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二、設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容： 說明書（一般加外文翻譯）：總計(jì)1.5萬字以上。 1、中英文摘要（四要素：目的、方法、結(jié)果、結(jié)論） 2、機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案的擬訂 3、機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4、機(jī)械手零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 5、氣缸的選擇、配重設(shè)計(jì)計(jì)算 6、說明書目錄翻譯 圖紙（內(nèi)容、幅面及數(shù)量）：合計(jì)零號2.5張左右。 1、紗錠搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)總圖： A1 1張 2、紗錠搬運(yùn)機(jī)器人三爪機(jī)械手設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖： A0 1張 3、零件圖（包括手工圖） ： A3 4張 A2 1張 三、設(shè)計(jì)目標(biāo)：根據(jù)所給定紗錠：內(nèi)孔110mm、外徑180mm、高120mm轉(zhuǎn)腰機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)角范圍90o，時(shí)間4秒的設(shè)計(jì)參數(shù)和工作環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、抓取靈活的機(jī)械手，使其與機(jī)器人總體相協(xié)調(diào)，成為有機(jī)整體。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 題 目 紗錠搬運(yùn)機(jī)器人三爪機(jī)械手設(shè)計(jì) 院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院 班 級： 機(jī)設(shè)10-4班 姓 名： 范祥明 學(xué) 號： 2010022521 指導(dǎo)教師： 趙存友 教師職稱： 副教授 黑龍江科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 題 目 紗錠搬運(yùn)機(jī)器人三爪機(jī)械手設(shè)計(jì) 來源 工程實(shí)際 1、 研究目的和意義 機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高技術(shù)發(fā)展的重要方面。是近40年來發(fā)展起來的一門交叉性學(xué)科，它涉及電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、機(jī)械學(xué)、仿生學(xué)、人工智能等學(xué)科領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人與其它設(shè)備組成的生產(chǎn)線極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)率、提高和穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量、大大縮短了產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期，機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展已使傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的面貌發(fā)生了根本性變化，使人類的生產(chǎn)方式從手工作業(yè)、機(jī)械化、自動化、跨入智能化的新時(shí)代。機(jī)器人不僅在工業(yè)上應(yīng)用愈來愈廣，而且正在社會服務(wù)、海洋開發(fā)、宇宙空間、地下礦藏、搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事等領(lǐng)域開拓新應(yīng)用，以代替人在其無法適應(yīng)的特殊環(huán)境下工作，這將極大地?cái)U(kuò)展人類生產(chǎn)和活動的范圍，大大提高人類創(chuàng)造性勞動的能力。在某種程度上機(jī)器人水平的高低能反映一個(gè)國家的綜合國力和科技水平的發(fā)展。 該機(jī)械手應(yīng)用于生產(chǎn)線上代替工人工作，它把工人從復(fù)雜、繁重、疲勞、的工作環(huán)境中解脫出來，是人類的好伙伴，是工業(yè)制造領(lǐng)域重要的生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備，也是一個(gè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志，同時(shí)可以減少企業(yè)的成本，提高企業(yè)的效益。 本課題要求學(xué)生根據(jù)裝卸搬運(yùn)的生產(chǎn)需要，完成通用機(jī)械手回轉(zhuǎn)與升降功能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有助于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識、基本理論進(jìn)行一般機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合能力。 2、國內(nèi)外發(fā)展情況(文獻(xiàn)綜述) 工業(yè)機(jī)器人，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在對工業(yè)機(jī)器人所下的定義是“機(jī)器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用設(shè)備，以執(zhí)行種種任務(wù)”[1]。 在教育領(lǐng)域，許多院校已在學(xué)生中開設(shè)了機(jī)器人學(xué)方面的有關(guān)課程，但與世界先進(jìn)國家相比，我們在認(rèn)識和投入等方面均存在不足。而教學(xué)機(jī)器人作為機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)教育的教學(xué)工具，對人才培養(yǎng)和高新技術(shù)的推廣應(yīng)用有著重要的意義。 如今教學(xué)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大專院校的課程與試驗(yàn)中，它可以再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的工作原理和過程，讓人們對機(jī)器人有直觀的理解，在學(xué)生的學(xué)習(xí)中起到了很大的作用，所以深得學(xué)生和老師的青睞。目前，國內(nèi)已有部分高校研制開發(fā)了較為成型的機(jī)器人教學(xué)研究設(shè)備，例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等。另外還有許多高校也正投入到相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)工作中，相信不久會有更多相應(yīng)產(chǎn)品的問世[2-7]。 隨著科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，在過去的幾個(gè)世紀(jì)里，人類在許多方面都取得了重大的進(jìn)展。機(jī)器人技術(shù)作為人類最偉大的發(fā)明之一，自20世紀(jì)60年代初問世以來，經(jīng)歷了短短的40年，已取得長足的進(jìn)步。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了誕生、成長、成熟期后，已成為制造業(yè)中必不可少的核心裝備，而且工業(yè)機(jī)器人不僅在工廠里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以驚人的速度向航空航天、軍事、服務(wù)、娛樂等人類生活的各個(gè)領(lǐng)域滲透。據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)委員會和國際機(jī)器人聯(lián)合會去年關(guān)于世界機(jī)器人的報(bào)告，僅2003年新投入使用的機(jī)器人接近10萬個(gè)，使世界目前使用的機(jī)器人總數(shù)超過75萬。世界使用機(jī)器人最多的國家是日本，約38.9萬；其次為德國(9.1萬)、美國(9萬)、意大利(3.9萬)、韓國(3.8萬)、法國(2.1萬)、西班牙(1.3萬)和英國(1.2萬)，并且報(bào)告估計(jì)2004年，全世界使用的機(jī)器人總數(shù)將超過100萬。 我國的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的歷史已經(jīng)有20多年，從“七五”科技攻關(guān)開始，正式列入國家計(jì)劃，在國家的組織和支持下，通過“七五”“八五”科技攻關(guān)不僅在機(jī)器人的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，而且在工業(yè)機(jī)器人整機(jī)方面，己經(jīng)陸續(xù)掌握了噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配和搬運(yùn)等不同用途、典型的工業(yè)機(jī)器人整機(jī)技術(shù)，并成功的應(yīng)用于生產(chǎn)，掌握了相關(guān)的應(yīng)用工程知識。但總的看來，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外的相比還有一定的距離。我國目前大約有4000臺工業(yè)機(jī)器人，其中僅有1/5是國產(chǎn)的，其余的則是從40多個(gè)國外廠商進(jìn)口的機(jī)器人。總之，各種各樣機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類走向文明和發(fā)展的一個(gè)巨大進(jìn)步和標(biāo)志，在未來社會中，機(jī)器人的廣泛應(yīng)用和發(fā)展是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢。相信在不遠(yuǎn)的將來機(jī)器人技術(shù)將一定能夠?yàn)槿祟悗砀嗟姆奖悖瑸槿祟惖奈拿骱桶l(fā)展帶來更大的機(jī)會[8]。 3、 研究/設(shè)計(jì)的目標(biāo) 在設(shè)計(jì)的過程中完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)所給定紗錠：內(nèi)孔110mm、外徑180mm、高120mm轉(zhuǎn)腰機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)角范圍90o，時(shí)間4秒的設(shè)計(jì)參數(shù)和工作環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、抓取靈活的機(jī)械手，使其與機(jī)器人總體相協(xié)調(diào)，成為有機(jī)整體，并能夠應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。 4、 設(shè)計(jì)方案（研究/設(shè)計(jì)方法、理論分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)方法和步驟等） 根據(jù)紗錠搬運(yùn)生產(chǎn)線的要求，用氣壓缸來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂在水平面上的旋轉(zhuǎn)和支撐整個(gè)手臂。完成手臂在兩生產(chǎn)線間的移動，完成三爪對紗錠的搬運(yùn)。 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是氣壓缸構(gòu)來控制。 三爪：用四桿機(jī)構(gòu)來控制，兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)用氣壓機(jī)來控制，來分別實(shí)現(xiàn)對紗錠的搬運(yùn)。 方案一（如圖1）所示，是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手，其特點(diǎn)是，抓重可達(dá)幾百公斤，運(yùn)動比較平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護(hù)不方便，容易把紗錠污染。 1-液壓缸；2-液壓缸；3-液壓缸 圖1 結(jié)構(gòu)運(yùn)動簡圖 方案二（如圖2）所示，是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 1-氣壓缸；2-氣壓缸；3-氣壓缸 圖2 結(jié)構(gòu)運(yùn)動簡圖 方案三（如圖3）所示，是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手，抓住重負(fù)載是容產(chǎn)生滑動，還容易把紗錠污染，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護(hù)不方便。 1-液壓缸；2-液壓缸；3-液壓缸 圖3 結(jié)構(gòu)運(yùn)動簡圖 綜上所述，由于搬運(yùn)的是紗錠，紗錠怕污染，質(zhì)量也比較輕，而液壓容易漏油把紗錠污染，所以選擇方案2氣壓傳動的方式。 5、 方案的可行性分析 本次紗錠搬運(yùn)機(jī)器人三爪機(jī)械手的設(shè)計(jì)采用了氣壓缸的設(shè)計(jì)。介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的操作簡單，適用于高速、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。利用氣壓缸來控制三爪機(jī)械手的運(yùn)動以及旋轉(zhuǎn)，三爪機(jī)械手下行，氣壓缸把三爪機(jī)械手合攏，到達(dá)搬運(yùn)的紗錠時(shí)，氣壓缸再把三爪張開，再利用2號氣壓缸帶動旋轉(zhuǎn)臺將其搬運(yùn)的紗錠旋轉(zhuǎn)90度，1.3號氣壓缸在運(yùn)動，將其紗錠卸載，2號氣缸再帶動旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)回到初始位置，一次搬運(yùn)完成，重復(fù)以上運(yùn)動即可完成對紗錠搬運(yùn)。 6、 該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處 這種創(chuàng)新提高了生產(chǎn)率，降低了成本；使其發(fā)揮更大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益等。由于本課題研究的三抓機(jī)械手的額定負(fù)載較小，體積和重量均要求較小，且結(jié)構(gòu)簡單，紗錠怕污染，綜合分析后，決定采用氣壓缸來實(shí)現(xiàn)對紗錠的搬運(yùn)，而且可以采用簡易的開關(guān)來控制。 7、 設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要用途和應(yīng)用領(lǐng)域 機(jī)械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬運(yùn)、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在不同生產(chǎn)線之間的快速轉(zhuǎn)移。澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品在不同生產(chǎn)線之間的轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的搬運(yùn),完成不同的工序的生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手為研究對象。 8、 時(shí)間進(jìn)程 第一周 收集資料、熟悉設(shè)計(jì)內(nèi)容 第二周 了解紗錠搬運(yùn)機(jī)器人三爪機(jī)械手的作用和結(jié)構(gòu) 第三周 通過去哈爾濱工業(yè)大學(xué)實(shí)習(xí)，進(jìn)一步對執(zhí)行元件和機(jī)械傳動系統(tǒng)有所了解 第四周 寫開題報(bào)告及相關(guān)的實(shí)習(xí)總結(jié)和實(shí)習(xí)日記，對資料進(jìn)行整理 第五周 通過資料確定設(shè)計(jì)方案及原理 第六周 對設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算 第七周 對設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算 第八周 進(jìn)行CAD草圖設(shè)計(jì) 第九周 正式CAD繪圖 第九十周 CAD繪圖并進(jìn)行相關(guān)修改 第十一周 進(jìn)行零件圖設(shè)計(jì) 第十二周 整理說明書及圖紙 第十三周 對整體檢查,對說明書及圖紙進(jìn)行反復(fù)修改 第十四周 準(zhǔn)備最終說明書、圖紙 第十五周 畢業(yè)答辯 9參考文獻(xiàn) [1]張建民.工業(yè)機(jī)械人[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,1992. 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[17]CHIRKJIAN G，Kinematice of a metamorphic robotic system .Proc.IEEE/ICRA，1995. 指導(dǎo)教師意見 教師簽字： 年 月 日 開題答辯小組意見： 組長簽字： 成員簽字： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)小組意見: 組長簽字： 年 月 日 紗錠搬運(yùn)三爪機(jī)械手設(shè)計(jì)論文 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 題 目 紗錠搬運(yùn)機(jī)器人三爪機(jī)械手設(shè)計(jì) 院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院 班 級： 機(jī)設(shè)10-4班 姓 名： 范祥明 學(xué) 號： 2010022521 指導(dǎo)教師： 趙存友 教師職稱： 副教授 摘要 紗錠搬運(yùn)三爪機(jī)械手應(yīng)用于生產(chǎn)線上代替工人工作，它把工人從復(fù)雜、繁重、疲勞、的工作環(huán)境中解脫出來，是人類的好伙伴，是工業(yè)制造領(lǐng)域重要的生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備，也是一個(gè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志，同時(shí)可以減少企業(yè)的成本，提高企業(yè)的效益。本課題要求根據(jù)裝卸搬運(yùn)的生產(chǎn)需要，完成通用機(jī)械手回轉(zhuǎn)與升降功能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有助于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識、基本理論進(jìn)行一般機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合能力。由于本課題研究的三抓機(jī)械手的額定負(fù)載較小，體積和重量均要求較小，且結(jié)構(gòu)簡單，紗錠怕污染，綜合分析后，決定采用氣壓缸來實(shí)現(xiàn)對紗錠的搬運(yùn)，而且可以采用簡易的開關(guān)來控制。 關(guān)鍵字：紗錠；搬運(yùn)；機(jī)械手 Abstract The spindle carrying three claw manipulator used in the production line to replace the workers, the workers from the heavy, complex, fatigue, work environment in relief, is a human partner, is the industry an important production and service equipment, automation equipment in the field of advanced manufacturing technology can not lack, but also it is an important mark an enterprise modernization level, also can reduce the enterprise cost, improve the efficiency of enterprises. This topic request according to production needs handling, structure design general mechanical hand rotary and lifting parts. To help students learn to use the basic knowledge, basic theory of comprehensive ability of general mechanical product structure design. Because the three grasping manipulator rated the study load is smaller, the volume and weight are small, and the structure is simple, the spindle is afraid of pollution, comprehensive analysis, decided to adopt air cylinder to achieve the spindles handling, but also to control the simple switch. Keywords: Spindle; Carry; Manipulator 4 目錄 摘要 2 Abstract 3 第1章 緒論 7 1.1 目的及意義 7 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 7 1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 7 1.2.2國外研究現(xiàn)狀 8 1.2.3發(fā)展趨勢 9 1.3 本設(shè)計(jì)主要研究的內(nèi)容 11 第2章 紗錠搬運(yùn)機(jī)械手的方案設(shè)計(jì) 12 2.1 機(jī)械手的方案設(shè)計(jì) 12 2.1.1方案一（如圖1）所示 12 2.1.2方案二（如圖2）所示 12 2.1.3方案三（如圖3）所示 13 2.2 機(jī)械手的方案可行性分析 13 2.3 設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處 14 2.4 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)用 14 第3章 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3.1手抓設(shè)計(jì)計(jì)算 15 3.2連接桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 15 3.2.1 連接桿強(qiáng)度計(jì)算 17 3.2.2 連接桿的疲勞強(qiáng)度校核 18 3.2.3 連接桿的接觸應(yīng)力校核 20 3.3 手指座的設(shè)計(jì)校核 21 3.4 連接架的設(shè)計(jì)與校核 22 3.5連桿設(shè)計(jì)與校核 24 第4章 氣缸的設(shè)計(jì) 28 4.1 氣缸的介紹 28 4.2 氣壓缸工作原理 28 4.3氣缸的校核 31 4.5缸筒和缸蓋的連接 32 4.6氣缸推力驗(yàn)算 32 總結(jié) 33 致謝 34 參考文獻(xiàn) 35 第1章 緒論 1.1 目的及意義 機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高技術(shù)發(fā)展的重要方面。是近40年來發(fā)展起來的一門交叉性學(xué)科，它涉及電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、機(jī)械學(xué)、仿生學(xué)、人工智能等學(xué)科領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人與其它設(shè)備組成的生產(chǎn)線極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)率、提高和穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量、大大縮短了產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期，機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展已使傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的面貌發(fā)生了根本性變化，使人類的生產(chǎn)方式從手工作業(yè)、機(jī)械化、自動化、跨入智能化的新時(shí)代。機(jī)器人不僅在工業(yè)上應(yīng)用愈來愈廣，而且正在社會服務(wù)、海洋開發(fā)、宇宙空間、地下礦藏、搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事等領(lǐng)域開拓新應(yīng)用，以代替人在其無法適應(yīng)的特殊環(huán)境下工作，這將極大地?cái)U(kuò)展人類生產(chǎn)和活動的范圍，大大提高人類創(chuàng)造性勞動的能力。在某種程度上機(jī)器人水平的高低能反映一個(gè)國家的綜合國力和科技水平的發(fā)展。 該機(jī)械手應(yīng)用于生產(chǎn)線上代替工人工作，它把工人從復(fù)雜、繁重、疲勞、的工作環(huán)境中解脫出來，是人類的好伙伴，是工業(yè)制造領(lǐng)域重要的生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備，也是一個(gè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志，同時(shí)可以減少企業(yè)的成本，提高企業(yè)的效益。本課題要求學(xué)生根據(jù)裝卸搬運(yùn)的生產(chǎn)需要，完成通用機(jī)械手回轉(zhuǎn)與升降功能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有助于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識、基本理論進(jìn)行一般機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合能力。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運(yùn)小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。我國工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國第一臺機(jī)械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由北京機(jī)械自動化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器，DC——PWM等等。我國的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。可以將機(jī)械手各運(yùn)動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于跟換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。目前國內(nèi)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鍛造。熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 1.2.2國外研究現(xiàn)狀 國外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如 發(fā)生少許偏差時(shí)候，即能更正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定的成績。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上，又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。運(yùn)動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲存裝置。不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美國機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)，可做點(diǎn)位和軌跡控制：該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這2種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種Unimation—Vic.arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)：聯(lián)邦德國Kuka公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快，應(yīng)用國家最多的國家，自1969年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，開始大力從事機(jī)械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，主要用于機(jī)械化、自動化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。 1.2.3發(fā)展趨勢 在教育領(lǐng)域，許多院校已在學(xué)生中開設(shè)了機(jī)器人學(xué)方面的有關(guān)課程，但與世界先進(jìn)國家相比，我們在認(rèn)識和投入等方面均存在不足。而教學(xué)機(jī)器人作為機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)教育的教學(xué)工具，對人才培養(yǎng)和高新技術(shù)的推廣應(yīng)用有著重要的意義。如今教學(xué)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大專院校的課程與試驗(yàn)中，它可以再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的工作原理和過程，讓人們對機(jī)器人有直觀的理解，在學(xué)生的學(xué)習(xí)中起到了很大的作用，所以深得學(xué)生和老師的青睞。目前，國內(nèi)已有部分高校研制開發(fā)了較為成型的機(jī)器人教學(xué)研究設(shè)備，例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等。另外還有許多高校也正投入到相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)工作中，相信不久會有更多相應(yīng)產(chǎn)品的問世[2-7]?，F(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機(jī)械手。車身在每個(gè)工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的氣動機(jī)械手。目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均具有高精化，高速化，多軸化，輕量化等的發(fā)展趨勢。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相互結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，從而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 工業(yè)機(jī)器人，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在對工業(yè)機(jī)器人所下的定義是“機(jī)器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用設(shè)備，以執(zhí)行種種任務(wù)”[1]。 隨著科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，在過去的幾個(gè)世紀(jì)里，人類在許多方面都取得了重大的進(jìn)展。機(jī)器人技術(shù)作為人類最偉大的發(fā)明之一，自20世紀(jì)60年代初問世以來，經(jīng)歷了短短的40年，已取得長足的進(jìn)步。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了誕生、成長、成熟期后，已成為制造業(yè)中必不可少的核心裝備，而且工業(yè)機(jī)器人不僅在工廠里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以驚人的速度向航空航天、軍事、服務(wù)、娛樂等人類生活的各個(gè)領(lǐng)域滲透。據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)委員會和國際機(jī)器人聯(lián)合會去年關(guān)于世界機(jī)器人的報(bào)告，僅2003年新投入使用的機(jī)器人接近10萬個(gè)，使世界目前使用的機(jī)器人總數(shù)超過75萬。世界使用機(jī)器人最多的國家是日本，約38.9萬；其次為德國(9.1萬)、美國(9萬)、意大利(3.9萬)、韓國(3.8萬)、法國(2.1萬)、西班牙(1.3萬)和英國(1.2萬)，并且報(bào)告估計(jì)2004年，全世界使用的機(jī)器人總數(shù)將超過100萬。我國的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的歷史已經(jīng)有20多年，從“七五”科技攻關(guān)開始，正式列入國家計(jì)劃，在國家的組織和支持下，通過“七五”“八五”科技攻關(guān)不僅在機(jī)器人的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，而且在工業(yè)機(jī)器人整機(jī)方面，己經(jīng)陸續(xù)掌握了噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配和搬運(yùn)等不同用途、典型的工業(yè)機(jī)器人整機(jī)技術(shù)，并成功的應(yīng)用于生產(chǎn)，掌握了相關(guān)的應(yīng)用工程知識。但總的看來，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外的相比還有一定的距離。我國目前大約有4000臺工業(yè)機(jī)器人，其中僅有1/5是國產(chǎn)的，其余的則是從40多個(gè)國外廠商進(jìn)口的機(jī)器人?？傊?，各種各樣機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類走向文明和發(fā)展的一個(gè)巨大進(jìn)步和標(biāo)志，在未來社會中，機(jī)器人的廣泛應(yīng)用和發(fā)展是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢。相信在不遠(yuǎn)的將來機(jī)器人技術(shù)將一定能夠?yàn)槿祟悗砀嗟姆奖?，為人類的文明和發(fā)展帶來更大的機(jī)會[8]。 1.3 本設(shè)計(jì)主要研究的內(nèi)容 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作。可在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在不同生產(chǎn)線之間的快速轉(zhuǎn)移。澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品在不同生產(chǎn)線之間的轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的搬運(yùn),完成不同的工序的生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手為研究對象。在設(shè)計(jì)的過程中完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)所給定紗錠：內(nèi)孔110mm、外徑180mm、高120mm轉(zhuǎn)腰機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)角范圍90o，時(shí)間4秒的設(shè)計(jì)參數(shù)和工作環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、抓取靈活的機(jī)械手，使其與機(jī)器人總體相協(xié)調(diào)，成為有機(jī)整體，并能夠應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。 第2章 紗錠搬運(yùn)機(jī)械手的方案設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手的方案設(shè)計(jì) 根據(jù)紗錠搬運(yùn)生產(chǎn)線的要求，用氣壓缸來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂在水平面上的旋轉(zhuǎn)和支撐整個(gè)手臂。完成手臂在兩生產(chǎn)線間的移動，完成三爪對紗錠的搬運(yùn)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是氣壓缸構(gòu)來控制。三爪：用四桿機(jī)構(gòu)來控制，兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)用氣壓機(jī)來控制，來分別實(shí)現(xiàn)對紗錠的搬運(yùn)。 2.1.1方案一（如圖1）所示 方案1是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手，其特點(diǎn)是，抓重可達(dá)幾百公斤，運(yùn)動比較平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護(hù)不方便，容易把紗錠污染。 1-液壓缸；2-液壓缸；3-液壓缸 圖1 結(jié)構(gòu)運(yùn)動簡圖 2.1.2方案二（如圖2）所示 方案2是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 1-氣壓缸；2-氣壓缸；3-氣壓缸 圖2 結(jié)構(gòu)運(yùn)動簡圖 2.1.3方案三（如圖3）所示 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手，抓住重負(fù)載是容產(chǎn)生滑動，還容易把紗錠污染，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護(hù)不方便。 1-液壓缸；2-液壓缸；3-液壓缸 圖3 結(jié)構(gòu)運(yùn)動簡圖 綜上所述，由于搬運(yùn)的是紗錠，紗錠怕污染，質(zhì)量也比較輕，而液壓容易漏油把紗錠污染，所以選擇方案2氣壓傳動的方式。 2.2 機(jī)械手的方案可行性分析 本次紗錠搬運(yùn)機(jī)器人三爪機(jī)械手的設(shè)計(jì)采用了氣壓缸的設(shè)計(jì)。介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的操作簡單，適用于高速、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。利用氣壓缸來控制三爪機(jī)械手的運(yùn)動以及旋轉(zhuǎn)，三爪機(jī)械手下行，氣壓缸把三爪機(jī)械手合攏，到達(dá)搬運(yùn)的紗錠時(shí)，氣壓缸再把三爪張開，再利用2號氣壓缸帶動旋轉(zhuǎn)臺將其搬運(yùn)的紗錠旋轉(zhuǎn)90度，1.3號氣壓缸在運(yùn)動，將其紗錠卸載，2號氣缸再帶動旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)回到初始位置，一次搬運(yùn)完成，重復(fù)以上運(yùn)動即可完成對紗錠搬運(yùn)。 2.3 設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處 這種創(chuàng)新提高了生產(chǎn)率，降低了成本；使其發(fā)揮更大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益等。由于本課題研究的三抓機(jī)械手的額定負(fù)載較小，體積和重量均要求較小，且結(jié)構(gòu)簡單，紗錠怕污染，綜合分析后，決定采用氣壓缸來實(shí)現(xiàn)對紗錠的搬運(yùn)，而且可以采用簡易的開關(guān)來控制。 2.4 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)用 機(jī)械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬運(yùn)、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在不同生產(chǎn)線之間的快速轉(zhuǎn)移。澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品在不同生產(chǎn)線之間的轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的搬運(yùn),完成不同的工序的生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手為研究對象。 第3章 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1手抓設(shè)計(jì)計(jì)算 手部要能抓起工件必須滿足： 式中，-----為所需夾持力； -----安全系數(shù)，通常取1.2~2； -----為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數(shù)，查表選取； -----被抓持工件的重量 30； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： N=1200N； 3.2連接桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 連接桿其驅(qū)動力可可按下式計(jì)算： 式中： ——各支承處的的摩擦阻力（N），其大小可按下式估算： 式中： G——運(yùn)動部件所受的重力（）； ——外載荷作用于導(dǎo)軌上的正壓力（），其大小可按下式計(jì)算： ——摩擦系數(shù)，取0.1，詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表23.4-1； ——啟動過程中的慣性力（），其大小可按下式估算： 式中： ——重力加速度，取9.8； ——速度變化量（）。如果從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度時(shí)，則這個(gè)過程的速度變化量就等于桿部的工作速度。 ——啟動或制動時(shí)間（），一般為0.1～。對輕載低速運(yùn)動部件取小值，對重載高速部件取大值，行走機(jī)械一般取0.5～1.5。 經(jīng)過計(jì)算得： = 連接桿設(shè)計(jì)如圖3-1所示： 圖3-1：連接桿零件圖 3.2.1 連接桿強(qiáng)度計(jì)算 拉力 式中：——連接桿的均布載荷； ——力； ——寬度。 式中： ——均布載荷； ——反力； ——長度 式中： ——前后均布載荷 式中： ——平面上附加的均布力矩 按扭轉(zhuǎn)條件計(jì)算Ⅰ－Ⅰ截面的強(qiáng)度 因此Ⅰ－Ⅰ截面安全。 按彎扭合成條件計(jì)算Ⅳ－Ⅳ截面 因此Ⅳ－Ⅳ截面安全。 3.2.2 連接桿的疲勞強(qiáng)度校核 Ⅰ截面直徑最小，且有應(yīng)力集中；Ⅱ截面為連接處，由于直徑發(fā)生實(shí)然變化，產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中；由于直徑最大且無應(yīng)力集中，故不必對其他地方處進(jìn)行校核，而只需對Ⅰ、Ⅱ截面進(jìn)行校核。 截面Ⅰ右側(cè) 因?yàn)棰窠孛媸芘ぞ刈饔?，所? 由于變化形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)由表查取。因，，經(jīng)插值后可查得 軸的材料的敏性系數(shù)為 有效應(yīng)力集中系數(shù)為 尺寸系數(shù) 表面質(zhì)量系數(shù)為 處未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即，則得綜合系數(shù)值為 取 計(jì)算安全系數(shù) 可知其安全。 截面Ⅱ左側(cè) 彎曲應(yīng)力 所以 ， 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 所以 由于軸徑變化形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)因，，經(jīng)插值后可查得 ， 軸的材料的敏性系數(shù)為 ， 有效應(yīng)力集中系數(shù)為 尺寸系數(shù) 尺寸系數(shù) 表面質(zhì)量系數(shù)為 此處未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即，則得綜合系數(shù)值為 取 ， 計(jì)算系數(shù)值 故安全。 3.2.3 連接桿的接觸應(yīng)力校核 最大壓應(yīng)力 式中：——均布載荷； ——接觸區(qū)寬度的一半。 式中：——模數(shù)； ——半徑； ——半徑。 所以 故安全。 3.3 手指座的設(shè)計(jì)校核 手指座的的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，直徑為Φ200mm。 圖3-2：手指座 在實(shí)際工作中手指座只受到拉壓力的作用，因此只要校核手指座的拉壓應(yīng)力即可。從圖3-2可以看出，手指座在連接處的面積最小，即屬于危險(xiǎn)截面。激振力即式作用在手指座上的最大力。 右端連接處最大應(yīng)力 左端連接處的最大應(yīng)力 通過對手指座的以上校核，可知所設(shè)計(jì)的手指座符合設(shè)計(jì)要求。 3.4 連接架的設(shè)計(jì)與校核 連接架的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如圖3-3所示： 圖3-3：連接架零件圖 （2）校核 許用應(yīng)力 用插入法查得： 許用應(yīng)力值 應(yīng)力校正系數(shù) 當(dāng)量彎矩 設(shè)計(jì)的直徑 （3）疲勞強(qiáng)度校核 初步分析、兩個(gè)截面有較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，下面以截面為例進(jìn)行安全系數(shù)校核。 材料選用不銹鋼調(diào)質(zhì)，， 對稱循環(huán)疲勞極限 脈動循環(huán)疲勞極限 等效系數(shù) 截面上的應(yīng)力彎矩 彎曲應(yīng)力幅 彎曲平均應(yīng)力 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力 如果一個(gè)截面上有多種產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)，則分別求出其有效應(yīng)力集中系數(shù)，從而取最大值，驗(yàn)算強(qiáng)度合格。 3.5連桿設(shè)計(jì)與校核 本次設(shè)計(jì)的連桿如圖3-4所示： 圖3-4：連桿零件圖 連桿長度為150mm ； 許用應(yīng)力 用插入法查得： 許用應(yīng)力值 應(yīng)力校正系數(shù) 當(dāng)量彎矩 設(shè)計(jì)的法蘭最小直徑 法蘭直徑 ； 驗(yàn)算合格。 最終設(shè)計(jì)的紗錠搬運(yùn)機(jī)械手抓結(jié)構(gòu)如圖3-5所示： 、 圖3-2：紗錠搬運(yùn)機(jī)械手 第4章 氣缸的設(shè)計(jì) 4.1 氣缸的介紹 氣壓傳動由于結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡單，工作可靠，故在機(jī)械制造業(yè)、輕工業(yè)和食品工業(yè)的各個(gè)部門獲得了廣泛的應(yīng)用。但由于對它的研究還不夠充分，所以在很多地方，使它的應(yīng)用受到了限制。在20實(shí)際60年代末，氣動元件得到發(fā)展，控制方式有所創(chuàng)新，應(yīng)用啟動系統(tǒng)更為合理和安全。工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。氣壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)是空氣。 1·氣源裝置 獲得壓縮空氣的設(shè)備，空氣凈化設(shè)備。 如空壓機(jī)，空氣干燥機(jī)等。氣源裝置是向氣動系統(tǒng)提供所需壓縮空氣的動力源。他包括空氣壓縮機(jī)和氣源處理系統(tǒng)兩大部分。 2·執(zhí)行元件 將氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，也是系統(tǒng)能量輸出的裝置。如氣缸，氣馬達(dá)等 3·控制元件 用以控制壓縮空氣的壓力，流量，流動方向以及系統(tǒng)執(zhí)行元件工作程序的元件。如壓力閥，流量閥，方向閥和邏輯元件等 4·輔助元件 起輔助作用，如過濾器，油霧器，消聲器，散熱器，冷卻器，放大器及管件等。 4.2 氣壓缸工作原理 單作用氣缸：單作用氣缸只有一腔可輸入壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向運(yùn)動。其活塞桿只能借助外力將其推回；通常借助于彈簧力，膜片張力，重力等。 主要尺寸的確定 1.氣缸工作壓力的確定 本設(shè)計(jì)的氣缸用于整個(gè)床體的升降功能： 由《液壓傳動與氣壓傳動》表3-1取氣缸工作壓力p=1Mpa 表3-1 氣壓負(fù)載常用的工作壓 負(fù)載F/N <5000 5000～ 10000 10000～ 20000 20000～ 30000 30000～ 50000 >50000 工作壓力p/MPa <0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 >5～7 假設(shè)每個(gè)氣缸受力相同，則每個(gè)氣缸收到的壓力為： （4-1） 根據(jù)電控柜的高度，設(shè)計(jì)氣缸的推桿長度為350 mm，進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)。 假設(shè)推桿為45號鋼， F=2450N，臨界力 E=196 GPa。 根據(jù)壓桿穩(wěn)定型計(jì)算推桿直徑： （4-2） 由公式 ， （4-3） 代入計(jì)算公式，計(jì)算 （4-4） 由此得到： 取整后，得到： 本方案因?yàn)榇嬖诹魉€本身自重可以是氣缸恢復(fù)初始狀態(tài)，所以選用單作用氣缸。 （4-5） 式中， F——活塞桿上的推力，N —— 氣缸工作時(shí)的總阻力，N P ——?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ琍a D ——活塞直徑，m 氣缸工作時(shí)的總阻力與眾多因素有關(guān)，如運(yùn)動部件慣性力、背壓阻力、密封處摩擦力等。以上因素可以載荷率η的形式計(jì)入公式，如要求氣缸的靜推力和靜拉力，則在計(jì)入載荷后： （4-6） 計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動態(tài)特性。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取η=0.3至0.5 ，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動，其載荷率可取η=0.7至0.85 。 由上式，得： （4-7） 去較大值，且圓整后，得到 缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì) 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: （4-8） 式中， δ - 缸筒壁厚，mm D --- 氣缸內(nèi)徑，mm --- 氣缸試驗(yàn)壓力，一般取 P --氣缸工作壓力 （Pa） [σ]---缸筒材料許用應(yīng)力（Pa） 本方案氣缸缸筒采用鋁合金ZL106,[σ]=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: （4-9） 啊啊 啊 則筒壁外徑為70+17.5=87.5 mm。 4.3氣缸的校核 （1）活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算： 當(dāng)活塞桿的長度L較小時(shí)（L≤10d），可以只按強(qiáng)度條件校核計(jì)算活塞桿直徑d 有: （4-10） 其中，[σ]=120MPa， 則: 所以滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。 4.5缸筒和缸蓋的連接 缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，參見表3-2。對于雙頭螺栓和螺栓連接，一般是四根螺栓，但是對于工作壓力高于1MPa時(shí)，一定要校核螺栓強(qiáng)度，必要時(shí)增加螺栓數(shù)量，例如6根。查閱機(jī)械手冊，選擇拉桿式螺栓連接，采用4根螺釘。該結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，易于裝卸。由于工作壓力小于1MPa，故無須校核螺栓強(qiáng)度。 4.6氣缸推力驗(yàn)算 由以上計(jì)算可知?dú)鈮焊啄墚a(chǎn)生的推力F= 6154N 大于升起床體所需的推力 F= 2450 N 。所以該氣缸滿足要求。 最后設(shè)計(jì)的紗錠搬運(yùn)機(jī)械手如圖4-6所示： 圖4-6：紗錠搬運(yùn)機(jī)械手總裝圖 總結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年所學(xué)知識的一個(gè)考察,它兼顧了四年中所學(xué)的基礎(chǔ)和專業(yè)知識,因此不同于以前的課程設(shè)計(jì),畢業(yè)設(shè)計(jì)是課程設(shè)計(jì)一個(gè)質(zhì)的飛越.認(rèn)識到這點(diǎn),我對待畢業(yè)設(shè)計(jì)的態(tài)度也不敢懶散,一直抱以認(rèn)真謹(jǐn)慎的學(xué)習(xí)態(tài)度.在接到畢業(yè)設(shè)計(jì)課題后首先要做的就是搜集各方面的資料，以前的課程設(shè)計(jì)都是老師給出的，不用自己去煩惱。但是畢業(yè)設(shè)計(jì)就不同了，它是一個(gè)綜合設(shè)計(jì)，很多資料，數(shù)據(jù)都需要自己通過各種途徑搜集得到。 在本次設(shè)計(jì)中，要用到許多基礎(chǔ)理論，由于有些知識已經(jīng)遺忘，這使我們要重新溫習(xí)知識，因此設(shè)計(jì)之前就對大學(xué)里面所涉及到的有關(guān)該課題的課程認(rèn)真的復(fù)習(xí)了一遍，開始對本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)有了大致的了解，并也有了設(shè)計(jì)的感覺。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)的需要，要查閱并收集大量關(guān)于機(jī)械制造方面的文獻(xiàn)，進(jìn)而對這些文獻(xiàn)進(jìn)行分析和總結(jié)，這些都提高了我們對于專業(yè)知識的綜合運(yùn)用能力和分析解決實(shí)際問題的能力。通過本次設(shè)計(jì)還使我更深切地感受到了團(tuán)隊(duì)的力量，在與同學(xué)們的討論中發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)解決問題，這些使我們相互之間的溝通協(xié)調(diào)能力得到了提高，團(tuán)隊(duì)合作精神也得到了增強(qiáng)?？梢哉f，畢業(yè)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了我們大學(xué)四年所學(xué)的大部分知識，也檢驗(yàn)了我們的綜合素質(zhì)和實(shí)際能力。同時(shí)也跨出了我的工程師之路的第一步。 致謝 為期三個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，我也順利的完成了我的課題設(shè)計(jì)，在此之際我要衷心的感謝在設(shè)計(jì)過程中一直幫助我支持我的老師。我要感謝指導(dǎo)老師，老師在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中對我的影響很大，設(shè)計(jì)過程中的很多個(gè)難點(diǎn)都是在老師的悉心指導(dǎo)下才克服的，還有老師大親切和善也是我在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中感受最深的。也因?yàn)檫@樣，和老師之間存在著師生心理障礙一下全無，我也就大方的有問題就問，有想法就提，這也使得我能更多的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，并解決問題。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的專業(yè)知識，誨人不倦教學(xué)精神，在學(xué)術(shù)上和為人上都是我們的楷模和榜樣。同時(shí)我還要感謝跟我一起參與設(shè)計(jì)的同學(xué)，雖然我們課題不同，但是都能在討論中發(fā)現(xiàn)各自的問題，并互相提出解決的方法，設(shè)計(jì)能夠順利完成，也因?yàn)樗麄兊膸椭? 結(jié)束代表著新的開始，新的征程，本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)將會成為我今后工作，學(xué)習(xí)生活中的一份堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和保證。從中吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)也將成為我們在今后生活道路上的一筆財(cái)富，挫折永遠(yuǎn)是前進(jìn)道路上所必須面對的，相信我們的未來會走的更好，也可以讓我們大學(xué)的老師放心。真心的感謝在大學(xué)幫助過我的老師和同學(xué)們，再次感謝你們！ 參考文獻(xiàn) [1] 郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社.2008-7.7～11，15，19，26～30，40，44～45，51，68，79～84，91 [2] 原魁.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].工廠自動化.2007.第1期.34～38 [3] 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