毕业设计（论文）-单臂式冲压搬运机械手机械结构设计.docx

论文（设计）学院：汽车工程学院专业：202X级机械设计制造及其自动化5班题目名称：单臂式冲压搬运机械手机械结构设计学生姓名：学号：指导教师：-Hi-摘要由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。把冲压设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。因此，在不需要改变现产线布置，并可以实现冲压产品的自动上下料和搬运传递功能，设计开发一种通用性强、操作维护简单、可根据不同产品实现快速调节、成本低廉的机械手是企业非常害要的。关键词：机械手；运动仿真；机械传动ABSTRACTDuetotheall-rounddevelopmentofindustrialautomationandthecontinuousimprovementofscienceandtechnology,simplemanuallaborcannotmeettherequirementsofindustrialautomation.Therefore,advancedequipmentmustbeusedtoproduceautomaticmachinerytoreplacehumanlaborandmeettheneedsofindustrialautomation.Amongthem,manipulatorisoneoftheimportantproductsinitsdevelopmentprocess,whichnotonlyimprovestheefficiencyoflaborproduction,butalsocanreplacehumanbeingstocompletehigh-intensity,dangerous,repetitiveandboringworkandreducehumanlaborintensity.Inthemechanicalindustry,themanipulatorismoreandmorewidelyused,whichcanbeusedfortheassemblyofparts,thehandlingandloadingandunloadingofprocessedworkpieces,especiallyinautomaticCNCmachinetoolsandmodularmachinetools.Formingaflexiblemachiningsystemoraflexiblemanufacturingunitbycombiningthestampingequipmentandthemanipulatorcansaveahugeworkpiececonveyingdevice,andhasacompactstructureandstrongadaptability.Therefore,itisveryharmfulforenterprisestodesignanddevelopamanipulatorwithstrongversatility,simpleoperationandmaintenance,rapidadjustmentaccordingtodifferentproductsandlowcostwithoutchangingthelayoutoftheproductionlineandrealizingtheautomaticloading,unloadingandconveyingfunctionsofstampingproducts.KeyWords:Manipulator;movementstimulation;mechanicaltransmission第一章绪论11.1 前言11.2 工业机械手的简史21.3 工业机械手在生产中的应用31.4 机械手的组成41.4.1 执行机构41.4.2 驱动系统61.4.3 控制系统61.4.4 位置检测装置61.5 工业机械手的分类71.5.1 按用途分71.5.2 按驱动方式分71.5.3 按控制方式分81.6 工业机械手的发展趋势91.7 工业机械手的自由度和座标型式101.8 本文主要研究内容12第二章方案的确定与比较分析122.1 机械手机械系统的比较与选择122.2 机械手驱动系统的比较与选择15第三章驱动源的选择与设计计算173.1 主要技术参数的确定173.2 各关节电机的选择计算183.2.1 大臂旋转电机的选择193.2.2 小臂旋转电机的选择20第四章机械手的设计方案214.1 机械手基本形式的选择214.2 设计时考虑的几个问题214.3 机械手的主要部件及运动224.4 驱动机构的选择224.5 机械手手爪的设计234.6 机械手手爪夹持精度的分析23第五章臂部的设计及有关计算245.1 臂部设计的基本要求245.2 手臂的典型机构以及结构的选择255.2.1 手臂的典型运动机构255.2.2 手臂运动机构的选择255.3 手臂直线运动的驱动力计算255.3.1 手臂摩擦力的分析与计算265.3.2 手臂惯性力的计算275.3.3 连接部分的摩擦阻力27第六章底座的设计计算276.1 底座的整体设计286.2 机身回转机构的工作原理28第七章各机械部件的设计选择与校核297.1 轴的设计与校核297.1.1 大臂旋转轴的设计297.1.2 大臂轴的强度校核297.2 键的选择与强度的校核337.2.1 大臂旋转轴键联接处键的强度校核337.2.2 小臂旋转轴键联接处键的强度校核347.3 轴承寿命的校核35第八章结论37参考文献38致谢39第一章绪论1.1 前言近年来，随着我国人口红利的逐渐消失，企业用工成本不断上涨，各种工业机器人获得了广泛的应用。焊接、装配、切割、分拣、搬运等机器人的出现，不仅通过“机器换人”解放了企业和行业的生产力，更推动了产业发展由劳动密集型向技术密集型的转变，促进了行业从传统模式向现代化、智能化的升级。在众多的工业机器人中，搬运机器人无疑是应用率最高的机器人之一，不管是在工业制造、仓储物流、烟草、医药、食品、化工等行业领域，还是在邮局、图书馆、港口码头、机场、停车场等场景，都能见到搬运机器人的身影。而按照其可以进行自动化搬运作业的定义，搬运机器人不仅包括机械臂、机械手等固定机器人，轨道搬运车、轨道机器人等轨道移动机器人，还包括无人搬运车、AGV等自主移动机器人。冲压搬运是一项无处不在的日常工作，存在于各行各业间，但看似不起眼的简单工作背后，却有着长期性、基础性的企业需求，还时常受到人员、成本及效率等因素的限制，在这样的情况下，搬运机器人大有可为。用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。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。在工业生产中广泛应用的机械手被称为工业机械手。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，逐渐成为了一门新兴的学科一一机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以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各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在我国国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：首先、它能部分的代替人工操作；其次、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；最后、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运工件以完成在不同环境中的工作。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。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性比较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2 工业机械手的简史现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：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,美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是当时国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-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，定位误差可小于±1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。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。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%o1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年