毕业设计论文凸轮轴自动线机械手设计

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1、XXXXXXXXX网络高等教育本 科 生 毕 业 论 文（设 计）题 目：凸轮轴自动线机械手设计学习中心： 直属学习中心 层 次： 专升本 专 业：机械设计制造及其自动化年 级： 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 摘 要随着工业自动化的发展，工业机械手的应用越来越普遍，已被广泛地应用于各行各业的工矿企业中。本文主要针对用于油泵凸轮轴自动线上，在相邻工位间搬运工件的机械手进行设计。首先，简要介绍了机械手的基本概念、机械手的组成和分类，以及工业机械手的简史和发展趋势。其次，本文通过机械手的动作分析，确定了机械手的坐标形式、自由度和驱动机构，确定了机械手的主要技术参数；完成了油泵凸轮轴自动

2、线机械手的总体方案设计。再次，完成了机械手的手部、臂部和机身的结构设计。最后，通过对机械手的动作行程分析，完成了机械手的液压缸设计和液压元件的选择；设计了可满足机械手循环动作要求的液压系统原理图和电气控制图。关键字：机械手 液压缸 液压系统 直角坐标 目 录1 绪 论11.1 前言11.2 工业机械手的简史11.3 机械手的组成和分类21.3.1机械手的组成21.3.2 机械手的分类31.4 工业机械手的发展趋势51.5 本文主要研究内容71.6 本章小结72 机械手总体设计方案82.1 机械手基本形式的选择82.2 机械手的主要部件及运动82.3 驱动机构的选择82.4 机械手的技术参数82

3、.5 本章小结93 手部、臂部和机身结构设计103.1 手部结构设计103.1.1手部设计的基本要求103.1.2手抓类型及夹紧装置的选择113.1.3手部驱动力的计算123.2 臂部结构设计133.2.1臂部设计原则133.2.2臂部具体设计方案及计算143.3 机身机构设计163.4 本章小结164 驱动控制系统设计184.1 拟定液压系统原理图184.1.1机械手动作行程分析184.1.2液压系统原理图设计184.1.3液压系统电磁阀动作顺序表214.1.4液压系统工作原理214.2 电气控制系统244.2.1电气系统图244.2.2电气系统工作原理254.3 液压缸设计284.3.1液

4、压缸主要参数的确定284.3.2液压缸强度的校核294.4 液压元件的选择304.4.1动力元件液压泵304.4.2控制元件方向阀、压力阀314.4.3辅助元件324.5 本章小结33结 论34致 谢35参考文献36附 图371 绪 论1.1 前言用于再现人手功能的技术装置称为机械手1。机械手是模仿人手的部分动作，按照给定程序、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2。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它

5、代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用3。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。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4。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

6、能的柔性自动化产品5。机械手首先从美国开始研制，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。在此基础上美国通过不断改进完善，研制出一系列新的机械手，美国的研制十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。德国从1970年开始再制造行业应用机械手，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的机械手后，便开始大力进行机械手的研究。据报道，1979年从事机械手研究工作的大专院校、研究单位多达50多个；1979年日本机械手的产值达到443亿日元，产量为14535台。使用机械手最多的行业是汽车工业，其次是电机、电器和电子行业。

7、到目前在日本工作的工业机械手已有100万台左右。目前随着电子计算机和电信设备的不断发展，工业机械手应用也不断扩大，正逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。1.3 机械手的组成和分类1.3.1机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制系统三部分组成6。（一） 执行机构机械手的执行机构主要包括：手部、腕部、臂部和机身。1、手部 直接与工件接触的部分，一般为回转式或平动式。手部多为两指（也有多指），更具需要可分为外抓式和内抓式两种。传力机构主要包括：

8、杠杆式、齿轮齿条式、四缸落幕式、弹簧式和重力式。2、腕部 是连接手部和臂部的部件，可以用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围。对于一些动作较为简单的专用机械手，为简化结构，可以不设腕部，直接用臂部运动驱动手部搬运工件。3、臂部 它的作用是支撑腕部和手部（包括工具或卡具），并带动它们做空间运动。臂部的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现。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。（二） 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以分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动的机

9、械手，结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。（三） 控制系统机械手的控制分为点动控制和连续控制两种方式。大多采用插销板进行点位控制，也有采用微机进行程序控制的。控制系统主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.3.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工

10、中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。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。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统， 可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:

11、抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、液压传动机械手是以压缩液压油的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于液压油具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进

12、行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。4、电力传动机械手即有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运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的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，不能控制其运动轨迹。若

13、欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制7。1.4 工业机械手的发展趋势近年来，国内外的研究主要集中于工业机械手（第三工业机械手）的研究，并具有如下几个趋势:(1)工业机械手性能不断提高(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

14、。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械手整机;国外已有模块化装配机械手产品问市。(3)工业机械手控制系统向基于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)机械手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、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、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)虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。(6)当代遥控机械手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械手的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机械手走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机械手就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机械手化机械开始兴起。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。我国的工业机械手从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下