所示： 图1.3 三模块总装配图第二章 某生产线机械手模块的设计2.1机械手驱动方式的选择机械手的驱动方式一般有三种方式：气动驱动方式、液压驱动方式、电驱动驱动方式1.气动驱动方式气动驱动的优点：结构简单、气源简便获得、能得到较高的开关速度、可安装调速器，使开关速度按需要进行调整、气体削减性大，关闭时有弹性、成本低。气动驱动的缺点：因气体有削减性所以速度不易匀称 ，噪声大，难以准确控制位置与速度。2.液压驱动方式液动驱动的优点：结构简单，体种小、输出力大、简便获得低速或高速，能无级变速、功率重量比大，低速平稳、由于液压油的黏性而效率较高，有自润滑功能和防锈功能。 液动驱动的缺点： 油温变化引起油粘度的变化、液压元件和管道易渗漏、配管，维修不方便、易漏油，成本较高。3.电驱动驱动方式 电动驱动的优点：适用性较强，不受环境温度影响、输出转矩围广、控制方便，能自由地采用直流、交流、短波、脉冲等各种信号，适于放大、记忆、逻辑判断和计算等工作、可落实超小型化、拥有机械自锁性、安装、维护检修方便、可分为步进驱动、直流驱动和交流驱动。其中直流驱动调速性能好，功率较大，效率高。 电动驱动的缺点：结构庞杂、机械效率低一般只有25%-60%、输出转速不能太低或太高、易受电源电压、频率变化的影响根据机械手的功能的动作要求，确定利用电机驱动的直流驱动和锥齿轮传动来实现机械手的旋转运动；利用气动驱动实现机械手的上下运动；考虑到本设计中的机械手工作围较小，利用气动驱动实现手臂的伸缩运动；考虑到机械手的手部需结构简单，成本低，容易维修，而且重量要轻，机械手的手部也采用气缸驱动。鉴于上面三种驱动方式，选择气动驱动方式为本设计的驱动。2.2气动驱动机械手的应用现状与发展前景2.2.1气动机械手的应用现状近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其在各种自动化生产线上得到广泛的应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化的程度变得更高，控制方式更灵活，性能更可靠。从各国的行业统计资料来看，近30年来，气动行业发展很快。我国的气动行业起步较晚，但发展较快，从20世纪80年化中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。 由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂动作等优点。所以，气动机械手被广泛用于汽车制造业、半导体与家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事上。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手等。 此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床机械手，外科手术机械手等。2.2.2气动机械手的发展前景目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点，可能预见，在不久的将来，气动机械手将越来越广泛地进入工业、军事、航空、医疗、生活等领域。2.3机械手的设计方案2.3.1机械手系统工作原理和组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统和位置检测装置所组成。各系统 之间的相互关系如图2.3.1所示： 图2.3.1 系统之间相互关系机械手的工作原理：采用气压传动方式，来实现执行机构按规定要求，有顺序，有运动轨迹的动作；同时按其控制系统的信息对执行机构发出命令，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可发出报警信号；位置检测装置可随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，从而使执行机构以一定的要求达到设定位置。2.4机械手的手部结构设计1.执行机构包括手部、手腕、手臂、立柱和机座等部件。（1）手部： 即与工件接触的部件。由于与工件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式。手部结构取决于被抓取工件的表面形状、被抓部位和物件的重量以与尺寸。本设计考虑到以上因素，工件属于轻、状零件，所以采用吸附式手部，吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力吸附物件的。（2）手腕： 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。（3）手臂： 手臂的作用是带动手部去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。（4）立柱：立柱是支承手臂的部件，手臂的回转和升降运动均与立柱有密切的联系。（5）机座： 机械手执行机构的各部件和驱动系统均装在机座上，故它起支撑和连接的作用。 2.驱动系统 驱动系统是驱动机械手执行机构运动的。常用驱动系统有液压传动、气压传动和机械传动。 3.控制系统 控制系统是支配着机械手按规定的动作要求进行运动的系统，它支配着机械手按规定的程序运动，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。 4.位置检测装置 它可将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置相比较，通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。本课题采用气动位置传感器，它可以将位移的变化转变为压力的变化，再转变为电量的变化。2.4.1机械手坐标形式的选择按机械手手臂的不同运动形式，其坐标形式可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型与关节坐标型。如图2.4.1所示：（a） （b） 直角坐标系 圆柱坐标系 （c） （d） 球型坐标系 关节式坐标系图2.4.1 坐标形式由于本次设计的机械手是通过两个移动和一个转动来实现手部空间位置的改变，因此，采用圆柱坐标形式。2.4.2机械手的技术参数1.机械手最大抓重： 1kg 2.工件尺寸：长*宽*高=50*50*25（mm） 3.坐标形式：圆柱坐标 4.支座旋转角度：180 5.手臂运动参数：伸缩行程：100mm 伸缩速度：100mm/s 升降行程：60mm 升降速度：100mm/s 6.机械手定位精度：0.5mm2.5机械手的系统设计1.机械手的运动自由度自由度是指机械手所具有的独立坐标轴运动的数目。本设计的机械手具有转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转和前后伸缩三个自由度。 2.机械手的工作围 工作围是指手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。该机械手的工作围如图2.5所示：图2.5 机械手工作围 3.机械手的机械结构类型本设计采用圆柱坐标形式的方案，运动形式为一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统。2.6机械手的手部结构设计与计算2.6.1气缸的选用1.预选气缸的缸径 一般用作实验的工件不会太重，塑料制品工件和铝制工件即可。 根据气缸的负载状态，铝制工件的质量：m1=0.15kg/m2 塑料工件的质量：m2=0.1kg/m2 铝制工件的重力为：G=m1g=0.159.8=1.47N 可确定气缸的轴向负载力F1.47N。 根据负载的运动状态，参考表2.6.1-1，预选气缸的负载率=0.7。表2.6.1-1负载率与负载的运动状态负载的运动状态负载率静载荷（如夹紧）70%动载荷气缸速度50mm-500mm/s50%气缸速度500mm/s30%根据气源供气条件，确定气缸的使用压力p。p应小于减压阀进口压力的85%。本课题设计的气缸为单作用气缸，工作压力p=0.3MPa。由以上分析得单作用气缸的直径： D=2.98（mm）查SMC现代实用气动技术标准，得D=4mm 2.预选气缸的行程根据气缸的操作距离与传动机构的行程比来预选气缸的行程，应尽量选为标准行程，可保证供货迅速，成本降低。本设计气缸行程选为L=30mm。 3.选择气缸的品种 查SMC手册表，为了满足安装空间小，气缸小巧，选驱动方式为弹簧压回型的CJ1系列，如表2.6.1-2。本设计选用气缸的型号为：CJ1B4-30型单作用弹簧压回型气缸。 4.校核气缸所能提供的拉力 气缸径为4mm,使用压力为0.6MPa，可知气缸所能提供的拉力为： Fq=PA=P=0.6106106=1.884N 可知1.884N1.47N,所以可以认为气缸的选用是合适的。表2.6.1-2系列微型气缸的标准规格 缸径2.54使用介质空气最高使用压力0.7MPa最低使用压力0.3MPa活塞速度50-500mm/s行程公差0-0.52.6.2真空吸盘结构设计 1.真空吸盘连接结构 为了抓取工件，采用真空吸盘结构，如图2.5.1所示，首先真空吸盘组建在气缸的推动下下移，当吸盘4碰到工件时弹簧3压缩，整个导向杆1在防转螺钉2 的作用下直线移动保证工件不会压坏，然后吸盘吸住工件。 图2.5.1真空吸盘结构2.6.3真空吸盘的选取 吸盘是直接吸附物体的元件。吸盘通常是由橡胶材料与金属骨架压制成型的。吸盘的橡胶出现脆裂，是橡胶老化的表现。通过查找相关真空吸盘的资料，本设计的工件质量轻，因此，选取吸盘的形式为风琴型吸盘，吸盘直径为10，材料为硅橡胶。 2.6.4手部结构的质量 与设计的手部结构和使用环境方面选LLDPE树脂（线型低密度聚乙烯），它具有优异的耐环境应力开裂性能和电绝缘性，较高的耐热性能，抗冲和耐穿刺性能等。 LLDPE树脂的密度：0.91-0.94g/cm3; 铝合金ZL101的密度：2.6-2.8g/cm3；45钢的密度：7.85g/cm3。通过SolidWorks 2011的质量属性工具计算得到手部结构的质量为：M手=M树+M铝+M钢=52.11+9.45+9.48=71.04g2.7机械手手臂机构的设计2.7.1手臂设计的要求 1.需根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻型材料。 2.尽量减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。 3.手臂部分的结构必需满足完成作业任务提出的工作空间要求。 4.要尽量减轻手臂运动部分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯性。 5.除了手臂部份设计力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。 6.手臂部分的设计需动作迅速、灵活、平稳，定位精度高。 本设计中，手臂的上下运动由气缸驱动实现，结构紧凑，装拆方便，导向装置由一根立柱导向，防止手臂在直线运动过程中沿运动轴线发生相对转动，确保手臂随机座一起转动。手臂的结构图如图2.7.1所示：1.横梁 2.导轴上固定件3.导向柱4.直角连接零件5.伸缩气缸6.支撑架图2.7.1 手臂结构图2.7.2伸缩气缸的选用1.考虑到以上设计要求，且要满足行程要求，经过查找筛选预选SMC气缸的CQM系列薄型单杆双作用气缸，型号为：CQMB20RC-100-M9B（缸径为20mm，行程100mm）。 本设计所选伸缩气缸符合体积小、重量轻、薄、安装空间小、安装方便等特点。 2.选择安装方式 本薄型单杆双作用伸缩气缸只需基本型安装即可满足要求。2.7.3导向装置 气动机械手的手臂在进行伸缩（或升降）时，为了防止手臂绕轴线转动或产生变形，以保证手部的正确方向，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它根据手臂的结构、抓重等因素选取。 目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手设计中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。2.7.4手臂和手部的总质量 35钢的密度：7.85g/cm3;青铜的密度：8.43g/cm3 通过SolidWorks 2011的质量属性工具计算得到手部结构和臂部结构的总质量为： M=M手+M铝+M缸+M阀+M薄片+M其他=71.04+271.94+451.6+84.29+30.57+175.83=1085.27（g）2.8机械手腰部和机座结构设计与计算2.8.1机械手腰部和机座的结构设计 其结构示意图如图2.8.1所示。手臂升降装置主要由立柱、导轴上零件1、导轴下零件2、升降气缸5、块零件6、定位套3和转柱7等组成，块零件和转柱通过螺母连接，即转柱定制为螺纹柱，安装方便，节约成本。手臂机座结构主要由三块铝型材8通过螺栓连接而成。实现机械手手臂回转运动的机构形式多种多样，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机械、连杆机构等。在本设计中，手臂回转装置用齿轮传动机构形式。通过PLC控制伺服电机带动齿轮外罩4的齿轮，达到手臂回转的功能。图2.8.1 机械手腰部和机座的结构图2.8.2机械手升降气缸的选用 1.已知：升降气缸预选SMC气缸的薄型气缸。手臂结构总质量为M=1085.27，考虑到在臂部安装时还要添加控制部分，故预选负载力为F=30N；查相关手册取气缸工作压力为p=0.4MPa;由SMC手册查得负载率=0.5。因此，气缸缸径为：D=13.8mm经圆整并查手册标准取：D=20（mm） 为便于安装调试，对行程要留有适当余量，所示预选气缸标准行程为H=60mm,预选SMC薄型单杆双作用气缸的型号为：CQMB20RC-60。 2.验证气缸的缓冲能力根据气缸的运动状态是输出推力还是拉力、负载率=0.5、气缸的行程L=60mm和气缸的动作时间t=0.6s,由SMC手册相应图可查得气缸的理论基准速度=220mm/s。 根据气缸的运动状态是输出力还是拉力以与负载率，可查得气缸的最大速度vmax与理论基准速度之比值，从而求得气缸的最大速度vmax。查得： =0.9 vmax=v0=2200.9=198mm/s 最后根据各系列缓冲气缸的缓冲特性曲线和气缓冲气缸的缓冲特性曲线，若气缸的负载质量M和最大速度的交点在预选气缸缸径的缓冲特性曲线之下，则表示负载运动的动能MV2max小于气缸的允许吸收的最大能量，即该预选缸径的缓冲能力满足要求。本设计所选的伸缩气缸负载质量较小，从手册图中查可知所选择的缸径的缓冲能力能满足要求。2.8.3机械手的平稳性和臂杆平衡方法 1.机械手的平稳性分析 在设计中，臂部的运动较多，如果运动速度和负载较大，当运动状态变化时，将产生冲击和振动。这不仅会影响机械手的精确定位，甚至会使其不能正常运转。为了提高平稳性，在设计时应采取有效的缓冲装置吸收能量。因此从减少能量产生的角度来看，要注意以下两点：（1）机身和臂部运动部件要紧凑，质量轻，以减少惯性力。本设计中臂部采用铝合金制作。（2）应考虑重心的位置，即运动部件各部分的质量对转轴或支承的分布情况。在设计中如果重心和转轴不重合，将增大转动惯量，当转速过高，将会有较大的冲击和振动。 2.臂杆平衡方法 常见机械手臂杆的平衡技术有四种：质量平衡法、弹簧平衡法、气动或液压平衡法和采用平衡电动机。本设计采用质量平衡法来达到要求，臂杆质量平衡的原理是合理地分布臂杆质量，使臂杆重心尽可能落在支点上，必要时甚至采用在适当位置配置平衡质量的方法，使臂杆的重心落在支点上。2.9机座传动装置的总体设计2.9.1确定传动方案考虑到气动机械手的性能要求，本设计初步确定以下两个传动方案：锥齿轮传动和蜗杆传动，下面将对两种方案进行比较以便确定个合理的传动方案。 1.如图2.9.1-1所示的蜗杆传动方案 它的主要优点有： （1）因为结构比交错轴斜齿轮机构紧凑，所以可实现空间交错轴间的很大传动比。 （2）蜗杆传动接触方式不同于其它类型传动，为线接触，噪音小，传动平稳； （3）当蜗杆导程角g 很小时，传动具有自锁性，即只能由蜗杆带动蜗轮，而蜗轮不能带动蜗杆，故它常用于起重或其它需要自锁的场合。 它的缺点： （1）蜗杆传动的一般效率=0.70.9，机械效率较低，具有自锁性的蜗杆传动的效率0.5。 （2） 蜗杆传动齿面的螺旋线方向滑动速度很大，因此容易引起磨损和发热，故摩擦损失大，效率低，而且为减轻齿面的磨损与防止胶合，蜗轮一般使用贵重的减摩材料制造，成本高。 （3）对制造和安装误差很敏感，安装时对中心距的尺寸精度要求较高。 2.如图2.9.1-2所示的齿轮传动方案它的主要优点有： （1）瞬时传动比恒定，工作平稳，传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力。 （2）适用的功率和速度围广。 （3）传动效率高，=0.920.98。在机械传动中，齿轮传动的效率较高。 （4）工作可靠，使用寿命长。 （5）外廓尺寸小，结构紧凑。它的主要缺点是：制造和安装精度要求较高，需专门设备制造，成本较高，不宜用于较远距离两轴之间的传动。图2.9.1-1蜗杆传动图2.9.1-2 锥齿轮传动传动方案除满足气动机械手功能、动作上要求外，还需满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、工艺性好和使用维护便利等要求。分析以上两方案的优缺点后，确定采用锥齿轮传动方案会更加的合理，所以本设计采用锥齿轮传动。2.9.2电动机的选用 电动机的选择有两种类型：步进电机和伺服电机。下面将通过分析比较确定选用哪种类型的电机： 1.频率特性的比较。步进电机在低速时易出现低频振动现象，而伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。 2.矩频特性的比较。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高速时会急剧下降，而伺服电机为恒力矩输出。 3.过载能力的比较。步进电机一般不具有过载能力，伺服电机具有较强的过载能力。 4.运行性能的比较。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象。伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，部构成位置环和速度环，控制性能更可靠。综合以上四点所述，而且采用的是PLC控制系统，所以确定采用伺服电机。使用直流电源的电动机称为直流电动机，它与交流电动机相比，具有调速性能好、调速围宽、起动转矩大等优点。所以考虑到以上因素和本系统的运动要求，预选本设计的电动机为直流有刷伺服电机，型号：2224A024SR。2.9.3锥齿轮的结构设计已知工作条件：输入功率P=Pmaxmax=3.8881%=3.14W 小锥齿轮转速n1=11r/min 大锥齿轮实际转速n2=7.5r/min 所以，传动比i=1.47，初定传动比i=1.5 验证传动比：由以上数据得：传动比误差=2%传动比误差=2%控制在（3%-5%），因此传动比i=1.51.选择锥齿轮材料、热处理方法、精度等级考虑到该传动的功率较小，故大、小锥齿轮都选用45钢（调质），齿面硬度分别为220HBS、260HBS，属软齿面闭式传动；锥齿轮的载荷平稳，而且转速较低，根据工作条件，定为7级精度。2.因为齿面为软齿面，故应按齿面接触疲劳强度设计，并按齿根弯曲强度进行较核。由设计计算公式进行计算：计算公式均摘自机械设计手册第三卷第14篇项目设计容结果1.齿数Z1、Z2与齿宽、系数R 取小锥齿轮齿数Z1=15，大锥齿轮齿数Z2=iZ1=1.515=22.5，取大锥齿轮齿数Z2=23，齿宽系数不宜取得过大，否则将引起小端齿项过薄，齿根圆角半径过小，故取齿宽系数 R=Z1=15Z2=23R=2.载荷系数KTd1t2.92试选KT=1.4KT=1.43.小锥齿轮传递的转矩Td4.材料系数ZETd=19N.mm查表得：ZE=189.8Td=19N.mmZE=189.85.大小齿轮接触疲劳强度极限 HLim1、HLim2按齿面硬度查图得：HLim1=600MPaHLim2=560MPaHLim1=600MPaHLim2=560MPa6.应力循环次数N1=60n1jLh=60111103008=1.58107N2=1.05107N1=1.58107N2=1.051077.接触疲劳寿命系数KHN1、KHN2查图得:KHN1=1.11，KHN2=1.13KHN1=1.11KHN2=1.138.确定许用接触应力取安全系数SH=1H1=1.11600KPaH2=1.13560MPaSH=1H1=666MPaH2=623MPa9.试算小齿轮分度圆直径取H1=H2d1t2.92为了保证齿轮平稳传动，确定过载时能自我保护，且方便制造维修，将分度圆直径扩大两倍，得到d1t13.54d1t13.5410.计算圆周速度vV=V=7.79mm/s11.计算载荷系数查表6.2得使用系数KA=1；查图6.10得动载系数KV=1.1；查图6.13得K=1.15则K=KAKVK=11.11.15=1.265KA=1KV=1.1K=1.15K=1.26512.校正分度圆直径d1d1=d1t=13.54d1=13.09mm13.计算模数mM=0.87按标准取m=1取d1=15m=114.两轮分度圆直径d1、d2、锥距R、齿宽b、齿高hd1=mz1=115=15mmd2=mz2=123=23mmR=b=RR=17.73h=（2h*a+c*）m=（210.2）1d1=15mmd2=23mmR=13.73mmb=4.43mmh=2.2mm15.大小齿轮的弯曲疲劳强度极限查图6.9取：FLim1=240MPa、FLim2=220MPaFLim1=240MPaFLim2=220MPa16. 弯曲疲劳寿命系数查图6.7取：KFN1=0.96、KFN2=0.98KFN1=0.96KFN2=0.98锥齿轮主要传动尺寸列表：模数m1压力角20齿数zZ1=15Z2=23Z1=15Z2=23齿顶高haha=h*am=11=1ha=1mm齿根高hfhf=（h*a+c*）m=（1+0.2）1=1.2hf=1.2mm分度圆直径dd1=mz1=115=15d2=mz2=123=23d1=15mmd2=23mm分度圆锥角1=tan-1=tan-1=33.112=90-1=56.891=33.112=56.89锥距RR=R=13.73mm齿顶角aa1=a2=tan-1=tan-1a1=a2=7.14 齿宽bb=4.57（取整数）b=42.9.4传动轴的设计与校核根据轴线形状的不同，轴可分为直轴、曲轴和挠性钢丝软轴。其中，直轴的应用最为广泛，根据外形又可分为直径无变化的光轴（图2.9.4-1）和直径有变化的阶梯轴（图2.9.4-2），本设计中的传动轴本着结构简单、装配紧凑的原则，选用光轴即能满足传动运动和动力的功能。 图2.9.4-1光轴图2.9.4-2 阶梯轴传动轴的承载情况，主要承受转矩，不承受弯矩或承受很小的弯矩，仅起到传递动力的作用。传动轴材料的选择:轴常用的材料是碳素钢、合金钢和球墨铸铁。碳素钢比合金钢低廉，对应力集中的敏感性低，经热处理或化学处理可得到较高的综合力学性能，尤其在耐磨性和抗疲劳强度两个方面，而且优质中碳钢中的45钢经过正火或调质处理后可用于比较重要或承载较大的轴，因此，本设计的传动轴的材料选用45钢调质。拟定的传动轴装配如图2.9.4所示：图2.9.4传动轴装配图图中，A、B处均为平端紧定螺钉连接，紧定螺钉既起固定又起定位作用。A处通过螺钉连接联轴器，B处通过紧定螺钉连接锥齿轮，平端紧定螺钉均选用M2.5，长度为6mm，B处的齿轮安装公差尺寸为6H8/m7。2.9.5联轴器的设计本设计采用套筒联轴器，套筒联轴器拥有的优点是结构简单，制造方便，径向尺寸小，成本较低。套筒的材料采用45钢，并经过调质。套筒联轴器通过一个公用套筒并采用平端紧定螺钉作轴向固定，为了保证连接具有一定的对中精度和便于套筒的装拆，套筒与轴采用的配合。因此，所设计的套筒联轴器的结构图如图2.9.5所示：图2.9.5联轴器结构图2.9.6消声器的选取消声器是一种允许气流通过而能使声能衰减的装置，能够降低气流通道上的空气动力性噪声。本设计中，对消声器的要，在噪声频率围消声效果好，排气的阻力要小，以免影响换向阀的换向性能，而且要求结构耐用、便于清洗。通常根据换向阀的连接口径来选择消声器的规格。根据以上要求，选取SMC公司的AN系列消声器，型号为AN110-01，最高使用压力为1.0MPa，该消声器的消声原理为膨胀干涉型。第三章 旋转模块的设计3.1旋转模块总体设计旋转模块的设计须与气动机械手紧密联系，总体布置时，需具体确定各零部件之间的相对位置保证模块在整个工序中的连续和流畅。从整个模块来说，需做到结构紧凑、便于安装。本设计中主要是摆动气缸和旋体的设计和装配，保证功能满足要求。旋转模块总体布置的轴测图如图3.1所示：图3.1 旋转模块总体布置轴测图3.2摆动气缸的选用根据摆动气缸反受负载的性质，确定气缸的有效输出力矩M0。有效输出力矩：M0=式中：M摆动气缸承受的实际力矩；负载率，按SMC手册查表，本设计可取=0.1。已知：摆动角=90，摆动时间t=1s，塑料的密度塑=0.92g/cm3,铝合金的密度铝=2.55g/cm3，旋体和连接方块的质量通过SolidWorks 2011的质量属 性工具计算得到： m=m工件+m方块+m载体=150+22.76+59.36=232g使用压力为0.5MPa，等效半径r=15cm所以，等效转动惯量：J=mr2=0.2320.152=0.00522kgm2摆动角加速度：=/(90t2)=90/（9012）=3.14rad/s2则理论输出力矩：M0=0.00164Nm根据手册可选CRBU2自由安装型规格的气缸。负载的转动动能:Ed=J(t)2=0.00164（3.141）2=0.0081Nm故其允许能量能满足转动动能的要求，摆动气缸的型号为：CRBU2WU30-90SL。第四章 装钉模块的设计4.1 装钉模块的总体布置设计装钉模块的总体布置是指结构布局的细化，需确定模块各零件之间的相对位置与联系尺寸、运动和动力的传递方式等。1、铝型材 2、主压钉气缸 3、支架 4、压钉轴 5、导轴 6、定位弹性螺栓 7、钉盒 8、工件载体 9、辅助压钉气缸图4.1 装钉模块总体布置图经过认真功能原理分析，装钉模块的总体结构布置如图4.1示，从图中可知道主压钉气缸在钉盒的左侧，而辅助压钉气缸与工件载体连接，这主要是考虑到工件装钉的受力合理性，保证工艺过程的连续和流畅。首先，需考虑工件载体和钉盒的相对位置，使工件能安全快速的装钉；其次，需考虑钉盒的结构设计，保证供钉合理准确，此钉盒所装的钉子是靠其自身的重力有序地下移方便装配；然后，需考虑到主气缸和辅助气缸的选取，达到模块预定的功能。4.2钉盒的结构设计作为培训系统的一个模块，主要是仿真工厂自动生产线的功能，所以在钉盒的设计时，预定本钉盒可装40个弹簧钉（即左右各20个钉子），为了提高设计和制造的经济性，降低生产成本，本钉盒采用各个零件装配而成，均通过国产六角螺栓装配。因此经过功能分析，为了让钉子能有序迅速的往下掉方便安装，在钉子的上方左右各加了T型抵块，T型抵块在设计时，需与壁保持合理的间隙，材料采用铝合金，因此T型抵块长、宽分别设计为107mm、10mm。因为钉子采用标准的，因此考虑到钉子的放置空间，预定钉盒的总长和总宽分别为262mm、67mm。此外，为了保证钉盒能合理的定位，在钉盒的底板添加 一个定位弹性螺栓M12，保证了功能的合理性。图4.2钉盒部结构示意图4.3压钉轴的结构设计此压钉轴仅传递横向的运动和动力，根据轴上零件的安装、定位与轴的制造工艺，可以合理的确定轴的结构形式和尺寸，此轴材料亦采用45钢调质，基于钉子的尺寸，预定轴长为90mm，直径4.5，为保证压钉过程的安全和可靠，安装此轴用两个平端紧定螺钉进行固定和定位。开槽平端紧定螺钉为M2.55。4.4装钉气缸的选用在气动机械手模块的设计中有选到升降气缸为SMC薄型单杆双作用气缸，它的型号为：CQMB20RC-60-M9B。考虑到产品设计的标准化、通用化以与其经济性，经过比较并分析，主打钉气缸预选和升降气缸同类型并且同型号的气缸，经过验算，该气缸可满足此主压钉气缸的要求，这样可提高气缸使用和维修的经济性。根据经验该压钉预计用10N的力就够将钉子打入工件，而此气缸所能提供的负载力为F： F=62.8N因此，F10N，满足功能要求。此气缸的安装亦采用基本型的通孔安装。对于辅助压钉气缸的选取，它主要起到辅助压钉的作用，因此荐于主压钉气缸的选取分析和CQM系列带导杆气缸的导向精度高，为使装置简单紧凑、增强互换性和经济性，选取同类型的气缸，只是行程无需那么大，行程选取L=20mm即可满足要求，因此辅助压钉气缸的选取型号为：CQMB20RC-20-M9B。该气缸的安装尺寸与CQ2、CQS系列有互换性，而横向负载是CQ2系列的2-4倍。4.5导轴和导套的设计（1）导轴的结构设计导轴为一光轴，主要起到引导的作用，只需满足气缸的行程要求以与精度要求即可。因此可设计轴的长度为90mm,直径为12，材料为45钢，通过紧定螺钉固定和定位。（2）导套的设计 1、材料的选择铜合金是铜与锡、铅、锌或铝的合金，是传统使用的材料，因为青铜具有减磨性、耐磨性好，且具有较高的抗疲劳强度，广泛用于重载的场合，因此导套的材料选择青铜。2、润滑方式考虑到保养的效果和干净性，选择脂润滑。3、尺寸的设计导套的外径：d1=（1.21.6）d=（1.21.6）12=14.419.2故取d1=16mm环的宽度：b=（0.120.15）d=（0.120.15）16=1.920.288故取b=2.5mm第五章 计算机辅助设计5.1 三维建模5.1.1 SolidWorks概述SolidWorks是功能强大的三维CAD设计软件，是美国SolidWorks公司开发的基于Windows操作系统的设计软件。SolidWorks相对于其他CAD设计软件来说，简单易学，具有高效的、简单的实体建模功能，并可以利用SolidWorks集成的辅助功能对设计的实体模型进行一系列计算机辅助分析，以便更好地满足设计需要，节省设计成本，提高设计效率。SolidWorks通常应用于产品的机械设计中，它将产品置于三维空间环境中进行设计，设计工程师按照设计思想绘制出草图，然后生成模型实体与装配体，运用SolidWorks自带的辅助功能对设计的模型进行模拟功能分析，根据分析结果修改设计的模型，最后输出详细的工程图，进行产品生产。由于SolidWorks简单易用并且有强大的辅助分析功能，已广泛应用于各个行业中，如机械设计、工业设计、电装设计、消费品产品与通信器材设计、汽车制造设计、航空航天的飞行器设计等行业中。SolidWorks集成了强大的辅助功能，使我们在产品设计过程中可以方便地进行三维浏览、运动模拟、碰撞和运动分析、受力分析与运动算例，在模拟运动中为动画添加马达等。5.1.2 SolidWorks 2011三维建模举例下面将以装钉模块的工件载体零件作为例子，说明SolidWorks 2011三维建模的过程。 1.双击桌面上的SolidWorks 2011的快捷方式图标，启动软件。 2.选择文件-新建命令，在弹出的对话框中有3个图标，单击零件图标，然后单击确定按钮，进入默认的工作环境。 3.单击工具栏的保存按钮，弹出另存为对话框，文件名取名为：工作载体，单击保存。 4.单击草图工具栏上的草图绘制按钮，并选择前视为草绘平面，进入草绘工作面。 5.单击草图工具栏上的矩形按钮，采用中心矩形绘一矩形，点击智能尺寸按钮，对矩形的长和宽进行标注，得到如下图： 6.单击退出草图按钮，单击特征工具栏上的凸台/基体按钮，设置给定深度为47mm，得到方体。 7.选择方体的上表面为草图基准面，右击选择草图绘制进入草绘工作面，绘制如图所示的矩形。 8.单击退出草图按钮，单击特征工具栏上的拉伸切除按钮，设置切除深度为40mm。 9.同第7、8步进行拉伸切除，选择右侧面进行草图绘制，草图如下图所示，设置切除为完全贯穿。 10.选择底面进行草绘，用工具栏中的圆中心线镜像实体等命令草绘，所画草图如下图所示，画好退出草图绘制，点击拉伸切除命令，设置给定深度为10mm，得到4个孔。 11.同上使用拉伸切除命令，在后背切除长40mm、宽40mm、厚12mm的实体，草图如下图所示。 12.同步骤10，在后背打4个通孔孔，先打4个4的孔，和中间一个8的孔，拉伸切除，贯穿。13. 同步骤10，如图，在表面创建草图，绘制两个8的沉头孔，拉伸切除深度为2.5mm14.单击特征工具栏上的倒角按钮，对工件载体必要倒角的地方进行倒角。15.最终得到工件载体的三维建模如下图所示。5.1.3 SolidWorks 2011装配体设计 本设计采用的是自下而上设计装配体。自下而上设计法是比较传统的方法。它一般是先设计并造型零件，然后将之插入装配体，接着使用配合来定位零件。若想更改零件，必须单独编辑零件，更改完成后可在装配体中可见。5.1.4装配体爆炸视图在实际生产中，出于便于制造的目的，经常需要分离装配体中的零部件以便直观地分析它们之间的相互关系。在装配体的爆炸视图中可以分离其中的零部件以便查看这个装配体。本设计中本人完成了机械手主体部分的爆炸视图。5.2 CAXA的运用CAXA（数码大方科技股份）是中国领先的工业软件和服务公司，主要提供二维、三维CAD软件以与产品全生命周期管理PLM解决方案和服务。CAXA拥有自主知识产权，产品线完整。提供数字化设计解决方案，产品包括二维、三维CAD，工艺CAPP和产品数据管理PDM等软件；提供数字化制造解决方案，产品包括CAM、网络DNC、MES和MPM等软件。支持企业贯通并优化营销、设计、制造和服务的业务流程，实现产品全生命周期的协同管理。CAXA在、和美国设有三个研发中心，拥有超过180项著作权、专利和专利申请。CAXA拥有8个营销和服务中心、300多家代理商、600多家教育培训中心。公司客户覆盖航空航天、机械装备、汽车、电子电器、建筑、教育等行业， 包括中国制造业500强在的25000家企业，以与2000所知名大中专院校。CAXA自2008后可以读取CAD格式（.dwg）的文件，本次设计采用的是CAXA 2011。 本次设计中，设计二维图时，先将SolidWorks 2011的各零件和装配图导成工程图，另存为CAD的dwg格式，再用CAXA 2011进行修改设计，这样不但掌握了快速设计的技艺，而且提高了效率。最终本人通过运用CAXA 2011绘制了2装配图和19零件图。结束语机械手在现实生活中的种类可以说是非常的多，然而最初的机械手是工业机械手，它最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造与金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。 从一开始知道确定毕业设计题目的时候不知道该什么下手，之后在仙法老师的帮助下，让我了解了论文形成的格式等，两个星期下来，通过上网找资料，翻阅机械手册，一篇论文初成，虽然不怎么完美，但还是感到很欣慰，自己的成果没有白费。万事开头难。不懂就问仙法老师，通过一次次的论文修改必定会对我受益匪浅，通过这次毕业设计，使我对于机械设计方面的知识更加认识了，毕业设计是理论与实际的结合，必须考虑到各方面存在的隐性问题，理论可行往往实际操作就不行，设计是非常严谨的。致 本设计是在仙法老师的悉心指导下完成的。从毕业设计题目的选择、到选到课题的研究和论证，再到本毕业设计的编写、修改，每一步都有仙法老师的细心指导和认真的解析。在仙法老师的指导下，我在各方面都有所提高，老师以严谨的治学态度和勤勉的工作态度深深感染了我，给我巨大的启迪，鼓舞和鞭策，使我的知识层次又有所提高。同时感所有教育过我的专业老师，你们传授的专业知识是我不断成长的源泉也是完成本论文的基础。也感我同一组的组员和班里的同学是你们在我遇到难题是帮我找到大量资料，解决难题。再次真诚感所有帮助过我的老师同学。通过这次毕业设计不仅提高了我独立思考问题解决问题的能力而且培养了认真严谨，一丝不苟的学习态度。由于经验匮乏，能力有