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1、四轴机械手结构设计摘要在当今大规模生产制造中，企业为提高生产效率保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化上产线上的重要成员，逐渐被企业认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人土要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于实现注塑机的注塑过程以代替人工。首先，本文将根据设计要求及实际情况设计出多种方案并选出最优方案；然后根据方案来确定底座、台车以及台车层数和它们的具体位置。根据所确定的位置使用理论方式来进行各个部件材料和尺寸的选择及验证方案的可行性，使
2、其具有结构简单，操作方便，精确度高，可靠性好，寿命长等特点，在实际生产中有较高的实用性。关键词：机械手 滚珠丝杠 步进电机 直角坐标The Design of an Industrial Robot with Four DOFs for Injection Molding MachineAbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enha
3、nce the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrialrobots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industri
4、al automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jobs of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.In this paper I will design an industrial robot with
5、 four DOFs, which is used to mold injection to replace workers.First, I will design some plans ording to the design requirements and the actual situation and select the best one. Then determine the base, trolleys and trolley layers and their specific location base on the scheme. Using the formula to
6、 check the units Materials and dimensions and check the Feasibility of plan.Be sure the Machine have advantages like simple structure, convenient operation, high precision, good reliability, long life and so on. has high practicability in actual productionKeyword: manipulator ball screws step motor
7、Cartesian coordinate1 绪论1.1 前言用于再现人手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。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。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。他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：其一、它能部分的代替人工操作；其二、
8、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；其三、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
9、程序，适应性较强，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。1
10、978 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。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。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%。1979 年日本机械手的产值达 443 亿日元，产量为 14535台。其中
11、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 年增长 50%。智能机械手约为 17 亿日元，为 1978 年的 6 倍。截止 1979 年，机械手累计产量达 56900 台。在数量上已占世界首位，约占 70%，并以每年 50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到 1990 年将有 55 万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉
12、和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.3 工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行
13、各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类） ，大连电机厂的 4 号和 5 号电动机加工自动线（
14、轴类） ，上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。1.3.2 在实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是 160t 以上的冲床用机械手；一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的 120t 和 40t 多工位冲床机械手等
15、。1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面模锻方面，国内大批量生产的 3t、5t、10t 模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。1.4 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。图 1.1 工业机械手示意图1.4.1 执行机构（1）X 方向 实现前后运动的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单） 。用电机、液压或者气压推动，在导轨上运动。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）Y 方向 用于实现左右运动的部分，并可用来调节上面安装的机构的方位，以扩大机
16、械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。（3）Z 方向 用于实现上下运动的部分。它的作用是 Y 方向的导轨和机构（包括工作或夹具） ，并带动他们做空间运动。其运动的目的是把 Y 方向的机构送到空间运动范围内任意一点。如果改变 X 或 Y 轴的位置（方位） ，则用其余两条导轨实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即前后、左右、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸或者丝杠转动副）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构。1.4.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。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。采用伺服电机驱动机械手 ,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、精确度高、控制方便。1.
