塑件取件機(jī)械手結(jié)構(gòu)及造型設(shè)計(jì)

1、上海交通大學(xué)本科畢業(yè)論文塑件取件機(jī)械手結(jié)構(gòu)及造型設(shè)計(jì)Structure and Form Design of Plastic Parts上海交通大學(xué)教育學(xué)院二一七年二月畢業(yè)論文聲明本人鄭重聲明：1、此畢業(yè)論文是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究取得的成果。除了特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，本文不包含其他人或其它機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人與集體均已在文中作了明確標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。2、本人完全了解學(xué)校、學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校與學(xué)院保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交此論文的復(fù)印件和電子版，允許此文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海交

2、通大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院可以將此文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本文。3、若在上海交通大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)論文審查小組復(fù)審中，發(fā)現(xiàn)本文有抄襲，一切后果均由本人承擔(dān)（包括接受畢業(yè)論文成績不及格、繳納畢業(yè)論文重新寫作費(fèi)、重新寫作畢業(yè)論文、不能按時(shí)獲得畢業(yè)證書等），與畢業(yè)論文指導(dǎo)老師無關(guān)。作者簽名： 日期： 塑件取件機(jī)械手結(jié)構(gòu)及制造設(shè)計(jì)摘要從定義上來講，所謂機(jī)械手，也就是模仿人類肢體，幫助人們或者替代人們執(zhí)行動作的一種機(jī)械設(shè)備， 并且隨著科技以及制造業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)械手得到了越來越多的應(yīng)用，成為了制造業(yè)生產(chǎn)大軍中不可或缺的一份子。本次設(shè)計(jì)的是針對于注塑

3、機(jī)流水線設(shè)備而專門去設(shè)計(jì)的一種五自由度機(jī)械手，縱觀近年來國內(nèi)從事塑件取件機(jī)械手生產(chǎn)的企業(yè)，數(shù)目十分稀少，且獨(dú)創(chuàng)性弱，過分依賴仿制。而大量的產(chǎn)品都來自于他國進(jìn)口，但是其設(shè)計(jì)思路都較為西方化，不適合中國人的操作習(xí)慣。因此我們有必要生產(chǎn)出中國化的塑件取件機(jī)械手。關(guān)鍵詞：注塑機(jī) 機(jī)械手 流水線 、Structure and Form Design of Five - degree - of - freedom Plastic PartsAbstractBy definition, the so-called manipulator, that is, to imitate the human limb

4、, to help people or replace the implementation of a mechanical action, and with the rapid development of technology and manufacturing, robot has been more and more applications, Manufacturing industry, an indispensable part of the army. This design is for injection molding machine assembly line equi

5、pment and specifically to design a manipulator of five degrees of freedom, look at the domestic plastic parts in recent years in the production of robots of the enterprise, the number is very scarce, and the originality of the weak, over-reliance on imitation. And a large number of products are impo

6、rted from other countries, but its design ideas are more Western, not suitable for the Chinese people's operating habits. Therefore, we need to produce the Chinese plastic parts pick-up robot.Key words: Injection molding machine; manipulator; pipeline 目 錄1 概述1.1機(jī)械手的發(fā)展及其應(yīng)用1.2機(jī)械手的組成1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容2 專用機(jī)械手

7、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案3 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.2 氣動驅(qū)動力計(jì)算3.3 夾緊力計(jì)算4 機(jī)械手手腕部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模4.2手腕驅(qū)動力矩計(jì)算結(jié)束語致謝參考文獻(xiàn)引 言 眾所周知，無論對哪個(gè)國家而言，機(jī)械制造業(yè)都屬于較為基礎(chǔ)的行業(yè)，它一方面為國家工業(yè)提供技術(shù)與裝備，另一方面促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此它的發(fā)展水平是可以有效衡量國家工業(yè)化程度。但是作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)的學(xué)生，我們更加應(yīng)該非常從專業(yè)性角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出的確利于民生發(fā)展的自動化設(shè)備。經(jīng)過精挑細(xì)選、深思熟慮之后我選了應(yīng)用前景廣、設(shè)計(jì)較為細(xì)化的機(jī)械手作為我

8、的論文課題。 塑件取件機(jī)械手，顧名思義就是為了使注塑機(jī)的流水線生產(chǎn)更加高效化、自動化的一種工業(yè)設(shè)備，它作為自動化生產(chǎn)用具，可以代替人們的體力勞動，大大提高了注塑成型機(jī)的生產(chǎn)效率，且其生產(chǎn)環(huán)境也是安全的，產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定。不僅如此，生產(chǎn)成本和次品率得以大幅度降低、可以使得注塑機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的競爭力大幅提高。是應(yīng)用性很強(qiáng)的機(jī)械產(chǎn)品。 縱觀近年來國內(nèi)從事塑件取件機(jī)械手生產(chǎn)的企業(yè)，數(shù)目十分稀少，且獨(dú)創(chuàng)性弱，過分依賴仿制。而大量的產(chǎn)品都來自于他國進(jìn)口，但是其設(shè)計(jì)思路都較為西方化，不適合中國人的操作習(xí)慣。因此我們有必要生產(chǎn)出中國化的塑件取件機(jī)械手。就目前而言，我國開發(fā)的注塑機(jī)主要存在控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，這就契

9、合了本課題的目標(biāo)：開發(fā)出一種高效率、低成本、性能穩(wěn)定的塑件取件機(jī)械手。1 概述1.1機(jī)械手的發(fā)展及其應(yīng)用 從定義上來講，所謂機(jī)械手，也就是模仿人類肢體，幫助人們或者替代人們執(zhí)行動作的一種機(jī)械設(shè)備， 并且隨著科技以及制造業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)械手得到了越來越多的應(yīng)用，成為了制造業(yè)生產(chǎn)大軍中不可或缺的一份子。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，并且是迅速的發(fā)展，機(jī)械手（機(jī)器人）已經(jīng)成為了一門學(xué)科。它包含了各種領(lǐng)域，可以說是目前涉及領(lǐng)域最廣的一門學(xué)科，如今的高科技機(jī)械手一般涉及到人體工程學(xué)，工程力學(xué)，材料力學(xué)，電力工程學(xué)，生物學(xué)等等幾十個(gè)領(lǐng)域。機(jī)械手的技術(shù)水平也就指的是我國幾十個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)水平，所以可以肯定地說，機(jī)械手

10、的發(fā)展水平在某種程度上就直接代表了一個(gè)國家科技發(fā)展的水平1。從最初的機(jī)械手的產(chǎn)生開始，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)暮唵危瑑H僅涉及到了一兩個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，并且有很大的局限性，專用性這個(gè)特點(diǎn)在那個(gè)時(shí)期可以說是機(jī)械手最大的短板。如今的機(jī)械手，在科技發(fā)展以及工業(yè)急速發(fā)展所產(chǎn)生需求的共同催生下，機(jī)械手變得越來越復(fù)雜，專用性這個(gè)特點(diǎn)不再成為機(jī)械手的發(fā)展劣勢，甚至在一些行業(yè)，專用性必不可少，不可替代，因此可以看出，機(jī)械手的存在是多么的重要2。我國在二十世紀(jì)末期制定了有關(guān)工業(yè)機(jī)械手的研究計(jì)劃，發(fā)展至今，我國已經(jīng)完全掌握了相關(guān)的技術(shù)，能夠自主的去研發(fā)各種類型的機(jī)械手，不管是機(jī)械結(jié)構(gòu)還有軟硬件都運(yùn)用自如，如今工業(yè)生產(chǎn)中最為常見的機(jī)械

11、手按照功用可以分為：搬運(yùn)、組裝、分配、焊接機(jī)械手等等。盡管我國機(jī)械手的應(yīng)用已經(jīng)十分的廣泛，但是跟國際發(fā)達(dá)國家相比，差距真的不是一點(diǎn)兩點(diǎn)，我國對工業(yè)機(jī)械手的研究起步比較晚，其他附屬技術(shù)同國外也存在很大差距，這兩點(diǎn)是導(dǎo)致我國生產(chǎn)的機(jī)械手與其他國家機(jī)械手存在這么大差距的主要因素。我國近些年來才開始對機(jī)械手有了更多的重視，但是目前還未生成一套完善的機(jī)械手產(chǎn)業(yè)，發(fā)展規(guī)模以及投資力度將會是我國機(jī)械手崛起的重要依托，同時(shí)我國高科技技術(shù)的研究發(fā)展也會為我國的機(jī)械手發(fā)展保駕護(hù)航3。機(jī)械自動化行業(yè)發(fā)展的歷史并不長，但是目前自動化產(chǎn)業(yè)的重要程度不可忽視，自動機(jī)械手的出現(xiàn)顯的十分迫切。我國二十世紀(jì)末二十一世紀(jì)出，開始

12、研究專用機(jī)械手，直到2008年，我國自主研究的第一臺重量級機(jī)械手出現(xiàn)，并且被投入我國國產(chǎn)汽車品牌奇瑞汽車的生產(chǎn)線當(dāng)中，效果顯著。這是我國的第一代機(jī)械手，接著經(jīng)過了一年時(shí)間的改善以及優(yōu)化，到第二年，二代機(jī)械手也成功問世，在一些技術(shù)水平上達(dá)到世界一線水平，但某些方面，還存在很大的差距。因此我國還需要加快自主研發(fā)的腳步，加大投資力度，引進(jìn)或者培養(yǎng)專業(yè)的技術(shù)人員，才能最快速度的趕上我們與其他國家在機(jī)器人技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域之間的距離4。1.2機(jī)械手的組成 機(jī)械手跟機(jī)器的一樣，都是有四個(gè)大部分來組成，其依次是：控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和感應(yīng)檢測機(jī)構(gòu)。彼此共同組成了一個(gè)完整的機(jī)械手，他們彼此之間的聯(lián)系如下圖1

13、.1所示。 圖1.1 組成方框本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手，主要完成的是對其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，也就是四個(gè)部分中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容 此次機(jī)械手的設(shè)計(jì)，主要對塑件取件機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)選型，部件選擇，連接部分設(shè)計(jì)，驅(qū)動元件設(shè)計(jì)，受力計(jì)算，三維結(jié)構(gòu)造型等等。首先介紹一下注塑機(jī)，了解注塑機(jī)才能更好地完成對專用機(jī)械手的設(shè)計(jì)。注塑機(jī)的工作原理其實(shí)并不復(fù)雜，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手為注塑機(jī)專用機(jī)械手，所以其結(jié)構(gòu)形式均是為了將其運(yùn)用于注塑機(jī)流水線所設(shè)計(jì)。目前模具注塑行業(yè)發(fā)展前景很廣，且當(dāng)前模具行業(yè)已經(jīng)成為了中國領(lǐng)頭行業(yè)之一，注塑行業(yè)中，注塑機(jī)是不可少的一個(gè)重要設(shè)備，為了便于更好地理解，可將其比作注射器

14、。注塑機(jī)的工作原理就是聚乙烯溶液（也就是我們常用的塑料制品的材料）經(jīng)過一個(gè)注射管道注射到一個(gè)模型型腔，所需要生產(chǎn)出的制品的模型，然后通過擠壓成型并冷卻成為塑料制品，最后被自動地推出到指定的傳送帶上，這就是注塑機(jī)完成一個(gè)塑料零件制作的完整流程。我們常見的注塑機(jī)設(shè)備如圖1.2所示。注塑機(jī)工作原理的簡單結(jié)構(gòu)示意完整圖如圖1.3所示 。 圖1.2 注塑機(jī) 圖1.3 原理圖 塑件取件機(jī)械手所起到的作用是：當(dāng)一個(gè)新的注塑品完成后，會被機(jī)器自動推送到傳送帶上，經(jīng)過傳送帶到達(dá)堆積區(qū)，機(jī)械手就是不斷地從傳送帶上撿起塑件，并擺放到指定的塑件堆放區(qū)。本文設(shè)計(jì)的特點(diǎn)有兩大點(diǎn)：通用性較強(qiáng)，專用性也較好，通用性指的是該機(jī)

15、械手可以應(yīng)用于絕大多少數(shù)的注塑機(jī)，本文設(shè)計(jì)之初，本人查閱了大量的注塑機(jī)型號，相關(guān)的重要尺寸，以便設(shè)計(jì)出合理的機(jī)械手各部件的運(yùn)動范圍，并且可應(yīng)用于不同類型的注塑機(jī)。另外，該機(jī)械手能夠隨意更換機(jī)械手爪，因?yàn)樽⑺軝C(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品外形千奇百怪，一種類型的機(jī)械手爪很難全部抓取，所以機(jī)械手以通過可更換式機(jī)械手抓來應(yīng)付各種形狀的塑件，本文在正文里介紹的是一種水口夾手爪，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)以及尺寸限制，所以該手爪可以方便的抓取如手機(jī)殼，鼠標(biāo)殼等帶棱邊的小型塑件；雖然該機(jī)械手可用于大部分注塑機(jī)，但是并不可以用于其他用途，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)尺寸，工作方式均為為注塑機(jī)量身打造的。2 專用機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)本文此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是專門針

16、對于注塑機(jī)而去設(shè)計(jì)的，因此機(jī)械手的尺寸，運(yùn)動行程都需要跟注塑機(jī)相匹配。并且在工作上也需要滿足注塑機(jī)的工作進(jìn)度，這樣才能達(dá)到所設(shè)計(jì)的最終目的。注塑機(jī)的工作節(jié)奏比較快，完成一個(gè)制品的速度很快，那就需要機(jī)械手能夠快速并精確地去抓取塑件，然后按照順序的將塑件放置到對應(yīng)的位置，同時(shí)迅速地返回，整個(gè)時(shí)間要與注塑機(jī)出一個(gè)制品的單位時(shí)間相比配。注塑機(jī)的形狀，尺寸，也是設(shè)計(jì)專用機(jī)械手所需要考慮的，一是保證機(jī)械手有足夠的運(yùn)作空間，二是使機(jī)械手的設(shè)計(jì)更具有專用性，更加的有效率。設(shè)計(jì)的抓取極限值必須大于注塑的所能夠生產(chǎn)出的塑件的最大質(zhì)量，并且可以根據(jù)要求，準(zhǔn)確定位在不同的位置，因?yàn)樽ト〉乃芗庑尾煌?，對?yīng)的位置也會有

17、所不同，不過專用機(jī)械手更適合應(yīng)用于單一零件大批量生產(chǎn)的工作環(huán)境當(dāng)中。注塑機(jī)的工作環(huán)境不是很好，所以設(shè)計(jì)的機(jī)械手要能夠耐臟以及耐腐蝕，能夠應(yīng)付各種較為惡劣的環(huán)境，所以對零件結(jié)構(gòu)或者說部件材質(zhì)都有設(shè)計(jì)要求6。2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析本次設(shè)計(jì)主要需要完成的設(shè)計(jì)如下： 1、設(shè)計(jì)機(jī)械手各運(yùn)動部分結(jié)構(gòu)。 2、通過計(jì)算選擇對應(yīng)的零部件。 3、確定各個(gè)自由度的驅(qū)動元件。 4、完成對機(jī)械手的造型設(shè)計(jì)，輔助機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案2.2.1 坐標(biāo)型式與自由度選擇目前對于機(jī)械手的坐標(biāo)形式，可以分為四種，分別是，圓柱、直角、圓球、關(guān)節(jié)型7。由于注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作形式，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要實(shí)現(xiàn)上升下降

18、、前后移動、零件松放、手部回轉(zhuǎn)，但是為了節(jié)省空間，減短運(yùn)動行程并且彌補(bǔ)，于是增加了一個(gè)手臂來回?cái)[動的自由度，根據(jù)這五個(gè)自由度，本文確定選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)。機(jī)械手各個(gè)自由度的運(yùn)動簡圖如圖2.1所示。圖2.1 各自由度簡圖A-機(jī)身自由度 B-主臂自由度 C-副臂自由度 D-手腕自由度 E-手部自由度2.2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，會考慮其具體的用途，在這里就是考慮到塑件的形狀，為了能夠保證機(jī)械手能夠抓取注塑機(jī)所生產(chǎn)出的各種質(zhì)量以及形狀的零件，機(jī)械手的手部就光靠一種類型是無法滿足要求的，所以就需要根據(jù)使用要求不同能夠?qū)崿F(xiàn)更換的功能，所以手部結(jié)構(gòu)除了采用十分常見的

19、手爪式結(jié)構(gòu)還有備用一個(gè)吸盤式結(jié)構(gòu)手部，這樣才能使機(jī)械手完全滿足其設(shè)計(jì)需求。由于一般情況下，均是采用手爪式（也就是夾持式）手部，所以本文在設(shè)計(jì)的時(shí)候，也就只介紹了這種類型。此次設(shè)計(jì)，選擇了市面上已有的塑件取件機(jī)械手均采用的手部部件，該手部機(jī)構(gòu)也成為水口夾，即可用來抓取水口，也可用來抓取塑件。2.2.3 機(jī)械手手腕部分方案設(shè)計(jì)機(jī)械手的手腕可以說是絕對需要具有自由度的部分，就跟人的手腕一樣，因此本文在進(jìn)行機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的時(shí)候，充分考慮到機(jī)械手取件以及擺放塑件的靈活性，于是將手腕部分設(shè)計(jì)成為一個(gè)運(yùn)動自由度，運(yùn)動形式為回轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)自由度則是采用回轉(zhuǎn)氣缸。2.2.4 機(jī)械手手臂部分方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)械手

20、的副臂，就需要充分地去分析機(jī)械手實(shí)現(xiàn)抓取塑件的一個(gè)工作過程，本文把機(jī)械手的主臂與副臂一共設(shè)計(jì)成了可實(shí)現(xiàn)的三個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)：副臂的前后水平移動、副臂的直線上下的往復(fù)運(yùn)動以及主臂的來回?cái)[動運(yùn)動。并且實(shí)現(xiàn)這三個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)均是直線氣缸，也就是氣動傳動。2.2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計(jì) 正常情況下，選擇驅(qū)動方案會結(jié)合設(shè)計(jì)出的機(jī)械手具體的工作環(huán)境，工作的性質(zhì)要求等來綜合考慮，驅(qū)動方案使用最廣泛的無非是氣動，液壓，電動三種，結(jié)合使用情況，此次的機(jī)械手決定采用空氣傳動作為機(jī)械手的驅(qū)動方案，并且所有的自由度全部采用空氣傳動。市面上，采用空氣傳動的機(jī)械手越來越多，因?yàn)榭諝庾鳛閭鲃咏橘|(zhì)，清潔無污染，無異味、空氣傳

21、動機(jī)構(gòu)還具有保護(hù)功能，不過較大的壓縮比也導(dǎo)致其有傳動不夠精確的問題，但是應(yīng)用于這些機(jī)械手上，這個(gè)問題可以完全忽略不計(jì)。另外氣動元件的價(jià)格相對比較便宜，可靠性也高，維修簡單。2.2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手將會采用plc作為控制系統(tǒng)，本文主要是設(shè)計(jì)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，因此，控制系統(tǒng)本文中不作設(shè)計(jì)。2.2.7 機(jī)械手的主要參數(shù)本文設(shè)計(jì)機(jī)械手所需要考慮的一個(gè)很重要的參數(shù)就是機(jī)械手的最大抓取重量，該參數(shù)直接影響到機(jī)械手是否符合輔助注塑機(jī)的設(shè)計(jì)要求。之前講過，機(jī)械手的手部部分有兩種結(jié)構(gòu)形式，所以在設(shè)計(jì)過程中需要詳細(xì)地去分析。根據(jù)翻閱各種常見注塑機(jī)的功能參數(shù)、分析注塑機(jī)使用的現(xiàn)狀，本文

22、擬定的注塑機(jī)專用機(jī)械手的抓取重量極限值是3KG，當(dāng)抓取的塑件超過500g時(shí)，采用吸盤式手部，塑件在0至500g時(shí)候，采用水口夾手部。另外除了質(zhì)量，選擇手部時(shí)還會根據(jù)塑件的具體情況來劃分。注塑機(jī)通常用于單一大批次的生產(chǎn)中，手部的更換不會很勤，因此不會對工作效率造成影響。結(jié)合注塑機(jī)特點(diǎn)，以及考慮到實(shí)際的使用需求，此次設(shè)計(jì)將機(jī)械手手臂的可伸縮的最大行程設(shè)定為800mm，前期擬定的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示（之后的設(shè)計(jì)均需要圍繞這些參數(shù)進(jìn)行，由于自己無法實(shí)際接觸到注塑機(jī)，故而設(shè)定設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，是結(jié)合目前已有塑件取件機(jī)械手的產(chǎn)品參數(shù)，這些參數(shù)時(shí)必定通過是對注塑機(jī)的使用要求和工作環(huán)境等進(jìn)行過詳細(xì)的測量以及分析后得

23、出的，這種情況下，就可以將他們的一些產(chǎn)品參數(shù)作為此次機(jī)械手設(shè)計(jì)的已知參數(shù)或者說是設(shè)計(jì)要求）： 機(jī)械手手部最大抓取質(zhì)量（1kg）也就是機(jī)械手工作極限值1kg； 機(jī)械手手腕回轉(zhuǎn)角度90度； 機(jī)械手上下直線升降的最大工作行程：800毫米； 機(jī)械手機(jī)身以外部分實(shí)現(xiàn)的往復(fù)搖擺運(yùn)動，運(yùn)動極限角度為180度； 機(jī)械手副臂實(shí)現(xiàn)的在工作平面上前后移動運(yùn)動：最大工作行程400毫米；2.2.8 機(jī)械手運(yùn)動過程分析 為了能夠順利的抓起塑件并且能夠?qū)⑺芗诺街付ǖ墓ぷ髌脚_，塑件取件機(jī)械手完成一個(gè)工作來回的具體自由度運(yùn)動依次可以拆分為11個(gè)運(yùn)動步驟（具體先后步驟、自由度使用度均是可以根據(jù)具體情況進(jìn)行更改），對照圖2-1，

24、步驟如下：（塑件取件機(jī)械手安裝于注塑機(jī)上方） 1.機(jī)械手副臂（小臂）向前直線平移（至塑件正上方）； 2.副臂下降至塑件位置處； 3.手部閉合抓住塑件； 4.機(jī)械手副臂上升； 5.機(jī)械手主臂（框架）回轉(zhuǎn)（正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)）； 6.機(jī)械手副臂（小臂）向后直線平移； 8. 副臂伸出至塑件擺放處上方； 9.手部張開，放下塑件； 10.機(jī)械手主臂回轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)）； 11.手臂回原位；注：塑件的形狀不同時(shí)，有時(shí)候需要用到機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)自由度，該運(yùn)動步驟放置在手部抓取塑件之前，手腕轉(zhuǎn)正放置在機(jī)械手副臂上升運(yùn)動之后。 3 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)有很多，傳動方式也各種各樣，本文所設(shè)

25、計(jì)的手部結(jié)構(gòu)直接采用的手爪式，塑件取件機(jī)械手行業(yè)中，采用的最多的手爪形式的手部叫做水口夾，可以用來抓取塑件以及抓取水口，水口就是注塑沖壓成型所產(chǎn)生的邊角廢料，需要被取出。水口夾的結(jié)構(gòu)原理：水口夾自帶氣缸，所以說水口夾也是通過氣缸來驅(qū)動，水口夾一共由八個(gè)部分組成，我們從圖3.1中可以看到，當(dāng)水口夾需要抓取物體時(shí)，氣缸進(jìn)氣口進(jìn)氣，推動活塞桿移動，圓錐銷向兩邊頂開滾輪，滾輪連接著左右兩鉗板，滾輪滾動直接控制著鉗板的開合，從而抓取塑件，放下塑件時(shí)，直接氣缸斷氣，鉗板會在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，從而達(dá)到放開塑件的目的。圖3.1 結(jié)構(gòu)圖1. 氣缸活塞桿2.缸體3.連接座.4頂桿5.擋板6.圓柱銷7.鉗板8.

26、圓柱銷2本文選取的水口夾型號為1615s型，該水口夾最大可以實(shí)現(xiàn)抓取500g的塑件，如圖3.2所示。其的裝配圖如圖3.3所示。圖3.2 水口夾圖3.3 裝配圖 3.2 氣動驅(qū)動力計(jì)算通過網(wǎng)上查找該型號水口夾的具體產(chǎn)品參數(shù)可知，該水口夾的結(jié)構(gòu)重要尺寸如下：水口夾的結(jié)構(gòu)部分尺寸為：缸徑16mm；行程15mm如圖3.4所示。圖3.4 受力圖為了保證水口夾能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)而可靠的進(jìn)行夾取與放下的操作，這就需要水口夾的夾持力度準(zhǔn)確，其夾持力量的來源是空氣，通過空氣壓縮機(jī)，經(jīng)過調(diào)壓閥調(diào)壓，然后驅(qū)動氣缸，進(jìn)行工作，所以問題的根本就在于如何確定壓閥壓力值。確定水口夾的最大抓取物體質(zhì)量為0.5kg，所以將此數(shù)值作為

27、極限值帶入計(jì)算。 (3-1) 通過分析受力圖3-4，可以計(jì)算出驅(qū)動滾輪閉合并夾緊工件的推力F1： (3-2)最終可粗略計(jì)算出輸入氣壓的壓力值P：（s為活塞桿受力截面） (3-3) 通過計(jì)算得出的結(jié)果為0.25兆帕。正常壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個(gè)數(shù)值。用過查閱有關(guān)氣壓調(diào)壓閥的一些成品數(shù)據(jù)，選擇了通用型的氣壓閥，因此普通的氣壓閥就已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)0到壓縮機(jī)提供氣壓的極限值之間來回選擇調(diào)節(jié)了。3.3 夾緊力計(jì)算水口夾在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來說，夾緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。水口夾對工件

28、的夾緊力可按下列公式計(jì)算： 式中：安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,通常取1.22.0，取1.5；工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計(jì)算最大加速度，得出工作情況系數(shù), ，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過程的加速度或減速度的絕對值（m/s）；方位系數(shù)，根據(jù)水口夾與工件形狀以及夾爪與工件位置不同進(jìn)行選定，夾爪與工件位置：夾爪垂直放置，工件水平放置；夾爪與工件形狀： 型指端夾持圓柱型工件，為摩擦系數(shù)，為型夾爪半角，此處粗略計(jì)算, G被抓取工件的重量求得夾緊力，取整為30N。所以夾取手機(jī)殼是沒有問題的。4 機(jī)械手手腕部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和人體結(jié)構(gòu)一樣，機(jī)械手它的手部與機(jī)械手手臂之間連接部分同樣

29、是手腕，這部分的作用較大了，手腕靈活就能起到畫龍點(diǎn)睛的作用，手腕一般情況下可以用來改變機(jī)械手手部抓取零件的方向，所以手腕部分也設(shè)計(jì)了一個(gè)自由度，運(yùn)動形式為回轉(zhuǎn)。正常情況下，注塑機(jī)塑件一般都是水平放置狀態(tài)，但是塑件的不同，其可抓取的角度并不相同，這就要求機(jī)械手的手部可以進(jìn)行徑向的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)可以用過采用回轉(zhuǎn)氣缸來實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)氣缸體積小，運(yùn)動高效，配合在手部與手臂之間，市面上也有與水口夾相配對的回轉(zhuǎn)氣缸，也就是說，很多情況下，水口夾與回轉(zhuǎn)氣缸是作為一個(gè)組合部件來搭配使用的，機(jī)械手的手部也就是水口夾與手腕部分（回轉(zhuǎn)氣缸）之間的配合如圖4.2和圖4.1所示。 圖4.1 90度回轉(zhuǎn)型氣缸 圖4.2

30、水口夾回轉(zhuǎn)氣缸組合部件4.2手腕驅(qū)動力矩計(jì)算 回轉(zhuǎn)氣缸種類很多，由于其體積限制，以及具體的使用要求，本文機(jī)械手設(shè)計(jì)的手腕回轉(zhuǎn)氣缸采用的是單片式，結(jié)構(gòu)原理圖如圖4.3所示（1,2,3,4分別為轉(zhuǎn)子，中心軸，定子，外壁）。回轉(zhuǎn)氣缸由五部分組成組成，其驅(qū)動原理跟直線氣缸基本類似，只是表現(xiàn)形式不同。針對于回轉(zhuǎn)氣缸，有專門的計(jì)算公式，壓力與驅(qū)動力的關(guān)系為： , 或 圖4.3 結(jié)構(gòu)簡圖 式中：M回轉(zhuǎn)氣缸的氣動力矩（N.cm）； P回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力（N.cm）； R缸體內(nèi)壁半徑(cm);r輸出軸半徑（cm）； b動片寬度（cm）；注意的是：此公式中，回轉(zhuǎn)氣缸的氣動力矩M以及回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力P指的是在低壓

31、腔的背壓在0值的時(shí)候才適用，不過如果是有背壓的存在，那就需要通過計(jì)算壓力差來計(jì)算回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力9-10。通過網(wǎng)絡(luò)查閱資料得知機(jī)械手手部（回轉(zhuǎn)氣缸的質(zhì)量在1千克），當(dāng)采用手部結(jié)構(gòu)為吸盤時(shí)，其質(zhì)量也在1kg左右，在計(jì)算手腕連接末端部分總質(zhì)量，就需要考慮所需要抓取塑件的最大質(zhì)量值，上文提到，最大質(zhì)量值為3kg，（螺絲等小部件均忽略不計(jì)，也難以加以計(jì)算）。因?yàn)橛?jì)算得出總質(zhì)量：m= 1+3 = 4Kg，F(xiàn)=ma=(4*10)N=40N 。手腕部分單片式回轉(zhuǎn)氣缸的運(yùn)動行程為90度。已知。當(dāng)回轉(zhuǎn)氣缸開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其角度：=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度。 根據(jù)計(jì)算公式： 代入計(jì)算的： 結(jié) 束 語本文此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是應(yīng)用于注塑行業(yè)注塑機(jī)流水線上，專門用來抓取塑件或者水口夾。機(jī)械手一共設(shè)計(jì)了五個(gè)自由度，所有的自由度均用空氣作為驅(qū)動介質(zhì)，運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)均通過氣缸。除了手腕部分的氣缸為回轉(zhuǎn)氣缸，其它四處的氣缸均為直線氣缸。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)提供的設(shè)計(jì)參數(shù)，從機(jī)械手手部開始，逐步設(shè)計(jì)；（1