自动取工件冲压机械手设计

广西工学院 2006 届毕业设计论文1摘 要本论文主要分为两大部分。第一部分对冲压自动化生产技术的发展历史和现状进行了比较详细的介绍。而随着我国冲压技术水平的不断提高，各种冲压自动化装置在实际生产中的应用越来越普遍。与传统手工冲压相比，自动化冲压具有安全、高效、节材等优点，是板材加工技术的发展方向。现在，自动模的自动化装置已向机械手方向发展。本论文设计了一个自动取工件冲压机械手。本冲压机械手主要根据四柱万能液压机的各技术参数进行设计，主要由升降和回转两大部分组成，摆杆最大回转角度 =120，并且摆杆长度可在 9501250mm 之间进行调整，最大吸附能力达 50Kg，通用性较广，可适用于 Y3250 至 Y32500 这一系列的液压机，故实用性比较强，有一定的市场价值。第二部分则分析了国内外汽车覆盖件冲压技术的研究现状、关键技术及其发展趋势，并以 LJ465Q1 汽油发动机机油盘翻边模具的设计为实例，介绍了汽车覆盖件模具设计的方法和步骤，以及在模具设计中应注意的问题。关键词：冲压自动化，机械手，汽车覆盖件，机油盘，翻边AbstractThis thesis is mainly divided into two parts.In the first part, the development and the present of Press manufacturing automatic technique are introduced in detail. As the development of press manufacturing technique in our nation. Various Press automation equipment was applied in practice manufacture more and more universally. Comparing with tradition manual press, automatic press was provided with the merits of security, high efficiency, saving material, and so on. It is the development head of plates machining technique. Today, the automatic device of automatic dies has headed for the manipulator. A stamping manipulator of automatic getting workpiece has designed in this thesis. It is designed Mostly Basing on Various technical parameter of the four pole universal hydrostatic machine. The stamping manipulator is mainly made up of elevation and gyration. The maximum gyration angle of the swing stem is =120,and the swing stem length can be adjusted from 950mm to 1250mm. the maximum adsorptive capacity is 50 Kg. A serial of hydrostatic machine from Y3250 to Y32500 are applied to for widely versatility. And it has a strong practicability and definite market value.In the second part, The present studies of the automobile panel stamping technique at home and abroad are analyzed .Key technique sand trend of development of the automobile panel stamping technique are summarized. And the design of LJ465Q1 gasoline engine 机油盘 flanged die is taken as example, which the designing method and step of the automobile panel die are introduced. And some questions should be taken attention to in the dies designing.Keywords: press manufacturing automation, manipulator ,automobile panel, sump,flange广西工学院 2006 届毕业设计论文2目 录摘 要 1第一章 绪论 4第一节 课题背景 .4第二节 课题现状及发展趋势 .5一、冲压生产自动化的现状及发展趋势 .5二、我国汽车覆盖件模具产业现状及发展趋势 .8第三节 课题研究内容及意义 10第二章 冲压机械手的设计 .11第一节 机械手概述 11一、机械手及其在冲压生产中的应用 11二、机械手的组成与分类 11三、机械手的自由度 13四、机械手的坐标形式 13五、国内外发展状况 14第二节 自动取工件冲压机械手设计思路 15第三节 冲压机械手主要工作部分的设计与计算 17一、臂的设计 17二、螺栓直径的确定 18三、齿轮齿条传动设计 19四、齿轮轴的设计及轴承的选用 22五、气缸的设计计算 23六、固定立柱的设计 25七、其它零部件的设计以及标准件的选用 26第三章 翻边模设计 .26第一节 翻边概述 26第二节 零件分析与工艺方案确定 27一、零件分析 27二、零件冲压工艺确定 27第三节 冲模压力中心与翻边力的计算 28一、冲模压力中心的确定 28二、翻边力的计算 29三、冲压设备的选取 30第四节 翻边模工作部分设计 31一、模具工作部分尺寸计算 31二、凸、凹模圆角半径 32三、凹模结构设计 32四、凸模结构设计 33五、橡胶的选用与计算 33第五节 翻边模主要零部件的设计和选用 34一、模架的选择 34二、导向装置（导柱与导套）的选择 36三、模柄的选择 36广西工学院 2006 届毕业设计论文3四、卸料装置的设计与选用 38五、推件装置的设计与选用 38六、圆柱销钉的选择 38七、紧固类零件的选用 38第六节 翻边模的总体结构图 39结 论 40致 谢 .41参考文献 .42广西工学院 2006 届毕业设计论文4第一章 绪论第一节 课题背景汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，汽车工业重点是发展零部件、经济型轿车和重型汽车。随着市场需求的改变，汽车的更新换代速度日趋加快，轿车一般为3-4年，轻型车4-5年，其它车型约为6-8年。而作为汽车覆盖件生产的关键工艺装备汽车覆盖件模具是制约汽车换型的瓶颈环节，其设计、制造的速度将直接影响汽车工业的发展。调查显示，在加入WTO之后，我国轿车越来越多地进入家庭，消费者对个性化轿车的需求越来越强烈。汽车基本车型2005年达到了170多种，另有更新车型和改装车型430余种。2000-2005年，汽车车身模具平均每年需求量约为1500万工时。其中大中型模具每年平均约15个当量车型(含新车型和更新改装车型)，一个车型平均需大中型覆盖件模具约260副，平均每副大中型覆盖件模具约以需2400工时计算，每年就需936万工时。与2000年只有约500万工时的生产能力相比，尚缺436万工时，满足率只有53.4%。因此我国汽车模具市场潜力巨大。在国际上，以日本丰田、美国福特、德国大众等为代表的先进水平汽车制造业，几乎每年都要以更新车身车型为主要标志的高品质汽车新产品投放市场。而我国汽车车身新产品开发技术仍相当落后，严重影响车身开发的品质与周期。这其中的重要原因之一就是车身开发的核心技术汽车覆盖件模具的设计制造能力远远无法与国外先进技术相比拟，由于这种原因，目前轿车覆盖件模具大部分都靠进口。在进口模具中，绝大部分是国内供不应求的高档模具(如汽车覆盖件模具)。并且随着市场需求的扩大，覆盖件模具的进口比例还有增长的趋势。虽然国内有一汽、二汽、大众等汽车模具制造厂，具有一定的设计和生产能力，但目前也只能生产部分轿车覆盖件模具，且以低档产品为主，对高档模具主要依靠进口。尽管我国汽车工业的整体水平还不够发达，但国内不少汽车生产厂家对自主开发汽车新车型有了强烈的需求，这就使得高品质冲压件模具的需求大大增加。为此，我国政府和地方以及不少企业投入了大量的人力、物力和财力，从事此项技术的研究，希望我国的冲压件模具开发水平能走上一个新台阶。因此，加快技术进步，调整产品结构，充分利用现代设计方法和先进制造技术，加大技术开发力度，增加高档模具的比重，提高模具国产化程度，减少对进口的依赖，是我国汽车覆盖件模具工业的当务之急。在汽车工业迅速崛起和发展的同时，为汽车工业提供装备的企业随着汽车工业的发展也相应地得到壮大。汽车厂要上规模离不开压力机生产线，面对为轿车和轻型车生产配备的压力机生产线其性能 质量要求更高，在达到一定生产批量时，必须实现冲广西工学院 2006 届毕业设计论文5压自动化，这是国内外汽车生产发展的必经之路。随着我国冲压技术水平的不断提高，各种冲压自动化装置在实际生产中的应用越来越普遍。与传统手工冲压相比，自动化冲压具有安全、高效、节材等优点，是板材加工技术的发展方向。冲压生产的自动化按照自动化范围和自动化程度不同分为冲压全过程自动化、自动压力机与冲压自动生产线、自动模等。从冲压自动化技术发展的情况来看，目前冲压加工自动化主要是把加工材料自动送到冲模的作业点上，并把冲压件自动取出为主的自动化。这里包括三种情况：采用自动压力机；在普通压力机上安装通用的自动送料装置、自动卸件、自动出件装置以及检测装置；冲模本身带有自动送料、卸件、出件、检测等装置的自动模。随着近代工业的发展，以高质量、高效率冲模为中心的电子计算机控制全自动冲压加工系统不断涌现。全自动冲压加工生产线、冲压加工中心、全自动落料冲床、CNC折弯机等均已用于生产。自动模是冲压生产自动化的最基本也是最重要的单元。所谓自动模，通常是指具有独立而完整的送料、定位、出件和动作控制机构，在一定时间不需要人工进行操作而自动完成冲压工作的冲模。可见，自动模是由冲模本身和自动化装置两大部分组成的。现在，自动模的自动化装置已向机械手方向发展。随着自动化技术的不断创新和成熟，冲压生产自动化也被越来越广泛地得到应用，这对于保证产品质量、保护人身安全、提高劳动生产率有着重要意义。第二节 课题现状及发展趋势一、冲压生产自动化的现状及发展趋势冲压生产是制造业的一个重要组成部分，冲压生产自动化的发展历史最早可以追溯到本世纪 50 年代。由于大批量、低成本处产的要求以及冲压生产过程中的恶劣作业环境、噪声、工作单调乏味及生产过程中容易发生人身事故等健康、安全方面的原因，促使生产厂家采用各种机械化装置来代替人工操作完成压力机的上料、下料和冲压工件在压力机之间的传送、翻转等工作，实现了冲压生产过程的机械化，并以此为基础在人工生产流水线上构成机械化冲压生产线。冲压生产自动化技术的发展与压力机制造技术与工艺水平的发展密切相关，同时也随着各时期自动化技术、设备与装置水平的发展而发展。在工业机器人出现以前的冲压自动化系统，无论是单台压力机、由若干台串联排列的压力机组成的冲压生产线、还是由大型多工位压力机组成的冲压生产线，均采用专门设计的机械装置来完成压力机的上下料工作，直接以压力机的动力轴输出作为驱动，通过专门设计的凸轮、行星齿轮等传动机构实现工件的传送。这种类型的冲压生产线，自动化装置的机构比较复杂，需按传送工件用运动规律设计、制造凸轮等机构，因此缺乏柔性，更换产品困难，适合少品种、大批量的生产方式。其优点是动力直接取自压力机的动力输出，因而上、下料机构与压力机滑块之间的协调运动容易实现。广西工学院 2006 届毕业设计论文6工业机器人 1962 年在美国诞生后很快进入冲压行业，取代以往自动化冲压生产线中的专用机械装置，实现了机器人化的冲压自动化生产线。从 70 年代后期开始，冲压机器人及自动化冲压生产技术在日本迅速发展，各种商品化设备很快进入实用。机器人冲压自动化系统具有灵活多变的适应功能，可以方便地通过离线编程或在线示教等方法改变机器人的运动轨迹或作业内容等，因此具有较高的柔性，产品调整方便，特别适用于产品品种频繁更新时所形成的多品种、中小批量的现代化生产方式，从本质上更新了传统的、机械凸轮式冲压生产线。图 1-1 直角坐标机器人冲压自动化生产线图 1-2 摆臂式机器人冲压自动化生产线图 1-3 小型开式压力机机器人冲压自动化生产线受自动化技术、设备与装置发展水平的限制，早期的机器人工作速度慢、负载能力小，以及受机器人与压力机滑块运动联锁控制方式的限制，机器人自动化冲压生产线的生产节拍较低，与人工操作的冲压生产线的生产节拍基本处于同一水平，但是就改善工人的工作环境和提高生产的安全而言，其效果是非常显著的。随着机器人技术及自动化技术的发展，用于冲压生产线的机器人也在不断更新换代，从早期的液压、气动驱动，联锁控制方式机械手发展到目前的全交流伺服驱动、同步运动协调控制机器人，所构成的自动化生产线的运行节拍、生产效率以及安全性都有很大程度的提高。图 1-1 和图 1-2 分别为由直角坐标冲压机器人和摆臂式冲压机器人构成的大型冲压自动化生产线；图 1-3 所示为采用直线送料机器人构成的小型开式压力机冲压自动化生广西工学院 2006 届毕业设计论文7产线。目前世界上生产冲压机器人并有能力提供大型冲压自动化生产线成套设备和技术的公司有美国的 ISI 公司，德国的 KUKA 公司，意大利的 Comau 公司，瑞典 ABB 公司、日本的安川公司等；生产中小型冲压机器人和提供小型压力机自动化冲压生产线设备和技术的公司主要有日本 AIDA 公司、ORII 公司等以及我国台湾地区的一些厂家。由大型多工位压力机组成的冲压自动化系统，因无法在各工位模具之间安装机器人等设备，所以自动化系统一般采用压力机内纵向夹板送料机构或横臂（Crossbar）传输方式实现工件的传送，图 1-4 所示为一机械式的大型多工位压力机自动化冲压生产线。目前，多工位压力机冲压自动化系统亦在其设计中采用了机器人技术及设计思想，如图 1-5 所示为一种由传送机器人和大型多工位压力机构成的自动化冲压生产线示意图。机器人化的多工位压力机冲压自动化系统虽然就其机械部分而言并非是新奇的设备，但因其具有的新型系统结构并体现了新的设计思想，所以仍称其为机器人自动化冲压生产线。图 1-4 机械凸轮式多工位压力机冲压生产线图 1-5 机器人多工位压力机自动生产线串联式冲压自动化生产线与大型多工位压力机冲压自动生产线相比较，前者需要的占地面积大，后者占地面积相对较小；前者生产过程中工件在压力机之间的传输距离大，且每次只能冲压成型一个工件（少数小件可以进行双冲），后者工件在各模具广西工学院 2006 届毕业设计论文8之间的传输距离短，可进行双冲或多冲，因而前者的生产效率要低于后者，但后者因技术复杂、工艺水平要求高等原因，造价要远大于前者，一台配有吸持传送线的大型多工位自动冲压设备投资高达四千万欧元以上，目前仅美国、德国等少数国家拥有大型多工位压力机及与其配套的自动化冲压生产线技术和生产工艺，各生产企业大量使用的是在串联式冲压生产线基础上进行自动化设计的自动化冲压生产线。当代的压力机设计、制造技术仍在飞速发展，压力机系统和自动化装备集成一体，如自动装料、自动卸料、往复运输线和自动送料装置等，这是一个发展趋势。国内的冲压生产状况多年以来一直以手工操作方式进行，有一定数量的小型压力机实现了单机自动化生产，单机自动化生产装置一般机械式、气动式等形式，如夹持送料装置、滚轮送料装置以及简易型冲压机械手等。以机器人等自动化成套设备组成的中小型压力机自动化生产线则几乎处于空白状态；在汽车行业等广泛使用的大型压力机的冲压生产中，无论是单机生产还是多台压力机组成的生产线，其机械化和自动化程度更低。在大型冲压自动化系统成套设备上没有自己的技术和产品，已经严重制约了我国汽车工业的发展。随着中国汽车工业发展规模的扩大及产量的提高，实现冲压生产过程的自动化已成为发展的必然趋势，也是解决目前阻碍我国汽车工业快速发展瓶颈问题的方法之一。1995 年济南第二机床厂与美国 ISI 公司合作的国内第一条用于汽车覆盖件冲压生产的大型自动化冲压生产线在重庆长安汽车有限公司投入使用，1996 年上海大众汽车工业公司分别从德国舒勒公司和美国 ISI 公司引进了大型机器人冲压自动化生产线并投入使用，这些自动化冲压生产线的使用产生了良好的效果，但造价亦十分昂贵，售后服务也不尽如人意。中国科学院沈阳自动化研究所从 1995 年开始进行机器人柔性冲压自动化生产线系统技术的研究，同时开展工程应用工作，1997 年国内第一条自行设计制造的、具有自主知识产权的柔性自动化生产线在长春一汽-大众公司投入了生产使用，相应的工程应用研究工作也在深入进行。研究冲压自动化生产技术，开发冲压机器人等自动化成套设备和冲压自动化生产线产品，对于提高冲压生产的安全性，增加产品的技术附加值，增强企业的竞争力乃至发展我国的先进制造技术具有重要的意义。在冲压自动化成套设备和其他大型自动化系统成套设备上没有自己的技术和知识产权，已经严重制约了我国汽车工业等产业的发展，因此大型冲压自动化生产线系统等高技术产品的研制和开发，对于提高我国汽车工业的发展水平，打破国外资本的技术封锁和价格垄断，具有重要的社会意义和经济意义。另一方面，从目前国内市场需求情况看，越来越多的产品采用冲压成型制造技术，各生产企业对冲压自动化生产技术、产品和成套设备的需求也越来越大，国外同类产品在国内市场的竞争情况亦十分激烈。因此，研究和开发先进的冲压自动化生产技术并将其转化为具有自主知识产权的高技术产品，对于占领国内市场和打入国际市场，具有重要的意义。广西工学院 2006 届毕业设计论文9二、我国汽车覆盖件模具产业现状及发展趋势国内汽车制造业近年来得到迅速发展，汽车产量已名列世界前茅。模具工业是汽车产品开发和大批量生产的重要组成部分，一辆客车或轿车上约有 80%的零部件是用模具加工制造的，而覆盖件模具又以其大型、复杂、精密等特点而成为模具中举足轻重的部分。汽车覆盖件(简称覆盖件)是指覆盖发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄板异形体的表面零件和内部零件。覆盖件与一般冲压件相比较，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量高等特点。其零件大多是由复杂的空间自由曲面组成，成形时坯料上各部分的变形复杂、差别较大，各处应力也很不均匀。覆盖件模具作为汽车车身生产的重要工艺装备，直接制约着汽车的质量和新车型的开发，它具有精度高、形状复杂、结构尺寸大、配合协调性要求高等特点，同时要求使用寿命长且单件生产，设计和加工要考虑很多因素。因此，覆盖件模具的设计往往要求有多年设计经验的人员来完成。如图1-6所示为汽车覆盖件模具的生产流程。图 1-6 汽车覆盖件模具生产流程目前，我国汽车模具工业还不能适应整车开发和换型要求，其中一个原因是汽车模具设计与制造水平较低，制造装置落后。为使汽车模具工业能尽快满足汽车发展的需要，使我国汽车工业以实力跻身于国际竞争大潮中，并取得巩固和发展，除了依靠国家有关汽车和汽车模具产业的方针政策外，也需要汽车模具产业成员的共同努力，在汽车模具生产技术方面赶上世界先进水平。国内设计水平较低，周期较长，对于一些复杂的零件甚至设计不出合理的模具。传统的模具制造方法不仅存在工艺流程长、模具表面的形状精度低等缺点。而且对模具制造工人的技术经验要求高、相比之下，模具CAD技术的优越性就更为明显。计算机软、硬件技术的迅速发展，为模具CADCAM 的开发应用以及其向更高层次的发展创造广西工学院 2006 届毕业设计论文10了条件。从整体上看，我国计算机技术起步较晚。目前，国内虽有许多企业采用模具CAD技术，并在计算机自动编程技术上取得了一些经验和技巧，但是能真正利用UG、CATIA、ProE、DYNAFORM 等大型CADCAMCAE软件在计算机中作模具的三维参数化制造成形，并进行冲压仿真来指导设计的还是不多。鉴于传统覆盖件模具设计的种种问题，随着近年来计算机技术的飞速发展，世界各主要发达国家都在大力发展计算机辅助技术在模具设计中的应用。采用CADCAM 技术是提高覆盖件的制造质量及设计效率，改变落后的模具设计制造方法的关键。根据我国汽车工业的发展规划和市场需求，机械工业部将轿车大型覆盖件冲压自动化技术和成套装备的研究开发列为一项国家重点科技攻关项目，以促进冲压自动化的发展。由于济南第二机床厂前几年在这方面的技术储备，掌握了自动化系统设计和制造的部分技术，在压力机自动化生产线又率先走出了一步，为冲压自动化的发展奠定了基础。因此，济南第二机床厂被列为这项国家重点科技攻关项目的研制单位之一。目前，济南第二机床厂技术中心(国家级)正在积极组织力量，专题研究攻关，决心在消化吸收引进技术的基础上加速台作生产和自主开发的步伐， 解决技术关键，不断提高国产化率，推动冲压自动化的发展。实践证明， 要赶上国外汽车厂家的冲压工艺水平，要使压力机自动化生产线在我国汽车厂家用好，一方面需要国外的合作伙伴提供性能可靠和质量优良的压力机生产线和自动化系统；另一方面还需要汽车厂家的冲压工艺人员积极参与，熟悉了解和掌握这方面的技术要求，在冲压工艺编制、模具设计、制造和垛料质量等方面要做好匹配和协调工作；也需要现场操作人员掌握操作编程等技术和实践经验的积累。只有双方共同努力，相互补充，不断探索，才能使我国压力机自动化生产线真正地在各汽车厂家用好，才能把我国冲压工艺水平真正推上一个台阶。第三节 课题研究内容及意义本课题主要分为两大部分，第一部分设计了一个在冲压作业中自动将工件从冲模中取出来的装置自动取工件冲压机械手。冲压作业具有较大危险性和事故多发性的特点，且事故所造成的伤害一般都较为严重，所以相当一部分冲压作业人员在生产中心存畏惧，心理负担较重，对作业安全有很大影响。一旦发生事故，无论是对工人还是对公司来说都是一种巨大的损失。在工人方面，不仅身体上受到伤害，而且有可能在心理上也受到伤害；在公司方面，则会影响到工作进度，甚至有可能会完不成工作任务，从而使公司受到巨大的经济损失。在此情况下，如果能把一些比较危险的工作交给特别设计出来的机械装置来做，那么就可以将操作工人从繁重、单调、危险的工作环境中解放出来，大大降低冲压作业中的事故发生。本课题设计的这种自动取工广西工学院 2006 届毕业设计论文11件机械手可以将冲压件自动送离冲压模具作业点，对提高工人作业的安全性具有一定的意义。第二部分进行了 LJ465Q1 汽油发动机机油盘翻边模具的设计。该部分课题来源于柳州五菱汽车有限责任公司柳州机械厂，与生产相结合，设计的模具直接用于生产，具有较大的实际意义，也是对我掌握专业知识的程度进行的一次考核。第二章 冲压机械手的设计第一节 机械手概述一、机械手及其在冲压生产中的应用利用板料进行冲压加工，与机械切削加工方法相比，具有生产效率高、材料利用率高等优点。然而，在冲压生产中，送料、涂油、取出工件、输送制品等辅助劳动量相当大，用手工完成这些工序费时、费力，既降低了生产率，又很不安全，要减免上述繁重的劳动，其最佳方案无疑是实现冲压装置的机械化与自动化。机械手就是模仿着人手的部分动作，按预定的程序、轨迹和要求，实现自动抓取、搬运或操作的一部自动机械装置。由于它是模仿人的手来设计的，故称“机械手” 。在冲压生产中采用机械手，可提高生产的自动化水平和劳动生产率；可减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生产。它不仅能代替人工完成上下料而且能完成工件的取送和工序间的工件翻转。机械手的应用，对于实现单机自动化，建立冲压自动生产线提供了条件。二、机械手的组成与分类（一）组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统及定位检测装置等部分组成。各系统之间的关系如图 2-1 所示。图 2-1 机械手的组成及关系1、执行机构执行机构是机械手直接进行工作的部分。它包括手部、手腕、手臂、立柱等部件，有的还设有行走机构。（1）手部：即直接与工件接触的部分，用来抓取或放松工件。按拿取物件的形式广西工学院 2006 届毕业设计论文12不同，有夹持式手部和吸附式手部。夹持式手部由手指（或称手爪）和传力机构所组成，手指与物件直接接触，而传力机构则是通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的动作；还有一种吸附式手部，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电磁力）来吸取物件，用于取放光滑表面的薄板工作。（2）手腕：联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。（3）手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。（4）立柱：支承手臂的部件。通常机械手的立柱是固定不动的。为增大机械手的活动空间，把立柱做成可横向移动的，称为可移式立柱。（5）行走机构：机械手为了完成远距离的操作和扩大活动范围，可增设滚轮行走机构。行走机构可分为有轨和无轨的两种。驱动滚轮运动应另设机构传动装置。2、驱动系统机械手的驱动系统是指驱使执行机构动作的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动四种。3、控制系统有电气控制和射流控制两种，常用的是电气控制。控制系统是机械手的重要组成部分。它控制机械手按预定的程序或给予的指令去动作，并能对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时能发出警报，令其停止工作。4、位置检测装置用来保证执行机构的运动位置。当位置有偏差时，能通过一定的传感器，发出信号，令其停止工作，或将信号反馈给控制系统，进行位置调整，保证执行机构以一定精度达到设定的位置。（二）分类通常可按使用范围、驱动方式或控制系统进行分类。1、按用途分（1）专用机械手：它附属主机，具有固定程序，而无独立的控制系统。它的动作较少，工作对象单一，结构简单，适用于大批量的自动化生产。如冲压自动机上的上下料和工序间传动机械手，即属此类。（2）通用机械手：它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。它工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于小批量多品种的自动化生产中。通用机械手又分为简易型和伺服型两种。简易型只能是点位控制；伺服型属于数控类型，可以是点位控制，也可以实现连续轨迹控制。2、按驱动方式分（1）液压传动机械手：以油液的压力来驱动执行机构，其特点是传动平稳，结构紧凑，动作灵敏。（2）气压传动机械手：以压缩空气的压力来驱动执行机构，动作迅速，结构简单，广西工学院 2006 届毕业设计论文13成本低，但不及液压的抓重量大。（3）机械传动机械手：其执行机构是由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮齿条、间隙机构等）来驱动。运动准确可靠，动作频率高，但是结构较大，动作程序不可变。（4）电力传动机械手：是由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构。它结构简单，目前应用还不多。3、按控制方式分（1）点位式：其运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不控制其运动轨迹。若控制的点过多，必然增加电气控制系统的复杂性。目前多数机械手都属于点位控制。（2）连续式：其运动轨迹为空间任意曲线，设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动。三、机械手的自由度自由度是机械手设计的主要参数。每一个构件（运动件）相对固定坐标系所具有的独立运动称为自由度，每一构件相对固定坐标系最多可有六个自由度，两个构件组成相对运动的联接称为运动副。对相对运动加以限制的条件称为约束条件。因为组成运动副的各构件的运动受到约束，只能按照人们预定的规律运动，所以能构成一定自由度的机械手。机械手的手臂、手腕、手指等部件和它们之间的关系，实际就是由相互联系着的构件和运动副组成。常用的运动副有一个自由度的回转副和移动副，或有三个自由度的球面副。人手的自由度较多，有 27 个。用于实际生产的机械手不需要这么多自由度，大多数情况下都少于 6 个，例如专用机械手只有 24 个，而通用机械手是 36 个。自由度越多，可以完成的动作越复杂，通用性越强，因而应用范围就越广，但相应地带来了技术难度大，控制系统和机械结构复杂，自身重量、体积、成本和维修都趋于不利；自由度数小，通用性差，但技术上易达到，结构也简单。因此，一般情况下应尽量用专用机械手，以取最低的自由度数。四、机械手的坐标形式机械手的坐标形式主要由手臂决定。根据手臂运动形式的不同，机械手坐标可分四种：即直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。1、直角坐标式其手臂的运动是由三个直线运动组成，即沿直角坐标系的三个轴往复移动（沿 X轴伸缩，沿 Y 轴横移，沿 Z 轴升降） 。这种机械手称直角坐标式机械手。它结构简单，定位精度高，适用于主机位置或排列的场合。2、圆柱坐标式广西工学院 2006 届毕业设计论文14其手臂运动系由两个直线运动和一个回转运动组成，即沿 X 轴伸缩，沿 Z 轴升降和绕 Z 轴的回转。这种形式的机械手圆柱坐标式机械手。与前者相比，它占地面积小，而活动范围大。3、球坐标式其手臂运动系由一个直线运动和两个回转运动组成，即沿 X 轴的伸缩，绕 Y 轴的俯仰和绕 Z 轴的回转。这种形式的机械手称为球坐标式机械手。这种机械手可以抓取地面上的物件。为使手部能适应被抓取物件方位的要求，常常设有手腕上下摆动，以使其手部保持水平位置或其它状态。这种机械手动作灵活，占地面积小，工作范围大。4、关节式其手臂运动类似人的手臂，可做几个方向的转动。其手臂为大小两臂，之间的联接为肘关节；大臂与立柱之间的联接为肩关节。各关节均由铰链构成，以实现转动；手臂运动由三个回转运动构成，即大臂的俯仰（） ，小臂俯仰（ 2）和大臂的回转（） 。这种机械手称为关节式机械手。这种机械手工作范围大，动作灵活，通用性强，并能抓取靠近机座的物件，还可绕过障碍物去抓取物件，但定位精度稍差。上述四种坐标形式是基本的，实际也可由两种坐标形式进行组合，以组成更理想的机械手。但在冲压生产中，目前所用的机械手都是比较简单的，其自由度一般为12 个，最多也不超过 4 个，属于专用机械手或专用机构。五、国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机广西工学院 2006 届毕业设计论文15器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国 的 工 业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。第二节 自动取工件冲压机械手设计思路本冲压机械手主要根据四柱万能液压机的各技术参数进行设计，主要由升降和回转两大部分组成，摆杆最大回转角度 =120，并且摆杆长度可在 9501250mm 之间进行调整，通用性较广，可适用于 Y3250 至 Y32500 这一系列的液压机，故实用性比较强，有一定的市场价值。考虑到该机械手系统仅需要将冲压件从冲模中取出至某一特定位置，位置精度要求不高，不要求控制轨迹，仅为点位控制，因此，可采用单片机控制的气动系统作为液压机自动取工件机械手的设计方案（由于水平有限，本论文未设计单片机控制原理） 。广西工学院 2006 届毕业设计论文16如图 2-2 所示，液压机自动取工件机械手主要由升降和回转两个运动部件组成，冲压件的拾取采用电磁铁吸附的方式，即用一个最大吸附能力为 50Kg 的电磁铁将工件吸附起来。升降部分固定在液压机机身的侧面，带动回转部分整体升降，回转部分负责将电磁铁转入转出冲模。机械手的一个工作过程是：摆杆正向旋转（将电磁铁转入冲模）回转部分整体下降（同时电磁铁通电吸附冲压件）回转部分升起摆杆反向旋转（将电磁铁转出冲模）电磁铁断电释放冲压件。图 2-2 机械手总体结构图图 2-3 机械手升降部分示意图机械手的升降部分如图 2-3 所示，由旋转支撑板、导套座、升降气缸、导向柱和广西工学院 2006 届毕业设计论文17导套等部分组成。升降气缸选用奉化威泰气动有限公司生产的 QGA 前法兰型普通气缸，其缸杆的伸缩可以带动旋转支撑板的升降。为了克服倾覆力矩，采用双导柱方式起辅助支撑作用，导柱随旋转支撑板一起升降。整个升降部分的基础是导套座，将其固定在固定立柱上即可实现机械手的固定。机械手的回转部分如图 2-4 所示，在气缸活塞杆的前端安装有齿条，当给气缸通气时，活塞杆通过齿条齿轮啮合，带动回转轴上的摆杆旋转。电磁铁吸盘安装在摆杆的末端。摆杆的旋转角度可由挡块的位置来调节。图 2-4 机械手回转部分示意图图 2-5 机械手系统气动原理图机械手系统的气动原理如图 2-5 所示。来自气源的压缩空气经过滤器、减压阀、油雾器，进入两个三位四通电磁换向阀。这两个换向阀分别控制升降气缸和回转气缸的伸缩。为了调整速度，在两个气缸的进气口加装手动节流阀。第三节 冲压机械手主要工作部分的设计与计算由于本冲压机械手主要用于四柱万能液压机上自动取出在工作状态时模具中的工件，故以 Y32500 型四柱万能液压机的各技术参数为参考来进行设计计算。由于要充分保证机械手系统的安全强度，所以应按系统工作极限时的条件状态来进行设计计算，并较核系统各部分的强度。广西工学院 2006 届毕业设计论文18一、臂的设计在机械手中，臂的设计与较核尤为重要，它主要承受弯曲力的作用，弯曲正应力是控制臂的主要因素。所以，弯曲正应力的强度条件maxaxMWss=往往是设计臂的主要依据。从这个条件看出，要提高臂的承载能力应从两方面考虑，一方面是合理安排臂的受力情况，以降低最大弯矩 Mmax 的数值；另一方面则是采用合理的截面形状，以提高抗弯截面系数 W 的数值，充分利用材料的性能。鉴于前述，决定采用由 45 钢制成的标准热轧扁钢作为臂的材料，查有关资料可得45 钢的弯曲许用应力=100Mpa。图 2-6 显示了臂的受力图 2-6 臂受力示意图情况。由于机械手的最大吸附重量为 50Kg，其重力 509.84GmgN=又考虑到臂的自重以及电磁铁吸盘的重量，故取 F=800N，又取臂长 L=1.25m，臂宽b=80mm，则由此可计算得弯矩 。则由801.250MFLNm=A即Ws6216bh2.7407.4hm-=查文献16表 2-1-63（热轧槽钢 GB70788） ，根据臂宽的值进行圆整，可取h=28mm。二、螺栓直径的确定1、螺栓组结构设计采用如图 2-7 所示结构，螺栓数 n=2，对称布置。广西工学院 2006 届毕业设计论文19图 2-7 螺栓受力示意图2、螺栓受力分析因为力 F 就是臂所受的力，故与臂的计算一样，取 F=800N，则该两螺栓受由力 F产生的倾覆力矩 M（顺时针方向）的作用，其值为： 801.250LNm=A在 M 的作用下，左边螺栓受到加载作用，而右边螺栓受到减载作用，故左边螺栓受力较大，所受载荷按文献21式（531）确定4maxax221.1005zilF=取螺栓相对刚度 ，则地基相对刚度 ，故各螺.bmC+ 0.8mbbmC=-+栓所需要的预紧力为0110.83202bmFFNn=A所以左边螺栓所受的总拉力 420ax.18bmC=+=3、确定螺栓直径选择螺栓材料为 Q235、性能等级为 4.6 的螺栓，由文献 21表 58 查得材料屈服极限 ，由表 510 查得安全系数 S=1.5，故螺栓材料的许用应力240sMpa24016.sMpaS=广西工学院 2006 届毕业设计论文20根据文献21 式（520）求得螺栓危险截面的直径（螺纹小径 d1）为214.341.38209.6Fd mps=按粗牙普通螺纹（GB19681） ，选用螺纹公称直径 d = 12 mm 的螺栓（螺纹小径d1=9.835mm9.28mm） 。三、齿轮齿条传动设计因为是为了把气缸活塞的直线伸缩运动变为机械手臂的回转运动，所以采用齿轮齿条传动，并且选用标准直齿圆柱齿轮和齿条（啮合角 =20） ，其传动比 u =1。机械手为一般工作机器，速度不高，故选用 7 级精度（GB10095 88） 。齿轮齿条的材料均采用 45 钢调质处理，硬度为 240HBS。初取齿轮齿数 Z1 = 21，模数 m = 4mm，齿宽b=45mm，则其分度圆直径1248dzm=根据前面所分析的受力情况，取齿轮所受圆周力 Ft=1200N 来进行齿轮强度的校核。1、齿根弯曲疲劳强度校核齿轮在受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。当轮齿在齿顶处啮合时，处于双对齿啮合区，此时弯矩的力臂虽然最大，但力并不是最大，因此弯矩并不是最大。根据分析，齿根所受的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合区最高点时。因此，齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。由于这种算法比较复杂，通常只用于高精度的齿轮传动（如 6 级精度以上的齿轮传动） 。对于制造精度较低的齿轮传动（如 7、8、9 级精度） ，由于制造误差大，实际上多由在齿顶处啮合的轮齿分担较多的载荷，为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。当然，采用这样的方法，轮齿的弯曲强度比较富裕。由文献21查得齿根危险截面的弯曲强度条件式为tFaSFKYbmss=式中， 计算所得弯曲应力，Mpa；F弯曲疲劳许用应力，Mpa；K载荷系数，一般 K=1.72.3；Ft齿轮所受圆周力，N；齿形系数；aY应力校正系数；Sb齿宽，mm；m齿轮模数，mm。广西工学院 2006 届毕业设计论文21由于齿轮转速较慢，故取弯曲疲劳寿命系数 KFN=1，弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由文献21式（10 12）得弯曲疲劳许用应力138027.4.FNEKMpaSs=查文献21表 105 得 =2.76， =1.56，又取 K=2.0，则aYSa2615.4tFSbmsFs故得结论：合格。2、齿面接触疲劳强度校核由“机械原理”得知，渐开线齿廓上各点的曲率（1/ ）并不相同，沿工作齿廓各点所受的载荷也不同。因此在计算齿面的接触强度时，就应同时考虑啮合点所受的载荷及综合曲率（1/ ）的大小。对端面重合度 2 的直齿轮传动，以小齿轮单对齿啮合的最低点产生的接触应力为最大，与小齿轮啮合的大齿轮，对应的啮合点是大齿轮单对啮合的最高点，位于大齿轮的齿顶面上。同一齿面往往齿根面先发生点蚀，然后才扩展到齿顶面，亦即齿顶面比齿根面具有较高的接触疲劳强度。因此，虽然此时接触应力大，但对大齿轮不一定会构成威胁。大齿轮在节点处的接触应力较大，同时，大齿轮单对齿啮合的最低点处接触应力也较大。按理应分别对小轮和大轮节点与单对齿啮合的最低点处进行接触强度计算。但对按单对齿啮合的最低点计算接触应力比较麻烦，并且当小齿轮齿数 Z20 时，按单对齿啮合的最低点所计算得的接触应力与按节点啮合计算得的接触应力极为相近。为了计算方便，通常只以节点啮合为代表进行齿面的接触强度计算。由文献21查得齿面接触疲劳强度条件式为1tHHEKFuZbdss+=A式中， 计算所得齿面接触疲劳应力，Mpa；H接触疲劳许用应力，Mpa；K载荷系数，一般 K=1.72.3；Ft齿轮所受圆周力，N；b齿宽，mm；d分度圆直径，mm；u传动比；ZH区域系数；ZE弹性影响系数，Mpa 1/2。由于齿轮转速较慢，故取弯曲疲劳寿命系数 KHN=1。又取失效概率为 1%，安全系数S=1。由文献21式（1012）得接触疲劳许用应力lim150HNKMpaSs=广西工学院 2006 届毕业设计论文22因为啮合角 =20，所以区域系数22.5sincosin0coHZa=又由文献21 表 106 查得 ZE=189.8Mpa1/2，在此取 K=2.0，则1.12.189.34.7458tHHKFu Mpabds+A Hs故得结论：合格。由齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度的校核可知，模数 m=8，齿数 Z=21 的标准圆柱直齿齿轮（淬火，齿面硬度为 4045HRC）完全符合所设计的机械手的传动要求。校核完齿轮强度后，便可计算得出齿轮齿条各几何尺寸（见表 2-1） 。因为机械手臂的最大回转角度 =12 0，则最小齿条长min13.487.92Ldmp=考虑到实际情况，取齿条长 L=150mm。表 2-1：齿轮齿条各几何尺寸项目名称 计算公式及代号 数值原始数据齿轮齿数 Z1 21模数（ GB/T1375200） m 4mm螺旋角 0基本齿廓（GB/T1356 2001）压力角齿顶高系数顶隙系数齿根圆角半径系数 *ahc*fr2010.250.38齿轮 b1 45mm齿宽齿条 b2 40mm齿条基准面至齿顶高的距离 J 36mm齿条长度 L 150 mm主要几何参数计算序号 项目名称 计算公式及代号 数值1 齿轮分度圆直径 d=mz1/cos 84mm齿轮2 齿顶高齿条ha= m*4mm广西工学院 2006 届毕业设计论文23齿轮3 齿根高齿条hf=( + )m*ac5mm齿轮4 齿高齿条h= ha+ hf 9mm5 齿轮中心到齿条中线的距离 H=d/2 41mm6 齿距 pn= m12.56mm7 齿条齿数 Z2= ，取整0.5nL+数13mm四、齿轮轴的设计及轴承的选用考虑到齿轮轴强度要求较高，故材料采用 45 钢调质处理，查有关资料可得 45 钢的弯曲许用应力=100Mpa。对齿轮轴进行受力分析可知其受到力 F=1200N 的作用，受力点到固定点的距离L=85mm，故力矩 M = FL = 12000.085 = 102 Nm，则根据弯曲强度计算公式有maxaxWss即 63in10210Dp，取 Dmin=25mm。3min62.02.4m=根据实际情况，齿轮轴设计成如图 2-8 所示结构。图 2-8 齿轮轴结构示意图因为齿轮是以齿轮轴为回转中心来转动的，齿轮轴安装在旋转支撑板上，而旋转支撑板是不能转动的，所以在齿轮轴与旋转支撑板的装配处安装滚动轴承。滚动轴承是依靠其主要元件间的滚动接触来支承转动零件的，它具有摩擦阻力小，功率消耗少，起动容易等优点。在此，根据齿轮轴直径及其受力情况，由文献20表 3.18 选用7205AC 型角接触球轴承（=25） 。广西工学院 2006 届毕业设计论文24五、气缸的设计计算气动系统中应用最广的是普通双作用单活塞杆式气缸，其设计计算方法一般是在已知气缸负载大小和气缸行程的条件下按如下步骤计算。1、气缸作用力气缸活塞杆的推力 F1 和拉力 F2 分别为24Dph=2()d-式中，D气缸内径，mm；d活塞杆直径，mm；p气缸工作压力，Pa；负载率。其中，负载率 与气缸工作压力 p 有关，且综合反映活塞的快速作用和气缸的效率。文献9表 132 列出了传输气缸 与 p 的关系。在该机械手系统中，设定p=0.5Mpa，根据文献9表 132 取 =0.50。2、气缸内径 D 与活塞杆直径 d 的计算（1）升降气缸（行程 S1=200mm）由于系统有自重，下降时无需很大拉力，故只需根据上升时的推力计算即可。设上升时的推力 F1=2000N，则根据前述条件可计算得气缸内径644200.13.51.mph=一般取活塞杆直径与气缸内径的比值 d/D=0.20.3，在此取 d/D=0.25，则活塞杆直径d1=0.25D1=0.25100=25mm（2）回转气缸（行程 S2=88mm）由前述条件可知气缸在工作时活塞杆的推力比拉力大，故应按活塞杆的推力来进行计算。取推力 F2=1000N，则气缸内径，取 D2=80mm644100.713.5.Dmph=活塞杆直径d2=0.25D2=0.2580=20mm3、气缸的选用根据前面计算所得气缸内径的值，查文献17，决定选用奉化威泰气动有限公司生产的 QGA 系列普通气缸，升降气缸采用前法兰型，回转气缸采用脚架型，它们的尺寸参数分别如表 2-2、表 2-3 所示。广西工学院 2006 届毕业设计论文25图 2-9 前法兰型气缸示意图表 2-2：前