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單位代碼 10642 密 級(jí) 公 開 學(xué) 號(hào)
學(xué)士學(xué)位論文
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數(shù)控機(jī)床軸類零件上下料用工業(yè)機(jī)器人的手爪設(shè)計(jì)
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20 年 月
目 錄
摘要 II
Abstract III
1.緒論 1
1.1 課題研究的背景和意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
2.機(jī)械手總體介紹 2
2.1 基本要求 2
2.2總體方案確定 2
3.機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3
3.1 手爪結(jié)構(gòu) 3
3.2 手爪驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 3
3.3 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 5
3.4 軸的計(jì)算與校核 7
參考文獻(xiàn) 10
致謝 11
摘要
數(shù)控機(jī)床軸類零件上下料用工業(yè)機(jī)器人的手爪設(shè)計(jì)
XXX專業(yè)XX班XXX[姓名] 指導(dǎo)教師 XXX
摘要：隨著我國(guó)人口紅利的不斷下降，人均工資的不斷提升。傳統(tǒng)的人工密集型生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)需要綜合考慮人工成本對(duì)企業(yè)運(yùn)營(yíng)所帶來的問題。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化控制的不斷發(fā)展和突破，機(jī)械人或者機(jī)械手的技術(shù)不但得到了應(yīng)用和發(fā)展。對(duì)于機(jī)械手來說，不但能夠替代簡(jiǎn)單的人工操作，還能夠在危險(xiǎn)場(chǎng)合進(jìn)行工作。同時(shí)具有高效率、高頻次、多動(dòng)作等特點(diǎn)，他能夠降低人類的工作強(qiáng)度，增加工業(yè)生產(chǎn)效率，降低成本。這些特點(diǎn)都符合未來工業(yè)發(fā)展的智能化、高精度、機(jī)械化等發(fā)展的方向。機(jī)械手就在這種背景下不斷得到了大力推廣。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)研究的機(jī)械手是應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床軸類零件上下料用場(chǎng)合。機(jī)械手能夠滿足對(duì)的夾持、轉(zhuǎn)移、放入制定位置等功能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)和機(jī)床的配合使用，能夠更加準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)零部件的轉(zhuǎn)移和防止。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中主要研究的是機(jī)械手的手爪部分設(shè)計(jì)。手爪是機(jī)械手的一個(gè)關(guān)鍵零部件，因?yàn)樗呛凸ぜ苯酉嘟佑|的，并且需要承受來自工件和手腕、手臂等綜合的作用力。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，首先對(duì)機(jī)械手的大致結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究，然后對(duì)機(jī)械手手爪的工作原理、主要構(gòu)成以及主要的零部件等進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)其中關(guān)鍵的受力部位進(jìn)行了校核，從而確保所研究的手爪能夠滿足使用要求，具有較高的安全系數(shù)。然后對(duì)其手爪進(jìn)行了CAD繪圖和三維繪圖，最后完成了簡(jiǎn)單動(dòng)作的仿真。
關(guān)鍵詞： 機(jī)械手手爪； 設(shè)計(jì)計(jì)算； 校核； 三維仿真
V
abstract
Design of industrial robot's paw for axle loading and unloading of NC machine tools
Major：XXX Name：XXX Supervisor: XXX
Abstract：As China's demographic dividend continues to decline, the per capita wage continues to rise. The traditional artificial intensive production enterprises have to consider the problems brought by the labor cost to the operation of the enterprise. At the same time, with the continuous development and breakthrough of computer technology and automation control, the technology of robot or manipulator has not only been applied and developed. For the manipulator, it can not only replace simple manual operation, but also work in dangerous situations. At the same time, it has the characteristics of high efficiency, high frequency and multi action. It can reduce the intensity of human work, increase the efficiency of industrial production and reduce the cost. All these characteristics are in line with the development direction of intelligent, high-precision and mechanized industrial development in the future. Manipulator has been vigorously promoted under this background.This graduate design research manipulator is applied to CNC machine tool shaft parts loading and unloading occasions. The manipulator can meet the functions of clamping, transferring and placing the position, which can be used in combination with the machine tool, and can be more accurate to realize the transfer and prevention of parts. In this graduation project, the main research is the design of the gripper of the manipulator. The claw is a key component of a manipulator, because it is in contact with the workpiece and needs to bear a comprehensive force from the work piece, the wrist, the arm, and so on. In this graduation design, the general structure of the manipulator is analyzed and studied. Then the working principle, main components and main parts of the hand claw are designed and calculated, and the key part of the force is checked so as to ensure that the research hands can meet the requirements of use. It has a high safety factor. Then the CAD and 3D drawing of the gripper were carried out, and finally the simulation of simple action was completed.
Key words: manipulator gripper; design calculation; checking; 3D simulation
緒論
1.緒論
1.1 課題研究的背景和意義
隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人工在工作時(shí)候的效率、精準(zhǔn)度以及人工成本等已經(jīng)不能滿足傳統(tǒng)的機(jī)械化自動(dòng)化生產(chǎn)了。傳統(tǒng)的人工操作效率較低、對(duì)人的技術(shù)水平要求較高、有效的勞動(dòng)時(shí)間不夠，同時(shí)針對(duì)數(shù)控機(jī)床這種精準(zhǔn)的機(jī)械來說，定位不足夠準(zhǔn)確。在人工工作的時(shí)候，大部分時(shí)間都應(yīng)用到了準(zhǔn)備時(shí)間，真正加工的時(shí)間比較少。同時(shí)隨著人工成本的增高。我國(guó)企業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化、智能化需求不斷增加。在這種情況下機(jī)械手應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)械手圖片如下圖1.1所示
圖1.1 機(jī)械手
機(jī)械手是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化控制而逐漸發(fā)展起來的一種自動(dòng)裝置，他能夠自動(dòng)的配合其他工序、工種等完成對(duì)物料的抓取、轉(zhuǎn)移等功能。隨著近似算計(jì)特別是智能化控制等不斷的突破和發(fā)展，機(jī)械手的自動(dòng)化程度以及優(yōu)點(diǎn)不斷的凸顯出來，雖然前期成本較高。但是生產(chǎn)效率高，不需要休息，定位精準(zhǔn)等。在機(jī)床加工生產(chǎn)中能夠持續(xù)不便的完成一個(gè)單調(diào)的工作，工作時(shí)間長(zhǎng)，能夠節(jié)省大量的時(shí)間。
在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中就是利用大學(xué)期間所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)，研究設(shè)計(jì)一個(gè)可靠、穩(wěn)定、操作性強(qiáng)的機(jī)械手手爪。使之能夠穩(wěn)定的工作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)速度快、能夠?qū)崿F(xiàn)配合數(shù)控機(jī)床上下料工作。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)以此為目的，希望能夠?qū)Υ髮W(xué)期間所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行運(yùn)用，通過對(duì)知識(shí)的總結(jié)運(yùn)用達(dá)到學(xué)以致用和理論聯(lián)系實(shí)際的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大學(xué)所學(xué)習(xí)知識(shí)的總結(jié)和提升。同時(shí)通過畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程，提高自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、分析問題的能力，不但在專業(yè)知識(shí)有一定的升華，同時(shí)在個(gè)人綜合能力方面有一定的提高。
1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
機(jī)械手最早出現(xiàn)在國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家。由于歐美國(guó)家人數(shù)較少，為了能夠滿足強(qiáng)大的工業(yè)需求以及能夠滿足工業(yè)精度、自動(dòng)化等要求，所以從二十世紀(jì)三四十年代開始就出現(xiàn)了第一代機(jī)械手。主要是利用機(jī)械和氣壓或者液壓，利用繼電器等進(jìn)行控制工作，它能夠完成重復(fù)的固定動(dòng)作，功能比較單一，適應(yīng)范圍窄。之后隨著單片機(jī)、PLC等控制技術(shù)的發(fā)展以及機(jī)械加工和機(jī)械設(shè)計(jì)水平的不斷提高，機(jī)械手的發(fā)展也迎來了一個(gè)快速的時(shí)代。特別是在日本，由于勞動(dòng)人員數(shù)量有限，所以機(jī)械手得到了迅猛的發(fā)展，在工業(yè)、電力、軍工等都有應(yīng)用到。如圖1.2所示
圖1.2 數(shù)控機(jī)床機(jī)械手
在我國(guó)，由于前期人力資源豐富，所以對(duì)機(jī)械手的研究和投入都比較少。但是隨著我國(guó)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化機(jī)械化的加快，特別是工業(yè)4.0的概念提出。我國(guó)的機(jī)械手工業(yè)也在不斷發(fā)展。已經(jīng)由傳統(tǒng)的機(jī)加工、鍛造等，逐漸融合了電子信息控制、自動(dòng)化智能化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)行程序的更改，對(duì)使用功能的擴(kuò)展等，最大的擴(kuò)展了其使用的范圍。雖然我國(guó)的機(jī)械手工業(yè)起步較晚，但是隨著我國(guó)對(duì)外來技術(shù)的不斷引進(jìn)、吸收、整合等，已經(jīng)行程了自主開發(fā)的一批機(jī)械手，并且能夠滿足在機(jī)加工、工業(yè)流水、焊接等方面的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，科技含量更高、功能更加強(qiáng)大的機(jī)械手正在研究，并且取得了突破的進(jìn)展。未來隨著應(yīng)用的增多，機(jī)械手在我國(guó)具有非常廣闊的市場(chǎng)。如下圖1.3所示
圖1.3 我國(guó)常見機(jī)床機(jī)械手
17
機(jī)械手總體介紹
2.機(jī)械手總體介紹
2.1 工件要求
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)研究應(yīng)用的是數(shù)控機(jī)床軸類零件上下料用機(jī)械手的手爪設(shè)計(jì)。根據(jù)一般的工作要求，需要能夠?qū)崿F(xiàn)在一定高度和水平兩個(gè)方向的移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)，所以選擇了四個(gè)自由度。根據(jù)一般階梯軸類的結(jié)構(gòu)以及直徑等，取手爪抓取的最大重量為5kg。工件簡(jiǎn)圖如下圖2.1所示。
圖2.1 被加工工件
2.2總體方案確定
對(duì)于數(shù)控機(jī)床的送料機(jī)械手氣機(jī)械結(jié)構(gòu)一般由機(jī)械手的手臂、腕部、手爪、底座和立柱等組成，分別起到支撐和完成所需要的運(yùn)動(dòng)等作用。下面分別介紹每一部分。
1、 機(jī)座。這是整個(gè)機(jī)械手的基礎(chǔ)。承受著整個(gè)機(jī)械手工作中的受力，并且維持機(jī)械手工作時(shí)候的穩(wěn)定性。并且其上面一般會(huì)安裝有驅(qū)動(dòng)的電機(jī)或者各種器具元件。
2、 立柱。是用來承受工作中手臂和工件所產(chǎn)生的力和力矩。在工作的時(shí)候，一般除了承重之外，還會(huì)把他和升降部分的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)成為一體。一般立柱和機(jī)座是固定裝配在一起的。
3、 手臂。手臂是受力較為復(fù)雜的地方，他通過手腕支撐著手爪，由于是懸臂的結(jié)構(gòu)，所以要求具有一定的剛度和強(qiáng)度。
4、 手腕。用來連接手臂和手爪的部分，在工作中起到承上啟下的作用，實(shí)現(xiàn)手臂和手爪之間的某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
5、 手爪。這是機(jī)械手的工作部分，在工作的時(shí)候，手爪直接和和工件相接觸。手爪的結(jié)構(gòu)根據(jù)和物件產(chǎn)生作用方式的不同分為兩種，分別是夾持和吸附兩種。在本次設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，工件是階梯軸形狀，所以采用的是夾持結(jié)構(gòu)。整個(gè)手爪的動(dòng)作利用一系列的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行組成，帶動(dòng)手爪產(chǎn)生開、合動(dòng)作，從而形成夾緊力，達(dá)到對(duì)物件的夾持、轉(zhuǎn)移、放下等動(dòng)作。
在本次設(shè)計(jì)中，主要研究的是手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以重點(diǎn)研究手爪的結(jié)構(gòu)。
機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 手爪結(jié)構(gòu)
機(jī)械手手爪的結(jié)構(gòu)主要有手指和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成在一起的。手指根據(jù)被夾持工件的特點(diǎn)有片狀、圓形、弧形等不同的結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)被夾持的工件是階梯軸，是圓形的，所以選擇的手指內(nèi)部是圓形結(jié)構(gòu)的。手爪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式比較多，常見的有齒輪傳動(dòng)、杠桿原理、彈簧結(jié)構(gòu)等，通過電機(jī)、氣壓或者液壓的作用實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手爪的開合動(dòng)作。
圖3.1機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)圖
在手爪的設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要綜合考慮滿足以下要求：
1、 手爪具有足夠的夾持力。在工作的時(shí)候能夠確保工件不會(huì)掉落或者夾持不起來等情況不會(huì)出現(xiàn)。
2、 手爪具有能夠滿足工件的開合角度，從能能夠?qū)崿F(xiàn)工件進(jìn)入手爪和夾持以及放下工件的空間。
3、 定位準(zhǔn)確。這是機(jī)械手必須具備的一個(gè)條件。只有精準(zhǔn)的定位才能夠滿足數(shù)控機(jī)床的使用，對(duì)于圓形的手爪能夠利用中心線進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。
4、 具有足夠的強(qiáng)度和剛度，確保工作中手臂、手爪等不變形。
3.2 手爪驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的手爪采用的是液壓驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力來源，通過齒輪齒條傳動(dòng)進(jìn)行動(dòng)作的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的夾持。其基本機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖3.2所示。
圖3.2 手爪示意圖
首先假設(shè)工件重量G=5kg。則設(shè)定手爪的角度為2θ=120°，b取值120mm。手爪和棒料的摩擦系數(shù)f取值為0.1。則可以計(jì)算器驅(qū)動(dòng)力公式如下：
（1）
則夾持力N計(jì)算如下：
（2）
計(jì)算驅(qū)動(dòng)力如下
=245N （3）
實(shí)際驅(qū)動(dòng)力計(jì)算如下：
（4）
上述公式中η表示傳動(dòng)的效率，在本次設(shè)計(jì)中采用的是齒輪齒條傳動(dòng)，取值為0.94。K1表示安全系數(shù)，取值為1.5。K2表示抓取工件在加速和減速時(shí)候的系數(shù)，計(jì)算公式為，假設(shè)最大的加速度取值為3g，則K2=4。則帶入（4）計(jì)算可得：
1、氣缸的直徑。
手爪驅(qū)動(dòng)氣缸屬于單向氣缸，其基本結(jié)構(gòu)尺寸如下圖3.3所示。
3.3 氣缸基本尺寸
然后直徑計(jì)算公式如下：
（5）
公式中F1表示作用在活塞桿上的推力，F(xiàn)t表示氣缸復(fù)位彈簧的作用力，F(xiàn)z表示活塞工作時(shí)候各個(gè)部分所產(chǎn)生的阻力。P則表示氣缸在工作時(shí)候的壓力。
彈簧的計(jì)算公式如下：
（6）
（7）
上述公式中Gf表示所選擇彈簧的剛度，l則表示在開始工作前，彈簧的預(yù)壓縮量。s表示活塞工作的形成。d1和D1分別表示彈簧的鋼絲直徑和平均直徑，n則表示彈簧的有效圈數(shù)。G表示所選擇彈簧材質(zhì)的剪切模量，取值為79.4×109Pa。則合并（5）、（6）、（7）為：
（8）
氣缸的直徑:
（9）
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
所以
查有關(guān)手冊(cè)圓整，得
2、活塞桿直徑一般取值是活塞缸在回京的0.2到0.3倍，則活塞桿直徑計(jì)算如下：
（10）
然后驗(yàn)證活塞桿是否能滿足使用要求：
（11）
其中，[]，
則:
滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。
3、缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
（12）
公式中δ表示缸筒的厚度，D表示氣缸的直徑，P表示實(shí)驗(yàn)壓力，取值為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍。缸筒材料選擇ZL3，則[]=3MPa。
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為
3.3 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核
在手爪傳動(dòng)裝置所選擇的齒輪齒條結(jié)構(gòu)中，齒輪的材質(zhì)選擇的是45鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。齒輪齒條傳動(dòng)形式如下圖3.4所示。
根據(jù)相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，查詢可得：
則：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》得：
1、 驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度
在計(jì)算的時(shí)候，取載荷系數(shù)K值為1.5，則可以查詢其他參數(shù)分別是Zh為2.5，Zτ=0.88， 接觸應(yīng)力為：
2、驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
查表：
許用彎曲應(yīng)力計(jì)算公式如下：
（13）
彎曲疲勞強(qiáng)度的最小安全系數(shù)，取
則：
根據(jù)計(jì)算可以看到，能夠滿足使用要求。
3.4 軸的計(jì)算與校核
手爪的轉(zhuǎn)動(dòng)需要圍繞著一個(gè)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，所以軸會(huì)承受著手爪所承受的力，軸的中間直徑選擇是150mm，材質(zhì)選擇45鋼，MPa。則軸所承受的彎扭合力計(jì)算如下：
MPa （14）
根據(jù)計(jì)算可以看到軸能夠滿足使用要求。
然后校核軸的疲勞強(qiáng)度。首先確定危險(xiǎn)截面，從軸的受力來看，其支撐部分所承受的力最為復(fù)雜的，其直徑比中間部分略細(xì)，為140mm。則對(duì)其進(jìn)行校核。
抗彎截面系數(shù)：
mm （15）
抗扭截面系數(shù)：
mm （16）
截面的彎矩M為：
Mpa
截面上的扭矩T為：MPa
截面上的彎曲應(yīng)：
Mpa
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
MPa
根據(jù)前面對(duì)軸的材質(zhì)的選擇，可一直MPa，MPa，MPa。
用插入法求出
，
軸的表面質(zhì)量系數(shù)為：
軸表面強(qiáng)化處理，
固得綜合系數(shù)為
碳鋼的特性系數(shù)
取
取
所以軸在截面V左側(cè)的安全系數(shù)為
故該軸的強(qiáng)度是足夠的。
參考文獻(xiàn)
參考文獻(xiàn)
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[17]Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space.
[18]Abhinandan Jain and Guillermo Roderguez. An Analysis of the Kinematicsnd Dynamics of Underactuated Manipulators.
致謝
致謝
經(jīng)過一段時(shí)間的努力和老師的幫助，畢業(yè)設(shè)計(jì)即將進(jìn)入尾聲。在設(shè)計(jì)中離不開指導(dǎo)老師的支持和鼓勵(lì)。老師學(xué)識(shí)淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。在每次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，老師都能夠用通俗易懂的語言為我解答，為我指明方向。通過老師的指引和知道。使我明白了如何去理論結(jié)合實(shí)際，如何總結(jié)運(yùn)用理論知識(shí)。在設(shè)計(jì)中如何去提前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。同時(shí)老師還教會(huì)了我如何去查閱資料，如何從更高的層次去看待問題。這些對(duì)我來說都是專業(yè)知識(shí)無法學(xué)習(xí)到的內(nèi)容。
感謝老師在設(shè)計(jì)中對(duì)我的支持和鼓勵(lì)，每當(dāng)我遇到困難，老師總是不厭其煩地為我講解，指導(dǎo)我不斷展開設(shè)計(jì)研究，每一次教誨都讓我深受啟發(fā)。他不僅是一個(gè)老師，更是一個(gè)朋友！
感謝老師給我機(jī)械專業(yè)的指導(dǎo)和知識(shí)。感謝宿舍的朋友一直以來對(duì)我的關(guān)心和支持。感謝系所有老師和同學(xué)的幫助和勉勵(lì)。同窗之誼，終生難忘！
最后，向參加論文審閱、答辯的專家和老師表示感謝。