轻型搬运机械手的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

轻型搬运机械手的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

内容。 12 第二章 机械手的总体设计方案 本课题是轻型搬运机械手的设计。 本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。 因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务，然后通过 proe 软件对机械手的手部进行简单的运动仿真。 机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态 ,按坐标形式大致可以分为以 下 4 种 : （ 1） 直角坐标型机械手； （ 2）圆柱坐标型机械手； （ 3）水平多关节型机械手； （ 4）垂直多关节型机械手。 本次设计采用垂直多关节型机械手，模拟了人类的手臂功能。 由于垂直于地面的腰部旋转轴（相当于大臂旋转的肩部旋转轴），带动小臂旋转的肘部旋转轴及小臂前端的手腕等构成。 手腕通常有 23 个自由度。 垂直多关节型机械手的优点是可以自由的实现三维空间的各种姿态，可以生成各种姿态，可以生成各种复杂形状的轨迹。 它广泛应用于代替人完成装配作业、货物搬运、电弧焊接、喷涂及点焊接等场合。 如图 21 所示： 机械手的主要部件及运动 在垂直多关节型机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本图 21 机械手的原理图 13 设计关于机械手具有 3 个自由度既：手部仰俯运动；手臂伸缩；手臂仰俯运动 3 个主要运动。 本次设计主要由 4 个大部件和两个电动机及四个齿轮组成：（ 1）手部，采用电磁吸盘式，通过腕部的齿轮传动，实现机构绕 y轴的仰俯运动；（ 2）腕部，是采用齿轮传动，通过小臂上的电机齿轮传动，实现仰俯运动；（ 3）臂部，采用步进电机，通过齿轮啮合传动实现仰俯运动；（ 4）机身，用一个圆盘底座，实现运动机构固定。 驱动机构的选 择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分 , 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。 根据动力源的不同 , 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。 采用机械驱动式机械手 ,结构简单、动作可靠、尺寸紧凑、驱动力大，常用于固定场所等优点。 因此，机械手的驱动方案选择机械式驱动。 本章小结 本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用机械驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。 下面的设计计算将依次进行。 14 第三章 机械部分零件的计算及建模 Pro/Engineer 软件建模 [2] Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。 Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位， Pro/Engineer 作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广。 是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 主要特性 Pro/E 第一个提出了参数 化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。 另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。 Pro/E 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。 它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。 Pro/E 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 参数化设计 相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一 种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。 基于特征建模 Pro/E 是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。 这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 PRO/INTERFACE Pro/INTERFACE 是一个完整的工业标准数据传输系统，提供 Pro/Engineer 与其它设计自动化系统之间的各种标准数据交换格式．它可用于 Pro/ENGINEER 几何的输入和输出。 剖 面可以参数化并被构造 Pro/ENGINEER 内的任意特征种类。 1． 二维和三维图形： Pro/INTERFACE 提供了将 2D 和 3D 图形通过 IGES4． 0或 SET 输入到 Pro/ENGINEER 的绘图模式里的能力，输入后，正常制图功能都是有效的。 2． 三维线框图形： Pro/INTERFACE 提供了将 3D 线框几何体通过 IGES4． 0 15 或 SET 输入到 Pro/ENGINEER 内的能力，该线框体能被用于生成全参数化，以特征为基础的实体模型。 如果需要，可以覆盖到非参数化的实体模型上。 3． 任 意形状曲面： Pro/INTERFACE 提供了通过 IGES4． 0 或 SET 将一个或更多的任意形状曲面输入到 Pro/ENGINEER 内的能力。 一旦输入后，这些面可以被偏置和缝合在一起，及被其它曲面剪裁，它们也可以被用于构造一个实体模型 (见 Pro/SURFACE有关详细描述 )。 4． 三维表面模型： Pro/INTERFACE 提供了通过 IGES4． 0 或 SET 将部分表面或整个表面线框模型输入到 Pro/ENGINEER 内的能力。 在 Pro/ENGINEER 内．如果有遗漏表面可以加上，并且整个表面模型也可 以覆盖到一个非参数化的实体模型上。 覆盖到非参数化实体模型上的表面可以作为一个“单一特征”。 这样用户就可以将所有参数化特征附加到这“单一特征”上，当然该特征也能象其它任何 Pro/ENGINEER 修改。 数据交换功能包括： 1． SLA：用于将 3D 模型信息输出到生产工作台。 2． RENDER：用于将 3D 模型信息输出到著色程序。 3． DXF：用于输入和输出那些支持 DXF 格式文件系统的 2D 信息。 4． NEUTRAL：用于输出符合 Pro/ENGINEER 中间文件格式的特征、零件、部公差信息。 5． IGES：用于输出符合 IGES4． 0 标准的 2D 图形和 3D 模型 (包括零件和部件 )。 6． PATRAN Geom；用于输出符合 PATRAN 中间文件格式的零件几何体数据。 7． IGES128：用于输出零件几何体 (注：除非特殊需求规定，将无效 )。 8． SUPERTA BGeom：输出符合用于输入列 SUPERTAB 的 UNIVERSAL 文件格式的几何体。 9． SET：用于输入符合 VDA 标准的 Pro/ENGINEER 模型。 PRO/MOLD DESIGN Pro/MOL DESIGN 模块用于设计模具部件和模板组装，它包括如下功能： 1． 采用参照设计模型的方法，自动生成模具型腔几何体。 2． 对单一、多面类似或者多面不同的型腔，采用 Pro/ENGINEER 的组装命令及花样组来定出型腔。 3． 对复杂的多面 /注模，提供 Slider/CAMMED 移动功能。 4． 用不同的缩减补偿方式，修改造型几何体。 5． 在模拟过程，采用干扰核查的方法支定度及模似模具开口及 Molding Ejection Sequence. 6． 备有 AC Technology 的 C— Flow/EZ 分析软件，提供空腔冲填及 AIR TRAPPING 模拟、 Front、 ram 速度、 weld 线及流体速度 (Flow Velocity)。 16 7． 直接取得 Pertinent 模具设计工程的信息，包括冲填器皿及型腔表面积等信息。 8． 可生成摸具的特定功能，包括浇口 (Sprue)、浇道 (Runner)、浇槽 (Gates)、冷凝线 (cooling line)及分离线。 9． Pro/LIBARARY 亦有提供与 Pro/MOLDESIGN 使用的功能，包括标准化的摸具组装及元件。 手部零件的设计 （ 1）应具有适当的吸附力和驱动力。 应当考虑到在一定的吸附力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。 （ 2）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 本此设计采用电磁吸盘式。 如图 31 所示： 图 31 电磁吸盘 手部零件设计的基本要求 （ 1）手指式 有两指式和多指式，适用于各种机械加工的零件及组件的搬运。 盘类、环类零件及杂件的抓取及搬运。 （ 2）吸盘式 有空气负压吸盘和电磁吸盘，用于表面光滑的板材或具有曲线形状的壳体零件。 （ 3）托持式 用于特殊形状或有特殊要求的零件。 17 机械手手部的设计计算 [3] 本设计是轻型搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：吸附重量为 5Kg。 常用的工业机械手手部 ,按握持工件的原理 ,分为夹持和吸附两大类。 夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型：平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动 ,这种手指结构简单 , 适于夹持平板方料 , 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置 , 其理论夹持误差零 ；若采用典型的平移型手指 , 驱动力需加在手指移动方向上 ,这样会使结构变得复杂且体积庞大。 显然是不合适的，因此不选择这种类型。 吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体 ,适合用于本方案。 本设计机械手采用吸附式手部。 通过综合考虑，本设计选择电磁吸盘式手部设计，吸附铁磁材料的板料或盘形零件。 腕部的设计计算 腕部设计的基本要求 （ 1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。 显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性 能。 因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 （ 2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。 （ 3）必须考虑工作条件 对于本次设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的轻型板料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。 腕部的结构以及选择 [4] (1) 具有一个自由 度的回转驱动的腕部结构。 它具有结构紧凑、灵活等优点。 腕部回转，总力矩 M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。 回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于 180 ）。 (2) 直齿轮驱动的腕部结构。 在要求回转角大于 180 的情况下，可采用直齿轮驱动的腕部结构。 这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。 (3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。 它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。 (4) 机 液结合的腕部结构。 18 腕部结构和驱动机构的选择 本设计要求手腕回转 0180 ，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的仰俯运动的腕部结构，采用齿轮传动。 腕部设计考虑的参数 夹取工件重量 5Kg ，回转 180。 腕部的驱动力矩计算 （ 1）腕部的驱动力矩需要的力矩 M惯。 （ 2）腕部回转支撑处的摩擦力矩 M摩。 吸附板料 25 25mm,重量 5Kg，当手部摆动 0180 时，计算 力矩： （ 1） 手抓、手抓驱动及回转转动件（电磁吸盘）等效为一个圆柱体，高 为 220mm，直径 120mm，其重力估算 G= 230 . 0 6 0 . 2 2 7 8 0 0 9 . 8 1 9 0G Kg m N Kg N      （ 2） 摩擦力矩 摩。 （ 3） 启动过程所转过的角度 。