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安全帶卷加速敏感器組件自動裝配機設計說明書
專 業(yè)：機械設計制造及其自動化
學 生： 張 翔
指導老師： 張 帆
完成日期： 2014年6月2日
揚州大學廣陵學院
VI
摘 要
隨著現代科技的迅速發(fā)展，裝配自動化正在逐步發(fā)展成為當今世界裝配的發(fā)展主流，逐步取代人工的手工裝配。它已成為衡量一個國家機械發(fā)展水平的主要標志之一。自動裝配技術的重要性還在于促進產品制造系統的整體優(yōu)化，生產率得以全面提高，用少量調整工人服務于一定數量的自動裝配設備，在一定程度上提高均衡生產水平。自動裝配不會因為工人疲勞，疏忽，情緒，技術不熟練等因素影響而造成產品質量缺陷或不穩(wěn)定。時間表明，當達到一定批量的與手工裝配保持同一水平的自動化裝配將會使成本下降。同時，在許多情況下，裝配自動化所占用的生產面積比手工裝配完成同樣生產任務的工作面積要小的多。
本課題設計一種應用于工業(yè)生產裝配線中的專用自動裝配機械手，能通過自動控制操作工業(yè)機械手，實現多自由度的抓持與運動，代替人完成安全帶卷加速敏感器組件的裝配。
關鍵詞：自動裝配，機械手，氣動，結構設計
ABSTRACT
With the rapid development of modern science and technology, assembly automation is gradually developed into the mainstream of development in the world and gradually replace the manual assembly .It has become one of the main signs to measure the level of development of a national machinery. The importance of Automatic assembly technology is to promote products manufacturing system overall optimization .productivity can be overall improved. Minor adjustment workers are used for a certain number of automatic assembly equipment, in certain extent, It improves the balance in the level of production. Automatic assembly can not affect product quality resulting from errors or instability because of the factors of worker’s fatigue, neglect, emotional, unskilled. It has shown that when a certain amount of automated assembly will decline costs than manual assembly. At the same time, in many cases, the production assembly automation occupies a smaller area than manual assembly in completing the same task.
This?subject?is?about?a?manipulator?used?in?production?assembly?line?to?complete?assembly?work.?It?is?automatic?controlled?with?mufti-function,?mufti-degree?of?freedom?.Its?entire?structure?consists?of?the?implementing?agencies,?drive?system,?control?system?and?other?components.
Key words: Automatic assembly ，Manipulator ，Air pressure drive ，Structural design
目 錄
摘 要 II
ABSTRACT III
第一章 緒論 1
1.1 自動裝配機的概況 1
1.1.1 自動裝配機的定義 1
1.1.2 自動裝配機的組成 1
1.1.3 自動裝配機的傳動結構 1
1.1.4 自動裝配機的控制系統 2
1.1.5 自動裝配機的適用性 2
1.2. 機械手的發(fā)展趨勢 2
1.3 課題研究的目的及要求 4
1.4 課題背景 4
第二章 總體方案設計與論證 6
2.1 機械手的概況 6
2.1.1 機械手的概述及分類 6
2.1.2 機械手的組成結構 7
2.2設計背景 9
2.3機械手的坐標型式與自由度 10
2.4機械手的主要參數 10
2.5驅動方式和傳動方式的選擇 11
2.5.1驅動方式的選擇 11
2.5.2傳動方式的選擇 11
2.6各個自由度的實現 12
2.6.1腕部縱向運動 12
2.6.2手臂伸縮運動 12
2.6.3底座升降運動 12
第三章 裝配夾具的結構設計 13
3.1 定位原理 13
3.2 確定定位方式 14
3.3 夾緊機構 14
3.4 確定總體結構和尺寸 15
第四章 1#機械手的結構設計 18
4.1 路徑規(guī)劃 18
4.2 手部結構設計 18
4.2.1 手指的形狀和分類 18
4.2.2設計時考慮的幾個問題 19
4.2.3 手部夾緊氣缸的設計 20
4.3 手臂結構設計 23
4.3.1 手臂伸縮結構設計 23
4.3.2 手臂伸縮驅動力的計算 23
4.3.3 手臂伸縮氣缸的設計 25
4.4 升降缸結構設計 27
4.4.1 升降缸結構設計 27
4.4.2 升降缸驅動力的計算 27
4.4.3 升降氣缸的設計 28
第5章 2#機械手的結構設計 30
5.1 路徑規(guī)劃 30
5.2 手部結構設計 31
5.2.1 手指的形狀 31
5.2.2 手部夾緊氣缸的設計 31
5.3各氣缸的設計 32
第六章 總結 33
致 謝 34
參 考 文 獻 35
張翔 安全帶卷加速敏感器組件自動裝配機設計
第一章 緒論
1.1 自動裝配機的概況
1.1.1 自動裝配機的定義
裝配是指將產品的若干個零部件通過緊配、卡扣、螺紋連接、粘合、鉚合、焊接等方式組合到一起得到符合預定的尺寸精度及功能的成品（半成品）。由人工處理（接觸、整理、抓取、移動、放置、施力等）每一個零部件而實現的裝配，嚴格的講，只能稱為人工裝配。不需要由人工處理（接觸、整理、抓取、移動、放置等）零部件而完成的裝配，可稱為自動裝配。介于兩者之間的為半自動裝配。
1.1.2 自動裝配機的組成
1. 零部件定向排列、輸送、擒縱系統
將雜亂無章的零部件按便于機器自動處理的空間方位自動定向排列，隨后順利輸送到后續(xù)的擒縱機構，為后續(xù)的機械手的抓取做準備。
2. 抓取-移位-放置機構
將由擒縱機構定點定位好的零（部件）抓住或用真空吸住，隨后移動至另一位置（通常為裝配工作位置）。
3. 裝配工作機構
指用來完成裝配工作主動作的機構，如將工件壓入、夾合、螺聯、卡人、粘合、焊接、鉚合、粘合、焊接于上一零部件。
4.檢測機構
用來對上一步裝配好的部件或機器上一步工作成果進行檢測，如缺零件檢測、尺寸檢測、缺損檢測、功能檢測、清料檢測。
5. 工件的取出機構
用來將裝配好的合格部件、不合格部件從機器上分類取出的機構。
1.1.3 自動裝配機的傳動結構
1) 按被裝配工件在機器中的流動時間連貫性來分，有間隙運動式裝配機和連續(xù)運動式裝配機。
2）按裝配機中工作位置數量來分，有單工位裝配機和多工位裝配機。
3）按裝配機中工件的傳動軌跡來分，有圓形工作臺式裝配機和環(huán)形工作臺式裝配機。
1.1.4 自動裝配機的控制系統
通常采用PLC控制，PLC要接收各種信號的輸入，向各執(zhí)行機構發(fā)出指令。機器中配備多種傳感器等信號采集器來監(jiān)視機器中每一執(zhí)行機構的運行情況，經判斷后發(fā)出下一步的執(zhí)行指令。人機界面用來顯示機器的運行情況、運行記錄，以及用來由操作者向機器發(fā)指令。
1.1.5 自動裝配機的適用性
近年來,隨著中國經濟的發(fā)展,更多的企業(yè)出現勞資糾紛及一線員工不好管理的問題頻頻發(fā)生,更多的企業(yè)都在選擇自動化機械裝配,如同富士康在近來三年內要增加100萬臺機器人來解決員工問題。當然根據行業(yè)的不同,自動裝配機的應用也自然不同。自動裝配機根據行業(yè)的不同可分為以下幾種：
1 電子電氣類 輕觸開關裝配機,繼電器自動裝配機,復位健裝自動裝配機,變壓器自動裝配機等
2 五金類 腳輪自動裝配機,軸承自動裝配機,玩具自動裝配機,齒輪自動裝配機,牙箱自動裝配機等
自動裝配機還應用到家電,汽車行業(yè),總而言之,自動裝配機將是工廠工業(yè)化的一種趨勢。
1.2. 機械手的發(fā)展趨勢
國外機械手領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:
(1)工業(yè)機械手性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。
(2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機械手整機;國外已有模塊化裝配機械手產品問市。
(3)工業(yè)機械手控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。
(4)機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機械手還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機械手則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成熟應用。
(5)虛擬現實技術在機械手中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機械手操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機械手。
(6)當代遙控機械手系統的發(fā)展特點不是追求全自治系統，而是致力于操作者與機械手的人機交互控制，即遙控加局部自主系統構成完整的監(jiān)控遙控操作系統，使智能機械手走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機械手就是這種系統成功應用的最著名實例。
(7)機械手化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。
我國的工業(yè)機械手從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機械手操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機械手關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機械手;其中有130多臺套噴漆機械手在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機械手己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品；機械手應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機械手約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機械手產業(yè)，當前我國的機械手生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程.我國的智能機械手和特種機械手在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機械手，6000m水下無纜機械手的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機械手、雙臂協調控制機械手、爬壁機械手、管道機械手等機種:在機械手視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機械手、智能裝配機械手、機械手化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。
1.3 課題研究的目的及要求
自動裝配是當前應廣泛的一種制造工藝，在生產生活中日益受到重視。本課題針對企業(yè)實際零件的制造需求和自動裝配技術的應用現狀，設計滿足企業(yè)專門零件加工需要的自動裝配機。主要針對專門零件，結合其裝配工藝特點，設計滿足企業(yè)實際工藝要求的專用自動裝配機器人，為企業(yè)生產提供有效的手段和方法。
通過課題研究，使學生掌握機械制造裝備設計、分析的方法，并且熟悉使用一種CAD軟件，著重培養(yǎng)學生綜合應用專業(yè)知識和自動裝配機器人設計技術知識的能力，以及獨立解決和分析實際問題的能力。
主要任務：
1）查閱相關文獻資料15篇以上，并完成指定的不少于五千印刷符的英文資料翻譯，掌握自動裝配系統設計的一般方法，學會使用相關手冊完成設計任務；
2）明確本題目的設計參數，技術條件，根據設計任務完成自動裝配系統方案的擬定，繪制全套自動裝配夾具和機器人的機械零件圖、裝配圖；
3）完成畢業(yè)設計說明書。
1.4 課題背景
裝配過程是機械制造過程中必不可少的環(huán)節(jié)。人工操作的裝配是一個勞動密集型的過程，生產率是工人執(zhí)行某一具體操作所花費時間的函數，其勞動量在產品制造總勞動量中占有相當高的比例。隨著先進制造技術的應用，制造零件勞動量的下降速度比裝配勞動量下降速度快得多，如果仍舊采用人工裝配的方式，該比值還會提高。據有關資料統計分析，一些典型產品的裝配時間占總生產時間的53%左右，是花費最多的生產過程，因此提高裝配效率是制造工業(yè)中急需解決的關鍵問題之一。
自動化裝配具備如下優(yōu)點。
1. 裝配效率高，產品生產成本下降。尤其是在當前機械加工自動化程度不斷得到提高的情況下，裝配效率的提高對產品生產效率的提高具有更加重要的意義。
2 .自動裝配過程一般在流水線上進行，采用各種機械化裝置來完成勞動量最大和最繁重的工作，大大降低了工人的勞動強度。
3. 不會因工人疲勞、疏忽、情緒、技術不熟練等因素的影響而造成產品質量缺陷或不穩(wěn)定。
4 .自動化裝配所占用的生產面積比手工裝配完成同樣生產任務的工作面積要小得多。
5 .在電子、化學、宇航、國防等行業(yè)中，許多裝配操作需要特殊環(huán)境，人類難以進人或非常危險，只有自動化裝配才能保障生產安全。
隨著科學技術的發(fā)展和進步，在機械制造業(yè)，CNC、FMC,FMS的出現逐步取代了傳統的制造技術，它們不僅具備高度自動化的加工能力，而且具有對加工對象的靈活性。如果只有加工技術的現代化，沒有裝配技術的自動化，FMS就成了自動化孤島。裝配自動化的意義還在于它是CIMS的重要組成部分。
33
第二章 總體方案設計與論證
在科學技術突飛猛進的今天，裝配線機械手的設計思想主要是通過對以前及現有的最具有代表性的裝配線機械手進行分析研究，吸收它們的優(yōu)點，將各個優(yōu)點結合起來，將不同結構進行組合變化，使之達到較理想的方案。從而達到較好的運動精度和工作穩(wěn)定性，進而使之在市場上更具有競爭力。本次設計就是在分析、研究以往優(yōu)秀的裝配線機械手的基礎上加以改進而成的。
2.1 機械手的概況
2.1.1 機械手的概述及分類
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.
機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手，它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定工作。它的特點是除具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號操作機械手來進行探測月球、火星等。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用于解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動，除少數外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。本項目要求設計的機械手模型可歸為第一類，即通用機械手。
2.1.2 機械手的組成結構
機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。各系統相互之間的關系如方框圖2-1所示。
圖1-1機械手的組成方框圖
(一)執(zhí)行機構
包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
1、手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。
夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。
吸附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產生電磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。
對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產生。
用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數量、吸附力大小，根據被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式.
2、手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)。
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.
工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。
手臂可能實現的運動如下:
直線運動：如伸縮、升降、橫移運動。
基本運動
手臂運動
回轉運動：如水平回轉、上下擺動（即俯仰運動）。
直線運動與回轉運動的組合（即螺旋運動）。
復合運動 兩直線運動的組合（即平面運動）。
兩回轉運動的組合（即空間曲面運動）。
手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。
導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。
4、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
5、行走機構
當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業(yè)機械手的整機運動。滾滾輪輪式式布行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。
6、機座
機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。
2.2?設計背景?
在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現的方式。
本課題設計一種應用于工業(yè)生產裝配線中的機械手，能代替人完成裝配的﹑能自動控制的﹑多功能的﹑多自由度的工業(yè)機器人。氣動機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
圖2-1 安全帶卷
2.3機械手的坐標型式與自由度
按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。由于本機械手在裝配過程中手臂具有升降、收縮運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。
圖2-2所示為機械手的手指、手腕、手臂的運動示意圖。
圖 2-2 機械手的運動示意圖
2.4機械手的主要參數
1、機械手的主要參數為最大抓重，目前機械手最大抓重以10公斤左右的為數最多。本次所要裝配的兩個零件具有質量輕體積小的特點，所以最大抓重定為100g。
2、機械手主要的基本參數為運動速度。影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。操作節(jié)奏對機械手速度提出了要求，設計速度過低則限制了它的使用范圍。
本設計機械手選取最大移動速度設計為1.2m/s，平均移動速度為lm/s。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。
除了運動速度以外，手臂設計的基本參數還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據統計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調200mm。手臂回轉行程范圍定為2400(應大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機械手設計成手臂安裝范圍可調，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。
定位精度也是基本參數之一。該機械手的定位精度為土0.5～±1mm。
2.5?驅動方式和傳動方式的選擇?
2.5.1?驅動方式的選擇?
在整個設計中，各自由度均采用氣壓驅動，之所以用氣壓驅動，是因為氣壓驅動具有以下優(yōu)點：
1.調速范圍較大，而且還可以無級調速，易于適應不同工作要求；?
2.氣壓技術容易達到較高的單位面積壓力，即驅動力或驅動力矩大；?
3.由于氣壓機構一般重量比較輕，因而具有慣性小的特點，故而它的速度反應性比較好；?
4.傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力可以較平穩(wěn)地實現頻繁轉向；
5.定位精度高；?
正因為氣壓傳動有以上優(yōu)點，故本裝配線機械手采用氣壓驅動。
2.5.2?傳動方式的選擇?
傳動方式是將動力源的驅動力傳遞到實現自由度的運動的過程，在本設計中，就是將直線氣缸的直線運動傳遞出去。針對不同結構需要和運動方式，小臂伸縮、小臂俯仰、大臂升降、縱向移動采用直線氣缸驅動。
2.6?各個自由度的實現?
2.6.1?腕部縱向運動?
腕部位于手爪和小臂之間，它的作用是在小臂的基礎上，進一步改變和調整手爪的空間姿態(tài)和方位，夾緊工件，擴大機械手的動作空間和應用范圍。在本設計中用氣缸實現腕部運動。?
2.6.2?手臂伸縮運動
手臂的主要作用是連接腕部和大臂承受抓取工件的彎矩，因此應加強手臂的剛度和強度，所以采用單作用活塞氣缸驅動，這種結構的特點是受力均衡，可用于抓取重量較大，行程較長的情況。?
2.6.3底座升降運動?
此處設計采用單作用活塞缸來驅動，這樣的結構能提高底座的強度，并且裝卸維修方便。?
第三章 裝配夾具的結構設計
3.1 定位原理
六點定位原理是指工件在空間具有六個自由度，即沿x、y、z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞這三個坐標軸的轉動自由度 。因此，要完全確定工件的位置，就必須消除這六個自由度，通常用六個支承點（即定位元件）來限制工件的六個自由度，其中每一個支承點限制相應的一個自由度。
六點定位原理對于任何形狀工件的定位都是適用的，如果違背這個原理，工件在夾具中的位置就不能完全確定。然而，用工件六點定位原理進行定位時，必須根據具體加工要求靈活運用，工件形狀不同，定位表面不同，定位點的布置情況會各不相同，宗旨是使用最簡單的定位方法，使工件在夾具中迅速獲得正確的位置。
工件定位的實質就是使工件在夾具中占據確定的位置，因此工件的定位問題可轉化為在空間直角坐標系中決定剛體坐標位置的問題來討論。在空間直角坐標系中，剛體具有六個自由度，即沿X、Y、Z軸移動的三個自由度和繞此三軸旋轉的三個自由度。用六個合理分布的支承點限制工件的六個自由度，使工件在夾具中占據正確的位置，稱為六點定位法則。人們在闡述六點定位法則時常以圖3-1所示銑不通槽的例子來加以說明：a1、a2、a3三個點體現主定位面A，限制X、Y方向的旋轉自由度和Z方向的移動自由度；a4、a5兩個點體現側面B，限制X方向的移動自由度和Z方向的旋轉自由度；a6點體現止推面C，限制Y方向的移動自由度。這樣，工件的六個自由度全部被限制，稱為完全定位。當然，定位只是保證工件在夾具中的位置確定，并不能保證在加工中工件不移動，故還需夾緊。定位和夾緊是兩個不同的概念。
圖3-1 典型完全定位
圖3-2 安全帶卷底盤
3.2 確定定位方式
安全帶卷的底盤如圖3-2所示，根據其結構特征采用一面兩孔的定位方式。
3.3 夾緊機構
在確定夾緊力的方向、作用點的同時，要確定相應的夾緊機構。確定夾緊機構要注意以下幾方面的問題：?
1.安全性?夾緊機構應具備足夠的強度和夾緊力，以防止意外傷及夾具操作人員。?
2.手動夾具夾緊機構的操作力不應過大，以減輕操作人員的勞動強度。?
3.夾緊機構的行程不宜過長，以提高夾具的工作效率。?
4.手動夾緊機構應操作靈活、方便。?
確定夾緊力的方向、作用點，以及夾緊元件或夾緊機構，要選擇和設計動力源。夾緊方案也需反復分析比較，確定后，正式設計時也可能在具體結構上作一些修改。
利用一面兩孔的方式對安全帶卷的底盤進行定位后，底盤還能夠上下移動，若不將其夾緊必然會影響裝配的精度。鑒于該零件的特殊性，準備用一階形螺釘將底盤固定住，從而可以保證裝配精度。
當1#機械手將1#零件（如圖3-3所示）裝配好之后，在裝配2#零件（如圖3-4所示）前必須把1#零件先固定住，否則必將影響2#零件的裝配精度，因此該夾具還應設計第二次裝夾。于是，特地在夾具體上設計了一個專門針對此零件的二次裝夾工件（如圖3-5所示），可以通過特定的機械手撥動此零件夾緊1#零件，從而實現其自動裝配的過程。
圖3-3 1#零件
圖3-4 2#零件
圖3-5 二次裝夾
3.4 確定總體結構和尺寸
在自動裝配的過程中，工作臺的尺寸如圖3-6所示，圖3-7為T形槽的尺寸要求。
圖3-6 工作臺
圖3-7 T形槽
其中B=200，B1=135，l=45，m=10，L=870，L1=715，E=70，m1=25，m2=40，a=14，b=25，h=11，c=12。
根據工作臺的尺寸要求，將夾具體的底座設計成長100，寬135，夾具底座的具體形狀如圖3-8所示，整個裝配夾具的總體模型如圖3-9所示，查閱有關夾具設計手冊，該夾具的結構滿足設計要求，并對夾緊力進行估算，均可滿足夾具的強度和剛度的設計要求。
圖3-8 夾具底座
圖3-9 裝配夾具
有關夾具體的具體尺寸，工程圖詳見附錄一。
第四章 1#機械手的結構設計
氣動機械手必須具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性，這樣就能能快速、準確地拾一放和搬運物件。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現柔性轉換和編程控制。
4.1 路徑規(guī)劃
1#機械手（圖4-1）是用來裝配1#零件（如圖3-3所示），該零件通過機械手抓取放下后，還要旋轉45°才能與安全帶卷的底盤完成裝配。為了減少機械手的旋轉動作，我們先將 1#零件在工作臺上以45°放置，再將1#機械手的手部以相同的角度安裝在手臂上。1#機械手完成抓取→抓緊→上升→定位→放下→松開等一系列動作。
圖4-1 1#機械手
4.2 手部結構設計
4.2.1 手指的形狀和分類
夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式；按手指夾持工件的部位又可分為內卡式(或內漲式)和外夾式兩種；按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。
4.2.2設計時考慮的幾個問題
1.具有足夠的夾緊力
足夠的夾緊力除了考慮工件重量外，還應避免在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動導致零件松動或脫落。
2.手指間應具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開角應保證工件能順利脫開，閉角應保證工件能順利進入。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
3.保證工件準確定位
為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
4.具有足夠的強度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。
5.考慮被抓取對象的要求
根據機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點
兩指回轉型，由于1#零件外觀為圓柱形，故手指形狀設計成類似“V”型的仿圓弧型，其結構如圖4-2所示。
圖4-2 1#機械手手爪
4.2.3 手部夾緊氣缸的設計
1、手部驅動力計算
1#機械手的手部結構受力簡圖（如圖4-3所示），其工件重量G=1N，仿“V”形手指的角度2=120°，b=50mm， R=20mm,摩擦系數為f=0.10 。
圖4-3 手部結構受力簡圖
(1) 根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為:
(2) 根據手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:
所以：
(3) 實際驅動力:
因為傳力機構為連桿機構，故取=0.94 ，并取=1.5.
若被抓取工件的最大加速度取a=g 時，則:
所以：
所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為12N。
2、氣缸的直徑
本氣缸屬于單向作用氣缸。根據力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為:
式中: ——活塞桿上的推力，N
——彈簧反作用力，N
——氣缸工作時的總阻力，N
P——氣缸工作壓力，Pa
彈簧反作用按下式計算:
式中: —— 彈簧剛度，N/m
L—— 彈簧預壓縮量，m
S—— 活塞行程，m
d——彈簧鋼絲直徑，m
D——彈簧平均直徑，m
D——彈簧外徑，m
n —— 彈簧有效圈數
G—— 彈簧材料剪切模量，一般取G=79.4X109Pa
在設計中，必須考慮負載率的影響，則:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關數據，可得：
所以：
查有關手冊圓整，得D=20 mm
由d/D=O.2～0.5， 可得活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=4～10 mm
圓整后，取活塞桿直徑d=10 mm
校核，按公式
有:
其中=120MPa, F=73.3N
則:d (43.5/120)=0.2 10，故滿足設計要求。
3、缸筒壁厚的設計
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
式中: δ—— 缸筒壁厚 ，mm
D—— 氣缸內徑 ，mm
P——實驗壓力，取P=1.5PPa
材料為 : ZL3,[] =3MPa
代入己知數據，則壁厚為:
=
=4 mm
取=5 mm，則缸筒外徑為:D=20+52 =30 mm。
4.3 手臂結構設計
4.3.1 手臂伸縮結構設計
手臂的伸縮運動形式為直線往復運動。通過查閱資料，我們最終選擇了氣壓驅動的活塞氣缸。因為活塞氣缸具有體積小、重量輕的特點，并且廣泛應用與機械手的結構設計中。但是，機械手手臂在作直線往復運動時，手臂可能會繞軸線發(fā)生轉動，為了保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，必須采用適當的導向裝置。導向裝置的選擇因素有手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等等加以確定，同時應減少運動部件的重量，這樣就可以減少手臂對回轉中心的轉動慣量。在本機械手中，采用的是單導向桿作為導向裝置，它可以增加手臂的剛性和導向性。
4.3.2 手臂伸縮驅動力的計算
圖4-3 所示為活塞氣缸驅動手臂前伸時的示意圖。
圖4-3 手臂伸出時的受力狀態(tài)
在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅動力和壓力之間的關系式不一樣。當壓縮空氣輸入工作腔時，驅使手臂前伸(或縮回)，其驅動力應克服手臂在前伸(或縮回)起動時所產生的慣性力，手臂運動件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力，因此，驅動力計算公式為:
P驅 = P慣 + P摩 + P密 + P背
式中:P慣——手臂在起動過程中的慣性力(N)；
P摩——摩擦阻力(包括導向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N)；
P密——密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻
力不同 ；
P背——氣缸非工作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與
大氣相連時，則 P背 =0 。
根據手臂伸縮運動的驅動力公式:F=Ff +
其中，由于手臂運動從靜止開始，所以△v=v,
摩擦系數:設計氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查有關手冊可知f=0.17。
質量計算:手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、夾緊氣缸、手臂伸縮用液壓緩沖器、手爪及相關的固定元件組成。氣缸為標準氣缸，根據中國煙臺氣動元件廠的《產品樣本》可估其質量，同時測量設計的有關尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時其質量為700g，放松物件后其質量為600g.接觸面積:S≈5×10-4m2
則夾緊時：
F=F +
=
放松時：
F=F +
=
考慮安全因素，應乘以安全系數K=1.2
則夾緊時: F=441.2=53(N)
放松時: F=381.2=45(N)
4.3.3 手臂伸縮氣缸的設計
1、氣缸的直徑
根據雙作用氣缸的計算公式:
其中: F——活塞桿伸出時的推力，N
F——活塞桿縮入時的拉力
d——活塞直徑，mm
P——氣缸工作壓力，Pa
代入有關數據，得:
當推力做功時:
=
當拉力做功時:
D=(1.01～1.09)(4F/
=(1.01～1.09)
故圓整后，取D=20mm
2、活塞桿直徑的計算
根據設計要求,此活塞桿為實心活塞桿，假設取d=10mm。
校核如下:(按縱向彎曲極限力計算)
氣缸承受縱向推力達到極限力F以后，活塞桿會產生軸向彎曲，出現不穩(wěn)定現象。因此，必須使推力負載(氣缸工作負載F與工作總阻力F之和)小于極限力F。
該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關。有關公式為:
式中: L——活塞桿計算長度，m
K——活塞桿橫截面回轉半徑，m
A——活塞桿橫截面面積，m
f——材料強度實驗值，對鋼取f=2.110Pa
a——系數，對鋼a=1/5000
代入有關數據，得:
=
推力負載為:
代入有關數據，得: =<<
所以，安全。設計符合要求。
3、缸筒壁厚計算
根據公式：
式中P為實驗壓力，取P=1.5P=0.610Pa
材料為ZL3，則[]=3MPa，則：
=
取=5 mm，則缸筒外徑為:D=20+52 =30 mm。
4.4 升降缸結構設計
4.4.1 升降缸結構設計
升降缸的工作原理和結構設計與手臂伸縮缸基本相同，可以通過所承受的壓力設計升降缸的尺寸。升降缸應滿足：
1.有足夠的剛度和穩(wěn)定性
2.運動要靈活，一般要有導向長度，且導向長度不宜過短，以免產生卡死現象
3.結構布置要合理，便于裝修
4.4.2 升降缸驅動力的計算
根據氣缸驅動時需要克服的運動部件的總重量、摩擦力和啟動慣性力等幾個方面的阻力，所以油缸的驅動力為?
P驅 = P慣 + P摩 + P密 + P背
式中:P慣——升降缸在起動過程中的慣性力(N)；
P摩——摩擦阻力(包括導向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N)；
P密——密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻
力不同 ；
P背——氣缸非工作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與
大氣相連時，則 P背 =0 。
根據升降缸升降運動的驅動力公式:F=Ff +
其中，由于手臂運動從靜止開始，所以△v=v,
摩擦系數:設計氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查有關手冊可知f=0.17。
質量計算:氣缸為標準氣缸，根據中國煙臺氣動元件廠的《產品樣本》可估其質量，同時測量設計的有關尺寸，得知夾緊物體時其質量為1.5Kg，放松物件后其質量為1.4Kg，接觸面積:S≈5×10-4m2
則夾緊時：
F=F +
=
放松時：
F=F +
=
考慮安全因素，應乘以安全系數K=1.2
則夾緊時: F=931.2=112(N)
放松時: F=86.81.2=104(N)
4.4.3 升降氣缸的設計
1、氣缸的直徑
根據雙作用氣缸的計算公式:
其中: F——活塞桿伸出時的推力，N
F——活塞桿縮入時的拉力
d——活塞直徑，mm
P——氣缸工作壓力，Pa
代入有關數據，得:
當推力做功時:
=
當拉力做功時:
D=(1.01～1.09)(4F/
=(1.01～1.09)
查氣缸標準手冊后，取D=32mm
2、活塞桿直徑的計算
根據設計要求,此活塞桿為實心活塞桿，假設取d=10mm。
校核如下:(按縱向彎曲極限力計算)
氣缸承受縱向推力達到極限力F以后，活塞桿會產生軸向彎曲，出現不穩(wěn)定現象。因此，必須使推力負載(氣缸工作負載F與工作總阻力F之和)小于極限力F。
該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關。有關公式為:
式中: L——活塞桿計算長度，m
K——活塞桿橫截面回轉半徑，m
A——活塞桿橫截面面積，m
f——材料強度實驗值，對鋼取f=2.110Pa
a——系數，對鋼a=1/5000
代入有關數據，得:
=
推力負載為:
代入有關數據，得: =<<
所以，安全。設計符合要求。
3、缸筒壁厚計算
根據公式：
式中P為實驗壓力，取P=1.5P=0.610Pa
材料為ZL3，則[]=3MPa，則：
=
取=9 mm，則缸筒外徑為:D=32+92 =50 mm。
第5章 2#機械手的結構設計
5.1 路徑規(guī)劃
2#機械手（圖5-1）是用來裝配2#零件（如圖3-4所示），該零件通過機械手抓取放下后，還要施加一壓力后才能完成裝配。2#機械手需要完成抓取→抓緊→上升→定位→放下→壓緊→松開等一系列動作。
圖5-1 2#機械手
5.2 手部結構設計
5.2.1 手指的形狀
2#機械手和1#機械手的夾持方式都為夾持式，由于 2#零件為塑料件，體積小質量輕，所以2#機械手的手爪通過仿形來設計其結構，如圖5-2、5-3所示。
圖5-2 2#機械手手爪（左）
圖5-3 2#機械手手爪（右）
5.2.2 手部夾緊氣缸的設計
1、手部驅動力計算
2#機械手的手部結構受力簡圖參照圖4-3，可以簡化為一內切圓R=1.8mm,其工件重量G=0.5N，仿“V”形手指的角度2=120°，b=5mm， 摩擦系數為f=0.10 。
（1）根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為:
（2）根據手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:
所以：
（3）實際驅動力:
因為傳力機構為連桿機構，故取=0.94 ，并取=1.5.
若被抓取工件的最大加速度取a=g 時，則:
所以：
所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為6.2N。
由于2#機械手所需夾緊氣缸的驅動力小于1#機械手所需夾緊氣缸的驅動力，2#零件的質量遠小于1#零件的質量，故1#機械手的所有氣缸結構及尺寸均可滿足2#機械手。
5.3各氣缸的設計
由于2#機械手所選擇的氣缸與1#機械手一致且滿足要求，所以夾緊缸、伸縮缸、升降缸的具體計算過程詳見上一章。
第六章 總結
隨著畢業(yè)日子的到來，畢業(yè)設計也接近了尾聲。經過幾周的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設計終于完成了。在沒有做畢業(yè)設計以前覺得畢業(yè)設計只是對這幾年來所學知識的單純總結，但是通過這次做畢業(yè)設計發(fā)現自己的看法有點太片面。畢業(yè)設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業(yè)設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。
在這次畢業(yè)設計中也使我們的同學關系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量