毕业设计方案--样例

毕业设计方案

题目钢瓶喷丸机械手

学院机械工程学院

专业机械工程及自动化

班级机自1014 学生欧博杰

学号20100421279 指导教师时圣勇

二〇一四年三月二十八日

学院机械工程学院专业机械工程及自动化

学生欧博杰学号20100421279

设计题目钢瓶喷丸机械手

一、选题背景与意义

1. 工业机械手的国内外发展状况

工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接，喷漆，上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可以代替人从事危险、有害、有毒、低高温等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复的劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与控制加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS），实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。

工业机械手是在二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作机械手研究，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教型再现型机械手，命名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做存储装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成立万能自动公司（Unimation）。专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可作点位和轨迹控制；该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在60年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。从60年代后期开始，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation—Vic—arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1mm。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业；德国KuKa公司还生产了一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机器人发展最快，应用最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前已成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自60年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。

我国工业机械手的研究开始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之

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全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人。有北京机械自动化研究所设计制造的喷漆机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人等。我国工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围，在应用专门机械手的同时，相应地发展通用机械手。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、仰俯等机构。设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，扩大了应用范围。

现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由智能阀来控制，气动伺服定位系统代替了伺服电机步进马达或液压伺服系统；气缸，摆动马达完成原来由液压缸或机械所做的执行动作；主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系统化、标准化的产品。人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，这是一种先进的而设计思想，代表着气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性。

2. 选题的目的及意义

本课题是研究气动或液压机械手结构的设计、分析和控制的一些普遍性问题及方法，并实现对钢瓶喷丸的处理过程。机械手作为前沿的产品和自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或人工难以完成的工作。

二、设计内容

通过实验阶段的所见所闻，为钢瓶生产线设计一种喷丸机械手，实现对钢瓶内壁的喷丸处理，以达到除锈及表面强化的目的。要求该机械手应具有3个以上的自由度，采用气压或液压传动，手指开度能适应所给钢瓶的尺寸，手指形状可自由更换以适应不同形状，在完成机械结构设计的基础上完成关键零件尺寸的强度计算，主要零件的结构及强度设计、尺寸确定。

采用模块化的设计方式，将机械手分为若干个模块，对各个模块进行设计，然后把这些模块拼装起来组成机械手。根据功能和尺寸要求匹配合适的气缸液压缸。设计机械手基座、各气缸之间连接关节、导向装置，进行典型连接件的结构参数化设计。

对气动液压机械手的基本要求是能够快速、准确地拾——放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动液压机械手的原则就是：充分分析作业对象的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，受力特性和尺寸要求等参数。尽量选用标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性。

模块化是用来描述公共单元的使用以便实现产品的各种变型，它的主要目标就是确定独立的、标准化的或可改变的单元来满足功能的变化。模块化研究的理论就是在好的设计中保持功能

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要求的独立性。要建立模块库，必须要将产品划分为若干模块，划分一般原则为：尽量减少产品包含的模块总数，简化模块自身的复杂程度，以免模块组合时产生混乱；以有限的模块数来获得尽可能多的实用组合方案，以满足用户的需要；划分中应使模块具有一定的功能独立性和结构完整性；要充分注意模块间的结合要素，以便于结合和分离；要考虑模块的划分对产品的精度、刚度带来的影响；模块单元的划分必须考虑经济因素等。

首先，通过对设计内容的分析，要求是为钢瓶生产线设计一喷丸机械手，实现对钢瓶内壁的喷丸处理，以达到除锈及表面强化的目的。其次，采用模块化设计的思想，将整体划分为几个模块，然后逐个设计，再讲各模块组装起来。最后，对所设计的产品进行优化设计，以达到预期的要求和性能。

1.确定钢瓶喷丸机械手的总体方案

根据流水线的总体布局以及钢瓶的特点，确定机械手的总体方案，分析并解决存在的技术难题。机械手需要满足至少3个以上的自由度的要求，并且机械手的手指形状可以自由更换，以适应不同形状的钢瓶。

2.设计机械手的各执行构件

采用模块化的设计方式，将机械手分为若干个模块，对各个模块进行设计，然后把这些模块拼装起来组成机械手。设计机械手基座、各气缸之间连接关节、导向装置，进行典型连接件的结构参数化设计。在对各个模块即就是各个部件进行设计的时候，针对每个部件做具体的设计要求，细化到每一个零件的设计。尽量做到“三化”，即标准化、系列化、通用化。这样便可以相对的降低生产成本，提高生产效率。

3.气动或液压驱动系统设计

根据功能和尺寸的要求，查阅《机械设计手册》等相关文献资料匹配合适的气缸、液压缸。

三、设计方案

3.1机械手搬运规格

经过去中小型生产企业的实地考察，以及向老师的询问、上网查阅资料。得到以下结论：中小型加工业中对于体积为中型的钢瓶加工的最多。所以，从中选择具有代表性的企业生产的钢瓶为例进行设计。例如九江三钻机械有限公司所生产的“三钻”钢瓶。选择其中40L医用氧气瓶规格如下：公称外径220mm；公称容积40L；公称重量57KG；工作压力15MPa；材料34Mn2V；高度1.45m。

3.2方案的制定

喷丸机械手它的本质上其实是搬运机械手。搬运机械手的作用通常是将物料从一个点搬运到另一个点，根据实际生产的需要。这个搬运过程可能会涉及到水平以及垂直的位移，某些时候还需要机械手可以进行转动，因此，在不同的生产过程中，对机械手灵活性的要求并不相同。除了

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都会涉及到的夹持或者吸附操作之外，其他的操作也可能会有变化。一般来说，搬运机械手是通过螺旋机构和机械手夹持器来工作的。

（1）方案一：采用圆柱坐标式结构，各组合形式不少于三个自由度。采用气动动力进行驱动，机械手的结构示意图如图3.1所示：

图3.1气动机械手结构示意图

A-手臂摆动气缸B-升降气缸C-伸缩气缸

D-手腕摆动气缸E-气抓

1-基座2-手臂关节3-手腕关节4-导向装置5-定位挡块

这种结构的机械手，其工作原理是气抓E抓取工件，经由手腕摆动气缸D的作用旋转一定的角度，然后伸缩气缸C将整体在横向移动，手臂摆动气缸A在摆动一定的角度。最后由升降气缸B将工件进行上升或下降。这样就完成了它的一个工作过程。

优点：这种结构的机械手体积小、占地面积小，结构相对简单、结构紧凑、便于组合；定位

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精度也比较高，同时还兼顾了低成本和高通用性。

缺点：活动范围比较小，在工作线较长的流水作业线上就显得不太突出了。

综上所述，该方案不适用于较长流水线工位上的工作情况。

（2）方案二：为了适应较长距离的工作情况，这里，采用门式起重机的结构形式。即可满足较长距离的工作要求。如图3.2所示：

图3.2喷丸机械手结构示意图

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在此方案中，动力源采用电机来进行驱动，所传递的转矩比较大，工作效率高，速度快。如图3.3所示：

图3.3电机结构示意图

工作过程为利用钩子勾住钢瓶头部，利用手部键盘操作，从而电机驱动使钢瓶仔竖直方向和水平方向进行移动。钢瓶的翻转需要人工来实现。

优点：满足了可以远距离工作的工作条件。速度快，效率高，结构简单。

缺点：钢瓶运动中不平稳，翻转需要人工来辅助完成，安全系数不够高。

综上所述，此方案不可行。

（3）方案三：为了提高安全性的条件，在本方案中，继续保持机构的主体结构不变，改变中间驱动部分，采用更加安全可靠的液压缸来进行驱动，即可满足安全性能的要求。其结构简图

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如图3.4所示：

图3.4钢瓶喷丸机械手总体结构简图

1-机械手抓部件2-支撑架部件

3-滑动板部件4-移动架部件

采用模块化设计的理念，将钢瓶喷丸机械手从结构功能上分为四大模块，即四大部件。其中机械手抓部件1实现的主要功能是将钢瓶抓放，并可以旋转90度；移动架部件4实现的主要功能是将移动架和机械手抓部件连接起来，并带动机械手抓部件在竖直方向运动，满足了竖直方向的自由度要求；滑动板部件3起到的是一个中间过渡的作用，它将移动架部件与整个支撑架部件连接起来；支撑架部件4实现的主要功能就是承重作用，即支撑整个设备的重量，以及让其他三个部件的组合体通过中间连接体，从而在横向移动，满足了横向的自由度要求。

整个钢瓶喷丸机械手的工作过程就是机械手抓部件1抓取钢瓶，移动架部件4使其在竖直方向上升，然后通过滑动板3的连接作用，在支撑架2上面横向移动，将钢瓶送到下一个工位，在回到最初的位置。从而完成了一次完整的工作过程。

综上所述，此方案基本可以满足远距离工作的条件以及满足安全性能的要求。所以，选择此方案进行接下来的设计工作。

3.3方案的总结分析

综合各方面因素，选择方案三进行接下来的设计工作。这里，具体再对方案三完善一下。可以将设备从功能上划分为四个部件，即四大模块。针对每一个部件来进行模块化的设计。这样整个设计过程将会井井有序，有条有理。

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在传动上可采用直接传动和滑轮与轨道传动。在结构上可以采用两个步进电机带动，两种转速转动，也可采用由液压缸、气缸驱动。通过对这几种方案的组合可以得出多种不同的优秀可行的方案。但是，对于设计的产品要满足多种要求。首先，必须满足使用功能的要求，满足经济上的要求，力求节省，要满足可靠性的要求，同时机器外部的生产环境要好，不要造成污染，还要保证操作者的方便和安全，做到人性化的设计。其次，机器的各个零部件要考虑到其强度、刚度、寿命等符合要求，尽力降低成本，节省资源。

通过对以上的考虑，制定出了最佳设计方案：机械手部件通过液压缸采用四个机械手指将钢瓶夹紧，在机械手部见的一边再安装一个90度的齿轮齿条摆动缸，这样就实现了钢瓶90度的旋转自由度；移动架部件和滑动板之间通过导轨与滑块的组合使得钢瓶可以再竖直方向上下运动，在这里的驱动装置就是一个液压缸，计算一下液压缸的载荷、缸径、活塞杆直径，从而选择一种型号合适的液压缸来驱动；所有的机体部分与支撑架之间通过滑轮和导轨的组合来连接，这样就可以实现在横向上的远距离传送。它的驱动方式选择液压缸来推进。不选择步进电机的原因是，出于经济的角度考虑的。这样，组装设计起来的钢瓶搬运机械手就是一种不错的方案。

3.4方案的优化设计

考虑到钢瓶喷丸机械手的工作特点，将整机从功能特点上分为四个模块，即四大部件：机械手抓部件、移动架部件、滑动板部件和支撑架部件。四个部件分别具有各自的功能。四大部件之间通过轴、导轨与滑块连接起来，从而完成预先设想的工作。

其中，机械手部件如图3.5所示：

图3.5机械手部件

1-连接臂2-液压缸3-机械手指

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工作原理：液压缸1推动和它首尾相连的两根立轴，轴上连接着四个机械手指3，手指3就会绕着立轴做圆弧运动，从而将钢瓶夹紧。

结构特点：部件的主体采用钢板焊接而成，在部件的两侧位置安装两根立轴，支撑着四个手指，轴的两端安装角接触球轴承和推力球轴承，便于轴的转动。在部件的后端安装一个液压缸，液压缸的推拉使得机械手指一张一合。即就是抓取夹紧工件。

移动架部件如图3.6所示：

图3.6移动架部件

1-导轨2-升降液压缸3-移动架

工作原理：移动架3和机械手抓部件当中的连接臂1相连接，在升降液压缸的作用下，经由导轨1完成在竖直方向的移动。

结构特点：移动架3的主体是钢板焊接在一起，液压缸2通过后法兰是的安装方法固定在移动架3上，从而和移动架连接在一起，导轨1是利用内六角螺钉连接在移动架3的背部的。

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滑动板部件如图3.7所示：

图3.7滑动板部件

1-滑轮2-支撑轴3-滑动板

工作原理：滑动板3通过滑轮1安装在支撑架部件中的横向导轨上，再利用短轴和移动架部件连接在一起。这样，三大部件已经全部组装在一起了。

结构特点：滑动板3主体焊接在一起，在滑动板3上面安装上滑块和滑轮，它的作用就是中间连接体。

支撑架部件如图3.8所示：

图3.8支撑架部件

1-支撑架2-横向导轨3-推力液压缸

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工作原理：将其他三个部件通过滑动板部件上的滑轮与横向导轨2相连，再将推力液压缸3与滑动板连接，这样整个机械手机体就可以在支撑架1上进行横向移动。

结构特点：支撑架主体是用钢板焊接而成。具有比较稳定的刚性。

四、参考文献

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五、指导教师评语

六、审核意见

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