碼垛機(jī)械手二維及三維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)+說(shuō)明書(shū)
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目錄
摘 要 1
ABSTRACT 1
第一章 緒 論 1
1.1 前言 1
1.2 機(jī)械手的簡(jiǎn)史 1
1.3 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 2
1.4 機(jī)械手的組成 3
1.4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3
1.4.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 4
1.4.3 控制系統(tǒng)分類 4
1.5 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 4
1.5.1 國(guó)外機(jī)械手領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)： 4
1.5.2 我國(guó)機(jī)械手領(lǐng)域的現(xiàn)狀及發(fā)展: 4
1.6碼垛機(jī)械手 5
1.7本章小結(jié) 5
第二章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 6
2.1 機(jī)械手基本形式的選擇 6
2.2 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) 7
2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 7
2.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 7
2.5 手臂的配置形式 7
2.6 位置檢測(cè)裝置的選擇 8
2.7 本章小結(jié) 8
第三章 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.1 概述 10
3.2 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 10
3.3 手部設(shè)計(jì)基本要求 10
3.4 典型的手部結(jié)構(gòu) 11
3.5 機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.5.1 選擇手抓的類型及夾緊裝置 11
3.5.2 手抓的力學(xué)分析 11
3.5.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 13
3.5本章小結(jié) 14
第四章 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 15
4.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 15
4.2 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 15
4.2.1 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) 15
4.2.2 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 15
4.3 本章小結(jié) 16
第五章 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算 17
5.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 17
5.1.1手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活 17
5.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 18
5.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 18
5.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 18
5.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 18
5.3.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算 18
5.3.2密封裝置的摩擦阻力 19
5.4本章小結(jié) 19
第六章 機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算 20
6.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 20
6.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 21
6.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算 21
6.3.1 手臂偏重力矩的計(jì)算 21
6.3.2 手臂做升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 23
6.4 軸承的選擇分析 23
6.5 齒輪的選型 24
6.6 本章小結(jié) 25
第七章 絲桿設(shè)計(jì) 26
7.1滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 26
7.2電機(jī)的選擇 27
7.2. 1電機(jī)的選型條件 27
7. 2. 2電機(jī)的選擇 27
第八章 結(jié)論 28
摘要
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車(chē)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)工作 。
隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需要，機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用中越來(lái)越重要。用于再現(xiàn)人手的的功能 的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。文章 主要敘述了機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程 。
首先，本文介紹碼垛機(jī)械手的作用，碼垛機(jī)械手的組成和分類，說(shuō)明了自由度和機(jī)械手 整體座標(biāo)的形式。同時(shí)，本文給出了這臺(tái)機(jī)械手的主要性能規(guī)格參量。
文章中介紹了碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)理論與方法。全面詳盡的討論了碼垛機(jī)械手的手部、腕 部、手臂以及機(jī)身等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：碼垛機(jī)械手，電機(jī)，絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)。
28
ABSTRACT
In modern industry, the automation of the production process has become a prominent theme.Increasingly high level of automation in all walks of life, modern processing plant, often with a mechanical hand in order to improve production efficiency, to complete it hard for workers to complete the work or risk
With the development needs of industrial automation, mechanical hand more and more important in industrial applications.Used to reproduce the function of the technical staff of the device is called robot.Robot is modeled on the part of staffing action, according to a given program, automatically track and requirements capture, handling or operation of the automatic mechanical devices.Application in industrial production is known as industrial robot manipulator.This paper mainly describes the design of the manipulator calculation.
First, the article describes the role of robot palletizing, robotic palletizing composition and classification, indicating the degree of freedom and the coordinates in the form of the whole manipulator.Meanwhile, this paper, the machinery of the main performance specifications of hand parameters.
Article describes the robot palletizer design theory and methods.Comprehensive and detailed discussion of the palletizing robot's hand, wrist, arm and body and other major components of the structural design.
Key words: Palletizer robot, motor, screw nut transmission.
第一章 緒 論
1.1 前言
用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給 定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械 手被稱為工業(yè)機(jī)器手。
工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng) 中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門(mén)新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。 機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科 學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。
工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器 人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有 人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作 業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。
機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操 作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝 卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著 的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國(guó)家的重 視，投入大量的人力物力來(lái)研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性 和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受 到機(jī)械工業(yè)的重視。
機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬 運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。
機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú) 立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械 手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中 小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
1.2 機(jī)械手的簡(jiǎn)史
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于 20 世紀(jì) 50 年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn) 品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。
機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的 結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962 年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商 名為 Unimate(即萬(wàn)能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系
統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司 和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司（Unimaton）,專門(mén)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962 年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫 Versatran 機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī) 械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再 現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978 年美國(guó) Unimate 公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 Unimate-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)，定位誤差可小于±1 毫米。美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指 一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由 400 小時(shí)提高到1500 小時(shí)，精度可提高到±0.1 毫米。
德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從 1970 年開(kāi)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)。德國(guó) KnKa 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。
瑞士 RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自 1969 年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979 年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位 多達(dá) 50 多個(gè)。1976 年個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門(mén)用在機(jī)械手的研究費(fèi)用 42%。1979 年日本機(jī)械 手的產(chǎn)值達(dá) 443 億日元，產(chǎn)量為 14535 臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá) 222 億日元，是 1978 年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為 67 億日元，比 1978 年增長(zhǎng) 50%。智能機(jī)械手約為 17 億日元，為 1978 年的 6 倍。截止 1979 年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá) 56900 臺(tái)。 在數(shù)量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～60%的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽 車(chē)工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到 1990 年將有 55 萬(wàn)機(jī)器人在工作。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力， 甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。 目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。
第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè) 備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制 造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐 美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。
1.3 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用
機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作， 如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛廣泛。
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越 高，現(xiàn)代化加工車(chē)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(guó)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(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于 完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)械手 加工行業(yè)中用于取料、送料；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)這類工作 的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象。下面具體說(shuō)明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。
1.4 機(jī)械手的組成
工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成
1.4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真 空式的空氣吸盤(pán)（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤(pán)。
傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、 絲杠螺母式、彈簧式和重力式。
2）腕部 可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈 巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn) 化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部
目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但 回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在 要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。
3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或 夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位）， 則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手 臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。
手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部 的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多， 受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的 工作性能。
4）立柱 立柱式支承手臂的部件，立柱野可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降
運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作 橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。
5） 機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī) 座上，故起支撐和連接的作用
1.4.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大 致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸 緊湊、重量輕、控制方便。
1.4.3 控制系統(tǒng)分類
在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位控制， 也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。 主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。
1.5 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)
1.5.1 國(guó)外機(jī)械手領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)：
目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算 機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)想的能力。研究安裝各種傳感器，能把感覺(jué)到的信 息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。 國(guó)外也出現(xiàn)了第三代機(jī)械手，它能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè) 備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
1.5.2 我國(guó)機(jī)械手領(lǐng)域的現(xiàn)狀及發(fā)展:
1）碼垛機(jī)器人的市場(chǎng)需求
目前，在通貨膨脹、人力成本逐漸升高的經(jīng)濟(jì)背景下，從現(xiàn)有國(guó)內(nèi)啤酒、飲料工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，機(jī)器人需求量將相當(dāng)可觀。業(yè)界已給出高度的評(píng)價(jià)和關(guān)注。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，市場(chǎng)每年的需求在 150 臺(tái)套以上。每年可為啤酒、飲料包裝行業(yè)增加產(chǎn)值 1.5 億元，既可帶
動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈同步發(fā)展，又對(duì)推進(jìn)社會(huì)進(jìn)步和科技創(chuàng)新具有著深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。 我國(guó)啤酒、 飲料行業(yè)有數(shù)百家生產(chǎn)廠家、數(shù)千條 20，000 瓶/小時(shí)和數(shù)百條 40，000 瓶/小時(shí)包裝生產(chǎn)線。 大部分生產(chǎn)線是人工碼垛人庫(kù)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工傷事故率高，增加了啤酒、飲料企業(yè)的 生產(chǎn)管理成本。近年來(lái)，一些大型啤酒、飲料企業(yè)，特別是新建工廠，開(kāi)始購(gòu)置碼垛設(shè)備， 需求量增長(zhǎng)幅度較大。
2） 碼垛機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展
①寶雞新科機(jī)械制造有限公司在熱縮膜包裝機(jī)、40/60 型紙箱包裝機(jī)上成功地應(yīng)用了 4-7 軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、PLC、人機(jī)界面，CAN 總線技術(shù)，技術(shù)水平已與國(guó)際同步，可與機(jī)器人配套
使用。 ②機(jī)械設(shè)計(jì)采用目前國(guó)際流行的適于精密控制用的行星減速機(jī)，減速比 1:192~256， 瞬時(shí)輸出扭矩可達(dá)到 16,OOONm，額定扭矩 8,OOONm，特別適用于重載機(jī)器人。 ③針對(duì)每分 鐘碼垛 70 箱，即每小時(shí)完成 4,200 箱的生產(chǎn)能力要求，理論上可以碼垛 50,400 瓶/小時(shí)，
可以滿足目前國(guó)內(nèi)啤酒飲料 40,000 瓶/小時(shí)的啤酒飲料灌裝生產(chǎn)線的需要。 3） 碼垛機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)
近幾年，啤酒、飲料、乳品等食品行業(yè)經(jīng)歷了前所未有的高速增長(zhǎng)，然而隨著原料、包 裝、物流、營(yíng)銷(xiāo)、人力等成本的不斷上漲，國(guó)內(nèi)外對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的提高以及產(chǎn)業(yè)集團(tuán)化、 規(guī)?；蛧?guó)際化進(jìn)程的加快，啤酒、飲料、乳品等食品企業(yè)正面臨著成本控制和產(chǎn)品升級(jí)換 代的挑戰(zhàn)。同時(shí)消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和多樣化的要求越來(lái)越高，生產(chǎn)工藝和設(shè)備革新也勢(shì)在必 行。 新技術(shù)、新設(shè)備、新材料不僅可幫助企業(yè)根據(jù)各自的需求和企業(yè)文化開(kāi)發(fā)個(gè)性化的產(chǎn) 品和包裝，而且可以降低原材料、設(shè)備和生產(chǎn)能耗等成本，增加企業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。
1.6碼垛機(jī)械手
碼垛機(jī)械手的能力比普通機(jī)械式碼垛、人力都還要高。結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，所以故障率低，容易保養(yǎng)，維修。主要構(gòu)成零件少，配件少，所以維持費(fèi)用很低。碼垛機(jī)械手可以設(shè)置在狹窄的空間，即可有效的使用。全部控制可在控制柜屏幕上操作即可，操作非常簡(jiǎn)單。通用性強(qiáng)：通過(guò)更換機(jī)械手的抓手即可完成對(duì)不同貨物的碼垛及拆垛，相對(duì)降低了客戶的購(gòu)買(mǎi)成本。
本設(shè)備適應(yīng)于化工、飲料、食品、啤酒、塑料等自動(dòng)生產(chǎn)企業(yè)；對(duì)各種紙箱、袋裝、罐裝、啤酒箱等各種形狀的包裝都適應(yīng)。機(jī)械手碼垛的程序里所需要定位的只有兩點(diǎn)，1個(gè)是抓起點(diǎn)，1個(gè)是擺放點(diǎn)，這兩點(diǎn)之間以外的軌道全由電腦來(lái)控制，電腦自己會(huì)尋找這兩點(diǎn)的最合理的軌道來(lái)移動(dòng)，所以編程方法極為簡(jiǎn)單。而其他廠家的機(jī)器手從抓起點(diǎn)到擺放點(diǎn)之間必須設(shè)定5至6個(gè)通過(guò)點(diǎn)，機(jī)器手必須通過(guò)這些點(diǎn)來(lái)移動(dòng)，導(dǎo)致編程方法操作方法復(fù)雜、難解。
目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了多家的碼垛機(jī)械手生產(chǎn)企業(yè)，這些企業(yè)的出現(xiàn)使得進(jìn)口產(chǎn)品的價(jià)格下降很多，促進(jìn)了碼垛機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，但是這些企業(yè)的產(chǎn)品在性能上與進(jìn)口產(chǎn)品還有一定的差距，同時(shí)很多企業(yè)的產(chǎn)品的控制系統(tǒng)都是購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的，這就受制于國(guó)外。
目前國(guó)內(nèi)也有許多做運(yùn)動(dòng)控制或者數(shù)控系統(tǒng)的企業(yè)也看到了這已市場(chǎng)，有個(gè)別企業(yè)推出了自己的碼垛機(jī)械手控制系統(tǒng)，而且在市場(chǎng)取得了一定的成績(jī)，比如濟(jì)南凌康數(shù)控技術(shù)有限公司等公司。他們把運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)控技術(shù)應(yīng)用到碼垛機(jī)械手的控制上，取代了替代進(jìn)口系統(tǒng)的作用，同時(shí)也比PLC開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)性能要好許多。
1.7本章小結(jié)
本文研究了國(guó)內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了碼垛機(jī)械手 的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了碼垛機(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)碼垛機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了 單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計(jì)工作（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng) 部分）的設(shè)計(jì)工作。
第二章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案
本課題是碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)。在本章中對(duì)機(jī)械手的座標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此，在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，然后通過(guò)軟件對(duì)碼垛機(jī)械手的運(yùn)行進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)仿真。
設(shè)計(jì)要求：
碼垛機(jī)械手應(yīng)用于包裝機(jī)械行業(yè)，現(xiàn)在最新型的碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、速度快、安全、節(jié)能美觀，整機(jī)功率小比傳統(tǒng)的碼垛機(jī)在電能上每年可以節(jié)省 10 萬(wàn)以上。并且可以大大的縮短生產(chǎn)線的長(zhǎng)度，減少設(shè)備量，簡(jiǎn)化工作程序。
2.1 機(jī)械手基本形式的選擇
常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手; ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手; (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。圖1是碼垛機(jī)械手圖。
圖1碼垛機(jī)械手
2.2 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)
在圓柱坐在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求， 本設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手具有4個(gè)自由度既：手抓張合；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降4個(gè)主要運(yùn) 動(dòng)。
本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由3個(gè)大部件、2個(gè)液壓缸、一個(gè)絲桿螺母副組成：（1）手部，采用一個(gè)直線液壓缸，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手抓的張合。（2）臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂平動(dòng)（3）機(jī)身，采用一個(gè) 絲桿螺母副來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。
2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決 于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、 電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用氣動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方 便，動(dòng)作迅捷等優(yōu)點(diǎn)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇氣壓驅(qū)動(dòng)。如圖所示：
2.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表
1）用途：碼垛箱體
2）設(shè)計(jì)要求: 機(jī)械手裝置總裝配圖一張，若干部件圖和零件圖， 設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)一本。
3）設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
1、抓重: 20-200kg
2、自由度數(shù):4自由度
3、座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo)
4、最大工作半徑:3m
5、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮行300mm
6.升降行程：980mm
7.回轉(zhuǎn)范圍: 0-360°。
2.5 手臂的配置形式
機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運(yùn)動(dòng)要求、操作環(huán)境、工作對(duì)象的 不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機(jī)械手采用機(jī)座式。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采 用，機(jī)座上可以裝上獨(dú)立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走機(jī)構(gòu)，以擴(kuò)大其活動(dòng)范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在機(jī)座立柱上兩種形式，本機(jī)械手 采用手臂配置在機(jī)座立柱上的形式。手臂配置在機(jī)座立柱上的機(jī)械手多為圓柱坐標(biāo)型，它有 升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作范圍較大。
2.6 位置檢測(cè)裝置的選擇
機(jī)械手常用的位置檢測(cè)方式有三種：行程開(kāi)關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。本機(jī)械手采用行程 開(kāi)關(guān)式。利用行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)位置，精度低，故一般與機(jī)械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機(jī)械手中，用行 程開(kāi)關(guān)與機(jī)械擋塊檢測(cè)定位既精度高又簡(jiǎn)單實(shí)用可靠，故應(yīng)用也是最多的。
2.7 本章小結(jié)
本章對(duì)機(jī)械手的整體部分進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，選擇了機(jī)械手的基本形式以及自由度，確定 了本設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)，給出了設(shè)計(jì)中機(jī)械手的一些技術(shù)參數(shù)。下面的設(shè)計(jì)計(jì)算將以次進(jìn)行。
第三章 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 概述
手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人 手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人 的手指、，它沒(méi)有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用 場(chǎng)合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計(jì)各種類型的手 部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力 機(jī)構(gòu)組成。
3.2 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題
1）應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
2）手指間應(yīng)有一定的開(kāi)閉角兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角保 證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。
3）應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動(dòng)定心。
4）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊， 自重輕。
5）應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求 應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來(lái)設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。
3.3 手部設(shè)計(jì)基本要求
（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需 的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。
（2） 手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開(kāi)閉角度（手指從張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度），以便于抓取工件。
（3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。
（4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。
3.4 典型的手部結(jié)構(gòu)
（1） 回轉(zhuǎn)型：包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。
（2） 移動(dòng)型：移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
（3）平面平移型。
3.5 機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.5.1 選擇手抓的類型及夾緊裝置
本設(shè)計(jì)是碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：碼垛高度最大900mm；碼垛
寬度最大1300mm；抓取重量：20-200kg；碼臺(tái)距離3m。常用的工業(yè)機(jī)械手手部,按握持工件 的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不 適合用于本方案。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。
平移型手指的張開(kāi)閉合靠手指的平行移動(dòng),這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 適于夾持平板方料, 且 工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。
通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇平移型手抓。在壓力油作用下，連桿移位，從使機(jī)械手手指 張開(kāi)與閉合。
3.5.2 手抓的力學(xué)分析
下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：
機(jī)械手手部受力圖
由I, Fx =0 得
F ＝ F
（3-1）
1 2
I, Fy =0 得
F
F1 ＝ （3-2）
2cos a
1 1
F ＝ 一F '
FN
由I, M 01 ( F ) =0 得 F1 ＝ co s( a ＋ b ) * L2
sin b * L1
(3-3)
F ＝
2 sin a * co s ( a ＋ b ) * L2
FN
sin b * L1
(3-4)
由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 F 一定時(shí)，a 角減小，b 角增大，（a+b）角減小，則握力 FN 也隨 之改變，但（a+b）角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好a ＝ 55。 一 30。 ， a ＋ b ＝ 70。 一 60。 。
3.5.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分 析計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生 的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算：
FN 三 K1K2 K3G
(3-5)
式中 K1 ——安全系數(shù)，通常 1.2 - 2.0；
2
k2 ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦?K
b
＝ 1 +
，
a
重力方向的最大上升加速度； a ＝ vmax
t響
vmax ——運(yùn)載時(shí)工件最大上升度;
(3-6)
t響 ——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取0.03-0.5s;
K3 ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇; G——被抓取工件所受重力（N）。
表 3-1 氣缸的工作壓力
作用在手指上外力
F（N）
氣缸工 作 壓 力
Mpa
作用在手指上外力
F（N）
氣缸 工 作 壓 力
Mpa
小于 5000
0.8-1
20000-30000
3.0-4.0
5000-10000
1.5-2.0
30000-50000
4.0-5.0
10000-20000
2.5-3.0
50000 以上
5.0-8.0
計(jì)算：設(shè) a=1632mm,b=2616mm,
;機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間0.5S，求夾緊力FN和驅(qū)動(dòng)力F 和氣缸的寸。
(1)設(shè) K1 ＝ 1.5
0.1
0.5
2
K ＝ 1 ＋ ab =1 ＋ =1.02
K3 ＝ 0.5
根據(jù)公式，將已知條件帶入：
9.8
FN ＝ 1.5 *1.02 * 0.5 * 2000 ＝ 1530N
(3-7)
（2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得：
（3）取h ＝ 0.85
2 sin 5 5 * co s7 0 * 2 6 1 6
F ＝
*1530＝ 5310
sin15*1632
(3-8)
（4）確定液壓缸的直徑 D
F實(shí)際
＝ p (D2 一 d 2 ) p
4
(3-9)
選取活塞桿直徑 d=0.5D,系統(tǒng)液壓缸壓力油工作壓力 P=16MPa,
D=32mm，考慮安全因素選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm 則活塞桿內(nèi)徑為:選取 d=30mm
3.5本章小結(jié)
通過(guò)本章的設(shè)計(jì)計(jì)算，先對(duì)碼垛機(jī)械手部結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，然后分別對(duì)碼垛機(jī)械手手 部結(jié)構(gòu)的夾緊力、驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算。
第四章 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求
（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力 求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。
（3）必須考慮工作條件 對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒(méi)有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒(méi)有太多不利因素。
4.2 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.2.1 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù)
夾取工件重量 200Kg
4.2.2 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
M ＝ 200 ′10 ′ 2630 ′ 0.001 ＝ 526000N · m
(4-1)
F1 ＝ F2
F1′ (1/ 3l) ＋ F 2 ′ (1/ 3l ) ＝ M
得：
F ＝ 475KN
（4-2）
（4-3）
t ＝ F 1 ＝ 4 7 5 ′1 0 0 0 ＝ 242MPa ＜ [t ] ＝ 432MPa
（4-4）
A 1 p ′ 0.05 ′ 0.05
4
4.3 本章小結(jié)
本章選擇了具有一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的腕部結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行的腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算。
21
第五章 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算
手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具）， 并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的 伸縮運(yùn)動(dòng)，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章敘述。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部應(yīng)該具 備 3 個(gè)自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通 常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受手部、 和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響 到機(jī)械手的工作性能。
5.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求
臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕：
（1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。
（2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離。
（3） 合理布置作用力的位置和方向。
（4） 注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
（5） 提高配合精度。
臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要?。?
機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對(duì)于高速
度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在1000-1500mm/s，大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在360°內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為1000mm / s ，平均回轉(zhuǎn)角速度在90°/s。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 3 個(gè)途徑：
（1） 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料。
（2） 減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸。
（3） 減少回轉(zhuǎn)半徑 p ，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可 能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作。
（4） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。
5.1.1手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活
為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)要使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自 鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。
總結(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問(wèn)題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美 的、性能良好的機(jī)械手。
5.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇
5.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
常見(jiàn)的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：
（1）雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。
（2）手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn) 動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。
（3） 雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。
（4） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。
5.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
通過(guò)以上，綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇伸縮機(jī)構(gòu)，使用氣壓驅(qū)動(dòng)。
5.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再 進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。
做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的氣壓的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)氣壓運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性等幾個(gè)方面的阻力，來(lái)確定來(lái)確定氣壓所需要的驅(qū)動(dòng)力。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。
F=F力+F摩+F回+F損 （5-1）
5.3.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算
分析：
摩擦力的計(jì)算，不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。
計(jì)算如下：
I, Fx ＝ 0
I, Fy ＝ 0
I, M (F) ＝ 0
cos12*F + cos15*F 2 ＝ cos15F1
sin12*F + sin15*F 2 + G1+ G2 ＝ sin15*F1
F *119 ＝ F 2 *138 ＋ 3342G1 ＋ 788G2
（5-2）
（5-3）
（5-4）
F=100334N F1=23930N F2=125298N
5.3.2密封裝置的摩擦阻力
不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用 v 型密封，當(dāng)氣缸工作壓力大于 10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：
F封 ＝ 0.03F 。 （5-6）
經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力：
F ＝ 0.03F ＋ F力 ＋ ＋F慣 =123411N （5-7）
5.4本章小結(jié)
本章設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，手臂采用伸縮機(jī)構(gòu)，對(duì)驅(qū)動(dòng)的氣缸的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。
第六章 機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算
機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的 機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道 運(yùn)動(dòng)。
6.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì)
按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂 3600 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì) 在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮，分析。
機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以 下幾種：
（1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大。
（2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回 轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。
（3） 絲桿螺母和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)齒條齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn) 動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。
分析：
經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用絲桿螺母和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)
身的回轉(zhuǎn)和升降。絲桿螺母和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂部件與絲桿螺母連接，齒條齒輪機(jī) 構(gòu)上的輸出齒輪與由絲桿螺母上的齒輪相嚙合，帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
6.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算：
手臂的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩 M 驅(qū) ，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 M 慣 及各密封裝置處的 摩擦阻力矩 M阻 相平衡
慣性力矩的計(jì)算
M 驅(qū) ＝ M 慣 ＋ M阻 ＋ M回 （6-1）
式中 丘w ——回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片角速度變化量（ rad s ），在起動(dòng)過(guò)程中 丘 w =w ；
丘 t——起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間(s);
J0 ——手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ N · m · s2 ）。 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為 p ，則
J0 ＝ Jc
＋ G 2
p
g
（6-3）
式中 JW ——回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
＝
m
6.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算
6.3.1 手臂偏重力矩的計(jì)算
（1） 零件重量G工件 、G爪 、G腕 、G臂 和G配重 ＝ 200Kg 等。
G工件 ＝ 200Kg
現(xiàn)在對(duì)機(jī)械手手臂做粗略估算：G爪和G腕，G臂總共 ＝ 600Kg
G總 ＝ G工件 ＋ G爪 ＋ G腕 ＋ G臂 ＋ G配重 ＝ 1000Kg
（ 6-5）
(2)計(jì)算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離 p 。
p 工件 =3556mm
p手和腕 =1802mm
p臂 =400mm
p配重 ＝ 1350mm
所以，回轉(zhuǎn)半徑 p ＝ 1200mm
(3) 計(jì)算偏重力矩
（6-6）
M 偏 ＝ G總
M 偏 ＝ G總 p
＝ 1000 ′ 9.8 ′1.2 ＝ 11760N · m
（6-7）
6.3.2 手臂做升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
F ＝ F慣 ＋ F摩 ＋ F密 ＋ G （6-9）
F摩 ＝ F1f （6-10）
G——零件及工件所受的總重；
式中 F摩 —— 摩擦阻力
取 f=0.16
絲桿螺母向上驅(qū)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)=14421N ，當(dāng)絲桿螺母向下驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)=5835N
6.4 軸承的選擇分析
對(duì)于升降缸的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于機(jī)身回轉(zhuǎn)用的軸承有影響，因此，這里要充分考慮這個(gè)問(wèn)題。 對(duì)于本設(shè)計(jì)，應(yīng)能承受雙向軸向載荷。
本設(shè)計(jì)采用一個(gè)雙列圓錐滾子軸承和一個(gè)單列圓錐滾子軸承，選型分別為
351068
32968
Cr ＝ 1870kN Cr ＝ 1050kN
6.5 齒輪的選型
采用直齒漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)） 硬度為 280HBS 選擇齒輪齒數(shù)為 75
試選載荷系數(shù) Kt=1.3
由齒輪轉(zhuǎn)矩 T1=2113 N · m
齒寬系數(shù)
中d =1
2
由表查得材料的彈性影響系數(shù) ZE ＝ 189.8MPa
按齒面硬度查得齒輪的疲勞強(qiáng)度極限sH lim 1 ＝ 600MPa
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 取疲勞壽命系數(shù)
N ＝ 60njLh ＝ 60 ′ 26.7 ′1′ (2 ′ 8′ 300 ′15) ＝ 1.15 ′ 10 · 8
KHN ＝ 0.9
（6-11）
H
計(jì)算疲勞需用應(yīng)力
s ＝ K NHs lim ＝ 0.9 ′ 600 ＝ 540MPa s
（6-12）
按設(shè)計(jì)要求取
d ＝ 600mm
疲勞極限
sFE ＝ 500MPa
疲勞壽命系數(shù)
KFN ＝ 0.85
彎曲疲勞需用應(yīng)力 S=1.4
[sF
] ＝ K FN K FE ＝ 303.57MPa S
（6-13）
齒形系數(shù)
YFa ＝ 2.15
齒形校正系數(shù)
YSa ＝ 1.28
6.6 本章小結(jié)
本章對(duì)機(jī)械手的機(jī)身進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分別對(duì)機(jī)身的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，這是機(jī)身設(shè)計(jì)中不可缺少的部分。
第七章 絲桿設(shè)計(jì)
滾珠絲杠副的優(yōu)點(diǎn)
滾珠絲杠副與普通絲杠副 相比較有如下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn) ：
1、傳動(dòng)效率高：滾珠絲杠副的機(jī)械效率可達(dá)90%以上，比普通梯形絲杠副的高 2-4倍，其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較普通絲副可減少2/3。
2、靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn)：由于滾珠絲杠副是滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差極小。因此無(wú)論是在靜止時(shí)還是在低速、高速傳動(dòng)時(shí)摩擦轉(zhuǎn)矩幾乎不變。
3、磨損小，壽命長(zhǎng)：滾珠絲杠副的主要零件采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制成，其滾道表面淬火硬度達(dá)到60-62HRC，并有較低的表面粗糙度，再者由于滾動(dòng)摩擦的磨損很小，因而具有良好的耐磨性，可以高速運(yùn)行。
4、可消除軸向間隙，提高軸向精度：在滾珠絲杠副中可以用預(yù)加載荷的方式，使反向時(shí)無(wú)空行程，還可以用預(yù)拉伸絲杠的辦法提高絲杠的系統(tǒng)剛度和減少絲杠 的熱伸長(zhǎng)，以提高其軸向剛度。
7.1滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算
工作臺(tái)行程 XYZ:600 ×400 ×400 mm，工作臺(tái)重量為lOOON，工件及卡具重量4000N ，工作臺(tái)導(dǎo)軌的動(dòng)摩擦因數(shù)u = 0.1，靜摩擦因數(shù)f = 0 .2快速進(jìn)給速度Vmax = 15m/min，全程定位精度g，重復(fù)定位精度6pm，要求壽命20000h（兩 班制十年），可靠度97%。
計(jì)算與說(shuō)明 主要參照 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 第五版第三卷
1. 初步確定絲杠導(dǎo)程 （mm )
由于伺服電機(jī)與絲杠直接聯(lián)接，且νmax =15m / min，ax=1500r/min
2. 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷 F
由ν1 = 0.6，ν2= 0.8，ν3＝1，ν4=15可得：
n1=60,n2=80,n3=100,n4=1500。
得： F = 1650 N
3. 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 n(r/min)
n1= 60,n2=80,n3=100,n4=1500得:n=230 r/min
4 ） 當(dāng)量載荷 F
由n=230r/min得：F=1129N
4. 確定允許的最小螺紋底徑：
1） 估算絲杠允許的最大軸向變形量。
2） 估算最小螺紋底徑d2。
絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定支撐方式。
5. 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)：
1） 選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)反向法蘭，直筒雙螺母墊片預(yù)緊形式，
2） 選擇絲杠型號(hào)FFZD4010-3。
6. 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力
7. 行程補(bǔ)償值 C=19.5μm。
8. 確定滾珠絲杠副支承用的軸承型號(hào)規(guī)格
1） 軸承所受的最大軸向載荷
2） 軸承類型：兩端固定的支承形式，選擇正面接觸角接觸選 72068 型角球軸承。
3） 軸承內(nèi)徑d(mm)
9. 根據(jù)工作圖確定絲杠全長(zhǎng)（工作圖見(jiàn)總裝配圖）
1） 絲杠螺紋長(zhǎng)度 Ls
則：Ls = 660 + 80 = 740 mm
2 ） 兩固定端距離L1 = 800 mm
3） 絲杠全長(zhǎng)L(mm)L = 1000 mm
4） 行程起點(diǎn)離固定端距離L0 = 30 mm
10. 滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速n的計(jì)算
11. 滾珠絲杠壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算:因最大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸力，絲杠不會(huì)受壓，不用驗(yàn)算。
12. 最終確定滾珠絲杠副的規(guī)定代號(hào)
型號(hào)為 FFZD4010-3 -P3 ，具體尺寸見(jiàn)裝配圖。
7.2電機(jī)的選擇
7.2. 1電機(jī)的選型條件
所選伺服電機(jī)，應(yīng)滿足下列條件：
1、在所有進(jìn)給調(diào)速范圍內(nèi)〈包括快速移動(dòng)〉，空載荷進(jìn)給力矩應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。
2、最大切削力矩小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。
3、加速時(shí)間應(yīng)符合所希望的時(shí)間常數(shù)。
4、快速進(jìn)給頻率在希望值以內(nèi)。
7. 2. 2電機(jī)的選擇
1、最高轉(zhuǎn)速的選擇
伺服電機(jī)最高轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng) 的快速進(jìn)給速度絲杠螺距及傳動(dòng)系統(tǒng)的 減速比來(lái)確定。
2、位置反饋編碼器的選擇
位置反饋編碼器的選擇應(yīng)根據(jù)機(jī)床所需的最小移動(dòng)單位 ，絲杠螺距及減速比
為參數(shù)確定。
3、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 實(shí)際機(jī)床上 ，由于存在傳動(dòng)效率和摩擦系數(shù)因素，滾珠絲杠克服外部載荷。
第八章 結(jié)論
通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我了解了機(jī)械手的很多相關(guān)知識(shí)。使我也了解了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在此 方面的一些先進(jìn)生產(chǎn)和制造技術(shù)，了解了機(jī)械手設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，通過(guò)對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 作了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握了一定的機(jī)械設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)，為以后的工作學(xué)習(xí)創(chuàng)造了一定基礎(chǔ)。 1、本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)碼垛機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)及機(jī)械手的控制做了系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì)，并不完
善，需要在以后的工作學(xué)習(xí)中進(jìn)一步了解和掌握。
2、本次設(shè)計(jì)的是碼垛機(jī)械手設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為緊湊，相對(duì)于通用機(jī)械手，因此，動(dòng) 作固定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)成本低廉，專用性比較高，可實(shí)現(xiàn)車(chē)間內(nèi)的一些搬運(yùn)工作。
3、采用氣壓傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使機(jī)械手用途更廣， 定位精度一般非常高，在1mm內(nèi)。
4、該機(jī)械手將手指夾緊面放在箱體的兩面上，將箱體夾緊.避免工件因受力大而損 壞。同時(shí)增加了夾緊工件的
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