1、100吨冲床自动上下料机械手三维设计说明书摘 要现代制造业技术的进步，进了冲压生产向高速化、自动化和智能化方向的发展。传统的冲压生产多采用专机操作和人工上下料,而这种生产方式已不能满足日益快速发展的工业要求。如今,在冲压生产中引进自动化生产单元和建立柔性自动化生产线, 不仅可以实现冲压设备的高效、高速化,还可以提高产品加工的质量和精度,同时也开辟了冲压生产技术的一个重要发展方向。冲床机械手是在自动化设备的基础上,专门为实现冲压自动化无人生产而研发的智能设备,它能够间接或直接地代替人工在相关冲压工位上进行物料的取放、搬运和冲压上下料等工作,从而极大地提高生产效率和质量。相比于电机驱动、液压驱动，
2、气压传动与控制的机械手在响应速度以及自动化控制上具有很大的优势。气动技术使用气体为动力传输介质。首先，气源来源广泛， 可直接从空气中汲取，廉价便捷。其次，气动传动迅速，稳定可靠，结构简单，质量也较其他机构更轻。在末端执行效果来看，使用气动可使执行机构具有很好的柔性， 这样在使用过程中更加的安全，对所工作对象的损伤也较小。另外，由于气体无害， 清洁，其在维修、检查等方面都较为方便。机械技术与电子技术相结合已经成为当前装备制造业的主流和发展趋向，机电一体化是现代化机械和技术的重要特征之一，为适应机电一体化的应用，气压传动与控制技术更应顺应时代的发展。气动机械手的探索创新将是一个很好的拓展方向。根据
3、 100 吨冲床自动上下料机械手设计要求,对总体方案设计和驱动方式进行对比选优。着重针对机械手末端执行机构，对轴类工件以及薄板工件的抓取方式进行对比选择。对于机械手对工件的搬运、翻面等工序有针对性的采用伸缩气缸以及摆动马达，并对其进行设计计算、校核对于满足设计要求的元件优先采用标准件。在机械手结构设计计算的基础上，用 SolidWorks 软件完成了机械手手腕回转结构、机械手臂伸缩升降结构以及导向机构的三维建模。关键词：机械手，气压传动，Solidworks 三维建模，冲压。ABSTRACTThe progress of modern manufacturing technology has
4、promoted the development of stamping production in the direction of high speed, automation and intelligence. The traditional stamping production uses the special machine operation and the manual loading and unloading, but this kind of production method cannot meet the increasingly rapid development
5、of the industrial requirements. Nowadays, the introduction of automated production units and the establishment of flexible automated production lines in stamping production can not only achieve high efficiency and high speed of stamping equipment, but also improve the quality and precision of produc
6、t processing. And at the same time, it also opens up an important development direction of stamping production technology. The punch manipulator is a smart device developed specifically for automation of unpressurized stamping on the basis of automation equipment. It can directly or indirectly repla
7、ce the manual picking and placing, handling and punching of materials on the relevant stamping stations, so the production efficiency and product quality have been greatly increased. Compared to the motor-driven, hydraulically-driven pneumatic transmission and control manipulators, it has great adva
8、ntages in response speed and automation control. Pneumatic technology uses gas-powered transmission media. First of all, the source of gas is wide and it can be directly extracted from the air, which is cheap and convenient. Second, pneumatic transmission is rapid, stable, reliable, simple in struct
9、ure, and lighter in quality than other mechanisms. In the end of the implementation of the effect of view, the use of pneumatic actuators can have a very good flexibility, so that in the use of more secure, less damage to the work of the object. In addition, because the gas is harmless and clean, it
10、 is convenient for maintenance, inspection.The combination of mechanical technology and electronic technology has become the current mainstream and development trend of the equipment industry. Mechanical and electrical integration is one of the important features of modern machinery and technology.
11、In order to adapt to the application of mechatronics, the pneumatic transmission and control technology should adapt to the times. The exploration and innovation of pneumatic robots will be a good development direction.According to the design requirements, the robots overall program design and drive
12、 methods are compared and selected. Emphasis will be placed on the selection of thegripping method for the shaft-type workpiece and the thin-plate workpiece by the end effector of the robot. For telescopic cylinders and oscillating motors, the manipulators handling of workpieces, turning and other p
13、rocesses are targeted, and their design calculations and verifications are performed. Components that meet the design requirements are given preference for standard parts. On the basis of calculation and design of manipulator structure, the three-dimensional modeling of manipulator, wrist rotation s
14、tructure, telescopic lifting structure of manipulator arm and guide mechanism using SolidWorks software was completed.Key words：Robot,Pneumatic transmission Solidworks, 3D modeling,Stamping1. 绪 论1.1 前言机械手的组成部件通常是动力驱动，执行机构和控制系统。机械爪是整个机构的末端执行器，它直接与工件接触。一般的它是根据被夹持工件的形状、材料、质量， 或者工作条件等特定条件设计的，都具有特定性。机械手臂
15、部分是连接机械爪的部分其主要功能是为了使机械手能够自由的到达合适的空间坐标之内，并且能够控制机械手末端机构伸长、旋转。为了在任何位置和方向上抓取物体，必须有 6 个自由度。自由度是指机械手在空间内运动的自由程度，并将其以精确地数字表达出来，以显示其灵活成度。自由度越高，那么机械手的可用性及其灵活性也会大大的提高。最后机械手的控制系统是指通过各种各样的控制硬件并配合其相应的软件编程，合理的完成对相应的控制部件的控制。冲压设备由于其本身的高效性和实用性，在制造业中有着不可替代的作用1。针对冲床上下料气动机械手，主要是考虑到冲床的快速发展以及加工环境的恶劣以及人力搬运冲床下料的危险性，使得设计一种可
16、以代替人工进行上下料的机械手成为大势所趋。这类机械手通过控制由压缩空气驱动的气动元件，实现全方位的物品夹持与放下。把空气作为它的主要驱动源，使得安全可靠，清洁无害成为了它的突出特点。并且多工位使得它可以一次完成多个工件的夹持与释放，体现出了它的高效节能。将这类机械手运用到冲床，必定可以实现更加自动化，安全化，绿色化的工业现代化。1.2 国内工业机械手现状冲压自动线在国外发展已经数十年，在国内环境中，自动化控制的冲压生产线中上下料过程也获得了快速的发展1。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人2。但就我国现在的技术水平自主设计制作出
17、精密度高、响应速度、加工速度高、大负载的机械手难度还是很大。另外引进国外先进机械手价格高的原因，不仅在数量上，甚至在质量上都与国外先进的技术存在着很大差距。现在我国用的最多的是直角坐标系机械手且主要应用领域为上下料的搬运。工业上同样也会引用关节型机械手，但由于技术的不成熟其主要运用于加工中心。即使困难重重，但在不停地探索学习以及拓展下，我国家的工业机器人在针对特殊机械装畳、不同的加工工艺、特定的加工场合下因地制宜， 设计出有针对性的机器人。虽然该类机械手使用范围不像自由度机械手那么广，但其专注性设计具有很大优势。1.3 国外工业机器人现状机器人最早出现于美国，在 1962 年世界上第一台工业机
18、器人就已经被研制出2。美国大力经济的投入以及研发使得机器人工业在技术的更新换代和加工经验有着巨 大的优势。日本的工业机器人生产数量和生产密度优势明显，德国的工业机器人在很 多危险性岗位应用较多，且发挥着较大的功能和作用3。工业机械手应用于冲压生产线也是从 20 世纪 60 年代开始1。机械手的投入主要由于制造业的快速发展和国家政策的扶持，传统工业方在日趋激烈的市场竞争下处于劣势，同时也存在着劳动力等人工成本的增加。20 世纪 70 年代，由于现代控制技术和气动技术的进步，冲压上下料向高速化、自动化和精度化发展，传统的机械手冲压生产线不能适应工业的发展需求，因此逐渐发展成熟的工业机械手迅速渗透入
19、冲压行业4。进入 21 世纪，美国等技术先进经验成熟等国家，逐步将视觉传感器、力传感器、触觉传感器、嗅觉传感器的技术引用，使工业机器人逐步向高智能发展，如美国的火星探测器，Gantry3000 模块机器人和梅林多联机器人，美国工业机器人正在朝着更先进、更可靠和更智能化的方向前进5。1.4 项目意义基于我国的工业基础以及不断的探索创新学习，作为一个发展中的工业强国，气 动行业在工业快速发展的带动下迅速发展。并且由于气动本身就具有节能、高效、无 污染、低成本、结构简单等各种优点，日渐成熟的气动技术运用在不同的领域上。现 在加工企业对气压传动与控制技术的引用，不仅提高了机械手针对不同环境的适应性，
20、同样相比于液压传动与电力传动在强磁、易燃易爆危险环境、粉尘空间等诸多恶劣环 境下具备很大的优势且机械手的工作效率不会因环境的改变而降低。由于压缩空气的 特殊性以及气压控制工作压力低，气动元件的加工精度、制作工艺、制作成本都相对 低。气压传动与自动化控制的优势和技术的日益成熟对冲压机械手在上下料方面具有 很大推动作用。由劳动密集型升级到技术密集型，实现冲压的自动化高效生产才是冲压行业未来发展的必然趋势6。在大势所趋下，针对不同的工业领域很多机器人针对特定的需求被设计。作为一种仿人机械，工业机器人主要由机械结构本体、自动控制部分、伺服驱动和位置检测反馈结构构成，能够针对不同的工作需求而编制程序提高
21、机械手的通用性。工业机械爪模仿手部的结构动作，按照不同环境下设定的程序完成在设定运动轨迹下工件的抓取搬运。机械手的投入让现有的工业生产的工作效率降低，产品质量提高。同样现有的冲压公司也希望通过现有的机械设备的基础上，以升级改造后的设备替代和减少购置新设备，起到事半功倍的效果6。如果工业机械手技术能在工业生产中得到普及并进一步提高、完善性能，那么中国机械制造业一定会发展得更快7。2. 机械手结构设计2.1 机械手基本形式的选择机械手型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：1）直角坐标机械手直角坐标系机械手机器机关简略，可以很准确的定位。但该机械手体积庞大不易随意移动。2）圆柱坐标机械
22、手该机械手所用机械机关结构庞大，体积小。由于圆柱坐标机械手三个轴方向的运动，不仅可以使机械手的工作范围扩大还可以让机械手准确定位到合适位置。该机械的结构复杂且 Z 轴的运动部件主要集中在整个机构的上方导致机械手在 Z 轴方向上下降高度收到限制。3）球坐标机械手机械构造体积小，工作范围大。由于机械手复杂的构造， 机械手臂摆角的误差会因为工作范围的扩大而定位不准确。4）关节式机械手该机械手动作灵敏，安全工作区域大且机械手体积小。但此类机械手关节多，很难将每个关节的位置都精确地检测到，位置精度相对来说较低。本设计采用圆柱坐标式机械手来实现相关功能。2.2 驱动机构的选择每一个机器人的正常运行都需要提
23、供动力，而动力源源不断地提供需要驱动机构 的工作。并且机械设备的高昂的价格以及应用范围很大程度上是受到驱动机构的限制。在工业上，一般的驱动机构有电动、气动以及液动。对于这三种驱动方式，在选择驱 动机构的时候要考虑到实际的工作状况。综合考虑它们之间的利弊，寻找一种最经济、最安全的驱动机构。本机械手设计采取气压驱动的方式。2.3 整体结构的设计为了扩大机械手的工作范围和符合本设计的根本理念，本次设计结合齿轮传动， 并配以直线气缸和旋转气缸，模拟人体手指关节自由活动。同时完成机械手的旋转与夹持动作，末端执行器的两边采用完全对称的手指，以便于在抓取工件的过程中达到受力均匀。并且在末端执行机构与机械手臂
24、间以一个伸缩气缸连接，这样就可以达到末端机构横向移动抓取工件的效果，并配合机械手臂的升高、降落、摆完成整搬运的过程。用升降气缸和旋转气缸承担机械臂的升高和降低，左右摆动和抓取工件并能够翻转的任务。并配备导向装置完成气缸的升降，增加了气缸的刚性，同时防止了气缸杆绕轴心的偏转。机械爪抓取工件时，应当保证手指快、准、稳。在使用过程中，由于所加持工件、工具等不同的形状、尺寸、材料、重量，工业机器手部的特征也大不相同。3. 手部设计3.1 手部结构分类按握持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类结构有夹持式、钩托式、弹簧式。吸附类结构有气吸式和磁吸式。本次设计对 100 吨冲床自动上下料机械手采
25、用夹持式，机械爪由手指、动力传动部分和动力驱动三部分。该机械手可以抓取各种形状的工件，可以应对不同场合。动力驱动有气压、气动和电动等几种情势。常见的传动机构主要有滑槽、斜楔、齿轮齿条和连杆机构来实现夹紧和松开8。平移手指的打开和关闭取决于手指的平行运动，这样的设计适合夹持平板和规整的块状物。但是这种手指的结构较为复杂，并且由于其工作状态较为苛刻，加工精度也要求较高，加工成本较其他较高。3.2 夹持式手部设计的基本要求1）合适的力量大小，夹紧力太大夹坏工件，并且能量浪费，力度太小工件抓取不牢固。2）合理的手指伸开角度，机械手指在抓取工件时要有充足的空间去伸开手指并且逐渐靠近工件。3）精准的定位精
26、度，机械手在不停地往复抓取工件、放下工件的过程中应保证每一次的抓取位置与松开位置不存在很大偏差，确保工作精度。4）保证机械手结构紧凑不复杂，追求简单有实效，机械手自身质量小，工作效率高。5）提高通用性，要求手指夹持规模可调节，手腕可更换。3.3 手部驱动力计算冲床上下料机械手采用夹紧气缸的活塞杆末端采用齿轮条结构，V 形块的最末端通过与两个半圆形的齿轮接触。气缸通过压缩空气带动活塞杆前后活动，杆末端由于齿轮啮合带动半圆形齿轮活动，完成齿轮的张开闭合。图 3.1 为机械手的结构图，机械手指夹紧的工件重量 G=10 ，机械手指末端的“V”形块两者之间的角度 2=1200，V 形块中心到手指旋转中心
27、直线距离 b=120mm，齿轮齿条结构中齿轮节度圆半径R=25mm，摩擦系数为 f=0.1。图 3.1 机械手三维结构图根据夹持式齿轮齿条机械手的结构图，如图 3.1 所示，所需要的驱动力：P=2𝑏 𝑁 （3.1）𝑅式中：N-机械手握力大小（N）； R-齿轮半径大小（mm）；b-齿轮回转轴到工件距离（mm）。根据二指夹持式机械手夹持工件的方位，其握力大小公式：所以理论驱动力：p = 2𝑏 𝑁 = 2 120 50 = 496𝑁 𝑅夹持式机械手实际的驱动力满足𝑃实际25
28、 𝑃 𝐾1𝐾2𝜂（3.2）该机械手根据齿轮齿条进行动力的传输与 V 形块的驱动，所以取 n=0.94，𝐾1=1.5。假设当机械手抓紧工件后搬运到下一位置的整个过程中加速完成。取最大的加速度a=9.8m/𝑠2，则：所以机械手的实际驱动力：𝑃 𝑃 𝐾1𝐾2 = 496 1.52 1600（N）实际 𝜂0.94所以齿轮齿条机械手夹持时需要夹紧气缸提供的驱动力为 1600N 1)手指转角计算机械手停止时两手指保持平行时，两指间夹
29、持距离在 94mm，在机械手加持 =150mm棒料时，两手指升高 40mm，则两手指旋转过的角度：arcos1 = 70533则齿轮转过 1947，为满足工作需求，取齿轮转过的角度为 25，根据弧长公式：式中：n-圆弧对应的圆心角（）； r-圆弧半径（mm）。L=𝑛𝜋𝑟180（3.3）L=25253.14 11𝑚𝑚180为满足工作需求，夹紧气缸的活塞杆上齿条长度 15mm 即可满足手指齿轮的旋转要求。根据生产要求夹紧气缸的活塞进程为 50mm，因此为满足活塞进程可适当加长齿条长度至 30mm。2）弹簧选择根据实际工
30、作环境限制，将作用在气缸的载荷相比实际载荷取大化，设定最大工作载荷𝑃𝑛 =500N,同样将作用在气缸的载荷相比于实际最小载荷扩大化，设最小工作载荷𝑃1 =200N。载荷类型为冲击载荷，拟采用弹簧直径为 4.5mm，并且经过油淬火、回火加工工艺来提高弹簧强度的碳素弹簧钢丝，弹簧的始末两端并紧，并磨平为一个圆整的面，弹簧的支承圈数为 1 圈。查阅机械设计手册8可得𝜎𝑏 = 1422，𝜏𝑝 = 0.4， 弹簧的许用应力值为 568.8。考虑到实际工作状况，单作用气缸弹簧收到的工作载荷为循环
31、载荷，变化次数较少，对其进行疲劳强度计算：安全系数 S=𝜏0+0.75𝜏𝑚𝑖𝑛 𝑆 （3.4）𝜏𝑚𝑎𝑥式中：𝜏0-弹簧在脉动循环载荷下的剪切疲劳强度8。通过查表𝜏0=0.3𝜎𝑏=0.3 1422 426；𝜏𝑚𝑎𝑥-弹簧在最大载荷下的切应力8。𝜏𝑚𝑎𝑥
32、;=8𝐾𝐷1 𝑃𝑛；𝜏𝑚𝑖𝑛-弹簧在最小载荷下的切应力8。𝜏𝑚𝑖𝑛=8𝐾𝐷1 𝑃1；C-弹簧旋绕比，C=32 =7.1；4.5K-曲度系数，K=4𝑐1 + 0.615=1.21。4𝑐+4 𝑐所以弹簧安全系数 S=𝜏0+0.75𝜏𝑚𝑖𝑛
33、; = 420+0.75216 =1.29 𝑆𝑝 = 1.31.7所以该弹簧满足要求。3.4 气缸直径计算𝜏𝑚𝑎𝑥541夹持式齿轮齿条机械手的夹紧气缸采用弹簧复位式单作用气缸8。由力平衡原理可以知道，气缸的输出力主要由活塞杆克服弹簧的反弹力与活塞与缸体的摩擦力之和之外的力。机械手指输出力过大对于脆性工件容易夹坏，对于硬度大的工件虽然不存在夹坏工件的现象,但提供的能量多造成能量浪费。机械手输出力度过小导致机械手不能夹紧工件进行工件的搬运，甚至夹紧力过小让工件在搬运过程中，由于震动使工件掉落损坏拖慢工作
34、进程。其输出力为：𝐹 = 𝜋𝐷2𝑝 𝐹（3.5）式中：1 4 𝑡𝐹1-单作用气缸的输出力（N）；𝐹𝑡-弹簧弹力大小（N）；P-驱动气缸工作的压力(pa)。弹簧作用力大小计算：𝐹𝑡=C(L+S) （3.6）𝐺𝑑4C= 1（3.7）式中：C-弹簧刚度（N/mm）； L-弹簧预压缩量（mm）； S-气缸运动行程（mm）；8𝐷3𝑛𝐷1 = 𝐷2 𝑑1 （3.8）𝑑1-弹簧丝直径尺寸（mm）；𝐷1-弹簧中径尺寸（mm）；𝐷2-弹簧大径尺寸（mm）； n-弹簧有效圈数；G-弹簧切变模量，G=79
